KR20230143344A - Membrane assembly used in electrochemical hydrogen compressor and manufacturing method thereof - Google Patents

Membrane assembly used in electrochemical hydrogen compressor and manufacturing method thereof Download PDF

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KR20230143344A
KR20230143344A KR1020220042105A KR20220042105A KR20230143344A KR 20230143344 A KR20230143344 A KR 20230143344A KR 1020220042105 A KR1020220042105 A KR 1020220042105A KR 20220042105 A KR20220042105 A KR 20220042105A KR 20230143344 A KR20230143344 A KR 20230143344A
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이규희
김성현
한지훈
이은상
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이규희
김성현
한지훈
이은상
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Abstract

전술한 바와 같은 과제를 실현하기 위한 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전기화학적 수소압축기용 멤브레인 어셈블리 제조 방법이 개시된다. 상기 방법은 고분자 혼합액에 기초하여 고분자 필름을 생성하는 단계, 상기 고분자 필름의 양면에 촉매층을 형성하는 단계 및 상기 촉매층의 양면에 가스확산층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a membrane assembly for an electrochemical hydrogen compressor according to various embodiments of the present invention for realizing the above-described problems is disclosed. The method may include generating a polymer film based on a polymer mixture, forming a catalyst layer on both sides of the polymer film, and forming a gas diffusion layer on both sides of the catalyst layer.

Description

전기화학적 수소압축기에 활용되는 멤브레인 어셈블리 및 그 제조방법{MEMBRANE ASSEMBLY USED IN ELECTROCHEMICAL HYDROGEN COMPRESSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Membrane assembly used in electrochemical hydrogen compressor and manufacturing method thereof {MEMBRANE ASSEMBLY USED IN ELECTROCHEMICAL HYDROGEN COMPRESSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 전기화학적 수소압축기에 활용되는 멤브레인에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 기계적 강도 및 압축을 위한 표면적이 향상된 멤브레인 어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a membrane used in an electrochemical hydrogen compressor, and more specifically, to a membrane assembly with improved mechanical strength and surface area for compression and a method of manufacturing the same.

기후변화에 대응하기 위한 방법으로 탄화수소계 화석 연료 에너지 대신 수소 에너지를 활용하기 위한 대한 관심이 높아지고 있다. 수소는 열기관을 사용한 발전보다 이론적으로 높은 에너지 효율로 전력으로 변환이 가능하며, 유해 물질을 배출하지 않는 장점이 있다. 이에 따라, 재생에너지로부터 수소를 생산하는 기술, 수소를 연료로 하여 발전하는 연료전지 등 수소를 이용하는 기술에 대한 많은 연구개발들이 이루어지고 있다.There is growing interest in using hydrogen energy instead of hydrocarbon-based fossil fuel energy as a way to respond to climate change. Hydrogen can theoretically be converted into electricity with higher energy efficiency than power generation using heat engines, and has the advantage of not emitting harmful substances. Accordingly, much research and development is being conducted on technologies that use hydrogen, such as technologies for producing hydrogen from renewable energy and fuel cells that generate electricity using hydrogen as fuel.

한편, 수소는 상온에서 단위부피당 에너지 밀도가 매우 낮기 때문에, 수소를 에너지 캐리어로 활용하기 위해서는 수소를 압축하여 저장하는 기술이 필요하다. 수소를 압축하는 방법은, 크게 기계식과 비기계식 방법이 존재한다.Meanwhile, since hydrogen has a very low energy density per unit volume at room temperature, technology to compress and store hydrogen is needed to utilize hydrogen as an energy carrier. There are two main methods for compressing hydrogen: mechanical and non-mechanical.

기계식 방법은 기계식 압축기(예컨대, 용적식 압축기)를 활용하여 기체 상태로 압축하는 방법으로, 오늘날 가장 많이 사용되어 왔지만, 다양한 문제점(에너지 소모가 많고, 움직이는 부품의 내구성 문제, 윤활유에 의한 수소의 오염 및 소음 등)을 가짐에 따라, 최근에는 비기계식 수소 압축 방법이 주목받고 있다.The mechanical method is a method of compressing the gaseous state using a mechanical compressor (e.g., a positive displacement compressor). Although it is the most widely used method today, it has various problems (high energy consumption, durability problems of moving parts, contamination of hydrogen by lubricating oil). and noise, etc.), non-mechanical hydrogen compression methods have recently been attracting attention.

비기계식 수소 압축 방법으로는, 액화, 액상유기화합물 변환, 금속수소화합물 변환, 비표면적이 큰 재료에 흡착, 전기화학적 압축 등의 방법이 있다. 전기화학적 수소 압축 기술은, 기계식 대비 에너지 소모량이 적고 고순도로 수소를 압축하는 것이 가능하여 최근 들어 활용이 증가하는 추세이다.Non-mechanical hydrogen compression methods include liquefaction, liquid organic compound conversion, metal hydrogen compound conversion, adsorption on materials with a large specific surface area, and electrochemical compression. Electrochemical hydrogen compression technology has been increasingly used in recent years because it consumes less energy and can compress hydrogen with high purity compared to mechanical technology.

전기화학적 수소 압축기는, 전기에너지를 이용하여 수소의 전기화학 반응을 일으키고, 전하가 한쪽 방향으로 이동한다는 점과 멤브레인(즉, 전해질막)의 기밀성에 의하여 수소를 압축하는 기술이다. 구체적으로, 저압 수소가 전기화학 셀의 애노드(anode)로 주입되며, 전극 촉매 표면에서 수소이온과 전자로 분해되고, 수소이온은 멤브레인을 통하여 캐소드(cathode)로 이동하고, 전자는 외부 도선을 따라 캐소드로 이동하여 전극촉매 표면에서 다시 수소를 생성하게 된다. 캐소드와 애노드 사이의 수소 차압에 의한 에너지 보다 가해지는 전기에너지가 크면 반응이 지속적으로 일어나서 수소의 압축이 이루어지게 된다.The electrochemical hydrogen compressor is a technology that uses electrical energy to cause an electrochemical reaction of hydrogen and compresses hydrogen due to the fact that charges move in one direction and the airtightness of the membrane (i.e., electrolyte membrane). Specifically, low-pressure hydrogen is injected into the anode of the electrochemical cell, decomposed into hydrogen ions and electrons on the electrode catalyst surface, hydrogen ions move to the cathode through the membrane, and electrons follow the external conductor. It moves to the cathode and generates hydrogen again on the surface of the electrode catalyst. If the applied electrical energy is greater than the energy due to the differential pressure of hydrogen between the cathode and anode, the reaction occurs continuously and hydrogen is compressed.

멤브레인은, 수소이온만을 통과시키는 막으로, 이온전도성이 높아야 하며, 다양한 환경에서도 안정적인 성능과 수명이 보장되어야 한다. 다만, 멤브레인은, 수소의 압력에 의해 변형될 우려가 있으며, 변형 시 편평도가 저하되어 수소가 캐소드로 균일하게 전달되지 않아, 성능 저하 및 내구성 저하가 발생할 수 있다.The membrane is a membrane that only allows hydrogen ions to pass through, so it must have high ionic conductivity and ensure stable performance and lifespan even in various environments. However, there is a risk that the membrane may be deformed by the pressure of hydrogen, and when deformed, the flatness may decrease and hydrogen may not be uniformly delivered to the cathode, which may result in reduced performance and durability.

이에 따라, 당 업계에는 향상된 기계적 강성을 통해 압력에 의한 변형이 최소화되며, 넓은 표면적 효과를 통해 수소이온 전달 성능을 향상시키기 위한 멤브레인 어셈블리에 대한 연구개발이 요구될 수 있다.Accordingly, the industry may require research and development on membrane assemblies to minimize deformation due to pressure through improved mechanical rigidity and improve hydrogen ion transfer performance through a large surface area effect.

대한민국 공개특허공보 10-2016-0047515Republic of Korea Patent Publication 10-2016-0047515

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기계적 강도 및 압축을 위한 표면적이 향상된 멤브레인 어셈블리를 제공하기 위함이다.The problem to be solved by the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a membrane assembly with improved mechanical strength and surface area for compression.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인 어셈블리 제조 방법이 개시된다. 상기 방법은 고분자 혼합액에 기초하여 고분자 필름을 생성하는 단계, 상기 고분자 필름의 양면에 촉매층을 형성하는 단계 및 상기 촉매층의 양면에 가스확산층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.A method for manufacturing a membrane assembly according to an embodiment of the present invention to solve the above-described problems is disclosed. The method may include generating a polymer film based on a polymer mixture, forming a catalyst layer on both sides of the polymer film, and forming a gas diffusion layer on both sides of the catalyst layer.

대안적인 실시예에서, 상기 고분자 필름을 생성하는 단계는, 고분자 바인더 및 나노입자를 혼합하여 나노입자 강화 고분자를 생성하는 단계, 상기 나노입자 강화 고분자를 용매에 혼합하여 고분자 용액을 생성하는 단계, 상기 고분자 용액에 중공입자를 첨가하여 슬러리 형태의 상기 고분자 혼합액을 생성하는 단계 및 상기 고분자 혼합액에 기초하여 상기 고분자 필름을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.In an alternative embodiment, the step of producing the polymer film includes mixing a polymer binder and nanoparticles to produce a nanoparticle-reinforced polymer, mixing the nanoparticle-reinforced polymer in a solvent to produce a polymer solution, It may include adding hollow particles to a polymer solution to produce the polymer mixture in the form of a slurry and generating the polymer film based on the polymer mixture.

대안적인 실시예에서, 상기 고분자 필름은, 상기 고분자 바인더 상에 분포된 상기 중공입자를 포함하며, 상기 중공입자 각각에는 복수 개의 상기 나노입자가 결합되어 구비되는 것을 특징으로 하며, 상기 중공입자는, 내부가 비어있는 중공 구체 형태의 입자이며, 상기 나노입자는, 실리카(silica), 알루미나(alumina) 및 지르코늄(zirconium) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. In an alternative embodiment, the polymer film includes the hollow particles distributed on the polymer binder, and each of the hollow particles is provided with a plurality of nanoparticles combined, and the hollow particles are, It is a hollow sphere-shaped particle with an empty interior, and the nanoparticle may include at least one of silica, alumina, and zirconium.

대안적인 실시예에서, 상기 나노입자 강화 고분자를 생성하는 단계는, 극저온에서 밀링 공정을 통해 상기 나노입자와 상기 고분자 바인더를 혼합시키는 것을 특징으로 할 수 있다. In an alternative embodiment, the step of producing the nanoparticle-reinforced polymer may be characterized by mixing the nanoparticles and the polymer binder through a milling process at a cryogenic temperature.

대안적인 실시예에서, 상기 고분자 필름을 생성하는 단계는, 상기 고분자 혼합액을 몰드 상에 도포하는 단계, 상기 고분자 혼합액이 도포된 상기 몰드를 기 설정된 온도 및 압력을 통해 경화시켜 고체 형상의 고분자 시편을 생성하는 단계, 상기 고분자 시편을 황산 용액에 침지시켜 수화하는 단계, 상기 고분자 시편에 포함된 상기 용매를 제거하는 단계 및 상기 용매가 제거된 고분자 시편을 상기 몰드로부터 분리시키는 단계를 포함할 수 있다. In an alternative embodiment, the step of generating the polymer film includes applying the polymer mixture solution to a mold, curing the mold to which the polymer mixture solution is applied through a preset temperature and pressure to produce a solid polymer specimen. It may include the steps of generating, hydrating the polymer specimen by immersing it in a sulfuric acid solution, removing the solvent contained in the polymer specimen, and separating the polymer specimen from which the solvent has been removed from the mold.

대안적인 실시예에서, 상기 고분자 혼합액을 몰드 상에 도포하는 단계는, 닥터 블레이드 형태의 코터를 활용하여 상기 고분자 혼합액을 상기 몰드 상에 균일하게 도포하는 것을 특징으로 하며, 상기 고분자 혼합액의 접촉하는 상기 몰드의 일면은, 테프론 코팅을 통해 표면 처리된 것을 특징으로 할 수 있다.In an alternative embodiment, the step of applying the polymer mixture onto the mold is characterized in that the polymer mixture is uniformly applied onto the mold using a doctor blade-type coater, and the polymer mixture is in contact with the mold. One side of the mold may be surface treated with Teflon coating.

대안적인 실시예에서, 상기 촉매층은, 금속 표면에서 흡착 기구를 통해 수소를 양성자로 분리하는 반응표면을 제공하며, 촉매를 지지하는 다공성 탄소를 포함하여 구성될 수 있다.In alternative embodiments, the catalyst layer may comprise porous carbon that supports the catalyst and provides a reaction surface that splits hydrogen into protons through an adsorption mechanism at the metal surface.

