KR101630212B1 - A composite membrane comprising nonwoven PAI-PTM and sulfonated poly(arylene ether sulfone) as hydrocarbon-based electrolyte therein and the use thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리(아미드-코-이미드)(poly(amide-co-imide); PAI) 수지 및 폴리(트리멜리틱 언하이드라이드 클로라이드-코-4,4'-메틸렌디아닐린)(poly(trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline); PTM) 수지 혼합물을 포함하는 용액을 전기방사하여 제조한 PAI-PTM 부직포 및 이에 함침시킨 탄화수소계 고분자 전해질을 포함하는 복합막(composite membrane), 상기 복합막을 구비한 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly; MEA) 및 상기 막-전극 접합체를 구비한 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to poly (amide-co-imide) (PAI) resins and poly (trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline) PTM non-woven fabric prepared by electrospinning a solution containing a mixture of trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline (PTM) resin mixture and a hydrocarbon-based polymer electrolyte impregnated therewith, A membrane-electrode assembly (MEA) having the composite membrane, and a fuel cell having the membrane-electrode assembly.

Description

PAI-PTM 부직포에 탄화수소계 고분자 전해질을 함침시켜 제조한 복합막 및 이의 용도{A composite membrane comprising nonwoven PAI-PTM and sulfonated poly(arylene ether sulfone) as hydrocarbon-based electrolyte therein and the use thereof}A composite membrane prepared by impregnating a PAI-PTM nonwoven fabric with a hydrocarbon-based polymer electrolyte and a use thereof.

본 발명은 폴리(아미드-코-이미드)(poly(amide-co-imide); PAI) 수지 및 폴리(트리멜리틱 언하이드라이드 클로라이드-코-4,4'-메틸렌디아닐린)(poly(trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline); PTM) 수지 혼합물을 포함하는 용액을 전기방사하여 제조한 PAI-PTM 부직포에 및 이에 함침시킨 탄화수소계 고분자 전해질을 포함하는 복합막(composite membrane), 상기 복합막을 구비한 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly; MEA) 및 상기 막-전극 접합체를 구비한 연료전지에 관한 것이다.
The present invention relates to poly (amide-co-imide) (PAI) resins and poly (trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline) PTM non-woven fabric prepared by electrospinning a solution containing a mixture of trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline (PTM) resin mixture and a composite membrane comprising a hydrocarbon- A membrane-electrode assembly (MEA) having the composite membrane, and a fuel cell having the membrane-electrode assembly.

양성자 교환막(proton exchange membrane; PEM)은, 휴대용 전자기기, 자동차 및 대형 건물을 위해 화학적 에너지를 전기 에너지로 직접 전환할 수 있는 양성자 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cells; PEMFC)에 있어서, 주요 물질의 하나로서 널리 연구되고 있다. 나피온은 높은 양성자 전도도, 물에서 낮은 치수 변화, 및 다양한 환경에서 우수한 셀 성능을 갖는 PEMFC를 위해 상용화된 막이다. 그러나, 나피온 막은 고가이며 고온(> 80℃)에서 양성자 전도도와 내구성을 잃는다. 이에 따라, 많은 연구자들이 다양한 방향족 고분자를 사용하여 저렴한 막을 개발하고자 노력하고 있다. 이러한 노력의 일환으로 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르 술폰)(sulfonated poly(arylene ether sulfone); SPAES)와 같은 높은 열저항성(thermal resistance), 우수한 기계적 강도(mechanical strength) 및 낮은 기체 투과도(gas permeability)를 갖는 탄화수소계 공중합체가 이와 같은 우수한 성질로 인해 지난 십 수년에 걸쳐 나피온 막을 대체하기 위한 PEM 재료로 검토되고 있다. 무엇보다도, 상용화를 위한 저렴한 생산공정을 통해 PEMFC 적용의 총 비용을 낮출 수 있는 장점이 있다. 그러나, 탄화수소계 공중합체에서 치수 안정성과 양성자 전도도 간의 절충을 필요로 한다. 나피온과 유사한 양성자 전도도 수준을 달성하기 위하여, 탄화수소계 공중합체는 그 고분자 사슬 내에 많은 술폰산기를 포함해야 하며, 이는 높은 물 흡수 및 낮은 치수 안정성을 유발한다. 이러한 현상은 막 손상에 의한 PEM의 내구성 감소를 유발한다. 이러한 치명적인 단점을 극복하기 위하여, 폴리(테트라플루오로에틸렌)(poly(tetrafluoroethylene); PTFE), 액정고분자(liquid crystal polymer; LCP) 및 폴리이미드(polyimide; PI)와 같은 다공성 고분자 물질을 포함하는 복합막을 개발하고 있다. 이들 다공성 물질은 복합막의 치수 안정성 및 연료전지 테스트에서 내구성을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 다공성 PTFE와 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르 케톤)(sulfonated poly(arylene ether ketone); SPAEK)을 이용하여 PEMFC 적용을 위한 복합막을 제조하였다. 또한, PTFE 기재와 SPAEK 공중합체 간의 계면 적합성(interfacial compatibility)을 향상시키기 위하여, 친수성을 증가시키기 위하여 PTFE 기재 상에 폴리스티렌 술포네이트(polystyrene sulfonate)를 이식하고(graft), 부분적으로 불소화된 구조의 형태로 SPAEK 공중합체를 합성하였다. 이들 막은 기계적 안정성과 우수한 성능을 나타내었다. 싱글 셀의 내구성 테스트를 수행하는 동안, 이들 막전극접합체(membrane electrode assembly; MEA)는 성능이 감소하지 않았으며, 개방회로전압(open circuit voltage (OCV)도 40시간 동안 감소하지 않았다. 전기 방사된 PI(polyimide) 나노섬유가 보고되었고 고온 PEMFC에 적용하기 위하여 SPAES 공중합체에 이를 첨가하였다. 신규한 PI 나노섬유를 포함하는 복합막은 치수 변화를 감소시키고 더 나은 유연성을 부여한다. 고온 및 낮은 상대습도에서 물 보유능(water retention property) 및 양성자 전도도를 향상시키기 위하여, PI 나노섬유 상에 포스포실리케이트를 코팅하였다. 향상된 복합막의 양성자 전도도는 고온 및 낮은 상대습도에서 순수 고분자 막보다 나은 성능을 부여하였다. 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell; DMFC)를 위하여, 용융 취입(melt-blown)에 의해 제조한 다공성 액정고분자(liquid crystal polymer; LCP)를 사용하는 복합막 또한 고안되었다. 2종의 SPAES 공중합체에 의해 제조된 이러한 복합막은 감소된 치수 변화 및 향상된 기계적 강도를 나타내었다. 싱글 셀 성능 평가에 있어서, 복합막은 나피온을 사용한 경우와 견줄만한 성능을 나타내었다.Proton exchange membrane (PEM) is a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) capable of directly converting chemical energy into electrical energy for portable electronic devices, automobiles and large buildings. The proton exchange membrane (PEMFC) Is widely studied as one of. Nafion is a commercial membrane for PEMFCs with high proton conductivity, low dimensional changes in water, and excellent cell performance in a variety of environments. However, Nafion membranes are expensive and lose proton conductivity and durability at high temperatures (> 80 ° C). Accordingly, many researchers are trying to develop an inexpensive membrane using various aromatic polymers. As a result of this effort, it has been found that a high thermal resistance, such as a sulfonated poly (arylene ether sulfone) (SPAES), an excellent mechanical strength and a low gas permeability ) Have been studied as PEM materials for replacing Nafion membranes over the past several decades due to their excellent properties. Above all, it has the advantage of lowering the total cost of PEMFC application through low cost production process for commercialization. However, in the hydrocarbon-based copolymer, the dimensional stability and the proton conductivity . In order to achieve a proton conductivity similar to that of Nafion, hydrocarbon-based copolymers must contain a large number of sulfonic acid groups within the polymer chain, leading to high water absorption and low dimensional stability. This phenomenon leads to a decrease in the durability of the PEM due to film damage. In order to overcome these fatal disadvantages, a composite material containing a porous polymer material such as poly (tetrafluoroethylene) (PTFE), liquid crystal polymer (LCP) and polyimide (PI) It is developing membrane. These porous materials can improve the dimensional stability of composite membranes and durability in fuel cell testing. For example, composite membranes for PEMFC applications were prepared using porous PTFE and sulfonated poly (arylene ether ketone) (SPAEK). In order to improve the interfacial compatibility between the PTFE base and the SPAEK copolymer, a polystyrene sulfonate is grafted on the PTFE base material to increase the hydrophilicity and a partially fluorinated structure To synthesize SPAEK copolymer. These membranes showed mechanical stability and excellent performance. During the durability test of a single cell, these membrane electrode assemblies (MEAs) did not decrease in performance and the open circuit voltage (OCV) did not decrease for 40 hours. PI (polyimide) nanofibers have been reported and are added to SPAES copolymers for application to high temperature PEMFCs. Composite membranes containing novel PI nanofibers reduce dimensional changes and give better flexibility. High temperature and low relative humidity , The phosphosilicate was coated on the PI nanofibers to improve water retention properties and proton conductivity in the composite membranes. The proton conductivity of the improved composite membranes gave better performance than the pure polymer membranes at high temperatures and low relative humidity. For a direct methanol fuel cell (DMFC), a porous liquid prepared by melt-blown Composite membranes using liquid crystal polymers (LCP) were also devised. Such composite membranes, made by two SPAES copolymers, exhibited reduced dimensional changes and improved mechanical strength. The composite membrane showed comparable performance to that of Nafion.

그러나, 상기 복합막의 제조에 사용한 PI, PTFE 및 LCP 등의 물질은 기계적 강도를 증가시키고자 하는 목적은 달성할 수 있으나, 고가의 소재이므로 이를 활용한 지지체를 이용한 복합막을 구비한 연료전지의 비용 또한 증가하므로, 이들 소재는 복합막 및 이를 구비한 연료전지의 양산에는 부적합하다. 따라서, 이들 소재를 대신할 수 있는 향상된 기계적 강도를 제공하면서도 우수한 이온전도도를 유지할 수 있는 신규한 지지체 및 이를 이용한 복합막의 발굴이 요구된다.
However, materials such as PI, PTFE and LCP used for the production of the composite membrane can achieve the purpose of increasing the mechanical strength. However, since it is an expensive material, the cost of the fuel cell having the composite membrane using the support , These materials are unsuitable for mass production of a composite membrane and a fuel cell having the composite membrane. Therefore, a novel support capable of maintaining an excellent ionic conductivity while providing an improved mechanical strength to replace these materials, and a composite membrane using the novel support are required.

