KR100668316B1 - Gel electrolyte and fuel cell employing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산과, 상기 산에 대하여 팽윤되는 고분자 화합물이 혼합되어 이루어진 겔 전해질로서, 상기 고분자 화합물이 폴리벤즈이미다졸 구조의 치환기 R의 적어도 일부를 메틸기로 한 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸인 것을 특징으로 하는 겔 전해질 및 이를 채용한 연료전지를 제공한다. 상기 겔 전해질은 100 내지 300℃ 정도의 작동 온도에 있어서, 무가습 혹은 상대 습도 50% 이하의 작동 조건에서 양호한 프로톤 전도성을 장기 안정적으로 발휘할 수 있다. The present invention provides a gel electrolyte comprising a mixture of an acid and a polymer compound swelling with respect to the acid, wherein the polymer compound is a partially methylated polybenzimidazole having at least a part of a substituent R having a polybenzimidazole structure as a methyl group. A gel electrolyte and a fuel cell employing the same are provided. The gel electrolyte can exhibit long-term stable good proton conductivity at an operating temperature of about 100 to 300 ° C., under an operating condition of no humidification or a relative humidity of 50% or less.
Description
도 1은 실시예 1-3 및 비교예 1의 겔 전해질의 팽윤율과 인산의 침지 시간과의 관계를 나타내는 그래프이고,1 is a graph showing the relationship between the swelling ratio of the gel electrolyte of Examples 1-3 and Comparative Example 1 and the immersion time of phosphoric acid,
도 2는 실시예 4 및 비교예 2의 연료 전지의 전압과 전류 밀도와의 관계를 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing the relationship between the voltage and the current density of the fuel cells of Example 4 and Comparative Example 2. FIG.
본 발명은 겔 전해질 및 이를 채용한 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 100 내지 300℃의 작동 온도하에서, 무가습 혹은 상대 습도 50% 이하라도 양호한 프로톤 전도성을 나타내는 겔 전해질 및 이 겔 전해질을 이용한 연료 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a gel electrolyte and a fuel cell employing the same. More specifically, the present invention relates to a gel electrolyte and a gel electrolyte showing good proton conductivity even under an operating temperature of 100 to 300 ° C. even at 50% or less of humidity. Relates to a fuel cell.
연료 전지에 있어서는, 발전 효율, 시스템 효율, 구성 부재의 장기 내구성의 관점에서, 100 내지 300℃ 정도의 작동 온도에 있어서, 무가습 혹은 상대 습도 50% 이하의 저습도의 작동 조건으로 양호한 프로톤 전도성을 장기 안정적으로 나타내는 너트 전해질막이 요구되고 있다. 종래의 고체 고분자 전해질형 연료 전지의 개발에 있어서 상기 요구를 감안하여 검토되어 왔는데, 퍼플루오로 카본설폰산막에서는 100 내지 300℃의 작동 온도하, 상대 습도 50% 이하에서는 충분한 프로톤 전도성 및 출력을 얻을 수 없는 결점이 있었다.In the fuel cell, from the viewpoint of power generation efficiency, system efficiency, and long-term durability of the constituent members, good proton conductivity can be achieved under operating conditions of no humidity or low humidity of 50% or less relative humidity at an operating temperature of about 100 to 300 ° C. There is a demand for a nut electrolyte membrane that exhibits long-term stability. Considering the above requirements in the development of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell, sufficient proton conductivity and output can be obtained in a perfluorocarbon sulfonic acid membrane at an operating temperature of 100 to 300 ° C. and a relative humidity of 50% or less. There was an uncountable flaw.
일본국 특표평 11-503262호에는, 인산 등의 강산을 도핑시킨 폴리벤즈이미다졸로 이루어진 고체 전해질막이 개시되어 있다. 이러한 고체 전해질막에 의하면, 우수한 내산화성 및 내열성을 가지며, 또한 200℃ 까지의 고온에서도 작동 가능하게 되어 있다.Japanese Patent Laid-Open No. 11-503262 discloses a solid electrolyte membrane made of polybenzimidazole doped with a strong acid such as phosphoric acid. According to such a solid electrolyte membrane, it has excellent oxidation resistance and heat resistance, and can operate | operate even at high temperature up to 200 degreeC.
그러나, 상기 특허 공보에 기재된 고체 전해질막이라도, 상대 습도가 낮은 환경하에서는 충분한 프로톤 전도성을 얻을 수 없는 문제가 있었다.However, even in the solid electrolyte membrane described in the above patent publication, there is a problem that sufficient proton conductivity cannot be obtained under an environment with low relative humidity.
