KR102154101B1 - A composite membrane comprising nonwoven PAN support and hydrocarbon-based electrolyte impregnated therein and the use thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN) 공중합체 용액을 전기 방사하여 형성한 부직포를 산화시켜 제조한 지지체 및 이에 함침시킨 탄화수소계 고분자 전해질을 포함하는 복합 전해질막; 폴리아크릴로니트릴 공중합체 용액을 전기 방사하여 형성한 부직포를 산화시켜 측쇄의 니트릴기의 질소원자와 이웃한 니트릴기의 탄소원자 간에 결합이 형성되면서 6각 고리를 형성함으로써 내용제성 또는 강도가 향상된 신규 지지체; 상기 복합 전해질막을 전해질막으로 구비한 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly; MEA); 및 상기 막-전극 접합체를 구비한 연료전지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다공성 지지체 상에 전해질 고분자가 함침된 복합막은 높은 기공도를 유지하면서도 우수한 기계적 물성, 치수안정성, 내구성을 발휘한다.
The present invention provides a composite electrolyte membrane comprising a support prepared by oxidizing a nonwoven fabric formed by electrospinning a polyacrylonitrile (PAN) copolymer solution and a hydrocarbon-based polymer electrolyte impregnated therewith; A new improved solvent resistance or strength by forming a hexagonal ring by oxidizing the nonwoven fabric formed by electrospinning a polyacrylonitrile copolymer solution to form a bond between the nitrogen atom of the side chain nitrile group and the carbon atom of the adjacent nitrile group. Support; A membrane-electrode assembly (MEA) having the composite electrolyte membrane as an electrolyte membrane; And to a fuel cell including the membrane-electrode assembly.
The composite membrane impregnated with an electrolyte polymer on a porous support according to the present invention exhibits excellent mechanical properties, dimensional stability, and durability while maintaining high porosity.

Description

PAN 부직포 지지체에 탄화수소계 전해질을 함침시켜 제조한 복합막 및 이의 용도{A composite membrane comprising nonwoven PAN support and hydrocarbon-based electrolyte impregnated therein and the use thereof}A composite membrane comprising nonwoven PAN support and hydrocarbon-based electrolyte impregnated therein and the use thereof

본 발명은 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN) 공중합체 용액을 전기 방사하여 형성한 부직포를 산화시켜 제조한 지지체 및 이에 함침시킨 탄화수소계 고분자 전해질을 포함하는 복합 전해질막; 폴리아크릴로니트릴 공중합체 용액을 전기 방사하여 형성한 부직포를 산화시켜 측쇄의 니트릴기의 질소원자와 이웃한 니트릴기의 탄소원자 간에 결합이 형성되면서 6각 고리를 형성함으로써 내용제성 또는 강도가 향상된 신규 지지체; 상기 복합 전해질막을 전해질막으로 구비한 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly; MEA); 및 상기 막-전극 접합체를 구비한 연료전지에 관한 것이다.
The present invention provides a composite electrolyte membrane comprising a support prepared by oxidizing a nonwoven fabric formed by electrospinning a polyacrylonitrile (PAN) copolymer solution and a hydrocarbon-based polymer electrolyte impregnated therewith; A new improved solvent resistance or strength by forming a hexagonal ring by oxidizing the nonwoven fabric formed by electrospinning a polyacrylonitrile copolymer solution to form a bond between the nitrogen atom of the side chain nitrile group and the carbon atom of the adjacent nitrile group. Support; A membrane-electrode assembly (MEA) having the composite electrolyte membrane as an electrolyte membrane; And to a fuel cell including the membrane-electrode assembly.

연료전지는 일반 전지와는 달리, 전지의 교환이나 충전이 불필요할 뿐 아니라, 산소와의 또는 다른 산화제와의 화학적 반응을 통해 연료로부터의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 장치이다. 연료전지는 에너지 변환효율이 60%정도의 고효율 발전장치로서, 기존 내연기관에 비하여 효율이 높아 연료 사용량이 적으며, SOx, NOx, VOC 등의 환경오염 물질을 발생시키지 않는 무공해 에너지원이라는 장점이 있다. 또한, 생산을 위해 다양한 원료가 사용 가능하고, 생산설비에 필요한 입지면적이 적고 건설 기간이 짧다는 등의 추가적 장점이 있다. 따라서, 연료전지는 휴대용 기기 등의 이동용 전원, 자동차 등의 수송용 전원, 가정용 및 전력사업용으로 이용 가능한 분산형 발전에 이르기까지 응용분야가 다양하다. 특히, 차세대 운송장치인 연료전지 자동차의 운영이 실용화될 경우, 그 잠재 시장규모는 광범위할 것으로 예상된다.The fuel cell is a device for converting chemical energy from the fuel into electrical energy through a chemical reaction with oxygen or with other oxidizing agents, as well as requiring no exchange or charging of the battery, unlike ordinary cells. The fuel cell is a high-efficiency power generation apparatus of this 60% of energy conversion efficiency was increased, the efficiency is less fuel consumption than the conventional internal combustion engine, SO x, NO x, pollution-free energy source which does not generate environmental pollutants of VOC such that There is an advantage. In addition, there are additional advantages such as that various raw materials can be used for production, the site area required for production facilities is small, and the construction period is short. Accordingly, the fuel cell has a variety of applications ranging from mobile power sources such as portable devices, transportation power sources such as automobiles, and distributed power generation that can be used for home and power business. In particular, when the operation of a fuel cell vehicle, which is a next-generation transportation device, is put into practice, the potential market size is expected to be wide.

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 the anode (anode) that produces hydrogen ions and electrons by oxidation of fuel materials, the cathode (cathode) where the reduction of oxygen or other oxidizing agents by reaction with hydrogen ions and electrons occurs, and the cathode from the anode. It includes an electrolyte layer that can efficiently transfer hydrogen ions. In the fuel cell, hydrogen ions and electrons move from the anode to the cathode through an external circuit electrically connected to the electrolyte layer, respectively. The fuel cell may use hydrogen, hydrocarbon, alcohol (methanol, ethanol, etc.) as fuel, and oxygen, air, chlorine, chlorine dioxide, and 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 전해질막을 샌드위치 형태로 위치시키고 압착하여 연료극-전해질막-공기극이 접합체를 이루는 막-전극 접합체의 형태로 제조하여 전지를 구성할 수 있다. 상기 막-전극 접합체에 사용될 수 있는 전해질막은 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 It can be classified into AFC (Alkaline Fuel Cell), Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC), Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), and Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). I can. Among them, the polymer electrolyte fuel cell, the direct methanol fuel cell, and the direct ethanol fuel cell can operate at a relatively low temperature compared to other fuel cells, and can generate power with a capacity of 1 to 10 kW. In addition, since it can be miniaturized, it can be stacked to improve output, and since it is easy to carry, it can be usefully used for a notebook computer or as an auxiliary power supply. Accordingly, in order to reduce the volume of the unit cell, an electrolyte membrane prepared by using an ion conductive polymer is placed between the anode and the cathode in a sandwich form, and is compressed to form a membrane-electrode assembly in which the anode-electrolyte membrane-air electrode forms an assembly. Thus, the battery can be configured. The electrolyte membrane that can be used for the membrane-electrode assembly should have high hydrogen ion transfer ability, but low permeability of fuel materials, as well as high thermal stability, and thus stably exhibit ionic conductivity even under battery operating conditions of about 100°C. It has excellent chemical durability and should be stable without decomposition even under long-term use and acidic conditions.

특히, 양성자 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cells; PEMFC)는 휴대용 전자기기, 자동차 및 대형 건물을 위해 화학적 에너지를 전기 에너지로 직접 전환할 수 있으므로 매우 기대되고 촉망되는 에너지 기술 중 하나이다. PEMFC 구성 요소 중, 양성자 교환막(proton exchange membrane; PEM)은 음극과 양극을 분리하는 기본적인 요소로서, PEMFC의 효율 및 내구성을 결정한다. 퍼플루오로술폰계 이오노머(perfluorosulfonated ionomer)인 나피온은 높은 양성자 전도도, 낮은 기체 투과도 및 우수한 치수 안정성과 셀 성능으로 인해 성공적으로 상용화되어 연료 전지에 사용되는 막 재료이다. 그러나, 나피온 막은 고가이며, 게다가, 그 제조공정은 복잡하고 독성 폐기물을 배출한다. 또한 100℃ 이상에서 함수율 감소로 인한 수소이온 전도도의 급격한 감소 및 막의 연화, 높은 메탄올 투과도 등의 문제로 인하여 연료전지 상용화에 있어서 큰 한계에 부딪히고 있다.In particular, proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) are one of the highly anticipated and promising energy technologies as they can directly convert chemical energy into electrical energy for portable electronic devices, automobiles and large buildings. Among the components of PEMFC, a proton exchange membrane (PEM) is a basic element separating the cathode and the anode, and determines the efficiency and durability of PEMFC. Nafion, a perfluorosulfonated ionomer, has been successfully commercialized and used in fuel cells due to its high proton conductivity, low gas permeability, and excellent dimensional stability and cell performance. However, Nafion membranes are expensive, and in addition, their manufacturing process is complex and produces toxic waste. In addition, problems such as a rapid decrease in the hydrogen ion conductivity due to a decrease in water content above 100°C, softening of the membrane, and high methanol permeability are facing a large limit in the commercialization of fuel cells.

따라서, 높은 열저항성(thermal resistance), 우수한 기계적 강도(mechanical strength), 낮은 수소 투과도(hydrogen permeability)를 가지며 저렴한 생산공정으로 제조될 수 있는 탄화수소-기반 이오노머인 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르 술폰)(sulfonated poly(arylene ether sulfone); SPAES)이 지난 십수년에 걸쳐 나피온 막을 대체하기 위한 PEM 재료로 검토되고 있다. 그러나, SPAES의 치수(dimensions)는 완전히 수화된 조건에서 팽창하여 연료전지의 내구성을 감소시킨다. 이러한 결점을 극복하기 위하여, 많은 연구자들이 폴리이미드(polyimide; PI), 폴리(파라페닐렌 테레프탈레아미드)(poly(paraphenylene terephthalamide); PPTA), 폴리(비닐 알콜)(poly(vinyl alcohol); PVA) 및 폴리페닐술폰(polyphenylsulfone; PPS)과 같은 다-섬유성 기제재료(multi-fibrous manufactured material)를 포함하는 복합막을 개발하고 있다. 그러나, 높은 기공도를 가질 경우 기계적 물성이 저하되는 문제점을 보이므로, 높은 기공도를 유지하면서도 우수한 기계적 물성, 치수안정성, 내구성을 동시에 구비한 다공성 지지체 및 이온전도체 개발이 절실히 요구된다.
Thus, sulfonated poly(arylene ether sulfone), a hydrocarbon-based ionomer that has high thermal resistance, excellent mechanical strength, low hydrogen permeability, and can be manufactured in an inexpensive production process. (Sulfonated poly(arylene ether sulfone); SPAES) has been considered as a PEM material to replace Nafion membranes over the past decade. However, the dimensions of SPAES expand under fully hydrated conditions, reducing the durability of the fuel cell. To overcome these drawbacks, many researchers have tried polyimide (PI), poly(paraphenylene terephthalamide) (PPTA), poly(vinyl alcohol); PVA ) And multi-fibrous manufactured materials such as polyphenylsulfone (PPS). However, when it has a high porosity, the mechanical properties are deteriorated. Therefore, development of a porous support and ion conductor having excellent mechanical properties, dimensional stability, and durability while maintaining high porosity is urgently required.

