KR102358255B1 - High temperature type anion exchange membrane, water electrolysis apparatus comprising the same, and method for preparing the same - Google Patents

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Abstract

본 명세서에는 고온형 음이온 교환막, 이를 포함하는 수전해 장치 및 이의 제조방법이 개시된다. Disclosed herein are a high-temperature anion exchange membrane, a water electrolysis device including the same, and a method for manufacturing the same.

Description

고온형 음이온 교환막, 이를 포함하는 수전해 장치 및 이의 제조방법 {HIGH TEMPERATURE TYPE ANION EXCHANGE MEMBRANE, WATER ELECTROLYSIS APPARATUS COMPRISING THE SAME, AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}High temperature type anion exchange membrane, water electrolysis device including same, and manufacturing method thereof

본 발명은 고온형 음이온 교환막, 이를 포함하는 수전해 장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 고온(100 ℃ 이상) 에서 음이온을 전도할 수 있는 고온형 음이온 교환막, 이를 포함하는 수전해 장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a high-temperature type anion exchange membrane, a water electrolysis device including the same, and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a high-temperature type anion exchange membrane capable of conducting anions at a high temperature (100° C. or higher), a water electrolysis device including the same, and a method for manufacturing the same.

수소는 높은 에너지 밀도 (압축된 수소가스: 142 MJ/kg)를 가지며 그리드 규모로 응용하기에 가장 적합한 특성을 가지는 미래 에너지 캐리어로서 각광 받고 있다. 수소를 생산하는 방식에 있어 steam reforming, gas-shift reaction, biomass gasification 같은 방식이 많이 쓰이지만 이들은 모두 온실가스를 발생시키기 때문에 가장 친환경적인 방법으로는 수전해를 활용한 수소 생산이 가장 적합하다. 수전해는 물을 전기 화학적으로 분해하여 수소와 산소를 생산시키는 기술이다. Hydrogen has a high energy density (compressed hydrogen gas: 142 MJ/kg) and is in the spotlight as a future energy carrier with characteristics most suitable for grid-scale applications. Methods such as steam reforming, gas-shift reaction, and biomass gasification are often used in the production of hydrogen, but since they all generate greenhouse gases, hydrogen production using water electrolysis is the most suitable as the most environmentally friendly method. Water electrolysis is a technology that electrochemically decomposes water to produce hydrogen and oxygen.

수십 년간 상용화되었던 기존의 수전해 운전 방식은 10 M KOH 용액 같은 강염기 용액 상에 전극을 담그고 전압을 걸어주어 전기분해를 실시하는 것으로, 이는 칼륨탄산염 등의 물질을 생성시킬 뿐 아니라 수전해 성능 향상에 한계점을 가지는 등의 문제를 안고 있다. The existing water electrolysis operation method, which has been commercialized for decades, involves immersing an electrode in a strong base solution such as a 10 M KOH solution and applying a voltage to perform electrolysis. It has problems such as having limitations.

이를 대체하여 중간 음이온 교확막을 기반으로 단위 셀을 제작하면 앞선 문제들을 해결할 수 있다. 단위셀은 음이온 교환막과, 음이온 교환막의 일측에 형성된 애노드 전극과, 음이온 교환막의 타측에 형성된 캐소드 전극을 포함한다. 음극에서 물이 분해되어 수소와 수산화 이온(OH-)이 발생된다. 생성된 수산화 이온은 중간 음이온 교환막을 통해 전달되어지고, 양극에서는 수산화 이온으로부터 산소가 발생되는 화학반응이 일어난다. 이러한 각각의 전기 화학반응은 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL) 위의 촉매에서 일어나게 된다. 이 때 음이온 교환막은 중간 전해질로서 젖은 상태에서 높은 수산화 이온의 전도성을 나타내며, 낮은 기체투과도로 인해 수전해로 생성된 수소와 산소를 분리해주는 역할을 한다. 음이온 교환막을 기반으로 하여 전지를 구성하면 용액상의 수소 생산보다 높은 수소 생산 속도를 얻을 수 있을 뿐 아니라 양이온 교환막을 사용한 산성 조건의 운전과 다르게 비귀금속의 촉매를 사용할 수 있다는 장점을 가진다(비특허 문헌 1). 그러나 양이온 교환막 수전해보다는 성능이 1/3 이하로 낮은 성능의 한계점을 지닌다. 이를 개선하여 음이온 교환막 기반 수전해셀의 성능을 높이기 위해 운전에서의 활성화 같은 시도도 이루어졌으나(특허문헌 1), 기존의 음이온 교환막 상용막들의 경우 100 ℃ 이상의 고온에서 안정성이 떨어지고 막이 망가지는 한계점을 가진다(비특허문헌 2).By replacing this, manufacturing a unit cell based on the intermediate anion linking membrane can solve the above problems. The unit cell includes an anion exchange membrane, an anode electrode formed on one side of the anion exchange membrane, and a cathode electrode formed on the other side of the anion exchange membrane. Water is decomposed at the cathode to generate hydrogen and hydroxide ions (OH-). The generated hydroxide ions are transferred through the intermediate anion exchange membrane, and at the anode, a chemical reaction occurs in which oxygen is generated from the hydroxide ions. Each of these electrochemical reactions takes place in a catalyst on a gas diffusion layer (GDL). At this time, as an intermediate electrolyte, the anion exchange membrane exhibits high conductivity of hydroxide ions in a wet state, and serves to separate hydrogen and oxygen generated by water electrolysis due to low gas permeability. If a battery is constructed based on an anion exchange membrane, not only can a higher hydrogen production rate than solution phase hydrogen production be obtained, but also have the advantage that a catalyst of a non-noble metal can be used, unlike operation under acidic conditions using a cation exchange membrane (Non-patent literature). One). However, it has a limitation in that the performance is lower than 1/3 of that of the cation exchange membrane water electrolysis. In order to improve this and increase the performance of the anion exchange membrane-based water electrolysis cell, attempts such as activation in operation have been made (Patent Document 1). have (non-patent document 2).

