KR100701473B1 - Proton conductive composite membrane comprising surfactant and inorganic filler, and fuel cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

Provided are a hydrogen ion conductive polymer composite membrane which is excellent in the dispersion of an inorganic filler and is increased in dimension stability, a membrane electrode assembly containing the composite membrane, and a fuel cell containing the composite membrane. The hydrogen ion conductive polymer composite membrane comprises 0.01-40 wt% of a surfactant which comprises polyethylene oxide, polypropylene oxide or their copolymer polymer and oligomer, helps dispersion of an inorganic material and forms a crosslinked, IPN and graft structure; and 0.01-40 wt% of an inorganic filler which comprises an inorganic oxide, a heteropolyacid or their mixture. Preferably, the surfactant is a terpolymer comprising polyethylene oxide as a hydrophilic moiety and polypropylene oxide as a hydrophobic moiety.

Description

계면활성제 및 무기충진제를 포함하는 수소이온전도성 고분자복합막 및 이를 포함하는 연료전지{PROTON CONDUCTIVE COMPOSITE MEMBRANE COMPRISING SURFACTANT AND INORGANIC FILLER, AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME}Hydrogen-conducting polymer composite membrane comprising a surfactant and an inorganic filler, and a fuel cell comprising the same {PROTON CONDUCTIVE COMPOSITE MEMBRANE COMPRISING SURFACTANT AND INORGANIC FILLER, AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME}

도 1은 전기에너지의 생성과 동시에 물을 생성하는 연료전지의 도식적인 어셈블리(assembly)를 나타낸 것이다. 1 shows a schematic assembly of a fuel cell that generates water simultaneously with the generation of electrical energy.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

1: 수소이온전도성 고체 고분자전해질 2: 수소 또는 메탄올용액1: Hydrogen conductive solid polyelectrolyte 2: Hydrogen or methanol solution

3: 공기 또는 산소 4: 연료전지의 양극 3: air or oxygen 4: anode of fuel cell

5: 연료전지의 음극 6: 외부회로 5: cathode of fuel cell 6: external circuit

7: 물의 생성 8: 코팅층7: generation of water 8: coating layer

9: 수소이온의 이동9: migration of hydrogen ions

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 무기물의 분산을 도우며, 가교, IPN, 그래프트 구조를 형성하는 계면활성제 및 다양한 기능성을 갖는 무기충진제를 포함하는 수소이온전도성 고분 자복합막 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자복합막에 있어서, 계면활성제로 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO) 또는 이들의 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하고 또한 무기충진제로 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 티타늄옥사이드(TiO2), 망간옥사이드(MnO2), 지르코늄옥사이드(ZrO2), 테트라에톡시실란(TEOS), 몬트모릴로나이트(montmorillonite), 모덴나이트(mordenite)와 같은 무기산화물과 지르코늄 인산(ZrP), 포스포텅스틱산, 실리코텅스틱산, 포스포몰리브덴산, 실리코몰리브덴산 등의 헤테로다중산(heteropolyacid, HPA) 중에서 선택되어진 하나 이상을 포함하는 수소이온전도성 고분자복합막 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hydrogen ion conductive polymer composite membrane comprising a crosslinking agent, an IPN, a surfactant for forming a graft structure, and an inorganic filler having various functionalities, and a fuel cell including the same. Is a polymer composite membrane, characterized in that it comprises polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO) or a copolymer thereof as a surfactant, and silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ) as an inorganic filler ), Inorganic oxides such as titanium oxide (TiO 2 ), manganese oxide (MnO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), tetraethoxysilane (TEOS), montmorillonite, mordenite and zirconium One selected from heteropolyacids (HPA) such as phosphoric acid (ZrP), phosphotungstic acid, silicotungstic acid, phosphomolybdic acid, and silicomolybdic acid It relates to a hydrogen ion conductive polymer composite membrane comprising a phase and a fuel cell comprising the same.

본 발명의 수소이온전도성 고분자복합막은 분산제 역할을 하는 친수성 및 수소성기를 갖는 플루로닉 또는 테트로닉계 고분자 계면활성제가 포함되어, 고분자전해질 막 내 무기충진제의 균일한 분산을 유도하며, 그 계면활성제는 고분자 매트릭스에 따라 가교, IPN, 그래프트 구조 등의 특이한 마이크로구조를 형성시킬 수 있다. 또한 계면활성제와 함께 도입된 무기충진제의 작용에 따라, 고분자막 내 친수성기 주변의 함수율 감소와 치수안정성 증가가 이루어진다. 특히, 본 발명에 따른 고분자전해질 복합막이 직접메탄올연료전지에 사용되었을 경우, 촉매피독을 통한 연료전지성능 감소와 직접적으로 관련 있는 메탄올 크로스오버 감소에 기여할 수 있다. 함수율 감소와는 달리, 고분자 막 내 반응성기와 강한 상호 작용력을 갖는 물(바운드워터, BOUND WATER)의 함량 증가를 유도하거나(무기산화물), 그 자체로 수소이온전도성을 갖는 HPA 함량 증가에 따른 수소이온전도도 향상에 기여한다. 더불어, 본 발명의 고분자복합막은 도입된 무기충진제에 따라 우수한 수화안정성 및 자유라디칼안정성을 보이는 수소이온전도성 고분자복합막 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The hydrogen ion conductive polymer composite membrane of the present invention includes a pluronic or tetronic polymer surfactant having a hydrophilic and a hydrogen group serving as a dispersant, inducing uniform dispersion of the inorganic filler in the polymer electrolyte membrane, and the surfactant According to the polymer matrix can form a unique microstructure, such as crosslinking, IPN, graft structure. In addition, depending on the action of the inorganic filler introduced with the surfactant, the moisture content around the hydrophilic group in the polymer membrane and the dimensional stability is increased. In particular, when the polymer electrolyte composite membrane according to the present invention is used in a direct methanol fuel cell, it may contribute to the reduction of methanol crossover which is directly related to the reduction of fuel cell performance through catalyst poisoning. Unlike the decrease in water content, it leads to an increase in the content of water (bound water, BOUND WATER), which has a strong interaction with the reactive group in the polymer membrane (inorganic oxide), or hydrogen ion according to the increase of the HPA content having hydrogen ion conductivity. Contribute to improved conductivity. In addition, the polymer composite membrane of the present invention relates to a hydrogen ion conductive polymer composite membrane exhibiting excellent hydration stability and free radical stability according to the introduced inorganic filler and a fuel cell including the same.

[종래 기술][Prior art]

고체 고분자 전해질형 연료전지는 우주선에 에너지를 공급할 목적으로 1950년대에 제안되어 개발되어 왔다. 연료전지에 대한 관심은 현재 우주선에 대한 전력공급 외에도 계속 발전하여 자동차산업에서도 다음과 같은 두 가지 이유로 많은 관심을 가지고 있다. 첫째, 내연기관의 연소에 의한 대기 오염을 방지하기 위한 관심이 증폭되는 데 있다. 내연기관의 연소에 의한 질소산화물, 불완전 연소된 탄화수소 및 산성화합물 등과 같은 모든 방출 화합물을 내연기관의 자체적인 연소반응의 제어를 통해 전부 막는 것은 사실상 매우 어렵다. 둘째, 장기적으로 볼 때 영구적이지 못한 석유 및 석탄과 같은 화석연료 이외의 연료를 사용하는 자동차를 개발하는 것이다.Solid polymer electrolyte fuel cells have been proposed and developed in the 1950s for the purpose of supplying energy to spacecraft. The interest in fuel cells continues to evolve in addition to the power supply for spacecraft, and the automotive industry is attracting much attention for two reasons. First, interest in preventing air pollution by combustion of internal combustion engines is amplified. In practice, it is very difficult to completely block all emission compounds such as nitrogen oxides, incompletely burned hydrocarbons and acidic compounds by combustion of internal combustion engines through the control of internal combustion engines' own combustion reactions. Second, developing cars that use fuels other than fossil fuels, such as oil and coal, that are not permanent in the long run.

이러한 고분자 전해질형 연료전지로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수소 이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC)와 액상의 메탄올을 직접 연료로 양극에 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 등이 있다. 공급되는 연료인 수소 및 메탄올은 거의 영구적이며 전기 화학적인 반응을 통해 단지 물만을 부산물로 생성한다.Such polymer electrolyte fuel cells include a hydrogen exchange gas fuel cell (Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)) and a direct methanol fuel cell using liquid methanol directly supplied to the anode. Fuel Cell: DMFC). The fuels supplied, hydrogen and methanol, are almost permanent and produce only water as a by-product through electrochemical reactions.

전기에너지의 생성과 동시에 물을 생성하는 연료전지의 도식적인 어셈블리(assembly)를 도 1에 나타내었다.A schematic assembly of a fuel cell that generates water simultaneously with the generation of electrical energy is shown in FIG. 1.

도 1을 참조하면, 고체 고분자전해질로 제조된 이온 교환막(1)은 수소 또는 메탄올용액(2)이 공기 또는 산소(3)를 연료로 이용하여, 하기의 반응식과 같이 연료의 산화가 일어나는 양극(anode) 부분(4)과Referring to FIG. 1, the ion exchange membrane 1 made of a solid polymer electrolyte has an anode in which hydrogen or methanol solution 2 uses air or oxygen 3 as fuel, and oxidation of fuel occurs as shown in the following reaction formula ( anode part (4) and

수소연료전지의 경우:For hydrogen fuel cells:

2H2 → 4H+ + 4e- 2H 2 → 4H + + 4e -

직접메탄올연료전지의 경우:For direct methanol fuel cells:

CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e -

하기의 반응식과 같이 외부적인 회로(6)를 통해 양극과 음극이 연결되어 있을 때, 물의 생성(7)과 함께 산소와 같은 산화제가 환원되는 음극부분(5)을 격리시키는데 사용된다.When the positive electrode and the negative electrode are connected through an external circuit 6 as shown in the following scheme, it is used to isolate the negative electrode portion 5 in which an oxidant such as oxygen is reduced together with the production of water 7.

수소연료전지의 경우:For hydrogen fuel cells:

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2OO 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O

직접메탄올연료전지의 경우:For direct methanol fuel cells:

3/2O2 + 6H+ + 6e- → CO2 + 2H2O 3 / 2O 2 + 6H + + 6e - → CO 2 + 2H 2 O

양극과 음극은 기본적으로 백금 및 류테늄과 같은 금속입자가 증착된 탄소재질의 수소이온 전도성 지지체로 구성되어 있다. 양극 및 음극과 고분자 전해질막과의 접합성 향상, 및 적절한 삼상계면 형성에 의한 발생된 수소이온의 전도성 향상을 위해서, 주로 나피온(Nafion) 막이 사용된 코팅층(8)이 0.2~10 mg/cm2의 박막으로 더해진다.The anode and cathode are basically composed of a carbon-based hydrogen ion conductive support on which metal particles such as platinum and ruthenium are deposited. In order to improve the adhesion between the positive and negative electrodes and the polymer electrolyte membrane, and to improve the conductivity of hydrogen ions generated by the formation of an appropriate three-phase interface, the coating layer 8 mainly using a Nafion membrane is 0.2 to 10 mg / cm 2. It is added to a thin film of.

막 전극 어셈블리(Membrane electrode assembly, MEA)는 밀리미터 단위의 매우 얇은 두께로 이루어져 있으며, 각 전극은 홈이 파여진 판을 사용하여 판 뒤로부터 사용 기체들이 공급되어진다.The membrane electrode assembly (MEA) has a very thin thickness in millimeters and each electrode is supplied with gases from behind the plate using a slotted plate.

