KR101660994B1 - 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 탄화수소계 다공성 지지체에 이온전도체 필름을 최적의 조건에서 라미네이팅시킴으로써 지지체 내부에서의 우수한 이온전도체 집적도와 두께 균일도를 가짐에 따라 우수한 기계적 강도 및 이온전도도를 가질 수 있고 품질의 신뢰성을 높일 수 있는 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 고분자 전해질막의 제조방법은, 유기용매에 대해 불용성인 탄화수소계 고분자를 포함한 다공성 지지체를 준비하는 공정; 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 물질을 포함한 이온전도체 필름을 준비하는 공정; 및 상기 다공성 지지체에 상기 이온전도체 필름을 라미네이팅하는 공정을 포함한다.

Description

연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법{Polymer Electrolyte Membrane for Fuel Cell and Method of manufacturing the same}
본 발명은 연료전지에 이용되는 전해질막 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로서 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 인해 차세대 에너지원으로 각광받고 있다.
연료전지는 일반적으로 전해질막을 사이에 두고 그 양쪽에 산화극(Anode)과 환원극(Cathode)이 각각 형성된 구조를 이루며, 이와 같은 구조를 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)라 칭한다.
연료전지는 작동온도와 전해질막의 종류에 따라 고체산화물형, 용융탄산염형, 인산형, 알칼리형, 및 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC) 등으로 구분될 수 있는데, 그 중에 고분자 전해질 연료전지는 100℃ 미만의 낮은 작동온도, 빠른 시동과 응답 특성 및 우수한 내구성 등의 장점으로 인하여 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다.
이와 같은 고분자 전해질 연료전지의 대표적인 예로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC) 등을 들 수 있다.
현재 사용되고 있는 고분자 전해질막으로는 불소계 수지로서 퍼플루오로설폰산 수지(이하 '불소계 이온전도체'라 함)가 있다. 연료전지의 성능을 높이기 위해 불소계 이온전도체의 막 두께를 얇게 하면 막의 기계적 강도가 저하되어 장시간 사용하게 되면 핀홀(pinhole)이 발생하고 그로 인해 에너지 전환효율이 떨어지는 문제가 있다. 기계적 강도를 고려하여 불소계 이온전도체의 막 두께를 증가시키려는 시도가 있지만 이 경우는 저항손실이 증가하고 또한 고가인 이온전도체의 사용이 증가되어 경제성이 떨어지는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 불소계 수지인 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 수지(이하 '테프론 수지'라 한다)에 액체 상태의 불소계 이온전도체를 함침시킴으로써 기계적 강도를 향상시킨 고분자 전해질막이 제안된 바 있다.
그러나, 테프론 수지는 접착성이 매우 낮기 때문에 이온전도체 선택이 한정되어 있고, 가격이 비교적 고가이기 때문에 여전히 경제성이 떨어지는 문제가 있다. 또한, 불소계 이온전도체막을 사용한 연료전지는 운전 중 생성된 라디칼의 공격에 취약하여 고분자 주쇄의 불소기 유실로 인한 이온전도체의 열화 현상 때문에 화학적 안정성이 저하되는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 기계적 물성이 우수한 탄화수소계 지지체에 이온전도도와 화학적 안정성이 우수한 탄화수소계 이온전도체를 함침시킴으로써 기계적 강도 및 치수안정성이 우수하고 제조비용 측면에서 경제성을 갖는 탄화수소계 전해질 강화복합막이 개발되고 있다.