고온에서 수전해를 가동할 경우 촉매의 활성이 증가하고 이온전도도를 높일 수 있는 장점이 있으므로, 고온에서 음이온을 전도할 수 있는 음이온 교환막 개발이 필요하다. When water electrolysis is operated at high temperature, there is an advantage in that catalyst activity increases and ion conductivity can be increased. Therefore, it is necessary to develop an anion exchange membrane capable of conducting anions at high temperature.

한국 공개 특허 제10-2018-0128562호Korean Patent Publication No. 10-2018-0128562

Yongjun Leng, Guang Chen, Alfonso J. Mendoza, Timothy B. Tighe, Michael A. Hickner, and Chao-Yang WangChen, Guoying, Simon R. Bare, and Thomas E. Mallouk. “Solid-State Water Electrolysis with an Alkaline Membrane”Journal of American Chemical Society 134 (2012): 9054 - 9057.Yongjun Leng, Guang Chen, Alfonso J. Mendoza, Timothy B. Tighe, Michael A. Hickner, and Chao-Yang WangChen, Guoying, Simon R. Bare, and Thomas E. Mallouk. “Solid-State Water Electrolysis with an Alkaline Membrane” Journal of American Chemical Society 134 (2012): 9054 - 9057. Dongyang Chen and Michael A. Hickner. “Degradation of Imidazolium- and Quaternary Ammonium-Functionalized Poly(fluorenyl ether ketone sulfone) Anion Exchange Membranes”Applied Materials and Interfaces 4 (2012): 5775 - 5781.Dongyang Chen and Michael A. Hickner. “Degradation of Imidazolium- and Quaternary Ammonium-Functionalized Poly(fluorenyl ether ketone sulfone) Anion Exchange Membranes” Applied Materials and Interfaces 4 (2012): 5775 - 5781.

본 발명의 목적은 기존의 음이온 교환막이 100 ℃ 이상의 온도에서 성능이 떨어지는 문제점을 해결하고, 고온에서도 촉매의 활성과 이온 전달 속도를 증가시킴으로써 성능이 향상된 고온형 음이온 교환막, 이를 포함하는 수전해 장치 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to solve the problem that the conventional anion exchange membrane has poor performance at a temperature of 100 ° C. or higher, and has improved performance by increasing catalyst activity and ion transfer rate even at high temperatures, a water electrolysis device including the same, and To provide a manufacturing method thereof.

본 발명의 예시적인 구현예에서는 고온형 음이온 교환막으로서, 상기 고온형 음이온 교환막은 KOH 도핑이 가능한 폴리벤지이미다졸계 고분자를 포함하고,상기 KOH 도핑이 가능한 폴리벤지이미다졸계 고분자는 인산이 도핑된 폴리벤지이미다졸계 고분자에서 인산을 제거한 것인, 고온형 음이온 교환막을 제공한다. In an exemplary embodiment of the present invention, as a high-temperature type anion exchange membrane, the high-temperature type anion exchange membrane includes a polybenzimidazole-based polymer capable of KOH doping, and the KOH-doped polybenzimidazole-based polymer is phosphoric acid doped. To provide a high-temperature type anion exchange membrane in which phosphoric acid is removed from a polybenzimidazole-based polymer.

본 발명의 또다른 예시적인 구현예에서는 전술한 고온형 음이온 교환막을 포함하는 수전해 장치를 제공한다. Another exemplary embodiment of the present invention provides a water electrolysis device including the above-described high-temperature type anion exchange membrane.

본 발명의 또다른 예시적인 구현예에서는 전술한 고온형 음이온 교환막의 제조방법으로서, 폴리벤지이미다졸계 고분자를 용액 속에서 중합 후 인산을 첨가하여 중합반응을 종료시키는 단계; 중합반응이 종료된 폴리벤지이미다졸계 고분자를 인산에 녹인 후, 이를 기판 상에 캐스팅하는 단계; 기판 상에 캐스팅된 막을 가수분해시키는 단계; 및 가수분해된 막을 암모니아 용액에 침지하여, 가수분해된 막으로부터 인산을 제거함으로써, 음이온 전도가 가능한 고온형 음이온 교환막을 얻는 단계;를 포함하는 고온형 음이온 교환막 제조방법을 제공한다. In another exemplary embodiment of the present invention, there is provided a method for manufacturing the above-described high-temperature type anion exchange membrane, comprising the steps of: polymerizing a polybenzimidazole-based polymer in a solution and then adding phosphoric acid to terminate the polymerization; Dissolving the polybenzimidazole-based polymer after the polymerization reaction has been completed in phosphoric acid, and then casting it on a substrate; hydrolyzing the film cast on the substrate; and immersing the hydrolyzed membrane in an ammonia solution to remove phosphoric acid from the hydrolyzed membrane, thereby obtaining a high-temperature type anion exchange membrane capable of anion conduction.

본 발명의 또다른 예시적인 구현예에서는 전술한 제조방법에 따라 고온형 음이온 교환막을 제조하는 단계; 촉매를 가스확산층 위 스프레이 방식으로 도포 후 열처리를 진행하여 산소 발생 촉매가 담지된 양극 및 수소 발생 촉매가 담지된 음극을 제조하는 단계; 및 상기 고온형 음이온 교환막을 상기 양극 및 음극 사이에 조립하는 단계; 를 포함하는 고온형 수전해 전지 제조방법을 제공한다. In another exemplary embodiment of the present invention, manufacturing a high-temperature type anion exchange membrane according to the above-described manufacturing method; preparing an anode on which an oxygen-generating catalyst is supported and a cathode on which a hydrogen-generating catalyst is supported by applying a catalyst on the gas diffusion layer by spraying and then performing heat treatment; and assembling the high-temperature type anion exchange membrane between the positive electrode and the negative electrode. It provides a method for manufacturing a high-temperature type water electrolysis battery comprising a.

