KR100681770B1 - Polybenzimidazole catalyst binder, method for preparing the same, membrane electrode assembly using the polybenzimidazole catalyst binder - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 폴리벤지이미다졸계 화합물을 이용하여 제작된 멤브레인을 포함하는 MEA의 전극 제조시 사용되는 촉매 바인더이고, 폴리벤지이미다졸을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 바인더를 제공한다. 그리고, 상기 폴리벤지이미다졸은 3,3'-디아미노벤지다인(3,3'-Diaminobenzidine) 및 이소프탈릭산(isophthalic acid) 또는 테레프탈릭산(terephthalic acid)의 단량체를, 폴리포스포릭산(polyphosphoric acid) 또는 P2O5 중 어느 하나, 및 CF3SO3H 또는 CH3SO3H 중의 어느 하나 또는 둘의 혼합물에 섞고 가열하여 반응시켜 제조된 고분자인 것이 바람직하고, 상기 폴리벤지이미다졸은 상기 혼합물이 CF3SO3H 및 CH3SO3H를 모두 혼합한 혼합물인 것이 더욱 바람직하며, 상기 혼합물은 상기 CF3SO3H 및 CH3SO3 H의 부피비가 1:1인 것이 가장 바람직하다.The present invention provides a catalyst binder which is a catalyst binder used in the preparation of an electrode of a MEA including a membrane prepared using a polybenzimidazole compound, and comprises polybenzimidazole. In addition, the pole Revenge imidazole is 3,3 '- diaminodiphenyl benzimidazolyl dynes (3, 3' of the monomers -Diaminobenzidine) and isophthalic acid (isophthalic acid) or terephthalic acid (terephthalic acid), a poly phosphoric acid (polyphosphoric acid) or P 2 O 5 and a mixture of any one or two of CF 3 SO 3 H or CH 3 SO 3 H and a polymer prepared by reacting by heating, the polybenzimidazole is More preferably, the mixture is a mixture of both CF 3 SO 3 H and CH 3 SO 3 H, and the mixture is most preferably 1: 1 in volume ratio of CF 3 SO 3 H and CH 3 SO 3 H. Do.

본 발명에 따르면, 종래에 사용되어 왔던 저성능의 나피온 타입의 퍼플루오르술폰산 고분자와 달리, 고온 저습 상태에서의 연료전지 운전이 가능하다. 또한, 본 발명에 따르면, 유기 및 무기 용매에 용해가능하고 촉매 바인더에 적합한 충분한 고분자량을 가지는 촉매 바인더용 폴리벤지이미다졸을 얻을 수 있다.  According to the present invention, unlike the low performance Nafion type perfluorosulfonic acid polymer that has been conventionally used, it is possible to operate a fuel cell in a high temperature and low humidity state. In addition, according to the present invention, polybenzimidazole for a catalyst binder which is soluble in organic and inorganic solvents and has a sufficient high molecular weight suitable for a catalyst binder can be obtained.

나피온, 폴리벤지이미다졸, 멤브레인, 촉매바인더, 전극, 막전극접합체Nafion, polybenzimidazole, membrane, catalyst binder, electrode, membrane electrode assembly

Description

폴리벤지이미다졸 촉매 바인더, 그 제조 방법 및 이를 이용한 막전극접합체{polybenzimidazole catalyst binder, method for preparing the same, membrane electrode assembly using the polybenzimidazole catalyst binder}Polybenzimidazole catalyst binder, method for preparing the same, and membrane electrode assembly using the same {polybenzimidazole catalyst binder, method for preparing the same, membrane electrode assembly using the polybenzimidazole catalyst binder}

도 1은 본 발명의 실시예에 있어서 PBI를 제조하기 위한 화학 반응식을 나타내는 도면이다.1 is a view showing a chemical reaction formula for preparing a PBI in an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 있어서 촉매 바인더로 PBI를 사용한 ABPBI MEA를 포함하는 단일 연료 전지(single fuel cell) 효율에 대한 운전 온도의 영향을 나타내는 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing the influence of operating temperature on single fuel cell efficiency including ABPBI MEA using PBI as a catalyst binder in an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 있어서 촉매 바인더로 PBI를 사용한 ABPBI MEA의 상이한 연료 주입시의 극성을 나타내는 그래프이다. FIG. 3 is a graph showing polarities at different fuel injections of ABPBI MEAs using PBI as a catalyst binder in Examples of the present invention.

도 4는 본 발명의 비교예에 있어서 촉매 바인더로 나피온을 사용한 ABPBI MEA의 극성 커브를 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing a polar curve of ABPBI MEA using Nafion as a catalyst binder in Comparative Example of the present invention.

본 발명은 폴리벤지이미다졸 촉매 바인더, 그 제조 방법 및 이를 이용한 막전극접합체에 관한 것이다.The present invention relates to a polybenzimidazole catalyst binder, a preparation method thereof and a membrane electrode assembly using the same.

