KR100918867B1 - Membrane-electrode assemblies comprising proton conducting electrolyte and ionomer binder based on ionic liquid impregnated polymer, method of manufacturing thereof, and fuel cells using the same - Google Patents

Membrane-electrode assemblies comprising proton conducting electrolyte and ionomer binder based on ionic liquid impregnated polymer, method of manufacturing thereof, and fuel cells using the same

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Abstract

본 발명은 이온성 액체를 함유하는 폴리머 공중합체 제조하는 단계; 이온성 액체 함유 폴리머 공중합체를 이용한 전해질막 및 이오노머 바인더를 제조하는 단계; 촉매슬러리 및 전극을 제조하는 단계; 및 상기 전해질막, 및 전극이 도포된 기체확산재를 가열 압착하는 단계를 포함하는 막-전극접합체 제조방법, 이에 따라 제조된 막-전극접합체, 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다. The present invention comprises the steps of preparing a polymer copolymer containing an ionic liquid; Preparing an electrolyte membrane and an ionomer binder using an ionic liquid-containing polymer copolymer; Preparing a catalyst slurry and an electrode; And a membrane-electrode assembly manufacturing method, a membrane-electrode assembly manufactured according to the above, and a method of manufacturing a membrane-electrode assembly comprising the steps of heating and compressing the electrolyte membrane and the gas diffusion material coated with the electrode.

본 발명에 따른 이온성 액체를 포함하는 폴리머 전해질막 및 이오노머 바인더는 230 내지 320℃까지 열적으로 안정하고, 유연한 필름 형태로 제조 가능하여 막-전극접합체로 제조되어 최종적으로 PEMFCs에 사용될 수 있다. The polymer electrolyte membrane and the ionomer binder including the ionic liquid according to the present invention can be manufactured in a thermally stable and flexible film form up to 230 to 320 ° C., which can be prepared as a membrane-electrode assembly and finally used in PEMFCs.

본 발명에 따른 폴리머 전해질 및 이오노머 바인더의 전도도는 이온성 액체, 트리플릭산 및 가소제의 농도에 따라 조절될 수 있으므로, 최종적으로 막-전극접합체, 나아가 연료전지의 성능을 극대화할 수 있다. Since the conductivity of the polymer electrolyte and the ionomer binder according to the present invention can be adjusted according to the concentration of the ionic liquid, the tritic acid and the plasticizer, it is possible to maximize the performance of the membrane-electrode assembly and the fuel cell.

Description

이온성 액체를 함유하는 폴리머 전해질과 이오노머 바인더를 포함하는 막-전극접합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지{Membrane-electrode assemblies comprising proton conducting electrolyte and ionomer binder based on ionic liquid impregnated polymer, method of manufacturing thereof, and fuel cells using the same}Membrane-electrode assemblies comprising proton conducting electrolyte and ionomer binder based on ionic liquid impregnated polymer, method of manufacturing etc, and fuel cells using the same}

본 발명은 프로톤 전도성 전해질 및 이를 포함한 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a proton conductive electrolyte and a fuel cell including the same.

연료전지는, 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 사용되는 전해질의 종류에 따라, PEMFC(proton exchange membrane fuel cell), DMFC(direct methanol fuel cell), 인산연료전지 (PAFC : phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염연료전지 (MCFC : molten carbonate fuel cell), 고체산화물연료전지 (SOFC : solid oxide fuel cell) 등으로 구분된다. A fuel cell is an apparatus for producing electrical energy by electrochemically reacting fuel and oxygen. Depending on the type of electrolyte used, a fuel cell may include a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), a direct methanol fuel cell (DMFC), and a phosphate fuel cell ( It is divided into PAFC (phosphoric acid fuel cell), molten carbonate fuel cell (MCFC) and solid oxide fuel cell (SOFC).

PEMFC는 전해질로서 프로톤 전도성 폴리머 전해질막을 사용하는 연료전지로서, 통상적으로 애노드(연료 전극), 캐소드(산화제 전극), 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 폴리머 전해질막을 포함한다. PEMFC is a fuel cell using a proton conductive polymer electrolyte membrane as an electrolyte, and typically includes an anode (fuel electrode), a cathode (oxidant electrode), and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode.

PEMFC의 애노드에 공급되는 연료로서는 통상적으로, 수소, 수소 함유 가스 등이 사용된다. PEMFC의 캐소드에 공급되는 산화제는 통상적으로 산소, 산소 함유, 가스 또는 공기이다.As a fuel supplied to the anode of PEMFC, hydrogen, a hydrogen containing gas, etc. are used normally. The oxidant supplied to the cathode of the PEMFC is typically oxygen, oxygen containing, gas or air.

PEMFC의 애노드에서는 연료가 산화되어 수소이온과 전자가 생성된다. 수소 이온은 전해질막을 통하여 캐소드로 전달되며, 전자는 도선(또는 집전체)을 통하여 외부회로(부하)로 전달된다. PEMFC의 캐소드에서는 전해질막을 통하여 전달된 수소이온, 도선(또는 집전체)을 통하여 외부회로로부터 전달된 전자, 및 산소가 결합하여 물이 생성된다. 이때, 애노드, 외부회로 및 캐소드를 경유하는 전자의 이동이 곧 전력이다.At the anode of the PEMFC, the fuel is oxidized to produce hydrogen ions and electrons. Hydrogen ions are transferred to the cathode through the electrolyte membrane, and electrons are transferred to the external circuit (load) through the conductor (or current collector). In the cathode of the PEMFC, water is generated by combining hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane, electrons transferred from an external circuit through a conductor (or current collector), and oxygen. At this time, the movement of electrons via the anode, the external circuit and the cathode is power.

