KR100707159B1 - Gel electrolyte, electrode for fuel cell, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
무가습·고온의 조건에서도 높은 프로톤 전도성을 나타내며, 또한 기계적 강도가 우수한 겔 전해질을 제공한다. 상기 겔 전해질은 산 및 상기 산에 대해 팽윤하는 매트릭스 폴리머를 포함하며, 상기 매트릭스 폴리머가 폴리파라반산 또는 폴리파라반산 유도체인 것을 특징으로 한다.Provided is a gel electrolyte that exhibits high proton conductivity even under conditions of no humidification and high temperature, and has excellent mechanical strength. The gel electrolyte includes an acid and a matrix polymer that swells with respect to the acid, wherein the matrix polymer is a polyparavanic acid or polyparavanic acid derivative.
겔 전해질, 프로톤 전도성, 폴리바라반산Gel Electrolyte, Proton Conductivity, Polybaraban Acid
Description
도 1은 실시예 3의 연료전지의 전지 전압과 전류 밀도의 관계를 도시한 그래프이다.1 is a graph showing the relationship between the cell voltage and the current density of the fuel cell of Example 3. FIG.
본 발명은 겔 전해질, 연료전지용 전극 및 연료전지에 관한 것으로서, 특히 내열성, 프로톤 전도성이 우수한 겔 전해질 및 연료전지용 전극 및 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a gel electrolyte, a fuel cell electrode and a fuel cell, and more particularly, to a gel electrolyte, a fuel cell electrode and a fuel cell excellent in heat resistance and proton conductivity.
연료전지에서는, 발전 효율, 시스템 효율, 구성 부재의 장기 내구성의 관점에서 100℃∼300℃ 정도의 작동 온도에서 무가습 또는 상대 습도 50% 이하의 저습도의 작동 조건에서 양호한 프로톤 전도성을 장기 안정적으로 나타내는 전해질막이 요구되고 있다. 종래의 고체 고분자 전해질형 연료전지의 개발에 있어서, 상기 요구를 감안하여 검토되었으나, 퍼플루오로술폰산막에서는 100℃ 이상 300℃ 이하의 작동 온도하, 상대 습도 50% 이하에서는 충분한 프로톤 전도성 및 출력을 얻을 수 없는 결점이 있었다.In the fuel cell, from the viewpoint of power generation efficiency, system efficiency, and long-term durability of the components, it is possible to stably maintain long-term stable proton conductivity under operating conditions of 100 ° C to 300 ° C and low humidity of 50% or less relative humidity. An electrolyte membrane is required. In the development of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell, it has been examined in view of the above requirements, but in a perfluorosulfonic acid membrane, sufficient proton conductivity and output power are provided at an operating temperature of 100 ° C. to 300 ° C. and a relative humidity of 50% or less. There was a defect that could not be obtained.
일본 특허공표 평 11- 503262호 공보에는 인산 등의 강산을 도핑시킨 폴리벤즈이미다졸로 이루어진 고체 전해질막이 개시되어 있다. 이 종류의 고체 전해질막에 의하면 우수한 내산화성 및 내열성을 가지며, 또한 200℃의 고온에서도 작동 가능하도록 되어 있다.Japanese Patent Laid-Open No. 11-503262 discloses a solid electrolyte membrane made of polybenzimidazole doped with a strong acid such as phosphoric acid. According to this type of solid electrolyte membrane, it has excellent oxidation resistance and heat resistance, and can be operated even at a high temperature of 200 ° C.
그러나 상기 인산을 도핑시킨 폴리벤즈이미다졸로 이루어진 고체 전해질막에서도 연료전지 동작을 위해 충분한 프로톤 전도도를 얻으려면 폴리벤즈이미다졸 중량 대비 4∼5배의 인산을 함유시켜야 한다. 이와 같은 인산 함유량이 큰 막은 기계적 강도가 낮고, 또 연료전지에 조립한 경우에 가스의 크로스오버를 발생시킬 가능성이 있다. 반면 막의 기계적 강도를 높이기 위해 인산의 도핑율을 낮추면 프로톤 전도성이 저하된다는 문제가 있다.However, even in a solid electrolyte membrane made of polybenzimidazole doped with phosphoric acid, phosphoric acid of 4-5 times the weight of polybenzimidazole must be contained in order to obtain sufficient proton conductivity for fuel cell operation. Such a film having a high phosphoric acid content has a low mechanical strength and may cause gas crossover when assembled into a fuel cell. On the other hand, if the doping rate of phosphoric acid is lowered to increase the mechanical strength of the film, there is a problem that the proton conductivity is lowered.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 무가습·고온의 조건에서도 높은 프로톤 전도성을 나타내고, 또한 기계적 강도가 우수한 겔 전해질, 이 겔 전해질을 이용한 연료전지용 전극 및 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a gel electrolyte that exhibits high proton conductivity even under conditions of no humidification and high temperature, and excellent mechanical strength, an electrode for fuel cells and a fuel cell using the gel electrolyte. .
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 산 및 상기 산에 대해 팽윤하는 매트릭스 폴리머를 포함하며, 상기 매트릭스 폴리머가 폴리파라반산 또는 폴리파라반산 유도체인 것을 특징으로 하는 겔 전해질을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a gel electrolyte comprising an acid and a matrix polymer swelling with respect to the acid, wherein the matrix polymer is a polyparabanic acid or a polyparabanic acid derivative.