본 발명의 기술적 과제는 상술한 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 100 내지 300℃ 정도의 작동 온도에 있어서, 무가습 혹은 상대 습도 50% 이하의 작동 조건에서 양호한 프로톤 전도성을 장기 안정적으로 발휘할 수 있는 겔 전해질 및 이를 이용한 연료 전지를 제공하는 것이다.The technical problem of the present invention is to solve the above-described problems, a gel capable of exhibiting a long-term stable good proton conductivity at operating conditions of about 100 to 300 ℃, no humidity or 50% or less relative humidity An electrolyte and a fuel cell using the same are provided.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은 이하의 구성을 채용한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention adopts the following configuration.
본 발명의 겔 전해질은, 산과, 상기 산에 대하여 팽윤되는 고분자 화합물이 혼합되어 이루어진 겔 전해질로서, 상기 고분자 화합물이 하기 화학식 1에 나타내는 폴리벤즈이미다졸 구조의 치환기 R의 적어도 일부를 메틸기로 한 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸이다.The gel electrolyte of the present invention is a gel electrolyte formed by mixing an acid and a high molecular compound swelling with respect to the acid, wherein the high molecular compound has at least a part of a substituent R having a polybenzimidazole structure represented by the following formula (1) as a methyl group. Methylated polybenzimidazole.
상기 산으로는 인산을 예시할 수 있다. 또한 이 인산에는 오르토 인산 및 축합 인산이 모두 포함된다.Examples of the acid include phosphoric acid. This phosphoric acid also includes both orthophosphoric acid and condensed phosphoric acid.
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1 중, R은 CH3 또는 H이고, n은 10-100000이다.In Formula 1, R is CH 3 or H, and n is 10-100000.
상기 구성에 의하면, 고분자 화합물로서 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸이 이용되고 있고, 메틸화의 정도가 높을수록 산을 많이 받아들여 팽윤(겔화)되므로, 메틸화되어 있지 않은 경우와 비교하여, 겔 전해질의 프로톤 전도성을 향상시킬 수 있다.According to the above structure, partially methylated polybenzimidazole is used as the polymer compound, and the higher the degree of methylation, the more acid is taken in and swollen (gelled), so that the proton conductivity of the gel electrolyte is higher than that in the case where it is not methylated. Can improve.
또한 본 발명의 겔 전해질은 먼저 기재된 겔 전해질로서, 상기 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸이 메틸화율 80몰% 미만의 폴리 메틸화벤즈이미다졸인 것을 특징으로 한다.The gel electrolyte of the present invention is also the gel electrolyte described above, wherein the partially methylated polybenzimidazole is polymethylated benzimidazole having a methylation rate of less than 80 mol%.
상기 구성에 의하면, 메틸화율이 80몰% 미만이기 때문에 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸이 산에 의해 용해되는 일이 없다.According to the said structure, since the methylation rate is less than 80 mol%, partially methylated polybenzimidazole does not melt | dissolve by an acid.
또한 본 발명의 겔 전해질은 먼저 기재된 겔 전해질이고, 상기 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸이 메틸화율 100몰%의 폴리N 메틸벤즈이미다졸과, 메틸화 0몰%의 폴리벤즈이미다졸과의 혼합물로 이루어지고, 상기 폴리N 메틸벤즈이미다졸의 함유율이 80몰% 미만이다.In addition, the gel electrolyte of the present invention is the gel electrolyte described above, wherein the partially methylated polybenzimidazole is composed of a mixture of polyN methylbenzimidazole having a methylation rate of 100 mol% and a polybenzimidazole having 0 mol% of methylation, , The content rate of the polyN methylbenzimidazole is less than 80 mol%.
상기 구성에 의하면, 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸로서, 폴리 메틸벤즈이미다졸과 메틸화율 0몰%의 폴리벤즈이미다졸로 이루어지는 혼합물을 사용하고 있고, 혼합물의 배합을 변경함으로써 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸의 메틸화율을 용이하게 바꿀 수 있고, 겔 전해질 특성의 최적화를 용이하게 행할 수 있다.According to the above constitution, a mixture of polymethylbenzimidazole and polybenzimidazole having a methylation rate of 0 mol% is used as the partially methylated polybenzimidazole. The methylation rate can be easily changed, and the optimization of the gel electrolyte characteristics can be easily performed.
