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KR102743229B1 - Electrolyte membrane for fuel cell and fuel cell comprising same - Google Patents

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KR102743229B1
KR102743229B1 KR1020210194378A KR20210194378A KR102743229B1 KR 102743229 B1 KR102743229 B1 KR 102743229B1 KR 1020210194378 A KR1020210194378 A KR 1020210194378A KR 20210194378 A KR20210194378 A KR 20210194378A KR 102743229 B1 KR102743229 B1 KR 102743229B1
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Abstract

본 발명은 연료전지용 고분자 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게 상기 고분자 전해질 막은 특정구조를 가진 가교제와 카르복실기 및 술폰산기 중 1종 이상의 작용기를 포함하는 이온전도체를 포함하여, 화학적 열화에 내성이 향상된 연료전지용 고분자 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell and a fuel cell comprising the same, and more specifically, the polymer electrolyte membrane comprises a crosslinker having a specific structure and an ion conductor including at least one functional group selected from the group consisting of a carboxyl group and a sulfonic acid group, thereby providing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell with improved resistance to chemical deterioration and a fuel cell comprising the same.

Description

연료전지용 고분자 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지{ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL CELL AND FUEL CELL COMPRISING SAME}Polymer electrolyte membrane for fuel cell and fuel cell comprising the same {ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL CELL AND FUEL CELL COMPRISING SAME}

본 발명은 연료전지용 고분자 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell and a fuel cell including the same.

고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 차세대 에너지원으로 각광받고 있는 연료전지의 한 종류로서, 수소 이온 교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지이다.A polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is a type of fuel cell that is attracting attention as a next-generation energy source. It is a fuel cell that uses a polymer membrane with hydrogen ion exchange properties as an electrolyte.

연료전지는 메탄올, 에탄올, 천연 기체와 같은 탄화수소 계열의 연료물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 산화/환원반응과 같은 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템을 구비한 전지로서, 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 인해 화석 에너지를 대체할 수 있는 차세대 청정 에너지원으로 각광받고 있다.A fuel cell is a battery equipped with a power generation system that directly converts chemical reaction energy, such as oxidation/reduction reactions of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon fuels such as methanol, ethanol, and natural gas, into electrical energy. Due to its high energy efficiency and environmentally friendly characteristics of low pollutant emissions, it is attracting attention as a next-generation clean energy source that can replace fossil energy.

이러한 연료전지는 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4 내지 10 배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목을 받고 있다.These fuel cells have the advantage of being able to produce a wide range of outputs through a stack configuration in which unit cells are laminated, and because they exhibit an energy density that is 4 to 10 times higher than that of small lithium batteries, they are attracting attention as small and portable power sources.

연료전지에서 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly, MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가지며, 막-전극 어셈블리는 일반적으로 전해질 막을 사이에 두고 그 양쪽에 산화극(Anode, 또는, 연료극)과 환원극(Cathode, 또는, 공기극)이 각각 배치된 구조를 이룬다.The stack that actually generates electricity in a fuel cell has a structure in which several to several dozen unit cells composed of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate) are stacked, and the membrane-electrode assembly generally has an anode (or fuel electrode) and a cathode (or air electrode) arranged on both sides with an electrolyte membrane in between.

연료전지는 전해질의 상태 및 종류에 따라 알칼리 전해질 연료전지, 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 등으로 구분될 수 있는데, 그 중에서 고분자 전해질 연료전지는 100 ℃ 미만의 낮은 작동온도, 빠른 시동과 응답특성 및 우수한 내구성 등의 장점으로 인하여 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다.Fuel cells can be classified into alkaline electrolyte fuel cells and polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) depending on the state and type of electrolyte. Among them, polymer electrolyte fuel cells are attracting attention as portable, vehicle, and home power supplies due to their advantages such as low operating temperature of less than 100℃, fast starting and response characteristics, and excellent durability.

고분자 전해질 연료전지의 대표적인 예로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)를 들 수 있다.A representative example of a polymer electrolyte fuel cell is the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), which uses hydrogen gas as fuel.

고분자 전해질 연료전지에서 일어나는 반응을 요약하면, 우선, 수소가스와 같은 연료가 산화극에 공급되면, 산화극에서는 수소의 산화반응에 의해 수소이온(H+)과 전자(e-)가 생성된다. 생성된 수소이온은 고분자 전해질 막을 통해 환원극으로 전달되고, 생성된 전자는 외부회로를 통해 환원극으로 전달된다. 환원극에서는 산소가 공급되고, 산소가 수소이온 및 전자와 결합하여 산소의 환원반응에 의해 물이 생성된다.To summarize the reactions that occur in a polymer electrolyte fuel cell, first, when fuel such as hydrogen gas is supplied to the anode, hydrogen ions (H + ) and electrons ( e- ) are generated at the anode through the oxidation reaction of hydrogen. The generated hydrogen ions are transferred to the cathode through the polymer electrolyte membrane, and the generated electrons are transferred to the cathode through the external circuit. At the cathode, oxygen is supplied, and the oxygen combines with the hydrogen ions and electrons to generate water through the reduction reaction of oxygen.

한편, 고분자 전해질 연료전지의 상업화를 실현하기 위해서는 아직까지 해결해야 할 많은 기술적 장벽들이 존재하며, 필수적인 개선 요인은 고성능, 장수명화, 생산 비용 감소의 실현 등이 있다. 이에 가장 많은 영향을 미치는 구성 요소가 막-전극 어셈블리이며, 그 중에서도 고분자 전해질 막은 막-전극 어셈블리의 성능과 가격에 가장 큰 영향을 미치는 핵심 요소 중 하나이다.Meanwhile, there are still many technical barriers to be overcome in order to commercialize polymer electrolyte fuel cells, and essential improvement factors include high performance, long life, and reduced production costs. The component that has the greatest influence on this is the membrane-electrode assembly, and among them, the polymer electrolyte membrane is one of the key elements that has the greatest influence on the performance and price of the membrane-electrode assembly.

상기 고분자 전해질 연료전지의 운전에 필요한 고분자 전해질막의 요구 조건으로는 높은 수소이온 전도도, 화학적 안정성, 낮은 연료 투과성, 높은 기계적 강도, 낮은 함수율, 우수한 치수 안정성 등이 있다. 종래의 고분자 전해질막은 특정의 온도 및 상대 습도 환경, 특히 고온/저가습 조건에서 정상적으로 고성능을 발현하기 어려운 경향이 있다. 이로 인해 종래의 고분자 전해질막이 적용된 고분자 전해질 연료전지는 그 사용 범위의 제한을 받게 된다.The requirements of the polymer electrolyte membrane necessary for the operation of the above polymer electrolyte fuel cell include high hydrogen ion conductivity, chemical stability, low fuel permeability, high mechanical strength, low moisture content, and excellent dimensional stability. Conventional polymer electrolyte membranes tend to have difficulty in normally demonstrating high performance in specific temperature and relative humidity environments, especially in high temperature/low humidity conditions. Due to this, polymer electrolyte fuel cells using conventional polymer electrolyte membranes are limited in their scope of use.