MEA(Membrane Electrode Assembly : 막전극접합체)는 연료전지중 가장 중요한 부분으로, 종래에는 통상적으로 나피온 타입의 퍼플루오르술폰산 고분자가 MEA의 멤브레인과 촉매 바인더로 이용되었다.MEA (Membrane Electrode Assembly) is the most important part of the fuel cell, and conventionally, Nafion type perfluorosulfonic acid polymer is used as the membrane and catalyst binder of MEA.

그러나, 상기 나피온 타입의 고분자는 고온 저습 상태에서 쉽게 마르기 때문에 연료 전지가 고온 저습 상태에서 운전되는 경우에는 적합하지 않다.However, since the Nafion type polymer easily dries in a high temperature and low humidity state, it is not suitable when the fuel cell is operated in a high temperature and low humidity state.

한편, 폴리벤지이미다졸(polybenzimidazole ; PBI)을 연료전지에 이용하고자하는 노력들이 있었다.Meanwhile, there have been efforts to use polybenzimidazole (PBI) in fuel cells.

그러나, 종래의 PBI를 이용하는 연료전지는 인산형 연료 전지의 기술을 모방한 것이 많고, MEA 제조방법도 인산형 연료전지의 전극 제조 방법을 사용하고 있는 실정이다. 또한, 종래의 PBI를 이용한 연료전지는 나피온 촉매 바인더를 사용하므로 전지 성능이 크게 떨어졌다.However, many conventional fuel cells using PBI mimic the technology of phosphoric acid fuel cells, and MEA manufacturing methods also use electrodes for phosphoric acid fuel cells. In addition, the conventional PBI fuel cell uses a Nafion catalyst binder, the battery performance is greatly reduced.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, Therefore, the present invention has been made to solve the above problems,

본 발명의 목적은, 연료전지 MEA의 전극 제조시 사용되는 촉매 바인더로서 종래에 사용되어 왔던 저성능의 나피온 타입의 퍼플루오르술폰산 고분자의 적용을 배제하고, 고온 저습 상태에서의 연료전지 운전을 가능하게 하는, 폴리벤지이미다졸 촉매 바인더, 그 제조 방법 및 이를 이용한 막전극접합체를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to eliminate the application of a low-performance Nafion type perfluorosulfonic acid polymer that has been conventionally used as a catalyst binder used in the production of fuel cell MEA electrodes, and enables fuel cell operation at high temperature and low humidity. It is to provide a polybenzimidazole catalyst binder, a method for producing the same and a membrane electrode assembly using the same.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 폴리벤지이미다졸계 화합물을 이용하여 제작된 멤브레인을 포함하는 MEA의 전극 제조시 사용되는 촉매 바인더이고, 폴리벤지이 미다졸을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 바인더에 의하여 달성된다.An object of the present invention as described above is a catalyst binder used in the preparation of an electrode of a MEA comprising a membrane produced using a polybenzimidazole-based compound, and the catalyst binder characterized in that it comprises a polybenzimidazole Is achieved.

그리고, 상기 폴리벤지이미다졸은 3,3'-디아미노벤지다인(3,3'-Diaminobenzidine) 및 이소프탈릭산(isophthalic acid) 또는 테레프탈릭산(terephthalic acid)의 단량체를, 폴리포스포릭산(polyphosphoric acid) 또는 P2O5 중 어느 하나, 및 CF3SO3H 또는 CH3SO3H 중의 어느 하나 또는 둘의 혼합물에 섞고 가열하여 반응시켜 제조된 고분자인 것이 바람직하다.In addition, the pole Revenge imidazole is 3,3 '- diaminodiphenyl benzimidazolyl dynes (3, 3' of the monomers -Diaminobenzidine) and isophthalic acid (isophthalic acid) or terephthalic acid (terephthalic acid), a poly phosphoric acid (polyphosphoric acid) or P 2 O 5 , and a polymer prepared by mixing and heating a mixture of any one or two of CF 3 SO 3 H or CH 3 SO 3 H and reacting.

그리고, 상기 폴리벤지이미다졸은 상기 혼합물이 CF3SO3H 및 CH3SO3 H를 모두 혼합한 혼합물인 것이 더욱 바람직하다. 그리고, 상기 혼합물은 상기 CF3SO3H 및 CH3SO3H의 부피비가 1:1인 것이 가장 바람직하다.The polybenzimidazole is more preferably a mixture of the mixture of CF 3 SO 3 H and CH 3 SO 3 H. In addition, the mixture is most preferably a volume ratio of 1: 1 of the CF 3 SO 3 H and CH 3 SO 3 H.

그리고, 상기 촉매 바인더는 상기 폴리벤지이미다졸을 H3PO4 및 CF3CO2 H의 혼합물에 용해한 용액인 것이 바람직하다. 그리고, 상기 촉매 바인더는 상기 폴리벤지이미다졸을 DMAc 또는 NMP에 용해한 용액인 것이 바람직하다.The catalyst binder is preferably a solution in which the polybenzimidazole is dissolved in a mixture of H 3 PO 4 and CF 3 CO 2 H. The catalyst binder is preferably a solution in which the polybenzimidazole is dissolved in DMAc or NMP.

