KR102563567B1 - 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법 - Google Patents

연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102563567B1
KR102563567B1 KR1020160181651A KR20160181651A KR102563567B1 KR 102563567 B1 KR102563567 B1 KR 102563567B1 KR 1020160181651 A KR1020160181651 A KR 1020160181651A KR 20160181651 A KR20160181651 A KR 20160181651A KR 102563567 B1 KR102563567 B1 KR 102563567B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
polymer
ion conductive
porous support
support sheet
conductive polymer
Prior art date
Application number
KR1020160181651A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180076949A (ko
Inventor
김영택
Original Assignee
현대자동차주식회사
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 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020160181651A priority Critical patent/KR102563567B1/ko
Publication of KR20180076949A publication Critical patent/KR20180076949A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102563567B1 publication Critical patent/KR102563567B1/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • H01M8/1053—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends consisting of layers of polymers with at least one layer being ionically conductive
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1069—Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes
    • H01M8/1083—Starting from polymer melts other than monomer melts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 포함하는 고분자 나노섬유로 구성되는 다공성 지지체 시트 및 상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자와 상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 형성된 제1 및 제2 이온전도성 고분자막을 포함하는 고분자 전해질막을 제조함으로써 우수한 기계적 물성 및 이온전도성을 가져 전지의 내구성 및 충방전 특성이 크게 향상된 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법{POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 포함하는 고분자 나노섬유로 구성되는 다공성 지지체 시트 및 상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자와 상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 형성된 제1 및 제2 이온전도성 고분자막을 포함하는 고분자 전해질막을 제조함으로써 우수한 기계적 물성 및 이온전도성을 가져 전지의 내구성 및 충방전 특성이 크게 향상된 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.
연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다.
그 중에서 고분자 전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높아 가장 활발하게 연구되고 있다. 이러한 고분자전해질형 연료전지는 전해질로서 액체가 아닌 고체 고분자 전해질막을 사용하는 점에서 다른 연료전지와 차이가 있다.
연료전지의 고분자 전해질막은 그 구조상 충분한 수분이 공급되지 않으면 수소이온 전도도가 급격히 떨어지게 되고, 이는 단기적으로 성능 하락이 나타나며, 장기적으로는 부분적 또는 전체적으로 전해질막의 열화를 촉진하여 연료전지의 수명을 촉진시킨다.
종래 한국공개특허 제2009-0039180호에서는 불소계 고분자 수지의 파이버로 이루어지는 다공성 매트에 이온전도성 고분자 수지가 함침된 이온전도성 복합막에 관해 개시되어 있다.
그러나 고분자 전해질막으로 불소계 고분자 수지를 사용하게 되면, 수소이온 전도 기능을 가지는 술폰산기는 소수성이 강하여 막 제조 시 이온전도성을 강하시키는 문제가 있으며, 강한 소수성으로 인해 친수성인 이온전도성 고분자 수지와의 함침이 제대로 이루어지지 않아 강성이 저하되는 문제가 있다.
한국공개특허 제2009-0039180호
상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명의 목적은 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 포함하는 고분자 나노섬유로 구성되는 다공성 지지체 시트를 적용하되, 상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질막을 제조함으로써 우수한 기계적 물성 및 이온전도성을 갖는 연료전지용 고분자 전해질막을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 제1 및 제2 이온전도성 고분자막을 포함함으로써 우수한 이온전도성을 가져 전지의 내구성 및 충방전 특성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 포함하는 고분자 나노섬유로 구성되는 다공성 지지체 시트; 상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자; 및 상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 각각 형성된 제1 및 제2 이온전도성 고분자막;을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막을 제공한다.
또한 본 발명은 (a) 용매에 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 혼합하여 고분자 혼합물 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 고분자 혼합물 용액을 전기 방사하여 다공성 지지체 시트를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 다공성 지지체 시트에 이온전도성 고분자를 함침시키는 단계;를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 포함하는 고분자 나노섬유로 구성되는 다공성 지지체 시트와 상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자를 포함하여 구성됨으로써 우수한 기계적 물성 및 이온전도성을 가지는 이점이 있다.
또한 상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 제1 및 제2 이온전도성 고분자막을 포함함으로 인해 이온전도성이 매우 우수하여 연료전지의 내구성 및 충방전 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 제조된 다공성 지지체 시트의 SEM 사진이다.
