[go: up one dir, main page]

KR20160039375A - Electrolyte membrane for fuel cell and preparation method thereof - Google Patents

Electrolyte membrane for fuel cell and preparation method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR20160039375A
KR20160039375A KR1020140132333A KR20140132333A KR20160039375A KR 20160039375 A KR20160039375 A KR 20160039375A KR 1020140132333 A KR1020140132333 A KR 1020140132333A KR 20140132333 A KR20140132333 A KR 20140132333A KR 20160039375 A KR20160039375 A KR 20160039375A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
oxide
layer
membrane
radical scavenger
ionomer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
KR1020140132333A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102296050B1 (en
Inventor
김상욱
임정혁
양은준
장화명
Original Assignee
주식회사 동진쎄미켐
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 동진쎄미켐 filed Critical 주식회사 동진쎄미켐
Priority to KR1020140132333A priority Critical patent/KR102296050B1/en
Publication of KR20160039375A publication Critical patent/KR20160039375A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102296050B1 publication Critical patent/KR102296050B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1041Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • H01M8/1055Inorganic layers on the polymer electrolytes, e.g. inorganic coatings
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1041Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • H01M8/1046Mixtures of at least one polymer and at least one additive
    • H01M8/1051Non-ion-conducting additives, e.g. stabilisers, SiO2 or ZrO2
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1041Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • H01M8/1053Polymer electrolyte composites, mixtures or blends consisting of layers of polymers with at least one layer being ionically conductive
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명에 따르면 연료 전지용 전해질 막 및 이의 제조 방법이 제공된다. 본 발명을 통해 제공되는 연료 전지용 전해질 막은 복수의 금속 산화물 나노시트를 포함한 라디칼 포착제층이 구비됨에 따라 향상된 내구성과 안정적인 성능을 발휘하는 연료 전지의 제공을 가능케 한다.According to the present invention, there is provided an electrolyte membrane for a fuel cell and a method of manufacturing the same. The electrolyte membrane for a fuel cell provided with the present invention can provide a fuel cell exhibiting improved durability and stable performance by providing a radical scavenger layer containing a plurality of metal oxide nanosheets.

Description

연료 전지용 전해질 막 및 이의 제조 방법 {ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL CELL AND PREPARATION METHOD THEREOF}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an electrolyte membrane for a fuel cell,

본 발명에 따르면 라디칼 포착제층이 형성된 연료 전지용 전해질 막, 상기 전해질 막의 제조 방법, 그리고 상기 전해질 막을 포함하는 막-전극 접합체 및 연료 전지가 제공된다.According to the present invention, there is provided an electrolyte membrane for a fuel cell having a radical scavenger layer, a method for producing the electrolyte membrane, and a membrane-electrode assembly including the electrolyte membrane and a fuel cell.

연료 전지는 연료인 수소 또는 알코올과 산화제인 산소 또는 공기의 전기화학적인 반응에 의해 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전기화학 전지이다. 연료 전지는 전해질에 의해 분리된 애노드(anode)와 캐소드(cathode)를 포함한다.A fuel cell is an electrochemical cell that converts chemical energy into electrical energy by electrochemical reaction of hydrogen or alcohol as fuel and oxygen or air as oxidant. A fuel cell includes an anode and a cathode separated by an electrolyte.

연료 전지 중 양성자 교환 막(proton exchange membrane, 이하 PEM) 연료 전지는 전해질로 고체 중합체 막을 포함한다. 상기 전해질은 전기 절연성이지만 이온 전도성인 막으로서, 애노드에서 생성된 양성자는 막을 통과해 캐소드로 전달되고 산소와 결합하여 물이 생성된다.A proton exchange membrane (PEM) fuel cell in a fuel cell includes a solid polymer membrane as an electrolyte. The electrolyte is a film that is electrically insulating but ion conductive. The protons generated in the anode pass through the membrane to the cathode, and combine with oxygen to produce water.

이러한 PEM 연료 전지는 다른 형태의 연료 전지에 비하여 낮은 작동 온도(약 80℃), 높은 효율, 큰 전류 밀도와 출력 밀도, 짧은 시동 시간, 부하 변화에 따른 빠른 응답 특성을 갖는다. 특히 전해질로 고체 중합체 막이 사용되기 때문에, 상기 PEM 연료 전지는 부식의 우려가 적고 전해질의 조절이 요구되지 않으며, 반응 기체의 압력 변화에도 덜 민감한 특성을 나타낸다. 또한, 상기 PEM 연료 전지는 구조가 간단하고 제작이 쉬우며 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 가져, 무공해 차량의 동력원, 현지 설치형 발전, 이동용 전원, 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용되고 있다.Such a PEM fuel cell has a low operating temperature (about 80 ° C), high efficiency, large current density and power density, short startup time, and quick response characteristics in response to load changes compared with other types of fuel cells. Particularly, since the solid polymer membrane is used as the electrolyte, the PEM fuel cell has less fear of corrosion, does not require the control of the electrolyte, and is less sensitive to changes in the pressure of the reaction gas. In addition, the PEM fuel cell has a simple structure, is easy to manufacture, and can output a wide range of output. Thus, the PEM fuel cell has been applied to a variety of fields such as a power source for a pollution-free vehicle, a locally installed power source, a mobile power source, and a military power source.

상기 PEM 연료 전지에서 전해질 막의 특성은 주로 이온 교환 용량(IEC) 또는 당량 중량(EW)으로 평가되며, 일반적으로 높은 양성자 전도도와 기계적 강도, 그리고 낮은 기체 투과도 및 물 투과도 등이 요구된다. 특히, 탈수시에는 양성자 전도도가 급격히 떨어지므로, 상기 전해질 막은 탈수에 저항성이 있어야 한다. 또한, 상기 전해질 막은 산화 및 환원 반응, 가수 분해 반응 등에 대한 내성이 커야 하고, 양이온 결합력이 좋아야 하며, 이러한 성질들을 일정 시간 동안 유지시킬 수 있는 내구성이 확보되어야 한다.The characteristics of the electrolyte membrane in the PEM fuel cell are mainly evaluated in terms of ion exchange capacity (IEC) or equivalent weight (EW) and generally require high proton conductivity, mechanical strength, low gas permeability and water permeability. In particular, since the proton conductivity drops sharply during dehydration, the electrolyte membrane must be resistant to dehydration. In addition, the electrolyte membrane should have high resistance to oxidation, reduction, hydrolysis, and the like, have good cation binding ability, and have durability to maintain these properties for a predetermined period of time.

상기 PEM 연료 전지에 사용되는 전해질 막은 과불소계, 부분 불소계 및 탄화수소계 등으로 구분될 수 있다. 그 중 Dufont사의 Nafion®, Asahi Chemical사의 Aciplex®, Asahi Glass사의 Flemion®과 같은 과불소계 전해질 막은 우수한 양성자 전도도와 화학적 안정성을 가져 상용화되었다. 하지만, 상용화된 과불소계 전해질 막은 수소이온 투과도가 높고, 장시간 운전시 물리적 또는 화학적 안정성이 떨어져 전지 성능의 저하를 유발하는 단점이 있다.The electrolyte membrane used in the PEM fuel cell may be classified into a perfluorocarbon, a partial fluorine, and a hydrocarbon. Of these, Nafion® from Dufont, Aciplex® from Asahi Chemical, and Flemion® from Asahi Glass have been commercialized with excellent proton conductivity and chemical stability. However, the commercially available perfluorinated electrolyte membrane has a disadvantage in that it has high hydrogen ion permeability and physical or chemical stability during long-time operation, resulting in deterioration of battery performance.

한편, 상기 PEM 연료 전지의 구동시 전해질 막을 통해 침투하는 산소 및 수소의 반응에 의해 퍼옥시 및 하이드로퍼옥시 라디칼이 형성된다. 그런데, 이러한 라디칼에 의해 상기 전해질 막은 화학적 공격을 받아 수명이 단축되거나 파괴된다. 이에 전해질 막의 내부에 라디칼 포착제를 함침시키거나 코팅하는 등 내라디칼성을 부여하는 다양한 시도들이 있어왔다.On the other hand, when the PEM fuel cell is driven, peroxy and hydroperoxy radicals are formed by the reaction of oxygen and hydrogen penetrating through the electrolyte membrane. However, due to such radicals, the electrolyte membrane is chemically attacked, shortening or destroying its service life. There have been various attempts to impart internal radical resistance, such as impregnating or coating a radical scavenger inside the electrolyte membrane.

하지만, 이들 종래 기술에서는, 상기 라디칼 포착제가 입자 형태로 이온 전도성 막 내에 함침되거나 코팅된 것이기 때문에, 전해질 막 내에 라디칼 포착제가 고정되지 못하고, 전해질 막의 팽윤이나 플러딩 등에 의해 라디칼 포착제가 유출될 가능성이 있다. 또한, 입자 형태의 라디칼 포착제가 함침 또는 코팅된 전해질 막은 라디칼 포착제의 분포가 균일하지 못하기 때문에, 라디칼 포착제 입자가 존재하지 않는 부분에서 내라디칼성이 떨어지는 문제점이 있다.However, in these prior arts, since the radical scavenger is impregnated or coated in the ion conductive membrane in the form of particles, the radical scavenger is not fixed in the electrolyte membrane, and there is a possibility that the radical scavenger leaks due to swelling or flooding of the electrolyte membrane . In addition, the electrolyte membrane impregnated or coated with the particle-type radical scavenger has a problem that the radical scavenger is poor in the portion where the radical scavenger particle is not present because the distribution of the radical scavenger is not uniform.