1950년 이래로, 수많은 종류의 술폰화 고분자 및 고분자조성물이 연료전지용막으로 시험되었으며, 화학적 구조, 필름의 모폴로지 그리고 성능사이의 관계를 현재의 수준까지 확립할 수 있게 되었다. 그러나, 술폰화된 고분자는 수화상태에서 수소이온전달능을 나타내므로, 90 ℃ 이상의 고온작동시 고분자막 내 수분 감소 및 고온에서의 술폰산기 분해로 인해 급격한 수소이온전도도의 감소가 나타나게 된다. 따라서 고온작동시의 수소이온전도도 감소문제를 해결하기 위한 몇 가지 방법들이 연구되어 왔다. Since 1950, numerous types of sulfonated polymers and polymer compositions have been tested for fuel cell membranes, and the relationship between chemical structure, film morphology and performance can be established to the present level. However, since the sulfonated polymer exhibits hydrogen ion transfer ability in the hydrated state, a drastic decrease in hydrogen ion conductivity occurs due to a decrease in moisture in the polymer film and decomposition of sulfonic acid groups at a high temperature when operating at a high temperature of 90 ° C. or higher. Therefore, several methods have been studied to solve the problem of reducing the hydrogen ion conductivity during high temperature operation.

일예로, 기존의 상용화된 미국 Du Pont사의 나피온(Nafion)과 같은 과불소화 술폰화 이오노머에 TiO2, SiO2, Al2O3, ZrO2, 테트라에톡시실란(TEOS), 몬트모릴로나이트(montmorillonite), 모덴나이트(mordenite)와 같은 무기산화물을 도입시켜 고온에서의 수분담지능을 향상시킴으로써, 100 ℃이상 고온에서의 수소이온전도도 감 소를 상당부분 해소시켰다. 또한, 고온에서의 수분담지능의 감소 및 그로 인한 수소이온전도도의 감소를, 수소이온전도성을 갖는 지르코늄 인산(ZrP), 포스포텅스틱산, 실리코텅스틱산, 포스포 몰리브덴산, 실리코 몰리브덴산 등의 heteropolyacid(HPA)를 도입함으로써 상쇄시켰다. 그러나 이러한 무기산화물의 도입은 제조된 막의 물리적 강도를 포함하는 물성에 따른 도입량의 한계점을 갖는다.For example, in the conventional commercialized perfluorinated sulfonated ionomers such as Nafion of Du Pont, USA, TiO 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , tetraethoxysilane (TEOS), montmorillonite Inorganic oxides such as montmorillonite and mordenite were introduced to improve the water-carrying capacity at high temperatures, thereby significantly reducing the hydrogen ion conductivity at high temperatures of 100 ° C or higher. In addition, the decrease in the water support at high temperatures and the reduction in the hydrogen ion conductivity thereof, such as zirconium phosphoric acid (ZrP), phosphotungstic acid, silicotungstic acid, phospho molybdate acid, silico molybdate acid, etc. It was offset by introducing heteropolyacid (HPA). However, the introduction of such an inorganic oxide has a limit of the amount of introduction according to the physical properties including the physical strength of the film produced.

이외에, 과불소계 고분자전해질의 수소이온전도도에 직접적인 영향을 미치는 온도에 따른 함수율 영향을 없애기 위해, 수소이온전달의 매개가 되는 물 대신 인산과 같은 무기산으로 대체시키려는 시도도 있었다.In addition, in order to eliminate the effect of moisture content with temperature directly affecting the hydrogen ion conductivity of the perfluorinated polymer electrolyte, there have been attempts to substitute inorganic acids such as phosphoric acid instead of water as a medium for hydrogen ion transfer.

연료전지용 고분자전해질 연구에 있어 불소계 이외에도 비불소계 술폰화 이오노머에 대한 연구 역시 활발히 진행되어왔다. 주로 폴리술폰계, 폴리에테르술폰계, 폴리에테르케톤계, 폴리이미드계, 폴리포스파젠계와 같은 내열성 고분자에 수소이온전도성을 부여하기 위한 술폰산기를 도입시킨 형태가 연구되어져 왔으나, 고온 적용시 과불소계 술폰화 이오노머에 비해서는 그 감소폭이 적지만, 유사한 수소이온전도도의 감소가 관찰되었다. 따라서, 이러한 술폰화 내열성 고분자에 무기산화물을 도입시켜 고온에서의 수분담지능 향상을 통한 수소이온전도도 감소문제를 해결하거나, 높은 수소이온전도성을 갖는 헤테로 다중산(heteropolyacid, HPA) 도입에 의해 고온에서의 함수율 감소에 따른 수소이온전도도 감소를 보완하거나 해소시키려는 시도가 있어왔다. 그러나 무기산화물을 도입시키는 경우, 도입량 한계의 문제점을 갖으며, HPA 도입의 경우, 도입된 HPA가 고분자 매트릭스로부터 새어나오는 현상(Leaching out)이 발생하였다. In addition to the fluorine-based polymer electrolyte research for fuel cells, research on non-fluorine sulfonated ionomers has also been actively conducted. Although a form in which sulfonic acid groups for imparting hydrogen ion conductivity to heat-resistant polymers such as polysulfones, polyethersulfones, polyetherketones, polyimides, and polyphosphazenes has been studied, a perfluorine system has been studied. Although the decrease was small compared to the sulfonated ionomer, a similar decrease in hydrogen ion conductivity was observed. Therefore, introducing an inorganic oxide into the sulfonated heat-resistant polymer to solve the problem of reducing hydrogen ion conductivity by improving water support at high temperature, or by introducing a heteropolyacid (HPA) having high hydrogen ion conductivity at high temperature Attempts have been made to compensate or eliminate the decrease in hydrogen ion conductivity due to the decrease in moisture content. However, when the inorganic oxide is introduced, there is a problem of limiting the amount of introduction, and in the case of introducing HPA, the introduced HPA leaks out of the polymer matrix.

특히, 무기충진제를 도입시키는 경우, 대개의 경우 일정량의 무기충진제 전구체를 도입시켜, 졸-겔법에 의해 무기충진제를 성장시키거나, 직접 무기충진제를 고분자 매트릭스 내로 분산시키는 방법으로 하이브리드막 또는 복합막을 제조한다. 전자의 방법은 Journal of Membrane Science 2002, 109, 356-364에서와 같이 TEOS와 같은 실리카 전구체 도입을 통해 졸-겔법으로 다공성 실리카를 포함하는 복합막을 제조하거나, Journal of Membrane Science 2004, 237, 145-161에서와 같이 지르코늄 클로라이드 전구체 용액에 고분자 매트릭스를 담지시킨 후, 인산처리를 통해 난용성 지르코늄 인산이 도입된 복합막을 제조하는 방법들을 예로 들 수 있으며, 후자의 경우는 Journal of Membrane Science 2004, 229, 43-51의 방법과 같이 무기충진제 분말을 직접 고분자용액에 도입시킨 후, 초음파를 일정시간 동안 가하여 비교적 균일한 무기충진제 분산을 통해 복합막을 제조하거나, Journal of Membrane Science 2000, 173, 17-34와 같이 HPA계 무기충진제 분말을 기 제조된 고분자용액에 일정량 도입시킨 후, 장시간 교반시키거나, 가열을 동반한 교반을 통해 복합막을 제조한다. 위의 대부분의 방법은 무기충진제의 도입을 통해 고온에서의 수소이온전도도의 감소를 상쇄시키거나, 고분자 매트릭스의 기계적 물성을 향상시키는 작용을 하였다. 그러나 직접 무기충진제 분말을 도입시키는 대부분의 경우, 무기충진제의 균일한 분산이 이루어지지 못해 고른 막물성을 얻지 못하는 경우가 빈번하게 발생되게 된다. 그 결과, 비교적 적은 함량의 무기충진제의 도입에도 불구하고 고분자막의 깨짐성이 증가되어 기계적 물성이 약화되게 되거나, 수소이온전도도 및 열적 안정성, 수화안정성 등 고분자전해질막의 기본성능에 대한 높은 신뢰도를 갖 지 못하게 된다. 더해서, DMFC 응용시, 메탄올에 대한 균일한 배리어성이 확보되기 힘들다는 문제점이 있다.       In particular, when the inorganic filler is introduced, a hybrid membrane or a composite membrane is manufactured by introducing a predetermined amount of inorganic filler precursor to grow the inorganic filler by the sol-gel method or by directly dispersing the inorganic filler into the polymer matrix. do. The former method can be used to prepare composite membranes comprising porous silica by sol-gel method through the introduction of silica precursors such as TEOS as in Journal of Membrane Science 2002, 109, 356-364, or the Journal of Membrane Science 2004, 237, 145-. As described in 161, a method of preparing a composite membrane in which a poorly soluble zirconium phosphate is introduced by supporting a polymer matrix in a zirconium chloride precursor solution, and the latter is a case of the Journal of Membrane Science 2004, 229, As in the method of 43-51, the inorganic filler powder is directly introduced into the polymer solution, and then ultrasonic waves are applied for a predetermined time to prepare a composite membrane through relatively uniform inorganic filler dispersion, or the Journal of Membrane Science 2000, 173, 17-34 and Likewise, after introducing a certain amount of the HPA-based inorganic filler powder into the prepared polymer solution, the mixture is stirred for a long time or through stirring with heating. To prepare composite membranes. Most of the above methods have been used to counteract the reduction in the conductivity of hydrogen ion at high temperatures through the introduction of inorganic fillers or to improve the mechanical properties of the polymer matrix. However, in most cases of directly introducing the inorganic filler powder, even if the uniform dispersion of the inorganic filler is not made is not often obtained even film properties. As a result, despite the introduction of a relatively small amount of inorganic fillers, the breakage of the polymer membrane is increased to weaken the mechanical properties, or have high reliability on the basic performance of the polymer electrolyte membrane such as hydrogen ion conductivity, thermal stability, and hydration stability. I can't. In addition, there is a problem that it is difficult to ensure uniform barrier property to methanol in DMFC application.

더해서, 기출원된 대한민국특허출원 제10-2005-0049817호의 상용화제를 포함하는 수소이온전도성 막의 경우, 주로 상용화제 기능에 초점을 맞추었으나, 상용화제와 고분자 매트릭스간의 가교, IPN, 그래프트와 같은 특이한 마이크로구조의 형성으로 인한 구조-막 성능 간의 상관관계에 대한 인지가 부족하였으며, 더불어 기출원건에서 언급하지 않은 MnO2와 같은 몇 종의 무기물 첨가에 따른 고분자막 성능 향상이 관찰되었다.In addition, in the case of the hydrogen ion conductive membrane including the compatibilizer of the previously disclosed Korean Patent Application No. 10-2005-0049817, the focus was mainly on the compatibilizer function, but specificity such as crosslinking between the compatibilizer and the polymer matrix, IPN, graft, etc. There was a lack of awareness of the correlation between structure-membrane performance due to the formation of microstructures, and the improvement of polymer membrane performance was observed due to the addition of several inorganic materials, such as MnO 2 , which were not mentioned in previous papers.