이에 본 발명자들은 기계적 강도를 향상시키면서도 이에 함침된 탄화수소계 고분자 전해질의 우수한 이온전도도를 유지할 수 있는 신규한 지지체를 찾고자 예의 연구노력한 결과, 높은 강도 및 우수한 열적 안정성을 갖는 적으로 알려진 고분자인 폴리(아미드-코-이미드)(poly(amide-co-imide); PAI)에 윤활제로서 저분자량의 폴리(트리멜리틱 언하이드라이드 클로라이드-코-4,4'-메틸렌디아닐린)(poly(trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline); PTM) 올리고머를 적절한 비율로 혼합한 용액을 전기 방사하여 제조한 높은 기공율을 갖는 부직포에 탄화수소계 고분자 전해질을 함침시켜 제조한 복합막이 향상된 기계적 강도 및 치수안정성을 나타내는 동시에 우수한 이온전도도를 나타내므로 이를 구비한 연료전지가 우수한 셀성능을 나타냄을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors have made intensive studies in order to find a novel support capable of maintaining excellent ionic conductivity of a hydrocarbon-based polymer electrolyte impregnated therewith while improving mechanical strength. As a result, it has been found that a poly (Trimellitic anhydride) (poly (amide-co-imide); PAI) as a lubricant with a low molecular weight poly (trimellitic anhydride chloride-co-4,4'- methylenedianiline chloride-co-4,4'-methylenedianiline) PTM oligomer in an appropriate ratio, and the composite membrane prepared by impregnating a high porosity non-woven fabric with a hydrocarbon-based polymer electrolyte has an improved mechanical strength and dimensions Stability and excellent ionic conductivity, it is confirmed that the fuel cell having the fuel cell exhibits excellent cell performance, Castle was.

본 발명의 목적은 폴리(아미드-코-이미드)(poly(amide-co-imide); PAI) 수지 및 폴리(트리멜리틱 언하이드라이드 클로라이드-코-4,4'-메틸렌디아닐린)(poly(trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline); PTM) 수지 혼합물을 포함하는 용액을 전기방사하여 제조한 PAI-PTM 부직포 및 이에 함침시킨 탄화수소계 고분자 전해질을 포함하는 복합막(composite membrane); 상기 복합막의 제조방법; 상기 복합막을 구비한 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly; MEA); 및 상기 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly; MEA)를 구비한 연료전지를 제공하는 것이다.
It is an object of the present invention to provide a poly (amide-co-imide) (PAI) resin and a poly (trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline) a composite membrane comprising a PAI-PTM nonwoven fabric prepared by electrospinning a solution containing a poly (trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline) resin mixture and a hydrocarbon-based polymer electrolyte impregnated therewith ); A method of producing the composite membrane; A membrane-electrode assembly (MEA) having the composite membrane; And a fuel cell having the membrane-electrode assembly (MEA).

본 발명의 제1양태는 폴리(아미드-코-이미드)(poly(amide-co-imide); PAI) 수지 및 폴리(트리멜리틱 언하이드라이드 클로라이드-코-4,4'-메틸렌디아닐린)(poly(trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline); PTM) 수지 혼합물을 포함하는 용액을 전기방사하여 제조한 PAI-PTM 부직포 및 이에 함침시킨 탄화수소계 고분자 전해질을 포함하는 복합막(composite membrane)을 제공한다.A first aspect of the present invention is a polyimide resin composition comprising a poly (amide-co-imide) (PAI) resin and a poly (trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline a composite membrane comprising a PAI-PTM nonwoven fabric prepared by electrospinning a solution containing a poly (trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline) resin mixture and a hydrocarbon-based polymer electrolyte impregnated therewith composite membrane.

본 발명의 제2양태는 상기 본 발명의 제1양태에 따른 복합막을 제조하는 방법에 있어서, PAI 수지 및 PTM 수지를 4:6 내지 7:3의 중량비로 포함하는 혼합 수지 용액을 준비하는 단계; 상기 용액을 전기 방사하여 부직포를 제조하는 단계; 및 탄화수소계 고분자 전해질을 상기 부직포의 양면에 발라 함침시키는 단계를 포함하는, 복합막의 제조방법을 제공한다.In a second aspect of the present invention, there is provided a method of producing a composite membrane according to the first aspect of the present invention, comprising the steps of: preparing a mixed resin solution containing PAI resin and PTM resin in a weight ratio of 4: 6 to 7: 3; Preparing a nonwoven fabric by electrospinning the solution; And impregnating both surfaces of the nonwoven fabric with a hydrocarbon-based polymer electrolyte, thereby producing a composite membrane.

본 발명의 제3양태는 상기 본 발명의 제1양태에 따른 복합막을 구비한 막-전극 접합체를 제공한다.A third aspect of the present invention provides a membrane-electrode assembly having a composite membrane according to the first aspect of the present invention.

본 발명의 제4양태는 상기 본 발명의 제3양태에 따른 막-전극 접합체를 구비한 연료전지를 제공한다.
A fourth aspect of the present invention provides a fuel cell having the membrane-electrode assembly according to the third aspect of the present invention.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 우수한 이온전도성을 나타내어 나피온 등과 같은 값비싼 불소계 전해질을 대체할 수 있는 탄화수소계 고분자를 포함하는 전해질 막을 제조함에 있어서, 탄화수소계 전해질 막의 단점인 취약한 기계적 물성을 보완하고자 하는 취지로서, 높은 강도와 열적 안정성이 우수한 고분자인 PAI를 PTM 올리고머와 혼합하여 전기 방사하여 제조한 부직포가 얇은 두께로 제조될 수 있는 동시에 높은 기공도를 가지므로 이에 탄화수소계 고분자 전해질 예컨대, 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르 술폰)(sulfonated poly(arylene ether sulfone); SPAES) 공중합체를 함침시켜 제조한 복합막이 우수한 이온전도성을 나타낼 뿐만 아니라 향상된 강도 및 열적 안정성을 나타내므로 고온에서 구동하는 연료전지 등에 이온교환막으로 유용하게 사용될 수 있음을 발견한 데에 특징이 있다.
The present invention aims to compensate for weak mechanical properties which are disadvantages of hydrocarbon-based electrolyte membranes in the production of an electrolyte membrane containing a hydrocarbon-based polymer that exhibits excellent ionic conductivity and can replace expensive fluorine-based electrolytes such as Nafion. Since the nonwoven fabric prepared by mixing PAI, which is excellent in strength and thermal stability, with PTM oligomer and electrospun, can be made to have a small thickness and at the same time has a high porosity, a hydrocarbon-based polymer electrolyte such as a sulfonated poly Sulfonated poly (arylene ether sulfone); SPAES) copolymer exhibits excellent ionic conductivity as well as exhibits improved strength and thermal stability. Therefore, it is useful as an ion exchange membrane for a fuel cell driven at a high temperature It is characterized by the discovery that it can be used All.

상기 "PAI(poly(amide-co-imide))"는 기계적, 열적 및 화학적 저항성을 갖는 열경화성 또는 열가소성의 무정형 고분자이다. 높은 강도, 용융가공성(melt processibility), 높은 열용량 및 광범위한 화학적 저항성 등 폴리아미드와 폴리이미드의 장점을 동시에 나타낼 수 있는 물질이다. Solvay Advanced Polymers에 의해 생산되어 Torlon이라는 상표명으로 판매되기도 하며, NMP를 용매로 이용하여 이소시아네이트와 TMA(trimellic acid-anhydride)로부터 용이하게 제조할 수 있다. 바람직하게, 상용화된 것을 구입하여 사용하거나 당업계에 공지된 방법으로 합성하여 사용할 수 있다.The "PAI (amide-co-imide)" is a thermosetting or thermoplastic amorphous polymer having mechanical, thermal and chemical resistance. It is a material that can simultaneously show the advantages of polyamide and polyimide such as high strength, melt processibility, high heat capacity and wide chemical resistance. It is produced by Solvay Advanced Polymers and sold under the trade name Torlon and can be easily prepared from isocyanate and TMA (trimellic acid-anhydride) using NMP as a solvent. Preferably, commercialized products may be purchased and used or synthesized by methods known in the art.

상기 "PTM(poly(trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline))"은 저분자량의 반응성이 높은 가용성 고분자이다. 상기 PTM을 PAI와 함께 혼합하여 사용함으로써 PAI의 거칠기를 감소시키고, PAI-PTM 혼합물에서 윤활제로 작용하여 성형을 보다 용이하게 할 수 있다.
The "PTM (trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline)" is a soluble polymer having a low molecular weight and high reactivity. By using the PTM in combination with PAI, the roughness of the PAI can be reduced and the PAI-PTM mixture can act as a lubricant to facilitate molding.

바람직하게, 상기 PAI 수지 및 PTM 수지 혼합물을 포함하는 용액의 농도는 10 내지 30 중량%일 수 있다. 보다 바람직하게는 20 중량%의 농도로 사용할 수 있다. 상기 PAI 수지 및 PTM 수지 혼합물을 포함하는 용액의 농도가 10 중량% 미만인 경우 용액의 점도가 너무 낮아 전기 방사에 의해 부직포 형성이 어렵거나 너무 얇은 섬유형태로 방사되어 원하는 만큼의 충분한 강도를 제공하기 어려울 수 있다. 한편, 용액의 농도가 30 중량%를 초과하는 경우에는 용액의 점도가 높아 전기 방사된 용액이 일정한 굵기의 섬유형으로 성형되지 못하고 버블 등이 형성되어 최종적으로 형성된 부직포가 전해질 용액을 함침시키기 위한 균일한 기공을 갖지 못하고 불규칙하게 형성되거나 원하는 기공율을 달성하기 어려울 수 있다.Preferably, the concentration of the solution comprising the PAI resin and the PTM resin mixture may be from 10 to 30% by weight. And more preferably 20% by weight. When the concentration of the solution containing the PAI resin and the PTM resin mixture is less than 10% by weight, the viscosity of the solution is too low to form a nonwoven fabric by electrospinning, or it is difficult to radiate in the form of a too thin fiber to provide sufficient strength as desired . On the other hand, when the concentration of the solution exceeds 30% by weight, the viscosity of the solution is high, so that the electrospun solution can not be formed into a fiber having a predetermined thickness, bubbles or the like are formed and the finally formed nonwoven fabric has uniformity for impregnating the electrolyte solution It may be irregularly formed without having one pore or difficult to achieve a desired porosity.

