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KR101491993B1 - Reinforced composite membrane for fuel cell and membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same - Google Patents

Reinforced composite membrane for fuel cell and membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same Download PDF

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KR101491993B1
KR101491993B1 KR20120027694A KR20120027694A KR101491993B1 KR 101491993 B1 KR101491993 B1 KR 101491993B1 KR 20120027694 A KR20120027694 A KR 20120027694A KR 20120027694 A KR20120027694 A KR 20120027694A KR 101491993 B1 KR101491993 B1 KR 101491993B1
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KR
South Korea
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porous support
polymer
reinforced composite
membrane
fuel cell
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KR20120027694A
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김철기
이용환
노환권
오흥렬
김관우
김성진
백지숙
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코오롱패션머티리얼(주)
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Abstract

본 발명은 연료전지용 강화복합막 및 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것으로, 상기 강화복합막은, 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체의 기공 내에 충진되는 이온 전도체를 포함하고, 상기 다공성 지지체는 다공성 지지체 형성용 고분자의 전구체 용액을 전기방사하여 제조된 고분자 전구체의 나노섬유를 1 내지 15N의 권취 장력의 인가하에 복수의 롤러 위와 아래를 번갈아 지그재그로 이송하면서 연속 경화시켜 제조되며, 랜덤하게 배열된 고분자 나노섬유를 포함하고, 방향성이 있는 기계적 물성을 갖는 것이다.
상기 강화복합막은 일방향 치수 안정성이 우수하여 연료전지용 막-전극 어셈블리에서의 고분자 전해질 막으로서 사용시 전극과의 계면 접촉이 안정적이고, 연료전지 운전 조건에서 형태 변형이 적어서 연료전지의 성능과 내구성을 개선시킬 수 있다.
The present invention relates to a reinforced composite membrane for a fuel cell and a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the same, wherein the reinforced composite membrane comprises a porous support and an ion conductor filled in the pores of the porous support, The nanofibers of the polymer precursor prepared by electrospinning a precursor solution of the polymer for forming are successively cured while being transferred alternately on and under a plurality of rollers under the application of a winding tension of 1 to 15 N. The randomly arranged polymer nano- Fibers, and has directional mechanical properties.
The reinforced composite membrane is excellent in one-dimensional dimensional stability, so that the polymer electrolyte membrane in a membrane-electrode assembly for a fuel cell is stable in interfacial contact with an electrode when used, and has less deformations under fuel cell operating conditions, thereby improving the performance and durability of the fuel cell. .

Description

연료전지용 강화복합막 및 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리{REINFORCED COMPOSITE MEMBRANE FOR FUEL CELL AND MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL COMPRISING SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a reinforced composite membrane for a fuel cell and a membrane-electrode assembly for a fuel cell including the same. BACKGROUND ART [0002]

본 발명은 우수한 일방향 치수안정성을 나타내는 연료전지용 강화복합막 및 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.The present invention relates to a reinforced composite membrane for a fuel cell exhibiting excellent one-directional dimensional stability and a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the same.

연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로서, 높은 에너지 효율과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 인해 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 이러한 연료전지는 일반적으로 전해질막을 사이에 두고 그 양쪽에 산화극(anode)과 환원극(cathode)이 각각 형성된 구조를 갖고 있다.Fuel cells convert chemical energy generated by the oxidation of fuel directly into electrical energy. As a result, the fuel cell is attracting attention as a next-generation energy source because of its high energy efficiency and eco-friendly characteristics with less pollutant emissions. Such a fuel cell generally has a structure in which an anode and a cathode are formed on both sides of an electrolyte membrane.

자동차용 연료전지의 대표적인 예로는 수소가스를 연료로 사용하는 수소 이온 교환 연료전지를 들 수 있다. 이러한 수소 이온 교환 연료전지에 사용되는 전해질 막은 산화극에서 생성된 수소 이온이 환원극으로 전달되는 통로이므로 기본적으로 우수한 수소 이온 전도도를 가져야 한다. 또한 전해질막은 산화극에 공급되는 수소가스와 환원극에 공급되는 산소를 분리하는 분리능이 우수해야 하고, 그 외에도 기계적 강도, 형태안정성, 내화학성 등이 우수해야 하며, 고전류밀도에서 저항손실이 작아야 하는 등의 특성이 요구된다. 특히 자동차용 연료전지는 고온에서 장시간 사용할 경우 전해질막이 파열되지 않도록 우수한 내열성을 가져야 한다.A typical example of a fuel cell for automobiles is a hydrogen ion exchange fuel cell using hydrogen gas as a fuel. Since the electrolyte membrane used in such a hydrogen ion exchange fuel cell is a passage through which hydrogen ions generated in the oxidizing electrode are transferred to the reducing electrode, basically, it should have an excellent hydrogen ion conductivity. In addition, the electrolyte membrane should be excellent in separation ability for separating hydrogen gas supplied to the oxidizing electrode from oxygen supplied to the reducing electrode, and should have excellent mechanical strength, shape stability, and chemical resistance, and should have low resistance loss at high current density And so on. In particular, fuel cells for automobiles should have excellent heat resistance so that the electrolyte membrane is not ruptured when used at high temperature for a long time.

현재 사용되고 있는 연료전지용 전해질막으로는 불소계 수지로서 퍼플루오로설폰산 수지(나피온, Nafion™)(이하 "나피온 수지"라 한다)가 있다. 그러나, 나피온 수지는 기계적 강도가 약하여 장시간 사용하면 핀홀이 발생하고, 그로 인해 에너지 전환 효율이 떨어지는 문제가 있다. 기계적 강도를 보강하기 위해서 나피온 수지의 막 두께를 증가시켜 사용하는 시도가 있지만, 이 경우 저항 손실이 증가되고 또한 고가의 재료를 사용함에 따라 경제성이 떨어지는 문제가 있다.As an electrolyte membrane for a fuel cell currently in use, there is a perfluorosulfonic acid resin (Nafion ™) (hereinafter referred to as "Nafion resin") as a fluororesin. However, since the Nafion resin has a low mechanical strength, pinholes are generated when the Nafion resin is used for a long period of time, resulting in a problem that energy conversion efficiency is deteriorated. In order to reinforce the mechanical strength, there is an attempt to increase the thickness of the Nafion resin. However, in this case, there is a problem that the resistance loss increases and the economical efficiency decreases due to the use of expensive materials.

이와 같은 문제를 해결하고 종래 전해질막의 단점을 보완하고자 강화복합막이 제안되었다. 강화복합막은 전해질 물질인 이온전도체와 함께, 전해질 단일막의 단점인 치수안정성, 내구성, 기계적 강도 등을 향상시키기 위한 다공성 지지체로 구성되어 있다. 강화복합막을 포함하는 대표적인 상품으로 프리메아(PRIMEA™, 고어사제)가 있다. 상기 강화복합막은 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 수지에 불소계 이온전도체를 복합화하여 기계적 강도를 향상시킨 것을 특징으로 하고 있다. 그러나, 연료전지의 상용화를 위해서는 가격 절감이 필요한 상황에서 불소계 이온전도체와 불소계 다공성 지지체의 사용은 경쟁력이 떨어지는 단점이 있다.To solve these problems and to overcome the disadvantages of conventional electrolyte membranes, reinforced composite membranes have been proposed. The reinforced composite membrane is composed of a porous support for improving the dimensional stability, durability, mechanical strength and the like, which is a disadvantage of the electrolyte single membrane, together with the ion conductor which is an electrolyte material. A representative product including a reinforced composite membrane is PRIMEA (TM) manufactured by Gore. The reinforced composite membrane is characterized in that the porous polytetrafluoroethylene resin is compounded with a fluorine-based ion conductor to improve mechanical strength. However, in order to commercialize a fuel cell, the use of a fluorine-based ionic conductor and a fluorine-based porous support is inferior in competitiveness in a situation where cost reduction is required.

이에 따라 고가의 불소계 이온전도체를 대체하고자 저가의 탄화수소계 이온전도체가 개발되었으나, 탄화수소계 이온전도체는 불소계를 포함하는 다공성 지지체에 적용하기 어렵다는 문제점이 있다. Accordingly, inexpensive hydrocarbon-based ionic conductors have been developed to replace expensive fluorine-based ionic conductors, but hydrocarbon-based ionic conductors have a problem in that they are difficult to apply to fluorocarbon-containing porous supports.

따라서, 탄화수소계 이온전도체에 적합한 탄화수소계 다공성 지지체, 더 나아가 탄화수소계 이온전도체뿐만 아니라 불소계 이온전도체와도 복합화가 가능한 다공성 지지체가 요구되고 있다. 더불어, 강화복합막은 연료전지에 적용시 강화복합막의 양면에 전극을 접합하여 막-전극 접합체의 형태로 적용되므로, 전극과 강화복합막 사이의 계면에서의 접촉 불량에 따른 연료전지의 성능 및 내구성 저하 방지를 위해서는 우수한 치수안정성을 갖는 강화복합막이 요구된다.Therefore, there is a demand for a porous support that is compatible with hydrocarbon-based ionic conductors, as well as hydrocarbon-based ionic conductors as well as fluorine-based ionic conductors. In addition, since the reinforced composite membrane is applied in the form of a membrane-electrode assembly by bonding electrodes to both surfaces of the reinforced composite membrane when applied to a fuel cell, deterioration in performance and durability of the fuel cell due to poor contact at the interface between the electrode and the reinforced composite membrane A reinforced composite membrane having excellent dimensional stability is required.

한국특허공개 제2011-0084849호 및 제2011-0120185호에는 폴리이미드 나노섬유로 구성된 다공성 지지체를 이온전도체와 복합화한 강화복합막이 개시되어 있다. Korean Patent Laid-Open Publication No. 2011-0084849 and No. 2011-0120185 disclose a reinforced composite membrane in which a porous support composed of polyimide nanofibers is complexed with an ion conductor.

한국특허공개 제2011-0084849호 (2011.07.26 공개)Korean Patent Laid-Open Publication No. 2011-0084849 (published on July 26, 2011) 한국특허공개 제2011-0120185호 (2011.11.03 공개)Korean Patent Laid-Open No. 2011-0120185 (published on November 3, 2011)

본 발명의 목적은 개선된 일방향 치수안정성을 가져 전극과의 접촉 계면에서의 계면 분리에 대한 우려가 없는 연료전지용 강화복합막을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a reinforced composite membrane for a fuel cell which has improved one-dimensional dimensional stability and is free from interfacial separation at a contact interface with an electrode.

본 발명은 또한 상기 강화복합막을 포함하여 연료전지의 내구성 및 성능특성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지를 제공하는 것이다. The present invention also provides a membrane-electrode assembly and a fuel cell for a fuel cell that can improve the durability and performance characteristics of the fuel cell including the reinforced composite membrane.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 랜덤하게 배열된 고분자 나노섬유를 포함하고, 방향성이 있는 기계적 물성을 갖는 다공성 지지체; 및 상기 다공성 지지체의 기공 내에 충진되는 이온 전도체를 포함하며, 상기 다공성 지지체는 다공성 지지체 형성용 고분자의 전구체를 포함하는 전구체 용액을 전기방사하여 제조한 고분자 전구체의 나노섬유를 1 내지 15N의 권취 장력의 인가하에 복수의 롤러 위와 아래를 번갈아 지그재그로 이송하면서 연속 경화시켜 제조되는 것인 연료전지용 강화복합막을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a porous support comprising randomly arranged polymer nanofibers and having a directional mechanical property; And an ion conductor filled in the pores of the porous support, wherein the porous support comprises nanofibers of a polymer precursor prepared by electrospinning a precursor solution containing a precursor of a polymer for forming a porous support, And is continuously cured while being alternately transported on and under a plurality of rollers in a zigzag manner under application of an electric field.