본 발명의 목적은 연료전지용 전해질막으로써, 다공성 지지체 상에 전해질 고분자가 함침된 복합막을 사용하는 경우, 높은 기공도를 유지하면서도 우수한 기계적 물성, 치수안정성, 내구성을 부여할 수 있는 다공성 지지체 및 이에 전해질 고분자를 함침시킨 복합막을 제공하는 것이다.
It is an object of the present invention to provide an electrolyte membrane for a fuel cell, and when using a composite membrane impregnated with an electrolyte polymer on a porous support, a porous support capable of imparting excellent mechanical properties, dimensional stability, and durability while maintaining high porosity, and an electrolyte therefor It is to provide a composite membrane impregnated with a polymer.

본 발명의 제1양태는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN) 공중합체 용액을 전기 방사하여 형성한 부직포를 산화시켜 제조한 지지체 및 이에 함침시킨 탄화수소계 고분자 전해질을 포함하는 복합 전해질막을 제공한다.A first aspect of the present invention provides a composite electrolyte membrane comprising a support prepared by oxidizing a nonwoven fabric formed by electrospinning a polyacrylonitrile (PAN) copolymer solution and a hydrocarbon-based polymer electrolyte impregnated therewith.

본 발명의 제2양태는 폴리아크릴로니트릴 공중합체 용액을 전기 방사하여 형성한 부직포를 산화시킨 것으로, 상기 폴리아크릴로니트릴 공중합체는 에틸렌(ethylene) 골격과 측쇄에는 알콕시카보닐(alkoxycarbonyl) 또는 알카논옥시(alkanonoxy)를 포함하는 단위체를 1 내지 10 중량%로 포함하는 것으로, 산화를 통해 측쇄의 니트릴기의 질소원자와 이웃한 니트릴기의 탄소원자 간에 결합이 형성되면서 6각 고리를 형성하는 것이 특징인 다공성 지지체를 제공한다.In a second aspect of the present invention, a nonwoven fabric formed by electrospinning a polyacrylonitrile copolymer solution is oxidized, and the polyacrylonitrile copolymer has an ethylene skeleton and an alkoxycarbonyl or an Al It contains 1 to 10% by weight of a unit containing alkanonoxy, and forms a hexagonal ring as a bond is formed between the nitrogen atom of the side chain nitrile group and the carbon atom of the adjacent nitrile group through oxidation. It provides a characteristic porous support.

본 발명의 제3양태는 제1양태에 기재된 복합 전해질막을 전해질막으로 구비한 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly; MEA)를 제공한다.A third aspect of the present invention provides a membrane-electrode assembly (MEA) comprising the composite electrolyte membrane described in the first aspect as an electrolyte membrane.

본 발명의 제4양태는 제3양태에 기재된 막-전극 접합체를 구비한 연료전지를 제공한다.
A fourth aspect of the present invention provides a fuel cell provided with the membrane-electrode assembly described in the third aspect.

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

본 발명은 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN) 고분자 용액을 전기 방사 및 산화시켜 다공성 지지체를 제공하는 것이 특징이다. 또한, 본 발명은 상기 다공성 지지체에, 전해질로서 탄화수소계 고분자 전해질, 예컨대 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르 술폰)(sulfonated poly(arylene ether sulfone); SPAES) 공중합체를 함침시켜, 신규 복합 전해질막을 제공하는 것이 특징이다.The present invention is characterized by providing a porous support by electrospinning and oxidizing a polyacrylonitrile (PAN) polymer solution. In addition, the present invention provides a novel composite electrolyte membrane by impregnating the porous support with a hydrocarbon-based polymer electrolyte, such as a sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES) copolymer, as an electrolyte. It is characterized by doing.

본 발명자들은 선행연구(한국등록특허 제10-1279352호)를 통해, 고분자 재질의 부직포를 열처리 또는 가교제를 이용하여 가교시킴으로써 강도를 향상시킨 지지체에 전도성 고분자를 함침시킨 강화 복합전해질막을 개시하였다. 그러나, 상기 열처리는 300℃ 근처의 고온에서 수 내지 십수 시간의 장시간 동안 처리하여야 하며, 가교제를 이용하는 경우 추가적인 가교제의 도입이 불가피하며 이를 제거하기 위한 반복적인 세척과정을 수반한다. 즉, 이와 같은 방법은 장시간의 반응을 요구하거나 추가적인 시약을 요구한다. 그러나, 본 발명에 따른 지지체는 산화제로 처리함으로써 간단히 제조될 수 있다. 상기 산화제는 산소분자일 수 있다. 즉, 산소를 포함하는 조건 예컨대, 대기조건 하의 오븐에서 가열함으로써 수행할 수 있다. 따라서, 진공이나 불활성기체로 포화시킨 조건이 아닌 한 단순히 가열시키는 과정만으로도 공기 중의 산소를 산화제로서 이용하여 산화할 수 있다.The present inventors disclosed a reinforced composite electrolyte membrane impregnated with a conductive polymer in a support having improved strength by crosslinking a nonwoven fabric made of a polymer material by heat treatment or crosslinking using a crosslinking agent through prior research (Korean Patent No. 10-1279352). However, the heat treatment must be treated at a high temperature near 300° C. for a long time of several to tens of hours, and when a crosslinking agent is used, the introduction of an additional crosslinking agent is inevitable, and a repeated washing process to remove it is involved. That is, such a method requires a long reaction or additional reagents. However, the support according to the present invention can be manufactured simply by treatment with an oxidizing agent. The oxidizing agent may be an oxygen molecule. That is, it can be carried out by heating in an oven under conditions containing oxygen, for example, atmospheric conditions. Therefore, it is possible to oxidize using oxygen in the air as an oxidizing agent by simply heating it unless it is under vacuum or saturated with an inert gas.

도 1에 나타난 바와 같이, 상기 다공성 지지체의 재료인 PAN 공중합체는 산화 공정을 거치면 측쇄의 니트릴기의 질소원자와 이웃한 니트릴기의 탄소원자 간에 결합이 형성되면서 6각 고리를 형성할 수 있다. 이와 같이 산화에 의한 분자 내 고리화는 PAN 중합체 부분의 골격을 보다 견고하게 함으로써 강도를 향상시킬 수 있으므로, 지지체의 치수변화를 감소시킬 뿐만 아니라 함습에 따른 팽윤에 의한 고분자 가닥의 절단을 감소시킬 수 있으며, 최종적으로 전해질막의 파단을 방지할 수 있다.As shown in FIG. 1, when the PAN copolymer, which is a material of the porous support, undergoes an oxidation process, a bond is formed between the nitrogen atom of the side chain nitrile group and the carbon atom of the adjacent nitrile group, thereby forming a hexagonal ring. As described above, intramolecular cyclization by oxidation can improve the strength by making the skeleton of the PAN polymer part more rigid, thus reducing the dimensional change of the support as well as reducing the cleavage of the polymer strand due to swelling due to moisture. And, finally, it is possible to prevent breakage of the electrolyte membrane.

바람직하게, 상기 산화제로 처리하는 과정은 200 내지 300℃에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 과정은 0.5 내지 4시간 동안 수행될 수 있다. 보다 바람직하게는, 230 내지 270℃에서 1 내지 3시간 동안 수행될 수 있다. 상기 과정에 있어서, 처리 온도가 낮거나, 처리 시간이 짧은 경우, PAN 중합체 부분에서 산화에 의한 분자 내 고리화가 충분히 이루어지지 못하여 지지체로서 원하는 강도를 제공할 수 없거나 고분자 전해질 용액을 함침시킬 때 사용되는 용매에 용해되어 버릴 수 있다. 한편, 처리 온도가 높거나, 처리 시간이 긴 경우, 과도한 고리화로 인해 고분자 골격이 지나치게 강직해져서 유연하게 구부러지거나 하지 못하고 잡을 수도 없을 만큼 가해지는 작은 힘에도 쉽게 부스러져 버릴 수 있다. 또는 분자 간 가교결합으로 인해 높은 기공율을 갖는 다공성 구조가 뭉그러질 수 있다. 따라서, 처리 온도와 시간을 적절히 조합하여 최적의 조건을 찾는 것이 중요하다.Preferably, the process of treating with the oxidizing agent may be performed at 200 to 300°C. In addition, the process may be performed for 0.5 to 4 hours. More preferably, it may be performed at 230 to 270° C. for 1 to 3 hours. In the above process, when the treatment temperature is low or the treatment time is short, the PAN polymer portion is not sufficiently cyclized in the molecule due to oxidation, so that the desired strength cannot be provided as a support or is used when impregnating a polymer electrolyte solution. It may dissolve in a solvent. On the other hand, when the treatment temperature is high or the treatment time is long, the polymer skeleton becomes too rigid due to excessive cyclization, so that it cannot be flexibly bent and can easily be broken even by a small force applied so as not to be able to grasp it. Alternatively, a porous structure having a high porosity may be crushed due to crosslinking between molecules. Therefore, it is important to find the optimum conditions by properly combining the treatment temperature and time.

