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KR20200097670A - Composite polymer electrolyte membrane for fuel cell coated with nanohole graphene sheet, and method of manufacturing the same - Google Patents

Composite polymer electrolyte membrane for fuel cell coated with nanohole graphene sheet, and method of manufacturing the same Download PDF

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KR20200097670A
KR20200097670A KR1020200099799A KR20200099799A KR20200097670A KR 20200097670 A KR20200097670 A KR 20200097670A KR 1020200099799 A KR1020200099799 A KR 1020200099799A KR 20200099799 A KR20200099799 A KR 20200099799A KR 20200097670 A KR20200097670 A KR 20200097670A
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장종현
김형준
한종희
박혜성
이정현
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한국과학기술연구원
울산과학기술원
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Abstract

Disclosed is a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell, comprising a porous fluorine-based polymer support; and a nanohole graphene sheet. The disclosed composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell is capable of showing very excellent durability and performance.

Description

나노홀 그래핀 시트가 코팅된 연료전지용 복합 고분자 전해질막 및 그 제조 방법 {COMPOSITE POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL CELL COATED WITH NANOHOLE GRAPHENE SHEET, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}Composite polymer electrolyte membrane for fuel cell coated with nano-hole graphene sheet and its manufacturing method {COMPOSITE POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL CELL COATED WITH NANOHOLE GRAPHENE SHEET, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 나노홀 그래핀 시트가 코팅된 연료전지용 복합 고분자 전해질막 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 나노홀 그래핀 시트가 코팅된, 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)용 복합 고분자 전해질막 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell coated with a nano-hole graphene sheet and a method of manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a composite polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) coated with a nano-hole graphene sheet and a method of manufacturing the same.

고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 차세대 에너지원으로 각광받고 있는 연료전지의 한 종류로서, 수소 이온 교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지이다. 이러한 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 초기 성능 향상 및 장기 성능 확보를 위해, 전기 절연성뿐 아니라 높은 수소 이온 전도성, 낮은 전자 전도성 및 기체 투과성, 높은 기계적 강도 및 치수 안정성 등의 특성을 갖는 고분자 전해질막을 포함할 것이 요구된다.Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) is a type of fuel cell that is in the spotlight as a next-generation energy source, and is a fuel cell that uses a polymer membrane having hydrogen ion exchange characteristics as an electrolyte. Such a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) includes a polymer electrolyte membrane having characteristics such as high hydrogen ion conductivity, low electronic conductivity and gas permeability, high mechanical strength and dimensional stability, as well as electrical insulation in order to improve initial performance and secure long-term performance. Is required to do.

하지만, 높은 기계적 강도 구현을 위한 고분자 전해질막의 두께 증가는 해당 막의 저항 또한 증가시키므로 이는 결과적으로 해당 막의 낮은 이온 전도도를 야기할 수 있다. 즉, 높은 이온 전도도를 갖도록 박막화 되면서도 높은 내구성을 갖는 고분자 전해질막을 구현하는 것이 상당히 어려울 수 있다. However, increasing the thickness of the polymer electrolyte membrane for realization of high mechanical strength also increases the resistance of the membrane, which may result in low ionic conductivity of the membrane. That is, it may be quite difficult to implement a polymer electrolyte membrane having high durability while being thinned to have high ionic conductivity.

또한, 연료전지 구동 시 해당 고분자 전해질막의 친수성 도메인 내에 상당량의 물이 흡수될 수 있으므로, 이에 따라 고분자 전해질막의 이온 전도도, 기계적 강도 및 가스 배리어 특성이 크게 저하될 수 있고, 수화되면서 발생하는 길이 팽창으로 인해 치수 안정성 또한 크게 낮아질 수 있다. 그러므로 연료전지 구동 시 가수분해, 산화-환원 반응 등의 전기화학적 스트레스로 인해 쉽게 분해되지 않으면서도 우수한 물성들을 유지하는 고분자 전해질막에 대한 관심이 고조되고 있다. In addition, since a significant amount of water may be absorbed in the hydrophilic domain of the polymer electrolyte membrane when the fuel cell is driven, the ionic conductivity, mechanical strength, and gas barrier properties of the polymer electrolyte membrane may be greatly reduced. Due to this, the dimensional stability can also be significantly lowered. Therefore, interest in polymer electrolyte membranes that maintain excellent physical properties without being easily decomposed due to electrochemical stress such as hydrolysis and oxidation-reduction reactions during fuel cell operation is increasing.

한편, 우수한 성능으로 인해 듀폰 社의 나피온 단일막과 같은 과불소계 고분자 전해질막이 현재 상용화되어 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 우수한 내화학성, 내산화성 및 이온 전도성에도 불구하고 단가가 높고 기계적 및 형태적 안정성이 낮기 때문에, 전술한 바와 같은 우수한 특성들을 가지면서도 경제적인 새로운 고분자 전해질막에 대한 요구가 점차 증가하고 있는 실정이다. On the other hand, due to its excellent performance, a perfluorine-based polymer electrolyte membrane such as a single Nafion membrane of DuPont has been commercialized and used most widely. However, in spite of excellent chemical resistance, oxidation resistance, and ion conductivity, the unit cost is high and mechanical and morphological stability are low.Therefore, the demand for new polymer electrolyte membranes having excellent properties as described above and economical is gradually increasing. .

미국 등록 특허 제8,552,075호U.S. Patent No. 8,552,075 한국 공개 특허 제10-2016-0035565호Korean Patent Publication No. 10-2016-0035565 한국 공개 특허 제10-2012-0134164호Korean Patent Publication No. 10-2012-0134164

본 발명의 목적은 나노홀 그래핀 시트를 포함하여, 두께 대비 내구성 및 성능이 우수하고, 상기 나노홀을 통한 물의 투과가 가능하여 다양한 가습 조건에서도 연료전지의 안정적인 구동이 가능하게 하는, 연료전지용 복합 고분자 전해질막 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is a composite for a fuel cell, including a nano-hole graphene sheet, which has excellent durability and performance compared to its thickness, and allows water to permeate through the nano-holes to enable stable driving of a fuel cell under various humidification conditions. It is to provide a polymer electrolyte membrane and a method of manufacturing the same.

본 발명의 예시적인 구현예에서는 다공성 불소계 고분자 지지체; 및 나노홀 그래핀 시트(nanohole graphene sheet);를 포함하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막을 제공한다. In an exemplary embodiment of the present invention, a porous fluorine-based polymer support; And it provides a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising a; and nano-hole graphene sheet (nanohole graphene sheet).

본 발명의 예시적인 구현예에서는 전술한 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조방법에 있어서, 다공성 불소계 고분자 지지체에 과불소계 술폰화 고분자 용액을 함침시켜, 상기 다공성 불소계 고분자 지지체의 기공 내부를 과불소계 술폰화 고분자로 충진하고 외부 표면에 과불소계 술폰화 고분자 막을 형성하는 단계; 및 상기 외부 표면에 과불소계 술폰화 고분자 막이 형성된 다공성 불소계 고분자 지지체 상에 나노홀 그래핀 시트를 코팅하는 단계;를 포함하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조 방법을 제공한다. In an exemplary embodiment of the present invention, in the method for manufacturing a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell described above, the porous fluorine-based polymer support is impregnated with a perfluorine-based sulfonated polymer solution, so that the inside of the pores of the porous fluorine-based polymer support is filled with a perfluorine-based sulfonated polymer. Filling with and forming a perfluorinated sulfonated polymer film on the outer surface; And coating a nano-hole graphene sheet on a porous fluorine-based polymer support having a perfluorine-based sulfonated polymer film formed on the outer surface thereof. It provides a method for producing a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising.

본 발명의 예시적인 구현예에서는 전술한 연료전지용 복합 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체를 제공한다. An exemplary embodiment of the present invention provides a membrane electrode assembly including the above-described composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell.

본 발명의 예시적인 구현예에서는 전술한 막 전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다. An exemplary embodiment of the present invention provides a fuel cell including the membrane electrode assembly described above.

본 발명에 따른 연료전지용 복합 고분자 전해질막은 다공성 불소계 고분자 지지체와 나노홀을 가진 그래핀 시트를 포함함으로써 두께 대비 매우 우수한 내구성 및 성능을 나타낼 수 있다. The composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention includes a porous fluorine-based polymer support and a graphene sheet having nanoholes, thereby exhibiting very excellent durability and performance compared to the thickness.

구체적으로, 상기 연료전지용 복합 고분자 전해질막은 그래핀 시트를 포함하기 때문에 기체 투과를 감소시켜 막의 내구성을 향상시킬 수 있고, 필러의 응집 또는 변성이 거의 없어 전해질막의 성능 저하를 막을 수 있는 막의 제조가 가능하다. 즉, 막 내부에 적용된 기능성 필러가 일으키는 막의 갈라짐으로 인한 성능 및 내구성저하를 방지할 수 있다.Specifically, since the composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell contains a graphene sheet, it is possible to improve the durability of the membrane by reducing gas permeation, and it is possible to manufacture a membrane that can prevent degradation of the electrolyte membrane due to little aggregation or denaturation of fillers. Do. That is, it is possible to prevent degradation of performance and durability due to cracking of the film caused by the functional filler applied inside the film.

특히, 본 발명자들은 그래핀의 특성상 저가습에서만 적용 가능했던 기존의 연구들과 달리, 그래핀 시트 내의 나노홀을 통해 물 이동을 가능하게 하여, 다양한 가습조건에서 안정적인 구동을 이룰 수 있게 하였다.In particular, the present inventors have made it possible to move water through nanoholes in the graphene sheet, unlike previous studies that were applicable only at low humidity due to the characteristics of graphene, thereby achieving stable driving under various humidification conditions.

그러므로 이와 같은 연료전지용 복합 고분자 전해질막을 통해 우수한 성능을 갖는 막 전극 접합체, 및 이를 포함하는 연료전지를 용이하게 구현할 수 있다. Therefore, it is possible to easily implement a membrane electrode assembly having excellent performance and a fuel cell including the same through such a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell.