또한 본 발명의 겔 전해질은, 먼저 기재된 겔 전해질로서, 상기 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸이 메틸화율 X몰%의 폴리 메틸화벤즈이미다졸과, 메틸화율 0몰%의 폴리벤즈이미다졸과의 혼합물로 이루어지고, 상기 폴리 메틸화벤즈이미다졸의 중량을 A라 하고, 상기 폴리벤즈이미다졸의 중량을 B라 하였을 때, f(몰%)=AX/(A+B)에서 얻어지는 f가 80몰% 미만인 것을 특징으로 한다.In addition, the gel electrolyte of the present invention is a gel electrolyte as described above, wherein the partially methylated polybenzimidazole is a mixture of polymethylated benzimidazole having a methylation rate of X mol% and a polybenzimidazole having a methylation rate of 0 mol%. When the weight of the polymethylated benzimidazole is A and the weight of the polybenzimidazole is B, f (mol%) = A / B is less than 80 mol%. It features.
단, 상기 X는 80몰% 이상 100몰% 미만이다.However, said X is 80 mol% or more and less than 100 mol%.
상기 구성에 의하면, 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸로서, 메틸화율 X%의 폴리메틸화벤즈이미다졸과 메틸화율 0몰%의 폴리벤즈이미졸로 이루어지는 혼합물을 사용하고 있고, 혼합물의 배합을 변경함으로써 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸의 메틸화율을 용이하게 바꿀 수 있고, 겔 전해질의 특성의 최적화를 용이하게 할 수 있다.According to the above structure, as the partially methylated polybenzimidazole, a mixture of polymethylated benzimidazole having a methylation rate of X% and polybenzimidazole having a methylation rate of 0 mol% is used, and partially methylated poly by changing the blending of the mixture. The methylation rate of benzimidazole can be easily changed, and the optimization of the characteristic of a gel electrolyte can be made easy.
이어서 본 발명의 연료 전지는 한 쌍의 전극과, 각 전극 사이에 배치된 전해질막으로 구성되고, 상기 전해질막의 일부 또는 전부가 상기한 어느 하나에 기재된 겔 전해질로 이루어지며, 또한 상기 전극의 일부에 상기 겔 전해질이 함유되어 있는 것을 특징으로 한다.Next, the fuel cell of the present invention is composed of a pair of electrodes and an electrolyte membrane disposed between each electrode, and part or all of the electrolyte membrane consists of the gel electrolyte according to any one of the above, and also a part of the electrode. It is characterized in that the gel electrolyte is contained.
상기 구성에 의하면, 프로톤 전도도가 뛰어난 겔 전해질을 전해질막으로 구 비하고, 또한 전극의 일부에도 이 겔 전해질이 구비되어 있으므로, 연료 전지의 내부 임피던스를 저감시킬 수 있고, 전류 밀도를 높일 수 있다. 특히, 전극의 일부에 겔 전해질이 함유됨으로써 전극의 내부까지 프로톤이 전도되기 쉬어지고, 전극 자체의 내부 저항을 저감할 수 있다.According to the above configuration, since the gel electrolyte having excellent proton conductivity is provided as the electrolyte membrane and the gel electrolyte is also provided in part of the electrode, the internal impedance of the fuel cell can be reduced and the current density can be increased. In particular, by containing a gel electrolyte in a part of the electrode, protons are easily conducted to the inside of the electrode, and the internal resistance of the electrode itself can be reduced.
또한 본 발명의 연료 전지는, 작동 온도가 100 내지 300℃ 의 범위인 것인 바람직하다.In addition, the fuel cell of the present invention preferably has an operating temperature in the range of 100 to 300 ° C.
이하, 본 발명의 실시의 형태를 상세하게 설명하기로 한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described in detail.
본 발명에 따른 연료 전지는, 수소극(전극)과, 산소극(전극)과, 수소극 및 산소극 사이에 배치된 겔 전해질로 구성되고, 100 내지 300℃의 온도에서 작동하는 것이다. 본 발명에 따른 겔 전해질은 프로톤 전도성을 가지고 있고, 수소극 측에서 발생한 프로톤(수소 이온)을 산소극측으로 전도시키는 것이다. 겔 전해질에 의해 전도된 프로톤은 산소극에 있어서 산소 이온과 전기 화학 반응하여 물을 생성함과 동시에, 전기 에너지를 발생시킨다.The fuel cell according to the present invention is composed of a hydrogen electrode (electrode), an oxygen electrode (electrode), and a gel electrolyte disposed between the hydrogen electrode and the oxygen electrode, and operates at a temperature of 100 to 300 ° C. The gel electrolyte according to the present invention has proton conductivity, and conducts protons (hydrogen ions) generated at the hydrogen electrode side to the oxygen electrode side. Protons conducted by the gel electrolyte electrochemically react with oxygen ions in the oxygen electrode to generate water and generate electrical energy.
