KR20230149144A - Reinforced composite membrane for fuel cell, manufacturing method thereof and membrane-electrode assembly for fuel cell comprising the same - Google Patents

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KR20230149144A
KR20230149144A KR1020220048496A KR20220048496A KR20230149144A KR 20230149144 A KR20230149144 A KR 20230149144A KR 1020220048496 A KR1020220048496 A KR 1020220048496A KR 20220048496 A KR20220048496 A KR 20220048496A KR 20230149144 A KR20230149144 A KR 20230149144A
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이혜송
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Abstract

본 발명은 다공성 지지체 및 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 강화복합막으로서, 상기 강화복합막은 상기 수소 이온 전도성 고분자가 상기 다공성 지지체에 함침되거나, 또는 상기 다공성 지지체의 적어도 일면 상에 상기 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전해질층을 포함하고, 상기 수소 이온 전도성 고분자 또는 상기 다공성 지지체는 가교제로부터 유래된 가교부를 포함하는 연료전지용 강화복합막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.The present invention is a reinforced composite membrane comprising a porous support and a hydrogen ion conductive polymer, wherein the reinforced composite membrane is impregnated with the hydrogen ion conductive polymer into the porous support, or the hydrogen ion conductive polymer is impregnated on at least one side of the porous support. The present invention relates to a reinforced composite membrane for a fuel cell, including an electrolyte layer containing the hydrogen ion conductive polymer or a crosslinking portion derived from a crosslinking agent, a method for manufacturing the same, and a membrane-electrode assembly including the same.

Description

연료전지용 강화복합막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 {Reinforced composite membrane for fuel cell, manufacturing method thereof and membrane-electrode assembly for fuel cell comprising the same}Reinforced composite membrane for fuel cell, manufacturing method thereof and membrane-electrode assembly for fuel cell comprising the same}

본 발명은 연료전지용 강화복합막, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.The present invention relates to a reinforced composite membrane for fuel cells, a method of manufacturing the same, and a membrane-electrode assembly for fuel cells including the same.

최근 휴대용 전자기기 및 무선통신기기의 급격한 보급으로 인해, 휴대용 전원 공급원인 배터리로서의 연료전지 개발, 무공해 자동차용 연료전지 및 청정 에너지원으로서 발전용 연료전지의 개발에 많은 관심과 연구가 진행되고 있다.Recently, due to the rapid spread of portable electronic devices and wireless communication devices, much interest and research is being conducted in the development of fuel cells as batteries as a portable power source, pollution-free fuel cells for automobiles, and fuel cells for power generation as a clean energy source.

수소를 연료로 하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)의 경우, 넓은 온도 범위에서 작동이 가능하므로 냉각 장치 및 밀봉 부품 간소화, 저가습 수소를 연료로 사용하므로 가습기 사용 최소화, 그리고 빠른 구동 등의 장점으로 차량용 및 가정용 전원 장치로 각광을 받고 있다. 또한 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서 넓은 범위의 온도에서 작동되고 구조가 간단하며 빠른 시동과 응답 특성이 있다.Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), which uses hydrogen as fuel, can operate in a wide temperature range, simplifying cooling devices and sealing parts, minimizing the use of humidifiers because it uses low-humidity hydrogen as fuel, and providing rapid heating. Due to its advantages such as driving, it is attracting attention as a power supply device for vehicles and home use. Additionally, it is a high-output fuel cell with a higher current density than other types of fuel cells. It operates in a wide range of temperatures, has a simple structure, and has fast start-up and response characteristics.

연료전지의 핵심 부품인 전해질막의 장기 성능 향상을 위한 노력들이 최근에 많이 진행 중이다. 가격 경쟁력을 갖추는 동시에 성능 향상을 위해서는 저습도에서의 높은 이온전도 특성이 매우 중요한 요소이다.Recently, many efforts have been made to improve the long-term performance of electrolyte membranes, a key component of fuel cells. In order to be price competitive and improve performance at the same time, high ion conduction characteristics at low humidity are a very important factor.

여러 타입의 전해질막 중에서 과불소화 전해질막은 기계적 강도 및 전기화학적 특성의 우수성에도 불구하고, 복잡한 제조공정으로 인해 막의 가격이 매우 고가이며, 불소화 구조로 인해 낮은 유리 전이 온도가 단점으로 작용한다.Among various types of electrolyte membranes, perfluorinated electrolyte membranes have excellent mechanical strength and electrochemical properties, but the price of the membrane is very expensive due to the complex manufacturing process, and the low glass transition temperature due to the fluorinated structure acts as a disadvantage.

이러한 과불소화 전해질막의 대안으로, 탄화수소 고분자의 개발이 활발히 이루어져 왔는데, 탄화수소 고분자 전해질막의 경우 과불소화 전해질막 수준의 적절한 기계적 강도를 확보하는 것이 중요한 과제가 된다.As an alternative to such perfluorinated electrolyte membranes, hydrocarbon polymers have been actively developed, and in the case of hydrocarbon polymer electrolyte membranes, securing appropriate mechanical strength at the level of perfluorinated electrolyte membranes is an important task.

또한, 탄화수소 고분자 전해질막은 고분자 전해질 연료전지를 운전하는 과정에 발생하는 과산화수소 또는 히드록시 라디칼에 의해 전해질막의 산화가 가속화될 수 있고, 단일막을 사용할 경우 기계적 내구성이 크게 감소하여, 이로 인해 고분자 전해질막의 화학적, 기계적 안정성이 크게 떨어질 수 있다는 점이 중대한 문제점으로 지적되고 있다. 고성능, 장기안정성, 고내구성, 저가격화를 실현하기 위해서는 전해질막의 고이온전도성, 물리화학적 안정성 확보, 높은 기계적 강도, 고치수 안정성 등이 요구된다. 이를 만족시키기 위해서 강화복합막의 도입이 그 대안이 될 수 있다In addition, the oxidation of the hydrocarbon polymer electrolyte membrane can be accelerated by hydrogen peroxide or hydroxy radicals generated during the operation of the polymer electrolyte fuel cell, and when a single membrane is used, the mechanical durability is greatly reduced, which causes the chemical damage of the polymer electrolyte membrane. , the fact that mechanical stability may be greatly reduced is pointed out as a serious problem. In order to realize high performance, long-term stability, high durability, and low cost, the electrolyte membrane requires high ionic conductivity, physical and chemical stability, high mechanical strength, and high number stability. To satisfy this, the introduction of a reinforced composite membrane can be an alternative.

한편으로는, 강화복합막의 상용화 과정에서 고내구성 측면 외에도, 여러 가지 성능을 향상시키기 위한 기술에 대해 산업 현장의 다양한 요구가 존재하였다. 그 예로서, 강화복합막의 가스 투과도를 조절하는 기술 및 전해질과 지지체 간의 안정성을 향상시킬 수 있는 기술 또는 전해질의 함침을 용이하게 할 수 있는 기술 등이 있으며, 이러한 측면에서 강화복합막의 성능을 향상시키는 방법에 대한 연구가 필요한 상황이었다.On the one hand, in the process of commercializing reinforced composite membranes, there were various demands in the industrial field for technologies to improve various performances in addition to high durability. Examples include technology to control the gas permeability of the reinforced composite membrane, technology to improve the stability between the electrolyte and the support, or technology to facilitate impregnation of the electrolyte. In this respect, there are technologies that improve the performance of the reinforced composite membrane. The situation required research on methods.

본 발명의 목적은 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 또는 다공성 지지체에 가교제로부터 유래한 가교부를 부여하여, 연료전지의 구동에 따른 화학적 열화 발생시에도 고분자 전해질에 포함된 고분자의 형태를 유지하여 내구성을 향상시키고, 상기 다공성 지지체와 고분자 전해질 사이의 계면 탈리를 최소화함으로써, 연료전지의 성능을 장기간 유지시킬 수 있고 그 수명을 향상시킬 수 있는 연료전지용 강화복합막을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a crosslinking portion derived from a crosslinking agent to a polymer electrolyte or porous support containing a hydrogen ion conductive polymer, thereby maintaining the shape of the polymer contained in the polymer electrolyte even when chemical deterioration occurs due to operation of the fuel cell, thereby increasing durability. The aim is to provide a reinforced composite membrane for fuel cells that can maintain the performance of the fuel cell for a long period of time and improve its lifespan by improving and minimizing interfacial separation between the porous support and the polymer electrolyte.

본 발명의 다른 목적은 상기 강화복합막의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the reinforced composite membrane.

본 발명의 다른 목적은 상기 강화복합막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly including the reinforced composite membrane.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell including the membrane-electrode assembly.

본 발명의 일 실시예는, 다공성 지지체 및 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 강화복합막으로서, 상기 강화복합막은 상기 수소 이온 전도성 고분자가 상기 다공성 지지체에 함침되거나, 또는 상기 다공성 지지체의 적어도 일면 상에 상기 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전해질층을 포함하고, 상기 수소 이온 전도성 고분자 또는 상기 다공성 지지체는, 가교제로부터 유래한 가교부를 포함하는 것인, 연료전지용 강화복합막을 제공한다.One embodiment of the present invention is a reinforced composite membrane comprising a porous support and a hydrogen ion-conducting polymer, wherein the reinforced composite membrane is formed by impregnating the porous support with the hydrogen ion-conducting polymer, or on at least one side of the porous support. Provided is a reinforced composite membrane for a fuel cell, including an electrolyte layer containing a hydrogen ion conductive polymer, wherein the hydrogen ion conductive polymer or the porous support includes a crosslinking portion derived from a crosslinking agent.

상기 수소 이온 전도성 고분자 또는 상기 다공성 지지체에 포함된 가교부는 히드록시기(-OH), 카르복실기(-COOH), 아민기(-NH2), 할로겐, 또는 이들의 조합일 수 있다. 여기서 상기 할로겐은 -F, -Cl, -Br, 또는 -I 일 수 있다.The crosslinking portion included in the hydrogen ion conductive polymer or the porous support may be a hydroxy group (-OH), a carboxyl group (-COOH), an amine group (-NH 2 ), a halogen, or a combination thereof. Here, the halogen may be -F, -Cl, -Br, or -I.

상기 가교부는 디카르복실산계 화합물, 디아민계 화합물, 글리콜계 화합물, 할로겐으로 치환된 페놀, 할로겐으로 치환된 벤조산, 및 카르복시기로 치환된 페놀로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종에서 유래한 것일 수 있다.The crosslinking portion may be derived from at least one selected from the group consisting of dicarboxylic acid-based compounds, diamine-based compounds, glycol-based compounds, phenols substituted with halogens, benzoic acids substituted with halogens, and phenols substituted with carboxyl groups. .

상기 가교부는 상기 다공성 지지체의 표면에 도입된 것일 수 있다.The crosslinking portion may be introduced into the surface of the porous support.

상기 수소 이온 전도성 고분자는 술폰산기, 카르복실기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기, 및 술폰산 플루오라이드기로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 양이온 교환기를 포함하는 것일 수 있다.The hydrogen ion conductive polymer may include a cation exchange group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxyl group, a boronic acid group, a phosphoric acid group, an imide group, a sulfonimide group, a sulfonamide group, and a sulfonic acid fluoride group.

상기 다공성 지지체는 연신 필름 또는 부직웹일 수 있다.The porous support may be a stretched film or nonwoven web.