본 발명은 보다 향상된 내라디칼성을 갖는 연료 전지용 전해질 막을 제공하기 위한 것이다.The present invention is intended to provide an electrolyte membrane for a fuel cell having improved internal resistance.

또한, 본 발명은 상기 연료 전지용 전해질 막의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention also provides a method of manufacturing the electrolyte membrane for a fuel cell.

또한, 본 발명은 상기 전해질 막을 포함하는 막-전극 접합체 및 연료 전지를 제공하기 위한 것이다.The present invention also provides a membrane-electrode assembly including the electrolyte membrane and a fuel cell.

본 발명에 따르면, According to the present invention,

이온 전도성 막; 및Ion conductive membrane; And

상기 이온 전도성 막의 적어도 어느 한 면 상에 적층된 복수의 금속 산화물 나노시트를 포함한 라디칼 포착제층A radical trapping layer containing a plurality of metal oxide nanosheets laminated on at least one surface of the ion conductive membrane

을 포함하는 연료 전지용 전해질 막이 제공된다.An electrolyte membrane for a fuel cell is provided.

또한, 본 발명에 따르면,Further, according to the present invention,

금속 산화물 나노시트를 포함한 라디칼 포착제층 형성용 조성물을 준비하는 단계;Preparing a composition for forming a radical scavenger layer including a metal oxide nanosheet;

이온 전도성 막의 적어도 어느 한 면 상에 상기 라디칼 포착제층 형성용 조성물의 코팅층을 형성하는 단계; 및Forming a coating layer of the composition for forming a radical scavenger layer on at least one side of the ion conductive membrane; And

상기 코팅층을 건조하여 복수의 금속 산화물 나노시트를 포함한 라디칼 포착제층을 형성하는 단계And drying the coating layer to form a radical scavenger layer containing a plurality of metal oxide nanosheets

를 포함하는 연료 전지용 전해질 막의 제조 방법이 제공된다.A method for manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell is provided.

그리고, 본 발명에 따르면, 상기 전해질 막 및 상기 전해질 막의 양 면에 구비된 전극 촉매층을 포함하는 연료 전지용 막-전극 접합체가 제공된다. 또한, 본 발명에 따르면, 상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료 전지가 제공된다.According to the present invention, there is provided a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising an electrolyte catalyst layer and an electrode catalyst layer provided on both surfaces of the electrolyte membrane and the electrolyte membrane. Further, according to the present invention, there is provided a fuel cell including the membrane-electrode assembly.

이하, 발명의 구현 예들에 따른 연료 전지용 전해질 막 및 이의 제조 방법 등에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an electrolyte membrane for a fuel cell according to embodiments of the present invention, a method of manufacturing the same, and the like will be described in detail.

그에 앞서, 본 명세서 전체에서 명시적인 언급이 없는 한, 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 그리고, 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 '포함'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.Prior to that, and unless explicitly stated throughout the present specification, the terminology is used merely to refer to a specific embodiment and is not intended to limit the present invention. And, the singular forms used herein include plural forms unless the phrases expressly have the opposite meaning. Also, as used herein, the term " comprises " embodies certain features, areas, integers, steps, operations, elements and / or components, It does not exclude the existence or addition of a group.

그리고, 본 명세서에서 '금속 산화물 나노시트'라 함은 나노미터 스케일의 두께를 갖는 시트 형태의 금속 산화물을 지칭한다. 일 예로, 상기 금속 산화물 나노시트는 입자상의 금속 산화물과 임의의 첨가제의 반응을 통한 응집에 의해 형성될 수 있다.
In this specification, the term 'metal oxide nanosheet' refers to a metal oxide in the form of a sheet having a nanometer scale thickness. For example, the metal oxide nanosheets can be formed by agglomeration through reaction of particulate metal oxide with optional additives.

I. 연료 전지용 전해질 막I. Electrolyte Membrane for Fuel Cell

발명의 일 구현 예에 따르면,According to one embodiment of the invention,

이온 전도성 막; 및Ion conductive membrane; And

상기 이온 전도성 막의 적어도 어느 한 면 상에 적층된 복수의 금속 산화물 나노시트를 포함한 라디칼 포착제층A radical trapping layer containing a plurality of metal oxide nanosheets laminated on at least one surface of the ion conductive membrane

을 포함하는 연료 전지용 전해질 막이 제공된다.An electrolyte membrane for a fuel cell is provided.

본 발명자들의 계속적인 실험 결과, 이온 전도성 막 상에 복수의 금속 산화물 나노시트를 포함하는 형태로 라디칼 포착제층을 형성시킬 경우, 보다 향상된 내라디칼성을 갖는 전해질 막이 제공될 수 있음이 확인되었다.As a result of continuous experiments conducted by the inventors of the present invention, it has been confirmed that when a radical scavenger layer containing a plurality of metal oxide nanosheets is formed on an ion conductive membrane, an electrolyte membrane having improved internal radical resistance can be provided.

이와 관련하여, 지금까지 제안된 연료 전지용 전해질 막은 입자상의 라디칼 포착제가 이온 전도성 막 내에 함침되거나 코팅된 형태를 갖는다. 예를 들어, 도 1의 (a)는 금속 산화물 입자(1)를 포함하는 라디칼 포착제층(10)이 이온 전도성 막(20) 상에 코팅된 형태를 갖는 전해질 막(100)의 단면을 나타낸 것이다. 그런데 이러한 형태의 전해질 막은 금속 산화물 입자(1)가 존재하지 않는 영역을 통해 침투한 라디칼(R)에 의해 이온 전도성 막(20)이 화학적 공격을 받게 된다. 그리고, 이러한 형태의 전해질 막은 금속 산화물 입자(1)가 라디칼 포착제층(10) 또는 이온 전도성 막(20) 상에 고정되지 못하고, 팽윤이나 플러딩 등에 의해 유출될 수 있어, 충분한 내라디칼성이 확보되지 못하는 문제점이 있다.In this regard, the electrolyte membrane for a fuel cell proposed so far has a form in which the radical scavenger on the particle is impregnated or coated in the ion conductive membrane. For example, FIG. 1 (a) shows a cross-section of an electrolyte membrane 100 having a form in which a radical scavenger layer 10 including metal oxide particles 1 is coated on an ion conductive membrane 20 . However, in this type of electrolyte membrane, the ion conductive membrane 20 is chemically attacked by the radical (R) penetrating through the region where the metal oxide particle 1 does not exist. This type of electrolyte membrane can not be fixed on the radical scavenger layer 10 or the ion conductive membrane 20, but can be flowed out by swelling, flooding, or the like, so that sufficient internal resistance is secured There is a problem that can not be done.

이와 달리, 본 발명을 통해 제공되는 전해질 막은 라디칼 포착제인 금속 산화물이 나노미터 스케일의 두께를 갖는 복수의 시트(이하 '나노시트') 형태로 적층되어 라디칼 포착제층을 이루는 구조를 갖는다. 예를 들어, 발명의 구현 예에 따른 전해질 막은, 도 1의 (b)와 같이, 복수의 금속 산화물 나노시트(2)가 이온 전도성 막(20) 상에 적층되어 라디칼 포착제층(10)을 이루는 구조를 갖는다. 그에 따라, 복수의 금속 산화물 나노시트(2)에 의해 라디칼의 화학적 공격으로부터 이온 전도성 막(20)이 효과적으로 보호될 수 있어, 보다 향상된 내라디칼성을 갖는 전해질 막이 제공될 수 있다. Alternatively, the electrolyte membrane provided by the present invention has a structure in which the metal oxide, which is a radical scavenger, is laminated in the form of a plurality of sheets (hereinafter referred to as 'nanosheets') having a nanometer scale thickness to form a radical scavenger layer. For example, an electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention may be formed by stacking a plurality of metal oxide nanosheets 2 on an ion conductive membrane 20 to form a radical scavenger layer 10, as shown in FIG. 1 (b) Structure. Thereby, the ion conductive membrane 20 can be effectively protected from the chemical attack of the radical by the plurality of metal oxide nanosheets 2, and an electrolyte membrane having improved inner resistance can be provided.

발명의 구현 예에 있어서, 상기 이온 전도성 막(20)은 전기 절연성과 이온 전도성을 갖는 고분자 막으로써, 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 이오노머로부터 형성된 것일 수 있다. 비제한적인 예로, 상기 이온 전도성 막은 불소계 고분자 또는 탄화수소계 고분자로부터 형성된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 이온 전도성 막은 과불소화 술폰산기 함유 고분자, 퍼플루오로계 양성자 전도성 고분자, 술폰화 폴리술폰 공중합체, 술폰화 폴리(에테르-케톤)계 고분자, 술폰화 폴리에테르 에테르 케톤계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 및 클레이-술폰화 폴리술폰 나노 복합체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 이오노머로부터 형성된 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the ion conductive membrane 20 is a polymer membrane having electrical insulation and ionic conductivity, and may be formed from an ionomer that is conventional in the art. As a non-limiting example, the ion conductive membrane may be formed from a fluorine-based polymer or a hydrocarbon-based polymer. Specifically, the ion conductive membrane may be formed of a perfluoro proton conductive polymer, a sulfonated polysulfone copolymer, a sulfonated poly (ether-ketone) based polymer, a sulfonated polyether ether ketone based polymer, Based polymer may be one formed from at least one ionomer selected from the group consisting of a polyimide-based polymer, a polystyrene-based polymer, a polysulfone-based polymer, and a clay-sulfonated polysulfone nanocomposite.

