KR100804195B1 - Method for preparation of high temperature proton conducting composite membrane and its high temperature operation of polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무기 나노입자에 술폰화기를 도입하여 무기 나노입자의 전도성을 고분자 전해질과 동등하거나 더 높은 수준으로 향상시키며, 이를 다시 내열성 고분자 혹은 고분자 전해질과 복합화 하여 250℃까지 내열성을 유지하면서도 높은 전도성을 갖는 고온형 수소 이온 전도성 고분자 전해질막을 제공한다. 또한, 제조된 복합 고분자 전해질막을 이용하여 250℃까지 운전 가능한 고온형 고분자 전해질형 연료전지를 제공한다.
고온형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 술폰산기, 나노입자, 고온형 고분자 전해질, 복합막
The present invention improves the conductivity of the inorganic nanoparticles to the same or higher level by introducing a sulfonated group into the inorganic nanoparticles, which is then combined with a heat-resistant polymer or a polymer electrolyte and maintains high conductivity while maintaining heat resistance up to 250 ° C. It provides a high-temperature hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane having. The present invention also provides a high temperature polymer electrolyte fuel cell that can operate up to 250 ° C. using the manufactured composite polymer electrolyte membrane.
High temperature fuel cell, polymer electrolyte fuel cell, sulfonic acid group, nanoparticles, high temperature polymer electrolyte, composite membrane
Description
복합 전해질막의 온도에 따른 전도도를 나타낸 것이다. 온도가 증가함에 따라 막의 전도도가 증가하는 것을 볼 수 있으며, 폴리이미드 막의 경우, 술폰기가 도입된 나노입자를 넣어줌으로 해서 전도도 급격히 향상되었음을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 티올기 로부터 술폰산기가 도입된 나노입자에 의해 폴이이미드막의 전도도가 상용 Nafion 막 보다도 높은 값을 나타내고 있음을 확인하였다.
It shows the conductivity according to the temperature of the composite electrolyte membrane. It can be seen that the conductivity of the membrane increases with increasing temperature, and in the case of the polyimide membrane, the conductivity is drastically improved by adding nanoparticles into which sulfone groups are introduced. In addition, it was confirmed that the conductivity of the polyimide membrane was higher than that of the commercial Nafion membrane by the nanoparticles in which the sulfonic acid group was introduced from the thiol group.
연료전지는 높은 에너지 변환효율, 낮은 이산화탄소 배출량, 환경조건에 따른 설비규모 선정의 용이성 등 여러 가지 장점을 가지고 있어 전세계적으로 많은 연구가 진행되고 있는 차세대 에너지 변환기술이다. 특히, 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)는 고체 고분자 전해질을 사용함으로써 얻어지는 많은 이점과 다른 연료전지에 비하여 작동온도가 낮아 실용 화 가능성이 높고 전력밀도가 높아 소형화가 용이하다.Fuel cell is a next generation energy conversion technology that has been researched around the world because it has various advantages such as high energy conversion efficiency, low carbon dioxide emission and ease of facility size selection according to environmental conditions. In particular, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) has many advantages obtained by using a solid polymer electrolyte and has a low operating temperature compared to other fuel cells, and thus has high practicality and high power density, making it easy to miniaturize.
고분자 전해질형 연료전지의 전해질은 H+를 전달하는 고분자 이온교환막을 사용한다. 이때 고분자 전해질막은 수소 이온 전도성은 높아야 하는 대신 전자의 전도성은 낮아야 하고, 이온의 이동에 비하여 반응기체나 물의 이동이 적어야 하며 기계적 및 화학적 안정성이 높아야 한다. 현재 연료전지에서 사용 중인 고분자 전해질 막은 주사슬이 불화 탄소(Fluorocarbon)로 되어 있고, 여기에 화학적으로 결합된 술폰산기를 갖는 고분자이다. 그러나, 이러한 불소계 술폰화 고분자막은 매우 고가인데다가, 100℃ 이상에서는 수소 전달 능력을 잃게 되는 단점을 가지고 있다. 현재 불소계 술폰화 고분자 전해질막을 사 용하고 있는 모든 연료전지는 80℃에서 운전되고 있다.The electrolyte of the polymer electrolyte fuel cell uses a polymer ion exchange membrane that transfers H +. In this case, the polymer electrolyte membrane should have high conductivity of hydrogen ions, but should have low conductivity of electrons, less movement of the reactant or water than the movement of ions, and high mechanical and chemical stability. The polymer electrolyte membrane currently used in a fuel cell is a polymer having a main chain of fluorocarbon and having a sulfonic acid group chemically bonded thereto. However, these fluorinated sulfonated polymer membranes are very expensive and have the disadvantage of losing hydrogen transfer capability at 100 ° C or higher. At present, all fuel cells using a fluorine sulfonated polymer electrolyte membrane are operated at 80 ° C.