상기 다공성 지지체의 두께는 1 내지 100 ㎛ 일 수 있다.The thickness of the porous support may be 1 to 100 ㎛.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, (a) 다공성 지지체를 가교제와 접촉시켜 가교부가 도입된 다공성 지지체를 준비하는 단계; 및 (b) 상기 다공성 지지체에 수소 이온 전도성 고분자를 함침시키거나 또는 상기 가교부를 포함하는 다공성 지지체의 적어도 일면 상에 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전해질층을 형성시키는 단계를 포함하는, 연료전지용 강화 복합막의 제조 방법이 제공한다.According to another embodiment of the present invention, (a) preparing a porous support into which a crosslinking portion is introduced by contacting the porous support with a crosslinking agent; and (b) impregnating the porous support with a hydrogen ion conductive polymer or forming an electrolyte layer containing a hydrogen ion conductive polymer on at least one surface of the porous support including the crosslinking portion. Reinforced composite for fuel cells comprising the step of: A method for manufacturing a membrane is provided.

상기 (a) 단계에서 상기 다공성 지지체는 플라즈마 처리, UV 처리, 또는 초음파 처리에 의해 표면 처리한 후 상기 가교제와 접촉할 수 있다.In step (a), the porous support may be surface treated by plasma treatment, UV treatment, or ultrasonic treatment and then contacted with the crosslinking agent.

상기 (a) 단계에서 상기 가교제는 용액 형태로 다공성 지지체 상에 스프레이 도포, 스핀 도포, 또는 잉크젯 프린팅 도포되어 다공성 지지체와 접촉할 수 있다.In step (a), the cross-linking agent may be spray-applied, spin-applied, or inkjet printed on the porous support in solution form to contact the porous support.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, (c) 적어도 1종의 단량체를 가교제와 함께 중합 반응시켜 가교부가 도입된 고분자를 제조하는 단계; (d) 상기 고분자로부터 다공성 지지체 또는 수소 이온 전도성 고분자를 제조하는 단계; 및 (e) 다공성 지지체에 수소 이온 전도성 고분자를 함침시키거나 또는 다공성 지지체의 적어도 일면 상에 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전해질층을 형성시키는 단계를 포함하는, 연료전지용 강화 복합막의 제조 방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, (c) polymerizing at least one type of monomer with a cross-linking agent to produce a polymer into which a cross-linking moiety is introduced; (d) preparing a porous support or hydrogen ion conductive polymer from the polymer; and (e) impregnating a porous support with a hydrogen ion conductive polymer or forming an electrolyte layer containing a hydrogen ion conductive polymer on at least one surface of the porous support. .

상기 연료전지용 강화 복합막의 제조 방법의 (a) 단계 및 (c) 단계에서, 상기 가교부는 히드록시기(-OH), 카르복실기(-COOH), 아민기(-NH2), 할로겐, 또는 이들의 조합일 수 있다. 여기서 상기 할로겐은 -F, -Cl, -Br, 또는 -I 일 수 있다.In steps (a) and (c) of the method for manufacturing a reinforced composite membrane for fuel cells, the crosslinking portion is a hydroxy group (-OH), a carboxyl group (-COOH), an amine group (-NH 2 ), halogen, or a combination thereof. You can. Here, the halogen may be -F, -Cl, -Br, or -I.

상기 연료전지용 강화 복합막의 제조 방법의 (a) 단계에서, 상기 가교제는 디카르복실산계 화합물, 디아민계 화합물, 및 글리콜계 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종일 수 있다.In step (a) of the method for manufacturing a reinforced composite membrane for a fuel cell, the crosslinking agent may be at least one selected from the group consisting of dicarboxylic acid-based compounds, diamine-based compounds, and glycol-based compounds.

상기 연료전지용 강화 복합막의 제조 방법의 (c) 단계에서, 상기 가교제는 할로겐으로 치환된 페놀, 할로겐으로 치환된 벤조산, 및 카르복시기로 치환된 페놀로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종일 수 있다.In step (c) of the method for manufacturing a reinforced composite membrane for a fuel cell, the crosslinking agent may be at least one selected from the group consisting of phenol substituted with a halogen, benzoic acid substituted with a halogen, and phenol substituted with a carboxyl group.

본 발명의 또 다른 일 실시예는, 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 그리고 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 상기 연료전지용 강화복합막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a membrane-electrode assembly including an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and the reinforced composite membrane for a fuel cell positioned between the anode electrode and the cathode electrode.

본 발명의 또 다른 일 실시예는, 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지를 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a fuel cell including the membrane-electrode assembly.

본 발명에 의하면, 연료전지용 강화복합막에 포함된 고분자 전해질 또는 다공성 지지체에 가교제로부터 유래된 가교부가 부여됨에 따라, 연료전지 구동에 따른 화학적 열화 발생시에도 고분자 전해질에 포함된 고분자의 형태가 유지되어 강화복합막의 내구성이 향상될 수 있다.According to the present invention, as a cross-linking portion derived from a cross-linking agent is provided to the polymer electrolyte or porous support contained in the reinforced composite membrane for fuel cells, the shape of the polymer contained in the polymer electrolyte is maintained even when chemical deterioration occurs due to fuel cell operation, thereby strengthening the polymer electrolyte. The durability of the composite membrane can be improved.

따라서, 다공성 지지체와 고분자 전해질 사이의 계면 탈리가 최소화되어 상기 강화복합막을 포함하는 연료전지의 성능 및 수명을 현저히 향상시킬 수 있다.Accordingly, interfacial detachment between the porous support and the polymer electrolyte is minimized, thereby significantly improving the performance and lifespan of the fuel cell including the reinforced composite membrane.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 강화복합막을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 전체적인 구성을 도시한 모식도이다.
Figure 1 is a schematic diagram schematically showing a reinforced composite membrane for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view schematically showing a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness is enlarged to clearly express various layers and regions, and similar reference numerals are given to similar parts throughout the specification. When a part of a layer, membrane, region, plate, etc. is said to be “on” another part, this includes not only cases where it is “directly above” the other part, but also cases where there is another part in between. Conversely, when a part is said to be “right on top” of another part, it means that there is no other part in between.

본 명세서에 기재된 용어 "나노"란 나노 스케일을 의미하며, 1 ㎛ 이하의 크기를 포함한다.As used herein, the term “nano” refers to nanoscale and includes sizes of 1 μm or less.

이하 일 실시예에 따른 연료전지용 강화복합막에 관하여 설명한다.Hereinafter, a reinforced composite membrane for a fuel cell according to an embodiment will be described.

본 발명은 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 또는 다공성 지지체에 가교제로부터 유래한 가교부를 부여하여, 연료전지의 구동에 따른 화학적 열화 발생시에도 고분자 전해질에 포함된 고분자의 형태를 유지하여 내구성을 향상시키고, 상기 다공성 지지체와 고분자 전해질 사이의 계면 탈리를 최소화함으로써, 연료전지의 성능을 장기간 유지시킬 수 있고 그 수명을 향상시킬 수 있는 연료전지용 강화복합막에 관한 것이다.The present invention provides a cross-linking portion derived from a cross-linking agent to a polymer electrolyte or porous support containing a hydrogen ion conductive polymer, and improves durability by maintaining the shape of the polymer contained in the polymer electrolyte even when chemical deterioration occurs during operation of the fuel cell. , relates to a reinforced composite membrane for fuel cells that can maintain the performance of the fuel cell for a long period of time and improve its lifespan by minimizing interfacial separation between the porous support and the polymer electrolyte.

도 1은 일 구현예에 따른 연료전지용 강화복합막의 개략적인 구성을 나타낸 모식도이다.Figure 1 is a schematic diagram showing the schematic configuration of a reinforced composite membrane for a fuel cell according to an embodiment.

도 1을 참조하여 설명하면, 일 구현예에 따른 연료전지용 강화복합막(10)은 다공성 지지체(5) 및 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 강화복합막으로서, 상기 강화복합막은 상기 수소 이온 전도성 고분자가 상기 다공성 지지체(5)에 함침되거나, 또는 상기 다공성 지지체(5)의 적어도 일면 상에 상기 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전해질층(1 및/또는 3)을 포함하고, 상기 수소 이온 전도성 고분자 또는 상기 다공성 지지체는, 가교제로부터 유래한 가교부를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the reinforced composite membrane 10 for a fuel cell according to one embodiment is a reinforced composite membrane including a porous support 5 and a hydrogen ion conductive polymer, and the reinforced composite membrane includes the hydrogen ion conductive polymer. Impregnated in the porous support 5, or comprising an electrolyte layer (1 and/or 3) containing the hydrogen ion conductive polymer on at least one side of the porous support 5, and comprising the hydrogen ion conductive polymer or the The porous support may include crosslinking portions derived from a crosslinking agent.

통상 자동차용 및 가정용 연료전지 상용화를 위해 다양한 고분자형 불소계/부분 불소계/탄화수소계 전해질 소재가 시도되었지만, 연료전지 구동조건(산조건, 온도, 압력, 라디칼 분해 등)에서 ① 기계적/화학적 내구성 ② 높은 수소이온전도도 ③ 수소 및 산소 차단성 ④ 불소계 바인더를 포함한 전극과의 상용성 및 안정적인 계면형성특성 ⑤ 전기화학적 연료전지 수명특성을 만족시키는 소재로는 PFSA 순수막이 현재 유일한 실정이다.In general, a variety of polymer-type fluorine-based/partially fluorine-based/hydrocarbon-based electrolyte materials have been attempted to commercialize fuel cells for automobiles and home use, but ① mechanical/chemical durability ② high mechanical/chemical durability under fuel cell operating conditions (acid conditions, temperature, pressure, radical decomposition, etc.) PFSA pure membrane is currently the only material that satisfies the following requirements: ③ hydrogen and oxygen barrier properties ④ compatibility with electrodes containing fluorine-based binders and stable interface formation characteristics ⑤ electrochemical fuel cell lifespan characteristics.

그러나 비교적 반응조건이 steady state에 가까운 가정용 연료전지 분야와는 달리, on/off cycle 및 온도 및 습도변화가 지속적으로 이루어지는 자동차용 연료전지 분야에 적용시켰을 경우에는, 앞서 언급한 우수한 성능특성을 갖는 상기 PFSA 순수막에서조차 물의 증발/흡수를 반복함에 따라 전극의 탈리(Delamination) 및 수소 투과로 인한 열화(Degradation)가 발생하여 연료전지 수명 특성이 현저히 떨어지게 된다.However, unlike the household fuel cell field where reaction conditions are relatively close to steady state, when applied to the automotive fuel cell field where on/off cycles and temperature and humidity changes occur continuously, the above-mentioned excellent performance characteristics are obtained. Even in the PFSA pure film, as water is repeatedly evaporated and absorbed, delamination of the electrode and degradation due to hydrogen permeation occur, significantly reducing the fuel cell lifespan characteristics.

이에 대하여 본 발명에 따른 연료전지용 강화복합막은, 강화복합막에 포함된 수소 이온 전도성 고분자 또는 다공성 지지체, 특히 다공성 지지체의 표면에 가교제로부터 유래한 가교부가 부여됨에 따라, 상기 가교부가 예를 들어 수소 이온 전도성 고분자 막의 양이온 교환기와 결합(예를 들어 이온 결합 또는 수소 결합)을 형성함으로써 가교 구조, 예를 들어 이온성 가교 구조 또는 수소결합 가교 구조를 포함할 수 있게 된다. 이러한 가교부의 덕분으로 연료전지 구동에 따른 화학적 열화 발생시에도 고분자의 형태가 유지되어 강화복합막의 내구성이 향상될 수 있으며, 다공성 지지체와 수소 이온 전도성 고분자 또는 이를 포함하는 고분자 전해질막 사이의 계면 탈리가 최소화되어 상기 강화복합막을 포함하는 연료전지의 성능 및 수명을 현저히 향상시킬 수 있다.In contrast, the reinforced composite membrane for fuel cells according to the present invention is provided with a cross-linked portion derived from a cross-linking agent on the surface of the hydrogen ion-conducting polymer or porous support contained in the reinforced composite membrane, especially the porous support, so that the cross-linked portion is formed by, for example, hydrogen ions. By forming a bond (for example, an ionic bond or a hydrogen bond) with the cation exchanger of the conductive polymer membrane, it can include a cross-linked structure, for example, an ionic cross-linked structure or a hydrogen bond cross-linked structure. Thanks to these crosslinks, the shape of the polymer can be maintained even when chemical deterioration occurs during fuel cell operation, improving the durability of the reinforced composite membrane, and interfacial detachment between the porous support and the hydrogen ion conductive polymer or the polymer electrolyte membrane containing it is minimized. This can significantly improve the performance and lifespan of a fuel cell including the reinforced composite membrane.