또한, 미합중국 특허 US 2005/0136308 A1의 경우 주로 반응성 과산화수소류의 공격에 대한 수소이온전도성 막의 내구성 향상에 초점을 맞추어, Al(III) 및 Mn(II)가 도입된 수소이온전도성 막을 제조하거나, MnO2를 포함하는 촉매전극의 도입에 따른 연료전지성능 향상에 기여코자 했으나, 계면활성제 도입을 통한 균일한 분산성 확보 및 가교, IPN, 그래프트와 같은 마이크로 구조의 형성에 따른 수소이온전도도 및 메탄올 투과도와 같은 전반적인 막성능 향상측면에 대해서 언급하지 않았다.In addition, in the case of US Patent US 2005/0136308 A1, a hydrogen ion conductive membrane in which Al (III) and Mn (II) are introduced is prepared, or MnO is mainly focused on improving the durability of the hydrogen ion conductive membrane against attack of reactive hydrogen peroxides. Although it was intended to contribute to the improvement of fuel cell performance by introducing the catalyst electrode including 2 , hydrogen ion conductivity and methanol permeability due to securing uniform dispersibility and formation of micro structures such as crosslinking, IPN, and graft by introducing surfactants. The same overall improvement in membrane performance is not mentioned.

본 발명의 목적은 고분자 매트릭스에 따라 다양한 마이크로구조를 형성시킬 수 있는 계면활성제 및 그러한 고분자구조에 다양한 무기충진제가 포함된 수소이온 전도성 고분자복합막에 관한 것이다. 구체적으로는, 무기물의 분산을 도우며, 가교, IPN, 그래프트 구조를 형성하는 계면활성제는 친수성 및 수소성기를 갖는 플루로닉 또는 테트로닉계 고분자가 포함되어, 고분자전해질 막 내 무기충진제의 균일한 분산을 유도하며, 그 계면활성제는 고분자 매트릭스에 따라 가교, IPN, 그래프트 구조 등의 특이한 마이크로구조를 형성시킬 수 있으며, 또한 계면활성제와 함께 도입된 무기충진제의 작용에 따라, 고분자막 내 친수성기 주변의 함수율의 감소와 치수안정성이 증가되며, DMFC 응용시, 촉매피독을 통한 연료전지성능 감소와 직접적으로 관련 있는 메탄올 크로스오버 감소에 기여하며, 함수율 감소와는 달리, 고분자 막 내 반응성기와의 강한 상호 작용력을 갖는 물(바운드워터, BOUND WATER)의 함량 증가를 유도하거나(무기산화물), 그 자체로 수소이온전도성을 갖는 HPA 함량 증가에 따른 수소이온전도도 향상에 기여하며, 도입된 무기충진제에 따라 우수한 수화안정성 및 자유라디칼안정성을 보이는 수소이온전도성 고분자복합막 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다. An object of the present invention relates to a surfactant capable of forming various microstructures according to a polymer matrix, and a hydrogen ion conductive polymer composite membrane including various inorganic fillers in such a polymer structure. Specifically, the surfactant which helps dispersion of the inorganic material and forms a crosslinking, IPN, and graft structure includes a pluronic or tetronic polymer having hydrophilic and hydrogenic groups, and thus uniform dispersion of the inorganic filler in the polymer electrolyte membrane. The surfactant can form unique microstructures such as crosslinking, IPN, graft structure, etc., depending on the polymer matrix, and also, depending on the action of the inorganic filler introduced with the surfactant, The reduction and dimensional stability are increased, and in DMFC applications, it contributes to the reduction of methanol crossover, which is directly related to the reduction of fuel cell performance through catalyst poisoning, and, unlike water content reduction, has a strong interaction with reactive groups in the polymer membrane. Induces an increase in the content of water (bound water) (inorganic oxides), or hydrogen ions by themselves It contributes to the improvement of proton conductivity with increasing HPA content having a conductivity, and to provide a superior hydration stability and free radical stability exhibit the hydrogen-ion conductive polymer composite film and a fuel cell including the same according to the introduction of the inorganic filler.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 무기물의 분산을 도우며, 가교, IPN, 그래프트 구조를 형성하는 계면활성제로 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO) 또는 이들의 공중합체 고분자 및 올리고머를 포함하는 계면활성제; 및 (b) 무기산화물, 헤테로 다중산(Heteropolyacid) 또는 이들의 혼합 무기충진제를 포함하는 수소이온전도성 고분자복합막을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention (a) as a surfactant to help the dispersion of inorganic materials, crosslinking, IPN, graft structure, polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO) or a copolymer polymer thereof and Surfactants including oligomers; And (b) an inorganic oxide, heteropolyacid, or a mixed inorganic filler thereof.

또한, 본 발명은 상기 수소이온전도성 고분자복합막을 포함하는 막-전극 어셈블리(MEA)를 제공한다.The present invention also provides a membrane-electrode assembly (MEA) comprising the hydrogen ion conductive polymer composite membrane.

본 발명은 또한 상기 계면활성제 및 무기충진제를 포함하는 수소이온전도성 고분자복합막을 구비한 연료전지를 제공한다.The present invention also provides a fuel cell having a hydrogen ion conductive polymer composite membrane comprising the surfactant and an inorganic filler.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

무기물의 분산을 도우며, 가교, IPN, 그래프트 구조를 형성하는 계면활성제는 친수성 및 수소성기를 갖는 플루로닉 또는 테트로닉계 고분자 계면활성제가 포함되어, 고분자전해질 막 내 무기충진제의 균일한 분산을 유도하며, 그 계면활성제는 고분자 매트릭스에 따라 가교, IPN, 그래프트 구조 등의 특이한 마이크로구조를 형성시킬 수 있으며, 또한 계면활성제와 함께 도입된 무기충진제의 작용에 따라, 고분자막 내 친수성기 주변의 함수율 감소와 치수안정성 증가가 이루어지며, DMFC 응용시, 촉매피독을 통한 연료전지성능 감소와 직접적으로 관련 있는 메탄올 크로스오버 감소에 기여하며, 함수율의 감소와는 달리, 고분자 막 내 반응성기와의 강한 상호 작용력을 갖는 물(바운드워터, BOUND WATER)의 함량 증가를 유도하거나(무기산화물), 그 자체로 수소이온전도성을 갖는 HPA 함량 증가에 따른 수소이온전도도 향상에 기여함과 동시에, 도입된 무기충진제에 따라 우수한 수화안정성 및 자유라디칼안정성을 갖는다는 사실에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.Surfactants that aid in the dispersion of inorganic materials and form crosslinks, IPNs, and graft structures include Pluronic or Tetronic polymer surfactants with hydrophilic and hydrogenated groups, inducing uniform dispersion of inorganic fillers in the polymer electrolyte membrane. The surfactant can form unique microstructures such as crosslinking, IPN, graft structure, etc. according to the polymer matrix, and also decreases the water content and dimensions around the hydrophilic group in the polymer membrane depending on the action of the inorganic filler introduced with the surfactant. Increased stability is achieved, and in DMFC applications, water contributes to the reduction of methanol crossover, which is directly related to the reduction of fuel cell performance through catalytic poisoning, and, unlike the decrease in water content, has a strong interaction with reactive groups in the polymer membrane. (Bound water, BOUND WATER) to increase the content (inorganic oxide), or hydrogen by itself And at the same time it contributes to the improvement of proton conductivity with increasing HPA content with on-conductive, by focusing on the fact that has a superior hydration stability and free radical stability, according to the introduction of the inorganic filler, thus completing the present invention.

본 발명의 수소이온전도성 고분자복합막은 무기물의 분산을 도우며, 가교, IPN, 그래프트 구조를 형성하는 계면활성제로 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO) 또는 이들의 공중합체와 함께, 다양한 기능성을 나타내는 무기산화물 및 HPA 등의 무기충진제를 포함하는 것을 특징으로 한다. The hydrogen ion conductive polymer composite membrane of the present invention helps dispersing inorganic materials and forms various functionalities together with polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO) or copolymers thereof as a surfactant to form crosslinking, IPN, and graft structures. It is characterized by including inorganic fillers, and inorganic fillers such as HPA.

예를 들어, 본 발명의 바람직한 계면활성제의 예로는 아래 화학식 1에서 보여지는 바와 같이 친수성 및 소수성기를 가지고, 계면활성제 사슬의 말단에 반응성기인 -OH기를 포함하고 있어, 고분자 매트릭스에 -COOH 또는 -SO3H가 포함되어 있을 경우 반응하여 카르복시산 에스테르 또는 술폰산 에스테르와 같은 공유결합으로 이루어진 가교 또는 그래프트 구조를 유도하여, 함수율의 감소와 이를 통한 메탄올 투과도의 감소 및 도입된 계면활성제의 누출 방지에 따른 안정성 증가, 수화안정성 증가에 기여하거나, 계면활성제에 포함된 친수성기 및 나노분산된 무기충진제의 표면친수성으로 인해 바운드워터의 증가와 수소이온전도도의 증가가 동시에 이루어진다. For example, examples of preferred surfactants of the present invention include -OH groups having hydrophilic and hydrophobic groups and reactive groups at the ends of the surfactant chain, as shown in the following formula (1), and -COOH or -SO in the polymer matrix When 3 H is included, it reacts to induce a crosslinked or graft structure consisting of covalent bonds such as carboxylic acid esters or sulfonic acid esters, thereby reducing water content, thereby reducing methanol permeability and increasing stability due to preventing leakage of introduced surfactants. In addition, due to the surface hydrophilicity of the hydrophilic group and the nano-dispersed inorganic filler included in the surfactant or contribute to the increase in hydration stability, the increase in the bound water and the increase in the hydrogen ion conductivity.

Figure 112006029996566-pat00001
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상기 고분자막의 재료로는 일반적으로 사용되는 모든 고분자재료가 가능하며, 특히 바람직한 예로는 과불소계 고분자, 폴리이미드, 폴리술폰, 폴리아릴렌에테르술폰, 폴리아릴렌에테르케톤, 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈시아졸, 폴리에테르에테르케톤, 폴리포스파젠 등을 들 수 있다. 또한 이러한 고분자막은 술폰산기, 탄산기, 인산기 등의 친수성 관능기를 포함하고 있는 것이 바람직하다.As the material of the polymer membrane, all polymer materials generally used may be used. Particularly preferred examples thereof include perfluorinated polymer, polyimide, polysulfone, polyarylene ether sulfone, polyarylene ether ketone, polybenzimidazole, and polybenz. Oxazole, polybenzisazole, polyether ether ketone, polyphosphazene and the like. Moreover, it is preferable that such a polymer film contains hydrophilic functional groups, such as a sulfonic acid group, a carbonic acid group, and a phosphoric acid group.

특히 본 발명에서 상기 계면활성제로 폴리에틸렌옥사이드(PEO)와 같은 친수성기 또는 폴리프로필렌옥사이드(PPO)와 같은 소수성기를 갖는 고분자 또는 올리고머가 바람직하며, 친수성기와 소수성기를 모두 가지는 플루로닉 또는 테트로닉 고분자 및 올리고머는 PEO와 PPO의 삼원공중합체 형태인 계면활성제가 더욱 바람직하 다. 또한 사용목적에 따라 다양한 기능성을 갖는 무기충진제가 상기 계면활성제와 함께 도입된다. Particularly, in the present invention, the surfactant is preferably a polymer or oligomer having a hydrophilic group such as polyethylene oxide (PEO) or a hydrophobic group such as polypropylene oxide (PPO), and a pluronic or tetronic polymer and oligomer having both hydrophilic and hydrophobic groups. More preferred are surfactants in the form of terpolymers of PEO and PPO. In addition, inorganic fillers having various functionalities are introduced together with the surfactant according to the purpose of use.

도입된 계면활성제는 고분자 매트릭스에 따라 가교, IPN 및 그래프트 등의 특징적인 마이크로구조의 형성을 유도하게 되며, 이러한 계면활성제와 함께 도입된 무기충진제의 경우 분산성이 향상되고, 그에 따라 나노단위로 분산된 고분자복합막을 얻을 수 있게 된다. 그에 따라 관찰될 수 있는 효과를 정리하면 다음과 같다.The introduced surfactants lead to the formation of characteristic microstructures such as crosslinking, IPN and graft depending on the polymer matrix, and in the case of inorganic fillers introduced with these surfactants, the dispersibility is improved and thus dispersed in nano units. The polymer composite membrane can be obtained. The effects that can be observed are summarized as follows.

