KR102008400B1 - Polymer eletrolyte membrane - Google Patents

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KR102008400B1
KR102008400B1 KR1020180018257A KR20180018257A KR102008400B1 KR 102008400 B1 KR102008400 B1 KR 102008400B1 KR 1020180018257 A KR1020180018257 A KR 1020180018257A KR 20180018257 A KR20180018257 A KR 20180018257A KR 102008400 B1 KR102008400 B1 KR 102008400B1
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조유경
박준영
오흥렬
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Abstract

The present invention provides a polymer electrolyte membrane, which comprises an air permeable support and an ion conductive polymer electrolyte. The air permeable support is an air permeable support having air permeability of 0.2 to 6 cfm and pore distribution of ±0.3 μm. According to the present invention, the air permeability and pore size distribution of the support used in the polymer electrolyte membrane can be adjusted to a predetermined value.

Description

고분자 전해질 막{POLYMER ELETROLYTE MEMBRANE}Polymer Electrolyte Membrane {POLYMER ELETROLYTE MEMBRANE}

본 발명은, 기계적 물성과 성능이 개선된 고분자 전해질 막 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane having improved mechanical properties and performance and a method of manufacturing the same.

최근 기존의 화력 발전에 의한 자원 고갈 및 발전 과정에서 발생하는 질소 산화물 및 황 산화물 등이 환경 오염에 심각한 문제를 야기하는 것이 알려짐에 따라, 친환경 에너지 발전에 대한 관심이 높아져 가고 있다. 친환경 에너지의 하나로서 연료 전지는, 연료인 수소와 산소의 산화에 의한 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 화학 전지로, 작동이 간단하고 에너지 효율이 높으며 발전 과정에서 소음이 없으며, 생성물로 순수한 물과 재사용 가능한 열이 배출된다는 친환경적인 특징을 가지고 있다. 이러한 장점으로 인해 가정용, 자동차용, 발전용 등의 전원으로 다양하게 쓰이고 있다.Recently, as it is known that nitrogen oxides and sulfur oxides generated during the exhaustion of resources and power generation by thermal power generation cause serious problems in environmental pollution, interest in environmentally friendly energy generation is increasing. As one of the environmentally friendly energy, a fuel cell is a chemical cell that converts chemical energy by oxidation of hydrogen and oxygen, which are fuels, into electrical energy.It is simple to operate, has high energy efficiency, has no noise during power generation, and produces pure water and It has an environmentally friendly feature of reusing reusable heat. Due to these advantages, it is widely used as a power source for home, automobile, and power generation.

나아가, 연료 전지는 일반적으로 산화극(anode)와 환원극(cathode)사이에 고분자 전해질 막이 있는 구조를 이루고 있다. 고분자 전해질 막은 이온 전도성을 가지는 불소계 혹은 탄화수소계 수지를 이용하여 제조한다. 이온 전도성 고분자로만 막을 제조하는 경우 사용 환경에서 물에 의한 팽윤이 크고 그에 따라 내구성이 저하되므로, 최근에는 이온 전도성 고분자와 지지체를 함께 이용하여, 상기한 점을 보완한 고분자 전해질 막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Further, fuel cells generally have a structure in which a polymer electrolyte membrane is provided between an anode and a cathode. The polymer electrolyte membrane is prepared using a fluorine-based or hydrocarbon-based resin having ion conductivity. When the membrane is manufactured only with the ion conductive polymer, since the swelling by water in the use environment is large and the durability thereof is lowered, the research on the polymer electrolyte membrane which supplements the above point by using the ion conductive polymer and the support together in recent years has been actively conducted. It's going on.

고분자 전해질 막에 사용되는 지지체는 공기 투과성 소재를 사용한다. 공기 투과성 지지체는, 두께 방향으로 이온 전도성을 유지해야 하므로 공기 투과성 지지체가 갖는 기공의 내부에 이온 전도성 고분자 전해질을 충전시키는 방법으로 사용하게 된다. 이 때 공기 투과성 지지체의 공기 투과도가 중요하다. 공기 투과도가 너무 높은 경우 지지체의 기계적 물성이 저하되며, 공기 투과도가 너무 낮은 경우 지지체의 기공이 너무 작아 이온 전도성 고분자를 기공 내부에 충전시킬 수 없게 된다. 부직포나 나노 멤브레인의 경우, 대부분 기공 크기가 랜덤하게 형성되며, 높은 공기 투과도를 갖는다. 그러나, 지지체의 기공 크기의 불규칙성은, 이온 채널을 불균일하게 생성하게 하여 전해질 막의 성능을 저하시키며, 높은 공기 투과도는 전해질 막의 기계적 물성의 저하를 일으키는 문제점이 있다.The support used for the polymer electrolyte membrane uses an air permeable material. Since the air permeable support must maintain ion conductivity in the thickness direction, it is used as a method of filling the ion conductive polymer electrolyte into the pores of the air permeable support. At this time, the air permeability of the air permeable support is important. When the air permeability is too high, the mechanical properties of the support are lowered. When the air permeability is too low, the pores of the support are too small to fill the pores with the ion conductive polymer. In the case of nonwoven fabrics or nanomembrane, the pore size is mostly formed randomly and has high air permeability. However, irregularities in the pore size of the support cause non-uniform generation of ion channels, thereby degrading the performance of the electrolyte membrane, and high air permeability has a problem of deteriorating the mechanical properties of the electrolyte membrane.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 기계적 물성과 성능이 개선된 고분자 전해질 막 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a polymer electrolyte membrane having improved mechanical properties and performance and a method of manufacturing the same.

본 발명자 등은, 상기 과제를 달성하기 위하여, 예의 연구한 결과, 공기 투과성 지지체로서 소정의 공기 투과도 및 기공 크기 분포를 갖는 지지체를 고분자 전해질 막에 사용하는 것에 의해, 상기 목적을 달성할 수 있는 것을 알아내어, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.MEANS TO SOLVE THE PROBLEM In order to achieve the said subject, the present inventors performed earnestly and found that the said objective can be achieved by using the support | carrier which has predetermined | prescribed air permeability and pore size distribution as a permeable support for a polymer electrolyte membrane. It was found out and completed this invention.

즉, 본 발명에 의하면,In other words, according to the present invention,

(1) 공기 투과성 지지체와, 이온 전도성 고분자 전해질을 포함하고,(1) an air permeable support and an ion conductive polymer electrolyte,

상기 공기 투과성 지지체가, 0.2 내지 6 cfm의 공기 투과도, ±0.3 ㎛ 기공 크기 분포를 갖는 공기 투과성 지지체인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막;The polymer electrolyte membrane, wherein the air permeable support is an air permeable support having an air permeability of 0.2 to 6 cfm and a pore size distribution of ± 0.3 μm;

(2) 상기 공기 투과성 지지체가, 바람직하게 0.5 내지 4 cfm의 공기 투과도를 갖는 것인, (1) 에 기재된 고분자 전해질 막;(2) the polymer electrolyte membrane according to (1), wherein the air permeable support preferably has an air permeability of 0.5 to 4 cfm;

(3) 상기 공기 투과성 지지체가, 300 MPa 이상의 탄성률을 갖는 것인, (1) 에 기재된 고분자 전해질 막;(3) The polymer electrolyte membrane according to (1), wherein the air permeable support has an elastic modulus of 300 MPa or more;

(4) 상기 공기 투과성 지지체가, 22 MPa 이상의 MD 강도를 갖는 것인, (1) 에 기재된 고분자 전해질 막;(4) The polymer electrolyte membrane according to (1), wherein the air permeable support has an MD strength of 22 MPa or more;

(5) 상기 공기 투과성 지지체가, 0.1 내지 3.0의 동마찰계수를 갖는 것인, (1) 에 기재된 고분자 전해질 막;(5) the polymer electrolyte membrane according to (1), wherein the air permeable support has a dynamic friction coefficient of 0.1 to 3.0;

(6) 상기 공기 투과성 지지체가, 100℃ 내지 250℃에서 열 처리된 것인, (1) 에 기재된 고분자 전해질 막;(6) the polymer electrolyte membrane according to (1), wherein the air permeable support is heat treated at 100 ° C to 250 ° C;

(7) 상기 공기 투과성 지지체가, 지지체를 용매에 넣어 5분 내지 1시간 동안 화학 처리한 것인, (1) 에 기재된 고분자 전해질 막;(7) The polymer electrolyte membrane according to (1), wherein the air permeable support is subjected to chemical treatment for 5 minutes to 1 hour by placing the support in a solvent;