도 1는 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조방법을 나타낸 그림이다.
도 2a 내지 2e는 본 발명의 예시적인 일 구현예에 따른 복합 고분자 전해질막에 포함되는, 단일층 나노홀 그래핀 시트를 SiO2 표면에 전사하거나, 나노홀 생성 전의 그래핀 시트를 SiO2 표면에 전사하여, 그 표면을 도시한 OM, SEM, AFM 이미지 및 그래핀 레이어의 수 및 결정성을 나타내는 Raman, TEM, SAED pattern이다.
구체적으로, 도 2a은 실시예에서 나노홀을 형성하기 전의 그래핀을 SiO2 상 전사하여 측정한 그래핀 시트 상면의 OM, 도 2b는 실시예에서 나노홀을 형성하기 전의 그래핀을 SiO2 상 전사하여 측정한 그래핀 시트 상면의 SEM, 도 2c는 실시예에서 나노홀을 형성하기 전의 그래핀을 SiO2 상 전사하여 측정한 그래핀 시트 상면의 AFM 분석 결과를 도시한 것이다. 도 2d는 실시예에서 나노홀을 형성하기 전의 그래핀을 SiO2 상 전사하여 측정한 그래핀 시트 상면의 의 라만 분석 결과를 도시한 것이고, 도 2e는 상기 나노홀 생성 전후의 그래핀의 TEM, SAED pattern을 도시한 것이다.
도 3는 본 발명의 나노홀 그래핀 시트의 물투과 특성을 도시한 그래프이다.
도 4는 상용막에 다양한 그래핀을 코팅한 뒤, 수소, 질소, 산소에 대한 단일층 그래핀, 이중층 그래핀, 및 단일층 나노홀 그래핀의 각각의 기체 차단 특성을 도시한 그래프이다.
도 5a 내지 5c은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 연료전지용 복합 고분자 전해질막을 포함하는 단전지(single cell), 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 순수 고분자 전해질막을 포함하는 단전지들의 높은 가습 조건에서의 성능을 비교 도시한 그래프이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 연료전지용 복합 고분자 전해질막을 포함하는 단전지(single cell), 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 순수 고분자 전해질막을 포함하는 단전지들의 낮은 가습조건에서의 성능 및 저항을 비교 도시한 그래프이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 연료전지용 복합 고분자 전해질막을 포함하는 단전지(single cell), 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 순수 고분자 전해질막을 포함하는 단전지들의 가속열화테스트에 따른 개로 전압 감쇠(Open circuit voltage(ODV) decay) 및 불소 이온 방출량을 비교 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 연료전지용 복합 고분자 전해질막을 포함하는 단전지(single cell), 및 비교예 3에 따라 제조된 순수 고분자 전해질막을 포함하는 단전지의 가속열화테스트 후의 성능 변화를 비교 도시한 그래프이다.
도 9a 및 9b은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막을 포함하는 단전지(single cell), 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 순수 고분자 전해질막을 포함하는 단전지들의 가속열화테스트 후의 막의 단면을 도시한 SEM사진이다.
도 10a는 다공성 불소계 고분자 지지체를 나타내는 것이고, 도 10b는 이오노머가 함침된 다공성 불소계 고분자 지지체를 나타낸 것이며, 도 10c는 이오노머가 함침된 다공성 불소계 고분자 한쪽 면에 나노홀 그래핀이 코팅된 복합 고분자 전해질막을 나타낸 그림이다.
1 is a diagram showing a method of manufacturing a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2A to 2E show transfer of a single layer nanohole graphene sheet included in the composite polymer electrolyte membrane according to an exemplary embodiment of the present invention to the SiO 2 surface, or transfer the graphene sheet prior to nanohole generation to the SiO 2 surface. It is a Raman, TEM, and SAED pattern showing the number and crystallinity of the OM, SEM, AFM images and graphene layers showing the transfer and the surface thereof.
Specifically, Figure 2a is the OM of the upper surface of the graphene sheet measured by transferring the graphene before forming the nanoholes onto SiO 2 in the embodiment, and Figure 2b is the graphene before forming the nanoholes in the embodiment SiO 2 phase SEM of the upper surface of the graphene sheet measured by transferring, FIG. 2C shows the AFM analysis result of the upper surface of the graphene sheet measured by transferring graphene onto SiO 2 before forming nanoholes in the Example. Figure 2d shows the Raman analysis results of the upper surface of the graphene sheet measured by transferring graphene before forming the nanoholes onto SiO 2 in the Example, and Figure 2e is a TEM of graphene before and after the nanohole formation, It shows the SAED pattern.
3 is a graph showing the water permeation characteristics of the nano-hole graphene sheet of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing gas barrier properties of a single layer graphene, a double layer graphene, and a single layer nanohole graphene for hydrogen, nitrogen, and oxygen after coating various graphene on a commercial film.
5A to 5C are high humidification of single cells including a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention, and a single cell including a pure polymer electrolyte membrane manufactured according to Comparative Examples 1 to 3 It is a graph showing the comparison of performance under conditions.
6A and 6B show low humidification of single cells including a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention, and a single cell including a pure polymer electrolyte membrane manufactured according to Comparative Examples 1 to 3 It is a graph comparing performance and resistance under conditions.
7A and 7B show accelerated deterioration of single cells including a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention, and a single cell including a pure polymer electrolyte membrane manufactured according to Comparative Examples 1 to 3 It shows a comparison of the open circuit voltage (ODV) decay and the amount of fluorine ion emission according to the test.
8 is a performance change after an accelerated aging test of a single cell including a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention, and a single cell including a pure polymer electrolyte membrane manufactured according to Comparative Example 3 It is a graph showing a comparison.
9A and 9B are after an accelerated aging test of a single cell including a composite polymer electrolyte membrane manufactured according to an embodiment of the present invention, and a single cell including a pure polymer electrolyte membrane manufactured according to Comparative Examples 1 to 2. It is an SEM photograph showing the cross section of the film.
Figure 10a shows a porous fluorine-based polymer support, Figure 10b shows a porous fluorine-based polymer support impregnated with an ionomer, and Figure 10c is a composite polymer electrolyte membrane coated with nano-hole graphene on one side of a porous fluorine-based polymer impregnated with an ionomer. This is the picture shown.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. The embodiments of the present invention disclosed in the text are exemplified for purposes of explanation only, and the embodiments of the present invention may be implemented in various forms and should not be construed as being limited to the embodiments described in the text. .

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. The present invention is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, as various changes can be added and various forms may be added, and all changes, equivalents or substitutes included in the spirit and scope of the present invention It should be understood to include.

본 명세서에서 "그래핀(graphene)"은 흑연 단일층으로서 탄소 원자들 간의 sp2 결합이 육각형 결정 격자가 반복되는 형태로 이루어진 것을 의미하고, "그래핀 시트(graphene sheet)"는 두께가 매우 얇은 단일 평판 시트로서 2차원 탄소 소재를 의미하며, 상기 그래핀 시트는 단층 또는 복층으로 적층될 수 있다. In the present specification, "graphene" is a single layer of graphite, meaning that sp 2 bonds between carbon atoms are formed in a form in which a hexagonal crystal lattice is repeated, and "graphene sheet" is a very thin layer. As a single flat sheet, it means a two-dimensional carbon material, and the graphene sheet may be laminated in a single layer or a multiple layer.

본 명세서에서 "나노홀 그래핀 시트(nanohole graphene sheet)"는 수 나노미터의 크기를 가지는 기공인 "나노홀(nanohole)"을 포함하는 그래핀 시트를 의미한다.In the present specification, "nanohole graphene sheet" refers to a graphene sheet including "nanoholes" which are pores having a size of several nanometers.

본 명세서에서 "복합화된다", 또는 "복합화가 일어난다"는 것은, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 전해질인 과불소계 술폰화 고분자 전해질(이오노머)가 다공성 불소계 고분자 지지체에 물리적 및/또는 화학적으로 결합됨으로써 보다 유효한 기능을 갖도록 조합되는 것을 의미한다. In the present specification, "complexing" or "complexing occurs" means that the perfluorine-based sulfonated polymer electrolyte (ionomer), which is a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity, is physically and/or chemically bonded to the porous fluorine-based polymer support. It means to be combined to have a function.

본 명세서에서 "수소 크로스오버(H2 crossover)"란, 애노드(anode) 전극에서 반응하지 못한 수소가 고분자 전해질막을 통과하여 캐소드(cathode) 전극으로 넘어가면서 생기는 수소 투과 현상을 의미한다. 이러한 수소 크로스오버 현상, 즉 애노드 전극에서 캐소드 전극으로의 바람직하지 않은 기체 확산은 과불소계 전해질막 열화의 주요 원인으로 알려져 있으며, 일반적으로 해당 전해질막의 두께가 얇을수록 또는 고분자 전해질이 지지체 내부에 함침이 완전히 안 되어 있을수록 쉽게 발생할 수 있다. In the present specification, "hydrogen crossover (H 2 crossover)" refers to a hydrogen permeation phenomenon that occurs when hydrogen that has not reacted in the anode electrode passes through the polymer electrolyte membrane and passes to the cathode electrode. This hydrogen crossover phenomenon, that is, undesirable gas diffusion from the anode electrode to the cathode electrode, is known to be a major cause of the deterioration of the perfluorine-based electrolyte membrane. In general, the thinner the electrolyte membrane or the polymer electrolyte is impregnated into the support. It can happen more easily if not completely.

연료전지용 복합 고분자 전해질막Composite polymer electrolyte membrane for fuel cell

본 발명의 복합 고분자 전해질막은 연료전지용 전해질막으로서, 구체적으로 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)의 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)를 구성할 수 있는 전해질막이다. The composite polymer electrolyte membrane of the present invention is an electrolyte membrane for a fuel cell, and specifically, is an electrolyte membrane capable of constructing a membrane electrode assembly (MEA) of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC).