한편, 상기 이온 전도성 막의 적어도 어느 한 면 상에는 복수의 금속 산화물 나노시트(2)를 포함한 라디칼 포착제층(10)이 형성되어 있다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 금속 산화물 나노시트(2)의 표면을 확대 관찰한 이미지로서, 상기 라디칼 포착제층(10)은 금속 산화물이 나노미터 스케일의 두께를 갖는 복수의 시트 형태로 적층되어 형성됨을 확인할 수 있다.On the other hand, a radical scavenger layer 10 including a plurality of metal oxide nanosheets 2 is formed on at least one surface of the ion conductive membrane. FIG. 3 is an enlarged image of a surface of a metal oxide nanosheet 2 formed according to an embodiment of the present invention, wherein the radical scavenger layer 10 is formed of a plurality of sheets of metal oxide having a nanometer- As shown in FIG.

여기서, 상기 금속 산화물 나노시트의 두께 및 적층되는 층 수 등은 특별히 제한되지 않는다. 다만, 상기 금속 산화물 나노시트를 포함한 라디칼 포착제층(10)은 5 내지 1000 nm 또는 50 내지 800 nm의 평균 두께를 갖는 것이 유리하다. 즉, 내라디칼 특성이 적절히 발휘될 수 있도록 하기 위하여, 상기 라디칼 포착제층(10)은 5 nm 이상의 평균 두께를 갖는 것이 바람직하다. 다만, 라디칼 포착제층의 두께가 너무 두꺼울 경우 막-전극 접합체의 성능이 저하될 수 있고, 얇은 두께의 전해질 막을 사용하여 전지의 성능을 향상시키고자 하는 최근의 추세에 부합하지 않을 수 있다. 따라서, 상기 라디칼 포착제층(10)은 1000 nm 이하의 평균 두께를 갖는 것이 바람직하다.Here, the thickness of the metal oxide nanosheet and the number of layers to be laminated are not particularly limited. However, it is advantageous that the radical scavenger layer 10 including the metal oxide nanosheets has an average thickness of 5 to 1000 nm or 50 to 800 nm. That is, the radical scavenger layer 10 preferably has an average thickness of 5 nm or more, so that the inner radical properties can be appropriately exerted. However, if the thickness of the radical scavenger layer is too thick, the performance of the membrane-electrode assembly may deteriorate, and the recent trend of improving the performance of a battery using a thin electrolyte membrane may not be satisfied. Therefore, the radical scavenger layer 10 preferably has an average thickness of 1000 nm or less.

그리고, 상기 라디칼 포착제층에 포함되는 (즉, 상기 금속 산화물 나노시트를 이루는) 상기 금속 산화물은 산소 및 수소의 반응에 의해 형성되는 퍼옥시 라디칼 및 하이드로퍼옥시 라디칼을 물 및 산소로 분해시킬 수 있는 라디칼 포착제이다. 구체적으로, 이러한 금속 산화물은 산화 실리콘, 산화 티타늄, 산화 알루미늄, 산화 망간, 산화 세슘, 산화 이리듐, 산화 베릴륨, 산화 지르코늄, 산화 베릴륨, 산화 비스무트, 산화 갈륨, 산화 게르마늄, 산화 탄탈륨, 산화 니오븀, 산화 하프늄, 산화 바나듐, 산화 란타늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물일 수 있다.The metal oxide contained in the radical scavenger layer (that is, the metal oxide nanosheet) is a metal oxide which can decompose peroxyl radicals and hydroperoxy radicals formed by the reaction of oxygen and hydrogen into water and oxygen Radical scavenger. Specifically, these metal oxides may be selected from the group consisting of silicon oxide, titanium oxide, aluminum oxide, manganese oxide, cerium oxide, iridium oxide, beryllium oxide, zirconium oxide, beryllium oxide, bismuth oxide, gallium oxide, germanium oxide, tantalum oxide, Hafnium oxide, vanadium oxide, and lanthanum oxide.

선택적으로, 상기 라디칼 포착제층에는 바인더로서 이오노머(ionomer)가 포함될 수 있다. 상기 이오노머는 통상적인 이온 전도성 고분자일 수 있으며, 바람직하게는 과불소화 술폰산기 함유 고분자, 퍼플루오로계 양성자 전도성 고분자, 술폰화 폴리술폰 공중합체, 술폰화 폴리(에테르-케톤)계 고분자, 술폰화 폴리에테르 에테르 케톤계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 및 클레이-술폰화 폴리술폰 나노 복합체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자일 수 있다.Alternatively, the radical scavenger layer may include an ionomer as a binder. The ionomer may be a conventional ion conductive polymer. Preferably, the ionomer is a polymer containing a perfluorinated sulfonic acid group, a perfluorinated proton conductive polymer, a sulfonated polysulfone copolymer, a sulfonated poly (ether-ketone) And at least one polymer selected from the group consisting of a polyether ether ketone polymer, a polyimide polymer, a polystyrene polymer, a polysulfone polymer, and a clay-sulfonated polysulfone nanocomposite.

여기서, 상기 이오노머의 함량은 상기 금속 산화물 나노시트 100 중량부에 대하여 0.1 내지 100 중량부로 조절될 수 있다. 즉, 상기 이오노머는 복수의 금속 산화물 나노시트가 보다 안정적으로 적층될 수 있도록 하는 성분으로서, 그 함량은 필요에 따라 조절될 수 있다. 다만, 상기 라디칼 포착제층에 이오노머가 과량으로 첨가될 경우 상기 금속 산화물이 입자 형태로 분산되거나 금속 산화물 나노시트의 밀착성이 떨어져, 본 발명에서 요구되는 내라디칼 특성이 충분히 발현되지 못할 수 있다. 따라서, 상기 라디칼 포착제층에 상기 이오노머를 첨가할 경우, 상기 이오노머는 상기 금속 산화물 나노시트 100 중량부에 대하여 100 중량부 이하로 포함되는 것이 바람직하다.The content of the ionomer may be controlled to 0.1 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the metal oxide nanosheet. That is, the ionomer is a component that allows a plurality of metal oxide nanosheets to be stacked more stably, and its content can be adjusted as needed. However, if an excess amount of ionomer is added to the radical scavenger layer, the metal oxide may be dispersed in the form of particles or the adhesion of the metal oxide nanosheets may be deteriorated, so that the intrinsic radical properties required in the present invention may not be sufficiently exhibited. Accordingly, when the ionomer is added to the radical scavenging agent layer, the ionomer is preferably included in an amount of 100 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the metal oxide nanosheet.

한편, 발명의 구현 예에 따르면, 상기 라디칼 포착제층 상에는 이오노머층(도면에 도시되어 있지 않음)이 더욱 형성될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, an ionomer layer (not shown) may further be formed on the radical scavenger layer.

상기 이오노머층은 상기 라디칼 포착제층을 보호하고 전극 촉매층과의 분리를 목적으로 적층될 수 있다. 이러한 이오노머층은 상기 이온 전도성 막과 접하지 않는 라디칼 포착제층의 다른 일 면 상에 형성될 수 있다. 상기 이오노머층은 전술한 이온 전도성 고분자들을 사용하여 형성될 수 있으며, 그 평균 두께는 100 내지 2000 nm일 수 있다. 즉, 이오노머층의 형성에 따른 효과가 적절히 발휘될 수 있도록 하기 위하여, 상기 이오노머층은 100 nm 이상의 평균 두께를 갖는 것이 바람직하다. 다만, 이오노머층의 두께가 너무 두꺼울 경우 막-전극 접합체의 성능이 저하될 수 있고, 얇은 두께의 전해질 막을 사용하여 전지의 성능을 향상시키고자 하는 최근의 추세에 부합하지 않을 수 있다. 따라서, 상기 전해질 막에 이오노머층을 포함시키고자 하는 경우, 상기 이오노머층은 2000 nm 이하의 평균 두께를 갖는 것이 바람직하다.The ionomer layer may be laminated for the purpose of protecting the radical scavenger layer and separating from the electrode catalyst layer. This ionomer layer may be formed on the other surface of the radical scavenger layer not in contact with the ion conductive membrane. The ionomer layer may be formed using the ion conductive polymers described above, and the average thickness may be 100 to 2000 nm. That is, it is preferable that the ionomer layer has an average thickness of 100 nm or more so that the effect of the formation of the ionomer layer can be properly exhibited. However, if the thickness of the ionomer layer is too thick, the performance of the membrane-electrode assembly may deteriorate, and the recent trend of improving the performance of the battery using a thin electrolyte membrane may not be satisfied. Therefore, when it is desired to include an ionomer layer in the electrolyte membrane, the ionomer layer preferably has an average thickness of 2000 nm or less.

이러한 전해질 막은 연료 전지의 막-전극 접합체에 적용되어 보다 향상된 내라디칼성을 나타낼 수 있다. 다만, 상기 전해질 막은 연료 전지 분야 이외에도 태양 전지, 2차 전지, 수퍼커패시터(supercapacitor)와 같은 에너지 저장 또는 생산 장치에 적용될 수 있다. 또한, 상기 전해질 막은 유기 전계 발광 소자에도 적용될 수 있다.
Such an electrolyte membrane can be applied to a membrane-electrode assembly of a fuel cell to exhibit improved internal resistance. However, the electrolyte membrane can be applied to an energy storage or production apparatus such as a solar cell, a secondary battery, and a supercapacitor in addition to the fuel cell field. Also, the electrolyte membrane can be applied to an organic electroluminescent device.