전술한 바와 같이, 상기 골격의 강직성이 지나치게 높은 경우 유연성이 낮아 성형이 어렵고 부스러져버릴 수 있으며, 이러한 지지체에 전해질을 함침시켜 제조한 복합 전해질막은 온도나 습도와 같은 조건에 따른 치수변화를 견디지 못하고 쉽게 깨어질 수 있다. 따라서, 상기 PAN 공중합체는, 유연성 및 친수성을 부여하여 성형을 용이하게 하고 고분자 전해질과의 혼화성을 향상시키기 위하여, 에틸렌(ethylene) 골격과 측쇄에는 알콕시카보닐(alkoxycarbonyl) 또는 알카논옥시(alkanonoxy)를 포함하는 단위체를 1 내지 10 중량%로 포함하는 것이 바람직하다.As described above, when the stiffness of the skeleton is too high, it may be difficult to mold and be broken due to low flexibility, and the composite electrolyte membrane manufactured by impregnating the support with an electrolyte cannot withstand dimensional changes according to conditions such as temperature or humidity. It can be easily broken. Accordingly, in order to provide flexibility and hydrophilicity to facilitate molding and to improve compatibility with a polymer electrolyte, the PAN copolymer has alkoxycarbonyl or alkanonoxy It is preferable to include 1 to 10% by weight of the unit containing).

상기 에틸렌(ethylene) 골격과 측쇄에는 알콕시카보닐(alkoxycarbonyl) 또는 알카논옥시(alkanonoxy)를 포함하는 단위체의 비제한적인 예로는 메틸 메타크릴레이트(methyl methacrylate; MMA), 메틸 아크릴레이트(methyl acrylate), 비닐 아세테이트(vinyl acetate), 등이 있다. 상기 단위체는 메틸 메타크릴레이트인 것이 바람직하다.Non-limiting examples of units including alkoxycarbonyl or alkanonoxy in the ethylene skeleton and side chains include methyl methacrylate (MMA), and methyl acrylate. , Vinyl acetate, and the like. It is preferable that the unit is methyl methacrylate.

본 발명의 구체적인 실시예에서는 아크릴로니트릴 및 메틸 메타크릴레이트를 94:6의 질량비로 혼합하여 중합시킴으로써 메틸 메타크릴레이트를 6 중량% 포함하는 PAN 공중합체를 합성하여 사용하였다.In a specific example of the present invention, a PAN copolymer containing 6% by weight of methyl methacrylate was synthesized and used by polymerization by mixing acrylonitrile and methyl methacrylate at a mass ratio of 94:6.

한편, 부직포로 성형하기 위한 전기 방사에 사용하는 상기 PAN 공중합체 용액의 농도는 8 내지 15 중량%일 수 있다. 바람직하게는 10 중량%의 농도로 사용할 수 있다. 상기 공중합체 용액의 농도가 너무 낮으면 점도가 낮아 짧게 끊어지므로 전기 방사에 의해 높은 다공성을 제공하는 균일한 기공을 갖는 부직포로 성형하기 어렵다. 한편, 농도가 너무 높은 경우에는 점도가 높아져 엉기거나 응집되거나 하는 현상이 발생할 수 있으므로 또한 균일한 기공을 갖는 부직포로 성형하기 어렵다.Meanwhile, the concentration of the PAN copolymer solution used for electrospinning for molding into a nonwoven fabric may be 8 to 15% by weight. Preferably it can be used in a concentration of 10% by weight. If the concentration of the copolymer solution is too low, the viscosity is low and it is cut short, so it is difficult to form a nonwoven fabric having uniform pores that provides high porosity by electrospinning. On the other hand, if the concentration is too high, the viscosity may increase, resulting in a phenomenon such as agglomeration or agglomeration, so it is difficult to form a nonwoven fabric having uniform pores.

본 발명에 따른 다공성 지지체는 60 내지 80% 다공성(porosity)을 갖는 것이 바람직하다. 부직포 내 기공의 존재 및 높은 다공성으로 인해, 추후 전해질막 제조시 전해질 용액을 함침시킬 때, 다량의 전해질을 기공에 함유할 수 있으므로, 양성자 전도도가 낮은 PAN계 공중합체에 의한 이온 전도도 감소를 상쇄시킬 수 있다. 이때, 다공성이 60% 미만이면 충분한 양의 전해질을 함유하지 못하므로 전해질막으로서 충분한 전도도를 제공할 수 없으며, 80%를 초과하는 경우에는 지지체의 강도가 낮아져 지지체로서의 기능을 할 수 없다. It is preferable that the porous support according to the present invention has 60 to 80% porosity. Due to the presence of pores and high porosity in the nonwoven fabric, a large amount of electrolyte may be contained in the pores when the electrolyte solution is impregnated in the subsequent manufacturing of the electrolyte membrane, so that the decrease in ionic conductivity due to the PAN-based copolymer with low proton conductivity will be offset. I can. At this time, if the porosity is less than 60%, a sufficient amount of electrolyte cannot be contained, and thus sufficient conductivity cannot be provided as an electrolyte membrane, and if the porosity exceeds 80%, the strength of the support is lowered and thus it cannot function as a support.

또한, 본 발명에 따라 PAN 고분자 용액의 전기 방사 및 산화를 통해 제조되는 다공성 지지체는 높은 다공성을 나타냄은 물론 균일한 크기의 기공을 가지므로, 기공의 크기가 균일하지 않은 다른 부직포와 비교하여, 전해질 고분자가 함침된 복합막 형성시 현저히 우수한 전도도 및 내구성을 발휘한다. In addition, the porous support produced by electrospinning and oxidation of the PAN polymer solution according to the present invention exhibits high porosity and has pores of a uniform size, so that the electrolyte is compared with other nonwoven fabrics having a non-uniform pore size. When forming a polymer-impregnated composite film, it exhibits remarkably excellent conductivity and durability.

본 발명에 따른 다공성 지지체는 평균 직경 0.5 내지 1.5 μm의 기공을 갖는 것이 바람직하다. 기공이 지나치게 작으면 전해질 고분자 함침이 용이하지 않고, 기공이 지나치게 크면 전해질 고분자가 기공 내에 머무르지 못하고 흘러나와 함침이 어려운 단점이 있다.The porous support according to the present invention preferably has pores having an average diameter of 0.5 to 1.5 μm. If the pores are too small, impregnation of the electrolyte polymer is not easy, and if the pores are too large, the electrolyte polymer does not stay in the pores and flows out, making impregnation difficult.

본 발명에 따른 다공성 지지체는 10 내지 30 μm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 다공성 지지체는 연료전지의 전해질막에서 요구되는 기계적 강도나 치수 안정성을 제공할 수 있는 반면, 지지체 자체의 전도도가 낮아서 막 저항이 발생한다. 따라서, 기계적 강도를 유지할 수 있되 두께를 최소화하여 저항을 낮추는 것이 바람직하다. It is preferable that the porous support according to the present invention has a thickness of 10 to 30 μm. While the porous support can provide the mechanical strength or dimensional stability required in the electrolyte membrane of a fuel cell, the support itself has low conductivity, resulting in membrane resistance. Therefore, it is preferable to maintain the mechanical strength, but to minimize the thickness to lower the resistance.

본 발명의 일 실시예에서는, PAN 공중합체를 전기 방사하여 부직포를 형성한 후 산화시킨 지지체를, 고분자 전해질을 용해시키기 위한 용매인 NMP에 담궈 용해되는지를 확인하였다. 그 결과, 도 4b에 나타난 바와 같이, 수 주가 지난 후에도 용해되지 않고 원형을 유지함을 확인하였다. 따라서, 본 발명은 내용제성이 우수한 지지체를 제공할 수 있다.
In an embodiment of the present invention, it was confirmed whether the PAN copolymer was electrospun to form a nonwoven fabric, and then the oxidized support was immersed in NMP, a solvent for dissolving the polymer electrolyte, to dissolve. As a result, as shown in FIG. 4B, it was confirmed that it was not dissolved and maintained the original shape even after several weeks had passed. Therefore, the present invention can provide a support having excellent solvent resistance.

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, a non-limiting example of a polymer electrolyte that can be impregnated into the support according to the present invention is a hydrocarbon-based polymer electrolyte. Non-limiting examples of hydrocarbon-based polymer electrolytes include sulfonated polyimide, sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES), sulfonated polyether ketone (sulfonated poly(ether)). 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 etherbenzimi Dazole (sulfonated poly(arylene ether benzimidazole); SPAEBI). In addition, a preferred example of the hydrocarbon-based polymer electrolyte is a sulfonated poly(arylene ether sulfone) copolymer or a polymer represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112013117969517-pat00001
Figure 112013117969517-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 PAN 지지체의 시아노기와 상호작용할 수 있으므로, 지지체에 함침시켰을 때, 우수한 혼화성을 제공할 수 있다.Since the hydrocarbon-based electrolyte including a sulfonated group can interact with the cyano group of the PAN support through a sulfonic acid group, when impregnated into the support, excellent miscibility can be provided.

이때, 술폰화된 탄화수소계 고분자 전해질은 40 내지 60 몰% 술폰화도를 갖는 것이 바람직하다. 술폰화도가 60몰%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.At this time, it is preferable that the sulfonated hydrocarbon-based polymer electrolyte has a degree of sulfonation of 40 to 60 mol%. If the degree of sulfonation exceeds 60% by mole, the hydrophilicity of the membrane becomes high, so that it is dissolved in water and may not be impregnated in the support and may be eluted, whereas if the degree of sulfonation is less than 40%, the ionic conductivity of the membrane may be significantly lowered .

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 전도도뿐만 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 감소시켜 나피온 212 보다 낮은 수준을 나타냄을 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. 복합막의 치수 변화는 물에서 91%로부터 51%로 감소하였으며, 영률(Young's modulus)은 거의 3배로 향상된 값을 나타내었다. 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 50 mol% sulfonation degree was synthesized so as to exhibit high conductivity but not dissolve in a solvent. It was confirmed that the composite membrane prepared by impregnating the SPAES copolymer into the porous support according to the present invention (Example 3) improved mechanical properties, dimensional stability, and durability as well as proton conductivity. In particular, as a result of measuring the dimensional change in wet and dry conditions, it was confirmed that the dimensional change in the area direction that may cause breakage of the electrolyte membrane was significantly reduced, indicating a lower level than Nafion 212 (FIG. 6). Further, through a fuel cell driving test, the properties of the composite membrane prepared according to Example 3 were compared with those of the pure SPAES copolymer polymer membrane, and the effect of the porous support according to the present invention was confirmed. The dimensional change of the composite membrane decreased from 91% to 51% in water, and the Young's modulus showed an almost three-fold improvement. However, the proton conductivity measured at various temperatures and humidity decreased in the composite membrane, which is due to the blocking of the proton path by the porous support, but the porous support according to the present invention exhibits improved strength, so that the It can be offset by shortening.

본 발명의 제3양태는 본 발명에 따른 복합 전해질막을 전해질막으로 구비한 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly; MEA)를 제공한다.A third aspect of the present invention provides a membrane-electrode assembly (MEA) comprising the composite electrolyte membrane according to the present invention as an electrolyte membrane.