다공성 지지체(5)는 강화복합막의 기계적 강도를 증진시키고 수분에 의한 부피팽창을 억제함으로써 치수안정성을 증진시키는 역할을 하는 것으로서, 당업계에서 사용하는 일반적인 다공성 지지체를 사용할 수 있고, 또는 다공성 지지체 형성용 고분자의 전구체를 포함하는 용액을 전기 방사하여 제조한 고분자 전구체의 나노섬유를 화학적으로 경화시켜 제조할 수 있다.  상기 다공성 지지체는 연신 필름(expanded film) 또는 부직 웹(nonwoven fibrous web)일 수 있다.The porous support 5 serves to improve dimensional stability by improving the mechanical strength of the reinforced composite membrane and suppressing volume expansion due to moisture. A general porous support used in the industry can be used, or a porous support for forming a porous support can be used. It can be manufactured by chemically curing nanofibers of a polymer precursor prepared by electrospinning a solution containing a polymer precursor. The porous support may be an expanded film or a nonwoven fibrous web.

다공성 지지체(5)는 통상의 유기용매에 불용성이어서 우수한 내화학성을 나타낼 뿐만 아니라 다공성 지지체의 기공 내 이온전도체 충진 공정을 용이하게 하도록 하며, 소수성을 가져 고습의 환경에서 수분에 의한 형태 변형 우려가 없는 탄화수소계 고분자를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 탄화수소계 고분자로는 나일론, 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리벤즈옥사졸(polybenzoxazole, PBO), 폴리벤즈이미다졸 (polybenzimidazole, PBI), 폴리아미드이미드(polyamideimide, PAI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephtalate), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리테트라플루우로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), e-PTFE, 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide, PPS), 이들의 공중합체 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으며, 이중에서도 내열성, 내화학성, 및 형태안정성이 보다 우수한 폴리이미드, PPS, e-PTFE, 또는 PTFE이 바람직하다.The porous support (5) is insoluble in common organic solvents, so it not only exhibits excellent chemical resistance, but also facilitates the process of filling ion conductors in the pores of the porous support, and has hydrophobicity, so there is no risk of shape deformation due to moisture in a high humidity environment. It is preferable that it contains a hydrocarbon-based polymer. The hydrocarbon-based polymers include nylon, polyimide (PI), polybenzoxazole (PBO), polybenzimidazole (PBI), polyamideimide (PAI), and polyethyleneterephthalate. ), polyethylene (PE), polytetrafluoroethylene (PTFE), e-PTFE, polypropylene (PP), polyphenylene sulfide (PPS), copolymers thereof or their Mixtures, etc. can be used, and among these, polyimide, PPS, e-PTFE, or PTFE, which has better heat resistance, chemical resistance, and dimensional stability, is preferable.

일 구현예에서, 상기 다공성 지지체(5)의 두께는 1 내지 100 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 50 ㎛일 수 있고, 예를 들어 2 내지 40 ㎛, 또는 3 내지 30 ㎛일 수 있다. 상기 다공성 지지체(5)의 두께가 1 ㎛ 미만인 경우, 강화복합막의 물리적, 기계적 물성이 충분히 확보되지 않아 내구성 및 치수안정성이 감소될 우려가 있으며, 100 ㎛를 초과하는 경우 수소 이온 전도성 고분자의 함침이 어렵고, 이로 인한 수소 이온 전도도의 감소 및 막 성능 저하가 나타날 수 있다.In one embodiment, the thickness of the porous support 5 may be 1 to 100 ㎛, preferably 1 to 50 ㎛, for example, 2 to 40 ㎛, or 3 to 30 ㎛. If the thickness of the porous support 5 is less than 1 ㎛, there is a risk that durability and dimensional stability may be reduced because the physical and mechanical properties of the reinforced composite membrane are not sufficiently secured, and if it exceeds 100 ㎛, impregnation with hydrogen ion conductive polymer may occur. It is difficult, and this may result in a decrease in hydrogen ion conductivity and deterioration in membrane performance.

상기 다공성 지지체(5)의 공극율을 40 내지 95 %일 수 있고, 예를 들어 50 내지 90 %, 바람직하게는 60 내지 85 %일 수 있다. 상기 다공성 지지체(5)의 공극율이 40 % 미만인 경우, 수소 이온 전도성 고분자의 함침율이 감소할 수 있고, 그로 인한 막성능 감소가 일어날 수 있으며, 95 %를 초과하는 경우 강화복합막의 내구성 및 기계적 강성이 충분히 확보되지 않을 수 있다.The porosity of the porous support 5 may be 40 to 95%, for example, 50 to 90%, preferably 60 to 85%. If the porosity of the porous support 5 is less than 40%, the impregnation rate of the hydrogen ion conductive polymer may decrease, which may result in a decrease in membrane performance, and if it exceeds 95%, the durability and mechanical rigidity of the reinforced composite membrane may decrease. This may not be sufficiently secured.

강화복합막(10)은 상기 수소 이온 전도성 고분자가 다공성 지지체(5)에 함침되거나, 또는 다공성 지지체(5)의 적어도 일면 상에 상기 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전해질층(1 및/또는 3)이 형성된 것일 수 있다.The reinforced composite membrane 10 is impregnated with the hydrogen ion conductive polymer into a porous support 5, or an electrolyte layer 1 and/or 3 containing the hydrogen ion conductive polymer on at least one side of the porous support 5. This may have been formed.

상기 수소 이온 전도성 고분자가 다공성 지지체(5)에 함침되는 형태의 경우, 용매에 상기 수소 이온 전도성 고분자를 분산시켜 혼합 용액을 제조한 뒤, 다공성 지지체(5)를 상기 혼합 용액에 침지시킴으로써 다공성 지지체(5)에 수소 이온 전도성 고분자가 함침된 형태의 강화복합막을 형성할 수 있다. 상기 용매는 물, 친수성 용매, 유기용매 또는 이들 중 2 이상의 혼합용매일 수 있다.In the case where the hydrogen ion conductive polymer is impregnated into the porous support 5, a mixed solution is prepared by dispersing the hydrogen ion conductive polymer in a solvent, and then the porous support 5 is immersed in the mixed solution to form the porous support ( 5) A reinforced composite membrane impregnated with hydrogen ion conductive polymer can be formed. The solvent may be water, a hydrophilic solvent, an organic solvent, or a mixed solvent of two or more thereof.

다공성 지지체(5)의 적어도 일면 상에 상기 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전해질층(1 및/또는 3)이 형성된 강화복합막(10)의 경우, 다공성 지지체(5)의 적어도 일면 상에 상기 수소 이온 전도성 고분자의 혼합 용액을 도포하고 이를 건조시키거나, 또는 상기 혼합 용액을 캐스팅하고 이를 건조시켜 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전해질막을 형성하고, 이를 다공성 지지체(5)의 적어도 일면과 합지시키는 과정을 통해 형성할 수 있다. 또한, 전해질층(1 및/또는 3)을 다층구조로 형성시키는 경우, 수소 이온 전도성 고분자의 농도 및 종류를 달리하는 혼합 용액을 다공성 지지체(5)에 순차적으로 도포 및 건조하거나 또는 합지하는 과정을 거칠 수 있다. 이때, 상기 혼합 용액의 도포 또는 캐스팅은 바 코팅, 콤마 코팅, 슬롯다이, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 또는 라미네이팅을 통해 수행될 수 있다.In the case of a reinforced composite membrane (10) in which an electrolyte layer (1 and/or 3) containing the hydrogen ion conductive polymer is formed on at least one side of the porous support (5), the hydrogen on at least one side of the porous support (5) A process of applying a mixed solution of ion conductive polymers and drying the mixed solution, or casting the mixed solution and drying it to form an electrolyte membrane containing a hydrogen ion conductive polymer, and laminating it with at least one side of the porous support 5. It can be formed through In addition, when forming the electrolyte layer (1 and/or 3) in a multilayer structure, a mixed solution of different concentrations and types of hydrogen ion conductive polymer is sequentially applied and dried or laminated to the porous support (5). It can be rough. At this time, application or casting of the mixed solution may be performed through bar coating, comma coating, slot die, screen printing, spray coating, doctor blade, or laminating.

또는, 강화복합막(10)은 상기 수소 이온 전도성 고분자가 함침된 다공성 지지체(5)의 적어도 일면 상에, 수소 이온 고분자를 포함하는 전해질막을 합지하여 전해질층(1 및/또는 3)이 형성된 형태를 포함할 수 있다.Alternatively, the reinforced composite membrane 10 is formed by laminating an electrolyte membrane containing a hydrogen ion polymer on at least one surface of the porous support 5 impregnated with the hydrogen ion conductive polymer to form an electrolyte layer (1 and/or 3). may include.

상기 건조는 1분 내지 30분 정도 60 ℃ 내지 100 ℃의 열을 가하여 수행하거나, 바람직하게는 5분 내지 15분 정도 70 ℃ 내지 90 ℃의 열을 가하여 수행할 수 있다. 이때, 건조 온도가 60 ℃ 미만이면 수소 이온 전도성 고분자 용액의 보액성이 저하될 수 있고, 100 ℃를 초과하면 강화복합막 및/또는 막-전극 접합체 제조시 전극과의 접합성이 저하될 수 있다.The drying can be performed by applying heat at 60°C to 100°C for about 1 to 30 minutes, or preferably by applying heat at 70°C to 90°C for about 5 to 15 minutes. At this time, if the drying temperature is less than 60 ℃, the liquid retention property of the hydrogen ion conductive polymer solution may be reduced, and if it exceeds 100 ℃, the adhesion to the electrode may be reduced when manufacturing the reinforced composite membrane and/or the membrane-electrode assembly.

일 구현예에 따른 강화복합막(10)은 다공성 지지체(5)에 수소 이온 전도성 고분자가 함침되거나, 또는 다공성 지지체(5)의 적어도 일면 상에 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전해질층(1 및/또는 3)이 구비함에 따라, 다공성 지지체(5)의 표면으로부터 강화복합막(10)의 두께 방향으로 수소 이온 전도성 고분자가 연속적으로 분포되는 구조를 포함하게 되어 강화복합막의 이온 전도성이 향상되는 효과가 있다.The reinforced composite membrane 10 according to one embodiment includes a porous support 5 impregnated with a hydrogen ion conductive polymer, or an electrolyte layer 1 and/ including a hydrogen ion conductive polymer on at least one side of the porous support 5. Or, as 3) is provided, it includes a structure in which hydrogen ion conductive polymers are continuously distributed from the surface of the porous support 5 in the thickness direction of the reinforced composite membrane 10, so that the ionic conductivity of the reinforced composite membrane is improved. there is.

상기 수소 이온 전도성 고분자는 통상 연료전지의 전해질막에서 수소 이온 전도체로서 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용이 가능하며, 구체적으로 수소 이온 전도 기능이 우수하면서도 가격 면에서 유리하고 유기 용매에 대해 용해성인 불소계 고분자, 탄화수소계 고분자 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.The hydrogen ion conductive polymer can be used without particular restrictions as long as it is commonly used as a hydrogen ion conductor in the electrolyte membrane of a fuel cell. Specifically, it is a fluorine-based polymer that has an excellent hydrogen ion conduction function, is advantageous in terms of price, and is soluble in organic solvents. , hydrocarbon-based polymers, or mixtures thereof can be used.

