KR102483294B1 - Hollow fiber composite membrane for fuel cell electric vehicle and preparation method thereof - Google Patents

Hollow fiber composite membrane for fuel cell electric vehicle and preparation method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR102483294B1
KR102483294B1 KR1020200159668A KR20200159668A KR102483294B1 KR 102483294 B1 KR102483294 B1 KR 102483294B1 KR 1020200159668 A KR1020200159668 A KR 1020200159668A KR 20200159668 A KR20200159668 A KR 20200159668A KR 102483294 B1 KR102483294 B1 KR 102483294B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hollow fiber
fuel cell
fiber composite
humidifier
membrane
Prior art date
Application number
KR1020200159668A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20220072259A (en
Inventor
하성용
이충섭
한상훈
김세종
조민재
박현
Original Assignee
(주)에어레인
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)에어레인 filed Critical (주)에어레인
Priority to KR1020200159668A priority Critical patent/KR102483294B1/en
Publication of KR20220072259A publication Critical patent/KR20220072259A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102483294B1 publication Critical patent/KR102483294B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/08Hollow fibre membranes
    • B01D69/087Details relating to the spinning process
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D67/00Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
    • B01D67/0081After-treatment of organic or inorganic membranes
    • B01D67/0093Chemical modification
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/10Supported membranes; Membrane supports
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/12Composite membranes; Ultra-thin membranes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/56Polyamides, e.g. polyester-amides
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/66Polymers having sulfur in the main chain, with or without nitrogen, oxygen or carbon only
    • B01D71/68Polysulfones; Polyethersulfones
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126Humidifying
    • H01M8/04149Humidifying by diffusion, e.g. making use of membranes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

본 발명은 폴리술폰계 소재의 중공사 지지체막; 및 상기 중공사 지지체막의 외부 표면에 형성된 폴리(에테르-co-아미드)계 블록 공중합체 또는 폴리디메틸실록산 수지 혼합물 코팅층;을 포함하는 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 수증기의 전달에 저항이 감소하고 투과도의 향상으로 인하여 질소투과도 20 GPU 이하 및 수분투과도 800 g/m2ㅇhr에 이르는 가습 성능이 크게 개선된 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막을 제공할 수 있다.
The present invention is a hollow fiber support membrane of a polysulfone-based material; and a poly(ether-co-amide) block copolymer or polydimethylsiloxane resin mixture coating layer formed on the outer surface of the hollow fiber support membrane.
According to the present invention, a hollow fiber composite for a humidifier of a hydrogen fuel cell vehicle with significantly improved humidification performance of nitrogen permeability of 20 GPU or less and water permeability of 800 g/m 2 ㅇhr due to reduced resistance to water vapor transmission and improved permeability membranes can be provided.

Figure 112020126849253-pat00007
Figure 112020126849253-pat00007

Description

수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막 및 그 제조방법{Hollow fiber composite membrane for fuel cell electric vehicle and preparation method thereof}Hollow fiber composite membrane for humidifier of hydrogen fuel cell vehicle and its manufacturing method {Hollow fiber composite membrane for fuel cell electric vehicle and preparation method thereof}

본 발명은 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리술폰계 중공사 지지체막의 외부 표면에 친수성 폴리(에테르-co-아미드)계 블록 공중합체 를 코팅한 중공사 복합막을 제조함으로써, 이를 수소연료전지차의 막가습기로 응용하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a hollow fiber composite membrane for a humidifier of a hydrogen fuel cell vehicle and a method for manufacturing the same, and more particularly, coating the outer surface of a polysulfone hollow fiber support membrane with a hydrophilic poly(ether-co-amide) block copolymer By manufacturing a hollow fiber composite membrane, it relates to a technology of applying it to a membrane humidifier for a hydrogen fuel cell vehicle.

고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮고, 효율이 높으며, 전류밀도 및 출력밀도가 크고, 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답이 빠른 특성이 있다. 특히, 전해질로 고분자막을 사용하기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요 없고, 기존의 확립된 기술인 메탄올 개질기의 적용이 가능하며, 반응기체 압력변화에도 덜 민감하다. 또한, 디자인이 간단하고 제작이 쉬우며 다양한 범위의 출력을 낼 수 있기 때문에 수소연료전지차와 같은 수송기관의 동력원으로 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이로 인해 많은 연구들이 진행되어 실용화에 성공한 사례들이 발표되고 있다.A polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is a fuel cell that uses a polymer membrane with hydrogen ion exchange characteristics as an electrolyte. It has the characteristics of large, short start-up time and fast response to load change. In particular, since a polymer membrane is used as an electrolyte, corrosion and electrolyte control are not required, a methanol reformer, which is an existing technology, can be applied, and it is less sensitive to changes in reaction gas pressure. In addition, since it is simple in design, easy to manufacture, and can produce a wide range of output, it has the advantage of being able to be used as a power source for transportation institutions such as hydrogen fuel cell vehicles. As a result, many studies have been conducted and examples of successful commercialization have been announced.

또한, 고분자 전해질 연료전지에 사용되는 고체 고분자막은 수소이온의 효과적인 전달을 위해 전해질에 일정량의 수분이 존재해야 한다. 따라서 연료전지의 운전 중에 고분자막은 항상 수화되어 있어야 하며 수분이 부족하게 되면 수소이온전도도가 떨어지고, 막의 수축으로 인해 전극과 막 사이의 접촉 저항이 증가한다. 반대로 수분이 많이 존재하면 촉매 표면에 반응기체의 확산이 어려워져 연료전지 성능이 감소하므로 연료전지 운전에 있어서 수분관리(water management)는 매우 중요하다.In addition, a solid polymer membrane used in a polymer electrolyte fuel cell must have a certain amount of moisture present in the electrolyte for effective transfer of hydrogen ions. Therefore, during the operation of the fuel cell, the polymer membrane must always be hydrated, and when moisture is insufficient, the hydrogen ion conductivity decreases, and the contact resistance between the electrode and the membrane increases due to membrane shrinkage. Conversely, if there is a lot of moisture, it is difficult to diffuse the reaction gas on the surface of the catalyst and the performance of the fuel cell is reduced. Therefore, water management is very important in fuel cell operation.

