KR20030076057A - Polymer composite electrolyte membrane for fuel battery and method for preparing the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Provided is a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell, which has high ion conductivity, low methanol permeability, excellent mechanical property and uniformly dispersed hydrophilic micropores. CONSTITUTION: The electrolyte membrane(2) for a fuel cell is characterized by comprising a polymer film containing the pores having the maximum size of 50 nm and the porosity of 15 to 60 volume%. In particular, the polymer film is composed of 40 to 80 wt% of a polymer selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, polymethyl methacrylate, polyacrylonitrile and a mixture thereof, and 20 to 60 wt% of a hydrophilic mineral powders. The polymer film preferably has the thickness of 5 to 500 micrometers.

Description

연료 전지용 복합 폴리머 전해질 막 및 그의 제조방법{POLYMER COMPOSITE ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL BATTERY AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}Composite Polymer Electrolyte Membrane for Fuel Cell and Manufacturing Method Thereof {POLYMER COMPOSITE ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL BATTERY AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}

본 발명은 전해질 막에 관한 것으로, 특히 연료전지용 전해질 막과 그의 제조방법, 및 이를 적용한 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolyte membrane, and more particularly, to an electrolyte membrane for a fuel cell, a manufacturing method thereof, and a fuel cell to which the same is applied.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형(PAFC), 용융 탄산염(MCFC), 고체 전해질(SOFC), 고분자 전해질(PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell; DMFC) 등의 5 가지 종류로 나누어지며, 이 중에서 DMFC가 초 소형화, 휴대용화에 가장 적당한 형태로 알려져 있다. 최근 연구가 가장 활발하며 상용화에 한 단계 근접한 PEMFC와 DMFC는 양극과 음극 간에 수소이온(proton)의 전달체인 고분자전해질이 핵심소재이며, 현재에는 불소계 전해질인 나피온(Nafion) 전해질이 가장 각광을 받고 있다.There are five types of fuel cells: phosphoric acid (PAFC), molten carbonate (MCFC), solid electrolyte (SOFC), polymer electrolyte (PEMFC), and direct methanol fuel cell (DMFC), depending on the type of electrolyte used. Among them, DMFC is known to be the most suitable form for ultra-miniaturization and portable. In recent years, PEMFC and DMFC, which is the most active research and one step closer to commercialization, are the core material of polymer electrolyte, which is a carrier of hydrogen ion between anode and cathode, and Nafion electrolyte, which is a fluorine-based electrolyte, is in the spotlight now. have.

연료전지는 전해질 내에 수소이온이 존재하므로 강산성이며, 또한 양극 (cathode)에서 산소와 수소이온이 반응하므로, 이러한 산화분위기에서 견딜 수 있는 열적, 산화안정성이 뛰어난 고분자 전해질이 요구된다. 현재 이러한 반응조건에서 견딜 수 있는 고분자는 C-H 결합보다 강한 C-F결합을 갖는 불소계 전해질 막이다. 또한 연료인 메탄올의 이동을 막기 위해서는 메탄올과 친화력이 없거나 적은 물질로 전해질이 구성되어야 한다.Fuel cells are strongly acidic because of the presence of hydrogen ions in the electrolyte, and oxygen and hydrogen ions react at the cathode, so a polymer electrolyte having excellent thermal and oxidation stability that can withstand such an oxidizing atmosphere is required. Currently, polymers that can withstand these reaction conditions are fluorine-based electrolyte membranes having stronger C-F bonds than C-H bonds. In addition, in order to prevent the movement of methanol, which is a fuel, an electrolyte must be composed of a material having little or no affinity with methanol.

상기 나피온(Nafion)은 듀퐁(Dupont)사에서 개발한 수소이온전도성막(proton conducting membrane)을 말하는 것으로, 나피온의 재질의 화학 명칭은 퍼플루오로설포닉 에시드(Perfluorosulphonic acid)이다. 상기 나피온막의 분자구조는 하기 화학식 1과 같다.Nafion refers to a proton conducting membrane developed by Dupont, and the chemical name of Nafion is perfluorosulphonic acid. The molecular structure of the Nafion membrane is shown in the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

상기 화학식 1에서 보는 바와 같이, 나피온막 구조는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, 이하 PTFE라 함)가 골격을 이루고 있고 측쇄(side chain)의 말단에 술폰산이 부착되어있는 형태를 띠고 있는데 이러한 술폰산으로 인해 매우 독특한 특성을 나타낸다.As shown in Formula 1, the Nafion membrane structure has a form in which polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE) forms a skeleton and sulfonic acid is attached to the end of a side chain. Due to its very unique characteristics.

이러한 나피온 막의 특성은 친수성과 소수성을 함께 가지고 있다는 것이다. PTFE는 소수성을 가지고 있어 막(membrane)에 공급되는 물을 배출하여 구조 속에서 범람(flooding)이 일어나지 않도록 할 뿐 아니라 불소와 탄소의 강한 결합력으로 인해 물리적으로 강하고 화학적으로 매우 안정한 상태를 유지하므로 내구성이 매우 우수하다. 반면 술폰산 작용기를 살펴보면 SO3-와 H+이온은 이온결합에 의해 강하게 결합을 유지하고 있다. 그러나 술폰산은 친수성이기 때문에 물을 끌어당기게 되고 결국 전체 구조 속에서 국지적으로 물의 함유량이 매우 높은 희석산영역(dilute acid region)을 형성하게 된다. 이러한 수화(hydration) 현상에 의해 H+이온과 술폰 음이온과의 결합력이 현저히 감소하게 되고 비로소 H+이온이 이동할 수 있게 되는 것이다. 실제로 이러한 구조는 100 ℃ 이하에서 약 0.1 S/㎠의 높은 이온전도도를 가능하게 한다. 이러한 메카니즘(Mechanism of proton conducting)은 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같다.This Nafion membrane has both hydrophilic and hydrophobic properties. PTFE has a hydrophobicity to discharge water supplied to the membrane to prevent flooding in the structure, and to maintain physically strong and chemically stable conditions due to the strong bonding force between fluorine and carbon. This is very excellent. On the other hand, when looking at sulfonic acid functional groups, SO 3 − and H + ions are strongly bound by ionic bonds. However, because sulfonic acid is hydrophilic, it attracts water and eventually forms a dilute acid region having a very high water content in the overall structure. This hydration (hydration) is to significantly reduce the binding force between the H + ions and sulfone anions and finally to be able to move the H + ions. Indeed, this structure enables high ion conductivity of about 0.1 S / cm 2 below 100 ° C. This mechanism of proton conducting is shown in Scheme 1 below.

[반응식 1]Scheme 1

현재 나피온막(Nafion membrane)은 두께에 따라 나피온 117, 나피온 115, 나피온 112 등으로 세분되어 상품화되었다. 그러나, 상기 나피온막은 여러 장점에도 불구하고 가격이 너무 고가인 가장 큰 단점을 가지고 있어 연료전지의 상용화에 가장 큰 걸림돌로 작용하고 있다.Currently, Nafion membrane is divided into Nafion 117, Nafion 115 and Nafion 112 according to the thickness and commercialized. However, the Nafion membrane has the biggest disadvantage that the price is too expensive in spite of various advantages, acting as the biggest obstacle to the commercialization of fuel cells.

또한 상기 나피온은 가격이 고가인 점 이외에도 연료의 크로스-오버(cross-over) 현상으로 인해 직접 메탄올 연료전지 용으로 사용되기 어려운 단점이 있다. 기본적으로 나피온은 수화가 되어야만 전도성을 띄게 된다. 직접 메탄올 연료전지의 연료는 메탄올이 약 3 ∼ 15 중량%로 희석된 수용액을 사용하게 되는데, 이때 물과 메탄올이 나피온의 구조속으로 침투하여 막을 수화시키게 되며 함께 침투되는 메탄올이 양극쪽으로 통과하는 현상이 크로스-오버(cross-over)이다. 양극 쪽으로 메탄올이 확산되면 양극 촉매인 Pt과의 부전위가 발생하게 되어 음극과 양극의 OCV(Open Cuicuit Voltage)는 이론적인 값보다 작은 값을 가지게 한다. 따라서 전체적으로 연료전지의 성능을 저하시키는 역할을 하게 된다.In addition, Nafion has a disadvantage in that it is difficult to be used directly for methanol fuel cells due to the cross-over phenomenon of the fuel in addition to the high price. Basically, Nafion becomes conductive only after hydration. As the fuel of the direct methanol fuel cell, an aqueous solution in which methanol is diluted to about 3 to 15% by weight is used. At this time, water and methanol penetrate into the structure of Nafion to hydrate the membrane. The phenomenon is cross-over. When methanol is diffused toward the anode, a negative potential is generated between Pt, an anode catalyst, and the OCV (Open Cuicuit Voltage) of the cathode and the anode has a smaller value than the theoretical value. Therefore, it plays a role of reducing the performance of the fuel cell as a whole.

즉, 나피온(Nafion) 전해질은 제조비용이 높을 뿐만 아니라 연료인 메탄올이 전해질을 통해 양극으로 투과가 되는 문제점을 가지고 있다. 따라서 제조비용이 저렴하고, 메탄올 투과가 없거나 또는 매우 낮은 새로운 고분자 전해질 막의 개발이 필요하다.That is, the Nafion electrolyte has a problem in that the manufacturing cost is high and methanol, a fuel, is transmitted to the anode through the electrolyte. Therefore, there is a need for the development of new polymer electrolyte membranes which are low in production cost and have no or very low methanol permeation.

한편, 열 안정성, 화학 및 전기화학적 안정성, 기계적 강도를 가지는 폴리머로 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)가 알려져 있다. 이러한 PVdF는 가공하기가 간편하며, 이미 리튬 2차 전지에서 바인더로 사용되고 있어서 특성 및 성능이 증명된 상태이고 박막제조가 가능하는 등의 여러 가지 장점을 가지고 있다. 실제로 PVdF는 리튬 폴리머 2차 전지(LiPB)에서 격리막(separator)으로 개발되었는데, 세라믹(ceramic) 분말과 상용성이 있고 또한 세라믹 분말이 균일하게 분산된 얇고 균일한 격리막을 제조할 수 있다.On the other hand, polyvinylidene fluoride (PVdF) is known as a polymer having thermal stability, chemical and electrochemical stability, and mechanical strength. Such PVdF is easy to process and has already been used as a binder in a lithium secondary battery, and thus has characteristics and performances and has various advantages such as thin film manufacturing. In fact, PVdF has been developed as a separator in a lithium polymer secondary battery (LiPB), which is compatible with ceramic powder and can produce a thin and uniform separator in which the ceramic powder is uniformly dispersed.