상기 기계적 물성은 인장강도, 신도 또는 둘 모두일 수 있다.The mechanical properties may be tensile strength, elongation, or both.

상기 다공성 지지체는 일방향과 상기 일방향에 대한 수직방향의 인장 강도비가 5 이하일 수 있다.The porous support may have a tensile strength ratio of 5 or less in one direction and in a direction perpendicular to the one direction.

상기 다공성 지지체는 일방향과 상기 일방향에 대한 수직방향의 신도비가 0.2 이상일 수 있다.The porosity of the porous support may be 0.2 or more in a direction perpendicular to the one direction and the one direction.

상기 다공성 지지체는 유기용매에 불용성인 탄화수소계 고분자를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 폴리이미드를 포함할 수 있다.The porous support may include a hydrocarbon-based polymer insoluble in an organic solvent, and may preferably include a polyimide.

상기 다공성 지지체는 50 내지 90%의 다공도를 가질 수 있다.The porous support may have a porosity of 50 to 90%.

상기 다공성 지지체는 5 내지 50㎛의 평균 두께를 가질 수 있다.The porous support may have an average thickness of 5 to 50 탆.

상기 이온전도체는 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 고분자일 수 있으며, 바람직하게는 술폰화된 폴리이미드, 술폰화된 폴리아릴에테르술폰, 술폰화된 폴리에테르에테르케톤, 술폰화된 폴리벤즈이미다졸, 술폰화된 폴리술폰, 술폰화된 폴리스티렌, 술폰화된 폴리포스파젠 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.The ionic conductor may be a hydrocarbon-based polymer that is soluble in an organic solvent, and is preferably a sulfonated polyimide, a sulfonated polyaryl ether sulfone, a sulfonated polyether ether ketone, a sulfonated polybenzimidazole, Sulfonated polysulfones, sulfonated polystyrenes, sulfonated polyphosphazenes, and mixtures thereof.

상기 이온전도체는 강화복합막 총 중량에 대하여 50 내지 99중량%로 포함될 수 있다.The ionic conductor may be included in an amount of 50 to 99% by weight based on the total weight of the reinforced composite membrane.

상기 강화복합막은 물에 팽윤시켰을 때 일방향의 치수안정성이 8% 이하일 수 있다.The reinforced composite membrane may have a dimensional stability of less than 8% in one direction when swollen in water.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르며, 다공성 지지체 형성용 고분자의 전구체를 포함하는 전구체 용액을 전기방사하여 고분자 전구체의 나노섬유를 제조하는 단계, 상기 제조된 고분자 전구체의 나노섬유를 1 내지 15N의 권취 장력의 인가하에 복수의 롤러 위와 아래를 번갈아 지그재그로 이송하면서 연속 경화시켜 다공성 지지체를 제조하는 단계, 및 상기 다공성 지지체의 기공내에 이온전도체를 충진하는 단계를 포함하는 연료전지용 강화복합막의 제조방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a polymer precursor comprising the steps of: preparing a polymer precursor nanofiber by electrospinning a precursor solution containing a precursor of a polymer for forming a porous support; Comprising the steps of: preparing a porous support by successively curing while transferring a plurality of rollers on and under a plurality of rollers in a zigzag manner under the application of a tensile force; and filling the pores of the porous support with ionic conductors. do.

상기 다공성 지지체 형성용 고분자는 유기용매에 불용성인 탄화수소계 고분자일 수 있다.The porous support-forming polymer may be a hydrocarbon-based polymer insoluble in an organic solvent.

상기 전구체 용액은 전구체 용액 총 중량에 대하여 5 내지 20중량%의 농도로 다공성 지지체 형성용 고분자의 전구체를 포함할 수 있다.The precursor solution may include a precursor of the polymer for forming a porous support at a concentration of 5 to 20% by weight based on the total weight of the precursor solution.

상기 전기 방사 공정은 850 내지 3,500V/㎝의 전기장을 인가하여 실시할 수 있다.The electrospinning process may be performed by applying an electric field of 850 to 3,500 V / cm.

상기 경화 공정은 80 내지 650℃에서 실시할 수 있다.The curing process may be carried out at 80 to 650 ° C.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극; 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 고분자 전해질 막은 상기한 강화복합막인 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a plasma display panel comprising: an anode electrode and a cathode electrode facing each other; And a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, wherein the polymer electrolyte membrane is the reinforced composite membrane as described above.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell including the membrane-electrode assembly.

기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other details of the embodiments of the present invention are included in the following detailed description.

상기 강화복합막은 일방향 치수 안정성이 우수하여 연료전지용 막-전극 어셈블리에서의 고분자 전해질 막으로서 사용시 전극과의 계면 접촉이 안정적이고, 연료전지 운전 조건에서 형태 변형이 적어서 연료전지의 성능과 내구성을 개선시킬 수 있다.The reinforced composite membrane is excellent in one-dimensional dimensional stability, so that the polymer electrolyte membrane in a membrane-electrode assembly for a fuel cell is stable in interfacial contact with an electrode when used, and has less deformations under fuel cell operating conditions, thereby improving the performance and durability of the fuel cell. .

도 1은 본 발명에 따른 다공성 지지체의 제조시 연속 지그재그 경화 공정 실시를 위한 장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 다공성 지지체의 표면을 주사전자 현미경 (scanning electron microscope, SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 4는 실시예 1 내지 3에서 제조된 다공성 지지체의 인장강도 및 인장강도비를 관찰한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1 내지 3에서 제조된 다공성 지지체의 신도 및 신도비를 관찰한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 강화복합막의 단면에 대한 SEM 관찰 사진이다.
1 is a schematic view schematically showing an apparatus for carrying out a continuous zig-zag hardening process in the production of a porous support according to the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view of a membrane-electrode assembly in accordance with an embodiment of the present invention.
3 is a photograph of the surface of the porous support prepared in Example 1, observed with a scanning electron microscope (SEM).
FIG. 4 is a graph showing the results of observing the tensile strength and the tensile strength ratio of the porous support prepared in Examples 1 to 3. FIG.
5 is a graph showing the results of observing the elongation and the elongation of the porous support prepared in Examples 1 to 3. FIG.
6 is an SEM photograph of a section of the reinforced composite membrane produced in Example 1. Fig.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.

본 명세서에 기재된 용어 "나노"란 나노 스케일을 의미하며, 1 ㎛ 이하의 크기를 포함한다.The term "nano," as used herein, refers to nanoscale and includes a size of 1 μm or less.

본 명세서에 기재된 용어 "직경"이란, 섬유의 중심을 지나는 단축의 길이를 의미하고, “길이”란 섬유의 중심을 지나는 장축의 길이를 의미한다.The term "diameter " as used herein means the length of the minor axis passing through the center of the fiber, and " length " means the length of the major axis passing through the center of the fiber.

일반적으로 자동차용 연료전지에서의 스택의 경우 길이방향으로 긴 직사각형 형태를 갖기 때문에, 강화복합막의 각 방향에 대하여 동일한 치수안정성을 적용하게 되면 길이방향으로의 변형이 더욱 크게 발생하여 전해질막의 변형에 따라 연료전지의 내구성과 성능이 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 길이방향으로 보다 우수한 치수안정성을 갖는 강화복합막이 요구되고 있다.Generally, a stack in an automotive fuel cell has a long rectangular shape in the longitudinal direction. Therefore, if the same dimensional stability is applied to each direction of the reinforced composite membrane, deformation in the longitudinal direction is further increased, The durability and the performance of the fuel cell deteriorate. Therefore, there is a demand for a reinforced composite film having better dimensional stability in the longitudinal direction.

이에 대해 본 발명에서는 랜덤한 폴리이미드 나노섬유에 대해 제어된 권취장력으로 복수의 롤러 위와 아래를 번갈아 지그재그로 이송하면서 연속 경화시켜 제조한 다공성 지지체를 이용하여 연료전지용 강화복합막을 제조시 강화복합막의 일방향 치수 안정성을 향상시켜 전극과의 계면 접합 후에도 치수 변형이 작음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.On the other hand, in the present invention, when a reinforced composite membrane for a fuel cell is manufactured by using a porous support manufactured by continuously curing a random polyimide nanofiber by alternately zigzagging and transferring a plurality of rollers on and under a controlled winding tension, The dimensional stability is improved and dimensional deformation is small even after interfacial bonding with the electrode. Thus, the present invention has been completed.

즉, 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 강화복합막은 랜덤하게 배열된 고분자 나노섬유를 포함하고, 방향성이 있는 기계적 물성을 갖는 다공성 지지체; 및 상기 다공성 지지체의 기공 내에 충진된 이온 전도체를 포함한다.That is, the reinforced composite membrane for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a porous support having randomly arranged polymer nanofibers and having directional mechanical properties; And an ion conductor filled in the pores of the porous support.

상기 다공성 지지체는 강화복합막의 기계적 강도를 증진시키고 수분에 의한 부피팽창을 억제함으로써 치수안정성을 증진시키는 역할을 하는 것으로서, 다공성 지지체 형성용 고분자의 전구체를 포함하는 용액을 전기방사하여 제조한 고분자 전구체의 나노섬유를 1 내지 15N의 권취 장력의 인가하에 복수의 롤러 위와 아래를 번갈아 지그재그로 이송하면서 연속 경화시켜 제조할 수 있다.The porous support enhances dimensional stability by enhancing the mechanical strength of the reinforced composite membrane and suppressing the volume expansion due to moisture. The porous support is a polymer precursor prepared by electrospinning a solution containing a precursor of a polymer for forming a porous support The nanofibers can be manufactured by successively curing the nanofibers while alternately transferring the nanofibers on and under a plurality of rollers in a staggered manner under the application of a winding tension of 1 to 15N.

상기와 같은 제조방법에 의해 제조한 다공성 지지체는 랜덤하게 배열된 나노섬유를 포함하면서도 방향성이 있는 기계적 물성을 나타낸다. 상기 방향성이 있는 기계적 물성이란, 통상적으로 기계적 특성을 나타내는 인장강도 및 신도가 방향에 따라 달라짐을 의미한다.The porous support prepared by the above-described production method exhibits orientational mechanical properties including randomly arranged nanofibers. The directional mechanical properties generally mean that the tensile strength and elongation, which show mechanical properties, vary depending on the direction.

제조가 용이하고 전해질막의 변형에 따른 연료전지의 내구성 및 성능 저하를 방지하기 위해서는 연료전지용 강화복합막에 적용되는 다공성 지지체의 인장강도 및 신도가 일정한 방향에 대하여 최적비를 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 다공성 지지체는 하기 수학식 1로 정의되는 일방향과 상기 일방향에 대한 수직방향의 인장 강도비가 5 이하이다. It is preferable that the porous support to be applied to the reinforced composite membrane for fuel cells has an optimal ratio of tensile strength and elongation in a certain direction in order to facilitate manufacture and prevent durability and performance deterioration of the fuel cell due to deformation of the electrolyte membrane. Specifically, the porous support has a tensile strength ratio of 5 or less in one direction defined by the following equation (1) and in a direction perpendicular to the one direction.

Figure 112012021957999-pat00001
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다공성 지지체의 인장 강도의 비가 5를 초과하면 일방향과 수직방향에 대한 인장 강도의 편차가 커서 한쪽 방향으로 물성이 편중되어 절단되기 쉽다. 그 결과, 다공성 지지체를 이용하여 강화복합막의 제조시 이온전도체 담지 공정에 적용하기 어렵다. If the ratio of the tensile strength of the porous support is more than 5, the tensile strength in one direction and the vertical direction is large and the physical properties are biased in one direction, so that it is likely to be cut. As a result, it is difficult to apply the porous support to the ion conductor supporting process during the production of the reinforced composite membrane.

