KR100484499B1 - Composition of Polymer Electrolytes for Direct Methanol Fuel Cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 불화수소계열 고분자와 주쇄가 퍼플루오로네이트계인 이오노머를 포함하는 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물에 있어서, 주쇄가 탄화수소계인 이오노머 예를 들면 술폰화된 스티렌계 고분자 이오노머, 아크릴산계 고분자 이오노머 및 이들 고분자 이오노머의 2종 이상의 혼합 이오노머를 포함하는 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물을 개시한다.The present invention relates to a polymer electrolyte composition for a direct methanol fuel cell comprising a hydrogen fluoride-based polymer and an ionomer having a main chain of perfluoronate, wherein the main chain is a hydrocarbon-based ionomer such as a sulfonated styrene polymer ionomer, an acrylic acid polymer ionomer, and Disclosed is a polymer electrolyte composition for a direct methanol fuel cell comprising two or more mixed ionomers of these polymer ionomers.

상기 구성에 의하면 종래 사용되는 직접 메탄올 연료전지용 고분자막에 비해 메탄올 크로스오버를 최소화하고, 두께가 얇으면서도 기계적 물성 및 수소이온 전도 특성이 우수한 고분자 전해질을 제조할 수 있다.According to the above configuration, it is possible to produce a polymer electrolyte which has a small thickness and excellent mechanical properties and hydrogen ion conducting properties while minimizing methanol crossover compared to a conventional polymer film for direct methanol fuel cells.

Description

직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물{Composition of Polymer Electrolytes for Direct Methanol Fuel Cell} Polymer electrolyte composition for direct methanol fuel cell {Composition of Polymer Electrolytes for Direct Methanol Fuel Cell}

본 발명은 불화수소계열 고분자와 주쇄가 퍼플루오로네이트계인 이오노머를 포함하는 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물로서, 보다 상세하게는 기계적 물성 및 수소이온 전도 특성이 개선된 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물에 관한 것이다.The present invention is a polymer electrolyte composition for a direct methanol fuel cell comprising a hydrogen fluoride-based polymer and an ionomer having a main chain of perfluoronate, and more particularly, to a polymer electrolyte composition for a direct methanol fuel cell having improved mechanical properties and hydrogen ion conductivity. It is about.

연료전지는 전극반응으로 연료의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시켜주는 일종의 직류발전 장치로서 다른 발전기관과는 달리 카르노(Carnot) 싸이클의 제한을 받지 않으므로 에너지 효율이 높고, 배기가스 등의 문제점이 적다. 또한 1, 2차 전지가 제한된 에너지를 저장하여 공급하는 장치인데 반해, 연료전지는 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적인 발전이 가능하다는 장점을 가진다.Fuel cell is a DC generator that directly converts chemical energy of fuel into electrical energy by electrode reaction. Unlike other generator tubes, fuel cell is not restricted by Carnot cycle, so it has high energy efficiency and exhaust gas. little. In addition, while primary and secondary cells store and supply limited energy, fuel cells have the advantage of being able to generate power as long as fuel is continuously supplied.