현재 사용되고 있는 고분자 전해질막으로는 불소계 수지로서 퍼플루오로설폰산 수지(이하 '불소계 이온 전도체'라 함)가 있다. 그러나, 불소계 이온 전도체는 기계적 강도가 약하여 장시간 사용하게 되면 핀홀(Pinhole)이 발생하고 그로 인해 에너지 전환효율이 떨어지는 문제가 있다. 기계적 강도를 보강하기 위해서 불소계 이온 전도체의 막 두께를 증가시켜 사용하는 시도가 있지만 이 경우는 저항손실이 증가되고 또한 고가인 재료의 사용이 증가되어 경제성이 떨어지는 문제가 있다.Among the polymer electrolyte membranes currently in use, there is a fluorine-based resin, a perfluorosulfonic acid resin (hereinafter referred to as a "fluorine-based ion conductor"). However, the fluorine-based ion conductor has a weak mechanical strength, and pinholes occur when used for a long time, which causes a decrease in energy conversion efficiency. There are attempts to increase the thickness of the fluorine-based ion conductor membrane to reinforce the mechanical strength, but in this case, there are problems in that the resistance loss increases and the use of expensive materials increases, which reduces economic feasibility.

본 발명의 목적은 화학적 내구성과 기계적 내구성이 모두 우수한 전해질막을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide an electrolyte membrane having excellent chemical durability and mechanical durability.

본 발명의 다른 목적은 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly comprising the polymer electrolyte 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 comprising the membrane-electrode assembly.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은 고분자 전해질 물질을 포함하는 고분자 전해질막에 있어서, 상기 고분자 전해질 물질은, 이온전도체; 및 하기 화학식 1로 표시되는 가교제를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to one embodiment of the present invention is characterized in that the polymer electrolyte membrane includes a polymer electrolyte material, wherein the polymer electrolyte material includes: an ion conductor; and a crosslinking agent represented by the following chemical formula 1.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

상기 화학식 1에서 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 술폰산기, 카르복실기, 하이드록실기, 아민기, 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 탄소수 1 내지 10의 알콕시기, 탄소수 1 내지 10 의 아릴옥시기 중 하나이며, a 및 f는 1 내지 5의 정수이고, b, c, d 및 e는 1 내지 5의 정수이며, 화학식 1은 아민기를 2개 이상 포함한다.In the chemical formula 1, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are each independently selected from hydrogen, deuterium, a sulfonic acid group, a carboxyl group, a hydroxyl group, an amine group, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, and an aryloxy group having 1 to 10 carbon atoms, a and f are integers of 1 to 5, b, c, d and e are integers of 1 to 5, and chemical formula 1 includes two or more amine groups.

상기 가교제는 하기 화학식 2로 표시되는 구조를 포함할 수 있다.The above crosslinking agent may include a structure represented by the following chemical formula 2.

[화학식 2][Chemical formula 2]

상기 이온전도체는 카르복시기 및 술폰산기 중 1종 이상의 작용기가 측쇄에 도입될 수 있다.The above ion conductor may have at least one functional group selected from a carboxyl group and a sulfonic acid group introduced to the side chain.

상기 이온전도체는 불소계 이온전도체, 탄화수소계 이온전도체, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.The above ion conductor may be a fluorine-based ion conductor, a hydrocarbon-based ion conductor, or a mixture thereof.

상기 가교제는 상기 고분자 전해질 물질 전체 중량에 대하여 0.05 내지 20 중량%로 포함될 수 있다.The crosslinking agent may be included in an amount of 0.05 to 20 wt% based on the total weight of the polymer electrolyte material.

상기 고분자 전해질 물질로 충진되어 있는 다수의 공극들을 갖는 다공성 지지체를 더 포함할 수 있다.It may further include a porous support having a plurality of pores filled with the polymer electrolyte material.

상기 다공성 지지체는 연신 필름(expanded film) 또는 부직포 웹(nonwoven fibrous web)일 수 있다.The above porous support may be an expanded film or a nonwoven fibrous web.

상기 고분자 전해질막의 전체 부피 에 대한 상기 다공성 지지체의 겉보기 부피(apparent volume)의 비율은 5 내지 90 %일 수 있다.The ratio of the apparent volume of the porous support to the total volume of the polymer electrolyte membrane may be 5 to 90%.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리는 상기 고분자 전해질막을 포함하는 것을 특징으로 한다.A membrane-electrode assembly according to another embodiment of the present invention is characterized by including the polymer electrolyte membrane.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지는 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 한다.A fuel cell according to another embodiment of the present invention is characterized by including the membrane-electrode assembly.

본 발명에 따른 구조를 가진 가교제가 가교결합되어 형성된 연료전지용 고분자 전해질막은 기계적 내구성 및 화학적 내구성이 우수할 뿐만 아니라, 가교제로 인한 수소이온 투과도 저하가 미미한 효과가 있다.A polymer electrolyte membrane for a fuel cell formed by crosslinking a crosslinking agent having a structure according to the present invention not only has excellent mechanical durability and chemical durability, but also has the effect of having minimal reduction in hydrogen ion permeability due to the crosslinking agent.

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

이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 상세한 설명 및 특정 실시예는 본 발명의 실시예를 나타내는 것으로, 본 발명의 설명을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 또한, 게시된 여러 개의 실시예는 다른 특징으로 갖는 다른 실시예나 게시된 특징으로 갖는 실시예의 조합으로 된 다른 실시예를 제외한다는 의미는 아니다.The detailed description and specific examples of the invention are intended to illustrate embodiments of the invention and are not intended to limit the scope of the invention. Furthermore, the publication of several embodiments does not exclude other embodiments having different features or other embodiments comprising combinations of the disclosed features.