또한, 상기 다공성 지지체는 하기 수학식 2로 정의되는 일방향과 상기 일방향에 대한 수직방향의 신도비가 0.2 이상이다.In addition, the porous support has a one-directional orientation defined by the following formula (2) and a longitudinal orientation ratio of at least 0.2 in the one direction.

Figure 112012021957999-pat00002
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다공성 지지체의 신도의 비가 0.2 미만이면 상기 다공성 지지체를 이용한 강화복합막의 치수안정성을 보장하기 어렵다. 특히 한쪽 방향으로 치수 변형이 크게 발생하기 때문에 연료전지용 강화복합막의 성능 및 내구성이 저하된다.If the elongation ratio of the porous support is less than 0.2, it is difficult to ensure the dimensional stability of the reinforced composite membrane using the porous support. Particularly, since the dimensional deformation largely occurs in one direction, the performance and durability of the reinforced composite membrane for a fuel cell are lowered.

상기 다공성 지지체는 전기방사에 의해 제조된 나노섬유가 랜덤하게 배열된 나노섬유의 집합체, 즉, 나노섬유의 웹을 포함한다. 이때 상기 나노섬유는 나노섬유 웹의 다공도 및 두께를 고려하여, 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope, JSM6700F, JEOL)을 이용하여 50개의 섬유 직경을 측정하여 그 평균으로부터 계산했을 때, 40 내지 5,000㎚의 평균 직경을 갖는 것이 바람직하다. 만일 상기 나노 섬유의 평균 직경이 40㎚ 미만일 경우 강화복합막의 기계적 강도가 저하될 수 있고, 상기 나노섬유의 평균 직경이 5,000㎚를 초과할 경우 다공도가 현저히 떨어지고 두께가 두꺼워질 수 있다.  The porous support includes a collection of nanofibers, i.e., a web of nanofibers, in which the nanofibers produced by electrospinning are randomly arranged. In consideration of the porosity and thickness of the nanofiber web, the nanofiber was measured for 50 fiber diameters using a scanning electron microscope (JSM6700F, JEOL), and the fiber diameter was measured to be 40 to 5,000 nm It is preferable to have an average diameter. If the average diameter of the nanofibers is less than 40 nm, the mechanical strength of the reinforced composite membrane may deteriorate. If the average diameter of the nanofibers exceeds 5,000 nm, the porosity may be significantly decreased and the thickness may be increased.

상기 다공성 지지체는 상기와 같은 나노섬유로 이루어짐으로써, 50% 이상의 다공도를 가질 수 있다. 이와 같이 50% 이상의 다공도를 가짐에 따라, 상기 다공성 지지체의 비표면적이 커지기 때문에 이온 전도체의 함침이 용이하고, 그 결과로 우수한 이온 전도도를 나타낼 수 있다. 한편, 상기 다공성 지지체는 90% 이하의 다공도를 갖는 것이 바람직하다. 만일 상기 다공성 지지체의 다공도가 90%를 초과할 경우 형태 안정성이 저하됨으로써 후공정이 원활하게 진행되지 않을 수 있다. 상기 다공도는 하기 수학식 3에 따라 다공성 지지체 전체부피 대비 공기부피의 비율에 의하여 계산할 수 있다. 이때, 전체부피는 직사각형 형태의 샘플을 제조하여 가로, 세로, 두께를 측정하여 계산하고, 공기부피는 샘플의 질량을 측정 후 밀도로부터 역산한 고분자 부피를 전체부피에서 빼서 얻을 수 있다.The porous support is made of the nanofiber as described above, and thus can have a porosity of 50% or more. As the porous support has a porosity of 50% or more in this way, the porous support has a large specific surface area, so that impregnation of the ion conductor is easy, and as a result, excellent ion conductivity can be exhibited. On the other hand, the porous support preferably has a porosity of 90% or less. If the porosity of the porous support exceeds 90%, the morphology of the porous support may be deteriorated and the post-treatment may not proceed smoothly. The porosity can be calculated according to the ratio of the volume of air to the total volume of the porous support according to Equation (3). In this case, a rectangular volume sample is prepared and measured by measuring the width, length, and thickness, and the air volume can be obtained by subtracting the volume of the polymer inversely calculated from the density after measuring the mass of the sample from the total volume.

Figure 112012021957999-pat00003
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또한, 상기 다공성 지지체는 5 내지 50㎛의 평균 두께를 가질 수 있다. 상기 다공성 지지체의 두께가 5㎛ 미만이면 강화복합막의 기계적 강도 및 치수안정성이 현저히 떨어질 수 있고, 반면 두께가 50㎛를 초과하면 강화복합막으로의 적용시 저항손실이 증가하고, 경량화 및 집적화가 떨어질 수 있다. 보다 바람직한 다공성 지지체의 두께는 10 내지 30㎛의 범위이다.In addition, the porous support may have an average thickness of 5 to 50 탆. If the thickness of the porous support is less than 5 탆, the mechanical strength and dimensional stability of the reinforced composite membrane may be significantly deteriorated. On the other hand, when the thickness exceeds 50 탆, resistance loss increases when applied to a reinforced composite membrane, . The thickness of the porous support is more preferably in the range of 10 to 30 占 퐉.

상기와 같은 다공성 지지체는 통상의 유기용매에 불용성이어서 우수한 내화학성을 나타낼 뿐만 아니라 다공성 지지체의 기공 내 이온전도체 충진 공정을 용이하게 하도록 하며, 소수성을 가져 고습의 환경에서 수분에 의한 형태 변형 우려가 없는 탄화수소계 고분자를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 탄화수소계 고분자로는 나일론, 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리벤즈옥사졸(polybenzoxazole, PBO), 폴리벤즈이미다졸 (polybenzimidazole, PBI), 폴리아미드이미드(polyamideimide, PAI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephtalate), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 이들의 공중합체 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으며, 이중에서도 내열성, 내화학성, 및 형태안정성이 보다 우수한 폴리이미드 고분자가 바람직하다.The porous support is insoluble in conventional organic solvents and exhibits excellent chemical resistance and facilitates the ion conductive filling process in the pores of the porous support. In addition, the porous support has hydrophobicity and is free from the possibility of morphological change due to moisture in a high humidity environment It is preferable to include a hydrocarbon-based polymer. The hydrocarbon-based polymer may include nylon, polyimide (PI), polybenzoxazole (PBO), polybenzimidazole (PBI), polyamideimide (PAI), polyethyleneterephtalate ), Polyethylene (PE), polypropylene (PP), copolymers thereof and mixtures thereof. Among these, polyimide polymers having excellent heat resistance, chemical resistance, and shape stability are preferred .

상기 다공성 지지체가 폴리이미드를 포함하여 이루어지는 경우, 상기 다공성 지지체는 90% 이상의 이미드화율을 갖는 것이 바람직하다. 상기 이미드화율이란 폴리이미드의 전구체가 열처리와 같은 이미드화 공정을 통해 고리화 반응이 일어남으로써 이미드기로 변환되는 것으로, 하기 수학식 4에 따라 계산할 수 있다.When the porous support comprises polyimide, the porous support preferably has an imidization ratio of 90% or more. The imidization rate can be calculated according to the following equation (4) because the polyimide precursor is converted into an imide group by cyclization reaction through an imidization process such as heat treatment.

Figure 112012021957999-pat00004
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단, 상기 용매처리 전 나노섬유의 중량은 30℃의 온도로 설정된 진공오븐에서 24시간 이상 방치한 나노섬유를 이용하여 측정하고, 상기 용매처리 후 나노섬유의 중량은 상기 용매처리 전 나노섬유를 디메틸포름아미드 유기용매에 침지시켜 상온에서 24시간 동안 교반 후 증류수에서 5회 이상 세척한 다음 30 ℃의 온도로 설정된 진공오븐에서 24시간 방치 후 용매처리 후 얻어진 나노섬유 웹을 이용하여 측정한다.However, the weight of the nanofibers before the solvent treatment is measured using nanofibers left in a vacuum oven set at a temperature of 30 ° C for 24 hours or more, and the weight of the nanofibers after the solvent treatment is measured as dimethyl Formaldehyde organic solvent, stirred at room temperature for 24 hours, washed with distilled water more than 5 times, then left in a vacuum oven set at 30 ° C for 24 hours, and then measured using a nanofiber web obtained after solvent treatment.

만일, 이미드화율이 90% 미만일 경우, 유기용매에 의해 나노섬유가 손상될 수 있기 때문에 장시간 요구 물성을 유지하기가 어렵다. 따라서 상기와 같이 90% 이상의 용매처리 후 이미드화율을 갖는 폴리이미드 다공성 지지체는 연료전지의 구동 환경인 강산성 상태에서도 우수한 인장 강도를 유지할 수 있고 전해질에 대해 우수한 용해 저항성을 가지며, 그 결과로 다공성 지지체와 전극 사이의 계면이 분리되지 않기 때문에 우수한 이온 전도도를 장시간 유지할 수 있다. 또한 이와 같은 우수한 내산성을 갖는 폴리이미드 다공성 지지체는 강산성 환경에서 구동되는 연료전지의 전해질막에 사용할 경우 우수한 성능을 장시간 발현할 수 있기 때문에 신뢰성을 향상시킬 수 있다. If the imidization rate is less than 90%, it is difficult to maintain the required properties for a long time because the nanofibers may be damaged by the organic solvent. Accordingly, the polyimide porous support having an imidization ratio after 90% or more of solvent treatment can maintain excellent tensile strength even in a strong acidic environment, which is the driving environment of the fuel cell, and has excellent dissolution resistance to the electrolyte. As a result, And the interface between the electrode and the electrode are not separated, so that excellent ion conductivity can be maintained for a long time. In addition, the polyimide porous support having such excellent acid resistance can improve reliability when it is used in an electrolyte membrane of a fuel cell driven in a strongly acidic environment because it can exhibit excellent performance for a long time.

상기 다공성 지지체가 우수한 다공도 및 최적화된 직경을 갖는 나노섬유와 두께를 가지고, 제조가 용이하며, 습윤처리 후 우수한 인장 강도를 나타내기 위해서는 상기 다공성 지지체를 구성하는 고분자가 30,000 내지 500,000g/mol의 중량평균 분자량을 갖는 것이 바람직하다. 만일, 상기 다공성 지지체를 구성하는 고분자의 중량평균 분자량이 30,000g/mol 미만일 경우 다공성 지지체의 다공도 및 두께를 용이하게 제어할 수 있으나, 다공도 및 습윤처리 후 인장 강도가 저하될 수 있다. 반면, 상기 다공성 지지체를 구성하는 고분자의 중량평균 분자량이 500,000g/mol을 초과할 경우 내열성은 다소 향상될 수 있으나, 제조공정이 원활하게 진행되지 않고 다공도가 저하될 수 있다. In order for the porous support to have a thickness of nanofiber having excellent porosity and optimized diameter and to be easily manufactured and to exhibit excellent tensile strength after the wet treatment, the polymer constituting the porous support has a weight of 30,000 to 500,000 g / mol It is preferable to have an average molecular weight. If the weight average molecular weight of the polymer constituting the porous support is less than 30,000 g / mol, porosity and thickness of the porous support can be easily controlled, but tensile strength after porosity and wet treatment may be lowered. On the other hand, when the weight average molecular weight of the polymer constituting the porous support exceeds 500,000 g / mol, the heat resistance may be improved somewhat, but the production process may not proceed smoothly and the porosity may be lowered.