반면에, 전해질막이 고온에서 화학적으로 안정하다면, 전해질막의 수소이온 전도도는 온도가 증가할 수록 향상되며, 고온에서는 전극 촉매의 활성도 높아지기 때문에 고분자 전해질형 연료전지의 기존 성능보다 월등히 높은 성능을 얻을 수 있다. 뿐만 아니라, 고분자 전해지형 연료전지가 고온에서 운전될 경우, 일산화탄소 등의 불순물에 대한 연료극 촉매의 영향을 최소화할 수 있어 여러 가지 면에서 많은 이득을 볼 수 있다. 이와 같은 장점에도 불구하고, 고분자 전해질형 연료전지가 고온에서 운전하지 못하는 이유는 위에서 언급한 Nafion 전해질막이 고온에서 전도성을 잃어버리기 때문이다. 따라서, 고분자 전해 질 연료전지의 성능 향상을 위해서는 고온에서도 화학적으로 안정하며, 높은 전도성을 보이고, 기계적으로도 높은 강도를 갖는 전해질막의 개발이 필수적이다. On the other hand, if the electrolyte membrane is chemically stable at high temperature, the hydrogen ion conductivity of the electrolyte membrane is improved as the temperature is increased, and the activity of the electrode catalyst is increased at a high temperature, and thus the performance is much higher than that of the polymer electrolyte fuel cell. . In addition, when the polymer electrolyte-type fuel cell is operated at a high temperature, it is possible to minimize the influence of the anode catalyst on impurities such as carbon monoxide, which can provide many benefits. Despite these advantages, the polymer electrolyte fuel cell cannot operate at high temperatures because the Nafion electrolyte membrane mentioned above loses its conductivity at high temperatures. Therefore, in order to improve the performance of the polymer electrolyte fuel cell, it is essential to develop an electrolyte membrane that is chemically stable at high temperatures, has high conductivity, and has high mechanical strength.
고온형 고분자 전해질막을 만드는 방법으로는 내열성 고분자에 술폰산기를 치환하여 전도성을 주는 방법과 고분자 전해질막에 무기물을 도입하여 내열성을 높이는 두가지 방법이 사용될 수 있다.As a method of making a high temperature polymer electrolyte membrane, two methods of providing conductivity by substituting a sulfonic acid group in a heat resistant polymer and an inorganic material in a polymer electrolyte membrane may be used.
미국특허 제 5618334, 4644035, 6176984 호, 일본특허 제 2001-233974 등은 내열성 고분자에 술폰산기를 도입하여 전도성을 부여하는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 상기 특허에서 제시하고 있는 내열성 술폰화 고분자들은 연료전지를 운전하기에는 너무 낮은 수준의 수소이온 전도성을 보이기 때문에 연료전 지로의 응용 가능성은 매우 희박하다. 또한, 술폰산기를 고분자 구조에 도입하게되면, 고분자 전해질막은 깨지기 쉬운 상태가 되어 연료전지의 핵심이 되는 막-전극 접합체를 구성하는 것이 불가능해진다. 따라서, 상기에 나열한 특허에서 제시하는 고분자 전해질막은 대부분 기체분리막으로의 응용을 강조하고 있으며, 연료전지로의 사용은 언급하지 않고 있다.U.S. Patent Nos. 5618334, 4644035, 6176984, Japanese Patent No. 2001-233974 and the like disclose a method of imparting conductivity by introducing sulfonic acid groups into a heat resistant polymer. However, since the heat-resistant sulfonated polymers proposed in the patent show too low a level of hydrogen ion conductivity to operate a fuel cell, the possibility of application to a fuel cell is very small. In addition, when the sulfonic acid group is introduced into the polymer structure, the polymer electrolyte membrane becomes fragile and it becomes impossible to construct a membrane-electrode assembly which is the core of the fuel cell. Therefore, most of the polymer electrolyte membranes proposed in the above-listed patents emphasize application to gas separation membranes, and do not mention their use as fuel cells.