예컨대, 환원극과 산화극 사이에 본 발명에 따른 복합막을 개재하고 고온가압하여 막-전극 접합체(MEA)을 제조할 수 있다. 이때 열 압착시 압력은 0.5 내지 2 톤(ton), 온도는 40 내지 250 ℃ 가 바람직하다.For example, a membrane-electrode assembly (MEA) can be manufactured by interposing the composite film according to the present invention between the cathode and the anode and pressing at high temperature. At this time, the pressure during thermal compression is 0.5 to 2 tons, 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. 전해질막의 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 in the membrane-electrode assembly is an alloy catalyst such as Pt, Pt-Ru, Pt-Sn, Pt-Pd, or Pt/C, Pt-Ru/C coated with fine carbon particles, or Pb, Metal materials such as Ru, Bi, Sn and Mo may be deposited on Pt to be used, but any material suitable for oxidation of hydrogen and reduction of oxygen may be used without limitation. You can also use those sold commercially by Johnson Matthey, E-Tek, etc. Since the electrode catalyst adhered to both sides of the electrolyte membrane acts as a cathode and an anode, respectively, it may be used in different amounts depending on the reaction rate at both electrodes, and different types of catalysts may be used.

상기 막-전극 접합체는 당업자에 공지된 방법을 사용하여 제조할 수 있으며, 제조방법의 비제한적인 예로는 데칼법, 스프레이법, CCG법 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 a person skilled in the art, and various methods such as a decal method, a spray method, and a CCG method may be used as non-limiting examples of the manufacturing method. In a specific embodiment of the present invention, the membrane-electrode assembly was manufactured 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 위에 도포한 다음 건조하여 촉매층을 형성하는 단계; 상기 GDL 위에 형성된 촉매층을 본 발명에 따른 복합막의 양면에 상기 촉매층이 전해질막을 향하도록 배향하여 적층하는 단계; 및 적층한 후 고온가압하여(hot pressing) 막-전극 접합체를 형성하는 단계를 포함하는 방법일 수 있다.
Specifically, a non-limiting method of manufacturing the membrane-electrode assembly may include applying a catalyst slurry in which a catalyst, a hydrogen ion conductive polymer, and a dispersion medium are mixed on a GDL, followed by drying to form a catalyst layer; Stacking the catalyst layers formed on the GDL on both surfaces of the composite membrane according to the present invention, with the catalyst layers facing the electrolyte membrane; And hot pressing after lamination to form a film-electrode assembly.

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

바람직하게 상기 본 발명에 따른 막-전극 접합체를 구비한 연료전지의 비제한적인 예로는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell) 등이 있다.
Preferably, non-limiting examples of the fuel cell having the membrane-electrode assembly according to the present invention include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) and a direct methanol fuel cell (DMFC). have.

본 발명에 따른 다공성 지지체 상에 전해질 고분자가 함침된 복합막은 높은 기공도를 유지하면서도 우수한 기계적 물성, 치수안정성, 내구성을 발휘한다.
The composite membrane impregnated with an electrolyte polymer on a porous support according to the present invention exhibits excellent mechanical properties, dimensional stability, and durability while maintaining high porosity.

도 1은 PAN 공중합체의 합성과정을 개략적으로 나타낸 도이다. (a)는 산화 전, (b)는 산화 후의 PAN 공중합체를 나타낸다.
도 2는 SPAES 공중합체의 합성과정을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 3은 합성한 PAN 부직포의 (a) 표면 및 (b) 단면의 SEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 4는 PAN 부직포의 기공 크기 분포 및 NMP에서의 용해도를 나타낸 도이다.
도 5는 SPAES50 및 PAN 부직포로 구성된 복합막의 이미지를 나타낸 도이다. (a)는 실물, (b)는 표면, 그리고 (c)는 단면 이미지를 나타낸다.
도 6은 나피온 212, SPAES50 및 복합막의 치수 변화를 나타낸 도이다.
도 7은 100% 상대습도 조건 하에서 온도에 따른 나피온 212, SPAES50 및 PAN/SP50의 양성자 전도도를 나타낸 도이다.
도 8은 습도 조건에 따른 나피온 212, SPAES50 및 PAN/SP50의 양성자 전도도를 나타낸 도이다(80℃, 50 kPa 배압).
도 9는 0.85 V의 DC 전위에서 전기화학적 임피던스 분광법에 의해 측정한 SPAES50 및 PAN/SP50의 MEA 저항을 나타낸 도이다(70℃, 100% 상대습도).
도 10은 나피온 212, SPAES50 및 PAN/SP50의 싱글 셀 성능을 나타낸 도이다. (a)는 70℃, 100% 상대습도, (b)는 70℃, 50% 상대습도 조건에서 측정된 결과를 나타낸다.
도 11은 OCV 지속법을 포함하는 습윤-건조 사이클링을 사용한 SPAES50 및 PAN/SP50의 내구성 테스트 결과를 나타낸 도이다.
도 12는 사이클 횟수에 따른 SPAE50 및 PAN/SP50의 수소 교차혼합(hydrogen crossover) 양을 나타낸 도이다.
1 is a diagram schematically showing the synthesis process of the PAN copolymer. (a) shows the PAN copolymer before oxidation and (b) after the oxidation.
2 is a diagram schematically showing the synthesis process of the SPAES copolymer.
3 is a diagram showing SEM images of the (a) surface and (b) cross-section of the synthesized PAN nonwoven fabric.
4 is a diagram showing the pore size distribution and solubility in NMP of the PAN nonwoven fabric.
5 is a diagram showing an image of a composite film composed of SPAES50 and PAN nonwoven fabric. (a) shows the real object, (b) shows the surface, and (c) shows the cross-sectional image.
6 is a diagram showing the dimensional change of Nafion 212, SPAES50, and composite membranes.
7 is a diagram showing the proton conductivity of Nafion 212, SPAES50, and PAN/SP50 according to temperature under 100% relative humidity conditions.
8 is a diagram showing the proton conductivity of Nafion 212, SPAES50, and PAN/SP50 according to humidity conditions (80°C, 50 kPa back pressure).
9 is a diagram showing the MEA resistance of SPAES50 and PAN/SP50 measured by electrochemical impedance spectroscopy at a DC potential of 0.85 V (70° C., 100% relative humidity).
10 is a diagram showing single cell performance of Nafion 212, SPAES50, and PAN/SP50. (a) shows the results measured under conditions of 70°C and 100% relative humidity, and (b) at 70°C and 50% relative humidity.
11 is a diagram showing the results of durability tests of SPAES50 and PAN/SP50 using wet-dry cycling including OCV sustaining method.
12 is a diagram showing the amount of hydrogen crossover of SPAE50 and PAN/SP50 according to the number of cycles.

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 through examples. These examples are for explaining the present invention more specifically, 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)은 Solvay Advanced Polymers(USA)로부터 구입하여 에탄올로 재결정하였다. 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) 또한 순도를 높이기 위하여 에탄올로 재결정하였다. N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone; NMP, Junsei), 무수 톨루엔(Aldrich), 95-97% 황산(Merck), 디메틸술폭사이드(dimethylsulfoxide; DMSO, Aldrich), 디메틸포름아미드(dimethylformamide; DMF, Aldrich) 및 아조비스이소부티로니트릴(azobisisobutyronitrile; AIBN, Aldrich)은 추가적인 과정 없이 사용하였다. 무수 탄산칼륨(potassium carbonate; K2CO3, Aldrich)은 사용 전에 200℃, 진공에서 48시간 동안 건조시켰다. 아크릴로니트릴(acrylonitrile; AN) 및 메틸메타크릴레이트(methyl methacrylate; MMA)는 삼전화학(South Korea)으로부터 구입하였다. 전기 방사 공정을 위하여, 내경 0.51 mm, 외경 0.81 mm 및 길이 13 mm의 스테인레스 스틸 바늘(stainless steel needle, MN-21G-13, Iwashita Engineering, Japan)을 사용하였다.
4,4'-Difluorodiphenyl sulfone (DFDPS) was purchased from Solvay Advanced Polymers (USA) and recrystallized from ethanol. 3,3'-disulfonated-4,4'-difluorodiphenyl sulfone (3,3'-disulfonated-4,4'-difluorodiphenyl sulfone; SDFDPS) was synthesized according to a known method. 4,4'-bisphenol (4,4'-Bisphenol; BP, TCI) was also recrystallized with ethanol to increase the purity. N-methyl-2-pyrrolidone (NMP, Junsei), anhydrous toluene (Aldrich), 95-97% sulfuric acid (Merck), dimethylsulfoxide (DMSO, Aldrich), dimethyl Formamide (dimethylformamide; DMF, Aldrich) and azobisisobutyronitrile (AIBN, Aldrich) were used without additional procedures. Anhydrous potassium carbonate (K 2 CO 3 , Aldrich) was dried at 200° C. for 48 hours in vacuum before use. Acrylonitrile (AN) and methyl methacrylate (MMA) were purchased from Samjeon Chemical (South Korea). For the electrospinning process, a stainless steel needle (stainless steel needle, MN-21G-13, Iwashita Engineering, Japan) having an inner diameter of 0.51 mm, an outer diameter of 0.81 mm, and a length of 13 mm was used.

실시예Example 2: 2: PANPAN 부직포( Non-woven( nonwovennonwoven )의 제조) Of manufacture

AN과 MMA 단량체를 94:6의 질량비로 이용하여 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN) 공중합체를 합성하였고 이를 도 1a에 개략적으로 나타내었다. 먼저, AN(70.5 g)과 MMA(4.5 g) 단량체를 질소 분위기의 기계적 교반기를 구비한 4구 플라스크에 첨가하였다. 상기 반응기에 탈이온수(279.0 g)를 첨가하였다. 반응기를 70℃까지 가열하고, DMF에 녹인 20 중량% AIBN(0.8 g) 용액을 상기 혼합물에 첨가하고 30분 동안 교반하였다. 중합화한 시료는 여과하고 남아있는 반응물을 제거하기 위하여 메탄올로 서너번 완전히 세척하였다. 이후 대류 하에(under convection) 50℃에서 48시간 동안 건조시켰다.A polyacrylonitrile (PAN) copolymer was synthesized using AN and MMA monomers in a mass ratio of 94:6, which is schematically shown in FIG. 1A. First, AN (70.5 g) and MMA (4.5 g) monomers were added to a four-necked flask equipped with a mechanical stirrer in a nitrogen atmosphere. Deionized water (279.0 g) was added to the reactor. The reactor was heated to 70° C., and a 20 wt% AIBN (0.8 g) solution dissolved in DMF was added to the mixture and stirred for 30 minutes. The polymerized sample was filtered and washed three or four times with methanol to remove the remaining reactants. Then, it was dried at 50° C. for 48 hours under convection.