탄화수소계 전해질 강화복합막은 나노웹 형태의 지지체에 이온전도체 용액을 함침시킨 후 용매를 제거함으로써 제조된다. 이때, 용매의 증발에 의해, 표면과 내부에 결함(defects)이 발생하고, 이온전도체의 함침성과 두께의 균일도가 저하되며, 연료전지의 운전/정지시 발생되는 습윤/건조 사이클에 따른 고분자 전해질막의 팽윤/수축 반복으로 인해 기계적 강도가 저하되어 장기적 내구성이 악화되는 등 품질의 신뢰성이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은, 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 탄화수소계 다공성 지지체에 이온전도체 필름을 최적의 조건에서 라미네이팅(laminating)시킴으로써 함침성이 증가하여 두께에 의한 저항을 감소시킨 막을 얻을 수 있고, 균일한 두께를 가짐에 따라 우수한 기계적 강도, 치수안정성 및 이온전도도를 가질 수 있고, 미리 만들어진 이온전도체 필름을 함침시키기 때문에 용매 증발시 발생할 수 있는 막 표면과 내부의 결함 생성을 최소화함으로써, 연료전지 적용시 결함으로 인해 야기될 수 있는 연료의 크로스오버(cross-over) 현상, 막저항 증가로 인한 이온전도도 감소, 및 고분자 전해질막의 팽윤/수축으로 인한 기계적 강도 저하를 방지하여 품질의 신뢰성을 높일 수 있는 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 측면으로서, 유기용매에 대해 불용성인 탄화수소계 고분자를 포함한 다공성 지지체를 준비하는 공정; 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 물질을 포함한 이온전도체 필름을 준비하는 공정; 및 라미네이팅 방법을 이용하여 상기 다공성 지지체에 상기 이온전도체 필름을 접착시키는 공정을 포함하는 고분자 전해질막의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 측면으로서, 유기용매에 불용성인 탄화수소계 고분자를 포함하는 다공성 지지체; 및 상기 다공성 지지체와 접착되고 상기 유기용매에 용해성인 탄화수소계 고분자를 포함하는 이온전도체층을 포함하는 고분자 전해질막이 제공된다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 따른 고분자 전해질막은 라미네이팅 방법에 의해 제조됨에 따라 표면이 매끄러운 외관과 균일한 두께를 가질 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 고분자 전해질막은 최적의 조건에서 제조됨에 따라 표면과 내부에 결함이 없어서 우수한 이온전도도, 치수안정성 및 기계적 강도를 가지며, 우수한 접착성을 가짐으로써 장시간 사용하더라도 팽윤/건조시 물성의 저하를 방지할 수 있다.
이와 같은 특성을 갖는 고분자 전해질막은 연료전지 등 다양한 분야에 활용가능하다.
도 1은 실시예 및 비교예에 의해 각각 제조된 고분자 전해질막들의 인장강도를 나타내는 그래프이고,
도 2는 고분자 전해질막의 전도도 측정방법을 설명하기 위한 개략도이고,
도 3는 실시예 및 비교예에 의해 각각 제조된 고분자 전해질막들의 상대습도별 전도도를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고분자 전해질막에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 고분자 전해질막은 유기용매에 대해 불용성인 탄화수소계 고분자를 포함한 다공성 지지체로 이루어져 있다.
상기 다공성 지지체는 고분자 전해질막의 기계적 강도를 증진시키고 수분에 의한 부피팽창을 억제함으로써 치수안정성을 증진시키는 역할을 수행한다.
상기 다공성 지지체는 가격면에서도 경제적인 탄화수소계 고분자를 포함하고, 내화학성을 향상시키기 위해 유기용매에 대해 불용성인 탄화수소계 고분자를 포함하여 이루어진다.
상기 다공성 지지체로 이용할 수 있는 탄화수소계 고분자로는 나일론(Nylon), 폴리이미드(Polyimide), 폴리벤즈옥사졸(Polybenzoxazole), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephtalate), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 그들의 공중합체, 또는 그들의 혼합물을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 상기 폴리이미드(Polyimide) 또는 폴리벤즈옥사졸(Polybenzoxazole)은 500 ℃ 이상의 높은 융점과 우수한 기계적 강도를 가짐에 따라 고온에서 작동하는 연료전지용 전해질막 등의 분야에 적합하게 사용할 수 있다.
여기서, 유기용매에 대해 "불용성"이란 상온에서 NMP, DMF, DMA, 또는 DMSO의 유기용매에 대해 녹지 않는 특성을 의미한다.
상기 다공성 지지체는 고분자 전해질막에서 1 내지 50 중량%로 포함될 수 있다. 상기 다공성 지지체가 1 중량% 미만으로 포함될 경우는 고분자 전해질막의 기계적 강도 및 치수안정성이 떨어질 수 있고, 상기 다공성 지지체가 50 중량%를 초과하여 포함될 경우는 고분자 전해질막의 이온전도도가 떨어질 수 있다.
또한, 상기 다공성 지지체는 단섬유들이 3차원적으로 연결된 부직포 형태일 수 있다. 이러한 다공성 지지체는 50 내지 80 %의 다공도를 가질 수 있다. 상기 다공성 지지체의 다공도가 50% 미만일 경우에는 고분자 전해질막의 이온전도도가 떨어질 수 있고, 상기 다공성 지지체의 다공도가 80 %를 초과할 경우에는 고분자 전해질막의 기계적 강도 및 치수안정성이 떨어질 수 있다.