고온형 전해질막을 만드는 또다른 방법으로 술폰산기를 가지는 전도성 고분자와 무기물이 혼합된 형태의 유기/무기 복합 전해질막이 있으며, 고분자 전해질형 연료전지로의 응용을 목적으로하는 특허가 상당 수 개시되어 있다. 미국특허 제 5919583 호, 일본특허 제 2001-213987, 2001-198067, 2002-289051, 2000-090946 호 등은 모두 수소 이온 전도성 고분자 전해질막과 무기 전도성 입자를 혼합하여 열적 안정성을 높이고 있다. 사용되는 무기 전도성 입자들은 대체로 실리카, 수화된 텅스텐 혹은 몰리브데늄 산화물, 인산염 물질 등이다. 그러나, 이러한 무기 입자들이 약간의 전도성을 띄기는 하나 전도성 고분자 전해질과 비교해서는 크게 떨어지는 수준이기 때문에 유기/무기 복합 전해질막의 전도성은 저하될 수밖에 없다. 그리고, 고분자 전해질 부분으로 사용된 고분자가 대부분 불소계 술폰화 고분자이기 때문에 아무리 고온에서 운전을 할 수 있다고 하여도 150℃를 넘기는 것은 불가능하다. 따라서, 상기의 특허들에서 언급한 고온은 최대 160℃이며, 모든 특허와 논문들이 일반적으로는 100℃에서 150℃로 설정하고 있다. 이러한 정도의 온도는 고온이기 보다는 중온에 해당 되는 것이며, 앞서 기술한 것과 같은 고분자 전해질형 연료전지의 고온 운전에서 얻을 수 있는 장점들을 충분히 활용할 수 없다. 또한, 현재까지 나와 있는 어떠한 특허나 논문에서도 고온에서의 연료전지 성능을 제시하지 못하고 단지 전해질막의 전도성만을 언급하고 있기 때문에 고분자 전해질형 연료전지의 전해질막으로 사용이 가능한지 조차 미지수이다.Another method of making a high temperature electrolyte membrane is an organic / inorganic composite electrolyte membrane in which a conductive polymer having a sulfonic acid group and an inorganic material are mixed, and a number of patents for application to a polymer electrolyte fuel cell have been disclosed. U.S. Patent No. 5919583, Japanese Patent Nos. 2001-213987, 2001-198067, 2002-289051, 2000-090946 and the like all have mixed hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and inorganic conductive particles to enhance thermal stability. Inorganic conductive particles used are generally silica, hydrated tungsten or molybdenum oxide, phosphate materials and the like. However, although these inorganic particles have some conductivity, the conductivity of the organic / inorganic composite electrolyte membrane is inevitably reduced since the inorganic particles are significantly lower than the conductive polymer electrolyte. In addition, since most of the polymers used as polymer electrolyte parts are fluorinated sulfonated polymers, it is impossible to exceed 150 ° C even if they can be operated at a high temperature. Therefore, the high temperature mentioned in the above patents is at most 160 ° C, and all patents and articles generally set from 100 ° C to 150 ° C. This temperature is a medium temperature rather than a high temperature, and the advantages obtained from the high temperature operation of the polymer electrolyte fuel cell as described above cannot be fully utilized. In addition, it is unknown whether any of the patents and papers published up to now can be used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell because it does not suggest fuel cell performance at a high temperature and only mentions conductivity of an electrolyte membrane.
종합적으로 살펴볼 때, 고분자 전해지형 연료전지가 고온에서 운전되기 위해서 고분자 전해질막이 확보해야 할 물성은 250℃ 정도까지의 열적 안정성과 높은 전도도이며, 이를 통해서 고온에서의 연료전지 성능을 나타낼 수 있어야 한다.In general, the properties of the polymer electrolyte membrane in order for the polymer electrolyte fuel cell to operate at high temperature are thermal stability up to about 250 ° C. and high conductivity, and thus the fuel cell performance at high temperature should be exhibited.
위에서 살펴 본 바와 같이 고분자 전해지형 연료전지를 고온에서 운전하기 위한 시도가 여러 가지 로 이루어지고 있지만, 아직까지 적지않은 기술의 한계를 지니고 있다. As described above, many attempts have been made to operate the polymer electrolyte fuel cell at high temperatures, but there are still many technical limitations.