본 발명에 따른 연료 전지에 있어서는, 수소극 및 산소극에도 겔 전해질이 함유되어 있다. 즉, 수소극 및 산소극에는 활성탄 등의 전극 물질과, 전극 물질을 고화 성형하기 위한 바인더가 함유되어 있고, 이 바인더의 일부 또는 전부가 본 발명에 따른 겔 전해질로 이루어져 있다. 이 구성에 의해 프로톤이 전극 내부와 전극 외부 사이에서 전도되기 쉬워지고, 전극의 내부 저항이 저감된다.In the fuel cell according to the present invention, the gel electrolyte is also contained in the hydrogen electrode and the oxygen electrode. That is, the hydrogen electrode and the oxygen electrode contain an electrode material such as activated carbon and a binder for solidifying the electrode material, and part or all of the binder is composed of the gel electrolyte according to the present invention. This configuration makes protons easier to conduct between the inside of the electrode and the outside of the electrode, and the internal resistance of the electrode is reduced.
이어서, 본 발명에 따른 겔 전해질은, 인산과, 인산에 대하여 팽윤되는 고분자 화합물이 혼합되어 구성되어 있다. 인산으로서, 오르토 인산 및 축합 인산을 예시할 수 있다. 또한 고분자 화합물로는, 상기 화학식 1에 나타내는 폴리벤즈이미다졸 구조의 치환기 R의 적어도 일부를 메틸기로 한 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸을 예시할 수 있다. 또한, 하기 화학식 1 중 R은 CH3 또는 H이고, n은 10-100000이다. n이 10 미만에서는 통상 기계적 강도가 떨어져 바람직하지 않고, n이 100000을 넘으면 용매 등으로의 용해성이 현저하게 저하된다.Next, the gel electrolyte which concerns on this invention is comprised by mixing phosphoric acid and the high molecular compound swelling about phosphoric acid. As phosphoric acid, ortho phosphoric acid and condensed phosphoric acid can be illustrated. Moreover, as a high molecular compound, the partially methylated polybenzimidazole which made at least one part of the substituent R of the polybenzimidazole structure shown by the said Formula (1) as a methyl group can be illustrated. In addition, in Formula 1, R is CH 3 or H, and n is 10-100000. If n is less than 10, mechanical strength is usually poor, and if n is more than 100,000, solubility in a solvent or the like is remarkably lowered.
부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸은 인산을 받아들여 겔화하는 것으로, 특히 메틸화의 정도가 높을수록 인산을 많이 받아들여 팽윤(겔화)된다. 이와 같이 본 발명에 따른 겔 전해질은 인산을 많이 함유할 수 있으므로, 프로톤 전도성을 높일 수 있다.Partially methylated polybenzimidazole accepts and gelatinizes phosphoric acid. Particularly, the higher the degree of methylation, the greater the amount of phosphoric acid to receive and swell. As described above, the gel electrolyte according to the present invention may contain a large amount of phosphoric acid, thereby increasing proton conductivity.
본 발명에 따른 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸로는, 하기 (1)-(3) 중 어느 하나를 이용할 수 있다.As the partially methylated polybenzimidazole according to the present invention, any one of the following (1) to (3) can be used.
(1) 메틸화율을 5몰% 이상 80몰% 미만, 바람직하게는 20몰% 이상 80몰% 미만으로 조정한 폴리 메틸화벤즈이미다졸.(1) Polymethylated benzimidazole in which the methylation rate is adjusted to 5 mol% or more and less than 80 mol%, Preferably it is 20 mol% or more and less than 80 mol%.
(2) 메틸화율 100몰%의 폴리N 메틸벤즈이미다졸과, 메틸화율 0몰%의 폴리벤즈이미다졸과의 혼합물로 이루어지고, 폴리N 메틸벤즈이미다졸의 함유 비율이 5몰% 이상 80몰% 미만, 바람직하게는 20몰% 이상 80몰% 미만으로 한 것.(2) It consists of a mixture of polyN methylbenzimidazole of 100 mol% of methylation rates, and polybenzimidazole of 0 mol% of methylation rates, and the content rate of polyN methylbenzimidazole is 5 mol% or more and 80 mol Less than%, Preferably it is 20 mol% or more and less than 80 mol%.
(3) 메틸화율 X몰%의 폴리 메틸화벤즈이미다졸과, 메틸화율 0몰%의 폴리벤즈이미다졸과의 혼합물로 이루어지고, 폴리 메틸화벤즈이미다졸의 중량을 A로 하고, 상기 폴리벤즈이미다졸의 중량을 B로 하였을 때 f(몰%)=AX/(A+B)에서 얻어지는 f가 5몰% 이상 80몰% 미만, 바람직하게는 20몰% 이상 80몰% 미만인 것. 단, 상기 X는 80몰% 이상 100몰% 미만이다.(3) A mixture of polymethylated benzimidazole having a methylation rate of X mol% and polybenzimidazole having a methylation rate of 0 mol%, wherein the weight of polymethylated benzimidazole is A, and the polybenzimidazole When the weight of is B, f obtained by f (mol%) = AX / (A + B) is not less than 5 mol% and less than 80 mol%, preferably not less than 20 mol% and less than 80 mol%. However, said X is 80 mol% or more and less than 100 mol%.