상기 산으로는 인산을 예시할 수 있다. 또 이 인산에는 오르토인산 및 축합인산 모두가 포함된다.Examples of the acid include phosphoric acid. This phosphoric acid also includes both orthophosphoric acid and condensed phosphoric acid.
폴리파라반산은 절연성이 높고 내열성도 우수하기 때문에 연료전지의 전해질막으로서 적합하다. 또 폴리파라반산은 그 분자 구조상 인산을 많이 함유할 수 있으며 또 인산과 분리하지 않고 일체(一體)의 막으로 형성할 수 있기 때문에 프로톤 전도성을 높일 수 있다.Polyparabanic acid is suitable as an electrolyte membrane of a fuel cell because of its high insulation and excellent heat resistance. In addition, polyparabanic acid can contain a large amount of phosphoric acid due to its molecular structure, and can be formed as an integral film without separating from phosphoric acid, thereby increasing proton conductivity.
또 본 발명의 겔 전해질은 앞에 기재된 겔 전해질로서 비수용성의 복소환 함질소 화합물이 더 함유되어 있는 것을 특징으로 한다.The gel electrolyte of the present invention is characterized by further containing a water-insoluble heterocyclic nitrogen compound as the gel electrolyte described above.
상기 구성에 의하면, 복소환 함질소 화합물을 첨가함으로써 겔 전해질에서의 인산의 함유량을 향상시킬 수 있고 프로톤 전도도를 더욱 높일 수 있다. 또 복소환 함질소 화합물이 비수용성이기 때문에 연료전지의 반응 생성물로서 물이 생성된 경우에도 복소환 함질소 화합물이 물과 함께 겔 전해질에서 유출될 염려가 없어, 장기간에 걸쳐 프로톤 전도도를 높게 유지할 수 있다.According to the said structure, by adding a heterocyclic nitrogen compound, the content of phosphoric acid in a gel electrolyte can be improved and proton conductivity can be further improved. In addition, since the heterocyclic nitrogen compound is insoluble in water, even when water is produced as a reaction product of the fuel cell, the heterocyclic nitrogen compound does not have to leak out of the gel electrolyte together with the water, so that the proton conductivity can be maintained for a long time. have.
또 본 발명의 겔 전해질에서는, 상기 복소환 함질소 화합물이 이미다졸, 벤즈이미다졸, 피라졸, 피리딘, 피리미딘, 피라진, 피롤, 퓨린(purine), 프탈로시아닌, 포르피린 중 어느 1종 이상인 것이 바람직하다.In the gel electrolyte of the present invention, the heterocyclic nitrogen compound is preferably at least one of imidazole, benzimidazole, pyrazole, pyridine, pyrimidine, pyrazine, pyrrole, purine, phthalocyanine and porphyrin. .
또 본 발명의 겔 전해질은 앞에 기재된 겔 전해질로서, 상기 매트릭스 폴리머 및 상기 복소환 함질소 화합물의 합계에 대한 상기 복소환 함질소 화합물의 함유율이 50질량% 미만인 것을 특징으로 한다. 이 구성에 의하면 겔 전해질의 기계적 강도를 높일 수 있다.The gel electrolyte of the present invention is the gel electrolyte described above, wherein the content of the heterocyclic nitrogen compound relative to the sum of the matrix polymer and the heterocyclic nitrogen compound is less than 50% by mass. According to this configuration, the mechanical strength of the gel electrolyte can be increased.
다음으로 본 발명의 연료전지용 전극은, 전극 물질과, 앞의 어느 하나에 기재된 겔 전해질을 포함하는 것을 특징으로 한다.Next, the fuel cell electrode of the present invention is characterized by comprising an electrode material and the gel electrolyte according to any one of the above.
상기 구성에 의하면, 프로톤 전도도가 우수한 겔 전해질이 전극의 일부로서 구비되어 있기 때문에 전극 내부까지 프로톤이 전도되기 쉽게 되어 있어, 전극 자체의 내부 저항을 감소시킬 수 있다.According to the above structure, since a gel electrolyte having excellent proton conductivity is provided as part of the electrode, protons are easily conducted to the inside of the electrode, thereby reducing the internal resistance of the electrode itself.
또 본 발명의 연료전지는 한쌍의 전극과, 각 전극 사이에 배치된 전해질막을 포함하며, 상기 전해질막의 일부 또는 전부가 앞의 어느 하나의 겔 전해질로 되어 있고, 또한 상기 전극의 일부에 상기 겔 전해질이 함유되어 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the fuel cell of the present invention includes a pair of electrodes and an electrolyte membrane disposed between the electrodes, wherein part or all of the electrolyte membrane is one of the gel electrolytes described above, and the gel electrolyte is part of the electrode. It is characterized by containing.