이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 포함하는 고분자 나노섬유로 구성되는 다공성 지지체 시트; 상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자; 및 상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 각각 형성된 제1 및 제2 이온전도성 고분자막;을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막을 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 비전하 고분자는 강도가 우수한 특성이 있어 20 ㎛ 두께 이하에서도 강도를 유지할 수 있다. 상기 비전하 고분자는 인장 강도가 30 MPa 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 인장 강도는 연료전지용 막전극 접합체(MEA) 제조 및 스택 체결 시 구조를 유지할 수 있는 최소 강도이다.
구체적으로 상기 비전하 고분자는 탄화수소계, 불소계 및 실리콘계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다. 보다 상세하게는 상기 탄화수소계 고분자는 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리이미드 및 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다. 상기 불소계 고분자는 폴리비닐리덴플루오라이드, 클로로트리플루오르에틸렌 및 에틸렌테트라플루오르에틸렌로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다. 상기 실리콘계 고분자는 폴리실란, 폴리카르보실란 및 폴리실록산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 고분자 나노섬유를 구성하는 이온전도성 고분자, 상기 다공성 지지체 시트의 내부에 함침된 이온전도성 고분자 및 상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 형성된 제1 및 제2 이온전도성 고분자막은 모두 동일한 이온전도성 고분자 소재로 이루어진 것일 수 있다.
상기 이온전도성 고분자는 상기 비전하 고분자와 혼합하여 고분자 나노섬유로 구성되는 다공성 지지체 시트를 제조하게 되면, 다공성 지지체 시트 자체가 우수한 이온전도성을 가져 애노드 전극에서 발생한 수소 이온을 캐소드 전극으로 전달하는데 매우 유용한 이점이 있다.
상기 이온전도성 고분자는 이온전도도가 0.05 S/cm 이상인 것을 사용할 수 있다. 상기 이온전도도는 연료전지 운전 성능에 영향을 주는 인자로 최소 0.05 S/cm 이상을 유지하여야 운전 성능이 저하되지 않는다. 이러한 상기 이온전도성 고분자는 퍼플루오르설포닉에시드, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리포스파진, 및 폴리에테르케톤으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 고분자 나노섬유는 상기 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자가 5:5 내지 7:3 중량비로 혼합된 것일 수 있다. 상기 혼합비에서 상기 비전하 고분자의 비율이 증가하면 상기 다공성 지지체 시트의 강성은 높아지나 이온전도도가 감소될 수 있다. 또한, 상기 이온전도성 고분자의 비율이 증가하면 이온전도도는 높아지나 상기 다공성 지지체 시트의 강성이 저하될 수 있다. 바람직하게는 상기 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자가 6:4 중량비로 혼합된 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 고분자 나노섬유는 나노 크기의 섬유길이를 가지고 있어 기존 섬유에 비해 큰 비표면적을 갖는 이점이 있다. 이렇게 큰 비표면적을 가지는 고분자 나노섬유로 다공성 지지체 시트를 형성하게 되면 이온전도성 고분자의 함침량을 증가시켜 이온전도성 고분자의 이온전도도를 유지할 수 있다.
상기 고분자 나노섬유의 평균 섬유길이가 100~300 nm인 것을 사용할 수 있다. 이때, 상기 평균 섬유길이가 100 nm 미만이면 다공성 지지체 시트의 강도가 저하될 수 있고, 300 nm 초과이면 다공성 지지체 시트의 기공률이 저하되어 이온전도성 고분자의 함침량이 저하될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 다공성 지지체 시트는 평균 기공크기가 50~100 nm이며, 기공률이 75~95%인 것일 수 있다. 상기 평균 기공크기가 50 nm 미만이고, 기공률이 70% 미만이면 이온전도성 고분자의 함침량이 적어져 고분자 전해질막의 성능이 저하될 수 있다. 또한 상기 평균 기공크기가 100 nm 초과이고, 기공률이 95% 초과이면 이온전도성 고분자의 함침량이 너무 많아 함침 균일도가 저하될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자는 다공성 지지체 시트 전체 중량에 대하여 60~75 중량%가 함침된 것일 수 있다. 상기 이온전도성 고분자의 함침량이 60 중량% 미만이면 이온전도성 효과가 미미하고, 75 중량% 초과이면 두께 증가로 인한 전하전달 저항이 증가될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 다공성 지지체 시트는 두께가 10~20 ㎛인 것일 수 있다. 상기 다공성 지지체 시트의 두께가 10 ㎛ 미만이면 강도가 저하될 수 있고, 20 ㎛ 초과이면 전하전달 저항이 증가할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 형성된 제1 및 제2 이온전도성 고분자막은 각각 두께가 3~5 ㎛인 것일 수 있다. 상기 제1 및 제2 이온전도성 고분자막의 각 두께가 3 ㎛ 미만이면 균일한 층을 형성할 수 없으며, 5 ㎛ 초과이면 전하전달 저항이 증가될 수 있다.