또한 바람직하게, 상기 PAI 수지 및 PTM 수지 혼합물은 PAI와 PTM을 4:6 내지 7:3의 중량비로 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 5:5의 중량비로 포함할 수 있다. PTM의 함량이 60 중량%를 초과하는 경우 즉, 저분자량의 PTM 함량이 높은 경우에는 혼합 용액을 전기 방사하여도 균일한 굵기의 긴 섬유형으로 성형되지 못하고 불규칙한 굵기 및 짧은 길이의 섬유형으로 형성되거나 다수의 버블을 포함하는 형태로 방사되어 부직포를 형성하기 어려울 수 있으며, PTM의 함량이 30% 미만인 경우에는 나노미터 수준이 아닌 마이크로미터 수준의 굵기를 갖는 섬유형태로 성형되어 이로부터 제조된 부직포는 전해질 용액을 함침시키기에 적합한 기공크기 및 기공율을 제공하기 어려울 수 있다.
Also preferably, the PAI resin and the PTM resin mixture may contain PAI and PTM in a weight ratio of 4: 6 to 7: 3. More preferably in a weight ratio of 5: 5. When the PTM content exceeds 60% by weight, that is, when the PTM content of the low molecular weight is high, even if the mixed solution is electrospun, it can not be formed into a long fiber having a uniform thickness and is formed into an irregular thickness and short- Or it may be difficult to form a nonwoven fabric by spinning in a form containing a large number of bubbles. When the content of PTM is less than 30%, the nonwoven fabric is formed into a fiber having a micrometer- May be difficult to provide a pore size and porosity suitable for impregnating the electrolyte solution.

바람직하게, 상기 PAI-PTM 부직포는 60 내지 90% 다공성(porosity)을 갖는 것이 특징이다. 또한 상기 PAI-PTM 부직포는 직경 15 내지 20 μm의 기공을 갖는 것이 특징이다. 이와 같이 부직포 내 기공의 존재 및 높은 다공성으로 인해, 다량의 전해질을 기공에 함유할 수 있으므로, 양성자 전도도가 낮은 PAI-PTM에 의한 이온 전도도 감소를 상쇄시킬 수 있다.Preferably, the PAI-PTM nonwoven fabric has 60 to 90% porosity. The PAI-PTM nonwoven fabric is characterized by having pores having a diameter of 15 to 20 μm. Due to the presence of pores in the nonwoven fabric and the high porosity, a large amount of electrolyte can be contained in the pores, which can offset the decrease in ionic conductivity due to the low proton conductivity of PAI-PTM.

바람직하게, 상기 복합막은 10 내지 30 μm의 두께를 갖는 것이 특징이다. 상기 복합막에서 전해질 용액을 함유하는 PAI-PTM 부직포는, 연료전지의 전해질 막으로써 요구되는, 고분자 자체로 제조한 막에 비해 향상된 기계적 강도나 치수 안정성을 제공할 수 있는 반면, 부직포 자체의 전도도는 낮아서 막 저항이 발생한다. 따라서, 이를 최소화하기 위하여 상기 복합막은 기계적 강도를 유지할 수 있되 두께를 최소화하여 저항을 낮추도록 하였으며, 이에 전도성 전해질 용액을 함침시켜 전도도를 향상시켰다.Preferably, the composite membrane has a thickness of 10 to 30 占 퐉. The PAI-PTM nonwoven fabric containing the electrolyte solution in the composite membrane can provide improved mechanical strength and dimensional stability as compared with a membrane made of a polymer itself, which is required as an electrolyte membrane of a fuel cell, while the conductivity of the non- The resistance is low. Therefore, in order to minimize this, the composite membrane can maintain the mechanical strength, but the thickness is minimized to lower the resistance, and the conductivity is improved by impregnating the conductive electrolyte solution.

한편, 본 발명에 따른 지지체에 함침할 수 있는 고분자 전해질의 비제한적 예로 탄화수소계 고분자 전해질이 있다. 탄화수소계 고분자 전해질의 비제한적인 예로는 술폰화된 폴리이미드, 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르 술폰)(sulfonated poly(arylene ether sulfone); SPAES), 술폰화된 폴리에테르에테르케톤(sulfonated poly(ether ether ketone); SPEEK), 술폰화된 폴리벤즈이미다졸(sulfonated polybenzimidazole; SPBI), 술폰화된 폴리술폰(sulfonated polysulfone; SPSU), 술폰화된 폴리스티렌(sulfonated polystyrene; SPS), 술폰화된 폴리포스파젠(sulfonated polyphosphazene; SPP), 술폰화된 폴리에테르술폰(sulfonated poly(ether sulfone); SPES), 술폰화된 폴리에테르케톤(sulfonated poly(ether ketone); SPEK), 술폰화된 폴리아릴렌에테르벤즈이미다졸(sulfonated poly(arylene ether benzimidazole); SPAEBI) 등이 있다. 또한, 상기 탄화수소계 고분자 전해질의 바람직한 예로, 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 공중합체 또는 하기 화학식 1의 고분자가 있다.Meanwhile, as a non-limiting example of the polymer electrolyte that can be impregnated into the support according to the present invention, there is a hydrocarbon-based polymer electrolyte. Non-limiting examples of hydrocarbon-based polymer electrolytes include sulfonated polyimides, sulfonated poly (arylene ether sulfone) (SPAES), sulfonated poly (ether ether ketone) ether ketone (SPEEK), sulfonated polybenzimidazole (SPBI), sulfonated polysulfone (SPSU), sulfonated polystyrene (SPS), sulfonated polyphosphazene sulfonated polyphosphazene (SPP), sulfonated poly (ether sulfone) (SPES), sulfonated poly (ether ketone) (SPEK), sulfonated polyarylene ether benzimide Sulfonated poly (arylene ether benzimidazole); SPAEBI). A preferable example of the hydrocarbon-based polymer electrolyte is a sulfonated poly (arylene ether sulfone) copolymer or a polymer of the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112014042323890-pat00001
Figure 112014042323890-pat00001

상기 화학식에서, l, m 및 n은 각각 독립적으로 1 이상의 정수임.In the above formula, l, m and n are each independently an integer of 1 or more.

술폰화기를 포함하는 탄화수소계 전해질은 술폰산기를 통해 PAI 및 PTM의 친수성 작용기와 상호작용할 수 있으므로, 이로부터 제조된 지지체에 함침시켰을 때, 우수한 혼화성을 제공할 수 있다.The hydrocarbon-based electrolyte containing a sulfonate group can interact with the hydrophilic functional groups of PAI and PTM through sulfonic acid groups, so that it can provide excellent compatibility when impregnated into the support prepared therefrom.

또한 상기 PAI-PTM 부직포에 전해질로써 함침되는 SPAES는 40 내지 60 몰% 술폰화도를 갖는 것이 바람직하다. 술폰화도가 60%를 초과하는 경우 막의 친수성이 높아져서 물에 용해되어 지지체 내에 함침되어 있지 못하고 용출될 수 있는 한편, 술폰화도가 40% 미만인 경우 막의 이온전도성이 현저하게 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.The SPAES impregnated in the PAI-PTM nonwoven fabric as an electrolyte is preferably 40 to 60 mol% sulfonated. If the degree of sulfonation is more than 60%, the hydrophilic property of the membrane becomes high, and it may dissolve in water and be dissolved in the support without being impregnated in the support. On the other hand, when the degree of sulfonation is less than 40%, the ion conductivity of the membrane may be significantly deteriorated.

본 발명의 일구체예에서, 높은 전도도를 나타내되 용매에 용해되지 않도록 50 몰% 술폰화도를 가진 SPAES 공중합체를 합성하였다. 상기 SPAES 공중합체를 본 발명에 따른 다공성 지지체에 함침하여 제조한 복합막(실시예 3)은 양성자 전도도 뿐만 아니라 기계적 성질, 치수 안정성 및 내구성이 향상되었다는 것을 확인하였다. 특히, 습윤 및 건조상태에서의 치수변화를 측정한 결과, 전해질막의 파단을 야기할 수 있는 면적방향에서의 치수변화를 현저히 감소시킴을 확인하였다(도 6). 또한, 연료전지 구동 시험을 통해, 실시예 3에 따라 제조된 복합막의 성질을 순수 SPAES 공중합체 고분자 막의 것과 비교하여, 본 발명에 따른 다공성 지지체의 효과를 확인하였다. 그러나, 다양한 온도 및 습도에서 측정한 양성자 전도도는 복합막에서 감소하였으며, 이는 다공성 지지체에 의한 양성자 경로 차단에 기인한 것이지만, 본 발명에 따른 다공성 지지체가 향상된 강도를 나타내므로 보다 얇은 두께로 제조하여 경로를 단축시킴으로써 상쇄할 수 있다.
In one embodiment of the present invention, a SPAES copolymer having a degree of sulfonation of 50 mol% and exhibiting high conductivity and not being soluble in a solvent was synthesized. It was confirmed that the composite membrane (Example 3) prepared by impregnating the SPAES copolymer with the porous support according to the present invention improved not only proton conductivity but also mechanical properties, dimensional stability and durability. Particularly, as a result of measurement of the dimensional change in the wet and dry state, it was confirmed that the dimensional change in the direction of the area which can cause the breakage of the electrolyte membrane was remarkably reduced (FIG. 6). Further, the effect of the porous support according to the present invention was confirmed by comparing the properties of the composite membrane produced according to Example 3 with that of the pure SPAES copolymer polymer membrane through a fuel cell drive test. However, the proton conductivity measured at various temperatures and humidity is decreased in the composite membrane, which is due to the blocking of the proton pathway by the porous support. However, since the porous support according to the present invention exhibits enhanced strength, Can be canceled.