구체적으로 상기 수소 이온 전도성 고분자는 0.8 meq/g 이상의 이온교환용량(ion exchange capacity, IEC)을 갖는 고분자를 사용하는 것이 좋다. 이와 같이 높은 이온교환용량을 갖는 고분자를 사용함으로써 다공성 지지체 형성용 조성물 내 수소 이온 전도성 고분자의 함량을 낮출 수 있으며, 그 결과로 수소 이온 전도성 고분자의 사용에 따른 다공성 지지체의 강도 및 치수안정성 저하를 방지할 수 있다.Specifically, it is recommended to use a polymer having an ion exchange capacity (IEC) of 0.8 meq/g or more as the hydrogen ion conductive polymer. By using a polymer with such a high ion exchange capacity, it is possible to lower the content of hydrogen ion conductive polymer in the composition for forming a porous support, and as a result, it is possible to prevent a decrease in the strength and dimensional stability of the porous support due to the use of hydrogen ion conductive polymer. can do.

상기 수소 이온 전도성 고분자는 전해질막의 이온전도성을 확보하기 위해 양이온 교환기를 더 포함할 수 있으며, 구체적으로 상기 양이온 교환기는 술폰산기, 카르복실기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기, 및 술폰산 플루오라이드기로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것일 수 있다. 더욱 상게하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 이온 전도성 고분자는 술폰산기 및/또는 카르복실기를 양이온 교환기로서 갖는 수소 이온 전도성 고분자일 수 있다.The hydrogen ion conductive polymer may further include a cation exchanger to ensure ion conductivity of the electrolyte membrane. Specifically, the cation exchanger may include a sulfonic acid group, a carboxyl group, a boronic acid group, a phosphoric acid group, an imide group, a sulfonimide group, and a sulfonamide group. , and may be selected from the group consisting of a sulfonic acid fluoride group. More specifically, the hydrogen ion conductive polymer according to an embodiment of the present invention may be a hydrogen ion conductive polymer having a sulfonic acid group and/or a carboxyl group as a cation exchange group.

상기 수소 이온 전도성 고분자의 구체적인 예로는, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤 또는 이들의 혼합물을 포함하는 플루오르계 고분자, 술폰화된 폴리이미드(sulfonated polyimide, S-PI), 술폰화된 폴리아릴에테르술폰(sulfonated polyarylethersulfone, S-PAES), 술폰화된 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyetheretherketone, SPEEK), 술폰화된 폴리벤즈이미다졸(sulfonated polybenzimidazole, SPBI), 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), 폴리아릴렌에테르술폰케톤(sulfonated polyarylene ether sulfone ketone), 및 이들의 혼합물을 포함하는 탄화수소계 고분자 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.Specific examples of the hydrogen ion conductive polymer include poly(perfluorosulfonic acid), poly(perfluorocarboxylic acid), copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing a sulfonic acid group, and defluorinated sulfated poly. Fluorinated polymers containing etherketone or mixtures thereof, sulfonated polyimide (S-PI), sulfonated polyarylethersulfone (S-PAES), sulfonated polyetheretherketone (sulfonated polyetheretherketone, SPEEK), sulfonated polybenzimidazole (SPBI), sulfonated polysulfone (S-PSU), sulfonated polystyrene (S-PS), sulfonated sulfonated polyphosphazene, sulfonated polyquinoxaline, sulfonated polyketone, sulfonated polyphenylene oxide, sulfonated polyethersulfone ( sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ketone, sulfonated polyphenylene sulfone, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonated polyphenylene sulfide Sulfonated polyphenylene sulfide sulfone, sulfonated polyphenylene sulfide sulfone nitrile, sulfonated polyarylene ether, sulfonated polyarylene ether. nitrile), sulfonated polyarylene ether ether nitrile, sulfonated polyarylene ether sulfone ketone, and mixtures thereof, including hydrocarbon polymers and mixtures thereof. Any one selected from the group can be used.

일 구현예에서, 상기 수소 이온 전도성 고분자 또는 상기 다공성 지지체는, 가교제로부터 유래한 가교부(이하, "가교부"라고도 칭함)를 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment, the hydrogen ion conductive polymer or the porous support may include a crosslinking portion (hereinafter also referred to as a “crosslinking portion”) derived from a crosslinking agent.

상기 가교부는 수소 이온 전도성 고분자 또는 다공성 지지체에 도입된 것일 수 있으며, 구체적으로 상기 수소 이온 전도성 고분자의 경우 고분자의 측쇄에 상기 가교부가 도입될 수 있고, 다공성 지지체의 경우 표면에 표면 개질을 통해 가교부가 도입되거나 다공성 지지체를 구성하는 고분자의 측쇄에 가교 단량체를 통해 가교부가 도입되어 결과적으로 다공성 지지체의 표면에 가교부가 도입된 것일 수 있다.The cross-linked portion may be introduced into a hydrogen ion-conducting polymer or a porous support. Specifically, in the case of the hydrogen ion-conducting polymer, the cross-linked portion may be introduced into the side chain of the polymer, and in the case of a porous support, the cross-linked portion may be introduced to the surface through surface modification. A cross-linked moiety may be introduced through a cross-linking monomer into the side chain of the polymer constituting the porous support, resulting in the cross-linking moiety being introduced to the surface of the porous support.

상기 수소 이온 전도성 고분자 및 상기 다공성 지지체에 포함된 가교부는, 예를 들어 히드록시기(-OH), 카르복실기(-COOH), 아민기(-NH2), 할로겐, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 여기서 상기 할로겐은 -F, -Cl, -Br, 또는 -I 일 수 있다.The crosslinking portion included in the hydrogen ion conductive polymer and the porous support may include, for example, a hydroxy group (-OH), a carboxyl group (-COOH), an amine group (-NH 2 ), a halogen, or a combination thereof. Here, the halogen may be -F, -Cl, -Br, or -I.

일 구현예에서, 상기 연료전지용 강화복합막은 상기 수소 이온 전도성 고분자에 포함된 가교부 또는 상기 다공성 지지체에 포함된 가교부는 가교 구조를 형성할 수 있다.In one embodiment, the reinforced composite membrane for a fuel cell may form a crosslinked structure through a crosslinked portion included in the hydrogen ion conductive polymer or a crosslinked portion included in the porous support.

상기 가교부는 디카르복실산계 화합물, 디아민계 화합물, 글리콜계 화합물, 할로겐으로 치환된 페놀, 할로겐으로 치환된 벤조산, 및 카르복시기로 치환된 페놀으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종에서 유래한 것일 수 있다. 즉, 가교제가 디카르복실산계 화합물, 디아민계 화합물, 글리콜계 화합물, 할로겐으로 치환된 페놀, 할로겐으로 치환된 벤조산, 및 카르복시기로 치환된 페놀로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종일 수 있다.The crosslinking portion may be derived from at least one selected from the group consisting of dicarboxylic acid-based compounds, diamine-based compounds, glycol-based compounds, phenols substituted with halogens, benzoic acids substituted with halogens, and phenols substituted with carboxyl groups. . That is, the crosslinking agent may be at least one selected from the group consisting of dicarboxylic acid-based compounds, diamine-based compounds, glycol-based compounds, phenols substituted with halogens, benzoic acids substituted with halogens, and phenols substituted with carboxyl groups.

구체적으로, 상기 디카르복실산계 화합물은 화학식 HOOC-R1-COOH 로 표시되는 것일 수 있으며, 여기서 R1 은 탄소수 1 내지 20의 알킬렌기, 페닐기, 나프틸기, 또는 비페닐기일 수 있다. 예를 들어 상기 디카르복실산계 화합물로는 옥살산, 테페프탈산 등이 있을 수 있다.Specifically, the dicarboxylic acid-based compound may be represented by the formula HOOC-R 1 -COOH, where R 1 may be an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms, a phenyl group, a naphthyl group, or a biphenyl group. For example, the dicarboxylic acid-based compounds may include oxalic acid and tepthalic acid.

구체적으로, 상기 디아민계 화합물은 화학식 H2N-R2-NH2 로 표시되는 것일 수 있으며, 여기서 R2 는 탄소수 1 내지 20의 알킬렌기, 페닐기, 나프틸기, 또는 비페닐기일 수 있다. 예를 들어 상기 디아민계 화합물로는 히드라진, 에틸렌 디아민 등이 있을 수 있다.Specifically, the diamine-based compound may be represented by the formula H 2 NR 2 -NH 2 , where R 2 may be an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms, a phenyl group, a naphthyl group, or a biphenyl group. For example, the diamine-based compound may include hydrazine, ethylene diamine, etc.

구체적으로, 상기 글리콜계 화합물은 화학식 HO-R3-OH 로 표시되는 것일 수 있으며, 여기서 R3 은 탄소수 1 내지 20의 알킬렌기, 페닐기, 나프틸기, 또는 비페닐기일 수 있다. 예를 들어 상기 글리콜계 화합물로는 에틸렌 글리콜 등이 있을 수 있다.Specifically, the glycol-based compound may be represented by the formula HO-R 3 -OH, where R 3 may be an alkylene group, a phenyl group, a naphthyl group, or a biphenyl group having 1 to 20 carbon atoms. For example, the glycol-based compound may include ethylene glycol.

구체적으로, 상기 할로겐으로 치환된 페놀 및 할로겐으로 치환된 벤조산에서 상기 할로겐은 불소, 염소, 또는 요오드일 수 있다. 상기 할로겐으로 치환된 페놀 및 할로겐으로 치환된 벤조산의 예로는 디아이오도페놀 및 2,6-디클로로벤조산이 있을 수 있다.Specifically, in the halogen-substituted phenol and halogen-substituted benzoic acid, the halogen may be fluorine, chlorine, or iodine. Examples of the halogen-substituted phenol and halogen-substituted benzoic acid may include diiodophenol and 2,6-dichlorobenzoic acid.

구체적으로, 상기 카르복시기로 치환된 페놀은 페놀에 카르복시기가 링커(linker)를 통하거나 통하지 않고 직접 치환된 것일 수 있으며, 여기서 상기 링커는 탄소수 1 내지 20의 알킬렌기 또는 탄소수 2 내지 20의 알케닐기일 수 있다. 예를 들어, 상기 카르복시기로 치환된 페놀로는 살리실산(salicylic acid) 및 쿠마르산(coumaric acid)이 있을 수 있다.Specifically, the phenol substituted with the carboxyl group may be a phenol in which the carboxyl group is directly substituted with or without a linker, where the linker is an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms or an alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms. You can. For example, phenols substituted with the carboxyl group may include salicylic acid and coumaric acid.

상기 가교제의 구체적인 종류로는, 히드라진, 에틸렌 디아민, 옥살산, 테레프탈산, 에틸렌글리콜, 디아이오도페놀, 2,6-디클로로벤조산, 살리실산, 쿠마르산 등이 있을 수 있다.Specific types of the crosslinking agent may include hydrazine, ethylene diamine, oxalic acid, terephthalic acid, ethylene glycol, diiodophenol, 2,6-dichlorobenzoic acid, salicylic acid, and coumaric acid.

상기 가교제는 상기 강화복합막 100 중량부 대비 0.01 내지 10 중량부로 포함될 수 있고, 예를 들어 0.05 내지 8 중량부, 바람직하게는 0.1 내지 5 중량부로 포함될 수 있다.The crosslinking agent may be included in an amount of 0.01 to 10 parts by weight, for example, 0.05 to 8 parts by weight, preferably 0.1 to 5 parts by weight, based on 100 parts by weight of the reinforced composite membrane.