또한, 상기 다공성 지지체는 상술한 바와 같은 범위의 중량평균 분자량을 갖고 최적의 경화 조건에서 고분자 전구체가 고분자로 변환됨에 따라, 400℃ 이상, 바람직하게는 400 내지 800℃의 융점을 가질 수 있다. 만일, 상기 다공성 지지체의 융점이 400℃ 미만일 경우 내열성이 떨어짐에 따라 고온에서 쉽게 변형될 수 있고, 이에 따라 이를 이용하여 제조한 연료전지는 성능이 저하될 수 있다. 또한, 상기 다공성 지지체의 내열성이 떨어질 경우 이상 발열에 의해 형태가 변형되어 성능이 저하되고 심할 경우 파열되어 폭발하는 문제가 생길 수 있다. The porous support may have a melting point of 400 ° C or higher, preferably 400 ° C to 800 ° C, as the polymer precursor has a weight average molecular weight in the range as described above and the polymer precursor is converted into a polymer under optimal curing conditions. If the melting point of the porous support is less than 400 ° C, the heat resistance of the porous support may be lowered at a high temperature, and the performance of the fuel cell manufactured using the porous support may deteriorate. In addition, when the heat resistance of the porous support is lowered, the shape is deformed due to abnormal heat generation, thereby deteriorating the performance, and in the worst case, it may rupture and explode.

상기와 같은 다공성 지지체는 강화복합막 총 중량에 대하여 1 내지 50중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 다공성 지지체의 함량이 1중량% 미만이면 강화복합막의 기계적 강도 및 치수안정성이 저하될 우려가 있고, 상기 다공성 지지체의 함량이 50중량%를 초과하면 강화복합막의 수소이온 전도도가 저하될 우려가 있다. It is preferable that the porous support is contained in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the reinforced composite membrane. If the content of the porous support is less than 1 wt%, the mechanical strength and dimensional stability of the reinforced composite membrane may deteriorate. If the content of the porous support exceeds 50 wt%, the hydrogen ion conductivity of the reinforced composite membrane may decrease .

상기와 같은 다공성 지지체는 랜덤 배열된 나노섬유의 집합체를 포함하면서도 방향성이 있는 기계적 물성을 나타냄으로써, 연료전지용 강화복합막의 다공성 지지체로 사용시 강화복합막의 일방향 치수안정성을 개선시킬 수 있다.The porous support includes an aggregate of randomly arranged nanofibers and exhibits a directional mechanical property, thereby improving the one-dimensional stability of the reinforced composite membrane when used as a porous support of a reinforced composite membrane for a fuel cell.

본 발명에 따른 연료전지용 강화복합막은 또한 상기 다공성 지지체의 기공 내에 충진된 이온전도체를 포함한다.The reinforced composite membrane for a fuel cell according to the present invention also comprises an ion conductor filled in the pores of the porous support.

상기 이온전도체는 고분자 전해질막의 주기능인 수소이온 전도 기능을 수행하는 것으로서, 상기 이온전도체로는 수소이온 전도 기능이 우수하면서도 가격면에서 유리한 탄화수소계 고분자를 사용할 수 있다. 특히 전술한 바와 같이 상기 다공성 지지체의 기공 내에 이온전도체를 충진하는 충진 공정의 용이성을 고려할 때 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 고분자를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 고분자로는 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) 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 유기용매에 대해 "용해성"이란 상온에서 녹는 특성을 의미한다.The ion conductor performs a hydrogen ion conduction function, which is a main function of the polymer electrolyte membrane. The ion conductor can use a hydrocarbon polymer which is excellent in hydrogen ion conductivity and is advantageous in terms of price. Particularly, in consideration of the ease of filling the ion conductor in the pores of the porous support, as described above, it is preferable to use a hydrocarbon-based polymer that is soluble in an organic solvent. Examples of the hydrocarbon-based polymer soluble in the organic solvent include a sulfonated polyimide (S-PI), a sulfonated polyarylethersulfone (S-PAES), a sulfonated polyether ether ketone sulfonated polyetheretherketone (SPEEK), sulfonated polybenzimidazole (SPBI), sulfonated polysulfone (S-PSU), sulfonated polystyrene (S-PS) Sulfonated polyphosphazene, or a mixture thereof may be used, but the present invention is not limited thereto. Here, "solubility" with respect to an organic solvent means melting property at room temperature.

일반적으로, 연료전지 운전 중 온도 또는 습도 등의 작동 조건이 변경될 경우 이온전도체와 다공성 지지체 사이의 접착성이 저하될 수 있는데, 본 발명에서는 이온전도체와 다공성 지지체 모두 탄화수소계 고분자를 포함하여 구성되어 있기 때문에 양자 사이의 접착성이 우수하다. 구체적으로는 이온전도체로서 S-PI(sulfonated polyimide)을 이용하고 다공성 지지체로서 PI(Polyimide)를 이용하는 것과 같이 이온전도체에 포함된 탄화수소계 물질을 다공성 지지체에 포함된 탄화수소계 물질의 설폰화 물질로 형성할 경우 이온전도체와 다공성 지지체 사이의 접착성이 매우 우수하며, 그 결과로 수소와 산소의 분리능이 우수하고, 종래와 같은 고가의 나피온 수지 또는 테프론 수지 등을 이용하지 않고 상대적으로 저가인 탄화수소계 고분자물질을 이용하기때문에 대량생산시 가격경쟁면에서 우수하다.Generally, when operating conditions such as temperature or humidity during operation of the fuel cell are changed, the adhesion between the ion conductor and the porous support may be deteriorated. In the present invention, both the ion conductor and the porous support include a hydrocarbon-based polymer The adhesion between the two is excellent. Specifically, the hydrocarbon-based material contained in the ion conductor is formed into a sulfonated material of the hydrocarbon-based material contained in the porous support, such as S-PI (sulfonated polyimide) as the ionic conductor and PI , The adhesion between the ionic conductor and the porous support is very excellent, and as a result, the separation performance between hydrogen and oxygen is excellent, and a relatively inexpensive hydrocarbon-based resin such as Nafion resin or Teflon resin, Due to the use of polymer materials, it is superior in terms of price competition in mass production.

상기 이온전도체는 강화복합막 총 중량에 대하여 50 내지 99중량%로 포함될 수 있다. 상기 이온전도체의 함량이 50중량% 미만이면 강화복합막의 수소이온 전도도가 저하될 우려가 있고, 상기 이온전도체의 함량이 99중량%를 초과하면 강화복합막의 기계적 강도 및 치수안정성이 저하될 수 있다.The ionic conductor may be included in an amount of 50 to 99% by weight based on the total weight of the reinforced composite membrane. If the content of the ionic conductor is less than 50% by weight, the hydrogen ion conductivity of the reinforced composite membrane may be lowered. If the content of the ionic conductor exceeds 99% by weight, the mechanical strength and dimensional stability of the reinforced composite membrane may be deteriorated.

상기 이온전도체는 제조공정상 상기 다공성 지지체의 일 표면에 1㎛ 이상의 두께로 형성될 수도 있으나, 그 두께를 30㎛ 이하로 조절하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 이온전도체가 상기 다공성 지지체의 일 표면에 30㎛를 초과한 두께로 형성될 경우에는 강화복합막의 기계적 강도가 저하될 수 있고, 이는 강화복합막의 전체 두께 증가로 이어져 저항손실이 증가될 수 있다.The ion conductor may be formed to a thickness of 1 탆 or more on one surface of the porous support in the manufacturing process, but it is preferable to control the thickness to 30 탆 or less. If the ion conductor is formed on one surface of the porous support to a thickness exceeding 30 mu m, the mechanical strength of the reinforced composite membrane may be deteriorated, leading to an increase in the total thickness of the reinforced composite membrane, have.

이상과 같은 본 발명에 따른 강화복합막은 다공성 지지체의 기공 내에 이온전도체를 충진한 구조이기 때문에, 10MPa 이상의 우수한 기계적 강도를 나타낸다. 이와 같이 기계적 강도가 증진됨에 따라 강화복합막 전체의 두께를 전체 두께를 80㎛ 이하로 줄일 수 있으며, 그 결과로 재료비 절약과 더불어 수소이온 전도 속도가 증가되고 저항손실이 감소된다.The reinforced composite membrane according to the present invention has an excellent mechanical strength of 10 MPa or more because it has the structure in which the ion conductor is filled in the pores of the porous support. As the mechanical strength is increased, the total thickness of the reinforced composite membrane can be reduced to 80 탆 or less. As a result, the hydrogen ion conduction rate is increased and the resistance loss is reduced along with the material cost saving.

또한, 상기 강화복합막은 방향성이 있는 기계적 물성을 갖는 다공성 지지체를 포함함으로써, 가습조건 하, 구체적으로는 물에 팽윤시켰을 때 8% 이하, 바람직하게는 1% 이하의 우수한 치수안정성을 나타낸다. 상기 치수안정성은 강화복합막을 물에 팽윤시켰을 때 팽윤 전 후 길이 변화로부터 하기 수학식 5에 따라 평가되는 물성이다.Further, the reinforced composite membrane includes a porous support having directional mechanical properties, and thus exhibits excellent dimensional stability under humidifying conditions, specifically, less than 8%, preferably less than 1% when swollen in water. The dimensional stability is a physical property evaluated from the change in length before and after swelling when the reinforced composite membrane is swelled in water according to the following formula (5).

Figure 112012021957999-pat00005
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본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 다공성 지지체 형성용 고분자의 전구체를 포함하는 전구체 용액을 전기방사하여 고분자 전구체의 나노섬유를 제조하는 단계(단계 1), 상기 제조된 고분자 전구체의 나노섬유를 1 내지 15N의 권취 장력의 인가하에 복수의 롤러 위와 아래를 번갈아 지그재그로 이송하면서 연속 경화시켜 다공성 지지체를 제조하는 단계(단계 2), 및 상기 다공성 지지체의 기공내에 이온전도체를 충진하는 단계(단계 3)를 포함하는 연료전지용 강화복합막의 제조방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for preparing a polymer precursor nanofiber comprising the steps of: (1) preparing nanofibers of a polymer precursor by electrospinning a precursor solution containing a precursor of a polymer for forming a porous support, (Step 2) of successively curing while alternately staggering the upper and lower rollers under the application of a coiling tension of 15 N to 15 N to produce a porous support (step 2); and filling the ion conductor in the pores of the porous support (step 3) The present invention also provides a method for producing a reinforced composite membrane for a fuel cell.

이하 각 단계별로 살펴보면, 단계 1은 다공성 지지체 형성용 고분자의 전구체를 포함하는 전구체 용액을 전기방사하여 고분자 전구체의 나노섬유(이하 "나노섬유 전구체"라 함)를 제조한다.In step 1, a precursor solution containing a precursor of a polymer for forming a porous support is electrospun to produce a polymer precursor nanofiber (hereinafter referred to as "nanofiber precursor").

상기 다공성 지지체는 다공성 지지체 형성용 고분자로서 유기용매에 대해 불용성인 탄화수소계 고분자를 포함하기 때문에, 유기용매에 용해하지 않고 제조하거나 또는 유기 용매에 잘 녹는 다공성 지지체 형성용 고분자의 전구체를 이용하여 나노섬유 전구체를 형성한 후 소정의 반응을 통해 제조할 수 있다. 상기 다공성 지지체 형성용 고분자의 전구체로는 다공성 지지체 형성용 고분자의 종류에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있으며, 상기 다공성 지지체 형성용 고분자의 구체적인 종류는 앞서 설명한 바와 같다. Since the porous support includes a hydrocarbon-based polymer which is insoluble in an organic solvent as a polymer for forming a porous support, it can be prepared without dissolving in an organic solvent or by using a precursor of a polymer for forming a porous support, Followed by formation of a precursor, followed by a predetermined reaction. The precursor of the polymer for forming a porous support may be appropriately selected according to the type of the polymer for forming the porous support, and the specific types of the polymer for forming the porous support are as described above.