대안적인 실시예에서, 상기 가스확산층은, 버키페이퍼(Bucky paper), 카본페이퍼(carbon paper) 및 카본크로스(carbon cloth) 중 적어도 하나를 포함하며, 표면 소수화를 위해 PTFE를 함유하여 구성되는 것을 특징으로 하고, 금속 메쉬를 통해 지지되는 것을 특징으로 할 수 있다.In an alternative embodiment, the gas diffusion layer includes at least one of bucky paper, carbon paper, and carbon cloth, and is comprised of PTFE for surface hydrophobization. It may be characterized as being supported through a metal mesh.

대안적인 실시예에서, 상기 금속 메쉬는, 복수 개의 홀을 포함하며, 10 내지 30㎛의 두께를 통해 구비되는 것을 특징으로 하며, 상기 복수 개의 홀은, 10 내지 50㎛ 직경을 통해 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.In an alternative embodiment, the metal mesh includes a plurality of holes and has a thickness of 10 to 30 μm, and the plurality of holes has a diameter of 10 to 50 μm. You can do this.

본 발명의 다른 실시예에 따른 맴브레인 어셈블리가 개시된다. 상기 멤브레인 어셈블리는, 고분자 필름, 상기 고분자 필름의 양면에 구비되는 촉매층 및 상기 촉매층의 양면에 구비되는 가스확산층을 포함할 수 있다.A membrane assembly according to another embodiment of the present invention is disclosed. The membrane assembly may include a polymer film, a catalyst layer provided on both sides of the polymer film, and a gas diffusion layer provided on both sides of the catalyst layer.

대안적인 실시예에서, 상기 고분자 필름은, 고분자 바인더 및 나노입자로 구성되는 나노입자 강화 고분자 및 상기 나노입자 강화 고분자 상에 분산되는 중공입자를 포함할 수 있다. In an alternative embodiment, the polymer film may include a nanoparticle-reinforced polymer composed of a polymer binder and nanoparticles, and hollow particles dispersed on the nanoparticle-reinforced polymer.

대안적인 실시예에서, 상기 고분자 바인더 상에 분포된 상기 중공입자를 포함하며, 상기 중공입자 각각에는 복수 개의 상기 나노입자가 결합되어 구비되는 것을 특징으로 하며, 상기 중공입자는, 내부가 비어있는 중공 구체 형태의 입자이며, 상기 나노입자는, 지르코늄(zirconium), 알루미나(alumina) 및 실리카(silica) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In an alternative embodiment, it includes the hollow particles distributed on the polymer binder, wherein each of the hollow particles is provided with a plurality of the nanoparticles combined, and the hollow particles are hollow with an empty interior. It is a spherical particle, and the nanoparticle may include at least one of zirconium, alumina, and silica.

대안적인 실시예에서, 상기 촉매층은, 수소를 양성자로 분리하는 반응 표면을 제공하며, 촉매를 함유하는 다공성 탄소를 포함하여 구성될 수 있다.In an alternative embodiment, the catalyst layer may comprise porous carbon containing a catalyst and providing a reactive surface that splits hydrogen into protons.

대안적인 실시예에서, 상기 가스확산층은, 버키페이퍼(Bucky paper), 카본페이퍼(carbon paper) 및 카본크로스(carbon cloth) 중 적어도 하나를 포함하며, 표면 소수화를 위해 PTFE를 함유하여 구성되는 것을 특징으로 하고, 금속 메쉬를 통해 지지되는 것을 특징으로 할 수 있다.In an alternative embodiment, the gas diffusion layer includes at least one of bucky paper, carbon paper, and carbon cloth, and is comprised of PTFE for surface hydrophobization. It may be characterized as being supported through a metal mesh.

대안적인 실시예에서, 상기 금속 메쉬는, 복수 개의 홀을 포함하며, 10 내지 30㎛의 두께를 통해 구비되는 것을 특징으로 하며, 상기 복수 개의 홀은, 10 내지 50㎛ 직경을 통해 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.In an alternative embodiment, the metal mesh includes a plurality of holes and has a thickness of 10 to 30 μm, and the plurality of holes has a diameter of 10 to 50 μm. You can do this.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 전술한 멤브레인 어셈블리를 포함하는 수소 압축 장치가 개시된다.In another embodiment of the present invention, a hydrogen compression device comprising the membrane assembly described above is disclosed.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Other specific details of the invention are included in the detailed description and drawings.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 기계적 강도 및 압축을 위한 표면적이 향상된 멤브레인 어셈블리를 제공할 수 있다.According to various embodiments of the present invention, a membrane assembly with improved mechanical strength and surface area for compression can be provided.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

다양한 양상들이 아래 도면들을 참조로 기재되며, 여기서 유사한 참조 번호들은 총괄적으로 유사한 구성요소들을 지칭하는데 이용된다. 이하의 실시예에서, 설명 목적을 위해, 다수의 특정 세부사항들이 하나 이상의 양상들의 총체적 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 그러한 양상(들)이 이러한 구체적인 세부사항들 없이 실시될 수 있음은 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기 화학적 방식의 수소 압축 원리를 설명하기 위한 예시도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 멤브레인 어셈블리 제조 방법의 예시적인 순서도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 멤브레인 어셈블리에 포함된 고분자 필름을 생성하는 방법의 예시적인 순서도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 고분자 혼합액에 기초하여 고분자 필름을 생성하는 방법의 예시적인 순서도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 멤브레인 어셈블리의 예시적인 단면도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예와 관련된 고분자 필름의 예시적인 단면도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예와 관련된 금속 메쉬를 예시적은 도시한 예시도이다.
Various aspects are described with reference to the drawings below, where like reference numerals are used to collectively refer to like elements. In the examples below, for purposes of explanation, numerous specific details are set forth to provide a comprehensive understanding of one or more aspects. However, it will be clear that such aspect(s) may be practiced without these specific details.
Figure 1 shows an exemplary diagram for explaining the principle of electrochemical hydrogen compression related to an embodiment of the present invention.
2 shows an exemplary flow chart of a method of manufacturing a membrane assembly related to one embodiment of the present invention.
3 shows an exemplary flow chart of a method for producing a polymer film included in a membrane assembly related to one embodiment of the present invention.
Figure 4 shows an exemplary flow chart of a method for producing a polymer film based on a polymer mixture solution related to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows an exemplary cross-sectional view of a membrane assembly related to one embodiment of the present invention.
Figure 6 shows an exemplary cross-sectional view of a polymer film related to one embodiment of the present invention.
7 is an exemplary diagram illustrating a metal mesh related to an embodiment of the present invention.

다양한 실시예들 및/또는 양상들이 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나 이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 감지될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다. 구체적으로, 본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "양상", "예시" 등은 기술되는 임의의 양상 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되지 않을 수도 있다.Various embodiments and/or aspects are disclosed with reference to the drawings. In the following description, for purposes of explanation, numerous specific details are set forth to facilitate a general understanding of one or more aspects. However, it will be appreciated by those skilled in the art that this aspect(s) may be practiced without these specific details. The following description and accompanying drawings set forth in detail certain example aspects of one or more aspects. However, these aspects are illustrative and some of the various methods in the principles of the various aspects may be utilized, and the written description is intended to encompass all such aspects and their equivalents. Specifically, as used herein, “embodiment,” “example,” “aspect,” “example,” etc. are not to be construed as indicating that any aspect or design described is better or advantageous over other aspects or designs. Maybe not.

이하, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않는다.Hereinafter, regardless of the reference numerals, identical or similar components will be assigned the same reference numbers and duplicate descriptions thereof will be omitted. Additionally, in describing the embodiments disclosed in this specification, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed in this specification, the detailed descriptions will be omitted. In addition, the attached drawings are only intended to facilitate understanding of the embodiments disclosed in this specification, and the technical idea disclosed in this specification is not limited by the attached drawings.

비록 제 1, 제 2 등이 다양한 소자나 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자나 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자나 구성요소를 다른 소자나 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제 1 소자나 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제 2 소자나 구성요소 일 수도 있음은 물론이다.Although first, second, etc. are used to describe various elements or components, these elements or components are of course not limited by these terms. These terms are merely used to distinguish one device or component from another device or component. Therefore, it goes without saying that the first element or component mentioned below may also be a second element or component within the technical spirit of the present invention.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with meanings that can be commonly understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Additionally, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless clearly specifically defined.

더불어, 용어 "또는"은 배타적 "또는"이 아니라 내포적 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥상 명확하지 않은 경우에, "X는 A 또는 B를 이용한다"는 자연적인 내포적 치환 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나; X가 B를 이용하거나; 또는 X가 A 및 B 모두를 이용하는 경우, "X는 A 또는 B를 이용한다"가 이들 경우들 어느 것으로도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "및/또는"이라는 용어는 열거된 관련 아이템들 중 하나 이상의 아이템의 가능한 모든 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Additionally, the term “or” is intended to mean an inclusive “or” and not an exclusive “or.” That is, unless otherwise specified or clear from context, “X utilizes A or B” is intended to mean one of the natural implicit substitutions. That is, either X uses A; X uses B; Or, if X uses both A and B, “X uses A or B” can apply to either of these cases. Additionally, the term “and/or” as used herein should be understood to refer to and include all possible combinations of one or more of the related listed items.

또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나 이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 달리 특정되지 않거나 단수 형태를 지시하는 것으로 문맥상 명확하지 않은 경우에, 본 명세서와 청구범위에서 단수는 일반적으로 "하나 또는 그 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.Additionally, the terms “comprise” and/or “comprising” mean that the feature and/or element is present, but exclude the presence or addition of one or more other features, elements and/or groups thereof. It should be understood as not doing so. Additionally, unless otherwise specified or the context is clear to indicate a singular form, the singular terms herein and in the claims should generally be construed to mean “one or more.”

어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어”있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is said to be “connected” or “connected” to another component, it is understood that it may be directly connected to or connected to that other component, but that other components may also exist in between. It should be. On the other hand, when a component is said to be “directly connected” or “directly connected” to another component, it should be understood that there are no other components in between.

이하의 설명에서 사용되는 구성 요소에 대한 접미사 “모듈” 및 “부”는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.The suffixes “module” and “part” for the components used in the following description are given or used interchangeably only for the ease of preparing the specification, and do not have distinct meanings or roles in and of themselves.

구성 요소(elements) 또는 층이 다른 구성 요소 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 구성 요소 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 구성 요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 구성 요소가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 구성 요소 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.When an element or layer is referred to as “on” or “on” another element or layer, it means that it is not only directly on top of, but also intervening with, the other element or layer. Includes all intervening cases. On the other hand, when a component is referred to as “directly on” or “directly on,” it indicates that there is no intervening other component or layer.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소 또는 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다.Spatially relative terms such as “below”, “beneath”, “lower”, “above”, “upper”, etc. are used as a single term as shown in the drawing. It can be used to easily describe a component or its correlation with other components. Spatially relative terms should be understood as terms that include different directions of the element during use or operation in addition to the direction shown in the drawings.

예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성 요소를 뒤집을 경우, 다른 구성 요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성 요소는 다른 구성 요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성 요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.For example, if a component shown in a drawing is turned over, a component described as “below” or “beneath” another component would be placed “above” the other component. You can. Accordingly, the illustrative term “down” may include both downward and upward directions. Components can also be oriented in different directions, so spatially relative terms can be interpreted according to orientation.

본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명하는데 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.The purpose and effects of the present invention, and technical configurations for achieving them, will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. In explaining the present invention, if it is determined that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, the terms described below are terms defined in consideration of the functions in the present invention, and may vary depending on the intention or custom of the user or operator.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명이 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 개시의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms. These embodiments are merely provided to ensure that the present invention is complete and to fully inform those skilled in the art of the scope of the disclosure to which the present invention pertains, and that the present invention is only defined by the scope of the claims. . Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.

연료전지란 연료의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생성하는 능력을 갖는 전지(cell)를 의미하며, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 특징을 갖는다.A fuel cell refers to a cell that has the ability to generate direct current by converting the chemical energy of fuel directly into electrical energy. Unlike conventional batteries, it continuously produces electricity by supplying fuel and air from the outside. It has characteristics.