본 발명에 사용된 "바람직한" 또는 "바람직하게는"은 특정 조건에서 특정 장점을 갖는 본 발명의 실시예를 나타낸다. 그러나, 다른 실시예 또한 동일 조건 또는 다른 조건에서 바람직할 수 있다. 또한, 하나 이상의 바람직한 실시예는 다른 실시예가 유용하지 않다는 것을 의미하는 것은 아니며, 본 발명의 범위 내에 있는 다른 실시예를 배제하는 것도 아니다.As used herein, "preferred" or "preferably" refers to an embodiment of the invention that has a particular advantage under certain conditions. However, other embodiments may also be preferred under the same or different conditions. Furthermore, the fact that one or more preferred embodiments is not intended to imply that other embodiments are not useful, nor does it exclude other embodiments that are within the scope of the invention.

본 명세서에 사용된 "포함한다"는 용어는 본 발명에 유용한 재료, 조성물, 장치, 및 방법들을 나열할 때 사용되며 그 나열된 예에 제한되는 것은 아니다.The term "including" as used herein is used to list materials, compositions, devices, and methods useful in the present invention, but is not limited to the listed examples.

본 발명의 일 측면에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은 이온전도체와 이온전도체의 내구성을 향상시키기 위한 하기 화학식 1로 표시되는 가교제를 포함하는 고분자 전해질 물질을 포함한다. A polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to one aspect of the present invention comprises a polymer electrolyte material including an ion conductor and a cross-linking agent represented by the following chemical formula 1 for improving the durability of the ion conductor.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

상기 화학식 1에서 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 술폰산기, 카르복실기, 하이드록실기, 아민기, 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 탄소수 1 내지 10의 알콕시기, 탄소수 1 내지 10 의 아릴옥시기 중 하나이며, a 및 f는 1 내지 5의 정수이고, b, c, d 및 e는 1 내지 5의 정수이며, 화학식 1은 아민기를 2개 이상 포함한다. In the chemical formula 1, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are each independently selected from hydrogen, deuterium, a sulfonic acid group, a carboxyl group, a hydroxyl group, an amine group, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, and an aryloxy group having 1 to 10 carbon atoms, a and f are integers of 1 to 5, b, c, d and e are integers of 1 to 5, and chemical formula 1 includes two or more amine groups.

화학식 1로 표시되는 가교제는 2개의 아민기(amine group)를 포함하고 있어, 연료전지가 구동됨에 따라 이온전도체의 열화가 발생하는 경우 상기 가교성 작용기가 열화된 이온전도체와 결합함으로써, 이온전도체의 가교를 유발시키고, 전해질막의 내구성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로 상기 화학식 1에서 R1, R6의 경우 각각 독립적으로 -SO3H, -COOH 또는 -OH이고. R2, R3, R4 및 R5는 가교를 위해 각각 독립적으로 -OH, -NH2 또는 -COOH일 수 있다. 상기 화학식 1의 가교는 극성을 가지는 P를 바탕으로 이온클러스터 형성이 어려운 가교 구조에 수분을 함유할 수 있는 성질을 가져 전도도의 저하를 최소화할 수 있다.The crosslinking agent represented by Chemical Formula 1 contains two amine groups, so that when the ion conductor deteriorates as the fuel cell is operated, the crosslinking functional group binds to the deteriorated ion conductor, thereby inducing crosslinking of the ion conductor and improving the durability of the electrolyte membrane. Specifically, in Chemical Formula 1, R 1 and R 6 are each independently -SO 3 H, -COOH or -OH, and R 2 , R 3 , R 4 and R 5 can each independently be -OH, -NH 2 or -COOH for crosslinking. The crosslinking agent of Chemical Formula 1 has a property of containing moisture in a crosslinking structure in which it is difficult to form an ion cluster based on P having polarity, so as to minimize the decrease in conductivity.

가교제는, 이온전도체와 결합되지 않은 상태로 고분자 전해질막 내에 존재하지만, 연료전지의 오랜 사용으로 인해 이온전도체가 일단 열화되면 가교를 위한 별도의 승온 공정 없이도 상기 가교성 작용기를 통해 상기 열화된 이온전도체와 즉각적으로 결합함으로써 상기 이온전도체의 가교를 유발시킬 수 있다.The cross-linking agent exists in the polymer electrolyte membrane in a state where it is not bound to the ion conductor, but when the ion conductor is deteriorated due to long-term use of the fuel cell, it can induce cross-linking of the ion conductor by immediately binding to the deteriorated ion conductor through the cross-linking functional group without a separate temperature-raising process for cross-linking.

가교제는 예를 들어 하기 화학식 2로 표시되는 구조를 포함할 수 있다.The crosslinker may include, for example, a structure represented by the following chemical formula 2.

[화학식 2][Chemical formula 2]

이온전도체는 술폰산기, 카르복실기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기, 술폰산 플루오라이드기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 양이온(proton) 교환기를 갖는 양이온 전도체 일 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온전도체는 카르복실기 및 술폰산기 중 1종 이상의 작용기가 측쇄에 도입된 양이온 전도체일 수 있다.The ion conductor may be a cation conductor having at least one cation (proton 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, a sulfonic acid fluoride group, and combinations thereof. Preferably, the ion conductor according to one embodiment of the present invention may be a cation conductor having at least one functional group of a carboxyl group and a sulfonic acid group introduced into a side chain.

또한, 이온전도체는 불소계 이온전도체, 탄화수소계 이온전도체 또는 이들의 혼합물일 수 있다. Additionally, the ion conductor may be a fluorine-based ion conductor, a hydrocarbon-based ion conductor, or a mixture thereof.

불소계 이온전도체는 측쇄에 양이온 교환기를 갖고 주쇄에 불소를 함유하며, 예를 들어, 불소계 고분자는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물일 수 있다.The fluorine-based ion conductor has a cation exchange group in the side chain and contains fluorine in the main chain, and for example, the fluorine-based polymer can be poly(perfluorosulfonic acid), poly(perfluorocarboxylic acid), a copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing a sulfonic acid group, or a mixture of two or more thereof.

탄화수소계 이온전도체는 측쇄에 양이온 교환기를 가지며, 예를 들어, 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 nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르술폰케톤(Sulfonated polyarylene ether sulfone ketone)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 상기 예시에 한정되지 않는다.Hydrocarbon ion conductors have cation exchange groups in their side chains, and examples thereof include sulfonated polyimide (S-PI), sulfonated polyarylethersulfone (S-PAES), sulfonated polyetheretherketone (SPEEK), sulfonated polybenzimidazole (SPBI), sulfonated polysulfone (S-PSU), sulfonated polystyrene (S-PS), sulfonated polyphosphazene, sulfonated polyquinoxaline, sulfonated polyketone, sulfonated polyphenylene oxide, and sulfonated polyethersulfone. The polymer may include at least one selected from the group consisting of a sulfone, a sulfonated polyether ketone, a sulfonated polyphenylene sulfone, a sulfonated polyphenylene sulfide, a sulfonated polyphenylene sulfide sulfone, a sulfonated polyphenylene sulfide sulfone nitrile, a sulfonated polyarylene ether, a sulfonated polyarylene ether nitrile, a sulfonated polyarylene ether nitrile, and a sulfonated polyarylene ether sulfone ketone, but is not limited to the examples above.

