KR101922622B1 - Fuel cell membrane electrode assembly comprising hexagonal boron nitride as proton exchange membrane and the fabrication method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체에 관한 것으로, 본 발명의 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체는, 애노드 전극층; 상기 애노드 전극층 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막층; 상기 육방정계 질화붕소 박막층 상에 형성된 유기 바인더층; 및 계면 접합 층 상에 형성된 캐소드 전극층;을 포함한다.The present invention relates to a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron hydride hydrogen ion exchange membrane, wherein the fuel cell membrane electrode assembly including the hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane of the present invention comprises: an anode electrode layer; A hexagonal boron nitride thin film layer formed on the anode electrode layer; An organic binder layer formed on the hexagonal boron nitride thin film layer; And a cathode electrode layer formed on the interface bonding layer.

Description

육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체 및 그 제조방법{FUEL CELL MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY COMPRISING HEXAGONAL BORON NITRIDE AS PROTON EXCHANGE MEMBRANE AND THE FABRICATION METHOD THEREOF}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron hydride hydrogen ion exchange membrane and a method of manufacturing the same. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 > [0002]

본 발명은 육방정계 질화붕소(Hexagonal boron nitride; h-BN) 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell membrane electrode assembly comprising a hydrogen ion exchange membrane of hexagonal boron nitride (h-BN).

육방정계 질화붕소(h-BN)는 그래핀과 유사한 2차원적 강한 sp2 공유결합을 갖는 허니컴 구조로서, 높은 기계적 강도와 열전도도로 인해 주목을 받고 있는 소재이다. 그러나, 그래핀은 반금속 성질과 0의 밴드갭을 가지는 반면, h-BN은 5-6 eV 의 직접 밴드갭을 갖는 절연체인데, 이는 B-N 사이의 부분적 이온 결합에서 야기된다. 또한, 그래핀과 달리, h-BN은 1000℃와 같은 고온의 대기 중에 화학적으로 안정한 것으로 알려져 있다.Hexavalent boron nitride (h-BN) is a honeycomb structure having a two-dimensional strong sp 2 covalent bond similar to graphene, and is a material attracting attention due to its high mechanical strength and thermal conductivity. However, graphene has a semi-metallic nature and a bandgap of zero, while h-BN is an insulator with a direct bandgap of 5-6 eV, which is caused by partial ionic bonding between BNs. Also, unlike graphene, h-BN is known to be chemically stable in high temperature atmospheres such as 1000 ° C.

정제된 h-BN은 215 내지 227 nm의 파장에 대한 민감한 엑시톤 발광 밴드를 나타내며, 이는 유도방출을 초래하기에 충분한 값이다. 따라서, 고성능 h-BN은 자외선보다 더 짧은 자외선(deep UV) 광전자 소자를 개발하기 위해 유용한 소재로 사용될 수 있다.The purified h-BN shows a sensitive exciton emission band for wavelengths from 215 to 227 nm, which is a sufficient value to result in induced emission. Thus, high performance h-BN can be used as a useful material for developing deep UV optoelectronic devices that are shorter than ultraviolet light.

또한, 최근에는 육방정계 질화붕소 및 촉매를 함유하는 혼합물을 입방정계 질화붕소의 안정한 존재에 열역학적으로 유리한 압력 및 온도 조건 하에 유지시켜 입방정계 질화붕소를 함유하는 복합괴를 형성시키고, 이 복합괴를 알칼리 용액에 용해시켜 입방정계 질화붕소를 회수하는 것을 포함하는 입방정계 질화붕소의 제조 방법에 대해 연구가 수행된 바 있지만, 보다 고성능이면서 대면적의 단일층 육방정계 질화붕소를 제조할 수 있는 방법에 대해 여전히 산업계의 수요가 존재하고 있었다.Further, recently, a mixture containing hexagonal boron nitride and a catalyst is maintained under the pressure and temperature conditions thermodynamically favorable to the stable presence of cubic boron nitride to form a composite mass containing cubic boron nitride, A method for producing cubic boron nitride which comprises dissolving boron nitride in an alkali solution and recovering cubic boron nitride is carried out. However, a method for producing a boron nitride single crystal having a large capacity and a large area There was still demand from industry.

한편, 연료전지는 친환경적이고 높은 효율을 가지는 에너지 변환 장치로서 향후 저탄소 기반 산업을 주도할 기술로 주목을 받고 있으며, 특히 휴대용 전자기기, 가정용 및 운송용 에너지 변환장치로서의 응용성이 크게 기대되고 있는 전지이다. On the other hand, the fuel cell is an environmentally friendly and highly efficient energy conversion device, and has been attracting attention as a technology that will lead the low-carbon-based industry in the future. Especially, the battery is expected to be highly applicable as a portable electronic device, .

연료전지는 사용되는 전해질 및 사용되는 연료의 종류에 따라 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC), 인산 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC) 등으로 분류될 수 있다.The fuel cell can be classified into a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), a direct methanol fuel cell (DMFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC) A carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), and the like.

고분자 전해질형 연료전지 및 직접 메탄올 연료전지는 통상적으로 애노드 전극, 캐소드 전극 및 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 배치된 고분자 전해질막을 포함하는 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)로 구성된다. 수소 또는 연료가 공급되는 애노드 전극에서 연료의 산화 반응이 일어나고, 애노드 전극에서 생성된 수소 이온이 고분자 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 전도되며, 산소가 공급되는 캐소드 전극에서 산소의 환원 반응이 일어남으로써 두 전극 간의 전압차가 발생되어 전기가 생성되는 것이 연료 전지의 원리이다.The polymer electrolyte fuel cell and the direct methanol fuel cell are generally composed of a membrane electrode assembly (MEA) including an anode electrode, a cathode electrode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode electrode and the cathode electrode. The oxidation reaction of the fuel occurs at the anode or the anode where the fuel is supplied, the hydrogen ions generated at the anode electrode are conducted to the cathode electrode through the polymer electrolyte membrane, and the reduction reaction of oxygen occurs at the cathode electrode to which oxygen is supplied, The generation of electricity is a principle of the fuel cell.

연료전지의 애노드 전극은 연료를 산화시켜 수소 이온을 생성하는 반응을 촉진시키기 위한 촉매를 포함하며, 캐소드 전극은 산소의 환원을 촉진시키기 위한 촉매를 포함한다. 그리고 연료전지 촉매는 주로 촉매 금속 입자와 이를 균일하게 분산하기 위한 전기전도성이 높은 담체로 이루어져 있음이 일반적이다. The anode electrode of the fuel cell includes a catalyst for promoting the reaction of oxidizing the fuel to generate hydrogen ions, and the cathode electrode includes a catalyst for promoting the reduction of oxygen. The fuel cell catalyst is generally composed of catalytic metal particles and a highly electrically conductive carrier for uniformly dispersing the catalyst metal particles.

연료전지의 막전극 접합체는 앞서 설명한 것과 같이 고분자 전해질 막을 포함하고 있으며, 고분자 전해질 막은 수소이온 교환막 등으로 불리우기도 한다. 대표적으로 상용화되는 고분자 전해질 막 소재로는 나피온(Nafion) 막이 있다. 나피온 막의 경우 높은 수소이온 전도도, 우수한 화학안정성, 이온 선택성 등으로 인하여 널리 사용되고 있긴 하나, 높은 가격으로 산업용 이용도가 제한되며 무엇보다도 연료전지의 구동 과정에서 메탄올이 고분자 막을 통과하는 메탄올 투과성(Methanol Crossover)이 높은 등의 문제 등을 내재하고 있었다. 또한, 나피온 막을 사용할 경우 고온 안정성이 떨어지고, 구현가능한 연료전지의 성능에 한계가 있었기에, 이를 개선하기 위하여 나피온 막을 대체하기 위한 소재에 대한 연구가 다양하게 수행 중에 있었다.The membrane electrode assembly of the fuel cell includes a polymer electrolyte membrane as described above, and the polymer electrolyte membrane is also called a proton exchange membrane. Nafion membranes are typical materials for polymer electrolyte membranes that are commercially available. Nafion membranes are widely used because of their high hydrogen ion conductivity, excellent chemical stability, and ion selectivity. However, they are limited in their industrial availability at high prices. Among them, methanol is permeable to methanol through the polymer membrane Crossover) were high. In addition, when the Nafion membrane is used, the stability of the high temperature is deteriorated and the performance of the fuel cell is limited. Therefore, in order to improve the performance of the fuel cell, various researches have been carried out to replace the Nafion membrane.

본 발명에서는, 육방정계 질화붕소가 가지는 높은 수소이온 전달성에 주목하고, 육방정계 질화붕소 박막을 제조하여, 높은 효율을 가지는 개선된 연료전지 막전극 접합체(MEA) 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.In the present invention, attention is paid to the high hydrogen ion transportability of hexagonal boron nitride, and an improved fuel cell membrane electrode assembly (MEA) having a high efficiency by producing a hexagonal boron nitride thin film and a manufacturing method thereof are provided .