상기 본 발명에 따른 복합막은 PAI 수지 및 PTM 수지를 4:6 내지 7:3의 중량비로 포함하는 혼합 수지 용액을 준비하는 단계; 상기 용액을 전기 방사하여 부직포를 제조하는 단계; 및 SPAES 용액을 상기 부직포의 양면에 발라 함침시키는 단계를 포함하는, 복합막의 제조방법에 의해 제조될 수 있다.The composite membrane according to the present invention comprises a mixed resin solution containing a PAI resin and a PTM resin in a weight ratio of 4: 6 to 7: 3; Preparing a nonwoven fabric by electrospinning the solution; And impregnating the SPAES solution onto both sides of the nonwoven fabric.

이때, 바람직하게, 전기 방사하여 제조한 부직포를 250 내지 400℃에서 10분 내지 3시간 동안 처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이와 같이 지지체로 사용되는 PAI-PTM 부직포를 고온에서 처리함으로써 상기 지지체의 내용제성을 향상시킬 수 있다. 상기 방법에 따라 제조된 지지체는 높은 기공도 및 일정한 수준의 기공크기를 가지므로 상기 기공에 전해질 용액을 함침시켜 전해질 막으로 사용하기에 적합하다. 또한 상기 부직포는 얇은 두께로 제조될 수 있으므로, 경로를 단축시킴으로써 낮은 양성자 전도도를 갖는 지지체 자체에 의한 양성자 경로 차단에 의한 복합막의 감소된 양성자 전도도를 상쇄할 수 있다.
At this time, preferably, the nonwoven fabric produced by electrospinning may further be treated at 250 to 400 ° C for 10 minutes to 3 hours. By treating the PAI-PTM nonwoven fabric used as a support in this manner at a high temperature, the solvent resistance of the support can be improved. Since the support prepared according to the above method has a high porosity and a constant pore size, it is suitable for use as an electrolyte membrane by impregnating the pores with an electrolyte solution. Also, since the nonwoven fabric can be made to have a thin thickness, the reduced proton conductivity of the composite membrane due to proton pathway blocking by the support itself with low proton conductivity can be offset by shortening the path.

또한 본 발명은 상기 본 발명에 따른 복합막을 구비한 막-전극 접합체를 제공한다.The present invention also provides a membrane-electrode assembly with a composite membrane according to the present invention.

본 발명은 예컨대 고온가압하여 상기 환원극과 산화극 사이에 본 발명에 따른 복합막을 개재하여 막-전극 접합체(MEA)을 제조할 수 있다. 이때 열 압착시 압력은 0.5 내지 2 톤(ton), 온도는 40 내지 250 ℃ 가 바람직하다.The present invention can produce a membrane-electrode assembly (MEA) through a composite membrane according to the present invention between the reducing electrode and the oxidizing electrode by, for example, high-temperature pressurization. At this time, the pressure is preferably 0.5 to 2 tons (ton) and the temperature is preferably 40 to 250 ° C.

상기 막-전극 접합체에 사용될 수 있는 촉매는 Pt, Pt-Ru, Pt-Sn, Pt-Pd 등의 합금촉매 또는 미세한 탄소입자를 입힌 Pt/C, Pt-Ru/C 등을 사용하거나, Pb, Ru, Bi, Sn Mo 등의 금속물질을 Pt 상에 증착시켜 사용할 수 있으나, 수소의 산화 및 산소의 환원반응에 적합한 물질이면 제한없이 사용할 수 있다. 또한 Johnson Matthey, E-Tek 등에서 상업적으로 판매하는 것을 사용할 수도 있다. 전해질 막의 양면에 접착되는 전극용 촉매는 각각 캐소드와 애노드로 작용하는 것이므로 양 전극에서의 반응 속도에 따라 다른 양으로 사용될 수 있으며, 다른 종류의 촉매를 사용할 수도 있다.The catalyst that can be used for the membrane-electrode assembly may be Pt, Pt-Ru, Pt-Sn or Pt-Pd alloy catalysts or Pt / C or Pt-Ru / C plated with fine carbon particles, Metal materials such as Ru, Bi and Sn Mo may be deposited on Pt, but any material suitable for the oxidation of hydrogen and the reduction reaction of oxygen may be used without limitation. Also commercially available from Johnson Matthey, E-Tek, etc. may be used. Since the electrode catalysts bonded to both surfaces of the electrolyte membrane act as cathodes and anodes, they may be used in different amounts depending on the reaction rate at both electrodes, and other types of catalysts may be used.

상기 막-전극 접합체는 당업자에 공지된 방법을 사용하여 제조할 수 있으며, 제조방법의 비제한적인 예로는 데칼법, 스프레이법, CCG(catalyst coated gas diffusion media)법 등의 다양한 방법이 사용될 수 있다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 CCG법을 이용하여 막-전극 접합체를 제조하였으나, 막-전극 접합체의 제조방법은 이에 제한되지 않는다.The membrane-electrode assembly may be manufactured using a method known to those skilled in the art. For example, various methods such as a decal method, a spray method, and a catalyst coated gas diffusion media (CCG) method may be used . In a specific embodiment of the present invention, a membrane-electrode assembly was produced using the CCG method, but the method of manufacturing the membrane-electrode assembly is not limited thereto.

구체적으로, 상기 막-전극 접합체의 비제한적인 제조방법은 촉매, 수소이온 전도성 고분자 및 분산매가 혼합된 촉매 슬러리를 GDL(gas diffusion layer) 위에 도포한 다음 건조하여 촉매층을 형성하는 단계; 상기 GDL 위에 형성된 촉매층을 본 발명에 따른 PAI-PTM 부직포에 전해질 용액으로 SPAES 공중합체 용액을 함침시킨 복합막의 양면에 상기 촉매층이 전해질 막을 향하도록 배향하여 적층하는 단계; 및 상기 적층체를 촉매층이 접하도록 적층한 후 고온가압하여(hot pressing) 막-전극 접합체를 형성하는 단계를 포함하는 방법일 수 있다.
Specifically, a non-limiting method for preparing the membrane-electrode assembly includes: applying a catalyst slurry in which a catalyst, a proton conductive polymer, and a dispersion medium are mixed on a gas diffusion layer (GDL), followed by drying to form a catalyst layer; Aligning the catalyst layer formed on the GDL so that the catalyst layer faces the electrolyte membrane on both sides of the composite membrane obtained by impregnating the PAI-PTM nonwoven fabric according to the present invention with an electrolyte solution of SPAES copolymer; And stacking the laminate so that the catalyst layers are in contact with each other, followed by hot pressing to form a membrane-electrode assembly.

나아가, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 막-전극 접합체를 구비한 연료전지를 제공한다.Furthermore, the present invention provides a fuel cell having the membrane-electrode assembly according to the present invention.

연료전지는 산소와의 또는 다른 산화제와의 화학적 반응을 통해 연료로부터의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 장치이다. 상기 연료전지는 연료물질의 산화에 의해 수소이온 및 전자를 생산하는 연료극(양극), 수소이온 및 전자와의 반응에 의한 산소 또는 다른 산화제(oxidizing agent)의 환원이 일어나는 공기극(음극) 및 연료극으로부터 공기극으로 수소이온을 효율적으로 전달할 수 있는 전해질 층을 포함한다. 상기 연료전지에서 수소이온과 전자는 각각 전해질 층과 전기적으로 연결된 외부 회로를 통해 연료극으로부터 공기극으로 이동한다. 상기 연료전지는 연료로서 수소, 탄화수소, 알코올(메탄올, 에탄올 등) 등을 이용할 수 있으며, 산화제로는 산소, 공기, 염소, 이산화염소 등을 이용할 수 있다.Fuel cells are devices that convert chemical energy from fuel into electrical energy through chemical reaction with oxygen or other oxidants. The fuel cell includes a fuel electrode (anode) that produces hydrogen ions and electrons by oxidation of a fuel material, an anode (cathode) where reduction of oxygen or other oxidizing agent by hydrogen ion and reaction with electrons occurs, And an electrolyte layer capable of efficiently transferring hydrogen ions to the air electrode. In the fuel cell, hydrogen ions and electrons move from the fuel electrode to the air electrode through an external circuit electrically connected to the electrolyte layer, respectively. The fuel cell may use hydrogen, hydrocarbon, alcohol (methanol, ethanol, etc.) as the fuel, and oxygen, air, chlorine, chlorine dioxide, or the like may be used as the oxidizing agent.

연료전지는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 알코올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell) 및 직접 에탄올 연료전지(DEFC; Direct Ethanol Fuel Cell), 알칼라인 연료전지(AFC; Alkaline Fuel Cell), 인산 연료전지(PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell) 및 고체산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell)로 구분될 수 있다. 이중 고분자 전해질 연료전지, 직접 메탄올 연료전지 및 직접 에탄올 연료전지는 다른 연료전지에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 작동가능하며, 1 내지 10 kW 수준의 용량으로 발전이 가능하다. 또한 소형화할 수 있으므로 적층하여 출력을 향상시킬 수 있고, 휴대하기 용이하므로 노트북용으로 또는 보조전원장치로서 유용하게 사용될 수 있다. 이에 따라 단위전지의 부피를 줄이기 위하여 상기 연료극과 공기극 사이에 이온전도성 고분자를 이용하여 제조한 전해질 막을 샌드위치 형태로 위치시키고 압착하여 연료극-전해질 막-공기극이 접합체를 이루는 막-전극 접합체의 형태로 제조하여 전지를 구성할 수 있다. 상기 막-전극 접합체에 사용될 수 있는 전해질 막은 수소이온 전달능이 높은 반면 연료물질의 투과성은 낮아야 함은 물론, 높은 열적 안정성을 나타내어 100℃ 정도의 전지구동 조건에서도 안정적으로 이온 전도도를 나타내어야 하며, 물리적 및 화학적 내구성이 우수하여 장시간의 사용 및 산성 등의 조건에서도 분해되지 않고 안정하여야 한다.Fuel cells include polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), direct methanol fuel cell (DMFC) using alcohol as fuel, direct ethanol fuel cell (DEFC), alkaline fuel cell (AFC), Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC), Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), and Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). . Both the polymer electrolyte fuel cell, the direct methanol fuel cell and the direct ethanol fuel cell can operate at relatively low temperatures compared to other fuel cells and can be produced at capacities of 1 to 10 kW. Further, since it can be downsized, it can be stacked to improve the output, and can be usefully used for a notebook computer or an auxiliary power source device because it is easy to carry. Accordingly, in order to reduce the volume of the unit cell, an electrolyte membrane prepared by using an ion conductive polymer between the fuel electrode and the air electrode is placed in the form of a sandwich and compressed to form a membrane-electrode assembly in which a fuel electrode- electrolyte membrane- So that the battery can be constructed. The electrolyte membrane that can be used for the membrane-electrode assembly should have a high hydrogen ion transfer capacity, but not only the permeability of the fuel material should be low, but also exhibit high thermal stability and exhibit stable ion conductivity even under battery operating conditions of about 100 ° C. And chemical durability. Therefore, it should not be decomposed even under long-term use or acidic conditions.