이에 본 발명은 무기 나노입자에 술폰화기를 도입하여 무기 나노입자의 전도성을 고분자 전해질과 동등하거나 더 높은 수준으로 향상시킬 수 있으며, 이를 다시 내열성 고분자와 복합화하여 250℃까지 내열성을 유지하면서도 높은 전도성을 갖는 고온형 수소 이온 전도성 고분자 전해질막을 제조하고자 하였다. 또한, 제조된 고온형 수소 이온 전도성 고분자를 이용하여 고온에서 운전가능한 고분자 전해질형 연료전지를 구성할 수 있다.
Accordingly, the present invention can improve the conductivity of the inorganic nanoparticles to the same or higher level of the polymer electrolyte by introducing a sulfonation group to the inorganic nanoparticles, and again complexed with the heat-resistant polymer to maintain high conductivity while maintaining heat resistance up to 250 ° C. To prepare a high temperature hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane having. In addition, the polymer electrolyte fuel cell operable at a high temperature may be configured by using the prepared high temperature hydrogen ion conductive polymer.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전도 성 무기 나노입자에 술폰산기를 도입하여 고온에서 안정하고, 전도성이 높은 무기 나노입자를 제공하는 것이다. The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a sulfonic acid group to the conductive inorganic nanoparticles to provide inorganic nanoparticles that are stable at high temperatures and high in conductivity.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 전도성 무기 나노입자를 내열성 고분자 혹은 고분자 전해질과 복합화하여 250℃까지 사용이 가능한 고분자 전해질을 막을 제공하는 것이다. In addition, another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane that can be used up to 250 ℃ by complexing the conductive inorganic nanoparticles with a heat-resistant polymer or polymer electrolyte.
추가적으로, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기의 고분자 전해질막을 이용하여 250℃까지 운전이 가능한 고분자 전해질형 연료전지를 제공하는 것이다. In addition, another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of operating up to 250 ℃ using the polymer electrolyte membrane.
마지막으로, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 전도성 무기 나노입자의 제조 방법과 고분자 전해질막의 제조 방법을 제공하는 것이 다.
Finally, another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for producing the conductive inorganic nanoparticles and a method for producing a polymer electrolyte membrane.
그 크기가 수 나노에서 수백 나노 정도가 되며, 술폰산기를 도입하여 전도성 고분자와 유사한 정도의 전도성을 띄고, 고온에서도 술폰산기가 떨어지지 않고 높은 전도성을 유지하는 것을 특징으로 하는 수소 이온 전도성 무기 나노입자가 제공된다.Hydrogen-ion conductive inorganic nanoparticles are provided, the size of which ranges from several nanometers to several hundred nanometers, and the sulfonic acid group introduces conductivity similar to that of the conductive polymer, and maintains high conductivity without dropping the sulfonic acid group even at high temperatures. .
상기 목적을 위하여 본 발명에 따르면, According to the present invention for this purpose,
(A) 실리콘 산화물(SiO2), 알루미늄 산화물(Al2O3), 지르코늄 산화물(ZrO2), 제올라이트, 메조포러스 물질 및 이의 복합화에 의해 구성되어 크기가 수 나노미터에서 수백 나노미터에 이르는 나노 입자를 준비하는 단계(A) Nanos, ranging from nanometers to hundreds of nanometers, composed of silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), zeolites, mesoporous materials, and combinations thereof Preparing the Particles
(B) 상기의 나노 입자를 톨루엔 용액에 분산시키는 단계(B) dispersing the nanoparticles in a toluene solution
(C) 펜에틸 트리에톡시실란(Phenethyl triethoxy silane), 펜에틸 트리메톡시실란(phenethyl trimethoxy silane) 및 벤질 실란(benzyl silane) 등과 같은 벤젠 고리를 포함하는 실란 군으로부터 선택된 하나 혹은 그 이상의 실란을 준비하는 단계(C) one or more silanes selected from the group of silanes comprising a benzene ring such as phenethyl triethoxy silane, phenethyl trimethoxy silane, benzyl silane and the like; Step to prepare