한편, 본 발명의 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법은 (a) 용매에 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 혼합하여 고분자 혼합물 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 고분자 혼합물 용액을 전기 방사하여 다공성 지지체 시트를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 다공성 지지체 시트에 이온전도성 고분자를 함침시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (a) 단계에서 용매는 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide), 테트라메틸 요소(tetramethyl urea), 디메틸 설폭시드(dimethyl sulfoxide), 트리에틸 포스페이트(triethyl phosphate), N-메틸-2-피로리돈(N-methyl-2-pyrrolidone), 트리메틸 포스페이트(trimethyl phosphate), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran)(THF) 및 메틸 에틸 케톤(Methyl Ethyl Ketone)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (b) 단계에서 전기방사는 상기 고분자 혼합물 용액을 나노 크기의 섬유길이를 갖는 섬유를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 고분자 나노섬유는 전기방사되어 웹 형태의 다공성 지지체 시트를 형성할 수 있다.
이때, 상기 전기방사는 전압 10~15 kv 및 습도(RH) 30~40%의 조건에서 수행되는 것일 수 있다. 상기 전기방사 시 전압이 10 kv 미만이면 나노섬유가 제대로 형성되지 않을 수 있고, 15 kv 초과이면 나노섬유의 굵기가 가늘어 절단될 수 있다. 습도가 40% 초과이면 나노섬유상이 건조될 때, 뭉쳐질 수 있다. 낮은 습도는 나노섬유상 제조에 유리하나, 환경 유지를 위한 공정 원가가 증가한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (c) 단계는 상기 다공성 지지체 시트에 이온전도성 고분자를 함침시키는 단계로 하기와 같은 두 가지 방법에 의해 수행될 수 있다.
첫번째로, 상기 (c) 단계는, 상기 다공성 지지체 시트에 이온전도성 고분자를 25~30 ℃의 온도에서 1~3 분 동안 함침시키는 것일 수 있다. 이러한 방법으로 상기 다공성 지지체 시트에 이온전도성 고분자를 함침시키게 되면 액상의 이온전도성 고분자가 상기 다공성 지지체 시트 내부에 침투하는 것이 용이하여 전체적으로 고르게 침투되고, 이로 인해 내부 균일도를 증가시킬 수 있다.
두번째로, 상기 (c) 단계는, (c-1) 상기 다공성 지지체 시트의 양면에 제1 및 제2 이온전도성 고분자막을 각각 형성하여 적층체를 제조하는 단계; 및 (c-2) 상기 적층체를 핫프레스하는 단계;로 이루어진 것일 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 이온전도성 고분자막은 동일한 이온전도성 고분자 소재로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (c-2) 단계에서 핫프레스 공정은 120~160 ℃의 온도 및 0.1~5 MPa의 압력 조건에서 1~5 분 동안 수행될 수 있다. 이때, 핫프레스 공정 시 온도 및 압력 조건을 만족하지 못하면 지지체와 이온전도성 고분자의 계면이 분리되는 문제가 있다.
상기와 같이 상기 다공성 지지체 시트의 양면에 제1 및 제2 이온전도성 고분자막이 형성된 적층체를 핫프레스하게 되면 상기 다공성 지지체 시트에 이온전도성 고분자가 함침시키는 동시에 고분자 전해질막의 표면 두께를 균일하게 하는 이점이 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 포함하는 고분자 나노섬유로 구성되는 다공성 지지체 시트와 상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자를 포함하여 구성됨으로써 우수한 기계적 물성 및 이온전도성을 가지는 이점이 있다.
또한 상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 제1 및 제2 이온전도성 고분자막을 포함함으로 인해 이온전도성이 매우 우수하여 연료전지의 내구성 및 충방전 특성을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
디메틸아세트아마이드 용매 100 ml에 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)와 나피온(nafion)을 6:4 중량비로 혼합하여 고분자 혼합물 용액을 제조하였다. 그 다음 상기 고분자 혼합물 용액을 압력 13 kv, 습도 RH 35% 및 온도 25 ℃ 조건에서 전기 방사하여 평균 섬유직경이 100 nm인 고분자 나노섬유로 이루어진 다공성 지지체 시트를 제조하였다. 이때, 상기 다공성 지지체 시트는 기공률이 85%이며, 평균 기공크기가 70 nm이고, 두께가 15 ㎛이었다.