상기 고분자막을 가습하는 방법에는 크게 외부가습과 내부가습으로 나눌 수 있다. 현재 많이 사용하고 있는 외부 가습장치를 이용한 방법은 반응기체에 적정한 습도를 유지하기 위하여 물을 가열해야 되기 때문에 에너지 효율 측면에서 문제점이 있으며 가습부와 냉각수 순환 시스템이 별도로 운영되기 때문에 전체 시스템이 복잡해지는 단점도 가지고 있다. 이런 문제점들을 보완하고자 최근에는 막가습을 이용한 방법과 다공성 양극판을 이용한 물의 공급, 섬유 심지(fiber wick)를 이용하여 전해질에 물을 공급하는 방법 등이 시도되고 있다. 그 중에 막을 이용한 가습 방법은 Ballard Power Systems사에 의해 시도된 방법으로 고분자 전해질 연료전지 스택(stack)과 일체형으로 가습부를 제작할 수 있으며, 스택의 냉각시스템을 이용하여 가습에 들어가는 별도의 에너지를 절약할 수 있는 장점이 있다.Methods of humidifying the polymer membrane can be largely divided into external humidification and internal humidification. The method using an external humidifier, which is currently widely used, has problems in terms of energy efficiency because it needs to heat water to maintain appropriate humidity in the reaction gas. It also has its downsides. In order to compensate for these problems, recently, a method using membrane humidification, a method of supplying water using a porous cathode plate, and a method of supplying water to an electrolyte using a fiber wick have been attempted. Among them, the humidification method using a membrane is a method attempted by Ballard Power Systems, which can manufacture a humidifier integrally with a polymer electrolyte fuel cell stack, and can save separate energy for humidification by using the cooling system of the stack. There are advantages to being able to

또한, 연료전지의 막가습기에 응용을 위한 선행기술로서 폴리에테르이미드를 비롯한 중공사 지지체막의 내부 표면에 퍼플루오르화 술폰산 공중합체가 코팅된 중공사 복합막이 공지된바 있다. 그러나 이 중공사 복합막은 중공사 지지체막의 내부 표면에 코팅층이 형성되므로 유효 막면적이 감소하여 막가습기에 응용 시 그 가습 성능이 떨어지는 단점이 있다.In addition, as a prior art for application to a membrane humidifier of a fuel cell, a hollow fiber composite membrane in which a perfluorinated sulfonic acid copolymer is coated on the inner surface of a hollow fiber support membrane including polyetherimide is known. However, since the coating layer is formed on the inner surface of the hollow fiber support membrane, the hollow fiber composite membrane has a disadvantage in that the effective membrane area is reduced and the humidification performance is poor when applied to a membrane humidifier.

그러므로 본 발명자 등은 상기 문제점을 해결하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 폴리술폰계 소재로 중공사 지지체막을 형성하고, 그 내부 표면이 아니라 외부 표면에 친수성 폴리(에테르-co-아미드)계 블록 공중합체 또는 폴리디메틸실록산 수지 혼합물이 코팅된 중공사 복합막을 개발함으로써, 수증기의 전달에 저항이 감소하고 투과도의 향상으로 인하여 가습 성능이 크게 개선되므로 수소연료전지차의 막가습기로 응용할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.Therefore, as a result of repeated research to solve the above problems, the inventors of the present invention formed a hollow fiber support membrane with a polysulfone-based material, and formed a hydrophilic poly(ether-co-amide)-based block copolymer on the outer surface, not the inner surface thereof. Alternatively, by developing a hollow fiber composite membrane coated with a polydimethylsiloxane resin mixture, it is found that it can be applied as a membrane humidifier for a hydrogen fuel cell vehicle because the resistance to the transmission of water vapor is reduced and the humidification performance is greatly improved due to the improved permeability. has been completed.

특허문헌 1. 한국등록특허 제10-1278398호Patent Document 1. Korean Patent Registration No. 10-1278398 특허문헌 2. 한국등록특허 제10-1398779호Patent Document 2. Korean Patent Registration No. 10-1398779

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 수증기의 전달에 저항이 감소하고 투과도의 향상으로 인하여 질소투과도 20 GPU 이하 및 수분투과도 800 g/m2 ·hr에 이르는 가습 성능이 크게 개선된 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to reduce the resistance to the transmission of water vapor and improve the permeability, resulting in nitrogen permeability of 20 GPU or less and moisture permeability of 800 g / m 2 · hr Humidification It is intended to provide a hollow fiber composite membrane for a humidifier of a hydrogen fuel cell vehicle with greatly improved performance and a manufacturing method thereof.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 폴리술폰계 소재의 중공사 지지체막; 및 상기 중공사 지지체막의 외부 표면에 형성된 폴리(에테르-co-아미드)계 블록 공중합체 또는 폴리디메틸실록산 수지 혼합물 코팅층;을 포함하는 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막을 제공한다.The present invention for achieving the above object, a hollow fiber support membrane of a polysulfone-based material; and a poly(ether-co-amide)-based block copolymer or polydimethylsiloxane resin mixture coating layer formed on the outer surface of the hollow fiber support membrane.

상기 폴리술폰계 소재는 폴리술폰, 폴리에테르술폰 또는 폴리페닐렌술폰인 것을 특징으로 한다.The polysulfone-based material is characterized in that polysulfone, polyethersulfone or polyphenylenesulfone.

상기 폴리(에테르-co-아미드)계 블록 공중합체는 하기 [화학식 1] 또는 [화학식 2]로 표시되는 것을 특징으로 한다.The poly(ether-co-amide)-based block copolymer is characterized in that it is represented by the following [Formula 1] or [Formula 2].

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020126849253-pat00001
Figure 112020126849253-pat00001

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112020126849253-pat00002
Figure 112020126849253-pat00002

(상기 [화학식 1]에서, 블록 공중합체의 반복단위 내 PEO는 폴리에틸렌옥시드, PA6은 폴리아미드 6, 그의 몰 비는 6:4이며, 상기 [화학식 2]에서, 블록 공중합체의 반복단위 내 PTMO는 폴리테트라메틸렌옥시드, PA12는 폴리아미드 12, 그의 몰 비는 8:2이다)(In [Formula 1], PEO in the repeating unit of the block copolymer is polyethylene oxide, PA6 is polyamide 6, and its molar ratio is 6:4, and in [Formula 2], in the repeating unit of the block copolymer PTMO is polytetramethylene oxide, PA12 is polyamide 12, its molar ratio is 8:2)

상기 폴리디메틸실록산 수지 혼합물은 폴리디메틸실록산 수지에 산화 그래핀, 이산화 티타늄 또는 실리카가 배합된 것을 특징으로 한다.The polydimethylsiloxane resin mixture is characterized in that graphene oxide, titanium dioxide or silica is blended with the polydimethylsiloxane resin.

상기 코팅층의 두께는 0.05 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 한다.The thickness of the coating layer is characterized in that 0.05 to 5 ㎛.

또한, 본 발명은 (I) 폴리술폰계 소재, 유기용매 및 첨가제를 혼합 및 교반하여 균일한 방사용액을 얻는 단계; (II) 상기 방사용액을 이중 방사구금을 통하여 방사함으로써 중공사 지지체막을 형성하는 단계; 및 (III) 상기 중공사 지지체막의 외부 표면에 폴리(에테르-co-아미드)계 블록 공중합체 또는 폴리디메틸실록산 수지 혼합물 용액을 코팅하는 단계;를 포함하는 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention (I) mixing and stirring the polysulfone-based material, organic solvent and additives to obtain a uniform spinning solution; (II) forming a hollow fiber support film by spinning the spinning solution through a double spinneret; and (III) coating a poly(ether-co-amide)-based block copolymer or polydimethylsiloxane resin mixture solution on the outer surface of the hollow fiber support membrane. Preparation of a hollow fiber composite membrane for a humidifier of a hydrogen fuel cell vehicle including provides a way

상기 (I) 단계의 유기용매는 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF) 및 디메틸술폭시드(DMSO)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 한다.The organic solvent in step (I) is any one selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF) and dimethylsulfoxide (DMSO), do.