본 발명의 제조방법에 따라 제조된 고온형 음이온 교환막은 기존의 음이온 교환막과 비교하여 높은 온도(100℃ 이상)에서도 안정하며 높은 이온전도도를 가진다. 이를 이용한 고온형 음이온 교환막 수전해 장치는 높은 운전 온도(100℃ 이상)로 인해 촉매 활성 및 이온 전도 속도를 증가시켜 기존의 음이온 교환막 수전해 장치 보다 향상된 수전해 효율을 제공할 수 있다. The high-temperature type anion exchange membrane manufactured according to the manufacturing method of the present invention is stable even at a high temperature (100° C. or higher) and has high ionic conductivity compared to the existing anion exchange membrane. A high-temperature type anion exchange membrane water electrolyzer using this increases catalytic activity and ion conduction speed due to a high operating temperature (100° C. or higher), thereby providing improved water electrolysis efficiency compared to a conventional anion exchange membrane water electrolysis device.

도 1는 일반적인 상용막(FAA-PK-75)과 본 발명의 일 실시예에 따른 고온형 음이온 교환막의 이온전도도를 비교한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온형 음이온 교환막을 포함하는 수전해 장치의 원리를 간략하게 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온형 음이온 교환막을 포함하는 수전해 장치의 전류밀도-전압의 곡선 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온형 음이온 교환막이, 고온형 수전해 장치 운전시 양극에 공급되는 용액인 KOH가 도핑된 것을 나타낸 도면이다.
1 is a graph comparing the ionic conductivity of a typical commercial membrane (FAA-PK-75) and a high-temperature type anion exchange membrane according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram schematically illustrating the principle of a water electrolysis device including a high-temperature type anion exchange membrane according to an embodiment of the present invention.
3 is a current density-voltage curve graph of a water electrolysis device including a high-temperature type anion exchange membrane according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing that the high-temperature type anion exchange membrane according to an embodiment of the present invention is doped with KOH, which is a solution supplied to the anode during operation of the high-temperature type water electrolyzer.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. The embodiments of the present invention disclosed in the text are illustrated for the purpose of explanation only, and the embodiments of the present invention may be embodied in various forms and should not be construed as being limited to the embodiments described in the text. .

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. The present invention can make various changes and can have various forms, and the embodiments are not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and all changes, equivalents or substitutes included in the spirit and scope of the present invention should be understood as including

본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further included rather than excluding other components unless otherwise stated.

고온형 음이온 high temperature anion 교환막exchange membrane

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 고온형 음이온 교환막으로서, 상기 고온형 음이온 교환막은 KOH 도핑이 가능한 폴리벤지이미다졸계 고분자를 포함하고, 상기 KOH 도핑이 가능한 폴리벤지이미다졸계 고분자는 인산이 도핑된 폴리벤지이미다졸계 고분자에서 인산을 제거한 것인, 고온형 음이온 교환막을 제공한다. In exemplary embodiments of the present invention, as a high-temperature type anion exchange membrane, the high-temperature type anion exchange membrane includes a polybenzimidazole-based polymer capable of KOH doping, and the polybenzimidazole-based polymer capable of doping with KOH is phosphoric acid. To provide a high-temperature type anion exchange membrane in which phosphoric acid is removed from a doped polybenzimidazole-based polymer.

Direct casting 방법으로 제조된 일반적인 폴리벤지미다졸 막은 완성된 후 인산이 도핑되어 있는 상태로 존재한다. 이를 그대로 사용하는 경우, 인산이 양이온 전도체 역할을 하여 양이온 교환막으로 사용할 수 있다. 그러나, 본 발명자들은, 폴리벤지미다졸막에 도핑된 인산을 제거하고 대신 전지 운전시 KOH를 도핑시킴으로써 음이온 교환막으로 사용한 것이다. 다시 말해, PBI가 열적 안정성이 뛰어나므로 여기에 KOH를 도핑시켜서 음이온 교환 성능을 가지도록 하여 고온 수전해에 적용한 것이다.A general polybenzimidazole film manufactured by direct casting exists in a state doped with phosphoric acid after completion. When used as it is, phosphoric acid acts as a cation conductor and can be used as a cation exchange membrane. However, the present inventors used the polybenzimidazole membrane as an anion exchange membrane by removing the doped phosphoric acid and doping it with KOH during battery operation instead. In other words, since PBI has excellent thermal stability, it is doped with KOH to have anion exchange performance and applied to high-temperature water electrolysis.

따라서, 본 발명의 일 구현예에 따른 고온형 음이온 교환막은 KOH 도핑이 가능한 폴리벤지이미다졸계 고분자를 포함하여, 100℃ 이상의 고온에서도 이온전도도가 우수하고, 안정적으로 높은 수전해 성능을 가진다. 예시적인 구현예에서, 상기 고온형 음이온 교환막은 100 ℃ 이상의 온도에서 운전되는 고온형 수전해 장치에서 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 온도는 110 ℃ 이상 또는 120 ℃ 이상일 수 있다. Therefore, the high-temperature type anion exchange membrane according to an embodiment of the present invention includes a polybenzimidazole-based polymer capable of KOH doping, and has excellent ionic conductivity even at a high temperature of 100° C. or higher, and has stable and high water electrolysis performance. In an exemplary embodiment, the high-temperature type anion exchange membrane may be used in a high-temperature type water electrolysis device operated at a temperature of 100° C. or higher. For example, the temperature may be 110 °C or higher or 120 °C or higher.

예컨대, 본 발명의 고온형 음이온 교환막은 고온형 수전해 장치 운전시, 양극에 공급되는 KOH가 이온 형태로 도 4와 같이 도핑되어, 특히 OH 이온에 의하여 음이온을 전도할 수 있다. For example, in the high-temperature type anion exchange membrane of the present invention, when the high-temperature type water electrolysis device is operated, KOH supplied to the positive electrode is doped in the form of ions as shown in FIG. 4, and in particular, anions can be conducted by OH ions.