IIII . 연료 전지용 전해질 막의 제조 방법. Method for manufacturing electrolyte membrane for fuel cell

한편, 발명의 다른 구현 예에 따르면,On the other hand, according to another embodiment of the invention,

금속 산화물 나노시트를 포함한 라디칼 포착제층 형성용 조성물을 준비하는 단계;Preparing a composition for forming a radical scavenger layer including a metal oxide nanosheet;

이온 전도성 막의 적어도 어느 한 면 상에 상기 라디칼 포착제층 형성용 조성물의 코팅층을 형성하는 단계; 및Forming a coating layer of the composition for forming a radical scavenger layer on at least one side of the ion conductive membrane; And

상기 코팅층을 건조하여 복수의 금속 산화물 나노시트를 포함한 라디칼 포착제층을 형성하는 단계And drying the coating layer to form a radical scavenger layer containing a plurality of metal oxide nanosheets

를 포함하는 연료 전지용 전해질 막의 제조 방법이 제공된다.A method for manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell is provided.

상기 라디칼 포착제층 형성용 조성물은 라디칼 포착제로써 금속 산화물을 포함하며, 상기 금속 산화물이 나노시트 상을 이룰 수 있도록 하는 첨가제가 사용된다. 즉, 상기 금속 산화물 나노시트는 금속 산화물과 첨가제를 물 또는 통상의 유기 용매 하에서 반응시키는 방법으로 형성될 수 있다. 이러한 반응을 통해 상기 금속 산화물은 나노시트의 형태로 조성물 내에 존재하게 된다. 그리고, 상기 첨가제는 금속 산화물 나노시트가 형성된 후에 제거된다.The composition for forming a radical scavenger layer includes a metal oxide as a radical scavenger, and an additive that enables the metal oxide to form a nanosheet phase is used. That is, the metal oxide nanosheet may be formed by reacting the metal oxide and the additive in water or a conventional organic solvent. Through this reaction, the metal oxide is present in the composition in the form of nanosheets. The additive is removed after the metal oxide nanosheet is formed.

여기서, 상기 금속 산화물은, 전술한 바와 같이, 산화 실리콘, 산화 티타늄, 산화 알루미늄, 산화 망간, 산화 세슘, 산화 이리듐, 산화 베릴륨, 산화 지르코늄, 산화 베릴륨, 산화 비스무트, 산화 갈륨, 산화 게르마늄, 산화 탄탈륨, 산화 니오븀, 산화 하프늄, 산화 바나듐, 산화 란타늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물일 수 있다.The metal oxide may be at least one selected from the group consisting of silicon oxide, titanium oxide, aluminum oxide, manganese oxide, cesium oxide, iridium oxide, beryllium oxide, zirconium oxide, beryllium oxide, bismuth oxide, gallium oxide, germanium oxide, tantalum oxide , Niobium oxide, hafnium oxide, vanadium oxide, and lanthanum oxide.

상기 첨가제로는 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAOH), 테트라에틸암모늄 하이드록사이드(TEAOH), 테트라프로필암모늄 하이드록사이드(TPAOH), 및 테트라부틸암모늄 하이드록사이드(TBAOH)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물이 사용될 수 있다.The additive is selected from the group consisting of tetramethylammonium hydroxide (TMAOH), tetraethylammonium hydroxide (TEAOH), tetrapropylammonium hydroxide (TPAOH), and tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH) More than one species of compound may be used.

그리고, 전술한 바와 같이, 상기 라디칼 포착제층에는 바인더로서 이오노머가 더욱 포함될 수 있는데, 이 경우 이오노머가 용해 또는 분산된 용액을 상기 라디칼 포착제층 형성용 조성물에 혼합하는 방법으로 준비될 수 있다. 상기 이오노머의 함량은 상기 금속 산화물 나노시트 100 중량부에 대하여 0.1 내지 100 중량부로 조절될 수 있다. 또한, 상기 이오노머와 금속 산화물 나노시트의 고른 혼합을 위하여 초음파 진동 교반이 이루어질 수 있다.As described above, the radical scavenger layer may further contain an ionomer as a binder. In this case, a solution in which an ionomer is dissolved or dispersed may be prepared by mixing the composition with the composition for forming a radical scavenger layer. The content of the ionomer may be controlled to 0.1 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the metal oxide nanosheet. In addition, ultrasonic vibration stirring can be performed for even mixing of the ionomer and the metal oxide nanosheet.

한편, 이온 전도성 막의 적어도 어느 한 면 상에 상기 라디칼 포착제층 형성용 조성물의 코팅층을 형성하는 단계는 통상의 기술(예를 들어 스프레잉, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 디핑, 바 코팅, 캡 코팅, 나이프 코팅, 슬롯 다이 코팅, 그라비어 코팅 등)을 통해 수행될 수 있다. 여기서, 상기 코팅층의 두께는 건조 후의 두께가 5 내지 1000 nm가 되는 범위 내에서, 조성물에 포함된 용매의 종류와 함량, 이오노머의 첨가 여부 등에 따라 조절될 수 있다.On the other hand, the step of forming the coating layer of the composition for forming a radical scavenger layer on at least one side of the ion conductive film can be performed by a conventional technique (for example, spraying, screen printing, inkjet printing, dipping, bar coating, cap coating, Coating, slot die coating, gravure coating, etc.). Here, the thickness of the coating layer may be controlled according to the type and content of the solvent contained in the composition, whether or not the ionomer is added, and the like within a range of 5 to 1000 nm in thickness after drying.

그리고, 발명의 구현 예에 따르면, 필요에 따라, 상기 라디칼 포착제층 형성용 조성물의 코팅층 상에 이오노머 용액의 코팅층을 형성하는 단계가 더욱 수행될 수 있다. 상기 이오노머 용액의 코팅층은, 전술한 바와 같이, 상기 라디칼 포착제층 상에 이오노머층(도면에 도시되어 있지 않음)을 형성시키기 위한 코팅층이다. 상기 이오노머 용액은 전술한 이온 전도성 고분자를 물 또는 통상의 유기 용매에 용해 또는 분산시켜 준비될 수 있다. 상기 이오노머 용액의 코팅층 형성에는 전술한 코팅 기술이 적용될 수 있다. 그리고, 상기 이오노머 용액의 코팅층 두께는 건조 후의 두께가 100 내지 2000 nm가 되는 범위 내에서, 이오노머 용액에 포함된 이오노머의 종류 및 용매의 종류와 함량 등에 따라 조절될 수 있다. 발명의 구현 예에 따르면, 상기 이온 전도성 막 상에 상기 라디칼 포착제층 형성용 조성물의 코팅층과 이오노머 용액의 코팅층을 순차로 형성시킨 후, 이들 코팅층을 함께 건조시키는 것이 제조 공정의 효율 향상 측면에서 바람직할 수 있다. 다만, 상기 각 코팅층의 형성과 이에 대한 건조가 별도로 이루어질 수도 있다.According to an embodiment of the present invention, if necessary, a step of forming a coating layer of the ionomer solution on the coating layer of the composition for forming a radical scavenger layer may be further performed. The coating layer of the ionomer solution is a coating layer for forming an ionomer layer (not shown in the figure) on the radical scavenger layer as described above. The ionomer solution may be prepared by dissolving or dispersing the above ion conductive polymer in water or a conventional organic solvent. The coating technique described above may be applied to form the coating layer of the ionomer solution. The thickness of the coating layer of the ionomer solution may be controlled according to the kind of ionomer contained in the ionomer solution, the type and content of the solvent, and the like within a range of 100 to 2000 nm in thickness after drying. According to the embodiment of the present invention, it is preferable that the coating layer of the composition for forming a radical scavenger layer and the coating layer of the ionomer solution are sequentially formed on the ion conductive film, and then the coating layers are dried together . However, the coating layer may be separately formed and dried.

한편, 상기 라디칼 포착제층 형성용 조성물의 코팅층을 건조하여 복수의 금속 산화물 나노시트를 포함한 라디칼 포착제층을 형성하는 단계가 수행된다.Meanwhile, a step of drying a coating layer of the composition for forming a radical scavenger layer to form a radical scavenger layer containing a plurality of metal oxide nanosheets is performed.

발명의 구현 예에 따르면, 보다 향상된 물성을 갖는 라디칼 포착제층 및/또는 이오노머층이 형성될 수 있도록 하기 위하여, 상기 건조는 복수의 단계를 거쳐 수행될 수 있다. 구체적으로 상기 건조는 20 내지 100 ℃ 하에서 1 내지 24 시간 동안 수행되는 제 1 열처리 공정과, 120 내지 250 ℃ 하에서 0.5 내지 10 분 동안 수행되는 제 2 열처리 공정이 순차로 이루어질 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 열처리 공정을 통해 코팅층에 포함된 잔류 용매가 충분히 제거될 수 있고, 복수의 금속 산화물 나노시트가 상기 이온 전도성 막에 보다 안정적으로 적층되어 균일한 두께의 라디칼 포착제층이 형성될 수 있다. 또한, 이오노머가 사용되는 경우 상기 복수의 열처리 공정을 통해 이오노머의 열경화가 충분히 이루어질 수 있다.
According to an embodiment of the invention, the drying can be carried out through a plurality of steps so that a radical scavenger layer and / or an ionomer layer with improved physical properties can be formed. Specifically, the drying may be performed in sequence by a first heat treatment step performed at 20 to 100 ° C for 1 to 24 hours and a second heat treatment step performed at 120 to 250 ° C for 0.5 to 10 minutes. The residual solvent contained in the coating layer can be sufficiently removed through the first and second heat treatment processes and a plurality of metal oxide nanosheets can be stacked more stably on the ion conductive film to form a radical trapping agent layer of uniform thickness . In addition, when an ionomer is used, the thermal curing of the ionomer can be sufficiently performed through the plurality of heat treatment processes.