(D) 상기의 벤젠 고리를 포함하는 실란을 (B) 단계의 나노입자 분산 용액에 용해시키는 단계(D) dissolving the silane containing the benzene ring in the nanoparticle dispersion solution of step (B)
(E) 상기의 벤젠 고리를 포함하는 실란, 나노입자, 톨루엔 혼합용액을 120℃에서 장시간 반응시키는 단계(E) reacting the silane, nanoparticle, and toluene mixed solution containing the benzene ring at 120 ° C. for a long time;
(F) 상기의 혼합 용액을 원심분리하여 고형분만을 분리해내는 단계(F) centrifuging the mixed solution to separate only the solids
(G) 톨루엔으로 세척 후 다시 원심분리하여 고 형분만을 분리해내는 단계(G) washing with toluene and centrifuging again to separate only solids
(H) 상기의 고형분을 80℃, 진공에서 건조하는 단계(H) drying the solids at 80 ° C. in vacuo
(I) 도 1과 같은 진공 장치의 ㉠에는 상기의 벤젠 고리가 도입된 무기 나노입자를 ㉡에는 올레윰(Oleum)을 도입하는 단계
(I) the step of introducing the inorganic nanoparticles in which the benzene ring is introduced in the vacuum of the vacuum apparatus as shown in Figure 1, Oleum
(J) 도 1의 진공 장치에서 밸브 ㉢을 열어 ㉠을 진공으로 만들고, 다시 ㉢을 닫고 ㉡을 액체 질소로 냉각시킨 뒤 밸브 ㉣을 열어 ㉡을 진공으로 만든 뒤에 밸브 ㉢, ㉣, ㉤을 차례로 열어 ㉡에 있는 올레윰(Oleum)을 ㉠의 무기 나노입자에 도입시키는 단계(J) Open valve ㉢ in the vacuum apparatus of FIG. 1 to make ㉠ vacuum, close 다시 again, cool 로 with liquid nitrogen, open valve 열어, make ㉡ vacuum, then open valves ㉢, ㉣, ㉤ in order. Introducing Oleum in Sodium into Inorganic Nanoparticles in Sodium
(K) 상기의 (J) 단계를 10회 이상 반복하는 단계 (K) repeating step (J) 10 or more times
(L) 술폰산기가 도입된 ㉠의 무기 나노입자를 진공장치로부터 회수하여 100℃에서 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 이온 전도성 무기 나노입자의 제조 방법이 제공된다. (L) A method for producing hydrogen ion conductive inorganic nanoparticles is provided, comprising the step of recovering inorganic nanoparticles of sulfonate group introduced therein from a vacuum apparatus and drying at 100 ° C.
본 발명은 상기의 기체 상태의 술폰산기 도입법 외에도 액상에서 술폰산기 도입법에 의한 수소 이온 전도성 무기 나노입자가 제공된다. The present invention provides hydrogen ion conductive inorganic nanoparticles by the sulfonic acid group introduction method in the liquid phase in addition to the gaseous sulfonic acid group introduction method.
상기 목적을 위하여 본 발명에 따르면, According to the present invention for this purpose,
(A) 실리콘 산화물(SiO2), 알루미늄 산화물(Al2O3), 지르코늄 산화물(ZrO2), 제올라이트, 메조포러스 물질 및 이의 복합화에 의해 구성되어 크기가 수 나노미터에서 수백 나노미터에 이르는 나노 입자를 준비하는 단계(A) Nanos, ranging from nanometers to hundreds of nanometers, composed of silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), zeolites, mesoporous materials, and combinations thereof Preparing the Particles
(B) 상기의 나노 입자를 톨루엔 용액에 분산시 키는 단계(B) dispersing the nanoparticles in a toluene solution
(C) 머캅토프로필 트리에톡시실란(Mercapto propyl triethoxy silane) 및 머캅토프로필 트리메톡시실란(Mercapto propyl trimethoxy silane) 등과 같은 티올(SH) 구조를 포함하는 실란 군으로부터 선택된 하나 혹은 그 이상의 실란을 준비하는 단계(C) one or more silanes selected from the group of silanes containing a thiol (SH) structure such as mercapto propyl triethoxy silane and mercapto propyl trimethoxy silane; Step to prepare
(D) 상기의 티올 구조를 포함하는 실란을 (B) 단계의 나노입자 분산 용액에 용해시키는 단계(D) dissolving the silane containing the thiol structure in the nanoparticle dispersion solution of step (B)
(E) 상기의 티올 구조를 포함하는 실란, 나노입자, 톨루엔 혼합용액을 120℃에서 장시간 반응시키는 단계(E) reacting the silane, nanoparticle, and toluene mixed solution containing the thiol structure at 120 ° C. for a long time;
(F) 상기의 혼합 용액을 원심분리하여 고형분만을 분리해내는 단계(F) centrifuging the mixed solution to separate only the solids