이후, 전기 방사법을 이용하여 PAN 부직포를 제조하였다. 가해진 전기장에 의해 형성된 인장력에 반응하여 DMSO에 녹인 10 중량% PAN 용액을 실린지로부터 방출하였다. 전기 방사된 섬유는 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 PAN 부직포는 여분의 용매를 제거하기 위하여 진공 하에 160℃에서 2시간 동안 건조시켰다. 마지막으로, 건조한 PAN 부직포를 240℃에서 1.5시간 동안 산화제(oxidizer)로 처리하여 산화시켰였다(도 1b). 구체적으로 산소를 포함하는 오븐에서 240℃로 1.5시간 처리하였다.
Thereafter, a PAN nonwoven fabric was manufactured using an electrospinning method. In response to the tensile force formed by the applied electric field, a 10% by weight PAN solution dissolved in DMSO was released from the syringe. The electrospun fibers were collected on a cylindrical drum collector. The electric voltage was 10 kV, and a syringe pump (KD Scientific-100, USA) was used to supply the solution at a constant throughput. The distance from the nozzle tip to the collector was fixed at 10 cm. The formed PAN nonwoven fabric was dried at 160° C. for 2 hours under vacuum to remove excess solvent. Finally, the dried PAN nonwoven fabric was oxidized by treating with an oxidizer at 240° C. for 1.5 hours (FIG. 1B). Specifically, it was treated for 1.5 hours at 240°C in an oven containing oxygen.

실시예Example 3: 막의 제조 3: Preparation of the membrane

기계적 교반기, 아르곤 기체 주입구, 콘덴서 및 딘-스탁 트랩(Dean-Stark trap)을 구비한 4구 플라스크에서 SDFDPS, DFDPS 및 BP을 이용한 방향족 친핵성 단계-성장 중합화(aromatic nucleophilic step-growth polymerization)를 수행하여 SPAES50을 합성하였다. 도 2에는 복합막(composite membrane) 제조를 위한 이오노머(ionomer)로서 사용되는 SPAES50 공중합체 합성 방법을 개략적으로 나타내었다. 편평한 막을 형성하기 위하여 바 코팅 방법(bar coating method)을 사용하여 실시예 2에 따라 제조된 PAN 부직포 내로 NMP에 용해시킨 고분자(SPAES50) 용액(15 중량%)을 함침시켜(impregnating) 복합막을 제조하였다. PAN 부직포와 함께 고분자 용액을 유리 상에 80℃에서 6시간 동안 오븐에서 건조시키고, 상기 제조된 막을 연속하여 진공 하에 120℃에서 12시간 동안 건조시켜 여분의 용매를 완전히 제거하였다. 마지막으로, 막을 24시간 동안 1.5 M 황산에서 산성화하고, 이어서 탈이온수로 실온에서 24시간 동안 세척하였다.
Aromatic nucleophilic step-growth polymerization using SDFDPS, DFDPS and BP in a four neck flask equipped with a mechanical stirrer, argon gas inlet, condenser and Dean-Stark trap. To synthesize SPAES50. 2 schematically shows a method of synthesizing a SPAES50 copolymer used as an ionomer for preparing a composite membrane. In order to form a flat film, a composite film was prepared by impregnating a polymer (SPAES50) solution (15% by weight) dissolved in NMP into the PAN nonwoven fabric prepared according to Example 2 using a bar coating method. . The polymer solution together with the PAN nonwoven fabric was dried in an oven at 80° C. for 6 hours on glass, and the prepared membrane was continuously dried at 120° C. for 12 hours under vacuum to completely remove the excess solvent. Finally, the membrane was acidified in 1.5 M sulfuric acid for 24 hours and then washed with deionized water at room temperature for 24 hours.

실시예Example 4: 막의 특성분석 4: Characterization of the membrane

겔 투과 크로마토그래피(gel permeation chromatography; GPC, Waters, Tosoh)로 실시예 2에 따라 합성된 PAN 공중합체의 분자량(molecular weight; Mw)을 확인하였다. PAN 부직포의 기공 크기 분포는 고차적 모세관 유동 공극측정기(advanced capillary flow porometer, ACFP-1500AE, 갈윅(Galwick) 용액을 사용하는 젖음/건조법(wet up/dry up method))를 사용하여 측정하였다. 완전히 수화된 상태의 젖은 막과 120℃에서 진공 건조 후 측정한 건조 막 간의 부피 및 질량의 차이로부터 수치 변화(dimensional change; 면적, 두께 및 부피) 및 물 흡수량(amount of water uptake)을 결정하였다. 물질 테스팅 기기(LLOYD instrument LR5K)를 사용하여 완전히 수화된 상태에서 25℃에서 50 mm/min의 크로스헤드 속도(crosshead speed)로 상기 막의 기계적 성질을 확인하였다.The molecular weight (Mw) of the PAN copolymer synthesized according to Example 2 was confirmed by gel permeation chromatography (GPC, Waters, Tosoh). The pore size distribution of the PAN nonwoven fabric was measured using an advanced capillary flow porometer (ACFP-1500AE, wet up/dry up method using a Galwick solution). The dimensional change (area, thickness and volume) and the amount of water uptake were determined from the difference in volume and mass between the fully hydrated wet film and the dry film measured after vacuum drying at 120°C. The mechanical properties of the membrane were confirmed with a crosshead speed of 50 mm/min at 25° C. in a fully hydrated state using a material testing instrument (LLOYD instrument LR5K).

주사전자현미경(SEM, XL-30S FEG, Philips)을 이용하여 PAN 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.A scanning electron microscope (SEM, XL-30S FEG, Philips) was used to observe the surface and cross-sectional images of the PAN nonwoven fabric and the composite film. Prior to SEM image processing, the specimen was coated with platinum for 2 minutes in vacuum using a sputter coating machine (Sputter Coater, Q150T ES, Quorumtech, USA).

자동 적정기(automatic titrator, Metroohm 794 Basic Titrino)로 단위 질량의 막(1 g) 당 술폰산기의 당량(equivalent)을 측정하여, 이온교환능(ion exchange capacity; IEC)으로 나타내었다. 4-탐침 전도도 셀을 사용하여 0.1 Hz 내지 4 MHz의 주파수 범위에 걸쳐 평면 내 방향(in-plane direction)으로 100% 상대습도에서 온도를 변화(25℃로부터 80 ℃까지)시키면서 AC 임피던스 분석기(SP-300, Impedance/gain phase analyzer)를 이용하여 막의 양성자 전도도 측정을 수행하였다. 각 측정 전 온도 챔버(ESPEC, SH-241)에서 1시간 동안 평형화(equilibration)하였다. 하기 수식 (1)을 이용하여 양성자 전도도를 계산하였다:The equivalent of sulfonic acid groups per unit mass of membrane (1 g) was measured with an automatic titrator (Metroohm 794 Basic Titrino) and expressed as ion exchange capacity (IEC). Using a 4-probe conductivity cell, an AC impedance analyzer (SP) with a temperature change (from 25°C to 80°C) at 100% relative humidity in the in-plane direction over a frequency range of 0.1 Hz to 4 MHz. -300, Impedance/gain phase analyzer) was used to measure the proton conductivity of the membrane. It was equilibrated for 1 hour in a temperature chamber (ESPEC, SH-241) before each measurement. Proton conductivity was calculated using the following formula (1):

양성자 전도도(S/cm) = l / R × S (1)Proton conductivity (S/cm) = l / R × 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. 또한 동일한 4-탐침을 이용하여 습도 조건을 조절할 수 있는 평면 내 전도도 시스템(in-plane conductivity system, BekkTech, BT-512)으로 80℃의 다양한 조건(상대습도 20%로부터 80%까지)에서 양성자 전도도를 측정하였다.
Where l is the distance between electrodes, R is an electrochemical impedance spectroscopy (EIS) curve (x-axis = real part (Z'), y-axis = imaginary part (Z'') using the x-axis intercept value The calculated membrane resistance, and S is the cross-sectional surface area of the membrane, and an in-plane conductivity system (BekkTech, BT) that can control the humidity conditions using the same 4-probe. -512) was measured for proton conductivity under various conditions (from 20% relative humidity to 80%) at 80°C.

실시예Example 5: 5: PANPAN 공중합체 기반 Copolymer based 복합막을Composite membrane 이용한 Used MEAMEA 의 제조Manufacture of

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 실시예 3에서 제조한 복합막을 전해질막으로 사용하여 막전극접합체(membrane electrode assemblies; MEA)를 제조하였다. 전극의 활성표면적은 25 cm2였다. 상기 제조한 막전극접합체를 음극에서 수소로, 양극에서 공기로 70℃에서 24시간 동안 활성화하였다(화학량론 계수(stoichiometric coefficient)=1.2/2). 이어서, 테스트 스테이션(FCT-TS300, Fuel Cell Technologies, Inc.)을 사용하여 막전극접합체에 대해 배압(backpressure) 0, 70℃, 상대습도 100%에서 25초 당 50 mV의 단계적 변화로 0.5 V 내지 1.0 V 사이에서 순환에 의해 전기화학적으로 평가하였다. 또한, 10 mHz 내지 1 MHz 범위의 AC 주파수를 갖는 0.85 V의 DC 전위에서 면에 걸친(through-plane) MEA의 저항을 관찰하기 위하여 전기화학적 임피던스 분광법 측정을 수행하였다. 양극으로 30분간 질소 퍼징(purging) 후 DC 전원장치(DC power supply; Agilent N5744A) 수소 교차혼합도(degree of hydrogen crossover)를 측정하였다. 양극 및 음극에 각각 작업전극(working electrode) 및 기준전극(reference electrode)을 연결하고, 0.15 내지 0.3 V의 전위를 싱글 셀에 적용하였다. 음극으로부터 막을 통과한 수소가 양극에서 산화하면서 발생하는 전류를 기록하였다.
In order to evaluate single cell performance, Example 3 with gas-diffusion layers coated with Pt/C and Nafion binder (50 wt% Pt/C, 0.4 mg Pt/cm 2 , FuelCellPower Inc.) Membrane electrode assemblies (MEA) were manufactured using the composite membrane prepared by as an electrolyte membrane. The active surface area of the electrode was 25 cm 2 . The prepared membrane electrode assembly was activated with hydrogen at the cathode and air at the anode at 70° C. for 24 hours (stoichiometric coefficient = 1.2/2). Then, using a test station (FCT-TS300, Fuel Cell Technologies, Inc.), the backpressure for the membrane electrode assembly was 0, 70° C., at 100% relative humidity, at a stepwise change of 50 mV per 25 seconds from 0.5 V to It was evaluated electrochemically by cycling between 1.0 V. In addition, electrochemical impedance spectroscopy measurements were performed to observe the resistance of the through-plane MEA at a DC potential of 0.85 V with an AC frequency in the range of 10 mHz to 1 MHz. After purging with nitrogen for 30 minutes with the anode, the degree of hydrogen crossover of a DC power supply (Agilent N5744A) was measured. A working electrode and a reference electrode were connected to the positive and negative electrodes, respectively, and a potential of 0.15 to 0.3 V was applied to the single cell. The current generated when hydrogen passed through the film from the cathode oxidized at the anode was recorded.