본 발명의 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체는, 애노드 전극층; 상기 애노드 전극층 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막층; 상기 육방정계 질화붕소 박막층 상에 형성된 계면 접합층(Interfacial Binding Lyaer); 및 상기 계면 접합층 상에 형성된 캐소드 전극층;을 포함한다.The fuel cell membrane electrode assembly including the hexagonal boron hydride hydrogen ion exchange membrane of the present invention comprises: an anode electrode layer; A hexagonal boron nitride thin film layer formed on the anode electrode layer; An interfacial bonding layer formed on the hexagonal boron nitride thin film layer; And a cathode electrode layer formed on the interface bonding layer.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계면 접합층은 나피온(Nafion, Polytrifluorostyrene sulfonic acid), PMMA, 백금 및 탄소지지체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the interface bonding layer may include at least one selected from the group consisting of naphion (Polytrifluorostyrene sulfonic acid), PMMA, platinum and a carbon support.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드 전극층, 상기 캐소드 전극층 또는 둘 다는 백금, 루테늄, 백금 합금, Core-Shell 구조의 백금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the anode electrode layer, the cathode electrode layer, or both may include at least one catalyst selected from the group consisting of platinum, ruthenium, a platinum alloy, and a core-shell structure platinum.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막층은 두께가 0.3 nm 내지 3.0 nm 인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film layer may have a thickness of 0.3 nm to 3.0 nm.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막층은, 한 개의 교환막 또는 복수 개의 교환막을 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film layer may include one exchange film or a plurality of exchange films.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 한 개의 교환막을 포함하는 질화붕소 박막 층은, 질화붕소 단원자 층을 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the boron nitride thin film layer including the exchange film may include a boron nitride monoatomic layer.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 계면 접합층의 두께는 2 μm 내지 50 μm 인 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the thickness of the interface bonding layer may be 2 to 50 [mu] m.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막층은 H, O 및 F 중 하나 이상이 기능기화 된 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film layer may be one in which at least one of H, O, and F is functionalized.

본 발명의 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지는, 분리판; 집전체; 및 본 발명의 연료전지 막전극 접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함한다.The fuel cell including the hexagonal boron hydride hydrogen ion exchange membrane of the present invention comprises a separator plate; Collecting house; And at least one unit cell including the fuel cell membrane electrode assembly of the present invention.

본 발명의 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 접합체의 제조방법은, 상기 육방정계 질화붕소 박막을 기판 상의 애노드 전극 물질 상에 형성하는 단계; 상기 질화붕소 박막 상에 나피온, 백금 및 탄소지지체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 계면 접합층을 코팅하는 단계; 상기 코팅된 계면 접합층 상에 캐소드 전극 물질을 형성하는 단계; 및 상기 기판을 제거하는 단계;를 포함한다. A method of manufacturing a fuel cell junction including a hexagonal boron hydride ion exchange membrane of the present invention comprises: forming the hexagonal boron nitride thin film on an anode electrode material on a substrate; Coating an interface bonding layer comprising at least one selected from the group consisting of Nafion, platinum and a carbon support on the boron nitride thin film; Forming a cathode electrode material on the coated interface bonding layer; And removing the substrate.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계는, 보조 기판 상에 상기 육방정계 질화붕소 박막을 형성하는 단계; 및 상기 보조 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 상기 보조 기판으로부터 분리하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of preparing the hexagonal boron nitride thin film includes: forming the hexagonal boron nitride thin film on an auxiliary substrate; And separating the hexagonal boron nitride thin film formed on the auxiliary substrate from the auxiliary substrate.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 기판 상에 상기 육방정계 질화붕소 박막을 형성하는 단계는 CVD 법에 의하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of forming the hexagonal boron nitride thin film on the auxiliary substrate may be a CVD method.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 기판은 백금을 포함하고, 상기 CVD법은 800 ℃ 내지 1100 ℃ 온도 및 0.1 Torr 내지 0.15 Torr 압력 하에서 수행되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the auxiliary substrate includes platinum, and the CVD method may be performed at a temperature of 800 ° C to 1100 ° C and a pressure of 0.1 Torr to 0.15 Torr.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 기판은 사파이어를 포함하고, 상기 CVD법은 1400 ℃ 내지 1500 ℃ 온도 및 0.1 Torr 내지 0.15 Torr 의 압력 하에서 수행되는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the auxiliary substrate includes sapphire, and the CVD method may be performed at a temperature of 1400 ° C to 1500 ° C and a pressure of 0.1 Torr to 0.15 Torr.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 상기 보조 기판으로부터 분리하는 단계는, 상기 보조 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막 위로 PMMA, 폴리비닐알코올(Polyvinly Alcohol) 및 폴리스티렌(Polystyrene)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 지지체를 적층하는 단계; 상기 보조 기판으로부터 상기 육방정계 질화붕소 박막 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 상에 형성된 지지체를 분리하는 단계; 및 유기 용매를 이용하여 상기 육방정계 질화붕소 박막으로부터 상기 지지체를 제거하여 육방정계 질화붕소 박막을 수득하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of separating the hexagonal boron nitride thin film formed on the auxiliary substrate from the auxiliary substrate may include the steps of: forming a hexagonal boron nitride thin film on the auxiliary substrate by using a mixture of PMMA, polyvinyl alcohol ) And polystyrene, which are laminated on a support; Separating the hexagonal boron nitride thin film and the support formed on the hexagonal boron nitride thin film from the auxiliary substrate; And removing the support from the hexagonal boron nitride thin film using an organic solvent to obtain a hexagonal boron nitride thin film.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 기판으로부터 상기 육방정계 질화붕소 박막 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 상에 형성된 지지체를 분리하는 단계는, 전기분해 방식에 의해 발생된 수소 가스 기포를 이용하거나 알루미늄 에칭제(Etchant)를 이용하여 수행되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of separating the hexagonal boron nitride thin film from the auxiliary substrate and the support formed on the hexagonal boron nitride thin film may be performed using hydrogen gas bubbles generated by an electrolysis method, And may be performed using an etchant.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판을 제거하는 단계는, HF, H2NO3 및 H3PO4로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 산 수용액 중에서 수행되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of removing the substrate may be performed in an aqueous acid solution containing at least one selected from the group consisting of HF, H 2 NO 3 and H 3 PO 4 .

본 발명의 일 측면에 따르면, 기판 상의 대면적을 덮을 수 있는 고성능 육방정계 질화붕소 박막을 단일층 또는 복수 층으로 합성할 수 있으며, 전기화학적 버블링 방법을 통해 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 층을 임의의 다른 기판 상으로 옮길 수 있어 기판을 재활용하여 사용할 수 있는 효과가 있다.According to an aspect of the present invention, a high-performance hexagonal boron nitride thin film capable of covering a large area on a substrate can be synthesized as a single layer or a plurality of layers, and a hexagonal boron nitride layer formed on the substrate through an electrochemical bubbling method Can be transferred onto any other substrate, so that the substrate can be recycled and used.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면 합성된 육방정계 질화붕소 박막을 연료전지의 막전극 접합체에 이용함으로써, 종래의 나피온 막을 포함하던 연료전지의 성능을 뛰어넘고, 메탄올 투과성(Methanol Crossover)을 낮춘 고성능 연료전지를 제조할 수 있다.In addition, according to another aspect of the present invention, by using the synthesized hexagonal boron nitride thin film as a membrane electrode assembly of a fuel cell, the performance of a fuel cell including a conventional Nafion membrane is surpassed and a methanol crossover A high performance fuel cell can be manufactured.