(G) 톨루엔으로 세척 후 다시 원심분리하여 고형분만을 분리해내는 단계 (G) washing with toluene and centrifuging again to separate only solids
(H) 상기의 고형분을 80℃, 진공에서 건조하는 단계(H) drying the solids at 80 ° C. in vacuo
(I) 상기의 티올 구조를 갖는 무기 나노입자를 과산화수소(H2O2) 용액에 분산시켜 장시간 산화시키는 단계(I) dispersing the inorganic nanoparticles having the thiol structure in a hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) solution to oxidize for a long time
(J) 상기의 혼합 용액을 원심분리하여 고형분만을 분리해내는 단계(J) centrifuging the mixed solution to separate only solids
(K) 상기의 고형분을 다시 황상 용액에 분산시켜 술폰산기를 도입하는 단계(K) introducing the sulfonic acid group by dispersing the solid content again in a sulfur solution
(L) 상기의 혼합 용액을 다시 원심분리하여 고형분만을 분리해내는 단계(L) centrifuging the mixed solution again to separate only solids
(M) 상기의 술폰산기가 도입된 무기 나노입자를 증류수에 분산시켜 세척하는 단계(M) dispersing the inorganic nanoparticles introduced with the sulfonic acid group in distilled water and washing
(N) 상기의 혼합 용액을 다시 원심분리하여 고형분의 술폰산기가 도입된 무기 나노입자만을 분리해 내는 단계(N) centrifuging the mixed solution again to separate only inorganic nanoparticles into which a sulfonic acid group of solids is introduced;
(O) 상기의 술폰산기가 도입된 무기 나노입자를 80℃, 진공에서 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 이온 전도성 무기 나노입자의 제조 방법이 제공된다. (O) The method for producing a hydrogen ion conductive inorganic nanoparticles is provided, comprising the step of drying the inorganic nanoparticles into which the sulfonic acid group is introduced at 80 ° C. in a vacuum.
또한, 본 발명은 상기에서 합성된 수소 이온 전도성 무기입자를 내열성 고분자와 혼합하여 고온형 수소 이온 전도성 고분자 전해질막이 제공된다.The present invention also provides a high temperature hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane by mixing the hydrogen ion conductive inorganic particles synthesized above with a heat resistant polymer.
(A) 나프탈레닉 폴리이미드(Naphyhalenic polyimide), 폴리벤즈이미다졸(Polybenzimidazole), 폴리 비닐리덴플로라이드(Polyvinylidene fluoride), 폴리이미드-아미드(Polyimide-amide), 폴리술폰(Polysulfone) 등의 250℃까지 열적 안정성을 유지할 수 있는 고분자 군으로부터 선택된 하나 혹은 그 이상의 고분자를 준비하는 단계(A) 250 ° C of Naphthalhalenic polyimide, Polybenzimidazole, Polyvinylidene fluoride, Polyimide-amide, Polysulfone, etc. Preparing one or more polymers selected from the group of polymers capable of maintaining thermal stability up to
(B) 상기의 고분자를 디메틸포름아마이드(DMF), 엔메틸 피리딘(NMP), 디메틸술폭사이드(DMSO), 디메틸아세트아마이드(DMAc), 아세톤 등과 같은 적당한 용매군에서 선택된 하나 혹은 하나 이상의 용매에 용해시키는 단계(B) dissolving the polymer in one or more solvents selected from a suitable solvent group such as dimethylformamide (DMF), enmethyl pyridine (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylacetamide (DMAc), acetone, etc. Letting step
(C) 상기의 고분자 용액에 술폰산기를 가진 무기 나노입자를 혼합하는 단계(C) mixing the inorganic nanoparticles having a sulfonic acid group in the polymer solution
(D) 상기의 혼합한 용액을 닥터 블레이드, 스핀 코터, 샤알레와 같은 기기를 이용하여 박막의 형태로 제조하는 단계(D) preparing the mixed solution in the form of a thin film using a device such as a doctor blade, a spin coater, and a chaale
(E) 상기의 혼하 및 제조된 박막을 적정 온도, 적정 기압 하에서 용매를 증발시켜 전도성 전해질막으로 완성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온형 수소 이온 전도성 고분자 전해질막의 제조 방법이 제공된다. (E) The method for producing a high temperature hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane comprising the step of evaporating the solvent under the appropriate temperature and the appropriate atmospheric pressure to the mixed and prepared thin film as a conductive electrolyte membrane.