결과result

실시예 2에 따라 제조한, 분자량(Mw) 450 kg/mol의 적절한 산화 안정성(feasible oxidative stability)을 갖는 전기 방사된 PAN 부직포의 형태적 특성을 SEM 이미지를 이용하여 분석하였다. 도 3a 및 b에는 성공적으로 다섬유성 부직포의 형태로 형성된 PAN 부직포(두께=18±2 μm)의 표면 및 단면의 SEM 이미지를 나타내었다. PAN 부직포에서 섬유의 직경은 600 nm 내지 1200 nm 범위로 결정되었으며, PAN 섬유는 다소 용해되어 서로 결합하는 것처럼 보였다. PAN 부직포의 기공 크기 및 기공 크기 분포를 정량분석하여 그 결과를 도 4a에 나타내었다. PAN 부직포의 평균 기공 직경은 약 1 μm이며, 0.5 μm 내지 1.5 μm 범위에 균일하게 분포하였다. 또한, PAN 부직포의 중량 및 부피를 이용하여 80%의 다공성을 가짐을 확인하였다.The morphological properties of the electrospun PAN nonwoven fabric having a feasible oxidative stability of 450 kg/mol molecular weight (Mw) prepared according to Example 2 were analyzed using SEM images. 3A and 3B show SEM images of the surface and cross section of a PAN nonwoven fabric (thickness = 18±2 μm) successfully formed in the form of a multifibrous nonwoven fabric. In the PAN nonwoven fabric, the diameter of the fibers was determined in the range of 600 nm to 1200 nm, and the PAN fibers were somewhat dissolved and appeared to bind to each other. The pore size and pore size distribution of the PAN nonwoven fabric were quantitatively analyzed, and the results are shown in FIG. 4A. The average pore diameter of the PAN nonwoven fabric was about 1 μm, and was uniformly distributed in the range of 0.5 μm to 1.5 μm. In addition, it was confirmed that it had a porosity of 80% using the weight and volume of the PAN nonwoven fabric.

유기용매의 저항성을 확인하기 위하여, SPAES50 공중합체를 이용한 복합막 형성에 사용되는 용매인 NMP를 사용하여 용해도 테스트를 수행하였다. 도 4b에 NMP 용매에 담그고 수 주 후 PAN 부직포의 이미지를 나타내었다. 그 결과, PAN 부직포는 NMP에서 불용성이며 따라서 SPAES50 용액에 포함시키기에 적합함을 확인하였다. 상기 결과로부터 나노크기의 섬유 및 치밀한(elaborate) 기공구조를 갖는 주목할 만한 부직포 물질을 양성자 교환 복합막에 사용할 수 있음을 확인하였다.In order to confirm the resistance of the organic solvent, a solubility test was performed using NMP, which is a solvent used to form a composite film using the SPAES50 copolymer. Figure 4b shows an image of the PAN nonwoven fabric after a few weeks after being immersed in the NMP solvent. As a result, it was confirmed that the PAN nonwoven fabric was insoluble in NMP and thus suitable for inclusion in the SPAES50 solution. From the above results, it was confirmed that a remarkable nonwoven material having a nano-sized fiber and elaborate pore structure can be used for the proton exchange composite membrane.

도 5는 실시예 3에 따라 PAN 부직포와 SPAES50을 이용하여 제조한 복합막(이하, PAN/SP50으로 표기)의 실물 이미지와 표면 및 측면의 SEM 이미지를 나타낸 도이다. 산화 PAN 기재(oxidative PAN substrate)로 인해 복합막은 검은 색을 띤다(도 5a). SPAES50 공중합체를 성공적으로 PAN 부직포 내에 함침시켰다(도 5b). PAN 부직포의 기공은 복합막의 표면에서는 나타나지 않았다. PAN 부직포가 막의 중심에 위치하는 단면 형태로부터 SPAES50 공중합체와 잘 혼합되었음을 확인하였다. 복합막의 두께는 약 35 μm였다(도 5c).5 is a diagram showing a real image and SEM images of the surface and side surfaces of a composite film (hereinafter referred to as PAN/SP50) manufactured using a PAN nonwoven fabric and SPAES50 according to Example 3. The composite film has a black color due to the oxidative PAN substrate (FIG. 5A). The SPAES50 copolymer was successfully impregnated into the PAN nonwoven (FIG. 5B ). Pore of the PAN nonwoven fabric did not appear on the surface of the composite membrane. It was confirmed that the PAN nonwoven fabric was well mixed with the SPAES50 copolymer from the cross-sectional shape positioned at the center of the membrane. The thickness of the composite film was about 35 μm (Fig. 5c).

일반적으로, 다섬유성 기재는 고분자 복합막의 기계적 성질 강화에 기여한다. 기계적 변화를 확인하기 위하여, 복합막의 인장력 테스트를 상온의 완전히 수화된 상태에서 수행하였다. 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다. PEMFC에 사용하기 위한 막의 영률(Young's modulus) 및 항복강도(yield strength)은 구동시 내구성을 위해 중요한 요소이다. 외력(external force)에 의해 변화가 유발될 때 이들 특성은 내구성 정도(degree of durability) 및 복원력의 한계(limits of restorability)를 나타낸다. 실시예 3에 따른 복합막의 경우, 강직한 충진 효과(rigid filler effect)를 갖는 다섬유성 물질(multi-fibrous material) 즉, PAN 부직포(영률 704.6 MPa)를 지지체로 사용함으로 인해 PAN/SP50의 영률(692.1 MPa)은 SPAES50에 대한 값(244.6 MPa) 및 Nafion 212에 대한 값(112.6 MPa)에 비해 현저히 더 높았다. 또한, 막의 항복강도는 영률과 유사한 경향을 나타내었다. PAN/SP50의 항복강도(13.8 MPa)는 SPAES50(9.2 MPa) 및 Nafion 212(9.0 MPa)에 대한 값보다 50% 가량 향상되었다. 이러한 기계적 성질은 극한의 조건에서 PEMFC의 구동에 있어서 중요한 요소이다. 내구성에 관여하는 다른 성질은 물에서의 치수 변화이다. 최적의 양성자 전도를 구현하기 위하여, 막은 PEMFC가 작동하는 동안 물을 필요로 한다. 따라서, 막은 술폰산기를 통해 물을 흡수하고 흡수된 물로 인해 부피가 팽창한다. 그러나, 이와 같이 팽창된 막은 흡수된 물의 양이 증가함에 따라 약해진다. 도 6에는 복합막과 순수 고분자 막의 치수 변화를 나피온 212와 비교하여 나타내었다. SPAES50의 높은 치수 변화는 PAN/SP50에서 91%로부터 50%로 감소하였으며, 상기 PAN/SP50에 대한 수치는 나피온 212에 대한 수치와 유사한 수준임을 확인하였다. 특히, 현저한 감소는 PAN/SP50의 면적-기반 변화(area-based variation)에서 나타났으며, 이는 막의 팽윤이, 도 6에 나타난 바와 같이, PAN 부직포에 의해 억제되기 때문인 것으로 유추된다. PAN/SP50의 면적-기반 팽창율은 19% 정도로, 이는 나피온 212에 대한 값인 26% 보다 더 낮은 값이었다. 이로부터, 물 흡수율이 치수 변화에 관여하는 것을 확인하였으며, 측정된 값은 하기 표 1에 나타내었다.In general, the multi-fibrous substrate contributes to strengthening the mechanical properties of the polymer composite membrane. In order to confirm the mechanical change, the tensile strength test of the composite membrane was performed in a completely hydrated state at room temperature. The results are shown in Table 1 below. The Young's modulus and yield strength of a film for use in PEMFC are important factors for durability during driving. When a change is caused by an external force, these properties represent the degree of durability and the limits of restorability. In the case of the composite membrane according to Example 3, the Young's modulus of PAN/SP50 due to the use of a multi-fibrous material having a rigid filler effect, that is, a PAN nonwoven fabric (Young's modulus 704.6 MPa) as a support. (692.1 MPa) was significantly higher than the value for SPAES50 (244.6 MPa) and the value for Nafion 212 (112.6 MPa). In addition, the yield strength of the film showed a similar tendency to the Young's modulus. The yield strength of PAN/SP50 (13.8 MPa) was improved by 50% over the values for SPAES50 (9.2 MPa) and Nafion 212 (9.0 MPa). These mechanical properties are an important factor in operating PEMFC under extreme conditions. Another property involved in durability is the dimensional change in water. In order to achieve optimal proton conduction, the membrane needs water while PEMFC is running. Thus, the membrane absorbs water through sulfonic acid groups and the volume expands due to the absorbed water. However, this expanded membrane weakens as the amount of absorbed water increases. 6 shows the dimensional change of the composite membrane and the pure polymer membrane compared with Nafion 212. The high dimensional change of SPAES50 decreased from 91% to 50% in PAN/SP50, and it was confirmed that the value for PAN/SP50 was similar to that for Nafion 212. In particular, a significant decrease was seen in the area-based variation of PAN/SP50, which is inferred because the swelling of the membrane is inhibited by the PAN nonwoven fabric, as shown in FIG. 6. The area-based expansion rate of PAN/SP50 was around 19%, which was lower than the 26% value for Nafion 212. From this, it was confirmed that the water absorption rate is involved in the dimensional change, and the measured values are shown in Table 1 below.