IIIIII . 막-전극 접합체 및 연료 전지. Membrane-electrode assemblies and fuel cells

한편, 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상술한 전해질 막 및 상기 전해질 막의 양 면에 구비된 전극 촉매층을 포함하는 연료 전지용 막-전극 접합체가 제공된다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the above-described electrolyte membrane and an electrode catalyst layer provided on both surfaces of the electrolyte membrane.

상기 막-전극 접합체에 있어서, 상기 전해질 막에 대해서는 상술한 내용으로 갈음한다.In the membrane-electrode assembly, the electrolyte membrane is replaced with the above-mentioned contents.

그리고, 상기 전해질 막의 양면에 구비된 전극 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원 반응을 촉진시키는 것으로 알려진 통상의 금속을 포함한다. 비제한적인 예로, 상기 전극 촉매층은 백금족 금속 (백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐, 및 오스뮴), 금, 은, 또는 이들의 합금을 포함할 수 있으며; 상기 금속들과 베이스 금속 (갈륨, 티타늄, 바나듐, 크로뮴, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연 등)의 합금이 포함될 수 있다. 상기 금속은 비담지 상태로 사용될 수 있다. 또한, 상기 금속은 아세틸렌 블랙, 흑연과 같은 탄소계 담체, 알루미나, 실리카와 같은 무기 담체에 담지된 상태로 사용될 수 있다. 상기 금속이 담지된 상태로 사용되는 경우, 적절한 촉매 효과의 발현을 위하여, 상기 담체는 150 ㎡/g 이상 또는 500 내지 1200 ㎡/g의 비표면적과, 10 내지 300 nm 또는 20 내지 100 nm의 평균 입경을 갖는 것이 바람직하다.The electrode catalyst layers provided on both surfaces of the electrolyte membrane include conventional metals known to promote oxidation of hydrogen and reduction of oxygen. As a non-limiting example, the electrode catalyst layer may comprise platinum group metals (platinum, palladium, rhodium, ruthenium, iridium, and osmium), gold, silver, or alloys thereof; An alloy of the above metals with a base metal (gallium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, etc.) may be included. The metal may be used in a non-supported state. The metal may be used in a state of being supported on an inorganic carrier such as acetylene black, a carbon-based carrier such as graphite, alumina or silica. When the metal is used in a supported state, the carrier preferably has a specific surface area of 150 m < 2 > / g or 500-1200 m < 2 > / g and an average of 10-300 nm or 20-100 nm It is preferable to have a particle size.

그리고, 상기 막-전극 접합체는 상기 전극 촉매층에 인접한 기체 확산층이 포함된다. 상기 기체 확산층은 상기 전극 촉매층을 지지하는 역할과 함께 전극 촉매층으로 반응 가스를 확산시켜 반응 효율을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 기체 확산층으로는 탄소 페이퍼 또는 탄소 천과 같은 통상의 것이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 탄소 페이퍼 또는 탄소 천을 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소계 수지로 발수 처리한 것이 사용될 수 있다. 이처럼 발수 처리된 기체 확산층은 연료 전지의 구동시 발생하는 물에 의해 기체 확산층의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 전극 촉매층과 기체 확산층의 사이에는 기체의 확산 효과를 더욱 증시키기 위한 미세다공층(microporous layer)이 추가로 포함될 수 있다.The membrane-electrode assembly includes a gas diffusion layer adjacent to the electrode catalyst layer. The gas diffusion layer plays a role of supporting the electrode catalyst layer and diffusing the reaction gas into the electrode catalyst layer to improve reaction efficiency. As such a gas diffusion layer, a conventional one such as a carbon paper or a carbon cloth may be used, and preferably a carbon paper or carbon cloth treated with a fluorine resin such as polytetrafluoroethylene may be used. The water repellent gas diffusion layer can prevent the performance of the gas diffusion layer from being deteriorated by water generated when the fuel cell is driven. Further, a microporous layer may be additionally provided between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer to further increase the diffusion effect of the gas.

한편, 상기 촉매 전극층은 상기 금속, 바인더 및 용매를 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하고, 상기 촉매 슬러리를 기체 확산층에 도포하는 방법으로 제조될 수 있다. Meanwhile, the catalyst electrode layer may be prepared by mixing the metal, the binder and the solvent to prepare a catalyst slurry, and applying the catalyst slurry to the gas diffusion layer.

그리고, 각각 제조된 촉매 전극층(애노드와 캐소드) 사이에 상술한 전해질 막을 삽입하고 롤 프레스 또는 열간 압착법으로 압착하여 막-전극 접합체가 얻어진다. 이때, 상기 롤 프레스 압착법은 0 내지 2000 psi의 압력, 50 내지 300 ℃의 온도, 및 0.1 내지 3 m/min의 이동 속도 하에서 수행될 수 있다. 그리고, 상기 열간 압착법은 500 내지 2000 psi의 압력, 50 내지 300 ℃의 온도, 및 1 내지 60 분의 가압 시간 하에서 수행될 수 있다.
Then, the above-described electrolyte membrane is inserted between the prepared catalyst electrode layers (anode and cathode), and pressed by a roll press or a hot press method to obtain a membrane-electrode assembly. At this time, the roll press compression method may be performed at a pressure of 0 to 2000 psi, a temperature of 50 to 300 ° C, and a moving speed of 0.1 to 3 m / min. The hot pressing may be performed at a pressure of 500 to 2000 psi, a temperature of 50 to 300 DEG C, and a pressure time of 1 to 60 minutes.

한편, 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료 전지가 제공된다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell including the membrane-electrode assembly.

상기 막-전극 접합체에 분리판이 부가되어 발전부가 얻어진다. 상기 분리판은 막-전극 접합체의 양면에 각각 부착되며, 애노드에 부착되는 분리판을 애노드 분리판, 캐소드에 부착되는 분리판을 캐소드 분리판이라 한다. 상기 애노드 분리판은 애노드에 연료를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 애노드에서 발생한 전자를 외부 회로 또는 인접하는 단위전지로 전달하기 위한 전자 전도체의 역할을 한다. 상기 캐소드 분리판은 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 외부회로 또는 인접하는 단위전지로부터 공급된 전자를 캐소드로 전달하기 위한 전자 전도체의 역할을 한다. 그리고, 상기 발전부에 적어도 하나의 개질기, 연료 탱크, 연료 펌프 등을 선택적으로 부가하여 연료 전지가 얻어진다.A separator plate is added to the membrane-electrode assembly to obtain a power generation portion. The separator plate is attached to both sides of the membrane-electrode assembly, the separator plate attached to the anode is referred to as an anode separator plate, and the separator plate attached to the cathode is referred to as a cathode separator plate. The anode separator has a flow path for supplying fuel to the anode, and serves as an electron conductor for transferring electrons generated in the anode to an external circuit or an adjacent unit cell. The cathode separation plate has a flow path for supplying an oxidant to the cathode and serves as an electron conductor for transferring electrons supplied from an external circuit or an adjacent unit cell to the cathode. The fuel cell is obtained by selectively adding at least one reformer, a fuel tank, and a fuel pump to the power generation unit.

상기 연료 전지는 직접 메탄올 연료 전지일 수 있다. 그리고, 상기 연료 전지의 구성 및 출력 등은 그 용도에 따라 적절히 설계될 수 있다.The fuel cell may be a direct methanol fuel cell. The configuration, output, etc. of the fuel cell can be appropriately designed according to its use.

본 발명을 통해 제공되는 연료 전지용 전해질 막은 복수의 금속 산화물 나노시트를 포함한 라디칼 포착제층이 구비됨에 따라 향상된 내구성과 안정적인 성능을 발휘하는 연료 전지의 제공을 가능케 한다.The electrolyte membrane for a fuel cell provided with the present invention can provide a fuel cell exhibiting improved durability and stable performance by providing a radical scavenger layer containing a plurality of metal oxide nanosheets.

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전해질 막의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 금속 산화물 나노시트에 대한 Atomic Force Microscopy 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 금속 산화물 나노시트에 대한 Scanning Electron Microscopy 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 막-전극 접합체에 대한 반복적인 건조/가습에 의한 시간 대비 전압의 변화 양상을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic view showing the structure of an electrolyte membrane according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
2 is an atomic force microscopy image of a metal oxide nanosheet synthesized according to an embodiment of the present invention.
3 is a Scanning Electron Microscopy image of a metal oxide nanosheet synthesized according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing changes in voltage versus time with repetitive drying / humidification of a membrane-electrode assembly according to an embodiment and a comparative example of the present invention.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예들을 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 이들만으로 한정하는 것은 아니다.
Best Mode for Carrying Out the Invention Hereinafter, preferred embodiments are described to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are intended to illustrate the present invention without limiting it thereto.