상기 구성에 의하면, 프로톤 전도도가 우수한 겔 전해질을 구비하고 또 전극의 일부에도 이 겔 전해질이 구비되어 있기 때문에 연료전지의 내부 임피던스를 저감시킬 수 있고, 전류 밀도를 높일 수 있다.According to the above structure, since the gel electrolyte having excellent proton conductivity is provided, and the gel electrolyte is also provided in part of the electrode, the internal impedance of the fuel cell can be reduced and the current density can be increased.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 겔 전해질에 의하면, 무가습·고온의 조건에서도 높은 프로톤 전도성을 나타내며, 또한 기계적 강도가 우수한 겔 전해질, 이 겔 전해질을 이용한 연료전지용 전극 및 연료전지를 제공할 수 있다.As described above, the gel electrolyte of the present invention can provide a gel electrolyte that exhibits high proton conductivity even under conditions of no humidification and high temperature, and excellent mechanical strength, an electrode for fuel cells and a fuel cell using the gel electrolyte. .
이하, 본 발명의 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described in detail.
본 발명에 관한 연료전지는 수소극(전극)과, 산소극(전극)과, 수소극 및 산소극 사이에 배치된 겔 전해질로 구성되며, 100℃∼300℃의 온도에서 작동하는 것이다. 본 발명에 관한 겔 전해질은 프로톤 전도성을 가지고 있으며 수소극 쪽에서 생긴 프로톤(수소 이온)을 산소극 쪽으로 전도시키는 것이다. 겔 전해질에 의해 전도된 프로톤은, 산소극에서 산소 이온과 전기화학 반응하여 물을 생성함과 동시에 전기에너지를 발생시킨다.The fuel cell according to the present invention is composed of a hydrogen electrode (electrode), an oxygen electrode (electrode), and a gel electrolyte disposed between the hydrogen electrode and the oxygen electrode, and operates at a temperature of 100 ° C to 300 ° C. The gel electrolyte according to the present invention has proton conductivity and conducts protons (hydrogen ions) generated from the hydrogen electrode side to the oxygen electrode. Protons conducted by the gel electrolyte electrochemically react with oxygen ions at the oxygen electrode to generate water and generate electrical energy.
본 발명에 관한 연료전지에서는 수소극 및 산소극에도 겔 전해질이 함유되어 있다. 즉 수소극 및 산소극에는 활성탄 등의 전극 물질과, 전극 물질을 고화 성형 하기 위한 바인더가 함유되어 있으며, 이 바인더의 일부 또는 전부가 본 발명에 관한 겔 전해질로 되어 있다. 이 구성에 의해, 프로톤이 전극 내부와 전극 외부 사이에서 쉽게 전도되기 쉽게 되어 전극의 내부 저항이 저감된다.In the fuel cell according to the present invention, the gel electrolyte is also contained in the hydrogen electrode and the oxygen electrode. That is, the hydrogen electrode and the oxygen electrode contain an electrode material such as activated carbon and a binder for solidifying the electrode material, and part or all of the binder is a gel electrolyte according to the present invention. By this configuration, the proton is easily conducted between the inside of the electrode and the outside of the electrode, thereby reducing the internal resistance of the electrode.
다음으로 본 발명에 관한 겔 전해질의 제1예는 인산과, 인산에 대해 팽윤하는 매트릭스 폴리머가 혼합되어 이루어진 것이다.Next, the first example of the gel electrolyte according to the present invention is a mixture of phosphoric acid and a matrix polymer that swells with phosphoric acid.
또 본 발명에 관한 겔 전해질의 제2예는 인산과, 인산에 대해 팽윤하는 매트릭스 폴리머와, 복소환 함질소 화합물이 혼합되어 이루어진 것이다.Moreover, the 2nd example of the gel electrolyte which concerns on this invention mixes phosphoric acid, the matrix polymer which swells about phosphoric acid, and a heterocyclic nitrogen compound.
상기 인산으로서는 오르토인산 및 축합 인산을 예시할 수 있다. 또 매트릭스 폴리머로서는 폴리파라반산 또는 폴리파라반산 유도체를 예시할 수 있다Examples of the phosphoric acid include orthophosphoric acid and condensed phosphoric acid. As the matrix polymer, polyparavanic acid or polyparavanic acid derivatives can be exemplified.
폴리파라반산은, 화학식 1로 표시되는 구조를 갖는 것이다. 또 화학식 1 중, 반복 단위를 나타내는 n1은 10∼10000의 범위이고, X는 합성 원료의 단량체에 의존하는 분자 단위로서, 예를 들어 디이소시아네이트를 원료로 하여 합성한 경우에는 파라반산 환 생성에 이소시아네이트기가 기여하고 X는 이소시아네이트기를 제외한 분자가 된다. Y는 O 또는 NH이다. 이 폴리파라반산은 절연성이 높고 내열성도 우수하기 때문에 연료전지의 전해질막으로서 적합하다. 또 폴리파라반산은 그 분자 구조상, 인산을 많이 함유할 수 있으며 또한 인산과 분리하지 않고 일체의 막을 형성할 수 있기 때문에 프로톤 전도성을 높일 수 있다.Polyparabanic acid has a structure represented by the formula (1). In formula (1), n 1 representing a repeating unit is in the range of 10 to 10000, and X is a molecular unit depending on the monomer of the synthetic raw material. For example, when synthesized using diisocyanate as a raw material, An isocyanate group contributes and X becomes a molecule except an isocyanate group. Y is O or NH. This polyparabanic acid is suitable as an electrolyte membrane of a fuel cell because of its high insulation and excellent heat resistance. In addition, polyparabanic acid can contain a large amount of phosphoric acid due to its molecular structure, and can increase the proton conductivity because it can form an integral film without separating from phosphoric acid.