이러한 PVdF와 무기물 분말를 복합화하여 전해질로 만들어 전지에 적용한 예는 미국 특허 제5,296,318호, 제5,456,000호, 제5,643,689호 등이 있다. 이를 방법은 PVdF에 무기물 분말을 혼합하고 여기에 가소제를 넣어 균일하고 유연한 필름을 제조한 것으로, 이 필름에서 추출용매를 이용하여 가소제를 추출하여 균일한 미세 기공을 만들고 세공에 유기전해액을 함침(swelling)하여 리튬 2차 전지의 폴리머 전해질로 이용하였다.Examples of the composite of PVdF and inorganic powder to make an electrolyte and applied to a battery include US Pat. Nos. 5,296,318, 5,456,000, and 5,643,689. This method is to prepare a uniform and flexible film by mixing inorganic powder in PVdF and plasticizer added to it, extracting the plasticizer using the extraction solvent from the film to make uniform fine pores and impregnated organic electrolyte in the pores (swelling) ) As a polymer electrolyte of a lithium secondary battery.

또한 세계공개특허공보 99/44245는 PVdF와 친수성 무기물 분말을 복합화 하여 이온 전도성 전해질을 제조하였다. 필름의 제조 방법은 폴리머와 무기물 분말을 저온 휘발용매(low boiling point solvent)와 휘발 온도가 높으면서 물에 녹을 수 있는 용매(high boiling point solvent)를 사용하여 균일한 슬러리(slurry)를 만들고, 테프론 판에 코팅하고 상온에서 24 시간 건조하여 투명한 필름을 만들었다. 이 필름에서 휘발 온도가 높으면서 물에 녹을 수 있는 용매를 추출하여 미세 기공을 만들고 여기에 산이나 알카리 혹은 염(salt) 용액을 함침하여 이온 전도성 전해질로 사용하였다. 이 방법의 한계는 필름제조를 상온에서 건조해야 하기 때문에 필름제조 시간이 많이 걸릴 뿐 아니라 필름에 들어 있는 고온 휘발용매를 추출하는데도 시간이 많이 들어 상업적으로 적용하기에는 어려울 뿐 아니라 남아있는 용매가 전지의 성능에 영향을 미칠 가능성이 있다.In addition, WO 99/44245 prepared an ion conductive electrolyte by combining PVdF with a hydrophilic inorganic powder. The method for producing a film is to prepare a uniform slurry using a low boiling point solvent and a high boiling point solvent having a high volatilization temperature. It was coated on and dried at room temperature for 24 hours to make a transparent film. In this film, a solvent having a high volatilization temperature was extracted and dissolved in water to form fine pores. The film was impregnated with an acid, alkali, or salt solution, and used as an ion conductive electrolyte. The limitation of this method is that it takes a long time to manufacture the film because it needs to be dried at room temperature, and it is also difficult to apply commercially because it takes a long time to extract the hot volatile solvent contained in the film. There is a possibility to affect.

그러나 상기 방법들에 의해 제조되는 필름은 DMFC에 적용된 예가 없으며, 또한 기공이 적당하게 형성되지 않으면 DMFC에서 매우 중요한 연료인 메탄올의 투과가 많이 되거나 이온 전도도가 낮게되어 연료전지에 적용하는데 문제가 있다.However, the film produced by the above methods is not applied to the DMFC, and if the pores are not properly formed, the permeation of methanol, which is a very important fuel in the DMFC, or the ionic conductivity is low, so there is a problem in applying to the fuel cell.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 고려하여, 높은 이온 전도도를 유지하면서도 연료 메탄올의 투과도가 극히 낮은 연료전지용 전해질 막 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION In view of the problems of the prior art, an object of the present invention is to provide an electrolyte membrane for a fuel cell and a method for producing the same, which maintain a high ion conductivity and have a very low permeability of fuel methanol.

본 발명의 다른 목적은 기계적 강도가 우수하면서도 미세한 친수성 기공이 균일하게 분산된 연료전지용 고분자 복합 전해질 막 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a polymer composite electrolyte membrane for a fuel cell having excellent mechanical strength and uniformly dispersed fine hydrophilic pores, and a method of manufacturing the same.

도 1은 본 발명의 복합 전해질 막과 전극을 열.압착하여 제조한 연료전지의 MEA(Membrane Electrode Assembly; 전해질 막과 전극의 집합체)를 도식화 한 것이다.1 is a schematic diagram of a MEA (Membrane Electrode Assembly) of a fuel cell manufactured by thermally compressing a composite electrolyte membrane and an electrode of the present invention.

도 2는 실시예 5의 복합 폴리머 전해질 막의 기공도에 따른 이온 전도도와 메탄올 투과양을 비교한 그래프이다.2 is a graph comparing ionic conductivity and methanol permeability according to porosity of the composite polymer electrolyte membrane of Example 5. FIG.

도 3은 본 발명의 복합 전해질 막이 열압에 의해 기공이 작아지는 것을 나타낸 개념도이다.3 is a conceptual diagram illustrating that the pores of the composite electrolyte membrane of the present invention are reduced by thermal pressure.

도면부호 1은 Pt-Ru (50 %:50 %)의 촉매 분말을 가지는 음극(anode)이고, 2는 복합 전해질 막이며, 3은 Pt-Black 촉매분말을 가지는 양극(cathode)이며, a는 기공도에 따른 이온 전도도 값이며, b는 기공도에 따른 메탄올의 투과 양이며, 또한 도 2의 빗금영역은 우수한 성능을 가지는 적정 기공도를 나타낸 것이다.Reference numeral 1 is an anode having a catalyst powder of Pt-Ru (50%: 50%), 2 is a composite electrolyte membrane, 3 is a cathode having a Pt-Black catalyst powder, and a is a pore. The ionic conductivity value according to the figure, b is the permeation amount of methanol according to the porosity, and the hatched area of FIG. 2 shows the appropriate porosity with excellent performance.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 연료전지용 전해질 막에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell electrolyte membrane,

기공크기가 최대 50 ㎚이고, 기공도가 15 내지 60 부피%인 기공을 함유하는 폴리머 필름을 포함하는 연료전지용 전해질 막을 제공한다.An electrolyte membrane for a fuel cell comprising a polymer film containing pores having a pore size of up to 50 nm and a porosity of 15 to 60% by volume.

상기 폴리머 필름은The polymer film

a) 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드와 육플루오르프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP copolymer: PVDHFP), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 및 이들의 조합에 의한 혼합 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리머 40 내지 80 중량%; 및a) polyvinylidene fluoride (PVdF), a copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVdF-HFP copolymer: PVDHFP), polymethyl methacrylate (PMMA), polyacrylonitrile (PAN), and 40 to 80% by weight of a polymer selected from the group consisting of mixed polymers by a combination thereof; And

b) 친수성 무기질 분말 20 내지 60 중량%b) 20 to 60% by weight of hydrophilic inorganic powder

을 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable to include.

또한 본 발명은 연료전지용 전해질 막의 제조방법에 있어서,In addition, the present invention is a method of manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell,

기공을 함유하는 고분자 필름을 열압하여 기공크기가 최대 50 ㎚이고, 기공도가 15 내지 60 부피%인 기공을 함유하는 막을 제조하는 단계를 포함하는 연료전지용 전해질 막의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell comprising the step of producing a membrane containing pores having a pore size of up to 50 nm, porosity of 15 to 60% by volume by thermally pressing a polymer film containing pores.

또한 본 발명은 상기 연료전지용 전해질 막을 포함하는 연료전지를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a fuel cell comprising the electrolyte membrane for the fuel cell.

이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 종래의 연료전지에 사용되던 고분자 전해질의 단점을 보완하는 새로운 개념의 복합 폴리머 전해질, 및 그의 제조방법과 이를 전해질 막으로 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.The present invention provides a composite polymer electrolyte of a new concept that compensates for the shortcomings of the polymer electrolyte used in the conventional fuel cell, a method for producing the same, and a fuel cell including the same as an electrolyte membrane.

본 발명은 연료전지에 적용될 때 높은 이온 전도도를 유지하면서도 연료 메탄올의 투과도(Methanol Crossover)를 획기적으로 줄일 수 있는 폴리머 전해질과 이를 상업적으로 유용하게 제조하는 방법을 제공한다. 특히 기공의 크기와 기공의 수를 조절하고, 또한 친수성 기공을 만들어 이온 전도도가 높으면서도 동시에 메탄올의 투과량이 극히 낮은 전해질 막을 제공하는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a polymer electrolyte that can dramatically reduce the methanol methanol's permeability (Methanol Crossover) while maintaining high ionic conductivity when applied to a fuel cell, and a method for commercially producing the same. In particular, the size of the pores and the number of pores are controlled, and hydrophilic pores are formed to provide an electrolyte membrane having a high ion conductivity and an extremely low permeation rate of methanol.

본 발명은 이를 위하여, 화학적 및 전기화학적, 열적, 치수 안정성이 우수하고, 박막제조가 가능하며, 원료인 메탄올과 친화성이 없어 연료가 쉽게 투과할 수 없는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)와 같은 고분자를 사용하고, 여기에 친수성 무기물 분말을 첨가 복합화하여 복합 필름을 제조하고, 이 필름에 기공을 형성하여 복합 전해질 막을 제조한 후, 열압하여 제조한다. 이와 같이 제조되는 전해질 막은 이온 전도도는 높으면서도 메탄올 투과 양이 적어서 DMFC 등의 연료전지에 적용시 전지의 성능향상을 가져올 뿐 아니라 전지의 고온 성능도 향상된다.To this end, the present invention is excellent in chemical and electrochemical, thermal and dimensional stability, it is possible to manufacture a thin film, such as polyvinylidene fluoride (PVdF) that can not easily penetrate fuel due to affinity with methanol as a raw material A polymer is used, and a hydrophilic inorganic powder is added and compounded therein to prepare a composite film. Pores are formed in the film to prepare a composite electrolyte membrane, followed by thermocompression. The electrolyte membrane thus prepared has a high ion conductivity and a small amount of methanol permeation, which not only improves the battery performance when applied to fuel cells such as DMFC, but also improves the high temperature performance of the battery.