1. 고분자 막 내의 함수율 감소와 치수안정성 증가, 메탄올투과도 감소1. Reduced moisture content, increased dimensional stability, and reduced methanol permeability in the polymer membrane

상기 고분자막의 경우, 고분자의 친수성영역-계면활성제의 친수성 PEO 반복단위-친수성 무기충진제 또는 고분자의 소수성영역-계면활성제의 소수성 PPO 반복단위-소수성 무기충진제 간의 수소결합을 통한 높은 상호작용에 더해, 고분자 메트릭스의 주쇄의 반응성기와 분산제의 반응성기 간의 공유결합을 통해 가교, IPN 및 그래프트 구조가 나타나게 된다. 그 결과 술폰산기 주변의 물분자의 과다한 접근이 막아지게 되고, 함수율을 감소하게 된다. 이는 본 발명의 고분자복합막을 사용한 막-전극 어셈블리(MEA)의 제조시, 고분자막과 촉매전극간의 물에 대한 팽윤도 차이에서 나타나는 MEA 접합성의 급속한 감소와 연료전지성능의 감소 문제를 해결할 수 있는 치수안정성이 확보된다. 또한 함수율 감소에 따라, 물과 함께 투과되는 메탄올의 함량을 감소시켜, 메탄올에 대한 배리어성이 확보되어, DMFC 응용시 감소된 메탄올 투과도는 높은 단위전지 성능을 유도시킬 수 있다. In the case of the polymer membrane, in addition to the high interaction through the hydrogen bond between the hydrophilic PEO repeat unit of the hydrophilic region-surfactant of the polymer-hydrophilic inorganic filler of the polymer or the hydrophobic PPO repeat unit of the polymer-hydrophobic inorganic filler of the polymer, the polymer The covalent linkage between the reactive group of the matrix backbone and the reactive group of the dispersant leads to crosslinking, IPN and graft structure. As a result, excessive access of water molecules around the sulfonic acid group is prevented and the water content is reduced. In the manufacturing of the membrane-electrode assembly (MEA) using the polymer composite membrane of the present invention, it is possible to solve the problem of the rapid reduction of the MEA bonding properties and the reduction of fuel cell performance in the water swelling difference between the polymer membrane and the catalyst electrode. Secured. In addition, as the moisture content decreases, the content of methanol permeated with water is reduced, so that barrier property to methanol is secured, and thus the reduced methanol permeability in DMFC applications may lead to high unit cell performance.

2. 복합막 내 바운드 워터 함량의 증가와 수소이온전도도 증가2. Increased bound water content and hydrogen ion conductivity in composite membrane

함수율의 감소와는 달리, 고분자, 계면활성제 및 무기충진제의 친수성기와 높은 상호작용을 갖는 물분자인 바운드 워터 함량이 상대적으로 증가하여, 온도상승 및 상대습도 감소조건에서조차 수소이온전도도의 향상에 기여한다.Unlike the decrease in water content, the bound water content, which is a water molecule with high interaction with hydrophilic groups of polymers, surfactants and inorganic fillers, is relatively increased, contributing to the improvement of hydrogen ion conductivity even under conditions of temperature rise and relative humidity. .

3. 고분자복합막의 기계적 물성 향상3. Improvement of mechanical properties of polymer composite membrane

화학식 1과 같은 구조를 가지며, 무기물의 분산을 도우며, 가교, IPN, 및 그래프트 구조를 유도하는 계면활성제와 함께 도입된 기능성 무기충진제가 포함된 고분자복합막은, 고분자만의 기계적 물성에 비해 인장강도 및 Tensile strength 등이 상당히 향상된다.A polymer composite membrane having a structure as shown in Formula 1, which aids in the dispersion of inorganic materials and is introduced with a surfactant that induces crosslinking, IPN, and graft structure, has a tensile strength and Tensile strength is significantly improved.

4. 고분자복합막의 열적, 수화, 자유라디칼 안정성 향상4. Improve thermal, hydration and free radical stability of polymer composite membrane

제조된 복합막의 경우 보다 향상된 열적안정성과 함께, 높은 가수분해 조건에서의 안정성을 보인다. 예를 들어, 순수 술폰화 폴리이미드막의 경우, 80 ℃ 초순수에서 3일 정도의 안정성을 갖는 반면, 분산제만 포함된 술폰화 폴리이미드막 및 SiO2-분산제가 포함된 술폰화 폴리이미드 복합막의 경우, 각각 146일 및 366일 이상의 수화안정성을 보였다. 또한 0.1 무게% ferrous ammonium salt + 3 무게% H2O2 용액 (Fenton 용액)을 이용한 과산화라디칼에 대한 안정성의 경우, 순수 술폰화 폴리이미드막의 경우 28시간의 안정성을 갖는데 반해, SiO2-계면활성제, MnO2-계면활성제, Al2O3-계면활성제 등은 각각 38시간, 55시간, 58시간의 향상된 수화안정성을 보였으며, 적절한 무기충진제의 조합을 통해 그 성능은 보다 향상됨을 확인하였다.In the case of the manufactured composite membrane, it shows stability under high hydrolysis conditions with improved thermal stability. For example, in the case of pure sulfonated polyimide membrane, in the case of sulfonated polyimide membrane including SiO 2 -dispersant and sulfonated polyimide membrane containing only a dispersant while having stability of about 3 days at 80 ° C. ultrapure water, It showed hydration stability of more than 146 days and 366 days respectively. In addition, the stability for radical peroxide using 0.1 wt% ferrous ammonium salt + 3 wt% H 2 O 2 solution (Fenton's solution) was 28 hours for pure sulfonated polyimide membranes, whereas SiO 2 -surfactant. , MnO 2 -surfactant, Al 2 O 3 -surfactant and the like showed improved hydration stability of 38 hours, 55 hours, 58 hours, respectively, it was confirmed that the performance is further improved through the combination of the appropriate inorganic fillers.

이상 설명한 본 발명에서의 상기 계면활성제 함량은 제조되는 고분자막 100 중량부에 0.01 또는 40 중량부인 것이 바람직하며, 상기 계면활성제의 함량이 고분자막 100 중량부에 대하여 0.01 중량부 미만이면 계면활성제 첨가효과가 거의 나타나지 않아 바람직하지 못하며, 또한 상기 계면활성제가 고분자막 100 중량부에 대해서 40 중량부를 초과할 경우 첨가되는 계면활성제 함량에 비례하여 고분자막의 수소이온전도도, 메탄올 투과도, 치수안정성, 내구성 등을 비롯한 다양한 물성이 단순히 증가하지 못하므로 경제적이지 못하다. 본 발명의 고분자복합막은 TiO2, SiO2, Al2O3, ZrO2, MnO2, 테트라에톡시실란(TEOS), 몬트모릴로나이트 (montmorillonite), 모덴나이트 (mordenite) 등과 같은 무기산화물 또는 지르코늄 인산(ZrP), 포스포텅스틱산, 실리코텅스틱산, 포스포 몰리브덴산, 실리코 몰리브덴산 등과 같은 heteropolyacid 등의 다양한 무기충진제가 단독 또는 복합물 형태로 계면활성제와 함께 도입되는 것이 가장 바람직하다. The surfactant content in the present invention described above is preferably 0.01 or 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer film to be prepared, and the effect of adding the surfactant is substantially less than 0.01 part by weight based on 100 parts by weight of the polymer film. It is not preferable because it does not appear, and in addition, when the surfactant exceeds 40 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polymer film, various properties such as hydrogen ion conductivity, methanol permeability, dimensional stability, durability, etc. of the polymer film are proportional to the amount of the surfactant added. It is not economical simply because it does not increase. The polymer composite membrane of the present invention is an inorganic oxide or zirconium such as TiO 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , MnO 2 , tetraethoxysilane (TEOS), montmorillonite, mordenite, and the like. Most preferably, various inorganic fillers, such as heteropolyacids such as phosphoric acid (ZrP), phosphotungstic acid, silicotungstic acid, phospho molybdic acid, silico molybdic acid and the like, are introduced alone or in combination with surfactants.

또한 본 발명에서의 무기충진제의 함량은 고분자막 100 중량부에 0.01 또는 40 중량부인 것이 바람직하며, 상기 무기충진제의 함량이 고분자막 100 중량부에 대하여 0.01 중량부 미만이면 무기충진제 첨가효과가 거의 나타나지 않아 바람직하지 목하며, 또한 상기 무기충진제가 고분자막 100 중량부에 대해서 40 중량부를 초과할 경우 첨가되는 무기충진제의 함량에 비례하여 기계적 물성이 단순히 증가되지 못하며, 제조된 막의 깨짐성이 증가하게 되므로 경제적이지 못하다.In addition, the content of the inorganic filler in the present invention is preferably 0.01 parts by weight or 40 parts by weight to 100 parts by weight of the polymer film, the inorganic filler is less than 0.01 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer film is almost no effect of adding the inorganic filler is preferred. In addition, if the inorganic filler exceeds 40 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polymer membrane, the mechanical properties are not simply increased in proportion to the amount of the inorganic filler added, and thus the breaking property of the prepared membrane is not economical. .

이상 설명한 본 발명의 상기 수소이온전도성 고분자복합막은 이를 포함하는 막-전극 어셈블리(MEA) 제조에 사용 가능하며, 그 방법은 촉매와 적절한 바인더가 포함된 용액을 이용하여 제조된 촉매슬러리를 통상적인 방법에 의해 도포시킴으로 제조된다. The above-described hydrogen ion conductive polymer composite membrane of the present invention can be used for the preparation of a membrane-electrode assembly (MEA) comprising the same, and the method is a conventional method using a catalyst slurry prepared using a solution containing a catalyst and a suitable binder. It is prepared by application.

또한 본 발명의 상기 고분자복합막은 연료전지용, 전기분해용, 수계 및 비수계 전기투석 및 확산투석용, 투과증발, 가스분리, 투석, 한외여과, 나노여과 또는 역삼투압공정용 등 여러 용도로 사용가능하나, 특히 연료전지용으로 바람직하게 사용될 수 있다.In addition, the polymer composite membrane of the present invention can be used in various applications such as fuel cell, electrolysis, aqueous and non-aqueous electrodialysis and diffusion dialysis, pervaporation, gas separation, dialysis, ultrafiltration, nanofiltration or reverse osmosis process. However, it can be preferably used especially for fuel cells.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명의 이온전도성 고분자복합막은 계면활성제로 무기물의 분산을 도우며, 가교, Interpenetrating Polymer Network(IPN), 그래프트 구조를 형성하는 친수성 및 수소성기를 갖는 플루로닉 또는 테트로닉계 고분자가 포함되어, 고분자전해질 막 내 무기충진제의 균일한 분산이 유도된다. 또한 계면활성제와 함께 도입된 무기충진제의 작용에 따라, 고분자막 내 친수성기 주변의 함수율 감소와 치수안정성 증가가 이루어진다. 특히, 본 발명에 따른 이온전도성 고분자복합막이 직접메탄올연료전지에 사용되었을 경우, 촉매피독을 통한 연료전지성능 감소와 직접적으로 관련 있는 메탄올 크로스오버 감소에 기여할 수 있다. 함수율 감소와는 달리, 고분자 막 내 반응성기와의 강한 상호 작용력을 갖는 물(바운드워터, BOUND WATER)의 함량 증가를 유도하거나(무기산화물), 그 자체로 수소이온전도성을 갖는 HPA 함량 증가에 따라, 수소이온전도도 향상에 기여한다. 더불어, 본 발 명의 이온전도성 고분자복합막은 도입된 무기충진제에 따라 우수한 수화안정성 및 자유라디칼안정성을 보인다.As described above, the ion conductive polymer composite membrane of the present invention assists in dispersing inorganic materials as a surfactant, and has a hydrophilic and hydrogen-based group having a hydrophilic and hydrogenic group to form a crosslink, an Interpenetrating Polymer Network (IPN), and a graft structure. It is included, the uniform dispersion of the inorganic filler in the polymer electrolyte membrane is induced. In addition, depending on the action of the inorganic filler introduced with the surfactant, the moisture content around the hydrophilic group in the polymer membrane and the dimensional stability is increased. In particular, when the ion conductive polymer composite membrane according to the present invention is used in a direct methanol fuel cell, it may contribute to the reduction of methanol crossover which is directly related to the reduction of fuel cell performance through catalytic poisoning. Unlike the decrease in water content, it leads to an increase in the content of water (bound water, BOUND WATER) having a strong interaction with the reactive groups in the polymer membrane (inorganic oxide), or by itself increasing the HPA content of hydrogen ion conductivity, Contributes to the improvement of hydrogen ion conductivity. In addition, the ion conductive polymer composite membrane of the present invention shows excellent hydration stability and free radical stability depending on the inorganic filler introduced.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 보다 명확하게 표현하기 위한 목적으로 기재될 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 비교예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. The following examples and comparative examples are described for the purpose of more clearly expressing the present invention, but the contents of the present invention are not limited to the following examples and comparative examples.