최근에는 환경친화적인 측면에서 매우 유용함에 따라, 연료전지가 다양한 장치에 응용되어 많은 연구와 개발이 이루어지고 있는 실정이다. 예컨대, 연료전지를 사용하는 차량의 경우, 연료로 사용되는 수소를 수소저장탱크에 미리 충전시킨 뒤, 수소저장탱크에 저장된 수소를 관련 배관을 통해 연료전지 스택으로 공급하여 전기를 생산하며, 연료전지 스택에서 생산된 전기로 모터를 구동시켜 차량을 주행시킨다.Recently, as fuel cells are very useful in terms of environmental friendliness, a lot of research and development is being conducted to apply fuel cells to various devices. For example, in the case of vehicles using fuel cells, the hydrogen used as fuel is pre-charged in a hydrogen storage tank, and then the hydrogen stored in the hydrogen storage tank is supplied to the fuel cell stack through related pipes to produce electricity, and the fuel cell The electricity produced in the stack drives the motor to drive the vehicle.

수소는 상온에서 단위부피당 에너지 밀도가 매우 낮기 때문에 수소를 에너지 캐리어로 활용하기 위해서는 수소를 압축하여 저장하는 기술이 필요하다. 수소의 에너지 밀도를 높이기 위해서는, 기체 상태에서 고압으로 압축하거나, 저온에서 액화하거나, 액상유기화합물로 변환하거나, 금속수소화물에 저장하거나, 비표면적이 큰 재료에 흡착시키는 방법 등이 있다.Because hydrogen has a very low energy density per unit volume at room temperature, technology to compress and store hydrogen is needed to utilize hydrogen as an energy carrier. In order to increase the energy density of hydrogen, there are methods such as compressing it from gaseous state to high pressure, liquefying it at low temperature, converting it to a liquid organic compound, storing it in metal hydride, or adsorbing it on a material with a large specific surface area.

한편, 최근에는 에너지 소모량이 적고, 고순도로 수소를 압축하는 것이 가능한 전기화학적 수소 압축기의 활용이 증가하는 추세이다. 전기화학적 수소 압축기는, 전기에너지를 이용하여 수소의 전기화학 반응을 일으키고, 전하가 한쪽 방향으로 이동한다는 점과 멤브레인(즉, 전해질막)의 기밀성에 의하여 수소를 압축하는 기술이다. 일반적인 전기화학적 수소 압축기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 멤브레인(100), 애노드(200) 및 캐소드(300)를 통해 수소에 대한 압축을 수행할 수 있다. Meanwhile, the use of electrochemical hydrogen compressors, which consume less energy and are capable of compressing hydrogen with high purity, is increasing recently. The electrochemical hydrogen compressor is a technology that uses electrical energy to cause an electrochemical reaction of hydrogen and compresses hydrogen due to the fact that charges move in one direction and the airtightness of the membrane (i.e., electrolyte membrane). A typical electrochemical hydrogen compressor can perform compression of hydrogen through a membrane 100, anode 200, and cathode 300, as shown in FIG. 1.

구체적으로, 도 1을 참조하면, 저압 수소가 전기화학 셀의 애노드(anode)(200)로 주입될 수 있다. 애노드(200)를 통해 주입된 수소는 전극 촉매 표면에서 수소이온()과 전자()로 분해될 수 있다. 이 경우, 수소이온은 멤브레인(100)을 통하여 캐소드(300)로 이동하게 되며, 전자는 애노드(200)와 캐소드(300)를 연결하는 외부 도선을 통해 캐소드(300)로 이동할 수 있다. 캐소드(300)로 이동된 수소이온과 전자는 캐소드(300)의 전극촉매 표면에서 다시 수소를 생산하게 된다. 캐소드(300)의 수소 압력에 의한 에너지 보다 가해지는 전기에너지가 크면 반응이 지속적으로 일어남에 따라, 수소의 압축이 이루어질 수 있다.Specifically, referring to FIG. 1, low-pressure hydrogen may be injected into the anode 200 of an electrochemical cell. Hydrogen injected through the anode 200 generates hydrogen ions ( ) and electrons ( ) can be decomposed into In this case, hydrogen ions can move to the cathode 300 through the membrane 100, and electrons can move to the cathode 300 through an external conductor connecting the anode 200 and the cathode 300. The hydrogen ions and electrons moved to the cathode 300 produce hydrogen again on the surface of the electrode catalyst of the cathode 300. If the applied electrical energy is greater than the energy due to the hydrogen pressure of the cathode 300, the reaction continues to occur, and hydrogen can be compressed.

애노드(200)에서의 반응은 하기의 식과 같다.The reaction at the anode 200 is as follows.

또한, 캐소드(300)에서의 반응은 하기의 식과 같다.Additionally, the reaction at the cathode 300 is expressed in the following equation.

전기화학적 압축기의 성능은 수소를 압축하는 데 사용되는 전기에너지로 대표할 수 있다. 이러한 성능은 수소의 압축비에 따라 달라지는 전기화학 셀의 전압에 의하여 결정되며, 하기와 같은 네른스트 식으로 계산할 수 있다.The performance of an electrochemical compressor can be represented by the electrical energy used to compress hydrogen. This performance is determined by the voltage of the electrochemical cell, which varies depending on the compression ratio of hydrogen, and can be calculated using the Nernst equation as follows.

여기서, 표준전극 전위차 는 양쪽 모두 수소 전극이므로, 0V가 되고, F는 페러데이 상수, R은 이상 기체 상수, T는 전기화학 셀 온도이며, 는 애노드의 저압 수소 압력, 는 캐소드의 고압 수소 압력이다. 네른스트 식의 압축비에 따라 전압이 결정될 수 있다. 예컨대, 1기압에서 100기압으로 압축하기 위한 네른스트 전압은 0.059V일 수 있다. 네른스트 식으로 계산되는 셀 전압은 원하는 압축비를 얻기 위하여 필요한 최소한의 전압일 수 있으며, 실제 셀에서는 다양한 전압손실이 더해져서 셀 전압이 결정될 수 있다. 실제 셀에서 발생하는 전압손실은, 예를 들어, 애노드(200)와 캐소드(300) 전극의 활성화 분극에 의한 전압손실, 옴 저항에 의한 전압손실, 전극에서의 물질전달 저항에 의한 전압손실 등을 포함할 수 있다.Here, the standard electrode potential difference Since both are hydrogen electrodes, it becomes 0V, F is Faraday's constant, R is the ideal gas constant, and T is the electrochemical cell temperature, is the low-pressure hydrogen pressure at the anode, is the high-pressure hydrogen pressure at the cathode. The voltage can be determined according to the compression ratio of the Nernst equation. For example, the Nernst voltage for compression from 1 atmosphere to 100 atmospheres may be 0.059V. The cell voltage calculated using the Nernst equation may be the minimum voltage required to obtain the desired compression ratio, and in actual cells, various voltage losses may be added to determine the cell voltage. Voltage loss occurring in an actual cell includes, for example, voltage loss due to activation polarization of the anode 200 and cathode 300 electrodes, voltage loss due to ohmic resistance, and voltage loss due to mass transfer resistance in the electrodes. It can be included.

실시예에서, 활성화 분극은 촉매전극의 성능과 관련된 전압손실이며, 옴 저항은 멤브레인(100)의 이온전도성에 관련하며, 물질전달 저항은 촉매의 활성표면과 반응물이 접촉하는 면적과 관련될 수 있다. 이 중 멤브레인에 의한 옴 저항과 물질전달 저항은 셀 내부의 물 분포과 밀접한 관계가 있기 때문에, 셀 내부의 물관리가 중요한 이슈 중 하나일 수 있다. 이에 따라, 멤브레인은 함수량이 높아야하며, 전극층의 촉매표면은 물 배출이 잘되어 반응물이 접근하기 용이해야 한다. 또한, 애노드(200)에서 분리된 수소이온이 맴브레인을 통해 캐소드(300)로 전달되는 과정에서, 멤브레인에 높은 압력이 인가될 수 있으며, 이에 따라 멤브레인이 변형될 수 있다. 예를 들어, 연료전지 스택의 높은 압력에 의해 멤브레인이 쉽게 변형될 수 있다. 멤브레인의 변형은, 편평도를 저하시켜 기체 흐름이 멤브레인의 면상에 불균일하게 분포되게 하며, 물질전달 저항을 통해 전압손실의 향상을 야기시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 멤브레인의 변형은, 부품의 전체적인 손상을 야기시킬 수 있다. In an embodiment, the activation polarization is the voltage loss related to the performance of the catalyst electrode, the ohmic resistance is related to the ionic conductivity of the membrane 100, and the mass transfer resistance may be related to the area where the reactants contact the active surface of the catalyst. . Among these, ohmic resistance and mass transfer resistance due to the membrane are closely related to water distribution inside the cell, so water management inside the cell may be one of the important issues. Accordingly, the membrane must have a high water content, and the catalyst surface of the electrode layer must have good water discharge so that reactants can easily access it. Additionally, in the process where hydrogen ions separated from the anode 200 are transferred to the cathode 300 through the membrane, high pressure may be applied to the membrane, and the membrane may be deformed accordingly. For example, the membrane can be easily deformed by the high pressure of the fuel cell stack. Deformation of the membrane reduces flatness, causing gas flow to be distributed unevenly on the surface of the membrane, and can cause an increase in voltage loss through mass transfer resistance. In addition, deformation of the membrane can cause overall damage to the component.

본 발명은 상기한 바와 같은 기존 멤브레인에 관련한 전압손실을 최소화하여 전기화학적 수소 압축기에 관련한 시스템 효율 향상을 목적으로 한다. 즉, 본 발명은 높은 압력을 지지할 수 있도록 향상된 기계적 강성을 가짐과 동시에, 촉매의 활성표면과 반응물이 접촉하는 면적을 최대화하여 수소 압축 효율을 극대화하는 멤브레인 어셈블리(100)를 제공할 수 있다. 이하에서는 멤브레인 어셈블리를 제조하기 위한 방법, 멤브레인 어셈블리의 구조적 특징 및 이에 따른 효과에 대하여 도 2 및 도 7을 참조하여 구체적으로 후술하도록 한다.The purpose of the present invention is to improve system efficiency related to electrochemical hydrogen compressors by minimizing voltage loss related to existing membranes as described above. That is, the present invention can provide a membrane assembly 100 that has improved mechanical rigidity to support high pressure and maximizes hydrogen compression efficiency by maximizing the contact area between the active surface of the catalyst and the reactant. Hereinafter, the method for manufacturing the membrane assembly, the structural characteristics of the membrane assembly, and the resulting effects will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 7.

도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 멤브레인 어셈블리 제조 방법의 예시적인 순서도를 도시한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 멤브레인 어셈블리에 포함된 고분자 필름을 생성하는 방법의 예시적인 순서도를 도시한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 고분자 혼합액에 기초하여 고분자 필름을 생성하는 방법의 예시적인 순서도를 도시한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 멤브레인 어셈블리의 예시적인 단면도를 도시한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예와 관련된 고분자 필름의 예시적인 단면도를 도시한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예와 관련된 금속 메쉬를 예시적은 도시한 예시도이다.2 shows an exemplary flow chart of a method of manufacturing a membrane assembly related to one embodiment of the present invention. Figure 3 shows an exemplary flow chart of a method for producing a polymer film included in a membrane assembly related to one embodiment of the present invention. Figure 4 shows an exemplary flowchart of a method for producing a polymer film based on a polymer mixture solution related to an embodiment of the present invention. Figure 5 shows an exemplary cross-sectional view of a membrane assembly related to one embodiment of the present invention. Figure 6 shows an exemplary cross-sectional view of a polymer film related to one embodiment of the present invention. 7 is an exemplary diagram illustrating a metal mesh related to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 멤브레인 어셈블리 제조 방법에 포함된 단계들은, 필요에 의해 순서가 변경될 수 있으며, 적어도 하나 이상의 단계가 생략 또는 추가될 수 있다. 즉, 도 2에 단계들은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 권리 범위는 이에 제한되지 않는다.The order of the steps included in the membrane assembly manufacturing method shown in FIG. 2 may be changed as needed, and at least one step may be omitted or added. That is, the steps in FIG. 2 are only one embodiment of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 멤브레인 어셈블리 제조 방법은, 고분자 혼합액에 기초하여 고분자 필름을 생성하는 단계(S110)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 고분자 필름(110)은 고분자 바인더(112), 중공입자(111) 및 나노입자(111a)를 포함하여 구성될 수 있다. 고분자 필름(110)은 고분자 바인더(112) 상에 분포된 중공입자(111) 및 나노입자(111a)를 포함하여 구비됨에 따라, 향상된 기계적 강성을 담보할 수 있다. 고분자 필름(110)의 향상된 기계적 강성을 통해 구성됨에 따라, 본 발명의 멤브레인 어셈블리(100)는 수소 압축 과정에서 발생하는 압력차에 의한 변형력에도 견고한 지지력을 가질 수 있으며, 수소 압축 효율을 향상시킬 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the membrane assembly manufacturing method may include the step (S110) of generating a polymer film based on the polymer mixture. According to one embodiment, the polymer film 110 may be composed of a polymer binder 112, hollow particles 111, and nanoparticles 111a. As the polymer film 110 includes hollow particles 111 and nanoparticles 111a distributed on the polymer binder 112, it can ensure improved mechanical rigidity. As it is constructed through the improved mechanical rigidity of the polymer film 110, the membrane assembly 100 of the present invention can have a firm support force even against the deformation force caused by the pressure difference occurring during the hydrogen compression process and can improve hydrogen compression efficiency. there is.