연료전지는 작동온도 및 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지 (Proton Exchange Membrane Fuel Cell : PEMFC), 알칼리 연료전지(Alkali Fuel Cell : AFC), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell : PAFC), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell : MCFC), 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell : SOFC) 등으로 나뉠 수 있다. 이 중 고분자 전해질 연료전지는 수소이온 전도특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로, 연료를 수소가 아닌 메탄올을 사용할 경우 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC)라 하여 고분자 전해질 연료전지와 따로 분류하기도 한다. 이러한 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 또는 직접 메탄올 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 작동온도가 낮고, 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답특성이 빠르다. 특히 전해질로 고분자막을 사용하기 때문에 부식 및 전해질의 pH 조절 등이 필요 없고 반응기체의 압력변화에도 덜 민감하다. 또한 디자인이 간단하고 제작이 쉬우며, 부피와 무게도 작동원리가 같은 인산형 연료전지에 비해 작고 가볍다. 이러한 특성 이외에도 다양한 범위의 출력을 낼 수 있기 때문에, 이러한 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지는 무공해 차량의 동력원, 주거용 발전, 우주선용 전원, 이동용 전원, 군사용 전원 등 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다. 특히, 직접 메탄올 연료전지의 경우에는 상온 및 상압에서 구동되는 특성으로 인해 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등과 같은 소형 이동용 전원으로 기존의 이차전지를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.The fuel cell can be melted according to the operating temperature and the type of electrolyte.Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), Alkali Fuel Cell (AFC), Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). Among them, a polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell using a polymer membrane having hydrogen ion conductivity as an electrolyte. When a fuel is used instead of hydrogen, a polymer electrolyte fuel cell is called a direct methanol fuel cell (DMFC). It is also classified separately from. The polymer electrolyte fuel cell or direct methanol fuel cell using the polymer membrane as an electrolyte has a lower operating temperature, a shorter startup time, and a faster response to load changes than other fuel cells. In particular, since the polymer membrane is used as the electrolyte, corrosion and pH control of the electrolyte are not necessary and are less sensitive to changes in the pressure of the reactor. In addition, the design is simple and easy to manufacture, and its volume and weight are smaller and lighter than phosphate fuel cells with the same principle of operation. In addition to these characteristics, it is possible to produce a wide range of output, the fuel cell using the polymer membrane as an electrolyte can be applied to a wide variety of fields such as power source of pollution-free vehicles, residential power generation, spacecraft power, mobile power, military power. In particular, the direct methanol fuel cell is expected to be able to replace the existing secondary battery with a small mobile power source such as a mobile phone, a notebook computer, a camcorder due to the characteristics of operating at room temperature and pressure.

그러나 직접 메탄올 연료전지 개발의 가장 큰 제약은 연료가 공급되는 음극에서 메탄올이 양극으로 넘어가 성능을 저하시키는 크로스오버(Crossover) 현상이다. 이로 인해 양극과 음극사이의 전위차가 감소되고 연료가 손실되며 양극에서의 환원반응을 방해함으로써 전류밀도를 감소시킨다. 따라서 직접 메탄올 연료전지의 성공 여부는 메탄올 크로스오버가 최소화된 막 개발에 있다.However, the biggest limitation of direct methanol fuel cell development is a crossover phenomenon where methanol is transferred from the fueled cathode to the anode and degraded. This reduces the potential difference between the anode and the cathode, loses fuel and reduces the current density by interrupting the reduction reaction at the anode. Thus, the success of direct methanol fuel cells lies in the development of membranes with minimal methanol crossover.

본 발명자는 상기한 종래 기술의 단점을 극복하기 위한 방안을 연구하여 오던 중 불화수소계열 고분자와 주쇄가 퍼플루오로네이트계인 이오노머를 주성분으로 함유하는 블랜드내에 주쇄가 탄화수소계인 이오노머를 배합하는 경우 메탄올 크로스오버를 최소화하고, 두께가 얇으면서도 기계적 물성 및 수소이온 전도 특성이 개선됨을 발견하고서 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have studied ways to overcome the drawbacks of the prior art described above. In the case of blending an ionomer having a main chain of hydrocarbon type in a blend containing a hydrogen fluoride series polymer and an ionomer having a main chain of perfluoronate as a main component, the methanol cross The present invention has been completed by discovering that the mechanical properties and hydrogen ion conduction properties are improved while minimizing over, and having a small thickness.

이에 본 발명의 목적은 종래에 비해 경박화가 가능하고, 기계적 물성 및 수소이온 전도 특성이 개선된 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물을 제공함에 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte composition for a direct methanol fuel cell, which can be made thinner and has improved mechanical properties and hydrogen ion conductivity compared with the related art.