또 폴리파라반산의 분자 중에 포함되는 질소의 존재에 의해 폴리파라반산 자체는 약한 염기성을 나타낸다. 폴리파라반산은 종래의 폴리벤즈이미다졸 등에 비해 염기성이 낮고 비교적 중성에 가까운 것이다. 이 때문에 인산과의 상호 작용이 폴리벤즈이미다졸의 경우보다 약해져 있으며 매트릭스 폴리머 중에서 인산이 구속되지 않아 비교적 자유롭게 움직일 수 있다. 이로써 소량의 인산으로도 높은 전도성을 나타낼 수 있다. 또한 인산의 함유량을 낮출 수 있기 때문에 겔 전해질의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.Moreover, polyparabanic acid itself shows weak basicity by the presence of nitrogen contained in the molecule of polyparavanic acid. Polyparabanic acid is low in basicity and relatively close to neutrality in comparison with conventional polybenzimidazole. Because of this, the interaction with phosphoric acid is weaker than that of polybenzimidazole, and phosphoric acid is not constrained in the matrix polymer, so that it can move relatively freely. This can exhibit high conductivity even with a small amount of phosphoric acid. In addition, since the content of phosphoric acid can be lowered, the mechanical strength of the gel electrolyte can be improved.
또 폴리파라반산 유도체로는 디메틸포름아미드 등의 용매 중에서 청산가스를 도입하여 디이소시아네이트 화합물을 중합시킨 것을 사용할 수 있다.As the polyparavanic acid derivative, one obtained by introducing cyanide gas in a solvent such as dimethylformamide and polymerizing the diisocyanate compound can be used.
여기에서 폴리파라반산 유도체의 합성에 사용되는 디이소시아네이트 화합물로는 디페닐메탄디이소시아네이트(MDI), 2,4-톨릴렌디이소시아네이트(TDI), 4,4'-디페닐에테르디이소시아네이트(ODI), 자일릴렌디이소시아네이트(XDI), 나프틸렌 1,5-디이소시아네이트(NDI), 테트라메틸렌자일릴렌디이소시아네이트(TMXDI)를 예시할 수 있지만, 이에 한정되지는 않으며, 디시아노포름아미드류와 상기 디이소시아 네이트나, 시아노포름아미딜이소시아네이트로부터도 합성 가능하다.Here, the diisocyanate compounds used for the synthesis of the polyparavanic acid derivatives include diphenylmethane diisocyanate (MDI), 2,4-tolylene diisocyanate (TDI), 4,4'-diphenyl ether diisocyanate (ODI), Xylylene diisocyanate (XDI), naphthylene 1,5-diisocyanate (NDI), tetramethylene xylylene diisocyanate (TMXDI) can be illustrated, but is not limited to these, dicyanoformamides and the diisocyanate. It can also synthesize | combine from a nate and cyanoformamidyl isocyanate.
중합하여 얻어진 폴리파라반산 유도체의 예로서는 예를 들어 하기 화학식 2 및 화학식 3으로 표시되는 것을 예시할 수 있다. 식 1은 디페닐메탄디이소시아네이트(MDI)로부터 합성된 것이고, 식 2는 2,4-톨릴렌디이소시아네이트(TDI)로부터 합성된 것이고, 식 3은 4,4'-디페닐에테르디이소시아네이트(ODI)로부터 합성된 것이고, 식 4는 자일릴렌디이소시아네이트(XDI)로부터 합성된 것이고, 식 5는 나프틸렌 1,5-디이소시아네이트(NDI)로부터 합성된 것이고, 식 6은 테트라메틸렌자일릴렌디이소시아네이트(TMXDI)로부터 합성된 것이다. 또 식 1∼식 6 중 반복 단위를 나타내는 n2는 10∼10000의 범위이다.As an example of the polyparavanic acid derivative obtained by superposing | polymerizing, what is represented by following formula (2) and formula (3) can be illustrated, for example. Formula 1 is synthesized from diphenylmethane diisocyanate (MDI), formula 2 is synthesized from 2,4-tolylene diisocyanate (TDI), and formula 3 is 4,4'-diphenylether diisocyanate (ODI) Formula 4 is synthesized from xylylene diisocyanate (XDI), formula 5 is synthesized from naphthylene 1,5-diisocyanate (NDI), and formula 6 is tetramethylene xylylene diisocyanate (TMXDI). Synthesized from Also n 2 represents the repeating units of Formulas 1 to 6 is in the range of 10-10000.
상기 폴리파라반산 유도체는 모두 분자 중에 파라반산의 구조를 가지고 있으며, 인산을 많이 함유할 수 있고 또한 인산과 분리하지 않고 일체의 막을 형성할 수 있기 때문에 프로톤 전도성을 높일 수 있다. 또 분자중에 벤젠치환체 등의 방향족 치환체를 갖고 있기 때문에 폴리파라반산 보다도 내열성을 향상시킬 수 있다.All of the polyparavanic acid derivatives have a structure of paravanic acid in the molecule, and may contain a large amount of phosphoric acid, and thus, proton conductivity can be enhanced because an integral film can be formed without being separated from phosphoric acid. Moreover, since it has aromatic substituents, such as a benzene substituent, in a molecule | numerator, heat resistance can be improved rather than polyparavanic acid.