본 발명의 다른 일 실시예는, (a) 다공성 지지체를 가교제와 접촉시켜 가교부가 도입된 다공성 지지체를 준비하는 단계; 및 (b) 상기 다공성 지지체에 수소 이온 전도성 고분자를 함침시키거나 또는 상기 가교부를 포함하는 다공성 지지체의 적어도 일면 상에 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전해질층을 형성시키는 단계를 포함하는, 연료전지용 강화복합막의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention includes the steps of (a) contacting the porous support with a cross-linking agent to prepare a porous support into which a cross-linking portion is introduced; and (b) impregnating the porous support with a hydrogen ion conductive polymer or forming an electrolyte layer containing a hydrogen ion conductive polymer on at least one surface of the porous support including the crosslinking portion. Reinforced composite for fuel cells, comprising the step of: A method for manufacturing a membrane is provided.

상기 수소 이온 전도성 고분자, 다공성 지지체, 가교부에 대하여는 앞서 자세히 설명되었으므로, 이들에 대한 반복적 설명은 생략한다.Since the hydrogen ion conductive polymer, porous support, and crosslinking portion have been described in detail previously, repeated descriptions thereof will be omitted.

이하 각 단계별로 살펴보면, 단계 (a)는 다공성 지지체에 가교제를 통해 가교부를 도입하는 단계이다. 상기 다공성 지지체는 플라즈마 처리, UV 처리, 또는 초음파 처리에 의해 표면 처리한 후 상기 가교제와 접촉할 수 있다. 상기 플라즈마 처리, UV 처리, 또는 초음파 처리에 의한 표면 처리를 통해 상기 가교제가 다공성 지지체의 표면 상에 반응을 통해 가교부를 도입할 수 있게 된다. Looking at each step below, step (a) is a step of introducing a crosslinking portion into the porous support through a crosslinking agent. The porous support may be surface treated by plasma treatment, UV treatment, or ultrasonic treatment and then contacted with the crosslinking agent. Surface treatment by plasma treatment, UV treatment, or ultrasonic treatment allows the crosslinking agent to introduce a crosslinking portion through a reaction on the surface of the porous support.

상기 가교제는 알코올과 같은 용매 중에 용해된 용액의 형태로 다공성 지지체와 접촉할 수 있다. 상기 가교제를 함유하는 용액은 통상의 용액 공정, 예를 들어 스프레이 도포, 스핀 도포, 또는 잉크젯 프린팅 도포에 의해 상기 다공성 지지체 상에 도포됨으로써 다공성 지지체와 접촉될 수 있다. The crosslinking agent may be in contact with the porous support in the form of a solution dissolved in a solvent such as alcohol. The solution containing the cross-linking agent may be contacted with the porous support by being applied on the porous support by a conventional solution process, such as spray application, spin application, or inkjet printing application.

상기 (a) 단계를 통해 다공성 지지체에 가교성 반응기를 도입할 수 있는 가교제는 바람직하게는 디카르복실산계 화합물, 디아민계 화합물, 및 글리콜계 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종일 수 있다.The crosslinking agent capable of introducing a crosslinking reactive group into the porous support through step (a) may preferably be at least one selected from the group consisting of dicarboxylic acid-based compounds, diamine-based compounds, and glycol-based compounds.

상기 용액 내 상기 가교제의 함량은 상기 고분자 전해질 막 내 다공성 지지체 대비 상기 가교제의 중량 기준으로 0.1 내지 30 중량%일 수 있고, 바람직하게는 5 내지 20 중량%일 수 있다.The content of the crosslinking agent in the solution may be 0.1 to 30% by weight, preferably 5 to 20% by weight, based on the weight of the crosslinking agent relative to the porous support in the polymer electrolyte membrane.

상기 가교제의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우, 가교의 효과를 고분자 전해질 막 전체에서 발현하기 어려운 문제점이 있을 수 있고, 30 중량%를 초과하는 경우 고분자의 유동성을 제한하여 전도도와 성능이 감소하는 문제점이 있을 수 있다.If the content of the crosslinking agent is less than 0.1% by weight, there may be a problem in that it is difficult to express the effect of crosslinking throughout the polymer electrolyte membrane, and if it exceeds 30% by weight, the fluidity of the polymer is limited and conductivity and performance are reduced. There may be.

단계 (b)는 가교부를 포함하는 다공성 지지체에 수소 이온 전도성 고분자를 함침시키거나, 또는 상기 가교부를 포함하는 다공성 지지체의 적어도 일면 상에 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전해질층을 형성하는 단계이다.Step (b) is a step of impregnating a porous support including a crosslinking portion with a hydrogen ion conductive polymer, or forming an electrolyte layer including a hydrogen ion conducting polymer on at least one side of the porous support including the crosslinking portion.

상기 수소 이온 전도성 고분자는 용액 형태로 함침될 수 있으며, 다공성 지지체에 함침시키는 방법으로는, 특정 방법에 한정되지 않고 스프레이 공정, 스크린 프린팅 공정, 닥터 블레이드 공정 등 당업계에 공지된 다양한 방법을 이용할 수 있다. 상기 함침 공정을 이용할 경우에는 상온에서 5 내지 30분 동안 1 내지 5회 함침 공정을 수행하는 것이 바람직하다.The hydrogen ion conductive polymer can be impregnated in the form of a solution, and the method of impregnating the porous support is not limited to a specific method, and various methods known in the art, such as a spray process, screen printing process, and doctor blade process, can be used. there is. When using the impregnation process, it is preferable to perform the impregnation process 1 to 5 times for 5 to 30 minutes at room temperature.

상기 가교부를 포함하는 다공성 지지체의 적어도 일면 상에 상기 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전해질층을 형성하는 방법으로는, 상기 수소 이온 전도성 고분자의 용액을 캐스팅한 뒤 이를 건조하여 전해질막을 형성하고, 상기 전해질막을 상기 다공성 지지체와 합지하는 단계를 포함할 수 있다.As a method of forming an electrolyte layer containing the hydrogen ion conductive polymer on at least one surface of the porous support including the crosslinking portion, a solution of the hydrogen ion conductive polymer is cast and dried to form an electrolyte membrane, and the electrolyte is formed. It may include combining the membrane with the porous support.

상기 수소 이온 전도성 고분자는 강화복합막 중에 포함되는 수소 이온 전도성 고분자의 함량을 고려하여 적절히 결정되는 것이 바람직하다. 구체적으로 상기 수소 이온 전도성 고분자 함유 용액 중에 5 내지 40중량%로 포함될 수 있다. 상기 수소 이온 전도성 고분자가 수소 이온 전도성 고분자 함유 용액 중에 5중량% 미만으로 포함될 경우는 수소 이온 전도성 고분자가 다공성 지지체의 기공 내에 충분히 충진되지 않고 빈 공간을 형성할 수 있고, 상기 수소 이온 전도성 고분자 가 40중량%를 초과할 경우는 수소 이온 전도성 고분자 함유 용액의 점도가 너무 높아 다공성 지지체의 기공 내로 충진되지 못할 수 있다.It is preferable that the hydrogen ion conductive polymer is appropriately determined considering the content of the hydrogen ion conductive polymer contained in the reinforced composite membrane. Specifically, it may be included in an amount of 5 to 40% by weight in the solution containing the hydrogen ion conductive polymer. When the hydrogen ion conductive polymer is contained in an amount of less than 5% by weight in a solution containing the hydrogen ion conductive polymer, the hydrogen ion conductive polymer may not sufficiently fill the pores of the porous support and form empty spaces, and the hydrogen ion conductive polymer may be 40% by weight. If the weight percent is exceeded, the viscosity of the solution containing the hydrogen ion conductive polymer may be too high to fill the pores of the porous support.

상기 수소 이온 전도성 고분자 함유 용액을 충진한 후에는 수소 이온 전도성 고분자 함유 용액 중의 유기용매를 제거하여, 다공성 지지체의 기공 내에 수소 이온 전도성 고분자가 채워지도록 한다. 따라서 본 발명에 따른 연료전지용 강화복합막의 제조방법은 수소 이온 전도성 고분자의 충진 후 유기용매를 제거하는 공정을 더 포함할 수 있으며, 상기 유기용매 제거 공정은 60 내지 150℃의 진공오븐에서 2 내지 15시간 동안 건조하는 공정으로 이루어질 수 있다.After filling the solution containing the hydrogen ion conductive polymer, the organic solvent in the solution containing the hydrogen ion conductive polymer is removed so that the pores of the porous support are filled with the hydrogen ion conductive polymer. Therefore, the method of manufacturing a reinforced composite membrane for a fuel cell according to the present invention may further include a process of removing the organic solvent after filling with the hydrogen ion conductive polymer, and the organic solvent removal process is performed in a vacuum oven at 60 to 150 ° C. for 2 to 15 minutes. It can be done through a drying process for a period of time.

본 발명의 다른 일 실시예는, (c) 적어도 1종의 단량체를 가교제와 함께 중합 반응시켜 가교부가 도입된 고분자를 제조하는 단계; (d) 상기 고분자로부터 다공성 지지체 또는 수소 이온 전도성 고분자를 제조하는 단계; 및 (e) 다공성 지지체에 수소 이온 전도성 고분자를 함침시키거나 또는 다공성 지지체의 적어도 일면 상에 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전해질층을 형성시키는 단계를 포함하는, 연료전지용 강화복합막의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention includes the step of (c) polymerizing at least one type of monomer with a cross-linking agent to produce a polymer into which a cross-linking moiety is introduced; (d) preparing a porous support or hydrogen ion conductive polymer from the polymer; and (e) impregnating the porous support with a hydrogen ion conductive polymer or forming an electrolyte layer containing the hydrogen ion conductive polymer on at least one surface of the porous support. .

상기 (c) 단계에서 단량체의 종류, 중합 반응의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 목적하는 수소 이온 전도성 고분자 또는 다공성 지지체의 종류에 따라 적절히 선택할 수 있다. 상기 단량체와 함께 중합되는 상기 가교제는 중합 반응에 의해 가교부를 고분자의 측쇄에 도입시킬 수 있는 화합물이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 할로겐으로 치환된 페놀 및 할로겐으로 치환된 벤조산에서 선택되는 적어도 1종을 사용할 수 있다. In step (c), the type of monomer and the type of polymerization reaction are not particularly limited and can be appropriately selected depending on the type of the desired hydrogen ion conductive polymer or porous support. The cross-linking agent polymerized together with the monomer is not particularly limited as long as it is a compound capable of introducing a cross-linking moiety into the side chain of the polymer through a polymerization reaction, for example, at least one selected from halogen-substituted phenol and halogen-substituted benzoic acid. can be used.

상기 (d) 단계에서 다공성 지지체 또는 수소 이온 전도성 고분자를 제조하는 단계는 통상의 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들어 상기 다공성 지지체는 연신 필름 또는 부직웹일 수 있으며, 부직웹의 경우, 용융 방사를 통해 섬유를 형성한 후 시트 형성기를 통해 부직포로서 제조될 수 있다. In step (d), the step of preparing the porous support or hydrogen ion conductive polymer may be performed using a conventional method. For example, the porous support may be a stretched film or a non-woven web. In the case of a non-woven web, fibers may be formed through melt spinning and then manufactured as a non-woven fabric through a sheet forming machine.

상기 (e) 단계는 전술한 (b) 단계와 동일하므로 반복적 설명은 생략한다.Since step (e) is the same as step (b) described above, repetitive description will be omitted.