본 발명은 불화수소계열 고분자와 주쇄가 퍼플루오로네이트계인 이오노머를 포함하는 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물로서,The present invention is a polymer electrolyte composition for a direct methanol fuel cell comprising a hydrogen fluoride-based polymer and an ionomer whose main chain is perfluoronate-based,

주쇄가 탄화수소계인 이오노머를 포함함을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물을 포함한다.It includes a polymer electrolyte composition for direct methanol fuel cell, characterized in that the main chain comprises a hydrocarbon-based ionomer.

불화수소계열 고분자는 기계적 물성, 열적안정성, 내화학성, 가공성 및 메탄올 장벽성에서 우수한 것인 한 특별한 한정을 요하지는 아니한다. 이러한 요건을 만족하는 대표적인 고분자로는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 공중합체(PVDF-Co-HFP)가 있다. 특히 폴리비닐리덴플루오라이드는 가격이 저렴하여 전기화학적 소재로 많이 적용되며, 바람직하기로는 분자량이 50,000g/mol∼1,000,000g/mol인 범위의 것에서 선택될 수 있다. 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌은 바람직하기로는 공중합체 내에서 헥사플루오로프로필렌의 함량이 0.1∼50중량%인 것으로서, 바람직하기로는 분자량이 100,000g/mol∼500,000g/mol인 범위의 것에서 선택될 수 있다.Hydrogen fluoride polymers do not require special limitations so long as they are excellent in mechanical properties, thermal stability, chemical resistance, processability and methanol barrier properties. Representative polymers that meet these requirements include polyvinylidene fluoride (PVDF) and copolymers of vinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-Co-HFP). In particular, polyvinylidene fluoride is inexpensive and is widely applied as an electrochemical material. Preferably, the polyvinylidene fluoride may be selected from the range of 50,000 g / mol to 1,000,000 g / mol. Vinylidene fluoride-hexafluoropropylene preferably has a content of hexafluoropropylene in the copolymer in the range of 0.1 to 50% by weight, preferably in the range of 100,000 g / mol to 500,000 g / mol in molecular weight. Can be selected.

블랜드{(불화수소계열 고분자)+(주쇄가 퍼플루오로네이트계인 이오노머), 이하 동일} 내에서 상기 불화수소계열 고분자의 함량은 바람직하기로는 0.1∼99.9중량%, 보다 바람직하기로는 60∼90중량% 이다. 만일 0.1중량% 미만으로 첨가하는 경우 메탄올 크로스오버가 높아질 우려가 있으며, 99.9중량%를 초과하는 경우 메탄올 크로스오버는 낮아지나 이온전도도가 낮아질 우려가 있다.The content of the hydrogen fluoride polymer in the blend {(hydrogen fluoride polymer) + (the ionomer whose main chain is a perfluoronate), hereinafter same} is preferably 0.1 to 99.9% by weight, more preferably 60 to 90% by weight. % to be. If it is added less than 0.1% by weight, there is a fear that methanol crossover is high, and when it exceeds 99.9% by weight methanol crossover is low but there is a fear that the ion conductivity is lowered.

주쇄가 퍼플루오로네이트계인 이오노머의 예로는, 상품명으로 나피온 (Nafion, 듀퐁사), 플레미온(Flemion, 듀퐁사), 아시플렉스(Aciplex, 듀퐁사) 등이 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상의 혼합 이오노머로 제공되어진다. 상기 이오노머들은 블랜드 내에서 바람직하기로는 0.1∼99.9중량%, 보다 바람직하기로는 10∼40중량% 첨가된다. 만일 0.1중량% 미만으로 첨가하는 경우 이온전도도가 낮아질 우려가 있으며, 99.9중량%를 초과하는 경우 이온전도도는 개선되지만 메탄올 크로스오버가 높아질 우려가 있다.Examples of ionomers whose main chains are perfluoronates include Nafion (Dupont), Flemion (Dupont), and Aciplex (Dupont) as trade names. It is provided with the above mixed ionomer. The ionomers are preferably added in the blend at 0.1 to 99.9% by weight, more preferably at 10 to 40% by weight. If the content is less than 0.1% by weight, the ion conductivity may be lowered. If the content is more than 99.9% by weight, the ion conductivity may be improved, but methanol crossover may be increased.