상기와 같은 본 발명의 목적은, MEA의 전극 제조시 사용되는 촉매 바인더의 제조 방법에 있어서, 3,3'-디아미노벤지다인(3,3'-Diaminobenzidine) 및 이소프탈릭산(isophthalic acid) 또는 테레프탈릭산(terephthalic acid)의 단량체를 폴리포스포릭산(polyphosphoric acid) 또는 P2O5 중 어느 하나, 및 CF3SO3 H 또는 CH3SO3H 중의 어느 하나 또는 둘의 혼합물에 섞고 가열하여 반응시켜 폴리벤지이미다졸을 제조하 는 단계(S1); 및 상기 폴리벤지이미다졸을 용매에 용해하는 단계(S2);를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 바인더의 제조방법에 의하여 달성된다.An object of the present invention as described above, the method of manufacturing a catalyst binder is used in electrode manufacture of the MEA, 3,3 '- diamino-benzimidazolyl dynes (3,3' -Diaminobenzidine) and isophthalic acid (isophthalic acid), or The monomer of terephthalic acid is mixed with either polyphosphoric acid or P 2 O 5 and any one or two of CF 3 SO 3 H or CH 3 SO 3 H and heated to react. To prepare a polybenzimidazole (S1); And dissolving the polybenzimidazole in a solvent (S2).

그리고, 상기 S1 단계는 상기 혼합물로 CF3SO3H 및 CH3SO3H를 모두 혼합한 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 S1 단계는 상기 CF3SO3H 및 CH3 SO3H의 부피비를 1:1로 하는 것이 더 바람직하다.In the step S1, it is preferable to use a mixture of both CF 3 SO 3 H and CH 3 SO 3 H as the mixture. In the step S1, the volume ratio of CF 3 SO 3 H and CH 3 SO 3 H is more preferably 1: 1.

그리고, 상기 S2 단계는 상기 폴리벤지이미다졸을 H3PO4 및 CF3CO2 H의 혼합물에 용해하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 S2 단계는 상기 폴리벤지이미다졸을 DMAc 또는 NMP에 용해하는 것이 바람직하다.In the step S2, the polybenzimidazole is preferably dissolved in a mixture of H 3 PO 4 and CF 3 CO 2 H. In the step S2, the polybenzimidazole is preferably dissolved in DMAc or NMP.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 폴리벤지이미다졸계 화합물을 이용하여 제작된 멤브레인을 구비하고, 전극 제조시 사용되는 촉매 바인더가 폴리벤지이미다졸을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 MEA에 의하여 달성된다The object of the present invention as described above is achieved by a MEA comprising a membrane made of a polybenzimidazole-based compound, wherein the catalyst binder used in the production of the electrode comprises polybenzimidazole.

이하, 본 발명에 따른 폴리벤지이미다졸 촉매 바인더, 이를 이용한 막전극접합체 및 그 제조방법을 상술한다.Hereinafter, a polybenzimidazole catalyst binder according to the present invention, a membrane electrode assembly using the same, and a method of manufacturing the same will be described in detail.

본 발명에서는 폴리벤지이미다졸계 화합물(PBIs ; polybenzimidazoles)인 PBI나 ABPBI를 이용하여 연료전지용 MEA의 멤브레인을 구성하는 경우, 멤브레인과 전극의 접착력을 유지시킬 수 있도록, 촉매 바인더로 사용되는 고분자를 상기 멤브레인에 사용된 고분자와 유사한 구조를 갖도록 한다.In the present invention, when forming a membrane of a fuel cell MEA using PBI or ABPBI, which is a polybenzimidazole-based compound (PBIs; polybenzimidazoles), the polymer used as a catalyst binder to maintain the adhesion between the membrane and the electrode, It should have a structure similar to the polymer used in the membrane.

따라서, 본 발명에서는 종래의 나피온 타입 대신에, PBI나 ABPBI 등의 폴리벤지이미다졸계 화합물을 이용한 멤브레인을 구비하는 MEA의 전극 제조시 사용되는 촉매 바인더로 폴리벤지이미다졸의 용액을 사용한다.Therefore, in the present invention, instead of the conventional Nafion type, a solution of polybenzimidazole is used as a catalyst binder used in the preparation of an electrode of an MEA having a membrane using a polybenzimidazole-based compound such as PBI or ABPBI.