본 발명의 복합 폴리머 전해질 막은 폴리머와 무기물 분말이 혼합된 막(필름)이며, 폴리머는 무기물 분말을 감싸고 있는 지지체 역할을 하며 필름의 기계적 강도를 유지한다. 무기물 분말은 친수성을 가지는 것으로 복합 폴리머 전해질 막에 친수성을 부여한다. 또한 분말의 미세기공과 막 내에 형성된 미세기공에서 전해액을 많이 담지하여 이온전도도를 높게 유지하는 특성을 가진다.The composite polymer electrolyte membrane of the present invention is a film (film) in which a polymer and an inorganic powder are mixed, and the polymer serves as a support for enclosing the inorganic powder and maintains the mechanical strength of the film. The inorganic powder has hydrophilicity and imparts hydrophilicity to the composite polymer electrolyte membrane. In addition, the micropores of the powder and the micropores formed in the membrane has a characteristic of maintaining a high ion conductivity by supporting a lot of electrolyte solution.

본 발명의 복합 전해질 막을 직접 메탄올 연료 전지에 적용하여 전지의 특성을 평가해 보면, 전지의 성능은 종래의 나피온(Nafion) 전해질을 이용한 전지와 비교할 때 동등 이상이며, 특히 메탄올의 투과도가 낮은 장점을 가지고 있다.When the composite electrolyte membrane of the present invention is applied directly to a methanol fuel cell, and the characteristics of the cell are evaluated, the performance of the cell is equal to or higher than that of a battery using a conventional Nafion electrolyte, and in particular, the methanol permeability is low. Have

본 발명의 복합 전해질 막이 적용된 전해질의 이온 전도도는 복합 고분자 전해질 막이 함침하는 액체 전해액에 의해서 이루어진다. 즉, 본 발명의 전해질 막의 이온 전도는 산, 염기, 염 용액의 이동에 의해 일어난다. 그러므로 복합 고분자 전해질은 액체 전해질을 많이 함침할 수 있어야 한다. 액체 전해액의 함침량은 복합 고분자 전해질 막에 있는 미세 기공에 의존한다. 기공이 많을수록 액체 전해액의 함침량은 증가하고 이온 전도도도 증가한다. 그러나 PVdF와 같은 폴리머는 소수성이기 때문에 여기에 친수성을 부여하기 위해서 친수성 무기물 분말을 첨가한다. 무기물 분말은 또한 막의 기계적 강도를 향상시켜 줄뿐 아니라 고온에서도 전해액을 담지할 수 있기 때문에 고온에서 이온 전도도를 유지하게 하여 전지의 고온 특성을 높여준다.The ionic conductivity of the electrolyte to which the composite electrolyte membrane of the present invention is applied is made by the liquid electrolyte solution impregnated with the composite polymer electrolyte membrane. That is, the ion conduction of the electrolyte membrane of the present invention is caused by the movement of acid, base, and salt solution. Therefore, the composite polymer electrolyte should be able to impregnate a lot of liquid electrolyte. The impregnation amount of the liquid electrolyte depends on the micropores in the composite polymer electrolyte membrane. The more pores, the more the impregnation of the liquid electrolyte increases and the ionic conductivity increases. However, since polymers such as PVdF are hydrophobic, hydrophilic inorganic powders are added to impart hydrophilicity to them. In addition to improving the mechanical strength of the membrane, the inorganic powder can also support the electrolyte at high temperatures, thereby maintaining the ionic conductivity at high temperatures, thereby improving the high temperature characteristics of the battery.

연료전지의 전해질 막은 함유하고 있는 기공의 크기가 일정 크기 이상으로 클 경우 메탄올의 투과도는 급격히 증가하게 된다. 그러므로 복합 고분자 전해질 막에서 기공의 크기를 미세하게 조절하는 것과 기공의 분포를 균일하게 조절하는것과 기공이 친수성을 가지게 하는 것이 중요하다. 따라서 본 발명은 전해질 막을 제조할 때 기공의 크기를 미세하고 균일하게 분산되도록 조절하는 것과 기공이 친수성이 될 수 있도록 하였다. 또한 전해질 막은 다수의 필름을 적층하여 연료전지의 분리막으로 사용될 수 있으므로, 열압착에 의해 전해질 막의 기공도를 적정범위로 조절할 수 있도록 하였다.If the pore size of the electrolyte membrane of the fuel cell is larger than a certain size, the permeability of methanol increases rapidly. Therefore, it is important to finely control the pore size, to uniformly control the pore distribution, and to make the pores hydrophilic in the composite polymer electrolyte membrane. Therefore, the present invention is to control the size of the pores finely and uniformly dispersed in the preparation of the electrolyte membrane and to make the pores become hydrophilic. In addition, since the electrolyte membrane can be used as a separator of a fuel cell by stacking a plurality of films, the porosity of the electrolyte membrane can be adjusted to an appropriate range by thermocompression bonding.

본 발명의 복합 폴리머 전해질 막의 지지체 역할을 하고, 기계적 강도를 제공하는 폴리머는 화학적, 전기화학적, 열적으로 안정한 것이며, 수용액에 상용성을 가지는 것으로, 종류로는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드와 육플루오르프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP copolymer: PVDHFP), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 또는 이들의 조합에 의한 혼합 폴리머이다. 전해질 막에서는 40 내지 80 중량%가 함유된다.The polymer that serves as a support for the composite polymer electrolyte membrane of the present invention and provides mechanical strength is chemically, electrochemically and thermally stable and has compatibility in aqueous solution. Examples thereof include polyvinylidene fluoride (PVdF) and poly A copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVdF-HFP copolymer: PVDHFP), polymethyl methacrylate (PMMA), polyacrylonitrile (PAN), or a mixed polymer thereof. The electrolyte membrane contains 40 to 80% by weight.

또한 무기질 분말은 친수성을 가지는 것으로, 종류는 알루미늄 옥사이드(Al2O3)계, 흄드 실리카(fumed silica)계, 제오라이트(Zeolite)계, 티타늄 옥사이드(TiO2)계, 바륨 티타네이트(BaTiO3)계, 및 분자체(Molecular sieve) 구조의 무기질 분말로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택될 수 있다. 분말의 크기는 5 내지 500 나노미터(㎚)이며, 비표면적은 10 내지 500 ㎡/g 인 것이 바람직하다.In addition, the inorganic powder is hydrophilic, the type is aluminum oxide (Al 2 O 3 ), fumed silica (zemed), zeolite (Zeolite), titanium oxide (TiO 2 ) -based, barium titanate (BaTiO 3 ) And at least one selected from the group consisting of inorganic powders having a molecular sieve structure. The size of the powder is 5 to 500 nanometers (nm), and the specific surface area is preferably 10 to 500 m 2 / g.

본 발명의 복합 폴리머 전해질 막은 막 내에 미세기공을 함유하며, 연료전지에서 메탄올의 투과를 막기 위하여 기공도는 15 내지 60 부피%, 미세기공의 크기는 최대 50 ㎚가 되도록 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 기공크기가 3 내지 20 ㎚이고, 기공도가 15 내지 30 부피%이다. 이러한 미세기공에 이온전도 특성을 보이는 산, 염기, 염의 용액이 채워지게 된다.The composite polymer electrolyte membrane of the present invention contains micropores in the membrane, and in order to prevent the permeation of methanol in the fuel cell, the porosity is preferably 15 to 60% by volume and the size of the micropores is at most 50 nm. More preferably, the pore size is 3 to 20 nm, and the porosity is 15 to 30% by volume. These micropores are filled with a solution of acids, bases, and salts that exhibit ionic conductivity.

본 발명의 복합 폴리머 전해질 막은 그 두께가 5 내지 500 마이크로미터(㎛)가 바람직하며, 이 막은 다수의 필름이 적층(lamination)되어 연료전지의 전해질 막으로 사용될 수 있다.The composite polymer electrolyte membrane of the present invention preferably has a thickness of 5 to 500 micrometers (µm), and this membrane can be used as an electrolyte membrane of a fuel cell by laminating a plurality of films.

이하에서 본 발명의 복합 폴리머 전해질 막의 제조방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method of the composite polymer electrolyte membrane of the present invention will be described.

본 발명의 복합 폴리머 전해질 막은 용매로 슬러리를 만들어 이형지 위에 코팅하고 용매를 건조하여 제조하는 소위 용매 캐스팅(solvent casting) 방법과 필름 원료를 압출기에서 압출하여 제조하는 압출(Extrusion) 방법 등을 사용하여 제조될 수 있다.The composite polymer electrolyte membrane of the present invention is prepared by using a so-called solvent casting method for making a slurry from a solvent, coating it on a release paper, and drying the solvent, and an extrusion method for extruding a film raw material in an extruder. Can be.

구체적으로, 상기 용매 캐스팅 방법에 의한 연료전지용 전해질 막의 제 1의 제조방법은Specifically, the first manufacturing method of the electrolyte membrane for a fuel cell by the solvent casting method

a) 용매에a) in solvent

ⅰ) 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드와 육플루오르프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP copolymer: PVDHFP), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 및 이들로부터 조합되는 혼합 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리머 40 내지 80 중량부;Iii) polyvinylidene fluoride (PVdF), copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVdF-HFP copolymer: PVDHFP), polymethyl methacrylate (PMMA), polyacrylonitrile (PAN), and 40 to 80 parts by weight of a polymer selected from the group consisting of mixed polymers combined therefrom;

ⅱ) 알루미늄 옥사이드(Al2O3)계, 흄드 실리카(fumed silica)계, 제오라이트(Zeolite)계, 티타늄 옥사이드(TiO2)계, 바륨 티타네이트(BaTiO3)계, 및분자체(Molecular sieve) 구조의 무기질 분말로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 친수성 무기질 분말 20 내지 60 중량부; 및Ii) Aluminum oxide (Al 2 O 3 ) -based, fumed silica-based, zeolite-based, titanium oxide (TiO 2 ) -based, barium titanate (BaTiO 3 ) -based, and molecular sieve structures 20 to 60 parts by weight of at least one hydrophilic inorganic powder selected from the group consisting of inorganic powders; And

ⅲ) 가소제 8 내지 120 중량부Iii) 8 to 120 parts by weight of plasticizer

를 가하고 혼합 및 용해하여 슬러리를 제조하는 단계;Adding, mixing and dissolving to prepare a slurry;

b) 상기 a)단계의 슬러리를 이형지 위에 코팅하고 건조하여 필름을 성형하는 단계;b) coating the slurry of step a) on a release paper and drying to form a film;

c) 상기 b)단계의 필름을 추출용매에 함침시켜 가소제를 추출하는 단계; 및c) extracting the plasticizer by impregnating the film of step b) in the extraction solvent; And

d) 상기 c)단계의 필름을 열압하는 단계d) thermopressing the film of step c)

를 포함하여 연료전지용 전해질 막을 제조한다.To prepare an electrolyte membrane for a fuel cell, including.