상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 강화복합막은 수소이온 전도성이 우수하여 연료전지용 막-전극 어셈블리에서의 고분자 전해질 막으로서 사용시 개선된 수소이온 전도도를 나타낼 수 있다.The reinforced composite membrane manufactured by the above manufacturing method has excellent hydrogen ion conductivity and can exhibit improved hydrogen ion conductivity when used as a polymer electrolyte membrane in a membrane-electrode assembly for fuel cells.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 강화복합막을 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, a membrane-electrode assembly and a fuel cell including the reinforced composite membrane are provided.

구체적으로, 상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 상기한 강화복합막을 포함한다.Specifically, the membrane-electrode assembly includes an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and the reinforced composite membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 2를 참조하여 설명하면, 상기 막-전극 어셈블리(100)는 상기 강화복합막(50) 및 강화복합막(50)의 양면에 각각 배치되는 상기 연료전지용 전극(20, 20')을 포함한다. 상기 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.Figure 2 is a cross-sectional view schematically showing a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention. 2, the membrane-electrode assembly 100 includes the reinforced composite membrane 50 and the fuel cell electrodes 20 and 20' disposed on both sides of the reinforced composite membrane 50, respectively. . The electrodes 20, 20' include an electrode substrate 40, 40' and a catalyst layer 30, 30' formed on the surface of the electrode substrate 40, 40'. A fine pore layer (not shown) containing conductive fine particles such as carbon powder and carbon black is provided between the catalyst layers 30 and 30' to facilitate diffusion of materials from the electrode substrates 40 and 40'. It may include more.

상기 막-전극 어셈블리(100)에 있어서, 상기 강화복합막(50)의 일면에 배치되어 상기 전극 기재(40)를 지나 상기 촉매층(30)으로 전달된 연료로부터 수소 이온과 전자를 생성시키는 산화 반응을 일으키는 전극(20)을 애노드 전극이라 하고, 상기 강화복합막(50)의 다른 일면에 배치되어 상기 강화복합막(50)을 통해 공급받은 수소 이온과 전극 기재(40')를 지나 상기 촉매층(30')으로 전달된 산화제로부터 물을 생성시키는 환원 반응을 일으키는 전극(20')을 캐소드 전극이라 한다. In the membrane-electrode assembly 100, an oxidation reaction that generates hydrogen ions and electrons from fuel disposed on one side of the reinforced composite membrane 50 and transferred to the catalyst layer 30 through the electrode substrate 40 The electrode 20 that causes this is called an anode electrode, and is disposed on the other side of the reinforced composite film 50, where hydrogen ions supplied through the reinforced composite film 50 pass through the electrode base 40' and the catalyst layer ( The electrode 20' that causes a reduction reaction to generate water from the oxidant delivered to 30' is called a cathode electrode.

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. 구체적으로는 바람직하게는 백금계 금속을 사용할 수 있다.The catalyst layers 30 and 30' of the anode and cathode electrodes 20 and 20' contain a catalyst. As the catalyst, any catalyst that participates in the reaction of the battery and can be used as a catalyst for a normal fuel cell can be used. Specifically, platinum-based metals can be preferably used.

상기 백금계 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금-M 합금(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 이상), 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 아니며, 본 기술 분야에서 사용 가능한 백금계 촉매 금속이라면 제한 없이 사용할 수 있다.The platinum-based metals include platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os), and platinum-M alloy (where M is palladium (Pd), ruthenium (Ru), and iridium ( Ir), osmium (Os), gallium (Ga), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper ( Any one selected from the group consisting of Cu), silver (Ag), gold (Au), zinc (Zn), tin (Sn), molybdenum (Mo), tungsten (W), lanthanum (La), and rhodium (Rh) or more), non-platinum alloys, and combinations thereof, and more preferably a combination of two or more metals selected from the platinum-based catalyst metal group, but is limited thereto. This does not mean that any platinum-based catalyst metal available in the present technical field can be used without limitation.

구체적으로 상기 백금 합금은 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, 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 이상 혼합하여 사용할 수 있다.Specifically, the platinum alloy is 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, 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 and combinations thereof can be used alone or in combination of two or more.

또한, 상기 비백금 합금은 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 이상 혼합하여 사용할 수 있다.In addition, the non-platinum alloys include 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, and combinations thereof can be used alone or in combination of two or more.

이러한 촉매는 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. This catalyst can be used as the catalyst itself (black) or can be used by supporting it on a carrier.

상기 담체는 탄소계 담체, 지르코니아, 알루미나, 티타니아, 실리카, 세리아 등의 다공성 무기산화물, 제올라이트 등에서 선택될 수 있다. 상기 탄소계 담체는 흑연, 수퍼피(super P), 탄소섬유(carbon fiber), 탄소시트(carbon sheet), 카본 블랙(carbon black), 케첸 블랙(Ketjen Black), 덴카 블랙(Denka black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 카본나노튜브(carbon nano tube, CNT), 탄소구체(carbon sphere), 탄소리본(carbon ribbon), 풀러렌(fullerene), 활성탄소, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼, 카본 나노 혼, 카본 나노 케이지, 카본 나노 링, 규칙성 나노다공성탄소(ordered nano-/meso-porous carbon), 카본 에어로겔, 메소포러스카본(mesoporous carbon), 그래핀, 안정화 카본, 활성화 카본, 및 이들의 하나 이상의 조합에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 기술분야에서 사용 가능한 담체는 제한 없이 사용할 수 있다.The carrier may be selected from carbon-based carriers, porous inorganic oxides such as zirconia, alumina, titania, silica, and ceria, and zeolites. The carbon-based carrier includes graphite, super P, carbon fiber, carbon sheet, carbon black, Ketjen Black, Denka black, and acetylene. acetylene black, carbon nano tube (CNT), carbon sphere, carbon ribbon, fullerene, activated carbon, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanoball , carbon nano horn, carbon nano cage, carbon nano ring, ordered nano-/meso-porous carbon, carbon airgel, mesoporous carbon, graphene, stabilized carbon, activated carbon, and It may be selected from one or more combinations of these, but is not limited thereto, and any carrier available in the present technical field may be used without limitation.

상기 촉매 입자는 담체의 표면 위에 위치할 수도 있고, 담체의 내부 기공(pore)을 채우면서 담체 내부로 침투할 수도 있다.The catalyst particles may be located on the surface of the carrier or may penetrate into the carrier while filling the internal pores of the carrier.

상기 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판된 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 상기 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.When using the noble metal supported on the carrier as a catalyst, a commercially available catalyst can be used, or it can also be prepared and used by supporting the noble metal on the carrier. The process of supporting precious metals on the carrier is widely known in the field, so detailed description is omitted in this specification, but it can be easily understood by those working in the field.

상기 촉매 입자는 상기 촉매 전극(30, 30')의 전체 중량 대비 20 중량% 내지 80 중량%로 함유될 수 있으며, 20 중량% 미만으로 함유될 경우에는 활성 저하의 문제가 있을 수 있고, 80 중량%를 초과할 경우에는 상기 촉매 입자의 응집으로 활성 면적이 줄어들어 촉매 활성이 반대로 저하될 수 있다.The catalyst particles may be contained in an amount of 20% to 80% by weight relative to the total weight of the catalyst electrodes 30, 30', and if contained in less than 20% by weight, there may be a problem of reduced activity, and 80% by weight. If it exceeds %, the active area may decrease due to agglomeration of the catalyst particles, and the catalyst activity may conversely decrease.

또한, 상기 촉매 전극(30, 30')은 상기 촉매 전극(30, 30')의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더를 포함할 수 있다. 상기 바인더로는 이온 전도성을 갖는 이온 전도체를 사용하는 것이 바람직하고, 상기 이온 전도체에 대한 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.Additionally, the catalyst electrodes 30, 30' may include a binder to improve the adhesion of the catalyst electrodes 30, 30' and to transmit hydrogen ions. It is preferable to use an ion conductor having ion conductivity as the binder, and since the description of the ion conductor is the same as above, repeated descriptions will be omitted.

다만, 상기 이온 전도체는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 강화복합막(50)과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.However, the ion conductor can be used singly or in the form of a mixture, and may optionally be used together with a non-conductive compound to further improve adhesion to the reinforced composite film 50. It is desirable to adjust the amount used to suit the purpose of use.

상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 사용될 수 있다.The non-conductive compounds include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl ether copolymer (PFA), and ethylene/tetrafluoroethylene. Roethylene (ethylene/tetrafluoroethylene (ETFE)), ethylene chlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), dode One or more types selected from the group consisting of silbenzenesulfonic acid and sorbitol may be used.

상기 바인더는 상기 촉매 전극(30, 30') 전체 중량에 대하여 20 중량% 내지 80 중량%로 포함될 수 있다. 상기 바인더의 함량이 20 중량% 미만일 경우에는 생성된 이온이 잘 전달되지 못할 수 있고, 80 중량%를 초과하는 경우에는 기공이 부족하여 수소 또는 산소(공기)의 공급이 어려우며 반응할 수 있는 활성면적이 줄어들 수 있다.The binder may be included in an amount of 20% to 80% by weight based on the total weight of the catalyst electrodes 30 and 30'. If the binder content is less than 20% by weight, the generated ions may not be transmitted well, and if it exceeds 80% by weight, it is difficult to supply hydrogen or oxygen (air) due to insufficient pores, and the active area that can react This may decrease.

상기 전극 기재(40, 40')로는 수소 또는 산소의 원활한 공급이 이루어질 수 있도록 다공성의 도전성 기재가 사용될 수 있다. 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 전극 기재(40, 40')는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.A porous conductive substrate may be used as the electrode substrate 40, 40' to ensure smooth supply of hydrogen or oxygen. Representative examples include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (a porous film made of fibrous metal cloth or a metal film formed on the surface of a cloth made of polymer fibers). can be used, but is not limited to this. In addition, it is preferable to use the electrode substrates 40 and 40' treated with water-repellent fluorine-based resin to prevent reactant diffusion efficiency from being reduced by water generated during operation of the fuel cell. The fluorine-based resins include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxyvinyl ether, and fluorinated ethylene propylene ( Fluorinated ethylene propylene), polychlorotrifluoroethylene, or their copolymers can be used.

또한, 상기 전극 기재(40, 40')에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다.In addition, a microporous layer may be further included to enhance the diffusion effect of reactants in the electrode substrates 40 and 40'. This microporous layer is generally made of conductive powders with small particle sizes, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanohorns. -horn) or carbon nano ring (carbon nano ring).

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재(40, 40')에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필 알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The microporous layer is manufactured by coating the electrode substrates 40 and 40' with a composition containing conductive powder, binder resin, and solvent. The binder resin includes polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxyvinyl ether, polyvinyl alcohol, and cellulose acetate. Or their copolymers, etc. may be preferably used. As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, etc. may be preferably used. The coating process may use a screen printing method, a spray coating method, or a coating method using a doctor blade, depending on the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

상기 막-전극 어셈블리(100)는 상기 강화복합막(50)으로서 본 발명에 따른 강화복합막(50)을 사용하는 것을 제외하고는 통상의 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법에 따라 제조할 수 있다. The membrane-electrode assembly 100 can be manufactured according to a conventional manufacturing method of a membrane-electrode assembly for a fuel cell, except that the reinforced composite membrane 50 according to the present invention is used as the reinforced composite membrane 50. there is.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지는 상기 막-전극 어셈블리(100)를 포함할 수 있다. A fuel cell according to another embodiment of the present invention may include the membrane-electrode assembly 100.

도 3은 상기 연료전지의 전체적인 구성을 도시한 모식도이다.Figure 3 is a schematic diagram showing the overall configuration of the fuel cell.