상기 (I) 단계의 방사용액은 20 내지 40 중량% 농도인 것임을 특징으로 한다.The spinning solution of step (I) is characterized in that the concentration is 20 to 40% by weight.

상기 (I) 단계의 첨가제는 테트라히드로퓨란, 메틸에틸케톤, 에틸아세테이트, 트리클로로에탄, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 디에틸렌글리콜디에틸에테르, 디메틸에테르, 디에틸에테르, 메탄올, 에탄올, 2-프로판올, 2-펜탄올, 메톡시에탄올, 다이옥산, 부톡시에탄올, 퍼퍼릴알코올, 터셔리아밀알코올, 아세트산, 시트릭산, 뷰티르산, 팔미트산, 옥살산, 프로피온산, 벤조산 및 타르타르산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 것을 특징으로 한다.The additives in step (I) are tetrahydrofuran, methyl ethyl ketone, ethyl acetate, trichloroethane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, dimethyl ether, diethyl ether, methanol, ethanol, 2-propanol , 1 selected from the group consisting of 2-pentanol, methoxyethanol, dioxane, butoxyethanol, perferyl alcohol, tersiamyl alcohol, acetic acid, citric acid, butyric acid, palmitic acid, oxalic acid, propionic acid, benzoic acid and tartaric acid Characterized by more than one species.

상기 (III) 단계의 폴리(에테르-co-아미드)계 블록 공중합체 또는 폴리디메틸실록산 수지 혼합물 용액은 1 내지 5 중량% 농도인 것을 특징으로 한다. The solution of the poly(ether-co-amide)-based block copolymer or polydimethylsiloxane resin mixture in step (III) is characterized in that it has a concentration of 1 to 5% by weight.

본 발명에 의하면, 수증기의 전달에 저항이 감소하고 투과도의 향상으로 인하여 질소투과도 20 GPU 이하 및 수분투과도 800 g/m2 ·hr에 이르는 가습 성능이 크게 개선된 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, a hollow fiber composite for a humidifier of a hydrogen fuel cell vehicle with significantly improved humidification performance of nitrogen permeability of 20 GPU or less and water permeability of 800 g/m 2 hr due to reduced resistance to water vapor transmission and improved permeability A membrane and a manufacturing method thereof can be provided.

도 1은 본 발명에 따른 중공사 지지체막의 제조장치를 개략도 및 제조공정 이미지.
도 2는 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 중공사 복합막의 구조를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 이미지.
도 3은 본 발명에 따른 중공사 복합막의 질소 투과도 측정을 위한 모식도 및 테스트 샘플 이미지.
1 is a schematic diagram and manufacturing process image of an apparatus for manufacturing a hollow fiber support membrane according to the present invention.
Figure 2 is a scanning electron microscope (SEM) image showing the structure of the hollow fiber composite membrane prepared from Example 1 of the present invention.
3 is a schematic diagram and a test sample image for measuring the nitrogen permeability of the hollow fiber composite membrane according to the present invention.

이하에서는 본 발명에 따른 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막 및 그 제조방법에 관하여 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a hollow fiber composite membrane for a humidifier of a hydrogen fuel cell vehicle and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with accompanying drawings.

본 발명은 폴리술폰계 소재의 중공사 지지체막; 및 상기 중공사 지지체막의 외부 표면에 형성된 폴리(에테르-co-아미드)계 블록 공중합체 또는 폴리디메틸실록산 수지 혼합물 코팅층;을 포함하는 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막을 제공한다.The present invention is a hollow fiber support membrane of a polysulfone-based material; and a poly(ether-co-amide)-based block copolymer or polydimethylsiloxane resin mixture coating layer formed on the outer surface of the hollow fiber support membrane.

통상의 PEMFC에서 수소이온을 전달하는 전해질은 고분자 이온교환막을 사용하며 대표적으로 술폰화 불소계 중합체를 사용한다. 고분자막은 연료극과 공기극 사이에서 수소이온의 전달체 역할뿐만 아니라 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하며 수소이온 전도성과 화학적 안정성이 높아야 한다. 이러한 PEMFC용 고분자 전해질막을 개발하고 있는 기업으로는 Dupont 사를 비롯하여 Asahi Chemical 사, Asahi Glass 사 등이 있는데, 이들 기업이 개발한 것 중 아직까지 가장 확실한 성능을 나타내는 것은 나피온(Nafion®, Dupont)으로 알려져 있다. 이 고분자막은 소수성인 물질 내부에 술폰산(sulfonic acid)이 함유되어 있어 친수화 영역이 만들어지며 이로 인해 물질이 건조할 때보다 수분을 흡수하였을 때 우수한 이온전도성을 띈다.An electrolyte that transfers hydrogen ions in a conventional PEMFC uses a polymeric ion exchange membrane and typically uses a sulfonated fluoropolymer. The polymer membrane serves not only as a carrier of hydrogen ions between the anode and cathode, but also as a barrier between oxygen and hydrogen, and must have high hydrogen ion conductivity and chemical stability. Companies that are developing polymer electrolyte membranes for PEMFC include Dupont, Asahi Chemical, and Asahi Glass. Among those developed by these companies, Nafion ® (Dupont) shows the most reliable performance. is known as This polymer membrane contains sulfonic acid inside the hydrophobic material to create a hydrophilic region, and thus exhibits excellent ionic conductivity when the material absorbs moisture rather than when it is dry.

PEMFC에 쓰이는 반응기체는 막의 탈수를 막기 위해 물로 포화시켜야 한다. 특히 환원극 쪽에서는 생성된 과량의 물을 제거하여야 하지만, 산화극 쪽에서는 물이 증발되어 고분자막이 건조해지기 때문에 물을 효과적으로 공급함으로써 고분자막의 수분 함량을 충분히 유지하는 것은 매우 중요하다. 수분을 전해질막으로 공급하는 방법은 크게 외부 가습법과 내부 가습법이 있다. 외부 가습법에는 반응기체를 물이 들어 있는 기포가습기(bubble humidifier)속을 통과시킨 뒤 전지 내로 유입시키는 방법이 대표적인데, 이것은 반응기체의 유량이 클 경우 작은 액적 형태로 물이 운반되어 수분조절에 어려움이 있다. 이 외에도 다공성막을 사용하는 방법과 미세한 물 입자를 반응기체에 직접 분사하는 방법 등이 있다. 한편, 내부 가습법에는 물을 함유한 다공성 고분자막을 통해 반응기체를 통과시킴으로써 다공성 분리판을 이용하는 방법과 물을 공급하는 방법 및 전해질 막을 직접 가습시키는 방법 등이 있다.The reactive gas used in the PEMFC must be saturated with water to prevent dehydration of the membrane. In particular, excessive water generated at the cathode side must be removed, but since water evaporates at the anode side and the polymer membrane is dried, it is very important to effectively supply water to sufficiently maintain the moisture content of the polymer membrane. Methods for supplying moisture to the electrolyte membrane are largely divided into an external humidification method and an internal humidification method. In the external humidification method, a representative method is to pass the reactive gas through a bubble humidifier containing water and then introduce it into the battery. There are difficulties. In addition to this, there are a method using a porous membrane and a method of directly spraying fine water particles to the reaction gas. On the other hand, internal humidification methods include a method of using a porous separator by passing a reaction gas through a porous polymer membrane containing water, a method of supplying water, and a method of directly humidifying an electrolyte membrane.

본 발명의 목적물인 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막은 그 일 구성요소로서 폴리술폰계 소재의 중공사 지지체막을 주요 기재로 한다. 즉, 중공사 복합막을 수소연료전지차의 가습기 시스템에 적용하기 위하여 가장 중요한 기술적 특징 중의 하나가 중공사 지지체막의 투과 특성이라 할 것이다.The hollow fiber composite membrane for a humidifier of a hydrogen fuel cell vehicle, which is an object of the present invention, uses a polysulfone-based hollow fiber support membrane as a main substrate as one component thereof. That is, in order to apply the hollow fiber composite membrane to the humidifier system of a hydrogen fuel cell vehicle, one of the most important technical characteristics is the permeation characteristic of the hollow fiber support membrane.

따라서 본 발명에서는 종래 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)와 같은 소수성 지지체막에 비하여 친수성을 갖는 유리상의 고분자소재로 지지체막을 형성함으로써, 수증기의 전달에 저항이 감소하여 투과도의 향상을 가져올 수 있는 폴리술폰계 고분자를 중공사 지지체막의 소재로 바람직하게 사용한다.Therefore, in the present invention, compared to conventional hydrophobic support membranes such as polyvinylidene fluoride (PVDF), by forming the support membrane with a glassy polymeric material having hydrophilicity, the resistance to the transmission of water vapor is reduced, resulting in improved permeability. A phonetic polymer is preferably used as a material for the hollow fiber support membrane.

상기 폴리술폰계 소재로서는 폴리술폰(PS), 폴리에테르술폰(PES) 또는 폴리페닐렌술폰(PPSU)을 사용할 수 있다.As the polysulfone-based material, polysulfone (PS), polyethersulfone (PES), or polyphenylenesulfone (PPSU) may be used.

또한, 본 발명에서는 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막을 구성하기 위하여 상기 폴리술폰계 중공사 지지체막의 외부 표면에 폴리(에테르-co-아미드)계 블록 공중합체 또는 폴리디메틸실록산 수지 혼합물 코팅층을 형성한다.In addition, in the present invention, in order to construct a hollow fiber composite membrane for a humidifier of a hydrogen fuel cell vehicle, a poly(ether-co-amide) block copolymer or polydimethylsiloxane resin mixture coating layer is formed on the outer surface of the polysulfone-based hollow fiber support membrane. do.

상기 폴리(에테르-co-아미드)계 블록 공중합체는 하기 [화학식 1] 또는 [화학식 2]로 표시되는 것일 수 있다.The poly(ether-co-amide)-based block copolymer may be represented by the following [Formula 1] or [Formula 2].

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020126849253-pat00003
Figure 112020126849253-pat00003

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112020126849253-pat00004
Figure 112020126849253-pat00004

(상기 [화학식 1]에서, 블록 공중합체의 반복단위 내 PEO는 폴리에틸렌옥시드, PA6은 폴리아미드 6, 그의 몰 비는 6:4이며, 상기 [화학식 2]에서, 블록 공중합체의 반복단위 내 PTMO는 폴리테트라메틸렌옥시드, PA12는 폴리아미드 12, 그의 몰 비는 8:2이다)(In [Formula 1], PEO in the repeating unit of the block copolymer is polyethylene oxide, PA6 is polyamide 6, and its molar ratio is 6:4, and in [Formula 2], in the repeating unit of the block copolymer PTMO is polytetramethylene oxide, PA12 is polyamide 12, its molar ratio is 8:2)

특히, 상기 [화학식 1]로 표시되는 폴리(에테르-co-아미드)계 블록 공중합체로서는 상용화된 Pebax® 1657을, [화학식 2]로 표시되는 폴리(에테르-co-아미드)계 블록 공중합체로서는 상용화된 Pebax® 2533을 바람직하게 사용할 수 있다.In particular, as the poly(ether-co-amide)-based block copolymer represented by [Formula 1], commercially available Pebax ® 1657 is used as the poly(ether-co-amide)-based block copolymer represented by [Formula 2]. Commercially available Pebax ® 2533 can be preferably used.

또한, 상기 폴리디메틸실록산 수지 혼합물은 폴리디메틸실록산 수지에 산화 그래핀, 이산화 티타늄 또는 실리카가 배합된 것일 수 있다. In addition, the polydimethylsiloxane resin mixture may be a mixture of graphene oxide, titanium dioxide, or silica in a polydimethylsiloxane resin.

이때, 상기 코팅층의 두께는 0.05 내지 5 ㎛인 것일 수 있는바, 코팅층의 두께가 0.05 ㎛ 미만이면 중공사의 대면적 모듈 제조 시 표면에 결함이 없는 코팅층을 형성하기 어렵고, 5 ㎛를 초과하면 코팅층의 두께가 두꺼워 수분투과도가 감소하는 단점이 생길 수 있으므로 코팅층의 두께는 상기 범위에서 조절하는 것이 바람직하다.At this time, the thickness of the coating layer may be 0.05 to 5 μm. If the thickness of the coating layer is less than 0.05 μm, it is difficult to form a coating layer without defects on the surface when manufacturing a large area hollow fiber module, and if it exceeds 5 μm, the coating layer It is preferable to adjust the thickness of the coating layer within the above range because the thickness may cause a disadvantage in that the water permeability is reduced due to the thick thickness.

또한, 본 발명은 (I) 폴리술폰계 소재, 유기용매 및 첨가제를 혼합 및 교반하여 균일한 방사용액을 얻는 단계; (II) 상기 방사용액을 이중 방사구금을 통하여 방사함으로써 중공사 지지체막을 형성하는 단계; 및 (III) 상기 중공사 지지체막의 외부 표면에 폴리(에테르-co-아미드)계 블록 공중합체 또는 폴리디메틸실록산 수지 혼합물 용액을 코팅하는 단계;를 포함하는 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention (I) mixing and stirring the polysulfone-based material, organic solvent and additives to obtain a uniform spinning solution; (II) forming a hollow fiber support film by spinning the spinning solution through a double spinneret; and (III) coating a poly(ether-co-amide)-based block copolymer or polydimethylsiloxane resin mixture solution on the outer surface of the hollow fiber support membrane. Preparation of a hollow fiber composite membrane for a humidifier of a hydrogen fuel cell vehicle including provides a way

먼저, 상기 (I) 단계의 폴리술폰계 소재로서는 폴리술폰(PS), 폴리에테르술폰(PES) 또는 폴리페닐렌술폰(PPSU)을 사용할 수 있다.First, polysulfone (PS), polyethersulfone (PES), or polyphenylenesulfone (PPSU) may be used as the polysulfone-based material in the step (I).