본 발명에서는 무기 나노입자에 술폰화기를 도입하여 무기 나노입자의 전도성을 고분자 전해질과 동등하거나 더 높은 수준으로 향상시킬 수 있으며, 이를 다시 내열성 고분자와 복합화하여 250℃까지 내열성을 유지하면서도 높은 전도성을 갖는 고온형 수소 이온 전도성 고분자 전해질막을 제조하였다. 또한, 제조된 고온형 수소 이온 전도성 고분자를 이용하여 고온에서 운전가능한 고분자 전해질형 연료전지를 구성하였다. 이하 실시예에 의해 본 발명의 고온형 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막을 제조하고, 고분자 전해질형 연료전지를 고온에서 운전하는 과정을 구체적으로 설명하되, 본 발명이 반드시 이에 한 정된 것은 아니다.In the present invention, by introducing a sulfonated group to the inorganic nanoparticles can improve the conductivity of the inorganic nanoparticles to the same or higher level than the polymer electrolyte, it is complexed with the heat-resistant polymer again to maintain the heat resistance up to 250 ℃ while having a high conductivity A high temperature hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane was prepared. In addition, a polymer electrolyte fuel cell operable at a high temperature was constructed using the prepared high temperature hydrogen ion conductive polymer. Hereinafter, a process of manufacturing the high temperature hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane of the present invention and operating the polymer electrolyte fuel cell at high temperature will be described in detail by way of examples, but the present invention is not necessarily limited thereto.
<실시예 1><Example 1>
진공에서 건조된 실리카 나노입자 0.2g을 50g 톨루엔에 분산킨 후, 여기에 머캅토프로필 트리에톡시실란(Mercapto propyl triethoxy silane) 1g을 혼합한다. 이 용액을 120℃에서 24시간 동안 방치한 뒤, 실리카를 원심분리하여 용액으로부터 분리하고, 이를 수차례 톨루엔으로 세척한다. 이렇게 티올(SH)기가 도입된 실리카를 80℃ 진공에서 건조한다. 티올기가 도입된 실리카를 과산화수소수에 장시간 산화시킨 뒤, 이를 원심분리, 건조하고, 다시 황산 용액에 분산시켜 술폰산기를 도입하였다. 술폰산기가 도입된 실리카 나노입자를 증류수에 세척한 후 80℃, 진공에서 건조하였다. After dispersing 0.2 g of the silica nanoparticles dried in vacuo in 50 g toluene, 1 g of mercapto propyl triethoxy silane is mixed therein. The solution is left at 120 ° C. for 24 hours, after which the silica is separated from the solution by centrifugation and washed several times with toluene. The silica into which the thiol (SH) group is introduced is dried in a vacuum at 80 ° C. The thiol-group introduced silica was oxidized in hydrogen peroxide for a long time, centrifuged, dried, and dispersed in a sulfuric acid solution to introduce sulfonic acid groups. The silica nanoparticles into which the sulfonic acid group was introduced were washed in distilled water and dried at 80 ° C. in vacuo.
위와 같이 술폰산기가 도입된 실리카 나노입자를 질량비율 30%로 DMF에 용해된 폴리이미드 (Matrimide)와 혼합하여 30μm의 두께로 제막을 하여 수소 이온 전도도를 측정하였다. As described above, the silica nanoparticles into which the sulfonic acid group was introduced were mixed with polyimide (Matrimide) dissolved in DMF at a mass ratio of 30% to form a film having a thickness of 30 μm to measure hydrogen ion conductivity.