여기서, 특히, 본 발명에서는 상기 폴리벤지이미다졸로서 3,3'-디아미노벤지다인(3,3'-Diaminobenzidine) 및 이소프탈릭산(isophthalic acid) 또는 테레프탈릭산(terephthalic acid)의 단량체를, 폴리포스포릭산(polyphosphoric acid) 또는 P2O5와 CF3SO3H(또는 CH3SO3H, 또는 CF3SO3H 및 CH3SO3H)의 혼합물에 섞어 150~200℃ 사이의 온도에서 반응시켜 제조되는 폴리벤지이미다졸을 사용하는데, 이때, 상기 혼합물로 CF3SO3H 및 CH3SO3H를 모두 혼합한 혼합물을 사용하게 되면, 유기 또는 무기 용매에 완전히 용해되지 않는 문제점이 없고, 또한 얻어진 폴리벤지이미다졸이 저분자량이라는 문제점이 없다.Here, in particular, in the present invention is used as the pole Revenge imidazole-3,3 '- diamino-benzimidazolyl dynes (3,3' -Diaminobenzidine) and the monomers of isophthalic acid (isophthalic acid) or terephthalic acid (terephthalic acid), poly Mixed with a mixture of polyphosphoric acid or P 2 O 5 and CF 3 SO 3 H (or CH 3 SO 3 H, or CF 3 SO 3 H and CH 3 SO 3 H) Polybenzimidazole is prepared by reacting in a case where a mixture of both CF 3 SO 3 H and CH 3 SO 3 H is used as the mixture is not completely dissolved in an organic or inorganic solvent. And there is no problem that the obtained polybenzimidazole has a low molecular weight.

나아가, 상기 혼합물에서 상기 CF3SO3H 및 CH3SO3H의 부피비를 1:1로 하는 경우에는 유기 용매에 잘 녹고 촉매 바인더에 적합한 높은 고분자량을 가지는 우수한 PBI가 얻어진다.Furthermore, when the volume ratio of CF 3 SO 3 H and CH 3 SO 3 H in the mixture is 1: 1, excellent PBI which is well soluble in an organic solvent and has a high molecular weight suitable for a catalyst binder is obtained.

상기 폴리벤지이미다졸의 용액은 상기 얻어진 폴리벤지이미다졸의 고분자를 H3PO4 및 CF3CO2H의 혼합물이나, DMAc 또는 NMP에 용해하여 얻어진다.The solution of polybenzimidazole is obtained by dissolving the polymer of the polybenzimidazole obtained in a mixture of H 3 PO 4 and CF 3 CO 2 H, or in DMAc or NMP.

이후, 상기 용액에 촉매인 Pt/C를 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하고, 가스 확산 매체나 멤브레인(PBIs 계)상에 코팅하여 MEA를 완성한다.Subsequently, a catalyst slurry is prepared by mixing Pt / C as a catalyst in the solution, and coating the gas diffusion medium or a membrane (PBIs system) to complete the MEA.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구 범위내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by explaining preferred embodiments of the present invention. However, the present invention is not limited to the following examples, and various forms of embodiments can be implemented within the scope of the appended claims, and the following examples are merely common to those skilled in the art to complete the present disclosure. It is intended to facilitate the implementation of the invention to those with knowledge.

재료material

3,4-디아미노벤조산(3,4-Diaminobenzoic acid)이 아크로스(Acros)로부터 구입되었고 정제되었다. 다른 시약이 추가 정제없이 사용되었다. 알드리히 화학으로부터의 3,3'-디아미노벤지다인(3,3'-Diaminobenzidine), 이소프탈릭산(isophthalic acid), P2O5, 메탄술폰산(methanesulfonic acid), 트리플루오로메탄술폰산(trifluoromethanesulfonic acid), 트리플로오르아세트산(trifluoroacetic aicd) 및 메탄올(methanol)이 구입되었다.3,4-Diaminobenzoic acid was purchased from Acros and purified. Other reagents were used without further purification. From Aldrich Chemicals 3,3 '- diamino-benzimidazolyl dynes (3,3' -Diaminobenzidine), isophthalic acid (isophthalic acid), P 2 O 5, methane sulfonic acid (methanesulfonic acid), trifluoromethanesulfonic acid ( trifluoromethanesulfonic acid, trifluoroacetic aicd and methanol were purchased.

백금 촉매(20 wt.-% Pt/C, Vulcan XC-72R, Alfa), 카본 페이퍼(Toray) 및 나피온 용액(5 wt.-% 용액, 알드리히)이 MEA 제조를 위하여 사용되었다.Platinum catalyst (20 wt .-% Pt / C, Vulcan XC-72R, Alfa), carbon paper (Toray) and Nafion solution (5 wt .-% solution, Aldrich) were used for the MEA preparation.