실시예Example 1 One

(라디칼 포착제층 형성용 조성물의 준비)(Preparation of composition for forming radical scavenger layer)

1g의 KxMnO4를 1M HCl과 반응시켜 K+이온을 H+이온으로 교환하여, HxMnO4를 얻었다. 얻은 HxMnO4를 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAOH)와 반응시켜 망간 산화물 나노시트가 분산된 용액을 준비하였다.1 g of K x MnO 4 was reacted with 1 M HCl to exchange K + ions with H + ions to obtain H x MnO 4 . The resulting H x MnO 4 was reacted with tetramethylammonium hydroxide (TMAOH) to prepare a solution in which the manganese oxide nanosheets were dispersed.

0.45g의 상기 망간 산화물 나노시트 함유 용액에, 0.4g (10% 분산 수용액)의 이오노머 용액(Aquivion® ionomer dispersion) 을 첨가한 후 초음파 진동 교반을 실시하여, 망간 산화물 나노시트가 포함된 라디칼 포착제층 형성용 조성물을 준비하였다.0.4 g (10% dispersion aqueous solution) of an ionomer solution (Aquivion 占 ionomer dispersion) was added to 0.45 g of the above manganese oxide nanosheet-containing solution, followed by ultrasonic vibration stirring to obtain a radical trapping layer containing manganese oxide nanosheets Were prepared.

(이오노머 용액의 준비)(Preparation of ionomer solution)

상기 조성물과 별도로, 10g (10% 분산 수용액)의 이오노머 용액(Aquivion® ionomer dispersion)에 증류수, 이소프로필알콜 및 1-프로필알콜(1:6:3,v/v/v)을 첨가한 후 초음파 진동 교반을 실시하여 이오노머 용액을 준비하였다.Separately from the above composition, distilled water, isopropyl alcohol and 1-propyl alcohol (1: 6: 3, v / v / v) were added to 10 g (10% dispersion water) ionomer solution (Aquivion® ionomer dispersion) Vibration stirring was performed to prepare an ionomer solution.

(코팅층의 형성 및 건조)(Formation of coating layer and drying)

불소계 강화막(Aquivion® membrane)을 60℃의 건조 판에 고정한 후, 상기 불소계 강화막 상에 상기 라디칼 포착제층 형성용 조성물을 X축 및 Y축으로 압축 스프레이 분사하여 코팅층을 형성시켰다. 이어서, 동일한 방법으로, 상기 코팅층 상에 상기 이오노머 용액의 코팅층을 형성시켰다.After fixing the fluorine-based reinforcing membrane (Aquivion® membrane) on a dry plate at 60 ° C., the composition for forming a radical scavenger layer was sprayed by compression spraying on the fluorine-based reinforcement film in the X axis and Y axis to form a coating layer. Then, a coating layer of the ionomer solution was formed on the coating layer in the same manner.

그리고, 상기 코팅층들이 형성된 불소계 강화막을 80℃의 오븐에서 12 시간 동안 열처리한 한 후, 180℃의 오븐에서 추가로 열처리하여, 상기 불소계 강화막 상에 라디칼 포착제층(약 500 nm의 평균 두께) 및 이오노머층(약 500 nm의 평균 두께)이 순차로 형성된 전해질 막을 얻었다.The fluorine-based reinforcing film having the coating layers formed thereon was heat-treated in an oven at 80 ° C. for 12 hours, and further heat-treated in an oven at 180 ° C. to form a radical scavenger layer (average thickness of about 500 nm) And an ionomer layer (average thickness of about 500 nm) were successively formed.

(막-전극 접합체의 제조)(Preparation of membrane-electrode assembly)

전극 촉매층이 코팅된 필름을 25 ㎠로 2매 절단 후, 이들 사이에 상기 전해질 막을 삽입한 후 롤 프레스를 이용하여 열 압착하였다. 여기에 25 ㎠ 크기의 서브 가스켓을 겹친 후 롤 프레스를 이용한 열 압착을 통해 막-전극 접합체를 제조하였다.Two sheets of the electrode catalyst layer-coated film were cut at 25 cm < 2 >, and the electrolyte membrane was inserted therebetween, followed by thermocompression bonding using a roll press. A sub gasket of 25 ㎠ in size was superimposed thereon, and then a membrane - electrode assembly was manufactured by thermocompression using a roll press.

비교예Comparative Example 1 One

(막-전극 접합체의 제조)(Preparation of membrane-electrode assembly)

전극 촉매층이 코팅된 필름을 25 ㎠로 2매 절단 후, 이들 사이에 라디칼 포착제층이 형성되어 있지 않은 불소계 강화막(Aquivion® membrane)을 삽입하고 롤 프레스를 이용하여 열 압착하였다. 여기에 25 ㎠ 크기의 서브 가스켓을 겹친 후 롤 프레스를 이용한 열 압착을 통해 막-전극 접합체를 제조하였다.The film coated with the electrode catalyst layer was cut into two pieces at 25 cm 2, and then a fluorinated reinforcing membrane (Aquivion® membrane) having no radical scavenger layer formed therebetween was inserted and thermocompression bonded using a roll press. A sub gasket of 25 ㎠ in size was superimposed thereon, and then a membrane - electrode assembly was manufactured by thermocompression using a roll press.

비교예Comparative Example 2 2

(라디칼 포착제층 형성용 조성물의 준비)(Preparation of composition for forming radical scavenger layer)

1g의 KxMnO4 함유 용액에, 0.4g (10% 분산 수용액)의 이오노머 용액(Aquivion® ionomer dispersion) 을 첨가한 후 초음파 진동 교반을 실시하여, 입자 형태의 라디칼 포착제층 형성용 조성물을 준비하였다. 0.4 g (10% dispersion aqueous solution) of an ionomer solution (Aquivion 占 ionomer dispersion) was added to 1 g of the K x MnO 4 -containing solution, followed by ultrasonic vibration stirring to prepare a composition for forming a radical scavenger layer in the form of particles .

(이오노머 용액의 준비)(Preparation of ionomer solution)

상기 조성물과 별도로, 10g (10% 분산 수용액)의 이오노머 용액(Aquivion® ionomer dispersion)에 증류수, 이소프로필알콜 및 1-프로필알콜(1:6:3,v/v/v)을 첨가한 후 초음파 진동 교반을 실시하여 이오노머 용액을 준비하였다.Separately from the above composition, distilled water, isopropyl alcohol and 1-propyl alcohol (1: 6: 3, v / v / v) were added to 10 g (10% dispersion water) ionomer solution (Aquivion® ionomer dispersion) Vibration stirring was performed to prepare an ionomer solution.

(코팅층의 형성 및 건조)(Formation of coating layer and drying)

불소계 강화막(Aquivion® membrane)을 60℃의 건조 판에 고정한 후, 상기 불소계 강화막 상에 상기 라디칼 포착제층 형성용 조성물을 X축 및 Y축으로 압축 스프레이 분사하여 코팅층을 형성시켰다. 이어서, 동일한 방법으로, 상기 코팅층 상에 상기 이오노머 용액의 코팅층을 형성시켰다.After fixing the fluorine-based reinforcing membrane (Aquivion® membrane) on a dry plate at 60 ° C., the composition for forming a radical scavenger layer was sprayed by compression spraying on the fluorine-based reinforcement film in the X axis and Y axis to form a coating layer. Then, a coating layer of the ionomer solution was formed on the coating layer in the same manner.

그리고, 상기 코팅층들이 형성된 불소계 강화막을 80℃의 오븐에서 12 시간 동안 열처리한 한 후, 180℃의 오븐에서 추가로 열처리하여, 상기 불소계 강화막 상에 라디칼 포착제층(약 500 nm의 평균 두께) 및 이오노머층(약 500 nm의 평균 두께)이 순차로 형성된 전해질 막을 얻었다. The fluorine-based reinforcing film having the coating layers formed thereon was heat-treated in an oven at 80 ° C. for 12 hours, and further heat-treated in an oven at 180 ° C. to form a radical scavenger layer (average thickness of about 500 nm) And an ionomer layer (average thickness of about 500 nm) were successively formed.

(막-전극 접합체의 제조)(Preparation of membrane-electrode assembly)

전극 촉매층이 코팅된 필름을 25 ㎠로 2매 절단 후, 이들 사이에 망간 산화물이 입자 형태로 코팅된 불소계 강화막(Aquivion® membrane)을 삽입하고 롤 프레스를 이용하여 열 압착하였다. 여기에 25 ㎠ 크기의 서브 가스켓을 겹친 후 롤 프레스를 이용한 열 압착을 통해 막-전극 접합체를 제조하였다. The membrane coated with the electrode catalyst layer was cut into two pieces at 25 cm 2, and then a fluorine-based reinforcing membrane (Aquivion® membrane) coated with manganese oxide particles was inserted therebetween, and thermocompression was performed using a roll press. A sub gasket of 25 ㎠ in size was superimposed thereon, and then a membrane - electrode assembly was manufactured by thermocompression using a roll press.

비교예Comparative Example 3 3

(막-전극 접합체의 제조)(Preparation of membrane-electrode assembly)

전극 촉매층이 코팅된 필름을 25 ㎠로 2매 절단 후, 이들 사이에 망간 산화물이 입자 형태로 함침된 상용의 불소계 강화막(Aquivion® membrane)을 삽입하고 롤 프레스를 이용하여 열 압착하였다. 여기에 25 ㎠ 크기의 서브 가스켓을 겹친 후 롤 프레스를 이용한 열 압착을 통해 막-전극 접합체를 제조하였다.A film coated with an electrode catalyst layer was cut into two pieces at 25 cm 2, and then a commercially available fluorinated reinforcing membrane (Aquivion® membrane) impregnated with manganese oxide particles was inserted thereinto and thermocompression was performed using a roll press. A sub gasket of 25 ㎠ in size was superimposed thereon, and then a membrane - electrode assembly was manufactured by thermocompression using a roll press.