PEMFC을 위한 막-전극접합체에 있어서 폴리머 전해질막은, 애노드로부터 캐소드로의 수소이온의 이동을 위한 이온전도체의 역할을 할 뿐만 아니라, 애노드와 캐소드의 기계적 접촉을 차단하는 격리막(separator) 및 전자절연체(electron-insulator)의 역할도 한다. 또한, PEMFC를 위한 이오노머 바이더는 전해질막과 전극의 접착 호환성을 향상시키고, 전극 촉매 입자 사이의 결착력을 유지하며 삼상계면을 구성하게 하는 입체 구조를 형성하는 효과를 위해 전극 내에 함유되는 것으로, 전해질과 동종의 것을 사용하여야 이와 같은 효과를 극대화할 수 있다. In membrane-electrode assemblies for PEMFCs, polymer electrolyte membranes serve as ion conductors for the migration of hydrogen ions from anode to cathode, as well as separators and electronic insulators that block mechanical contact between the anode and the cathode. It also acts as an electron-insulator. In addition, the ionomer provider for the PEMFC is contained in the electrode for the effect of improving the adhesion compatibility between the electrolyte membrane and the electrode, maintaining the binding between the electrode catalyst particles and forming a three-dimensional structure to make a three-phase interface, The same kind of thing can be used to maximize this effect.

폴리머 전해질막의 재료로서는, 일반적으로 불소화 알킬렌으로 구성된 주쇄와 말단에 술폰산기를 갖는 불소화비닐 에테르로 구성된 측쇄를 갖는 술포네이트과불소화폴리머 (예: Nafion : Dupont사의 상표)와 같은 폴리머 전해질이 사용되어 왔다. 이러한 폴리머 전해질막은 적정량의 물을 함습하므로써 우수한 이온전도성을 발휘하게 된다.As the material of the polymer electrolyte membrane, a polymer electrolyte such as a sulfonate and a fluorinated polymer having a main chain composed of fluorinated alkylene and a side chain composed of fluorinated vinyl ether having a sulfonic acid group at its terminal has been used (for example, Nafion: trademark of Dupont). Such a polymer electrolyte membrane exhibits excellent ion conductivity by impregnating an appropriate amount of water.

그러나, 폴리머 전해질막을 채용한 PEMFC에서는 애노드에서 발생한 프로톤이 캐소드로 이동할 때, 오스모틱드래그(osmotic drag)에 의하여 물을 수반하기 때문에, 폴리머 전해질막의 애노드측이 건조되는데, 그에 따라 폴리머 전해질막의 프로톤 전도도가 급격하게 저하되고, 심한 경우에는, PEMFC가 작동불능 상태에 빠지게 된다. 또한, PEMFC의 작동온도가 약 80~100 ℃ 이상의 고온인 경우에는, 폴리머 전해질막으로부터의 물의 증발로 인하여 폴리머 전해질막의 건조가 심화되고, 그에 따라 폴리머 전해질막의 프로톤 전도도는 더욱 급격하게 저하된다. 즉, 이를 채용한 막-전극접합체의 성능은 급격히 감소하게 된다. However, in PEMFC employing a polymer electrolyte membrane, when the protons generated at the anode move to the cathode, they are accompanied by water by osmotic drag, so that the anode side of the polymer electrolyte membrane is dried, thereby proton conductivity of the polymer electrolyte membrane Decreases rapidly and, in severe cases, the PEMFC becomes inoperable. In addition, when the operating temperature of the PEMFC is a high temperature of about 80 to 100 ° C. or more, the drying of the polymer electrolyte membrane is intensified due to the evaporation of water from the polymer electrolyte membrane, and thus the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane is lowered more drastically. In other words, the performance of the membrane-electrode assembly employing the same rapidly decreases.

이온성 액체는 높은 이온 전도도, 넓은 온도 범위의 상 존재, 환경친화성, 넓은 범위에 걸친 전기화학적 안정성, 우수한 열적 안정성 등으로 말미암아 다양한 분야에서 활용되고 있다. 특히, 높은 이온 전도도로 인해 연료전지용 전해질로 제안되어 왔다. 즉, 이온성 액체가 네이키드(naked) 프로톤을 용매화하여 캐리어로 작용할 수 있게 하는 것이다. Ionic liquids are used in various fields because of their high ionic conductivity, the presence of a wide temperature range, environmental friendliness, a wide range of electrochemical stability, and excellent thermal stability. In particular, it has been proposed as a fuel cell electrolyte due to high ionic conductivity. In other words, the ionic liquid solvates naked protons to act as a carrier.

그러나, 활용에 있어서 액체 상태는 누수의 문제 및 휴대와 소형화에 적합하지 못한 문제점이 있다. 연료전지용 전해질로서는 막 형태가 바람직하다. 이종의 이온성 액체를 폴리머에 함유시키는 것으로 막 형태의 전해질을 획득할 수 있다. 그러나 이것은 이온 전도도 면에서 열화된 결과를 가져온다.However, in use, the liquid state has a problem of water leakage and unsuitable for carrying and miniaturization. As a fuel cell electrolyte, a membrane form is preferable. The electrolyte in the form of a membrane can be obtained by incorporating heterogeneous ionic liquids into the polymer. However, this results in degraded ionic conductivity.

폴리머 전해질 연료전지에서도 상용화된 전해질막인 나피온(Nafion)에 이온성 액체를 함유시키는 기술에 대해 많은 연구가 진행되어 왔다. 이온성 액체는 온도 상승시 전해질막의 물리적 물성을 열화시키지 않고 수회의 가열 및 냉각 사이클을 거친 후에도 이온 전도도가 유지되는 특성을 보인다. 이온 전도도는 막의 평형 중량에 의존하며, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 트리플로로메탄설포네이트 이온성 액체를 포함하는 나피온에 대해 180℃에서 0.1 S cm-1 이상의 이온 전도도가 보고되어 있다.In the polymer electrolyte fuel cell, much research has been conducted on the technique of containing an ionic liquid in Nafion, which is a commercially available electrolyte membrane. The ionic liquid exhibits a property that the ionic conductivity is maintained even after several heating and cooling cycles without degrading the physical properties of the electrolyte membrane at the temperature rise. Ionic conductivity depends on the equilibrium weight of the membrane, and ionic conductivity of at least 0.1 S cm −1 at 180 ° C. has been reported for Nafion containing 1-butyl-3-methylimidazolium triromethanesulfonate ionic liquid have.