산 도핑된 ABPBI 멤브레인의 제조Preparation of Acid Doped ABPBI Membrane

3,4-디아미노벤조산(3,4-Diaminobenzoic acid)(2g), P2O5(3g)과 CH3SO3H(20mL)를 질소(N2) 분위기로 유지되는 반응기에서 함께 섞은 후, 150도에서 30분간 반응시켜 고점도 용액을 얻었다. 이 용액을 유리판 위에 닥터 블래이드(Doctor blade)를 이용하여 도포하여 ABPBI 멤브레인을 형성한 후, 그 유리판을 물 에 담가서 상기 멤브레인을 떼어내었다. 제조된 멤브레인은 물로 여러 번 세척하고 진공오븐에서 말렸다. 3,4-Diaminobenzoic acid (2 g), P 2 O 5 (3 g) and CH 3 SO 3 H (20 mL) were mixed together in a reactor maintained in a nitrogen (N 2 ) atmosphere. The mixture was reacted at 150 ° C. for 30 minutes to obtain a high viscosity solution. This solution was applied onto a glass plate using a doctor blade to form an ABPBI membrane, and then the glass plate was immersed in water to remove the membrane. The prepared membrane was washed several times with water and dried in a vacuum oven.

산으로 도핑된 ABPBI 멤브레인은 수성 인산(60wt-% 용액)내에서 ABPBI 멤브레인을 침지하여 얻었다. 1 ABPBI 반복 단위당 H3PO4 3.7 몰을 도핑할 수 있었다. 산으로 도핑된 ABPBI 멤브레인은 110℃에서 외부 가습없이도 0.06 S·cm-1의 프로톤 전도도를 가지는데, 상기 막은 고온 작동을 위한 연료전지의 MEA에서의 멤브레인으로 사용된다.ABPBI membranes doped with acid were obtained by immersing the ABPBI membrane in aqueous phosphoric acid (60 wt-% solution). 3.7 moles of H 3 PO 4 could be doped per 1 ABPBI repeat unit. Acid-doped ABPBI membranes have a proton conductivity of 0.06 S · cm −1 at 110 ° C. without external humidification, which is used as the membrane in the MEA of fuel cells for high temperature operation.

PBI의 합성 및 촉매 슬러리 제조Synthesis of PBI and Preparation of Catalyst Slurry

도 1은 본 발명의 실시예에 있어서 PBI를 제조하기 위한 화학 반응식을 나타내는 도면이다. 1 is a view showing a chemical reaction formula for preparing a PBI in an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하여 설명한다. 3,3'-디아미노벤지다인(2.42g, 11.3mol) 및 이소프탈릭산(1.88g, 11.3mol)을 P2O5(4g), CF3SO3H(15mL) 및 CH 3SO3H(15mL)의 혼합물에 용해하였다. 상기 반응 혼합물이 0.5 시간동안 150℃에서 질소(N2) 하에서 가열되었다. 균일한 용액이 즉시 얻어졌고 점도 상승이 관찰되었다. 상기 뜨거운 고분자가 페리스탈틱 펌프(peristaltic pump)를 사용하여 미세 파우더를 얻고자 물(700mL)에 부어졌다.It demonstrates with reference to FIG. 3,3 '- diamino-benzimidazolyl dynes (2.42g, 11.3mol) and isophthalic acid (1.88g, 11.3mol) the P 2 O 5 (4g), CF 3 SO 3 H (15mL) and CH 3 SO 3 H (15 mL) in a mixture. The reaction mixture was heated under nitrogen (N 2 ) at 150 ° C. for 0.5 h. A homogeneous solution was obtained immediately and an increase in viscosity was observed. The hot polymer was poured into water (700 mL) to obtain fine powder using a peristaltic pump.

상기 파우더를 모아 물로 여러번 세척하였다. 성분 분석에 의하여 인산 잔류 물이 더이상 검출되지 않을 때까지 고분자 파우더내의 잔류 인산을 속슬렛 추출기(Soxhlet extractor)내에서 10% 수산화암모늄 용액을 이용하여 추출하여 도핑되지 않은 고분자를 얻었다.The powder was collected and washed several times with water. Until the phosphoric acid residue was no longer detected by the component analysis, the residual phosphoric acid in the polymer powder was extracted using a 10% ammonium hydroxide solution in a Soxhlet extractor to obtain an undoped polymer.

상기 고분자가 건조되었고, 감압된 압력, 50℃에서 2 일동안 3.5g을 얻었다(초기 점도 : 0.53dL·g-1, FTR-IR(KBr): 1630, 1527, 1455 cm-1).The polymer was dried and 3.5g was obtained for 2 days at reduced pressure, 50 ° C. (initial viscosity: 0.53 dL · g −1 , FTR-IR (KBr): 1630, 1527, 1455 cm −1 ).

MEA내에서의 전극을 위한 백금 촉매 슬러리는 85% H3PO4(3g) 및 CF3SO3H(30ml)의 혼합물내에서 PBI(1g)를 용해한 후 백금 촉매를 혼합하여 제조하였다.Platinum catalyst slurries for electrodes in MEA were prepared by dissolving PBI (1 g) in a mixture of 85% H 3 PO 4 (3 g) and CF 3 SO 3 H (30 ml) and then mixing the platinum catalyst.