시험예Test Example 1 One

(금속 산화물 나노시트의 관찰)(Observation of metal oxide nanosheet)

실시예 1에 따른 라디칼 포착제층에 적용된 망간 산화물 나노시트에 대한 Atomic Force Microscopy 이미지를 도 2에 나타내었고, Scanning Electron Microscopy 이미지를 도 3에 나타내었다.Atomic force microscopy images of the manganese oxide nanosheets applied to the radical scavenger layer according to Example 1 are shown in FIG. 2, and Scanning Electron Microscopy images are shown in FIG.

도 2를 참조하면, 실시예 1에서 라디칼 포착제층의 형성에 사용된 망간 산화물 나노시트는 약 4 nm의 두께와 약 500 nm의 길이를 가진 2차원의 시트 형상을 갖는 것으로 확인되었다. 그리고, 도 3을 참조하면, 실시예 1에 따른 라디칼 포착제층은 망간 산화물이 나노미터 스케일의 두께를 갖는 복수의 시트 형태로 적층되어 형성된 것으로 확인되었다.Referring to FIG. 2, it was confirmed that the manganese oxide nanosheet used in the formation of the radical scavenger layer in Example 1 had a two-dimensional sheet shape having a thickness of about 4 nm and a length of about 500 nm. Referring to FIG. 3, it was confirmed that the radical scavenger layer according to Example 1 was formed by stacking manganese oxides in the form of a plurality of sheets having a nanometer scale thickness.

시험예Test Example 2 2

(전지의 내구성 평가)(Evaluation of durability of battery)

실시예 및 비교예에 따른 막-전극 접합체를 포함하는 단위 전지의 성능을 시험하기 위하여, 막-전극 접합체의 양면 각각에 기체 확산층(SGL 10BB, SGL Carbon Group)을 인접하게 배치하여 단위 전지들을 조립하였다.In order to test the performance of the unit cell including the membrane-electrode assembly according to Examples and Comparative Examples, a gas diffusion layer (SGL 10BB, SGL Carbon Group) was disposed adjacent to both sides of the membrane- Respectively.

셀 온도 80℃, 수소극 및 공기극의 상대습도 50%, 대기압과 압력 차이 0 psig로 유지하고, 유량은 수소극과 공기극 각각에 0.11 L/분, 0.34 L/분을 유지하여 개회로 전압(Open Circuit Voltage, OCV)의 변화를 실시간으로 300시간 동안 측정하였다. 그리고 100시간 간격으로 전류-전압을 평가하여 OCV, 성능 감소율을 확인하였고, 그 결과를 하기 표 1 및 도 4에 나타내었다.The cell temperature was maintained at 80 ° C, the relative humidity of the hydrogen and air electrodes was 50%, the difference between the atmospheric pressure and the pressure was 0 psig, and the flow rate was maintained at 0.11 L / min and 0.34 L / Circuit Voltage, OCV) were measured for 300 hours in real time. The current-voltage was evaluated at intervals of 100 hours, and the OCV and the performance reduction rate were confirmed. The results are shown in Table 1 and FIG.

초기 IV
OCV (V)
Initial IV
OCV (V)
초기 IV
성능 (mA/㎠)
Initial IV
Performance (mA / cm2)
IV OCV
감소율 (uV/h)
IV OCV
Reduction rate (uV / h)
성능 감소율
(uV/h @ 1.2A/㎠)
Performance reduction rate
(uV / h @ 1.2A / cm2)
실시예 1Example 1 0.9780.978 12101210 5050 6060 비교예 1Comparative Example 1 0.9740.974 12001200 190190 310310 비교예 2Comparative Example 2 0.9750.975 11801180 140140 130130 비교예 3Comparative Example 3 0.9700.970 925925 6969 8181

상기 표 1과 도 4를 참조하면, 실시예 1에 따른 막-전극 접합체는 비교예들에 비하여 향상된 내라디칼성을 가져, 건조/가습 환경에서 OCV가 안정적으로 더 오랫동안 유지될 수 있는 것으로 확인되었다.Referring to Table 1 and FIG. 4, it was confirmed that the membrane-electrode assembly according to Example 1 has improved intrinsic radical resistance as compared with Comparative Examples, and OCV can be stably maintained for a longer time in a drying / humidifying environment .

100: 전해질 막
10: 라디칼 포착제층
20: 이온 전도성 막
1: 금속 산화물 입자
2: 금속 산화물 나노시트
R: 라디칼
100: electrolyte membrane
10: Radical capturing agent layer
20: ion conductive membrane
1: metal oxide particles
2: metal oxide nanosheet
R: radical

Claims (15)

이온 전도성 막; 및
상기 이온 전도성 막의 적어도 어느 한 면 상에 적층된 복수의 금속 산화물 나노시트를 포함한 라디칼 포착제층
을 포함하는 연료 전지용 전해질 막.
Ion conductive membrane; And
A radical trapping layer containing a plurality of metal oxide nanosheets laminated on at least one surface of the ion conductive membrane
And an electrolyte membrane for a fuel cell.
제 1 항에 있어서,
상기 라디칼 포착제층은 5 내지 1000 nm의 평균 두께를 가지는, 연료 전지용 전해질 막.
The method according to claim 1,
Wherein the radical scavenger layer has an average thickness of 5 to 1000 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 산화물은 산화 실리콘, 산화 티타늄, 산화 알루미늄, 산화 망간, 산화 세슘, 산화 이리듐, 산화 베릴륨, 산화 지르코늄, 산화 베릴륨, 산화 비스무트, 산화 갈륨, 산화 게르마늄, 산화 탄탈륨, 산화 니오븀, 산화 하프늄, 산화 바나듐, 산화 란타늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물인, 연료 전지용 전해질 막.
The method according to claim 1,
Wherein the metal oxide is selected from the group consisting of silicon oxide, titanium oxide, aluminum oxide, manganese oxide, cerium oxide, iridium oxide, beryllium oxide, zirconium oxide, beryllium oxide, bismuth oxide, gallium oxide, germanium oxide, tantalum oxide, At least one compound selected from the group consisting of vanadium, lanthanum oxide, and the like.
제 1 항에 있어서,
상기 라디칼 포착제층은 과불소화 술폰산기 함유 고분자, 퍼플루오로계 양성자 전도성 고분자, 술폰화 폴리술폰 공중합체, 술폰화 폴리(에테르-케톤)계 고분자, 술폰화 폴리에테르 에테르 케톤계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 및 클레이-술폰화 폴리술폰 나노 복합체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 이오노머를 더욱 포함하는, 연료 전지용 전해질 막.
The method according to claim 1,
The radical scavenger layer may be at least one selected from the group consisting of a perfluoro proton conducting polymer, a sulfonated polysulfone copolymer, a sulfonated poly (ether-ketone) based polymer, a sulfonated polyether ether ketone based polymer, a polyimide based polymer 1. An electrolyte membrane for a fuel cell, further comprising at least one ionomer selected from the group consisting of a polymer, a polystyrene-based polymer, a polysulfone-based polymer, and a clay-sulfonated polysulfone nanocomposite.
제 4 항에 있어서,
상기 이오노머는 상기 금속 산화물 나노시트 100 중량부에 대하여 0.1 내지 100 중량부로 포함되는, 연료 전지용 전해질 막.
5. The method of claim 4,
Wherein the ionomer is contained in an amount of 0.1 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the metal oxide nanosheet.
제 1 항에 있어서,
상기 라디칼 포착제층 상에 형성된 이오노머층을 더욱 포함하는, 연료 전지용 전해질 막.
The method according to claim 1,
And an ionomer layer formed on the radical scavenger layer.
제 6 항에 있어서,
상기 이오노머층은 100 내지 2000 nm의 평균 두께를 가지는, 연료 전지용 전해질 막.
The method according to claim 6,
Wherein the ionomer layer has an average thickness of 100 to 2000 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 전도성 막은 과불소화 술폰산기 함유 고분자, 퍼플루오로계 양성자 전도성 고분자, 술폰화 폴리술폰 공중합체, 술폰화 폴리(에테르-케톤)계 고분자, 술폰화 폴리에테르 에테르 케톤계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 및 클레이-술폰화 폴리술폰 나노 복합체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 이오노머로부터 형성된 것인, 연료 전지용 전해질 막.
The method according to claim 1,
The ion conductive membrane may be formed of at least one selected from the group consisting of perfluoro sulfonic acid group-containing polymers, perfluoro proton conductive polymers, sulfonated polysulfone copolymers, sulfonated poly (ether-ketone) polymers, sulfonated polyether ether ketone polymers, , A polystyrene-based polymer, a polysulfone-based polymer, and a clay-sulfonated polysulfone nanocomposite.
금속 산화물 나노시트를 포함한 라디칼 포착제층 형성용 조성물을 준비하는 단계;
이온 전도성 막의 적어도 어느 한 면 상에 상기 라디칼 포착제층 형성용 조성물의 코팅층을 형성하는 단계; 및
상기 코팅층을 건조하여 복수의 금속 산화물 나노시트를 포함한 라디칼 포착제층을 형성하는 단계
를 포함하는 연료 전지용 전해질 막의 제조 방법.
Preparing a composition for forming a radical scavenger layer including a metal oxide nanosheet;
Forming a coating layer of the composition for forming a radical scavenger layer on at least one side of the ion conductive membrane; And
And drying the coating layer to form a radical scavenger layer containing a plurality of metal oxide nanosheets
Wherein the electrolyte membrane is made of a metal.
제 9 항에 있어서,
상기 금속 산화물 나노시트는 금속 산화물과 첨가제를 반응시키는 방법으로 형성되고,
상기 첨가제는 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAOH), 테트라에틸암모늄 하이드록사이드(TEAOH), 테트라프로필암모늄 하이드록사이드(TPAOH), 및 테트라부틸암모늄 하이드록사이드(TBAOH)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물인, 연료 전지용 전해질 막의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The metal oxide nanosheet is formed by a method of reacting a metal oxide with an additive,
The additive is selected from the group consisting of tetramethylammonium hydroxide (TMAOH), tetraethylammonium hydroxide (TEAOH), tetrapropylammonium hydroxide (TPAOH), and tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH) Wherein the compound is the above compound.
제 9 항에 있어서,
상기 라디칼 포착제층 형성용 조성물은 이오노머를 더욱 포함하는, 연료 전지용 전해질 막의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the composition for forming a radical scavenger layer further comprises an ionomer.
제 9 항에 있어서,
상기 라디칼 포착제층 형성용 조성물의 코팅층 상에 이오노머 용액의 코팅층을 형성하는 단계를 더욱 포함하는, 연료 전지용 전해질 막의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
Further comprising the step of forming a coating layer of the ionomer solution on the coating layer of the composition for forming a radical scavenger layer.
제 9 항에 있어서,
상기 건조는 20 내지 100 ℃ 하에서 1 내지 24 시간 동안 수행되는 제 1 열처리 공정과, 120 내지 250 ℃ 하에서 0.5 내지 10 분 동안 수행되는 제 2 열처리 공정이 순차로 이루어지는, 연료 전지용 전해질 막의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the drying is performed in a first heat treatment step performed at 20 to 100 ° C for 1 to 24 hours and a second heat treatment step is performed at 120 to 250 ° C for 0.5 to 10 minutes.
제 1 항에 따른 전해질 막 및 상기 전해질 막의 양 면에 구비된 전극 촉매층을 포함하는 연료 전지용 막-전극 접합체.
1. A membrane-electrode assembly for a fuel cell, comprising: the electrolyte membrane according to claim 1; and an electrode catalyst layer provided on both surfaces of the electrolyte membrane.
제 14 항에 따른 막-전극 접합체를 포함하는 연료 전지.
A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 14.
KR1020140132333A 2014-10-01 2014-10-01 Electrolyte membrane for fuel cell and preparation method thereof Active KR102296050B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140132333A KR102296050B1 (en) 2014-10-01 2014-10-01 Electrolyte membrane for fuel cell and preparation method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140132333A KR102296050B1 (en) 2014-10-01 2014-10-01 Electrolyte membrane for fuel cell and preparation method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160039375A true KR20160039375A (en) 2016-04-11
KR102296050B1 KR102296050B1 (en) 2021-09-01