예를 들어, PI(Polyimide)로 이루어진 다공성 지지체는 폴리아믹산(polyamic acid: PAA)를 전기방사(electro-spinning)하여 PAA 나노섬유 전구체를 형성한 후, 후속의 경화공정에서의 이미드화 반응을 통해 제조할 수 있다.For example, a porous support made of polyimide (PI) is formed by electro-spinning polyamic acid (PAA) to form a PAA nanofiber precursor, followed by imidization in a subsequent curing process Can be manufactured.

상기 폴리아믹산은 통상의 제조방법에 따라 제조할 수 있으며, 구체적으로는 디아민(diamine)을 용매에 혼합하고 여기에 디언하이드라이드(dianhydride)를 첨가한 후 중합하여 제조할 수 있다. The polyamic acid may be prepared according to a conventional method. Specifically, the polyamic acid may be prepared by mixing a diamine in a solvent and adding dianhydride thereto followed by polymerization.

상기 디언하이드라이드로는 피로멜리트산 무수물(pyromellyrtic dianhydride, PMDA), 3,3',4,4'-벤조페논 테트라카르복실산 이무수물(3,3',4,4'-benzophenonetetracarboxylic dianhydride, BTDA), 4,4'-옥시디프탈산무수물(4,4'-oxydiphthalic anhydride, ODPA), 3,4,3',4'-비페닐테트라카르복실산 무수물(3,4,3',4'-biphenyltetracarboxylic dianhydride, BPDA), 및 비스(3,4-카르복시페닐디메틸실란 이무수물(bis(3,4-dicarboxyphenyl)dimethylsilane dianhydride, SiDA) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 화합물을 사용할 수 있다. 또한, 상기 디아민으로는 4,4'-옥시디아닐린(4,4'-oxydianiline, ODA), p-페닐렌 디아민(p-phenylene diamine, p-PDA), o-페닐렌 디아민(o-phenylene diamine, o-PDA) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 폴리아믹산을 용해시키는 용매로는 m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤, 디에틸아세테이트, 테트라하이드로퓨란(THF), 클로로포름, γ-부티로락톤 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 용매를 사용할 수 있다.Examples of the dianhydride include pyromellitic dianhydride (PMDA), 3,3 ', 4,4'-benzophenone tetracarboxylic dianhydride (3,3', 4,4'-benzophenonetetracarboxylic dianhydride, BTDA ), 4,4'-oxydiphthalic anhydride (ODPA), 3,4,3 ', 4'-biphenyltetracarboxylic acid anhydride (3,4,3', 4 ' -biphenyltetracarboxylic dianhydride (BPDA), bis (3,4-dicarboxyphenyl) dimethylsilane dianhydride (SiDA), and mixtures thereof. Examples of the diamine include 4,4'-oxydianiline (ODA), p-phenylene diamine (p-PDA), o-phenylene diamine diamine, o-PDA), and mixtures thereof. The solvent for dissolving the polyamic acid may include m-cresol, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethyl (DMF), dimethylacetamide (DMAc), dimethylsulfoxide (DMSO), acetone, diethyl acetate, tetrahydrofuran (THF), chloroform, gamma -butyrolactone and mixtures thereof A solvent may be used.

상기 다공성 지지체 형성용 고분자의 전구체를 포함하는 전구체 용액은 상기 다공성 지지체 형성용 고분자의 전구체를 NMP, DMF, DMAc, DMSO, THF 등의 통상의 유기용매에 용해시켜 제조할 수 있다. The precursor solution containing the precursor of the polymer for forming a porous support may be prepared by dissolving the precursor of the polymer for forming a porous support in a conventional organic solvent such as NMP, DMF, DMAc, DMSO, or THF.

이때 상기 다공성 지지체 형성용 고분자의 전구체는 전구체 용액 총 중량에 대하여 5 내지 20중량%의 농도로 포함되는 것이 바람직하다. 만일, 상기 전구체 용액의 농도가 5중량% 미만일 경우 방사가 원활하게 진행되지 않기 때문에 섬유 형성이 이루어지지 않거나 균일한 직경을 갖는 섬유를 제조할 수 없고, 반면 상기 전구체 용액의 농도가 20중량%를 초과할 경우 토출 압력이 급격히 증가함에 따라 방사가 이루어지지 않거나 공정성이 저하될 수 있다.At this time, the precursor of the polymer for forming a porous support is preferably contained in a concentration of 5 to 20% by weight based on the total weight of the precursor solution. If the concentration of the precursor solution is less than 5% by weight, the spinning does not proceed smoothly. Therefore, fibers having no fiber formation or having a uniform diameter can not be produced, whereas when the concentration of the precursor solution is 20% The discharge pressure may increase suddenly, which may result in inefficiency or poor performance.

이어서, 상기 제조된 전구체 용액을 통상의 전기방사 장치를 이용하여 방사하여 나노섬유 전구체를 제조한다.Then, the prepared precursor solution is spun using a conventional electrospinning apparatus to prepare a nanofiber precursor.

상세하게는, 방사용액이 보관된 용액 탱크에서 정량 펌프를 이용하여 방사부로 상기 전구체 용액을 일정량으로 공급하고, 상기 방사부의 노즐을 통해 상기 전구체 용액을 토출한 후 비산과 동시에 응고된 나노섬유 전구체를 형성하고, 추가적으로 이러한 응고된 나노섬유 전구체를 이형 필름(releasing film)을 갖는 콜렉터(collector)에서 집속시켜 섬유 집합체를 제조할 수 있다. Specifically, the precursor solution is supplied in a predetermined amount to a radiation part using a metering pump in a solution tank storing a spinning solution, the precursor solution is discharged through a nozzle of the spinning part, and a nanofiber precursor , And additionally, such a solidified nanofiber precursor can be focused on a collector having a releasing film to produce a fiber aggregate.

이때, 고전압 발생부에 의해 인가된 상기 방사부와 컬렉터 사이의 전기장의 세기는 850 내지 3,500V/㎝인 것이 바람직하다. 만일, 상기 전기장의 세기가 850 V/㎝ 미만일 경우 연속적으로 전구체 용액이 토출되지 않기 때문에 균일한 두께의 나노섬유를 제조하기 어렵고, 또한 방사된 후 형성된 나노섬유가 컬렉터에 원활하게 집속될 수 없기 때문에 섬유 집합체의 제조가 곤란할 수 있다. 반면, 상기 전기장의 세기가 3,500V/㎝를 초과할 경우 나노섬유가 컬렉터에 정확하게 안착되지 않기 때문에 정상적인 형태를 갖는 섬유 집합체가 얻어질 수 없다.At this time, the intensity of the electric field between the radiation part and the collector applied by the high voltage generating part is preferably 850 to 3,500 V / cm. If the electric field intensity is less than 850 V / cm, since the precursor solution is not continuously discharged, it is difficult to produce nanofibers of uniform thickness, and since the nanofibers formed after spinning can not be smoothly focused on the collector It may be difficult to produce a fibrous aggregate. On the other hand, if the electric field intensity exceeds 3,500 V / cm, the nanofibers can not be accurately placed on the collector, so that a fiber aggregate having a normal shape can not be obtained.

상기 방사공정을 통해 균일한 섬유 직경, 바람직하게는 0.01 내지 5㎛의 평균 직경을 갖는 나노섬유 전구체가 제조되며, 상기 나노섬유 전구체는 랜덤하게 배열되어 섬유 집합체, 즉 웹을 형성하게 된다.Through the spinning process, a nanofiber precursor having a uniform fiber diameter, preferably an average diameter of 0.01 to 5 탆, is prepared, and the nanofiber precursor is randomly arranged to form a fibrous aggregate, i.e., a web.

단계 2에서는 상기 나노섬유 전구체를 1 내지 15N의 권취 장력의 인가 하에 복수의 롤러 위와 아래를 번갈아 지그재그로 이송하면서 연속 경화시킨다.In step 2, the nanofiber precursor is successively cured while alternately moving on and under a plurality of rollers in a zigzag manner under the application of a winding tension of 1 to 15 N.

본 발명의 제조방법에서는 전기방사를 통한 다공성 지지체 형성을 위해 고분자의 전구체를 사용하기 때문에, 상기 전구체의 다공성 지지체 형성용 고분자로의 전환을 위해서는 상기 나노섬유 전구체에 대한 추가의 공정으로서 경화공정을 실시한다. 예를 들어, 상기 전기방사를 통해 제조된 나노섬유 또는 섬유 집합체가 폴리이미드 전구체로 이루어진 경우, 경화공정 동안의 이미드화를 통해 폴리이미드로 변환 된다. Since the precursor of the polymer is used for forming the porous support by electrospinning in the production method of the present invention, in order to convert the precursor into the polymer for forming the porous support, a curing process is performed as an additional process for the nanofiber precursor do. For example, when nanofibers or fibrous assemblies produced by the electrospinning are made of polyimide precursors, they are converted to polyimides through imidization during the curing process.

이에 따라, 상기 경화공정시 온도는 고분자 전구체의 고분자로의 변환율을 고려하여 적절히 조절하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 80 내지 650℃에서의 경화공정이 수행되는 것이 바람직하다. 경화시 온도가 80℃ 미만인 경우 고분자 변환율이 낮아지고, 그 결과로 다공성 지지체의 내열성 및 내화학성이 저하될 우려가 있으며, 경화 온도가 650℃를 초과하는 경우에는 고분자 분해로 인하여 다공성 지지체의 물성이 저하될 우려가 있다.Accordingly, it is preferable that the temperature during the curing process is appropriately controlled in consideration of the conversion ratio of the polymer precursor to the polymer. Concretely, it is preferable that the curing process is carried out at 80 to 650 ° C. When the curing temperature is lower than 80 ° C, the polymer conversion rate is lowered. As a result, the heat resistance and chemical resistance of the porous support may deteriorate. When the curing temperature exceeds 650 ° C, the physical properties of the porous support There is a risk of degradation.

도 1은 본 발명에 따른 다공성 지지체의 제조시 연속 지그재그 경화 공정 실시를 위한 장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.1 is a schematic view schematically showing an apparatus for carrying out a continuous zig-zag hardening process in the production of a porous support according to the present invention.

도 1을 참조하여 상세히 설명하면, 전기방사를 통해 제조된 나노섬유 전구체 또는 그 섬유 집합체(12)를 지그재그 이송이 가능하도록 복수의 롤(11)이 위 아래로 설치된 경화장치(10)에 위치시킨 후 제어된 권취장력으로 복수의 롤러 위와 아래를 번갈아 지그재그로 이송한다.1, a nanofiber precursor or fiber aggregate 12 produced by electrospinning is placed in a curing apparatus 10 having a plurality of rolls 11 installed up and down so as to enable zigzag transfer And then the upper and lower rollers are alternately and zigzagly transported with a later-controlled winding tension.

이때 상기 권취 장력은 1 내지 15N인 것이 바람직하다. 권취 장력이 1N 미만인 경우 경화로 내부에서 나노섬유 전구체가 이송되지 못할 우려가 있어 바람직하지 않고, 15N 을 초과하는 경우에는 나노섬유 전구체 또는 그 섬유 집합체의 형태가 변형되어 균일한 두께를 얻기 어렵고 또한 응집력이 저하됨에 따라 인장강력이 떨어질 우려가 있어 바람직하지 않다.At this time, the winding tension is preferably 1 to 15N. If the coiling tension is less than 1N, the nanofiber precursor may not be transferred in the coin furnace, and if it is more than 15N, the nanofiber precursor or the fibrous aggregate is deformed to make it difficult to obtain a uniform thickness, Is lowered, tensile strength may be lowered.

