KR20230085546A - 다기능성 라디칼 스캐빈저, 이를 포함하는 고분자 전해질 막, 촉매층, 막-전극 어셈블리 및 연료전지 - Google Patents

다기능성 라디칼 스캐빈저, 이를 포함하는 고분자 전해질 막, 촉매층, 막-전극 어셈블리 및 연료전지 Download PDF

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이주성
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Abstract

내구성이 개선되고 방열 기능을 갖는 다기능성 라디칼 스캐빈저가 제공된다. 본 발명에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저는, 제1 라디칼 스캐빈저(radical scavenger) 및 상기 제1 라디칼 스캐빈저의 표면 상에 코팅된 기능성 나노시트층을 포함하고, 상기 기능성 나노시트층은, 기능성 나노시트를 포함한다.

Description

다기능성 라디칼 스캐빈저, 이를 포함하는 고분자 전해질 막, 촉매층, 막-전극 어셈블리 및 연료전지{MULTIFUNCTIONAL RADICAL SCAVENGER, POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE COMPRISING THE SAME, CATALYST LAYER, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL}
본 발명은 다기능성 보호막을 구비한 다기능성 라디칼 스캐빈저, 이를 포함하는 고분자 전해질 막, 촉매층, 막-전극 어셈블리 및 연료전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 내구성이 개선되고 방열 기능을 갖는 다기능성 라디칼 스캐빈저를 통해 화학적 내구성 및 방열 기능이 향상된 다기능성 라디칼 스캐빈저, 이를 포함하는 고분자 전해질 막, 촉매층, 막-전극 어셈블리 및 연료전지에 관한 것이다.
막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 셀(unit cell)들의 적층 구조를 이용하여 전기를 발생시키는 고분자 전해질 막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 높은 에너지 효율성과 친환경적 특징으로 인해 화석 에너지를 대체할 수 있는 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.
막-전극 어셈블리는 일반적으로 산화극(또는 애노드 전극), 환원극(또는 캐소드 전극) 및 이들 사이의 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane)을 포함한다.
수소 가스와 같은 연료가 산화극에 공급되면, 산화극에서는 수소의 산화반응에 의해 수소 이온(H+)과 전자(e-)가 생성된다. 생성된 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 환원극으로 전달되고, 생성된 전자는 외부 회로를 통해 환원극에 전달된다. 산소를 포함하는 공기가 공급되는 환원극에서는, 상기 산소의 환원 반응이 일어난다. 즉, 산소는 수소 이온 및 전자와 결합하여 물을 생성한다.
특히 고분자 전해질 막은 고분자 전해질 막 연료전지의 성능 및 수명에 막대한 영향을 미친다. 따라서, 연료전지의 구동에 따른 고분자 전해질 막의 열화(degradation)를 방지하는 것이 연료전지의 성능 및 수명 향상에 매우 중요하다.
연료전지가 구동할 때 발생하는 산소 라디칼이 상기 고분자 전해질 막의 열화의 주요 원인으로 알려져 있다. 예를 들어, 환원극에서의 산소의 환원 반응 중에 과산화수소(H2O2)가 생성되며, 이 과산화수소로부터 과산화수소 라디칼(hydroperoxyl radical)(HO2·) 및/또는 수산화 라디칼(hydroxyl radical)(·OH)이 생성될 수 있다. 또한, 상기 환원극으로 공급되는 공기 중의 산소가 고분자 전해질 막을 통과하여 산화극에 도달할 경우, 상기 산화극에서도 과산화수소가 생성되어 과산화수소 라디칼 및/또는 수산화 라디칼을 야기할 수 있다. 이러한 산소 라디칼들은 고분자 전해질 막에 포함되어 있는 이온전도체의 열화를 야기하여 상기 고분자 전해질 막의 이온 전도도를 저하시킨다.
산소 라디칼로 인한 이온전도체의 열화를 방지하기 위하여, 상기 산소 라디칼을 제거할 수 있는 라디칼 스캐빈저(radical scavenger)의 도입이 제안되었다. 그러나, 입자 형태로 전해질막 내 또는 전극 슬러리 내에 분산되는 상기 라디칼 스캐빈저는 연료전지의 운전 중에 라디칼을 제거할 수 있는 단일 기능만을 나타내는 한계점이 있었다.
예를 들어, 본 출원인에 의해 공개된 국제공개번호 WO 2020/226449 A1은 라디칼 포획 입자의 표면 상에 다공성 보호막을 포함하고, 상기 다공성 보호막이 실리카, 탄소 질화물, 헤테로 원자가 도핑된 그래핀, 포르피린계 화합물, 페나진계 화합물 및 이들의 유도체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 고산화안정성 물질을 포함하는 점을 구체적으로 개시하고 있다. 하지만, 상기 다공성 보호막은 연료전지 구동 중 라디칼 포획 입자로부터 유래되는 금속 이온의 용출이 방출되는 것을 방지함으로써 연료전지의 수명을 장기간 동안 유지하는 기술적 과제에만 치중되었고, 다기능성 라디칼 스캐빈저를 제공할 수 없는 한계점이 있었다. 또한, 상기 다공성 보호막 중 하나인 g-C3N4층은 전구체 용액을 열처리하여 bulk 형태로 형성되어, 라디칼 스캐빈저의 산소 라디칼 포획 기능이 떨어지는 한계점이 있었다. 또한, 상기 공개특허는 기능성 나노시트를 일절 개시하지 못하고 있다.