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 다공성 불소계 고분자 지지체; 및 나노홀 그래핀 시트(nanohole graphene sheet);를 포함하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막을 제공한다. 본 발명의 연료전지용 복합 고분자 전해질막은 그래핀 시트를 포함함으로써, 기체 투과를 감소시켜 막의 내구성을 향상시킬 수 있고, 막 내부에 적용된 기능성 필러가 일으키는 막의 갈라짐으로 인한 성능 및 내구성 저하를 방지할 수 있다.In exemplary embodiments of the present invention, a porous fluorine-based polymer support; And it provides a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising a; and nano-hole graphene sheet (nanohole graphene sheet). Since the composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention includes a graphene sheet, it is possible to improve the durability of the membrane by reducing gas permeation, and to prevent degradation of performance and durability due to the cracking of the membrane caused by the functional filler applied inside the membrane. .

특히, 그래핀의 특성상 저가습에서만 적용 가능했던 기존의 연구들과는 다르게, 그래핀 시트에 나노홀을 포함함으로써 물 투과가 가능하여, 전지 구동시 생성된 물의 배출이 용이하므로, 다양한 가습 조건에서 안정적인 구동을 이룰 수 있다. In particular, unlike previous studies that were applicable only at low humidity due to the characteristics of graphene, the graphene sheet includes nanoholes to allow water permeation, so that the water generated during battery operation is easy to be discharged, so stable operation under various humidification conditions Can be achieved.

상기 다공성 불소계 고분자 지지체는 내부에 다수의 기공을 갖는 불소계 고분자 지지체로서, 탄소-불소간의 강한 결합력과 불소 원자의 특징인 가림 효과로 인하여 화학적으로 안정하고, 기계적 특성 및 수소 이온 전도성이 모두 우수하다The porous fluorine-based polymer support is a fluorine-based polymer support having a large number of pores therein, and is chemically stable due to a strong bonding force between carbon and fluorine and a masking effect characteristic of fluorine atoms, and has excellent mechanical properties and hydrogen ion conductivity.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 다공성 불소계 고분자 지지체의 기공 내부를 채우며 외부 표면을 커버하는 과불소계 술폰화 고분자 수지 막;을 더 포함할 수 있고, 상기 과불소계 술폰화 고분자 수지막을 더 포함하는 경우, 상기 다공성 불소계 고분자 지지체는 내부에 실질적으로 보이드를 갖지 않을 수 있다. In exemplary embodiments, a perfluorine-based sulfonated polymer resin film filling the inside of the pores of the porous fluorine-based polymer support and covering the outer surface thereof; and further comprising the perfluorine-based sulfonated polymer resin film , The porous fluorine-based polymer support may have substantially no voids therein.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 나노홀 그래핀 시트(nanohole graphene sheet)는 단일층일 수 있다. 상기 나노홀을 단일층으로 구성하는 경우, 두께가 얇으면서도, 물 투과도가 향상되어 다양한 가습 조건에서도 연료전지의 안정적인 구동이 가능하다. In example embodiments, the nanohole graphene sheet may be a single layer. When the nanoholes are composed of a single layer, the thickness is thin and the water permeability is improved, so that the fuel cell can be stably driven even under various humidification conditions.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 나노홀 그래핀 시트(nanohole graphene sheet)는 나노홀을 통하여 물 투과가 가능할 수 있다. 연료 전지 구동시 생성된 물이, 나노홀 그래핀 시트의 나노홀을 통하여 배출됨으로써, 안정적인 전압을 제공할 수 있다. In example embodiments, the nanohole graphene sheet may allow water permeation through the nanoholes. Water generated when the fuel cell is driven is discharged through the nanoholes of the nanohole graphene sheet, thereby providing a stable voltage.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 나노홀 그래핀 시트(nanohole graphene sheet)의 기공 크기(pore size)는 1 nm 내지 3nm일 수 있다. 상기 기공 크기가 1nm 미만인 경우 연료전지 구동 시 물 투과가 제한적이고, 3nm 초과인 경우 그래핀의 기체 차단 효과가 감소할 수 있다.In example embodiments, the pore size of the nanohole graphene sheet may be 1 nm to 3 nm. When the pore size is less than 1 nm, water permeation is limited when the fuel cell is driven, and when the pore size is more than 3 nm, the gas blocking effect of graphene may decrease.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 두께는 5㎛ 내지 30㎛일 수 있고, 구체적으로 10㎛ 내지 25㎛, 또는 15㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 기존의 연료전지용 고분자 전해질막들, 예컨대 나피온 전해질막과 같이 순수 과불소계 술폰화 고분자로 이루어진 고분자 전해질막들은 강화된 기계적 특성을 위해 일반적으로 약 30um 이상 내지 50um 이하의 두꺼운 두께를 갖는다. 그러나 전해질막의 두께 증가는 기계적 특성뿐 아니라 막의 저항 또한 증가시키므로 전해질막이 두꺼운 두께를 가질수록 이에 비례하여 전해질막의 이온 전도도가 낮아질 수 있다. In exemplary embodiments, the thickness of the composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell may be 5 μm to 30 μm, and specifically 10 μm to 25 μm, or 15 μm to 20 μm. Existing polymer electrolyte membranes for fuel cells, for example, polymer electrolyte membranes made of pure perfluorinated sulfonated polymers such as Nafion electrolyte membranes, generally have a thickness of about 30 μm or more to 50 μm or less for reinforced mechanical properties. However, since an increase in the thickness of the electrolyte membrane increases not only the mechanical properties but also the resistance of the membrane, as the electrolyte membrane has a thicker thickness, the ionic conductivity of the electrolyte membrane may decrease in proportion thereto.

반면, 본 발명의 복합 고분자 전해질막의 경우 전술한 바와 같이 그래핀 시트를 포함하므로, 기체 투과를 감소시켜 수소 크로스 오버 현상을 방지할 수 있고, 막 내부의 기능성 필러가 일으키는 응집 또는 변성이 거의 없어 전해질막의 내구성을 향상시키고, 성능 저하를 방지한다. 따라서, 약 30um의 미만의 두께, 구체적으로 약 5㎛ 이상 내지 30㎛ 미만의 매우 얇은 두께를 갖더라도 기존의 연료전지용 고분자 전해질막들과 실질적으로 동일하거나 이보다 높은 이온 전도도 및 기계적 특성을 가질 수 있다. 즉, 복합 고분자 전해질막은 두께 대비 매우 우수한 내구성 및 성능을 동시에 가질 수 있다.On the other hand, in the case of the composite polymer electrolyte membrane of the present invention, since the graphene sheet is included as described above, it is possible to reduce gas permeation to prevent the hydrogen crossover phenomenon, and there is little aggregation or denaturation caused by the functional filler inside the membrane. It improves the durability of the membrane and prevents performance degradation. Therefore, even if it has a very thin thickness of less than about 30 μm, specifically, about 5 μm or more to less than 30 μm, it may have substantially the same or higher ionic conductivity and mechanical properties as conventional polymer electrolyte membranes for fuel cells. . That is, the composite polymer electrolyte membrane may have very excellent durability and performance compared to the thickness at the same time.

예시적인 구현예들에 있어서, 다공성 불소계 고분자 지지체는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)을 포함할 수 있으며, 특히 아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 과산화수소로 처리된 것일 수 있다. 소수성인 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함할 경우 다공성 불소계 고분자 지지체는 과불소계 술폰화 고분자보다 공기와 더 친숙하여 낮은 젖음성을 갖게 되므로, 이를 통해 보이드(void)가 없는 지지체를 구현하기 어려울 수 있다. 그러나 아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 과산화수소로 처리됨으로써 다공성 불소계 고분자 지지체는 향상된 젖음성을 가질 수 있으며 나아가 내부 및/또는 표면 상에 불순물을 포함하지 않을 수 있다.In exemplary embodiments, the porous fluorine-based polymer support may include polytetrafluoroethylene, and in particular, may be treated with acetone, methanol, ethanol, propanol, or hydrogen peroxide. When the hydrophobic polytetrafluoroethylene is included, the porous fluorine-based polymer support is more familiar with air than the perfluorine-based sulfonated polymer and thus has low wettability, so it may be difficult to implement a support without voids. However, by treatment with acetone, methanol, ethanol, propanol, or hydrogen peroxide, the porous fluorine-based polymer support may have improved wettability, and further may not contain impurities on the inside and/or the surface.

다공성 불소계 고분자 지지체가 향상된 젖음성을 가짐으로써, 과불소계 술폰화 고분자 수지 막은 실질적으로 다공성 불소계 고분자 지지체의 기공 내부를 완전히 채우며 다공성 불소계 고분자 지지체의 외부 표면을 충분히 커버할 수 있다. 이에 따라, 나노홀 그래핀 시트를 제외한 복합 고분자 전해질막 내부에는 실질적으로 보이드(void)가 전혀 존재하지 않을 수 있다. 그 결과, 복합 고분자 전해질막은 높은 막 밀도를 가질 수 있고, 이에 따라 향상된 기계적 강도를 가질 수 있다. 또한, 이의 내부에서 친수성 이온 도메인 간의 간격이 좁아지게 되므로 복합 고분자 전해질막은 증가된 이온 전도도 및 치수 안정성을 가질 수 있다.As the porous fluorine-based polymer support has improved wettability, the perfluorine-based sulfonated polymer resin membrane substantially completely fills the inside of the pores of the porous fluorine-based polymer support and sufficiently covers the outer surface of the porous fluorine-based polymer support. Accordingly, substantially no voids may exist inside the composite polymer electrolyte membrane except for the nanohole graphene sheet. As a result, the composite polymer electrolyte membrane may have a high membrane density, and thus may have improved mechanical strength. In addition, since the spacing between the hydrophilic ion domains in the interior thereof is narrowed, the composite polymer electrolyte membrane may have increased ionic conductivity and dimensional stability.