상기 (1)-(3)의 구성에 의하면, 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸의 메틸화율을 모두 5몰% 이상 80몰% 미만, 바람직하게는 20몰% 이상 80몰% 미만으로 할 수 있다. 즉, (1)에서는 메틸화하기 위한 반응 정도를 조정함으로써 메틸화율을 조정할 수 있다. 또한 (2)에서는 폴리N 메틸벤즈이미다졸의 함유 비율을 조정함으로써 메틸화율을 실질적으로 조정할 수 있다. 또한 (3)에서는 f의 값을 조정함으로써 메틸화율을 실질적으로 조정할 수 있다.According to the structure of said (1)-(3), all the methylation rates of partially methylated polybenzimidazole can be 5 mol% or more and less than 80 mol%, Preferably it is 20 mol% or more and less than 80 mol%. That is, in (1), the methylation rate can be adjusted by adjusting the reaction degree for methylation. In (2), the methylation rate can be substantially adjusted by adjusting the content ratio of polyN methylbenzimidazole. In (3), the methylation rate can be substantially adjusted by adjusting the value of f.
부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸의 메틸화율이 5몰% 미만이면, 인산을 충분히 받아들일 수 없게 되어 프로톤 전도도가 불충분하게 되기 때문에(저하되어 버리므로) 바람직하지 않고, 메틸화율이 80몰% 이상이 되면 인산을 너무 받아들여 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸이 용해되어 버리므로 바람직하지 않다.If the methylation rate of the partially methylated polybenzimidazole is less than 5 mol%, it is not preferable because the phosphoric acid cannot be sufficiently received and the proton conductivity becomes insufficient (decreases), and the methylation rate is 80 mol% or more. It is not preferable because the phosphoric acid is so accepted that the partially methylated polybenzimidazole is dissolved.
또한, 본 명세서에서는, 상기 화학식 1에 나타내는 폴리벤즈이미다졸 구조의 치환기 R의 일부를 메틸기로 하고, 나머지 부분을 수소로 한 것을 "폴리 메틸화벤즈이미다졸"이라 한다. 또한, 상기 화학식 1에 나타내는 폴리벤즈이미다졸 구조의 치환기 R의 전부를 메틸기로 한 것을 "폴리N 메틸벤즈이미다졸"이라 한다. 또한, 상기 화학식 1에 나타내는 폴리벤즈이미다졸 구조의 치환기 R의 전부를 수소로 한 것을 "폴리벤즈이미다졸"이라 한다.In addition, in this specification, one part of substituent R of the polybenzimidazole structure shown by the said General formula (1) is made into methyl, and the other part made into hydrogen is called "polymethylated benzimidazole." In addition, what made all the substituent R of the polybenzimidazole structure shown by the said Formula (1) into a methyl group is called "polyN methylbenzimidazole." In addition, what made hydrogen of all the substituents R of the polybenzimidazole structure shown by the said Formula (1) is called "polybenzimidazole."
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 겔 전해질에 의하면, 프로톤 전도성을 높일 수 있고, 또한 이 겔 전해질을 연료 전지로 사용함으로써 연료 전지의 전 류 밀도를 높일 수 있고, 고출력의 연료 전지를 구성할 수 있다.As described above, according to the gel electrolyte according to the present invention, the proton conductivity can be increased, and the current density of the fuel cell can be increased by using this gel electrolyte as a fuel cell, and a high output fuel cell can be constituted. have.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the following examples, but the present invention is not limited only to the following examples.
[실시예]EXAMPLE
이어서, 실시예 1-4 및 비교예 1-2의 겔 전해질과, 각 겔 전해질을 이용한 연료 전지를 제조하고, 제특성에 대하여 평가하였다.Next, the gel electrolyte of Example 1-4 and Comparative Example 1-2 and the fuel cell using each gel electrolyte were produced, and the various characteristics were evaluated.
실시예 1. Example 1.