일 실시예에 따르면, 고분자 필름(110)은, 고분자 바인더(112) 상에 분포된 중공입자(111)를 포함하며, 중공입자(111) 각각에는 복수 개의 나노입자(111a)가 결합되어 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다. 각각의 중공입자(111)는 고분자 바인더(112) 상에 일정 이격 거리를 두고 분포될 수 있다.According to one embodiment, the polymer film 110 includes hollow particles 111 distributed on a polymer binder 112, and each hollow particle 111 is provided with a plurality of nanoparticles 111a bound to each other. It can be characterized as: Each hollow particle 111 may be distributed at a certain distance on the polymer binder 112.

실시예에서, 고분자 필름(110)에 포함된 중공입자(111)는 내부가 비어있는 중공 구체 형태의 입자일 수 있다. 중공입자(111)는 마이크로 크기의 유리중공입자로, 예컨대, 실리카 중공구를 포함할 수 있다. 예를 들어, 중공입자(111)는 silica glass bubble 또는 glass microbubble일 수 있다. 이러한 중공입자(111)는 내부가 채워진 세라믹 입자와 비교하여 낮은 밀도와 높은 단열 성능을 갖는다는 장점이 있다. 즉, 본 발명의 중공입자(111)는, 일반적인 세라믹 입자와 비교하여 무게당 향상된 열적 성능 및 기계적 성능을 가질 수 있다. 구체적인 예를 들어, 중공입자(111)는, 강성, 강도, 진동 감쇄, 단열특성 및 에너지 흡수용량 면에서 향상된 성능을 가질 수 있으며 연료전지 가동 시 온도 변화에 대한 물성 변화를 저감할 수 있다.. 고분자 필름(110)이 열적 성능 및 기계적 성능이 향상된 중공입자(111)를 포함하여 구비됨에 따라, 고분자 필름(110)은 기계적 강성을 즉, 향상된 경도를 통해 구성될 수 있다. 예컨대, 일반적인 멤브레인의 경우, 별도의 입자(예컨대, 중공입자)가 분산되지 않은 고분자층을 통해 구성될 수 있으나, 본 발명의 멤브레인 어셈블리(100)에 포함된 고분자 필름(110)은 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 중공입자(111)들이 분산된 상태로 구비됨에 따라, 향상된 기계적 강성을 가질 수 있다. 이는, 인가되는 압력으로부터 견고한 지지력을 유지할 수 있다는 장점이 있다.In an embodiment, the hollow particles 111 included in the polymer film 110 may be hollow sphere-shaped particles with an empty interior. The hollow particles 111 are micro-sized glass hollow particles and may include, for example, hollow silica spheres. For example, the hollow particles 111 may be silica glass bubbles or glass microbubbles. These hollow particles 111 have the advantage of having low density and high thermal insulation performance compared to ceramic particles filled inside. That is, the hollow particles 111 of the present invention may have improved thermal performance and mechanical performance per weight compared to general ceramic particles. For a specific example, the hollow particles 111 can have improved performance in terms of rigidity, strength, vibration damping, insulation characteristics, and energy absorption capacity, and can reduce changes in physical properties due to temperature changes during fuel cell operation. As the polymer film 110 includes hollow particles 111 with improved thermal and mechanical performance, the polymer film 110 can have mechanical rigidity, that is, improved hardness. For example, in the case of a general membrane, it may be composed of a polymer layer in which separate particles (e.g., hollow particles) are not dispersed, but the polymer film 110 included in the membrane assembly 100 of the present invention is shown in Figure 5. As described above, as the plurality of hollow particles 111 are provided in a dispersed state, improved mechanical rigidity can be achieved. This has the advantage of being able to maintain a firm support from applied pressure.

또한 실시예에서, 중공입자(111)는 중공구의 혼합 비율, 중공구의 크기, 중공구 내부의 가수 종류 및 중공부의 벽 두께 비율 등의 넓은 제조공정 변수 선택을 통해 원하는 기계적 성능 및 열적 성능을 획득할 수 있다는 장점이 있다.In addition, in the embodiment, the hollow particles 111 can obtain the desired mechanical and thermal performance through the selection of a wide range of manufacturing process variables such as the mixing ratio of the hollow spheres, the size of the hollow spheres, the type of valence inside the hollow spheres, and the wall thickness ratio of the hollow part. There is an advantage in that it can be done.

일 실시예에서, 고분자 필름(110)에 포함된 중공입자(111) 각각에는 복수 개의 나노입자(111a)가 결합되어 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 나노입자(111a)는, 세라믹 소재에 관련한 나노입자일 수 있다. 세라믹 소재는 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti) 및 지르코늄(Zr) 등과 같은 금속원소가 산소, 탄소, 질소 등과 결합하여 만든 산화물, 탄화물, 또는 질화물로 이루어질 수 있다.In one embodiment, each of the hollow particles 111 included in the polymer film 110 may be provided with a plurality of nanoparticles 111a combined therewith. According to one embodiment, the nanoparticles 111a may be nanoparticles related to ceramic materials. Ceramic materials may be made of oxides, carbides, or nitrides made by combining metal elements such as silicon (Si), aluminum (Al), titanium (Ti), and zirconium (Zr) with oxygen, carbon, and nitrogen.

일 실시예에 따르면, 나노입자(111a)는 실리카(silica), 알루미나(alumina) 및 지르코늄(zirconium) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 세라믹 소재는, 실리콘, 알루미늄 및 지르코늄 각각이 산화하여 생성된 산화물인, 실리카, 알루미나 및 지르코늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 나노입자(111a)는 나노 단위의 크기를 갖는 세라믹 입자를 의미할 수 있다. 세라믹은 특성상 높은 온도가 될때까지 용융되거나 분해되지 않기 때문에, 내열성이나 내화성이 탁월하다. 또한, 세라믹은, 구성원자간의 결합력이 강하기 때문에 본질적으로 단단하며, 고체물질과 달리 고온에서 소성변형이 나타나 고온에서도 연성적으로 깨지지 않고 다양한 형상으로 만들 수 있어 복원력이 탁월하다.According to one embodiment, the nanoparticles 111a may include at least one of silica, alumina, and zirconium. For example, the ceramic material may include at least one of silica, alumina, and zirconium, which are oxides produced by oxidation of silicon, aluminum, and zirconium, respectively. That is, the nanoparticles 111a of the present invention may refer to ceramic particles having a nanoscale size. Because ceramics do not melt or decompose until high temperatures due to their nature, they have excellent heat resistance and fire resistance. In addition, ceramics are inherently hard because the bonding force between constituent elements is strong, and unlike solid materials, they undergo plastic deformation at high temperatures and do not ductilely break even at high temperatures, and can be made into various shapes, giving them excellent resilience.

특히, 실리카 또는 알루미나는 대표적인 부도체로 높은 열적-기계적 안정성을 가지고 있으며, 친수성을 띄어 고분자의 함수율을 향상시키는데 기여할 수 있다. 예컨대, 멤브레인의 옴 저항과 물질전달 저항은 셀 내부의 수분 분포와 밀접한 관계가 있다. 구체적으로, 셀 내부의 수분이 적정하지 못하여 건조해지는 경우, 전자 이동이 용이하게 이루어지지 않을 수 있다. 에노드와 캐소드 사이에 위치하여 수소이온을 전달하는 멤브레인은 함수량이 높아야 저항에 의한 전압손실이 최소화되어 수소 압축 효율을 극대화시킬 수 있다. 실리카 또는 알루미나 등으로 구성되는 나노입자(111a)의 경우, 물 분자와 쉽게 결합하는 친수성을 갖기 때문에, 고분자 필름(110)의 함수율을 개선한다는 장점이 있다.In particular, silica or alumina are representative insulators, have high thermal-mechanical stability, and are hydrophilic, which can contribute to improving the water content of polymers. For example, the ohmic resistance and mass transfer resistance of the membrane are closely related to the moisture distribution inside the cell. Specifically, if the moisture inside the cell is not adequate and becomes dry, electron transfer may not occur easily. The membrane that is located between the anode and the cathode and transmits hydrogen ions must have a high water content to minimize voltage loss due to resistance and maximize hydrogen compression efficiency. In the case of nanoparticles 111a made of silica or alumina, they have the advantage of improving the moisture content of the polymer film 110 because they have hydrophilic properties that easily combine with water molecules.

즉, 본 발명은 고분자 필름(110)은, 세라믹 소재를 통해 구성되는 복수 개의 나노입자(111a)를 포함하여 구성됨에 따라, 향상된 기계적 강도를 가질뿐 아니라, 함수율을 개선하여 수소 압축 시스템의 효율 향상에 기여할 수 있다.In other words, in the present invention, the polymer film 110 is composed of a plurality of nanoparticles 111a made of a ceramic material, so that it not only has improved mechanical strength, but also improves water content and improves the efficiency of the hydrogen compression system. can contribute to

추가적으로, 지르코늄 나노입자의 경우, 이온전도도가 높기 때문에 멤브레인 구성 요소로써 보다 적합할 수 있다. 일반적으로, 멤브레인 이온전도성이 높을수록 수소 압축 효율이 향상될 수 있다. 즉, 본 발명의 고분자 필름(110)에 포함된 복수 개의 나노입자가 지르코늄에 관련한 나노입자인 경우, 이온전도성 향상을 통한 수소 압축 시스템의 효율 향상을 도모할 수 있다.Additionally, zirconium nanoparticles may be more suitable as a membrane component due to their high ionic conductivity. In general, the higher the membrane ionic conductivity, the improved hydrogen compression efficiency can be. That is, when the plurality of nanoparticles included in the polymer film 110 of the present invention are zirconium-related nanoparticles, the efficiency of the hydrogen compression system can be improved through improvement of ionic conductivity.

정리하면, 고분자 필름(110)은, 나노입자(111a)를 포함하여 구비됨에 따라, 향상된 기계적 강도를 가지며, 함수율 및 이온전도도 향상에 따른 수소 압축 시스템의 효율 향상에 기여한다는 장점을 가진다.In summary, the polymer film 110 has the advantage of having improved mechanical strength as it includes nanoparticles 111a and contributing to improving the efficiency of the hydrogen compression system by improving water content and ionic conductivity.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 필름(110)이 적용된 멤브레인 어셈블리(100)는 bipolar plate와 양 측면에서 접촉하게 되는데 bipolar plate는 표면에 수소기체, 산소기체 및 수증기 등 다양한 부산물 가스(gas)가 토출되는 통로 역할을 수행하는 다수의 가이딩홀을 포함한다. 이 때 biopolar plate와 멤브레인 어셈블리(100)와의 체결 압력은 100 내지 1000 bar에 이르는데 종래의 멤브레인 어셈블리는 고분자 필름 층의 내구성이 약하기 때문에 가이딩홀 내측으로 멤브레인 어셈블리가 밀려들어가는 현상이 발생하였다. In addition, the membrane assembly 100 to which the polymer film 110 according to an embodiment of the present invention is applied is in contact with the bipolar plate on both sides, and the bipolar plate contains various by-product gases such as hydrogen gas, oxygen gas, and water vapor on the surface. It includes a plurality of guiding holes that serve as passages for discharging. At this time, the fastening pressure between the biopolar plate and the membrane assembly 100 ranges from 100 to 1000 bar, but because the durability of the polymer film layer in the conventional membrane assembly is weak, a phenomenon in which the membrane assembly is pushed into the guiding hole occurred.