예시적인 구현예들에 있어서, 과불소계 술폰화 고분자 수지 막은 과불소계 술폰화 이오노머(perfluorinated sulfonic acid ionomer, PFSA), 예를 들어 나피온 이오노머(Nafion ionomer)를 포함할 수 있다. 이때, 과불소계 술폰화 이오노머 및 다공성 불소계 고분자 지지체는 서로 강하게 결합됨으로써 복합화될 수 있다.In exemplary embodiments, the perfluorinated sulfonated polymer resin film may include a perfluorinated sulfonic acid ionomer (PFSA), for example, a Nafion ionomer. At this time, the perfluorine-based sulfonated ionomer and the porous fluorine-based polymer support may be strongly bonded to each other to be complex.

상기 복합 고분자 전해질막은 다공성 불소계 지지체에 이오노머를 함침시킨 구조이기 때문에, 나피온과 같은 과불소계 술폰화 고분자의 사용량을 낮춤으로써 저가습에서도 이오노머의 수화가 용이할 뿐 아니라 제조 단가를 낮출 수 있으므로 가격 경쟁력 측면에서 추가적인 이점을 가질 수 있다. Since the composite polymer electrolyte membrane has a structure in which a porous fluorine-based support is impregnated with an ionomer, the amount of perfluorinated sulfonated polymer such as Nafion is reduced, so that the ionomer can be easily hydrated even at low humidity, and the manufacturing cost can be lowered. It can have additional advantages in terms of.

연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조 방법Method for manufacturing composite polymer electrolyte membrane for fuel cell

본 발명의 복합 고분자 전해질막은 도 1을 참조로 하여, 다공성 불소계 고분자 지지체에 과불소계 술폰화 고분자 용액을 함침시켜, 상기 다공성 불소계 고분자 지지체의 기공 내부를 과불소계 술폰화 고분자로 충진하고 외부 표면에 과불소계 술폰화 고분자 막을 형성하는 단계; 및 상기 외부 표면에 과불소계 술폰화 고분자 막이 형성된 다공성 불소계 고분자 지지체 상에 나노홀 그래핀 시트를 코팅하는 단계;를 포함하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조 방법에 의하여 제조될 수 있다. Referring to FIG. 1, the composite polymer electrolyte membrane of the present invention impregnates the porous fluorine-based polymer support with a perfluorine-based sulfonated polymer solution, filling the pores of the porous fluorine-based polymer support with a perfluorine-based sulfonated polymer, and overfired on the outer surface. Forming a sub-system sulfonated polymer film; And coating a nano-hole graphene sheet on a porous fluorine-based polymer support having a perfluorinated sulfonated polymer film formed on the outer surface thereof. It may be prepared by a method of manufacturing a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising.

예시적인 구현예들에 있어서, 특별히 도시하지는 않았으나, 전술한 바와 같은 다공성 지지체에 상기 과불소계 술폰화 고분자 용액을 함침시키는 단계 이전에, 상기 다공성 불소계 고분자 지지체를 아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 과산화수소로 처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 이를 통해, 상기 다공성 불소계 고분자 지지체는 이의 내부 및/또는 표면으로부터 불순물이 제거될 수 있으며, 향상된 젖음성을 가질 수 있다. In exemplary embodiments, although not particularly shown, before the step of impregnating the perfluorine-based sulfonated polymer solution into the porous support as described above, the porous fluorine-based polymer support is used as acetone, methanol, ethanol, propanol, or hydrogen peroxide. Processing step; may further include. Through this, the porous fluorine-based polymer support may have impurities removed from the inside and/or the surface thereof, and may have improved wettability.

특별히 도시하지는 않았으나, 스프레이 또는 데탈(decal) 공정을 통하여 과불소계 술폰화 고분자 용액을 상기 다공성 불소계 지지체에 함침시킬 수 있다. 바람직하게는, 스프레이(spray) 공정을 통해, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 과산화수소로 처리된 다공성 지지체에 과불소계 술폰화 고분자 용액을 분사할 수 있다. Although not particularly shown, the perfluorine-based sulfonated polymer solution may be impregnated into the porous fluorine-based support through a spray or decal process. Preferably, a perfluorine-based sulfonated polymer solution may be sprayed on a porous support treated with acetone, methanol, ethanol, propanol or hydrogen peroxide through a spray process.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 스프레이 공정 수행 시, 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액은 분산성을 고려하여 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액의 총 중량을 기준으로, 약 1 내지 약 20 wt%의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함할 수 있다. 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액 내 과불소계 술폰화 이오노머의 함량이 약 15 wt%를 초과하는 경우 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액의 점도가 서서히 증가하게 되며, 과불소계 술폰화 이오노머 함량이 약 20 wt%를 초과할 경우 높은 점도로 인해 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액이 고르게 분사되지 않을 수 있다.In exemplary embodiments, when performing the spray process, the perfluorine-based sulfonated ionomer solution is based on the total weight of the perfluorinated sulfonated ionomer solution in consideration of dispersibility, in an amount of about 1 to about 20 wt% Sub-system sulfonated ionomers may be included. When the content of the perfluorine-based sulfonated ionomer in the perfluorine-based sulfonated ionomer solution exceeds about 15 wt%, the viscosity of the perfluorine-based sulfonated ionomer solution gradually increases, and the perfluorine-based sulfonated ionomer content is about 20 wt%. If exceeded, the perfluorinated sulfonated ionomer solution may not be sprayed evenly due to the high viscosity.

상기 스프레이 공정을 통해, 상기 다공성 불소계 지지체 내부에 3차원 그물 구조로 분포하는 다수의 기공들을 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액으로 채워, 외부 표면에 과불소계 술폰화 고분자 막을 형성할 수 있다. Through the spraying process, a plurality of pores distributed in a three-dimensional network structure inside the porous fluorine-based support may be filled with the perfluorine-based sulfonated ionomer solution, thereby forming a perfluorine-based sulfonated polymer film on the outer surface.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 스프레이 공정은, 처리된 다공성 불소계 고분자 지지체를 일정한 모양으로 제작된 틀에 평평하게 고정시키고, 가스 봄베에 연결된 스프레이 건(spray gun)을 이용하여 일정 거리를 두고 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액을 분사함으로써 수행할 수 있다. In exemplary embodiments, in the spraying process, the treated porous fluorine-based polymer support is flatly fixed to a frame manufactured in a predetermined shape, and the treated porous fluorine-based polymer support is fixed at a predetermined distance using a spray gun connected to a gas cylinder. It can be carried out by spraying a perfluorine-based sulfonated ionomer solution.

이후, 과불소계 술폰화 고분자 용액이 균일하게 함침된 상기 다공성 불소계 고분자 지지체를 충분히 건조시킨 후, 나노홀 그래핀 시트를 코팅할 수 있다.Thereafter, after sufficiently drying the porous fluorine-based polymer support in which the perfluorine-based sulfonated polymer solution is uniformly impregnated, the nano-hole graphene sheet may be coated.

특별히 도시하지는 않았으나, 외부 표면에 과불소계 술폰화 고분자 막이 형성된 다공성 불소계 고분자 지지체 상에 나노홀 그래핀 시트를 코팅하는 단계는 나노홀 그래핀 시트를 전사하고, 열처리하는 공정을 통하여 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 코팅 공정은 이전에 스프레이 함침 공정에 의해 다공성 불소계 고분자 지지체 내부에 과불소계 술폰화 이오노머 용액 함침에 의해 내부의 기공들이 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액으로 채워지고, 외부 표면을 커버하는 얇은 수지 막이 형성된 다공성 불소계 고분자 지지체에 대하여 수행될 수 있다. Although not shown in particular, the step of coating the nanohole graphene sheet on the porous fluorine-based polymer support on which the perfluorine-based sulfonated polymer film is formed on the outer surface may be performed through a process of transferring the nanohole graphene sheet and heat treatment. Specifically, in the coating process, the pores inside the perfluorine-based sulfonated ionomer solution are impregnated into the porous fluorine-based polymer support by a spray impregnation process before, so that the inner pores are filled with the perfluorine-based sulfonated ionomer solution, and a thin layer covering the outer surface. It may be carried out on a porous fluorine-based polymer support on which a resin film is formed.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 나노홀 그래핀 시트(nanohole graphene sheet)를 코팅하는 단계 이전에, 상기 나노홀 그래핀 시트(nanohole graphene sheet)를 제조하는 단계;를 더 포함하고, 상기 나노홀 그래핀 시트(nanohole graphene sheet)를 제조하는 단계;는, 구리 호일 상에 어닐링 후 CH4 및 H2 분위기에서 그래핀 시트를 합성하는 단계; 및 상기 그래핀 시트에 마일드 플라즈마(mild plasma) 공법을 이용하여 나노홀(nanohole)을 생성하는 단계;를 포함할 수 있다. In example embodiments, prior to the step of coating the nanohole graphene sheet, preparing the nanohole graphene sheet; further comprising, the nanohole graphene sheet Preparing a graphene sheet (nanohole graphene sheet); The step of synthesizing a graphene sheet in a CH 4 and H 2 atmosphere after annealing on a copper foil; And generating a nanohole in the graphene sheet using a mild plasma method.

상기 마일드 플라즈마(mild plasma) 공법을 이용하여 나노홀(nanohole)을 생성함으로써, 그래핀의 기체 차단효과는 유지하고 복합막의 물투과 성능을 향상시킴으로 안정적인 연료전지 구동이 가능하게 한다. 또한 나노홀의 크기는 플라즈마 공정 단계에서 산소 유량, 파워, 노출 시간 등으로 조절이 가능하다. 구체적으로 Femto Science사의 Cute 를 사용하여 90 내지 110 sccm O2와 10 내지 110 W power를 유지하면서, 약 20 내지 40 초 동안 합성된 그래핀 상에 산소 플라즈마 처리를 통해 나노홀 그래핀 시트를 형성할 수 있다.By generating nanoholes using the mild plasma method, the gas barrier effect of graphene is maintained and the water permeation performance of the composite membrane is improved, thereby enabling stable fuel cell operation. In addition, the size of the nanohole can be controlled by oxygen flow rate, power, exposure time, etc. in the plasma process step. Specifically, using Femto Science's Cute, while maintaining 90 to 110 sccm O2 and 10 to 110 W power, a nanohole graphene sheet can be formed on the synthesized graphene for about 20 to 40 seconds through oxygen plasma treatment. have.