브뢴스테드 염기 및 초강산의 조합에 의해 얻어지는 프로틱(protic) 이온성 액체가 무수 환경에서 프로톤을 전도시키는 것이 보고되었다. 또한, 다양한 4급 아민에 의해 수득된 상온의 이온성 액체에서 프로톤이 암모늄 양이온 사이를 이동하여 전달되는 현상에 의한, 온도 상승시 무가습 환경에서의 연료 전지 전해질이 제안되었다. 브뢴스테드 산-염기 이온성 액체를 바탕으로 하는 이온 젤 역시 130℃에서 3.14 mA cm-2의 최대 전류밀도를 갖는 연료전지에서 프로톤 전도성 비수용성 전해질로서 사용되었다.It has been reported that protic ionic liquids obtained by a combination of Bronsted bases and superacids conduct protons in an anhydrous environment. In addition, fuel cell electrolytes have been proposed in a humidified environment at elevated temperatures due to the transfer of protons between ammonium cations in room temperature ionic liquids obtained by various quaternary amines. Ion gels based on Bronsted acid-base ionic liquids have also been used as proton conductive non-aqueous electrolytes in fuel cells with a maximum current density of 3.14 mA cm −2 at 130 ° C.

1-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플로로보레이트/헥사플로로포스페이트와 같은 상온에서의 이온성 액체가 알칼리 연료전지에서 사용되었으나, 온도가 증가함에 따라 효율이 떨어지는 문제가 있다. 수소화불소 음이온 (HF)nF-가 전기화학적으로 활성인것으로 보고되었으나 온도가 상승함에 따라 HF의 방출로 사용에 제한이 있다.Ionic liquids at room temperature, such as 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate / hexafluorophosphate, have been used in alkaline fuel cells, but there is a problem that efficiency decreases with increasing temperature. Although fluorinated anion (HF) n F - has been reported to be electrochemically active, its use is limited by the release of HF as the temperature rises.

미국공개특허 제 2004/0038105호는 프로톤 전도성 고체 세라믹 막에 관하여 청구하고 있다. 그러나, 상기 고체 세라믹 막은 유연하지 못하다는 문제점이 있다. 따라서, 궁극적으로 연료전지에 사용되는 막-전극접합체의 제조가 불가능하게 된다. US 2004/0038105 claims a proton conductive solid ceramic membrane. However, there is a problem that the solid ceramic film is not flexible. Thus, ultimately, it becomes impossible to manufacture the membrane-electrode assembly used in the fuel cell.

본 발명자는 2,3-디메틸-1-옥틸이미다졸리움 양이온(DMOIm+) 및 음이온을 포함하는 이온성 액체의 합성 및 다른 폴리머를 포함하는 폴리머 전해질에 대해 연구하였다. 여기서 공중합체 폴리머 PVdF-HFP가 가장 큰 프로톤 전도도를 보였다. 따라서, 상기 폴리머에 대한 다른 이온성 액체를 찾기 위한 연구를 계속하였다.The inventors have studied the synthesis of ionic liquids containing 2,3-dimethyl-1-octylimidazolium cation (DMOIm + ) and anions and polymer electrolytes comprising other polymers. The copolymer polymer PVdF-HFP showed the highest proton conductivity here. Thus, the search continued to find other ionic liquids for the polymers.

본 발명은 230 내지 320℃의 온도까지 열적으로 안정되며, 무가습 환경에서 사용할 수 있는 이온성 액체 함유 폴리머 전해질 및 이오노머 바이더를 포함하는 막-전극접합체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a membrane-electrode assembly comprising a ionic liquid-containing polymer electrolyte and ionomer provider that is thermally stable up to a temperature of 230 to 320 ° C. and can be used in a humidified environment.

또한, 본 발명에서는 막-전극접합체 내 전해질의 프로톤 전도도를 개선하기 위하여 자유이온을 제공하고, 이온의 응집을 방지하는 수단을 사용한다.In addition, in the present invention, in order to improve the proton conductivity of the electrolyte in the membrane-electrode assembly, a means for providing free ions and preventing aggregation of ions is used.

상기 폴리머 전해질은 유연한 필름(막) 형태로 제조되어 막-전극접합체에 채용되어 연료전지에 사용될 수 있다.The polymer electrolyte may be manufactured in the form of a flexible film (membrane) and employed in a membrane-electrode assembly to be used in a fuel cell.

본 발명은 프로톤 전도체로 사용되는 폴리머 전해질과 이오노머 바인더를 포함하는 막-전극접합체 및 이를 이용한 연료전지에 관한 것이다. The present invention relates to a membrane-electrode assembly comprising a polymer electrolyte and an ionomer binder used as a proton conductor and a fuel cell using the same.

구체적으로, 본 발명은 2,3-디메틸-1-옥틸이미다졸리움 트리플로로메탄 설포네이트(DMOImTf)를 함유하는 폴리비닐리덴플로라이드-헥사플로로프로필렌(PVdF-HFP) 공중합체를 포함하는 막-전극접합체를 제공한다. 상기 공중합체는 막 형태로 제조되어 폴리머 연료전지의 전해질 및 용액 형태로 제조되어 이오노머 바인더로 사용될 수 있다. Specifically, the present invention includes a polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP) copolymer containing 2,3-dimethyl-1-octylimidazolium trifluoromethane sulfonate (DMOImTf) Provided is a membrane-electrode assembly. The copolymer may be prepared in the form of a membrane to be prepared in the form of an electrolyte and a solution of a polymer fuel cell and used as an ionomer binder.