또한 상기 압출방법에 의한 연료전지용 전해질 막의 제2의 제조방법은In addition, the second manufacturing method of the electrolyte membrane for a fuel cell by the extrusion method

a) ⅰ) 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드와 육플루오르프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP copolymer: PVDHFP), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 및 이들로부터 조합되는 혼합 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리머 40 내지 80 중량부;a) polyvinylidene fluoride (PVdF), copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVdF-HFP copolymer: PVDHFP), polymethyl methacrylate (PMMA), polyacrylonitrile (PAN) 40 to 80 parts by weight of a polymer selected from the group consisting of, and mixed polymers combined therefrom;

ⅱ) 알루미늄 옥사이드(Al2O3)계, 흄드 실리카(fumed silica)계, 제오라이트 (Zeolite)계, 티타늄 옥사이드 (TiO2)계, 바륨 티타네이트(BaTiO3)계, 및 분자체(Molecular sieve) 구조의 무기질 분말로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 친수성 무기질 분말 20 내지 60 중량부; 및Ii) Aluminum oxide (Al 2 O 3 ) -based, fumed silica-based, zeolite-based, titanium oxide (TiO 2 ) -based, barium titanate (BaTiO 3 ) -based, and molecular sieve 20 to 60 parts by weight of a hydrophilic inorganic powder selected from the group consisting of inorganic powders having a structure; And

ⅲ) 가소제 8 내지 120 중량부Iii) 8 to 120 parts by weight of plasticizer

를 혼합하는 단계;Mixing;

b) 상기 a)단계의 혼합물을 압출기에 투입하고 120 내지 170 ℃의 온도조건에서 압출하여 필름을 성형하는 단계;b) injecting the mixture of step a) into an extruder and extruding at a temperature of 120 to 170 ℃ forming a film;

c) 상기 b)단계의 필름을 추출용매에 함침시켜 가소제를 추출하는 단계; 및c) extracting the plasticizer by impregnating the film of step b) in the extraction solvent; And

d) 상기 c)단계의 필름을 열압하는 단계d) thermopressing the film of step c)

를 포함한다.It includes.

상기 용매 캐스팅 방법은 용매에 폴리머, 친수성 무기질 분말, 및 가소제를 혼합하여 용해, 분산시킨 슬러리를 제조하고, 이 슬러리를 이형지 위에 코팅하고, 건조하여 필름을 성형한 후, 추출용매로 필름 내의 가소제를 추출하여 기공을 형성시켜 복합 폴리머 전해질 막으로 제조한다. 상기 건조 온도는 사용되는 폴리머 및 용매의 종류에 따라서 달라질 수 있지만 80∼95 ℃가 바람직하다. 상기 용매 캐스팅 방법에 사용되는 용매는 아세톤, DMF(dimethylformamide), DMAC(dimethylacetamide), NMP(N-methylpyrrolidone), THF(tetrahydrofuran), MEK(methylethyl-ketone), 또는 이들로부터 조합되는 혼합 용매가 바람직하다.In the solvent casting method, a polymer, a hydrophilic inorganic powder, and a plasticizer are mixed and dissolved and dispersed in a solvent to prepare a slurry, the slurry is coated on a release paper, dried to form a film, and then the plasticizer in the film is extracted with an extraction solvent. The pores are extracted to form a composite polymer electrolyte membrane. The drying temperature may vary depending on the type of polymer and solvent used, but 80 to 95 ° C. is preferred. The solvent used in the solvent casting method is preferably acetone, dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAC), N-methylpyrrolidone (NMP), tetrahydrofuran (THF), methylethyl-ketone (MEK), or a mixed solvent thereof. .

또한 상기 압출 방법은 폴리머, 친수성 무기질 분말, 및 가소제를 혼합하고, 이 혼합물을 압출기에 투입하고 압출하여 필름으로 성형한 후, 추출용매로 필름 내의 가소제를 추출하여 기공을 형성시켜 복합 폴리머 전해질 막으로 제조한다. 상기 압출 온도는 폴리머의 종류에 따라서 달라질 수 있지만 120∼170 ℃가 바람직하다.In the extrusion method, a polymer, a hydrophilic inorganic powder, and a plasticizer are mixed, and the mixture is introduced into an extruder, extruded, and molded into a film, followed by extracting the plasticizer in the film with an extraction solvent to form pores to form a composite polymer electrolyte membrane. Manufacture. The extrusion temperature may vary depending on the type of polymer, but 120 to 170 ° C. is preferred.

이러한 방법으로 제조되는 전해질 막은 공통적으로 필름 내에 포함되어 있는가소제를 추출하여 미세기공을 형성해 준다. 즉, 필름 원료 내에 사용되는 폴리머 양의 중량에 대하여 20 내지 150 중량%의 가소제를 함유시켜 필름을 제조한 후 추출용매로 가소제를 추출한다. 가소제의 종류로는 디메틸프탈레이트(DMP), 디에틸프탈레이트(DEP), 디부틸프탈레이트(DBP), 디옥틸프탈레이트(DOP), 디알킬프탈레이트(DAP), 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 디메틸아디페이트(DMA) 등과 이들의 조합이 될 수 있다. 추출용매로는 메탄올이나 디에틸에테르(diethylether) 등의 가소제를 용해하여 추출할 수 있는 용매가 사용될 수 있다.The electrolyte membrane prepared in this way is commonly used to extract the plasticizer contained in the film to form micropores. That is, the film is prepared by containing 20 to 150% by weight of a plasticizer relative to the weight of the polymer used in the film raw material, and then the plasticizer is extracted with the extraction solvent. Types of plasticizers include dimethyl phthalate (DMP), diethyl phthalate (DEP), dibutyl phthalate (DBP), dioctyl phthalate (DOP), dialkyl phthalate (DAP), ethylene carbonate (EC), and propylene carbonate (PC). , Dimethyl adipate (DMA) and the like and combinations thereof. As the extraction solvent, a solvent that can dissolve and extract a plasticizer such as methanol or diethylether may be used.

이와 같이 제조된 복합 폴리머 전해질 막은 열압하여 기공을 메탄올이 투과될 수 없을 정도의 크기로 줄인다. 예를 들면, 열압 전의 막(membrane)의 기공크기는 10 내지 50 ㎚이지만, 열압 후 기공크기는 3 내지 10 ㎚로 줄이는 것으로, 도 1에 나타낸 개념도와 같이 기공의 크기가 작아진다. 따라서 기공의 크기가 작아짐에 따라서 수소이온(proton)의 이온 전도도는 그대로 유지하지만 메탄올 투과는 급격히 줄어든다. 열압착 온도는 80 내지 160 ℃이 바람직하고, 압력은 막의 두께에 따라 다소 차이는 보일 수 있으나 5 Kg/㎠ 내지 10 ton/㎠ 범위로 하는 것이 메탄올 투과를 줄이는 기공크기를 얻는 조건이 된다. 또한 열압 방법은 필름을 적층하여 가열프레스에서 압착할 수도 있고, 라미네이션 롤러를 통과시켜서 압착할 수도 있다.The composite polymer electrolyte membrane thus prepared is hot pressed to reduce pores to a size such that methanol cannot be permeated. For example, the pore size of the membrane before thermocompression is 10 to 50 nm, but the pore size after thermocompression is reduced to 3 to 10 nm, and the pore size becomes smaller as shown in FIG. Therefore, as the pore size decreases, the ionic conductivity of protons is maintained, but methanol permeation is drastically reduced. The thermocompression temperature is preferably 80 to 160 ° C., and the pressure may be slightly different depending on the thickness of the membrane, but the range of 5 Kg / cm 2 to 10 ton / cm 2 is a condition for obtaining a pore size that reduces methanol permeation. In the thermo-pressure method, the films may be laminated and pressed in a heating press, or may be pressed by passing a lamination roller.

본 발명의 복합 폴리머 전해질 막은 다수의 필름이 적층(lamination)된 적층 필름으로 제조될 수 있다. 이러한 적층은 다수의 필름을 가소제 추출 전, 또는 후에 적층시키고 열압(hot press)하여 제조하는 것으로, 같은 조성 혹은 다른 조성의 것을 서로 적층(lamination)하는 것을 모두 포함한다. 바람직하게는 2 장 이상의 필름을 가소제 추출 전에 적층하고, 열압착하여 필름을 일체화시킨 후, 가소제를 추출하여 기공을 형성하고, 이 기공이 형성된 적층 필름을 다시 열압하여 제조한다. 필름을 열압착하는 온도는 80 내지 160 ℃가 바람직하고, 압력은 막의 두께에 따라 다소 차이는 보일 수 있으나 5 Kg/㎠ 내지 10 ton/㎠ 범위로 한다. 또한 열압 방법은 필름을 적층하여 가열프레스에서 압착할 수도 있고, 라미네이션 롤러를 통과시켜서 압착할 수도 있다.The composite polymer electrolyte membrane of the present invention can be made of a laminated film in which a plurality of films are laminated. Such laminations are made by laminating and hot pressing multiple films before or after plasticizer extraction, including lamination of ones of the same composition or of different compositions with each other. Preferably, two or more films are laminated before plasticizer extraction, thermocompression-bonded to integrate the film, and then the plasticizer is extracted to form pores, and the laminated film on which the pores are formed is manufactured by thermopressing again. The temperature for thermocompression bonding the film is preferably 80 to 160 ℃, the pressure may be slightly different depending on the thickness of the film, but the range of 5 Kg / ㎠ to 10 ton / ㎠. In the thermo-pressure method, the films may be laminated and pressed in a heating press, or may be pressed by passing a lamination roller.