점도측정/MEA 제조/운전Viscosity Measurement / MEA Manufacturing / Operation

다음 과정을 통하여 점도 측정을 행하였다. 상기 고분자 샘플이 진공(0.1mmHg)하의 80~90℃에서 30시간 동안 건조되었다. 상기 고분자(0.5g)가 100ml 체적 플라스크내에 놓여지고 96%의 황산(농도 0.5g·dL-1)에 용해되었다. 용액 점도가 우베로드 점도계(Ubbelohde viscometer)를 사용하여 30℃에서 물 배스(water bath)내에서 측정되었다.The viscosity measurement was performed through the following process. The polymer sample was dried at 80-90 ° C. under vacuum (0.1 mm Hg) for 30 hours. The polymer (0.5 g) was placed in a 100 ml volumetric flask and dissolved in 96% sulfuric acid (concentration 0.5 g dL -1 ). Solution viscosity was measured in a water bath at 30 ° C. using an Ubbelohde viscometer.

MEA의 전지 효율이 ULTIMA(Electrochem. Inc.)를 통하여 측정되었다. 바인더 용액(후술할 비교예인 나피온 용액 또는 실시예인 상기 PBI의 용액)내에 백금 촉매를 혼합한 촉매 슬러리가 방수처리된 카본 페이퍼에 적절한 닥터 블래이드를 통하 여 코팅되었다. 전극내의 백금 촉매와 고분자(비교예의 나피온 용액 또는 실시예의 PBI 용액)는 각각 0.45 및 0.75mg·cm-2이었다. The cell efficiency of the MEA was measured through ULTIMA (Electrochem. Inc.). A catalyst slurry in which a platinum catalyst was mixed into a binder solution (a Nafion solution of Comparative Example described later or a solution of the above-described PBI) was coated through a doctor blade suitable for waterproofing carbon paper. The platinum catalyst and the polymer (Nafion solution of the comparative example or PBI solution of the example) in the electrode were 0.45 and 0.75 mg · cm −2 , respectively.

MEA는 2분간 1500psi 및 140℃에서 산 도프된 ABPBI 멤브레인상에 전극을 핫프레싱하여 형성되었다. 연료와 산화제를 다르게 주입함으로써 단일 전지가 외부 가습없이 120, 140, 160℃에서 운전되었다.MEAs were formed by hot-pressing the electrodes on acid-doped ABPBI membranes at 1500 psi and 140 ° C. for 2 minutes. By injecting fuel and oxidant differently, a single cell was operated at 120, 140 and 160 ° C without external humidification.

결과result

상기한 바와 같이 PBI(poly[2,2'-(m-phenylene-5,5'-bibenzimidazole])가 CF3SO3H, CH3SO3H 및 P2O5를 사용하여 중합 매체내에서 합성되었다. 중합시 고정된 양의 단량체 및 P2O5의 양에 대하여 CF3SO3H 및 CH3SO 3H의 비율을 변화시켰다. 표 1은 상기 고분자들의 점도를 표시한다. PBI (poly [ '- (m -phenylene-5,5' 2,2 -bibenzimidazole] as described above) is in the polymerization medium by using the CF 3 SO 3 H, CH 3 SO 3 H and P 2 O 5 The ratio of CF 3 SO 3 H and CH 3 SO 3 H was varied with respect to the fixed amount of monomer and the amount of P 2 O 5 during the polymerization Table 1 shows the viscosity of the polymers.

CF3SO3H (mL)CF 3 SO 3 H (mL) CH3SO3H (mL)CH 3 SO 3 H (mL) 고유 점도(dL·g-1)a Intrinsic Viscosity (dLg- 1 ) a 3030 00 -b -b 2121 99 0.810.81 1818 1212 0.690.69 1515 1515 0.530.53 00 3030 0.340.34

a : 고유 점도가 30℃에서 측정되었다. 황산 용액의 PBI 농도는 0.5g·dL-1이었다. a: Intrinsic viscosity was measured at 30 degreeC. The PBI concentration of the sulfuric acid solution was 0.5 g · dL −1 .

b : PBI는 황산에 부분적으로 용해되었다.b: PBI was partially dissolved in sulfuric acid.

CF3SO3H만이 중합에 사용되는 경우, 생성된 PBI는 유기 또는 무기 용매에 완전히 용해되지 않았다. CH3SO3H를 중합시 유일한 용매로 사용한 경우에는 저고분자량의 PBI가 얻어졌다. When only CF 3 SO 3 H was used for the polymerization, the resulting PBI was not completely dissolved in organic or inorganic solvents. When CH 3 SO 3 H was used as the sole solvent in the polymerization, a low molecular weight PBI was obtained.

본 발명에서는 특히 CF3SO3H 및 CH3SO3H의 부피비를 1:1 로 하는 경우에 유기 용매에 녹으며 촉매를 바인딩하기에 적합한 충분한 고분자량을 가지는 PBI를 얻을 수 있었다.In the present invention, particularly, when the volume ratio of CF 3 SO 3 H and CH 3 SO 3 H is 1: 1, PBI having sufficient high molecular weight suitable for binding the catalyst can be obtained.