본 발명에 따른 막-전극접합체의 제조방법은 1) 이온성 액체를 포함하는 폴리머 공중합체를 제조하는 단계; 2) 이온성 액체 함유 폴리머 공중합체를 이용한 전해질막 및 이오노머 바인더를 제조하는 단계; 3) 촉매슬러리 및 전극을 제조하는 단계; 및 4) 상기 전해질막 및 이오노머 바인더를 포함하는 막-전극접합체를 제조하는 단계로 이루어진다. Method for producing a membrane-electrode assembly according to the present invention comprises the steps of 1) preparing a polymer copolymer comprising an ionic liquid; 2) preparing an electrolyte membrane and an ionomer binder using an ionic liquid-containing polymer copolymer; 3) preparing a catalyst slurry and an electrode; And 4) preparing a membrane-electrode assembly including the electrolyte membrane and the ionomer binder.

본 발명에 따른 연료전지는 막-전극접합체의 제조방법에 따라 제조되며, 이온성 액체를 함유하는 폴리머 전해질막 및 이오노머 바인더를 갖는 막-전극접합체를 포함한다. The fuel cell according to the present invention is manufactured according to the method for producing a membrane-electrode assembly, and includes a membrane-electrode assembly having a polymer electrolyte membrane containing an ionic liquid and an ionomer binder.

또한, 본 발명에 따른 연료전지는 막-전극접합체를 포함하여, 수소, 개질가스, 혼합수소가스의 수소함유 가스 계열군으로부터 선택된 하나 이상의 연료를 연료극으로 공급하고, 산소, 공기, 혼합산소가스의 산소 함유 가스 계열군으로부터 선택된 하나 이상의 산화제를 공기극으로 공급하는 것을 특징으로 한다. In addition, the fuel cell according to the present invention includes a membrane-electrode assembly, and supplies one or more fuels selected from hydrogen-containing gas series of hydrogen, reformed gas, and mixed hydrogen gas to the anode, and supplies oxygen, air, and mixed oxygen gas. It is characterized by supplying at least one oxidant selected from the oxygen-containing gas series group to the air electrode.

이하, 본 발명에 따른 막-전극접합체 제조방법의 각각의 단계에 대하여 상세히 설명한다. Hereinafter, each step of the method for manufacturing a membrane-electrode assembly according to the present invention will be described in detail.

1) 이온성 액체를 함유하는 폴리머 공중합체를 제조하는 단계1) preparing a polymer copolymer containing an ionic liquid

상기 DMOImTf는 상온에서의 이온성 액체로 온도가 높아짐에 따라(5℃→80℃) 점성도는 감소하는 반면 전도도는 증가한다. 상기 이온성 액체는 PVdF-HFP 100 중량부를 기준으로 10 내지 80 중량부의 범위로 폴리머 공중합체에 함유되는 것이 바람직하다. 이온성 액체의 농도에 따라 폴리머 전해질의 전도도가 달라진다. 가장 바람직하게 본 발명에서 DMOImTf는 PVdF-HFP와 동일한 중량으로 사용하는 것이다.The DMOImTf is an ionic liquid at room temperature. As the temperature is increased (from 5 ° C. to 80 ° C.), the viscosity decreases while the conductivity increases. The ionic liquid is preferably contained in the polymer copolymer in the range of 10 to 80 parts by weight based on 100 parts by weight of PVdF-HFP. The conductivity of the polymer electrolyte depends on the concentration of the ionic liquid. Most preferably, in the present invention, DMOImTf is used at the same weight as PVdF-HFP.

본 발명의 폴리머 전해질에는 트리플릭산(HCF3SO3)이 추가로 포함될 수 있다. 상기 트리플릭산은 이온성 액체 DMOImTf에 대하여 3M 농도로 포함될 때까지 전해질의 전도도를 증가시킨다. 이것은 폴리머로 인해 감소된 이온성 액체의 전도도에 더 많은 자유 이온(H+ 및 CF3SO3 -)을 제공함으로써 전도도를 상승시키는 것이다.The polymer electrolyte of the present invention may further include triflic acid (HCF 3 SO 3 ). The triflic acid increases the conductivity of the electrolyte until it is included in 3M concentration with respect to the ionic liquid DMOImTf. This raises the conductivity by providing more free ions (H + and CF 3 SO 3 ) to the conductivity of the reduced ionic liquid due to the polymer.

본 발명의 폴리머 전해질에는 가소제가 추가로 포함될 수 있다. 일반적으로 이온성 액체는 이온 및 이온들의 응집물로 구성되어 있다. 여기에 트리플릭산 등을 넣어주면 더 많은 이온들이 폴리머 전해질에 존재하게 된다. 결과적으로 하나의 이온은 주위에 반대 전하의 이온들로 둘러싸여 이온 클러스터를 이룬다. 이것은 전도도에 기여하지 못하는 것이다. 가소제는 이온 클러스터를 붕괴시켜 전도도를 향상시키는 것이다. 가소제로서는 프로필렌 카보네이트(PC)와 같은 유전상수가 큰 것(64.4)이 사용된다. The polymer electrolyte of the present invention may further include a plasticizer. Ionic liquids generally consist of ions and aggregates of ions. If triic acid is added here, more ions will be present in the polymer electrolyte. As a result, one ion is surrounded by ions of opposite charge to form an ion cluster. This does not contribute to conductivity. Plasticizers are those that break down ion clusters to improve conductivity. As the plasticizer, one having a high dielectric constant (64.4) such as propylene carbonate (PC) is used.

단, 가소제의 효과는 온도가 증가함에 따라 이온 클러스터가 스스로 붕괴되는 효과에 비해 상대적으로 작아져 고온으로 갈수록 전도도에 미치는 가소제의 영향이 줄어든다. 더구나, 상기 가소제는 공중합체 전체 중량의 21중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. 이것은 가소제의 첨가로 인한 전해질막의 물리적 특성의 열화를 방지하기 위해서이다.However, the effect of the plasticizer is relatively small compared to the effect that the ion cluster is self-decomposing as the temperature increases, the effect of the plasticizer on the conductivity decreases as the temperature increases. In addition, the plasticizer is preferably included in 21% by weight or less of the total weight of the copolymer. This is to prevent deterioration of the physical properties of the electrolyte membrane due to the addition of the plasticizer.