도 1은 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 이용한 연료전지 접합체 제조방법의 각 단계를 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 접합체 제조방법의 각 단계를 그림으로 도시한 공정도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 단원자 단일층(Single Layer)의 육방정계 질화붕소 박막을 전사하는 방법의 각 단계를 그림으로 도시한 공정도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 다층(Multi Layer)의 육방정계 질화붕소 박막을 전사하는 방법의 각 단계를 그림으로 도시한 공정도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예로서 제작한 3개 층의 육방정계 질화붕소 박막을 상하의 50 ㎛ 두께의 나피온 전해질 막 사이에 포함하는 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)의 막전극 접합체 모델에서 온도에 따른 전압 밀도를 측정한 그래프이고,
도 6b는 본 발명의 비교예로 제조한 육방정계 질화붕소 막을 나피온 전해질 막 사이에 포함하지 않고 제조한 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)의 막전극 접합체 모델에서 온도에 따른 전압 밀도를 측정한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 단일층의 육방정계 질화붕소 막을 포함하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)의 막전극 접합체에 모델에서 전류 밀도에 따른 셀 전압을 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 단일층의 육방정계 질화붕소 막을 포함하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)의 막전극 접합체에 모델에서 전류 밀도에 따른 HFR(High frequency resistance) 값을 측정한 그래프이다.1 is a schematic view showing the structure of a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron hydride ion exchange membrane provided in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flow chart showing each step of a method for manufacturing a fuel cell junction using a hexagonal boron hydride ion exchange membrane provided in an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a process diagram illustrating each step of a method of manufacturing a fuel cell junction including a hexagonal boron hydride hydrogen ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 4 is a process diagram illustrating each step of a method of transferring a mono-layer hexagonal boron nitride thin film provided in an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a process diagram illustrating each step of a method for transferring a multi-layer hexagonal boron nitride thin film provided in an embodiment of the present invention.
FIG. 6A is a graph showing the relationship between the temperature of a three-layered hexagonal boron nitride thin film fabricated as an embodiment of the present invention in a membrane electrode assembly model of DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) containing between 50 μm thick Nafion electrolyte membranes And FIG.
6B is a graph showing voltage densities according to temperature in a membrane electrode assembly model of DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) prepared without containing a hexagonal boron nitride film prepared by a comparative example of the present invention between Nafion electrolyte membranes .
FIG. 7 is a graph showing a cell voltage according to current density in a model of a membrane electrode assembly of a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) including a monolayer hexagonal boron nitride film provided in an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the results of measurement of the HFR (High frequency resistance) value according to the current density in a model electrode assembly of a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) including a monolayer hexagonal boron nitride film provided in an embodiment of the present invention It is a graph.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.In the following, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference symbols in the drawings denote like elements.

아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Various modifications may be made to the embodiments described below. It is to be understood that the embodiments described below are not intended to limit the embodiments, but include all modifications, equivalents, and alternatives to them.

실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used only to illustrate specific embodiments and are not intended to limit the embodiments. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this embodiment belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the present invention with reference to the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant explanations thereof will be omitted. In the following description of the embodiments, a detailed description of related arts will be omitted if it is determined that the gist of the embodiments may be unnecessarily blurred.

본 발명에서는 육방정계 질화붕소 박막이 수소이온 전달 특성이 우수한 점을 확인하고, 연료전지의 막전극 접합체의 수소이온 교환막 소재로 육방정계 질화붕소 박막을 이용한, 신개념 연료전지 막전극 접합체를 제공한다. The present invention provides a new concept fuel cell membrane electrode assembly using a hexagonal boron nitride thin film as a hydrogen ion exchange membrane material for a membrane electrode assembly of a fuel cell, confirming that the hexagonal boron nitride thin film has excellent hydrogen ion transfer characteristics.

종래의 육방정계 질화붕소 박막의 경우, 대면적으로 제조가 어려웠으며, 단일층(Single Layer)으로 육방정계 질화붕소 박막을 형성하기에 기술적으로 곤란한 측면이 있었다. 본 발명의 일 측면에서는, 이러한 문제들을 모두 해결한 새로운 육방정계 질화붕소 박막 제조방법을 함께 제공한다.Conventional hexagonal boron nitride thin films are difficult to manufacture in a large area and technically difficult to form a hexagonal boron nitride thin film with a single layer. In one aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a new hexagonal boron nitride thin film which solves all of these problems.

본 발명은, 단일층으로 육방정계 질화붕소 박막층을 형성하거나 단일층이 복수 겹 적층된 육방정계 질화붕소 박막층을 형성하는 방법을 제공하고, 이를 연료전지 막전극 접합체의 수소이온 교환막으로 이용하여 고성능 연료전지를 구현하기 위한 것이다.The present invention provides a method of forming a hexagonal boron nitride thin film layer as a single layer or a hexagonal boron nitride thin film layer having a plurality of single layers stacked thereon and using this as a proton exchange membrane of a fuel cell membrane electrode assembly, To realize a battery.

도 1은 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체의 구조를 나타낸 개략도이다.1 is a schematic view showing the structure of a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron hydride ion exchange membrane provided in an embodiment of the present invention.

본 발명의 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체(100)는, 애노드 전극층(110); 상기 애노드 전극층 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막층(120); 상기 육방정계 질화붕소 박막층 상에 형성된 계면 접합층(130); 및 상기 계면 접합층 상에 형성된 캐소드 전극층(140);을 포함한다.A fuel cell membrane electrode assembly (100) comprising a hexagonal boron hydride ion exchange membrane of the present invention comprises an anode electrode layer (110); A hexagonal boron nitride thin film layer 120 formed on the anode electrode layer; An interface bonding layer 130 formed on the hexagonal boron nitride thin film layer; And a cathode electrode layer 140 formed on the interfacial bonding layer.

본 발명의 일 측면에서 제공하는 연료전지 막전극 접합체는, 연료전지의 막전극 접합체 내부에 육방정계 질화붕소 박막층 및 유기바인더층을 적층시켜 사용하는 특징을 갖는다. 본 발명의 일 측면에서 제공하는 육방정계 질화붕소 박막층은, 애노드 전극층과 유기바인더층 사이에 형성되어 연료전지의 성능을 향상시키는 역할을 한다.The fuel cell membrane electrode assembly provided in one aspect of the present invention is characterized in that a hexagonal boron nitride thin film layer and an organic binder layer are laminated and used in the membrane electrode assembly of the fuel cell. The hexagonal boron nitride thin film layer provided in one aspect of the present invention is formed between the anode electrode layer and the organic binder layer to improve the performance of the fuel cell.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계면 접합층은 나피온(Nafion, Polytrifluorostyrene sulfonic acid), PMMA, 백금 및 탄소지지체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the interface bonding layer may include any one selected from the group consisting of Nafion (Polytrifluorostyrene sulfonic acid), PMMA, platinum and a carbon support.

본 발명의 일 측면에서 계면 접합층은 연료전지의 고분자 전해질막의 베이스 소재를 구성하는 것으로, 나피온, PMMA, 백금 및 탄소지지체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 계면 접합층은 육방정계 질화붕소 박막층의 지지체로서 물리적 강성을 보완하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 상기 계면 접합층은 육방정계 질화붕소 박막층과 캐소드 전극 사이의 접합력을 높이는 접합층으로써의 역할을 수행할 수 있다.In one aspect of the present invention, the interfacial bonding layer constitutes the base material of the polymer electrolyte membrane of the fuel cell, and may include any one selected from the group consisting of Nafion, PMMA, platinum and a carbon support. The interface bonding layer serves as a support for the hexagonal boron nitride thin film layer and can play a role of supplementing physical rigidity. In addition, the interface bonding layer can serve as a bonding layer for increasing the bonding strength between the hexagonal boron nitride thin film layer and the cathode electrode.

일 예로서, 나피온(Nafion, 퍼플루오르화 술폰산 중합체)을 상기 계면 접합층으로 사용할 경우 이온전도도, 화학적 안정성, 이온 선택성 등이 우수한 장점이 있다. 다만, 나피온 소재는 연료전지의 구동 과정에서 높은 메탄올 투과성으로 인해 일부 구동 환경에서 문제가 되어 왔으나, 본 발명의 일 측면에서는 계면 접합층 외에 육방정계 질화붕소 박막층을 추가적으로 포함하여 막전극 접합체를 형성함으로써 나피온 유기바인더층이 갖는 메탄올 투과성 문제를 해소할 수 있다.For example, when Nafion (perfluorinated sulfonic acid polymer) is used as the interface bonding layer, ion conductivity, chemical stability, and ion selectivity are excellent. However, the Nafion material has been a problem in some driving environments due to its high methanol permeability during the driving process of the fuel cell. However, in one aspect of the present invention, a hexagonal boron nitride thin film layer is additionally formed in addition to the interfacial bonding layer to form a membrane electrode assembly The problem of methanol permeability of the Nafion organic binder layer can be solved.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드 전극층, 상기 캐소드 전극층 또는 둘 다는 백금, 루테늄, 백금 합금, Core-Shell 구조의 백금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the anode electrode layer, the cathode electrode layer, or both may include at least one catalyst selected from the group consisting of platinum, ruthenium, a platinum alloy, and a core-shell structure platinum.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막층은 두께가 0.3 nm 내지 3.0 nm 인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film layer may have a thickness of 0.3 nm to 3.0 nm.