주쇄가 탄화수소계인 이오노머의 예를 들면, 술폰화된 스티렌계 고분자 이오노머, 아크릴산계 고분자 이오노머 및 이들 고분자 이오노머의 2종 이상의 혼합 이오노머가 있으며, 분자량은 특별한 한정을 요하는 것은 아니지만 바람직하기로는 5,000g/mol∼500,000g/mol인 고분자로부터 선택된다.Examples of ionomers whose main chain is hydrocarbon-based include sulfonated styrene polymer ionomers, acrylic acid polymer ionomers and two or more mixed ionomers of these polymer ionomers, the molecular weight of which is not particularly limited but is preferably 5,000 g / mol to 500,000 g / mol.

상기 술폰화된 스티렌계 고분자 이오노머의 예를 들면, 폴리(소디움-4-스티렌술포네이트), 폴리스티렌(술폰산-코-말산) 또는 술폰화된 폴리스티렌-블록-폴리(에틸렌-랜-부틸렌)-블록-폴리스티렌이 있다. 또한 상기 아크릴산계 고분자 이오노머의 예를 들면, 폴리메틸메타크릴레이트 이오노머가 있다. 상기 술폰화된 스티렌계 고분자 이오노머 및 아크릴산계 고분자 이오노머는 각각 단독으로 또는 혼합된 2종 성분이상의 형태로 블랜드에 첨가가 가능하다.Examples of the sulfonated styrenic polymer ionomer include poly (sodium-4-styrenesulfonate), polystyrene (sulfonic acid-co-malic acid) or sulfonated polystyrene-block-poly (ethylene-lan-butylene)- Block-polystyrene. Further examples of the acrylic acid polymer ionomer include polymethyl methacrylate ionomers. The sulfonated styrene-based polymer ionomer and acrylic acid-based polymer ionomer may be added to the blend alone or in combination of two or more kinds of components.

주쇄가 탄화수소계인 이오노머는 특별한 한정을 요하는 것은 아니지만 블랜드의 중량을 기준으로 0.01∼50phr, 보다 바람직하기로는 0.1∼5phr 첨가된다. 만일 0.01phr 미만으로 첨가되는 경우 블랜드 막의 기계적 강도가 약하고 이온전도도가 낮아질 우려가 있으며, 50phr을 초과하는 경우 블랜드 막의 기계적 강도가 약해질 우려가 있다.The ionomer whose main chain is hydrocarbon-based does not require any particular limitation, but is added in an amount of 0.01 to 50 phr, more preferably 0.1 to 5 phr, based on the weight of the blend. If the amount is less than 0.01 phr, the mechanical strength of the blend membrane may be weak and the ion conductivity may be lowered. If it exceeds 50 phr, the mechanical strength of the blend membrane may be weakened.

본 발명의 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물의 제조방법은,Method for producing a polymer electrolyte composition for direct methanol fuel cell of the present invention,

먼저 불화수소계열 고분자를 적당한 유기용매에 용해한 후 주쇄가 퍼플루오로네이트계인 이오노머 및 주쇄가 탄화수소계인 이오노머를 혼합하여 일정시간 교반하는 단계와, 상기 고분자 조성물을 유리판 위에서 닥터블레이드(Docter Blade)등을 이용해 일정한 두께로 캐스팅(Casting)하고 건조하는 단계를 포함한다.First, the hydrogen fluoride-based polymer is dissolved in a suitable organic solvent, followed by mixing the main chain perfluoronate ionomer and the main chain hydrocarbon ionomer and stirring the mixture for a predetermined time. Casting to a constant thickness and drying.

본 발명의 보다 확실한 이해를 돕기 위해 상기 제조단계가 보다 구체화된 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상세히 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 아니된다.In order to facilitate a clearer understanding of the present invention, the contents of the present invention will be described in detail through preferred embodiments of the above-described manufacturing steps. However, these examples are only presented to understand the content of the present invention, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to these embodiments.