또 디이소시아네이트 화합물의 선택에 의해 분자 설계의 자유도가 커짐으로써 폴리파라반산 유도체와 인산의 상호 작용을 조정할 수 있다.Moreover, the interaction of a polyparavanic acid derivative and phosphoric acid can be adjusted by increasing the freedom of molecular design by selection of a diisocyanate compound.
다음으로 상기 매트릭스 폴리머에 복소환 함질소 화합물을 첨가함으로써 매 트릭스 폴리머에서의 인산의 함유량(팽윤율)을 증가시킬 수 있어 프로톤 전도도를 더욱 높일 수 있다. 즉 폴리파라반산 및 그 유도체는 인산에 대한 팽윤도가 낮기 때문에, 복소환 함질소 화합물을 폴리파라반산 혹은 그 유도체에 용해 혹은 분산시킴으로써 폴리파라반산의 팽윤도를 높일 수 있다. 이로써 무가습·고온에서도 높은 이온 전도성을 발현하고, 연료전지용 전해질에 이용하여 발전가능한 겔 전해질을 얻을 수 있다.Next, by adding a heterocyclic nitrogen compound to the matrix polymer, it is possible to increase the content (swelling ratio) of phosphoric acid in the matrix polymer, thereby further increasing the proton conductivity. In other words, since polyparavanic acid and its derivatives have a low swelling degree to phosphoric acid, the swelling degree of polyparavanic acid can be increased by dissolving or dispersing the heterocyclic nitrogen compound in polyparavanic acid or its derivatives. As a result, a gel electrolyte can be obtained that exhibits high ionic conductivity even at high humidity without humidification and can be used in an electrolyte for fuel cells.
단 매트릭스 폴리머에 대한 복소환 함질소 화합물의 첨가량이 너무 많으면 겔 전해질의 기계적 강도가 저하된다. 그래서 본 발명에서는 매트릭스 폴리머 및 복소환 함질소 화합물의 합계에 대한 상기 복소환 함질소 화합물의 함유율을 50질량% 미만으로 한다.If the amount of the heterocyclic nitrogen compound added to the matrix polymer is too high, the mechanical strength of the gel electrolyte is lowered. Therefore, in this invention, the content rate of the said heterocyclic nitrogen compound with respect to the sum total of a matrix polymer and a heterocyclic nitrogen compound is made into less than 50 mass%.
또 복소환 함질소 화합물은 비수용성인 것이 바람직하다. 이로써 연료전지의 반응 생성물로서 물이 생성된 경우에도 복소환 함질소 화합물이 물과 함께 겔 전해질로부터 유출될 염려가 없어 장기간에 걸쳐 프로톤 전도도를 높게 유지할 수 있다.Moreover, it is preferable that a heterocyclic nitrogen compound is water-insoluble. Thus, even when water is produced as a reaction product of the fuel cell, there is no fear that the heterocyclic nitrogen-containing compound will flow out of the gel electrolyte together with the water, so that the proton conductivity can be maintained for a long time.
복소환 함질소 화합물로는 이미다졸, 벤즈이미다졸, 피라졸, 피리딘, 피리미딘, 피라진, 피롤, 퓨린, 프탈로시아닌, 포르피린 중 어느 1종 이상을 첨가하는 것이 바람직하며 특히 벤즈이미다졸이 비수용성이라는 점에서 바람직하다.As the heterocyclic nitrogen compound, at least one of imidazole, benzimidazole, pyrazole, pyridine, pyrimidine, pyrazine, pyrrole, purine, phthalocyanine, and porphyrin is preferably added. Particularly, benzimidazole is insoluble in water. It is preferable at the point.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 관한 겔 전해질에 의하면 프로톤 전도성을 높일 수 있고 또 이 겔 전해질을 연료전지로 사용함으로써 연료전지의 전류 밀도를 높일 수 있고 고출력의 연료전지를 구성할 수 있다.As described above, according to the gel electrolyte according to the present invention, the proton conductivity can be increased, and by using the gel electrolyte as a fuel cell, the current density of the fuel cell can be increased and a high output fuel cell can be constructed.
이하의 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세히 설명하는데 본 발명은 이에 한정되지는 않는다.The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto.