<실시예 2><Example 2>
진공에서 건조된 실리카 나노입자 0.2g을 50g 톨루엔에 분산킨 후, 여기에 펜에틸 트리에톡시실란(Phenethyl triethoxy silane) 1g을 혼합한다. 이 용액을 120℃에서 24시간 동안 방치한 뒤, 실리카를 원심분리하여 용액으로부터 분리하고, 이를 수차례 톨루엔으로 세척한다. 이렇게 벤젠기가 도입된 실리카를 80℃ 진공에서 건조한다.After dispersing 0.2 g of silica nanoparticles dried in vacuo in 50 g toluene, 1 g of phenethyl triethoxy silane is mixed thereto. The solution is left at 120 ° C. for 24 hours, after which the silica is separated from the solution by centrifugation and washed several times with toluene. The silica in which the benzene group is introduced is dried in a vacuum at 80 ° C.
<비교예 1>Comparative Example 1
폴리이미드의 한 종류로 상업적으로 판매되고 있는 Matrimide를 15% 질량비로 DMF에 용해시킨 뒤 약 30μm의 두께로 제막하였다. 그리고, Nafion 117은 DuPont사로부터 구입하여, 황산 용액에서 수소 치환을 하여 사용하였다. Matrimide, a commercially available type of polyimide, was dissolved in DMF at 15% by mass and then formed into a film with a thickness of about 30 μm. Nafion 117 was purchased from DuPont and used by hydrogen substitution in sulfuric acid solution.
상기 실시예 1과 2에서 제조된 술폰산기가 도입된 실리카 나노입자를 를 질량비율 30%로 DMF에 용해된 폴리이미드 (Matrimide)와 혼합하여 30μm의 두께로 제막을 하여 수소 이온 전도도를 측정하여, 비교예 1에서 제조된 막과 전도도를 비교하였다.The silica nanoparticles in which the sulfonic acid groups prepared in Examples 1 and 2 were introduced were mixed with polyimide (Matrimide) dissolved in DMF at a mass ratio of 30% to form a film having a thickness of 30 μm, and the hydrogen ion conductivity was measured and compared. The conductivity of the membrane prepared in Example 1 was compared.
표 1은 제조된 막의 온도에 따른 전도도를 나타낸 것이다. 온도가 증가함에 따라 막의 전도도가 증가하는 것을 볼 수 있으며, 폴리이미드 막의 경우, 술폰기가 도입된 나노입자를 넣어줌으로 해서 전도도 급격히 향상되었음을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 티올 기로부터 술폰산기가 도입된 나노입자에 의해 폴이이미드막의 전도도가 상용 Nafion 막 보다도 높은 값을 나타내고 있음을 확인하였다. Table 1 shows the conductivity according to the temperature of the film prepared. It can be seen that the conductivity of the membrane increases with increasing temperature, and in the case of the polyimide membrane, the conductivity is drastically improved by adding nanoparticles into which sulfone groups are introduced. In addition, it was confirmed that the conductivity of the polyimide membrane was higher than that of the commercial Nafion membrane by the nanoparticles in which the sulfonic acid group was introduced from the thiol group.
도 2는 표 1의 전도도 vs. 온도를 아레니우스 그래프로 나타낸 것으로 실시예 2의 전도도가 Nafion 막에 비하여 월등히 높으며, 온도가 증가함에 따라서도 전도도가 향상되는 것을 알 수 있다.
2 is the conductivity vs. By showing the temperature in the Areneus graph, the conductivity of Example 2 is much higher than that of the Nafion membrane, and it can be seen that the conductivity improves as the temperature increases.
무기 나노입자에 술폰화기를 도입하여 무기 나노입자의 전도성을 고분자 전해질과 동등하거나 더 높은 수준으로 향상시킬 수 있었다. 이를 다시 내열성 고분자와 복합화하여 250℃까지 내열성을 유지하면서도 높은 전도성을 갖는 고온형 수소 이온 전도성 고분자 전해질막을 제조하였다. 제조된 고온형 수소 이온 전도성 고분자를 고분자 전해질형 연료전지에 이용하여 고온에서 운전이 가능하도록 하였다.Incorporation of sulfonation groups into the inorganic nanoparticles could improve the conductivity of the inorganic nanoparticles to a level equal to or higher than that of the polymer electrolyte. This was again composited with a heat resistant polymer to prepare a high temperature hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane having high conductivity while maintaining heat resistance up to 250 ° C. The prepared high temperature hydrogen ion conductive polymer was used in a polymer electrolyte fuel cell to enable operation at high temperature.
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