본 발명의 또다른 예시적인 구현예들에서는, 전술한 고온형 음이온 교환막을 포함하고, 운전 온도가 100 ℃ 이상인 수전해 장치를 제공한다. 예컨대, 상기 운전 온도는 110 ℃ 이상 또는 120 ℃ 이상일 수 있다.In another exemplary embodiment of the present invention, there is provided a water electrolysis device including the above-described high-temperature type anion exchange membrane and having an operating temperature of 100° C. or higher. For example, the operating temperature may be 110 °C or higher or 120 °C or higher.

이하의 실시를 통하여 본 발명은 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. The present invention will be described in more detail through the following practice. However, the examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited thereto.

고온형 음이온 high temperature anion 교환막exchange membrane 제조방법 Manufacturing method

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 전술한 고온형 음이온 교환막의 제조방법으로서, 폴리벤지이미다졸계 고분자를 용액 속에서 중합 후 인산을 첨가하여 중합반응을 종료시키는 단계(S1); 중합반응이 종료된 폴리벤지이미다졸계 고분자를 인산에 녹인 후, 이를 기판 상에 캐스팅하는 단계(S2); 기판 상에 캐스팅된 막을 가수분해시키는 단계(S3); 및 가수분해된 막을 암모니아 용액에 침지하여, 가수분해된 막으로부터 인산을 제거함으로써, 음이온 전도가 가능한 고온형 음이온 교환막을 얻는 단계(S4);를 포함하는 고온형 음이온 교환막 제조방법을 제공한다. In exemplary embodiments of the present invention, as a method for manufacturing the above-described high-temperature type anion exchange membrane, the polybenzimidazole-based polymer is polymerized in a solution, and then phosphoric acid is added to terminate the polymerization reaction (S1); Dissolving the polybenzimidazole-based polymer after the polymerization reaction has been completed in phosphoric acid, and then casting it on a substrate (S2); hydrolyzing the film cast on the substrate (S3); and immersing the hydrolyzed membrane in an ammonia solution to remove phosphoric acid from the hydrolyzed membrane, thereby obtaining a high-temperature anion exchange membrane capable of anion conduction (S4).

본 발명의 제조방법에 따르면, 고온형 양이온 교환막 연료전지에 주로 사용되는 인산이 도핑된 폴리벤지미다졸 막을 암모니아 용액으로 처리하여 인산을 제거하고, 추후 전지 운전시 양극에 공급되는 용액인 KOH가 K+, OH-의 이온 형태로 도핑되게 할 수 있다. 따라서, 도핑된 OH 이온을 통하여 음이온 전도가 가능하고, 높은 열적 안정성을 가지는 PBI 고분자를 포함하므로, 100℃ 이상의 고온에서도 안정적으로 높은 수전해 성능을 가지는 고온형 음이온 교환막을 제조할 수 있다. According to the manufacturing method of the present invention, phosphoric acid-doped polybenzimidazole membrane mainly used in high-temperature cation exchange membrane fuel cells is treated with ammonia solution to remove phosphoric acid, and KOH, a solution supplied to the anode during battery operation later, is K+ , can be doped in the form of ions of OH-. Therefore, it is possible to conduct anion through the doped OH ions, and since it contains the PBI polymer having high thermal stability, it is possible to manufacture a high-temperature type anion exchange membrane stably having high water electrolysis performance even at a high temperature of 100° C. or more.

본 발명에서 중합되는 폴리벤지이미다졸계 고분자는 특별히 제한되지 않으며, 그 비제한적인 예시는 예컨대 다음의 [화학식 1] 내지 [화학식 8]의 폴리벤지이미다졸계 고분자를 포함한다.Polybenzimidazole-based polymer polymerized in the present invention is not particularly limited, and non-limiting examples thereof include, for example, polybenzimidazole-based polymers of the following [Formula 1] to [Formula 8].

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019090810451-pat00001
Figure 112019090810451-pat00001

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112019090810451-pat00002
Figure 112019090810451-pat00002

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112019090810451-pat00003
Figure 112019090810451-pat00003

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112019090810451-pat00004
Figure 112019090810451-pat00004

[화학식 5][Formula 5]

Figure 112019090810451-pat00005
Figure 112019090810451-pat00005

[화학식 6][Formula 6]

Figure 112019090810451-pat00006
Figure 112019090810451-pat00006

[화학식 7][Formula 7]

Figure 112019090810451-pat00007
Figure 112019090810451-pat00007

[화학식 8][Formula 8]

Figure 112019090810451-pat00008
Figure 112019090810451-pat00008

(상기 화학식 6~8에서, A 및 B의 전체 반복단위의 합을 기준으로, A는 술폰산기가 포함되지 않는 반복단위의 백분율이고, B는 술폰산기가 포함된 반복단위의 백분율이며, A는 0~99%이고, B는 100~1%이다. 상기 화학식 8에서 Y는 원자가 존재하지 않거나, 존재하는 경우 O 또는 S이다.)(In Formulas 6 to 8, based on the sum of all repeating units of A and B, A is the percentage of repeating units that do not include a sulfonic acid group, B is the percentage of repeating units that include a sulfonic acid group, and A is 0 to 99%, and B is 100 to 1%. In Formula 8, Y is O or S if no atom is present or is present.)