상기 다공성 지지체 시트의 일면에 적층하여 열압착 방법으로 8 ㎛두께의 제1 이온전도성 고분자막을 적층하였다.
그 다음 상기 다공성 지지체 시트의 다른 일면에 상기와 동일한 방법으로 15 ㎛ 두께의 제2 이온전도성 고분자막을 적층하였다.
그 다음 제1 이온전도성 고분자막, 다공성 지지체 시트 및 제2 이온전도성 고분자막으로 이루어진 적층체를 140 ℃의 온도 및 1 MPa의 압력 조건에서 3 분 동안 핫프레스하여 고분자 전해질막을 제조하였다. 이때, 제조된 고분자 전해질막에서 제1 및 제2 이온전도성 고분자막은 두께가 각각 3 ㎛인 것을 확인하였다.
이를 통해, 상기 제1 및 제2 이온전도성 고분자가 핫프레스 공정을 통해 다공성 지지체 시트의 내부에 일부 함침된 것을 알 수 있었다. 이때 다공성 지지체 시트에 함침된 이온전도성 고분자는 전체 다공성 지지체 시트에 대하여 70 중량%로 함침된 것을 확인하였다.
비교예
고분자 전해질막의 소재인 고분자 전해질로 상업용 나피온(Nafion)(NRE212, 듀퐁)을 준비하였다.
실험예 1
상기 실시예에서 제조된 다공성 지지체 시트의 나노섬유상 두께 및 기공구조를 확인하기 위해 SEM 측정을 실시하였다. 그 결과는 도 1에 나타내었다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 제조된 다공성 지지체 시트의 SEM 사진이다. 상기 도 1의 (a)는 고분자 나노섬유를 보여주는 것으로 평균 섬유두께가 100 nm인 것을 확인하였다. 상기 도 1의 (b)는 다공성 지지체 시트의 표면을 보여주는 것으로 나노섬유상에 의한 균일한 기공구조가 형성된 것을 알 수 있었다.
실험예 2
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자 전해질막을 적용하여 통상의 방법에 의해 연료전지를 제조하였다. 이렇게 제조된 각 연료전지의 이온전도도를 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
구분 실시예 비교예
이온전도도(S/cm) 0.116 0.110
상기 표 1의 결과에 의하면, 상기 실시예의 경우 이온전도성 고분자가 다공성 지지체 시트에 균일하게 함침되어 있어, 상기 비교예에 비해 이온전도도가 향상되었음을 확인하였다.

Claims (16)

  1. 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 포함하는 고분자 나노섬유로 구성되는 다공성 지지체 시트;
    상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자; 및
    상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 각각 형성된 제1 및 제2 이온전도성 고분자막;
    을 포함하고,
    상기 고분자 나노섬유는 상기 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자가 5:5 내지 7:3 중량비로 혼합된 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비전하 고분자는 탄화수소계, 불소계 및 실리콘계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 나노섬유를 구성하는 이온전도성 고분자, 상기 다공성 지지체 시트의 내부에 함침된 이온전도성 고분자 및 상기 제1 및 제2 이온전도성 고분자막은 모두 동일한 이온전도성 고분자 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이온전도성 고분자는 퍼플루오르설포닉에시드, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리포스파진, 및 폴리에테르케톤으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 나노섬유는 평균 섬유길이가 100~300 nm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 지지체 시트는 평균 기공크기가 50~100 nm이며, 기공률이 75 ~ 95%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자는 다공성 지지체 시트 전체 중량에 대하여 이온전도성 고분자 60~75 중량%가 함침된 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 지지체 시트는 두께가 10~20 ㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 형성된 제1 및 제2 이온전도성 고분자막은 각각 두께가 3~5 ㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
  11. (a) 용매에 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 혼합하여 고분자 혼합물 용액을 제조하는 단계;
    (b) 상기 고분자 혼합물 용액을 전기 방사하여 고분자 나노섬유로 구성되는 다공성 지지체 시트를 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 다공성 지지체 시트에 이온전도성 고분자를 함침시키는 단계;
    를 포함하고,
    상기 고분자 나노섬유는 상기 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자가 5:5 내지 7:3 중량비로 혼합된 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 용매는 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide), 테트라메틸 요소(tetramethyl urea), 디메틸 설폭시드(dimethyl sulfoxide), 트리에틸 포스페이트(triethyl phosphate), N-메틸-2-피로리돈(N-methyl-2-pyrrolidone), 트리메틸 포스페이트(trimethyl phosphate), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran)(THF) 및 메틸 에틸 케톤(Methyl Ethyl Ketone)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 전기방사는 전압 10~15 kv 및 습도(RH) 30~40 %의 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 (c) 단계는, 상기 다공성 지지체 시트에 이온전도성 고분자를 25~30 ℃의 온도에서 1~3 분 동안 함침시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    (c-1) 상기 다공성 지지체 시트의 양면에 제1 및 제2 이온전도성 고분자막을 각각 형성하여 적층체를 제조하는 단계; 및
    (c-2) 상기 적층체를 핫프레스하는 단계;
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 (c-2) 단계에서 핫프레스 공정은 120~160 ℃의 온도 및 0.1~5 MPa의 압력 조건에서 1~5 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