국제공개특허 WO 2020/226449 A1(2020.12.11.)
본 발명의 목적은 상기 한계점을 해결하기 위한 것으로, 라디칼 스캐빈저의 표면 상에 코팅된 기능성 나노시트층을 통해, 내구성이 개선되고 방열 기능을 갖는 다기능성 라디칼 스캐빈저를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 공명음향혼합기(Resonant Acoustic Mixer; RAM)를 이용하여 라디칼 스캐빈저의 표면 상에 기능성 나노시트층이 용이하게 코팅되도록 하는 다기능성 라디칼 스캐빈저의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 다기능성 라디칼 스캐빈저를 포함하는 고분자 전해질 막을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 다기능성 라디칼 스캐빈저를 포함하는 촉매층을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 촉매층을 포함하는 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 제1 라디칼 스캐빈저(radical scavenger) 및 상기 제1 라디칼 스캐빈저의 표면 상에 코팅된 기능성 나노시트층을 포함하고, 상기 기능성 나노시트층은, 기능성 나노시트를 포함하는 다기능성 라디칼 스캐빈저를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는 상기 다기능성 라디칼 스캐빈저를 포함하는 고분자 전해질 막을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예는 상기 다기능성 라디칼 스캐빈저를 포함하는 촉매층을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예는 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예는 상기 촉매층을 포함하는 막-전극 어셈블리를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예는 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 내구성이 개선되고 방열 기능을 갖는 다기능성 라디칼 스캐빈저를 제공할 수 있다. 이러한 다기능성 라디칼 스캐빈저를 통해, 화학적 내구성이 개선되고, 연료전지 구동 시 발생하는 열을 외부로 효과적으로 방출하여 연료전지의 수명을 연장시킬 수 있는 막-전극 어셈블리를 제공할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저의 TEM 사진이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저의 TEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리의 화학내구성 평가 결과이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.
본 발명의 일 측면에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저는, 제1 라디칼 스캐빈저 및 상기 제1 라디칼 스캐빈저의 표면 상에 코팅된 기능성 나노시트층을 포함한다. 상기 기능성 나노시트층은, 기능성 나노시트를 포함한다.
이하에서는, 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명한다.
1. 다기능성 라디칼 스캐빈저 및 그의 제조방법
본 발명의 일 실시예에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저는, 제1 라디칼 스캐빈저를 포함한다. 상기 제1 라디칼 스캐빈저는, 산소의 환원 반응 중에 생성된 과산화수소에서 유래된 산소 라디칼을 제거할 수 있다.
상기 제1 라디칼 스캐빈저는, 예를 들어 전이금속, 전이금속의 이온, 전이금속의 산화물, 전이금속의 착물(complex), 귀금속, 귀금속의 이온, 귀금속의 산화물, 귀금속의 착물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 다만 본 발명의 기술사상이 이에 제한되는 것은 아니고, 산소 라디칼을 포획할 수 있는 입자 형태면 모두 적용될 수 있다.
상기 전이금속은, 세륨(Ce), 망간(Mn), 텅스텐(W), 코발트(Co), 바나듐(V), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 이리듐(Ir), 철(Fe), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 란탄(La) 및 네오디뮴(Nd)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 귀금속은, 은(Ag), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저는, 기능성 나노시트층을 포함한다. 상기 기능성 나노시트층은, 기능성 나노시트를 포함한다. 본 발명에 따르면, bulk 형태가 아닌 2차원 나노시트(nanosheet) 형태로 제1 라디칼 스캐빈저의 표면 상에 코팅됨으로써, 제1 라디칼 스캐빈저의 산소 라디칼 포획 효과가 잘 유지될 수 있을 뿐만 아니라, 제1 라디칼 스캐빈저의 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 기능성 나노시트는, 그래피틱-카본나이트라이드 나노시트(g-C3N4 nanosheet) 또는 육방정 질화붕소 나노시트(h-BN nanosheet)를 포함한다.
먼저, 그래피틱-카본나이트라이드 나노시트(g-C3N4 nanosheet)는 2차원 나노시트로 넓은 비표면적을 가지고 있어 상기 제1 라디칼 스캐빈저의 표면에 코팅이 용이하게 이루어질 수 있는 장점이 있다. 또한, 그래피틱-카본나이트라이드 나노시트는 상기 제1 라디칼 스캐빈저에 코팅층을 형성함으로써 내구성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 상기 제1 라디칼 스캐빈저에서 전이금속 또는 귀금속 이온이 용출되는 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저에 의하면 제1 라디칼 스캐빈저가 산소 라디칼 포획 기능을 용이하게 수행하도록 할 수 있고, 제1 라디칼 스캐빈저의 내구성을 향상시켜 결과적으로 막-전극 어셈블리의 화학적 내구성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 육방정 질화붕소 나노시트(h-BN nanosheet)는 전술한 그래피틱-카본나이트라이드 나노시트와 마찬가지로 2차원 나노시트로 넓은 비표면적을 가지고 있어 상기 제1 라디칼 스캐빈저의 표면에 코팅이 용이하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.