일반적인 탄화수소계 이온전도체의 열화 메커니즘은 하기 반응식 1과 같으며, 불소계 이온전도체 역시도 전자밀도의 차이가 존재하면 이와 유사한 메커니즘으로 열화된다.The deterioration mechanism of a general hydrocarbon-based ion conductor is as shown in the following reaction scheme 1, and a fluorine-based ion conductor also deteriorates by a similar mechanism when there is a difference in electron density.

[반응식 1][Reaction Formula 1]

이온전도체의 화학적 열화로 인해 그 주사슬이 분해되어 생성되는 라디칼 말단기(예를 들어, -COO-, -CO- 등) 및/또는 이온형 말단기(-COO-, -0, -C02 등)와 본 발명의 가교제의 가교성 작용기가 화학적으로 반응하여 아미드기(amide group) 또는 에스테르기(ester group)를 형성하면서 상기 열화된 이온전도체를 가교시킨다.The radical terminal groups (e.g., -COO-, -CO-, etc.) and/or ionic terminal groups (-COO-, -0, -C0 2 , etc.) generated by the chemical deterioration of the ion conductor through decomposition of the main chain thereof chemically react with the crosslinkable functional group of the crosslinking agent of the present invention to form an amide group or an ester group, thereby crosslinking the deteriorated ion conductor.

일반적으로 100℃ 미만에서는 연료전지용 고분자 전해질막에 사용되는 불소계 또는 탄화수소계 이온전도체의 가교 반응이 진행되기 어렵지만, 상기 이온전도체가 열화되어 상기 라디칼 말단기 및/또는 이온형 말단기가 생성되면 상기 라디칼 말단기 및/또는 이온형 말단기가 본 발명의 가교제의 상기 가교성 작용기와 즉각적으로 반응하기 때문에 가교를 위한 별도의 승온 공정 없이도 상기 열화된 이온전도체의 가교가 강제로 진행될 수 있다.In general, it is difficult for a crosslinking reaction of a fluorine-based or hydrocarbon-based ion conductor used in a polymer electrolyte membrane for a fuel cell to proceed below 100°C. However, when the ion conductor is deteriorated to generate the radical terminal group and/or the ionic terminal group, the radical terminal group and/or the ionic terminal group immediately reacts with the crosslinkable functional group of the crosslinking agent of the present invention, so that crosslinking of the deteriorated ion conductor can be forcibly proceeded without a separate temperature increasing process for crosslinking.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 고분자 전해질 물질은 그 전체 중량에 대하여 0.05 내지 20 중량%의 상기 가교제를 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the polymer electrolyte material may include 0.05 to 20 wt% of the crosslinking agent based on the total weight thereof.

상기 가교제 함량이 0.05 중량% 미만이면 열화된 이온전도체의 가교 반응이 효과적으로 일어나기 어려울 수 있으며, 상기 가교제 함량이 20 중량%를 초과하면 상기 가교제가 고분자 전해질막 내에서의 이온전달을 방해하는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 점에서, 상기 가교제 함량은 1 내지 10 중량%인 것이 더욱 바람직할 수 있다.If the content of the cross-linking agent is less than 0.05 wt%, it may be difficult for the cross-linking reaction of the deteriorated ion conductor to occur effectively, and if the content of the cross-linking agent exceeds 20 wt%, the cross-linking agent may cause a problem of interfering with ion transfer within the polymer electrolyte membrane. In this respect, it may be more preferable that the content of the cross-linking agent be 1 to 10 wt%.

본 발명의 고분자 전해질막은 (i)상기 고분자 전해질 물질로 형성된 단일막 또는 (ii) 다공성 지지체의 공극들이 상기 고분자 전해질 물질로 채워져 있는 강화 복합막일 수 있다.The polymer electrolyte membrane of the present invention can be (i) a single membrane formed of the polymer electrolyte material or (ii) a reinforced composite membrane in which the pores of a porous support are filled with the polymer electrolyte material.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 강화 복합막 타입의 고분자 전해질막은 상기 고분자 전해질 물질로 충진되어 있는 다수의 공극들을 갖는 다공성 지지체를 더 포함한다.That is, the polymer electrolyte membrane of the reinforced composite membrane type according to one embodiment of the present invention further includes a porous support having a plurality of pores filled with the polymer electrolyte material.

본 발명의 고분자 전해질막의 제조에 사용되는 이온전도체는 가교된 이온전도체(crosslinked ion conductor)에 비해 우수한 유동성을 갖는 비가교 이온전도체(non-crosslinked ion conductor)이기 때문에, 상기 다공성 지지체의 공극들이 상기 이온전도체로 용이하게 충진될 수 있다. 따라서, 수소 이온이 이동할 수 있는 워터채널(water channel)이 상기 다공성 지지체의 두께방향(through plane)으로 잘 형성되어 강화 복합 전해질막이 상대적으로 우수한 이온 전도도를 갖게 되는 반면, 수소 가스가 이동할 수 있는 유로는 복잡해져 상기 강화 복합 전해질막이 상대적으로 낮은 수소 가스 투과도를 가질 수 있게 된다.Since the ion conductor used in the manufacture of the polymer electrolyte membrane of the present invention is a non-crosslinked ion conductor having superior fluidity compared to a crosslinked ion conductor, the pores of the porous support can be easily filled with the ion conductor. Accordingly, water channels through which hydrogen ions can move are well formed in the through plane of the porous support, so that the reinforced composite electrolyte membrane has relatively superior ion conductivity, while the flow paths through which hydrogen gas can move become complex, so that the reinforced composite electrolyte membrane can have relatively low hydrogen gas permeability.

본 발명 일 실시예에 의하면, 상기 다공성 지지체는 바람직하게는 연신 필름(expanded film) 또는 부직포 웹(nonwoven fibrous web)일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the porous support may preferably be an expanded film or a nonwoven fibrous web.

상기 고분자 전해질막의 전체 부피에 대한 상기 다공성 지지체의 겉보기 부피(apparent volume)의 비율은 5 내지 90 %일 수 있다.The ratio of the apparent volume of the porous support to the total volume of the polymer electrolyte membrane may be 5 to 90%.