membrane IEC
(meq/g)
IEC
(meq/g)
물 흡수율
(wt%)
Water absorption rate
(wt%)
치수 변화
(부피%)
Dimensional change
(volume%)
영률
(MPa)
Young's modulus
(MPa)
항복강도
(MPa)
Yield strength
(MPa)
활성화 에너지
(Ea, kJ/mol)
Activation energy
(E a , kJ/mol)
나피온 212Nafion 212 0.900.90 2424 4343 112.6±8.4112.6±8.4 9.0±0.19.0±0.1 10.9±0.610.9±0.6 SPAES50SPAES50 2.012.01 7676 9191 244.6±37.6244.6±37.6 9.2±0.19.2±0.1 10.7±0.710.7±0.7 PAN/SP50PAN/SP50 1.711.71 5151 5050 692.1±38.9692.1±38.9 13.8±0.113.8±0.1 15.7±0.315.7±0.3 PAN 부직포PAN nonwoven -- -- -- 704.6±37.6704.6±37.6 15.8±0.315.8±0.3 --

완전히 수화된 조건에서 온도를 변화시키면서 복합막의 양성자 전도도를 확인하였고, 그 결과를 순수 고분자 막 및 나피온 212와 비교하여 도 7에 나타내었다. 25℃로부터 80℃로 온도가 증가함에 따라, 측정에 사용한 모든 막의 양성자 전도도는 증가하였다. PAN/SP50의 양성자 전도도는 상대습도 100%일 때 25℃ 및 80℃에서 각각 0.062 S/cm 및 0.164 S/cm이었으며, 모두 SPAES50에 대한 값(0.092 S/cm and 0.181 S/cm)보다 더 낮았다. PAN/SP50의 IEC 값 역시 1.71 meq/g로, 예상되는 바와 같이, SPAES50에 대한 값(2.01 meq/g)보다 더 낮았다. 따라서, 복합막의 양성자 전도도 감소도는 PAN 부직포의 다공성에 의해 결정할 수 있다. PAN/SP50의 양성자 전도도는 SPAES50에 비해 감소하였음에도 불구하고, 그 값은 80℃/100% 상대습도에서 Nafion 212에 대한 값에 가까웠다. 양성자 전도도의 온도 의존성을 확인하기 위하여, 절대온도의 역수(inverse of the absolute temperature)에 대해 도시한 양성자 전도도의 기울기를 계산하여 활성화 에너지(activation energy; Ea)를 확인하였다. Nafion 212(10.9 kJ/mol)와 SPAES50(10.7 kJ/mol)는 비슷한 활성화 에너지를 기록하였으나, PAN/SP50은 15.7 kJ/mol까지 증가된 활성화 에너지를 나타내었다. 이를 상기 표 1에 함께 기재하였다. 이러한 결과는 복합막에서 PAN 부직포가 양성자 수송을 위한 최소 에너지를 증가시키고, 양성자 전도도를 감소시킴을 나타내는 바이다. 또한, 낮은 상대습도에서 양성자 전도도를 확인하기 위하여, 상대습도 20% 및 80% 조건에서 실험을 수행하였다. 그 결과, 상대습도가 감소함에 따라, 양성자를 수송할 수 있는 막 주변의 물분자 수가 현저히 적어지므로, 모든 막에서 양성자 전도도는 습도가 낮아짐에 따라 감소하였다. 낮은 상대습도에서 SPAES50는 나피온 212에 비해 특히 더 낮은 양성자 전도도를 나타내었으며, 이는 나피온 212에 비해 SPAES50의 술폰산기에 의한 양성자 경로의 비효율적 연결성(ineffective connectivity)에 기인할 수 있다. PAN/SP50는 PAN 부직포가 양성자 장벽으로 작용하므로 측정에 사용된 막들 중 가장 낮은 연결성을 가지며, 따라서 낮은 상대습도에서 가장 낮은 양성자 전도도를 나타내었다(도 8).The proton conductivity of the composite membrane was confirmed while changing the temperature in the fully hydrated condition, and the results are shown in FIG. 7 compared with the pure polymer membrane and Nafion 212. As the temperature increased from 25°C to 80°C, the proton conductivity of all membranes used for the measurement increased. The proton conductivity of PAN/SP50 was 0.062 S/cm and 0.164 S/cm, respectively, at 25°C and 80°C at 100% relative humidity, and both were lower than the values for SPAES50 (0.092 S/cm and 0.181 S/cm). . The IEC value for PAN/SP50 was also 1.71 meq/g, which, as expected, was lower than the value for SPAES50 (2.01 meq/g). Therefore, the degree of decrease in proton conductivity of the composite membrane can be determined by the porosity of the PAN nonwoven fabric. Although the proton conductivity of PAN/SP50 decreased compared to SPAES50, the value was close to that of Nafion 212 at 80°C/100% relative humidity. In order to confirm the temperature dependence of the proton conductivity, the slope of the proton conductivity plotted against the inverse of the absolute temperature was calculated to determine the activation energy (E a ). Nafion 212 (10.9 kJ/mol) and SPAES50 (10.7 kJ/mol) recorded similar activation energy, but PAN/SP50 showed increased activation energy up to 15.7 kJ/mol. This is also described in Table 1 above. These results indicate that the PAN nonwoven fabric increases the minimum energy for proton transport and decreases the proton conductivity in the composite membrane. In addition, in order to confirm the proton conductivity at low relative humidity, experiments were performed under conditions of 20% and 80% relative humidity. As a result, as the relative humidity decreases, the number of water molecules around the membrane capable of transporting protons decreases significantly, and thus the proton conductivity in all membranes decreases as the humidity decreases. At low relative humidity, SPAES50 exhibited a particularly lower proton conductivity than Nafion 212, which may be due to ineffective connectivity of the proton pathway by sulfonic acid groups of SPAES50 compared to Nafion 212. PAN/SP50 has the lowest connectivity among the membranes used in the measurement, since the PAN nonwoven fabric acts as a proton barrier, thus exhibiting the lowest proton conductivity at low relative humidity (FIG. 8).

MEA 표면의 옴 및 계면 접촉 저항(ohmic and interfacial contact resistance; OCR)을 확인하기 위하여, EIS 기법을 이용하였다. OCR은 MEA의 향상된 성능에 관여하는 중요한 성질이며, x 축의 고주파수 절편(high frequency intercept value of x axis; ZRe)에 의해 계산된다. MEA에서 동일한 촉매 시스템을 사용할 때, OCR은 막 저항의 영향을 받는다. 도 9는 70℃/100% 상대습도에서 SPAES50 및 PAN/SP50의 OCR을 나타내며, 각각은 0.0072 Ω 및 0.0092 Ω이었다. 상기 결과는, OCR 값의 역수로부터 계산된 바, SPAES50이 PAN/SP50 보다 약 20% 높은 양성자 전도능을 가짐을 나타내는 바이다. 성능 상에서의 이러한 차이는 PAN 부직포의 다공성에 기인한다. 이어서, SPAES50, PAN/SP50 및 Nafion 212를 구비한 싱글 셀의 성능을 순수 고분자 막과 복합막을 비교하여 확인하였다. 70℃/100% 상대습도에서 PAN/SP50의 전류밀도는 0.6 V에서 1012 mA/cm2로, SPAES50에 대한 값(1109 mA/cm2)보다 다소 낮았다(도 10). 그러나, PAN/SP50은 나피온 212(1053 mA/cm2 at 0.6V)에 견줄만한 성능을 나타내었다. 이는 셀 성능 수준이 양성자 전도도 결과와 상관관계에 있음을 나타내는 바이다(도 10a). PAN/SP50의 상대적인 성능 향상은 SPAES50(45 μm) 및 나피온 212(50 μm)에 비해 더 얇게 성형할 수 있기 때문이며, 결과적으로 양성자 경로를 짧게함으로써 셀 저항을 감소시킬 수 있기 때문이다. 측정 조건이 70℃/50% 상대습도일 때, 0.6 V에서 SPAES50(788 mA/cm2) 및 PAN/SP50(691 mA/cm2)의 성능은 나피온 212(884 mA/cm2) 보다 낮으며, 따라서 낮은 상대습도 조건에서는 양성자 전도도에 대해서와 동일한 결과를 나타내었다.In order to check the ohmic and interfacial contact resistance (OCR) of the MEA surface, the EIS technique was used. OCR is an important property involved in the improved performance of MEA and is calculated by the high frequency intercept value of x axis (Z Re ). When using the same catalyst system in MEA, OCR is affected by membrane resistance. 9 shows the OCR of SPAES50 and PAN/SP50 at 70° C./100% relative humidity, each of which was 0.0072 Ω and 0.0092 Ω. The results are calculated from the reciprocal of the OCR value, indicating that SPAES50 has a proton conduction ability that is about 20% higher than that of PAN/SP50. This difference in performance is due to the porosity of the PAN nonwoven. Then, the performance of the single cell equipped with SPAES50, PAN/SP50 and Nafion 212 was confirmed by comparing the pure polymer membrane and the composite membrane. At 70° C./100% relative humidity, the current density of PAN/SP50 was 1012 mA/cm 2 at 0.6 V, which was slightly lower than the value for SPAES50 (1109 mA/cm 2 ) (FIG. 10). However, PAN/SP50 showed comparable performance to Nafion 212 (1053 mA/cm 2 at 0.6V). This indicates that the cell performance level correlates with the proton conductance results (FIG. 10A). The relative performance improvement of PAN/SP50 is because it can be molded thinner compared to SPAES50 (45 μm) and Nafion 212 (50 μm), and consequently, cell resistance can be reduced by shortening the proton path. When the measurement conditions are 70℃/50% relative humidity, the performance of SPAES50 (788 mA/cm 2 ) and PAN/SP50 (691 mA/cm 2 ) at 0.6 V is lower than that of Nafion 212 (884 mA/cm 2 ). Therefore, in the low relative humidity condition, the same result was obtained for the proton conductivity.