상기 (I) 단계의 유기용매로서는 상대적으로 비점이 높은 양용매를 사용하는 것이 바람직하다. 비점이 낮으면 고온의 중공사 방사과정에서 유기용매의 급격한 증발로 인하여 중공사 지지체막에 결함이 발생할 수 있고, 비점이 너무 높으면 방사용액이 공기를 통과하는 동안 유기용매의 증발이 일어나지 않아 균일한 모폴로지를 형성할 수 없게 된다. 따라서 상기 유기용매로서는 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF) 및 디메틸술폭시드(DMSO)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 사용할 수 있으며, N-메틸피롤리돈(NMP)을 더욱 바람직하게 사용한다.As the organic solvent in the step (I), it is preferable to use a good solvent having a relatively high boiling point. If the boiling point is low, defects may occur in the hollow fiber support film due to rapid evaporation of the organic solvent during the high-temperature hollow fiber spinning process, and if the boiling point is too high, the organic solvent does not evaporate while the spinning solution passes through the air, resulting in a uniform morphology cannot be formed. Therefore, as the organic solvent, any one selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF) and dimethylsulfoxide (DMSO) may be used, and N- Methylpyrrolidone (NMP) is more preferably used.

또한, 균일한 방사용액을 얻기 위하여 유기용매에 첨가제를 혼합하여 사용하는바, 상기 첨가제는 고분자용액의 점도를 다소 감소시키고 고분자 방사용액의 상태를 균일하게 유지하는 역할을 하는 테트라히드로퓨란, 메틸에틸케톤, 에틸아세테이트, 트리클로로에탄, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 디에틸렌글리콜디에틸에테르, 디메틸에테르, 디에틸에테르, 메탄올, 에탄올, 2-프로판올, 2-펜탄올, 메톡시에탄올, 다이옥산, 부톡시에탄올, 퍼퍼릴알코올, 터셔리아밀알코올, 아세트산, 시트릭산, 뷰티르산, 팔미트산, 옥살산, 프로피온산, 벤조산 및 타르타르산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 것일 수 있고, 프로피온산을 더욱 바람직하게 사용한다.In addition, in order to obtain a uniform spinning solution, an additive is mixed with an organic solvent, and the additive is tetrahydrofuran, methylethyl, which serves to slightly reduce the viscosity of the polymer solution and maintain the state of the polymer spinning solution uniformly Ketone, ethyl acetate, trichloroethane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, dimethyl ether, diethyl ether, methanol, ethanol, 2-propanol, 2-pentanol, methoxyethanol, dioxane, butoxy It may be at least one selected from the group consisting of ethanol, perferyl alcohol, tertiary acid, acetic acid, citric acid, butyric acid, palmitic acid, oxalic acid, propionic acid, benzoic acid, and tartaric acid, and propionic acid is more preferably used.

아울러 상기 첨가제는 방사용액 100 중량부에 대하여 10~30 중량부를 첨가하는 것인바, 첨가제의 함량이 10 중량부 미만이면 고분자 용액의 점도를 감소시키면서 균일한 방사용액을 얻는 것이 어렵고, 30 중량부를 초과하면 휘발성이 높은 용매의 비율이 높아 방사용액의 균일성이 확보되지 않고 중공사의 물성이 시간에 따라 변하기 쉬우므로, 상기 범위로 첨가제의 함량을 유지하는 것이 바람직하다.In addition, the additive is added in an amount of 10 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the spinning solution. If the content of the additive is less than 10 parts by weight, it is difficult to obtain a uniform spinning solution while reducing the viscosity of the polymer solution, and it is more than 30 parts by weight. If the ratio of the highly volatile solvent is high, the uniformity of the spinning solution is not secured and the physical properties of the hollow fiber are easily changed over time, so it is preferable to maintain the content of the additive within the above range.

또한, 상기 (I) 단계의 방사용액은 20 내지 40 중량% 농도로 조절하는데, 그 농도가 20 중량% 미만이면 중공사의 기계적 강도가 약하여 지지체로서의 역할을 수행하기 어렵고, 농도가 40 중량%를 초과하면 수증기의 투과도가 매우 낮아질 수 있으므로, 상기 범위로 농도를 유지하는 것이 바람직하다.In addition, the spinning solution in step (I) is adjusted to a concentration of 20 to 40% by weight. If the concentration is less than 20% by weight, the mechanical strength of the hollow fiber is weak, making it difficult to serve as a support, and the concentration exceeds 40% by weight. Since the permeability of water vapor may be very low, it is preferable to maintain the concentration within the above range.

도 1에 나타낸 중공사 지지체막의 제조장치를 이용하여 상기 방사용액을 이중 방사구금을 통하여 방사함으로써 중공사 지지체막을 얻는다. 먼저, 방사용액은 기포를 없애고, 필터를 사용하여 이물질을 제거한 후, 기어펌프를 통하여 60~80℃, 에어 갭 1~30cm를 유지한 상태에서 이중 방사구금으로 보낸다. 이어서 방사용액이 이중 방사구금의 바깥쪽 노즐을 통해서 나오게 되며, 이중 방사구금의 안쪽으로는 내부응고액을 토출시켜 중공사를 방사한다. 이때, 내부응고액으로는 물, 이소프로판올, 부탄올, 에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 글리세롤, 디메톡시에탄올, 디에톡시에탄올, 부톡시메탄올, 디메톡시부틸렌옥시드 또는 디글리시딜디메틸에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 사용할 수 있는데, 물을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 외부응고액인 물이 수용된 외부응고조는 20~30℃로 유지하여 상전이 과정을 거쳐 중공사를 권취하고, 흐르는 물에 2~3일간 세척하여 잔류 용매와 첨가제를 제거한 후, 메탄올에 3~5시간 동안 침적하고, n-헥산에 다시 3~5시간 동안 침적하여 메탄올을 n-헥산으로 치환한 다음, 70~80℃ 오븐에서 3시간 이상 건조시켜 중공사 지지체막을 얻는다.A hollow fiber support membrane is obtained by spinning the spinning solution through a double spinneret using the apparatus for manufacturing a hollow fiber support membrane shown in FIG. 1 . First, the spinning solution is sent to the double spinneret while maintaining 60 to 80 ° C. and an air gap of 1 to 30 cm through a gear pump after removing air bubbles and foreign substances using a filter. Subsequently, the spinning solution comes out through the outer nozzle of the double spinneret, and the inner coagulating solution is discharged to the inside of the double spinneret to spin the hollow fiber. At this time, the internal coagulating solution is selected from the group consisting of water, isopropanol, butanol, ethylene glycol, polyethylene glycol, glycerol, dimethoxyethanol, diethoxyethanol, butoxymethanol, dimethoxybutylene oxide or diglycidyldimethyl ether Any one may be used, but it is more preferable to use water. In addition, the external coagulation bath containing water, which is an external coagulation solution, is maintained at 20 to 30 ° C, and the hollow fiber is wound through a phase transition process, washed in running water for 2 to 3 days to remove residual solvents and additives, and then washed in methanol for 3 to 3 days. It is immersed for 5 hours, dipped again in n-hexane for 3 to 5 hours to replace methanol with n-hexane, and then dried in an oven at 70 to 80 ° C. for 3 hours or more to obtain a hollow fiber support membrane.