상기 비율이 5% 미만이면 다공성 지지체 채택으로 인한 치수 안정성 및 기계적 내구성 향상 효과가 미미할 수 있으며, 상기 비율이 90%를 초과하면 상기 다공성 지지체의 상부 또는 하부 표면 상에 위치하는 이온전도체 층의 두께가 너무 얇아 면저항이 증가될 수 있다. 이러한 점에서, 상기 고분자 전해질막의 전체 부피에 대한 상기 다공성 지지체의 겉보기 부피의 비율은 30 내지 60 %인 것이 더욱 바람직할 수 있다.If the ratio is less than 5%, the effects of improving dimensional stability and mechanical durability due to the adoption of the porous support may be minimal, and if the ratio exceeds 90%, the thickness of the ion conductor layer positioned on the upper or lower surface of the porous support may be too thin, which may increase surface resistance. In this regard, it may be more preferable that the ratio of the apparent volume of the porous support to the total volume of the polymer electrolyte membrane be 30 to 60%.

위와 유사한 이유로, 상기 고분자 전해질막의 전체 두께에 대한 상기 다공성 지지체의 두께의 비율은 5 내지 90 %일 수 있고, 더욱 바람직하게는 30 내지 60%일 수 있다.For similar reasons as above, the ratio of the thickness of the porous support to the total thickness of the polymer electrolyte membrane may be 5 to 90%, more preferably 30 to 60%.

본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 지지체는 1 내지 50 ㎛의 두께를 가질 수 있다.A porous support according to one embodiment of the present invention may have a thickness of 1 to 50 μm.

상기 다공성 지지체의 두께가 1 ㎛ 미만인 경우 고분자 전해질막의 기계적 강도가 떨어질 수 있으며, 상기 다공성 지지 체의 두께가 50 ㎛를 초과하는 경우 저항손실이 증가하고, 경량화 및 집적화가 떨어질 수 있다. 이러한 점에서, 상기 다공성 지지 체는 바람직하게는 2 내지 40 ㎛, 더욱 바람직하게는 3 내지 30 ㎛, 더욱더 바람직하게는 3 내지 20㎛의 두께를 가질 수 있다.When the thickness of the porous support is less than 1 ㎛, the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane may decrease, and when the thickness of the porous support exceeds 50 ㎛, the resistance loss may increase and the weight reduction and integration may decrease. In this respect, the porous support may preferably have a thickness of 2 to 40 ㎛, more preferably 3 to 30 ㎛, and even more preferably 3 to 20 ㎛.

상기 다공성 지지체의 다공도는 45 내지 90 %, 구체적으로 60 내지 90 %일 수 있다. 상기 다공성 지지체의 다공도가 45 % 미만이면, 다공성 지지체 내에서의 이온전도체 양이 지나치게 적어져 고분자 전해질막의 저항이 높아지고 이온전도도가 저하될 수 있으며. 상기 다공성 지지체의 다공도가 90 %를 초과할 경우 형태 안정성이 저하됨으로써 후공정이 원활하게 진행되지 않을 수 있다.The porosity of the porous support may be 45 to 90%, specifically 60 to 90%. If the porosity of the porous support is less than 45%, the amount of ion conductor within the porous support may be excessively small, which may increase the resistance of the polymer electrolyte membrane and decrease the ion conductivity. If the porosity of the porous support exceeds 90%, the shape stability may be reduced, which may prevent the subsequent process from proceeding smoothly.

상기 다공도는 다공성 지지체 전체 부피에 대한 다공성 지지체 내 공기 부피 의 비율을 의미하는데, 상기 다공성 지지체 전체 부피는 직육면체 형태의 샘플의 가로, 세로, 및 두께를 측정하고 이들을 곱함으로써 얻어질 수 있고, 상기 다공성 지지체 내 공기 부피는 샘플의 질량을 상기 다공성 지지체 물질의 밀도로 나눔으로써 얻어진 상기 물질의 부피를 상기 다공성 지지체 전체 부피로부터 뺌으로써 얻어질 수 있다.The above porosity means the ratio of the air volume within the porous support to the total volume of the porous support. The total volume of the porous support can be obtained by measuring the width, length, and thickness of a rectangular parallelepiped sample and multiplying them, and the air volume within the porous support can be obtained by subtracting the volume of the material obtained by dividing the mass of the sample by the density of the porous support material from the total volume of the porous support.

상기 고분자 전해질 막은 무가습 상태에서 두께가 5 내지 200 ㎛일 수 있다.The above polymer electrolyte membrane may have a thickness of 5 to 200 ㎛ in an unhumidified state.

본 발명의 일 측면에 따른 막-전극 어셈블리는 본 발명에 따른 전해질막 일면에 애노드 촉매층 및, 기체확산층이 순서대로 형성되어 있고, 다른 일면에는 캐소드 촉매층 및 기체 확산층이 순서대로 적층되어 있는 것일 수 있다.A membrane-electrode assembly according to one aspect of the present invention may have an anode catalyst layer and a gas diffusion layer sequentially formed on one side of an electrolyte membrane according to the present invention, and a cathode catalyst layer and a gas diffusion layer sequentially laminated on the other side.

구체적으로, 상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 상기한 고분자 전해질 막을 포함한다.Specifically, the membrane-electrode assembly includes an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite each other, and the polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 막-전극 어셈블리(100)는 고분자 전해질 막(50) 및 고분자 전해질 막(50)의 양면에 각각 배치되는 연료 전지용 전극(20, 20')을 포함한다. 전극(20, 20')은 전극 기재(40, 40')와 전극 기재(40, 40') 표면에 형성된 촉매층(30, 30')을 포함하며, 전극 기재(40, 40')와 촉매층(30, 30') 사이에 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.FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a membrane electrode assembly according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the membrane electrode assembly (100) includes a polymer electrolyte membrane (50) and electrodes (20, 20') for a fuel cell arranged on both sides of the polymer electrolyte 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'), and may further include a microporous layer (not shown) including conductive fine particles such as carbon powder or carbon black between the electrode substrate (40, 40') and the catalyst layer (30, 30') to facilitate material diffusion in the electrode substrate (40, 40').