바람직하게 상기 본 발명에 따른 막-전극 접합체를 구비한 연료전지의 비제한적인 예로는 고분자 전해질 연료전지, 직접 메탄올 연료전지 및 직접 에탄올 연료전지 등이 있다.
Preferably, the fuel cell having the membrane-electrode assembly according to the present invention may be a polymer electrolyte fuel cell, a direct methanol fuel cell, or a direct ethanol fuel cell.

본 발명에 따른 PAI 및 PTM를 일정한 비율로 혼합하고 전기 방사하여 제조한 부직포에 탄화수소계 고분자 전해질로서 SPAES50 공중합체를 함침시킨 신규한 복합막은 높은 기공율을 갖는 부직포에 상기 부직포 전반에 걸쳐 균일하게 존재하는 기공을 통하여 탄화수소계 고분자 전해질을 포함하므로 상기 고분자 전해질이 제공하는 우수한 이온전도성을 갖되 부직포 지지체에 의해 기계적 강도를 향상시킴으로써 기존의 탄화수소계 고분자 전해질 막의 단점을 극복하였으므로 고온에서 구동하는 연료전지 등에서 요구되는 우수한 기계적 물성, 치수안정성 및 내구성을 갖는 전해질 막으로 유용하게 사용될 수 있다.
The novel composite membrane obtained by impregnating a non-woven fabric prepared by mixing PAI and PTM according to the present invention with a certain ratio and electrospun is impregnated with a SPAES50 copolymer as a hydrocarbon-based polymer electrolyte. The new composite membrane is uniformly present in the nonwoven fabric having a high porosity Since the polymer electrolyte includes the hydrocarbon-based polymer electrolyte through the pores, the polymer electrolyte has excellent ionic conductivity, but by improving the mechanical strength by the non- Since the disadvantages of the existing hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane have been overcome, Can be usefully used as an electrolyte membrane having excellent mechanical properties, dimensional stability and durability required for fuel cells and the like.

도 1은 PAI/PTM 블랜드를 이용한 전기방사공정을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 SPAES 공중합체의 합성과정을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 3은 합성된 PAI/PTM 부직포(fabricated PAI/PTM nonwoven)의 (a) 저배율 및 (b) 고배율 SEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 4는 PAI/PTM 부직포의 기공 크기 분포를 나타낸 도이다.
도 5는 SPAES50 및 PAI/PTM 부직포로 구성된 복합막(composite membrane)의 이미지를 나타낸 도이다. (a)는 실물, (b)는 표면, 그리고 (c)는 단면(cross-sectional) 이미지를 나타낸다.
도 6은 나피온 212, SPAES50 및 PAI-PTM/SP50의 치수 변화를 나타낸 도이다. 면적, 두께 및 부피를 측정하여 함께 도시하였다.
도 7은 100% 상대습도 조건에서 온도에 따른 나피온 212, SPAES50 및 PAI-PTM/SP50의 양성자 전도도를 나타낸 도이다.
도 8은 나피온 212, SPAES50 및 PAI-PTM/SP50의 싱글셀 성능을 나타낸 도이다. (a)는 80℃, 100% 상대습도에서의 성능을, (b)는 OCV(open circuit voltage) 지속 테스트 시간(holding test time)에 따른 합성막의 성능 변화를 전류밀도에 대한 셀전압의 함수로 나타내었다.
도 9는 OCV 지속법을 이용한 합성막의 내구성(durability) 테스트 결과를 나타낸 도이다. (a)와 (b)는 각각 테스트 시간에 따른 OCV 변화와 수소 교차혼합(hydrogen crossover)를 나타낸다.
FIG. 1 schematically shows an electrospinning process using a PAI / PTM blend.
2 is a schematic view illustrating a process of synthesizing an SPAES copolymer.
3 shows (a) low magnification and (b) high magnification SEM images of fabricated PAI / PTM nonwoven fabric (PAI / PTM nonwoven).
4 is a graph showing the pore size distribution of the PAI / PTM nonwoven fabric.
5 shows an image of a composite membrane composed of a SPAES 50 and a PAI / PTM nonwoven fabric. (a) shows the real, (b) shows the surface, and (c) shows the cross-sectional image.
6 is a diagram showing dimensional changes of Nafion 212, SPAES 50 and PAI-PTM / SP50. Area, thickness and volume were measured and shown together.
7 is a graph showing the proton conductivity of Nafion 212, SPAES50 and PAI-PTM / SP50 according to temperature at 100% relative humidity conditions.
8 is a graph showing the single cell performance of Nafion 212, SPAES 50 and PAI-PTM / SP50. (a) shows the performance at 80 ° C and 100% relative humidity, (b) shows the performance change of the composite membrane according to OCV (open circuit voltage) holding test time as a function of cell voltage Respectively.
FIG. 9 is a diagram showing the durability test result of the synthetic membrane using the OCV sustain method. FIG. (a) and (b) show OCV changes and hydrogen crossover according to test time, respectively.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

실시예Example 1: 물질 1: substance

4,4'-디플루오로디페닐 술폰(4,4'-Difluorodiphenyl sulfone; DFDPS) 및 PAI 수지(poly(amide-co-imide) resin, Torlon® 4000T-HV)는 Solvay Advanced Polymers(USA)로부터 구입하였고, 3,3'-디술포네이티드-4,4'-디플루오로디페닐 술폰(3,3'-disulfonated-4,4'-difluorodiphenyl sulfone; SDFDPS)은 공지된 방법에 따라 합성하였다. 4,4'-비스페놀(4,4'-Bisphenol; BP, TCI) 및 DFDPS는 사용 전에 에탄올로 재결정화하였다. N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone; NMP, Junsei), 무수 톨루엔(Aldrich), 95-97% 황산(Merck), 디메틸포름아미드(dimethylformamide; DMF, Aldrich) 및 PTM 수지(poly(trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline) resin, Aldrich)는 추가적인 과정 없이 사용하였다. 무수 탄산칼륨(potassium carbonate; K2CO3, Aldrich)은 사용 전에 200℃, 진공에서 48시간 동안 건조시켰다. 전기 방사 공정을 위하여, 내경 0.60 mm, 외경 0.90 mm 및 길이 13 mm의 스테인레스 스틸 바늘(stainless steel needle, MN-21G-13, Iwashita Engineering, Japan)을 사용하였다.
4,4'-Difluorodiphenyl sulfone (DFDPS) and poly (amide-co-imide) resin, Torlon® 4000T-HV) were purchased from Solvay Advanced Polymers And 3,3'-disulfonated-4,4'-difluorodiphenyl sulfone (SDFDPS) was synthesized by a known method. 4,4'-Bisphenol (BP, TCI) and DFDPS were recrystallized with ethanol before use. N-methyl-2-pyrrolidone (NMP, Junsei), anhydrous toluene (Aldrich), 95-97% sulfuric acid (Merck), dimethylformamide (DMF, Aldrich) The resin (poly (trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline) resin, Aldrich) was used without further processing. Anhydrous potassium carbonate (K 2 CO 3 , Aldrich) was dried in a vacuum at 200 ° C. for 48 hours before use. A stainless steel needle (MN-21G-13, Iwashita Engineering, Japan) having an inner diameter of 0.60 mm, an outer diameter of 0.90 mm and a length of 13 mm was used for the electrospinning process.

실시예Example 2:  2: PAIPAI // PTMPTM 부직포( Non-woven( nonwovennonwoven )의 제조)

수분에 의해 수지의 가수분해를 유발할 수 있으므로, 전기 방사에 사용하기 전 PAI 수지를 건조시켰다. DMF에 용해시켜 PAI와 PTM 수지의 혼합 용액(동일 중량비)을 준비하였다. 도 1에 나타난 바와 같이, 적용된 전기장(applied electric field)으로부터 비롯되는 인장력(tensile force)에 의해 실린지로부터 PAI-PTM 용액을 방출하였다. 전기 방사된 섬유를 원통형 드럼 수집기(cylindrical drum collector) 상에 모았다. 전기 전압은 10 kV였으며, 용액을 일정한 처리량(constant throughput)으로 공급하기 위하여 실린지 펌프(KD Scientific-100, USA)를 사용하였다. 노즐 팁으로부터 수집기까지의 거리는 10 cm로 고정하였다. 형성된 PAI-PTM 부직포는 290℃에서 1시간 동안 양생하여 이미드화(imidization) 또는 고리화(cyclization) 반응에 의해 최대 물리적 성질을 향상시켰다.
Since the hydrolysis of the resin may be caused by moisture, the PAI resin was dried before being used for electrospinning. DMF to prepare a mixed solution (equal weight ratio) of PAI and PTM resin. As shown in Figure 1, the PAI-PTM solution was released from the syringe by a tensile force resulting from the applied electric field. Electrospun fibers were collected on a cylindrical drum collector. The electrical voltage was 10 kV and a syringe pump (KD Scientific-100, USA) was used to deliver the solution at a constant throughput. The distance from the nozzle tip to the collector was fixed at 10 cm. The formed PAI-PTM nonwoven fabric was cured at 290 ° C for 1 hour to improve the maximum physical properties by imidization or cyclization.