또한, 육방정 질화붕소 나노시트는, 방열 소재로 연료전지 구동 시, 막-전극 어셈블리에서 발생하는 열을 외부로 효과적으로 방출하여 연료전지의 수명을 연장시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저에 의하면 제1 라디칼 스캐빈저의 본래 기능인 산소 라디칼 포획 기능을 수행함과 동시에 연료전지 구동 시 발생하는 열을 외부로 방출하는 기능을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 기능성 나노시트는, 길이가 30 내지 300 nm(나노미터)일 수 있고, 바람직하게는 100 내지 300nm(나노미터), 더욱 바람직하게는 200 내지 300nm(나노미터)일 수 있다. 상기 기능성 나노시트의 두께는 다중층일 수 있고 1 내지 20층의 다중층 구조일 수 있고, 바람직하게는 5 내지 15층의 다중층 구조, 더욱 바람직하게는 5 내지 10층의 다중층 구조일 수 있다. 다만 본 발명의 기술 사상이 이에 제한되는 것은 아니고, 길이가 300nm를 초과한 기능성 나노시트도 적용될 수 있다. 하지만 이 경우, 볼밀 또는 비드(bead)를 포함하는 유성교반을 활용하여 상기 수치 범위 내의 기능성 나노시트가 60% 이상이 되도록 조절하는 단계가 추가적으로 필요할 수 있다.
본 발명에 따른 기능성 나노시트층의 두께는 0.1 내지 50 nm(나노미터), 바람직하게는 0.3 내지 40 nm(나노미터), 더욱 바람직하게는 0.5 내지 30nm(나노미터)일 수 있다. 상기 기능성 나노시트층의 두께가 상기 수치 범위 미만일 경우, 다기능성 라디칼 스캐빈저의 라디칼 스캐빈저 보호기능과 다기능 목적이 잘 구현되지 않을 수 있고, 상기 수치 범위를 초과할 경우 상기 제1 라디칼 스캐빈저의 산소 라디칼을 포획하는 효과가 떨어질 수 있다.
본 발명에 따른 기능성 나노시트층은, 3 내지 50분 동안, 50 내지 100g의 중력가속도의 분위기에서, 55 내지 65 Hz의 주파수를 가하면서, 상기 제1 라디칼 스캐빈저 및 상기 기능성 나노시트를 혼합하여 제조되는 것일 수 있다.
상기 기능성 나노시트의 함량은, 상기 제1 라디칼 스캐빈저 100 중량부를 기준으로 50 내지 300 중량부, 바람직하게는 60 내지 230 중량부, 더욱 바람직하게는 70 내지 160 중량부일 수 있다. 상기 기능성 나노시트의 함량이 상기 수치 범위 미만일 경우, 나노시트가 라디칼 스캐빈저의 표면을 충분히 보호하지 못해 라디칼 스캐빈저의 내구성이 떨어지며, 다기능성 라디칼 스캐빈저의 다기능 목적이 충분히 발현되지 못 할 수 있고, 상기 수치 범위를 초과할 경우 기능성 나노시트층이 너무 두껍게 형성되어 라디칼 스캐빈저의 산소 라디칼을 포획하는 효과가 떨어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 전술한 다기능성 라디칼 스캐빈저의 제조방법이다. 이하, 도 1 및 2를 참고하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하고 전술한 부분과 반복된 설명은 간략히 설명하거나 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 1 및 2를 참고하면, 본 발명에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저의 제조방법은, 제1 라디칼 스캐빈저 100 중량부와 기능성 나노시트 50 내지 300 중량부를, 공명음향혼합기(Resonant Acoustic Mixer; RAM)를 이용하여 3 내지 50분 동안 50 내지 100g의 중력가속도의 분위기에서 55 내지 65Hz의 주파수를 가하면서 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 필요에 따라, 코팅성을 용이하기 위해 용매를 이용하여 제1 라디칼 스캐빈저와 기능성 나노시트를 혼합할 수 있다. 상기 용매는 예를 들어 아세트산 용액, 살리실산 용액 등의 약산성 용매일 수 있다.
구체적으로, 상기 다기능성 라디칼 스캐빈저를 제조하는 단계는 3 내지 40분 동안 50 내지 90g의 중력가속도의 분위기에서 57 내지 63Hz의 주파수를 가하면서 혼합하는 단계일 수 있다. 상기 제조 단계의 수치 범위가 상기 수치 범위를 벗어날 경우, 기능성 나노시트층의 코팅 작업이 용이하게 이루어지지 않을 수 있다.
본 발명에 따르면, 비드(bead)를 포함하는 공명음향혼합기를 통해, 기능성 나노시트와 제1 라디칼 스캐빈저를 균질하게 혼합할 수 있고, 이에 따라 제1 라디칼 스캐빈저의 표면 상에 기능성 나노시트층이 용이하게 코팅될 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 종래의 볼 밀링(ball milling) 공정보다 제조시간을 단축시킬 수 있다. 다만 본 발명의 기술사상이 이이 제한되는 것은 아니고, 기능성 나노시트의 크기에 따라 볼 밀링 공정, 비드를 포함하는 유성교반 등의 공정이 추가적으로 필요할 수 있다.