폴리벤즈이미다졸의 부분 메틸화Partial Methylation of Polybenzimidazole
폴리벤즈이미다졸이 농도 10 중량%가 되도록 조정한 디메틸아세트아미드 용액을 준비하고, 이것을 슈렝크관에 30.08g을 측량하여 취하였다. 아르곤 가스 플로우 하, 실온에서 수소화 리튬의 과잉량(0.24g)을 조금씩 부가하고 나서, 80℃ 에서 환류를 행하였다. 한 번 온도를 실온까지 낮춘 후, 아이스 배쓰를 이용하여 반응 용액을 0℃ 로 냉각하고, 이에 요오드화 메틸을 1.56g 측량하여 취하여, 반응 용액에 천천히 적하하였다. 적하후, 반응 용액을 교반하면서 서서히 실온까지 되돌려, 60℃ 에서 다시 환류를 행하였다. 얻어진 반응 용액을 실온까지 낮춘 후, 테트라하이드로퓨란으로 전개하여 분말상의 고형물을 얻었다. 또한 pH가 7이 될 때까지 고형물을 물로 씻고 나서 진공 건조하여 목적으로 하는 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸을 얻었다. 메틸화율은 NMR의 적분비로 확인한 바 약 20몰%였다.A dimethylacetamide solution prepared by adjusting polybenzimidazole to 10% by weight was prepared, and this was taken by weighing 30.08 g in a Schlenk tube. Under argon gas flow, an excess amount (0.24 g) of lithium hydride was added little by little at room temperature, and then refluxed at 80 ° C. After the temperature was once lowered to room temperature, the reaction solution was cooled to 0 ° C. using an ice bath, 1.56 g of methyl iodide was weighed out, and the reaction solution was slowly added dropwise to the reaction solution. After dropping, the reaction solution was gradually returned to room temperature while stirring, and refluxed again at 60 ° C. After lowering the obtained reaction solution to room temperature, it developed by tetrahydrofuran and obtained the powdery solid. Furthermore, the solid was washed with water until pH reached 7, and then dried in vacuo to obtain the desired partially methylated polybenzimidazole. The methylation rate was about 20 mol%, as confirmed by the integral ratio of NMR.
겔 전해질의 제작Preparation of Gel Electrolyte
합성한 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸를 다시 한 번 디메틸아세트아미드에 10 중량% 농도의 용액이 되도록 용해하고, 이 용액을 글래스판 상에 닥터 블레이드를 사용하여 도막하고, 표면이 불투명하게 된 시점에서 일단 50℃ 에서 건조를 행하고, 150℃ 에서 건조를 더 행하였다. 그 후, 수조에 글래스판 마다 침지하여 팽윤된 막을 벗겨 내었다. 그 후, 진공 건조를 60℃ , 0.1 torr의 조건으로 행하고 고분자막을 얻었다. 막두께는 약 30㎛였다.The synthesized partially methylated polybenzimidazole is once again dissolved in a dimethylacetamide solution at a concentration of 10% by weight, the solution is coated on a glass plate using a doctor blade, and once the surface becomes opaque, It dried at 50 degreeC, and further dried at 150 degreeC. Thereafter, the glass was immersed in each glass plate to remove the swollen film. Then, vacuum drying was performed on 60 degreeC and 0.1 torr conditions, and the polymer membrane was obtained. The film thickness was about 30 micrometers.
이어서, 얻어진 고분자막을 실온에서 85%의 인산에 직접 침지하였다. 2시간 경과 후, 막을 끌어올려 표면의 인산을 킴벌리 와이프로 닦아내었다. 이와 같이 하여 실시예 1의 겔 전해질을 제조하였다.Subsequently, the obtained polymer membrane was directly immersed in 85% phosphoric acid at room temperature. After 2 hours, the membrane was pulled up and the surface phosphoric acid was wiped off with a Kimberly wipe. Thus, the gel electrolyte of Example 1 was prepared.
실시예 2-3Example 2-3
요오드화 메틸의 주입비를 바꾸어 메틸화율을 40몰%로 한 것 이외에는, 상기 실시예 1과 같이 하여 실시예 2의 겔 전해질을 제조하였다. 이와 동일한 방법으로 실시하여, 메틸화율이 60몰%인 실시예 3의 겔 전해질을 제조하였다.The gel electrolyte of Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the methylation rate was changed to 40 mol% by changing the injection ratio of methyl iodide. In the same manner, the gel electrolyte of Example 3 having a methylation rate of 60 mol% was prepared.
실시예 4Example 4
완전메틸화한 폴리N 메틸벤즈이미다졸을 10 중량%의 농도로 포함하는 디메틸아세토아미드 용액과, 전혀 메틸화되어 있지 않은 폴리벤즈이미다졸을 10 중량%의 농도로 포함하는 디메틸아세토아미드 용액을, 중량비 1:1로 혼합하였다. 이 혼합 용액을 사용하여 실시예 1과 같이 히야 글래스판 상에 도포하고 나서 건조, 수조에 침지함으로써 고분자막을 얻었다. 이 고분자막을 실시예 1과 같이 하여 인산에 침지함으로써 실질적인 메틸화율이 50몰%인 실시예 4의 겔 전해질을 제조하였다.A dimethylacetoamide solution containing 10% by weight of fully methylated polyN methylbenzimidazole and a dimethylacetoamide solution containing 10% by weight of polybenzimidazole not methylated at a weight ratio of 1 Mixed to 1 :. The polymer film was obtained by apply | coating on a Hiya glass plate like Example 1 using this mixed solution, and drying and immersing in a water tank. The polymer electrolyte was immersed in phosphoric acid as in Example 1 to prepare a gel electrolyte of Example 4 having a substantial methylation rate of 50 mol%.