실시예Example 3: 막의 제조 3: Preparation of membrane

기계적 교반기를 구비한 4구 플라스크에서 SDFDPS, DFDPS 및 BP을 사용하여 SPAES50을 공지된 방법으로 합성하였다. 도 2에는 복합막(composite membrane) 제조를 위한 이오노머(ionomer)로서 사용되는 고분자의 합성 방법을 개략적으로 나타내었다. NMP 용매(N-methyl-2-pyrrolidone; 7 중량%)를 사용하여 유리판 상에 주조하고 60℃에서 12시간 그리고 80℃에서 12시간 동안 질소분위기에서 건조시켜 오염되지 않은 막(pristine membrane)을 제조하였다. 복합막을 제공하기 위하여, PAI-PTM 부직포를 철골(steel frame) 내에 위치시키고 클립으로 고정하였다. 이후, SPAES50 용액(10 중량%)을 PAI-PTM 기질(substrate) 상에 붓으로 발라(brushed) 부직포의 기공에 고르게 채워지도록 하였고, 적외선 램프를 사용하여 80℃에서 20분 동안 건조시켰다. 복합막의 두께가 약 30 μm가 될 때까지, PAI-PTM 부직포의 윗면과 바닥에서 상기 함침과정(impregnating process)을 반복하였다. 잔존하는 용매를 완전히 제거하기 위하여, 제조된 막을 80℃에서 밤새도록 진공에서 건조하였다. 마지막으로, 막을 24시간 동안 1.5 M 황산에서 산성화하고, 탈이온수로 실온에서 24시간 동안 세척하였다.
SPAES50 was synthesized by a known method using SDFDPS, DFDPS and BP in a four-necked flask equipped with a mechanical stirrer. FIG. 2 schematically shows a method of synthesizing a polymer used as an ionomer for preparing a composite membrane. The mixture was cast on a glass plate using NMP solvent (N-methyl-2-pyrrolidone; 7 wt%) and dried in a nitrogen atmosphere at 60 ° C for 12 hours and at 80 ° C for 12 hours to prepare a pristine membrane Respectively. To provide a composite membrane, the PAI-PTM nonwoven fabric was placed in a steel frame and secured with a clip. SPAES 50 solution (10 wt%) was then evenly filled into the pores of the brushed nonwoven with a brush on a PAI-PTM substrate and dried at 80 ° C for 20 minutes using an infrared lamp. The impregnating process was repeated on the top and bottom of the PAI-PTM nonwoven fabric until the composite membrane had a thickness of about 30 μm. To completely remove the remaining solvent, the prepared membrane was dried in vacuo overnight at < RTI ID = 0.0 > 80 C. < / RTI > Finally, the membrane was acidified with 1.5 M sulfuric acid for 24 hours and washed with deionized water for 24 hours at room temperature.

실시예Example 4: 막의 특성분석 4: Characterization of membranes

고차적 모세관 유동 공극측정기(advanced capillary flow porometer, ACFP-1500AE, 갈윅(Galwick) 용액을 사용하는 젖음/건조법(wet up/dry up method))를 사용하여 PAI-PTM 부직포의 기공 크기 분포를 측정하였다. 물에서 측정한 젖은 막과 120℃에서 밤새도록 진공 건조 후 측정한 건조 막 간의 부피 및 질량의 차이에 의해 수치 변화(dimensional change; 면적, 두께 및 부피)를 결정하였다. 물질 테스팅 기기(LLOYD instrument LR5K)를 사용하여 실온에서 10 mm/min의 크로스헤드 속도(crosshead speed)로 PAI-PTM 섬유 및 부직포의 기계적 성질을 확인하였다. 주사전자현미경(SEM, XL-30S FEG, Philips)을 이용하여 PAI-PTM 부직포 및 복합막의 표면 및 단면 이미지를 관찰하였다. SEM 이미지 처리에 앞서, 스퍼터 코팅 기기(sputter coating machine, Sputter Coater, Q150T ES, Quorumtech, USA)를 사용하여 표본을 진공에서 2분 동안 백금으로 코팅하였다.The pore size distribution of the PAI-PTM nonwoven fabric was measured using a high-order capillary flow porometer (ACFP-1500AE, wet / dry up method using Galwick solution). The dimensional changes (area, thickness, and volume) were determined by the difference in volume and mass between the wet film measured in water and the dry film measured after vacuum drying at 120 ° C overnight. Mechanical properties of PAI-PTM fiber and nonwoven fabric were confirmed using a material testing machine (LLOYD instrument LR5K) at a crosshead speed of 10 mm / min at room temperature. Surface and cross-sectional images of PAI-PTM nonwoven fabric and composite membrane were observed using a scanning electron microscope (SEM, XL-30S FEG, Philips). Prior to SEM image processing, the specimens were coated with platinum for 2 minutes under vacuum using a sputter coating machine (Sputter Coater, Q150T ES, Quorumtech, USA).

완전히 수화된 상태에서 4-탐침 전도도 셀을 사용하여 0.1 Hz 내지 20 kHz의 주파수 범위에 걸쳐 평면 내 방향(in-plane direction)으로 온도를 변화(25℃로부터 80 ℃까지)시키면서 AC 임피던스 분석기(Solartron 1280, Impedance/gain phase analyzer)로 막의 양성자 전도도를 측정하였다. 평형 시간은 매 측정 전 온도 챔버(ESPEC, SH-241)에서 1시간으로 하였다. 하기 수식 (1)을 이용하여 양성자 전도도를 계산하였다:In a fully hydrated state, the temperature was changed in an in-plane direction (from 25 ° C to 80 ° C) over a frequency range of 0.1 Hz to 20 kHz using a four-probe conductivity cell while using an AC impedance analyzer 1280, Impedance / gain phase analyzer) to measure the proton conductivity of the membrane. The equilibration time was 1 hour in the temperature chamber (ESPEC, SH-241) before each measurement. The proton conductivity was calculated using the following equation (1): < EMI ID =

양성자 전도도(S/cm) = l / R × S (1)Proton Conductivity (S / cm) = l / R x S (1)

상기 l은 전극 간의 거리, R은 전기화학적 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy; EIS) 곡선(x축 = 실수부(Z'), y축 = 허수부(Z'')에서 x축 절편 값을 이용하여 계산한 막의 저항(resistance), 그리고 S는 막의 단면적(cross-sectional surface area)이다.1 is a distance between electrodes, R is an electrochemical impedance spectroscopy (EIS) curve (x axis = real part (Z '), y axis = imaginary part (Z' The resistance of the calculated film, and S is the cross-sectional surface area.

싱글 셀 성능을 평가하기 위하여, Pt/C 및 나피온 바인더(50 중량% Pt/C, 0.4 mg Pt/cm2, FuelCellPower Inc.)로 코팅된 기체확산층(gas-diffusion layers)과 함께 막전극접합체(membrane electrode assemblies; MEA)를 제조하였다. 양극(cathode) 및 음극(anode)으로 전극을 적용하였으며, 전극의 활성표면적은 5 cm2였다. 상기 제조한 막전극접합체를 음극에서 수소(240 sccm)로, 양극에서 공기(600 sccm)로 80℃에서 24시간 동안 활성화하였다. 활성화한 후, 테스트 스테이션(FCT-TS300, Fuel Cell Technologies, Inc.)을 사용하여 막전극접합체를 배압(backpressure) 0, 80℃, 상대습도 100%에서 25초 당 50 mV의 단계적 변화로 1.0 V로부터 0.5 V까지 순환에 의해 전기화학적으로 평가하였다. 양극으로 10분간 질소 퍼징(purging) 후 DC 전원장치(DC power supply; Agilent N5744A) 수소 교차혼합도(degree of hydrogen crossover)를 측정하였다. 양극 및 음극 상에 각각 작업전극(working electrode) 및 기준전극(reference electrode)을 제작하였다. 이후 100 ms 당 1 mV의 단계적으로 변화시키면서 0.15 내지 0.5 V의 전위를 싱글 셀에 적용하였다. 음극으로부터 막을 통과한 수소가 양극에서 산화하면서 발생하는 전류를 기록하였다.
In order to evaluate the performance of a single cell, Pt / C, and Nafion binder (50 wt% Pt / C, 0.4 mg Pt / cm 2, FuelCellPower Inc.) with a gas diffusion layer (gas-diffusion layers) coated with a membrane electrode assembly (membrane electrode assemblies; MEA) were prepared. The electrode was applied to the cathode and the anode, and the active surface area of the electrode was 5 cm 2 . The prepared membrane electrode assembly was activated with hydrogen (240 sccm) at the cathode and air (600 sccm) at the anode at 80 ° C for 24 hours. After activation, the membrane electrode assembly was subjected to a backpressure at 0, 80 ° C and 100% relative humidity using a test station (FCT-TS300, Fuel Cell Technologies, Inc.) with a step change of 50 mV / To < RTI ID = 0.0 > 0.5 < / RTI > The hydrogen crossover of the DC power supply (Agilent N5744A) was measured after nitrogen purging for 10 minutes with an anode. A working electrode and a reference electrode were respectively fabricated on the anode and the cathode. Thereafter, a potential of 0.15 to 0.5 V was applied to the single cell while changing stepwise by 1 mV per 100 ms. The current generated as the hydrogen passing through the membrane from the cathode was oxidized at the anode was recorded.