본 발명의 전해질 막의 기공은 가소제 양으로 조절하여 기공도가 조절된 막을 제조하고, 막을 열압착(Hot Press)하는 과정에서 온도와 압력에 따라서 기공을 조절할 수 있다. 기본적으로는 기공 크기를 50 ㎚ 이하, 바람직하게는 3 내지 20 ㎚로 조절하고 기공도를 15 내지 60 부피%, 특히 15 내지 30 부피%로 조절한 것이 연료전지에서 우수한 특성을 보인다. 본 발명의 미세기공의 크기는 질소의 단분자 흡착층으로부터 얻은 질소 흡착량을 이용하는 BET방식(Brunauer, Emmett, Teller Method)의 비표면적 측정방법을 응용하여 측정한다. 즉 비표면적이 모든 미세 기공의 벽의 부분으로 형성되어 있다고 가정하고, 간단한 기하학적 계산에서 모든 기공 용적을 표면적으로 나눈치의 2 배를 평균 세공반경으로 환산한다.The pores of the electrolyte membrane of the present invention can be adjusted by the amount of plasticizer to prepare a membrane having a controlled porosity, and the pores can be adjusted according to temperature and pressure in the process of hot pressing the membrane. Basically, the pore size is adjusted to 50 nm or less, preferably 3 to 20 nm, and the porosity is adjusted to 15 to 60% by volume, particularly 15 to 30% by volume, which shows excellent characteristics in the fuel cell. The size of the micropores of the present invention is measured by applying the specific surface area measurement method of the BET method (Brunauer, Emmett, Teller Method) using the nitrogen adsorption amount obtained from the single molecule adsorption layer of nitrogen. In other words, it is assumed that the specific surface area is formed as a part of the walls of all the micropores, and in a simple geometric calculation, the average pore radius is converted to twice the pore volume divided by the surface area.

본 발명의 전해질 막은 이온전도도를 나타내자면 전해질 막을 산 용액에 함침시켜야 하는데, 산 용액에서 산의 농도는 0.1 내지 5 M 이 바람직하며, 산의 종류에는 황산, 인산, 염산, 질산, 초 강산(CF3(CF2)nSO3H, HO3S(CF2)nSO3H), 또는 이들로부터 조합되는 혼합산을 사용한다.The electrolyte membrane of the present invention should be impregnated with an electrolyte solution in the acid solution to show the ionic conductivity, the acid concentration in the acid solution is preferably 0.1 to 5 M, the acid type of sulfuric acid, phosphoric acid, hydrochloric acid, nitric acid, super acid (CF 3 (CF 2 ) n SO 3 H, HO 3 S (CF 2 ) n SO 3 H), or mixed acids combined therefrom are used.

전해질 막에서 미세기공에 산 용액이 함침 되는데, 기공도가 높으면 이온전도도는 높지만 동시에 메탄올의 투과도가 높으며, 반면에 기공도가 낮으면 이온전도도는 떨어지지만 동시에 메탄올의 투과도도 낮아진다. 그러므로 막에서 기공도는 중요하며 상호 보완적인 점에서 조절해야 한다.In the electrolyte membrane, the acid solution is impregnated into the micropores. Higher porosity results in higher ion conductivity but higher methanol permeability, while lower porosity results in lower ion conductivity but lower methanol permeability. Therefore, porosity in the membrane is important and must be adjusted in a complementary way.

본 발명의 복합 폴리머 전해질 막은 연료전지에 적용될 때, 상기 열압되어 미세기공이 조절된 전해질 막을 중앙에 두고 막의 양쪽에 양극과 음극을 각각 두고 열압착하여 전지 셀(Cell ; full cell)로 조립될 수 있다.When the composite polymer electrolyte membrane of the present invention is applied to a fuel cell, the thermocompressed micropore-controlled electrolyte membrane is placed in the center and the cathode and the cathode are respectively placed on both sides of the membrane to be thermally compressed to be assembled into a battery cell (Cell; full cell). have.

상기 각각의 전극은 본 발명의 전해질 막 제조와 유사하게 제조될 수 있다. 예를 들면, 폴리머와 무기물 분말은 동일한 것을 사용하며 각 성분의 조성은 무게 비로 귀금속 촉매(예를 들면, 음극은 Pt-Ru 합금, 양극은 Pt-black) 70 내지 90 중량%, 폴리머 10 내지 20 중량%, 무기물 분말 0 내지 15 중량%를 함유시키는 것이 바람직하다. 이러한 전극의 제조 방법에서도 용매로 슬러리를 만들어 코팅하여 제조하는 방법과 압출(Extrusion) 방법 모두가 포함될 수 있다.Each of the above electrodes can be prepared similarly to the preparation of the electrolyte membrane of the present invention. For example, the polymer and the inorganic powder are the same, and the composition of each component is 70 to 90% by weight of the noble metal catalyst (for example, Pt-Ru alloy for the cathode and Pt-black for the anode) and 10 to 20 polymers. It is preferable to contain the weight% and the inorganic powder 0-15 weight%. In the manufacturing method of the electrode may include both a method of making a slurry made of a solvent and coating it and an extrusion method.

본 발명의 복합 폴리머 전해질 막은 이온 전도도가 높으며, 같은 두께에서는 종래의 나피온(Nafion) 전해질 막에 비해서 메탄올의 투과도가 낮아서 연료전지에 사용하기에 매우 적합하다. 또한 복합 폴리머 전해질 막을 직접 메탄올 연료 전지에 적용하면 전지의 성능이 종래의 나피온(Nafion) 전해질와 비교할 때 동등 이상이면서, 제조공정이 간단 용이하고 매우 경제적이다.The composite polymer electrolyte membrane of the present invention has a high ion conductivity, and at the same thickness, methanol has a lower permeability than a conventional Nafion electrolyte membrane, which is very suitable for use in fuel cells. In addition, when the composite polymer electrolyte membrane is directly applied to a methanol fuel cell, the cell performance is equal to or higher than that of a conventional Nafion electrolyte, and the manufacturing process is simple and very economical.

이러한 장점으로 인하여 본 발명의 복합 폴리머 전해질과 이를 이용한 직접 메탄올 연료전지는 중대형 가전제품의 전원과 나아가서 전기 자동차용 전원 등으로도 많이 사용될 수 있다.Due to these advantages, the composite polymer electrolyte of the present invention and a direct methanol fuel cell using the same may be used as a power source for medium and large household appliances, and also as a power source for electric vehicles.

이하의 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 이들만으로 한정하는 것이 아니다.The present invention will be described in more detail with reference to the following examples and comparative examples. However, an Example is for illustrating this invention and is not limited only to these.

[실시예]EXAMPLE

실시예 1Example 1

(복합 폴리머 전해질 막의 제조)(Production of Composite Polymer Electrolyte Membrane)

복합 폴리머 전해질 막의 제조는 폴리머와 무기물 분말에 제조과정에서 수분이 흡수되는 것을 방지하기 위하여 상대습도 1 % 미만인 건조실(dryroom)에서 슬러리를 제조하고 필름을 코팅하여 제조하였다.The composite polymer electrolyte membrane was prepared by preparing a slurry in a dry room having a relative humidity of less than 1% and coating a film to prevent moisture from being absorbed in the manufacturing process of the polymer and the inorganic powder.

폴리머로는 폴리비닐리덴플루오라이드와 육플루오르프로필렌의 코폴리머 (PVdF-HFP copolymer: PVDHFP)를 사용하였다.As a polymer, a copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVdF-HFP copolymer: PVDHFP) was used.

무기분말은 하기와 같은 흄드실리카(SiO2)를 사용하였다.Inorganic powder was used as the fumed silica (SiO 2 ) as follows.

1) AE200(DAGUSSA 사 제조 AEROSIL) : 비표면적 200 ㎡/g1) AE200 (AEROSIL manufactured by DAGUSSA): Specific surface area 200 ㎡ / g

2) AE300(DAGUSSA 사 제조 AEROSIL) : 비표면적 380 ㎡/g2) AE300 (AEROSIL manufactured by DAGUSSA): Specific surface area 380 ㎡ / g

3) M-5(CABOT 사 제조 CAB-O-SIL) : 비표면적 200 ㎡/g3) M-5 (CAB-O-SIL manufactured by CABOT): Specific surface area 200 m 2 / g

4) H-5(CABOT 사 제조 CAB-O-SIL) : 비표면적 300 ㎡/g4) H-5 (CAB-O-SIL manufactured by Cabot Co., Ltd.): specific surface area 300 m 2 / g

5) EH-5(CABOT 사 제조 CAB-O-SIL) : 비표면적 380 ㎡/g5) EH-5 (CAB-O-SIL manufactured by Cabot Co., Ltd.): specific surface area 380 m 2 / g

가소제는 디부틸프탈레이트(DBP)를 사용하였다.The plasticizer used dibutyl phthalate (DBP).

용매로는 아세톤과 NMP용매를 혼합한 혼합용매를 사용하였다. 혼합비율은 부피 비로 아세톤/NMP = 0.5 내지 4 범위에서 사용하였는데, 본 실시예에서는 주로 아세톤의 양이 전체용액에서 부피 비로 50∼70 부피%가 되는 것을 사용하였다. 사용용매의 양은 분말시료 10 g에 대하여 70 내지 85 ㎖이다.As a solvent, a mixed solvent obtained by mixing acetone and an NMP solvent was used. The mixing ratio was used in the range of acetone / NMP = 0.5 to 4 by volume, in the present embodiment mainly used acetone amount of 50 to 70% by volume in the total solution. The amount of solvent used is 70 to 85 ml based on 10 g of the powder sample.

슬러리 제조는 먼저 용기에 무기분말을 적정량 넣고 분말이 용매에 완전히 분산되면 적량의 폴리머를 넣고 다시 분산한다. 잘 분산된 용액에 가소제를 넣고 가소제가 슬러리에 충분히 분산되게 한다.Slurry preparation is first put an appropriate amount of inorganic powder in a container, and when the powder is completely dispersed in a solvent, the appropriate amount of polymer is added and dispersed again. Place the plasticizer in a well dispersed solution and allow the plasticizer to be sufficiently dispersed in the slurry.