또한 EIectrochem사 제품의 백금 담지 탄소를 도포한 카본 페이퍼에, 상술한 고분자막의 10배 희석 용액을 얇게 도포한 후, 진공 건조하여 전극으로 하였다. 동전극을 2장 준비하고, 전극간에 실시예 4의 겔 전해질을 끼움으로써 실시예 4의 연료 전지를 제조하였다.Moreover, after apply | coating thinly the 10 times dilution solution of the above-mentioned polymer film to the carbon paper which apply | coated the platinum bearing carbon of EIectrochem company make, it vacuum-dried to make an electrode. Two coin electrodes were prepared, and the fuel cell of Example 4 was manufactured by sandwiching the gel electrolyte of Example 4 between electrodes.
비교예 1Comparative Example 1
요오드화 메틸의 주입비를 바꾸어 메틸화율을 80몰%로 한 것 이외에는 상기 실시예 1과 같이 하여 부분 메틸화 폴리벤즈이미다졸의 고분자막을 얻었다. 이것을 비교예 1의 시료로 하였다.A polymer membrane of partially methylated polybenzimidazole was obtained in the same manner as in Example 1 except that the methylation rate was changed to 80 mol% by changing the injection ratio of methyl iodide. This was used as a sample of Comparative Example 1.
비교예 2Comparative Example 2
메틸화율 0%의 폴리벤즈이미다졸로 이루어지는 비교예 4의 겔 전해질 및 연료 전지를 제조하였다.The gel electrolyte and fuel cell of the comparative example 4 which consist of polybenzimidazole of 0% of methylation rates were manufactured.
평가evaluation
겔 전해질의 팽윤율 및 프로톤 전도도Swelling Rate and Proton Conductivity of Gel Electrolyte
실시예 1-3 및 비교예 1의 겔 전해질에 대하여, 인산에 침지하기 전의 고분자막의 중량(M1)과, 인산 침지 후의 겔 전해질의 중량(M2)으로부터, 팽윤율을 산출하였다. 팽윤율(중량%)은 팽윤율(중량%)=M2/M1×100으로 구하였다. 인산으로의 침지 시간과, 팽윤율과의 관계를 도 1에 나타낸다.For the gel electrolytes of Examples 1-3 and Comparative Example 1, the swelling ratio was calculated from the weight (M1) of the polymer membrane before being immersed in phosphoric acid and the weight (M2) of the gel electrolyte after phosphoric acid immersion. Swelling ratio (weight%) was calculated | required as swelling ratio (weight%) = M2 / M1 * 100. The relationship between the immersion time in phosphoric acid and a swelling ratio is shown in FIG.
또한 실시예 1-4 및 비교예 1의 겔 전해질의 프로톤 전도도를 표 1에 나타낸다. 프로톤 전도도는, 무가습에 가까운 조건에서 프로톤 전도도를 측정하기 위하여 겔 전해질을 직경 13mm 크기의 원형으로 뚫고, 여기에 백금 블록킹 전극을 끼워넣어, 70℃에서 1시간 방치한 후, 전극간의 저항을 AC 임피던스법으로 측정하였다.In addition, the proton conductivity of the gel electrolyte of Example 1-4 and Comparative Example 1 is shown in Table 1. Proton conductivity is to measure the proton conductivity in a condition close to unhumidity, and to penetrate the gel electrolyte into a circle having a diameter of 13 mm, insert a platinum blocking electrode therein, and leave it at 70 ° C. for 1 hour, and then change the resistance between the electrodes to AC. Measured by the impedance method.