상기 다공성 지지체는 기공의 직경에 해당되는 공경이 0.05 내지 30 ㎛의 범위 내에서 형성될 수 있는데, 상기 공경이 0.05 ㎛ 미만으로 형성될 경우 고분자 전해질막의 이온전도도가 급격히 떨어질 수 있고, 상기 공경이 30 ㎛를 초과할 경우 고분자 전해질막의 기계적 강도 및 치수안정성이 떨어질 수 있다.
상기 다공성 지지체는 0.005 내지 30㎛의 직경을 갖는 단섬유를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 단섬유의 직경이 0.005 ㎛ 미만일 경우 다공성 지지체의 기계적 강도가 저하될 수 있고 상기 단섬유의 직경이 30 ㎛를 초과할 경우 다공성 지지체의 다공도 조절이 용이하지 않을 수 있다.
본 발명의 고분자 전해질막은 상기 다공성 지지체의 일 표면과 접착하고 있고 상기 유기용매에 용해성인 탄화수소계 고분자를 포함하는 이온전도체층을 포함하여 이루어진다.
상기 이온전도체층은 고분자 전해질막의 주기능인 이온전도기능을 수행하는 역할을 한다. 상기 이온전도체층은 이온전도도가 우수하고 가격면에서도 유리한 탄화수소계 고분자를 포함할 수 있다. 또한, 상기 탄화수소계 고분자는 상기 다공성 지지체와 라미네이팅시키기 위해 필름 형태를 가지는데, 이러한 필름을 보다 용이하게 제조하기 위해 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 고분자를 포함할 수 있다.
이와 같은 물성을 만족하는 이온전도체층의 형성에 사용할 수 있는 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 고분자는 술폰네이트 폴리이미드(sulfonated polyimide: S-PI), 술폰네이트 폴리아릴이서술폰(sulfonated polyarylethersulfone: S-PAES), 술폰네이트 폴리이서이서케톤(sulfonated polyetheretherketone: S-PEEK), 퍼플루오로 술폰산(Perfluorosulfonic acid: PFSA), 술포네이트 폴리벤즈이미다졸(sulfonated polybenzimidazole: S-PBI), 술포네이트 폴리술폰(sulfonated polysulfone: S-PSU), 술포네이트 폴리스티렌(sulfonated polystyrene: S-PS), 술포네이트 폴리포스파젠(sulfonated polyphosphazene) 또는 그들의 혼합물을 포함할 수 있는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 유기용매에 대해 "용해성"이란 상온에서 상기 유기용매에 녹는 특성을 의미한다.
이와 같이 다공성 지지체에 이온전도체가 라미네이팅되어 있는 고분자 전해질막은 5 % 이하의 두께 불균일도를 가질 수 있다. 상기 두께 불균일도는 평균 두께에 대한 두께 표준편차의 비율로서, 수치가 클수록 두께의 편차가 큼을 의미한다. 상기 고분자 전해질막은 5 % 이하의 두께 불균일도를 가짐에 따라 전체적으로 균일한 두께를 형성하고 있다. 이와 같이 균일한 두께를 갖는 고분자 전해질막은 기계적 강도 및 이온전도도가 우수하고 품질의 신뢰성이 향상되며 집적도를 높임으로써 제품 효율을 극대화시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질막의 제조방법에 대해서 설명하기로 한다. 전술한 바와 동일한 부분에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
우선, 유기용매에 대해 불용성인 탄화수소계 고분자를 포함한 다공성 지지체를 준비하고, 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 고분자를 포함한 이온전도체 필름을 준비한다.
상기 다공성 지지체와 상기 이온전도체 필름 준비 공정 사이에 특별한 공정순서가 있는 것은 아니다.
상기 다공성 지지체는 유기용매에 대해 불용성인 탄화수소계 고분자를 포함하기 때문에, 유기용매에 용해하지 않고 제조하거나 또는 다공성 전구체를 형성한 후 소정의 후처리를 통해 제조할 수 있다.
일 예로, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지를 유기용매에 용해하지 않고 열을 부여하여 용융시켜 방사액을 만든 후 이를 방사 구금을 통해 방사시켜 단섬유를 형성하고 형성된 단섬유들을 집적시켜 다공성 지지체가 제조될 수 있다.