전술한 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 복합 고분자 막은 다공성 불소계 지지체에 나노홀 그래핀 시트를 포함함으로써, 기체 투과를 감소시키고, 나노홀을 통한 물 이동이 가능하게 하여, 두께 대비 매우 우수한 내구성 및 성능을 나타낼 수 있다. As described above, the composite polymer membrane for a fuel cell of the present invention includes a nano-hole graphene sheet in a porous fluorine-based support, thereby reducing gas permeation and allowing water to move through the nano-holes. Can represent.

또한, 상기 복합 고분자 전해질막은 다공성 불소계 지지체에 고가의 과불소계 술폰화 이오노머를 함침시킴으로써, 저가습에서도 이오노머의 수화가 용이할 뿐 아니라 제조 단가를 낮출 수 있으므로, 기존의 연료전지용 고분자 전해질막 대비 가격 경쟁력의 측면에서 추가적인 이점을 가질 수 있다. In addition, since the composite polymer electrolyte membrane impregnates the porous fluorine-based support with an expensive perfluorinated sulfonated ionomer, it is easy to hydrate the ionomer even at low humidity and lowers the manufacturing cost, so it is price competitive compared to the conventional polymer electrolyte membrane for fuel cells. Can have additional advantages in terms of

한편, 지금까지는 연료전지용 복합 고분자 전해질막 및 이의 제조 방법에 대해서만 설명하였으나, 전술한 바와 같은 복합 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체, 및 이를 포함하는 모든 연료전지, 예를 들어 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 또한 본 발명의 범위에 포함됨은 당해 분야 통상의 기술자에게 자명할 것이다.On the other hand, until now, only the composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell and a method of manufacturing the same have been described, but the membrane electrode assembly including the composite polymer electrolyte membrane as described above, and all fuel cells including the same, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC). ) Is also included in the scope of the present invention will be apparent to those skilled in the art.

이하의 실시를 통하여 본 발명은 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. The present invention will be described in more detail through the following implementation. However, the examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited thereto.

[[ 실시예Example ]]

두께가 10um인 폴리테트라플루오로에틸렌 다공성 막(porous polytetrafluoroethylene membrane)을 유리 기판에 고정시킨 후, 상온에서 20분 간 아세톤에 침지시켜 불순물을 제거하였다. After fixing a porous polytetrafluoroethylene membrane having a thickness of 10 μm on a glass substrate, impurities were removed by immersing in acetone for 20 minutes at room temperature.

나피온 이오노머 용액(EW1100 5wt%, 듀퐁 社)을 스프레이공정을 통해 폴리테트라플루오로에틸렌 다공성 막에 함침시켰다. 이에 따라, 폴리테트라플루오로에틸렌 다공성 막의 기공 내부를 채우며 및 외부 표면을 커버하는 얇은 수지 막이 형성되었다. 수지가 함침된 폴리테트라플루오로에틸렌 다공성 막을 80℃에서 4시간 이상 건조시켰고 20um의 두께를 갖는 함침막이 제조되었다.Nafion ionomer solution (EW1100 5wt%, DuPont) was impregnated into a polytetrafluoroethylene porous membrane through a spray process. Accordingly, a thin resin film was formed that fills the inside of the pores of the polytetrafluoroethylene porous film and covers the outer surface. The resin-impregnated polytetrafluoroethylene porous membrane was dried at 80° C. for 4 hours or more, and an impregnated membrane having a thickness of 20 μm was prepared.

나노홀Nano hole 그래핀Graphene 시트 합성 Sheet synthesis

먼저 그래핀 시트를 합성하기 위하여, 구리 호일을 묽은 질산으로 전처리하고 증류수, 아세톤, 이소프로필 알코올로 씻어냈다. 상기 구리 호일을 수소분위기 하 1000℃에서 30분간 열처리하였고, 어닐링하였다. 그 후, CH4와 H2 환경에서 30분간 그래핀 합성을 수행하였다. 성장 단계 후, CVD가열로는 실온으로 빠르게 냉각된다. First, in order to synthesize the graphene sheet, the copper foil was pretreated with dilute nitric acid and washed with distilled water, acetone, and isopropyl alcohol. The copper foil was heat-treated at 1000° C. for 30 minutes in a hydrogen atmosphere and annealed. Then, graphene synthesis was performed for 30 minutes in CH 4 and H 2 environments. After the growth step, the CVD furnace is rapidly cooled to room temperature.

그 후, 상기 합성된 그래핀 시트에 나노홀을 생성하기 위하여, 구리촉매 위에 합성된 그래핀에 마일드 플라즈마(mild plasma) 공법을 통해서 나노홀을 생성한다. 나노홀 그래핀 시트의 기공 크기(pore size) 및 분포는 플라즈마(plasma) 공정 단계에서 산소 유량, 파워, 노출 시간등으로 조절이 가능하다. 구체적으로 Femto Science사의 Cute를 사용하여 100 sccm O2와 100 W power를 유지하면서, 약 30 초동안 합성된 그래핀 상에 산소 플라즈마 처리를 통해 나노홀그래핀시트를 형성하였다.Thereafter, in order to generate nanoholes in the synthesized graphene sheet, nanoholes are generated in graphene synthesized on a copper catalyst through a mild plasma method. The pore size and distribution of the nano-hole graphene sheet can be controlled by oxygen flow rate, power, and exposure time in the plasma process step. Specifically, using Femto Science's Cute, while maintaining 100 sccm O2 and 100 W power, a nanohole graphene sheet was formed on the synthesized graphene for about 30 seconds through oxygen plasma treatment.

나노홀Nano hole 그래핀Graphene 시트 코팅 공정 Sheet coating process

합성된 그래핀은 폴리메틸메타크릴레이트-보조(PMMA-assisted)법을 통해 이오노머 함침된 폴리테트라플루오로에틸렌 복합 고분자 전해질막 상에 전사되었다. 구체적으로, PMMA를 나노홀 그래핀 시트 위에 스핀코팅하고 용매를 제거하기 위해 80℃에서 건조시켰다. 구리 호일을 FeCl3용액으로 에칭 후 묽은 염산 및 증류수를 사용하여 에칭 용액을 헹구어내고, 이오노머 함침된 폴리테트라플루오로에틸렌 복합고분자 전해질막에 나노홀 그래핀 시트 전사 및 열처리 후 PMMA는 톨루엔을 통해서 제거하였다. The synthesized graphene was transferred onto a polytetrafluoroethylene composite polymer electrolyte membrane impregnated with an ionomer through a polymethylmethacrylate-assisted (PMMA-assisted) method. Specifically, PMMA was spin-coated on the nanohole graphene sheet and dried at 80°C to remove the solvent. After etching the copper foil with FeCl 3 solution, rinse the etching solution with dilute hydrochloric acid and distilled water, transfer the nanohole graphene sheet to the polytetrafluoroethylene composite polymer electrolyte membrane impregnated with ionomer, and heat treatment, and then remove PMMA through toluene. I did.

이에 따라 20um의 최종 두께를 갖는 복합 고분자 전해질막이 제조되었다.Accordingly, a composite polymer electrolyte membrane having a final thickness of 20 μm was prepared.

단전지Cell 제조 Produce

이후, 제조된 복합 고분자 전해질막을 이용하여 다음의 공정들을 수행함으로써 막 전극 접합체 및 이를 포함하는 단전지를 제작하였다. Thereafter, a membrane electrode assembly and a unit cell including the same were manufactured by performing the following processes using the prepared composite polymer electrolyte membrane.

46.5wt% Pt/C촉매를 나피온 이오노머 용액과 함께 이소프로필 알코올 용매에 넣은 후, 초음파 혼합기 내에서 30분간 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하였다. 제조된 복합 고분자 전해질막을 펴서 고정시킨 후, 스프레이 건(spray gun)을 이용한 핸드 스프레이법(hand spray)을 통해 상기 복합 고분자 전해질막에 직접 상기 촉매 슬러리를 도포하였다. 이때, 애노드(anode)의 촉매 로딩양은 0.2 mgpt/cm2 이 되고 캐소드(cathode)의 촉매 로딩양은 0.4 mgpt/cm2이 되도록 하였으며, 활성 면적(active area)은 1 cm2이 되도록 하였다. 이에 따라, 서로 대향하도록 배치된 애노드(anode) 전극과 캐소드(cathode) 전극, 및 이들 사이에 위치하는 상기 복합 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA) 가 제작되었다. A 46.5wt% Pt/C catalyst was added to an isopropyl alcohol solvent together with a Nafion ionomer solution, and then mixed for 30 minutes in an ultrasonic mixer to prepare a catalyst slurry. After spreading and fixing the prepared composite polymer electrolyte membrane, the catalyst slurry was directly applied to the composite polymer electrolyte membrane through a hand spray method using a spray gun. At this time, the catalyst loading amount of the anode was 0.2 mgpt/cm 2 , the catalyst loading amount of the cathode was 0.4 mgpt/cm 2 , and the active area was 1 cm 2 . Accordingly, a membrane electrode assembly (MEA) including an anode electrode and a cathode electrode disposed to face each other, and the composite polymer electrolyte membrane disposed therebetween was fabricated.

제작된 막 전극 접합체(MEA)를 촉매 용액의 용매가 모두 증발할 때까지 자연 건조시키고, 가스켓(Gasket)과 카본 분리판(Bipolar plate)을 이용하여 70 In*lb의 압력으로 체결함으로써 단전지를 제작하였다. A unit cell is fabricated by naturally drying the produced membrane electrode assembly (MEA) until all solvents in the catalyst solution evaporate, and then fastening it with a pressure of 70 In*lb using a gasket and a bipolar plate. I did.