균일하게 분산된 슬러리는 닥터블레이드형(Doctor blade type)의 자동화된 히라노사(일본) 코터에서 코팅하여 제조하였다. 슬러리를 표면에 실리콘이 처리된 종이(silicon-release paper) 위에 적정 두께로 코팅하고 바로 건조하여 필름을 제조하였다. 건조 온도는 80 내지 95 ℃로 조절하였으며 본 실시예에서는 주로 85 내지 90 ℃에서 15 분간 건조하였다.The uniformly dispersed slurry was prepared by coating in an automated Hirano Corporation (Japan) coater of Doctor blade type. The slurry was coated to a suitable thickness on a silicon-release paper (silicon-release paper) on the surface and immediately dried to prepare a film. The drying temperature was adjusted to 80 to 95 ℃ and in this example mainly dried at 85 to 90 ℃ 15 minutes.

제조한 전해질 막은 추출 용매에 넣어 가소제를 추출하였다. 추출용매로는 메탄올이나 디에틸에테르(diethylether)를 사용하였고 1 시간 이상 담지하고 추출하고 건조하였다. 이 과정을 3회 반복한 후 신선한 용액에서 세척하면 완전히 추출되었다.The prepared electrolyte membrane was put in an extraction solvent to extract a plasticizer. Methanol or diethylether was used as an extraction solvent, and it was supported for more than 1 hour, extracted, and dried. This process was repeated three times and washed in fresh solution to ensure complete extraction.

전해질 막의 기공도(Porosity; 공극률; 기공율)는 하기 수학식 1에 따르는기공부피(Pore volume; Vp)와 총부피(Total volume; Vt)의 비율로 정의한다. 즉, 전체의 부피인 Vt에서 입자가 차지하는 부피(Vp)을 뺀 값이 기공부피(Pore volume)가 된다.Porosity (porosity; porosity) of the electrolyte membrane is defined as the ratio of the pore volume (V p ) and the total volume (V t ) according to Equation 1 below. That is, the pore volume is obtained by subtracting the volume occupied by the particle (V p ) from the total volume V t .

[수학식 1][Equation 1]

상기 수학식 1의 식에서,In Equation 1,

Vp는 입자의 부피이고, Vt는 총 부피이다.V p is the volume of the particles and V t is the total volume.

본 발명에서는 전해질 막의 기공도(공극률) 계산을 다음과 같은 근거에 의해서 수행했다. 필름의 크기와 두께로부터 필름의 전체부피 (Vt)를 구하고 입자가 차지하는 부피는 필름의 전체 무게에서 각 분말이 차지하는 무게를 필름의 조성으로부터 구했다. PCM에서는 PVdF와 SiO2를 사용하기 때문에 이들 각각의 무게와 비중(density)로부터 계산에 의해서 입자가 차지하는 부피(Vp)를 구하였다. 필름의 총 부피(Vt)에서 입자가 차여지는 부피(Vp)를 뺀 값이 기공 부피(Pore volume)이고, 이 값들로부터 상기 수학식 1을 이용하여 전해질 막의 기공도(Porosity)를 구했다.In the present invention, the porosity (porosity) calculation of the electrolyte membrane was performed based on the following basis. The total volume (V t ) of the film was obtained from the size and thickness of the film, and the volume occupied by the particles was obtained from the composition of the film by the weight of each powder in the total weight of the film. Since PCM uses PVdF and SiO 2 , the volume (V p ) occupied by the particles was calculated from the weight and density of each of them. The total volume (V t ) of the film minus the volume (V p ) at which particles are filled is the pore volume, and from these values, the porosity of the electrolyte membrane was determined using Equation 1 above.

슬러리 조성에 따른 전해질 막의 기공과 기계적 강도를 하기 표 1에 나타내었다. 여기에서는 가소제의 양은 고정하고 PVdF의 양과 SiO2의 종류 및 양을 변경하면서 동일한 방법으로 제조한 것이다.The pore and mechanical strength of the electrolyte membrane according to the slurry composition is shown in Table 1 below. Here, the amount of plasticizer is fixed and manufactured in the same manner while changing the amount of PVdF and the type and amount of SiO 2 .

전해질 막의 조성과 기공도 및 기계적 강도Composition, Porosity and Mechanical Strength of Electrolyte Membrane 구 분division 실리카 종류 및 양(g)Silica Type and Amount (g) PVdF의 양(g)Amount of PVdF (g) 가소제 양(g)Amount of plasticizer (g) 기계적 강도Mechanical strength 기공도(%)Porosity (%) 조성 1Composition 1 M-5 : 2M-5: 2 88 1010 매우 양호Very good 32∼3532 to 35 조성 2Composition 2 H-5 : 2H-5: 2 88 1010 매우 양호Very good 34∼3734-37 조성 3Composition 3 EH-5 : 2EH-5: 2 88 1010 매우 양호Very good 35∼3935 to 39 조성 4Composition 4 M-5 : 3M-5: 3 77 1010 매우 양호Very good 38∼4238-42 조성 5Composition 5 H-5 : 3H-5: 3 77 1010 매우 양호Very good 39∼4339-43 조성 6Composition 6 EH-5 : 3EH-5: 3 77 1010 양호Good 40∼4440-44 조성 7Composition 7 M-5 : 4M-5: 4 66 1010 불량Bad 42∼4542 to 45 조성 8Composition 8 H-5 : 4H-5: 4 66 1010 불량Bad 43∼4543-45 조성 9Composition 9 EH-5 : 4EH-5: 4 66 1010 매우 불량Very bad 44∼4644-46

기계적 강도에서 양호는 전해질 막을 전지에 사용한 것이고, 불량은 막이 불균일 하거나 사용하기 쉽지 않은 것이고, 매우 불량은 균일한 막이 잘 만들어지지 않거나 사용하기 곤란한 것이다.Good in mechanical strength is the use of electrolyte membranes in batteries, bad is uneven or not easy to use membranes, and very bad is a uniform membrane not well made or difficult to use.

무기분말은 SiO2의 영향은 제조사 (DAGUSSA 사, 또는 CABOT 사)에 따라서는 영향이 없으며, 분말의 표면적에 따라 영향을 미치고 있다. 표면적이 200 ㎡/g, 300 ㎡/g, 380 ㎡/g으로 증가함에 따라 기공도는 증가하는데 비하여 막의 기계적 강도는 낮아졌다.Inorganic powder does not affect the influence of SiO 2 depending on the manufacturer (DAGUSSA, or CABOT) and affects the surface area of the powder. As the surface area increased to 200 m 2 / g, 300 m 2 / g, and 380 m 2 / g, the porosity increased but the mechanical strength of the membrane decreased.

무기분말 SiO2는 M-5 (200 ㎡/g)를 사용하고 같은 조성에서 가소제(DBP)의 양을 폴리머와 무기분말의 합친 양 10 g 에 대하여 2 ~ 20 g으로 조절하면서 필름을 제조하고 성능 비교를 표 2에 나타내었다.Inorganic powder SiO 2 is prepared using M-5 (200 m 2 / g) and adjusting the amount of plasticizer (DBP) to 2 to 20 g based on the combined amount of polymer and inorganic powder of 10 g in the same composition. The comparison is shown in Table 2.

전해질 막의 조성 중 가소제의 영향Influence of Plasticizers in the Composition of Electrolyte Membranes 구 분division 실리카 종류 및 양(g)Silica Type and Amount (g) PVdF의 양(g)Amount of PVdF (g) 가소제 양(g)Amount of plasticizer (g) 기계적 강도Mechanical strength 기공도(%)Porosity (%) 조성 10Composition 10 M-5 : 3M-5: 3 77 22 매우 양호Very good 28∼3228-32 조성 11Composition 11 M-5 : 3M-5: 3 77 55 매우 양호Very good 30∼3330 to 33 조성 12Composition 12 M-5 : 3M-5: 3 77 7.57.5 매우 양호Very good 38∼4138-41 조성 13Composition 13 M-5 : 3M-5: 3 77 1010 매우 양호Very good 39∼4239-42 조성 14Composition 14 M-5 : 3M-5: 3 77 1515 불량Bad 40∼4440-44 조성 15Composition 15 M-5 : 3M-5: 3 77 2020 매우 불량Very bad 42∼4442-44

가소제의 양이 증가함에 따라서 기공도는 증가하나 기계적 강도는 낮아졌다. 가소제의 양이 7.5 ~ 10 g 범위(조성 12, 13)에서는 기공도 변화도 크지 않았고 막의 기계적 강도도 우수했다.As the amount of plasticizer increased, the porosity increased but the mechanical strength decreased. The amount of plasticizer in the range of 7.5 to 10 g (compositions 12 and 13) showed no significant change in porosity and excellent mechanical strength of the membrane.

실시예 2Example 2

폴리머를 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전해질 막을 제조하고 시험하였다.An electrolyte membrane was prepared and tested in the same manner as in Example 1 except that the polymer was changed to polyvinylidene fluoride (PVdF).

시험결과는 상기 실시예 1과 유사하였다. 호모폴리머(homo-polymer)인 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)는 코폴리머(co-polymer)인 폴리비닐리덴플루오라이드-육플루오르프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP copolymer: PVD-HFP)에 비해서 결정화도(crystalinity)가 높다. 연료전지에서 전해질 막(membrane)은 유연성(flexibility)이 큰 것이 좋기 때문에 결정화도가 낮은 것이 바람직하다.Test results were similar to Example 1 above. Polyvinylidene fluoride (PVdF), a homopolymer, has a degree of crystallinity compared to a copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene, a copolymer (PVdF-HFP copolymer: PVD-HFP). (crystalinity) is high. In the fuel cell, the electrolyte membrane is preferably low in crystallinity because of its high flexibility.