이와 같이 나노섬유 전구체 또는 그 섬유 집합체를 최적화된 권취 장력으로 지그재그 이송함으로써, 다공성 지지체를 구성하는 나노섬유가 랜덤한 배열의 섬유상임에도 불구하고 다공성 지지체는 방향성이 있는 기계적 물성을 나타내게 된다. 그 결과, 다공성 지지체에 이온전도체를 복합화한 연료전지용 강화복합막으로 사용시 강화복합막의 일방향 치수 안정성을 현저히 개선시킬 수 있다. By thus transferring the nanofiber precursor or the fibrous aggregate thereof in a zigzag manner with an optimum winding tension, the porous support exhibits a directional mechanical property in spite of the fact that the nanofibers constituting the porous support are fibrous in a random arrangement. As a result, it is possible to remarkably improve the unidirectional dimensional stability of the reinforced composite membrane when used as a reinforced composite membrane for a fuel cell in which an ion conductor is complexed with a porous support.

단계 3에서는 상기 제조된 다공성 지지체의 기공내에 이온전도체를 충진한다.In step 3, the ion conductor is filled in the pores of the prepared porous support.

상기 이온전도체의 충진 방법은 이온전도체를 용매중에 용해시겨 제조한 이온전도체 용액에 상기 다공성 지지체를 담지하는 방법을 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 스프레이 공정, 스크린 프린팅 공정, 닥터 블레이드 공정 등 당업계에 공지된 다양한 방법을 이용할 수 있다. 상기 담지 공정을 이용할 경우에는 상온에서 5 내지 30분 동안 2 내지 5회 담지 공정을 수행하는 것이 바람직하다.The ion conductor may be filled by a method in which the porous support is supported on an ion conductor solution prepared by dissolving an ion conductor in a solvent, but the present invention is not limited thereto, and a spray process, a screen printing process, a doctor blade process, Various methods known in the art can be used. When the above-mentioned supporting step is used, it is preferable to carry out the supporting step for 2 to 5 times at room temperature for 5 to 30 minutes.

상기 이온 전도체 용액은 이온전도체를 유기 용매중에 용해시켜 제조할 수 있다. 이때 상기 유기용매로는 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidinone; NMP), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide; DMF), 또는 디메틸 아세트아마이드(dimethyl acetamide; DMA)를 이용할 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다. The ion conductor solution can be prepared by dissolving an ion conductor in an organic solvent. The organic solvent may be N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), dimethylformamide (DMF), or dimethyl acetamide (DMA) , But it is not necessarily limited thereto.

상기 이온전도체로는 앞서 설명한 것과 동일한 것으로 사용할 수 있다.The ion conductor may be the same as that described above.

상기 이온전도체는 상기 이온전도체 용액 중에 5 내지 40중량%로 포함될 수 있다. 상기 이온전도체가 5중량% 미만으로 포함될 경우는 이온전도체가 다공성 지지체의 기공 내에 충분히 충진되고 않고 빈 공간을 형성할 수 있고, 상기 이온전도체가 40중량%를 초과할 경우는 이온전도체 용액의 점도가 너무 높아 다공성 지지체의 기공 내로 충진되지 못할 수 있다.The ion conductor may be contained in the ion conductor solution in an amount of 5 to 40% by weight. When the ionic conductor is contained in an amount of less than 5% by weight, the ionic conductor may not be sufficiently filled in the pores of the porous support to form an empty space. When the ionic conductor is more than 40% by weight, It may be too high to fill the pores of the porous support.

상기 이온전도체 용액을 충진한 후에는 이온전도체 용액 내의 유기용매를 제거하여, 다공성 지지체의 기공 내에 이온전도체가 채워지도록 한다. 따라서 본 발명에 따른 강화복합막의 제조방법은 이온전도체의 충진 후 유기용매를 제거하는 공정을 더 포함할 수 있으며, 상기 유기용매 제거 공정은 60 내지 150℃의 진공오븐에서 2 내지 15시간 동안 건조하는 공정으로 이루어질 수 있다.After the ion conductor solution is filled, the organic solvent in the ion conductor solution is removed so that the ion conductor is filled in the pores of the porous support. Therefore, the method of preparing the reinforced composite membrane according to the present invention may further include a step of removing the organic solvent after filling the ion conductor, and the organic solvent removing step may be performed in a vacuum oven at 60 to 150 ° C. for 2 to 15 hours Process.

상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 강화복합막은 일방향 치수 안정성이 우수하여 연료전지용 막-전극 어셈블리에서의 고분자 전해질 막으로서 사용시 전극과의 계면 접촉이 안정적이고, 연료전지 운전 조건에서 형태 변형이 적어서 연료전지의 성능과 내구성을 개선시킬 수 있다.The reinforced composite membrane produced by the above-described production method is excellent in one-dimensional dimensional stability, so that the polymer electrolyte membrane in the membrane-electrode assembly for a fuel cell is stable in interfacial contact with the electrode when used, The performance and durability of the battery can be improved.

이에 따라, 본 발명의 다른 일 구현예에 따르면 고분자 전해질 막으로서 상기 강화복합막을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a membrane-electrode assembly and a fuel cell for a fuel cell including the reinforced composite membrane as a polymer electrolyte membrane.

구체적으로, 상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막으로서 상기 강화복합막을 포함한다.Specifically, the membrane-electrode assembly includes the reinforced composite membrane as the polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode, and between the anode and the cathode.

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 막-전극 어셈블리(100)는 고분자 전해질 막(50) 및 상기 고분자 전해질 막(50)의 양면에 각각 배치되는 상기 연료 전지용 전극(20, 20')을 포함한다. 상기 전극은 전극기재(40, 40')와 상기 전극기재 표면에 형성된 촉매층(30, 30')을 포함하며, 상기 전극 기재(40, 40')와 촉매층(30, 30') 사이에 전극 기재에서의 물질 확산을 용이하게 하기 위해 탄소분말, 카본 블랙 등의 도전성 미세 입자를 포함하는 미세기공층(미도시)을 더 포함할 수도 있다.2 is a schematic cross-sectional view of a membrane-electrode assembly in accordance with an embodiment of the present invention. 2, the membrane-electrode assembly 100 according to an embodiment of the present invention includes a polymer electrolyte membrane 50 and the fuel cell electrode 20 (see FIG. 2) disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane 50 , 20 '). The electrode includes an electrode substrate 40, 40 'and a catalyst layer 30, 30' formed on the surface of the electrode substrate. The electrode substrate 40, 40 'and the catalyst layer 30, 30' (Not shown) containing conductive fine particles, such as carbon powder, carbon black, etc., to facilitate the diffusion of the materials in the substrate.

상기 막-전극 어셈블리(100)에 있어서, 고분자 전해질막(50)의 일면에 배치되어 전극기재(40)를 지나 촉매층(30)으로 전달된 연료로부터 수소이온과 전자를 생성시키는 산화반응을 일으키는 전극(20)을 애노드 전극(또는 캐소드 전극)이라 하고, 고분자 전해질막(50)의 다른 일면에 배치되어 상기 고분자 전해질 막(50)을 통해 공급받은 수소이온과 전극기재(40')를 지나 촉매층(30')으로 전달된 산화제로부터 물을 생성시키는 환원반응을 일으키는 전극(20')을 캐소드 전극(또는 애노드 전극)이라 한다. The membrane-electrode assembly 100 includes a polymer electrolyte membrane 50 disposed on one surface of the membrane electrode assembly 40 and having an electrode substrate 40 and an electrode (Or cathode) electrode 20 is disposed on the other surface of the polymer electrolyte membrane 50 and passes through the polymer electrolyte membrane 50 and the electrode substrate 40 ' The electrode 20 'that causes a reduction reaction to generate water from the oxidant transferred to the cathode 30' is referred to as a cathode electrode (or an anode electrode).

상기 애노드 및 캐소드 전극(20, 20')의 촉매층(30, 30')은 촉매를 포함한다. 상기 촉매로는 전지의 반응에 참여하여, 통상 연료전지의 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 구체적으로는 백금계 촉매를 사용할 수 있으며, 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W 및 Rh으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다.  구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. 이러한 촉매는 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카블랙, 케첸블랙, 아세틸렌 블랙, 카본나노튜브, 카본나노파이버, 카본나노와이어, 카본나노볼, 또는 활성탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 또는 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있다.The catalyst layers 30 and 30 'of the anode and cathode electrodes 20 and 20' include a catalyst. Any of the catalysts which can participate in the reaction of the battery and can be used as a catalyst of a fuel cell can be used. Specific examples of the platinum-based catalyst include platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V At least one transition metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W and Rh) may be used. Specific examples thereof include Pt, Pt / Ru, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Mo, Pt / Pd, Pt / Fe, Pt / Cr, Pt / / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni and Pt / Ru / Sn / W. Such a catalyst may be used as the catalyst itself (black) or may be supported on a carrier. The carrier may be a carbonaceous material such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs, or activated carbon, or may be alumina, silica, zirconia, Or an inorganic fine particle such as titania may be used.

또한, 상기 촉매층(30, 30')은 촉매층과 고분자 전해질 막과의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다. 상기 바인더 수지로는 강화복합막의 제조시 사용된 이온 전도체와 동일한 것을 사용할 수 있다.The catalyst layers 30 and 30 'may further include a binder resin for improving adhesion between the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane and for transferring hydrogen ions. The binder resin may be the same as the ionic conductor used in the production of the reinforced composite membrane.

상기 전극기재(40, 40')로는 수소 또는 산소의 원활한 공급이 이루어질 수 있도록 다공성의 도전성 기재가 사용될 수 있다. 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.  또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.  상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.A porous conductive base material may be used as the electrode base material 40 or 40 'so that hydrogen or oxygen can be supplied smoothly. As a typical example thereof, a metal film is formed on the surface of a cloth formed of a porous film or polymer fiber composed of carbon paper, carbon cloth, carbon felt or metal cloth ) May be used, but the present invention is not limited thereto. It is preferable that the electrode substrate is subjected to water repellency treatment with a fluorine-based resin because it is possible to prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered due to water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxyvinyl ether, fluorinated ethylene propylene ( Fluorinated ethylene propylene), polychlorotrifluoroethylene, or copolymers thereof.

상기 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막으로서 상기 강화복합막을 사용하는 것을 제외하고는 통상의 연료전지용 막-전극 어셈블리 제조방법에 따라 제조할 수 있다. The membrane-electrode assembly may be manufactured according to a conventional method for manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, except that the reinforced composite membrane is used as the polymer electrolyte membrane.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 연료전지는 상기 강화복합막을 고분자 전해질 막으로서 포함하는 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지를 제공한다.A fuel cell according to another embodiment of the present invention provides a fuel cell including a membrane-electrode assembly including the reinforced composite membrane as a polymer electrolyte membrane.

구체적으로, 상기 연료전지는 연료의 산화 반응 및 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하며, 상기 전기 발생부는 상기 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터를 포함한다. 본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 사용할 수 있으며, 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.Specifically, the fuel cell includes at least one electricity generating unit for generating electricity through an oxidation reaction of the fuel and a reduction reaction of the oxidant; A fuel supply unit for supplying fuel to the electricity generation unit; And an oxidizing agent supply unit for supplying an oxidizing agent such as oxygen or air to the electricity generating unit, wherein the electricity generating unit includes a separator for supplying fuel and an oxidant to both the membrane electrode assembly and the membrane electrode assembly. In the present invention, hydrogen or hydrocarbon fuel in a gaseous or liquid state can be used as the fuel. Representative examples of the hydrocarbon fuel include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

상기 연료전지에 있어서, 본 발명의 일 구현예에 따른 막-전극 어셈블리가 사용되는 것을 제외하고는 상기 전기 발생부를 구성하는 세퍼레이터, 연료 공급부 및 산화제 공급부는 통상의 연료전지에서 사용되는 것이므로, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.Since the separator, the fuel supply unit and the oxidant supply unit constituting the electricity generating unit in the fuel cell are used in a conventional fuel cell, except that the membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention is used, Detailed description thereof will be omitted.