2. 고분자 전해질 막
본 발명의 또 다른 실시예는, 전술한 다기능성 라디칼 스캐빈저를 포함하는 고분자 전해질 막이다. 전술한 부분과 반복된 설명은 간략히 설명하거나 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질 막은, 다기능성 라디칼 스캐빈저를 포함하는 이온전도체 분산액을 기재에 제막한 후, 이를 건조하여 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 고분자 전해질 막은, 이온전도체 분산액이함침된 다공성 지지체를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이온전도체 분산액은, 이온전도체를 포함할 수 있다. 상기 다기능성 라디칼 스캐빈저의 함량은 상기 이온전도체 100 중량부를 기준으로 0.05 내지 20 중량부일 수 있고, 바람직하게는 0.1 내지 15 중량부, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 10 중량부일 수 있다. 상기 다기능성 라디칼 스캐빈저의 함량이 상기 수치 범위를 초과할 경우, 이온전도도가 낮아질 수 있고, 상기 수치 범위 미만일 경우 막-전극 어셈블리의 화학적 내구성이 충분히 개선되지 않을 수 있다.
상기 부분 불소계 이온전도체는, 예를 들어, 폴리스티렌-그라프트-에틸렌테트라플루오로에틸렌 공중합체, 또는 폴리스티렌-그라프트-폴리테트라플루오로에틸렌 공중합체일 수 있다.
상기 탄화수소계 이온전도체는, 예를 들어, 술폰화된 폴리이미드(Sulfonated polyimide, S-PI), 술폰화된 폴리아릴에테르술폰(Sulfonated polyarylethersulfone, S-PAES), 술폰화된 폴리에테르에테르케톤(Sulfonated polyetheretherketone, S-PEEK), 술폰화된 폴리벤즈이미다졸(Sulfonated polybenzimidazole, S-PBI), 술폰화된 폴리술폰(Sulfonated polysulfone, S-PSU), 술폰화된 폴리스티렌(Sulfonated polystyrene, S-PS), 술폰화된 폴리포스파젠(Sulfonated polyphosphazene), 술폰화된 폴리퀴녹살린(Sulfonated polyquinoxaline), 술폰화된 폴리케톤(Sulfonated polyketone), 술폰화된 폴리페닐렌옥사이드(Sulfonated polyphenylene oxide), 술폰화된 폴리에테르술폰(Sulfonated polyether sulfone), 술폰화된 폴리에테르케톤(Sulfonated polyether ketone), 술폰화된 폴리페닐렌술폰(Sulfonated polyphenylene sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드(Sulfonated polyphenylene sulfide), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰(Sulfonated polyphenylene sulfide sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰니트릴(Sulfonated polyphenylene sulfide sulfone nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르(Sulfonated polyarylene ether), 술폰화된 폴리아릴렌에테르니트릴(Sulfonated polyarylene ether nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르에테르니트릴(Sulfonated polyarylene ether ether nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르술폰케톤(Sulfonated polyarylene ether sulfone ketone) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 다공성 지지체는 불소계 지지체 또는 나노 웹 지지체일 수 있다.
상기 불소계 지지체는 예를 들어, 고분자 피브릴의 미세 구조, 또는 피브릴에 의해서 마디가 서로 연결된 미세 구조를 가지는 확장된 폴리테트라플루오로에틸렌(Expanded Polytetrafluoroethylene; e-PTFE)에 해당할 수 있다. 또한, 상기 다공성 지지체로 상기 마디가 존재하지 않는 고분자 피브릴의 미세 구조를 가지는 필름도 이용될 수 있다.
상기 불소계 지지체는 과불소화 중합체를 포함할 수 있다. 상기 다공성 지지체는 분산 중합　PTFE를 윤활제의 존재 하에서 테이프에 압출 성형하고, 이에 의하여 얻어진 재료를 연신하여 보다 다공질이며, 보다 강한 다공성 지지체에 해당할 수 있다.
또한, 상기　PTFE의 융점(약 342℃)을 초과하는 온도에서 상기 e-PTFE를 열처리함으로써　PTFE의 비정질 함유율을 증가시킬 수도 있다. 상기 방법으로 제조된 e-PTFE 필름은 다양한 지름을 가지는 미세 기공 및 공극율을 가질 수 있다. 상기 방법으로 제조된 e-PTFE 필름은 적어도 35 %의 공극을 가질 수 있으며, 상기 미세 기공의 지름은 약 0.01 내지 1 ㎛(마이크로미터)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 웹 지지체는 무작위로 배향된 복수개의 섬유로 이루어지는 부직포 섬유질 웹(non-woven fibrous web)일 수 있다. 상기 부직포 섬유질 웹은 인터레이드(interlaid)되지만, 직포 천과 동일한 방식이 아닌, 개개의 섬유 또는 필라멘트의 구조를 갖는 시트를 의미한다. 상기 부직포 섬유질 웹은 카딩(carding), 가네팅(garneting), 에어-레잉(air-laying), 웨트-레잉(wet-laying), 멜트 블로잉(melt blowing), 스펀본딩(spun bonding) 및 스티치 본딩(stitch bonding)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 방법에 의하여 제조될 수 있다.