[[ 비교예Comparative example 1- One- 나노홀을Nano hole 포함하지 않는 not included 그래핀Graphene 시트를 포함하는 복합 고분자 전해질막] Composite polymer electrolyte membrane including sheet]

나노홀 그래핀 레이어 코팅된 복합 고분자 전해질막 대신에 "나노홀 생성 공정 전 단계의 그래핀 시트를 포함하는 복합 고분자 전해질막"을 사용하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 공정을 수행하여 막 전극 접합체(MEA) 및 이를 포함하는 단전지를 제조하였다. Membrane electrode assembly by performing the same process as in Example except that the "composite polymer electrolyte membrane including the graphene sheet in the step before the nanohole generation process" was used instead of the composite polymer electrolyte membrane coated with the nanohole graphene layer. (MEA) and a unit cell including the same were prepared.

[[ 비교예Comparative example 2- 2- 그래핀Graphene 시트를 코팅하지 않은 복합 고분자 전해질막] Composite polymer electrolyte membrane without sheet coating]

그래핀 레이어 코팅된 복합 고분자 전해질막 대신에 "그래핀 시트를 코팅하지 않은, 복합 고분자 전해질막"을 사용하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 공정을 수행하여 막 전극 접합체(MEA) 및 이를 포함하는 단전지를 제조하였다. A membrane electrode assembly (MEA) and a membrane electrode assembly (MEA) including the same were performed by performing the same process as in the embodiment, except for using a "composite polymer electrolyte membrane without coating a graphene sheet" instead of a composite polymer electrolyte membrane coated with a graphene layer. A unit cell was prepared.

[[ 비교예Comparative example 3-시판 전해질막] 3-commercially available electrolyte membrane]

그래핀 레이어 코팅된 20㎛ 두께의 복합 고분자 전해질막 대신에 과불소계 술폰화 고분자로 이루어진 두께 25㎛ 나피온 211(듀퐁 社) 전해질막을 사용하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 공정을 수행하여 막 전극 접합체(MEA) 및 이를 포함하는 단전지를 제조하였다. Membrane electrode by performing the same process as in the Example except for using a 25 μm Nafion 211 (DuPont) electrolyte membrane made of perfluorinated sulfonated polymer instead of a 20 μm thick composite polymer electrolyte membrane coated with a graphene layer. A conjugate (MEA) and a unit cell including the same were prepared.

실험예Experimental example : 복합 고분자 전해질막의 : Composite polymer electrolyte membrane 그래핀Graphene 구조 평가 Structure evaluation

복합 고분자 전해질막의 그래핀층을 분석하기 위하여, 광학현미경(Optical Microscope, OM), 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 및 원자간력 현미경 (Atomic Force Microscope, AFM)을 이용해 표면의 구조를 관찰하고, 라만 분광법(Raman spectroscopy), 투과전자현미경(Transmission electron microscope, TEM)을 이용한 회절패턴(selected area diffraction pattern, SAED) 분석을 수행하였다. 그 결과는 도 2a 내지 2e에 도시된 바와 같다. In order to analyze the graphene layer of the composite polymer electrolyte membrane, the structure of the surface was observed using an optical microscope (OM), a scanning electron microscope (SEM), and an atomic force microscope (AFM). , Raman spectroscopy, and a selected area diffraction pattern (SAED) analysis using a transmission electron microscope (TEM) was performed. The results are as shown in FIGS. 2A to 2E.

구체적으로, 도 2a은 plasma 처리를 통해 나노홀을 뚫는 공정을 진행하지 않은 그래핀을 SiO2 기판상에 전사하여, 그 상면의 OM 관찰 결과를 도시한 것이고, 도 2b는 SEM 분석 결과를, 도 2c는 AFM 분석 결과를 도시한 것이다. 더욱 구체적으로는 CVD가열로에서 CH4와 H2 환경하에 30분간 그래핀 합성 및 냉각 직후의 이미지를 도시한 것이다. Specifically, FIG. 2A shows the result of OM observation on the upper surface of graphene, which has not undergone a process of piercing nanoholes through plasma treatment, on a SiO 2 substrate, and FIG. 2B shows the result of SEM analysis, FIG. 2c shows the AFM analysis results. More specifically, graphene synthesis for 30 minutes in a CH 4 and H 2 environment in a CVD heating furnace and an image immediately after cooling.

실시예에서 나노홀 형성 전 단계에서 촬영된 도 2a를 참조하면, 그래핀 성장시 구리기판과 그래핀의 열팽창계수에 의해 발생하는 그래핀 주름(wrinkle)이 실선모양으로 존재하며, 도 2b 에서도 굵고 얇은 선(line)들은 모두 그래핀의 주름(wrinkle) 이며 이중층(bilayer) 이 조금씩 관찰되었다. 도 2c 역시 주름(wrinkle)이 확인이 되며, 주름(wrinkle) 외에 깨끗한 표면을 보인다.Referring to FIG. 2A taken in the step before nanohole formation in the embodiment, graphene wrinkles generated by the thermal expansion coefficient of the copper substrate and graphene during graphene growth exist in the shape of a solid line, and also in FIG. All of the thin lines were graphene wrinkles and a bilayer was observed little by little. Figure 2c is also confirmed wrinkles (wrinkle), shows a clean surface in addition to the wrinkles (wrinkle).

도 2d는 제조된 복합 고분자 전해질막에 코팅된 그래핀이 높은 결정성을 가지는 단일층으로 합성되었음을 확인하였다. 구체적으로 라만분석에서 1350 부근에서 관찰되는 피크는 그래핀 결함을 나타내는 피크로써, 도 2d의 경우, 1350피크가 없는 것을 보아 결함이 거의 없는 그래핀이 합성된 것을 알 수 있으며, 2D 피크 (2680 부근), G 피크 (1585 부근)에서 관찰되는 피크가 2:1이 비율인 것을 통해 단일층의 그래핀이 합성된 것을 알 수 있다. 또한 SAED 패턴에서는 그래핀의 6-습곡 대칭(6-fold symmetric) 구조를 확인할 수 있었고, 이를 통해, 높은 결정성의 그래핀이 합성된 것을 알 수 있었다. Figure 2d confirmed that the graphene coated on the prepared composite polymer electrolyte membrane was synthesized as a single layer having high crystallinity. Specifically, in the Raman analysis, the peak observed around 1350 is a peak indicating a graphene defect, and in the case of FIG. 2D, it can be seen that graphene with almost no defects was synthesized by seeing that there is no 1350 peak, and the 2D peak (around 2680) ), it can be seen that a single layer of graphene was synthesized through the fact that the ratio of the peak observed in the G peak (near 1585) is 2:1. In addition, in the SAED pattern, a 6-fold symmetric structure of graphene was confirmed, and through this, it was found that graphene with high crystallinity was synthesized.

도 2e는 나노홀 생성 전후의 그래핀의 TEM, SAED pattern을 도시한 것으로, 나노홀 생성 전 그래핀에서(좌) 관찰되지 않던 1~3 nm 수준의 나노홀들이(우) 플라즈마 공법을 통해 생성된 것을 확인 할 수 있다. Figure 2e shows the TEM and SAED pattern of graphene before and after nanohole generation, and nanoholes at the level of 1 to 3 nm that were not observed in graphene (left) before nanohole generation (right) are generated through the plasma method. It can be confirmed.

시험예Test example : : 나노홀Nano hole 그래핀Graphene 시트의 Sheet 물투과Water permeation 특성 평가 Property evaluation

그래핀 및 나노홀 그래핀 시트의 물투과 특성을 확인하기 위하여 그래핀을 통과해서만 물이 빠져나갈 수 있게 제작된 용기에서, 시간당 물 감소량을 분석하여 물투과 특성을 평가하였다. 구체적으로 약 5 ㎛ 직경의 구멍을 갖는 실리콘 칩을 제작하고, 그 위에 (나노홀을 포함하지 않는)단일층 그래핀 시트 및 나노홀 그래핀 시트를 전사한 후 상온에서 용기 내 물 감소량을 측정하여 각각의 그래핀의 물투과도 성능을 평가하였다. In order to confirm the water permeation properties of graphene and nano-hole graphene sheets, water permeation characteristics were evaluated by analyzing the amount of water reduction per hour in a container made to allow water to escape only through graphene. Specifically, a silicon chip having a hole having a diameter of about 5 μm was prepared, a single-layer graphene sheet (not including nanoholes) and a nanohole graphene sheet were transferred thereon, and then the amount of water reduction in the container was measured at room temperature. The water permeability performance of each graphene was evaluated.

도 3를 참조하면, (나노홀을 포함하지 않는)단일층 그래핀의 물투과도는 2.4 g/day로 측정되었고, 마일드 플라즈마(mild plasma) 처리를 통해 제작된 단일층의 나노홀 그래핀 시트의 경우 4 g/day의 물투과 특성을 보였는데, 이는 단일층 그래핀 대비 약 67% 향상된 수치이다. 따라서, 그래핀 시트에 나노홀을 포함함으로써 물 투과도가 크게 향상된다는 사실을 알 수 있다. Referring to FIG. 3, the water permeability of single-layered graphene (not including nanoholes) was measured to be 2.4 g/day, and of a single-layered nanohole graphene sheet manufactured through mild plasma treatment. In the case of the case, the water permeation property of 4 g/day was shown, which is about 67% improved compared to single-layer graphene. Therefore, it can be seen that the water permeability is greatly improved by including nanoholes in the graphene sheet.