먼저, 중합 단계(S1)에서는 폴리벤지이미다졸 고분자 중합이 완료된 후 인산을 첨가하여 캐스팅하기에 적당한 점도를 만든다. 또한, 중합과정 중 인산을 넣어주면, 폴리 인산이 폴리벤지이미다졸 고분자 축합 중합시 발생하는 H2O가 아니라 인산 (85% 수용액) 내의 다량의 물을 흡수하므로 고분자 중합반응의 속도를 늦추게 되고, 결과적으로 고분자 중합을 종결시키게 된다. First, in the polymerization step (S1), after the polymerization of the polybenzimidazole polymer is completed, phosphoric acid is added to make a suitable viscosity for casting. In addition, if phosphoric acid is added during the polymerization process, polyphosphoric acid absorbs a large amount of water in phosphoric acid (85% aqueous solution) rather than H 2 O generated during polybenzimidazole polymer condensation polymerization, thereby slowing down the polymer polymerization reaction. , resulting in the termination of polymer polymerization.

이 때, 고분자 중합이 과도하게 진행되면 분자량이 과도하여 인산에 녹지않아 캐스팅이 불가하고, 분자량이 너무 낮으면 물성이 매우 약할 수 있다. 따라서, 중합의 종결 시점은 교반시 사용하는 오버헤드 스터러의 토크 값으로 측정을 하며, 예컨대 약 8Nm 내외일 때 반응을 종결시킬 수 있다.At this time, if the polymer polymerization proceeds excessively, the molecular weight is excessive and does not dissolve in phosphoric acid, making casting impossible, and if the molecular weight is too low, the physical properties may be very weak. Therefore, the end point of polymerization is measured by the torque value of the overhead stirrer used during stirring, and the reaction can be terminated when, for example, about 8 Nm.

비제한적인 예시에서, 대표적인 폴리벤지이미다졸계 고분자인 폴리벤지이미다졸의 경우 3.3'-디아미노벤지다인(3,3'-Diaminobenzidine)과 이소프탈산, 폴리인산(polyphosphoric acid)을 넣고 불활성 분위기에서 중합할 수 있다. In a non-limiting example, in the case of polybenzimidazole, which is a representative polybenzimidazole-based polymer, 3.3'-diaminobenzidine (3,3'-Diaminobenzidine), isophthalic acid, and polyphosphoric acid are added and in an inert atmosphere. can be polymerized.

용매를 이용하여 고분자 중합을 수행할 때 고분자 물질이 용매에 균일하게 녹아있는 경우 점도 및 용액 온도의 조절하도록 한다. 이와 같이 점도 및 용액 온도를 조절함으로써 이후 부 용매(poor solvent)에 석출시키지 않고도 기판 상에서 바로 제막하는 것이 용이하게 된다.When performing polymer polymerization using a solvent, if the polymer material is uniformly dissolved in the solvent, the viscosity and solution temperature should be adjusted. By controlling the viscosity and the solution temperature in this way, it is easy to form a film directly on the substrate without precipitation in a poor solvent.

그 후, 중합이 완료된 고분자를 인산에 녹임으로써, 중합된 PBI 고분자를 인산에 호모지니어스하게 풀어낼 수 있고, 이를 기판 상에 캐스팅할 수 있다. Thereafter, by dissolving the polymerization-completed polymer in phosphoric acid, the polymerized PBI polymer can be homogeneously released in phosphoric acid, and this can be cast on a substrate.

상기 캐스팅한 막을 가수분해하면, 고분자 중합 시 용매로 사용한 폴리인산이 막 내부에서 하기 반응식 2와 같이 가수분해 과정을 통해 인산이 되어, 자연스럽게 막 내에 인산이 도핑이 될 수 있다. When the cast membrane is hydrolyzed, polyphosphoric acid used as a solvent during polymer polymerization becomes phosphoric acid through a hydrolysis process as shown in Scheme 2 below, and phosphoric acid can naturally be doped into the membrane.

[반응식 2][Scheme 2]

Figure 112019090810451-pat00009
Figure 112019090810451-pat00009

이러한 가수분해는 40 ℃이상의 온도 및 상대 습도 60% 이상의 조건에서 수행될 수 있으며, 예컨대 상기 온도는 45 ℃ 이상 또는 50 ℃ 이상일 수 있고, 상기 상대 습도는 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상, 또는 80% 이상일 수 있다. Such hydrolysis may be performed at a temperature of 40 °C or higher and a relative humidity of 60% or higher, for example, the temperature may be 45 °C or higher or 50 °C or higher, and the relative humidity is 65% or higher, 70% or higher, 75% or higher , or 80% or more.

상기 가수분해가 완료된 막은 증류수 및 알코올(예컨대 아이오프로필 알코올)에 담근 후, 건조할 수 있다. The hydrolyzed membrane may be immersed in distilled water and alcohol (eg, iopropyl alcohol), and then dried.

그 후, 가수분해된 막을 암모니아 수에 침지하여 산 염기 반응을 통하여 막 내부에 도핑된 인산을 완전히 제거할 수 있다. 도핑되었던 인산을 제거함으로써, 추후 전지 운전시 KOH를 도핑될 수 있게 하여 음이온 전도가 가능할 수 있다(S4). Thereafter, the hydrolyzed membrane is immersed in ammonia water to completely remove the phosphoric acid doped inside the membrane through an acid-base reaction. By removing doped phosphoric acid, KOH can be doped during battery operation later, so that anion conduction may be possible (S4).

상기 인산을 제거하고, 추가적으로 막을 증류수로 세척하고 건조시킬 수 있다. The phosphoric acid may be removed, and the membrane may be additionally washed with distilled water and dried.

이상과 같이 제조된 고온형 음이온 교환막은 고온에서 운전하는 수전해 장치에 유용하게 사용될 수 있다.The high-temperature type anion exchange membrane prepared as described above can be usefully used in a water electrolysis device operating at a high temperature.