상기 섬유는 하나 이상의 중합체 재료를 포함할 수 있고, 일반적으로 섬유 형성 중합체 재료로 사용되는 것이면 어느 것이나 사용 가능하고, 구체적으로 탄화수소계 섬유 형성 중합체 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유 형성 중합체 재료는 폴리올레핀, 예컨대 폴리부틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리아미드(나일론-6 및 나일론-6,6), 폴리우레탄 폴리부텐, 폴리락트산, 폴리비닐 알코올, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리설폰, 유체 결정질 중합체, 폴리에틸렌-코-비닐아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 사이클릭 폴리올레핀, 폴리옥시메틸렌, 폴리올레핀계 열가소성 탄성중합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다. 다만 본 발명의 기술사상이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 웹 지지체는 나노 섬유들이 다수의 기공을 포함하는 부직포 형태로 집적된 지지체일 수 있다.
상기 나노 섬유는 우수한 내화학성을 나타내고, 소수성을 가져 고습의 환경에서 수분에 의한 형태 변형 우려가 없는 탄화수소계 고분자를 바람직하게 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 탄화수소계 고분자로는 나일론, 폴리이미드, 폴리아라미드, 폴리에테르이미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아닐린, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 스티렌 부타디엔 고무, 폴리스티렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 부틸렌, 폴리우레탄, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리아미드이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 이들의 공중합체, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 이 중에서도 내열성, 내화학성, 및 형태 안정성이 보다 우수한 폴리이미드를 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 나노 웹 지지체는 전기 방사에 의해 제조된 나노 섬유가 랜덤하게 배열된 나노 섬유의 집합체이다. 이때 상기 나노 섬유는 상기 나노 웹의 다공도 및 두께를 고려하여, 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope, JSM6700F, JEOL)을 이용하여 50 개의 섬유 직경을 측정하여 그 평균으로부터 계산했을 때, 40 내지 5000nm(나노미터)의 평균 직경을 갖는 것이 바람직하다.
만일 상기 나노 섬유의 평균 직경이 상기 수치 범위 미만일 경우, 상기 다공성 지지체의 기계적 강도가 저하될 수 있고, 상기 나노 섬유의 평균 직경이 상기 수치 범위를 초과할 경우 다공도가 현저히 떨어지고 두께가 두꺼워질 수 있다.
상기 부직포 섬유질 웹의 두께는 10 내지 50 ㎛(마이크로미터)일 수 있고, 구체적으로 15 내지 43 ㎛(마이크로미터)일 수 있다. 상기 부직포 섬유질 웹의 두께가 상기 수치 범위 미만인 경우 기계적 강도가 떨어질 수 있고, 상기 수치 범위를 초과할 경우 저항손실이 증가하고, 경량화 및 집적화가 떨어질 수 있다.
상기 부직포 섬유질 웹은 평량(basic weight)이 5 내지 30 mg/cm2일 수 있다. 상기 부직포 섬유질 웹의 평량이 상기 수치 범위 미만일 경우 눈에 보이는 기공이 형성되어 다공성 지지체로서 기능을 하기 어려울 수 있고, 상기 수치 범위를 초과하는 경우에는 포어가 거의 형성되지 않는 종이 또는 직물의 형태처럼 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 다공성 지지체는 다공도는 30 내지 90 %에 해당할 수 있고, 바람직하게는 60 내지 85%에 해당함이 바람직하다. 상기 다공성 지지체의 다공도가 상기 수치 범위 미만일 경우 이온전도체의 함침성 저하 문제가 생길 수 있고, 상기 수치 범위를 초과할 경우 형태 안정성이 저하됨으로써 후공정이 원활하게 진행되지 않을 수 있다.
상기 다공도는 하기 수학식 1에 따라 상기 다공성 지지체의 전체 부피 대비 다공성 지지체 내 공기 부피의 비율에 의하여 계산할 수 있다. 이때, 상기 전체 부피는 직사각형 형태의 샘플을 제조하여 가로, 세로, 두께를 측정하여 계산하고, 공기부피는 샘플의 질량을 측정 후 밀도로부터 역산한 고분자 부피를 전체 부피에서 빼서 얻을 수 있다.
[수학식 1]
다공도(%)=(다공성 지지체 내 공기 부피/다공성 지지체의 전체 부피) X 100
3. 촉매층
본 발명의 또 다른 실시예는, 전술한 다기능성 라디칼 스캐빈저를 포함하는 촉매층이다. 전술한 부분과 반복된 설명은 간략히 설명하거나 생략한다.
본 발명에 따른 촉매층은 전극 슬러리를 고분자 전해질 막의 적어도 일면 상에 코팅하여 제조된 것일 수 있다.
상기 전극 슬러리는, 본 발명에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저를 구비함으로써, 막-전극 어셈블리의 화학적 내구성을 개선시킬 수 있고, 연료전지 구동 시 발생하는 열을 외부로 효율적으로 방출할 수 있다.