본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 필름(110)은 중공입자 및 나노입자를 더 포함하여 내구성을 기존에 비해 훨씬 높혀 멤브레인 어셈블리(100)가 가이딩홀 내측으로 말려들어가는 문제점을 해결하였다. 또한 멤브레인 어셈블리(100) 자체의 편평도가 종래에 비해 획기적으로 개선되어 bipolar plate로 배출되는 기체의 흐름을 균일하게 하여 수소 압축 효율이 더욱 높아지는 효과가 발생한다. The polymer film 110 according to an embodiment of the present invention further contains hollow particles and nanoparticles, thereby significantly increasing durability compared to the existing one, thereby solving the problem of the membrane assembly 100 being rolled into the guiding hole. In addition, the flatness of the membrane assembly 100 itself is dramatically improved compared to the prior art, thereby making the flow of gas discharged to the bipolar plate more uniform, thereby further increasing hydrogen compression efficiency.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 멤브레인 어셈블리 제조 방법은, 고분자 필름(110)의 양면에 촉매층(120)을 형성하는 단계(S200)를 포함할 수 있다. 촉매층(120)은 도 5에 도시된 바와 같이, 고분자 필름(110)의 상, 하면 각각에 접촉되어 구비될 수 있다. 즉, 촉매층(120)은, 고분자 필름(110)을 기준으로 애노드 및 캐소드 방향 각각에 대응하여 구비될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the membrane assembly manufacturing method may include forming a catalyst layer 120 on both sides of the polymer film 110 (S200). As shown in FIG. 5, the catalyst layer 120 may be provided in contact with the upper and lower surfaces of the polymer film 110, respectively. That is, the catalyst layer 120 may be provided corresponding to each of the anode and cathode directions with respect to the polymer film 110.

일 실시예에서, 촉매층(120)은 수소 양성자의 분리 공간을 제공할 수 있다. 촉매층(120)은 촉매를 함유하는 다공성 탄소를 포함하여 구성될 수 있다. 촉매층(120)은 산화, 환원반응의 촉매역할을 수행할 수 있다. 여기서 촉매는, 수소 산화 반응을 촉진시키기 위한 것으로 예를 들어, 백금, 팔라듐, 금, 은, 로듐 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 실시예에서, 촉매층(120)이 다공성 형상을 통해 구비됨에 따라, 표면적이 넓어져 촉매를 통한 반응성이 향상될 수 있다. 즉, 금속을 탄소에 흡착시킴으로써 상대적으로 비싼 촉매를 넓은 표면적에 분포시킬 수 있으므로, 활동성을 증대시킬 수 있다.In one embodiment, the catalyst layer 120 may provide a space for separation of hydrogen protons. The catalyst layer 120 may be composed of porous carbon containing a catalyst. The catalyst layer 120 can serve as a catalyst for oxidation and reduction reactions. Here, the catalyst is used to promote the hydrogen oxidation reaction and may include, for example, platinum, palladium, gold, silver, rhodium, etc., but is not limited thereto. In an embodiment, as the catalyst layer 120 is provided in a porous shape, the surface area may be increased and reactivity through the catalyst may be improved. In other words, by adsorbing metal on carbon, a relatively expensive catalyst can be distributed over a large surface area, thereby increasing activity.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 필름(110)은 종래의 고분자 필름에 비해 높은 내구성을 가지기 때문에 멤브레인 어셈블리(100)가 bipolar plate 내의 가이드홀로 밀려들어가는 현상이 방지된다. 이를 통해 고분자 필름(110)층과 촉매층(120) 사이의 박리 현상이 최소화된다. 종래의 멤브레인 어셈블리의 경우, 촉매층이 Pt/C로서 탄소 분말을 다수 포함하기 때문에 탄소 분말이 고분자 필름층 및 가스확산층 등으로 침투하거나 촉매층 자체의 밀도가 달라지는 등의 문제가 있었다.Meanwhile, since the polymer film 110 according to an embodiment of the present invention has higher durability than a conventional polymer film, the phenomenon of the membrane assembly 100 being pushed into the guide hole in the bipolar plate is prevented. Through this, the peeling phenomenon between the polymer film 110 layer and the catalyst layer 120 is minimized. In the case of a conventional membrane assembly, since the catalyst layer is Pt/C and contains a large amount of carbon powder, there were problems such as the carbon powder penetrating into the polymer film layer and the gas diffusion layer, or the density of the catalyst layer itself was changed.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 멤브레인 어셈블리 제조 방법은, 촉매층(120)의 양면에 가스확산층(130)을 형성하는 단계(S300)를 포함할 수 있다. 가스확산층(130)은 도 5에 도시된 바와 같이, 고분자 필름(110)의 상, 하면 각각에 위치한 촉매층 각각에 접촉되어 구비될 수 있다. 예컨대, 고분자 필름(110)의 상면에 위치한 상부 촉매층의 상부 방향 및 고분자 필름(110)의 하면에 위치한 하부 촉매층 하부 방향 각각에 가스확산층(130)이 구비될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the membrane assembly manufacturing method may include forming a gas diffusion layer 130 on both sides of the catalyst layer 120 (S300). As shown in FIG. 5, the gas diffusion layer 130 may be provided in contact with each catalyst layer located on the upper and lower surfaces of the polymer film 110. For example, the gas diffusion layer 130 may be provided in the upper direction of the upper catalyst layer located on the upper surface of the polymer film 110 and in the lower direction of the lower catalyst layer located on the lower surface of the polymer film 110.

일 실시예에서, 가스확산층(130)은 기체를 고르고 넓게 촉매층(120)으로 전달하는 역할을 수행할 수 있다. 가스확산층(130)은 반응 기체가 촉매층(120)으로 이동하는 통로를 제공할 수 있다. 또, 가스확산층(130)은 생성된 수분이 촉매층으로 빠져나가는 통로를 제공할 수 있다. 가스확산층(130)은 반응물을 촉매층(120)으로 확산시키고, 생성된 전자를 캐소드로 전달하는 전기전도체 역할과 생성된 물과 열을 배출하는 이동통로 역할을 하는 구성요소로서 전극 성능과 내구성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 높은 기체투과도와 전기전도성, 소수성 및 열 안정성을 가져야할 수 있다. In one embodiment, the gas diffusion layer 130 may serve to evenly and widely transfer gas to the catalyst layer 120. The gas diffusion layer 130 may provide a passage through which the reaction gas moves to the catalyst layer 120. Additionally, the gas diffusion layer 130 may provide a passage through which generated moisture escapes to the catalyst layer. The gas diffusion layer 130 is a component that diffuses reactants into the catalyst layer 120, serves as an electrical conductor to transfer generated electrons to the cathode, and acts as a passage to discharge generated water and heat, affecting electrode performance and durability. can affect Therefore, it must have high gas permeability, electrical conductivity, hydrophobicity, and thermal stability.

일 실시예에 따르면, 가스확산층(130)은 가스 확산성을 가지는 도전성 부재를 통해 구비될 수 있다. 가스확산층(130)은 버키페이퍼(Bucky paper), 카본페이퍼(carbon paper) 및 카본크로스(carbon cloth) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 실시예에서, 가스확산층(130)은 소수성 고분자인 PTFT(Polytetrafluoroethylene) 바인더를 포함하여 구성될 수 있다. 구체적인 실시예에서, 가스확산층(130)은 버키페이퍼에 PTFE고분자가 부분적으로 함유되어 구비될 수 있다. 실시예에 따르면, PTFE 고분자의 함량이 높을수록 소수성이 증가하여 물 배출에 유리하나 전기전도도가 감소하여 저항 손실이 증가할 수 있다. 즉, 본 발명의 가스확산층(130)은 기체투과성, 도전성 및 열 안정성이 우수한 버키페이퍼, 카본페이퍼 및 카본크로스 중 적어도 하나를 포함하며, 소수성 고분자인 PTFE를 함유하여 구성됨에 따라, 높은 기체투과도, 전기전도성, 열 안정성 및 소수성을 가질 수 있다.According to one embodiment, the gas diffusion layer 130 may be provided through a conductive member having gas diffusion properties. The gas diffusion layer 130 may be composed of at least one of bucky paper, carbon paper, and carbon cloth. In an embodiment, the gas diffusion layer 130 may include a hydrophobic polymer PTFT (polytetrafluoroethylene) binder. In a specific embodiment, the gas diffusion layer 130 may be provided by partially containing PTFE polymer in bucky paper. According to an example, as the content of PTFE polymer increases, hydrophobicity increases, which is advantageous for water discharge, but electrical conductivity may decrease and resistance loss may increase. That is, the gas diffusion layer 130 of the present invention includes at least one of bucky paper, carbon paper, and carbon cloth with excellent gas permeability, conductivity, and thermal stability, and is composed of PTFE, a hydrophobic polymer, so that it has high gas permeability, It may have electrical conductivity, thermal stability, and hydrophobicity.

또한, 가스확산층(130)은 금속 메쉬(140)를 통해 지지되는 것을 특징으로 할 수 있다. 구체적으로, 가스확산층(130)은, 고분자 필름(110)을 기준으로 상부 방향 및 하부 방향 각각에서 촉매층(120)을 감싸도록 구비될 수 있다. 이 경우, 금속 메쉬(140)는, 두 개의 가스확산층(130)의 일면(예컨대, 촉매층과 접촉하는 일면에 대응하는 다른 일면) 각각에 접촉되어 구비될 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 멤브레인 어셈블리(100)의 외면은 금속 메쉬(140)를 통해 지지될 수 있다.Additionally, the gas diffusion layer 130 may be supported by a metal mesh 140. Specifically, the gas diffusion layer 130 may be provided to surround the catalyst layer 120 in the upper and lower directions with respect to the polymer film 110. In this case, the metal mesh 140 may be provided in contact with one surface (eg, the other surface corresponding to the one surface in contact with the catalyst layer) of the two gas diffusion layers 130. That is, as shown in FIG. 5, the outer surface of the membrane assembly 100 may be supported through the metal mesh 140.

일 실시예에 따르면, 금속 메쉬(140)는 구리합금을 통해 구성되며, 10 내지 30㎛의 두께를 통해 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다. 금속 메쉬(140)의 전술한 두께는, 멤브레인 어셈블리에 인가되는 압력을 지지하기 위한 최적의 두께일 수 있다. 금속 메쉬(140)가 구리 합금을 통해 구성됨에 따라, 일정 이상의 기계적 강도를 가질 수 있다. 구리 합금은, 기계적 성질 및 내식성이 우수하다는 장점이 있다.According to one embodiment, the metal mesh 140 is made of a copper alloy and may be provided with a thickness of 10 to 30 μm. The above-described thickness of the metal mesh 140 may be an optimal thickness for supporting the pressure applied to the membrane assembly. As the metal mesh 140 is made of a copper alloy, it can have mechanical strength above a certain level. Copper alloy has the advantage of excellent mechanical properties and corrosion resistance.

즉, 금속 메쉬(140)는 전술한 두께를 통해 구비됨에 따라 일정 이상의 강도를 갖도록 구비될 수 있으며, 해당 금속 메쉬(140)의 내측에 위치되는 고분자 필름(110), 촉매층(120) 및 가스확산층(130)의 지지력을 향상시킬 수 있다. 다시 말해, 수소 압축 과정에서 압력이 발생하더라도, 가장 외측에 지지되는 금속 메쉬(140)를 통한 높은 지지력으로 멤브레인 어셈블리(100)의 전체적인 지지력이 향상될 수 있다.In other words, the metal mesh 140 may be provided to have a strength of a certain level or more as it is provided with the above-mentioned thickness, and the polymer film 110, catalyst layer 120, and gas diffusion layer located inside the metal mesh 140 The support capacity of (130) can be improved. In other words, even if pressure is generated during the hydrogen compression process, the overall support capacity of the membrane assembly 100 can be improved due to the high support force through the metal mesh 140 supported on the outermost side.

일 실시예에 따르면, 금속 메쉬(140)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 복수 개의 홀(141)을 포함할 수 있다. 복수 개의 홀(141)은 수소 분자를 원활하게 통과시키기 위한 홀을 의미할 수 있다. 일 실시예에서, 복수 개의 홀(141)은, 10 내지 50㎛ 직경을 통해 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다. 실시예에서, 수소 기체 분자는 금속 메쉬(140)에 구비된 복수 개의 홀(141)을 통과하여 캐소드 측으로 전달될 수 있다. 즉, 금속 메쉬(140)는 복수 개의 홀(141)을 통해 기체의 이동은 저해하지 않는 선에서, 압력에 대응하는 멤브레인 어셈블리(100)의 전체적인 지지력을 향상시킬 수 있다.According to one embodiment, the metal mesh 140 may include a plurality of holes 141, as shown in FIG. 7. The plurality of holes 141 may refer to holes for smoothly passing hydrogen molecules. In one embodiment, the plurality of holes 141 may be provided with a diameter of 10 to 50 μm. In an embodiment, hydrogen gas molecules may pass through the plurality of holes 141 provided in the metal mesh 140 and be transferred to the cathode. That is, the metal mesh 140 can improve the overall support capacity of the membrane assembly 100 in response to pressure without impeding the movement of gas through the plurality of holes 141.