본 발명의 일 측면에서는 육방정계 질화붕소 박막층은 한개의 육방정계 질화붕소 단원자 단일층으로 형성될 수 있으며, 이 때 상기 육방정계 질화붕소 박막층의 두께는 0.3 nm 로 형성될 수 있다. 한편, 육방정계 질화붕소 박막층이 복수 층(Multi Layer)으로 구성되어 3.0 nm 를 초과할 경우 연료전지의 구동 과정에서 수소 이온 전달 능력이 현저히 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 바람직하게는 육방정계 질화붕소 박막층이 0.3 nm 내지 1.7 nm 두께로 형성될 때, 연료전지의 막전극 접합체로서 더 우수한 성능을 발휘할 수 있다.In one aspect of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film layer may be formed of a single hexagonal boron nitride single crystal monolayer, wherein the hexagonal boron nitride thin film layer may have a thickness of 0.3 nm. On the other hand, if the hexagonal boron nitride thin film layer is composed of a plurality of layers (more than 3.0 nm), there may occur a problem that the hydrogen ion transfer capability is significantly lowered during the driving process of the fuel cell. Preferably, when the hexagonal boron nitride thin film layer is formed to a thickness of 0.3 nm to 1.7 nm, the membrane electrode assembly of the fuel cell can exert more excellent performance.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막층은, 한 개의 교환막 또는 복수 개의 교환막을 포함하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film layer may include one exchange film or a plurality of exchange films.

본 발명의 일 측면에서는 필요에 따라 육방정계 질화붕소 박막층은 한 개의 교환막을 포함하도록 형성될 수도 있으며, 복수 개의 교환막이 형성된 교환막 집합체를 포함할 수도 있다. In one aspect of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film layer may be formed to include one exchange membrane or may include a plurality of exchange membrane assemblies having a plurality of exchange membranes.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 한 개의 교환막을 포함하는 육방정계 질화붕소 박막층은, 질화붕소 단원자 층을 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film layer including the exchange film may include a boron nitride single atomic layer.

본 발명의 일 측면에서는 육방정계 질화붕소 박막층의 각각의 교환막을 질화붕소 단원자 단일층(Single Layer)으로 형성할 수도 있다. 육방정계 질화붕소 박막층을 단원자 단일층으로 형성하는 것은 특별한 온도 및 압력 조건 및 적절하게 선택된 기판 소재 하에서만 가능한 것으로서, 아래에서 설명할 본 발명의 다른 일 측면에서는 연료전지 막전극 접합체에 포함되는 단원자 단일층 질화붕소 박막층의 제조방법을 제공하는 것을 특징으로 한다. 육방정계 질화붕소 박막층을 막전극 접합체에 포함시킬 경우, 본 발명의 일 측면에서 제공하는 육방정계 질화붕소 박막층이 Nafion 또는 탄화수소계 물질과 같은 고분자가 아니기 때문에 화학적 안정성 및 열적 안정성이 보다 우수한 효과 연료전지를 얻을 수 있다. In one aspect of the present invention, each exchange film of the hexagonal boron nitride thin film layer may be formed of a single layer of a boron nitride single element. The formation of the monocrystalline boron nitride thin film layer as a single monolayer can be performed only under a specific temperature and pressure condition and suitably selected substrate materials. In another aspect of the present invention to be described below, a unit included in the fuel cell membrane electrode assembly The present invention provides a method for producing a single-layer boron nitride thin film layer. When the hexagonal boron nitride thin film layer is included in the membrane electrode assembly, since the hexagonal boron nitride thin film layer provided in one aspect of the present invention is not a polymer such as Nafion or a hydrocarbon-based material, the fuel cell has a better chemical stability and thermal stability. Can be obtained.

본 발명의 다른 일 측면에서는 연료전지의 적용 환경을 고려하여, 육방정계 질화붕소 박막층의 각각의 교환막을 단원자 층이 복수 겹 적층되어 형성된 다층(Multi Layer)의 질화붕소 박막으로 형성할 수도 있다. 육방정계 질화붕소 박막층을 다층 구조로 형성하는 것 또한, 특별한 온도 및 압력 조건 및 적절하게 선택된 기판 소재 하에서만 가능한 것으로서, 본 발명의 다른 일 측면에서는 연료전지 막전극 접합체에 포함되는 다층 구조의 질화붕소 박막층의 제조방법을 제공하는 것을 특징으로 한다. 육방정계 질화붕소 박막층을 질화붕소 다층으로 형성하여 포함시킬 경우, 본 발명의 일 측면에서 제공하는 연료전지 막전극 접합체는 기계적 물성 증가 측면에서 우수한 효과를 구현할 수 있다. In another aspect of the present invention, each exchange membrane of the hexagonal boron nitride thin film layer may be formed of a multi-layered boron nitride thin film formed by stacking a plurality of single-element layers in consideration of the application environment of the fuel cell. The formation of the hexagonal boron nitride thin film layer in a multilayer structure is also possible only under a special temperature and pressure condition and suitably selected substrate materials. In another aspect of the present invention, the boron nitride of a multilayer structure included in the fuel cell membrane electrode assembly And a method for producing the thin film layer. When the hexagonal boron nitride thin film layer is formed of a multilayer of boron nitride, the fuel cell membrane electrode assembly provided in one aspect of the present invention can exhibit excellent effects in terms of increase in mechanical properties.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계면 접합층의 두께는 2 μm 내지 50 μm 인 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the thickness of the interface bonding layer may be in the range of 2 μm to 50 μm.

상기 계면 접합층의 두께가 2 μm 미만일 경우 물리적 강성이 약해지는 단점이 생길 수 있고, 두께가 50 μm 초과일 경우 수소 이온 전달 저항이 커져서 연료전지의 성능이 떨어지는 문제가 생길 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 계면 접합층의 두께는 5 μm 내지 20 μm 인 것일 수 있다. If the thickness of the interface bonding layer is less than 2 탆, physical stiffness may be weakened. If the thickness exceeds 50 탆, hydrogen ion transfer resistance may increase and the performance of the fuel cell may deteriorate. More preferably, the thickness of the interface bonding layer may be 5 占 퐉 to 20 占 퐉.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막층은 H, O 및 F 중 하나 이상이 기능기화 된 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film layer may be one in which at least one of H, O, and F is functionalized.

본 발명의 일 측면에서, 상기 육방정계 질화붕소 박막층은 수소 결합을 형성하는 원자인 H, O, F 원자 중 하나 이상의 성분을 포함하도록 기능기화 처리 된 육방정계 질화붕소 박막층 일 수 있다. 상기 기능기화 처리 된 육방정계 질화붕소 박막층은 B-H, B-O, B-F 및 B-F2 결합을 포함하는 것일 수 있다. In one aspect of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film layer may be a hexagonal boron nitride thin film layer functionalized to contain at least one of H, O and F atoms which are atoms forming hydrogen bonds. The functionally vaporized hexagonal boron nitride thin film layer may include BH, BO, BF and BF 2 bonds.

본 발명의 일 측면에서는 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 기판에 형성시킨 상태에서 산소 플라즈마 및 수소 플라즈마를 이용하여 산소 기능기화 및 수소 기능기화 공정을 수행할 수 있다. 또한, 기판에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 XeF2 기체에 노출시킴으로써 불소 기능기화 된 육방정계 질화붕소 박막을 형성할 수 있다.In one aspect of the present invention, the oxygen functionalization and the hydrogen functionalization process can be performed using oxygen plasma and hydrogen plasma in the state where the hexagonal boron nitride thin film is formed on the substrate. In addition, by exposing the hexagonal boron nitride thin film formed on the substrate to XeF 2 gas, a fluorine functionalized hexagonal boron nitride thin film can be formed.

본 발명의 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지는, 분리판; 집전체; 및 본 발명의 연료전지 막전극 접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함한다.The fuel cell including the hexagonal boron hydride hydrogen ion exchange membrane of the present invention comprises a separator plate; Collecting house; And at least one unit cell including the fuel cell membrane electrode assembly of the present invention.

본 발명의 다른 일 실시예에서는 본 발명의 일 실시예에 따르는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체를 포함하고, 추가적인 구성으로 분리판, 집전체를 구비한 단위 셀을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.Another embodiment of the present invention includes a fuel cell membrane electrode assembly including a hexagonal boron hydride ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention, and further includes a unit cell having a separator plate and a current collector And a fuel cell.

도 2는 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 접합체 제조방법의 각 단계를 도시한 순서도이다. 2 is a flowchart showing each step of the method for manufacturing a fuel cell junction including a hexagonal boron hydride ion exchange membrane provided in an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 접합체 제조방법의 각 단계를 그림으로 도시한 공정도이다.FIG. 3 is a process diagram illustrating each step of a method of manufacturing a fuel cell junction including a hexagonal boron hydride hydrogen ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention. FIG.

아래에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 접합체의 제조방법의 각 단계를 설명한다.Hereinafter, each step of the method for manufacturing a fuel cell junction including a hexagonal boron hydride ion exchange membrane provided in an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG.

본 발명의 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 접합체의 제조방법은, 상기 육방정계 질화붕소 박막을 기판 상의 애노드 전극 물질 상에 형성하는 단계(S100); 상기 질화붕소 박막 상에 나피온, 백금 및 탄소지지체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 계면 접합층을 코팅하는 단계(S200); 상기 코팅된 계면 접합층 상에 캐소드 전극 물질을 형성하는 단계(S300); 및 상기 기판을 제거하는 단계(S400);를 포함한다.  The method for manufacturing a fuel cell junction including the hexagonal boron hydride ion exchange membrane of the present invention comprises the steps of forming (S100) the hexagonal boron nitride thin film on an anode electrode material on a substrate; (S200) coating an interface bonding layer comprising at least one selected from the group consisting of Nafion, platinum and a carbon support on the boron nitride thin film; Forming a cathode electrode material on the coated interface bonding layer (S300); And removing the substrate (S400).