(실시예 1)(Example 1)

폴리이미드의 축합반응은 테프론 교반기와 질소와 같은 비활성기체의 주입구 및 시료주입구가 갖추어진 250ml의 반응기에서 수행되었다. 이 반응기는 오일로 채워진 항온조에 넣어 일정한 반응온도를 유지할 수 있게 설치하였다.The condensation reaction of the polyimide was carried out in a 250 ml reactor equipped with a teflon stirrer and an inlet for inert gas such as nitrogen and a sample inlet. The reactor was installed in an oil-filled thermostat to maintain a constant reaction temperature.

반응기에 4,4'-디아미노 디페닐 에테르-2,2'-디술폰산(ODADS) 0.86g (2.4mmol)을 넣고, 용매로서 메타-크레졸(m-cresol)을 첨가하였다. 반응촉매로서 트리에틸아민 0.96g(9.6mmol)과 벤조산 0.68g(5.68mmol)을 첨가하였다. 완전히 용해시킨 상기 용액에 1,4,5,8-나프탈렌 테트라 카르복실릭 무수물(NTDA) 분말 1.07g(4mmol)을 천천히 주입한 후 완전 용해시키고 1시간 정도 반응시킨 다음, 3,5-디아미노 벤조산(DBA) 분말 0.23g (1.6mmol)을 첨가한 후 1시간 정도 반응시켰다. 0.86 g (2.4 mmol) of 4,4'-diamino diphenyl ether-2,2'-disulfonic acid (ODADS) was added to the reactor, and meta-cresol was added as a solvent. 0.96 g (9.6 mmol) of triethylamine and 0.68 g (5.68 mmol) of benzoic acid were added as a reaction catalyst. After slowly injecting 1.07 g (4 mmol) of 1,4,5,8-naphthalene tetracarboxylic anhydride (NTDA) powder into the completely dissolved solution, completely dissolving and reacting for about 1 hour, and then 3,5-diamino After adding 0.23 g (1.6 mmol) of benzoic acid (DBA) powder, the mixture was reacted for about 1 hour.

이어 온도를 80℃로 올린 후 4시간 반응시키고 다시 180℃로 승온하여 20시간 동안 반응시켜 용액상에서 짙은 갈색의 점도가 있는 폴리이미드를 제조하였다. 제조된 폴리이미드는 미반응된 모노머 및 올리고머를 제거하기 위해 아세톤 용액에서 침적시켜 술폰화된 폴리이미드 분말 2.3 g을 얻었다. 얻어진 분말을 다시 메타-크레졸(m-cresol) 9.2 g에 녹인 다음 150℃의 온도에서, 실리카(Aerosil 200, hydrophilic silica) 0.023g과 분산제로 플로로닉®(Polaxomer 1100, L31) 0.03g을 포함하는 용액을 천천히 주입시킨 후, 8시간 동안 반응시켰다.Subsequently, the temperature was raised to 80 ° C., followed by 4 hours of reaction, and the temperature was raised to 180 ° C. for 20 hours to prepare a polyimide having a dark brown viscosity in solution. The prepared polyimide was deposited in acetone solution to remove unreacted monomers and oligomers to give 2.3 g of sulfonated polyimide powder. Meta The resulting powder was re-cresol (m-cresol) at a temperature of 150 ℃ then dissolved in 9.2 g, silica (Aerosil 200, hydrophilic silica) 0.023g flow to the dispersing agent Nick ® (Polaxomer 1100, L31) comprises a 0.03g After slowly injecting the solution, the reaction was carried out for 8 hours.

상기 용액을 유리판 위에 캐스팅한 후, 180℃ 진공오븐에서 10시간 열경화 및 이미화를 완료시키고, 잔류용매를 완전히 제거하기 위하여 110℃의 진공오븐에서 24시간 동안 진공건조 후 30㎛의 두께를 가진 갈색을 지닌 불투명한 술폰화 폴리이미드복합막을 제조하였다. 상기 막의 이온교환용량(Ion Exchange Capacity, IEC)은 1.80 meq/g이었다.  After casting the solution on a glass plate, the thermosetting and imidization was completed for 10 hours in a vacuum oven at 180 ° C., and vacuum-dried for 24 hours in a vacuum oven at 110 ° C. to completely remove residual solvent. An opaque sulfonated polyimide composite membrane was prepared. The ion exchange capacity (IEC) of the membrane was 1.80 meq / g.

(실시예 2)(Example 2)

무기충진제로 실리카 (Aerosil 200, hydrophilic silica) 0.0115 g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 술폰화 폴리이미드복합막을 제조하였다.A sulfonated polyimide composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.0115 g of silica (Aerosil 200, hydrophilic silica) was used as the inorganic filler.

(실시예 3)(Example 3)

무기충진제로 실리카 (Aerosil 200, hydrophilic silica) 0.046 g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 술폰화 폴리이미드복합막을 제조하였 다.A sulfonated polyimide composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.046 g of silica (Aerosil 200, hydrophilic silica) was used as the inorganic filler.

(실시예 4)(Example 4)

무기충진제로 실리카 (Aerosil 200, hydrophilic silica) 0.069 g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 술폰화 폴리이미드복합막을 제조하였다.A sulfonated polyimide composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.069 g of silica (Aerosil 200, hydrophilic silica) was used as the inorganic filler.

(실시예 5)(Example 5)

무기충진제로 실리카 (Aerosil 200, hydrophilic silica) 0.115 g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 술폰화 폴리이미드복합막을 제조하였다.A sulfonated polyimide composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.115 g of silica (Aerosil 200, hydrophilic silica) was used as the inorganic filler.

(실시예 6)(Example 6)

무기충진제로 실리카 (Aerosil 200, hydrophilic silica) 0.161 g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 술폰화 폴리이미드복합막을 제조하였다.A sulfonated polyimide composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.161 g of silica (Aerosil 200, hydrophilic silica) was used as the inorganic filler.

(실시예 7)(Example 7)

무기충진제로 실리카 (Aerosil 200, hydrophilic silica) 0.23 g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 술폰화 폴리이미드복합막을 제조하였 다.A sulfonated polyimide composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.23 g of silica (Aerosil 200, hydrophilic silica) was used as the inorganic filler.

(실시예 8)(Example 8)

무기충진제로 알루미나(Al2O3) 0.023g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 술폰화 폴리이미드복합막을 제조하였다.A sulfonated polyimide composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.023 g of alumina (Al 2 O 3 ) was used as the inorganic filler.

(실시예 9)(Example 9)

무기충진제로 망간옥사이드(MnO2) 0.023g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 술폰화 폴리이미드복합막을 제조하였다.A sulfonated polyimide composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.023 g of manganese oxide (MnO 2 ) was used as the inorganic filler.

(실시예 10) (Example 10)

무기충진제로 실리카(SiO2) 0.0115g과 알루미나(Al2O3) 0.0115g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 술폰화 폴리이미드복합막을 제조하였다.A sulfonated polyimide composite film was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.0115 g of silica (SiO 2 ) and 0.0115 g of alumina (Al 2 O 3 ) were used as the inorganic filler.

(실시예 11)(Example 11)

무기충진제로 실리카(SiO2) 0.0115g과 망간옥사이드(MnO2) 0.0115g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 술폰화 폴리이미드복합막을 제조하였다.A sulfonated polyimide composite film was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.0115 g of silica (SiO 2 ) and 0.0115 g of manganese oxide (MnO 2 ) were used as the inorganic filler.

(실시예 12)(Example 12)

무기충진제로 알루미나(Al2O3) 0.0115g과 망간옥사이드(MnO2) 0.0115g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 술폰화 폴리이미드복합막을 제조하였다.A sulfonated polyimide composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.0115 g of alumina (Al 2 O 3 ) and 0.0115 g of manganese oxide (MnO 2 ) were used as the inorganic filler.

(실시예 13)(Example 13)

분산제로 urethane acrylate nonionomer(UAN) 0.03g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 술폰화 폴리이미드복합막을 제조하였다.A sulfonated polyimide composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.03 g of urethane acrylate nonionomer (UAN) was used as a dispersant.

(실시예 14)(Example 14)

고분자 매트릭스로 상업용 폴리프탈라지논 에테르 술폰 케톤(PPESK)의 post-sulfonation 반응에 의해 제조된 술폰화 폴리프탈라지논 에테르 술폰 케톤 분말 2.3g을 N-methyl-2-pyrrolidinone 9.2 g에 녹인 다음 150℃의 온도에서, 실리카(Aerosil 200, hydrophilic silica) 0.023g과 분산제로 플로로닉®(Polaxomer 1100, L31) 0.03g을 포함하는 용액을 천천히 주입시킨 후, 8시간 동안 반응시켰다.2.3 g of sulfonated polyphthalazinone ether sulfone ketone powder prepared by post-sulfonation reaction of commercial polyphthalazinone ether sulfone ketone (PPESK) as a polymer matrix was dissolved in 9.2 g of N-methyl-2-pyrrolidinone and then 150 ° C. in the temperature, silica (Aerosil 200, hydrophilic silica) to flow to the dispersing agent and 0.023g Nick ® (Polaxomer 1100, L31) was slowly injected into a solution containing 0.03g, was reacted for 8 hours.

상기 용액을 유리판 위에 캐스팅한 후, 180℃ 진공오븐에서 10시간 열경화시키고, 잔류용매를 완전히 제거하기 위하여 110℃의 진공오븐에서 24시간 동안 진공건조 후 20-40㎛의 두께를 가진 갈색을 지닌 불투명한 술폰화 폴리프탈라지논 에테르 술폰 케톤복합막을 제조하였다.After casting the solution on a glass plate, thermal curing at 180 ℃ vacuum oven for 10 hours, and vacuum drying at 110 ℃ vacuum oven for 24 hours to completely remove the residual solvent after having a brown having a thickness of 20-40 ㎛ An opaque sulfonated polyphthalazinone ether sulfone ketone composite membrane was prepared.

(실시예 15)(Example 15)

Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry 42, 2866-2876 (2004)에서 제시된 바와 같이 제조된 술폰화 폴리(아릴 에테르 케톤) 분말 2.3g을 N-methyl-2-pyrrolidinone 9.2 g에 녹인 다음 150℃의 온도에서, 실리카(Aerosil 200, hydrophilic silica) 0.023g과 분산제로 플로로닉®(Polaxomer 1100, L31) 0.03g을 포함하는 용액을 천천히 주입시킨 후, 8시간 동안 반응시켰다.2.3 g of sulfonated poly (aryl ether ketone) powder prepared as presented in Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry 42, 2866-2876 (2004) was dissolved in 9.2 g of N-methyl-2-pyrrolidinone and then heated to 150 ° C. in the temperature, silica (Aerosil 200, hydrophilic silica) to flow to the dispersing agent and 0.023g Nick ® (Polaxomer 1100, L31) was slowly injected into a solution containing 0.03g, was reacted for 8 hours.

상기 용액을 유리판 위에 캐스팅한 후, 180℃ 진공오븐에서 10시간 열경화시키고, 잔류용매를 완전히 제거하기 위하여 110℃의 진공오븐에서 24시간 동안 진공건조 후 30㎛의 두께를 가진 갈색을 지닌 불투명한 술폰화 폴리(아릴 에테르 케톤)복합막을 제조하였다.After casting the solution on a glass plate, heat curing at 180 ℃ vacuum oven for 10 hours, and vacuum drying at 110 ℃ vacuum oven for 24 hours in order to completely remove the residual solvent and then opaque brown with a thickness of 30 ㎛ Sulfonated poly (aryl ether ketone) composite membranes were prepared.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

분산제로 플로로닉® 및 무기충진제를 도입하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 술폰화 폴리이미드막을 제조하였다.A sulfonated polyimide membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that Floronic ® and an inorganic filler were not introduced as the dispersant.

(비교예 2) (Comparative Example 2)

분산제로 플로로닉® 및 무기충진제를 도입하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1와과 동일하게 술폰화 폴리프탈라지논 에테르 술폰 케톤막을 제조하였다.A sulfonated polyphthalazinone ether sulfone ketone membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that Floronic ® and an inorganic filler were not introduced as the dispersant.

(비교예 3)(Comparative Example 3)

분산제로 플로로닉® 및 무기충진제를 도입하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 15와 동일하게 술폰화 폴리(아릴 에테르 케톤)막을 제조하였다.A sulfonated poly (aryl ether ketone) membrane was prepared in the same manner as in Example 15 except that Floronic ® and an inorganic filler were not introduced as the dispersant.

(실험예)Experimental Example

상기 실시예 1 내지 15 및 비교예 1 내지 3에서 제조한 술폰화 고분자막 및 고분자복합막에 대하여 온도에 따른 수소이온전도도(표 1), 상대습도에 따른 수소이온전도도(표 2), 함수율(표 3), 바운드 워터 함량(표 4), 메탄올 투과도(표 5), 선택도(selectivity, 표 6) 및 수화안정성(표 7)을 측정하여 하기 표 1 내지 7에 나타내었다.For the sulfonated polymer film and polymer composite film prepared in Examples 1 to 15 and Comparative Examples 1 to 3, hydrogen ion conductivity (Table 1) according to temperature, hydrogen ion conductivity (Table 2) according to relative humidity, water content (table 3), bound water content (Table 4), methanol permeability (Table 5), selectivity (selectivity, Table 6) and hydration stability (Table 7) were measured and shown in Tables 1-7.

수소이온전도도는 교류 사극자법 (Four point probe AC impedance spectroscopic method)을 이용하여 옴저항 또는 벌크저항(ohmic resistance or bulk resistance)를 측정하여 σ=l/ (R×S)의 식에 대입함으로 얻어진다. 여기서, σ(S/cm)는 수소이온전도도, l(cm)은 전압강하 측정전극간의 거리, R(Ω)은 고분자전해질의 옴저항, S는 일정전류가 통과하는 전해질 내 면적 (cm2)을 의미한다. 수소이온전도도를 측정하기 위한 사극자 전극구조는 전기화학적 인터페이스(Solatron 1287, Solatron Analytical, Farnborough Hampshire, GU14, ONR, UK) 및 임피던스 위상 분석기 (Solatron 1260)과 연결된 일정 온도 및 일정 습도를 제어할 수 있는 항온항습챔버에 설치되어 있고, 이를 통해 Nyquist선도와 Bode선도를 이용하여 옴저항이 측정된다. 측정의 원리로는 고분자전해질을 통해 사극자 전극의 외부에 있는 두 전극에서 일정전류(10mA)를 가할 때, 내부 두 전극 사이의 전압강하를 측정함으로써 옴저항을 측정하는 방식으로 측정이 이루어진다. 이하 표 1은 상기 측정장치 및 측정법을 이용해 일정습도 95% RH에서 승온을 하면서 측정된 수치이며, 표 2는 동일 측정장치 및 측정법을 이용해 일정온도 60℃에서 가습을 하면서 측정된 수치이다.Hydrogen ion conductivity is obtained by measuring ohmic resistance or bulk resistance using the Four Point Probe AC impedance spectroscopic method and substituting it into the equation σ = l / (R × S). . Where σ (S / cm) is the hydrogen ion conductivity, l (cm) is the distance between the voltage drop electrodes, R (Ω) is the ohmic resistance of the polymer electrolyte, and S is the area in the electrolyte through which a constant current passes (cm 2 ) Means. Quadrupole electrode structure for measuring hydrogen ion conductivity can control constant temperature and constant humidity connected with electrochemical interface (Solatron 1287, Solatron Analytical, Farnborough Hampshire, GU14, ONR, UK) and impedance phase analyzer (Solatron 1260) It is installed in a constant temperature and humidity chamber, and the ohmic resistance is measured using Nyquist diagram and Bode diagram. As a principle of measurement, when a constant current (10mA) is applied to two electrodes outside the quadrupole electrode through the polymer electrolyte, the resistance is measured by measuring the voltage drop between the inner two electrodes. Table 1 is a value measured while heating at a constant humidity of 95% RH using the measuring device and measuring method, Table 2 is a value measured while humidifying at a constant temperature 60 ℃ using the same measuring device and measuring method.

[표 1] 온도에 따른 수소이온전도도 (X10-2 S/cm at 98% RH)[Table 1] Hydrogen ion conductivity according to temperature (X10 -2 S / cm at 98% RH)

구분 division 온도(℃)Temperature (℃) 3030 4545 6060 7575 9090 실시예1Example 1 8.278.27 8.748.74 9.339.33 9.829.82 10.2310.23 실시예2Example 2 7.327.32 7.877.87 8.878.87 9.039.03 9.559.55 실시예3Example 3 8.408.40 8.928.92 9.459.45 9.989.98 10.4010.40 실시예4Example 4 8.558.55 9.069.06 9.599.59 10.2010.20 10.6210.62 실시예5Example 5 8.718.71 9.199.19 9.739.73 10.4110.41 10.8610.86 실시예6Example 6 8.878.87 9.319.31 9.999.99 10.6310.63 10.9810.98 실시예7Example 7 8.958.95 9.499.49 10.2010.20 10.8710.87 11.2211.22 실시예8Example 8 7.437.43 7.937.93 8.998.99 9.219.21 9.769.76 실시예9Example 9 7.567.56 8.088.08 9.079.07 9.349.34 9.889.88 실시예10Example 10 7.387.38 7.897.89 8.938.93 9.149.14 9.719.71 실시예11Example 11 7.427.42 7.907.90 9.039.03 9.209.20 9.819.81 실시예12Example 12 7.507.50 8.018.01 9.029.02 9.299.29 9.829.82 실시예13Example 13 6.776.77 7.277.27 7.807.80 8.668.66 9.409.40 실시예14Example 14 6.656.65 7.117.11 8.348.34 8.458.45 9.289.28 실시예15Example 15 6.216.21 7.037.03 7.247.24 8.298.29 9.069.06 비교예1Comparative Example 1 5.235.23 5.805.80 6.196.19 6.906.90 7.337.33 비교예2Comparative Example 2 6.016.01 6.296.29 7.797.79 7.997.99 8.828.82 비교예3Comparative Example 3 5.115.11 5.675.67 6.136.13 6.766.76 8.728.72

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 계면활성제와 무기충진제를 동시에 첨가하여 복합막을 제조할 경우, 이들을 첨가하지 않고 제조된 막에 비하여 고분자막 내의 반응성기와 강한 상호 작용력을 갖는 바운드워터 함량의 증가에 따라 온도상승에 따른 수소이온전도도 및 동일 측정온도 대비 수소이온전도도가 향상됨을 알 수 있었다.As shown in Table 1, when the composite membrane is prepared by adding the surfactant and the inorganic filler at the same time, the temperature rises with the increase of the bound water content having a strong interaction with the reactive group in the polymer membrane compared to the membrane prepared without adding them The hydrogen ion conductivity and the hydrogen ion conductivity compared to the same measured temperature was found to be improved.

[표 2] 상대습도에 따른 수소이온전도도 (X10-2 S/cm at 60oC)[Table 2] Hydrogen ion conductivity according to relative humidity (X10 -2 S / cm at 60 o C)

구분 division 습도(% RH)Humidity (% RH) 7878 8282 9090 9898 실시예1Example 1 5.525.52 5.935.93 8.178.17 9.339.33 실시예2Example 2 5.405.40 5.845.84 7.897.89 8.878.87 실시예3Example 3 5.785.78 6.236.23 8.418.41 9.459.45 실시예4Example 4 6.226.22 6.376.37 8.628.62 9.599.59 실시예5Example 5 6.746.74 6.936.93 8.828.82 9.739.73 실시예6Example 6 6.926.92 7.017.01 8.978.97 9.999.99 실시예7Example 7 7.037.03 7.417.41 9.019.01 10.2010.20 실시예8Example 8 5.485.48 5.915.91 7.937.93 8.998.99 실시예9Example 9 5.545.54 5.985.98 7.997.99 9.079.07 실시예10Example 10 5.425.42 5.875.87 7.917.91 8.938.93 실시예11Example 11 5.455.45 5.895.89 7.947.94 9.039.03 실시예12Example 12 5.435.43 5.885.88 7.927.92 9.029.02 실시예13Example 13 4.824.82 5.785.78 7.207.20 7.807.80 실시예14Example 14 4.724.72 5.705.70 7.127.12 8.348.34 실시예15Example 15 4.664.66 5.625.62 7.037.03 7.247.24 비교예1Comparative Example 1 3.803.80 4.534.53 5.895.89 6.196.19 비교예2Comparative Example 2 3.663.66 4.354.35 5.735.73 7.797.79 비교예3Comparative Example 3 3.513.51 4.294.29 5.685.68 6.136.13

또한 상기 표 2에 나타난 바와 같이, 계면활성제와 무기충진제를 동시에 첨가하여 복합막을 제조할 경우, 이들을 첨가하지 않고 제조된 막에 비하여 상대습도 증가 및 일정습도에서 수소이온전도도 향상됨을 알 수 있었다. In addition, as shown in Table 2, when the composite membrane was prepared by adding the surfactant and the inorganic filler at the same time, it was found that the hydrogen ion conductivity is also improved at a relative humidity increase and relative humidity compared to the membrane prepared without adding them.

[표 3] 함수율 (%)[Table 3] Water content (%)

구분division 팽윤전의 무게(g)Weight before swelling (g) 팽윤후의 무게(g)Weight after swelling (g) 함수율(%)Moisture content (%) 실시예1Example 1 1.63291.6329 2.14402.1440 31.331.3 실시예2Example 2 1.39371.3937 1.81341.8134 30.130.1 실시예3Example 3 1.09061.0906 1.41601.4160 30.030.0 실시예4Example 4 1.23861.2386 1.60121.6012 29.329.3 실시예5Example 5 2.15882.1588 2.85312.8531 32.332.3 실시예6Example 6 2.28812.2881 2.95652.9565 29.229.2 실시예7Example 7 1.52861.5286 1.98561.9856 29.929.9 실시예8Example 8 1.77291.7729 2.27922.2792 28.628.6 실시예9Example 9 1.28831.2883 1.64051.6405 27.327.3 실시예10Example 10 1.28931.2893 1.62641.6264 26.226.2 실시예11Example 11 1.67431.6743 2.15032.1503 28.428.4 실시예12Example 12 0.95540.9554 1.22791.2279 28.528.5 실시예13Example 13 1.15141.1514 1.53021.5302 32.932.9 실시예14Example 14 0.95330.9533 1.22721.2272 28.528.5 실시예15Example 15 1.04011.0401 1.35311.3531 30.130.1 비교예1Comparative Example 1 2.01722.0172 2.70712.7071 34.234.2 비교예2Comparative Example 2 1.89751.8975 2.75712.7571 45.345.3 비교예3Comparative Example 3 1.76981.7698 2.54322.5432 43.743.7

또한 상기 표 3은 함수율 측정결과를 나타내는데, 함수율 측정은 제조된 막을 25℃ 초순수에 하루 동안 팽윤시킨 후(팽윤 후 막의 무게-팽윤 전 막의 무게)/(팽윤 전 막의 무게)X100으로 측정하였다. 상기 표 3에 나타난 바와 같이, 함수율에 있어서도 계면활성제와 무기충진제을 첨가하여 제조한 술폰화 고분자복합막의 팽윤도가 낮아, 상대적으로 높은 치수안정성을 얻음을 알 수 있었다.In addition, Table 3 shows the results of the measurement of moisture content, which was measured by swelling the prepared membrane in ultrapure water at 25 ° C. for one day (weight of the membrane after swelling-weight of the membrane before swelling) / (weight of the membrane before swelling) × 100. As shown in Table 3, it was found that the swelling degree of the sulfonated polymer composite membrane prepared by adding the surfactant and the inorganic filler was also low in water content, thereby obtaining relatively high dimensional stability.

[표 4] 바운드 워터 함량 (%)Table 4 Bound Water Content (%)

구분division 프리 워터 (%)Free water (%) 바운드 워터 (%)Bound Water (%) 실시예 1Example 1 26.726.7 73.373.3 실시예 2Example 2 27.527.5 72.572.5 실시예 3Example 3 23.323.3 76.776.7 실시예 4Example 4 18.718.7 81.381.3 실시예 5Example 5 15.715.7 84.384.3 실시예 6Example 6 15.515.5 84.584.5 실시예 7Example 7 13.113.1 86.986.9 실시예 8Example 8 25.625.6 74.474.4 실시예 9Example 9 24.724.7 75.375.3 실시예 10Example 10 26.226.2 73.873.8 실시예 11Example 11 25.725.7 74.374.3 실시예 12Example 12 25.225.2 74.874.8 실시예 13Example 13 29.929.9 70.170.1 실시예 14Example 14 32.732.7 67.367.3 실시예 15Example 15 37.137.1 62.962.9 비교예 1Comparative Example 1 40.940.9 59.159.1 비교예 2Comparative Example 2 41.941.9 58.158.1 비교예 3Comparative Example 3 43.743.7 56.356.3

고분자내 반응성기와 강한 상호 작용력을 갖는 바운드 워터의 함량은 상기 표 3에서 측정된 함수율과 -50 ~ 50 ℃에서 일정속도(5℃/min)로 가열하여 DSC측정을 한 결과 얻어진 물의 융해열을 이용하여 (측정범위의 온도에서의 흡열피크의 융해열)/(초순수의 융해열, 344 J/g)×함수율(%) 값의 차이로부터 얻었다. The content of bound water having a strong interaction force with the reactive group in the polymer was measured by using the heat of fusion of water obtained as a result of DSC measurement by heating at a constant rate (5 ° C./min) at -50 to 50 ° C. (Heat of fusion of endothermic peak at temperature of measurement range) / (heat of fusion of ultrapure water, 344 J / g) x was obtained from the difference of the value of moisture content (%).

상기 표 4에 나타난 바와 같이, 바운드 워터(bound water) 함량에 있어서도 계면활성제와 무기충진제를 첨가하여 제조한 술폰화 고분자복합막의 경우 이들을 첨가하지 않은 경우에 비하여 상대적으로 높아, 온도상승 및 동일온도에서의 수소이온전도도가 향상됨을 알 수 있었다.As shown in Table 4, the sulfonated polymer composite membrane prepared by adding a surfactant and an inorganic filler in the bound water content is relatively higher than that without adding them, at a temperature rise and the same temperature. It was found that the hydrogen ion conductivity of.

[표 5] 메탄올 투과도Table 5 Methanol Permeability

구분division 메탄올 투과도 (X10-7 cm2/sec)Methanol Permeability (X10 -7 cm 2 / sec) 실시예 1Example 1 1.481.48 실시예 2Example 2 2.312.31 실시예 3Example 3 2.342.34 실시예 4Example 4 3.643.64 실시예 5Example 5 4.324.32 실시예 6Example 6 4.924.92 실시예 7Example 7 8.618.61 실시예 8Example 8 2.372.37 실시예 9Example 9 2.422.42 실시예 10Example 10 2.342.34 실시예 11Example 11 2.372.37 실시예 12Example 12 2.392.39 실시예 13Example 13 1.391.39 실시예 14Example 14 3.093.09 실시예 15Example 15 4.824.82 비교예 1Comparative Example 1 10.610.6 비교예 2Comparative Example 2 28.228.2 비교예 3Comparative Example 3 32.832.8

메탄올 투과도는 Two chamber diffusion cell법에 의해 측정하였다. 측정 전 고분자전해질막은 초순수에서 하루 이상 팽윤시킨 후, 양 쪽 챔버의 사이에 설치한다. 측정을 위해 한 쪽 챔버에는 10 M 메탄올 용액을 채우고, 다른 한 쪽 챔버에는 초순수를 채운 후, 시간이 경과한 후 메탄올 용액을 채운 챔버로부터 고분자막을 통해 초순수만을 채운 챔버 쪽으로 메탄올이 확산이 될 때, 확산된 메탄올의 양을 가스크로마토그래피 (GC, Shimadtzu, GC-14B, Tokyo, Japan)를 이용하여 측정할 수 있었다. Methanol permeability was measured by the two chamber diffusion cell method. Before measurement, the polymer electrolyte membrane is swollen for one day or more in ultrapure water, and is installed between both chambers. When methanol is diffused from one chamber filled with 10 M methanol solution to the other chamber, the other chamber filled with ultrapure water, and then over time from the chamber filled with methanol solution to the chamber filled with only ultrapure water through the polymer membrane, The amount of diffused methanol could be measured using gas chromatography (GC, Shimadtzu, GC-14B, Tokyo, Japan).

상기 표 5에 나타난 바와 같이, 계면활성제와 무기충진제를 첨가하여 제조된 술폰화 고분자복합막의 경우 메탄올에 대한 배리어(barrier)성이 유도되므로 메탄올 투과도가 10배 이상 감소됨을 알 수 있었다.As shown in Table 5, in the case of the sulfonated polymer composite membrane prepared by adding the surfactant and the inorganic filler, it was found that methanol permeability was reduced by more than 10 times because the barrier property to methanol was induced.

[표 6] 선택도[Table 6] Selectivity

구분division 선택도 (Ssec/cm3)Selectivity (Ssec / cm 3 ) 실시예 1Example 1 5.59X105 5.59X10 5 실시예 2Example 2 3.17X105 3.17 X 10 5 실시예 3Example 3 3.59X105 3.59X10 5 실시예 4Example 4 2.34X105 2.34 X 10 5 실시예 5Example 5 2.01X105 2.01 X 10 5 실시예 6Example 6 1.80X105 1.80X10 5 실시예 7Example 7 1.04X105 1.04X10 5 실시예 8Example 8 3.14X105 3.14 X 10 5 실시예 9Example 9 3.12X105 3.12 X 10 5 실시예 10Example 10 3.15X105 3.15 X 10 5 실시예 11Example 11 3.13X105 3.13 X 10 5 실시예 12Example 12 3.14X105 3.14 X 10 5 실시예 13Example 13 4.87X105 4.87X10 5 실시예 14Example 14 2.15X105 2.15 X 10 5 실시예 15Example 15 1.29X105 1.29X10 5 비교예 1Comparative Example 1 4.93X104 4.93X10 4 비교예 2Comparative Example 2 2.13X104 2.13X10 4 비교예 3Comparative Example 3 1.56X104 1.56 X 10 4

본 발명의 고분자막을 직접메탄올연료전지(DMFC)에 응용할 경우 바람직하게는 높은 수소이온전도도와 낮은 메탄올 투과도를 나타내어야 한다. 따라서 선택도(selectivity)란 용어를 사용하여 고분자전해질의 성능을 나타나게 된다. 여기서, 선택도란 수소이온전도도/메탄올투과도를 의미한다.  When the polymer membrane of the present invention is applied to a direct methanol fuel cell (DMFC), it should preferably exhibit high hydrogen ion conductivity and low methanol permeability. Therefore, the term "selectivity" is used to indicate the performance of the polymer electrolyte. Here, selectivity means hydrogen ion conductivity / methanol permeability.

상기 표 6에 나타난 바와 같이, 계면활성제와 무기충진제를 첨가하여 제조된 술폰화 고분자복합막의 경우 선택도가 최대 10 배 이상 향상된 것을 알 수 있었다.As shown in Table 6, it was found that the selectivity of the sulfonated polymer composite membrane prepared by adding the surfactant and the inorganic filler was improved up to 10 times or more.

[표 7] 수화안정성[Table 7] Sign Language Stability

구분division 수화안정성 (day)Hydration Stability (day) 실시예 1Example 1 >366> 366 실시예 2Example 2 >366> 366 실시예 3Example 3 >366> 366 실시예 4Example 4 >366> 366 실시예 5Example 5 >366> 366 실시예 6Example 6 >366> 366 실시예 7Example 7 >366> 366 실시예 8Example 8 >366> 366 실시예 9Example 9 >366> 366 실시예 10Example 10 >366> 366 실시예 11Example 11 >366> 366 실시예 12Example 12 >366> 366 실시예 13Example 13 >366> 366 실시예 14Example 14 >382> 382 실시예 15Example 15 >394> 394 비교예 1Comparative Example 1 2.92.9 비교예 2Comparative Example 2 10.310.3 비교예 3Comparative Example 3 16.216.2

수화안정성은 물을 매개로 하여 수소이온이 전달되는 가습전해질의 경우, 반드시 충족되어야만 하는 성질이다. 즉, 가습전해질의 경우, 대개 술폰산기, 탄산기, 인산기와 같은 산기를 포함하고 있으므로, 산성조건의 수화상태에서의 고분자 분해가 촉진된다. 따라서 수화상태에서의 안정성은 제조된 고분자전해질의 연료전지응용시의 근본적 성능의 신뢰도와 직접적인 관계가 있다. 수화안정성의 측정은 다양한 방법을 통해서 이루어질 수 있으나, 본 발명에서의 수화안정성 측정은 일정시간 동안 80 ℃ 초순수에서 고분자전해질을 aging 시킨 후, 일정조건 (95% RH, 80 ℃)에서 최초 측정된 수소이온전도도에 비해 5% 이상 변화될 시의 시간을 측정하여 수화안정성을 평가하였다.Hydration stability is a property that must be met in the case of a humidified electrolyte in which hydrogen ions are transferred through water. That is, in the case of a humidified electrolyte, since it usually contains acidic groups, such as a sulfonic acid group, a carbonic acid group, and a phosphate group, the decomposition | disassembly of a polymer in the hydration state of acidic condition is accelerated | stimulated. Therefore, the stability in the hydrated state is directly related to the reliability of the fundamental performance of the fuel cell application of the prepared polymer electrolyte. The measurement of hydration stability can be made through various methods, but the hydration stability in the present invention is measured by aging the polymer electrolyte in ultrapure water at 80 ° C. for a predetermined time, and then hydrogen was first measured under certain conditions (95% RH, 80 ° C.). Hydration stability was evaluated by measuring the time when the change was more than 5% compared to the ion conductivity.