다른 예로, 유기용매에 용해성인 전구체를 포함하는 방사용액을 제조하고 상기 방사용액을 전기방사하여 전구체 나노 웹을 제조한 후 유기용매에 불용성인 나노 웹을 얻기 위해 상기 전구체 나노 웹을 후처리하여 다공성 지지체가 제조될 수 있다. 보다 구체적인 예로는, 폴리이미드로 이루어진 다공성 지지체는 폴리아믹애시드(Polyamicacid)를 유기용매에 녹인 방사용액을 고압이 인가된 상태에서 전기방사하여 단섬유를 형성하고 형성된 단섬유들을 콜렉터(collector)에 적층시켜 전구체 나노 웹을 제조한 후 상기 전구체 나노 웹을 200 ℃ 이상의 온도에서 가압하는 공정을 수행함으로써 이미드화 반응을 통해 제조할 수 있다.
다음, 이온전도체 필름을 준비한다. 상기 이온전도체 필름은 유기용매에 용해성인 탄화수소계 이온전도체를 유기용매에 녹여 이온전도체 용액을 제조한 후 이를 박막화함으로써 얻어질 수 있다. 이와 같이 제조된 이온전도체 필름은 균일한 두께를 가지게 된다.
다음, 라미네이팅 방법을 이용하여 상기 다공성 지지체에 상기 이온전도체 필름을 접착시킨다.
고분자 전해질막이 우수한 이온전도도를 갖고 이러한 이온전도도를 장시간 유지시키기 위해서는 상기 다공성 지지체와 상기 이온전도체층이 강하게 접착하고 있어야 한다. 즉, 상기 고분자 전해질막은 상기 다공성 지지체와 상기 이온전도체층 사이의 박리 강도가 우수해야 한다.
이를 위해, 상기 라미네이팅 공정은 상기 이온전도체 필름의 융점 범위 내의 온도에서 수행될 수 있다. 만일, 상기 라미네이팅 온도가 상기 이온전도체 필름의 용융온도 미만일 경우 상기 이온전도체 필름이 유동성이 떨어짐으로써 이온전도체가 상기 다공성 지지체 내로 원활하게 침투하지 못함에 따라 상기 다공성 지지체와 상기 이온전도체층 사이의 접착력이 낮아질 수 있다. 반면, 상기 라미네이팅 온도가 상기 이온전도체 필름의 융점을 초과할 경우 상기 이온전도체 필름이 녹아서 흐름에 따라 균일한 두께를 갖는 고분자 전해질막의 제조가 곤란할 수 있다.
상기 고분자 전해질막의 이온전도체는 상기 라미네이팅 공정 후 분자사슬의 관능기 내에 포함된 황 원소의 함량이 상기 라미네이팅 공정 전 황 원소 함량 대비 95 % 이상을 유지할 수 있다. 즉, 상기 이온전도체는 상기 라미네이팅 공정 전후의 황 원소 함량 유지율이 95 % 이상일 수 있다. 이와 같이 상기 이온전도체가 95 % 이상의 황 원소 함량 유지율을 가질 경우 제조 공정 중 관능기의 손실이 적기 때문에 상기 고분자 전해질막은 우수한 이온전도도를 가질 수 있게 된다.
상기 이온전도체가 95 % 이상의 황 원소 함량 유지율을 가지기 위해서는 황산 기가 분자사슬로부터 이탈되는 온도 이하에서 라미네이팅이 수행되어야 한다. 또한, 상기 이온전도체가 95 % 이상의 황 원소 함량 유지율을 가지기 위해서 라미네이팅 시 과도하지 않은 범위 내에서 가압처리 시간을 설정할 수 있다.
상술한 바와 같이 제조된 상기 고분자 전해질막은 5 % 이하의 두께 불균일도를 가질 수 있게 된다.
이러한 우수한 두께 균일도를 갖고 접착력이 강한 상기 고분자 전해질막은 기계적 강도 및 이온전도도가 우수함에 따라 연료전지 등 다양한 분야에 이용가능하다.
이하, 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이므로 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 안 된다.
실시예
농도가 12 중량%인 폴리아믹애시드/THF 방사용액을 25 ℃에서 스프레이 젯 노즐에서 30 ㎸의 전압이 인가된 상태에서 전기방사한 후 폴리아믹애시드 나노 웹 전구체를 형성한 후 350 ℃의 오븐에서 5시간 동안 열처리하여 20 ㎛의 평균 두께를 갖는 폴리이미드 다공성 나노 웹을 제조하였다.
통상적인 방법으로 제조된 30 ㎛의 평균 두께를 갖는 술폰네이트 폴리이서이서케톤(sulfonated polyetheretherketone) 필름을 준비하였다.