도 3에 도시된 고분자 필름 생성 방법에 포함된 단계들은, 필요에 의해 순서가 변경될 수 있으며, 적어도 하나 이상의 단계가 생략 또는 추가될 수 있다. 즉, 도 3에 단계들은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 권리 범위는 이에 제한되지 않는다.The order of the steps included in the polymer film production method shown in FIG. 3 may be changed as needed, and at least one step may be omitted or added. That is, the steps in FIG. 3 are only one embodiment of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예에서, 고분자 필름을 생성하는 단계는, 고분자 바인더(112) 및 나노입자(111a)를 혼합하여 나노입자 강화 고분자를 생성하는 단계(S110)를 포함할 수 있다. 고분자 바인더(112)는 PFSA(Perfluorosulfonic acid) 폴리머 및 PBI(Polybenzimidazole) 폴리머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In an embodiment, the step of generating a polymer film may include mixing the polymer binder 112 and the nanoparticles 111a to generate a nanoparticle-reinforced polymer (S110). The polymer binder 112 may include at least one of perfluorosulfonic acid (PFSA) polymer and polybenzimidazole (PBI) polymer.

일 실시예에 따르면, 나노입자(111a)는, 세라믹 소재에 관련한 나노입자일 수 있다. 세라믹 소재는 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti) 및 지르코늄(Zr) 등과 같은 금속원소가 산소, 탄소, 질소 등과 결합하여 만든 산화물, 탄화물, 또는 질화물로 이루어질 수 있다.According to one embodiment, the nanoparticles 111a may be nanoparticles related to ceramic materials. Ceramic materials may be made of oxides, carbides, or nitrides made by combining metal elements such as silicon (Si), aluminum (Al), titanium (Ti), and zirconium (Zr) with oxygen, carbon, and nitrogen.

일 실시예에 따르면, 나노입자(111a)는 실리카(silica), 알루미나(alumina) 및 지르코늄(zirconium) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 세라믹 소재는, 실리콘, 알루미늄 및 지르코늄 각각이 산화하여 생성된 산화물인, 실리카, 알루미나 및 지르코늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 나노입자(111a)는 나노 단위의 크기를 갖는 세라믹 입자를 의미할 수 있다. 세라믹은 특성상 높은 온도가 될때까지 용융되거나 분해되지 않기 때문에, 내열성이나 내화성이 탁월하다. 또한, 세라믹은, 구성원자간의 결합력이 강하기 때문에 본질적으로 단단하며, 고체물질과 달리 고온에서 소성변형이 나타나 고온에서도 연성적으로 깨지지 않고 다양한 형상으로 만들 수 있어 복원력이 탁월하다.According to one embodiment, the nanoparticles 111a may include at least one of silica, alumina, and zirconium. For example, the ceramic material may include at least one of silica, alumina, and zirconium, which are oxides produced by oxidation of silicon, aluminum, and zirconium, respectively. That is, the nanoparticles 111a of the present invention may refer to ceramic particles having a nanoscale size. Because ceramics do not melt or decompose until high temperatures due to their nature, they have excellent heat resistance and fire resistance. In addition, ceramics are inherently hard because the bonding force between constituent elements is strong, and unlike solid materials, they undergo plastic deformation at high temperatures and do not ductilely break even at high temperatures, and can be made into various shapes, giving them excellent resilience.

특히, 실리카 또는 알루미나는 대표적인 부도체로 높은 열적-기계적 안정성을 가지고 있으며, 친수성을 띄어 고분자의 함수율을 향상시키는데 기여할 수 있다. 예컨대, 멤브레인의 옴 저항과 물질전달 저항은 셀 내부의 수분 분포와 밀접한 관계가 있다. 구체적으로, 셀 내부의 수분이 적정하지 못하여 건조해지는 경우, 전자 이동이 용이하게 이루어지지 않을 수 있다. 에노드와 캐소드 사이에 위치하여 수소이온을 전달하는 멤브레인은 함수량이 높아야 저항에 의한 전압손실이 최소화되어 수소 압축 효율을 극대화시킬 수 있다. 실리카 또는 알루미나 등으로 구성되는 나노입자(111a)의 경우, 물 분자와 쉽게 결합하는 친수성을 갖기 때문에, 고분자 필름(110)의 함수율을 개선한다는 장점이 있다.In particular, silica or alumina are representative insulators, have high thermal-mechanical stability, and are hydrophilic, which can contribute to improving the water content of polymers. For example, the ohmic resistance and mass transfer resistance of the membrane are closely related to the moisture distribution inside the cell. Specifically, if the moisture inside the cell is not adequate and becomes dry, electron transfer may not occur easily. The membrane that is located between the anode and the cathode and transmits hydrogen ions must have a high water content to minimize voltage loss due to resistance and maximize hydrogen compression efficiency. In the case of nanoparticles 111a made of silica or alumina, they have the advantage of improving the moisture content of the polymer film 110 because they have hydrophilic properties that easily combine with water molecules.

즉, 본 발명은 고분자 필름(110)은, 세라믹 소재를 통해 구성되는 복수 개의 나노입자(111a)를 포함하여 구성됨에 따라, 향상된 기계적 강도를 가질뿐 아니라, 함수율을 개선하여 수소 압축 시스템의 효율 향상에 기여할 수 있다.In other words, in the present invention, the polymer film 110 is composed of a plurality of nanoparticles 111a made of a ceramic material, so that it not only has improved mechanical strength, but also improves water content and improves the efficiency of the hydrogen compression system. can contribute to

실시예에 따르면, 나노입자 강화 고분자를 생성하는 단계는, 극저온에서 밀링 공정을 통해 나노입자(111a)와 고분자 바인더(112)를 혼합시키는 것을 특징으로 할 수 있다. 밀링은, 합성수지, 고무와 같은 고분자 재료에 가소제, 안정제, 충전제, 착색제 등을 밀링 커터를 활용한 기계적 작용에 의해 균일하게 섞는 공정을 의미할 수 있다. 일 실시예에서, 극저온 밀링 공정을 통해 고분자 바인더(112) 내에서 나노입자(111a)의 분산도를 향상시킬 수 있다. 예컨대, 극저온 매체 내에서 분말을 기계적으로 분쇄하여 가열로 인한 고분자의 변형 없이 높은 전단 변형력을 사용하여 나노크기의 입자들을 고분자 바인더(112) 상에 균일하게 분산시킬 수 있다. 구체적인 예를 들어, 펠렛 형태의 PFSA 또는 PBI로 구성된 고분자 바인더(112)에 세라믹에 관련한 나노입자(111a)를 밀링 머신에 혼입하여 10분 간 밀링을 수행할 수 있다.According to an embodiment, the step of generating a nanoparticle-reinforced polymer may be characterized by mixing the nanoparticles 111a and the polymer binder 112 through a milling process at a cryogenic temperature. Milling may refer to a process of uniformly mixing plasticizers, stabilizers, fillers, colorants, etc. with polymer materials such as synthetic resins and rubber through mechanical action using a milling cutter. In one embodiment, the dispersion of the nanoparticles 111a within the polymer binder 112 can be improved through a cryogenic milling process. For example, by mechanically pulverizing the powder in a cryogenic medium, nano-sized particles can be uniformly dispersed on the polymer binder 112 using high shear strain without deformation of the polymer due to heating. For a specific example, ceramic-related nanoparticles 111a may be mixed into the polymer binder 112 composed of PFSA or PBI in the form of pellets in a milling machine, and milling may be performed for 10 minutes.

또한, 고분자 필름을 생성하는 단계는, 나노입자 강화 고분자를 용매에 혼합하여 고분자 용액을 생성하는 단계(S120)를 포함할 수 있다. 밀링이 완료된 파우더 형태의 나노입자 강화 고분자를 용매에 첨가할 수 있다. 실시예에서, 용매는, 고분자 바인더(112) 및 나노입자(111a)로 구성된 나노입자 강화 고분자를 용해시키기 위한 것으로, 예를 들어, 에탄올, 메탄올, 프로판올, NMP 등을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 유동성이 확보될때까지 나노입자 강화 고분자에 용매를 첨가하여 고분자 용액을 생성할 수 있다.Additionally, the step of generating a polymer film may include mixing a nanoparticle-reinforced polymer in a solvent to create a polymer solution (S120). Nanoparticle-reinforced polymer in the form of milled powder can be added to the solvent. In an embodiment, the solvent is used to dissolve the nanoparticle-reinforced polymer composed of the polymer binder 112 and the nanoparticles 111a, and may include, for example, ethanol, methanol, propanol, NMP, etc. Depending on the embodiment, a polymer solution may be created by adding a solvent to the nanoparticle-reinforced polymer until fluidity is secured.

또한, 고분자 필름을 생성하는 단계는, 고분자 용액에 중공입자를 첨가하여 슬러리 형태의 고분자 혼합액을 생성하는 단계(S130)를 포함할 수 있다. 실시예에서, 중공입자(111)는 내부가 비어있는 중공 구체 형태의 입자일 수 있다. 중공입자(111)는 마이크로 크기의 유리중공입자로, 예컨대, 실리카 중공구를 포함할 수 있다. 예를 들어, 중공입자(111)는 silica glass bubble 또는 glass microbubble일 수 있다. 이러한 중공입자(111)는 내부가 채워진 세라믹 입자와 비교하여 낮은 밀도와 높은 단열 성능을 갖는다는 장점이 있다. 즉, 본 발명의 중공입자(111)는, 일반적인 세라믹 입자와 비교하여 무게당 향상된 열적 성능 및 기계적 성능을 가질 수 있다. 구체적인 예를 들어, 중공입자(111)는, 강성, 강도, 진동 감쇄, 단열특성 및 에너지 흡수용량 면에서 향상된 성능을 가질 수 있다. 고분자 필름(110)이 열적 성능 및 기계적 성능이 향상된 중공입자(111)를 포함하여 구비됨에 따라, 고분자 필름(110)은 기계적 강성을 즉, 향상된 경도를 통해 구성될 수 있다. 예컨대, 일반적인 멤브레인의 경우, 별도의 입자(예컨대, 중공입자)가 분산되지 않은 고분자층을 통해 구성될 수 있으나, 본 발명의 멤브레인 어셈블리(100)에 포함된 고분자 필름(110)은 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 중공입자(111)들이 분산된 상태로 구비됨에 따라, 향상된 기계적 강성을 가질 수 있다. 이는, 인가되는 압력으로부터 견고한 지지력을 유지할 수 있다는 장점이 있다. 또한 실시예에서, 중공입자(111)는 중공구의 혼합 비율, 중공구의 크기, 중공구 내부의 가수 종류 및 중공부의 벽 두께 비율 등의 넓은 제조공정 변수 선택을 통해 원하는 기계적 성능 및 열적 성능을 획득할 수 있다는 장점이 있다.Additionally, the step of generating a polymer film may include adding hollow particles to a polymer solution to generate a slurry-type polymer mixture (S130). In an embodiment, the hollow particle 111 may be a hollow sphere-shaped particle with an empty interior. The hollow particles 111 are micro-sized glass hollow particles and may include, for example, hollow silica spheres. For example, the hollow particles 111 may be silica glass bubbles or glass microbubbles. These hollow particles 111 have the advantage of having low density and high thermal insulation performance compared to ceramic particles filled inside. That is, the hollow particles 111 of the present invention may have improved thermal performance and mechanical performance per weight compared to general ceramic particles. For a specific example, the hollow particles 111 may have improved performance in terms of rigidity, strength, vibration damping, thermal insulation characteristics, and energy absorption capacity. As the polymer film 110 includes hollow particles 111 with improved thermal and mechanical performance, the polymer film 110 can have mechanical rigidity, that is, improved hardness. For example, in the case of a general membrane, it may be composed of a polymer layer in which separate particles (e.g., hollow particles) are not dispersed, but the polymer film 110 included in the membrane assembly 100 of the present invention is shown in Figure 5. As described above, as the plurality of hollow particles 111 are provided in a dispersed state, improved mechanical rigidity can be achieved. This has the advantage of being able to maintain a firm support from applied pressure. In addition, in the embodiment, the hollow particles 111 can obtain the desired mechanical and thermal performance through the selection of a wide range of manufacturing process variables such as the mixing ratio of the hollow spheres, the size of the hollow spheres, the type of valence inside the hollow spheres, and the wall thickness ratio of the hollow part. There is an advantage in that it can be done.