본 발명의 일 측면에서 제공하는 연료전지 접합체 제조방법은 기판(210) 상에 애노드 전극(110) 물질을 형성하고 그 위로 육방정계 질화붕소 박막(120)을 전사하여 형성하는 단계(도 3(a))를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 기판은 SiO2, Si 및 사파이어 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 소재로 형성될 수 있다. 상기 기판의 소재는 애노드 전극 물질을 상부에 형성하고, 이 후의 단계에서 분리하기에 적합한 소재로 형성되는 것이 좋다. 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 접합체 제조방법에서, 상기 기판은 연료전지 접합체를 적층 형성하기 위한 틀과 같은 기능을 수행하며, 연료전지 접합체의 적층 구조를 모두 형성한 후에 연료전지 접합체로부터 분리될 수 있다. A method of manufacturing a fuel cell junction according to an embodiment of the present invention includes forming an anode electrode material on a substrate 210 and transferring the hexagonal boron nitride thin film 120 thereon )). At this time, the substrate may be formed of a material including at least one selected from the group consisting of SiO 2 , Si, and sapphire. It is preferable that the material of the substrate is formed of a material suitable for forming the anode electrode material on the upper portion and separating in the subsequent step. In the method of manufacturing a fuel cell junction according to an aspect of the present invention, the substrate functions as a frame for forming a laminate of the fuel cell junction, and after forming all of the laminate structure of the fuel cell junction, .

또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 질화붕소 박막 상에 유기바인더(130)를 코팅하는 단계(도 3(b))를 포함할 수 있고, 유기바인더 코팅층 상에 캐소드 전극 물질(140)을 형성하는 단계(도 3(c))를 포함할 수 있다. 이로써 연료전지 접합체의 적층 구조가 형성될 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 이 후에 산 수용액 환경에서 적층 구조를 형성한 연료전지 접합체(100)로부터 상기 기판(210)을 제거하는 단계(도 3(d))가 수행될 수 있다. According to an aspect of the present invention, the method may further include coating the organic binder 130 on the boron nitride thin film (FIG. 3 (b)), and forming the cathode electrode material 140 on the organic binder coating layer (Fig. 3 (c)). Whereby a laminated structure of the fuel cell junction body can be formed. According to an aspect of the present invention, thereafter, the step of removing the substrate 210 (FIG. 3 (d)) from the fuel cell assembly 100 in which a laminated structure is formed in an aqueous acid solution environment may be performed.

본 발명의 일 측면에 따르면 이 후에 핫 플레이트 상에서 건조하는 단계, 가장자리를 밀봉(Edge Sealing)하는 단계 또는 둘 다(도 3(e))가 수행될 수 있고, 최종적으로 본 발명에서 제공하는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체를 확보(도 3(f))할 수 있다. According to one aspect of the present invention, thereafter drying on a hot plate, edge sealing or both (Fig. 3 (e)) may be performed, and finally, It is possible to secure a fuel cell membrane electrode assembly including a boron nitride hydrogen ion exchange membrane (Fig. 3 (f)).

본 발명의 일 측면에서 제공하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법에 따르면, 육방정계 질화붕소 박막을 단원자 단일층의 구조로 확보할 수도 있고, 육방정계 질화붕소 박막을 상기 단원자 단일층이 복수 겹 적층된 다층의 구조로 확보할 수도 있다. According to the method for producing a hexagonal boron nitride thin film provided in one aspect of the present invention, the hexagonal boron nitride thin film can be provided as a single monolayer structure, or a hexagonal boron nitride thin film can be formed It is also possible to obtain a multi-layer structure in which layers are stacked.

도 4는 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 단원자 단일층(Single Layer)의 육방정계 질화붕소 박막을 전사하는 방법의 각 단계를 그림으로 도시한 공정도이다. FIG. 4 is a process diagram illustrating each step of a method of transferring a mono-layer hexagonal boron nitride thin film provided in an embodiment of the present invention.

도 4(a)에는 PMMA 지지체를 백금 보조 기판 상의 단원자 단일층의 육방정계 질화붕소 박막 위에 코팅한 구조체가 도시되어 있다. 도 4(b)에는 전기분해장치에 PMMA 지지체가 코팅된 백금 보조 기판 상의 육방정계 질화붕소가 전기분해 장치에 장착된 상태가 도시되어 있다. 도 4(c)에는 전기분해장치에 전류를 흘려 육방정계 질화붕소 박막과 백금 보조 기판 사이에 수소 가스 기포(Bubble)를 발생시켜 PMMA 지지체가 코팅된 육방정계 질화붕소 박막을 백금 보조 기판으로부터 분리하는 과정이 도시되어 있다. 도 4(d)에는 분리된 PMMA 지지체가 코팅된 육방정계 질화붕소 박막을 증류수를 이용하여 세정하는 과정이 도시되어 있다. 도 4(e)에는 세정된 PMMA 지지체가 코팅된 육방정계 질화붕소 박막을 임의의 기판 상에 전사한 상태가 도시되어 있다. 도 4(f)는 임의의 기판 상에 전사된 PMMA 지지체가 코팅된 육방정계 질화붕소 박막에서, 아세톤을 이용하여 육방정계 질화붕소 박막 상의 PMMA 지지체를 제거하고 육방정계 질화붕소 박막을 확보한 상태가 도시되어 있다.Fig. 4 (a) shows a structure in which a PMMA support is coated on a hexagonal boron nitride thin film of a single monolayer on a platinum auxiliary substrate. Fig. 4 (b) shows a state in which hexagonal boron nitride on the platinum auxiliary substrate coated with the PMMA support in the electrolysis apparatus is mounted on the electrolytic apparatus. FIG. 4 (c) is a cross-sectional view illustrating a method of separating a hexagonal boron nitride thin film coated with a PMMA support from a platinum auxiliary substrate by flowing a current through the electrolytic apparatus to generate hydrogen gas bubbles between the hexagonal boron nitride thin film and the platinum auxiliary substrate The process is shown. 4 (d) shows a process of cleaning the hexagonal boron nitride thin film coated with the separated PMMA support by using distilled water. 4 (e) shows a state in which a hexagonal boron nitride thin film coated with a cleaned PMMA support is transferred onto an arbitrary substrate. 4 (f) shows a state in which a PMMA support on a hexagonal boron nitride thin film is removed by using acetone and a hexagonal boron nitride thin film is secured in a hexagonal boron nitride thin film coated with a PMMA support transferred on a certain substrate Respectively.

도 5는 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 다층(Multi Layer)의 육방정계 질화붕소 박막을 전사하는 방법의 각 단계를 그림으로 도시한 공정도이다.FIG. 5 is a process diagram illustrating each step of a method for transferring a multi-layer hexagonal boron nitride thin film provided in an embodiment of the present invention.

도 5(a)에는 사파이어 보조 기판 상에 다층의 육방정계 질화붕소 박막을 전사한 구조체가 도시되어 있다. 도 5(b)에는 PMMA 지지체를 사파이어 보조 기판 상의 다층의 육방정계 질화붕소 박막 위에 코팅한 구조체가 도시되어 있다. 도 5(c)에는 알루미늄 에칭제를 이용하여 PMMA 지지체 및 다층의 육방정계 질화붕소 박막을 사파이어 보조 기판으로부터 분리하는 과정이 도시되어 있다. 도 5(d)에는 분리된 PMMA 지지체 및 다층의 육방정계 질화붕소 박막이 도시되어 있다. 도 5(e)에는 분리된 PMMA 지지체 및 다층의 육방정계 질화붕소 박막을 임의의 기판 상에 전사하고, 아세톤을 이용하여 육방정계 질화붕소 박막 상의 PMMA 지지체를 제거하여 다층의 육방정계 질화붕소 박막을 확보한 상태가 도시되어 있다.FIG. 5 (a) shows a structure in which a multilayer hexagonal boron nitride thin film is transferred onto a sapphire auxiliary substrate. 5 (b) shows a structure in which a PMMA support is coated on a multilayer hexagonal boron nitride thin film on a sapphire auxiliary substrate. 5 (c) shows a process of separating a PMMA support and a multilayer hexagonal boron nitride thin film from an sapphire auxiliary substrate using an aluminum etchant. 5 (d) shows a separated PMMA support and a multilayer hexagonal boron nitride thin film. 5 (e), a separated PMMA support and a multilayer hexagonal boron nitride thin film are transferred onto an arbitrary substrate, and a PMMA support on a hexagonal boron nitride thin film is removed using acetone to form a multilayer hexagonal boron nitride thin film And a secured state is shown.