시험예Test example : 복합 고분자 전해질막의 기체투과도 평가: Evaluation of gas permeability of composite polymer electrolyte membrane

원자 수준의 층 구조의 2D 그래핀의 기체 차단 효과를 확인하기 위하여, 상용막(순수 나피온 막)에 (나노홀을 포함하지 않는)그래핀 시트를 단일층, 이중층으로, 나노홀 그래핀 시트를 단일층으로 각각 코팅한 뒤, 여러 기체에 대한 기체 투과도를 측정하였다. 구체적으로, 투과셀의 하부를 고진공으로 유지한 후 막 상부에 작은 압력을 적용하게 되면 막 상부와 하부의 압력차로 인한 기체투과가 일어나게 되는데, 이때 막 하부의 압력 증가량을 연속적으로 검출하는 Time-lag 법에 의해 기체투과도가 측정되었다. 그 결과는 도 4에 도시된 바와 같다. In order to confirm the gas barrier effect of 2D graphene with an atomic-level layer structure, a graphene sheet (not including nanoholes) in a commercial film (pure Nafion film) is a single layer, a double layer, and a nanohole graphene sheet. After each coating with a single layer, the gas permeability to several gases was measured. Specifically, if a small pressure is applied to the top of the membrane after maintaining the lower part of the permeate cell at high vacuum, gas permeation occurs due to the pressure difference between the top and the bottom of the membrane. The gas permeability was measured by the method. The results are as shown in FIG. 4.

도 4를 참조하면, 수소, 질소, 산소에 대해 나노홀 그래핀 시트를 단일층으로 코팅한 막의 경우(도면 상에 211-Hole Mono GN으로 표시), 아무 처리 하지 않은 상용막(순수 나피온 막, Dupont사의 NRE-211, 도면 상에 211-None으로 표시)의 기체 투과도와 비교하여, 14%, 50%, 22% 감소된 기체투과도를 보였으며, (나노홀을 포함하지 않는)그래핀 시트를 단일층으로 코팅한 막의 경우(도면 상에 211-Mono GN으로 표시), 28%, 50%, 30% 감소된 기체투과도를, (나노홀을 포함하지 않는)그래핀 시트를 이중층으로 코팅한 막의 경우(도면 상에 211-Bi GN으로 표시)의 경우 57%, 80%, 65%까지 기체 투과도가 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 4, in the case of a film coated with a single layer of a nanohole graphene sheet for hydrogen, nitrogen, and oxygen (shown as 211-Hole Mono GN on the drawing), a commercial film without any treatment (pure Nafion film , Compared with the gas permeability of Dupont's NRE-211, shown as 211-None on the drawing), the gas permeability was reduced by 14%, 50%, and 22%, and graphene sheets (not including nanoholes) In the case of a film coated with a single layer (shown as 211-Mono GN on the drawing), the gas permeability decreased by 28%, 50%, and 30%, and a graphene sheet (not including nanoholes) was coated with a double layer. In the case of the membrane (indicated by 211-Bi GN on the drawing), it was confirmed that the gas permeability was reduced to 57%, 80%, and 65%.

상기 결과를 통하여, 아주 얇은 그래핀 표면 코팅만으로도 기체 차단 효과가 나타났음을 알 수 있다. 일반적으로 수소 크로스오버 현상, 즉 애노드 전극에서 캐소드 전극으로의 바람직하지 않은 기체확산은 과불소계 전해질막 열화에 있어서 주요원인으로 알려져 있음을 고려해 볼 때, 그래핀 시트를 포함하는 경우, 낮은 초기 기체 투과도가 장기적 내구성에 긍정적인 영향을 줄 것으로 예측할 수 있다. From the above results, it can be seen that the gas barrier effect was exhibited only by coating a very thin graphene surface. Considering that the hydrogen crossover phenomenon, that is, undesirable gas diffusion from the anode electrode to the cathode electrode, is known to be a major cause of the deterioration of the perfluorine-based electrolyte membrane, when the graphene sheet is included, the initial gas permeability is low. Can be predicted to have a positive effect on long-term durability.

시험예Test example : 복합 고분자 전해질막의 성능 평가: Performance evaluation of composite polymer electrolyte membrane

복합 고분자 전해질막의 성능을 평가하기 위하여, 실시예에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막을 포함하는 단전지(single cell), 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 순수 고분자 전해질막을 포함하는 단전지들을 운전하여 전류-전압 변화를 측정하였다. 이때, 애노드 전극에는 200cc/min 유량의 수소를 공급하고, 캐소드 전극에는 600cc/min 유량의 공기를 공급하였으며, 단전지 온도 80℃ RH 100%, 50% 가습 조건 하에 해당 단전지들을 OCV 부터 0.4V 까지 20mV/s의 속도로 전압을 변화시켰다. 그 결과는 도 5a 내지 5c, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같다. In order to evaluate the performance of the composite polymer electrolyte membrane, a single cell including the composite polymer electrolyte membrane prepared according to the Examples and the single cells including the pure polymer electrolyte membrane prepared according to Comparative Examples 1 to 3 were operated. The current-voltage change was measured. At this time, hydrogen at a flow rate of 200 cc/min was supplied to the anode electrode and air at a flow rate of 600 cc/min was supplied to the cathode electrode, and the unit cells were moved from OCV to 0.4 V under conditions of humidification at 80° C. RH 100% and 50%. The voltage was changed at a rate of 20 mV/s until. The results are as shown in FIGS. 5A to 5C, 6A and 6B.

도 5a를 참조하면, 상대습도 100% 운전조건 중 0.6V의 전지 전압에서 실시예에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막을 포함하는 단전지가 0.941 A/cm2의 성능을 보이고, 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막을 포함하는 단전지들은 각각 0.927 A/cm2, 1.127 A/cm2 및 1.1 A/cm2 의 성능을 나타내어, 그래핀 시트 적용에 따른 단전지의 성능저하가 거의 없었음을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 5A, a unit cell including a composite polymer electrolyte membrane manufactured according to the Example at a battery voltage of 0.6V under operating conditions of 100% relative humidity exhibits a performance of 0.941 A/cm 2 , according to Comparative Examples 1 to 3 It indicated the performance of the unit cell containing the prepared composite polymer electrolyte membrane jideuleun each of 0.927 a / cm 2, 1.127 a / cm 2 and 1.1 a / cm 2, So the performance degradation of the unit cell of the fin sheet applied to check that the almost no Could

구체적으로, IV-curve를 얻는 동안 나노홀이 없는 비교예 1의 경우, 도 5b와 같이 상당히 불안정한 사이클이 이루어졌다. 반면 실시예의 복합 고분자 전해질막 적용 단전지의 경우, 도 5c와 같이 안정적인 전기화학테스트가 가능했다. 이를 통해 그래핀 시트의 나노홀이, 생성된 물의 배출을 용이하도록 해주었음을 예측할 수 있다. Specifically, in the case of Comparative Example 1 without nanoholes while obtaining the IV-curve, a fairly unstable cycle was performed as shown in FIG. 5B. On the other hand, in the case of the single cell applied with the composite polymer electrolyte membrane of the embodiment, a stable electrochemical test as shown in FIG. 5C was possible. Through this, it can be predicted that the nanoholes of the graphene sheet facilitated the discharge of the generated water.

도 6a를 참조하면, 상대습도 50% 운전조건 중 0.6V의 전지 전압에서 실시예에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막을 포함하는 단전지가 0.54 A/cm2의 성능을 보인 반면, 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 순수 고분자 전해질막을 포함하는 단전지들은 각각 0.54 A/cm2, 0.54 A/cm2 및 0.32 A/cm2 의 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 6A, while the single cell including the composite polymer electrolyte membrane manufactured according to the Example at a battery voltage of 0.6V under 50% relative humidity operating conditions showed a performance of 0.54 A/cm 2 , Comparative Examples 1 to 3 It was confirmed that the single cells including the pure polymer electrolyte membrane prepared accordingly exhibited the performance of 0.54 A/cm 2 , 0.54 A/cm 2 and 0.32 A/cm 2 , respectively.

이를 통해, 본 발명에 따른 복합 고분자 전해질막을 이용하여 기체차단 물질 적용 시, 별도의 기능화 과정 없이도 성능유지가 가능할 뿐만 아니라, 상용 전해질막보다도 훨씬 우수한 성능을 갖는 막 전극 접합체(MEA) 및 이를 포함하는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)를 구현할 수 있는 것을 알 수 있었다. 도 6b에서도 고주파수에서의 x절편이 나타내는 오믹저항이 비교예 2, 비교예1, 실시예에서 모두 비슷한 값을 보이는 것 또한 이를 뒷받침하는 결과이다.Through this, when a gas barrier material is applied using the composite polymer electrolyte membrane according to the present invention, it is possible to maintain performance without a separate functionalization process, and a membrane electrode assembly (MEA) having much better performance than a commercial electrolyte membrane and including the same It was found that a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) can be implemented. Also in FIG. 6B, the ohmic resistance indicated by the x-intercept at high frequencies shows similar values in Comparative Example 2, Comparative Example 1, and Example, which is also a result supporting this.

시험예Test example : 복합 고분자 전해질막의 내구성 평가: Durability evaluation of composite polymer electrolyte membrane

가속열화조건인 낮은 가습 및 고 전압 하에서, 나노홀 그래핀 시트가 단전지 내구성에 미치는 영향을 실제로 비교하기 위해 DOE프로토콜에 따라 MEA화학적 내구성테스트를 시험하였다. 구체적으로, 이 실험에서 수소와 공기는 0.2A/cm2에 상당하는 유량에서 10/10의 과급률만큼 공급되었고, 이때 단전지 온도는 90℃ 가압은 1.5bar, 상대습도는 애노드 캐소드 모두 RH 30%로 설정되었다. 96시간의 내구성 테스트를 거쳤으며, 비교예 1 및 2의 경우 OCV 가 0.7V이하로 떨어져 테스트를 중단하였다.In order to actually compare the effect of the nanohole graphene sheet on the durability of the unit cell under the accelerated aging conditions of low humidification and high voltage, the MEA chemical durability test was tested according to the DOE protocol. Specifically, in this experiment, hydrogen and air were supplied at a rate of 10/10 at a flow rate equivalent to 0.2A/cm 2 , and at this time, the temperature of the unit cell was 90°C, 1.5 bar, and the relative humidity was RH 30 for both anode and cathode. It was set to %. The endurance test was carried out for 96 hours, and in the case of Comparative Examples 1 and 2, the OCV fell below 0.7V and the test was stopped.