실시예에 따르면, 고분자 용액 내에 중공입자(111)를 균일하게 혼합시키기 위해, 임펠러 타입의 교반기가 활용될 수 있다. 이 경우, 임펠러 타입의 교반기는, 큰 기포가 혼입되는 것을 방지하기 위하여 회전 속도를 느리게 할 수 있다. 교반기는, 다양한 점도와 특성을 가지고 있는 시료를 여러 조건 속에서 확산, 분산, 교반을 돕는 장비를 의미할 수 있다. 일 실시예에서, 고분자 바인더(112), 나노입자(111a) 및 용매를 포함하여 구성되는 고분자 용액에 중공입자(111)가 투입되는 경우, 중공입자(111) 각각에는 복수 개의 나노입자(111a)가 결속될 수 있다. According to the embodiment, an impeller-type stirrer may be used to uniformly mix the hollow particles 111 in the polymer solution. In this case, the rotation speed of the impeller type stirrer can be slowed to prevent large bubbles from being mixed. A stirrer can refer to equipment that helps spread, disperse, and stir samples with various viscosities and characteristics under various conditions. In one embodiment, when hollow particles 111 are added to a polymer solution comprising a polymer binder 112, nanoparticles 111a, and a solvent, each hollow particle 111 contains a plurality of nanoparticles 111a. can be tied together.

또한, 고분자 필름을 생성하는 단계는, 상기 고분자 혼합액에 기초하여 고분자 필름을 생성하는 단계(S140)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 고분자 혼합액을 평평한 면에 도포하고, 이를 경화시켜 고분자 필름(110)을 생성할 수 있다. 고분자 혼합액에 기초하여 고분자 필름(110)을 생성하는 과정은 이하에서, 도 4를 참조하여 구체적으로 후술하도록 한다. Additionally, the step of generating a polymer film may include generating a polymer film based on the polymer mixture (S140). Specifically, the polymer mixture can be applied to a flat surface and cured to produce the polymer film 110. The process of producing the polymer film 110 based on the polymer mixture will be described in detail below with reference to FIG. 4.

도 4에 도시된 고분자 필름 생성 방법에 포함된 단계들은, 필요에 의해 순서가 변경될 수 있으며, 적어도 하나 이상의 단계가 생략 또는 추가될 수 있다. 즉, 도 4에 단계들은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 권리 범위는 이에 제한되지 않는다.The order of the steps included in the polymer film production method shown in FIG. 4 may be changed as needed, and at least one step may be omitted or added. That is, the steps in FIG. 4 are only one embodiment of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

일 실시예에 따르면, 고분자 필름을 생성하는 단계는 고분자 혼합액을 몰드 상에 도포하는 단계(S141)를 포함할 수 있다. 여기서 고분자 혼합액은, 고분자 바인더(112), 나노입자(111a) 및 중공입자(111)가 용매에 녹아 있는 상태의 혼합액을 의미할 수 있다. 구체적으로, 닥터 블레이드 형태의 코터를 활용하여 고분자 혼합액을 몰드 상에 균일하게 도포할 수 있다. 예컨대, 닥터 블레이드는, 슬러리(고체와 액체의 혼합물, 즉, 고분자 혼합액)를 몰드 상에 도포하고, 바닥과 일정한 간격을 유지하도록 설계된 칼날(즉, 블레이드)를 위로 지나가게하여 시트(sheet)를 생성하는 데 사용되는 코팅 방식일 수 있다. 즉, 고분자 혼합액을 몰드 위에 투입시키고, 닥터 블레이드 형태의 코터를 사용하여 몰드의 면 상에 고르게 도포시킬 수 있다. 이 경우, 고분자 혼합액이 도포되는 몰드의 일면은, 테프론 코팅을 통해 표면 처리된 것을 특징으로 할 수 있다. 몰드의 일면에 표면 처리된 테프론 코팅을 통해 몰드로부터 고분자 혼합액의 이탈(또는 분리)이 용이해질 수 있다.According to one embodiment, the step of generating a polymer film may include applying a polymer mixture onto a mold (S141). Here, the polymer mixed solution may mean a mixed solution in which the polymer binder 112, nanoparticles 111a, and hollow particles 111 are dissolved in a solvent. Specifically, the polymer mixture can be uniformly applied onto the mold using a doctor blade-type coater. For example, the doctor blade applies a slurry (a mixture of solids and liquids, i.e., a polymer mixture) onto the mold, and passes a blade (i.e., a blade) designed to maintain a certain distance from the floor upward to create a sheet. It may be the coating method used to create it. That is, the polymer mixture can be placed on the mold and evenly applied on the surface of the mold using a doctor blade-type coater. In this case, one surface of the mold to which the polymer mixture is applied may be surface treated through Teflon coating. The Teflon coating on one side of the mold can facilitate the separation (or separation) of the polymer mixture from the mold.

또한, 고분자 필름을 생성하는 단계는 고분자 혼합액이 도포된 몰드를 기 설정된 온도 및 압력을 통해 경화시켜 고체 형상의 고분자 시편을 생성하는 단계(S142)를 포함할 수 있다. 구체적인 실시예에서, 고분자 혼합액이 도포된 몰드를 핫프레스(hot press) 안에 넣고 온도를 100 내지 200℃로 하고, 압력을 10 내지 50bar로 유지시켜 고분자 혼합액에 대한 경화를 수행함으로써, 고분자 시편을 생성할 수 있다. 즉, 고분자 시편은, 기 설정된 온도 및 압력(즉, 100 내지 200℃의 온도 및 10 내지 50bar의 압력)에서 경화된 고체 상태의 고분자 혼합액일 수 있다.Additionally, the step of generating the polymer film may include curing the mold to which the polymer mixture solution is applied through a preset temperature and pressure to generate a solid polymer specimen (S142). In a specific example, the mold to which the polymer mixture is applied is placed in a hot press, the temperature is set to 100 to 200°C, and the pressure is maintained at 10 to 50 bar to perform curing of the polymer mixture, thereby producing a polymer specimen. can do. That is, the polymer specimen may be a solid polymer mixture cured at a preset temperature and pressure (i.e., a temperature of 100 to 200° C. and a pressure of 10 to 50 bar).

또한, 고분자 필름을 생성하는 단계는 고분자 시편을 황산 용액에 침지시켜 수화하는 단계(S143)를 포함할 수 있다. 실시예에서, 황산 용액에 의해 수화된 고분자 시편은 정제수(deionized water)를 통해 세척될 수 있다.Additionally, the step of creating a polymer film may include hydrating the polymer specimen by immersing it in a sulfuric acid solution (S143). In an example, a polymer specimen hydrated by a sulfuric acid solution may be washed through deionized water.

또한, 고분자 필름을 생성하는 단계는 고분자 시편에에 포함된 용매를 제거하는 단계(S144)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 진공오븐을 활용하여 고분자 시편에 포함된 용매를 제거시킬 수 있다. 용매는, 고분자 바인더(112), 중공입자(111) 및 나노입자(111a) 간의 균일한 혼합을 위해 활용된 후, 제거될 수 있다. 즉, 용매가 제거된 고분자 시편이 본 발명의 고분자 필름(110)일 수 있다. Additionally, the step of generating a polymer film may include removing the solvent contained in the polymer specimen (S144). In one embodiment, the solvent contained in the polymer specimen can be removed using a vacuum oven. The solvent may be used for uniform mixing between the polymer binder 112, hollow particles 111, and nanoparticles 111a and then removed. That is, a polymer specimen from which the solvent has been removed may be the polymer film 110 of the present invention.

또한, 고분자 필름을 생성하는 단계는, 용매가 제거된 고분자 시편을 몰드로부터 분리시키는 단계(S145)를 포함할 수 있다. 이 경우, 고분자 시편이 접촉된 몰드의 일면은, 테프론 코팅을 통해 표면 처리되어 있으므로, 몰드로부터 고분자 시편의 용이하게 이탈(또는 분리)될 수 있다.Additionally, the step of generating a polymer film may include separating the polymer specimen from which the solvent has been removed from the mold (S145). In this case, one surface of the mold in contact with the polymer specimen is surface-treated through Teflon coating, so the polymer specimen can be easily separated (or separated) from the mold.

즉, 고분자 필름(110)은 도 6에 도시된 바와 같이, 고분자 바인더(112), 중공입자(111) 및 나노입자(111a)를 포함하여 구비될 수 있다. 이 경우, 고분자 필름(110)은, 고분자 바인더(112) 상에 분포된 중공입자(111)를 포함하며, 중공입자(111) 각각에는 복수 개의 나노입자(111a)가 결합되어 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다. 각각의 중공입자(111)는 고분자 바인더(112) 상에 일정 이격 거리를 두고 분포될 수 있다. 즉, 각각의 중공입자(111)에 결합되어 구비되는 복수 개의 나노입자(111a) 각각에는 나노 내지 서브 마이크로미터 두께의 고분자 흡착층이 형성될 수 있다. 이러한 흡착층은 표면적을 넓히고, 고분자와의 기계적 상호작용(Van der waals interaction, anchoring effect)을 극대화함으로써, 고분자 필름(110)이 향상된 강성 및 넓은 표면적 효과를 갖도록 할 수 있다.That is, the polymer film 110 may be provided including a polymer binder 112, hollow particles 111, and nanoparticles 111a, as shown in FIG. 6. In this case, the polymer film 110 includes hollow particles 111 distributed on a polymer binder 112, and each hollow particle 111 is provided with a plurality of nanoparticles 111a bound to each other. can do. Each hollow particle 111 may be distributed at a certain distance on the polymer binder 112. That is, a polymer adsorption layer with a nano to sub-micrometer thickness may be formed on each of the plurality of nanoparticles 111a coupled to each hollow particle 111. This adsorption layer expands the surface area and maximizes mechanical interaction (Van der Waals interaction, anchoring effect) with the polymer, thereby enabling the polymer film 110 to have improved rigidity and a large surface area effect.

결과적으로, 고분자 필름(110)은 열적 및 기계적 성능이 우수한 중공입자(111)와 기계적 강도, 함수율, 이온전도도가 높은 나노입자(111a)가 고분자 바인더 상에 분산된 형태로 구비됨에 따라, 향상된 기계적 강도, 함수율 및 이온전도도를 가질 수 있다. As a result, the polymer film 110 has improved mechanical properties as hollow particles 111 with excellent thermal and mechanical performance and nanoparticles 111a with high mechanical strength, moisture content, and ionic conductivity are dispersed on a polymer binder. It can have strength, water content and ionic conductivity.

예컨대, 일반적인 수소 압축 과정에서, 애노드(200)에서 분리된 수소이온이 맴브레인을 통해 캐소드(300)로 전달되는 과정에서, 멤브레인에 높은 압력이 인가될 수 있으며, 이에 따라 멤브레인이 변형될 수 있다. 예를 들어, 연료전지 스택의 높은 압력에 의해 멤브레인이 쉽게 변형될 수 있다. 멤브레인의 변형은, 편평도를 저하시켜 기체 흐름이 멤브레인의 면상에 불균일하게 분포되게 하며, 물질전달 저항을 통해 전압손실의 향상을 야기시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 멤브레인의 변형은, 부품의 전체적인 손상을 야기시킬 수 있다.For example, in a general hydrogen compression process, when hydrogen ions separated from the anode 200 are transferred to the cathode 300 through the membrane, high pressure may be applied to the membrane, and the membrane may be deformed accordingly. For example, the membrane can be easily deformed by the high pressure of the fuel cell stack. Deformation of the membrane reduces flatness, causing gas flow to be distributed unevenly on the surface of the membrane, and can cause an increase in voltage loss through mass transfer resistance. In addition, deformation of the membrane can cause overall damage to the component.

본 발명은, 고분자 필름(110)을 포함하여 구성되는 멤브레인 어셈블리(100)로 하여금 향상된 기계적 강도를 가지며, 함수율 및 이온전도도 향상에 따른 수소 압축 시스템의 효율 향상에 기여한다는 장점을 가진다. 특히, 높은 압력에 대응하여 향상된 지지력을 갖는다는 장점이 있다.The present invention has the advantage that the membrane assembly 100, which includes the polymer film 110, has improved mechanical strength and contributes to improving the efficiency of the hydrogen compression system by improving water content and ionic conductivity. In particular, it has the advantage of having improved bearing capacity in response to high pressure.