도 11에 가혹한 조건(rigorous condition) 하에서 셀을 구동하면서 막 내구성을 테스트한 결과를 나타내었다. 사용한 내구성 프로토콜은, 물리적 및 화학적 손상 특성(failure characteristics)을 동시에 확인하기 위한, 수화/탈수화 순환(hydration/dehydration cycling) 및 OCV 지속법(OCV hold method)을 사용하는 방법이었다. 수화/탈수화 순환 시간은 총 10분(각 5분)이었다. SPAES50는 약 500회 순환 이후 0.9 V 미만으로 하락한 반면, PAN 부직포의 보강효과에 의해 PAN/SP50은 1000회 순환까지 지속되었다. 이는 다양한 조건에서 PEMFC를 구동하는 동안 고분자 나노섬유가 막의 내구성을 향상시킬 수 있음을 나타내는 바이다. 수소 교차혼합은 음극으로부터 양극으로 막을 통한 수소 기체의 확산으로 나타난다. PEMFC에서 막 손상은 상기 수소 기체의 확산 발생 여부를 결정함으로써 확인할 수 있다. 도 12에 수화/탈수화 순환에 따른 SPAES50 및 PAN/SP50의 수소 교차혼합을 나타내었다. SPAES50 및 PAN/SP50의 초기 수소 교차혼합 수준은 거의 인지할 수 없었다. 이는 낮은 전류밀도로 확인되었다(0.001 A/cm2). 그러나, 500회 순환 후, SPAES50의 수소 교차혼합은 0.012 A/cm2까지 눈에 띄게 증가하였다. PAN/SP50에 대해서는, 1000회 순환 후 0.006A/cm2까지 증가하였으며, 이는 SPAES50의 500회 순환 후 측정된 값의 단지 절반 수준이었다. OCV 감소와 더불어, 수소 교차혼합은 연료전지 구동시 막 손상을 명확히 입증하였다. SPAES50 및 PAN/SP50의 싱글 셀 성능 및 내구성 평가 결과에 대한 분석을 통해, 전기 방사된 PAN 부직포를 포함하는 복합막은 PEMFC에 유용하게 사용될 수 있음을 확인하였다.
11 shows the results of testing the membrane durability while driving the cell under a rigorous condition. The durability protocol used was a method using hydration/dehydration cycling and OCV hold method to simultaneously check physical and chemical failure characteristics. The hydration/dehydration cycle time was a total of 10 minutes (5 minutes each). SPAES50 decreased to less than 0.9 V after about 500 cycles, while PAN/SP50 continued up to 1000 cycles due to the reinforcing effect of PAN nonwoven fabric. This indicates that the polymer nanofibers can improve the durability of the membrane while operating the PEMFC under various conditions. Hydrogen cross-mixing occurs as the diffusion of hydrogen gas through the membrane from the cathode to the anode. In PEMFC, membrane damage can be confirmed by determining whether or not diffusion of the hydrogen gas occurs. Figure 12 shows the hydrogen cross-mixing of SPAES50 and PAN/SP50 according to the hydration/dehydration cycle. The initial levels of hydrogen cross-mixing of SPAES50 and PAN/SP50 were hardly noticeable. This was confirmed as a low current density (0.001 A/cm 2 ). However, after 500 cycles, the hydrogen cross-mixing of SPAES50 increased significantly to 0.012 A/cm 2 . For PAN/SP50, it increased to 0.006A/cm 2 after 1000 cycles, which was only half of the value measured after 500 cycles of SPAES50. In addition to reducing OCV, hydrogen cross-mixing clearly demonstrated membrane damage during fuel cell operation. Through the analysis of the single cell performance and durability evaluation results of SPAES50 and PAN/SP50, it was confirmed that the composite membrane including the electrospun PAN nonwoven fabric can be usefully used for PEMFC.

결론conclusion

PAN 수지 부직포 내에 SPAES50을 함침시킴으로써 신규한 복합막을 성공적으로 개발하였다. 다양한 조건에서 장시간 구동에 적합한 복합막 제조를 위한 상기 PAN 부직포는 전기 방사법에 의해 제조되었다. 섬유 두께, 기공 크기 및 다공성을 측정하여 PAN 부직포를 분석하였다. PAN 부직포의 도입은 기계적 성질뿐만 아니라 치수 안정성을 향상시키기 위한 효과적인 수단임을 확인하였다. 그러나, PAN 부직포에 의한 양성자 전도 경로 차단에 의해 순수 고분자 막에 비해 복합막에서 양성자 전도도가 감소하였다. 싱글 셀 구동에 대해, 복합막은 순수 고분자 막에 비해 향상된 내구성을 나타낼 뿐만 아니라 유사한 수준의 성능을 나타내었다. 상기 복합막의 우수한 내구성은 수소 교차혼합에 의해 재차 확인되었다. PAN 부직포를 사용하는 복합막의 이러한 장점은 PEMFC 적용을 위한 막 기술을 향상시킬 수 있다.A novel composite film was successfully developed by impregnating SPAES50 into the PAN resin nonwoven fabric. The PAN nonwoven fabric for manufacturing a composite film suitable for long-time driving under various conditions was manufactured by electrospinning. The PAN nonwoven fabric was analyzed by measuring the fiber thickness, pore size and porosity. It was confirmed that the introduction of PAN nonwoven fabric is an effective means to improve not only mechanical properties but also dimensional stability. However, by blocking the proton conduction path by the PAN nonwoven fabric, the proton conductance was decreased in the composite membrane compared to the pure polymer membrane. For single cell driving, the composite membrane not only exhibited improved durability compared to the pure polymer membrane, but also exhibited similar levels of performance. The excellent durability of the composite membrane was confirmed again by hydrogen cross-mixing. This advantage of the composite membrane using PAN nonwoven fabric can improve the membrane technology for PEMFC application.

Claims (14)

폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN) 공중합체 용액을 전기 방사하여 형성한 부직포를 산화시켜 제조한 지지체 및 이에 함침시킨 탄화수소계 고분자 전해질을 포함하는 복합 전해질막으로서,
상기 PAN 공중합체는 에틸렌(ethylene) 골격과 측쇄에는 알콕시카보닐(alkoxycarbonyl) 또는 알카논옥시(alkanonoxy)를 포함하는 단위체를 1 내지 10 중량%로 포함하며,
상기 산화는 200 내지 300℃에서, 0.5 내지 4시간 동안 수행되는 것이 특징인 복합 전해질막.
A composite electrolyte membrane comprising a support prepared by oxidizing a nonwoven fabric formed by electrospinning a polyacrylonitrile (PAN) copolymer solution and a hydrocarbon-based polymer electrolyte impregnated therewith,
The PAN copolymer contains 1 to 10% by weight of a unit including alkoxycarbonyl or alkanonoxy in an ethylene skeleton and side chain,
The oxidation is a composite electrolyte membrane, characterized in that it is carried out for 0.5 to 4 hours at 200 to 300 ℃.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 산화에 의해 측쇄의 니트릴기의 질소원자와 이웃한 니트릴기의 탄소원자 간에 결합이 형성되면서 6각 고리를 형성하는 것인 복합 전해질막.
The method of claim 1,
The composite electrolyte membrane to form a hexagonal ring by forming a bond between the nitrogen atom of the side chain nitrile group and the carbon atom of the adjacent nitrile group by the oxidation.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 에틸렌(ethylene) 골격과 측쇄에는 알콕시카보닐(alkoxycarbonyl) 또는 알카논옥시(alkanonoxy)를 포함하는 단위체는 메틸 메타크릴레이트(methyl methacrylate; MMA), 메틸 아크릴레이트(methyl acrylate) 및 비닐 아세테이트(vinyl acetate)로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 복합 전해질막.
The method of claim 1,
Units containing alkoxycarbonyl or alkanonoxy in the ethylene skeleton and side chains are methyl methacrylate (MMA), methyl acrylate, and vinyl acetate. acetate) will be selected from the group consisting of a composite electrolyte membrane.
제1항에 있어서,
상기 PAN 공중합체 용액의 농도는 8 내지 15 중량%인 것이 특징인 복합 전해질막.
The method of claim 1,
The composite electrolyte membrane, characterized in that the concentration of the PAN copolymer solution is 8 to 15% by weight.
제1항에 있어서,
상기 지지체는 60 내지 80% 다공성(porosity)을 갖는 것이 특징인 복합 전해질막.
The method of claim 1,
The composite electrolyte membrane, characterized in that the support has a porosity of 60 to 80%.
제1항에 있어서,
상기 지지체는 평균 직경 0.5 내지 1.5 μm의 기공을 갖는 것이 특징인 복합 전해질막.
The method of claim 1,
The composite electrolyte membrane, characterized in that the support has pores with an average diameter of 0.5 to 1.5 μm.
제1항에 있어서,
10 내지 30 μm의 두께를 갖는 것이 특징인 복합 전해질막.
The method of claim 1,
A composite electrolyte membrane characterized by having a thickness of 10 to 30 μm.
제1항에 있어서,
상기 탄화수소계 전해질은 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르 술폰)(sulfonated poly(arylene ether sulfone); SPAES) 공중합체 또는 하기 화학식 1의 고분자인 것이 특징인 복합 전해질막:
[화학식 1]
Figure 112013117969517-pat00002

상기 화학식에서, l, m 및 n은 각각 독립적으로 1 이상의 정수임.
The method of claim 1,
The hydrocarbon-based electrolyte is a sulfonated poly (arylene ether sulfone) (SPAES) copolymer or a composite electrolyte membrane characterized in that it is a polymer of the following formula (1):
[Formula 1]
Figure 112013117969517-pat00002

In the above formula, l, m and n are each independently an integer of 1 or more.
제1항에 있어서,
상기 탄화수소계 고분자 전해질은 40 내지 60 몰% 술폰화도를 갖는 것이 특징인 복합 전해질막.
The method of claim 1,
The composite electrolyte membrane, characterized in that the hydrocarbon-based polymer electrolyte has a degree of sulfonation of 40 to 60 mol%.
폴리아크릴로니트릴 공중합체 용액을 전기 방사하여 형성한 부직포를 산화시킨 것으로,
상기 폴리아크릴로니트릴 공중합체는 에틸렌(ethylene) 골격과 측쇄에는 알콕시카보닐(alkoxycarbonyl) 또는 알카논옥시(alkanonoxy)를 포함하는 단위체를 1 내지 10 중량%로 포함하는 것으로, 산화를 통해 측쇄의 니트릴기의 질소원자와 이웃한 니트릴기의 탄소원자 간에 결합이 형성되면서 6각 고리를 형성하고, 상기 산화는 200 내지 300℃에서, 0.5 내지 4시간 동안 수행되는 것이 특징인 다공성 지지체.
A nonwoven fabric formed by electrospinning a polyacrylonitrile copolymer solution is oxidized,
The polyacrylonitrile copolymer contains 1 to 10% by weight of a unit including alkoxycarbonyl or alkanonoxy in an ethylene skeleton and side chain, and the side chain nitrile through oxidation A porous support, characterized in that a hexagonal ring is formed while a bond is formed between the nitrogen atom of the group and the carbon atom of the adjacent nitrile group, and the oxidation is performed at 200 to 300° C. for 0.5 to 4 hours.
제1항, 제3항, 및 제5항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 복합 전해질막을 전해질막으로 구비한 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly; MEA).
A membrane-electrode assembly (MEA) comprising the composite electrolyte membrane according to any one of claims 1, 3, and 5 to 11 as an electrolyte membrane.
제13항에 기재된 막-전극 접합체를 구비한 연료전지.
A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 13.
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