도 1에 도시한 바와 같이, 각각 약 30분을 경과한 시점에서 팽윤율은 평형 상태에 달하였다. 70분 경과 시점에서 측정한 평형 팽윤율은, 실시예 1이 450%, 실시예 2가 530%, 실시예 3이 660%였다. 메틸화율이 높아질수록, 겔 전해질의 팽윤율이 증대되고 있음을 알 수 있다. 한편, 메틸화율이 80몰%인 비교예 1에서는, 인산에 침지하고 나서 70분 경과후에는 겔 전해질 자체가 용해되어 버렸다.As shown in FIG. 1, the swelling ratio reached an equilibrium at about 30 minutes. The equilibrium swelling ratio measured at the passage of 70 minutes was 450% in Example 1, 530% in Example 2, and 660% in Example 3. It can be seen that as the methylation rate is higher, the swelling rate of the gel electrolyte is increased. On the other hand, in the comparative example 1 whose methylation rate is 80 mol%, after 70 minutes passed after immersion in phosphoric acid, the gel electrolyte itself melt | dissolved.
이어서, 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1-4에 대해서는 메틸화율이 높아질수록 프로톤 전도도가 향상됨을 알 수 있다. 한편, 비교예 1에 대해서는, 상술한 바와 같이 자기 지지성의 막으로서 얻어지지 않았기 때문에, 이온 전도도는 측정할 수 없었다.Next, as shown in Table 1, it can be seen that for Example 1-4, the higher the methylation rate, the higher the proton conductivity. On the other hand, in Comparative Example 1, since it was not obtained as a self-supporting film as described above, the ion conductivity could not be measured.
이와 마찬가지로, 실시예 4의 겔 전해질에 대해서도 팽윤율과 프로톤 전도도를 측정한 바, 70분 경과 후의 평형 팽윤율이 약 600%이고, 70℃에서의 프로톤 전도도가 4.00 mS·cm-1였다.Similarly, the swelling ratio and proton conductivity of the gel electrolyte of Example 4 were measured, and the equilibrium swelling ratio after about 70 minutes was about 600%, and the proton conductivity at 70 ° C. was 4.00 mS · cm −1 .
또한, 비교예 2에 대해서도 팽윤율과 프로톤 전도도를 측정한 바, 평형 팽윤율이 약 400%이고, 70℃에서의 프로톤 전도도가 1.90 mS·cm-1였다.In addition, when the swelling ratio and proton conductivity were measured also about the comparative example 2, the equilibrium swelling ratio was about 400% and the proton conductivity in 70 degreeC was 1.90 mS * cm <-1> .
[표 1]TABLE 1
연료 전지의 성능Fuel cell performance
실시예 4 및 비교예 2의 연료 전지에 대하여, 전극과 겔 전해질의 적층체를 카본 세퍼레이터로 분리하고, 애노드 가스로서 수소, 음극 가스로서 산소를 사용하여 발전 시험을 행하였다. 전지 온도를 130℃로 하여, 수소 및 산소의 공급량은 100ml/분으로 하고, 공급 가스의 가습은 특별히 행하지 않았다. 또한 실시예 4의 전극 면적은 7.84cm2이고, 비교예 2의 전극 면적은 10.24cm2였다. 도 2에, 연료 전지의 전압과 전류 밀도와의 관계를 나타낸다.In the fuel cells of Example 4 and Comparative Example 2, the laminate of the electrode and the gel electrolyte was separated by a carbon separator, and a power generation test was performed using hydrogen as an anode gas and oxygen as a cathode gas. Battery temperature was 130 degreeC, the supply amount of hydrogen and oxygen was 100 ml / min, and humidification of the supply gas was not performed in particular. In addition, the electrode area of Example 4 was 7.84 cm 2 , and the electrode area of Comparative Example 2 was 10.24 cm 2 . 2 shows the relationship between the voltage of the fuel cell and the current density.
도 2에 도시한 바와 같이, 실시예 4에서는 전류 밀도가 1.6A/cm2가 될 때까지 발전 가능한 반면, 비교예 2에서는 전류 밀도가 0.8A/cm2 까지 밖에 발전할 수 없었다. 실시예 4의 연료 전지는, 겔 전해질의 프로톤 전도도가 높기 때문에, 연료 전지의 내부 저항이 낮게 억제되고, 이에 따라 고출력이 얻어진 것으로 생각된다.As shown in FIG. 2, in Example 4, power generation was possible until the current density was 1.6A / cm 2 , whereas in Comparative Example 2, power generation was possible up to 0.8A / cm 2 . Since the fuel cell of Example 4 has a high proton conductivity of the gel electrolyte, it is considered that the internal resistance of the fuel cell is suppressed low, whereby a high output is obtained.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 겔 전해질에 의하면, 프로톤 전도성을 높일 수 있고, 또한 이 겔 전해질을 연료 전지로 사용함으로써 연료 전지의 전류 밀도를 높일 수 있으며, 고출력의 연료 전지를 구성할 수 있다.As described above, according to the gel electrolyte of the present invention, the proton conductivity can be increased, and the current density of the fuel cell can be increased by using this gel electrolyte as a fuel cell, and a high output fuel cell can be constituted.
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