시 발생하는 열을 외부로 효율적으로 방출할 수 있다.
4. 막-전극 어셈블리(100)
본 발명의 또 다른 실시예는, 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리이다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 상기 촉매층을 포함하는 막-전극 어셈블리이다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 제1 다기능성 라디칼 스캐빈저를 포함하는 고분자 전해질 막 및 상기 고분자 전해질 막의 적어도 일면 상에 코팅된 제2 다기능성 라디칼 스캐빈저를 포함하는 촉매층을 포함하는 막-전극 어셈블리이다. 상기 제1 다기능성 라디칼 스캐빈저는 상기 제2 다기능성 라디칼 스캐빈저와 동일하거나 상이할 수 있다.
본 발명에 따르면, 막-전극 어셈블리가 다기능성 라디칼 스캐빈저를 포함함으로써, 화학적 내구성이 개선되고, 연료전지 구동 시 발생하는 열을 외부로 효과적으로 방출하여 연료전지의 수명을 연장시킬 수 있는 막-전극 어셈블리를 제공할 수 있다.
이하, 도 3을 참고하여 본 발명의 구성을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 막-전극 어셈블리(100)는 상기 고분자 전해질 막(50)을 포함하는 막-전극 어셈블리(100)로서, 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극(20)과 캐소드 전극(20') 및 상기 애노드 전극(20)과 상기 캐소드 전극(20') 사이에 위치하는 상기 고분자 전해질 막(50)을 포함한다.
상기 애노드 및 캐소드 전극(20, 20')은 전극 기재(40, 40')와 상기 전극 기재(40, 40') 표면에 형성된 촉매층(30, 30')을 포함하며, 상기 전극 기재(40, 40')와 상기 촉매층(30, 30') 사이에 상기 전극 기재(40, 40')에서의 물질 확산을 용이하게 하기 위해 탄소분말, 카본 블랙 등의 도전성 미세 입자를 포함하는 미세 기공층(미도시)을 더 포함할 수도 있다.
상기 애노드 및 캐소드 전극(20, 20')의 촉매층(30, 30')은 촉매를 포함한다. 상기 촉매로는 전지의 반응에 참여하여, 통상 연료전지의 촉매로 사용 가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 바람직하게는 백금계 금속을 사용할 수 있다.
상기 백금계 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금-M 합금, 비백금 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 백금계 촉매 금속 군에서 선택된 2종 이상의 금속을 조합한 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 본 기술 분야에서 사용 가능한 백금계 촉매 금속이라면 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 M은 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 갈륨(Ga), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 아연(Zn), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 란탄(La) 및 로듐(Rh)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상에 해당할 수 있다. 구체적으로 상기 백금 합금으로 Pt-Pd, Pt-Sn, Pt-Mo, Pt-Cr, Pt-W, Pt-Ru, Pt-Ru-W, Pt-Ru-Mo, Pt-Ru-Rh-Ni, Pt-Ru-Sn-W, Pt-Co-Ni, Pt-Co-Fe, Pt-Co-Ir, Pt-Co-S, Pt-Co-P, Pt-Fe, Pt-Fe-Ir, Pt-Fe-S, Pt-Fe-P, Pt-Au-Co, Pt-Au-Fe, Pt-Au-Ni, Pt-Ni, Pt-Ni-Ir, Pt-Cr, Pt-Cr-Ir 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 비백금 합금으로 Ir-Fe, Ir-Ru, Ir-Os, Co-Fe, Co-Ru, Co-Os, Rh-Fe, Rh-Ru, Rh-Os, Ir-Ru-Fe, Ir-Ru-Os, Rh-Ru-Fe, Rh-Ru-Os 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 촉매로 촉매 자체(black)를 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다.
5, 연료전지(200)
본 발명의 또 다른 실시예는, 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지이다.
도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지(200)는 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부(210), 상기 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 발생시키는 개질부(220), 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스가 산화제와 전기 화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 스택(230) 및 산화제를 상기 개질부(220) 및 상기 스택(230)으로 공급하는 산화제 공급부(240)를 포함할 수 있다.
상기 스택(230)은 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 공급부(240)로부터 공급되는 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀을 구비할 수 있다.
각각의 단위 셀은 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하는 것으로서, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 상기 막-전극 접합체와, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제를 막-전극 접합체로 공급하기 위한 분리판(또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고도 하며, 이하 '분리판'이라 칭한다)을 포함할 수 있다. 상기 분리판은 상기 막-전극 접합체를 중심에 두고, 그 양측에 배치된다. 이 때, 상기 스택의 최외측에 각각 위치하는 분리판을 특별히 엔드 플레이트라 칭하기도 한다.
상기 분리판 중 상기 엔드 플레이트에는 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1 공급관(231)과, 산소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2 공급관(232)이 구비되고, 다른 하나의 엔드 플레이트에는 복수의 단위 셀에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 외부로 배출시키기 위한 제1 배출관(233)과, 상기한 단위 셀에서 최종적으로 미반응되고 남은 산화제를 외부로 배출시키기 위한 제2 배출관(234)이 구비될 수 있다.