본 발명의 폴리머 전해질은 320℃이하의 온도까지 열적으로 안정하다.The polymer electrolyte of the present invention is thermally stable up to a temperature of 320 ° C or lower.

단, 트리플릭산을 첨가하면 열적 안정성이 작아진다. 구체적으로 0.5M의 트리플릭산을 포함하는 경우 230℃에서 열분해가 시작되는 것으로 관찰되었다. However, the addition of triflic acid reduces the thermal stability. Specifically, it was observed that pyrolysis starts at 230 ° C. when 0.5 M of tritic acid was included.

2) 이온성 액체 함유 폴리머 공중합체를 이용한 전해질막 및 이오노머 바인더를 제조하는 단계2) preparing an electrolyte membrane and an ionomer binder using an ionic liquid-containing polymer copolymer

상기 이온성 액체를 함유한 폴리머 공중합체를 용매 아세토니트릴을 이용하여, 폴리머 용액 100 중량부를 기준으로 폴리머 고형분 5 내지 30 중량부인 폴리머 용액을 제조한다. 상기 폴리머 용액을 폴리프로필렌 지지체 위에 캐스팅(casting)한 다음 상온에서 용액 압출법으로 전해질막을 형성한다. 상기 폴리머 용액 제조 방법을 이용하여 폴리머 용액 100 중량부를 기준으로 폴리머 고형분 1 내지 10중량부인 이오노머 바인더를 제조한다.The polymer copolymer containing the ionic liquid is prepared using a solvent acetonitrile to prepare a polymer solution having 5 to 30 parts by weight of polymer solids based on 100 parts by weight of the polymer solution. The polymer solution is cast on a polypropylene support, and then an electrolyte membrane is formed by solution extrusion at room temperature. An ionomer binder having 1 to 10 parts by weight of polymer solids is prepared based on 100 parts by weight of the polymer solution using the polymer solution preparation method.

3) 촉매슬러리 및 전극을 제조하는 단계3) preparing catalyst slurry and electrode

촉매에 증류수를 떨어뜨려 젖게 한 후, 상기 2)단계에서 제조한 이오노머 바인더 용액을 혼합하고 10분간 교반한 후, 초음파로 1 시간 동안 혼합 및 교반하고, 3일 동안 추가 교반하여 촉매슬러리를 제조한다.After distilled water was wetted onto the catalyst, the ionomer binder solution prepared in step 2) was mixed, stirred for 10 minutes, mixed and stirred for 1 hour with ultrasonic waves, and further stirred for 3 days to prepare a catalyst slurry. .

이때 촉매 100중량부에 대하여 이오노머 바인더 용액 1 내지 40 중량부, 이소프로필알콜 100 내지 1000 중량부에 첨가하여 슬러리를 제조한다. 상기에서 촉매는 Pt/C, Pt-Ru/C 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다. The slurry is prepared by adding 1 to 40 parts by weight of the ionomer binder solution and 100 to 1000 parts by weight of isopropyl alcohol with respect to 100 parts by weight of the catalyst. In the above catalyst, any one or more selected from Pt / C and Pt-Ru / C may be used.

상기 제조된 촉매슬러리를 기체확산재 100 중량부 기준으로 폴리테트라플루오르에틸렌 (PTFE) 1 내지 30 중량부를 함유하는 PTFE 처리된 기체확산층 표면에 도포한다. 이와 같은 촉매슬러리를 기체확산재 표면에 스프레이 분사나 또는 코팅기를 이용하여 도포하여, 이오노머 슬러리를 전해질막 표면에 도포한 전극을 제조한다. The prepared catalyst slurry is applied to the surface of the PTFE treated gas diffusion layer containing 1 to 30 parts by weight of polytetrafluoroethylene (PTFE) based on 100 parts by weight of the gas diffusion material. Such catalyst slurry is applied to the surface of the gas diffusion material by spraying or using a coating machine to prepare an electrode in which the ionomer slurry is applied to the surface of the electrolyte membrane.

4) 상기 전해질막 및 이오노머 바인더를 포함하는 막-전극접합체를 제조하는 단계4) preparing a membrane-electrode assembly comprising the electrolyte membrane and the ionomer binder

상기 2)단계에서 제조한 전해질막 양 표면에 상기 3)단계에서 제조한 전극이 도포된 기체확산재를 전극부분이 전해질막 표면에 접착되게 위치시키고, 열압착기를 사용하여 20 내지 60 oC의 온도와 0.1 내지 100 kgf/cm2의 압력으로 0.01 내지 0.5 시간 동안 가열 압착한 후 전해질막과 전극이 도포된 기체확산재를 견고히 부착하여 막-전극접합체를 제조할 수 있다.Wherein 2) the in the electrolyte membrane on both the surfaces prepared in Step 3) is a gas diffusion material produced by the electrodes are applied the electrode part of the step and the adhesive to be positioned in the electrolyte membrane surface, by using a heat press of 20 to 60 o C After heat-pressing at a temperature and a pressure of 0.1 to 100 kgf / cm 2 for 0.01 to 0.5 hours, a membrane-electrode assembly may be manufactured by firmly attaching an electrolyte membrane and a gas diffusion material coated with electrodes.

본 발명에 따른 이온성 액체를 포함하는 폴리머 전해질 및 이오노머 바인더는 230 내지 320℃까지 열적으로 안정하다. 또한, 유연한 필름 형태로 제조 가능하여 막-전극접합체로 제조 가능하여 최종적으로 PEMFCs에 사용될 수 있다. The polymer electrolyte and ionomer binder comprising the ionic liquid according to the invention are thermally stable up to 230 to 320 ° C. In addition, it can be manufactured in the form of a flexible film can be produced as a membrane-electrode assembly can be finally used in PEMFCs.