실시예 3Example 3

(이온 전도도 측정)(Ion conductivity measurement)

전해질 막의 이온 전도도는 미세기공에 함침되어 있는 산 용액에 의해서 일어나기 때문에 전해질 막을 먼저 산 용액에 함침해 두어야 한다. 본 발명에서는 황산, 인산, 염산, 질산, 초 강산(CF3(CF2)nSO3H, HO3S(CF2)nSO3H) 이거나 이들의 혼합 산을 사용하였으나 황산을 사용한 경우에 가장 우수한 이온 전도도를 보이고 있다.Since the ionic conductivity of the electrolyte membrane is caused by the acid solution impregnated in the micropores, the electrolyte membrane must first be impregnated with the acid solution. In the present invention, sulfuric acid, phosphoric acid, hydrochloric acid, nitric acid, super acidic acid (CF 3 (CF 2 ) n SO 3 H, HO 3 S (CF 2 ) n SO 3 H) or a mixed acid thereof is used in the case of using sulfuric acid It has the best ionic conductivity.

이온 전도도 측정은 전해질 막을 3 몰 농도의 산 용액에서 5 시간 담지 한 후 교류 임피던스(ac-impedance)를 측정하였다.In the ion conductivity measurement, the electrolyte membrane was immersed in a 3 molar acid solution for 5 hours, and then the ac impedance was measured.

실시예 4Example 4

(메탄올 투과도 측정)Methanol Permeability Measurement

메탄올 투과도 측정은 확산 셀을 이용하였다. 셀의 중앙에 전해질 막을 두고 한 쪽 셀에는 100 % 메탄올을 다른 쪽에는 순수를 채운 다음, 시간 경과에 따른 메탄올의 이동량을 측정하였다. 이 때 검출기는 굴절계를 이용하였다.Methanol permeability was measured using a diffusion cell. The electrolyte membrane was placed in the center of the cell, 100% methanol was charged in one cell, and pure water was charged in the other, and then the amount of methanol movement was measured over time. At this time, the detector used a refractometer.

실시예 5Example 5

(전지용 복합 폴리머 전해질 막 제조)(Manufacture of composite polymer electrolyte membrane for battery)

전지용 복합 폴리머 전해질 막은 상기 실시예 1의 조성 13의 막을 두께 60 ㎛인 것을 만들어 4 장을 라미네이션(lamination)하여 사용하였다. 라미네이션 공정은 코팅하여 제조한 필름을 적정 크기로 잘라서 130 내지 160 ℃의 온도에서 수행하였다. 온도에는 큰 영향은 없었으나 본 실시예에서는 주로 140 내지 145 ℃에서 제조하였다. 여러 장을 라미네이션하는 경우 먼저 두 장씩 라미네이션 한 후에 다시 2차 라미네이션을 하여 제조하였다. 이렇게 라미네이션 된 다층 막은 PVdF의 녹는점 이상의 온도에서 서로 접합되었기 때문에 일체형이 되어 있다.In the composite polymer electrolyte membrane for batteries, a film of composition 13 of Example 1 having a thickness of 60 μm was used and four sheets were laminated. Lamination process was carried out at a temperature of 130 to 160 ℃ by cutting the film prepared by coating to an appropriate size. There was no significant effect on the temperature, but in the present embodiment, the production was mainly performed at 140 to 145 ° C. In the case of lamination of several sheets, two sheets were laminated first, followed by second lamination. These laminated multilayer films are integrated because they are bonded together at temperatures above the melting point of PVdF.

실시예 6Example 6

(복합 폴리머 전해질 막의 기공도 조절)(Control of Porosity of Composite Polymer Electrolyte Membrane)

실시예 1의 조성 13의 막을 실시예 5에서와 같은 방법으로 라미네이션 하여 다층 막을 제조한 후, 추출 용매를 이용하여 가소제를 제거하여 전해질 막을 제조하였다. 이 막의 기공도는 38 내지 42 부피% 수준이다. 기공의 크기는 질소의 단분자 흡착층으로부터 얻은 질소 흡착량을 이용하는 BET방식(Brunauer, Emmett, Teller Method)으로 측정한 결과(micromeritics사 ASAP 2010 사용) 10 내지 50 ㎚의 분포를 나타내었다.The membrane of the composition 13 of Example 1 was laminated in the same manner as in Example 5 to prepare a multilayer membrane, and then the plasticizer was removed using an extraction solvent to prepare an electrolyte membrane. The porosity of this membrane is on the order of 38 to 42% by volume. The pore size was measured by the BET method (Brunauer, Emmett, Teller Method) using the nitrogen adsorption amount obtained from the monomolecular adsorbent layer of nitrogen (using ASAP 2010 by micromeritics) and showed a distribution of 10 to 50 nm.

기공도가 높으면 이온 전도도는 높지만 동시에 메탄올 투과도 역시 높기 때문에 열압착에 의해서 기공도를 조절하였다. 여기에서는 열압착 온도 80 내지 160 ℃, 압력은 5 Kg/㎠ 내지 10 ton/㎠ 범위로 압착조건을 조절하여 기공도가 15 내지 30 부피%가 되게 조절하여 사용하였다. 전지의 성능은 도 2에 표시한 것처럼 기공도 18 내지 25 부피% 범위의 것이 가장 우수하였다. 또한 막의 기공 크기에 대한 이온전도도와 메탄올 투과도의 영향은, 기공크기가 50 ㎚을 초과할 때에는 상대적으로 메탄올의 투과도가 높았으며, 기공크기가 3 ㎚ 미만에서는 상대적으로 이온전도도가 낮았다. 따라서 막 기공의 크기는 50 ㎚ 이하가 바람직하며, 특히 3 내지 20 ㎚의 것이 보다 성능이 우수하였다.If the porosity is high, the ion conductivity is high, but at the same time the methanol permeability is also high, so porosity is controlled by thermocompression. Here, the thermocompression temperature 80 to 160 ℃, the pressure was used to adjust the compression conditions in the range of 5 Kg / ㎠ to 10 ton / ㎠ to have a porosity of 15 to 30% by volume. The performance of the cell was best in the range of 18 to 25% by volume porosity as shown in FIG. In addition, the influence of the ion conductivity and the methanol permeability on the pore size of the membrane was relatively high permeability of methanol when the pore size exceeded 50 nm, and relatively low when the pore size was less than 3 nm. Therefore, the size of the membrane pores is preferably 50 nm or less, especially 3 to 20 nm was more excellent.

실시예 7Example 7

(전극 제조)(Electrode manufacture)

전극의 조성은 무게 비로 귀금속 촉매 70 ~90 중량%, 폴리머 10 ~ 20 중량%, 무기물 분말 0 ~15 중량% 범위로 설정하였다. 본 실시예에서는 음극은 조성이 촉매로 Pt-Ru 합금 분말(Pt : Ru = 50 중량% : 50 중량%, Johnson Matthey Co.) 0.85g, PVdF 분말(elf atochem사 제조 KF-2801) 0.1 g, SiO2분말(CABOT 사 제조 CAB-O-SIL; M-5 ) 0.05 g 이고, 양극 조성은 촉매로 Pt-Black 분말(Pt Black, Johnson Matthey Co.) 0.80 g, PVdF 분말 (elf atochem, KF-2801) 0.13 g, SiO2분말(CABOT 사 제품, CAB-O-SIL, M-5) 0.07 g 이다.The composition of the electrode was set in the range of 70 to 90% by weight of the noble metal catalyst, 10 to 20% by weight of the polymer, 0 to 15% by weight of the inorganic powder. In this embodiment, the negative electrode has a composition of Pt-Ru alloy powder (Pt: Ru = 50% by weight: 50% by weight, Johnson Matthey Co.) 0.85g, PVdF powder (KF-2801 manufactured by elf atochem) 0.1g, 0.05 g of SiO 2 powder (CAB-O-SIL manufactured by CABOT; M-5); 0.80 g of Pt-Black powder (Pt Black, Johnson Matthey Co.) as a catalyst, PVdF powder (elf atochem, KF- 2801) 0.13 g, SiO 7 powder (CABOT, CAB-O-SIL, M-5) 0.07 g.

전극의 제조 방법은 슬러리를 제조하여 확산 층(carbon paper)에 스프레이 (spray) 코팅하여 제조하는 방법인데, 슬러리 제조는 실시예 1과 동일한 방법과 절차를 이용했다. 촉매의 로딩(loading) 양은 건조하면서 무게 측정으로 환산하였다.The electrode is prepared by spray coating a diffusion layer (carbon paper) by preparing a slurry, and the slurry is prepared in the same manner as in Example 1. The amount of loading of the catalyst was calculated by weight measurement while drying.

용매는 실시예 1과 같은 혼합 용매를 사용하였고 용매의 조성은 동일하다. 전극을 건조 후 일정 크기로 잘라서 다음 공정인 조립공정에서 사용하였다.The solvent used the same mixed solvent as Example 1, and the composition of the solvent is the same. After drying the electrode was cut to a certain size and used in the assembly process, the next step.

실시예 8Example 8

(전지 조립)(Battery assembly)

실시예 5와 6에서 각각 제조한 전지용 복합 폴리머 전해질 막과 전극을 이용하여 80 내지 100 ℃ 사이의 온도에서 열 압착하여 전지를 제조했다. 전지는 전해질 막을 중앙에 두고 막의 양쪽에 양극과 음극을 각각 두고 열압착하였다. 본 실시예에서는 온도는 90 ℃에서 하고 압력은 용도에 맞게 조절하였다.Batteries were prepared by thermocompression bonding at a temperature between 80 and 100 ° C. using the composite polymer electrolyte membrane and electrode for batteries prepared in Examples 5 and 6, respectively. The cell was thermocompressed with an electrolyte membrane in the center and a cathode and an anode on both sides of the membrane. In this example, the temperature was at 90 ° C. and the pressure was adjusted to suit the application.

실시예 9Example 9

(전지 평가)(Battery evaluation)

전지평가는 실시예 8에서 제조한 전지를 3 M 황산용액에서 80 ℃, 12 시간담지 후에 평가하였다. 연료는 0.5 내지 4 M의 메탄올 용액에 황산의 농도가 1 내지 4 M 범위에서 변화시키면서 실험하였다. 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.Battery evaluation was performed after the battery prepared in Example 8 was loaded at 80 ° C. for 12 hours in 3M sulfuric acid solution. The fuel was tested with varying concentrations of sulfuric acid in a 0.5-4 M methanol solution in the 1-4 M range. The results are shown in Table 3 below.