상기 연료전지에 있어서, 상기 전기 발생부를 구성하는 세퍼레이터, 연료 공급부 및 산화제 공급부는 통상의 연료전지에서 사용되는 것이므로, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.
[제조예 1: 라디칼 스캐빈저의 제조]
하기 비교예 및 실시예에 따른 라디칼 스캐빈저를 제조하였다.
<비교예 1: CeO 2 >
입자의 평균직경이 50nm인 CeO2를 준비하였다.
<비교예 2: bulk g-C 3 N 4 층이 코팅된 CeO 2 >
메톨피롤리딘 용매의 전체 중량을 기준으로 3 중량%의 디시안디아미드를 함유한 전구체 용액에 상기 메톨피롤리딘 용매 100 중량부를 기준으로 2 중량부의 CeO2 나노입자들을 투입한 후 25℃에서 10 시간 동안 250 rpm으로 교반하였다. 이어서, 3600 rpm으로 원심 분리를 수행하고 60℃에서 하룻밤 동안 건조함으로써 표면에 디시안디아미드 층이 형성된 CeO2 나노입자들을 수득하였다. 표면에 디시안디아미드 층이 형성된 CeO2 나노입자들을 550℃에서 4시간 동안 열처리하여 상기 디시안디아미드층을 bulk g-C3N4층으로 전환함으로써 라디칼 스캐빈저를 수득하였다. 상기 라디칼 스캐빈저를 80℃의 1.5M 황산에 넣고 3시간 동안 교반함으로써 상기 g-C3N4의 다공성 보호막에 흡착된 불순물을 제거하였고, 증류수로 수 차례 헹군 후 건조함으로써 최종적으로 CeO2의 표면에 g-C3N4 층(bulk)이 형성된 라디칼 스캐빈저를 제조하였다.
<실시예 1: 육방정 질화붕소 나노시트층이 코팅된 CeO 2 >
반응 용기에 CeO2 100 중량부와, 길이가 200 내지 300 nm이고, 5 내지 10 다중층(multi-layer)를 갖는 육방정 질화붕소 나노시트 (h-BN nanosheet) 120 중량부를, 공명음향혼합기(Resonant Acoustic Mixer)를 이용하여 10분 동안 80g의 중력가속도의 분위기에서 60 Hz의 주파수를 가하면서 이들을 혼합하였다. 최종적으로 CeO2의 표면에 두께가 9nm(나노미터)인 육방정 질화붕소 나노시트 (h-BN nanosheet)층을 형성하였다. 이로써, 실시예 1에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저를 제조하였다.
<실시예 2: 그래피틱-카본나이트라이드 나노시트층이 코팅된 CeO 2 >
실시예 1과 동일한 방법으로 다기능성 라디칼 스캐빈저를 제조하되, 육방정 질화붕소 나노시트(h-BN nanosheet) 대신, 그래피틱-카본나이트라이드 나노시트(g-C3N4 nanosheet)를 사용하였다.
[제조예 2: 막-전극 어셈블리의 제조]
상기 제조예 1에 따른 라디칼 스캐빈저를 포함하는 막-전극 어셈블리를 하기와 같이 제조하였다. 막-전극 어셈블리는 통상의 방법에 의해 제조되었다.
<비교예 1>
타나카(Tanaka)사의 상용 Pt/C 촉매 10g을 반응 용기에 넣고 용매로 적셔 합성 촉매 용액을 제조하였다, 상기 합성 촉매 용액에, 상기 촉매 100 중량부를 기준으로 상기 비교예 1에 따른 라디칼 스캐빈저 3.5 중량부와 이오노머(perfluorosulfonic acid; PFSA) 50 중량부를 첨가하여 이들을 고압 분산기를 이용하여 분산시켜 전극 슬러리를 제조하였다. 상기 전극 슬러리를 고분자 전해질 막(상품명: Nafion D-520)의 양면 상에 직접 코팅하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
<비교예 2>
비교예 1과 동일한 방법으로 막-전극 어셈블리를 제조하되, 상기 비교예 1에 따른 라디칼 스캐빈저 대신, 상기 비교예 2에 따른 라디칼 스캐빈저를 사용하였다.
<실시예 1>
비교예 1과 동일한 방법으로 막-전극 어셈블리를 제조하되, 상기 비교예 1에 따른 라디칼 스캐빈저 대신, 상기 실시예 1에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저를 사용하였다.
<실시예 2>
비교예 1과 동일한 방법으로 막-전극 어셈블리를 제조하되, 상기 비교예 1에 따른 라디칼 스캐빈저 대신, 상기 실시예 2에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저를 사용하였다.
[실험예 1: CeO 2 의 표면 상에 코팅된 그래피틱-카본나이트라이드 나노시트(g-C 3 N 4 nanosheet)층으로 이루어진 다기능성 라디칼 스캐빈저의 TEM 사진]
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저의 TEM (Transmission Electron Microscope) 사진이다.
도 5를 참고하면, CeO2의 표면 상에 그래피틱-카본나이트라이드 나노시트(g-C3N4 nanosheet)층이 코팅됨을 알 수 있다.