또한, 본 발명에서는 상기 중공사 지지체막의 외부 표면에 폴리(에테르-co-아미드)계 블록 공중합체 용액을 코팅함으로써 목적물인 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막을 제조하는바, 상기 폴리(에테르-co-아미드)계 블록 공중합체로서는 상술한 [화학식 1] 또는 [화학식 2]로 표시되는 것을 바람직하게 사용한다.In addition, in the present invention, a hollow fiber composite membrane for a humidifier of a hydrogen fuel cell vehicle, which is a target object, is prepared by coating a poly(ether-co-amide)-based block copolymer solution on the outer surface of the hollow fiber support membrane, the poly(ether-co-amide) As the co-amide)-based block copolymer, those represented by [Formula 1] or [Formula 2] described above are preferably used.

상기 폴리(에테르-co-아미드)계 블록 공중합체 용액은 60% 에탄올 수용액 또는 n-부탄올/이소프로판올(4:6 중량비)의 혼합물을 용매로 사용하여 얻는다. 이때, 상기 코팅을 위한 폴리(에테르-co-아미드)계 블록 공중합체 용액은 1 내지 5 중량% 농도로 조절하는데, 코팅용액의 농도가 1 중량% 미만이면 중공사 외부 표면의 결함을 코팅하기에 너무 농도가 낮아 코팅이 제대로 되지 않음으로써 중공사 복합막의 수분투과도가 감소하게 되고, 그 농도가 5 중량%를 초과하면 균일한 코팅층을 형성하기 어려운 문제점이 있으므로, 상기 범위 내에서 코팅용액의 농도를 조절하는 것이 바람직하다.The poly(ether-co-amide)-based block copolymer solution is obtained by using a 60% aqueous ethanol solution or a mixture of n-butanol/isopropanol (4:6 weight ratio) as a solvent. At this time, the poly(ether-co-amide)-based block copolymer solution for the coating is adjusted to a concentration of 1 to 5% by weight. If the concentration of the coating solution is less than 1% by weight, it is difficult to coat defects on the outer surface of the hollow fiber. Since the concentration is too low, the coating does not work properly, which reduces the water permeability of the hollow fiber composite membrane, and when the concentration exceeds 5% by weight, it is difficult to form a uniform coating layer. It is desirable to regulate

[실시예 1][Example 1]

교반기가 부착된 2L 반응기에 N-메틸피롤리돈 500g을 투입, 프로피온산 250g을 첨가제로 혼합 후 폴리술폰 250g을 서서히 가하고 교반하여 균일한 방사용액을 얻었다. 상기 방사용액은 기포를 없애고, 60μm필터를 이용하여 이물질을 제거하였다. 이어서 기어펌프를 통하여 방사온도 60℃, 에어 갭 10cm를 유지한 상태에서 이중 방사구금으로 보냈다. 이때, 이중 방사구금의 내부응고액으로는 상온의 물을 사용하였다. 물이 수용된 외부응고조의 온도를 20℃로 하여 상전이 과정을 거친 후 중공사를 권취하였으며, 흐르는 물에 2일간 세척하여 잔존하는 용매와 첨가제를 제거하였다. 그 후 메탄올에 3시간 침적하고, n-헥산에 다시 3시간 동안 침적하여 메탄올을 헥산으로 치환한 후, 70℃ 진공오븐에서 4시간 동안 건조시켜 중공사 지지체막을 얻었다. 상기 얻어진 중공사 지지체막의 외부 표면을 Pebax® 1657을 60% 에탄올 수용액에 2 중량% 농도로 용해시킨 코팅용액으로 딥 코팅한 후, 80℃에서 12시간 건조하여 중공사 복합막을 제조하였다(코팅층의 두께 0.9 ㎛).500 g of N-methylpyrrolidone was added to a 2L reactor equipped with a stirrer, 250 g of propionic acid was mixed as an additive, and then 250 g of polysulfone was slowly added and stirred to obtain a uniform spinning solution. Air bubbles were removed from the spinning solution, and foreign substances were removed using a 60 μm filter. Subsequently, it was sent to a double spinneret while maintaining a spinning temperature of 60 ° C and an air gap of 10 cm through a gear pump. At this time, water at room temperature was used as the internal coagulating solution of the double spinneret. The temperature of the external coagulation bath containing water was set to 20 ° C., and after the phase transition process, the hollow fiber was wound up and washed in running water for 2 days to remove the remaining solvent and additives. Then, it was immersed in methanol for 3 hours, dipped in n-hexane again for 3 hours to replace methanol with hexane, and then dried in a vacuum oven at 70° C. for 4 hours to obtain a hollow fiber support membrane. The outer surface of the obtained hollow fiber support membrane was dip-coated with a coating solution in which Pebax ® 1657 was dissolved in a 60% aqueous ethanol solution at a concentration of 2% by weight, and then dried at 80 ° C. for 12 hours to prepare a hollow fiber composite membrane (thickness of the coating layer 0.9 μm).

[실시예 2][Example 2]

중공사 지지체막의 외부 표면을 Pebax® 2533을 n-부탄올/이소프로판올(4:6 중량비)의 혼합용매에 2 중량% 농도로 용해시킨 코팅용액으로 딥 코팅하는 공정을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 중공사 복합막을 제조하였다.The same method as in Example 1 except for the process of dip coating the outer surface of the hollow fiber support membrane with a coating solution in which Pebax ® 2533 was dissolved in a mixed solvent of n-butanol/isopropanol (4:6 weight ratio) at a concentration of 2% by weight. A hollow fiber composite membrane was prepared.

[실시예 3][Example 3]

중공사 지지체막의 외부 표면을 폴리디메틸실록산 수지에 산화 그래핀이 배합된 혼합물 코팅용액(산화 그래핀은 폴리디메틸실록산 수지의 3 중량%로 배합, 폴리디메틸실록산 수지를 n-헥산의 1 중량% 농도로 용해시킨 것)으로 딥 코팅하는 공정을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 중공사 복합막을 제조하였다.The outer surface of the hollow fiber support membrane is coated with a mixture of polydimethylsiloxane resin and graphene oxide (graphene oxide is mixed at 3% by weight of polydimethylsiloxane resin, and polydimethylsiloxane resin is mixed at 1% by weight of n-hexane). A hollow fiber composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except for the dip coating process.

[비교예 1][Comparative Example 1]

중공사 지지체막의 외부 표면에 형성된 코팅층의 두께가 0.04 ㎛인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 중공사 복합막을 제조하였다.A hollow fiber composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that the thickness of the coating layer formed on the outer surface of the hollow fiber support membrane was 0.04 μm.