(8) 상기 용매가, 에탄올, 메탄올, 프로판올, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드 및 물로 이루어지는 군에서 선택되는 단일 용매 혹은 2종 이상의 혼합 용매인 것을 특징으로 하는, (8) 에 기재된 고분자 전해질 막;(8) The solvent is a single solvent or two or more mixed solvents selected from the group consisting of ethanol, methanol, propanol, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide and water, The polymer electrolyte membrane according to 8);

(9) 공기 투과성 지지체와, 이온 전도성 고분자 전해질을 포함하여 이루어지는 고분자 전해질 막의 제조 방법에 있어서,(9) A method for producing a polymer electrolyte membrane comprising an air permeable support and an ion conductive polymer electrolyte,

상기 공기 투과성 지지체가, 100℃ 내지 250℃에서 열 처리되는 단계를 거쳐, 0.2 내지 6 cfm의 공기 투과도, ±0.3 ㎛ 기공 크기 분포를 갖게 되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조 방법;The air permeable support is subjected to heat treatment at 100 ° C. to 250 ° C. to produce an air permeability of 0.2 to 6 cfm and a pore size distribution of ± 0.3 μm;

(10) 공기 투과성 지지체와, 이온 전도성 고분자 전해질을 포함하여 이루어지는 고분자 전해질 막의 제조 방법에 있어서,(10) A method for producing a polymer electrolyte membrane comprising an air permeable support and an ion conductive polymer electrolyte,

상기 공기 투과성 지지체가, 지지체를 용매에 넣어 5분 내지 1시간 동안 화학 처리하는 단계를 거쳐, 0.2 내지 6 cfm의 공기 투과도, ±0.3 ㎛ 기공 크기 분포를 갖게 되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조 방법;The air permeable support is a method of producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that through the step of chemical support for 5 minutes to 1 hour to put the support in a solvent, the air permeability of 0.2 to 6 cfm, ± 0.3 ㎛ pore size distribution ;

(11) 상기 0.2 내지 6 cfm의 공기 투과도, ±0.3 ㎛ 기공 크기 분포를 갖게 된 공기 투과성 지지체에, 상기 이온 전도성 고분자 전해질을 포함하는 용액을 함침시키는 단계를 포함하는 (9) 또는 (10) 에 기재된 고분자 전해질 막의 제조 방법; (11) (9) or (10) comprising impregnating a solution comprising the ion conductive polymer electrolyte into an air permeable support having an air permeability of 0.2 to 6 cfm and a pore size distribution of ± 0.3 μm. A method for producing the described polymer electrolyte membrane;

이 제공된다.This is provided.

본 발명에 의하면, 소정의 공기 투과도 및 기공 크기 분포를 갖는 공기 투과성 지지체를 포함하는, 개선된 기계적 물성을 가지며, 이온 채널을 균일하게 유도하여 성능을 개선시킨, 고분자 전해질 막을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte membrane having improved mechanical properties, including an air permeable support having a predetermined air permeability and pore size distribution, and improving the performance by uniformly inducing ion channels.

또, 본 발명에 의하면, 고분자 전해질 막에 사용되는 지지체의 공기 투과도와 기공 크기 분포를 소정 값이 되도록 조절할 수 있다.In addition, according to the present invention, the air permeability and pore size distribution of the support used in the polymer electrolyte membrane can be adjusted to a predetermined value.

도 1은, 본 발명의 열 처리 후 공기 투과성 지지체의 기공 크기 및 기공 크기 분포를 나타내는 도이다.
도 2는, 가공 전의 공기 투과성 지지체의 기공 크기 및 기공 크기 분포를 나타내는 도이다.
1 is a view showing the pore size and pore size distribution of the air permeable support after heat treatment of the present invention.
2 is a diagram showing the pore size and pore size distribution of the air permeable support before processing.

이하, 본 발명에 대하여 구현예를 들어 상세하게 설명한다. 다만, 이는 예시로서 제시하는 것으로서, 이에 의해 본 발명이 제한되지 않으며, 본 발명은 후술하는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 또한, 본 발명을 실시하는데 꼭 필요한 구성이라 하더라도 통상의 기술자가 공지 기술로부터 용이하게 실시할 수 있는 구성에 대해서는 구체적인 설명을 생략한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments. However, this is presented as an example, by which the present invention is not limited, and the present invention is defined only by the scope of the following claims. In addition, even if it is the structure which is essential for implementing this invention, the detailed description is abbreviate | omitted about the structure which a person skilled in the art can easily implement from a well-known technique.

고분자 전해질 막은, 공기 투과성 지지체와, 이온 전도성 고분자 전해질을 포함한다. 공기 투과성 지지체는, 다수의 기공을 포함하는 것으로, 그 기공 내부에 이온 전도성 고분자 전해질이 충전된다. 여기서, 공기 투과성 지지체는, 공기 투과성을 가지는 부직포 등과 같이 다수의 기공을 포함하는 섬유형 지지체가 사용되며, 이러한 공기 투과성 지지체는, 일반적으로 6 초과의 공기 투과도를 갖는다. 그러나, 이와 같이 지지체의 공기 투과도가 너무 크면, 고분자 전해질 막의 인장 강도, 탄성률 등의 기계적 물성이 저하되기 때문에, 양호한 기계적 물성을 갖는 고분자 전해질 막을 얻기 위해서는 지지체의 공기 투과도를 적절한 수준으로 낮추어야 할 필요가 있다. 이에, 본 발명에 따른 고분자 전해질 막은 지지체의 공기 투과도 및 기공 크기 분포가 조절 가공된 것으로, 공기 투과성 지지체가, 0.2 내지 6 cfm의 공기 투과도를 갖는다. The polymer electrolyte membrane includes an air permeable support and an ion conductive polymer electrolyte. The air permeable support includes a plurality of pores, and is filled with an ion conductive polymer electrolyte in the pores. Here, as the air permeable support, a fibrous support including a plurality of pores, such as a nonwoven fabric having air permeability, is used, and such air permeable support generally has an air permeability of more than six. However, if the air permeability of the support is too large, the mechanical properties such as tensile strength and elastic modulus of the polymer electrolyte membrane are lowered. Therefore, in order to obtain a polymer electrolyte membrane having good mechanical properties, it is necessary to lower the air permeability of the support to an appropriate level. have. Thus, the polymer electrolyte membrane according to the present invention is the air permeability and pore size distribution of the support is adjusted, the air permeable support has an air permeability of 0.2 to 6 cfm.

본 발명에 따른 고분자 전해질 막에 사용되는 공기 투과성 지지체의 공기 투과도는, 공기 투과성 지지체에 열 처리 및/또는 화학 처리를 가하는 방법에 의해 적절한 수준으로 낮출 수 있다. 이와 같이 가공된 공기 투과성 지지체의 공기 투과도는 0.2 내지 6 cfm인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 0.5 내지 4 cfm이며, 보다 바람직하게는 1.0 내지 3.4 cfm이다. 지지체의 공기 투과도가 상기 범위의 하한값 미만인 경우, 이온 전도성 고분자 전해질이 지지체의 기공 내부에 잘 채워지지 않아 원하는 막을 제조할 수 없으며, 상기 범위의 상한값을 초과하는 경우, 이온 전도성 고분자 전해질이 지지체에 충분히 포함되지 않아 원하는 막을 제조할 수 없을 우려가 있다. The air permeability of the air permeable support used in the polymer electrolyte membrane according to the present invention can be lowered to an appropriate level by a method of applying heat treatment and / or chemical treatment to the air permeable support. The air permeability of the air permeable support thus processed is preferably 0.2 to 6 cfm, more preferably 0.5 to 4 cfm, and more preferably 1.0 to 3.4 cfm. If the air permeability of the support is less than the lower limit of the above range, the ion conductive polymer electrolyte is not well filled inside the pores of the support to produce a desired membrane, and if the upper limit of the above range is exceeded, the ion conductive polymer electrolyte is sufficiently attached to the support. There is a fear that a desired film cannot be produced because it is not included.

또, 본 발명에 따른 고분자 전해질 막에 사용되는 공기 투과성 지지체는, 0.2 내지 6 cfm의 공기 투과도를 갖는 것이면 되고, 그 구체적인 형상이나 재질에 특별한 제한은 없다. 공기 투과성 지지체를 구성하는 고분자로는, 예를 들어 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르설폰, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리에스터 등의 단일 혹은 2종 이상의 혼합 고분자가 사용될 수 있다. Moreover, the air permeable support body used for the polymer electrolyte membrane which concerns on this invention should just have an air permeability of 0.2-6 cfm, and there is no restriction | limiting in particular in the specific shape or material. As the polymer constituting the air permeable support, a single or two or more kinds of mixed polymers such as polyimide, polyamideimide, polyetherimide, polyethersulfone, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyester, etc. may be used. Can be.