<실시예 1><Example 1>

불화수소계열 고분자로 용융온도가 135℃이며, 헥사플루오로프로필렌의 함량이 15중량%인 PVDF-co-HFP(상품명: Kynar Flex 2751, 아토피나)를 일정량 아세톤에 용해시켰다. 여기에 순수하게 나피온의 무게비가 20중량%가 되도록 나피온 용액(20중량%, EW1,000, 듀퐁사)을 정량하여 상기 Kynar Flex 2751 용액과 혼합하였다. 약 5분 정도 상기 용액을 혼합한 후 닥터블레이드를 이용해 유리판 위에서 50 마이크로미터 두께로 주형(Casting)작업을 수행하였다. 이후 상온에서 약 2시간 건조한 후 증류수를 이용해 유리판으로부터 블랜드 막을 떼어내었다.Hydrogen fluoride-based polymer was dissolved in a certain amount of acetone PVDF-co-HFP (trade name: Kynar Flex 2751, Atopina) having a melting temperature of 135 ℃ and a hexafluoropropylene content of 15% by weight. Nafion solution (20% by weight, EW1,000, DuPont) was quantified so that the weight ratio of Nafion was 20% by weight, and mixed with the Kynar Flex 2751 solution. The solution was mixed for about 5 minutes and then casted to a thickness of 50 micrometers on a glass plate using a doctor blade. After drying at room temperature for about 2 hours, the blend membrane was removed from the glass plate using distilled water.

상기 과정으로 제조된 고분자 전해질막을 이용해 80℃의 H2O2에서 2시간, 1M H2SO4에서 2시간, H20에서 2시간씩 전처리를 수행한 후 이를 대상으로 FRA(Frequency Response Analyzer)로 허수 임피던스 0에서의 실수 임피던스를 읽어 막의 저항을 측정한 후 수소이온 전도도를 계산하였다.The process of the polymer electrolyte for 2 hours at H 2 O 2 of 80 ℃ using film made of, 1M H 2 SO 2 hours at 4, after performing a pre-treatment for 2 hours in H 2 0 (Frequency Response Analyzer) with this destination FRA The resistance of the membrane was measured by reading the real impedance at imaginary impedance 0, and the hydrogen ion conductivity was calculated.

또한 고분자 전해질막의 폭을 1.5mm로 하여 UTM(Universal Testing Machine)을 이용하여 200mm/분의 속도로서 인장강도 및 신율을 측정하였다.In addition, the tensile strength and elongation of the polymer electrolyte membrane were measured at a speed of 200 mm / min using a UTM (Universal Testing Machine).

상기 각 실험결과는 표 1에 정리된 바와 같다.Each experimental result is summarized in Table 1.

<실시예 2><Example 2>

Kynar Flex 2751 1.2g(블랜드 기준 80중량%)을 아세톤 10mL에 용해하였다(용액 1). 폴리스티렌(술폰산-코-말산)의 나트륨염(sodium salt)(Mw:20,000, 분자 구조 중 술폰산이 SO3 - NA+ 형태. 제조사: Aldrich사) 0.0015g(0.1 phr)을 나피온 용액(20wt%, EW1,000, 듀퐁사) 1.5g에 넣고 5분간 용해하였다(용액 2). 완전히 녹인 용액 1과 용액 2를 혼합한 후 유리판 위에서 닥터블레이드를 이용해 50 마이크로미터 두께로 주형작업을 수행하였다. 수소이온 전도도와 기계적 물성의 측정은 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.1.2 g of Kynar Flex 2751 (80% by weight blend) were dissolved in 10 mL of acetone (solution 1). Sodium salt of polystyrene (sulfonic acid-co-malic acid) (Mw: 20,000, sulfonic acid in the form of SO 3 - NA + in the molecular structure.Manufacturer: Aldrich) 0.0015 g (0.1 phr) of Nafion solution (20wt% , EW1,000, DuPont) and dissolved in 5 minutes (solution 2). After completely dissolved solution 1 and solution 2 were mixed, the mold was performed to a thickness of 50 micrometers using a doctor blade on a glass plate. Hydrogen ion conductivity and mechanical properties were measured in the same manner as in Example 1.