본 발명의 또다른 예시적인 구현예들에서는, 전술한 제조방법에 따라 고온형 음이온 교환막을 제조하는 단계; 촉매를 가스확산층 위 스프레이 방식으로 도포 후 열처리를 진행하여 산소 발생 촉매가 담지된 양극 및 수소 발생 촉매가 담지된 음극을 제조하는 단계; 및 상기 고온형 음이온 교환막을 상기 양극 및 음극 사이에 조립하는 단계; 를 포함하는 고온형 수전해 전지 제조방법을 제공한다. In another exemplary embodiment of the present invention, according to the above-described manufacturing method, manufacturing a high-temperature type anion exchange membrane; preparing an anode on which an oxygen-generating catalyst is supported and a cathode on which a hydrogen-generating catalyst is supported by applying a catalyst on the gas diffusion layer by spraying and then performing heat treatment; and assembling the high-temperature type anion exchange membrane between the positive electrode and the negative electrode. It provides a method for manufacturing a high-temperature type water electrolysis battery comprising a.

예시적인 구현예에서, 상기 조립하는 단계에 있어서, 상기 양극의 고온형 음이온 교환막과 조립되지 않은 일면에 금(Au) 도금된 티타늄 분리판을 조립할 수 있다. In an exemplary embodiment, in the assembling step, a gold (Au)-plated titanium separator may be assembled on one surface that is not assembled with the high-temperature anion exchange membrane of the positive electrode.

예시적인 구현예에서, 상기 조립은 3 내지 6 N/m2의 체결압으로 체결 및 조립될 수 있고, 예컨대 4 N/m2의 체결압으로 체결 및 조립될 수 있다. 상기 체결압이 3 N/m2 미만인 경우 셀 사이로 물이 샐 수 있고, 6 N/m2 초과인 경우 전극이 손상될 위험이 있다. In an exemplary embodiment, the assembly may be fastened and assembled with a fastening pressure of 3 to 6 N/m 2 , for example, fastened and assembled with a fastening pressure of 4 N/m 2 . When the clamping pressure is less than 3 N/m 2 , water may leak between the cells, and if it is more than 6 N/m 2 , there is a risk of damaging the electrode.

실시예Example

고온형 음이온 교환막(HT-AEM) 제조Manufacture of high temperature type anion exchange membrane (HT-AEM)

하기 반응식 1과 같이 건조된 3,3’-디아미노벤지딘, 테레프탈 산, 폴리인산을 둥근바닥 플라스크에 넣고 아르곤 분위기에서 150 ℃의 온도로 15시간 동안 교반하였다. 그 후 220 ℃로 승온하고 4-7시간 동안 교반한 뒤 적당한 점도(교반시 사용하는 오버헤드 스터러에 걸리는 토크 값이 약 8Nm 내외 정도 일 때)에 도달하면 인산을 넣고 반응을 종결시켰다. Dried 3,3'-diaminobenzidine, terephthalic acid, and polyphosphoric acid as shown in Scheme 1 were put into a round-bottom flask, and stirred at 150 °C in an argon atmosphere for 15 hours. After that, the temperature was raised to 220 °C, stirred for 4-7 hours, and when the appropriate viscosity (when the torque value applied to the overhead stirrer used during stirring was about 8 Nm) was reached, phosphoric acid was added and the reaction was terminated.

[반응식 1][Scheme 1]

Figure 112019090810451-pat00010
Figure 112019090810451-pat00010

2-3시간 동안 교반하여 고분자를 인산에 완전히 녹인 뒤 고분자 혼합물을 유리판 위에 붓고 닥터블레이드를 이용하여 캐스팅하였다. After stirring for 2-3 hours to completely dissolve the polymer in phosphoric acid, the polymer mixture was poured on a glass plate and cast using a doctor blade.

캐스팅한 고분자 막은 가습 챔버 안에서 50 ℃의 온도 및 RH 80%(습도) 조건으로 24시간 동안 가수분해시켰다. 가수분해가 완료된 막은 증류수 및 아이소프로필 알코올에 담근 후 건조하였다. 대략적인 폴리인산의 가수분해 과정은 하기 반응식 2와 같다. The cast polymer membrane was hydrolyzed for 24 hours at a temperature of 50 °C and RH 80% (humidity) in a humidification chamber. The hydrolyzed membrane was immersed in distilled water and isopropyl alcohol and dried. The approximate hydrolysis process of polyphosphoric acid is shown in Scheme 2 below.

[반응식 2][Scheme 2]

Figure 112019090810451-pat00011
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그 후 인산을 제거된 고분자 전해질 막을 얻기 위하여 암모니아 용액에 담근 후 증류수로 세척하고 건조시켰다. Thereafter, to obtain a polymer electrolyte membrane from which phosphoric acid has been removed, it was immersed in ammonia solution, washed with distilled water, and dried.

음이온 교환막의 이온 전도도 비교Comparison of Ion Conductivity of Anion Exchange Membrane

상기 실시예에서 제조된 고온형 음이온 교환막과 상용막인 FFA-PK-75의 이온 전도도를 물로 수화시킨 상태에서 측정한 결과를 도 1에 나타내었다. 구체적으로 50℃ 상대습도 98% 조건에서 four-probe cell을 사용하여 in-plane 전도도를 측정하였으며, 측정 결과 본 발명의 실시예에 따른 고온형 음이온 교환막의 이온 정도도가 2배 이상 높은 것을 확인할 수 있었다.1 shows the results of measuring the ionic conductivity of the high-temperature anion exchange membrane prepared in the above example and the commercial membrane, FFA-PK-75, in a state of hydration with water. Specifically, the in-plane conductivity was measured using a four-probe cell at 50°C and 98% relative humidity, and as a result of the measurement, it can be seen that the ion degree of the high-temperature type anion exchange membrane according to the embodiment of the present invention is more than twice as high. there was.