도 2는 단일 연료 전지의 효율에 대한 운전 온도의 영향을 나타내는 그래프로, ABPBI가 370 mol% H3PO4로 도프되었고, 외부 가습이 없었으며, 촉매 로딩은 백금이 0.45mg·cm-2 였고, PBI 로딩이 0.75mg·cm-2였고, 연료는 수소이고 산화제는 산소이며, 셀크기는 18cm2이었다. 운전 온도는 ●이 120℃, ■이 140℃, ▲이 160℃를 나타낸다.FIG. 2 is a graph showing the effect of operating temperature on the efficiency of a single fuel cell, with ABPBI doped with 370 mol% H 3 PO 4 , no external humidification, and the catalyst loading was 0.45 mg · cm −2 platinum The PBI loading was 0.75 mg · cm −2 , the fuel was hydrogen, the oxidant was oxygen, and the cell size was 18 cm 2 . The operating temperature is 120 ° C, ■ 140 ° C, and ▲ ° 160 ° C.

도 2에 도시된 바와 같이, 시간이 증대됨에 따라서 효율이 증가하는데 이는 PBI 타입 고분자의 경우 모두 그러하다. 상기 단일 연료 전지 시험은 수소와 산소를 160℃에서 주입시 외부 가습 없이 약 280mA·cm-2의 전류 밀도를 제공한다. As shown in FIG. 2, the efficiency increases as time increases, as is the case for PBI type polymers. The single fuel cell test provided a current density of about 280 mAcm −2 without external humidification when injecting hydrogen and oxygen at 160 ° C.

전지 효율이 다른 연료 주입의 경우에도 측정되었다. 도 3은 수소 및 일산화탄소(100ppm)의 혼합물이 160℃에서의 주입 연료로서 사용되는 경우 연료 전지가 전혀 효율 손실을 보이지 않는 것을 나타낸다. 도 3에서 작동 온도는 160℃이었다. ABPBI가 370 mol% H3PO4로 도프되었고, 외부 가습이 없었으며, 촉매 로딩은 백금이 0.45mg·cm-2 였고, PBI 로딩이 0.75mg·cm-2였고, 산화제는 공기이며, 셀크기는 18cm2이었다. 연료 주입은 ●가 H2+100ppm CO, ▲가 H2 단독을 나타낸다. Cell efficiency was also measured for other fuel injections. 3 shows that the fuel cell shows no efficiency loss when a mixture of hydrogen and carbon monoxide (100 ppm) is used as the injection fuel at 160 ° C. In FIG. 3 the operating temperature was 160 ° C. ABPBI was doped with 370 mol% H 3 PO 4 , no external humidification, catalyst loading was 0.45 mg · cm −2 platinum, 0.75 mg · cm −2 PBI loading, oxidant was air, cell size Was 18 cm 2 . Fuel injection ● the H 2 + CO 100ppm, ▲ represents the H 2 alone.

앞서 언급한 바와 같이 바인딩 고분자로서 나피온을 사용하여 제작된 촉매 층을 가지는 단일 연료 전지가 PBI를 사용한 경우와 비교하고자 제작되었다. As mentioned above, a single fuel cell with a catalyst layer fabricated using Nafion as the binding polymer was fabricated for comparison with the case with PBI.

상기 촉매 슬러리는 나피온 용액(20g, 5wt.-% 용액), 물(10mL) 및 85%의 H3PO4(3g)의 혼합물로부터 제조되었다.The catalyst slurry was prepared from a mixture of Nafion solution (20 g, 5 wt .-% solution), water (10 mL) and 85% H 3 PO 4 (3 g).

도 4는 나피온 바인더를 사용한 ABPBI계 MEA의 극성 커브를 나타낸다. ABPBI가 370 mol% H3PO4로 도프되었고, 외부 가습이 없었으며, 촉매 로딩은 백금이 0.45mg·cm-2 였고, 나피온 로딩이 0.75mg·cm-2였고, 산화제는 산소이며, 셀크기는 18cm2이었다. 운전 온도는 ●이 120℃, ■이 140℃, ▲이 160℃이었다.4 shows a polarity curve of an ABPBI-based MEA using a Nafion binder. ABPBI was doped with 370 mol% H 3 PO 4 , no external humidification, catalyst loading was 0.45 mg · cm −2 platinum, Nafion loading 0.75 mg · cm −2 , oxidant was oxygen, cell The size was 18 cm 2 . The operating temperature was 120 ° C for ●, 140 ° C for ■, and 160 ° C for ▲.

도 4에 도시된 바와 같이, 모든 온도에서의 전지 효율은 거의 동일하다. 나피온은 낮은 습기 조건 및 높은 온도 조건에서 높은 프로톤 전도도를 가지지 않지만, PBI 바인더는 나피온 바인더보다 각 온도에서 더 많은 프로톤 전도를 수행한다. As shown in FIG. 4, the cell efficiency at all temperatures is about the same. Nafion does not have high proton conductivity at low moisture and high temperature conditions, but PBI binders perform more proton conduction at each temperature than Nafion binders.