<실시예 3><Example 3>

폴리스티렌(술폰산-코-말산)의 나트륨염(Mw:20,000)을 0.0045g(0.3phr)을 첨가하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 고분자 전해질 막을 제조하였다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 2, except that 0.0045 g (0.3 phr) of sodium salt (Mw: 20,000) of polystyrene (sulfonic acid-co-malic acid) was added.

<실시예 4><Example 4>

폴리스티렌(술폰산-코-말산)의 나트륨염(Mw:20,000)을 0.0075g(0.5phr)을 첨가하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 고분자 전해질 막을 제조하였다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 2, except that 0.0075 g (0.5 phr) of sodium salt (Mw: 20,000) of polystyrene (sulfonic acid-co-malic acid) was added.

<실시예 5>Example 5

폴리스티렌(술폰산-코-말산)의 나트륨염(Mw:20,000)을 0.015g(1phr)을 첨가하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 고분자 전해질 막을 제조하였다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 2, except that 0.015 g (1 phr) of sodium salt (Mw: 20,000) of polystyrene (sulfonic acid-co-malic acid) was added.

<실시예 6><Example 6>

폴리(소디움-4-스티렌술포네이트)(Mw:70,000)를 0.0015g(0.1phr)을 첨가하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 고분자 전해질 막을 제조하였다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 2, except that 0.0015 g (0.1 phr) of poly (sodium-4-styrenesulfonate) (Mw: 70,000) was added.

<실시예 7><Example 7>

폴리(소디움-4-스티렌술포네이트)(Mw:70,000)를 0.0045g(0.3phr)을 첨가하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 고분자 전해질 막을 제조하였다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 2, except that 0.0045 g (0.3 phr) of poly (sodium-4-styrenesulfonate) (Mw: 70,000) was added.

<실시예 8><Example 8>

폴리(소디움-4-스티렌술포네이트)(Mw:70,000)를 0.0075g(0.5phr)을 첨가하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 고분자 전해질 막을 제조하였다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 2, except that 0.0075 g (0.5 phr) of poly (sodium-4-styrenesulfonate) (Mw: 70,000) was added.

<실시예 9>Example 9

폴리(소디움-4-스티렌술포네이트)(Mw:70,000)를 0.015g(1phr)을 첨가하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 고분자 전해질 막을 제조하였다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 2, except that 0.015 g (1 phr) of poly (sodium-4-styrenesulfonate) (Mw: 70,000) was added.

<시험예 1><Test Example 1>

상기 실시예 1 내지 실시예 9에 의해 제조된 직접 메탄올 연료전지용 고분자 막을 대상으로 이온전도도, 컨덕턴스(Conductance), 항복인장강도, 신율 및 메탄올 크로스오버를 측정한 결과는 하기 표 1과 같다.The ionic conductivity, conductance, yield strength, elongation and methanol crossover of the polymer membrane for the direct methanol fuel cell prepared by Examples 1 to 9 are measured as shown in Table 1 below.

<표 1>TABLE 1

항목Item 이온전도도(S/cm)*10-3 Ionic Conductivity (S / cm) * 10 -3 컨덕턴스(S/cm2)*10-1 Conductance (S / cm 2 ) * 10 -1 항복인장강도(kgf/cm2)Yield Tensile Strength (kgf / cm 2 ) 신율(%)% Elongation 메탄올 크로스오버(cm2/s)*10-6 Methanol Crossover (cm 2 / s) * 10 -6 나피온 117Nafion 117 8.848.84 4.214.21 항복점 없음No yield point 75.875.8 2.52.5 실시예 1Example 1 1.521.52 3.043.04 164.3164.3 71.671.6 0.150.15 실시예 2Example 2 1.841.84 3.683.68 197.5197.5 232.9232.9 0.150.15 실시예 3Example 3 2.072.07 4.144.14 207.6207.6 183.2183.2 0.170.17 실시예 4Example 4 2.112.11 4.224.22 209.4209.4 141.9141.9 0.170.17 실시예 5Example 5 2.452.45 4.904.90 212.1212.1 103.5103.5 0.180.18 실시예 6Example 6 1.691.69 3.383.38 198.7198.7 212.1212.1 0.150.15 실시예 7Example 7 1.731.73 3.463.46 206.1206.1 176.7176.7 0.150.15 실시예 8Example 8 1.851.85 3.703.70 211.1211.1 129.0129.0 0.160.16 실시예 9Example 9 2.162.16 4.324.32 216.4216.4 101.3101.3 0.170.17

상기 표 1에서처럼 폴리(소디움-4-스티렌술포네이트) 또는 폴리스티렌(술폰산-코-말산)의 나트륨염이 첨가됨에 따라 이온전도도와 컨덕턴스가 상승하며 항복인장강도도 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 신율은 폴리(소디움-4-스티렌술포네이트) 또는 폴리스티렌(술폰산-코-말산)의 나트륨염의 함량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 이온전도도와 컨덕턴스는 거의 비슷한 값을 보이지만 항복점 인장강도와 신율에서는 다소 차이가 나는 것으로 확인되었다.As shown in Table 1, as the sodium salt of poly (sodium-4-styrenesulfonate) or polystyrene (sulfonic acid-co-malic acid) is added, it can be seen that the ionic conductivity and conductance increase and the yield tensile strength also increases. However, the elongation tended to decrease with increasing sodium salt content of poly (sodium-4-styrenesulfonate) or polystyrene (sulfonic acid-co-malic acid), and the ionic conductivity and conductance showed almost the same value, but the yield point tensile strength And elongation was found to be somewhat different.

상기 실시예에 의한 고분자 막은 모두 두께가 약 30 마이크로미터 내지 150마이크로미터로 제조되었으며, 기존의 상용막(상품명: 나피온 117)보다 얇으면서 메탄올 투과도는 낮고, 기계적 강도가 우수하며 나피온의 함량을 약 20중량%로 조절하는 경우 수소이온 전도 고분자 막의 가격을 기존 나피온 막 대비 약 5분의 1 수준으로 낮출 수 있어 경제적임을 알 수 있다.The polymer membranes according to the above examples were all manufactured in a thickness of about 30 micrometers to 150 micrometers, and were thinner than conventional commercial membranes (trade name: Nafion 117) while having low methanol permeability, excellent mechanical strength, and content of Nafion. When it is adjusted to about 20% by weight it can be seen that the price of the hydrogen ion conductive polymer membrane can be lowered to about one fifth the level of the existing Nafion membrane is economical.

또한 MEA 제조시 성능과 직접 관련된 항목인 단위 면적당 저항의 역수에 해당하는 컨덕턴스의 값이 기존의 나피온 117보다 우수하여 MEA 제조시 연료전지 성능에서 우수한 결과가 기대된다.In addition, the conductance value corresponding to the inverse of the resistance per unit area, which is directly related to the performance in MEA manufacturing, is superior to the existing Nafion 117, which is expected to have excellent results in fuel cell performance in MEA manufacturing.

본 발명에 의하면 종래 사용되는 직접 메탄올 연료전지용 고분자막에 비해 메탄올 크로스오버를 최소화하고, 두께가 얇으면서도 기계적 물성 및 수소이온 전도 특성이 우수한 고분자 전해질을 제조할 수 있다.According to the present invention, it is possible to produce a polymer electrolyte which has a small thickness and excellent mechanical properties and hydrogen ion conducting properties while minimizing methanol crossover compared to a conventional polymer membrane for direct methanol fuel cells.