고온형 음이온 교환막 기반 수전해 장치(HT-AEMWE) 전극 제조High-temperature type anion exchange membrane-based water electrolyzer (HT-AEMWE) electrode manufacturing

음극에는 Pt/C 촉매를 약 1 mg/cm2을 담지하였다. 촉매 담지 과정으로 먼저, 46.2% Pt/C에 폴리테트라플루오루에틸렌(PTFE)과 증류수, 아이소프로필 알코올을 넣은 후 울트라소니케이션으로 분산시켜 촉매 슬러리를 제조하였다. 제조된 촉매 슬러리를 탄소 종이 (TGP-H-120)에 스프레이 건을 이용하여 도포한다. 제조된 Pt/C 전극은 아르곤 분위기, 350℃에서 5분간 열처리 하였다. About 1 mg/cm 2 of the Pt/C catalyst was supported on the negative electrode. In the catalyst loading process, polytetrafluoroethylene (PTFE), distilled water, and isopropyl alcohol were first added to 46.2% Pt/C, and then dispersed by ultrasonication to prepare a catalyst slurry. The prepared catalyst slurry is applied to carbon paper (TGP-H-120) using a spray gun. The prepared Pt/C electrode was heat-treated in an argon atmosphere at 350° C. for 5 minutes.

양극에는 IrO2 촉매를 약 3 mg/cm2을 담지하였다. 앞선 양극제조 방식에서 슬러리 제조시에 넣었던 Pt/C 대신 IrO2를 넣고 같은 방법으로 제조하였다. 제조된 촉매 슬러리를 Ti paper (Bekaert)에 스프레이건을 이용하여 도포한 후 앞선 조건과 동일하게 아르곤 분위기, 350℃에서 5분간 열처리 하였다. 제조된 전극의 면적은 2.25 cm2 (1.5 cm x 1.5 cm) 이었다. About 3 mg/cm 2 of the IrO 2 catalyst was supported on the positive electrode. In the previous cathode manufacturing method, IrO 2 was added instead of Pt/C, which was added during slurry preparation, and prepared in the same manner. The prepared catalyst slurry was applied to Ti paper (Bekaert) using a spray gun, and then heat-treated at 350° C. in an argon atmosphere for 5 minutes in the same manner as in the previous conditions. The area of the prepared electrode was 2.25 cm2 (1.5 cm x 1.5 cm).

고온형 음이온 교환막 기반 수전해 장치(HT-AEMWE) 전지 제조 및 운전Manufacturing and operation of high-temperature type anion exchange membrane-based water electrolyzer (HT-AEMWE) battery

단위 전지는 도 2에서 보는 것과 같이 엔드 플레이트-탄소분리판-제조된 음극-음이온교환막-제조된 양극-금도금된 티타늄 분리판-엔트플레이트 순으로 쌓고 4 N/m2의 체결압으로 체결하여 조립하였다. 제조된 단위전지 셀의 온도는 120℃ 유지시켜주며 0.5 M KOH 용액을 양극으로 5 ml/min의 유량으로 공급하였다. As shown in FIG. 2, the unit cell is stacked in the order of end plate-carbon separator-manufactured anode-anion exchange membrane-manufactured anode-gold-plated titanium separator-end plate and assembled by fastening with a clamping pressure of 4 N/m 2 did The temperature of the prepared unit cell was maintained at 120° C., and 0.5 M KOH solution was supplied to the positive electrode at a flow rate of 5 ml/min.

음이온 교환막 기반 수전해 운전의 기본 원리는 다음과 같다. 양극에서는 물이 분해되어 수전해 운전의 성능 평가는 1.25 V에서 2.2 V까지 0.05 V 간격으로 각 전압마다 10초씩 전류밀도를 측정하여 진행하였다. 그 후 각 전압에서 측정된 전류밀도의 평균 값을 계산하여 전류밀도-전압 그래프를 얻었다.The basic principle of anion exchange membrane-based water electrolysis operation is as follows. Water is decomposed at the anode, and the performance evaluation of the water electrolysis operation was conducted by measuring the current density for 10 seconds for each voltage from 1.25 V to 2.2 V at 0.05 V intervals. After that, the average value of the current density measured at each voltage was calculated to obtain a current density-voltage graph.

비교예comparative example

상용막 기반 수전해장치 전지 제조Manufacture of commercial membrane-based water electrolyzer battery

전극 제조 및 셀 조립의 모든 조건은 동일하게 유지한 채본 발명의 실시예에 따른 고온형 음이온 교환막과 상용막 (FAA-3-PK-75)을 MEA 제조시 바꾸어주어 단위셀 운전을 비교하였다. The unit cell operation was compared by changing the high-temperature anion exchange membrane and the commercial membrane (FAA-3-PK-75) according to the embodiment of the present invention while maintaining the same conditions for electrode manufacturing and cell assembly during MEA manufacturing.

기존의 상용막은 120℃에서 안정성이 매우 떨어져 막의 손상과 함께 수전해 성능이 전혀 나오지 않는 반면, 개발막의 경우 1.8 V에서 780 mA/cm2 전류 밀도의 우수한 AEMWE 성능을 나타내었다 (도 3). Conventional commercial membranes have very poor stability at 120° C., and water electrolysis performance does not come out at all with membrane damage, whereas the developed membrane exhibits excellent AEMWE performance with a current density of 780 mA/cm 2 at 1.8 V (FIG. 3).

본 실험에서는 상용막과의 비교를 위한 운전 조건으로 귀금속 촉매를 사용하였으나, 이 기술은 비귀금속의 촉매를 사용하면서도 고온에서 운전함으로 성능 향상의 기대효과를 가져올 수 있는 기반 기술이 될 것으로 기대할 수 있다.In this experiment, a noble metal catalyst was used as the operating condition for comparison with the commercial membrane, but this technology can be expected to be a base technology that can bring the expected effect of improving the performance by operating at a high temperature while using a non-noble metal catalyst. .