본 발명에 따른 폴리머 전해질 및 이오노머 바인더의 전도도는 이온성 액체, 트리플릭산 및 가소제의 농도에 따라 조절될 수 있으므로, 최종적으로 막-전극접합체, 나아가 연료전지의 성능을 극대화할 수 있다. Since the conductivity of the polymer electrolyte and the ionomer binder according to the present invention can be adjusted according to the concentration of the ionic liquid, the tritic acid and the plasticizer, it is possible to maximize the performance of the membrane-electrode assembly and the fuel cell.

도1은 트리플릭산의 농도에 따른 DMOImTf 및 PVdF-HFP 포함 폴리머 전해질의 전도도를 나타낸 것이다.FIG. 1 shows the conductivity of DMOImTf and PVdF-HFP-containing polymer electrolytes according to the concentration of triflic acid.

도2는 폴리머 전해질의 전도도에 있어 이온성 액체의 의존도를 나타낸 것이다. 2 shows the dependence of the ionic liquid on the conductivity of the polymer electrolyte.

도3은 폴리머 전해질의 전도도에 있어 가소제의 영향을 나타낸 것이다.3 shows the effect of a plasticizer on the conductivity of the polymer electrolyte.

도4a 내지 4c는 이온성 액체 및 폴리머 전해질막의 1H 및 19F NMR의 피크 좁아짐을 나타낸 것이다.4A to 4C show narrowing peaks of 1 H and 19 F NMR of the ionic liquid and the polymer electrolyte membrane.

도5a 및 5b는 폴리머 전해질막에 대한 DSC-TGA-DTG 측정 결과이다.5A and 5B show DSC-TGA-DTG measurement results for the polymer electrolyte membrane.

도6은 무가습 환경에서 단위 연료전지의 전류밀도에 대한 셀 전압 및 전압 밀도의 변화를 나타낸 것이다.6 shows changes in cell voltage and voltage density with respect to the current density of a unit fuel cell in a humidified environment.

실시예 1Example 1

1-브로모옥탄(머크, >98%)과 1,2-디메틸이미다졸(머크, >98%)을 반응시켜 2,3-디메틸-1-옥틸이미다졸리움 브로마이드를 얻은 다음, 리튬 트리플레이트(알드리치, 96%)를 사용하여 음이온 교환 반응시킴으로써 이온성 액체 2,3-디메틸-1-옥틸이미다졸리움 트리플로로메탄 설포네이트(DMOImTf)를 수득하였다.1-bromooctane (Merck,> 98%) and 1,2-dimethylimidazole (Merck,> 98%) were reacted to give 2,3-dimethyl-1-octylimidazolium bromide, followed by lithium tri An ionic liquid 2,3-dimethyl-1-octylimidazolium trichloromethane sulfonate (DMOImTf) was obtained by anion exchange reaction using a plate (Aldrich, 96%).

잔존 수분은 벤젠을 사용하여 아조트로픽 증류법으로 제거하고, 잔존 벤젠은 감압하에 제거했다. Residual water was removed by azotropic distillation using benzene, and residual benzene was removed under reduced pressure.

상기 이온성 액체 DMOImTf를 PVdF-HFP(플루카)에 함침시키고, 용매로서 아세토니트릴(SRL, 99.5%)를 사용하여 용액 압출법으로 전해질막을 형성하였다. The ionic liquid DMOImTf was impregnated in PVdF-HFP (Fluka), and an electrolyte membrane was formed by solution extrusion using acetonitrile (SRL, 99.5%) as a solvent.

실시예 2 내지 5Examples 2-5

이온성 액체 DMOImTf에 HCF3SO3(알드리치, 98%)를 각각 0.5M, 1.0M, 2M 및 3M 농도로 추가로 포함시키는 것을 제외하고 실시예1과 동일한 방법으로 전해질막을 형성하였다.An electrolyte membrane was formed in the same manner as in Example 1 except that HCF 3 SO 3 (Aldrich, 98%) was additionally included in the ionic liquid DMOImTf at concentrations of 0.5M, 1.0M, 2M, and 3M, respectively.

실시예 6Example 6

폴리프로필렌 카보네이트를 폴리머 전해질에 대하여 21중량% 추가로 포함시키는 것을 제외하고 실시예4와 동일한 방법으로 전해질막을 형성하였다. An electrolyte membrane was formed in the same manner as in Example 4 except that the polypropylene carbonate was further included in the polymer electrolyte in an amount of 21% by weight.

실험예 Experimental Example

(1) 전도도 및 유전상수 (1) conductivity and dielectric constant

실시예 1 내지 3에서 얻어지는 폴리머 전해질막의 전도도 및 유전상수의 측정을 위해 Hioki 3532-50 LCR HiTester 및 HP4284A 정밀도 LCR 미터를 사용하였다.  Hioki 3532-50 LCR HiTester and HP4284A precision LCR meter were used to measure the conductivity and dielectric constant of the polymer electrolyte membranes obtained in Examples 1 to 3.

도1은 실시예 1 내지 5의 폴리머 전해질의 전도도를 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 즉, 이온성 액체에서의 트리플릭산 농도가 증가함에 따라 전해질의 전도도가 증가함을 확인할 수 있다.Figure 1 is a graph showing the conductivity of the polymer electrolyte of Examples 1 to 5 measured. In other words, it can be seen that the conductivity of the electrolyte increases as the concentration of triflic acid in the ionic liquid increases.

또한, 도2는 실시예1 및 3의 전해질에서의 전도도를 이온성 액체 자체의 전도도와 비교하여 나타낸 것이다. DMOImTf 및 PVdF-HFP를 포함하는 전해질막의 전도도가 트리플릭산의 농도에 따라 증가함을 재확인할 수 있다.2 shows the conductivity in the electrolytes of Examples 1 and 3 compared to that of the ionic liquid itself. It can be reconfirmed that the conductivity of the electrolyte membrane including DMOImTf and PVdF-HFP increases with the concentration of triflic acid.

도3은 실시예4와 실시예6의 폴리머 전해질의 전도도를 측정한 것이다. 온도가 상승함에 따라 가소제의 첨가가 전도도에 미치는 영향이 감소함을 확인할 수 있다.3 is a measurement of the conductivity of the polymer electrolyte of Example 4 and Example 6. As temperature increases, the effect of the addition of plasticizer on the conductivity decreases.