막-전극 어셈블리(100)에 있어서, 고분자 전해질 막(50)의 일면에 배치되어 전극 기재(40)를 지나 촉매층(30)으로 전달된 연료로부터 수소 이온과 전자를 생성시키는 산화 반응을 일으키는 전극(20)을 애노드 전극이라 하고, 고분자 전해질 막(50)의 다른 일면에 배치되어 고분자 전해질 막(50)을 통해 공급받은 수소 이온과 전극 기재(40')를 지나 촉매층(30')으로 전달된 산화제로부터 물을 생성시키는 환원 반응을 일으키는 전극(20')을 캐소드 전극이라 한다. In the membrane electrode assembly (100), an electrode (20) arranged on one side of a polymer electrolyte membrane (50) and causing an oxidation reaction to generate hydrogen ions and electrons from fuel transferred through an electrode substrate (40) to a catalyst layer (30) is called an anode electrode, and an electrode (20') arranged on the other side of a polymer electrolyte membrane (50) and causing a reduction reaction to generate water from hydrogen ions supplied through the polymer electrolyte membrane (50) and an oxidant transferred through an electrode substrate (40') to a catalyst layer (30') is called a cathode electrode.

애노드 및 캐소드 전극(20, 20')의 촉매층(30, 30')은 촉매를 포함한다. 촉매로는 전지의 반응에 참여하여, 통상 연료 전지의 촉매로 사용 가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 구체적으로는 바람직하게는 백금계 금속을 사용할 수 있다.The catalyst layers (30, 30') of the anode and cathode electrodes (20, 20') contain a catalyst. Any catalyst that participates in the reaction of the cell and can be used as a catalyst for a fuel cell can be used. Specifically, a platinum-based metal can be preferably used.

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 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 metal may include one selected from the group consisting of platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os), a platinum-M alloy (wherein M is at least one selected from the group consisting of palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os), gallium (Ga), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), zinc (Zn), tin (Sn), molybdenum (Mo), tungsten (W), lanthanum (La), and rhodium (Rh)), a non-platinum alloy, and combinations thereof, more preferably, a combination of two or more metals selected from the group of platinum-based catalyst metals may be used, but is not limited thereto, and any platinum-based catalyst metal usable in the present technical field may be used without limitation.

구체적으로 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 may be selected from the group consisting of 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, and may be used alone or in combination of two or more thereof.

또한, 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 alloy may be used alone or in combination of two or more selected from the group consisting of 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.

이러한 촉매는 촉매 자체로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. These catalysts can be used as catalysts themselves or supported on a carrier.

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 can be selected from carbon-based carriers, porous inorganic oxides such as zirconia, alumina, titania, silica, and ceria, and zeolites. The above carbon-based carrier may be selected from, but is not limited to, graphite, super P, carbon fiber, carbon sheet, carbon black, Ketjen Black, Denka black, acetylene black, carbon nano tube (CNT), carbon sphere, carbon ribbon, fullerene, activated carbon, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanoball, carbon nanohorn, carbon nanocage, carbon nanoring, ordered nano-/meso-porous carbon, carbon aerogel, mesoporous carbon, graphene, stabilized carbon, activated carbon, and combinations of one or more thereof, and any carrier usable in the present technical field may be used without limitation.

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

담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판된 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 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 a precious metal supported on a carrier as a catalyst, a commercially available product can be used, or a precious metal supported on a carrier can be manufactured and used. The process of supporting a precious metal on a carrier is widely known in the art, so a detailed description thereof is omitted in this specification, but it is content that can be easily understood by those working in the art.

촉매 입자는 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 wt% to 80 wt% relative to the total weight of the catalyst electrode (30, 30'). If the amount is less than 20 wt%, there may be a problem of reduced activity, and if the amount is more than 80 wt%, the active area may be reduced due to agglomeration of the catalyst particles, which may conversely reduce the catalytic activity.

또한, 촉매 전극(30, 30')은 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더를 포함할 수 있다. 바인더로는 이온 전도성을 갖는 이온 전도체를 사용하는 것이 바람직하고, 이온 전도체에 대한 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.In addition, the catalyst electrode (30, 30') may include a binder to improve adhesion and transfer 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 that described above, a repeated description is omitted.

다만, 이온 전도체는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용 가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막(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 in the form of a single substance or a mixture, and can also be optionally used together with a non-conductive compound for the purpose of further improving the adhesion to the polymer electrolyte membrane (50). It is preferable to adjust the amount used to suit the intended use.

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.As the non-conductive compound, at least one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene/tetrafluoroethylene (ETFE), ethylene chlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), dodecylbenzene sulfonic acid, and sorbitol can be used.

바인더는 상기 촉매 전극(30, 30') 전체 중량에 대하여 20 중량% 내지 80 중량%로 포함될 수 있다. 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 wt% to 80 wt% based on the total weight of the catalyst electrode (30, 30'). If the binder content is less than 20 wt%, the generated ions may not be transferred well, and if it exceeds 80 wt%, the pores are insufficient, making it difficult to supply hydrogen or oxygen (air) and reducing the active area for reaction.

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, 전극 기재(40, 40')는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.As the electrode substrate (40, 40'), a porous conductive substrate can be used so that hydrogen or oxygen can be smoothly supplied. Representative examples thereof include, but are not limited to, carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (a porous film composed of a fibrous metal cloth or a cloth formed of polymer fibers in which a metal film is formed on the surface of the cloth). In addition, it is preferable to use an electrode substrate (40, 40') that has been water-repellent treated with a fluorine-based resin, so as to prevent a decrease in reactant diffusion efficiency due to water generated when the fuel cell is operated. As the fluorine-based resin, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, fluorinated ethylene propylene, polychlorotrifluoroethylene, or a copolymer thereof can be used.

또한, 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 reactant diffusion effect in the electrode substrate (40, 40'). This microporous layer may generally include a conductive powder having a small particle size, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nanohorn, or carbon nano ring.

미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재(40, 40')에 코팅하여 제조된다. 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 이때 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 a composition including a conductive powder, a binder resin, and a solvent on the electrode substrate (40, 40'). As the binder resin, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate, or a copolymer thereof can be preferably used. At this time, as the solvent, alcohol such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, or the like can be preferably used. The coating process may be 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.

막-전극 어셈블리(100)는 고분자 전해질 막(50)으로서 본 발명에 따른 고분자 전해질 막(50)을 사용하는 것을 제외하고는 통상의 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법에 따라 제조할 수 있다. The membrane-electrode assembly (100) can be manufactured according to a manufacturing method for a conventional fuel cell membrane-electrode assembly, except that the polymer electrolyte membrane (50) according to the present invention is used as the polymer electrolyte membrane (50).

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료 전지는 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 2는 상기 연료 전지의 전체적인 구성을 도시한 모식도이다.Figure 2 is a schematic diagram showing the overall configuration of the fuel cell.

도 2를 참조하면, 연료 전지(200)는 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부(210), 상기 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 발생시키는 개질부(220), 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. 2, a fuel cell (200) includes a fuel supply unit (210) that supplies a mixed fuel in which fuel and water are mixed, a reformer (220) that reforms the mixed fuel to generate a reformed gas containing hydrogen gas, a stack (230) that generates electrical energy by causing an electrochemical reaction between the reformed gas containing hydrogen gas supplied from the reformer (220) and an oxidizer, and an oxidizer supply unit (240) that supplies an oxidizer to the reformer (220) and the stack (230).