Claims (9)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 고온형 음이온 교환막의 제조방법으로서,
폴리벤지이미다졸계 고분자를 용액 속에서 중합 후 인산을 첨가하여 중합반응을 종료시키는 단계;
중합반응이 종료된 폴리벤지이미다졸계 고분자를 인산에 녹인 후, 이를 기판 상에 캐스팅하는 단계;
기판 상에 캐스팅된 막을 가수분해시키는 단계; 및
가수분해된 막을 암모니아 용액에 침지하여, 가수분해된 막으로부터 인산을 제거함으로써, 음이온 전도가 가능한 고온형 음이온 교환막을 얻는 단계;를 포함하고,
상기 고온형 음이온 교환막은 KOH 도핑이 가능한 폴리벤지이미다졸계 고분자를 포함하고,
상기 KOH 도핑이 가능한 폴리벤지이미다졸계 고분자는 인산이 도핑된 폴리벤지이미다졸계 고분자에서 인산을 제거한 것인, 고온형 음이온 교환막 제조방법.
A method for manufacturing a high-temperature type anion exchange membrane, comprising:
terminating the polymerization reaction by adding phosphoric acid after polymerization of the polybenzimidazole-based polymer in a solution;
Dissolving the polybenzimidazole-based polymer after the polymerization reaction has been completed in phosphoric acid, and then casting it on a substrate;
hydrolyzing the film cast on the substrate; and
immersing the hydrolyzed membrane in ammonia solution to remove phosphoric acid from the hydrolyzed membrane to obtain a high-temperature type anion exchange membrane capable of anion conduction;
The high-temperature type anion exchange membrane includes a polybenzimidazole-based polymer capable of KOH doping,
The polybenzimidazole-based polymer capable of KOH doping is a method of manufacturing a high-temperature anion exchange membrane by removing phosphoric acid from the polybenzimidazole-based polymer doped with phosphoric acid.
제4항에 있어서,
상기 가수분해는 40 ℃ 이상의 온도 및 상대 습도 60% 이상의 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 고온형 음이온 교환막 제조방법.
5. The method of claim 4,
The hydrolysis is a high temperature type anion exchange membrane manufacturing method, characterized in that it is carried out at a temperature of 40 ℃ or more and a relative humidity of 60% or more.
제4항에 있어서,
상기 폴리벤지이미다졸계 고분자는 다음의 [화학식 1] 내지 [화학식 5], [화학식 7] 및 [화학식 8]의 폴리벤지이미다졸계 고분자인 것을 특징으로 하는, 고온형 음이온 교환막 제조방법:
[화학식 1]
Figure 112021120007782-pat00012

[화학식 2]
Figure 112021120007782-pat00013

[화학식 3]
Figure 112021120007782-pat00014

[화학식 4]
Figure 112021120007782-pat00015

[화학식 5]
Figure 112021120007782-pat00016

[화학식 7]
Figure 112021120007782-pat00018

[화학식 8]
Figure 112021120007782-pat00019

(상기 화학식 7 및 8에서, A 및 B의 전체 반복단위의 합을 기준으로, A는 술폰산기가 포함되지 않는 반복단위의 백분율이고, B는 술폰산기가 포함된 반복단위의 백분율이며, A는 0~99%이고, B는 100~1%이다. 상기 화학식 8에서 Y는 원자가 존재하지 않거나, 존재하는 경우 O 또는 S이다.)
5. The method of claim 4,
The polybenzimidazole-based polymer is a polybenzimidazole-based polymer of the following [Formula 1] to [Formula 5], [Formula 7] and [Formula 8], characterized in that the high-temperature type anion exchange membrane manufacturing method:
[Formula 1]
Figure 112021120007782-pat00012

[Formula 2]
Figure 112021120007782-pat00013

[Formula 3]
Figure 112021120007782-pat00014

[Formula 4]
Figure 112021120007782-pat00015

[Formula 5]
Figure 112021120007782-pat00016

[Formula 7]
Figure 112021120007782-pat00018

[Formula 8]
Figure 112021120007782-pat00019

(In Formulas 7 and 8, based on the sum of all repeating units of A and B, A is the percentage of repeating units that do not contain a sulfonic acid group, B is the percentage of repeating units that contain a sulfonic acid group, and A is 0~ 99%, and B is 100 to 1%. In Formula 8, Y is O or S when no atom is present or is present.)
제4항에 따른 제조방법에 의하여 고온형 음이온 교환막을 제조하는 단계;
촉매를 가스확산층 위 스프레이 방식으로 도포 후 열처리를 진행하여 산소 발생 촉매가 담지된 양극 및 수소 발생 촉매가 담지된 음극을 제조하는 단계; 및
상기 고온형 음이온 교환막을 상기 양극 및 음극 사이에 조립하는 단계; 를 포함하는 고온형 수전해 전지 제조방법.
Preparing a high-temperature type anion exchange membrane by the manufacturing method according to claim 4;
preparing an anode on which an oxygen generating catalyst is supported and a cathode on which a hydrogen generating catalyst is supported by applying a catalyst on the gas diffusion layer by spraying and then performing heat treatment; and
assembling the high-temperature type anion exchange membrane between the positive electrode and the negative electrode; A method for manufacturing a high-temperature type water electrolysis battery comprising a.
제7항에 있어서,
상기 조립하는 단계에 있어서, 상기 양극의 고온형 음이온 교환막과 조립되지 않은 일면에 금(Au) 도금된 티타늄 분리판을 조립하는 것을 특징으로 하는, 고온형 수전해 전지 제조방법.
8. The method of claim 7,
In the assembling step, a high temperature type water electrolysis battery manufacturing method, characterized in that assembling a gold (Au) plated titanium separator on one surface that is not assembled with the high temperature type anion exchange membrane of the positive electrode.
제7항에 있어서,
상기 조립은 3 내지 6 N/m2의 체결압으로 체결 및 조립되는 것을 특징으로 하는, 고온형 수전해 전지 제조방법.
8. The method of claim 7,
The assembling is a method for manufacturing a high-temperature type water electrolytic battery, characterized in that it is fastened and assembled with a clamping pressure of 3 to 6 N/m 2 .
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