(2) NMR(2) NMR

폴리머 전해질막 내에서 프로톤과 음이온의 이동성을 측정하기 위하여 1H 및 19F 고체 NMR을 촬영하였다. 100-350K의 온도 범위에서 Larmor 주파수 271.25 및 255.20MHz에서 촬영하였다. 1 H and 19 F solid NMR were taken to measure the mobility of protons and anions in the polymer electrolyte membrane. Images were taken at Larmor frequencies 271.25 and 255.20 MHz in the temperature range of 100-350K.

100 내지 180K에서 NMR 스펙트럼에는 브로드(broad)한 피크가 관찰되었다. 이것은 견고한 격자의 특성으로 이때 이온들은 확산되지 못한다. 그러나, 온도가 상승함에 따라 유동 격자의 특성이 나타나 피크가 좁아지는 것이 관찰되었다. 이것은 폴리머 막의 경우 유리전이온도 Tg 부근 및 융점에서 나타나는 현상이다.Broad peaks were observed in the NMR spectrum at 100-180K. This is a characteristic of a solid lattice in which ions do not diffuse. However, it was observed that as the temperature rose, the characteristics of the flow grating appeared and the peak narrowed. This is a phenomenon which occurs in the vicinity of the glass transition temperature T g and the melting point of the polymer film.

도4a는 이온성 액체 DMOImTf의 1H 및 19F NMR 피크 좁아짐을 나타낸 것이다. 1H NMR은 140K에서 피크 좁아짐이 관찰되었고, 19F NMR에서는 180K에서 피크 좁아짐이 관찰됨을 확인할 수 있다. 또한 280K에서 양 스펙트럼 모두에서 브로드한 피크가 사라지고, 좁은 피크만 남게 된다. 상기 140K 및 180K에서의 피크 좁아짐은 전해액의 유리전이온도 부근에서 일어나는 것이고, 280K에서의 현상은 전해액의 융점 부근에서 일어나는 것이다.4A shows the narrowing of the 1 H and 19 F NMR peaks of the ionic liquid DMOImTf. Peak narrowness was observed at 1 H NMR at 140 K, and peak narrowing was observed at 180 K in 19 F NMR. At 280K, the broad peaks in both spectra disappear, leaving only a narrow peak. The peak narrowing at 140K and 180K occurs near the glass transition temperature of the electrolyte, and the phenomenon at 280K occurs near the melting point of the electrolyte.

도4b는 실시예1의 폴리머 전해질의 1H 및 19F NMR 피크 좁아짐을 나타낸 것이다. 220K에서 피크 좁아짐이 나타났다. 즉, 폴리머에 이온성 액체를 부가한 것이 유리전이온도를 향상시키는 결과를 가져온 것이다.4B shows the narrowing of the 1 H and 19 F NMR peaks of the polymer electrolyte of Example 1. FIG. Peak narrowing was seen at 220K. In other words, the addition of an ionic liquid to the polymer resulted in an improvement in the glass transition temperature.

도4c는 실시예2의 폴리머 전해질의 1H 및 19F NMR 피크 좁아짐을 나타낸 것이다. 160K에서 나타나는 피크 좁아짐 현상은 트리플릭산이 가소제로서 작용하여 막의 유리전도온도를 낮추며, 상대적으로 낮은 온도에서 피크 좁아짐 현상을 일으키는 것이다.4C shows the narrowing of the 1 H and 19 F NMR peaks of the polymer electrolyte of Example 2. FIG. The peak narrowing phenomenon at 160K is that tritric acid acts as a plasticizer, lowering the glass conduction temperature of the film and causing peak narrowing at relatively low temperatures.

(3) 열적 안정성(3) thermal stability

폴리머 전해질막의 열적 안정성 테스트를 위해 Perkin Elmer System을 사용하여 DSC-TGA-DTG를 동시에 측정하였다.DSC-TGA-DTG was simultaneously measured using the Perkin Elmer System for thermal stability testing of the polymer electrolyte membrane.

도 5a에서 실시예1의 전해질막은 323℃에서 중량 감소가 관찰되었다. 그러나, 도 5b에서 실시예2의 전해질막은 231℃에서 중량 감소가 시작되는 것이 관찰되었다.In FIG. 5A, the weight loss of the electrolyte membrane of Example 1 was observed at 323 ° C. However, in FIG. 5B, it was observed that the electrolyte membrane of Example 2 started to lose weight at 231 ° C.

(4) 연료전지의 제작 및 성능 테스트(4) Fabrication and performance test of fuel cell

실시예 2의 폴리머 전해질막, 폴리머 전해질막 양면에 백금 촉매층(토레이 카본 페이퍼에 촉매 잉크를 칠하는 것으로 제조됨, 백금담지량 0.926 mg cm-2)을 고온 가압하여 막-전극 접합체(MEA)를 제작하였다.On both sides of the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte membrane of Example 2, a platinum catalyst layer (manufactured by applying a catalyst ink on a toray carbon paper, a platinum support amount of 0.926 mg cm -2 ) was hot pressed to prepare a membrane-electrode assembly (MEA). It was.

상기 연료전지를 10cm2의 활성면적을 갖는 연료전지 테스트 장치에 장착하였다. 상기 테스트 장치는 연료 소스, 온도 조절 유닛 및 연료 공급 조절이 가능한 장치이다.The fuel cell was mounted in a fuel cell test apparatus having an active area of 10 cm 2 . The test device is a fuel source, a temperature control unit and a fuel supply control device.