<폴리파라반산 유도체의 제조><Production of Polyparabanic Acid Derivatives>
디이소시아네이트 화합물로서 디페닐메탄디이소시아네이트(MDI), 2,4-톨릴렌디이소시아네이트(TDI), 4,4'-디페닐에테르디이소시아네이트(ODI), 자일릴렌디이소시아네이트(XDI), 나프틸렌 1,5-디이소시아네이트(NDI), 테트라메틸렌자일릴렌디이소시아네이트(TMXDI)를 각각 10질량% 포함하는 용액을, 니트로벤젠과 톨루엔의 혼합 용매(니트로벤젠:톨루엔=10:1)를 사용하여 조제했다. 아이스 배스에서 10질량%의 시안화 수소를 포함하는 니트로벤젠 용액을 먼저 준비한 과량의 디이소시아네이트 용액과 혼합하고, 시안화나트륨의 N-메틸-2-피롤리디논 포화용액을 적하하면 서서히 전구체가 되는 고분자의 침전이 발생했다. 실온으로 되돌리면서 약 1시간 반응을 실행하여, 생성된 전구체의 고분자를 여과·수세한 후 메탄올로 세정하고 건조를 40℃에서 8시간 실시했다. 또 전구체의 고분자를 진한 염산에 분산시켜 60℃에서 2시간 교반하여 가수분해를 실시했다. 이와 같이 하여 각 종류의 폴리파라반산 유도체를 제조했다. 상기 MDI, TDI, ODI, XDI, NDI, TMXDI로부터 합성한 폴리파라반산 유도체를 각각 PPAMDI, PPATDI, PPAODI, PPAXDI, PPANDI, PPATMXDI로 했다.As diisocyanate compound, diphenylmethane diisocyanate (MDI), 2,4-tolylene diisocyanate (TDI), 4,4'- diphenyl ether diisocyanate (ODI), xylylene diisocyanate (XDI), naphthylene 1, A solution containing 10% by mass of 5-diisocyanate (NDI) and tetramethylene xylene diisocyanate (TMXDI), respectively, was prepared using a mixed solvent of nitrobenzene and toluene (nitrobenzene: toluene = 10: 1). In an ice bath, a nitrobenzene solution containing 10% by mass of hydrogen cyanide is mixed with an excess of diisocyanate solution prepared first, and a saturated N-methyl-2-pyrrolidinone solution of sodium cyanide is added dropwise, Precipitation occurred. The reaction was carried out for about 1 hour while returning to room temperature. The polymer of the produced precursor was filtered and washed with water, washed with methanol, and dried at 40 ° C. for 8 hours. The precursor polymer was dispersed in concentrated hydrochloric acid and stirred at 60 ° C. for 2 hours to perform hydrolysis. In this manner, polyparavanic acid derivatives of each kind were prepared. The polyparabanic acid derivatives synthesized from the above MDI, TDI, ODI, XDI, NDI, and TMXDI were PPAMDI, PPATDI, PPAODI, PPAXDI, PPANDI, and PPATMXDI, respectively.
<실시예 1의 겔 전해질의 제조>Preparation of Gel Electrolyte of Example 1
다음으로, 얻어진 PPAMDI를 N-메틸피롤리돈에 각각 용해하여 10중량%의 용액으로 만들었다. 이러한 용액을 유리판 위에 닥터 블레이드를 사용하여 도막하고 60℃에서 예비 건조시키고 또 150℃에서 15분간 건조시켜 PPAMDI의 도막을 형성했다. 다음으로, PPAMDI막을 유리판 채 수중에 침지시켜 팽윤한 PPAMDI막을 벗겨냈다. 그 후 진공건조를 60℃, 0.1torr의 조건에서 실행하였다. 이 때의 막두께는 약 30μm였다.Next, the obtained PPAMDI was dissolved in N-methylpyrrolidone, respectively, to make a 10% by weight solution. This solution was coated on a glass plate using a doctor blade, pre-dried at 60 ° C., and then dried at 150 ° C. for 15 minutes to form a coating film of PPAMDI. Next, the PPAMDI film was immersed in water while holding a glass plate to remove the swollen PPAMDI film. Thereafter, vacuum drying was performed at 60 ° C. and 0.1torr. The film thickness at this time was about 30 micrometers.
그리고 상기 PPAMDI막을 실온에서 85% 인산에 직접 침지시켰다. 2시간 경과한 후 PPAMDI막을 꺼내어 막 표면의 인산을 와이핑 크로스로 닦아냈다. 이와 같이 하여 실시예 1의 겔 전해질을 제조했다.The PPAMDI membrane was then directly immersed in 85% phosphoric acid at room temperature. After 2 hours, the PPAMDI film was taken out and the phosphoric acid on the surface of the film was wiped off with a wiping cross. Thus, the gel electrolyte of Example 1 was manufactured.
<실시예 2∼18 및 비교예 1의 겔 전해질의 제조>Preparation of Gel Electrolyte of Examples 2 to 18 and Comparative Example 1
실시예 1와 같이 하여 PPAMDI, PPATDI, PPAODI, PPAXDI, PPANDI, PPATMXDI를 각각 N-메틸피롤리돈에 용해하여 10중량%의 용액으로 했다. 이 용액에 벤즈이미다졸, 이미다졸, 퓨린, 피라졸을 각각 폴리파라반산 유도체 대비 10∼50질량%가 되도록 첨가했다.In the same manner as in Example 1, PPAMDI, PPATDI, PPAODI, PPAXDI, PPANDI, and PPATMXDI were each dissolved in N-methylpyrrolidone to prepare a 10% by weight solution. Benzimidazole, imidazole, purine, and pyrazole were added to this solution so that it might be 10-50 mass% with respect to a polyparavanic acid derivative, respectively.