황산과 메탄올 농도에 따르는 전지 성능 비교 (단위 : mW/㎠)Battery Performance Comparison According to Sulfuric Acid and Methanol Concentration (Unit: mW / ㎠) 메탄올농도황산농도Methanol Concentration 0.5 M0.5 M 1.0 M1.0 M 2.0 M2.0 M 3.0 M3.0 M 4.0 M4.0 M 1 M1 M 7070 100100 125125 120120 100100 2 M2 M 8080 120120 140140 140140 120120 3 M3 M 9090 130130 160160 160160 130130 4 M4 M 9090 130130 160160 160160 130130

원료 용액에서 황산의 농도는 2 M 에서 메탄올의 농도가 2 내지 3 M 이 가장 우수한 특성을 보이고 있다. 황산의 농도는 0.5 M 이하에서는 낮은 온도에서 성능이 많이 떨어졌고, 3 M 이상에서는 성능의 차이가 없었다. 메탄올의 농도는 4 M 이상에서는 성능이 떨어지고 1.0 M 이하에서도 성능이 떨어졌다.The concentration of sulfuric acid in the raw material solution is the most excellent in the concentration of 2 to 3 M methanol at 2 M. The concentration of sulfuric acid was much lower at a lower temperature below 0.5 M, and there was no difference in performance above 3 M. The concentration of methanol was deteriorated at 4 M and above, but also at 1.0 M and below.

본 발명에서 새로운 방법으로 제조한 연료 전지용 전해질 막(membrane)은 생산이 용이하고 공정이 경제적이며, 성능면에서도 높은 이온 전도도, 낮은 메탄올 투과 및 기계적 강도가 우수하다.The electrolyte membrane for a fuel cell prepared by the new method of the present invention is easy to produce, economical in process, and excellent in ionic conductivity, low methanol permeability and mechanical strength in terms of performance.

Claims (20)

연료전지용 전해질 막에 있어서,In the electrolyte membrane for a fuel cell, 기공크기가 최대 50 ㎚이고, 기공도가 15 내지 60 부피%인 기공을 함유하는 폴리머 필름Polymer film containing pores having a pore size of up to 50 nm and a porosity of 15 to 60% by volume 을 포함하는 연료전지용 전해질 막.Electrolyte membrane for fuel cell comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 필름이The film is a) 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드와 육플루오르프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP copolymer: PVDHFP), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 및 이들의 조합에 의한 혼합 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리머 40 내지 80 중량%;a) polyvinylidene fluoride (PVdF), a copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVdF-HFP copolymer: PVDHFP), polymethyl methacrylate (PMMA), polyacrylonitrile (PAN), and 40 to 80% by weight of a polymer selected from the group consisting of mixed polymers by a combination thereof; b) 친수성 무기질 분말 20 내지 60 중량%; 및b) 20 to 60% by weight hydrophilic inorganic powder; And 을 포함하는 연료전지용 전해질 막.Electrolyte membrane for fuel cell comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기공은 기공크기가 3 내지 20 ㎚이고, 기공도가 15 내지 30 부피%인 연료전지용 전해질 막.The pores have a pore size of 3 to 20 nm, porosity of 15 to 30% by volume electrolyte membrane for a fuel cell. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 필름의 두께가 5 내지 500 ㎛인 연료전지용 전해질 막.An electrolyte membrane for a fuel cell having a thickness of 5 to 500 μm. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전해질 막은 적어도 2 개의 막이 적층되어 일체화된 적층 막인 연료전지용 전해질 막.The electrolyte membrane is a fuel cell electrolyte membrane is a laminated membrane in which at least two membranes are laminated. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 b)의 무기질 분말이 알루미늄 옥사이드(Al2O3)계, 흄드 실리카(fumed silica)계, 제오라이트 (Zeolite)계, 티타늄 옥사이드(TiO2)계, 바륨 티타네이트(BaTiO3)계, 및 분자체(Molecular sieve) 구조의 무기질 분말로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 연료전지용 전해질 막.The inorganic powder of b) may be aluminum oxide (Al 2 O 3 ), fumed silica, zeolite, titanium oxide (TiO 2 ), barium titanate (BaTiO 3 ), and powder Electrolyte membrane for fuel cell selected from the group consisting of inorganic powders of a molecular sieve structure. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 b)의 무기질 분말은 입자크기가 5 내지 500 ㎚이고, 비표면적이 10 내지 500 ㎡/g인 연료전지용 전해질 막.The inorganic powder of b) has a particle size of 5 to 500 nm and a specific surface area of 10 to 500 m 2 / g electrolyte membrane for fuel cells. 연료전지용 전해질 막의 제조방법에 있어서,In the method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell, 기공을 함유하는 고분자 필름을 열압하여 기공크기가 최대 50 ㎚이고, 기공도가 15 내지 60 부피%인 기공을 포함하는 막을 제조하는 단계를 포함하는 연료전지용 전해질 막의 제조방법.A method of manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell, the method comprising: preparing a membrane comprising pores having a pore size of up to 50 nm and a porosity of 15 to 60% by volume by thermally pressing a polymer film containing pores. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, a) 폴리머, 친수성 무기질 분말, 및 가소제를 포함하는 고분자 필름을 제공하는 단계;a) providing a polymer film comprising a polymer, a hydrophilic inorganic powder, and a plasticizer; b) 상기 a)단계의 고분자 필름을 추출용매에 함침시켜 가소제를 추출하여 기공을 함유하는 고분자 필름을 제조하는 단계; 및b) impregnating the polymer film of step a) into an extraction solvent to extract a plasticizer to produce a polymer film containing pores; And c) 상기 b)단계의 고분자 필름을 열압하는 단계c) thermopressing the polymer film of step b) 를 포함하는 연료전지용 전해질 막의 제조방법.Method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell comprising a. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 a)단계의 고분자 필름은 적어도 2 개의 필름이 적층되어 일체화된 적층 필름인 연료전지용 전해질 막의 제조방법.The polymer film of step a) is a method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell is a laminated film in which at least two films are laminated. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 a)단계의 고분자 필름이 폴리머 40 내지 80 중량부, 친수성 무기질 분말 20 내지 60 중량부, 및 가소제 8 내지 120 중량부를 포함하는 연료전지용 전해질 막의 제조방법.The method of claim 1, wherein the polymer film of step a) comprises 40 to 80 parts by weight of polymer, 20 to 60 parts by weight of hydrophilic inorganic powder, and 8 to 120 parts by weight of plasticizer. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 a)단계의 고분자 필름이The polymer film of step a) 폴리머, 친수성 무기질 분말, 가소제, 및 용매를 포함하는 폴리머 슬러리를 이형지 위에 코팅하고 건조하여 필름을 성형하는 단계Coating a polymer slurry comprising a polymer, a hydrophilic inorganic powder, a plasticizer, and a solvent on a release paper and drying to form a film 를 포함하는 방법으로 제조되는 연료전지용 전해질 막의 제조방법.Method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell prepared by the method comprising a. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 a)단계의 고분자 필름이The polymer film of step a) 폴리머, 친수성 무기질 분말, 및 가소제를 포함하는 혼합물을 압출기에 투입하고 120 내지 170 ℃의 온도조건에서 압출하여 필름을 성형하는 단계Injecting a mixture containing a polymer, a hydrophilic inorganic powder, and a plasticizer in an extruder and extruding at a temperature of 120 to 170 ℃ forming a film 를 포함하는 방법으로 제조되는 연료전지용 전해질 막의 제조방법.Method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell prepared by the method comprising a. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 a)단계의 폴리머가 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드와 육플루오르프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP copolymer: PVDHFP), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 및 이들로부터 조합되는 혼합 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 연료전지용 전해질 막의 제조방법.The polymer of step a) is polyvinylidene fluoride (PVdF), copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVdF-HFP copolymer: PVDHFP), polymethyl methacrylate (PMMA), polyacrylonitrile (PAN), and a method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell selected from the group consisting of mixed polymers combined therefrom. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 a)단계의 친수성 무기질 분말이 알루미늄 옥사이드(Al2O3)계, 흄드 실리카(fumed silica)계, 제오라이트(Zeolite)계, 티타늄 옥사이드(TiO2)계, 바륨 티타네이트(BaTiO3)계, 및 분자체(Molecular sieve) 구조의 무기질 분말로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 연료전지용 전해질 막의 제조방법.The hydrophilic inorganic powder of step a) is aluminum oxide (Al 2 O 3 ) -based, fumed silica (zemed), zeolite (Zeolite), titanium oxide (TiO 2 ) -based, barium titanate (BaTiO 3 ) -based, And at least one member selected from the group consisting of inorganic powders having a molecular sieve structure. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 용매가 아세톤, 디메틸포름아마이드(DMF; dimethylformamide), 디메틸아세트아마이드(DMAC; dimethylacetamide), N-메틸피롤리돈(NMP; N-methylpyrrolidone), 테트라하이드로퓨란(THF; tetrahydrofuran), 메틸에틸케톤(MEK; methylethylketone), 및 이들로부터 조합되는 혼합 용매로 이루어진 군으로부터 선택되는 연료전지용 전해질 막의 제조방법.The solvent is acetone, dimethylformamide (DMF; dimethylformamide), dimethylacetamide (DMAC; dimethylacetamide), N-methylpyrrolidone (NMP; N-methylpyrrolidone), tetrahydrofuran (THF; tetrahydrofuran), methyl ethyl ketone ( MEK; methylethylketone), and a method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell selected from the group consisting of mixed solvents thereof. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 열압은 압착 온도 80 내지 160 ℃, 및 압착 압력 5 Kg/㎠ 내지 10 ton/㎠ 의 조건으로 실시되는 연료전지용 전해질 막의 제조방법.The thermal pressure is a manufacturing method of an electrolyte membrane for a fuel cell is carried out under the conditions of the compression temperature of 80 to 160 ℃, and the pressing pressure of 5 Kg / ㎠ to 10 ton / ㎠. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 열압은 고분자 필름을 가열프레스(hot press), 또는 라미네이션 롤의 통과로 실시되는 연료전지용 전해질 막의 제조방법.The thermal pressure is a method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell in which the polymer film is carried out by a hot press or a lamination roll. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 기공을 함유하는 고분자 필름은 적어도 2 개의 필름이 적층되어 일체화된 적층 필름인 연료전지용 전해질 막의 제조방법.The method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell is a polymer film containing the pores is a laminated film in which at least two films are laminated. 제 1 항 기재의 전해질 막을 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the electrolyte membrane of claim 1.
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