스택(230)은 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) has a plurality of unit cells that generate electrical energy by inducing an oxidation/reduction reaction of a reforming gas containing hydrogen gas supplied from a reforming unit (220) and an oxidizing agent supplied from an oxidizing agent supply unit (240).

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

분리판 중 상기 엔드 플레이트에는 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 separators, the end plate is provided with a first supply pipe (231) in the shape of a pipe for injecting a reformed gas containing hydrogen gas supplied from a reforming unit (220), and a second supply pipe (232) in the shape of a pipe for injecting oxygen gas, and the other end plate is provided with a first discharge pipe (233) for discharging a reformed gas containing hydrogen gas that is ultimately unreacted and remaining in a plurality of unit cells to the outside, and a second discharge pipe (234) for discharging an oxidizing agent that is ultimately unreacted and remaining in the unit cells to the outside.

연료 전지에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(100)가 사용되는 것을 제외하고는 전기 발생부를 구성하는 세퍼레이터, 연료 공급부 및 산화제 공급부는 통상의 연료 전지에서 사용되는 것이므로, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.In the fuel cell, except that the membrane-electrode assembly (100) according to one embodiment of the present invention is used, the separator, fuel supply unit, and oxidizer supply unit constituting the electricity generating unit are those used in a typical fuel cell, and therefore a detailed description thereof is omitted herein.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 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 various different forms and is not limited to the embodiments described herein.

[실험예 1 : 고분자 전해질막의 내구성 평가][Experimental Example 1: Durability Evaluation of Polymer Electrolyte Membrane]

하기 표 1과 같은 조성을 이용하여 하기의 비교예 및 실시예에 따른 전해질막을 제조하였다. 전해질막은 조성물을 유리기제에 제막하는 형식으로 제조하였으며, 가교제 종류 및 함량을 제외하고는 통상의 연료전지 고분자 전해질막의 제조방법에 따랐다.An electrolyte membrane according to the following comparative examples and examples was manufactured using the composition shown in Table 1 below. The electrolyte membrane was manufactured by depositing the composition on a glass substrate, and, except for the type and content of the crosslinking agent, the manufacturing method of a typical fuel cell polymer electrolyte membrane was followed.

실시예 1 내지 실시예 4는 비교예 1에서 가교제의 함량을 달리하여 첨가한 것으로, 비교예 1과 이온전도체의 종류 및 함량은 동일하다.Examples 1 to 4 are examples in which the content of the crosslinking agent is different from that of Comparative Example 1, and the type and content of the ion conductor are the same as those of Comparative Example 1.

비교예 1 Comparative Example 1 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 이온전도체 종류Types of ionic conductors S-PES1) S-PES 1) S-PESS-PES S-PESS-PES S-PESS-PES S-PESS-PES 가교제 종류Types of crosslinkers 가교제 12) Crosslinker 1 2) 가교제 1Crosslinker 1 가교제 1Crosslinker 1 가교제 1Crosslinker 1 가교제 함량Crosslinking agent content -- 5 mol%5 mol% 10 mol%10 mol% 15 mol%15 mol% 20 mol%20 mol%

1) 술폰화된 폴리에테르설폰(Sulfonated poly(ether sulfone))을 디메틸아세트아미드(DMAc)용매에 15 중량%로 용해하여 유리기제에 제막하여 고분자 전해질막을 제조하였다.1) A polymer electrolyte membrane was prepared by dissolving sulfonated poly(ether sulfone) in dimethylacetamide (DMAc) solvent at 15 wt% and forming a film on a glass substrate.

2) 가교제 1은 하기 화학식 2로 표시되는 가교제를 사용하였다.2) Crosslinking agent 1 used a crosslinking agent represented by the following chemical formula 2.

[화학식 2][Chemical formula 2]

상기 고분자 전해질막에 대하여 내구성 평가를 위하여 가혹 열화 실험을 하여 전해질막의 실험 전/후의 무게 변화율을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. In order to evaluate the durability of the polymer electrolyte membrane, a severe degradation test was performed and the weight change rate of the electrolyte membrane before and after the test was measured, which is shown in Table 2 below.

가속 열화 실험은 펜톤 테스트 (Fenton's test)를 통해 진행되었으며, 3wt%의 과산화수소에 FeSO4 2ppm을 도입한 용액에 고분자 전해질막을 침지하여, 80℃에서 100시간 동안 교반 후 반응 전후의 무게를 비교하였다.Accelerated degradation experiments were conducted using the Fenton's test, in which the polymer electrolyte membrane was immersed in a solution containing 2 ppm FeSO4 in 3 wt% hydrogen peroxide, stirred at 80°C for 100 hours, and the weights before and after the reaction were compared.

샘플명Sample name 무게변화율(%)Weight change rate (%) 비교예 1Comparative Example 1 6868 실시예 1Example 1 2020 실시예 2Example 2 1616 실시예 3Example 3 1212 실시예 4Example 4 9.79.7

상기 표 2를 참조하면, 비교예 1의 경우 무게변화율이 68%로 매우 높게 나타났으나, 본 발명의 실시예의 경우, 무게변화율이 20% 이하, 9.7%까지 크게 줄어들어 우수한 내구성을 알 수 있다. 이는 상기 열화실험으로 이온 전도체 고분자의 주사슬이 화학적으로 열화되어도 본 발명의 가교제로 인한 가교 구조로 인해 열화된 고분자의 유출이 최소화되어 고분자 전해질 막의 무게 변화가 감소한 결과를 보인다.Referring to Table 2 above, in the case of Comparative Example 1, the weight change rate was very high at 68%, but in the case of the example of the present invention, the weight change rate was greatly reduced to 20% or less, 9.7%, showing excellent durability. This shows that even if the main chain of the ion conductor polymer is chemically deteriorated in the above-mentioned degradation experiment, the outflow of the deteriorated polymer is minimized due to the crosslinking structure caused by the crosslinking agent of the present invention, resulting in a decrease in the weight change of the polymer electrolyte membrane.

[실험예 2: 고분자 전해질막의 이온전도도 평가(80℃, RH50%)][Experimental Example 2: Evaluation of ionic conductivity of polymer electrolyte membrane (80℃, RH50%)]

상기 표 1의 비교예 및 실시예에 대하여 하기와 같은 방법으로 팽윤성 정도를 측정하여 표 3에 나타내었다.For the comparative examples and examples in Table 1 above, the degree of swelling was measured using the following method and is shown in Table 3.