그리고 이들 용액을 실시예 1과 동일하게 하여 유리판 위에 닥터 블레이드를 사용하여 도막하고 60℃에서 예비 건조시키고 또 150℃에서 15분간 건조시켜 각종 폴리파라반산 유도체로 이루어진 도막을 형성했다. 다음으로, 얻어진 도막을 각각 유리판 채로 수중에 침지시켜 팽윤한 막을 벗겨냈다. 그 후 진공건조를 60℃, 0.1torr의 조건에서 실행했다. 이 때의 막두께는 각각 약 30μm였다.And in the same manner as in Example 1, these solutions were coated on a glass plate using a doctor blade, preliminarily dried at 60 ° C, and dried at 150 ° C for 15 minutes to form a coating film made of various polyparavanic acid derivatives. Next, the obtained coating film was immersed in water, respectively, with a glass plate, and the swollen film was peeled off. Thereafter, vacuum drying was performed at 60 ° C under 0.1 torr. The film thickness at this time was about 30 micrometers, respectively.
그리고 상기 각종 폴리파라반산 유도체로 이루어진 막을 실온에서 85% 인산에 직접 침지시켰다. 2시간 경과 후 막을 꺼내어 막 표면의 인산을 와이핑 크로스로 닦아냈다. 이와 같이 하여 실시예 2∼18 및 비교예 1의 겔 전해질을 제조했다.And the membrane consisting of the various polyparavanic acid derivatives was directly immersed in 85% phosphoric acid at room temperature. After 2 hours the membrane was taken out and the phosphoric acid on the membrane surface was wiped off with a wiping cross. In this manner, gel electrolytes of Examples 2 to 18 and Comparative Example 1 were prepared.
<비교예 2의 겔 전해질의 제조><Production of Gel Electrolyte of Comparative Example 2>
실시예 1과 같이 하여 폴리벤즈이미다졸을 N-메틸피롤리돈에 용해하여 용액을 조제하고, 계속해서 도막, 예비 건조, 본 건조, 수중 침지에 의한 팽윤을 차례대로 실행하여 막두께 30μm의 폴리벤즈이미다졸막을 얻었다.In the same manner as in Example 1, polybenzimidazole was dissolved in N-methylpyrrolidone to prepare a solution, followed by swelling by coating film, predrying, main drying, and immersion in water in order, and then having a poly thickness of 30 μm. A benzimidazole membrane was obtained.
그리고 상기 폴리벤즈이미다졸막을 실온에서 85% 인산에 직접 침지시키고 2시간 경과한 후에 꺼내어 막 표면의 인산을 와이핑 크로스로 닦아냈다. 이와 같이 하여 비교예 2의 겔 전해질을 제조했다.The polybenzimidazole membrane was directly immersed in 85% phosphoric acid at room temperature, and after 2 hours, the polybenzimidazole membrane was removed and wiped with a wiping cross. Thus, the gel electrolyte of Comparative Example 2 was prepared.
[평가][evaluation]
<겔 전해질의 팽윤율 및 프로톤 전도도>Swelling Rate and Proton Conductivity of Gel Electrolyte
실시예 1∼18 및 비교예 1 및 2의 겔 전해질에 대해서 인산 팽윤율과 프로톤 전도도를 측정했다.Phosphoric acid swelling ratio and proton conductivity were measured for the gel electrolytes of Examples 1 to 18 and Comparative Examples 1 and 2.
인산 팽윤율은 인산에 침지하기 전의 폴리파라반산 유도체막의 질량(M1)과, 인산 침지후의 겔 전해질의 질량(M2)으로부터 팽윤율을 산출했다. 팽윤율(%)은 팽윤율(%)= M2/M1×100로 구했다. 결과를 표 1에 나타낸다.The swelling rate of the phosphoric acid was calculated from the mass (M1) of the polyparabanic acid derivative film before being immersed in phosphoric acid and the mass (M2) of the gel electrolyte after phosphate immersion. Swelling rate (%) was calculated | required as swelling rate (%) = M2 / M1 * 100. The results are shown in Table 1.
또 프로톤 전도도는 무가습에 가까운 조건으로 프로톤 전도도를 측정하기 위해서 겔 전해질을 직경 13mm 크기의 원형상으로 구멍을 뚫고, 이것을 백금 블로킹 전극의 사이에 끼워 넣고, 70℃에서 1시간 방치한 후, 전극간의 저항을 AC 임피던스법으로 측정했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.In order to measure proton conductivity under conditions of close humidification, the proton conductivity was made by drilling a gel electrolyte in a circular shape having a diameter of 13 mm, sandwiching it between the platinum blocking electrodes, and leaving the electrode at 70 ° C for 1 hour. The resistance of the liver was measured by the AC impedance method. The results are shown in Table 1.
또 표 1에는 실시예 1∼18 및 비교예 1 및 2의 매트릭스 폴리머(폴리파라반산 유도체)의 종류와, 복소환 함질소 화합물의 종류와, 매트릭스 폴리머와 복소환함질소 화합물의 합계에 대한 복소환 함질소 화합물의 함유율을 아울러 나타낸다.Table 1 also shows the complexes of the types of the matrix polymers (polyparabanic acid derivatives), the types of the heterocyclic nitrogen compounds, and the sum of the matrix polymers and the heterocyclic nitrogen compounds of Examples 1 to 18 and Comparative Examples 1 and 2. The content rate of a summon-containing nitrogen compound is also shown.