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 carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

실시예Example 1 One

폴리아믹산(polyamic acid)을 디메틸포름아마이드 용액에 용해시켜 13중량%에 480poise의 방사용액 5L를 제조하였다. 제조된 방사용액을 용액 탱크에 이송한 후, 이를 정량 기어펌프를 통해 노즐이 20개로 구성되고 고전압이 46kV로 인가된 방사챔버로 공급하여 방사하여 나노섬유 전구체를 제조하였다. 이때 용액 공급량은 1.5ml/min이었다. Polyamic acid was dissolved in a dimethylformamide solution to prepare 5 liters of spinning solution of 480 poise at 13 wt%. The prepared spinning solution was transferred to a solution tank, which was supplied through a metering gear pump to a spinning chamber having 20 nozzles and a high voltage of 46 kV to spin the nanofibers precursor. At this time, the supply amount of the solution was 1.5 ml / min.

이어서, 상기 나노섬유 전구체를 도 1에 나타난 바와 같은 경화장치를 이용하여 420℃의 온도로 유지된 연속 경화로에 6분 동안 복수의 롤러 위와 아래를 번갈아 지그재그로 이송하면서 열경화를 실시하여 폴리이미드 나노섬유로 구성된 다공성 지지체를 제조하였다. 이때 권취 장력은 10N이었다.Next, the nanofiber precursor was transferred to a continuous curing furnace maintained at a temperature of 420 DEG C by a curing apparatus as shown in Fig. 1 for 6 minutes alternately in a zigzag manner on a plurality of rollers, A porous support composed of nanofibers was prepared. At this time, the winding tension was 10N.

제조된 다공성 지지체를 술폰화된 폴리아릴에테르술폰(sulfonated polyarylethersulfone, S-PAES)이 5중량%로 용해된 이온전도체 용액 중에 2회에 걸쳐 30분동안 함침시킨 후, 감압 하에서 1시간 동안 방치하고, 80℃의 진공에서 10시간 동안 건조하여 강화복합막을 제조하였다. 이때 폴리이미드 나노섬유의 단위면적당 중량은 6.8gsm이고, 술폰화된 폴리아릴에테르술폰의 중량은 65mg/cm2이었다. The prepared porous support was immersed in ion-conductive solution dissolved in 5% by weight of sulfonated polyarylethersulfone (S-PAES) twice for 30 minutes, then left under reduced pressure for 1 hour, And dried at 80 DEG C for 10 hours to prepare a reinforced composite membrane. At this time, the weight per unit area of the polyimide nanofiber was 6.8 gsm, and the weight of the sulfonated polyaryl ether sulfone was 65 mg / cm 2 .

상기 제조된 강화복합막에 데칼법을 이용하여 전극층을 형성하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다. 이때 상기 전극의 촉매층은 Pt/탄소 촉매를 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 이형 필름에 도포한 후 건조하여 촉매층을 형성하고, 촉매층이 코팅된 이형필름을 강화복합막 양면에 촉매층과 강화복합막이 대면하도록 위치시킨 후 5kg/cm2의 압력 및 100℃의 온도로 핫프레싱을 실시하여 강화복합막 양면에 촉매층을 전사시켰다. 이어 촉매층이 접합된 강화복합막의 양면에 기체확산층(gas fiddusion layer. GDL)을 체결하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다. 이때 촉매의 로딩량은 0.5mg/cm2이었다.
An electrode layer was formed on the prepared composite membrane using the decal method to prepare a membrane-electrode assembly. At this time, the catalyst layer of the electrode is formed by applying a composition for forming a catalyst layer containing Pt / carbon catalyst to a release film and then drying the catalyst layer to form a catalyst layer. The catalyst layer and the reinforced composite membrane face each other on both surfaces of the release film coated with the catalyst layer And hot pressing was performed at a pressure of 5 kg / cm < 2 > and a temperature of 100 DEG C to transfer the catalyst layer to both sides of the reinforced composite membrane. Next, a gas diffusion layer (GDL) was bonded to both sides of the reinforced composite membrane to which the catalyst layer was bonded to prepare a membrane - electrode assembly. At this time, the loading amount of the catalyst was 0.5 mg / cm 2 .

실시예Example 2 2

나노섬유 전구체에 대한 경화시 권취 장력을 1N으로 하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 실시하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1, except that the coiling tension for the nanofiber precursor was 1N.

실시예Example 3 3

나노섬유 전구체에 대한 경화시 권취 장력을 15N으로 하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 실시하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1, except that the coiling tension for the nanofiber precursor was 15 N.

비교예Comparative Example 1 One

나노섬유 전구체에 대한 경화시 복수의 롤러 위로만 이송하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1 에서와 동일한 방법으로 실시하여 폴리이미드 다공성 지지체를 제조하였다.
A polyimide porous support was prepared in the same manner as in Example 1 except that the nanofibers were transferred only onto a plurality of rollers during curing of the nanofiber precursor.

비교예Comparative Example 2 2

다공성 지지체를 사용하지 않고 이온 전도체로 단일막을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다. 제조된 단일막의 두께는 30㎛ 였다.
A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1, except that a single membrane was prepared from an ion conductor without using a porous support. The thickness of the prepared single film was 30 탆.

시험예Test Example 1: 다공성 지지체 평가 1: Evaluation of porous support

상기 실시예 1에서 제조된 다공성 지지체의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 각각 관찰하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.The surface of the porous support prepared in Example 1 was observed with a scanning electron microscope (SEM). The results are shown in Fig.

도 3에 나타난 바와 같이, 다공성 지지체 내에 나노수준의 직경을 갖는 나노섬유들이 랜덤하게 배열되어 있음을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 3, it can be confirmed that the nanofibers having a nano-level diameter are randomly arranged in the porous support.

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 다공성 지지체의 평균두께, 두께 편차 및 다공도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The average thickness, thickness variation and porosity of the porous support prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were measured, and the results are shown in Table 1 below.

상기 다공성 지지체의 평균두께는 30×50cm2의 샘플을 두께측정기(디지매틱 인디케이터 547-401, MITUTOYO사)를 이용하여 1 cm간격으로 측정한 후 그 평균값을 계산하였다.The average thickness of the porous support was measured at intervals of 1 cm using a thickness measuring device (Digimatic Indicator 547-401, MITUTOYO Co.) at a sample of 30 × 50 cm 2 , and the average value thereof was calculated.

평균두께
(㎛)
Average thickness
(탆)
두께편차
(㎛)
Thickness deviation
(탆)
다공도
(%)
Porosity
(%)
실시예1Example 1 2222 ±1± 1 7878 실시예 2Example 2 2323 ±1± 1 8080 실시예 3Example 3 2222 ±1± 1 7575 비교예 1Comparative Example 1 3030 ±7± 7 NDND

상기 표 1에서 "ND"는 지지체 자체의 큰 부피변화로 인해 다공도 신뢰성이 떨어지기 때문에 다공도를 측정하지 않았음을 의미한다. In Table 1, "ND" means that porosity is not measured because porosity reliability is lowered due to a large volume change of the support itself.

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 나노섬유 전구체를 복수 롤러 위와 아래로 번갈아 지그재그 이송을 하여 제조된 실시예 1 내지 3의 다공성 지지체는 두께 편차가 ±1로 거의 균일한 두께를 나타낸 반면, 나노섬유 전구체를 복수의 롤러 위로만 이송하여 제조한 비교예 1의 다공성 지지체의 경우 경화공정에서 나노섬유가 수축하여 발생한 주름으로 인해 두께 편차가 크고, 겉보기 평균 두께가 증가하여 이후 강화복합막 및 이를 포함한 막-전극 어셈블리의 제조가 어려웠다. As shown in Table 1, the porous supports of Examples 1 to 3 produced by alternately feeding the nanofiber precursors on and under a plurality of rollers in a zigzag manner exhibited almost uniform thickness with a thickness deviation of +/- 1, while the nanofiber precursor In the case of the porous support of Comparative Example 1 manufactured by transferring only a plurality of rollers over a plurality of rollers, the thickness variation was large due to the wrinkles caused by the shrinkage of the nanofibers in the curing process and the apparent average thickness was increased, It was difficult to manufacture the electrode assembly.

상기 실시예 1 내지 3 에서 제조된 다공성 지지체에 대하여 ASTM 638 에 따라 샘플을 Universal Test Machine(Instron 4303, Instron사)을 이용하여 인장강도(X방향/Y방향) 및 신도(X방향/Y방향)를 측정하였으며, 측정시 조건은 다음과 같다.(X direction / Y direction) and elongation (X direction / Y direction) of the porous support prepared in Examples 1 to 3 according to ASTM 638 using a Universal Test Machine (Instron 4303, Instron) The conditions for measurement were as follows.

측정 속도 : 25 ㎝/minMeasurement speed: 25 cm / min

그립 간격 : 6.35 ㎝Grip interval: 6.35 cm

온도 및 습도 : 25℃×50% Temperature and humidity: 25 ° C × 50%

측정 결과를 하기 표 2, 및 도 4, 도 5에 나타내었다.The measurement results are shown in Table 2 below, and Figs. 4 and 5.

도 4는 실시예 1 내지 3에서 제조된 다공성 지지체의 인장강도 및 인장강도비를 관찰한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 5는 신도 및 신도비를 관찰한 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing the results of observing the tensile strength and the tensile strength ratio of the porous support prepared in Examples 1 to 3, and FIG. 5 is a graph showing the results of observation of elongation and reinforcement ratio.

인장
강도비
Seal
Intensity ratio
인장강도
(MPa)
The tensile strength
(MPa)
신도비Shinobi 신도(%)Shinto (%)
XX YY XX YY 실시예 1Example 1 2.32.3 3737 1616 0.40.4 4.44.4 11.011.0 실시예 2Example 2 1.61.6 2323 1414 0.40.4 6.16.1 13.913.9 실시예 3Example 3 4.04.0 4040 1010 0.20.2 3.23.2 15.015.0

상기 표 2 및 도 4, 5에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1내지 3의 다공성 지지체는 인장강도비는 5 이하, 신도비는 0.2 이상을 나타내었다.
As shown in Table 2 and FIGS. 4 and 5, the porous supports of Examples 1 to 3 according to the present invention had a tensile strength ratio of 5 or less and a new aspect ratio of 0.2 or more.

시험예Test Example 2:  2: 강화복합막Reinforced composite membrane 평가 evaluation

상기 실시예 1에서 제조된 강화복합막의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 각각 관찰하였다. 그 결과를 도 6에 나타내었다.The sections of the reinforced composite membrane prepared in Example 1 were observed with a scanning electron microscope (SEM). The results are shown in Fig.

도 6에 나타난 바와 같이, 다공성 지지체의 기공내에 이온전도체가 치밀하게 충진되어 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, it can be seen that the ion conductor is densely packed in the pores of the porous support.

또한, 본 발명에 따른 강화복합막의 치수안정성 개선 효과를 평가하기 위하여, 상기 실시예 1 내지 3에서 제조된 강화복합막에 대해 하기와 같은 방법으로 치수 안정성을 평가하였다. 그 결과를 표 3에 나타내었다.In order to evaluate the dimensional stability improvement effect of the reinforced composite membrane according to the present invention, the reinforced composite membrane prepared in Examples 1 to 3 was evaluated for dimensional stability by the following method. The results are shown in Table 3.

상세하게는 연료전지의 일반적인 운전 환경인 80℃의 온도 및 90%의 상대습도가 유지된 항온 항습기에 30cm×50cm로 절단된 강화복합막을 넣어 4시간 동안 방치후 변화된 막의 X, Y축 길이를 측정하여 구한 값과, 상기 가습처리 전에 측정한 값을 하기 수학식 6에 적용하여 측정하였다.Specifically, a reinforced composite membrane cut into 30 cm × 50 cm was placed in a thermo-hygrostat maintained at a temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 90%, which is a general operating environment of the fuel cell, and left for 4 hours. And the value measured before the humidification treatment were applied to the following expression (6).

Figure 112012021957999-pat00006
Figure 112012021957999-pat00006

상기 수학식 6에서, La는 가습처리 후 강화복합막의 길이이고, Lb는 가습처리 전 강화복합막의 길이를 의미한다.In Equation (6), La is the length of the reinforced composite membrane after the humidifying treatment, and Lb is the length of the reinforced composite membrane before the humidifying treatment.

치수안정성
(%)
Dimensional stability
(%)
팽윤 치수
(cm)
Swelling dimension
(cm)
XX YY XX YY 실시예 1Example 1 0.20.2 4.54.5 50.1250.12 31.3531.35 실시예 2Example 2 0.30.3 5.25.2 50.1550.15 31.5731.57 실시예 3Example 3 0.20.2 6.96.9 50.1150.11 32.0732.07

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 다공성 지지체를 이용하여 제조한 강화복합막은 일방향에 대한 치수변화가 작아서 우수한 치수안전성을 나타내었다.
As shown in Table 3, the reinforced composite membranes prepared using the porous supports of Examples 1 to 3 exhibited excellent dimensional stability due to small dimensional change with respect to one direction.

시험예Test Example 3: 막- 3: Just- 전극어셈블리Electrode assembly 평가 evaluation

본 발명에 따른 막-전극 어셈블리의 내구성을 평가하기 위해 하기와 같은 방법으로 실험 후 막-전극 어셈블리내 강화복합막과 전극 사이의 계면 분리 여부를 관찰하였다. 그 결과를 표 4에 나타내었다.In order to evaluate the durability of the membrane-electrode assembly according to the present invention, the following experiments were conducted to observe whether the interface between the reinforced composite membrane and the electrode in the membrane-electrode assembly was separated. The results are shown in Table 4.

50℃ 진공오븐에서 2시간 건조 후 상온의 초순수에서 2시간 동안 침지하는 것을 1사이클로 하여, 3, 5, 10 및 15 사이클 실시 후, 강화복합막과 전극 사이의 계면 분리를 육안으로 확인하였다. After the cells were dried in a vacuum oven at 50 캜 for 2 hours and immersed in ultra-pure water at room temperature for 2 hours, one cycle was performed. After 3, 5, 10 and 15 cycles, the interface separation between the reinforced composite membrane and the electrodes was visually confirmed.

내구성durability 3 사이클3 cycles 5 사이클5 cycles 10 사이클10 cycles 15 사이클15 cycles 실시예1Example 1 OO OO OO OO 실시예 2Example 2 OO OO OO XX 실시예 3Example 3 OO OO OO OO 비교예 2Comparative Example 2 XX -- -- --

상기 표 4에 나타난 바와 같이 실시예 1 내지 3의 막-전극 어셈블리는 10 사이클 이상에서도 강화복합막과 전극 사이 계면에서 분리가 일어나지 않았으나, 이온전도체 단일막으로 구성된 고분자 전해질막을 포함하는 비교예 2의 막 전극 어셈블리는 3사이클째에 계면 분리가 발생하였다.As shown in Table 4, in the membrane-electrode assemblies of Examples 1 to 3, separation did not occur at the interface between the reinforced composite membrane and the electrode even for 10 cycles or more. However, in Comparative Example 2 containing the polymer electrolyte membrane composed of the ion conductor single membrane Interfacial separation occurred in the third cycle of the membrane electrode assembly.

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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, Of the right.

10 경화장치
11 롤
12 고분자 전구체의 나노섬유
100 막-전극 어셈블리
20, 20' 전극
30, 30' 촉매층
40, 40' 전극기재
50 고분자 전해질 막
10 Curing device
11 Roll
12 Nanofibers of polymer precursors
100 membrane-electrode assembly
20, 20 'electrode
30, 30 '
40, 40 'electrode substrate
50 Polymer electrolyte membrane

Claims (19)

랜덤하게 배열된 고분자 나노섬유를 포함하고, 방향성이 있는 기계적 물성을 갖는 다공성 지지체; 및
상기 다공성 지지체의 기공 내에 충진되는 이온 전도체를 포함하며,
상기 다공성 지지체는 다공성 지지체 형성용 고분자의 전구체를 포함하는 전구체 용액을 전기방사하여 제조한 고분자 전구체의 나노섬유를 1 내지 15N의 권취 장력의 인가하에 복수의 롤러 위와 아래를 번갈아 지그재그로 이송하면서 연속 경화시켜 제조되는 강화복합막이며,
상기 강화복합막은 물에 팽윤시켰을 때 일방향의 치수안정성이 0 내지 8%인 것인 연료전지용 강화복합막.
A porous support comprising randomly arranged polymeric nanofibers and having directional mechanical properties; And
And an ion conductor filled in the pores of the porous support,
The porous support is prepared by electrospinning a precursor solution containing a precursor of a polymer for forming a porous support, and transferring nanofibers of the polymer precursor in a zigzag manner alternately on and under a plurality of rollers under the application of a winding tension of 1 to 15 N, A reinforced composite membrane produced by the above method,
Wherein the reinforced composite membrane has a one-dimensional dimensional stability of 0 to 8% when swollen in water.
제1항에 있어서,
상기 기계적 물성이 인장강도, 신도 또는 둘 모두인 것인 연료전지용 강화복합막.
The method according to claim 1,
Wherein the mechanical properties are tensile strength, elongation, or both.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지체는 일방향과 상기 일방향에 대한 수직방향의 인장 강도비가 1.6 내지 5인 연료전지용 강화복합막.
The method according to claim 1,
Wherein the porous support has a tensile strength ratio of 1.6 to 5 in one direction and a direction perpendicular to the one direction.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지체는 일방향과 상기 일방향에 대한 수직방향의 신도비가 0.2 내지 0.4인 연료전지용 강화복합막.
The method according to claim 1,
Wherein the porous support has a one-way orientation and a new orientation ratio of 0.2 to 0.4 in a direction perpendicular to the one direction.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지체는 유기용매에 불용성인 탄화수소계 고분자를 포함하는 것인 연료전지용 강화복합막.
The method according to claim 1,
Wherein the porous support comprises a hydrocarbon-based polymer insoluble in an organic solvent.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지체는 폴리이미드를 포함하는 것인 연료전지용 강화복합막.
The method according to claim 1,
Wherein the porous support comprises polyimide.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지체는 50 내지 90%의 다공도를 갖는 것인 연료전지용 강화복합막.
The method according to claim 1,
Wherein the porous support has a porosity of 50 to 90%.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지체는 5 내지 50㎛의 평균 두께를 갖는 것인 연료전지용 강화복합막.
The method according to claim 1,
Wherein the porous support has an average thickness of 5 to 50 占 퐉.
제1항에 있어서,
상기 이온전도체는 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 고분자인 것인 연료전지용 강화복합막.
The method according to claim 1,
Wherein the ionic conductor is a hydrocarbon-based polymer that is soluble in an organic solvent.
제1항에 있어서,
상기 이온전도체는 술폰화된 폴리이미드, 술폰화된 폴리아릴에테르술폰, 술폰화된 폴리에테르에테르케톤, 술폰화된 폴리벤즈이미다졸, 술폰화된 폴리술폰, 술폰화된 폴리스티렌, 술폰화된 폴리포스파젠 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 강화복합막.
The method according to claim 1,
The ionic conductor may be selected from the group consisting of sulfonated polyimide, sulfonated polyaryl ether sulfone, sulfonated polyether ether ketone, sulfonated polybenzimidazole, sulfonated polysulfone, sulfonated polystyrene, sulfonated polyphosphate Zirconium oxide, zirconium oxide, zirconium oxide, zirconium oxide, zirconium oxide, zirconium oxide, zirconium oxide, zirconium oxide, zirconium oxide, zirconia,
제1항에 있어서,
상기 이온전도체는 강화복합막 총 중량에 대하여 50 내지 99중량%로 포함되는 것인 연료전지용 강화복합막.
The method according to claim 1,
Wherein the ionic conductor is contained in an amount of 50 to 99 wt% based on the total weight of the reinforced composite membrane.
삭제delete 다공성 지지체 형성용 고분자의 전구체를 포함하는 전구체 용액을 전기방사하여 고분자 전구체의 나노섬유를 제조하는 단계,
상기 제조된 고분자 전구체의 나노섬유를 1 내지 15N의 권취 장력의 인가하에 복수의 롤러 위와 아래를 번갈아 지그재그로 이송하면서 연속 경화시켜 다공성 지지체를 제조하는 단계, 및
상기 다공성 지지체의 기공내에 이온전도체를 충진하는 단계
를 포함하는 강화복합막의 제조방법이며,
상기 강화복합막은 물에 팽윤시켰을 때 일방향의 치수안정성이 0 내지 8%인 연료전지용 강화복합막의 제조방법
Preparing a polymer precursor nanofiber by electrospinning a precursor solution containing a precursor of a polymer for forming a porous support,
Continuously curing the prepared nanofibers of the polymer precursor while alternately zigzag and transferring on and under a plurality of rollers under the application of a winding tension of 1 to 15 N to prepare a porous support; and
Filling the pores of the porous support with an ion conductor
≪ RTI ID = 0.0 > 1, < / RTI &
The reinforced composite membrane has a dimensional stability of 0 to 8% in one direction when swollen in water Method for manufacturing reinforced composite membrane for fuel cells
제13항에 있어서,
상기 다공성 지지체 형성용 고분자는 유기용매에 불용성인 탄화수소계 고분자인 것인 연료전지용 강화복합막의 제조방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the polymer for forming a porous support is a hydrocarbon-based polymer insoluble in an organic solvent.
제13항에 있어서,
상기 전구체 용액은 전구체 용액 총 중량에 대하여 5 내지 20중량%의 함량으로 다공성 지지체 형성용 고분자의 전구체를 포함하는 것인 연료전지용 강화복합막의 제조방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the precursor solution comprises a precursor of a polymer for forming a porous support in an amount of 5 to 20% by weight based on the total weight of the precursor solution.
제13항에 있어서,
상기 전기 방사 공정은 850 내지 3,500V/㎝의 전기장을 인가하여 실시되는 것인 연료전지용 강화복합막의 제조방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the electrospinning process is performed by applying an electric field of 850 to 3,500 V / cm.
제13항에 있어서,
상기 경화 공정은 80 내지 650℃에서 실시되는 것인 연료전지용 강화복합막의 제조방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the curing step is carried out at 80 to < RTI ID = 0.0 > 650 C. < / RTI >
서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극; 및
상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며,
상기 고분자 전해질 막은 제1항에 따른 강화복합막인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
An anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other; And
And a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode,
The membrane-electrode assembly for a fuel cell according to claim 1, wherein the polymer electrolyte membrane is the reinforced composite membrane according to claim 1.
제18항에 따른 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 18.
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