이어서, 몰드에 상기 폴리이미드 다공성 나노 웹과 상기 술폰네이트 폴리이서이서케톤 필름을 적층한 후 180 ℃의 온도 및 1000 ㎏f/㎠의 압력이 유지된 상태에서 상기 술폰네이트 폴리이서이서케톤 필름이 투명해질 때까지 라미네이팅하여 고분자 전해질막을 제조하였다.
비교예
전술한 실시예와 동일한 방법에 의해 폴리이미드 다공성 나노 웹을 제조하였다.
N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidinone; NMP)에 술폰네이트 폴리이서이서케톤을 용해시켜 20 중량%의 이온전도체 용액을 제조하였다.
상기 이온전도체 용액에 상기 다공성 나노 웹을 침지하였는데, 구체적으로는 80 ℃에서 3회 침지 공정을 수행하였고, 이때 미세 기포 제거를 위해 감압 분위기를 1시간 가량 적용하였다. 그 후, 120 ℃로 유지된 오븐에서 3시간 건조시켜 NMP를 제거함으로써 40 ㎛의 평균 두께를 갖는 고분자 전해질막을 제조하였다.
실시예 및 비교예 들에 의해 제조된 다공성 고분자 전해질막들의 물성은 다음의 방법으로 측정하여 아래의 표 1에 나타내었다.
고분자 전해질막의 두께 불균일도(%)
일정 간격으로 배열된 20개 지점들에서 고분자 전해질막의 두께를 마이크로미터 단위의 두께 측정기를 이용하여 각각 측정하였고, 상기 20개 지점들에서의 두께들을 이용하여 고분자 전해질막의 평균두께 및 표준편차를 구하였다.
얻어진 평균두께 및 표준편차를 아래의 식 1에 적용함으로써 고분자 전해질막의 두께 불균일도를 산출하였다.
식 1: 두께 불균일도(%) = (표준편차/평균두께) × 100
고분자 전해질막의 인장강도 및 치수변화율
500 mL의 물이 담긴 시료병에 시료(5cm×5cm)를 넣어 밀폐한 후 시료병을 80℃의 항온조 내에서 2시간 동안 보관함으로써 시료를 팽윤시킨 후, 시료병으로부터 시료를 꺼내 80℃의 건조기 내에서 8시간 동안 건조시킴으로써 시료를 수축시켰다. 이와 같은 과정을 1 사이클로 하여 8 사이클을 반복하였다. 매 사이클마다 시료를 취하여 만능재료시험기(UTM)로 인장강도(tensile strength)를 측정하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다.
또한, 제조된 직후의 고분자 전해질막에 대하여 측정한 인장강도를 아래의 표 1에 나타내었다.
또한, 첫 번째 사이클에서 시료가 팽윤 및 수축될 때 시료의 두께 및 면 방향 길이를 각각 측정하였고, 아래의 식 2 및 식 3을 이용하여 치수변화율을 산출하였으며 그 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.
식 2: 두께 치수 변화율(%) = [팽윤시 막의 두께 / (팽윤시 막의 두께 - 수축시 막의 두께)] × 100
식 3: 막 치수 변화율(%) = [팽윤시 막의 면 방향 길이 / (팽윤시 막의 면 방향 길이 - 수축시 막의 면 방향 길이)] × 100
고분자 전해질막의 전도도(S/㎝)
실시예 및 비교예에 따라 제조한 고분자 전해질막의 전도도(conductivity: σmembrane)를 정전류 4 단자법에 의하여 측정하였다. 구체적으로는 시료(10mm×30mm)를 80℃의 온도 하에서 상대습도를 20%에서 100%로 조절하면서 일정한 교류 전류를 고분자 전해질막의 양면에 인가하면서 막 내에서 발생하는 교류전위 차이를 측정하여 저항(Rmembrane)을 얻었고, 아래의 식 4를 이용하여 막의 전도도(σmembrane)를 얻었다. 이때 전도도 측정장치는 시료의 두께 방향에서의 전도도를 측정할 수 있는 쓰루-플레인 멤브레인 테스트 시스템(Through-Plane Membrane Test System)(Scribner Associates社, MTS 740)을 이용하였다.
식4: 전도도(σmembrane)(S/cm) = 전극간 길이(L)/[막저항(Rmembrane)×막면적(A)]
두께 방향의 전도도(Through-Plane conductivity) 측정은 면 방향의 전도도(In-Plan conductivity)를 측정하는 방식과 달리 연료전지의 성능 측정 방향과 동일하기 때문에 연료전지의 제작 없이도 연료전지의 성능 예측을 가능하게 한다는 장점이 있다. 특히, 강화막과 같이 이온전도체 중간에 지지체가 삽입되어 있는 경우, 기존의 면 방향의 전도도 측정으로는 내부의 저항을 알 수 없으나, 두께 방향의 전도도 측정을 통해 막 내부에서 지지체가 이온전도도에 미치는 영향 뿐만 아니라 연료전지 성능에 미치는 영향도 예측할 수 있다는 장점이 있다.