추가적으로, 해당 고분자 필름(110)의 외면에 촉매층(120), 가스확산층(130) 및 금속 메쉬(140)가 구비됨에 따라 압력에 따른 지지력 향상에 기여할 수 있다. 특히, 높은 기계적 강도를 갖는 금속 메쉬(140)가 가장 외측에 지지됨에 따라, 멤브레인 어셈블리(100)의 전제적인 지지력이 향상될 수 있다.Additionally, since the catalyst layer 120, gas diffusion layer 130, and metal mesh 140 are provided on the outer surface of the polymer film 110, it can contribute to improving the bearing capacity according to pressure. In particular, as the metal mesh 140, which has high mechanical strength, is supported on the outermost side, the overall support capacity of the membrane assembly 100 can be improved.

즉, 전술한 멤브레인 어셈블리(100)의 구조적 특징으로 인해, 수소 압축과정에서 발생하는 높은 압력에 대응하는 향상된 지지력을 가질 수 있다. 즉, 멤브레인 어셈블리(100)는 높은 압력을 지지할 수 있도록 향상된 기계적 강성을 가짐과 동시에, 촉매의 활성표면과 반응물이 접촉하는 면적을 최대화하여 수소 압축 효율을 극대화시킬 수 있다.That is, due to the structural characteristics of the membrane assembly 100 described above, it can have improved support capacity corresponding to the high pressure generated during the hydrogen compression process. In other words, the membrane assembly 100 has improved mechanical rigidity to support high pressure and can maximize hydrogen compression efficiency by maximizing the contact area between the active surface of the catalyst and the reactant.

이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Above, embodiments of the present invention have been described with reference to the attached drawings, but those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical idea or essential features. You will be able to understand it. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive.

제시된 프로세스들에 있는 단계들의 특정한 순서 또는 계층 구조는 예시적인 접근들의 일례임을 이해하도록 한다. 설계 우선순위들에 기반하여, 본 발명의 범위 내에서 프로세스들에 있는 단계들의 특정한 순서 또는 계층 구조가 재배열될 수 있다는 것을 이해하도록 한다. 첨부된 방법 청구항들은 샘플 순서로 다양한 단계들의 엘리먼트들을 제공하지만 제시된 특정한 순서 또는 계층 구조에 한정되는 것을 의미하지는 않는다.It is to be understood that the specific order or hierarchy of steps in the processes presented is an example of illustrative approaches. It is to be understood that the specific order or hierarchy of steps in processes may be rearranged within the scope of the present invention, based on design priorities. The appended method claims present elements of the various steps in a sample order but are not meant to be limited to the particular order or hierarchy presented.

100: 멤브레인 어셈블리 110: 고분자 필름
111: 중공입자 111a: 나노입자
112: 고분자 바인더 120: 촉매층
130: 가스확산층 140: 금속 메쉬
141: 복수 개의 홀 200: 애노드
300: 캐소드
100: Membrane assembly 110: Polymer film
111: hollow particle 111a: nanoparticle
112: polymer binder 120: catalyst layer
130: gas diffusion layer 140: metal mesh
141: plurality of holes 200: anode
300: cathode

Claims (13)

고분자 혼합액에 기초하여 고분자 필름을 생성하는 단계;
상기 고분자 필름의 양면에 촉매층을 형성하는 단계; 및
상기 촉매층의 양면에 가스확산층을 형성하는 단계;
를 포함하는,
전기화학적 수소압축기용 멤브레인 어셈블리 제조 방법.
Creating a polymer film based on the polymer mixture;
Forming a catalyst layer on both sides of the polymer film; and
Forming a gas diffusion layer on both sides of the catalyst layer;
Including,
Method for manufacturing membrane assembly for electrochemical hydrogen compressor.
제1항에 있어서,
상기 고분자 필름을 생성하는 단계는,
고분자 바인더 및 나노입자를 혼합하여 나노입자 강화 고분자를 생성하는 단계;
상기 나노입자 강화 고분자를 용매에 혼합하여 고분자 용액을 생성하는 단계;
상기 고분자 용액에 중공입자를 첨가하여 슬러리 형태의 상기 고분자 혼합액을 생성하는 단계; 및
상기 고분자 필름을 제조하는 단계;
를 포함하는,
전기화학적 수소압축기용 멤브레인 어셈블리 제조 방법.
According to paragraph 1,
The step of producing the polymer film is,
Mixing a polymer binder and nanoparticles to produce a nanoparticle-reinforced polymer;
Mixing the nanoparticle-reinforced polymer with a solvent to produce a polymer solution;
Adding hollow particles to the polymer solution to produce the polymer mixture in the form of a slurry; and
Preparing the polymer film;
Including,
Method for manufacturing membrane assembly for electrochemical hydrogen compressor.
제2항에 있어서,
상기 고분자 필름은,
상기 고분자 바인더 상에 분포된 상기 중공입자를 포함하며, 상기 중공입자 각각에는 복수 개의 상기 나노입자가 결합되어 구비되는 것을 특징으로 하며,
상기 중공입자는,
내부가 비어있는 중공 구체 형태의 입자이며,
상기 나노입자는,
실리카(silica), 알루미나(alumina) 및 지르코늄(zirconium) 중 적어도 하나를 포함하는,
전기화학적 수소압축기용 멤브레인 어셈블리 제조 방법.
According to paragraph 2,
The polymer film is,
It includes the hollow particles distributed on the polymer binder, and each of the hollow particles is provided with a plurality of the nanoparticles bound to each other,
The hollow particles are,
It is a hollow sphere-shaped particle with an empty interior.
The nanoparticles are,
Containing at least one of silica, alumina, and zirconium,
Method for manufacturing membrane assembly for electrochemical hydrogen compressor.
제2항에 있어서,
상기 나노입자 강화 고분자를 생성하는 단계는,
극저온에서 밀링 공정을 통해 상기 나노입자와 상기 고분자 바인더를 혼합시키는 것을 특징으로 하는,
전기화학적 수소압축기용 멤브레인 어셈블리 제조 방법.
According to paragraph 2,
The step of producing the nanoparticle-reinforced polymer is,
Characterized in mixing the nanoparticles and the polymer binder through a milling process at cryogenic temperature,
Method for manufacturing membrane assembly for electrochemical hydrogen compressor.
제2항에 있어서,
상기 고분자 필름을 제조하는 단계는,
상기 고분자 혼합액을 몰드 상에 도포하는 단계;
상기 고분자 혼합액이 도포된 상기 몰드를 기 설정된 온도 및 압력을 통해 경화시켜 고체 형상의 고분자 시편을 생성하는 단계;
상기 고분자 시편을 황산 용액에 침지시켜 수화하는 단계;
상기 고분자 시편에 포함된 상기 용매를 제거하는 단계; 및
상기 용매가 제거된 고분자 시편을 상기 몰드로부터 분리시키는 단계;
를 포함하는,
전기화학적 수소압축기용 멤브레인 어셈블리 제조 방법.
According to paragraph 2,
The step of manufacturing the polymer film is,
Applying the polymer mixture onto a mold;
Curing the mold coated with the polymer mixture at a preset temperature and pressure to produce a solid polymer specimen;
Hydrating the polymer specimen by immersing it in a sulfuric acid solution;
Removing the solvent contained in the polymer specimen; and
separating the polymer specimen from which the solvent has been removed from the mold;
Including,
Method for manufacturing membrane assembly for electrochemical hydrogen compressor.
제5항에 있어서,
상기 고분자 혼합액을 몰드 상에 도포하는 단계는,
닥터 블레이드 형태의 코터를 활용하여 상기 고분자 혼합액을 상기 몰드 상에 균일하게 도포하는 것을 특징으로 하며,
상기 고분자 혼합액의 접촉하는 상기 몰드의 일면은,
테프론 코팅을 통해 표면 처리된 것 특징으로 하는,
전기화학적 수소압축기용 멤브레인 어셈블리 제조 방법.
According to clause 5,
The step of applying the polymer mixture onto the mold,
Characterized in uniformly applying the polymer mixture onto the mold using a doctor blade-type coater,
One surface of the mold in contact with the polymer mixture is,
Characterized by surface treatment through Teflon coating,
Method for manufacturing membrane assembly for electrochemical hydrogen compressor.
제1항에 있어서,
상기 가스확산층은,
버키페이퍼(Bucky paper), 카본페이퍼(carbon paper) 및 카본크로스(carbon cloth) 중 적어도 하나를 포함하며, PTFE를 함유하여 구성되는 것을 특징으로 하고, 금속 메쉬를 통해 지지되는 것을 특징으로 하는,
전기화학적 수소압축기용 멤브레인 어셈블리 제조 방법.
According to paragraph 1,
The gas diffusion layer is,
It includes at least one of bucky paper, carbon paper, and carbon cloth, and is characterized in that it is composed of PTFE and is supported through a metal mesh,
Method for manufacturing membrane assembly for electrochemical hydrogen compressor.
제7항에 있어서,
상기 금속 메쉬는,
복수 개의 홀을 포함하며, 10 내지 30㎛의 두께를 통해 구비되는 것을 특징으로 하며,
상기 복수 개의 홀은,
10 내지 50㎛ 직경을 통해 구비되는 것을 특징으로 하는,
전기화학적 수소압축기용 멤브레인 어셈블리 제조 방법.
In clause 7,
The metal mesh is,
It includes a plurality of holes and is characterized in that it is provided through a thickness of 10 to 30㎛,
The plurality of holes are,
Characterized in that it is provided through a diameter of 10 to 50㎛,
Method for manufacturing membrane assembly for electrochemical hydrogen compressor.
고분자 필름;
상기 고분자 필름의 양면에 구비되는 촉매층; 및
상기 촉매층의 양면에 구비되는 가스확산층;
을 포함하는,
전기화학적 수소압축기용 멤브레인 어셈블리.
polymer film;
A catalyst layer provided on both sides of the polymer film; and
A gas diffusion layer provided on both sides of the catalyst layer;
Including,
Membrane assembly for electrochemical hydrogen compressor.
제9항에 있어서,
상기 고분자 필름은,
고분자 바인더 및 나노입자로 구성되는 나노입자 강화 고분자; 및
상기 나노입자 강화 고분자 상에 분산되는 중공입자;
를 포함하는,
전기화학적 수소압축기용 멤브레인 어셈블리.
According to clause 9,
The polymer film is,
Nanoparticle-reinforced polymers consisting of polymer binders and nanoparticles; and
Hollow particles dispersed on the nanoparticle-reinforced polymer;
Including,
Membrane assembly for electrochemical hydrogen compressor.
제10항에 있어서,
상기 고분자 바인더 상에 분포된 상기 중공입자를 포함하며, 상기 중공입자 각각에는 복수 개의 상기 나노입자가 결합되어 구비되는 것을 특징으로 하며,
상기 중공입자는,
내부가 비어있는 중공 구체 형태의 입자이며,
상기 나노입자는,
지르코늄(zirconium), 알루미나(alumina) 및 실리카(silica) 중 적어도 하나를 포함하는,
전기화학적 수소압축기용 멤브레인 어셈블리.
According to clause 10,
It includes the hollow particles distributed on the polymer binder, and each of the hollow particles is provided with a plurality of the nanoparticles bound to each other,
The hollow particles are,
It is a hollow sphere-shaped particle with an empty interior.
The nanoparticles are,
Containing at least one of zirconium, alumina, and silica,
Membrane assembly for electrochemical hydrogen compressor.
제9항에 있어서,
상기 가스확산층은,
버키페이퍼(Bucky paper), 카본페이퍼(carbon paper) 및 카본크로스(carbon cloth) 중 적어도 하나를 포함하며, PTFE를 함유하여 구성되는 것을 특징으로 하고, 금속 메쉬를 통해 지지되는 것을 특징으로 하는,
전기화학적 수소압축기용 멤브레인 어셈블리.
According to clause 9,
The gas diffusion layer is,
It includes at least one of bucky paper, carbon paper, and carbon cloth, and is characterized in that it is composed of PTFE and is supported through a metal mesh,
Membrane assembly for electrochemical hydrogen compressor.
제12항에 있어서,
상기 금속 메쉬는,
복수 개의 홀을 포함하며, 10 내지 30㎛의 두께를 통해 구비되는 것을 특징으로 하며,
상기 복수 개의 홀은,
10 내지 50㎛ 직경을 통해 구비되는 것을 특징으로 하는,
전기화학적 수소압축기용 멤브레인 어셈블리.
According to clause 12,
The metal mesh is,
It includes a plurality of holes and is characterized in that it is provided through a thickness of 10 to 30㎛,
The plurality of holes are,
Characterized in that it is provided through a diameter of 10 to 50㎛,
Membrane assembly for electrochemical hydrogen compressor.
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