상기 비교예 및 실시예에 따른 고분자 전해질 막에 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 1에 의하여 이온 전도도를 계산하였다.For the polymer electrolyte membranes according to the comparative examples and examples, ionic conductivity was measured at a measurement temperature of 80°C using a measuring device (Solatron-1280Impedance/Gain-Phase analyzer from Solartron). Specifically, ohmic resistance or bulk resistance was measured using the four point probe AC impedance spectroscopic method, and then ionic conductivity was calculated using the following mathematical equation 1.

상기 수학식 1에서, σ는 이온 전도도(S/cm), R은 전해질 막의 옴 저항(Ω), L은 전극 간의 거리(cm), A는 일정 전류가 흐르는 전해질 내 면적(cm2)에 해당한다.In the above mathematical expression 1, σ represents ionic conductivity (S/cm), R represents the ohmic resistance (Ω) of the electrolyte membrane, L represents the distance between electrodes (cm), and A represents the area (cm 2 ) within the electrolyte through which a constant current flows.

샘플명Sample name 전도도(S/cm)Conductivity (S/cm) 비교예 1Comparative Example 1 0.0230.023 실시예 1Example 1 0.0250.025 실시예 2Example 2 0.0270.027 실시예 3Example 3 0.0260.026 실시예 4Example 4 0.0280.028

상기 표 3을 참조하면, 비교예 1에 비하여 본 발명의 실시예 1 내지 4의 이온 전도도가 유의미하게 높은 것을 확인할 수 있으며, 특히 실시예 4의 이온전도도는 비교예 1의 이온전도도에 비하여 0.005 S/cm 더 높은 수치를 나타내는 것을 확인할 수 있다.이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Referring to Table 3 above, it can be confirmed that the ionic conductivity of Examples 1 to 4 of the present invention is significantly higher than that of Comparative Example 1, and in particular, it can be confirmed that the ionic conductivity of Example 4 shows a value that is 0.005 S/cm higher than that of Comparative Example 1. Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims also fall within the scope of the present invention.

20, 20': 전극
30, 30': 촉매층
40, 40': 전극 기재
50: 고분자 전해질 막
100: 막-전극 어셈블리
200: 연료 전지
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
20, 20': Electrode
30, 30': Catalyst layer
40, 40': Electrode substrate
50: Polymer electrolyte membrane
100: Membrane-electrode assembly
200: Fuel Cell
210: Fuel supply section 220: Reforming section
230: Stack 231: 1st supply pipe
232: Second supply pipe 233: First discharge pipe
234: Second discharge pipe 240: Oxidizer supply section

Claims (10)

고분자 전해질 물질을 포함하는 고분자 전해질막에 있어서,
상기 고분자 전해질 물질은,
이온전도체; 및
하기 화학식 1로 표시되는 가교제;를 포함하는, 연료전지용 고분자 전해질막:
[화학식 1]

상기 화학식 1에서 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 술폰산기, 카르복실기, 하이드록실기, 아민기, 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 탄소수 1 내지 10의 알콕시기, 탄소수 1 내지 10 의 아릴옥시기 중 하나이며, a 및 f는 1 내지 5의 정수이고, b, c, d 및 e는 1 내지 5의 정수이며, 화학식 1은 아민기를 2개 이상 포함한다.
In a polymer electrolyte membrane containing a polymer electrolyte material,
The above polymer electrolyte material is,
ionic conductor; and
A polymer electrolyte membrane for a fuel cell, comprising a crosslinking agent represented by the following chemical formula 1:
[Chemical Formula 1]

In the chemical formula 1, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are each independently selected from hydrogen, deuterium, a sulfonic acid group, a carboxyl group, a hydroxyl group, an amine group, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, and an aryloxy group having 1 to 10 carbon atoms, a and f are integers of 1 to 5, b, c, d and e are integers of 1 to 5, and chemical formula 1 includes two or more amine groups.
제1항에 있어서,
상기 가교제는 하기 화학식 2로 표시되는 구조를 포함하는, 연료전지용 고분자 전해질막:
[화학식 2]

In the first paragraph,
The above crosslinking agent comprises a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, which comprises a structure represented by the following chemical formula 2:
[Chemical formula 2]

제1항에 있어서,
상기 이온전도체는 카르복시기 및 술폰산기 중 1종 이상의 작용기가 측쇄에 도입된, 연료전지용 고분자 전해질막.
In the first paragraph,
The above ion conductor is a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, wherein at least one functional group selected from a carboxyl group and a sulfonic acid group is introduced into a side chain.
제1항에 있어서,
상기 이온전도체는 불소계 이온전도체, 탄화수소계 이온전도체, 또는 이들의 혼합물인, 연료전지용 고분자 전해질막.
In the first paragraph,
A polymer electrolyte membrane for a fuel cell, wherein the ion conductor is a fluorine-based ion conductor, a hydrocarbon-based ion conductor, or a mixture thereof.
제1항에 있어서,
상기 가교제는 상기 고분자 전해질 물질 전체 중량에 대하여 0.05 내지 20 중량%로 포함된, 연료전지용 고분자 전해질막.
In the first paragraph,
A polymer electrolyte membrane for a fuel cell, wherein the cross-linking agent is contained in an amount of 0.05 to 20 wt% based on the total weight of the polymer electrolyte material.
제1항에 있어서,
상기 고분자 전해질 물질로 충진되어 있는 다수의 공극들을 갖는 다공성 지지체를 더 포함하는, 연료전지용 고분자 전해질막.
In the first paragraph,
A polymer electrolyte membrane for a fuel cell, further comprising a porous support having a plurality of pores filled with the polymer electrolyte material.
제6항에 있어서,
상기 다공성 지지체는 연신 필름(expanded film) 또는 부직포 웹(nonwoven fibrous web)인, 연료전지용 고분자 전해질막.
In Article 6,
A polymer electrolyte membrane for a fuel cell, wherein the porous support is an expanded film or a nonwoven fibrous web.
제6항에 있어서,
상기 고분자 전해질막의 전체 부피 에 대한 상기 다공성 지지체의 겉보기 부피(apparent volume)의 비율은 5 내지 90 %인, 연료전지용 고분자 전해질막.
In Article 6,
A polymer electrolyte membrane for a fuel cell, wherein the ratio of the apparent volume of the porous support to the total volume of the polymer electrolyte membrane is 5 to 90%.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 어셈블리.
A membrane-electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 8.
제9항의 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising a membrane electrode assembly of claim 9.
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