실험예Experimental Example 1:  One: PAIPAI -- PTMPTM 부직포의 특성 분석 Characterization of nonwoven fabric

먼저, PAI-PTM 부직포의 형태학적 분석을 위해 SEM으로 측정하였다. 도 3a 및 b에는 각각 PAI-PTM 부직포의 저배율 및 고배율 이미지를 나타내었다. 이로부터 섬유가 성공적으로 생성되었음을 확인하였다(부직포 두께 = 20 ± 2 μm). PAI-PTM 부직포에서 섬유의 평균 직경은 1500 내지 1800 nm로 결정되었으며, 각 섬유는 일정한 직경을 갖는 것을 확인하였다. 나아가, PAI-PTM 부직포의 평균 기공 크기는 약 17.5 μm로 측정되었으며, 도 4에 나타난 바와 같이, 기공은 대부분 10 μm로부터 30 μm 범위에 분포하였다. 질량과 부피를 고려하여 계산한 PAI-PTM 부직포의 다공성(porosity)은 85%였다. 이러한 결과로부터, 복합막의 기재로 사용하기 위하여 PAI-PTM 부직포에 기공 구조를 발달시켰다. 이러한 다공성 기재의 기계적 성질을 확인하기 위하여, 실온에서 PAI-PTM 섬유 및 부직포의 인장시험을 수행하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.First, it was measured by SEM for morphological analysis of PAI-PTM nonwoven fabric. 3A and 3B show the low magnification and high magnification images of the PAI-PTM nonwoven fabric, respectively. From this it was confirmed that the fibers were successfully produced (non-woven fabric thickness = 20 ± 2 μm). The average diameter of the fibers in the PAI-PTM nonwoven fabric was determined to be 1500 to 1800 nm, and it was confirmed that each fiber had a constant diameter. Further, the average pore size of the PAI-PTM nonwoven fabric was measured to be about 17.5 μm. As shown in FIG. 4, the pore size was mostly in the range of 10 μm to 30 μm. The porosity of the PAI-PTM nonwoven fabric, calculated in terms of mass and volume, was 85%. From these results, pore structure was developed in PAI-PTM nonwoven fabric for use as a substrate of composite membrane. In order to confirm the mechanical properties of such a porous substrate, tensile tests of PAI-PTM fibers and nonwoven fabric were performed at room temperature and the results are shown in Table 1.

시료sample 영률
(Young's modulus/MPa)
Young's modulus
(Young's modulus / MPa)
인장강도
(tensile strenth/MPa)
The tensile strength
(tensile strenth / MPa)
신장률
(elongation at break/%)
Elongation
(elongation at break /%)
PAI/PTM 섬유PAI / PTM fiber 4219.84219.8 176.1176.1 13.213.2 PAI/PTM 부직포PAI / PTM nonwoven fabric 259.1259.1 13.113.1 28.928.9

섬유는 물에 의한 이오노머의 팽윤을 억제하므로 부직포에서 섬유의 영률(Young’s modulus) 및 인장강도(tensile strength)는 막의 수치 안정성(dimensional stability)에 있어서 중요한 인자(factor)이다. PAI-PTM 섬유는 SPAES50과 비교하여 현저히 더 높은 영률 및 인장강도(4219.8 MPa and 176.1 MPa)를 나타냄을 확인하였다. 그러나, 이러한 기계적 성질은 기공구조와 수직으로, 일정하게 배열되지 않은 PAI-PTM 섬유로 인해 PAI-PTM 부직포에서 현저히 감소하였다. 그럼에도 불구하고, PAI-PTM 부직포의 영률 및 인장강도는 복합막에서 기재로 사용하기에 적합한 수치를 가짐을 확인하였다(259.1 MPa 및 13.1 MPa).
Since the fibers inhibit the swelling of the ionomer by water, the Young's modulus and tensile strength of the fibers in the nonwoven fabric are important factors in the dimensional stability of the membrane. PAI-PTM fibers exhibited significantly higher Young's modulus and tensile strength (4219.8 MPa and 176.1 MPa) compared to SPAES50. However, such mechanical properties were significantly reduced in the PAI-PTM nonwoven fabric due to the PAI-PTM fibers not aligned regularly, perpendicular to the pore structure. Nevertheless, it has been confirmed that the Young's modulus and tensile strength of the PAI-PTM nonwoven fabric have values suitable for use as substrates in composite membranes (259.1 MPa and 13.1 MPa).

실험예Experimental Example 2: 제조된  2: 복합막의Composite membrane 형태 및 치수 안정성 Shape and dimensional stability

상기 실시예 3에 따라, PAI-PTM 부직포와 SPAES50을 이용하여 제조한 복합막(이하, PAI-PTM/SP50로 표기)의 형태 및 치수 안정성을 확인하였다. 먼저, SEM으로 제조된 복합막의 표면과 단면의 이미지를 획득하여 도 5에 나타내었다. 복합막은 PAI-PTM 부직포로 인해 어두운 노란색을 띠었다(도 5a). 도 5b 및 5c에 나타난 바와 같이, 복합막의 표면 및 단면 형태로부터 SPAES50 공중합체가 PAI-PTM 부직포의 기공에 성공적으로 채워졌음을 확인할 수 있었다. 복합막의 두께는 35 μm로 조절하였다. 또한 일련의 복합막을 제조하여 치수 변화를 측정하여 도 6에 나타내었다. 도 6에는 나피온 212, SPAES50 및 PAI-PTM/SP50의 면적, 두께 및 부피로 세분화된 치수 변화(dimensional change)를 나타내었다. SPAES50은 나피온 212와 비교하여 높은 치수 변화를 나타내었으나, PAI-PTM/SP50에서는 다섬유성 기재(multi-fibrous substrate)로 인해 그 값이 107 부피%로부터 80 부피%로 감소하였다. 특히, 45% 감소가 나타난 면적에 기초한 변화(area-based variation)에서 현저한 변화가 발생하였다. 면적에 기초한 변화의 이러한 감소는 다양한 습도 조건에서 구동시 막의 기계적 불량을 방지함으로써 내구성(durability)을 향상시킬 수 있다. 한편, 두께에 기초한 변화(thickness-based variation)는 면적 방향에서 팽윤을 억제하는 PAI-PTM 부직포에 의한 두께 방향에서 팽윤력(swelling force)의 증가로 인해 PAI-PTM/SP50에서 다소 증가하였다.
According to Example 3, the shape and dimensional stability of the composite membrane (hereinafter referred to as PAI-PTM / SP50) prepared using PAI-PTM nonwoven fabric and SPAES50 were confirmed. First, images of the surface and cross-section of the composite membrane prepared by SEM were obtained and shown in FIG. The composite membrane was dark yellow due to the PAI-PTM nonwoven (Fig. 5A). As shown in Figures 5b and 5c, it was confirmed from the surface and cross-sectional shapes of the composite membrane that the SPAES50 copolymer was successfully filled into the pores of the PAI-PTM nonwoven fabric. The thickness of the composite membrane was adjusted to 35 μm. A series of composite membranes were prepared and the dimensional changes were measured and are shown in FIG. FIG. 6 shows dimensional changes in the area, thickness and volume of Nafion 212, SPAES 50 and PAI-PTM / SP50. SPAES50 exhibited a higher dimensional change compared to Nafion 212, but in PAI-PTM / SP50 the value decreased from 107 vol.% To 80 vol.% Due to the multi-fibrous substrate. In particular, a significant change occurred in area-based variation where a 45% reduction occurred. This reduction in area based variation can improve durability by preventing mechanical failure of the membrane during operation under various humidity conditions. On the other hand, the thickness-based variation was somewhat increased in PAI-PTM / SP50 due to the increase in the swelling force in the thickness direction by the PAI-PTM nonwoven fabric inhibiting swelling in the area direction.

실험예Experimental Example 3: 제조된  3: 복합막의Composite membrane 전기화학적 특성 분석 Electrochemical characterization

막의 양성자 전도도를 완전히 수화된 조건에서(under fully hydrated conditions) 온도를 변화시키면서 전기화학적 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy; EIS)을 사용하여 확인하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 실험에 사용한 모든 막은 25℃로부터 80℃까지 온도가 증가함에 따라 양성자 전도도가 증가하였다. SPAES50의 양성자 전도도(0.080 S/cm 및 0.170 S/cm 각각 25℃ 및 80℃/100% RH)는 나피온 212(0.082 S/cm 및 0.164 S/cm)와 유사한 경향을 나타내었으나, PAI-PTM/SP50(0.061 S/cm 및 0.110 S/cm)은 모든 측정 온도에서SPAES50와 비교하여 더 낮은 양성자 전도도를 나타내었다. 이와 같이 PAI-PTM/SP50의 더 낮은 양성자 전도도는 양성자를 수송할 수 없는 PAI-PTM 부직포의 존재에 기인하는 것으로 유추할 수 있다. 따라서, 복합막에서 PAI-PTM 부직포의 비율이 증가함에 따라, 양성자 수송능(proton transport capability)은 감소하였다. 이는 복합막의 양성자 전도도의 감소 수준은 부직포의 다공성에 의해 결정될 수 있음을 의미한다.The proton conductivity of the membrane was confirmed using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) under varying temperature under fully hydrated conditions and the results are shown in FIG. All membranes used in the experiment increased the proton conductivity as the temperature increased from 25 ℃ to 80 ℃. The proton conductivities of SPAES50 (0.080 S / cm and 0.170 S / cm respectively at 25 ° C and 80 ° C / 100% RH) were similar to those of Nafion 212 (0.082 S / cm and 0.164 S / cm) / SP50 (0.061 S / cm and 0.110 S / cm) showed lower proton conductivity compared to SPAES50 at all measured temperatures. Thus, the lower proton conductivity of PAI-PTM / SP50 can be deduced to be due to the presence of PAI-PTM nonwoven which can not transport protons. Therefore, as the ratio of PAI-PTM nonwoven fabric in the composite membrane increased, the proton transport capability decreased. This means that the level of reduction of the proton conductivity of the composite membrane can be determined by the porosity of the nonwoven fabric.