[실험예 2: CeO 2 의 표면 상에 코팅된 육방정 질화붕소 나노시트(h-BN nanosheet)층으로 이루어진 다기능성 라디칼 스캐빈저의 TEM 사진]
도 6은 본 발명의 다른 실시예예 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저의 TEM(Transmission Electron Microscope) 사진이다.
도 6을 참고하면, CeO2의 표면 상에 육방정 질화붕소 나노시트(h-BN nanosheet)층이 코팅됨을 알 수 있다.
[실험예 3: 촉매 내구성 평가 결과]
상기 제조예 2에 따른 막-전극 어셈블리의 촉매 내구성 평가를 위해 미국 에너지부(Department of Energy: DOE)의 촉매 내구성 평가 프로토콜을 이용하였다.
- 평가 조건: 80℃, H2/N2 기체 하에서 Anode 100 ccm/Cathode 37.5 ccm의 유량으로 상압 조건에서 0.6 ~ 1.0 V의 구간을 50 mV/s의 속도로 10,000 cycle 수행한 후 전압손실(voltage loss)을 평가하였다.
실시예 1의 경우 다른 경우에 비해 방열소재의 첨가로 인한 열전도성 향상으로 상대적으로 좋은 촉매 내구성을 나타냈다.
시료 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
전압손실(mV)
(10,000 cycles)		 17 mV 20mV 30 mV 23 mV
[실험예 4: 막-전극 어셈블리의 수소 크로스오버 평가]
상기 제조예 2에 따른 막-전극 어셈블리에 대하여 화학적 내구성을 미국 에너지부(Department of Energy: DOE)의 화학 내구성 평가 프로토콜에 기반하여 평가하였다. 구체적으로, 막-전극 어셈블리의 화학적 내구성 평가를 위해 OCV 유지법(OCV hold method)을 수행하였고 평가조건(90oC, H2/Air, 상대습도 30%(Anode)/30%(Cathode), 50 kPa의 압력) 하에서 수소 크로스오버를 측정하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리의 화학 내구성 평가 결과이다.
도 7을 참고하면, 수소 크로스오버 전류밀도(H2 crossover current density)가 15mA/cm2일 때 걸리는 시간이 실시예가 비교예보다 오래 걸리는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 기능성 나노시트층이 라디칼 스캐빈저 입자의 표면에 코팅되어, 수소 가스 투과도 성능이 현저히 개선되었음을 유추할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
50: 고분자 전해질 막
100: 막-전극 어셈블리
200: 연료전지

Claims (15)

  1. 제1 라디칼 스캐빈저(radical scavenger); 및
    상기 제1 라디칼 스캐빈저의 표면 상에 코팅된 기능성 나노시트층; 을 포함하고,
    상기 기능성 나노시트층은,
    기능성 나노시트를 포함하는
    다기능성 라디칼 스캐빈저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 라디칼 스캐빈저는,
    전이금속, 전이금속의 이온, 전이금속의 산화물, 전이금속의 착물(complex), 귀금속, 귀금속의 이온, 귀금속의 산화물, 귀금속의 착물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인
    다기능성 라디칼 스캐빈저.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전이금속은,
    세륨(Ce), 망간(Mn), 텅스텐(W), 코발트(Co), 바나듐(V), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 이리듐(Ir), 철(Fe), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 란탄(La) 및 네오디뮴(Nd)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인
    다기능성 라디칼 스캐빈저.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 귀금속은,
    은(Ag), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인
    다기능성 라디칼 스캐빈저.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 나노시트는,
    그래피틱-카본나이트라이드 나노시트(g-C3N4 nanosheet) 또는 육방정 질화붕소 나노시트(h-BN nanosheet)를 포함하는
    다기능성 라디칼 스캐빈저.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 나노시트는
    길이가 30 내지 300 nm(나노미터)인,
    다기능성 라디칼 스캐빈저.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 나노시트층의 두께는,
    0.1 내지 50 nm(나노미터)인
    다기능성 라디칼 스캐빈저.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 나노시트층은,
    공명음향혼합기(Resonant Acoustic Mixer)를 이용하여 제조되는 것인,
    다기능성 라디칼 스캐빈저.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기능성 나노시트층은,
    3 내지 50분 동안, 50 내지 100g의 중력가속도의 분위기에서, 55 내지 65 Hz의 주파수를 가하면서, 상기 제1 라디칼 스캐빈저 및 상기 기능성 나노시트를 혼합하여 제조되는 것인,
    다기능성 라디칼 스캐빈저.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 나노시트의 함량은,
    상기 제1 라디칼 스캐빈저 100 중량부를 기준으로 50 내지 300 중량부인
    다기능성 라디칼 스캐빈저.
  11. 제1항에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저를 포함하는 고분자 전해질 막.
  12. 제1항에 따른 다기능성 라디칼 스캐빈저를 포함하는 촉매층.
  13. 제11항에 따른 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리.
  14. 제12항에 따른 촉매층을 포함하는 막-전극 어셈블리.
  15. 제13항 또는 제14항에 따른 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지.
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WO2020226449A1 (ko) 2019-05-08 2020-11-12 코오롱인더스트리 주식회사 라디칼 스캐빈저, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 막-전극 접합체

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