상기 도 3을 참조하면, 상기 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 포함한다.Referring to FIG. 3, the fuel cell 200 includes a fuel supply unit 210 that supplies a mixed fuel containing fuel and water, and a reforming unit that reforms the mixed fuel to generate a reformed gas containing hydrogen gas ( 220), a stack 230 in which a reformed gas containing hydrogen gas supplied from the reforming unit 220 undergoes an electrochemical reaction with an oxidant to generate electrical energy, and the oxidizing agent is supplied to the reforming unit 220 and the stack. It includes an oxidizing agent supply unit 240 supplied to 230.

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 구비한다.The stack 230 includes a plurality of unit cells that generate electrical energy by inducing an oxidation/reduction reaction between the reformed gas containing hydrogen gas supplied from the reforming unit 220 and the oxidizing agent supplied from the oxidizing agent supply unit 240. Equipped with

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 포함한다. 상기 분리판은 상기 막-전극 접합체를 중심에 두고, 그 양측에 배치된다. 이 때, 상기 스택의 최외측에 각각 위치하는 분리판을 특별히 엔드 플레이트라 칭하기도 한다.Each unit cell refers to a unit cell that generates electricity, and includes the membrane-electrode assembly that oxidizes/reduces oxygen in the reformed gas containing hydrogen gas and the oxidant, and the reformed gas containing hydrogen gas and the oxidizing agent. It includes a separator plate (also called a bipolar plate, hereinafter referred to as a 'separator plate') for supply to the membrane-electrode assembly. The separator is placed on both sides of the membrane-electrode assembly with the membrane at the center. At this time, the separator plates located on the outermost side of the stack are sometimes called end plates.

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 구비된다.Among the separation plates, the end plate includes a first pipe-shaped supply pipe 231 for injecting reformed gas containing hydrogen gas supplied from the reforming unit 220, and a second pipe-shaped supply pipe 231 for injecting oxygen gas. A supply pipe 232 is provided, and the other end plate includes a first discharge pipe 233 for discharging to the outside the reformed gas containing the hydrogen gas that is ultimately unreacted and remaining in the plurality of unit cells, and the unit cell A second discharge pipe 234 is provided to discharge the unreacted and remaining oxidant to the outside.

상기 연료전지에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(100)가 사용되는 것을 제외하고는 상기 전기 발생부를 구성하는 세퍼레이터, 연료 공급부 및 산화제 공급부는 통상의 연료전지에서 사용되는 것이므로, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.In the fuel cell, except that the membrane-electrode assembly 100 according to an embodiment of the present invention is used, the separator, fuel supply unit, and oxidant supply unit constituting the electricity generation unit are used in a typical fuel cell. , detailed description is omitted in this specification.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 당 기술분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것으로 그 설명을 생략한다.Below, specific embodiments of the present invention are presented. However, the examples described below are only for illustrating or explaining the present invention in detail, and do not limit the present invention. In addition, any content not described herein can be sufficiently inferred technically by a person skilled in the art, so description thereof will be omitted.

제조예 1Manufacturing Example 1

지지체로 사용되는 e-PTFE(두께는 10㎛, 평량은 10g/m2)의 표면을 상압 플라즈마를 이용하여 개질한 후, 20 중량%의 옥살산이 녹아있는 에탄올을 표면에 분사한다. 상기 과정은 R2R 공정을 통해 이루어지며 공정속도는 1m/min, 면적당 공정을 완전히 거친 PTFE 표면에 도포되는 옥살산의 양은 0.5 g/m2 이다.The surface of e-PTFE (thickness: 10㎛, basis weight: 10g/ m2 ) used as a support is modified using atmospheric pressure plasma, and then ethanol containing 20% by weight of oxalic acid dissolved is sprayed on the surface. The above process is carried out through the R2R process, the process speed is 1 m/min, and the amount of oxalic acid applied to the completely processed PTFE surface per area is 0.5 g/m 2 .

제조예 2Production example 2

pDIB와 황 혼합물을 이용한 하나의 고분자를 합성하고, pDIB, 황 및 2,6-Dichlorobenzoic acid의 혼합물을 이용하여 하나의 고분자를 합성하였다. 상기 혼합물을 각각 230℃에서부터 300℃까지 가열하고, 압력은 170torr에서 1torr 이하까지 단계적으로 감압하여 총 8시간 중합 반응시켜 PPS와 하이드록실기를 갖는 반복단위를 포함하는 PPS 코폴리머를 제조하였다. 2종의 고분자를 용융 방사장치에서 방사함으로써 섬유를 얻고, 약 5mm 길이로 절단(chopping)하였다. 상기 절단원사(chopped fiber)를 물에서 고속 분산한 후, 쉬트형성기(sheet former)를 이용하여 부직포를 제조하였다. 상기 제조된 부직포 중 PPS 코폴리머, 순수 PPS, PPS 코폴리머 순으로 부직포를 위치시킨 상태로 건조한 다음, 캘린더링(calendaring) 함으로써 표면에만 가교제가 도입된 PPS 코폴리머 부직포 웹을 제조하였다.One polymer was synthesized using a mixture of pDIB and sulfur, and another polymer was synthesized using a mixture of pDIB, sulfur, and 2,6-Dichlorobenzoic acid. The above mixtures were heated from 230°C to 300°C, and the pressure was gradually reduced from 170 torr to 1 torr or less, and polymerization was performed for a total of 8 hours to prepare a PPS copolymer containing PPS and a repeating unit having a hydroxyl group. Fibers were obtained by spinning two types of polymers in a melt spinning device, and chopping them to a length of about 5 mm. After dispersing the chopped fibers in water at high speed, nonwoven fabric was manufactured using a sheet former. Among the nonwoven fabrics prepared above, the nonwoven fabrics were placed in the order of PPS copolymer, pure PPS, and PPS copolymer, dried, and then calendared to prepare a PPS copolymer nonwoven web with a crosslinking agent introduced only on the surface.

실시예 1Example 1

수소 이온 전도성 고분자로서 Nafion(Chemours社) 20 wt%의 분산액을 상기 제조예 1에서 제조한 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 소재의 다공성 필름에 적신 후, 오븐에서 90℃에서 12시간 건조한 후, 150℃에서 20분간 열처리하여 강화복합막을 제조하였다.A 20 wt% dispersion of Nafion (Chemours) as a hydrogen ion conductive polymer was soaked in the porous film of polytetrafluoroethylene (PTFE) prepared in Preparation Example 1, dried in an oven at 90°C for 12 hours, and then dried at 150°C. A reinforced composite membrane was manufactured by heat treatment at ℃ for 20 minutes.

실시예 2Example 2

상기 제조예 1의 PTFE 소재에 옥살산 대신 에틸렌 글리콜을 사용하여 다공성 필름에 하이드록시기가 도입되도록 화학적 개질한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 하여 강화복합막을 제조하였다.A reinforced composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that the PTFE material of Preparation Example 1 was chemically modified to introduce a hydroxyl group into the porous film using ethylene glycol instead of oxalic acid.

실시예 3Example 3

수소 이온 전도성 고분자로서 탄화수소계 이온전도체인 술폰화 폴리 에테르 설폰 (Sulfonated poly(ether sulfone)를 DMAc 용매에 15 중량%가 되도록 용해한 분산액을 제조하였다.A dispersion was prepared by dissolving 15% by weight of sulfonated poly(ether sulfone), a hydrocarbon-based ion conductor, in DMAc solvent as a hydrogen ion conductive polymer.

상기 제조한 혼합액을 제조예 2에서 10 ㎛ 두께의 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 소재의 다공성 필름에 적신 후, 오븐에서 90℃에서 24시간 건조 후, 120℃에서 30분간 열처리하여 강화복합막을 제조하였다.The prepared mixed solution was soaked in a porous film made of polyphenylene sulfide (PPS) with a thickness of 10 μm in Preparation Example 2, dried in an oven at 90°C for 24 hours, and then heat treated at 120°C for 30 minutes to prepare a reinforced composite membrane. .

실시예 4Example 4

PPS 소재의 다공성 필름에 하이드록시기가 도입되도록 2,6-Dichlorobenzoic acid 대신 Diiodophenol을 사용하여 제조한 부직포를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 3과 동일하게 하여 강화복합막을 제조하였다.A reinforced composite membrane was manufactured in the same manner as in Example 3, except that a nonwoven fabric prepared using Diiodophenol instead of 2,6-Dichlorobenzoic acid was used to introduce hydroxyl groups into the porous film made of PPS.

비교예 1Comparative Example 1

수소 이온 전도성 고분자로서 Nafion(Chemours社) 20 wt%의 분산액을 준비하였다.A 20 wt% dispersion of Nafion (Chemours) was prepared as a hydrogen ion conductive polymer.

표면에 옥살산/에탄올 용액에 분사한 10 ㎛ 두께의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 소재의 다공성 필름에 상기 제조한 혼합액을 적신 후, 오븐에서 90℃에서 12시간 건조 후, 150℃에서 20분간 열처리하여 강화복합막을 제조하였다. PTFE 표면에 도포된 에탄올은 모두 코팅, 건조 과정에서 모두 제거되며, PTFE 표면에 도포된 양은 0.5 g/m2이다.A 10 ㎛ thick porous film made of polytetrafluoroethylene (PTFE) sprayed on the surface with an oxalic acid/ethanol solution was soaked with the prepared mixture, dried in an oven at 90°C for 12 hours, and then heat treated at 150°C for 20 minutes. A reinforced composite membrane was manufactured. All ethanol applied to the PTFE surface is removed during the coating and drying process, and the amount applied to the PTFE surface is 0.5 g/m 2 .

비교예 2Comparative Example 2

수소 이온 전도성 고분자로서 탄화수소계 이온전도체인 술폰화 폴리 에테르 설폰 (Sulfonated poly(ether sulfone)을 DMAc 용매에 15 중량%가 되도록 용해한 분산액을 제조하였다. A dispersion was prepared by dissolving 15% by weight of sulfonated poly(ether sulfone), a hydrocarbon-based ion conductor, in DMAc solvent as a hydrogen ion conductive polymer.

상기 제조한 혼합액을 10 ㎛ 두께의 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 소재의 다공성 필름에 적신 후, 오븐에서 90℃에서 24시간 건조 후, 120℃에서 30분간 열처리하여 강화복합막을 제조하였다.The prepared mixed solution was soaked in a 10 ㎛ thick porous film made of polyphenylene sulfide (PPS), dried in an oven at 90°C for 24 hours, and then heat treated at 120°C for 30 minutes to prepare a reinforced composite membrane.

막-전극 어셈블리 제조예 1 내지 4 및 비교 제조예 1 내지 2Membrane-electrode assembly Preparation Examples 1 to 4 and Comparative Preparation Examples 1 to 2

실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 2에서 제조된 고분자 전해질막에 데칼법을 이용하여 전극층을 형성하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다. 이때 상기 전극의 촉매층은 Pt/탄소 촉매를 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 이형 필름에 도포한 후 건조하여 촉매층을 형성하고, 촉매층이 코팅된 이형필름을 강화복합막 양면에 촉매층과 강화복합막이 대면하도록 위치시킨 후 5kg/cm2의 압력 및 100 ℃의 온도로 핫프레싱을 실시하여 고분자 전해질막 양면에 촉매층을 전사시켰다. 이어 촉매층이 접합된 고분자 전해질막의 양면에 기체확산층(gas fiddusion layer, GDL)을 체결하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다. A membrane-electrode assembly was manufactured by forming an electrode layer on the polymer electrolyte membrane prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2 using a decal method. At this time, the catalyst layer of the electrode is formed by applying a catalyst layer-forming composition containing a Pt/carbon catalyst to a release film and then drying it to form a catalyst layer, and the catalyst layer-coated release film is placed on both sides of the reinforced composite membrane so that the catalyst layer and the reinforced composite membrane face each other. After positioning, hot pressing was performed at a pressure of 5 kg/cm 2 and a temperature of 100° C. to transfer the catalyst layer to both sides of the polymer electrolyte membrane. Next, a gas diffusion layer (GDL) was fastened to both sides of the polymer electrolyte membrane to which the catalyst layer was bonded to manufacture a membrane-electrode assembly.