[비교예 2][Comparative Example 2]

중공사 지지체막의 외부 표면에 형성된 코팅층의 두께가 6 ㎛인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 중공사 복합막을 제조하였다.A hollow fiber composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that the thickness of the coating layer formed on the outer surface of the hollow fiber support membrane was 6 μm.

도 2에는 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 중공사 복합막의 구조를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 이미지를 도시하였는바, 폴리술폰 중공사 지지체막의 외부 표면에 Pebax?? 1657의 균일한 코팅층이 형성된 것을 확인할 수 있다.Figure 2 shows a scanning electron microscope (SEM) image showing the structure of the hollow fiber composite membrane prepared from Example 1 of the present invention, Pebax ?? on the outer surface of the polysulfone hollow fiber support membrane. It can be confirmed that a uniform coating layer of 1657 is formed.

또한, 도 3에 나타낸 중공사 복합막의 질소 투과도 측정을 위한 모식도 및 테스트 샘플 이미지에서 보는 바와 같이, 테스트 샘플을 제작하고 질소 봄베를 이용하여 질소투과도를 평가하였다. 중공사 테스트 모듈은 25℃, 2~5 barg에서 버블 플로우 미터를 이용하여 측정하였다. 또한, 중공사 복합막의 수분투과도는 ASTM F 1249법에 의하여 평가하였다.In addition, as shown in the schematic diagram and test sample image for measuring the nitrogen permeability of the hollow fiber composite membrane shown in FIG. 3, a test sample was prepared and nitrogen permeability was evaluated using a nitrogen cylinder. The hollow fiber test module was measured using a bubble flow meter at 25°C and 2-5 barg. In addition, the water permeability of the hollow fiber composite membrane was evaluated according to the ASTM F 1249 method.

하기 표 1에는 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예 1, 2로부터 제조한 중공사 지지체막 및 중공사 복합막의 질소투과도, 그리고 중공사 복합막의 수분투과도를 나타내었다.Table 1 below shows the nitrogen permeability of the hollow fiber support membranes and the hollow fiber composite membranes prepared from Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention, and water permeability of the hollow fiber composite membranes.

샘플Sample 중공사 지지체막 질소투과도
(GPU)
Nitrogen permeability of the hollow fiber support membrane
(GPUs)
복합막 질소투과도
(GPU)
Composite Membrane Nitrogen Permeability
(GPUs)
복합막 수분투과도
(g/m2·hr)
Composite membrane water permeability
(g/m 2 ·hr)
실시예 1Example 1 18,00018,000 3.43.4 830830 실시예 2Example 2 18,00018,000 2.52.5 801801 실시예 3Example 3 18,00018,000 4.44.4 809809 비교예 1Comparative Example 1 18,00018,000 134134 1,2271,227 비교예 2Comparative Example 2 18,00018,000 0.90.9 699699

*(GPU=cm3/cm2·sec·cmHg)*(GPU=cm 3 /cm 2 ·sec·cmHg)

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 3으로부터 제조한 중공사 복합막은 질소투과도 20 GPU 이하 및 수분투과도 800 g/m2ㅇhr에 이르러 종래 막가습기에 비하여 가습 성능이 크게 개선됨으로써 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막으로 충분히 응용할 수 있음을 확인할 수 있다.As shown in Table 1, the hollow fiber composite membranes prepared from Examples 1 to 3 of the present invention have a nitrogen permeability of 20 GPU or less and a water permeability of 800 g / m 2 ㅇhr, significantly improving humidification performance compared to conventional membrane humidifiers As a result, it can be confirmed that it can be sufficiently applied as a hollow fiber composite membrane for a humidifier of a hydrogen fuel cell vehicle.

반면, 비교예 1로부터 제조한 중공사 복합막은 코팅층의 두께가 너무 얇아 수분투과도는 크게 향상되었지만 질소투과도가 극히 높고, 비교예 2로부터 제조한 중공사 복합막은 코팅층의 두께가 너무 두꺼워 질소투과도는 낮으나 수분투과도 역시 매우 떨어지므로, 비교예 1, 2로부터 제조한 중공사 복합막은 실시예 1 내지 3으로부터 제조한 중공사 복합막과는 달리 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막으로 응용하기 어려울 것으로 보인다.On the other hand, the hollow fiber composite membrane prepared from Comparative Example 1 had a very thin coating layer, so the water permeability was greatly improved, but the nitrogen permeability was extremely high. Since the water permeability is also very low, the hollow fiber composite membranes prepared in Comparative Examples 1 and 2 are difficult to apply as hollow fiber composite membranes for humidifiers of hydrogen fuel cell vehicles, unlike the hollow fiber composite membranes prepared in Examples 1 to 3. .

Claims (10)