아래에서는 상술한 도 4 및 도 5의 각 과정을 참조하여 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 단일층 또는 복수 층 육방정계 질화붕소 박막을 전사하는 방법의 각 단계를 설명한다.Hereinafter, each step of the method of transferring the single-layer or multi-layer hexagonal boron nitride thin film provided in the embodiment of the present invention will be described with reference to the respective steps of FIG. 4 and FIG.

본 발명의 상기 육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계는, 화학적 기상 증착법(CVD법)을 이용하여 암모니아 보란을 가열하는 단계; 및 상기 가열된 암모니아 보란을 수소가스를 이용하여 고온으로 유지되는 로(Furnace) 내로 확산시켜 로 내에 존재하는 보조 기판 상에 육방정계 질화붕소 박막이 형성되는 단계를 포함할 수 있다.The step of preparing the hexagonal boron nitride thin film of the present invention includes the steps of: heating the ammonia borane using a chemical vapor deposition method (CVD method); And diffusing the heated ammonia boran into a furnace maintained at a high temperature using hydrogen gas to form a hexagonal boron nitride thin film on an auxiliary substrate existing in the furnace.

본 발명의 일 측면에서, 상기 암모니아 보란을 가열하는 단계의 온도는 80 ℃ 내지 130 ℃ 인 것일 수 있다. 본 발명의 일 측면에서, 상기 고온으로 유지되는 로의 온도는 800 ℃ 내지 1500 ℃ 인 것일 수 있다.In one aspect of the present invention, the temperature of the step of heating the ammonia boran may be 80 ° C to 130 ° C. In one aspect of the present invention, the temperature of the furnace maintained at a high temperature may be 800 ° C to 1500 ° C.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계는, 보조 기판 상에 상기 육방정계 질화붕소 박막을 형성하는 단계; 및 상기 보조 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 상기 보조 기판으로부터 분리하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of preparing the hexagonal boron nitride thin film includes: forming the hexagonal boron nitride thin film on an auxiliary substrate; And separating the hexagonal boron nitride thin film formed on the auxiliary substrate from the auxiliary substrate.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 기판 상에 상기 육방정계 질화붕소 박막을 형성하는 단계는 CVD 법에 의하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of forming the hexagonal boron nitride thin film on the auxiliary substrate may be a CVD method.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 기판은 백금을 포함하고, 상기 CVD법은 800 ℃ 내지 1100 ℃ 온도 및 0.1 Torr 내지 0.15 Torr 압력 하에서 수행되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the auxiliary substrate includes platinum, and the CVD method may be performed at a temperature of 800 ° C to 1100 ° C and a pressure of 0.1 Torr to 0.15 Torr.

본 발명의 일 측면에서는 보조 기판의 소재로 백금을 포함하고, 상기 온도 및 압력 조건 하에서 CVD 법을 수행하여, 균질한 단원자 단일층(Single Layer)의 육방정계 질화붕소 박막을 형성할 수 있다. In one aspect of the present invention, a hexagonal boron nitride thin film having a uniform single monolayer can be formed by performing CVD under the temperature and pressure conditions, including platinum as a material of the auxiliary substrate.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 기판은 사파이어를 포함하고, 상기 CVD법은 1400 ℃ 내지 1500 ℃ 온도 및 0.1 Torr 내지 0.15 Torr 의 압력 하에서 수행되는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the auxiliary substrate includes sapphire, and the CVD method may be performed at a temperature of 1400 ° C to 1500 ° C and a pressure of 0.1 Torr to 0.15 Torr.

이로써 상기 육방정계 질화붕소 박막은 다층(Multi Layer)으로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 측면에서는 보조 기판의 소재로 사파이어를 포함하고, 상기 온도 및 압력 조건 하에서 CVD 법을 수행할 때, 균질한 다층의 육방정계 질화붕소 박막을 형성할 수 있다. Thus, the hexagonal boron nitride thin film may be formed in a multi-layer structure. In one aspect of the present invention, a homogeneous multilayered hexagonal boron nitride thin film can be formed when the auxiliary substrate includes sapphire as a material of the auxiliary substrate and CVD is performed under the temperature and pressure conditions.

백금 또는 사파이어 기판은 비싸고 화학적으로 불활성 소재이므로 재활용하는 것이 매우 중요한데, 본 발명에서 제공하는 방법들을 이용하면 백금 또는 사파이어 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 성공적으로 임의의 기판으로 전달할 수 있어 값비싼 백금 또는 사파이어 기판을 재활용 할 수 있다. Since the platinum or sapphire substrate is expensive and chemically inert, it is very important to recycle it. Using the methods provided in the present invention, a hexagonal boron nitride thin film formed on a platinum or sapphire substrate can be successfully transferred to an arbitrary substrate, Platinum or sapphire substrates can be recycled.

상기 보조 기판을 백금 또는 사파이어로 하는 것은 본 발명의 제조방법에 있어서 중요한 특징 중 하나이며, 예를 들어 니켈 포일이나 구리 포일로 형성할 경우, 본 발명에서 의도하는 단원자 단일층 또는 다층의 균질한 육방정계 질화붕소 박막을 형성할 수 없다.When the auxiliary substrate is made of platinum or sapphire, it is one of the important features of the manufacturing method of the present invention. For example, when the auxiliary substrate is formed of a nickel foil or a copper foil, a single monolayer or multilayer homogeneous A hexagonal boron nitride thin film can not be formed.

한편 CVD 법을 수행하는 온도 및 압력 조건은 본 발명의 제조방법에 있어서 또 다른 중요한 특징 중 하나이며, 온도 및 압력이 상기 범위를 벗어날 경우 단원자 단일층 또는 다층의 균질한 육방정계 질화붕소 박막을 얻을 수 없거나, 전체적으로 균일한 형태의 단원자 층이 형성되지 않는 문제가 생길 수 있다.On the other hand, the temperature and pressure conditions for carrying out the CVD process are another important feature of the manufacturing method of the present invention. When the temperature and the pressure are out of the above range, a single monolayer or multilayered homogeneous hexagonal boron nitride thin film There is a problem that a mono-atomic layer having a uniform shape as a whole can not be formed.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 상기 보조 기판으로부터 분리하는 단계는, 상기 보조 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막 위로 PMMA, 폴리비닐알코올(Polyvinly Alcohol) 및 폴리스티렌(Polystyrene)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 지지체를 적층하는 단계; 상기 보조 기판으로부터 상기 육방정계 질화붕소 박막 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 상에 형성된 지지체를 분리하는 단계; 및 유기 용매를 이용하여 상기 육방정계 질화붕소 박막으로부터 상기 지지체를 제거하여 육방정계 질화붕소 박막을 수득하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of separating the hexagonal boron nitride thin film formed on the auxiliary substrate from the auxiliary substrate may include the steps of: forming a hexagonal boron nitride thin film on the auxiliary substrate by using a mixture of PMMA, polyvinyl alcohol ) And polystyrene, which are laminated on a support; Separating the hexagonal boron nitride thin film and the support formed on the hexagonal boron nitride thin film from the auxiliary substrate; And removing the support from the hexagonal boron nitride thin film using an organic solvent to obtain a hexagonal boron nitride thin film.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 기판으로부터 상기 육방정계 질화붕소 박막 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 상에 형성된 지지체를 분리하는 단계는, 전기분해 방식에 의해 발생된 수소 가스 기포를 이용하거나 알루미늄 에칭제(Etchant)를 이용하여 수행되는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the step of separating the hexagonal boron nitride thin film from the auxiliary substrate and the support formed on the hexagonal boron nitride thin film may be performed using hydrogen gas bubbles generated by an electrolysis method, And may be performed using an etchant.

본 발명의 일 예로서, 상기 전기분해 방식에 의해 발생된 수소 가스 기포를 이용하는 과정은, 예를 들어 NaOH를 포함하는 용매 환경에서 전기분해 장치의 일 전극부에 상기 보조 기판과 상기 육방정계 질화붕소 박막 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 상에 형성된 지지체를 장착하고, 전기분해를 수행하여 수소 가스를 형성하는 것일 수 있다.As an example of the present invention, the process of using the hydrogen gas bubbles generated by the electrolysis method may be performed in a solvent environment including, for example, NaOH, the auxiliary substrate and the hexagonal boron nitride A thin film and a support formed on the hexagonal boron nitride thin film, and performing electrolysis to form hydrogen gas.