본 발명에 따르면, 종래에 사용되어 왔던 저성능의 나피온 타입의 퍼플루오 르술폰산 고분자와 달리, 고온 저습 상태에서의 연료전지 운전이 가능하다.According to the present invention, unlike the low performance Nafion type perfluorosulfonic acid polymer that has been conventionally used, it is possible to operate a fuel cell in a high temperature and low humidity state.

또한, 본 발명에 따르면, 유기 및 무기 용매에 용해가능하고 촉매 바인더에 적합한 충분한 고분자량을 가지는 촉매 바인더용 폴리벤지이미다졸을 얻을 수 있다. In addition, according to the present invention, polybenzimidazole for a catalyst binder which is soluble in organic and inorganic solvents and has a sufficient high molecular weight suitable for a catalyst binder can be obtained.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications or variations without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims will cover such modifications and variations as fall within the spirit of the invention.

Claims (8)

폴리벤지이미다졸계 화합물을 이용하여 제작된 멤브레인을 포함하는 막전극접합체의 전극 제조시 사용되는 촉매 바인더이고,It is a catalyst binder used in the preparation of the electrode of the membrane electrode assembly comprising a membrane prepared using a polybenzimidazole-based compound, 상기 촉매 바인더는 폴리벤지이미다졸을 포함하며, 상기 폴리벤지이미다졸은 3,3'-디아미노벤지다인(3,3'-Diaminobenzidine) 및 이소프탈릭산(isophthalic acid) 또는 테레프탈릭산(terephthalic acid)의 단량체를, 폴리포스포릭산(polyphosphoric acid) 또는 P2O5 중 어느 하나, 및 CF3SO3H 및 CH3SO3H를 모두 혼합한 혼합물에 섞고 가열하여 반응시켜 제조된 고분자인 것을 특징으로 하는 촉매 바인더.The catalyst binder pole Revenge, and imidazole, the pole Revenge imidazole is 3,3 '- diaminodiphenyl benzimidazolyl dynes (3,3' -Diaminobenzidine) and isophthalic acid (isophthalic acid) or terephthalic acid (terephthalic acid) Is a polymer prepared by mixing and heating a monomer of polyphosphoric acid (polyphosphoric acid) or P 2 O 5 and CF 3 SO 3 H and CH 3 SO 3 H in a mixture mixed and heated Catalyst binder. 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 혼합물은 상기 CF3SO3H 및 CH3SO3H의 부피비가 1:1인 것을 특징으로 하는 촉매 바인더.The mixture is a catalyst binder, characterized in that the volume ratio of the CF 3 SO 3 H and CH 3 SO 3 H 1: 1. 막전극접합체의 전극 제조시 사용되는 촉매 바인더의 제조 방법에 있어서, In the method of producing a catalyst binder used in the production of the electrode of the membrane electrode assembly, 3,3'-디아미노벤지다인(3,3'-Diaminobenzidine) 및 이소프탈릭산(isophthalic acid) 또는 테레프탈릭산(terephthalic acid)의 단량체를, 폴리포스포릭산(polyphosphoric acid) 또는 P2O5 중 어느 하나, 및 CF3SO3H 및 CH3SO3H를 모두 혼합한 혼합물에 섞고 가열하여 반응시켜 폴리벤지이미다졸을 제조하는 단계(S1); 및 3,3 '- diamino-benzimidazolyl dynes (3,3' -Diaminobenzidine) and of isophthalic acid (isophthalic acid) or terephthalic acid monomers, poly phosphoric acid (polyphosphoric acid) or P 2 O 5 of (terephthalic acid) Any one, and mixing the mixture of CF 3 SO 3 H and CH 3 SO 3 H and heated to react to prepare a polybenzimidazole (S1); And 상기 폴리벤지이미다졸을 용매에 용해하는 단계(S2);를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 바인더의 제조방법.Dissolving the polybenzimidazole in a solvent (S2); The method of producing a catalyst binder comprising a. 삭제delete 제 5 항에 있어서, The method of claim 5, 상기 S1 단계는 상기 CF3SO3H 및 CH3SO3H의 부피비를 1:1로 하는 것을 특징으로 하는 촉매 바인더의 제조방법.The step S1 is a method of producing a catalyst binder, characterized in that the volume ratio of the CF 3 SO 3 H and CH 3 SO 3 H 1: 1. 막전극접합체에 있어서, In the membrane electrode assembly, 폴리벤지이미다졸계 화합물을 이용하여 제작된 멤브레인을 구비하고, 전극 제조시 사용되는 촉매 바인더가 제 1 항 또는 제 4 항에 의한 촉매 바인더인 것을 특징으로 하는 막전극접합체.A membrane electrode assembly comprising a membrane prepared using a polybenzimidazole compound, and wherein the catalyst binder used in electrode production is the catalyst binder according to claim 1 or 4.
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