실험예 1: 이온전도도 (실험조건: 80℃/50% RH) Experimental Example 1: Ion conductivity (experiment conditions: 80℃/50% RH)

상기 제조예에 따른 강화복합막을 포함하는 막-전극 어셈블리에 대하여, 측정 온도 80℃에서 측정 장비(솔라트론사의 Solatron-1280Impedance/Gain-Phase analyzer)를 이용하여 이온 전도도를 측정하였다. 구체적으로, 교류 사극자법(Four point probe AC impedance spectroscopic method)을 이용하여 옴저항 또는 벌크저항(ohmic resistance or bulk resistance)을 측정한 후 하기 수학식 4에 의하여 이온 전도도를 계산하였다.For the membrane-electrode assembly including the reinforced composite membrane according to the above manufacturing example, ion conductivity was measured using a measuring device (Solatron-1280Impedance/Gain-Phase analyzer from Solatron) at a measurement temperature of 80°C. Specifically, ohmic resistance or bulk resistance was measured using the four point probe AC impedance spectroscopic method, and then ion conductivity was calculated using Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

상기 수학식 4에서, σ는 이온 전도도(S/cm), R은 전해질 막의 옴 저항(Ω), L은 전극 간의 거리(cm), S는 일정 전류가 흐르는 전해질 내 면적(cm2)에 해당한다.In Equation 4, σ is the ionic conductivity (S/cm), R is the ohmic resistance of the electrolyte membrane (Ω), L is the distance between electrodes (cm), and S is the area within the electrolyte through which a constant current flows (cm2). .

실험예 2: 치수 안정성 평가 Experimental Example 2: Dimensional stability evaluation

고분자 전해질 막을 80℃ 진공오븐에서 12시간 건조하여 치수를 측정하고, 상온의 증류수에 24시간 침지 후 그 치수를 측정하여 수분 흡수 전/후의 치수 비를 비교하였다. 치수변화율이 낮을수록 높은 안정성을 가진다.The polymer electrolyte membrane was dried in a vacuum oven at 80°C for 12 hours and its dimensions were measured. After being immersed in distilled water at room temperature for 24 hours, the dimensions were measured and the dimensional ratio before and after moisture absorption was compared. The lower the dimensional change rate, the higher the stability.

시료명Sample name 가교도(%)Crosslinking degree (%) 전도도(S/cm)Conductivity (S/cm) 치수변화율(%)Dimensional change rate (%) 비교예 1Comparative Example 1 22 0.0370.037 88 비교예 2Comparative Example 2 22 0.0240.024 1212 실시예 1Example 1 22 0.0400.040 44 실시예 2Example 2 22 0.0420.042 55 실시예 3Example 3 22 0.0300.030 66 실시예 4Example 4 22 0.0310.031 77

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 상기한 실시예는 본 발명의 특정한 일 예로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명의 권리범위는 후술할 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the above-described embodiments are presented as specific examples of the present invention, and the present invention is not limited thereto, and the scope of the present invention is defined by the claims described later. Various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in also fall within the scope of the present invention.

10, 50: 강화복합막
1,3: 전해질층 5: 다공성 지지체
20, 20': 전극
30, 30': 촉매층
40, 40': 전극 기재
100: 막-전극 어셈블리
200: 연료전지
210: 연료 공급부 220: 개질부
230: 스택 231: 제 1 공급관
232: 제 2 공급관 233: 제 1 배출관
234: 제 2 배출관 240: 산화제 공급부
10, 50: Reinforced composite membrane
1,3: electrolyte layer 5: porous support
20, 20': electrode
30, 30': Catalyst layer
40, 40': electrode substrate
100: Membrane-electrode assembly
200: Fuel cell
210: fuel supply unit 220: reforming unit
230: stack 231: first supply pipe
232: second supply pipe 233: first discharge pipe
234: second discharge pipe 240: oxidizing agent supply unit

Claims (16)

다공성 지지체, 및 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 강화복합막으로서,
상기 강화복합막은 상기 수소 이온 전도성 고분자가 상기 다공성 지지체에 함침되거나, 또는 상기 다공성 지지체의 적어도 일면 상에 상기 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전해질층을 포함하고,
상기 수소 이온 전도성 고분자 또는 상기 다공성 지지체는, 가교제로부터 유래한 가교부를 포함하는 것인,
연료전지용 강화복합막.
A reinforced composite membrane comprising a porous support and a hydrogen ion conductive polymer,
The reinforced composite membrane is impregnated with the hydrogen ion conductive polymer into the porous support, or includes an electrolyte layer containing the hydrogen ion conductive polymer on at least one surface of the porous support,
The hydrogen ion conductive polymer or the porous support includes a crosslinking portion derived from a crosslinking agent,
Reinforced composite membrane for fuel cells.
제1항에서,
상기 수소 이온 전도성 고분자 또는 상기 다공성 지지체에 포함된 가교부는 히드록시기(-OH), 카르복실기(-COOH), 아민기(-NH2), 할로겐, 또는 이들의 조합인, 연료전지용 강화 복합막.
In paragraph 1:
The crosslinking portion contained in the hydrogen ion conductive polymer or the porous support is a hydroxy group (-OH), a carboxyl group (-COOH), an amine group (-NH 2 ), a halogen, or a combination thereof, a reinforced composite membrane for a fuel cell.
제1항에서,
상기 가교부는 디카르복실산계 화합물, 디아민계 화합물, 글리콜계 화합물, 할로겐으로 치환된 페놀, 할로겐으로 치환된 벤조산, 및 카르복시기로 치환된 페놀로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종에서 유래한 것인, 연료전지용 강화 복합막.
In paragraph 1:
The crosslinking portion is derived from at least one selected from the group consisting of dicarboxylic acid-based compounds, diamine-based compounds, glycol-based compounds, phenols substituted with halogens, benzoic acids substituted with halogens, and phenols substituted with carboxyl groups. Reinforced composite membrane for fuel cells.
제1항에서,
상기 가교부는 상기 다공성 지지체의 표면에 도입된 것인, 연료전지용 강화 복합막.
In paragraph 1:
A reinforced composite membrane for a fuel cell, wherein the crosslinking portion is introduced into the surface of the porous support.
제1항에서,
상기 수소 이온 전도성 고분자는 술폰산기, 카르복실기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기, 및 술폰산 플루오라이드기로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 양이온 교환기를 포함하는 것인, 연료전지용 강화 복합막.
In paragraph 1:
The hydrogen ion conductive polymer is a reinforced composite for a fuel cell comprising a cation exchanger selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxyl group, a boronic acid group, a phosphoric acid group, an imide group, a sulfonimide group, a sulfonamide group, and a sulfonic acid fluoride group. membrane.
제1항에서,
상기 다공성 지지체는 연신 필름 또는 부직웹인, 연료전지용 강화 복합막.
In paragraph 1:
The porous support is a stretched film or non-woven web, a reinforced composite membrane for a fuel cell.
제1항에서,
상기 다공성 지지체의 두께는 1 내지 100 ㎛ 인, 연료전지용 강화 복합막.
In paragraph 1:
A reinforced composite membrane for a fuel cell, wherein the porous support has a thickness of 1 to 100 ㎛.
(a) 다공성 지지체를 가교제와 접촉시켜 가교부가 도입된 다공성 지지체를 준비하는 단계; 및
(b) 상기 다공성 지지체에 수소 이온 전도성 고분자를 함침시키거나 또는 상기 가교부를 포함하는 다공성 지지체의 적어도 일면 상에 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전해질층을 형성시키는 단계를 포함하는,
연료전지용 강화 복합막의 제조 방법.
(a) preparing a porous support into which a crosslinking portion is introduced by contacting the porous support with a crosslinking agent; and
(b) impregnating the porous support with a hydrogen ion conductive polymer or forming an electrolyte layer containing a hydrogen ion conductive polymer on at least one side of the porous support including the crosslinking portion.
Method for manufacturing reinforced composite membrane for fuel cell.
제8항에서,
상기 (a) 단계에서 상기 다공성 지지체는 플라즈마 처리, UV 처리, 또는 초음파 처리에 의해 표면 처리한 후 상기 가교제와 접촉하는, 연료전지용 강화 복합막의 제조 방법.
In paragraph 8:
In step (a), the porous support is surface treated by plasma treatment, UV treatment, or ultrasonic treatment and then contacted with the crosslinking agent.
제8항에서,
상기 (a) 단계에서 상기 가교제는 용액 형태로 다공성 지지체 상에 스프레이 도포, 스핀 도포, 또는 잉크젯 프린팅 도포되어 다공성 지지체와 접촉하는, 연료전지용 강화 복합막의 제조 방법.
In paragraph 8:
In step (a), the cross-linking agent is applied in solution form on the porous support by spraying, spin coating, or inkjet printing to contact the porous support.
(c) 적어도 1종의 단량체를 가교제와 함께 중합 반응시켜 가교부가 도입된 고분자를 제조하는 단계;
(d) 상기 고분자로부터 다공성 지지체 또는 수소 이온 전도성 고분자를 제조하는 단계; 및
(e) 다공성 지지체에 수소 이온 전도성 고분자를 함침시키거나 또는 다공성 지지체의 적어도 일면 상에 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전해질층을 형성시키는 단계를 포함하는,
연료전지용 강화 복합막의 제조 방법.
(c) polymerizing at least one type of monomer with a cross-linking agent to produce a polymer into which a cross-linking moiety is introduced;
(d) preparing a porous support or hydrogen ion conductive polymer from the polymer; and
(e) impregnating the porous support with a hydrogen ion-conducting polymer or forming an electrolyte layer containing the hydrogen ion-conducting polymer on at least one side of the porous support,
Method for manufacturing reinforced composite membrane for fuel cell.
제8항 또는 제11항에서,
상기 가교부는 히드록시기(-OH), 카르복실기(-COOH), -아민기(-NH2), 할로겐, 또는 이들의 조합인, 연료전지용 강화 복합막의 제조 방법.
In paragraph 8 or 11:
The crosslinking portion is a hydroxyl group (-OH), a carboxyl group (-COOH), an amine group (-NH 2 ), a halogen, or a combination thereof. A method of manufacturing a reinforced composite membrane for a fuel cell.
제8항에서,
상기 가교제는 디카르복실산계 화합물, 디아민계 화합물, 및 글리콜계 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종인, 연료전지용 강화 복합막의 제조 방법.
In paragraph 8:
A method of producing a reinforced composite membrane for a fuel cell, wherein the crosslinking agent is at least one selected from the group consisting of dicarboxylic acid-based compounds, diamine-based compounds, and glycol-based compounds.
제11항에서,
상기 가교제는 할로겐으로 치환된 페놀, 할로겐으로 치환된 벤조산, 및 카르복시기로 치환된 페놀로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종인, 연료전지용 강화 복합막의 제조 방법.
In paragraph 11:
The cross-linking agent is at least one selected from the group consisting of phenol substituted with a halogen, benzoic acid substituted with a halogen, and phenol substituted with a carboxyl group.
서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 그리고
상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 제1항에 따른 연료전지용 강화복합막
을 포함하는 막-전극 어셈블리.
an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite each other,
Reinforced composite membrane for a fuel cell according to claim 1 located between the anode electrode and the cathode electrode.
A membrane-electrode assembly comprising a.
제15항에 따른 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 15.
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