폴리술폰계 소재의 중공사 지지체막; 및
상기 중공사 지지체막의 외부 표면에 형성된, 폴리디메틸실록산 수지에 산화 그래핀, 이산화 티타늄 또는 실리카가 배합된 폴리디메틸실록산 수지 혼합물 코팅층;을 포함하는 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막.
a hollow fiber support membrane made of a polysulfone-based material; and
A hollow fiber composite film for a humidifier of a hydrogen fuel cell vehicle comprising a polydimethylsiloxane resin mixture coating layer in which graphene oxide, titanium dioxide, or silica is blended with a polydimethylsiloxane resin formed on an outer surface of the hollow fiber support film.
제1항에 있어서, 상기 폴리술폰계 소재는 폴리술폰, 폴리에테르술폰 또는 폴리페닐렌술폰인 것을 특징으로 하는 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막.The hollow fiber composite membrane for a humidifier of a hydrogen fuel cell vehicle according to claim 1, wherein the polysulfone-based material is polysulfone, polyethersulfone, or polyphenylenesulfone. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 코팅층의 두께는 0.05 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막.The hollow fiber composite membrane for a humidifier of a hydrogen fuel cell vehicle according to claim 1, wherein the coating layer has a thickness of 0.05 to 5 μm. (I) 폴리술폰계 소재, 유기용매 및 첨가제를 혼합 및 교반하여 균일한 방사용액을 얻는 단계;
(II) 상기 방사용액을 이중 방사구금을 통하여 방사함으로써 중공사 지지체막을 형성하는 단계; 및
(III) 상기 중공사 지지체막의 외부 표면에 폴리디메틸실록산 수지에 산화 그래핀, 이산화 티타늄 또는 실리카가 배합된 폴리디메틸실록산 수지 혼합물 용액을 코팅하는 단계;를 포함하는 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막의 제조방법.
(I) obtaining a uniform spinning solution by mixing and stirring the polysulfone-based material, organic solvent and additives;
(II) forming a hollow fiber support film by spinning the spinning solution through a double spinneret; and
(III) coating a solution of a polydimethylsiloxane resin mixture in which graphene oxide, titanium dioxide, or silica is mixed with a polydimethylsiloxane resin on the outer surface of the hollow fiber support film; a hollow fiber composite for a humidifier of a hydrogen fuel cell vehicle including A method for producing membranes.
제6항에 있어서, 상기 (I) 단계의 유기용매는 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF) 및 디메틸술폭시드(DMSO)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 하는 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막의 제조방법.The method of claim 6, wherein the organic solvent in step (I) is selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF) and dimethylsulfoxide (DMSO) A method for manufacturing a hollow fiber composite membrane for a humidifier of a hydrogen fuel cell vehicle, characterized in that any one of them. 제6항에 있어서, 상기 (I) 단계의 방사용액은 20 내지 40 중량% 농도인 것임을 특징으로 하는 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막의 제조방법.The method of claim 6, wherein the spinning solution in step (I) has a concentration of 20 to 40% by weight. 제6항에 있어서, 상기 (I) 단계의 첨가제는 테트라히드로퓨란, 메틸에틸케톤, 에틸아세테이트, 트리클로로에탄, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 디에틸렌글리콜디에틸에테르, 디메틸에테르, 디에틸에테르, 메탄올, 에탄올, 2-프로판올, 2-펜탄올, 메톡시에탄올, 다이옥산, 부톡시에탄올, 퍼퍼릴알코올, 터셔리아밀알코올, 아세트산, 시트릭산, 뷰티르산, 팔미트산, 옥살산, 프로피온산, 벤조산 및 타르타르산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 것을 특징으로 하는 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막의 제조방법.The method of claim 6, wherein the additive in step (I) is tetrahydrofuran, methyl ethyl ketone, ethyl acetate, trichloroethane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, dimethyl ether, diethyl ether, methanol , ethanol, 2-propanol, 2-pentanol, methoxyethanol, dioxane, butoxyethanol, perferyl alcohol, tertiary alcohol, acetic acid, citric acid, butyric acid, palmitic acid, oxalic acid, propionic acid, benzoic acid and tartaric acid Method for manufacturing a hollow fiber composite membrane for a humidifier of a hydrogen fuel cell vehicle, characterized in that at least one selected from the group consisting of. 제6항에 있어서, 상기 (III) 단계의 폴리디메틸실록산 수지 혼합물 용액은 1 내지 5 중량% 농도인 것을 특징으로 하는 수소연료전지차의 가습기용 중공사 복합막의 제조방법.The method of claim 6, wherein the polydimethylsiloxane resin mixture solution in step (III) has a concentration of 1 to 5% by weight.
KR1020200159668A 2020-11-25 2020-11-25 Hollow fiber composite membrane for fuel cell electric vehicle and preparation method thereof KR102483294B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200159668A KR102483294B1 (en) 2020-11-25 2020-11-25 Hollow fiber composite membrane for fuel cell electric vehicle and preparation method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200159668A KR102483294B1 (en) 2020-11-25 2020-11-25 Hollow fiber composite membrane for fuel cell electric vehicle and preparation method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220072259A KR20220072259A (en) 2022-06-02
KR102483294B1 true KR102483294B1 (en) 2023-01-02

Family

ID=81985186

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200159668A KR102483294B1 (en) 2020-11-25 2020-11-25 Hollow fiber composite membrane for fuel cell electric vehicle and preparation method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102483294B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022122003A1 (en) * 2022-08-31 2024-02-29 Hengst Se Semipermeable membrane for membrane humidifiers

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100644366B1 (en) * 2005-11-08 2006-11-10 한국화학연구원 New spinning processes for asymmetric gas separation hollow fiber membranes

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101278398B1 (en) 2007-08-01 2013-06-24 코오롱인더스트리 주식회사 Hollow Fiber Membrane and Method for Manufacturing The Same
KR101398779B1 (en) 2007-12-03 2014-05-28 코오롱인더스트리 주식회사 Fuel Cell Humidifier with Improved Cold Resistance
KR101948241B1 (en) * 2012-03-28 2019-02-14 코오롱인더스트리 주식회사 Potting composition for hollow fiber membrane and humidifier for fuel cell manufactured by using the same
KR20160026070A (en) * 2014-08-29 2016-03-09 주식회사 앱스필 Manufacturing method of gas separator membrane

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100644366B1 (en) * 2005-11-08 2006-11-10 한국화학연구원 New spinning processes for asymmetric gas separation hollow fiber membranes

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. Jonquieres et al., Progress in Polymer Science, 27, 2002, 1803~1877

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220072259A (en) 2022-06-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101376362B1 (en) Polymer Electrolyte Membrane for Fuel Cell and Method of manufacturing the same
US7811694B2 (en) Polymer electrolyte for a direct oxidation fuel cell, method of preparing the same, and direct oxidation fuel cell comprising the same
US9136034B2 (en) Polymer electrolyte membrane for a fuel cell, and method for preparing same
KR20110006128A (en) Filling system used for preparation of polymer electrolyte membrane and method of manufacturing polymer electrolyte membrane using the same
KR100833056B1 (en) Reinforced composite electrolyte membrane for fuel cell
US20150086885A1 (en) Composite having ion exchange function and preparation method and use thereof
KR101292214B1 (en) Preparation and characterization of sulfonated polyetheretherketone(SPEEK) nanofibrous membrane for proton exchange membrane fuel cell by electrospinning
KR102140121B1 (en) Reinforced-Composite Electrolyte Membrane Comprising Porous Polymer Substrate And Manufacturing Method Thereof
KR20080040225A (en) Method of electrolyte reinforced composite membrane with multi layer
KR20190001558A (en) Electrolyte membrane comprising nanofiber spun for fuel cell
KR20210132887A (en) Asymmetric electrolyte membrane, membrane electrode assembly comprising the same, water electrolysis apparatus comprising the same and method for manufacturing the same
KR20120128905A (en) Multi layer reinfored electrolyte membrane for solid polymer fuel cell, manufacturing method thereof, membrane-electrode assembly having the same and fuel cell having them
KR102483294B1 (en) Hollow fiber composite membrane for fuel cell electric vehicle and preparation method thereof
KR102641316B1 (en) Hollow fiber composite membrane for a membrane humidifier of fuel cell and preparation method thereof
CA3078177A1 (en) Method for producing polyphenylsulfone hollow fiber membrane for humidifying membranes
JP2009521385A (en) Novel metal (III) -chromium phosphate complex and use thereof
CN101745321B (en) Micro-porous membrane reinforced perfluorinated cross-linking ion exchange membrane and preparation method thereof
CN113889636B (en) Nanofiber composite membrane for flow battery and preparation method and application thereof
KR20110054607A (en) Reinfored composite electrolyte membrane and manufacturing method thereof
KR20080039615A (en) Composite electrolyte membrane and fuel cell using the same
KR102125412B1 (en) Method for manufacturing hydrocarbon based reinforced polymer electrolyte membrane for fuel cell and reinforced polymer electrolyte membrane manufactured thereby
KR20110129106A (en) Porous nanofiber web
KR100787865B1 (en) Polymer electrolyte membrane fuel cell having Nafion cast membrane where its thickness is limited and method for operating the same
CN103665417A (en) Reverse osmosis membranes made with pfsa ionomer and eptfe
KR102363625B1 (en) The organic-inorganic composite electrolyte membrane and an application product including the membrane

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant