KR20040047420A - Ionomer/Clay NanoComposite Proton Exchange Membrane, preparation method thereof and fuel cell containing the same - Google Patents

Ionomer/Clay NanoComposite Proton Exchange Membrane, preparation method thereof and fuel cell containing the same Download PDF

Info

Publication number
KR20040047420A
KR20040047420A KR1020020075641A KR20020075641A KR20040047420A KR 20040047420 A KR20040047420 A KR 20040047420A KR 1020020075641 A KR1020020075641 A KR 1020020075641A KR 20020075641 A KR20020075641 A KR 20020075641A KR 20040047420 A KR20040047420 A KR 20040047420A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
conductive polymer
polymer membrane
proton conductive
clay
membrane
Prior art date
Application number
KR1020020075641A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR100496936B1 (en
Inventor
이희우
송민규
김영택
황지석
박승배
Original Assignee
학교법인 서강대학교
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 학교법인 서강대학교 filed Critical 학교법인 서강대학교
Priority to KR10-2002-0075641A priority Critical patent/KR100496936B1/en
Publication of KR20040047420A publication Critical patent/KR20040047420A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100496936B1 publication Critical patent/KR100496936B1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • 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

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

Abstract

PURPOSE: Provided is a proton-conductive polymer membrane, which has excellent electrochemical properties, thermal stability and mechanical properties, and is capable of reducing methanol cross-over. CONSTITUTION: The proton-conductive polymer membrane comprises 100 parts by weight of a fluoropolymer having a pendant sulfonate group, and 1-10 parts by weight of demineralized clay that is interlayer-separated into a nano-sized planar structure and has an aspect ratio of 1/1000 to 1/30. The proton-conductive polymer membrane is manufactured by the method comprising the steps of: dissolving a proton-conductive polymer having a pendant sulfonate group into an organic solvent; dispersing clay treated with a demineralizing agent into a separate organic solvent; mixing both solutions and stirring them to obtain a mixed solution; and forming a membrane by using the mixed solution.

Description

양성자 전도성 고분자 막, 이의 제조방법, 이를 이용한 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지{Ionomer/Clay NanoComposite Proton Exchange Membrane, preparation method thereof and fuel cell containing the same}Proton-conducting polymer membrane, preparation method thereof, membrane-electrode assembly using same and fuel cell comprising same {Ionomer / Clay NanoComposite Proton Exchange Membrane, preparation method etc. and fuel cell containing the same}

본 발명은 양성자 전도성 고분자막에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 메탄올 크로스 오버를 감소시키고 기계적 물성이 우수한 양성자 전도성 고분자막, 그 제조방법, 이를 이용한 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a proton conductive polymer membrane, and more particularly, to a proton conductive polymer membrane which reduces methanol crossover and has excellent mechanical properties, a method of manufacturing the same, a membrane-electrode assembly using the same, and a fuel cell including the same.

최근, 환경문제, 에너지원의 고갈과 더불어 연료전지 자동차의 실용화와 더불어, 높은 에너지 효율을 가지며 상온에서 작동이 가능하면서도 신뢰성이 있는 고성능 연료전지의 개발이 절실히 요구되어 있다. 이에 연료전지의 효율을 증가시킬 수 있는 고분자막의 개발 또한 요구되고 있다.In recent years, along with environmental problems, exhaustion of energy sources, and the practical use of fuel cell vehicles, development of high-performance fuel cells with high energy efficiency and operation at room temperature and reliability are urgently required. Accordingly, there is also a demand for the development of polymer membranes that can increase the efficiency of fuel cells.

연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 생기는 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템으로서, 이는 고온(500 내지 700℃ )에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 200℃ 근방에서 작동하는 인산전해질형 연료전지, 상온 내지 약 100℃ 이하에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지 등이 있다.A fuel cell is a power generation system that directly converts energy generated by electrochemical reaction between fuel and oxidant into electrical energy. It is a molten carbonate electrolyte fuel cell operating at high temperature (500 to 700 ° C), and phosphoric acid operating near 200 ° C. Electrolyte fuel cells, alkali electrolyte fuel cells operating at room temperature to about 100 ° C. or lower, and polymer electrolyte fuel cells.

상기 고분자 전해질형 연료전지로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수소 이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC)과 액상의 메탄올을 직접 연료로 애노드에 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 등이 있다. 고분자 전해질형 연료전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 미래의 청정 에너지원으로서, 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높다. 또한, 상온에서 작동가능하고 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전시스템, 이동통신장비, 의료기기, 군사용 장비, 우주사업용 장비 등의 분야에 폭넓게 사용가능하다.The polymer electrolyte fuel cell includes a direct exchange fuel cell (Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)) using hydrogen gas as a fuel and a direct methanol fuel cell using liquid methanol directly supplied to the anode. Fuel Cell: DMFC). The polymer electrolyte fuel cell is a future clean energy source that can replace fossil energy, and has high power density and energy conversion efficiency. In addition, since it can operate at room temperature and can be miniaturized and sealed, it can be widely used in fields such as pollution-free automobiles, household power generation systems, mobile communication equipment, medical equipment, military equipment, and space business equipment.

PEMFC는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로부터 직류의 전기를 생산해내는 전력생성 시스템으로서, 이러한 셀의 기본적인 구조는 도 1에 도시된 바와 같다.PEMFC is a power generation system for producing direct current electricity from the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, the basic structure of such a cell is shown in FIG.

도 1을 참조하면, 연료전지는 애노드와 캐소드사이에 양성자 전도성 고분자막(11)이 개재되어 있는 구조를 갖고 있다.Referring to FIG. 1, a fuel cell has a structure in which a proton conductive polymer membrane 11 is interposed between an anode and a cathode.

상기 양성자 전도성 고분자막(11)은 두께가 50 내지 200㎛이며 고체 고분자 전해질로 되어 있고, 애노드와 캐소드는 각각 반응기체의 공급을 위한 지지층(14), (15)과 반응기체의 산화/환원반응이 일어나는 촉매층(12), (13)으로 되어 있는 가스확산전극(이하, 캐소드와 애노드를 통칭하여 가스 확산 전극"이라고 함)으로 이루어져 있다. 도 1에서 참고번호(16)는 가스 주입용 홈을 갖고 있는 카본 시트를 나타내며, 이는 집전체 기능도 수행한다.The proton conductive polymer membrane 11 has a thickness of 50 to 200 µm and is made of a solid polymer electrolyte, and the anode and the cathode are respectively supported by the support layers 14 and 15 for supplying the reactor, and the oxidation / reduction reaction of the reactor. It consists of a gas diffusion electrode (hereinafter referred to collectively referred to as a gas diffusion electrode ") of the catalyst layers 12, 13, which occur. Reference numeral 16 in Fig. 1 has a groove for gas injection. A carbon sheet, which also functions as a current collector.

상술한 바와 같은 구조를 갖는 PEMFC는 반응기체인 수소가 공급되면서 애노드에서는 산화반응이 일어나 수소 분자가 수소 이온과 전자로 전환된다. 이 때 수소 이온은 상기 양성자 전도성 고분자막(11)을 거쳐 캐소드로 전달된다.In the PEMFC having the structure as described above, an oxidation reaction occurs at the anode while hydrogen, which is a reactive gas, is converted into hydrogen ions and electrons. At this time, hydrogen ions are transferred to the cathode via the proton conductive polymer membrane 11.

반면, 캐소드에서는 환원반응이 일어나 산소 분자가 전자를 받아 산소 이온으로 전환되며, 산소 이온은 애노드로부터의 수소 이온과 반응하여 물분자로 전환된다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, PEMFC의 가스 확산 전극에서 촉매층(12), (13)은 지지층(14), (15) 상부에 각각 형성되어 있다. 이 때 지지층(14), (15)은 탄소천 또는 탄소종이로 이루어져 있고, 반응기체와 양성자 전도성 고분자 막(11)에 전달되는 물 및 반응 결과 생성된 물이 통과하기 쉽도록 표면처리되어 있다.On the other hand, in the cathode, a reduction reaction occurs and oxygen molecules receive electrons and are converted into oxygen ions, and oxygen ions react with hydrogen ions from the anode to be converted into water molecules. As shown in FIG. 1, catalyst layers 12 and 13 are formed on support layers 14 and 15, respectively, in the gas diffusion electrode of PEMFC. At this time, the support layers (14) and (15) are made of carbon cloth or carbon paper, and are surface-treated to facilitate the passage of water delivered to the reactor body and the proton conductive polymer membrane 11 and water generated as a result of the reaction.

한편, 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는, 상술한 PEMFC와 동일한 구조이나, 반응기체로서 수소 대신 액체상태의 메탄올을 애노드에 공급하여 촉매의 역할에 의해 산화반응이 일어나서 수소이온과 전자 및 이산화탄소가 발생된다. 이러한 DMFC는 PEMFC에 비하여 전지효율이 떨어지지만, 연료를 개질하지 않고 메탄올을 직접 사용할 수 있다는 장점을 지니고 있어, 박막화가 가능하여 사용시 부피가 작으며, 저온에서 운전이 가능하므로 휴대용 가전기기 및 통신기기의 전원으로 사용이 적합하다. 상기 연료전지에서 전기를 발생시키는 원리는 반응식 1과 같이 연료인 메탄올과 물이 음극(anode)으로 공급되어 음극의 백금 촉매에 흡착되고 산화 반응에 의하여 수소 이온 및 전자가 발생한다.On the other hand, the direct methanol fuel cell (DMFC) has the same structure as the above-described PEMFC, but instead of hydrogen as a reactor, liquid methanol is supplied to the anode, whereby an oxidation reaction occurs due to the role of a catalyst, which causes hydrogen ions and hydrogen ions. Electrons and carbon dioxide are generated. Although DMFC has lower battery efficiency than PEMFC, it has the advantage that methanol can be used directly without reforming fuel. It is thinner and can be used at a low volume. It is suitable for use as a power source. The principle of generating electricity in the fuel cell is as shown in the reaction equation 1 methanol and water is supplied to the anode (anode) is adsorbed to the platinum catalyst of the cathode and the hydrogen ions and electrons are generated by the oxidation reaction.

CH3OH + H2O -----> 6H+ + CO2+ 6e-CH 3 OH + H 2 O -----> 6H + + CO 2 + 6e-

이때, 발생된 전자는 외부 회로를 따라 양극(cathode)에 도달하고, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 양극으로 전달된다. 양극에서는 반응식 2와 같이 산소분자가 양극으로 전달된 전자를 받아 산소이온으로 환원되고, 상기 환원된 산소와 수소이온이 반응하여 물을 생산하면서 전기를 발생시키게 된다.At this time, the generated electrons reach the cathode along the external circuit, and the hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are transferred to the anode. At the positive electrode, the oxygen molecules receive electrons transferred to the positive electrode and are reduced to oxygen ions as in Scheme 2, and the reduced oxygen reacts with hydrogen ions to generate electricity while producing water.

3/2O2+ 6e-----> 3O2 - 3 / 2O 2 + 6e - ---- > 3O 2 -

3O2 -+ 6H+----> 3H2O 3O 2 - + 6H + ----> 3H 2 O

연료전지용 양성자 전도성 고분자 막은 전기적으로는 절연체이나, 전지 작동 중에 음극으로부터 양극으로 수소 이온을 전달하는 매개체로 작용하며, 연료 기체 또는 액체와 산화제 기체를 분리하는 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 연료전지용 양성자 전도성 고분자 막은 기계적 성질 및 전기화학적 안정성이 우수해야 하고, 전도막으로서의 기계적 물성, 작동 온도에서의 열적안정성, 저항을 줄이기 위한 얇은 막으로서의 제조 가능성 및 액체 함유시 팽창 효과가 적을 것 등의 요건을 충족해야 한다. 현재 이러한 고분자막으로서 주사슬에 불소화 알킬렌을 가지고 있고, 불소화비닐 에테르 측쇄사슬의 말단에 술폰산기를 가지는 불소계 막이 사용되고 일반적으로 사용되고 있다(예: Nafion, Dupont사 제조). 그러나, 가격이 매우 고가이므로 자동차용 연료전지에 적용하기에는 난점이 있을 뿐만 아니라 메탄올을 연료로서 사용하는 경우에는 메탄올이 고분자막을 투과(Cross-over)하여 전체적인 연료전지의 성능을 저하시킨다는 문제점이 있다. 메탄올 크로스오버는 반응식 3과 같다. 메탄올은 물과 분자의 크기와 극성이 물과 유사하므로 음극에서 산화되지 못한 메탄올이 액체 또는 기체 상태로 물과 동시에 수화된 양성자 전도성 고분자 막을 투과하여 양극에 도달한 후 산화됨으로 연료전지의 성능의 감소를 초래한다. 보다 구체적으로는 1) 음극에서 유입된 메탄올이 산화하지 못하고 양극으로 투과되어 연료의 손실을 가져오며, 2) 양극에서 산화시 이산화탄소 기체를 발생시켜 촉매를 사용되는 백금의 피독 현상을 초래하고, 3) 양극에서 산화시 산소를 요구하기 때문에산소기체의 손실이 발생하며, 4) 양극에 전압을 감소시킨다.Proton-conducting polymer membranes for fuel cells are electrically insulators, but act as mediators for transferring hydrogen ions from the cathode to the anode during cell operation, and at the same time separate the fuel gas or liquid from the oxidant gas. Therefore, the proton conductive polymer membrane for fuel cell should have excellent mechanical properties and electrochemical stability, and the mechanical properties as a conductive membrane, thermal stability at operating temperature, manufacturability as a thin membrane for reducing resistance, and small expansion effect when containing liquid. Requirements must be met. Currently, a fluorine-based membrane having a fluorinated alkylene in the main chain and a sulfonic acid group at the terminal of the fluorinated vinyl ether side chain is used as such a polymer membrane (for example, manufactured by Nafion and Dupont). However, since the price is very expensive, not only is it difficult to apply to fuel cells for automobiles, but when methanol is used as a fuel, there is a problem that methanol cross-overs the polymer membrane and degrades the overall fuel cell performance. Methanol crossover is shown in Scheme 3. Since methanol is similar in size and polarity to water and molecules, methanol, which has not been oxidized at the cathode, penetrates the proton-conducting polymer membrane hydrated with water in the liquid or gas state at the same time and reaches the anode, thereby reducing the performance of the fuel cell. Results in. More specifically, 1) methanol flowing from the cathode does not oxidize, but passes through the anode, resulting in loss of fuel. 2) carbon dioxide gas is generated during oxidation at the anode, causing poisoning of platinum using a catalyst. 3 A) Oxygen gas loss occurs because oxygen is required at the anode, and 4) the voltage is reduced at the anode.

CH3OH + 3/2O2-----> CO2+ 2H2OCH 3 OH + 3 / 2O 2 -----> CO 2 + 2H 2 O

나피온 막을 사용하는 경우에는 상기와 같은 메탄올 크로스오버를 방지하기 위하여 175 ㎛이상의 두께를 사용하고 있다. 그러나 두께 증가는 이온 전도도를 감소시키며, 양성자 전도성 고분자 막의 비용을 증가시키는 단점이 있다. 따라서, 전기화학적특성 및 열적 안정성이 우수하면서도 상술한 문제점을 보완할 수 있는 다양한 고분자재료들이 연구되어지고 있다. 이중 대표적인 것이 내열성 방향족계 고분자로서 폴리벤지미다졸, 폴리에테르 술폰, 폴리에테르케톤 등을 들 수 있지만 이들 방향족계 고분자들 각각은 매우 경직하여 용해시키기가 어렵기 때문에 막형태로 제조하기 곤란하다는 문제점이 있다.In the case of using a Nafion membrane, a thickness of 175 μm or more is used to prevent the methanol crossover. However, increasing the thickness decreases the ionic conductivity and has the disadvantage of increasing the cost of the proton conductive polymer membrane. Therefore, various polymer materials have been researched that are excellent in electrochemical properties and thermal stability and can supplement the above problems. Typical examples of the heat-resistant aromatic polymer include polybenzimidazole, polyether sulfone, and polyether ketone, but each of these aromatic polymers is very rigid and difficult to dissolve, making it difficult to prepare a film. have.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 전기화학적특성, 열적 안정성 및 기계적 특성이 우수하고, 메탄올 크로스오버를 감소시킬 수 있는 양성자 전도성 고분자막을 제공하는 것이다.Therefore, the first technical problem to be achieved by the present invention is to provide a proton conductive polymer membrane which is excellent in electrochemical properties, thermal stability and mechanical properties, and can reduce the methanol crossover.

본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기 양성자 전도성 고분자막의 제조방법을 제공하는 것이다.The second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for producing the proton conductive polymer membrane.

본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 상기 양성자 전도성 고분자 막을 이용한 막-전극 어셈블리 제공하는 것이다.The third technical problem to be achieved by the present invention is to provide a membrane-electrode assembly using the proton conductive polymer membrane.

본 발명이 이루고자 하는 네 번째 기술적 과제는 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.A fourth technical object of the present invention is to provide a fuel cell including the membrane-electrode assembly.

도 1은 양성자 전도성 고분자막 연료전지의 구조를 나타낸다.1 shows the structure of a proton conductive polymer membrane fuel cell.

도 2는 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자막의 개략도이다.2 is a schematic diagram of a proton conductive polymer membrane according to the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 1∼4와 비교예 1에 따른 양성자 전도성 고분자막의 메탄올 투과도를 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing the methanol permeability of the proton conductive polymer membrane according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예 1∼4와 비교예 1에 따른 양성자 전도성 고분자막을 사용하여 제조된 연료전지의 70℃에서 전류-전압 곡선을 도시한 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing current-voltage curves at 70 ° C. of a fuel cell manufactured using the proton conductive polymer membranes according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 of the present invention.

도 6은 본 발명의 실시예 1∼4와 비교예 1에 따른 양성자 전도성 고분자막을 사용하여 제조된 연료전지의 30℃에서 전류-전압 곡선을 도시한 그래프이다.6 is a graph illustrating a current-voltage curve at 30 ° C. of a fuel cell manufactured using the proton conductive polymer membranes according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

11... 수소이온교환막12... 애노드 촉매층11 hydrogen ion exchange membrane 12 anode catalyst layer

13... 캐소드 촉매층14... 애노드 지지층13 Cathode Catalytic Layer 14 Anode Support Layer

15... 캐소드 지지층 16... 카본 플레이트15 ... cathode support layer 16 ... carbon plate

본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여The present invention to achieve the first technical problem

측쇄에 술폰산기를 갖는 불소계 고분자; 및Fluorine-based polymer having a sulfonic acid group in the side chain; And

유기화제로 처리되고 나노 크기의 판상구조로 박리되어 있으며 단축과 장축의 비가 1/1000∼1/30인 클레이를 상기 고분자 100중량부를 기준으로 1 내지 10 중량부 포함하는 양성자 전도성 고분자막을 제공한다.Provided is a proton conductive polymer membrane which is treated with an organic agent, is separated into a nano-sized plate-like structure, and contains 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the clay having a ratio of 1/1000 to 1/30 of a short axis and a long axis.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 클레이는 피로필라이트-탈크 (pyrophylite-talc), 몬트모릴로나이트(montmorilonite:MMT), 버미큘리트 (vermiculit), 일라이트(illite), 미카(mica), 또는 브리틀 미카(brittle mica)이며, 상기 양성자 전도성 고분자막에 분산되어 있는 것이 바람직하다.According to one embodiment of the present invention, the clay is pyrophylite-talc, montmorilonite (MMT), vermiculit, illite, mica Or brittle mica, and preferably dispersed in the proton conductive polymer membrane.

또한, 상기 유기화제는 탄소수 1 내지 20의 알킬아민, 탄소수 1 내지 20의 알킬렌 디아민, 탄소수 1 내지 20의 4차 알킬 암모늄, 탄소수 1 내지 20의 알킬 암모늄염 또는 아미노헥산인 것이 바람직하다.In addition, the organic agent is preferably an alkylamine having 1 to 20 carbon atoms, alkylene diamine having 1 to 20 carbon atoms, quaternary alkyl ammonium having 1 to 20 carbon atoms, alkyl ammonium salt having 1 to 20 carbon atoms, or aminohexane.

또한, 상기 고분자막의 두께는 30 내지 125㎛인 것이 바람직하다.In addition, the thickness of the polymer film is preferably 30 to 125㎛.

본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여The present invention to achieve the second technical problem

측쇄에 술폰산기를 갖는 양성자 전도성 고분자를 유기용매에 용해시키는 단계;Dissolving a proton conductive polymer having a sulfonic acid group in a side chain in an organic solvent;

유기화제 처리된 클레이를 별도의 유기용매에 분산시키는 단계;Dispersing the organic agent-treated clay in a separate organic solvent;

상기 각각의 용액을 혼합한 후 교반하여 혼합용액을 얻는 단계; 및Mixing and stirring the respective solutions to obtain a mixed solution; And

상기 혼합용액을 이용하여 고분자막을 제막하는 단계를 포함하는 양성자 전도성 고분자막의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a proton conductive polymer membrane comprising the step of forming a polymer membrane using the mixed solution.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 유기용매는 N-메틸-2-피롤리디논(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸 아세트아미드(DMA), 테트라하이드로퓨란 (THF), 디메틸 설폭사이드(DMSO), 아세톤, 메틸에틸케톤(MEK), 테트라메틸우레아, 트리메틸포스페이트, 부티로락톤, 이소포론, 카르비톨 아세테이트, 메틸이소부틸케톤, N-부틸 아세테이트, 사이클로헥사논, 디아세톤 알코올, 디이소부틸 케톤, 에틸아세토아세테이트, 글리콜 에테르, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하다.According to a preferred embodiment of the present invention, the organic solvent is N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethyl acetamide (DMA), tetrahydrofuran (THF), dimethyl sulfoxide (DMSO), acetone, methyl ethyl ketone (MEK), tetramethylurea, trimethyl phosphate, butyrolactone, isophorone, carbitol acetate, methyl isobutyl ketone, N-butyl acetate, cyclohexanone, diacetone alcohol, di It is preferably isobutyl ketone, ethyl acetoacetate, glycol ether, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, or mixtures thereof.

또한, 상기 혼합용액 내의 클레이의 혼합비는 상기 고분자 100중량부를 기준으로 1 내지 10중량부인 것이 바람직하다.In addition, the mixing ratio of the clay in the mixed solution is preferably 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer.

본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여 상기 본 발명에 따른 고분자막을 이용하여 제조된 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.The present invention provides a fuel cell membrane-electrode assembly manufactured using the polymer membrane according to the present invention in order to achieve the third technical problem.

본 발명은 상기 네 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지를 제공한다.The present invention provides a fuel cell including the membrane-electrode assembly in order to achieve the fourth technical problem.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자막은 유기화 처리된 클레이를 용액 상태에서 분산시켜 양성자 전도성을 갖는 고분자 용액과 혼합 한 후에 용매를 증발시켜 제막하여 제조된 복합 고분자 전해질막이다.The proton conductive polymer membrane according to the present invention is a composite polymer electrolyte membrane prepared by dispersing the organically treated clay in a solution state and mixing it with a polymer solution having proton conductivity, followed by evaporation of the solvent to form a membrane.

본 발명은 층상 구조의 점토광물인 클레이를 기본 단위인 나노 크기의 판상으로 박리하여 양성자 전도성 고분자 막 내에 분산, 박리 시킴으로써 고분자막의 기계적 물성을 현저히 증가시키는 한편, 액상 또는 기상의 메탄올의 투과도를 현저히 감소시키는 것을 특징으로 한다. 즉, 나노 크기의 판상 클레이가 양성자 전도성 고분자 막 내에 박리 되면 유기물인 고분자와 무기물인 클레이의 접촉 표면적이 넓어지기 때문에 분자간 인력이 증가하며 기계적 물성이 향상되게 된다.According to the present invention, the clay, which is a layered clay mineral, is separated into a nano-sized plate, which is a basic unit, dispersed and separated in a proton conductive polymer membrane, thereby significantly increasing the mechanical properties of the polymer membrane, while significantly reducing the permeability of methanol in liquid or gaseous phase. It is characterized by. That is, when the nano-sized plate clay is peeled off in the proton conductive polymer membrane, the contact surface area of the organic polymer and the inorganic clay is widened, thereby increasing the intermolecular attraction and improving mechanical properties.

단축과 장축의 비가 1/1000∼1/30인 판상의 클레이가 양성자 전도성 고분자 막내에 박리되어 있으면 도 2에서 나타낸 바와 같이 메탄올 투과에 대한 장벽으로 작용하여 기체 또는 액체 메탄올의 크로스 오버를 현격히 감소시킨다. 상기 단축과 장축의 비가 1/1000 미만인 때에는 고분자 막 내에 박리 분산시키기가 어려운 단점이 있고, 1/30을 초과하는 경우에는 박리된 클레이가 기체 및 액체의 확산 배리어로 작용하지 못하여 분리능이 현저히 떨어지기 때문에 바람직하지 않다.If the plate-shaped clay having a ratio of uniaxial and long axes of 1/1000 to 1/30 is peeled off in the proton conductive polymer membrane, it acts as a barrier to methanol permeation as shown in Fig. 2, which significantly reduces the crossover of gas or liquid methanol. . When the ratio of the short axis and the long axis is less than 1/1000, there is a disadvantage in that it is difficult to disperse and disperse in the polymer membrane, and when the ratio is greater than 1/30, the peeled clay does not act as a diffusion barrier between gas and liquid, so that the resolution is remarkably decreased. Because it is not desirable.

클레이의 대부분은 층상 실리케이트(layered silicate)로서 기본 구조는 실리카 사면체(silica tetrahedral)시트와 알루미나 팔면체(alumina octahedral) 시트의 조합으로 이루어져 있는데, 이들 두 시트가 수산화기 축합반응을 거쳐 층상 구조를 이루게 된다. 실리케이트의 경우에는 내부의 음전하량의 정도에 따라 피로필라이트-탈크(pyrophylite-talc), 몬트모릴로나이트(montmorilonite:MMT), 버미큘리트(vermiculit), 일라이트(illite), 미카(mica), 또는 브리틀 미카(brittle mica) 그룹으로 분류될 수 있다. 특히, MMT는 알루미나 팔면체 시트에서 Al3+이온대신에 Mg2+, Fe2+, Fe3+이온이, 실리케이트 사면체 시트에 Si4+이온대신에 Al3+이온이 치환된 구조로서, 전체적으로 음전하를 띠게 된다. 또한 전체적으로 전하의 평형을 맞추기 위하여 실리케이트층 사이에 교환 가능한 양이온과 물분자를 함유하고 있다. 판상 실리케이트는 강력한 반데르발스(Van der Waals)인력으로 인하여 고분자 수지에 박리, 분산 시키기가 매우 힘든데, 저분량의 유기화제를 실리케이트 층상구조 사이에 삽입시키게 되면, 고분자수지의 침투가 용이하게 되기 되며, 이러한 고분자 수지의 역할 때문에 박리, 분산이 용이하게 된다.Most of the clay is layered silicate, and the basic structure is composed of a combination of silica tetrahedral sheets and alumina octahedral sheets, and these two sheets form a layered structure through hydroxyl condensation. In the case of silicate, pyrophylite-talc, montmorilonite (MMT), vermiculit, illite, and mica depending on the degree of internal negative charge Or the brittle mica group. In particular, MMT has a structure in which Mg 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ ions are substituted for Al 3+ ions in the alumina octahedron sheet, and Al 3+ ions are substituted for Si 4+ ions in the silicate tetrahedron sheet, and the overall negative charge Will be It also contains cations and water molecules that can be exchanged between the silicate layers to balance the charge as a whole. Plate silicates are very difficult to peel and disperse in polymer resin due to the strong van der Waals force. When low amount of organic agent is inserted between silicate layers, the polymer resin is easily penetrated. Because of the role of these polymer resins, peeling and dispersion are easy.

본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자막의 제조방법에 의하면 유기화 클레이를 고분자용액에 침지시켜 용매가 클레이의 층간을 침투하여 클레이 시트를 박리 및 분산시키고, 건조과정 중에 고분자수지에 클레이가 자리를 잡게 된다. 상기 방법으로 제조된 나노 복합 고분자막은 고분자의 기본 물성의 손상없이 강도, 기체 및 액체의 투과 억제능, 방염성, 내마모성, 고온안정성을 향상시킨다. 예컨대, 1987년 Toyota CRDL에서는 12-아미노 라우릴산(aminolauric acid) 처리된 클레이를 이용하여 충격강도의 저하없이 인장강도와 탄성계수가 약 100% 정도 증가하는 결과를 보였다. 또한 미국 코넬대의 Giannelis 교수팀에서는 클레이/폴리카프로락톤 (poly( -caprolactone)) 나노복합재료를 개발하여 수증기의 투과능을 측정한 결과 약 5중량%의 클레이 첨가에 의하여 400% 정도 수증기 투과억제는 향상 효과를 얻었다. 이는 글레이의 시트상 구조로 인하여 수증기의 투과경로를 길게 함으로써 분자의 투과도를 낮게 한 결과이다.According to the method for producing a proton conductive polymer membrane according to the present invention, the organic clay is immersed in the polymer solution, and the solvent penetrates the layers of the clay so that the clay sheet is peeled and dispersed, and the clay is placed in the polymer resin during the drying process. The nanocomposite polymer membrane prepared by the above method improves strength, flame retardancy, flame resistance, abrasion resistance, and high temperature stability without damaging the basic physical properties of the polymer. For example, in 1987 Toyota CRDL, using 12-aminolauric acid-treated clay, tensile strength and modulus of elasticity were increased by about 100% without deterioration of impact strength. In addition, Professor Giannelis of Cornell University developed a clay / polycaprolactone nanocomposite and measured the water vapor permeability. An improvement effect was obtained. This is a result of lowering the permeability of molecules by lengthening the water vapor transmission path due to the sheet-like structure of the glare.

클레이는 층간 거리가 0.24 nm 정도로 물에 의해서 팽윤이 가능하지만 그 외의 다른 유기물의 중간 침투는 불가능한 것으로 알려져 왔다. 클레이의 층간 거리를 팽윤시켜 유기물의 중간 침투를 용이하게 하기 위해서 양이온의 머리와 친유성의 말단기를 포함하는 유기화제를 이용한다. 유기화제의 양이온은 실리케이트 층상구조에 존재하는 금속 이온을 교환하는 역할을 하며, 말단기의 친유성기는 유기물과의 상호작용을 증대시키고, 층간 거리를 증가시켜 유기물의 층간 침투를 용이하게 할 수 있다. 본 발명에서는 양성자 전도성 고분자 용액에 클레이를 분산시키기 위하여 친유성 말단기 및 양이온 머리를 가진 탄소 1개 이상 20 개 이하의 유기화제를 사용하여 처리한 클레이는 사용하는 것을 특징으로 한다.Clay has been known to be able to swell by water at an interlayer distance of 0.24 nm, but not to penetrate any other organic matter. In order to swell the interlayer distance of the clay to facilitate the intermediate penetration of the organics, an organic agent comprising a cation head and a lipophilic end group is used. The cation of the organic agent serves to exchange metal ions present in the silicate layer structure, and the lipophilic groups of the end groups can increase the interaction with the organic material and increase the interlayer distance to facilitate the intercalation of the organic material. . In the present invention, in order to disperse the clay in the proton conductive polymer solution, the clay treated with at least one carbon 20 organic agent having a lipophilic end group and a cationic head is used.

본 발명에 사용된 불소계 고분자는 주사슬에 불소화 알킬렌을 가지고 있고, 불소화비닐 에테르 측쇄사슬의 말단에 술폰산기를 가지는 불소계 막으로서 상업용으로 판매되는 이.아이. 듀퐁 드 네무어사(E.I. Dupont de Nemours)의 상품명 나피온(Nafion )이다.Fluorine-based polymers used in the present invention are commercially available as fluorine-based membranes having fluorinated alkylenes in the main chain and sulfonic acid groups at the ends of the fluorinated vinyl ether side chains. Nafion under the trade name of Dupont de Nemours.

본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자막의 제조 방법은 다음과 같다. 먼저, 전술한 양성자 전도성 고분자를 유기 용매에 녹여 5중량% ∼ 10 중량% 용액을 제조한다. 상기에서, 양성자 전도성 고분자 용액 제조용으로 사용 가능한 유기용매로는 N-메틸-2-피롤리디논(N-methyl-2-pyrrolidinone; NMP), 디메틸포름아마이드 (dimethylformamide;DMF), 디메틸 아세트아마이드(dimethyl acetamide;DMA), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran; THF), 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide; DMSO), 아세톤, 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone; MEK), 테트라메틸우레아(tetramethylurea), 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate), 부티로락톤 (butyrolactone), 이소포론(isophorone), 카르비톨 아세테이트(carbitol acetate), 메틸이소부틸케톤(methyl isobutyl ketone), N-부틸 아세테이트(N-butyl acetate), 사이클로헥사논(cyclohexanone), 디아세톤 알코올(diacetone alcohol), 디이소부틸 케톤(diisobutyl ketone), 에틸아세토아세테이트(ethyl acetoacetate), 글리콜 에테르(glycol ether), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate), 디에틸카보네이트 (diethylcarbonate) 및 이들의 혼합물 등이 있다.Method for producing a proton conductive polymer membrane according to the present invention is as follows. First, the proton conductive polymer described above is dissolved in an organic solvent to prepare a 5 wt% to 10 wt% solution. In the above, an organic solvent that can be used for the production of a proton conductive polymer solution is N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethyl acetamide (dimethyl acetamide (DMA), tetrahydrofuran (THF), dimethyl sulfoxide (DMSO), acetone, methyl ethyl ketone (MEK), tetramethylurea, trimethyl phosphate , Butyrolactone, isophorone, carbitol acetate, methyl isobutyl ketone, N-butyl acetate, cyclohexanone, Diacetone alcohol, diisobutyl ketone, ethyl acetoacetate, glycol ether, propylene carbonate, ethylene There is a carbonate (ethylene carbonate), dimethyl carbonate (dimethylcarbonate), diethyl carbonate (diethylcarbonate) and mixtures thereof.

기계적 강도의 증가와 메탄올 크로스오버를 감소시키기 위하여 사용되는 클레이는 피로필라이트-탈크(pyrophylite-talc), 몬트모릴로나이트 (montmorilonite:MMT), 버미큘리트(vermiculit), 일라이트(illite), 미카(mica), 또는 브리틀 미카(brittle mica) 등이 있으며, 본 발명에서는 몬트모릴로나이트를 사용하는 것이 바람직하다. 클레이의 유기화 처리를 위하여 사용되는 유기화제로는 탄소수 1 내지 20의 알킬아민, 탄소수 1 내지 20의 알킬렌 디아민, 탄소수 1 내지 20의 4차 암모늄염 또는 아미노헥산을 사용할 수 있으며, 알킬아민의 구체적인 예를 들면 염산 메틸아민, 프로필 아민, 부틸 아민, 옥틸 아민, 데실 아민, 도데실 아민, 헥사데실 아민, 옥타데실 아민, N-메틸 옥타데실 아민 등이 있다.Clays used to increase mechanical strength and reduce methanol crossover include pyrophylite-talc, montmorilonite (MMT), vermiculit, illite, Mica, brittle mica, and the like, and in the present invention, montmorillonite is preferably used. As the organic agent used for the organic treatment of the clay, alkylamines having 1 to 20 carbon atoms, alkylene diamines having 1 to 20 carbon atoms, quaternary ammonium salts having 1 to 20 carbon atoms or aminohexane can be used. Examples thereof include methylamine hydrochloride, propyl amine, butyl amine, octyl amine, decyl amine, dodecyl amine, hexadecyl amine, octadecyl amine, N-methyl octadecyl amine, and the like.

알킬렌 디아민의 예로써는 1,6-헥사메틸렌 디아민, 1,12-도데칸 디아민이 있으며, 4차 알킬 암모늄으로는 디메틸 4차 암모늄, 벤질 4차 암모늄, 2-에틸헥실 4차 암모늄, 비스-2-하이드록시에틸 4차 암모늄, 메틸 4차 암모늄이 있으며, 알킬암모늄염으로는 염화 테트라메틸암모늄, 브롬화 옥타데실 트리메틸 암모늄, 브롬화 도데실 트리메틸 암모늄, 브롬화 디옥타데실 디메틸 암모늄, 염화 비스(2-히드록시에틸) 메틸 옥타데실 암모늄, 염화 1-헥사데실피리듐 등을 사용할 수 있고, 아미노헥산으로는 6-아미노헥산, 12-아미노헥산 등을 사용할 수 있다.Examples of alkylene diamines include 1,6-hexamethylene diamine, 1,12-dodecane diamine, and quaternary alkyl ammoniums include dimethyl quaternary ammonium, benzyl quaternary ammonium, 2-ethylhexyl quaternary ammonium, bis- 2-hydroxyethyl quaternary ammonium, methyl quaternary ammonium; alkylammonium salts include tetramethylammonium chloride, octadecyl trimethyl ammonium bromide, dodecyl trimethyl ammonium bromide, dioctadecyl dimethyl ammonium bromide, bis (2-hydride) Oxyethyl) methyl octadecyl ammonium, 1-hexadecylpyridium chloride, etc. can be used, and 6-aminohexane, 12-aminohexane, etc. can be used as aminohexane.

본 발명에서는 클레이를 상기 유기화제로 처리하여 사용할 수도 있지만, 이미 유기화 처리된 클레이를 직접 사용할 수도 있다. 이처럼 유기화 처리된 클레이의 예로써는 Southern사의 상품명으로서 Cloisite 10A, Cloisite 15A, Cloisite 20A, Cloisite 25A, Cloisite 30B 등이 있으며 Cloisite 10A를 사용하는 것이 바람직하다. 그 다음, 상기 유기화 처리된 클레이를 전술한 용매 사용하여 분산 시킨 후 상기 양성자 전도성 고분자 용액에 1 ∼ 10 중량부로 혼합한다. 클레이의 양이 1 중량부 미만인 경우에는 분산의 정도가 적어 메탄올 투과정도가 높아지기 때문에 바람직하지 않으며, 10중량부를 초과하는 때에는 과량의 클레이가 양성자 전도성 고분자 막내에 분산되어 양성자 전도도에 악영향을 미치기 때문에 바람직하지 않다. 다음으로 상기 혼합 고분자 용액을 용액 캐스팅법이나 가열압축법을 이용하여 원하는 두께의 막으로 제조할 수 있으며, 고분자막의 두께는 30 내지 125㎛ 범위인 것이 바람직하다. 나피온 등 기존의 고분자막의 경우 메탄올 크로스 오버를 억제하기 위하여 175㎛ 이상의 두께를 사용하고 있는데, 두께가 증가할 수록 양성자 전도도가 감소하게 되며 상기 고분자막의 비용이 증가된다는 단점이 있으나, 본 발명에 따른 고분자막의 경우 나노 단위의 판상 클레이의 역할 때문에 기계적 물성이 향상됨과 동시에 메탄올 크로스 오버가 현저히 감소하기 때문에 고분자막의 두께가 얇아도 우수한 효과를 거둘 수 있게 된다.In the present invention, the clay may be used by treating the clay with the above-mentioned organic agent, but the clay which has already been organicized may be directly used. Examples of such organically processed clays include Cloisite 10A, Cloisite 15A, Cloisite 20A, Cloisite 25A, Cloisite 30B, and the like, as Southern trade names, and Cloisite 10A is preferable. Then, the organically treated clay is dispersed using the solvent described above, and then mixed with 1 to 10 parts by weight of the proton conductive polymer solution. When the amount of clay is less than 1 part by weight, it is not preferable because the degree of dispersion is small and methanol permeability is increased. When the amount of clay is more than 10 parts by weight, it is preferable because the excess clay is dispersed in the proton conductive polymer membrane and adversely affects the proton conductivity. Not. Next, the mixed polymer solution may be prepared into a film having a desired thickness by using a solution casting method or a heat compression method, and the thickness of the polymer film is preferably in the range of 30 to 125 μm. In the case of conventional polymer membranes such as Nafion, a thickness of 175 μm or more is used to suppress methanol crossover, but as the thickness increases, the proton conductivity decreases and the cost of the polymer membrane increases, but according to the present invention. In the case of the polymer membrane, the mechanical properties are improved due to the role of the plate-shaped clay in nano units, and methanol crossover is remarkably reduced, thereby achieving an excellent effect even if the thickness of the polymer membrane is thin.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 시험예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하나 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred examples and test examples, but the present invention is not limited thereto.

실시예 1Example 1

양성자 전도성 고분자인 나피온 117(Nafion 117,Dupont사 제조) 5g을 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide:DMA) 95ml에 용해시켜 5 중량%의 나피온 용액을 제조하였다. 다음으로, 유기화 처리된 클레이 Cloisite 10A(Southern사 제조) 5g을 디메틸아세트아미드 95ml에 분산시킨 후 소니케이터를 이용하여 분산시켜 5중량%의 클레이 분산액을 제조하였다. 그 다음, 상기 양성자 전도성 고분자 용액 10 g과 상기 분산된 클레이 분산액 0.1 g을 혼합하고 소니케이터를 이용하여 10 분 동안 초음파를 가한 후, 80℃에서 12 시간 동안 교반하여 클레이가 균일하게 박리, 분산된 양성자 전도성 고분자/클레이 용액을 제조하였다. 상기와 같이 제조된 양성자 전도성 고분자/클레이 나노 복합 용액을 필름 캐스팅한 후 약 100℃로 유지된 오븐 내에서 4시간 동안 용매를 증발시키며 양성자 전도성 고분자 막을 제조하였다.5 g of Nafion solution was prepared by dissolving 5 g of Nafion 117 (produced by Nafion 117, manufactured by Dupont) in 95 ml of dimethylacetamide (DMA). Next, 5 g of organically treated clay Cloisite 10A (manufactured by Southern) was dispersed in 95 ml of dimethylacetamide, and then dispersed using a sonicator to prepare a 5 wt% clay dispersion. Next, 10 g of the proton conductive polymer solution and 0.1 g of the dispersed clay dispersion were mixed and ultrasonically applied for 10 minutes using a sonicator, followed by stirring at 80 ° C. for 12 hours to uniformly peel and disperse the clay. The prepared proton conductive polymer / clay solution. After proton conductive polymer / clay nanocomposite solution prepared as described above was film cast, a proton conductive polymer membrane was prepared by evaporating the solvent for 4 hours in an oven maintained at about 100 ° C.

실시예 2Example 2

고분자 용액 10g에 대하여 클레이 분산액 0.3g을 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양성자 전도성 고분자막을 제조하였다.A proton conductive polymer membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.3 g of the clay dispersion was mixed with respect to 10 g of the polymer solution.

실시예 3Example 3

고분자 용액 10g에 대하여 클레이 분산액 0.5g을 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양성자 전도성 고분자막을 제조하였다.A proton conductive polymer membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.5 g of the clay dispersion was mixed with respect to 10 g of the polymer solution.

실시예 4Example 4

고분자 용액 10g에 대하여 클레이 분산액 1g을 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양성자 전도성 고분자막을 제조하였다.A proton conductive polymer membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that 1 g of a clay dispersion was mixed with respect to 10 g of the polymer solution.

비교예 1Comparative Example 1

Dupont사에서 제조한 상용 Nafion117( 두께= 175 ㎛) 양성자 전도성 고분자 막을 100℃의 과산화수소에서 3시간동안 처리하여 표면의 오염물을 제거한 후에 다시 100℃의 1M 황산수용액으로 2시간동안 처리하고 탈이온수에 보관하였다A commercial Nafion 117 (thickness = 175 μm) proton conductive polymer membrane manufactured by Dupont was treated with 100 ° C hydrogen peroxide for 3 hours to remove surface contaminants, and then treated with 100M 1M sulfuric acid solution for 2 hours and stored in deionized water. Was

시험예 1Test Example 1

연신율의 측정Elongation Measurement

상기 실시예 1∼4 및 비교예 1에서 제조된 양성자 전도성 고분자 막의 기계적 물성을 ASTM 638 또는 ASTM 882에 따라 평가하였다. 이때, 기계변수(machine parameter)는 이하와 같았으며, 연신율을 도 3에 나타내었다.The mechanical properties of the proton conductive polymer membranes prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 were evaluated according to ASTM 638 or ASTM 882. In this case, the machine parameters were as follows, and the elongation is shown in FIG. 3.

크로스 헤드 속도(cross head speed) : 25 cm/minCross head speed: 25 cm / min

그립 간격(grip distance) : 6.35 cmGrip distance: 6.35 cm

온도 : 25 ℃Temperature: 25 ℃

습도 : 50%Humidity: 50%

도 3에서 알 수 있듯이 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자 막의 연신율은 비교예 1에 비하여 월등히 증가되었으며, 기계적 물성이 우수한 것을 알 수 있다.As can be seen in Figure 3, the elongation of the proton conductive polymer membrane according to the present invention was significantly increased compared to Comparative Example 1, it can be seen that excellent mechanical properties.

시험예 2Test Example 2

메탄올 크로스 오버의 측정Measurement of Methanol Crossover

상기 실시예 1∼4 및 비교예 1에서 제조된 양성자 전도성 고분자 막의 메탄올 크로스 오버를 물과 메탄올의 반사율(reflective index) 차이를 이용하여 측정하였다. 5% 메탄올 용액과 탈이온수 사이에 양성자 전도성 고분자 막을 넣고 양성자 전도성 고분자 막을 통하여 투과한 메탄올의 양을 굴절률 차이를 이용하여 측정하여 도 4에 나타내었다.Methanol crossover of the proton conductive polymer membranes prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 was measured using the difference between the reflectivity index of water and methanol. The proton conductive polymer membrane was placed between the 5% methanol solution and the deionized water, and the amount of methanol transmitted through the proton conductive polymer membrane was measured using a difference in refractive index, and is shown in FIG. 4.

도 4에서 보듯이 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자막의 메탄올 크로스 오버의 양은 비교예에 비하여 현저히 감소됨을 알 수 있다.As shown in Figure 4 it can be seen that the amount of methanol crossover of the proton conductive polymer membrane according to the present invention is significantly reduced compared to the comparative example.

시험예 3Test Example 3

수소 이온 전도도의 측정Measurement of hydrogen ion conductivity

본 발명의 실시예 1∼4 및 비교예 1에 따라 제조된 양성자 전도성 고분자막의 이온전도도는 정전류 4 단자법에 의하여 측정하였다. 크기가 1 X 5cm이고 두께가 50㎛인 시편을 온도 및 습도가 조절된 실내에서 일정한 교류전류 시편의 양단에 인가하면서 시편의 중앙에서 발생하는 교류전위 차이를 측정하여 시편의 수소이온전도도를 측정하여 도 5에 나타내었다. 도 5에서 보듯이 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자막의 이온 전도도는 비교예 1과 유사한 값을 가진다.Ionic conductivity of the proton conductive polymer membranes prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 of the present invention was measured by a constant current four terminal method. Measure the hydrogen ion conductivity of the specimen by measuring the difference in alternating potential generated in the center of the specimen while applying a specimen with a size of 1 X 5 cm and a thickness of 50 µm to both ends of a constant AC current specimen in a room with controlled temperature and humidity. 5 is shown. As shown in FIG. 5, the ion conductivity of the proton conductive polymer membrane according to the present invention has a value similar to that of Comparative Example 1.

시험예 4Test Example 4

전지 성능 데스트Battery performance test

상기 실시예 1∼4 및 비교예 1에서 제조된 양성자 전도성 고분자 막의 양면에 상업용 촉매전극 층을 핫-프레스 법으로 코팅하여 막-전극 어셉블리(Membrane-electrode assembly, MEA)를 각각 제조하였다. 사용된 전극은 E-TEK Inc.로부터 입수가능한 단일면의 ELAT전극으로, 음극에는 백금-루비듐 블랙(Pt-Ru black) 촉매를 사용하였고, 양극에는 백금 블랙 촉매를 사용하였다. 상기 핫-프레스에 사용된 조건은 140℃에서 5분동안 약 60 kg/cm2의 압력을 인가하는 것으로 고정하였다. 실리콘이 코팅된 유리섬유 가스켓을 막-전극 어셈블리 위, 아래에 위치시키고, 탄소 소재로 만든 집전판으로 압착 밀봉하여 단위 전지를 조립하였다. 단위 전지 실험시 음극으로 유입되는 메탄올은 3M 농도로 고정하였으며, 양극은 고순도의 산소를 사용하였으며 공급압은 30 psi하에서 실험 하였으며, 전지의 성능을 70℃ 에서 각각 테스트하여 그 결과를 도 6에 나타내었다.Membrane-electrode assembly (MEA) was prepared by coating a commercial catalyst electrode layer on both sides of the proton conductive polymer membranes prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 by hot-press method. The electrode used was a single-sided ELAT electrode available from E-TEK Inc., using a platinum-rubidium black catalyst for the cathode and a platinum black catalyst for the anode. The conditions used for the hot-press were fixed by applying a pressure of about 60 kg / cm 2 at 140 ° C. for 5 minutes. Silicon-coated glass fiber gaskets were placed above and below the membrane-electrode assembly and press-sealed with a current collector plate made of carbon to assemble the unit cell. In the unit cell experiment, methanol introduced into the negative electrode was fixed at a concentration of 3M, the positive electrode used high purity oxygen, and the supply pressure was tested at 30 psi. The performance of the cell was tested at 70 ° C., respectively, and the results are shown in FIG. 6. It was.

도 6에서 보듯이 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자막을 이용한 전지는 비교예 보다 높은 전류밀도를 보이므로 성능이 우수한 연료전지를 제조할 수 있다는 것을 알 수 있다.As shown in Figure 6 it can be seen that the battery using a proton conductive polymer membrane according to the present invention shows a higher current density than the comparative example can be produced a fuel cell with excellent performance.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자막은 종래의 고분자막보다 얇은 두께로도 우수한 기계적 물성을 유지할 수 있기 때문에 양성자 전도성 고분자의 사용량이 감소하여 경제적인 효과를 거둘 수 있다. 또한 나노 크기의 판상 클레이가 분산되어 있기 때문에 이들이 메탄올 크로스 오버의 장벽으로 작용하여 메탄올 크로스 오버가 현저히 줄어들기 때문에 전지의 성능 및 수명이 향상된다는 장점이 있다. 한편, 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자막의 제조방법은 제조공정이 간단하므로 양산 특성이 뛰어나며 공정의 경제성을 확보할 수 있다.As described above, the proton-conducting polymer membrane according to the present invention can maintain excellent mechanical properties even at a thinner thickness than the conventional polymer membrane, thereby reducing the amount of proton-conducting polymer used, thereby achieving an economic effect. In addition, since nano-sized plate clays are dispersed, they act as a barrier to methanol crossovers, which significantly reduces methanol crossovers, thereby improving battery performance and lifespan. On the other hand, the method of manufacturing a proton conductive polymer membrane according to the present invention is simple in the manufacturing process, it is excellent in mass production characteristics and can secure the economics of the process.

Claims (9)

측쇄에 술폰산기를 갖는 불소계 고분자; 및Fluorine-based polymer having a sulfonic acid group in the side chain; And 유기화제로 처리되고 나노 크기의 판상구조로 박리되어 있으며 단축과 장축의 비가 1/1000∼1/30인 클레이를 상기 고분자 100중량부를 기준으로 1 내지 10 중량부 포함하는 양성자 전도성 고분자막.A proton conductive polymer membrane comprising 1 to 10 parts by weight of clay, treated with an organizing agent, separated into a nano-sized plate-like structure, and having a ratio of 1/1000 to 1/30 of a short axis and a long axis based on 100 parts by weight of the polymer. 제 1항에 있어서, 상기 클레이는 피로필라이트-탈크(pyrophylite-talc), 몬트모릴로나이트(montmorilonite:MMT), 버미큘리트(vermiculit), 일라이트(illite), 미카(mica), 또는 브리틀 미카(brittle mica)이며, 상기 양성자 전도성 고분자막에 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 고분자막.The method of claim 1, wherein the clay is pyrophylite-talc, montmorilonite (MMT), vermiculit, illite, mica, or bro Little mica (brittle mica), characterized in that the proton conductive polymer membrane is dispersed in the proton conductive polymer membrane. 제 1항에 있어서, 상기 유기화제는 탄소수 1 내지 20의 알킬아민, 탄소수 1 내지 20의 알킬렌 디아민, 탄소수 1 내지 20의 4차 암모늄, 탄소수 1 내지 20의 알킬 암모늄염 또는 아미노헥산인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 고분자막.The method according to claim 1, wherein the organic agent is an alkylamine having 1 to 20 carbon atoms, alkylene diamine having 1 to 20 carbon atoms, quaternary ammonium having 1 to 20 carbon atoms, alkyl ammonium salt having 1 to 20 carbon atoms or aminohexane Proton conductive polymer membrane. 제 1항에 있어서, 상기 고분자막의 두께는 30 내지 125㎛인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 고분자막.The proton conductive polymer membrane of claim 1, wherein the polymer membrane has a thickness of 30 μm to 125 μm. 측쇄에 술폰산기를 갖는 양성자 전도성 고분자를 유기용매에 용해시키는 단계;Dissolving a proton conductive polymer having a sulfonic acid group in a side chain in an organic solvent; 유기화제 처리된 클레이를 별도의 유기용매에 분산시키는 단계;Dispersing the organic agent-treated clay in a separate organic solvent; 상기 각각의 용액을 혼합한 후 교반하여 혼합용액을 얻는 단계; 및Mixing and stirring the respective solutions to obtain a mixed solution; And 상기 혼합용액을 이용하여 고분자막을 제막하는 단계를 포함하는 양성자 전도성 고분자막의 제조방법.Method of producing a proton conductive polymer membrane comprising the step of forming a polymer membrane using the mixed solution. 제 5항에 있어서, 상기 유기용매는 N-메틸-2-피롤리디논(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸 아세트아미드(DMA), 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸 설폭사이드(DMSO), 아세톤, 메틸에틸케톤(MEK), 테트라메틸우레아, 트리메틸포스페이트, 부티로락톤, 이소포론, 카르비톨 아세테이트, 메틸이소부틸케톤, N-부틸 아세테이트, 사이클로헥사논, 디아세톤 알코올, 디이소부틸 케톤, 에틸아세토아세테이트, 글리콜 에테르, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 고분자막의 제조방법.The method of claim 5, wherein the organic solvent is N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethyl acetamide (DMA), tetrahydrofuran (THF), dimethyl sulfoxide (DMSO) , Acetone, methyl ethyl ketone (MEK), tetramethylurea, trimethyl phosphate, butyrolactone, isophorone, carbitol acetate, methyl isobutyl ketone, N-butyl acetate, cyclohexanone, diacetone alcohol, diisobutyl ketone , Ethyl acetoacetate, glycol ether, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, or a mixture thereof. 제 5항에 있어서, 상기 혼합용액 내의 클레이 용액의 혼합비는 상기 고분자 용액 기준으로 1 내지 10중량부인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 고분자막의 제조방법.The method of claim 5, wherein the mixing ratio of the clay solution in the mixed solution is 1 to 10 parts by weight based on the polymer solution. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 고분자막을 이용하여 제조된 연료전지용 막-전극 어셈블리.A membrane-electrode assembly for a fuel cell manufactured using the polymer membrane according to any one of claims 1 to 4. 제 8항에 따른 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 8.
KR10-2002-0075641A 2002-11-30 2002-11-30 Ionomer/Clay NanoComposite Proton Exchange Membrane, preparation method thereof and fuel cell containing the same KR100496936B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2002-0075641A KR100496936B1 (en) 2002-11-30 2002-11-30 Ionomer/Clay NanoComposite Proton Exchange Membrane, preparation method thereof and fuel cell containing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2002-0075641A KR100496936B1 (en) 2002-11-30 2002-11-30 Ionomer/Clay NanoComposite Proton Exchange Membrane, preparation method thereof and fuel cell containing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20040047420A true KR20040047420A (en) 2004-06-05
KR100496936B1 KR100496936B1 (en) 2005-06-28

Family

ID=37342817

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2002-0075641A KR100496936B1 (en) 2002-11-30 2002-11-30 Ionomer/Clay NanoComposite Proton Exchange Membrane, preparation method thereof and fuel cell containing the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100496936B1 (en)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1648047A1 (en) 2004-10-14 2006-04-19 Samsung SDI Co., Ltd. Polymer electrolyte for a direct oxidation fuel cell, method of preparing the same, and direct oxidation fuell cell comprising the same
KR100709219B1 (en) * 2005-11-18 2007-04-18 삼성에스디아이 주식회사 Method of preparing polymer membrane
KR100709191B1 (en) 2005-08-31 2007-04-18 삼성에스디아이 주식회사 Membrane-electrode assembly for fuel cell, method of preparing polymer membrane and fuel cell system
KR100717798B1 (en) * 2005-10-28 2007-05-11 삼성에스디아이 주식회사 Ionic conductive silicate compound and method of preparing same
KR100739643B1 (en) * 2005-10-28 2007-07-13 삼성에스디아이 주식회사 Polymer electrolyte membrane for fuel cell, membrane-electrode assembly and fuel cell system comprising same
KR100752072B1 (en) * 2006-07-25 2007-08-27 한국에너지기술연구원 Organic-inorganic composite polymer electrolyte membrane for fuel cells and its preparation method
KR100788211B1 (en) * 2006-12-21 2007-12-26 한국화학연구원 Polymer electrolyte composite materials including organic clay and lithium secondary battery comprising same
KR100803199B1 (en) * 2006-09-18 2008-02-14 삼성에스디아이 주식회사 Electrolyte membrane using nanocomposite ion complex, and fuel cell employing the same
KR200453932Y1 (en) * 2010-11-10 2011-06-07 (주)대영시스템 A guide rail assembly having a tension retaining member and an anti-awning film detachment function equipped with the tension retaining member.

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000106202A (en) * 1998-09-30 2000-04-11 Toshiba Corp Fuel cell
US6447943B1 (en) * 2000-01-18 2002-09-10 Ramot University Authority For Applied Research & Industrial Development Ltd. Fuel cell with proton conducting membrane with a pore size less than 30 nm
KR100403754B1 (en) * 2001-06-19 2003-10-30 송민규 Composite Polymeric Electrolyte Membrane, Preparation Method Thereof and Fuel Cell Containing the Same
KR100407793B1 (en) * 2001-09-04 2003-12-01 한국과학기술연구원 proton exchange composite membranes and composite solutions having selectivity, its preparation and fuel cell comprising the same

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1648047A1 (en) 2004-10-14 2006-04-19 Samsung SDI Co., Ltd. Polymer electrolyte for a direct oxidation fuel cell, method of preparing the same, and direct oxidation fuell cell comprising the same
US7811694B2 (en) 2004-10-14 2010-10-12 Samsung Sdi Co., Ltd. Polymer electrolyte for a direct oxidation fuel cell, method of preparing the same, and direct oxidation fuel cell comprising the same
KR100709191B1 (en) 2005-08-31 2007-04-18 삼성에스디아이 주식회사 Membrane-electrode assembly for fuel cell, method of preparing polymer membrane and fuel cell system
KR100717798B1 (en) * 2005-10-28 2007-05-11 삼성에스디아이 주식회사 Ionic conductive silicate compound and method of preparing same
KR100739643B1 (en) * 2005-10-28 2007-07-13 삼성에스디아이 주식회사 Polymer electrolyte membrane for fuel cell, membrane-electrode assembly and fuel cell system comprising same
KR100709219B1 (en) * 2005-11-18 2007-04-18 삼성에스디아이 주식회사 Method of preparing polymer membrane
KR100752072B1 (en) * 2006-07-25 2007-08-27 한국에너지기술연구원 Organic-inorganic composite polymer electrolyte membrane for fuel cells and its preparation method
KR100803199B1 (en) * 2006-09-18 2008-02-14 삼성에스디아이 주식회사 Electrolyte membrane using nanocomposite ion complex, and fuel cell employing the same
KR100788211B1 (en) * 2006-12-21 2007-12-26 한국화학연구원 Polymer electrolyte composite materials including organic clay and lithium secondary battery comprising same
KR200453932Y1 (en) * 2010-11-10 2011-06-07 (주)대영시스템 A guide rail assembly having a tension retaining member and an anti-awning film detachment function equipped with the tension retaining member.

Also Published As

Publication number Publication date
KR100496936B1 (en) 2005-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3962663B2 (en) Separable hydrogen ion exchange composite membrane, composite solution, method for producing the same, and fuel cell including the same
JP3768991B2 (en) Nano-composite electrolyte membrane and fuel cell employing the same
US7008971B2 (en) Composite polymer electrolytes for proton exchange membrane fuel cells
Su et al. Self-humidification of a PEM fuel cell using a novel Pt/SiO2/C anode catalyst
KR100528345B1 (en) Polymer Nano-Composite membrane and fuel cell adopting the same
Devrim et al. Composite membrane by incorporating sulfonated graphene oxide in polybenzimidazole for high temperature proton exchange membrane fuel cells
KR101223559B1 (en) Method of preparing polymer membrane for fuel cell
Padmavathi et al. Multilayered sulphonated polysulfone/silica composite membranes for fuel cell applications
JP2006114502A (en) Polymer electrolyte film for direct oxidation type fuel cell, its manufacturing method, and direct oxidation type fuel cell system including this
Hasani-Sadrabadi et al. Novel high-performance nanocomposite proton exchange membranes based on poly (ether sulfone)
JP2012069536A (en) Polymer electrolyte film for direct oxidation type fuel cell, manufacturing method therefor, and direct oxidation type fuel cell system including the same
JP4354937B2 (en) Composite electrolyte membrane and method for producing the same, fuel cell
KR100493171B1 (en) Composite elecrolyte membrane and fuel cell employing the same
Muthumeenal et al. Recent research trends in polymer nanocomposite proton exchange membranes for electrochemical energy conversion and storage devices
KR100496936B1 (en) Ionomer/Clay NanoComposite Proton Exchange Membrane, preparation method thereof and fuel cell containing the same
Ma et al. The research status of Nafion ternary composite membrane
Mulmi et al. Surfactant-assisted polymer electrolyte nanocomposite membranes for fuel cells
Woo et al. Zirconium phosphate sulfonated poly (fluorinated arylene ether) s composite membranes for PEMFCs at 100–140 C
KR100709191B1 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell, method of preparing polymer membrane and fuel cell system
KR101019581B1 (en) Polymer electrolyte composite membrane crosslinked by water soluble monomers for polymer electrolyte fuel cells and preparation method thereof
JP2010027605A (en) Ion conductive structure, ion conducting polymer composite membrane, membrane electrode assembly, fuel cell, method of producing ion conductive structure, and method of producing ion conducting polymer composite membrane
KR100600150B1 (en) Composite electrolyte membrane permeated by nano scale dendrimer and the method of preparing the same
KR100739643B1 (en) Polymer electrolyte membrane for fuel cell, membrane-electrode assembly and fuel cell system comprising same
Daud et al. Fabrication, Properties, and Performance of Polymer Nanocomposite Ion Exchange Membranes for Fuel Cell Applications: A Review
Tung et al. Preparation and Characterization of Nafion®/Hydrated Phosphor‐Silicate Hybrid Membranes for the Direct Methanol Fuel Cell

Legal Events

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

Payment date: 20130617

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140616

Year of fee payment: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150528

Year of fee payment: 11

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160614

Year of fee payment: 12

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170425

Year of fee payment: 13

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180521

Year of fee payment: 14