도6은 100℃에서 단위 연료전지의 전류밀도와 셀 전압 및 전력밀도의 관계를 나타낸 것이다. 이것은 무가습 환경에서 측정한 것으로 완전히 수화된 나피온에 비해 낮은 수치를 보인다. 그러나, 이온성 액체를 포함하는 유사 막과는 비슷한 수치이다. 더구나, 상기 연료 전지 테스트 장치는 완전히 수화된 나피온 막에 최적으로 설계된 것이다.6 shows the relationship between the current density, the cell voltage and the power density of a unit fuel cell at 100 ° C. This is measured in a humidified environment and is low compared to fully hydrated Nafion. However, the values are similar to those of similar membranes containing ionic liquids. Moreover, the fuel cell test apparatus is optimally designed for fully hydrated Nafion membranes.

Claims (19)

막-전극접합체를 제조하는 방법에 있어서,In the method of manufacturing the membrane-electrode assembly, 1) 폴리비닐리덴플로라이드-헥사플로로프로필렌(PVdF-HFP) 100 중량부를 기준으로 이온성 액체인 2,3-디메틸-1-옥틸이미다졸리움 트리플로로메탄 설포네이트(DMOImTf)를 10 내지 80 중량부 함유하며, 3M 농도 이하의 트리플릭산(HCF3SO3)을 함유하고, 공중합체 전체 중량의 21 중량% 이하의 가소제를 함유하는 폴리비닐리덴플로라이드-헥사플로로프로필렌(PVdF-HFP) 공중합체를 제조하는 단계;1) 10 to 2,3-dimethyl-1-octylimidazolium trifluoromethane sulfonate (DMOImTf), an ionic liquid, based on 100 parts by weight of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP) Polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene containing 80 parts by weight, containing tricarboxylic acid (HCF 3 SO 3 ) at a concentration of 3M or less, and a plasticizer of 21% by weight or less of the total weight of the copolymer (PVdF- Preparing a HFP) copolymer; 2) 상기 폴리비닐리덴플로라이드-헥사플로로프로필렌(PVdF-HFP) 공중합체 5 내지 30 중량부를 아세토니트릴이 용매인 폴리머 용액 100 중량부에 용해시켜 전해질막을 제조하고, 상기 폴리비닐리덴플로라이드-헥사플로로프로필렌(PVdF-HFP) 공중합체 1 내지 10 중량부를 아세토니트릴이 용매인 폴리머 용액 100 중량부에 용해시켜 이오노머 바인더를 제조하는 단계;2) 5 to 30 parts by weight of the polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP) copolymer is dissolved in 100 parts by weight of a polymer solution in which acetonitrile is a solvent to prepare an electrolyte membrane, and the polyvinylidene fluoride- Preparing an ionomer binder by dissolving 1 to 10 parts by weight of a hexafluoropropylene (PVdF-HFP) copolymer in 100 parts by weight of a polymer solution in which acetonitrile is a solvent; 3) 촉매 100 중량부에 대하여 상기 이오노머 바인더 1 내지 40 중량부, 이소프로필알콜 100 내지 1000 중량부를 첨가, 혼합하여 교반한 후, 초음파로 혼합하고 교반하여 촉매슬러리 및 전극을 제조하는 단계; 및 3) adding 1 to 40 parts by weight of the ionomer binder and 100 to 1000 parts by weight of isopropyl alcohol, and mixing and stirring the mixture, followed by mixing and stirring with ultrasonic waves to prepare catalyst slurry and electrodes; And 4) 상기 전해질막, 및 전극이 도포된 기체확산재를 가열 압착하는 단계를 포함하는 막-전극접합체 제조방법.4) a membrane-electrode assembly manufacturing method comprising the step of heat-compressing the electrolyte membrane, and the gas diffusion material to which the electrode is applied. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 촉매는 적어도 Pt/C 또는 Pt-Ru/C 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 막-전극접합체 제조방법. Wherein said catalyst is selected from at least Pt / C or Pt-Ru / C. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전극이 도포된 기체확산재는 상기 촉매슬러리를 기체확산재 100 중량부 기준으로 폴리테트라플루오르에틸렌 (PTFE) 1 내지 30 중량부를 함유하는 PTFE 처리된 기체확산층 표면에 도포하여 제조되는 것을 특징으로 하는 막-전극접합체 제조방법.The gas diffusion material coated with the electrode is prepared by applying the catalyst slurry on the surface of the PTFE treated gas diffusion layer containing 1 to 30 parts by weight of polytetrafluoroethylene (PTFE) based on 100 parts by weight of the gas diffusion material. -Electrode assembly manufacturing method. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 전극이 전해질막 표면에 접착되도록 상기 전해질막 양 표면에 상기 전극이 도포된 기체확산재를 위치시켜 가열 압착하는 것을 특징으로 하는 막-전극접합체 제조방법.The method of manufacturing a membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein a gas diffusion material coated with the electrode is placed on both surfaces of the electrolyte membrane so that the electrode is adhered to the surface of the electrolyte membrane. 제1항의 방법에 의해 제조된 이온성 액체를 함유하는 폴리머 전해질막 및 이오노머 바인더를 갖는 막-전극접합체.A membrane-electrode assembly having a polymer electrolyte membrane containing an ionic liquid and an ionomer binder prepared by the method of claim 1. 제1항의 방법에 의해 제조된 이온성 액체를 함유하는 폴리머 전해질막 및 이오노머 바인더를 갖는 막-전극접합체를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane containing an ionic liquid prepared by the method of claim 1 and a membrane-electrode assembly having an ionomer binder. 제18항에 있어서, The method of claim 18, 상기 연료전지는:The fuel cell is: 수소, 개질가스, 혼합수소가스의 수소함유 가스 계열군으로부터 선택된 하나 이상의 연료를 공급하는 연료극; 및 A fuel electrode for supplying at least one fuel selected from a hydrogen-containing gas series group of hydrogen, reformed gas, and mixed hydrogen gas; And 산소, 공기, 혼합산소가스의 산소 함유 가스 계열군으로부터 선택된 하나 이상의 산화제를 공급하는 공기극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지. And a cathode for supplying at least one oxidant selected from an oxygen-containing gas series group of oxygen, air, and mixed oxygen gas.
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논문1: Chemical physics letters
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