도 7a는 막 전극 접합체의 가속열화테스트에 따른 OCV 감소속도를 도시한 것이다. 우선 초기 OCV값을 비교해보면, 본 발명의 실시예에 따른 복합 고분자 전해질막은 초기 OCV 향상을 통해서도 기체 차단 효과를 확인할 수 있었다. 7A shows the OCV reduction rate according to the accelerated aging test of the membrane electrode assembly. First, comparing the initial OCV values, the composite polymer electrolyte membrane according to the embodiment of the present invention was able to confirm the gas barrier effect through the initial OCV enhancement.

또한, 막의 열화를 나타내는 척도 중 하나인 OCV 감소속도에 있어서, 비교예 1: 3.4 mV/h , 비교예 2 : 6.25 mV/h, 비교예 3: 1.38 mV/h의 값을 나타낸 반면, 본 발명의 실시예에 따른 나노홀 그래핀 시트를 포함하는 복합 고분자 전해질막의 경우, 0.375 mV/h 의 OCV 감쇠 속도(decay rate)를 보였다. 이는 나노홀 그래핀 시트 적용으로 비교예 2에 비해 내구성이 약 16배 이상 향상된 값이며, 특히 나노홀이 없는 비교예 1보다도 약 9배 향상된 값이다. 따라서, 나노홀을 부여함으로써 기체차단뿐만 아니라 장기적으로 유연한 연료전지구동을 가능케 함으로써 내구성을 더욱 증진시킬 수 있었던 것으로 예측된다.In addition, in the OCV reduction rate, which is one of the measures of deterioration of the film, Comparative Example 1: 3.4 mV/h, Comparative Example 2: 6.25 mV/h, Comparative Example 3: 1.38 mV/h, whereas the present invention In the case of the composite polymer electrolyte membrane including the nanohole graphene sheet according to the embodiment of, the OCV decay rate was 0.375 mV/h. This is a value that is about 16 times or more improved in durability compared to Comparative Example 2 by the application of the nano-hole graphene sheet, and in particular, it is about 9 times improved compared to Comparative Example 1 without nano holes. Therefore, it is predicted that the durability could be further improved by providing a nano-hole not only to block gas but also to enable flexible fuel cell operation in the long term.

연료전지 운전중 과불소계 전해질막으로부터 방출된 불소이온의 양은 전해질막의 열화정도를 나타내는 좋은 척도이다. 도 7b은 실시예 및 비교예 1 내지 3의 복합 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체의 가속열화테스트 24, 48, 72, 96시간 후에 따라 변화된 불소이온방출량을 도시한 것이다. 비교예의 막 전극 접합체 단전지가 높은 불소이온 방출량을 나타낸 반면, 실시예의 단전지 운전 후 응축수 내에서 불소이온은 거의 검출되지 않은 것을 알 수 있다. 이를 통해 막의 열화가 크게 감소되었음을 예측할 수 있다.The amount of fluorine ions released from the perfluorine-based electrolyte membrane during fuel cell operation is a good measure of the degree of degradation of the electrolyte membrane. 7B shows the amount of fluorine ion emission changed after 24, 48, 72, and 96 hours of accelerated deterioration test of the membrane electrode assembly including the composite polymer electrolyte membranes of Examples and Comparative Examples 1 to 3; While the membrane electrode assembly unit cell of the comparative example showed a high amount of fluorine ion emission, it can be seen that almost no fluorine ions were detected in the condensed water after the unit cell operation of the example. Through this, it can be predicted that the deterioration of the film is greatly reduced.

도 8 은 막 전극 접합체의 가속열화테스트 전후의 성능변화를 도시한 것이다. 비교예 3 은 가속열화테스트 후 초기 성능의 0.15 배까지 감소한 반면, 실시예의 경우, 초기성능의 0.75 배만큼의 성능을 유지한 것을 확인할 수 있었다.8 shows performance changes before and after the accelerated aging test of the membrane electrode assembly. Comparative Example 3 decreased to 0.15 times the initial performance after the accelerated aging test, while in the case of the Example, it was confirmed that the performance was maintained as much as 0.75 times the initial performance.

도 9a 및 9b는 막 전극 접합체 가속열화테스트 전후, 전해질막의 단면을 도시한 SEM사진이다. 도 9a는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막의 단면을 나타내며, 도 9b는 비교예 3 의 고분자 전해질막의 단면을 나타낸다. 비교예 3의 경우, 막의 얇아짐 현상 및 여러 홀 및 크랙이 생성된 반면, 실시예의 경우 가속열화 테스트 전후가 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다.9A and 9B are SEM photographs showing a cross section of an electrolyte membrane before and after the accelerated degradation test of the membrane electrode assembly. 9A is a cross-sectional view of a composite polymer electrolyte membrane manufactured according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9B is a cross-sectional view of a polymer electrolyte membrane of Comparative Example 3. FIG. In the case of Comparative Example 3, the film thinning phenomenon and several holes and cracks were generated, whereas in the case of the Example, it was confirmed that there was no significant difference between before and after the accelerated aging test.

Claims (13)

다공성 불소계 고분자 지지체; 및
나노홀 그래핀 시트(nanohole graphene sheet);를 포함하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막.
Porous fluorine-based polymer support; And
A composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising a nanohole graphene sheet.
제1항에 있어서,
상기 다공성 불소계 고분자 지지체의 기공 내부를 채우며 외부 표면을 커버하는 과불소계 술폰화 고분자 수지 막;을 더 포함하는, 연료전지용 복합 고분자 전해질막.
The method of claim 1,
A perfluorinated sulfonated polymer resin membrane filling the pores of the porous fluorine-based polymer support and covering the outer surface thereof;
제1항에 있어서,
상기 나노홀 그래핀 시트(nanohole graphene sheet)는 단일층인 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막.
The method of claim 1,
The nanohole graphene sheet (nanohole graphene sheet) is a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell, characterized in that the single layer.
제1항에 있어서,
상기 나노홀 그래핀 시트(nanohole graphene sheet)는 나노홀을 통하여 물 투과가 가능한 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막.
The method of claim 1,
The nanohole graphene sheet is a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell, characterized in that water can permeate through the nanoholes.
제1항에 있어서,
상기 나노홀 그래핀 시트(nanohole graphene sheet)의 기공 크기(pore size)는 1 nm 내지 3nm 인 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막.
The method of claim 1,
A composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell, characterized in that the pore size of the nanohole graphene sheet is 1 nm to 3 nm.
제1항에 있어서,
상기 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 두께는 5㎛ 내지 30㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막.
The method of claim 1,
The composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell, wherein the thickness of the composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell is 5 μm to 30 μm.
제1항에 있어서,
상기 다공성 불소계 고분자 지지체는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)을 포함하고, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 과산화수소로 처리된 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막.
The method of claim 1,
The porous fluorine-based polymer support includes polytetrafluoroethylene and is treated with acetone, methanol, ethanol, propanol, or hydrogen peroxide.
제2항에 있어서,
상기 과불소계 술폰화 고분자 수지 막은 과불소계 술폰화 이오노머(perfluorinated sulfonic acid ionomer, PFSA)를 포함하며,
상기 과불소계 술폰화 이오노머 및 상기 다공성 불소계 고분자 지지체는 결합되어 복합화되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막.
The method of claim 2,
The perfluorinated sulfonated polymer resin film includes a perfluorinated sulfonic acid ionomer (PFSA),
A composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell, characterized in that the perfluorinated sulfonated ionomer and the porous fluorine-based polymer support are combined to form a composite.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조방법에 있어서,
다공성 불소계 고분자 지지체에 과불소계 술폰화 고분자 용액을 함침시켜, 상기 다공성 불소계 고분자 지지체의 기공 내부를 과불소계 술폰화 고분자로 충진하고 외부 표면에 과불소계 술폰화 고분자 막을 형성하는 단계; 및
상기 외부 표면에 과불소계 술폰화 고분자 막이 형성된 다공성 불소계 고분자 지지체 상에 나노홀 그래핀 시트를 코팅하는 단계;를 포함하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조 방법.
In the method for producing a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to any one of claims 1 to 8,
Impregnating the porous fluorine-based polymer support with a perfluorine-based sulfonated polymer solution, filling the pores of the porous fluorine-based polymer support with a perfluorine-based sulfonated polymer, and forming a perfluorine-based sulfonated polymer film on the outer surface; And
Coating a nano-hole graphene sheet on a porous fluorine-based polymer support on which a perfluorine-based sulfonated polymer film is formed on the outer surface; a method for producing a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising.
제9항에 있어서,
상기 과불소계 술폰화 고분자 용액을 함침시키는 단계 이전에,
상기 다공성 불소계 고분자 지지체를 아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 과산화수소로 처리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조 방법.
The method of claim 9,
Before the step of impregnating the perfluorine-based sulfonated polymer solution,
Treating the porous fluorine-based polymer support with acetone, methanol, ethanol, propanol, or hydrogen peroxide; a method for producing a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell further comprising.
제9항에 있어서,
상기 나노홀 그래핀 시트(nanohole graphene sheet)를 코팅하는 단계 이전에,
상기 나노홀 그래핀 시트(nanohole graphene sheet)를 제조하는 단계;를 더 포함하고, 상기 나노홀 그래핀 시트(nanohole graphene sheet)를 제조하는 단계;는,
구리 호일 상에 어닐링 후 CH4 및 H2 분위기에서 그래핀 시트를 합성하는 단계; 및
상기 그래핀 시트에 산소 플라즈마 처리를 이용하여 나노홀(nanohole)을 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조 방법.
The method of claim 9,
Before the step of coating the nanohole graphene sheet,
Preparing the nanohole graphene sheet (nanohole graphene sheet); Including, further comprising, preparing the nanohole graphene sheet (nanohole graphene sheet);
Synthesizing a graphene sheet in a CH 4 and H 2 atmosphere after annealing on a copper foil; And
The method of manufacturing a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising: generating nanoholes in the graphene sheet by using oxygen plasma treatment.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 연료전지용 복합 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체.
A membrane electrode assembly comprising the composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to any one of claims 1 to 8.
제12항에 따른 막 전극 접합체를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 12.
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