표 1에 나타낸 바와 같이 복소환 함질소 화합물로서의 벤즈이미다졸의 첨가율을 0∼50%의 범위에서 조정한 실시예 1∼실시예 5 및 비교예 1에 대해서는 벤즈이미다졸의 첨가율 증가와 함께 인산 팽윤율도 증가하고, 아울러 프로톤 전도도도 증가하는 것을 알 수 있다. 또 벤즈이미다졸을 첨가하지 않은 실시예 1은 프로톤 전도도가 약간 낮지만, 연료전지의 전해질로서 충분한 전도도를 가지고 있다. 한편, 벤즈이미다졸을 50% 첨가한 비교예 1은 전해질의 기계적 강도가 저하되어 균일한 막의 형성이 어려웠다.As shown in Table 1, in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1, in which the addition rate of benzimidazole as a heterocyclic nitrogen compound was adjusted in the range of 0 to 50%, swelling of phosphoric acid with increasing addition rate of benzimidazole It can be seen that the rate increases and also the proton conductivity increases. Example 1, in which no benzimidazole was added, had a slightly low proton conductivity, but had sufficient conductivity as an electrolyte of a fuel cell. On the other hand, in Comparative Example 1 in which benzimidazole was added 50%, the mechanical strength of the electrolyte was lowered, making it difficult to form a uniform film.
또 다른 실시예 6∼18에 대해서도 비교적 높은 프로톤 전도도를 나타내는 것을 알 수 있다.It can also be seen that other Examples 6 to 18 exhibit relatively high proton conductivity.
또한 비교예 2의 겔 전해질은 인산의 팽윤율이 다른 실시예와 거의 같은 정 도임에도 불구하고 전도도가 대폭 저하되어 있는 것을 알 수 있다. 이것은 매트릭스 폴리머인 폴리벤즈이미다졸이 비교적 강염기성이기 때문에 인산과 폴리벤즈이미다졸과의 상호작용이 강해져서 수소 이온의 전도가 방해되었기 때문으로 생각된다.In addition, it can be seen that the gel electrolyte of Comparative Example 2 was significantly reduced in conductivity despite the fact that the swelling ratio of phosphoric acid was about the same as in other examples. This is considered to be due to the strong interaction between phosphoric acid and polybenzimidazole because polybenzimidazole, which is a matrix polymer, is relatively strong base, which hinders the conduction of hydrogen ions.
이와 같이 본 발명에 관한 겔 전해질은 인산의 함유량이 비교적 낮음에도 불구하고 높은 프로톤 전도도를 나타내는 것을 알 수 있다. 또 인산의 함유량이 낮기 때문에 상대적으로 막의 기계적 강도도 향상되었다고 생각된다.As described above, it can be seen that the gel electrolyte according to the present invention exhibits high proton conductivity even though the phosphoric acid content is relatively low. In addition, since the content of phosphoric acid is low, it is considered that the mechanical strength of the film is relatively improved.
<연료전지의 성능><Performance of Fuel Cell>
실시예 3의 연료전지에 대해, 활성탄을 전극 물질로서 포함하는 전극 및 겔 전해질로 이루어진 적층체를 카본 세퍼레이터에 끼워넣고 애노드 가스에 수소, 캐소드 가스에 산소를 사용하여 발전 시험을 실시했다. 전지 온도를 130℃로 하고 수소 및 산소의 공급량은 100ml/분으로 하고 공급 가스의 가습은 특별히 실시하지 않았다. 또 실시예 3의 전극 면적은 7.84㎠ 였다. 도 1에 연료전지의 전압과 전류 밀도의 관계를 도시한다.In the fuel cell of Example 3, a laminate composed of an electrode containing activated carbon as an electrode material and a gel electrolyte was inserted into a carbon separator, and a power generation test was carried out using hydrogen for the anode gas and oxygen for the cathode gas. The battery temperature was set at 130 ° C., the supply amounts of hydrogen and oxygen were 100 ml / min, and the supply gas was not humidified in particular. Moreover, the electrode area of Example 3 was 7.84 cm <2>. 1 shows the relationship between the voltage and the current density of the fuel cell.
도 1에 도시한 바와 같이, 실시예 3에서는 전류 밀도가 0.25A/㎠가 될 때까지 발전 가능했다. 실시예 3의 연료전지는 겔 전해질의 프로톤 전도도가 높기 때문에 연료전지의 내부 저항이 낮게 억제되고 이로써 고출력이 얻어진 것으로 생각된다.As shown in FIG. 1, in Example 3, power generation was possible until the current density became 0.25 A / cm 2. Since the fuel cell of Example 3 has a high proton conductivity of the gel electrolyte, it is considered that the internal resistance of the fuel cell is suppressed to be low, thereby obtaining a high output.
상기한 바와 같이, 본 발명에 관한 겔 전해질에 의하면 프로톤 전도성을 높일 수 있고 또 이 겔 전해질을 연료전지로 사용함으로써 연료전지의 전류 밀도를 높일 수 있고 고출력의 연료전지를 구성할 수 있다.As described above, according to the gel electrolyte according to the present invention, the proton conductivity can be increased, and by using the gel electrolyte as a fuel cell, the current density of the fuel cell can be increased and a high output fuel cell can be constructed.
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