나피온 212, SPAES50 및 PAI-PTM/SP50을 이용하여 CCG법으로 막-전극 접합체를 제조하였으며, 이의 싱글 셀 성능을 확인하여 본래막(pristine membrane)과 복합막을 비교하였다. 그 결과는 도 8a에 나타내었다. 80℃, 상대습도 100%에서 PAI-PTM/SP50의 전류밀도는 0.6 V에서 SPAES50(1.12 A/cm2) 및 나피온 212(1.02 A/cm2)와 유사한 수준인 1.07 A/cm2였다. 이와 같은 PAI-PTM/SP50의 우수한 성능은 SPAES50 및 나피온 212(약 50 μm) 보다 더 얇아진 두께로 인해 양성자 경로가 좁아짐으로써 막 저항이 감소했기 때문이다. 도 8b에는 수화 상태에서 OCV(open circuit voltage) 지속 테스트 시간(holding test time)에 따른 PAI-PTM/SP50의 성능 변화를 나타내었다. 막의 화학적 내구성 측정을 위하여 수소와 산소의 확산에 의해 해로운 과산화물(peroxide)을 생성할 수 있는 OCV 지속 시험을 수행하였다. 상기 발생하는 과산화물로인해 막이 분해되며 따라서, 막의 핀홀에 의해 기체 교차혼합(gas crossover)이 발생하였다. OCV 지속 테스트 시간이 410시간을 경과하였을 때, PAI-PTM/SP50는 그 성능을 유지했다. 그러나, 746시간 후, PAI-PTM/SP50의 성능은 초기 값의 절반 수준으로 감소하였으며, OCV 수준도 ㅇ약 0.8V까지 감소하였다(도 9a). 본 발명에서는, OCV 변화를 모니터링 하였을 뿐만 아니라, 내구성 테스트를 수행하는 동안 수소 교차혼합을 관찰하였다. 수소 교차혼합은 음극에서 양극으로 막을 통한 수소기체의 확산으로, 이러한 수소 교차혼합의 발생은 막이 손상되었음을 의미한다. OCV 지속 테스트 시간에 따른 PAI-PTM/SP50의 수소 교차혼합을 도 9b에 나타내었다. PAI-PTM/SP50의 초기 수소 교차혼합 수준은 거의 인지할 수 없을 정도의 전류밀도를 나타내었다. 이는 각 전극이 막에 의해 성공적으로 분리되었음을 의미하는 바이다. 410시간 후, 초기 상태와 유사한 수소 교차혼합을 유지하였으나, PAI-PTM/SP50은 746시간 후 손상되었으며, 이때 최대 수소 교차혼합은 0.17 A/cm2였다. 이러한 수소 교차혼합 결과는 성능 및 OCV 수치와 동일한 경향을 나타내었다. 80℃에서 약 400시간의 OCV 지속법을 사용한 내구성을 갖나피온 막과 비교하여, 부직포를 사용하여 PAI-PTM/SP50은 복합막으로서 양성자 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell; PEMFC)에 사용될 수 있음을 나타낸다.
The membrane-electrode assembly was fabricated by CCG method using Nafion 212, SPAES50 and PAI-PTM / SP50, and its single cell performance was verified to compare the original membrane and the composite membrane. The results are shown in FIG. 8A. At 80 ℃, relative humidity 100% PAI-PTM / current density of SP50 is from 0.6 V SPAES50 (1.12 A / cm 2) and Nafion 212 (1.02 A / cm 2) and was similar to the level of 1.07 A / cm 2. The superior performance of this PAI-PTM / SP50 is due to the thinner thickness of the SPAES50 and Nafion 212 (about 50 μm), resulting in a narrower proton path and reduced membrane resistance. FIG. 8B shows the performance change of the PAI-PTM / SP50 according to the OCV (open circuit voltage) holding test time in the hydration state. OCV persistence tests were carried out to measure the chemical durability of membranes, which can generate harmful peroxides by diffusion of hydrogen and oxygen. The resulting peroxide decomposes the film and therefore gas crossover occurs due to the pinhole of the film. When the OCV continuous test time exceeded 410 hours, the PAI-PTM / SP50 maintained its performance. However, after 746 hours, the performance of the PAI-PTM / SP50 decreased to half of the initial value, and the OCV level also decreased to 0.8V (Fig. 9A). In the present invention, not only OCV changes were monitored, but also hydrogen cross-mixing was observed during the durability test. Hydrogen cross - mixing is the diffusion of hydrogen gas through the membrane from the cathode to the anode, and the occurrence of this hydrogen cross - mixing implies that the membrane is damaged. The hydrogen cross-mixing of PAI-PTM / SP50 with OCV duration test time is shown in Figure 9b. The initial hydrogen crossover mixing level of PAI-PTM / SP50 showed almost unrecognized current density. This means that each electrode was successfully separated by the membrane. After 410 hours, but maintaining the hydrogen cross-mixing is similar to the initial state, PAI-PTM / SP50 has been damaged after 746 hours, wherein the maximum cross-mixing of hydrogen was 0.17 A / cm 2. The results of this hydrogen cross-hybridization showed the same tendency as the performance and OCV values. PAI-PTM / SP50 can be used as a composite membrane for proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) using a nonwoven fabric, compared to the membrane of the present invention having durability using the OCV sustaining method at 80 ° C for about 400 hours. .

Claims (14)

폴리(아미드-코-이미드)(poly(amide-co-imide); PAI) 수지 및 폴리(트리멜리틱 언하이드라이드 클로라이드-코-4,4'-메틸렌디아닐린)(poly(trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline); PTM) 수지 혼합물을 포함하는 용액을 전기방사하여 제조한 PAI-PTM 부직포 및 이에 함침시킨 술폰산기를 함유하는 탄화수소계 고분자 전해질을 포함하는 연료전지용 양성자 교환막.
Poly (amide-co-imide) (PAI) resin and poly (trimellitic anhydride chloride-co-4,4'-methylenedianiline) -CO-4,4'-methylenedianiline; PTM) resin mixture, and a hydrocarbon-based polymer electrolyte containing a sulfonic acid group impregnated with the PAI-PTM nonwoven fabric.
제1항에 있어서,
상기 PAI 수지 및 PTM 수지 혼합물을 포함하는 용액의 농도는 10 내지 30 중량%인 것이 특징인 연료전지용 양성자 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the concentration of the solution containing the PAI resin and the PTM resin mixture is 10 to 30 wt%.
제1항에 있어서,
상기 PAI 수지 및 PTM 수지 혼합물은 PAI와 PTM을 4:6 내지 7:3의 중량비로 포함하는 것이 특징인 연료전지용 양성자 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the PAI resin and PTM resin mixture comprises PAI and PTM in a weight ratio of 4: 6 to 7: 3.
제1항에 있어서,
상기 PAI-PTM 부직포는 60 내지 90% 다공성(porosity)을 갖는 것이 특징인 연료전지용 양성자 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the PAI-PTM nonwoven fabric has a porosity of 60 to 90%.
제1항에 있어서,
상기 PAI-PTM 부직포는 직경 15 내지 20 μm의 기공을 갖는 것이 특징인 연료전지용 양성자 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the PAI-PTM nonwoven fabric has pores having a diameter of 15 to 20 占 퐉.
제1항에 있어서,
상기 연료전지용 양성자 교환막은 10 내지 30 μm의 두께를 갖는 것이 특징인 연료전지용 양성자 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the proton exchange membrane for a fuel cell has a thickness of 10 to 30 占 퐉.
제1항에 있어서,
상기 탄화수소계 고분자는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르 술폰)(sulfonated poly(arylene ether sulfone); SPAES) 공중합체 또는 하기 화학식 1의 고분자인 것이 특징인 연료전지용 양성자 교환막:
[화학식 1]
Figure 112016004705827-pat00002

상기 화학식에서, l, m 및 n은 각각 독립적으로 1 이상의 정수임.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrocarbon-based polymer is a sulfonated poly (arylene ether sulfone) (SPAES) copolymer or a polymer of the following formula (1):
[Chemical Formula 1]
Figure 112016004705827-pat00002

In the above formula, l, m and n are each independently an integer of 1 or more.
제7항에 있어서,
상기 탄화수소계 고분자는 40 내지 60% 술폰화도를 갖는 것이 특징인 연료전지용 양성자 교환막.
8. The method of claim 7,
Wherein the hydrocarbon-based polymer has a sulfonation degree of 40 to 60%.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 연료전지용 양성자 교환막을 제조하는 방법에 있어서,
PAI 수지 및 PTM 수지를 4:6 내지 7:3의 중량비로 포함하는 혼합 수지 용액을 준비하는 단계;
상기 용액을 전기 방사하여 부직포를 제조하는 단계; 및
술폰화기를 함유하는 탄화수소계 고분자 전해질을 상기 부직포의 양면에 발라 함침시키는 단계를 포함하는, 연료전지용 양성자 교환막의 제조방법.
9. A method of producing a proton exchange membrane for a fuel cell according to any one of claims 1 to 8,
Preparing a mixed resin solution containing a PAI resin and a PTM resin in a weight ratio of 4: 6 to 7: 3;
Preparing a nonwoven fabric by electrospinning the solution; And
And impregnating both surfaces of the nonwoven fabric with a hydrocarbon-based polymer electrolyte containing a sulfonated group, thereby producing a proton exchange membrane for a fuel cell.
제9항에 있어서,
전기 방사하여 제조한 부직포를 250 내지 400℃에서 10분 내지 3시간 동안 처리하는 단계를 추가로 포함하는, 연료전지용 양성자 교환막의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Treating the nonwoven fabric produced by electrospinning at 250 to 400 ° C for 10 minutes to 3 hours.
제9항에 있어서,
상기 탄화수소계 고분자는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르 술폰)(sulfonated poly(arylene ether sulfone); SPAES) 공중합체 또는 하기 화학식 1의 고분자인 것이 특징인 연료전지용 양성자 교환막의 제조방법:
[화학식 1]
Figure 112016004705827-pat00003

상기 화학식에서, l, m 및 n은 각각 독립적으로 1 이상의 정수임.
10. The method of claim 9,
Wherein the hydrocarbon-based polymer is a sulfonated poly (arylene ether sulfone) (SPAES) copolymer or a polymer of the following formula (1): < EMI ID =
[Chemical Formula 1]
Figure 112016004705827-pat00003

In the above formula, l, m and n are each independently an integer of 1 or more.
제11항에 있어서,
상기 탄화수소계 고분자는 40 내지 60% 술폰화도를 갖는 것이 특징인 연료전지용 양성자 교환막의 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the hydrocarbon-based polymer has a degree of sulfonation of 40 to 60%.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 연료전지용 양성자 교환막을 구비한 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly; MEA).
A membrane-electrode assembly (MEA) having a proton exchange membrane for a fuel cell according to any one of claims 1 to 8.
제13항에 기재된 막-전극 접합체를 구비한 연료전지.A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 13.
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