상기 알루미늄 에칭제는 HF, HNO3 및 H3PO4로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 상기 알루미늄 에칭제를 이용하여 상기 보조 기판으로부터 상기 육방정계 질화붕소 박막 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 상에 형성된 지지체를 분리하는 단계는 보다 상세하게는, 사파이어 기판에 성장된 h-BN을 알루미늄 에칭제에 띄우는 방식을 이용하여 육방정계 질화붕소 박막과 사파이어 기판을 떼어내는 방법을 이용하여 수행될 수 있다.The aluminum etchant may include at least one selected from the group consisting of HF, HNO 3, and H 3 PO 4 . The step of separating the hexagonal boron nitride thin film and the support formed on the hexagonal boron nitride thin film from the auxiliary substrate using the aluminum etchant is performed using an aluminum etchant A method in which a hexagonal boron nitride thin film and a sapphire substrate are detached from each other can be used.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판을 제거하는 단계는, HF, H2NO3 및H3PO4로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 산 수용액 중에서 수행되는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the step of removing the substrate may be performed in an aqueous acid solution containing at least one selected from the group consisting of HF, H 2 NO 3 and H 3 PO 4 .

상기 기판을 제거하는 단계는 산 수용액 중에서 육방정계 질화붕소 박막과 기판과의 상호작용을 제거하는 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 이 때 상기 단계가 산 수용액 중에서 수행됨으로써 h-BN을 기판으로부터 분리하는 효과가 생길 수 있다.The step of removing the substrate may be performed by using a method of removing the interaction between the hexagonal boron nitride thin film and the substrate in an aqueous acid solution. At this time, the above step may be performed in an aqueous acid solution to separate the h-BN from the substrate.

실시예 1 Example 1

<육방정계 질화붕소 박막의 DMFC 막전극 접합체 적용 실험><Application of DMFC membrane electrode assembly of hexagonal boron nitride thin film>

본 발명에서 제공하는 단일층 육방정계 질화붕소 박막을 적용한 연료전지의성능 향상을 확인하기 위하여 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 방법을 이용하여 사파이어 기판 상에 육방정계 질화붕소 단원자 층이 3 개 적층된 형태의 다층 육방정계 질화붕소 박막층을 제조하였다. 육방정계 질화붕소 박막층 상하로는 각각 50 ㎛ 두께의 나피온 전해질 막을 형성하여 나피온 전해질 막 - 육방정계 질화붕소 박막층 - 나피온 전해질 막 형태의 샌드위치 구조를 포함하는 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)의 막전극 접합체 모델을 제작하고 성능을 평가하였다.In order to confirm the performance improvement of the fuel cell employing the single-layer hexagonal boron nitride thin film provided by the present invention, the hexagonal boron nitride single-element layer was formed on the sapphire substrate by using the method provided in one embodiment of the present invention. Layered hexagonal boron nitride thin film layer. A 50 ㎛ thick Nafion electrolyte membrane was formed on the top and bottom of the hexagonal boron nitride thin film layer to form a membrane of DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) containing sandwich structure of Nafion electrolyte membrane-hexagonal system boron nitride thin film-Nafion electrolyte membrane Electrode assembly model was fabricated and its performance was evaluated.

비교예로서, 본 발명에서 제공하는 육방정계 질화붕소 박막층을 포함하지 않는 것을 제외하면 상기 실시예와 동일하도록 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)의 막전극 접합체 모델을 제작하고 성능을 평가하였다. 상기 비교예의 DMFC 막전극 접합체에는 100 ㎛ 두께의 나피온 전해질 막을 포함하도록 제조하였다.As a comparative example, a membrane electrode assembly model of DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) was fabricated and its performance was evaluated in the same manner as in the above example, except that the hexagonal boron nitride thin film layer provided in the present invention was not included. The DMFC membrane electrode assembly of the comparative example was prepared to include a Nafion electrolyte membrane having a thickness of 100 탆.

도 6a는 본 발명의 일 실시예로서 제작한 3개 층의 육방정계 질화붕소 박막을 상하의 50 ㎛ 두께의 나피온 전해질 막 사이에 포함하는 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)의 막전극 접합체 모델에서 온도에 따른 전압 밀도를 측정한 그래프이고,FIG. 6A is a graph showing the relationship between the temperature of a three-layered hexagonal boron nitride thin film fabricated as an embodiment of the present invention in a membrane electrode assembly model of DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) containing between 50 μm thick Nafion electrolyte membranes And FIG.

도 6b는 본 발명의 비교예로 제조한 육방정계 질화붕소 막을 나피온 전해질 막 사이에 포함하지 않고 제조한 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)의 막전극 접합체 모델에서 온도에 따른 전압 밀도를 측정한 그래프이다.6B is a graph showing voltage densities according to temperature in a membrane electrode assembly model of DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) prepared without containing a hexagonal boron nitride film prepared by a comparative example of the present invention between Nafion electrolyte membranes .

아래의 표 1은 상기 실시예와 비교예로 제조된 샘플의 전압 밀도 및 그 피크 측정 값을 기록한 것이다.Table 1 below shows the voltage densities of the samples prepared in the above Examples and Comparative Examples and their peak measurement values.

Figure 112017018983517-pat00001
Figure 112017018983517-pat00001

상기 두 경우의 전압 밀도 측정 그래프와 표 1에 제시된 데이터를 비교해 보면, 육방정계 질화붕소 박막을 포함한 DMFC 막전극 접합체 모델의 경우 육방정계 질화붕소 박막을 포함하지 않는 DMFC 막전극 접합체 모델의 경우보다 대부분의 온도 영역에서 우수한 성능을 보임을 확인할 수 있었다. 또한, 본 실험을 통해 육방정계 질화붕소 박막을 포함하여 막전극 접합체를 제조할 경우 육방정계 질화붕소 박막이 종래 나피온 전해질 막의 문제로 지적되던 높은 메탄올 투과성(Methanol Crossover)을 감소시키는 효과가 있음을 확인하였다. 본 실험을 통해, 육방정계 질화붕소 박막을 연료전지의 막전극 접합체의 구성에 포함되도록 적용할 수 있음을 확인하였다.The DMFC membrane electrode assembly model including the hexagonal boron nitride thin film was compared with the DMFC membrane electrode assembly model without the hexagonal boron nitride thin film in comparison with the data shown in Table 1 And it was confirmed that it showed excellent performance in the temperature range of. In addition, when the membrane electrode assembly including the hexagonal boron nitride thin film is manufactured through this experiment, the hexagonal boron nitride thin film has the effect of reducing the high methanol permeability (methanol crossover), which is a problem of the conventional Nafion electrolyte membrane Respectively. Through this experiment, it was confirmed that the hexagonal boron nitride thin film can be applied to the structure of the membrane electrode assembly of the fuel cell.

실시예 2 Example 2

<육방정계 질화붕소 박막의 PEMFC 막전극 접합체 적용 실험><Application of PEMFC membrane electrode junction of hexagonal boron nitride thin film>

본 발명에서 제공하는 단일층 육방정계 질화붕소 박막을 적용한 연료전지의성능 향상을 확인하기 위하여 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 방법을 이용하여 백금 기판 상에 육방정계 질화붕소 단원자 단일층 육방정계 질화붕소 박막층을 제조하고, 상기 육방정계 질화붕소 단원자 단일층 박막을 분리하였다. 분리된 육방정계 질화붕소 단원자 단일층 박막을 이용하여, 애노드 전극층 - 육방정계 질화붕소 박막층 - 나피온 바인더 층 - 캐소드 전극 층 구조의 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 막전극 접합체 모델을 제조하였다.In order to confirm the performance improvement of the fuel cell using the single-layer hexagonal boron nitride thin film provided by the present invention, a hexagonal boron nitride single-layer hexagonal system A boron nitride thin film layer was prepared and the hexagonal boron nitride single element thin film was separated. A PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) membrane electrode assembly model was fabricated by using the separated hexagonal boron nitride monolayer single layer thin film, an anode electrode layer - hexagonal boron nitride thin film layer - Nafion binder layer - cathode electrode layer structure.

도 7은 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 단일층의 육방정계 질화붕소 막을 포함하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)의 막전극 접합체에 모델에서 전류 밀도에 따른 셀 전압을 측정한 그래프이다. FIG. 7 is a graph showing a cell voltage according to current density in a model of a membrane electrode assembly of a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) including a monolayer hexagonal boron nitride film provided in an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 단일층의 육방정계 질화붕소 막을 포함하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)의 막전극 접합체에 모델에서 전류 밀도에 따른 HFR(High frequency resistance) 값을 측정한 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing the results of measurement of the HFR (High frequency resistance) value according to the current density in a model electrode assembly of a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) including a monolayer hexagonal boron nitride film provided in an embodiment of the present invention It is a graph.