도 2는 고분자 전해질막의 전도도 측정방법을 설명하기 위한 개략도이고, 도 3은 실시예 및 비교예에 의해 각각 제조된 고분자 전해질막들의 상대습도별 전도도를 보여주는 그래프이다. 또한, 100% 상대습도 하에서 측정된 고분자 전해질막의 전도도를 아래의 표 1에 나타내었다.
두께 불균일도
(%)		 인장강도
(MPa)		 치수변화율 (%) 전도도 (S/cm)
두께 면 두께 면
실시예 3 25 8 2 0.10 0.12
비교예 10 20 15 7 0.08 0.11

Claims (10)

  1. 유기용매에 대해 불용성인 탄화수소계 고분자를 포함한 다공성 지지체를 준비하는 공정;
    상기 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 고분자를 포함한 이온전도체 필름을 준비하는 공정; 및
    상기 다공성 지지체에 상기 이온전도체 필름을 라미네이팅하는 공정을 포함하되,
    상기 라미네이팅 공정은 상기 이온전도체 필름의 융점 범위 내의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 나일론(Nylon), 폴리이미드(Polyimide), 폴리벤즈옥사졸(Polybenzoxazole), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephtalate), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 이들 중 2 이상의 공중합체, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함하고,
    상기 이온전도체 필름은 술폰네이트 폴리이미드(sulfonated polyimide: S-PI), 술폰네이트 폴리아릴이서술폰(sulfonated polyarylethersulfone: S-PAES), 술폰네이트 폴리이서이서케톤(sulfonated polyetheretherketone: S-PEEK), 퍼플루오로 술폰산 (Perfluorosulfonic acid: PFSA), 술포네이트 폴리벤즈이미다졸(sulfonated polybenzimidazole: S-PBI), 술포네이트 폴리술폰(sulfonated polysulfone: S-PSU), 술포네이트 폴리스티렌(sulfonated polystyrene: S-PS), 술포네이트 폴리포스파젠(sulfonated polyphosphazene) 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함하며,
    상기 라미네이팅 공정 후 상기 이온전도체 필름 내 황 원소의 함량이 상기 라미네이팅 공정 전 황 원소 함량 대비 95% 이상인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 지지체를 준비하는 공정은,
    상기 유기용매에 용해성인 전구체를 포함하는 방사용액을 제조하는 공정;
    상기 방사용액을 전기방사하여 전구체 나노 웹을 제조하는 공정; 및
    상기 전구체 나노 웹을 후처리하여 상기 유기용매에 불용성인 나노 웹을 제조하는 공정을 포함하는 고분자 전해질막의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전구체 나노 웹을 후처리하는 공정은 열처리 또는 화학적 처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법.
  6. 유기용매에 불용성인 탄화수소계 고분자를 포함하는 다공성 지지체; 및
    상기 다공성 지지체와 접착되고 상기 유기용매에 용해성인 탄화수소계 고분자를 포함하는 이온전도체층을 포함하되,
    5% 이하의 두께 불균일도를 갖는,
    고분자 전해질막.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 폴리이미드(Polyimide) 또는 폴리벤즈옥사졸(Polybenzoxazole)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 0.05 내지 5 ㎛의 평균 직경을 갖는 섬유로 이루어지고 50 내지 80 %의 다공도 및 0.005 내지 30 ㎛의 평균 공경을 갖는 나노 웹을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 이온전도체층은 술폰네이트 폴리이미드(sulfonated polyimide: S-PI), 술폰네이트 폴리아릴이서술폰(sulfonated polyarylethersulfone: S-PAES), 술폰네이트 폴리이서이서케톤(sulfonated polyetheretherketone: S-PEEK), 퍼플루오로 술폰산 (Perfluorosulfonic acid: PFSA), 술포네이트 폴리벤즈이미다졸(sulfonated polybenzimidazole: S-PBI), 술포네이트 폴리술폰(sulfonated polysulfone: S-PSU), 술포네이트 폴리스티렌(sulfonated polystyrene: S-PS), 술포네이트 폴리포스파젠(sulfonated polyphosphazene) 또는 그들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.
  10. 삭제
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