상기 표 7에 나타난 바와 같이, 계면활성제와 무기충진제를 포함하지 않는 술폰화 고분자막의 경우, 대부분의 술폰화 고분자막의 연료전지응용시 근본적인 문제점인 낮은 수화안정성의 문제가 관찰되나, 계면활성제와 무기충진제를 포함하는 술폰화 고분자복합막의 경우, 술폰화 고분자막의 수화안정성문제를 근본적으로 해결할 수 있음을 알 수 있었다.As shown in Table 7, in the case of the sulfonated polymer membrane containing no surfactant and the inorganic filler, the problem of low hydration stability, which is a fundamental problem in the fuel cell application of most sulfonated polymer membranes, is observed, but the surfactant and the inorganic filler In the case of the sulfonated polymer composite membrane containing, it was found that the problem of hydration stability of the sulfonated polymer membrane can be fundamentally solved.

[표 8] 자유라디칼안정성[Table 8] Free radical stability

구분division 자유라디칼안정성 (시간)Free radical stability (time) 실시예 1Example 1 40.940.9 실시예 2Example 2 38.338.3 실시예 3Example 3 41.341.3 실시예 4Example 4 41.841.8 실시예 5Example 5 42.342.3 실시예 6Example 6 42.842.8 실시예 7Example 7 44.744.7 실시예 8Example 8 58.458.4 실시예 9Example 9 54.754.7 실시예 10Example 10 63.763.7 실시예 11Example 11 60.960.9 실시예 12Example 12 68.668.6 실시예 13Example 13 42.342.3 실시예 14Example 14 37.537.5 실시예 15Example 15 39.439.4 비교예 1Comparative Example 1 28.028.0 비교예 2Comparative Example 2 23.823.8 비교예 3Comparative Example 3 29.429.4

자유라디칼안정성은 물을 매개로 하여 수소이온이 전달되는 가습전해질의 경우, 반드시 충족되어야만 하는 또 하나의 성질이다. 즉, 연료전지 구동시 발생되는 H2O2에 대한 저항성을 의미하는 지표로, 자유라디칼안정성의 측정은 대개의 경우, Fenton용액 (0.1 무게% ferrous ammonium salt + 3 무게% H2O2 용액)에서 고분자전해질을 aging 시킨 후, 최초로 고분자전해질이 깨지거나 녹는 시간을 측정하여 자유라디칼안정성을 평가하였다.Free radical stability is another property that must be met in the case of a humidified electrolyte in which hydrogen ions are transferred through water. In other words, it is an index indicating the resistance to H 2 O 2 generated when driving a fuel cell, and the measurement of free radical stability is usually a Fenton solution (0.1 wt% ferrous ammonium salt + 3 wt% H 2 O 2 solution). After aging the polymer electrolyte at, the free radical stability was evaluated by measuring the time that the polymer electrolyte broke or melted for the first time.

상기 표 8에 나타난 바와 같이, 계면활성제와 무기충진제를 포함하지 않는 술폰화 고분자막의 경우, 대부분의 술폰화 고분자막의 낮은 자유라디칼안정성의 문제가 관찰되나, 계면활성제와 무기충진제를 포함하는 술폰화 고분자복합막의 경우, 술폰화 고분자막의 자유라디칼문제를 상당부분 해결할 수 있음을 알 수 있었다.As shown in Table 8, in the case of sulfonated polymer membranes containing no surfactant and inorganic filler, the problem of low free radical stability of most sulfonated polymer membranes was observed, but sulfonated polymer containing surfactant and inorganic filler In the case of the composite membrane, it was found that the free radical problem of the sulfonated polymer membrane can be largely solved.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명의 고분자전해질 복합막은 무기물의 분산을 도우며, 가교, IPN, 그래프트 구조를 형성하는 친수성 및 수소성기를 갖는 플루로닉 또는 테트로닉계 고분자 계면활성제가 포함되어, 고분자전해질 막 내 무기충진제의 균일한 분산을 유도하며, 그 계면활성제는 고분자 매트릭스에 따라 가교, IPN, 그래프트 구조 등의 특이한 마이크로구조를 형성시킬 수 있다. 또한 계면활성제와 함께 도입된 무기충진제의 작용에 따라, 고분자막 내 친수성기 주변의 함수율 감소와 치수안정성 증가가 이루어진다. 특히, 본 발명에 따른 고분자전해질 복합막이 직접메탄올연료전지에 사용되었을 경우, 촉매피독을 통한 연료전지성능 감소와 직접적으로 관련 있는 메탄올 크로스오버 감소에 기여할 수 있다. 함수율 감소와는 달리, 고분자 막 내 반응성기와의 강한 상호 작용력을 갖는 바운드 워터 함량 증가에 기여하거나(무기산화물), 그 자체로 수소이온전도성을 갖는 HPA 함량 증가에 따른 수소이온전도도 향상에 기여한다. 더불어, 본 발명의 고분자복합막은 도입된 무기충진제에 따라 우수한 수화안정성 및 자유라디칼안정성을 보인다.As described above, the polyelectrolyte composite membrane of the present invention assists in dispersing inorganic materials, and includes a Pluronic or Tetronic polymer surfactant having a hydrophilic and hydrophobic group forming a crosslink, IPN, and a graft structure. Induces uniform dispersion of the inorganic filler in the surfactant, the surfactant can form a unique microstructure, such as crosslinking, IPN, graft structure, depending on the polymer matrix. In addition, depending on the action of the inorganic filler introduced with the surfactant, the moisture content around the hydrophilic group in the polymer membrane and the dimensional stability is increased. In particular, when the polymer electrolyte composite membrane according to the present invention is used in a direct methanol fuel cell, it may contribute to the reduction of methanol crossover which is directly related to the reduction of fuel cell performance through catalyst poisoning. Unlike the decrease in moisture content, it contributes to the increase in the bound water content having a strong interaction with the reactive groups in the polymer membrane (inorganic oxide), or to the hydrogen ion conductivity due to the increase in the HPA content having hydrogen ion conductivity. In addition, the polymer composite membrane of the present invention shows excellent hydration stability and free radical stability depending on the inorganic filler introduced.

Claims (10)

(a) 무기물의 분산을 도우며, 가교, IPN, 그래프트 구조를 형성하는 계면활성제로 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO) 또는 이들의 공중합체 고분자 및 올리고머를 포함하는 계면활성제; 및 (A) surfactants that help disperse inorganic materials and form crosslinking, IPN, graft structures, including polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO) or copolymer polymers and oligomers thereof; And (b) 무기산화물, 헤테로 다중산(Heteropolyacid, HPA) 또는 이들의 혼합 무기충진제(b) inorganic oxides, heteropolyacids (HPA) or mixed inorganic fillers thereof 를 포함하는 수소이온전도성 고분자복합막.Hydrogen conductive polymer composite membrane comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 계면활성제는 친수성기로 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 소수성기로 폴리프로필렌옥사이드(PPO)를 동시에 포함하는 PEO와 PPO의 삼원공중합체인 것을 특징으로 하는 수소이온전도성 고분자복합막.The surfactant is a hydrogen ion conductive polymer composite membrane, characterized in that the terpolymer of PEO and PPO simultaneously containing polyethylene oxide (PEO) as a hydrophilic group, polypropylene oxide (PPO) as a hydrophobic group. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 무기산화물은 티타늄옥사이드(TiO2), 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 지르코늄옥사이드(ZrO2), 망간옥사이드(MnO2), 테트라에톡시실란(TEOS), 몬트모릴로나이트(montmorillonite) 및 모덴나이트(mordenite)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수소이온전도성 고분자복합막.The inorganic oxides are titanium oxide (TiO 2 ), silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), manganese oxide (MnO 2 ), tetraethoxysilane (TEOS), montmorillo A hydrogen ion conductive polymer composite membrane, characterized in that it is selected from the group consisting of montmorillonite and mordenite. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 헤테로 다중산(Heteropolyacid, HPA)는 지르코늄 인산, 포스포텅스틱산, 실리코텅스틱산, 포스포 몰리브덴산 및 실리코 몰리브덴산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수소이온전도성 고분자복합막.The heteropolyacid (HPA) is a hydrogen ion conductive polymer composite membrane, characterized in that selected from the group consisting of zirconium phosphoric acid, phospho tungstic acid, silico tungstic acid, phospho molybdate acid and silico molybdate acid. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 계면활성제의 함량은 고분자막 100 중량부에 대하여 0.01 또는 40 중량부인 것을 특징으로 하는 수소이온전도성 고분자복합막.The content of the surfactant is a hydrogen ion conductive polymer composite membrane, characterized in that 0.01 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer film. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 무기충진제의 첨가량은 고분자막 100 중량부에 대하여 0.01 내지 40 중량부인 것을 특징으로 하는 수소이온전도성 고분자복합막.The addition amount of the inorganic filler is a hydrogen ion conductive polymer composite membrane, characterized in that 0.01 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer membrane. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수소이온전도성 고분자복합막은 연료전지용 고분자전해질막인 것을 특징으로 하는 수소이온전도성 고분자복합막.The hydrogen ion conductive polymer composite membrane is a hydrogen ion conductive polymer composite membrane, characterized in that the fuel cell polymer electrolyte membrane. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고분자복합막의 고분자막 재료는 과불소계 고분자, 폴리이미드, 폴리술 폰, 폴리아릴렌에테르술폰, 폴리아릴렌에테르케톤, 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈시아졸, 폴리피롤론, 폴리에테르에테르케톤 및 폴리포스파젠으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 수소이온전도성 고분자복합막.The polymer film material of the polymer composite membrane is a perfluorinated polymer, polyimide, polysulfone, polyarylene ether sulfone, polyarylene ether ketone, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzisazole, polypyrrolone, polyether Hydrogen-conductive polymer composite membrane, characterized in that selected from the group consisting of ether ketone and polyphosphazene. (a) 무기물의 분산을 도우며, 가교, IPN, 그래프트 구조를 형성하는 계면활성제로 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO) 또는 이들의 공중합체 고분자 및 올리고머를 포함하는 계면활성제; 및 (A) surfactants that help disperse inorganic materials and form crosslinking, IPN, graft structures, including polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO) or copolymer polymers and oligomers thereof; And (b) 무기산화물, Heteropolyacid 또는 이들의 혼합 무기충진제(b) inorganic oxides, heteropolyacids or mixed inorganic fillers thereof 를 포함하는 수소이온전도성 고분자복합막을 포함하는 막-전극 어셈블리 (MEA).Membrane electrode assembly (MEA) comprising a hydrogen ion conductive polymer composite membrane comprising a. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 수소이온전도성 고분자복합막을 구비한 연료전지.A fuel cell comprising the hydrogen ion conductive polymer composite membrane according to any one of claims 1 to 8.
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