상기 실험을 통해 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 육방정계 질화붕소 박막층을 포함하는 연료전지 막전극 접합체 셀의 구동 결과가 우수함을 확인하였다.Through the above experiments, it was confirmed that the results of driving the fuel cell membrane electrode assembly cell including the hexagonal boron nitride thin film layer provided by the embodiment of the present invention are excellent.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.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. For example, if the techniques described are performed in a different order than the described methods, and / or if the described components are combined or combined in other ways than the described methods, or are replaced or substituted by other components or equivalents Appropriate results can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (17)

애노드 전극층;
상기 애노드 전극층 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막층;
상기 육방정계 질화붕소 박막층 상에 형성된 계면 접합층(Interfacial Binding Layer); 및
상기 계면 접합 층 상에 형성된 캐소드 전극층;을 포함하고,
상기 육방정계 질화붕소 박막층은 B-H, B-F 및 B-F2 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하도록 기능기화 처리된 것인,
육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체.
An anode electrode layer;
A hexagonal boron nitride thin film layer formed on the anode electrode layer;
An interfacial bonding layer formed on the hexagonal boron nitride thin film layer; And
And a cathode electrode layer formed on the interface bonding layer,
Wherein the hexagonal boron nitride thin film layer is functionalized to contain at least one selected from the group consisting of BH, BF and BF 2 .
A fuel cell membrane electrode assembly comprising a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane.
제1항에 있어서,
상기 계면 접합층은 나피온(Nafion, Polytrifluorostyrene sulfonic acid), PMMA, 백금 및 탄소지지체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체.
The method according to claim 1,
Wherein the interface bonding layer comprises at least one selected from the group consisting of Nafion (Polytrifluorostyrene sulfonic acid), PMMA, platinum and a carbon support.
A fuel cell membrane electrode assembly comprising a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane.
제1항에 있어서,
상기 애노드 전극층, 상기 캐소드 전극층 또는 둘 다는 백금, 루테늄, 백금 합금, Core-Shell 구조의 백금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함하는 것인,
육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체.
The method according to claim 1,
Wherein the anode electrode layer, the cathode electrode layer, or both comprise at least one catalyst selected from the group consisting of platinum, ruthenium, platinum alloy, Core-Shell platinum,
A fuel cell membrane electrode assembly comprising a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane.
◈청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈ Claim 4 is abandoned due to the registration fee. 제1항에 있어서,
상기 육방정계 질화붕소 박막층은 두께가 0.3 nm 내지 3.0 nm 인 것인,
육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체.
The method according to claim 1,
Wherein the hexagonal boron nitride thin film layer has a thickness of 0.3 nm to 3.0 nm.
A fuel cell membrane electrode assembly comprising a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane.
제1항에 있어서,
상기 육방정계 질화붕소 박막층은, 한 개의 교환막 또는 복수 개의 교환막을 포함하는 것인,
육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체.
The method according to claim 1,
Wherein the hexagonal boron nitride thin film layer comprises one exchange film or a plurality of exchange films.
A fuel cell membrane electrode assembly comprising a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane.
제5항에 있어서,
상기 한 개의 교환막을 포함하는 육방정계 질화붕소 박막층은, 질화붕소 단원자 층을 포함하는 것인,
육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체
6. The method of claim 5,
Wherein the hexagonal boron nitride thin film layer containing the one exchange film comprises a boron nitride single element layer.
A fuel cell membrane electrode assembly comprising a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane
◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈ Claim 7 is abandoned due to registration fee. 제1항에 있어서,
계면 접합층의 두께는 2 μm 내지 50 μm 인 것인,
육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체.
The method according to claim 1,
And the thickness of the interface bonding layer is 2 占 퐉 to 50 占 퐉.
A fuel cell membrane electrode assembly comprising a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane.
삭제delete 분리판;
집전체; 및
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 연료전지 막전극 접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함하는,
육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지.
Separation plate;
Collecting house; And
10. A fuel cell membrane electrode assembly comprising: at least one unit cell comprising the fuel cell membrane electrode assembly of any one of claims 1 to 7;
A fuel cell comprising a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane.
육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계;
상기 육방정계 질화붕소 박막을 수소 플라즈마를 이용하여 수소 기능기화를 수행하는 단계 또는 상기 육방정계 질화붕소 박막을 XeF2 기체에 노출시킴으로써 불소 기능기화를 수행하는 단계;
상기 육방정계 질화붕소 박막을 기판 상의 애노드 전극 물질 상에 형성하는 단계;
상기 질화붕소 박막 상에 나피온, 백금 및 탄소지지체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 유기 바인더를 코팅하는 단계;
계면 접합 코팅 상에 캐소드 전극 물질을 형성하는 단계; 및
상기 기판을 제거하는 단계;를 포함하는,
육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체의 제조방법.
Preparing a hexagonal boron nitride thin film;
Performing the hydrogen functionalization of the hexagonal boron nitride thin film using hydrogen plasma or exposing the hexagonal boron nitride thin film to XeF 2 gas to perform fluorine functionalization;
Forming the hexagonal boron nitride thin film on the anode electrode material on the substrate;
Coating an organic binder comprising at least one selected from the group consisting of Nafion, platinum and a carbon support on the boron nitride thin film;
Forming a cathode electrode material on the interfacial bonding coating; And
And removing the substrate.
And a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane.
제10항에 있어서,
상기 육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계는,
보조 기판 상에 상기 육방정계 질화붕소 박막을 형성하는 단계; 및
상기 보조 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 상기 보조 기판으로부터 분리하는 단계; 를 포함하는 것인,
육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The step of preparing the hexagonal boron nitride thin film includes:
Forming a hexagonal boron nitride thin film on an auxiliary substrate; And
Separating the hexagonal boron nitride thin film formed on the auxiliary substrate from the auxiliary substrate; &Lt; / RTI &gt;
And a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane.
제11항에 있어서,
상기 보조 기판 상에 상기 육방정계 질화붕소 박막을 형성하는 단계는 CVD 법에 의하는 것인,
육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체의 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the step of forming the hexagonal boron nitride thin film on the auxiliary substrate is a CVD method,
And a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane.
제12항에 있어서,
상기 보조 기판은 백금을 포함하고,
상기 CVD법은 800 ℃ 내지 1100 ℃ 온도 및 0.1 Torr 내지 0.15 Torr 압력 하에서 수행되는 것인,
육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the auxiliary substrate comprises platinum,
Wherein the CVD process is performed at a temperature of 800 ° C to 1100 ° C and a pressure of 0.1 Torr to 0.15 Torr.
And a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane.
제12항에 있어서,
상기 보조 기판은 사파이어를 포함하고,
상기 CVD법은 1400 ℃ 내지 1500 ℃ 온도 및 0.1 Torr 내지 0.15 Torr 의 압력 하에서 수행되는 것인,
육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the auxiliary substrate comprises sapphire,
Wherein the CVD process is performed at a temperature of 1400 to 1500 占 폚 and a pressure of 0.1 Torr to 0.15 Torr.
And a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane.
제11항에 있어서,
상기 보조 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 상기 보조 기판으로부터 분리하는 단계는,
상기 보조 기판 상에 형성된 육방정계 질화붕소 박막 위로 PMMA, 폴리비닐알코올(Polyvinly Alcohol) 및 폴리스티렌(Polystyrene)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 지지체를 적층하는 단계;
상기 보조 기판으로부터 상기 육방정계 질화붕소 박막 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 상에 형성된 지지체를 분리하는 단계; 및
유기 용매를 이용하여 상기 육방정계 질화붕소 박막으로부터 상기 지지체를 제거하여 육방정계 질화붕소 박막을 수득하는 단계;를 포함하는 것인,
육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체의 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the step of separating the hexagonal boron nitride thin film formed on the auxiliary substrate from the auxiliary substrate comprises:
Depositing a support including at least one selected from the group consisting of PMMA, polyvinyl alcohol and polystyrene on a hexagonal boron nitride thin film formed on the auxiliary substrate;
Separating the hexagonal boron nitride thin film and the support formed on the hexagonal boron nitride thin film from the auxiliary substrate; And
And removing the support from the hexagonal boron nitride thin film using an organic solvent to obtain a hexagonal boron nitride thin film.
And a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane.
제15항에 있어서,
상기 보조 기판으로부터 상기 육방정계 질화붕소 박막 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 상에 형성된 지지체를 분리하는 단계는,
전기분해 방식에 의해 발생된 수소 가스 기포를 이용하거나 알루미늄 에칭제(Etchant)를 이용하여 수행되는 것인,
육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체의 제조방법.
16. The method of claim 15,
Separating the support formed from the hexagonal boron nitride thin film and the hexagonal boron nitride thin film from the auxiliary substrate,
Wherein the hydrogen gas bubbles generated by the electrolysis method are used or an aluminum etchant is used.
And a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane.
제10항에 있어서,
상기 기판을 제거하는 단계는,
HF, H2NO3 및 H3PO4로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 산 수용액 중에서 수행되는 것인,
육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체의 제조방법.

11. The method of claim 10,
Wherein removing the substrate comprises:
HF, H 2 NO 3, and H 3 PO 4 , in an aqueous acid solution containing at least one selected from the group consisting of HF, H 2 NO 3, and H 3 PO 4 .
And a hexagonal boron nitride hydrogen ion exchange membrane.

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