Claims (10)

불화수소계열 고분자와 주쇄가 퍼플루오로네이트계인 이오노머를 포함하는 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물에 있어서,A polymer electrolyte composition for a direct methanol fuel cell comprising a hydrogen fluoride polymer and an ionomer whose main chain is a perfluoronate, 주쇄가 탄화수소계인 이오노머를 포함함을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물Polymer electrolyte composition for direct methanol fuel cell, characterized in that the main chain comprises a hydrocarbon-based ionomer 제 1항에 있어서, 상기 주쇄가 탄화수소계인 이오노머는The ionomer of claim 1, wherein the main chain is hydrocarbon-based 술폰화된 스티렌계 고분자 이오노머, 아크릴산계 고분자 이오노머 및 이들 고분자 이오노머의 2종 이상의 혼합 이오노머로부터 선택됨을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물Polymer electrolyte composition for direct methanol fuel cell, characterized in that it is selected from sulfonated styrene polymer ionomer, acrylic acid polymer ionomer and two or more mixed ionomers of these polymer ionomers. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 주쇄가 탄화수소계인 이오노머는The ionomer according to claim 1 or 2, wherein the main chain is hydrocarbon-based. 분자량이 5,000g/mol∼500,000g/mol인 고분자로부터 선택됨을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물Polymer electrolyte composition for direct methanol fuel cell, characterized in that selected from polymers having a molecular weight of 5,000 g / mol to 500,000 g / mol 제 1항에 있어서, 술폰화된 스티렌계 고분자는The method of claim 1, wherein the sulfonated styrenic polymer 폴리(소디움-4-스티렌술포네이트), 폴리스티렌(술폰산-코-말산) 또는 술폰화된 폴리스티렌-블록-폴리(에틸렌-랜-부틸렌)-블록-폴리스티렌임을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물Polymer electrolyte for direct methanol fuel cells characterized as poly (sodium-4-styrenesulfonate), polystyrene (sulfonic acid-co-malic acid) or sulfonated polystyrene-block-poly (ethylene-lan-butylene) -block-polystyrene Composition 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 주쇄가 탄화수소계인 이오노머는 블랜드의 중량을 기준으로 0.01∼50phr 첨가됨을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물The ionomer having a hydrocarbon-based main chain is added in an amount of 0.01-50 phr based on the weight of the blend. 제 1항에 있어서, 불화수소계열 고분자는The method of claim 1, wherein the hydrogen fluoride series polymer 폴리비닐리덴플루오라이드 또는 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 공중합체임을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물Polymer electrolyte composition for direct methanol fuel cell, characterized in that the copolymer of polyvinylidene fluoride or vinylidene fluoride-hexafluoropropylene 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 블랜드 내에서 불화수소계열 고분자의 함량은 0.1∼99.9중량% 임을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물Polymer electrolyte composition for direct methanol fuel cell, characterized in that the content of the hydrogen fluoride polymer in the blend is 0.1 to 99.9 wt% 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 공중합체 내에서 헥사플루오로프로필렌의 함량이 0.1∼50중량% 임을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물Polymer electrolyte composition for direct methanol fuel cell, characterized in that the content of hexafluoropropylene in the copolymer of vinylidene fluoride-hexafluoropropylene is 0.1 to 50% by weight. 제 1항에 있어서, 주쇄가 퍼플루오로네이트계인 이오노머는The ionomer according to claim 1, wherein the ionomer whose main chain is perfluoroate-based 나피온, 플레미온, 아시플렉스에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합 이오노머를 포함함을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물Polymer electrolyte composition for direct methanol fuel cell, characterized in that it comprises one or two or more mixed ionomers selected from Nafion, Flemion, and Asiplex 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 블랜드 내에서 주쇄가 퍼플루오로네이트계인 이오노머의 함량은 0.1∼99.9중량% 임을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 고분자 전해질 조성물The polymer electrolyte composition for direct methanol fuel cell, characterized in that the content of the ionomer whose main chain is perfluoronate in the blend is 0.1 to 99.9% by weight.
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