또한, 공기 투과성 지지체는, 일반적으로 기공 크기가 불규칙적으로 형성된 부직포나 나노 멤브레인이 사용되는데, 이처럼 지지체의 기공 크기가 랜덤하게 형성되어 있는 경우 생성되는 고분자 전해질 막의 성능이 저하되어 원하는 물성을 나타내지 못한다. 이에, 본 발명에 따른 고분자 전해질 막에 사용되는 공기 투과성 지지체는, 열 처리 및/또는 화학 처리를 가하는 방법에 의해, 지지체의 표면에 존재하는 과도하게 큰 기공의 크기를 줄이고 또한, 지지체 내부의 미세한 크기의 기공은 손상시키지 않으면서, 지지체의 기공 크기를 균일하게 한 것이다. 이와 같이, 균일한 기공 크기를 갖는 지지체의 기공 내부에 이온 전도성 고분자 전해질이 충전되면 균일한 이온채널을 형성할 수 있어, 제조되는 고분자 전해질 막의 이온 전도도 등의 성능을 향상시킬 수 있다. 공기 투과성 지지체의 기공 크기의 분포는, ±0.3 ㎛ 인 것이 바람직하고, ±0.2 ㎛ 인 것이 더 바람직하다. 지지체의 기공 크기의 분포가 작을수록, 즉 기공 크기가 균일할수록 이온채널의 형성 시에 생길 수 있는 저항요소를 감소시켜, 이온 전도도 등의 성능을 향상시킬 수 있다. In addition, the air-permeable support is generally used non-woven fabric or nano-membrane with irregular pore size, such that when the pore size of the support is formed randomly, the performance of the resulting polymer electrolyte membrane is deteriorated and does not exhibit the desired physical properties. Accordingly, the air permeable support used in the polymer electrolyte membrane according to the present invention reduces the size of excessively large pores present on the surface of the support by applying heat treatment and / or chemical treatment, The pores of the size are made uniform in the pore size of the support without damaging the pores. As such, when the ion conductive polymer electrolyte is filled in the pores of the support having the uniform pore size, a uniform ion channel can be formed, thereby improving performance such as ion conductivity of the prepared polymer electrolyte membrane. The pore size distribution of the air permeable support is preferably ± 0.3 μm, more preferably ± 0.2 μm. As the pore size distribution of the support is smaller, that is, the pore size is uniform, resistance elements that may occur when the ion channel is formed may be reduced, thereby improving performance such as ion conductivity.

도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 따른 열 처리가 가해진 공기 투과성 지지체는, 매우 작은 기공 크기 분포를 가져 기공 크기가 균일하게 되어 있는 반면, 도 2의 가공 전의 지지체의 경우는, 기공의 크기가 불균일하게 넓은 범위에 산재되어 있다.As shown in Fig. 1, the air-permeable support subjected to the heat treatment according to the present invention has a very small pore size distribution and the pore size is uniform, whereas in the case of the support before the processing of Fig. 2, the pore size is Unevenly scattered over a wide range.

나아가, 본 발명에 따른 공기 투과성 지지체는, 종래의 공기 투과성 지지체에, 열 처리 또는 화학 처리를 가함으로써, 소정 범위의 공기 투과도를 가지는 동시에 균일한 기공 크기를 갖는 공기 투과성 지지체이다. 이와 같이, 소정 범위의 공기 투과도 및 균일한 기공 크기를 갖는 공기 투과성 지지체를 사용하여 제조된 고분자 전해질 막은, 막의 탄성률, 인장 강도 등의 기계적 물성이 개선되며, 이온 채널을 균일하게 유도하여 이온 전도도 등의 성능이 개선된다. 특히, 상기 공기 투과성 지지체를 이용하여 제조된 고분자 전해질 막의 탄성률과 인장 강도는, 지지체간 교락의 발생으로 증가하게 되므로 개선되게 된다.Further, the air permeable support according to the present invention is an air permeable support having a predetermined range of air permeability and a uniform pore size by applying heat treatment or chemical treatment to a conventional air permeable support. As such, the polymer electrolyte membrane prepared by using an air permeable support having a predetermined range of air permeability and uniform pore size improves mechanical properties such as elastic modulus and tensile strength of the membrane, and uniformly induces ion channels to ion conductivity. The performance is improved. In particular, the elastic modulus and tensile strength of the polymer electrolyte membrane prepared using the air permeable support are improved because of the occurrence of entanglement between the supports.

공기 투과성 지지체는, 기공 크기 분포가 작아서 기공 크기가 균일하기만 하면 되고 기공의 크기에 특별히 제한은 없으나, 고분자 전해질 막의 기계적 강도 및 이온 전도도를 고려할 때, 0.05 ~ 10 ㎛ 의 범위로 형성되는 것이 바람직하다. 지지체의 기공 크기가 0.05 ㎛ 미만이면, 이온 전도성 고분자 전해질 입자가 침투할 수 없어 고분자 전해질 막의 이온 전도도가 낮아질 우려가 있고, 기공 크기가 10 ㎛ 초과이면, 고분자 전해질 막의 기계적 강도 특성이 저하될 우려가 있다. The air permeable support may have a small pore size distribution so that the pore size is uniform and there is no particular limitation on the pore size. However, the air permeable support is preferably formed in the range of 0.05 to 10 μm in consideration of the mechanical strength and the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane. Do. If the pore size of the support is less than 0.05 μm, the ion conductive polymer electrolyte particles may not penetrate and the ion conductivity of the polymer electrolyte membrane may be lowered. If the pore size is more than 10 μm, the mechanical strength characteristics of the polymer electrolyte membrane may be degraded. have.

공기 투과성 지지체는, 300 MPa 이상의 탄성률을 나타내는 것이 바람직하며, 350 MPa 이상의 탄성률을 나타내는 것이 더 바람직하다. 나아가, 공기 투과성 지지체는, 20 MPa 이상의 인장 강도(MD 방향)를 갖는 것이 바람직하며, 30 MPa 이상의 인장 강도를 갖는 것이 더 바람직하다. 상기 범위보다 낮은 값의 탄성률 및 인장 강도를 갖는 지지체의 경우, 원하는 성능을 나타내는 고분자 전해질 막을 얻지 못할 우려가 있다. The air permeable support preferably exhibits an elastic modulus of 300 MPa or more, more preferably 350 MPa or more. Furthermore, the air permeable support preferably has a tensile strength of 20 MPa or more (MD direction), and more preferably has a tensile strength of 30 MPa or more. In the case of a support having a modulus of elasticity and tensile strength lower than the above range, there is a fear that a polymer electrolyte membrane exhibiting desired performance may not be obtained.

또한, 공기 투과성 지지체는, 0.1 내지 3.0의 동마찰계수를 갖는 것이 바람직하다. 공기 투과성 지지체가 상기 범위의 동마찰계수를 가짐으로써, 지지체 표면이 평탄화되어 평활성이 우수해지고, 연속 제조시에 주행성이 유리해져서, 용이하게 제조할 수 있다. Moreover, it is preferable that an air permeable support body has a dynamic friction coefficient of 0.1-3.0. When the air permeable support has a kinetic friction coefficient within the above range, the support surface is flattened to have excellent smoothness, and the running property is favored at the time of continuous production, which makes it easy to manufacture.

공기 투과성 지지체의 공기 투과도를 적절한 수준으로 낮추고, 기공 크기를 균일하게 하기 위해, 공기 투과성 지지체에 열 처리 및/또는 화학 처리를 가하는 방법을 이용할 수 있다. 열 처리 및 화학 처리 방법에 특별한 제한은 없으나, 열 처리의 경우 지지체를 100℃ 내지 250℃의 온도 및 10분 이내의 조건에서 열 처리하는 방법이 바람직하며, 100℃ 내지 200℃의 온도 및 30초 내지 5분의 조건에서 열 처리하는 방법이 더 바람직하다. 또, 화학 처리의 경우, 지지체를 용매에 넣어 5분 내지 1시간 동안 화학 처리한 것이 바람직하며, 5분 내지 30분 동안 화학 처리한 것이 더 바람직하다. 화학 처리는, 지지체를 용매 중에 5분 내지 1시간 동안 담갔다 꺼내어, 물로 적절히 수세한 후, 약 80℃ 내외의 온도에서 건조시키는 방법을 이용할 수 있다. 여기서, 용매로는, 예를 들어, 에탄올, 메탄올, 프로판올, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드 및 물로 이루어지는 군에서 선택되는 단일 용매 혹은 2종 이상의 혼합 용매를 들 수 있으나, 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 열 처리 및/또는 화학 처리를 공기 투과성 지지체에 가함으로써, 본 발명에 따른 공기 투과성 지지체는 적절한 수준의 공기 투과도, 및 균일한 기공 크기를 가지게 되며, 이로써 제조되는 고분자 전해질 막의 탄성률, 인장 강도 등의 기계적 물성 및 이온 전도도 등의 성능을 양호하게 할 수 있다.In order to lower the air permeability of the air permeable support to an appropriate level and to uniform the pore size, a method of applying heat treatment and / or chemical treatment to the air permeable support can be used. There is no particular limitation on the heat treatment and chemical treatment method, but in the case of heat treatment, a method of heat treatment of the support at a temperature of 100 ° C. to 250 ° C. and within 10 minutes is preferable, and a temperature of 100 ° C. to 200 ° C. and 30 seconds More preferred is a method of heat treatment at a condition of from 5 minutes. In addition, in the case of chemical treatment, the support is placed in a solvent and chemically treated for 5 minutes to 1 hour, and more preferably 5 to 30 minutes. In chemical treatment, the support is immersed in a solvent for 5 minutes to 1 hour, taken out, washed with water appropriately, and then dried at a temperature of about 80 ° C. Here, the solvent may be, for example, a single solvent or two or more mixed solvents selected from the group consisting of ethanol, methanol, propanol, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide and water. It can be used without any special restrictions. By applying heat treatment and / or chemical treatment to the air permeable support, the air permeable support according to the present invention has an appropriate level of air permeability and uniform pore size, and thus the elastic modulus, tensile strength, and the like of the polymer electrolyte membrane to be produced. Performance such as mechanical properties and ion conductivity can be improved.

공기 투과성 지지체의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 통상 1 ~ 100 ㎛, 바람직하게는 3 ~ 60 ㎛이다. 공기 투과성 지지체의 두께는 필요에 따라 조정할 수 있으나, 지지체의 두께가 너무 작으면 막의 기계적 강도가 뒤떨어질 우려가 있고, 반대로 너무 크면 고분자 전해질 막으로의 적용시 저항손실이 증가할 우려가 있다.Although the thickness of an air permeable support body is not specifically limited, Usually, it is 1-100 micrometers, Preferably it is 3-60 micrometers. The thickness of the air permeable support can be adjusted as needed, but if the thickness of the support is too small, the mechanical strength of the membrane may be inferior. On the contrary, if the thickness of the support is too large, the resistance loss may increase when applied to the polymer electrolyte membrane.

공기 투과성 지지체의 기공 내에 이온 전도성 고분자 전해질을 충전시키는 방법으로서는 함침을 들 수 있다. 함침 방법은 공기 투과성 지지체를, 이온 전도성 고분자 전해질을 포함하는 용액에 침지시켜 수행될 수 있다. 또한, 공기 투과성 지지체를 이온 전도성 고분자 전해질의 모노머 또는 저분자량 올리고머에 침지시킨 후, 공기 투과성 지지체 내에서 모노머 또는 저분자량 올리고머를 in-situ 중합시켜 형성할 수도 있다. Impregnation is mentioned as a method of filling an ion conductive polymer electrolyte into the pores of an air permeable support body. The impregnation method may be performed by immersing the air permeable support in a solution containing an ion conductive polymer electrolyte. In addition, the air permeable support may be formed by immersing the monomer or low molecular weight oligomer of the ion conductive polymer electrolyte and then in-situ polymerizing the monomer or low molecular weight oligomer in the air permeable support.

함침 온도 및 시간은 다양한 요소들의 영향을 받을 수 있다. 예를 들면, 지지체의 두께, 이온 전도성 고분자 전해질의 농도, 용매의 종류, 공기 투과성 지지체에 함침시키고자 하는 이온 전도성 고분자의 농도 등에 의하여 영향을 받을 수 있다. 나아가, 함침 공정은 용매의 빙점 이상에서 100℃ 이하의 온도에서 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 상온에서 70℃ 이하의 온도에서 이루어질 수 있다. Impregnation temperature and time can be affected by various factors. For example, it may be influenced by the thickness of the support, the concentration of the ion conductive polymer electrolyte, the kind of the solvent, the concentration of the ion conductive polymer to be impregnated in the air permeable support, and the like. Further, the impregnation process may be performed at a temperature of 100 ° C. or less above the freezing point of the solvent, and preferably at room temperature of 70 ° C. or less.

이온 전도성 고분자 전해질은, 특별한 제한 없이 불소계 혹은 탄화수소계 고분자를 사용할 수 있으며, 술폰산기, 카르복실산기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기 및 이들의 유도체로 이루어지는 군에서 선택되는 양이온 교환기를 가지는 양이온 교환 고분자이거나, 또는 히드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온 교환기를 가지는 음이온 교환 고분자일 수 있다. 이온 교환기 당량은 500 ~ 1500 EW가 적합하다.The ion conductive polymer electrolyte may be a fluorine-based or hydrocarbon-based polymer without particular limitation, and may be selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, boronic acid groups, phosphoric acid groups, imide groups, sulfonimide groups, sulfonamide groups, and derivatives thereof. It may be a cation exchange polymer having a cation exchange group selected or an anion exchange polymer having an anion exchange group such as hydroxy ions, carbonates or bicarbonates. The ion exchanger equivalent is 500 to 1500 EW.

상기 양이온 교환 고분자는 양이온 교환기를 포함하는 것으로, 주쇄에 불소를 포함하는 플루오르계 고분자; 벤즈이미다졸, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리아세탈, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아크릴 수지, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리에테르, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 폴리아릴에테르술폰, 폴리포스파젠 또는 폴리페닐퀴녹살린 등의 탄화수소계 고분자; 폴리스티렌-그라프트-에틸렌테트라플루오로에틸렌 공중합체, 또는 폴리스티렌-그라프트-폴리테트라플루오로에틸렌 공중합체 등의 부분 불소화된 고분자; 술폰 이미드 등을 들 수 있다.The cation exchange polymer includes a cation exchange group, a fluorine-based polymer containing fluorine in the main chain; Benzimidazole, polyamide, polyamideimide, polyimide, polyacetal, polyethylene, polypropylene, acrylic resin, polyester, polysulfone, polyether, polyethersulfone, polyetherimide, polycarbonate, polystyrene, polyphenylene Hydrocarbon-based polymers such as sulfide, polyether ether ketone, polyether ketone, polyaryl ether sulfone, polyphosphazene or polyphenylquinoxaline; Partially fluorinated polymers such as polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymer or polystyrene-graft-polytetrafluoroethylene copolymer; Sulfone imides and the like.

상기 음이온 교환 고분자는 하이드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온을 이송시킬 수 있는 것으로서, 음이온 교환 고분자는 하이드록사이드 또는 할라이드(일반적으로 클로라이드) 형태가 상업적으로 입수가 용이하다. 상기 음이온 교환 고분자로는 일반적으로 금속 수산화물이 도핑된 폴리머를 사용할 수 있으며, 구체적으로 금속 수산화물이 도핑된 폴리(에테르술폰), 폴리스티렌, 비닐계 폴리머, 폴리(비닐클로라이드), 폴리(비닐리덴플루오라이드), 폴리(테트라플루오로에틸렌), 폴리(벤즈이미다졸) 또는 폴리(에틸렌글리콜) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The anion exchange polymer is capable of transporting anions such as hydroxy ions, carbonates or bicarbonates, and the anion exchange polymer is commercially available in the form of hydroxide or halide (generally chloride). As the anion exchange polymer, a metal hydroxide-doped polymer may be generally used. Specifically, poly (ethersulfone), polystyrene, vinyl-based polymer, poly (vinylchloride), poly (vinylidene fluoride) doped with metal hydroxide ), Poly (tetrafluoroethylene), poly (benzimidazole) or poly (ethylene glycol) and the like can be used, but is not limited thereto.

상기 함침 방법에 있어서, 이온 전도성 고분자 전해질을 포함하는 용액은, 이온 전도성 고분자의 용융액, 혹은 용매를 혼합한 용액이다. 용매를 혼합한 용액의 경우, 용매는 에틸알코올, n-프로필알코올, 아이소프로필알코올 등의 알코올류, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드 등의 비양자성 극성 용매 및 물 등을 포함하며, 이들을 단독 혹은 2종 이상 사용한 혼합 용매를 사용할 수 있다. 점도는 5 cP 이상 25,000 cP 이하가 바람직하며, 바람직하게는 10 cP 이상 10,000 cP 이하가 바람직하다. In the impregnation method, the solution containing the ion conductive polymer electrolyte is a solution of a melt or a solvent of the ion conductive polymer. In the case of a solution in which the solvent is mixed, the solvent includes alcohols such as ethyl alcohol, n-propyl alcohol, isopropyl alcohol, aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, water, and the like. It includes, and may be used alone or a mixed solvent using two or more kinds. The viscosity is preferably 5 cP or more and 25,000 cP or less, and preferably 10 cP or more and 10,000 cP or less.

공기 투과성 지지체에 이온 전도성 고분자 전해질 용액을 함침시키는 방법에는 특별히 한정되지 않으나, 다이 코팅, 그라비아 코팅, 롤 코팅, 콤마 코팅, 바 코팅, 딥 코팅 등 다양한 방법이 있으며, 다이 코팅이 가장 바람직하다. 나아가, 공기 투과성 지지체에 이온 전도성 고분자 전해질을 함침시킨 후에는, 건조를 위한 열 처리가 필요하다. 이 때의 온도는, 이온 전도성 고분자 전해질의 용매의 성질에 따라 건조 온도를 설정하여 건조시킬 수 있다. 용매가 에탄올인 경우, 60 내지 80℃에서 5분 내지 10분간 서서히 건조시켜 용매를 제거한다. 이 때, 온도의 프로파일이 서서히 증가하는 것이 바람직하다. 초기에 과하게 높은 온도로 건조시킬 경우, 생성되는 고분자 전해질 막의 표면에 크랙, 혹은 핀홀이 발생할 수 있다. The method of impregnating the air permeable support with the ion conductive polymer electrolyte solution is not particularly limited, and there are various methods such as die coating, gravure coating, roll coating, comma coating, bar coating, dip coating, and die coating is most preferred. Furthermore, after impregnating the ion conductive polymer electrolyte into the air permeable support, heat treatment for drying is required. The temperature at this time can be dried by setting a drying temperature in accordance with the nature of the solvent of the ion conductive polymer electrolyte. When the solvent is ethanol, the solvent is slowly dried at 60 to 80 ° C. for 5 to 10 minutes. At this time, it is preferable that the temperature profile gradually increases. When initially dried at an excessively high temperature, cracks or pinholes may occur on the surface of the resulting polymer electrolyte membrane.

상기 방법으로 제조된 고분자 전해질 막은 이온 전도성 고분자 전해질의종류에 따라 후 가공 공정을 필요로 한다. 후 가공 공정에는, 열 처리, 혹은 산 처리 등이 있으며, 단일 혹은 복합 공정을 포함할 수 있다. 열 처리의 경우, 이온 전도성 고분자의 결정화도를 높여 기계적 물성을 강화하거나 내구성을 향상시키고자 할 때 실시할 수 있다. 열 처리는 이온 전도성 고분자의 결정화 온도 이상에서 실시한다. 또, 산 처리의 경우, 이온 전도성 고분자 말단기에 존재하는 나트륨 염 혹은 칼륨 염을 산 형태로 전환시키기 위해 실시할 수 있다. 산 처리는 1M 이상의 황산, 염산, 인산, 질산 등의 강산 중 하나를 선택하여 수행할 수 있다.The polymer electrolyte membrane prepared by the above method requires a post processing process according to the type of the ion conductive polymer electrolyte. Post-processing processes include heat treatment, acid treatment, and the like, and may include single or multiple processes. In the case of heat treatment, the crystallinity of the ion conductive polymer may be increased to enhance mechanical properties or to improve durability. The heat treatment is carried out above the crystallization temperature of the ion conductive polymer. In addition, in the case of acid treatment, the sodium salt or potassium salt present in the ion conductive polymer end group can be carried out to convert to the acid form. The acid treatment may be performed by selecting one of strong acids such as sulfuric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, nitric acid and the like of 1M or more.

또, 본 발명에 따르면, 공기 투과성 지지체와, 이온 전도성 고분자 전해질을 포함하여 이루어지는 고분자 전해질 막의 제조 방법에 있어서, 상기 공기 투과성 지지체는, 100℃ 내지 250℃에서 열 처리되는 단계를 거쳐, 0.2 내지 6 cfm의 공기 투과도, ±0.3 ㎛ 기공 크기 분포를 갖게 되는 것이다. 또한, 공기 투과성 지지체와, 이온 전도성 고분자 전해질을 포함하여 이루어지는 고분자 전해질 막의 제조 방법에 있어서, 상기 공기 투과성 지지체는, 용매에 담가 5분 내지 1시간 화학 처리하는 단계를 거쳐, 0.2 내지 6 cfm의 공기 투과도, ±0.3 ㎛ 기공 크기 분포를 갖게 되는 것이다. 이와 같은 방법으로 제조된 공기 투과성 지지체는, 고분자 전해질 막의 지지체로 사용될 때에 막의 기계적 물성 및 성능을 개선시킬 수 있다. Further, according to the present invention, in the method for producing a polymer electrolyte membrane comprising an air permeable support and an ion conductive polymer electrolyte, the air permeable support is subjected to heat treatment at 100 ° C to 250 ° C, and 0.2 to 6 The air permeability of cfm has a pore size distribution of ± 0.3 μm. In addition, in the method for producing a polymer electrolyte membrane comprising an air permeable support and an ion conductive polymer electrolyte, the air permeable support is subjected to a chemical treatment for 5 minutes to 1 hour in a solvent, 0.2 to 6 cfm of air Permeability, ± 0.3 μm pore size distribution. The air permeable support prepared in this manner can improve the mechanical properties and performance of the membrane when used as a support for the polymer electrolyte membrane.

나아가, 본 발명에 따른 고분자 전해질 막을 사용하여, 막 전극 접합체(MEA), 산화극 및 환원극을 구비하는 연료 전지를 제공할 수 있으며, 연료 전지는, 통상적으로 본 발명이 속하는 분야에서 공지된 방법을 채용하여, 제조할 수 있다. 연료전지는, 구체적으로 연료의 산화 반응 및 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 연료 및 산화제를 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함하며, 상기 전기 발생부는 상기 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 분리판을 포함한다. 연료전지에 있어서, 상기 막 전극 접합체, 전기 발생부를 구성하는 분리판, 연료 공급부 및 산화제 공급부는 통상적으로 연료전지에서 사용되는 것이므로, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다. Furthermore, by using the polymer electrolyte membrane according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell having a membrane electrode assembly (MEA), an anode, and a reducing electrode, and a fuel cell is generally a method known in the art to which the present invention pertains. It can employ | adopt and manufacture. Specifically, the fuel cell may include at least one electricity generating unit generating electricity through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant; A fuel supply unit and an oxidant supply unit for supplying a fuel and an oxidant to the electricity generating unit, wherein the electricity generating unit includes a separator for supplying fuel and oxidant to both sides of the membrane electrode assembly and the membrane electrode assembly. In the fuel cell, since the membrane electrode assembly, the separator constituting the electricity generating unit, the fuel supply unit and the oxidant supply unit are generally used in the fuel cell, detailed description thereof will be omitted.

실시예Example

이하에, 실시예 및 비교예를 들어, 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 의해 한정되지 않는다.An Example and a comparative example are given to the following, and this invention is demonstrated more concretely. However, the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

물성 평가 방법Property evaluation method

1. 공기 투과도 측정1. Air permeability measurement

지지체의 공기 투과도는, 직물의 공기 투과도 측정법인 ASTM D 737 방법에 의해, 면적 38 cm2의 샘플을, 압력 125 Pa의 조건에서 3개 이상 측정하여 그 평균값을 사용한다. 이는, ASTM D 737을 만족하는 공기 투과도 시험기(Air Permeability Tester)(FX 3300, Textest Instruments사)로 측정할 수 있다. 단위는 cfm을 사용한다.As for the air permeability of a support body, 3 or more samples of area 38 cm <2> are measured on the conditions of 125 Pa of pressure by the ASTM D 737 method which is the air permeability measurement method of a fabric, and the average value is used. This can be measured with an Air Permeability Tester (FX 3300, Textest Instruments) that meets ASTM D 737. The unit uses cfm.

2. 기공 크기 측정2. Pore size measurement

CFP(Capillary flow porometer, Porous materials, CFP-1200AE)를 이용하여, 동일한 샘플에 대해 3개 이상 채취하여 측정하고, 그 평균값을 사용한다.Capillary flow porometer, Porous materials, CFP-1200AE (CFP-1200AE), using the same sample is measured by taking three or more, the average value is used.

3. 탄성률 및 인장강도 측정3. Measurement of elastic modulus and tensile strength

공기 투과성 지지체의 탄성률 및 인장강도는, 만능 시험기(UTM-3365)을 사용하여 ASTM D 882에 의거하여 측정하였다. 5개소 이상 측정하여 평균값을 사용한다.The elastic modulus and tensile strength of the air permeable support were measured according to ASTM D 882 using a universal testing machine (UTM-3365). Measure at least 5 places and use the average value.

4. 평량 측정 4. Basis weight measurement

시편의 평량 측정은 KS K 0514에 의거하여 측정하였다. 원형 시편 절단기를 이용하여 100 cm2 면적의 시편을 채취하여, 무게를 측정한 뒤, g/m2의 단위로 환산한다. 3개소 이상 측정하여 평균값을 사용한다.The basis weight of the specimen was measured according to KS K 0514. Using a circular specimen cutter, take a specimen of 100 cm 2 area, measure the weight, and convert it into units of g / m 2 . Measure at least 3 places and use the average value.

5. 동마찰계수 측정5. Measurement of dynamic friction coefficient

공기 투과성 지지체의 동마찰계수는, ASTM D 1894에 의거하여 측정하였다. 마찰 마모 시험기로 3개소 이상 측정하고, 그 평균값을 사용한다. The dynamic friction coefficient of the air permeable support was measured according to ASTM D 1894. Three or more places are measured with a friction abrasion tester, and the average value is used.

6. 두께 측정6. Thickness measurement

KS M ISO 4593에 의거하여 폭 방향으로 1 cm 간격마다 0.001 ㎛까지 표시되는 측정기로 두께를 측정하고 평균값을 사용한다.In accordance with KS M ISO 4593, the thickness is measured with a measuring instrument displayed up to 0.001 μm at intervals of 1 cm in the width direction, and an average value is used.

7. 이온 전도도 측정7. Ionic Conductivity Measurement

고분자 전해질 막을 1 x 4 cm 크기로 잘라내어 측정 지그에 고정한다. 측정 지그는 PTFE 소재이며, 전극은 백금을 사용한다. 측정 지그에 고정된 고분자 전해질 막을 RH 100%. 25℃ 조건에서 2시간 이상 처리 후, 임피던스 측정 장비(Bio Logic Science Instruments社, 임피던스 측정기, SP-300)를 이용하여 임피던스를 측정한 뒤, 하기 식을 이용하여 이온 전도도를 계산한다. 동일 샘플로부터 5회 이상 측정하여 얻어진 값의 평균값을 사용한다. 이를 통해, 이온 채널 형성의 정도를 평가할 수 있다.The polymer electrolyte membrane is cut to size 1 x 4 cm and fixed to the measuring jig. The measuring jig is made of PTFE, and the electrode is made of platinum. The polymer electrolyte membrane fixed to the measuring jig was RH 100%. After treatment at 25 ° C. for 2 hours or more, the impedance is measured using an impedance measuring instrument (Bio Logic Science Instruments, Impedance Meter, SP-300), and then ion conductivity is calculated using the following equation. The average value of the value obtained by measuring five or more times from the same sample is used. Through this, the degree of ion channel formation can be evaluated.

<식 1><Equation 1>

이온 전도도 = L/(W*Z*R*10-4) [S/cm]Ionic Conductivity = L / (W * Z * R * 10 -4 ) [S / cm]

(상기 식에서, R은 측정 저항(Ω), W는 전해질 막의 세로 길이(cm, 상기 방법에서는 1), L은 측정 전극 사이의 길이(cm), Z는 제조된 전해질 막의 두께(㎛)이다.)Where R is the measurement resistance (Ω), W is the longitudinal length of the electrolyte membrane (cm, 1 in the method), L is the length between the measurement electrodes (cm), and Z is the thickness of the prepared electrolyte membrane (μm). )

8. 수소 투과도 측정8. Hydrogen Permeability Measurement

막 전극 접합체의 수소 투과도를 측정하기 위하여, LSV(Linear Sweep Voltammetry)를 사용하여, 단위 셀 형태로 측정했다. 0.1V 에서 0.6V, scan rate 0.2 mV/s로 Scribner 850e 장비를 이용하고, 온도 70℃, 상대습도 100% 조건에서 산화극/환원극에 H2/N2 를 SR(stoichiometry ratio) 1.5/2로 공급하면서 측정한다. 수소 투과도가 2 mA/cm2를 초과하는 경우, 수소 투과가 발생하여, 성능 저하를 일으킬 우려가 있다.In order to measure the hydrogen permeability of the membrane electrode assembly, it was measured in the unit cell form using LSV (Linear Sweep Voltammetry). Using a Scribner 850e instrument at 0.1V to 0.6V and a scan rate of 0.2 mV / s, H 2 / N 2 was added to the anode / reduction electrode at a temperature of 70 ° C and a relative humidity of 100% 1.5 / 2 SR (stoichiometry ratio) 1.5 / 2 Measure while supplying When the hydrogen permeability exceeds 2 mA / cm 2 , hydrogen permeation occurs and there is a fear of deterioration in performance.

실시예 1 Example 1

(공기 투과성 지지체 제조 방법)(Air permeable support manufacturing method)

공기 투과도가 6.4 cfm인 공기 투과성 PVdF 지지체를 캘린더 장비를 이용하여 가공한다. 온도를 120℃로 설정하고 압력 없이 30초 동안 열 처리한다. 가공된 지지체의 공기 투과도는 1.8 cfm 이었다.Air permeable PVdF supports having an air permeability of 6.4 cfm are processed using calender equipment. Set the temperature to 120 ° C. and heat treatment for 30 seconds without pressure. The air permeability of the processed support was 1.8 cfm.

(고분자 전해질 막 제조 방법)(Polymer Electrolyte Membrane Manufacturing Method)

이온 전도성 고분자 전해질(3M社, Dyneon E-22397)를 기재 위에 어플리케이터를 사용하여 바코터로 도포한 뒤, 상기 열 처리한 공기 투과성 지지체를 도포된 고분자 전해질 위에 올린 뒤, 80℃ 오븐에서 5분간 건조한다. 이후, 하부 코팅된 막에 다시 동일한 이온 전도성 고분자 전해질을 어플리케이터를 사용하여 바코터로 도포한 뒤, 80℃ 오븐에서 5분간 건조한다. 건조된 막을 150℃에서 5분간 열 처리한다. 이와 같이 제조된 고분자 전해질 막에 있어서, 지지체의 공기 투과도, 기공 크기 및 그 분포와, 막 두께, 이온 전도도, 인장 강도 및 탄성률을 상술한 방법으로 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타낸다. After applying the ion conductive polymer electrolyte (3M, Dyneon E-22397) with a bar coater on the substrate using an applicator, the heat-treated air permeable support was placed on the coated polymer electrolyte and dried in an oven at 80 ° C. for 5 minutes. do. Thereafter, the same ion conductive polymer electrolyte was again applied to the bottom coated membrane with a bar coater using an applicator, and then dried in an oven at 80 ° C. for 5 minutes. The dried membrane is heat treated at 150 ° C. for 5 minutes. In the polymer electrolyte membrane thus prepared, the air permeability, pore size and distribution of the support, the film thickness, the ionic conductivity, the tensile strength and the elastic modulus were measured by the above-described method, and the results are shown in Table 1.

(막 전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly) 제조 방법) (Method for manufacturing membrane electrode assembly (MEA))

제조된 고분자 전해질 막에, 데칼법을 이용하여 전극층을 형성한 막 전극 접합체를 제조하였다. 이 때, 상기 전극의 촉매층은 백금/탄소 촉매와 고분자 전해질을 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 이형 필름에 도포한 후 건조하여 촉매층을 형성하고, 촉매층이 코팅된 이형필름을 고분자 전해질 막의 양면에 위치시킨 후, 5 kg/cm2 의 압력 및 100℃의 온도로 핫프레스를 실시하여 촉매층을 전사시켰다. 이어서, 촉매층이 접합된 고분자 전해질 막의 양면에 기체 확산층(Gas Diffusion Layer. GDL)을 붙여 막 전극 접합체를 제조하였다. 이 때 촉매의 로딩량은 0.3 mg/cm2이었다. 이와 같이 제조된 MEA에 대하여 상술한 방법으로 수소 투과도를 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타낸다.On the produced polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly in which an electrode layer was formed by using the decal method was prepared. At this time, the catalyst layer of the electrode is coated with a catalyst layer-forming composition comprising a platinum / carbon catalyst and a polymer electrolyte on a release film and dried to form a catalyst layer, and the release layer coated with a catalyst layer on both sides of the polymer electrolyte membrane Thereafter, hot pressing was carried out at a pressure of 5 kg / cm 2 and a temperature of 100 ° C. to transfer the catalyst layer. Subsequently, a gas diffusion layer (GDL) was attached to both surfaces of the polymer electrolyte membrane to which the catalyst layer was bonded to prepare a membrane electrode assembly. At this time, the loading amount of the catalyst was 0.3 mg / cm 2 . The hydrogen permeability was measured by the method mentioned above about the MEA manufactured in this way, and the result is shown in Table 1.

실시예 2Example 2

(공기 투과성 지지체 제조 방법)(Air permeable support manufacturing method)

공기 투과도가 6.4 cfm인 공기 투과성 PVdF 지지체를, DMF와 에탄올을 4:6으로 혼합한 혼합 용액에 담근 후, 지지체를 약 5분 후 꺼내어 물로 씻은 후 건조시킨다. 가공된 지지체의 공기 투과도는 2.0 cfm 이었다.The air permeable PVdF support having an air permeability of 6.4 cfm was immersed in a mixed solution of 4: 6 mixed with DMF and ethanol, and after about 5 minutes, the support was taken out, washed with water and dried. The air permeability of the processed support was 2.0 cfm.

(고분자 전해질 막 제조 방법)(Polymer Electrolyte Membrane Manufacturing Method)

이온 전도성 고분자 전해질(3M社, Dyneon E-22397)를 기재 위에 어플리케이터를 사용하여 바코터로 도포한 뒤, 상기 화학 처리한 공기 투과성 지지체를 도포된 고분자 전해질 위에 올린 뒤, 80℃ 오븐에서 5분간 건조한다. 이후, 하부 코팅된 막에 다시 동일한 이온 전도성 고분자 전해질을 어플리케이터를 사용하여 바코터로 도포한 뒤, 80℃ 오븐에서 5분간 건조한다. 건조된 막을 150℃에서 5분간 열처리한다. 이와 같이 제조된 고분자 전해질 막에 있어서, 지지체의 공기 투과도, 기공 크기 및 그 분포와, 막 두께, 이온 전도도, 인장 강도 및 탄성률을 상술한 방법으로 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타낸다. 또, 상기 제조된 고분자 전해질 막을 사용하여 실시예 1과 동일하게 해서 MEA를 제조하고, 상술한 방법으로 수소 투과도를 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타낸다.Ion conductive polymer electrolyte (3M, Dyneon E-22397) was applied on the substrate with a bar coater using an applicator, and then the above chemically treated air permeable support was placed on the coated polymer electrolyte and dried in an 80 ° C. oven for 5 minutes. do. Thereafter, the same ion conductive polymer electrolyte was again applied to the bottom coated membrane with a bar coater using an applicator, and then dried in an oven at 80 ° C. for 5 minutes. The dried film is heat treated at 150 ° C. for 5 minutes. In the polymer electrolyte membrane thus prepared, the air permeability, pore size and distribution of the support, the film thickness, the ionic conductivity, the tensile strength and the elastic modulus were measured by the above-described method, and the results are shown in Table 1. In addition, MEA was prepared in the same manner as in Example 1 using the prepared polymer electrolyte membrane, and the hydrogen permeability was measured by the above-described method, and the results are shown in Table 1.

비교예 1 Comparative Example 1

(고분자 전해질 막 제조 방법)(Polymer Electrolyte Membrane Manufacturing Method)

이온 전도성 고분자 전해질(3M社, Dyneon E-22397)을 기재 위에 어플리케이터를 사용하여 바코터로 도포한 뒤, 80℃ 오븐에서 5분간 건조한다. 건조된 막을 150℃에서 5분간 열 처리한다. 이와 같이 제조된 고분자 전해질 막에 있어서, 지지체의 공기 투과도, 기공 크기 및 그 분포와, 막 두께, 이온 전도도, 인장 강도 및 탄성률을 상술한 방법으로 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타낸다. 또, 상기 제조된 고분자 전해질 막을 사용하여 실시예 1과 동일하게 해서 MEA를 제조하고, 상술한 방법으로 수소 투과도를 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타낸다.An ion conductive polymer electrolyte (3M, Dyneon E-22397) is applied on a substrate using a bar coater using an applicator, and then dried in an oven at 80 ° C. for 5 minutes. The dried membrane is heat treated at 150 ° C. for 5 minutes. In the polymer electrolyte membrane thus prepared, the air permeability, pore size and distribution of the support, the film thickness, the ionic conductivity, the tensile strength and the elastic modulus were measured by the above-described method, and the results are shown in Table 1. In addition, MEA was prepared in the same manner as in Example 1 using the prepared polymer electrolyte membrane, and the hydrogen permeability was measured by the above-described method, and the results are shown in Table 1.

비교예 2 Comparative Example 2

(고분자 전해질 막 제조 방법)(Polymer Electrolyte Membrane Manufacturing Method)

이온 전도성 고분자 전해질(3M社, Dyneon E-22397)를 기재 위에 어플리케이터를 사용하여 바코터로 도포한 뒤, 열 처리를 하지 않은 공기 투과성 지지체를 도포된 고분자 전해질 위에 올린 뒤, 80℃ 오븐에서 5분간 건조한다. 이후, 하부 코팅된 막에 다시 동일한 이온 전도성 고분자 전해질을 어플리케이터를 사용하여 바코터로 도포한 뒤, 80℃ 오븐에서 5분간 건조한다. 건조된 막을 150℃에서 5분간 열 처리한다. 이와 같이 제조된 고분자 전해질 막에 있어서, 지지체의 공기 투과도, 기공 크기 및 그 분포와, 막 두께, 이온 전도도, 인장 강도 및 탄성률을 상술한 방법으로 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타낸다. 또, 상기 제조된 고분자 전해질 막을 사용하여 실시예 1과 동일하게 해서 MEA를 제조하고, 상술한 방법으로 수소 투과도를 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타낸다.Ion conductive polymer electrolyte (3M, Dyneon E-22397) was applied to the substrate with a bar coater using an applicator, and then an air-permeable support without heat treatment was placed on the coated polymer electrolyte, followed by 5 minutes in an 80 ° C. oven. To dry. Thereafter, the same ion conductive polymer electrolyte was again applied to the bottom coated membrane with a bar coater using an applicator, and then dried in an oven at 80 ° C. for 5 minutes. The dried membrane is heat treated at 150 ° C. for 5 minutes. In the polymer electrolyte membrane thus prepared, the air permeability, pore size and distribution of the support, the film thickness, the ionic conductivity, the tensile strength and the elastic modulus were measured by the above-described method, and the results are shown in Table 1. In addition, MEA was prepared in the same manner as in Example 1 using the prepared polymer electrolyte membrane, and the hydrogen permeability was measured by the above-described method, and the results are shown in Table 1.

비교예 3Comparative Example 3

(고분자 전해질 막 제조 방법)(Polymer Electrolyte Membrane Manufacturing Method)

이온 전도성 고분자 전해질(3M社, Dyneon E-22397)를 기재 위에 어플리케이터를 사용하여 바코터로 도포한 뒤, 캘린더 장비를 이용하여 압력 없이 95℃에서 1분간 열 처리한 공기 투과성 지지체를 도포된 고분자 전해질 위에 올린 뒤, 80℃ 오븐에서 5분간 건조한다. 이후, 하부 코팅된 막에 다시 동일한 이온 전도성 고분자 전해질을 어플리케이터를 사용하여 바코터로 도포한 뒤, 80℃ 오븐에서 5분간 건조한다. 건조된 막을 150℃에서 5분간 열 처리한다. 이와 같이 제조된 고분자 전해질 막에 있어서, 지지체의 공기 투과도, 기공 크기 및 그 분포와, 막 두께, 이온 전도도, 인장 강도 및 탄성률을 상술한 방법으로 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타낸다. 또, 상기 제조된 고분자 전해질 막을 사용하여 실시예 1과 동일하게 해서 MEA를 제조하고, 상술한 방법으로 수소 투과도를 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타낸다.A polymer electrolyte coated with an air permeable support that was coated with an ion conductive polymer electrolyte (3M, Dyneon E-22397) using a bar coater using an applicator on a substrate and then heat treated at 95 ° C. for 1 minute without pressure using a calender equipment. Place on top and dry in oven at 80 ° C. for 5 minutes. Thereafter, the same ion conductive polymer electrolyte was again applied to the bottom coated membrane with a bar coater using an applicator, and then dried in an oven at 80 ° C. for 5 minutes. The dried membrane is heat treated at 150 ° C. for 5 minutes. In the polymer electrolyte membrane thus prepared, the air permeability, pore size and distribution of the support, the film thickness, the ionic conductivity, the tensile strength and the elastic modulus were measured by the above-described method, and the results are shown in Table 1. In addition, MEA was prepared in the same manner as in Example 1 using the prepared polymer electrolyte membrane, and the hydrogen permeability was measured by the above-described method, and the results are shown in Table 1.

Figure 112018016175171-pat00001
Figure 112018016175171-pat00001

상기 표 1로부터 분명한 바와 같이, 공기 투과성 지지체의 공기 투과도가 소정 범위에 있고, 또한 지지체의 기공 크기 분포가 ±0.3 ㎛ 이하인 실시예 1 및 2의 고분자 전해질 막은, 제조된 고분자 전해질 막의 이온 전도도, 수소 투과도, 인장 강도 및 탄성률 모두에서 우수한 것을 알 수 있다.As is clear from Table 1, the polymer electrolyte membranes of Examples 1 and 2, in which the air permeability of the air permeable support is in a predetermined range and the pore size distribution of the support is ± 0.3 μm or less, the ion conductivity of the prepared polymer electrolyte membrane, hydrogen It can be seen that it is excellent in all of the transmittance, the tensile strength and the elastic modulus.

한편, 공기 투과성 지지체의 기공 크기 분포가 커서, 기공 크기가 불균일하게 형성되어 있는 지지체를 사용한 고분자 전해질 막의 경우(비교예 2), 및 공기 투과성 지지체를 사용하지 않고 제조한 고분자 전해질 막의 경우(비교예 1)에서는, 실시예 1 및 2에 비하여, 고분자 전해질 막의 이온 전도도, 수소 투과도, 인장 강도 및 탄성률 모두, 뒤떨어지는 것을 알 수 있다. On the other hand, in the case of a polymer electrolyte membrane using a support having a large pore size distribution of the air permeable support and having a non-uniform pore size (Comparative Example 2), and a polymer electrolyte membrane prepared without using an air permeable support (Comparative Example) In 1), compared with Examples 1 and 2, it turns out that both the ionic conductivity, hydrogen permeability, tensile strength, and elastic modulus of a polymer electrolyte membrane are inferior.

또한, 공기 투과성 지지체의 공기 투과도는 소정 범위를 만족하나, 지지체의 기공 크기 분포가 ±0.3 ㎛ 초과하여 균일하지 않은 기공 크기를 갖는 고분자 전해질 막 역시, 실시예 1 및 2에 비하여, 고분자 전해질 막의 이온 전도도, 수소 투과도, 인장 강도 및 탄성률 모두, 뒤떨어지는 것을 알 수 있다. In addition, although the air permeability of the air permeable support satisfies a predetermined range, the polymer electrolyte membrane having a non-uniform pore size such that the pore size distribution of the support exceeds ± 0.3 μm also has the ion of the polymer electrolyte membrane, as compared with Examples 1 and 2. It can be seen that the conductivity, hydrogen permeability, tensile strength and elastic modulus are all inferior.

Claims (11)

공기 투과성 지지체와, 이온 전도성 고분자 전해질을 포함하고,
상기 공기 투과성 지지체가, 0.2 내지 6 cfm의 공기 투과도, ±0.3 ㎛ 기공 크기 분포를 갖는 공기 투과성 지지체인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막.
An air permeable support and an ion conductive polymer electrolyte,
Wherein the air permeable support is an air permeable support having an air permeability of 0.2 to 6 cfm and a pore size distribution of ± 0.3 μm.
제 1 항에 있어서,
상기 공기 투과성 지지체가, 0.5 내지 4 cfm의 공기 투과도를 갖는 것인, 고분자 전해질 막.
The method of claim 1,
The polymer electrolyte membrane, wherein the air permeable support has an air permeability of 0.5 to 4 cfm.
제 1 항에 있어서,
상기 공기 투과성 지지체가, 300 MPa 이상의 탄성률을 갖는 것인, 고분자 전해질 막.
The method of claim 1,
The polymer electrolyte membrane, wherein the air permeable support has an elastic modulus of 300 MPa or more.
제 1 항에 있어서,
상기 공기 투과성 지지체가, 22 MPa 이상의 MD 강도를 갖는 것인, 고분자 전해질 막.
The method of claim 1,
The polymer electrolyte membrane, wherein the air permeable support has an MD strength of 22 MPa or more.
제 1 항에 있어서,
상기 공기 투과성 지지체가, 0.1 내지 3.0의 동마찰계수를 갖는 것인, 고분자 전해질 막.
The method of claim 1,
The polymer electrolyte membrane, wherein the air permeable support has a dynamic friction coefficient of 0.1 to 3.0.
제 1 항에 있어서,
상기 공기 투과성 지지체가, 100℃ 내지 250℃에서 열 처리된 것인, 고분자 전해질 막.
The method of claim 1,
The polymer permeable membrane, wherein the air permeable support is heat treated at 100 ° C to 250 ° C.
제 1 항에 있어서,
상기 공기 투과성 지지체가, 지지체를 용매에 넣어 5분 내지 1시간 동안 화학 처리한 것인, 고분자 전해질 막.
The method of claim 1,
The polymer permeable membrane is the air permeable support, the support is placed in a solvent and chemically treated for 5 minutes to 1 hour.
제 7 항에 있어서,
상기 용매가, 에탄올, 메탄올, 프로판올, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드 및 물로 이루어지는 군에서 선택되는 단일 용매 혹은 2종 이상의 혼합 용매인 것을 특징으로 하는, 고분자 전해질 막.
The method of claim 7, wherein
The polymer electrolyte membrane, wherein the solvent is a single solvent or a mixed solvent selected from the group consisting of ethanol, methanol, propanol, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide and water.
공기 투과성 지지체와, 이온 전도성 고분자 전해질을 포함하여 이루어지는 고분자 전해질 막의 제조 방법에 있어서,
상기 공기 투과성 지지체가, 100℃ 내지 250℃에서 열 처리되는 단계를 거쳐, 0.2 내지 6 cfm의 공기 투과도, ±0.3 ㎛ 기공 크기 분포를 갖게 되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조 방법.
In the method for producing a polymer electrolyte membrane comprising an air permeable support and an ion conductive polymer electrolyte,
The air permeable support is subjected to heat treatment at 100 ° C. to 250 ° C. to produce an air permeability of 0.2 to 6 cfm and a pore size distribution of ± 0.3 μm.
공기 투과성 지지체와, 이온 전도성 고분자 전해질을 포함하여 이루어지는 고분자 전해질 막의 제조 방법에 있어서,
상기 공기 투과성 지지체가, 지지체를 용매에 넣어 5분 내지 1시간 동안 화학 처리하는 단계를 거쳐, 0.2 내지 6 cfm의 공기 투과도, ±0.3 ㎛ 기공 크기 분포를 갖게 되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조 방법.
In the method for producing a polymer electrolyte membrane comprising an air permeable support and an ion conductive polymer electrolyte,
The air permeable support is a method of producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that through the step of chemical support for 5 minutes to 1 hour to put the support in a solvent, the air permeability of 0.2 to 6 cfm, ± 0.3 ㎛ pore size distribution .
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 0.2 내지 6 cfm의 공기 투과도, ±0.3 ㎛ 기공 크기 분포를 갖게 된 공기 투과성 지지체에, 상기 이온 전도성 고분자 전해질을 포함하는 용액을 함침시키는 단계를 포함하는 고분자 전해질 막의 제조 방법.

The method according to claim 9 or 10,
And impregnating the solution containing the ion conductive polymer electrolyte into an air permeable support having an air permeability of 0.2 to 6 cfm and a pore size distribution of ± 0.3 μm.

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