Family

ID=55800519

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140132333A Active KR102296050B1 (en) 2014-10-01 2014-10-01 Electrolyte membrane for fuel cell and preparation method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102296050B1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105977515A (en) * 2016-05-19 2016-09-28 南京理工大学 A method for preparing CeO2/PTFE/Nafion composite film by magnetron sputtering
KR20190130743A (en) * 2018-05-15 2019-11-25 현대자동차주식회사 Manufacturing Apparatus for electrolyte membrane preventing discoloration, and manufacturing methods for electrolyte membrane using the same
KR20200046902A (en) * 2018-10-26 2020-05-07 한국과학기술연구원 Composite electrolyte membrane with a radical scavenger particle layer, a method for producing the same, and a fuel cell comprising the same
CN111354962A (en) * 2018-12-20 2020-06-30 现代自动车株式会社 Electrolyte membrane of membrane-electrode assembly having improved chemical durability and method for manufacturing same
US20230079048A1 (en) * 2020-02-14 2023-03-16 Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Scalable roll-to-roll fabrication of high-performance membrane electrode assemblies

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006079904A (en) * 2004-09-08 2006-03-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF
KR20070110350A (en) * 2005-03-09 2007-11-16 도오까이 료가구 데쓰도오 가부시끼가이샤 Titanium oxide coating agent and titanium oxide coating film formation method
KR20090132214A (en) * 2008-06-20 2009-12-30 주식회사 동진쎄미켐 Membrane electrode assembly for fuel cell, manufacturing method thereof and fuel cell comprising same
JP2011146291A (en) * 2010-01-15 2011-07-28 Toyota Motor Corp Method for manufacturing polymer electrolyte membrane

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006079904A (en) * 2004-09-08 2006-03-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF
KR20070110350A (en) * 2005-03-09 2007-11-16 도오까이 료가구 데쓰도오 가부시끼가이샤 Titanium oxide coating agent and titanium oxide coating film formation method
KR20090132214A (en) * 2008-06-20 2009-12-30 주식회사 동진쎄미켐 Membrane electrode assembly for fuel cell, manufacturing method thereof and fuel cell comprising same
JP2011146291A (en) * 2010-01-15 2011-07-28 Toyota Motor Corp Method for manufacturing polymer electrolyte membrane

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105977515A (en) * 2016-05-19 2016-09-28 南京理工大学 A method for preparing CeO2/PTFE/Nafion composite film by magnetron sputtering
KR20190130743A (en) * 2018-05-15 2019-11-25 현대자동차주식회사 Manufacturing Apparatus for electrolyte membrane preventing discoloration, and manufacturing methods for electrolyte membrane using the same
KR20200046902A (en) * 2018-10-26 2020-05-07 한국과학기술연구원 Composite electrolyte membrane with a radical scavenger particle layer, a method for producing the same, and a fuel cell comprising the same
CN111354962A (en) * 2018-12-20 2020-06-30 现代自动车株式会社 Electrolyte membrane of membrane-electrode assembly having improved chemical durability and method for manufacturing same
US20230079048A1 (en) * 2020-02-14 2023-03-16 Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Scalable roll-to-roll fabrication of high-performance membrane electrode assemblies

Also Published As

Publication number Publication date
KR102296050B1 (en) 2021-09-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5882810A (en) Active layer for membrane electrode assembly
KR101135479B1 (en) A polymer electrolyte membrane for fuel cell, a method for preparing the same, and a fuel cell system comprising the same
KR20150097024A (en) Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly and fuel cell including the same
JP2006114502A (en) POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR DIRECT OXIDATION FUEL CELL, ITS MANUFACTURING METHOD, AND DIRECT OXIDATION FUEL CELL SYSTEM INCLUDING THE SAME
JP2012209268A (en) Method for producing gas diffusion electrode and polymer electrolyte fuel cell, and gas diffusion electrode and polymer electrolyte fuel cell
US20060257715A1 (en) Direct oxidation fuel cell and manufacturing method therefor
JP5165205B2 (en) Membrane electrode structure for polymer electrolyte fuel cell
KR102296050B1 (en) Electrolyte membrane for fuel cell and preparation method thereof
EP1323205A2 (en) Improved membrane electrode assemblies using ionic composite membranes
JP4493954B2 (en) Polymer electrolyte membrane-electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell using the same
KR101881139B1 (en) Microporous layer used for fuel cell, gas diffusion layer comprising the same and fuel cell comprising the same
EP1721355B1 (en) Membrane electrode unit
KR101312971B1 (en) Hydrocarbon based polyelectrolyte separation membrane surface-treated with fluorinated ionomer, membrane electrode assembly, and fuel cell
JP2007134306A (en) Direct oxidation fuel cell and membrane electrode assembly thereof
EP2202830A1 (en) Membrane electrode assembly and fuel cell
KR20160084182A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising the same
JP4870360B2 (en) FUEL CELL ELECTRODE, FUEL CELL, AND METHOD FOR PRODUCING FUEL CELL ELECTRODE
JP2006019237A (en) Polymer electrolyte membrane and fuel cell
JP5458774B2 (en) Electrolyte membrane-electrode assembly
JP2011253788A (en) Membrane-electrode structure for polymer electrolyte fuel cell
KR100481591B1 (en) Polyelectrolyte nanocomposite membrane and the preparation method thereof and the fuel cell using the prepared polyelectrolyte nanocomposite membrane
KR101112693B1 (en) Membrane Electrode Assembly for Fuel Cell and Manufacturing Method Thereof
KR20170069590A (en) Membrane electrode assembly and fuel cell comprising the same
KR20170078271A (en) Electrolyte membrane for fuel cell, membrane-electrode assembly and fuel cell using the same
JP5405783B2 (en) Fuel cell catalyst layer, fuel cell catalyst layer transfer sheet, fuel cell gas diffusion electrode, fuel cell membrane electrode assembly, and fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20141001

PG1501 Laying open of application
PA0201 Request for examination

Patent event code: PA02012R01D

Patent event date: 20190924

Comment text: Request for Examination of Application

Patent event code: PA02011R01I

Patent event date: 20141001

Comment text: Patent Application

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20201228

Patent event code: PE09021S01D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20210531

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20210825

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20210825

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20240605

Start annual number: 4

End annual number: 4

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20250610

Start annual number: 5

End annual number: 5