KR1020160181651A 2016-12-28 2016-12-28 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법 KR102563567B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160181651A KR102563567B1 (ko) 2016-12-28 2016-12-28 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160181651A KR102563567B1 (ko) 2016-12-28 2016-12-28 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180076949A KR20180076949A (ko) 2018-07-06
KR102563567B1 true KR102563567B1 (ko) 2023-08-03

Family

ID=62921485

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160181651A KR102563567B1 (ko) 2016-12-28 2016-12-28 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102563567B1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020226361A1 (ko) * 2019-05-03 2020-11-12 주식회사 엘지화학 고체 전해질막 및 이를 제조하는 방법 및 이를 포함하는 전고체 전지
EP3998663A4 (en) * 2019-07-08 2024-04-10 Kolon Inc POLYMERIC ELECTROLYTIC MEMBRANE, METHOD FOR MANUFACTURING IT AND ELECTROCHEMICAL DEVICE COMPRISING IT
KR20230075790A (ko) * 2021-11-23 2023-05-31 한국과학기술연구원 다층 강화 복합 전해질막 및 이의 제조방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013531867A (ja) * 2010-05-25 2013-08-08 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー 強化電解質膜

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101178644B1 (ko) 2007-10-17 2012-08-30 주식회사 엘지화학 이온전도성 복합막, 막-전극 접합체 및 연료전지
KR101995527B1 (ko) * 2012-12-28 2019-07-02 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 강화복합막 및 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013531867A (ja) * 2010-05-25 2013-08-08 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー 強化電解質膜

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180076949A (ko) 2018-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101376362B1 (ko) 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법
KR101754122B1 (ko) 수전해용 강화 복합막 및 이를 포함하는 수전해용 막전극 접합체
KR100897104B1 (ko) 다층구조를 가진 전해질 강화막의 제조 방법
US8202664B2 (en) Membrane electrode assembly, fuel cell stack and fuel cell system
JP4898394B2 (ja) 積層型燃料電池の製造方法
KR101135477B1 (ko) 다공성 멤브레인 및 그 제조방법, 이를 이용한 연료전지용고분자 전해질막, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
US10886549B2 (en) Catalyst coated membranes and preparation methods for fuel cells
KR101894554B1 (ko) 연료전지용 막-전극 계면 접착층, 이를 이용한 막-전극 접합체 및 연료전지
US20100196787A1 (en) Electrolyte membrane and fuel cell using the same (as amended)
KR102563567B1 (ko) 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법
US10868311B2 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell, method for manufacturing same, and fuel cell system comprising same
US8420274B2 (en) Membrane electrode assembly for fuel cell, method of manufacturing the same, and fuel cell including the membrane electrode assembly
JP2007234359A (ja) 固体高分子型燃料電池用膜電極構造体
KR101877755B1 (ko) 연료전지용 복합 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료전지, 및 이들의 제조방법
KR101312971B1 (ko) 불소계 이오노모를 이용하여 표면 개질한 탄화수소계 고분자 전해질 분리막, 막 전극 접합체 및 연료전지
US10186720B2 (en) Membrane-seal assembly
Scott Membrane electrode assemblies for polymer electrolyte membrane fuel cells
US10109877B2 (en) Method for producing fuel cell electrode sheet
KR20170131025A (ko) 수소 저투과성 고분자 전해질막, 및 이를 이용한 막 전극 접합체
KR101112693B1 (ko) 연료전지용 막전극 접합체 및 이의 제조방법
US20130260277A1 (en) Diffusion layer structure of fuel cell
KR20200005059A (ko) 연료전지용 탄화수소계 강화 고분자 전해질막의 제조방법 및 이에 의해 제조된 강화 고분자 전해질막
KR102321256B1 (ko) Pemfc용 복합 전해질막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 pemfc용 막-전극 접합체
JP6356436B2 (ja) 電解質膜・電極構造体
JP6412995B2 (ja) 電解質膜・電極構造体の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant