KR20040092024A - Method to manufacture polymer electrolyte composite membranes for fuel cells - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell is provided to effectively modify the surface of membrane and to reduce the permeability of fuel. CONSTITUTION: The method comprises the process of treating the entire or a part of one or both surfaces of an ion-conductive polymer electrolyte membrane by plasma treatment, flame treatment, corona treatment, ultraviolet-ray treatment, laser treatment, x-ray treatment, gamma-ray treatment, electronic beam treatment, ionic beam treatment or sputtering. In the plasma treatment, at least one gas selected from the group consisting of argon, aqueous vapor, air, nitrogen, oxygen, hydrogen, freon gas, and a hydrocarbon gas including methane, ethane, ethylene, acetylene, propane and butane are employed. Further, the method may comprise the process of coating a polymer film on the treated surface of electrolyte membrane through grafting reaction and then, optionally the process of sulfonating the coated surface.

Description

연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법{Method to manufacture polymer electrolyte composite membranes for fuel cells}Method for manufacturing polymer electrolyte composite membranes for fuel cells

본 발명은 차세대 청정에너지원으로 손꼽히고 있는 연료전지에 사용될 수 있는 이온전도성 고분자 전해질 복합막(이하 '고분자 전해질 복합막')의 제조 방법, 상기 방법에 의하여 제조된 고분자 전해질 복합막 및 상기 복합막을 이용한 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 이온전도성 고분자 전해질 막 표면을 플라즈마로 처리함으로써, 막 표면의 성질을 개질시켜 연료(메탄올, 에탄올, 이소프로판올 등의 알콜, 포름산, 글리세롤, 수소 등)의 투과를 방지하고, 또한 플라즈마 유도 그래프팅에 의하여 고분자 전해질 막 표면에 새로운 고분자 필름을 코팅함으로써, 모재의 변형을 유발하지 않으면서도 우수한 물질 투과 선택도를 주고, 열적으로도 안정한, 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법, 이 방법에 의하여 제조된 복합막, 이 복합막을 채용한 전해질막-전극 접합체 (membrane-electrode assembly, 이하 'MEA'), 그리고 상기 복합막 또는 MEA를 채용한 연료전지에 관한것이다.The present invention provides a method for producing an ion conductive polymer electrolyte composite membrane (hereinafter referred to as 'polymer electrolyte composite membrane') that can be used in a fuel cell, which is regarded as a next-generation clean energy source, a polymer electrolyte composite membrane prepared by the method and the composite membrane. The fuel cell used is described in more detail. By treating the surface of the ion conductive polymer electrolyte membrane with plasma, the properties of the membrane surface are modified so that the fuel (alcohol, formic acid, glycerol, hydrogen, etc.) By preventing the permeation and coating a new polymer film on the surface of the polymer electrolyte membrane by plasma induced grafting, the polymer electrolyte composite for fuel cells is stable and thermally stable, giving excellent material permeation selectivity without causing deformation of the base material. Method for producing membrane, composite membrane produced by this method, composite membrane Employing an electrolyte membrane-electrode assembly (membrane-electrode assembly, hereinafter 'MEA'), and relates to a fuel cell employing a composite membrane, or the MEA.

연료전지의 기본원리는 물의 전기분해 역반응을 이용하는 것으로 수소와 산소로부터 전기와 물을 만들어 내는 것이다. 연료전지는 원리상 열기관이 갖는 열역학적 제한(Carnot 효율)을 받지 않기 때문에, 발전효율이 40∼55%로 기존의 발전장치에 비하여 매우 높으며, 배기가스 중에 질소화합물이나 유황화합물이 없고, 소음이나 진동이 거의 없는 환경 친화적 발전방법이다.The basic principle of a fuel cell is to produce electricity and water from hydrogen and oxygen using the reverse electrolysis of water. Since the fuel cell is not subject to the thermodynamic limitation (Carnot efficiency) of the heat engine in principle, the power generation efficiency is 40 to 55%, which is very high compared to the existing power generation equipment, and there are no nitrogen compounds or sulfur compounds in the exhaust gas, and noise or vibration This is an almost environmentally friendly way of development.

이러한 많은 장점을 가진 연료전지 중에서 고분자 전해질 연료전지는 고분자 전해질 막을 전지의 전해질로 사용하는 것으로부터 정의된다. 연료전지에서, 고분자 전해질 막은 전자(electron)에 대해서는 절연체로서, 이온에 대해서는 도체로서 작용한다.Among the fuel cells having many of these advantages, the polymer electrolyte fuel cell is defined from the use of the polymer electrolyte membrane as the electrolyte of the cell. In fuel cells, the polymer electrolyte membrane acts as an insulator for electrons and as a conductor for ions.

이와 같은 고분자 연료전지는 전기자동차, 휴대폰, 노트북 등 저 중량, 저 체적이 요구되는 통신기기나 전기자동차 등의 동력원으로 사용될 수 있고, 나아가 분산전원 및 보조전원으로 응용될 수 있다.Such a polymer fuel cell can be used as a power source for electric vehicles, mobile phones, laptops, such as communication devices or electric vehicles that require low weight and low volume, and can be applied as a distributed power source and an auxiliary power source.

현재까지 상업적으로 인정을 받고 있는 수소이온전도성 고분자 전해질 막으로는 과불소화술폰산(perfluoro sulfonic acid)계열의 이온 교환막(미국 특허 제 3,282,875호; 미국 특허 제4,330,654호)이 주류를 이루고 있다. 이러한 예로서 나피온 막(듀퐁사), 다우 케미칼 막(다우케미칼사), 플레미온 막(아사히글라스사), 아씨플렉스 막(아사히케미칼사), 밤 막(BAM, 발라드사), 프리미어 막(고어사) 등이 보고되고 있다. 이러한 과불소화술폰산 계열의 막들은 높은 이온전도도 및 우수한 기계적, 화학적 안정성으로 인해 좋은 평가를 받고 있지만, 고가라는 점과 메탄올과 같은 알콜을 연료로 사용하는 알콜 연료전지 운전 시 연료가 애노드(anode)에서 캐소드(cathode)로 넘어가는 연료 투과현상(crossover)이 심각하게 발생하는 문제점이 있다.Commercially recognized hydrogen ion conductive polymer electrolyte membranes include a perfluoro sulfonic acid-based ion exchange membrane (US Pat. No. 3,282,875; US Pat. No. 4,330,654). Examples include Nafion Membrane (Dupontsa), Dow Chemical Membrane (Dow Chemical Inc.), Flemion Membrane (Asahi Glass Inc.), Aciplex Membrane (Asahi Chemical Inc.), Balm Membrane (BAM, Ballard Co.) Gore, etc. have been reported. These perfluorinated sulfonic acid-based membranes are well received for their high ionic conductivity and excellent mechanical and chemical stability. However, they are expensive and fuel is used at the anode in the operation of alcohol fuel cells using alcohols such as methanol. There is a problem in that the fuel crossover to the cathode occurs seriously.

이러한 단점을 보완하기 위하여, 주로 세 가지 방향의 연구가 진행되고 있는데, 첫째는 탄화수소 계열의 새로운 고분자 전해질을 개발(J. Membr. Sci., 154,175(1999); 대한민국 특허공개 특2002-0020877호)하는 것이고, 둘째는 다공성의 고분자 또는 무기물 기저체를 이용하여 고분자 전해질 물질을 함침시킨 복합막을 제조(미국 특허 제5,547,551호; 미국 특허 제 5,795,668호; 미국 특허 제6,248,469 B1호)하거나, 고분자와 이온전도성 물질을 섞은 복합막을 제조(미국 특허 제 6,059,943호; 미국 특허 제 6,227,512 B1호; 대한민국 특허공개 특2001-0030409호) 하는 것이며, 셋째는 고분자 전해질 막의 표면 개질을 통해 성능향상을 이루는 것이다.In order to make up for these shortcomings, three directions of research are being conducted. First, the development of a hydrocarbon-based new polymer electrolyte (J. Membr. Sci., 154,175 (1999); Korean Patent Publication No. 2002-0020877) Second, a composite membrane impregnated with a polymer electrolyte material using a porous polymer or an inorganic base material (US Pat. No. 5,547,551; US Pat. No. 5,795,668; US Pat. No. 6,248,469 B1) or polymer and ion conductivity A composite membrane mixed with materials is prepared (US Pat. No. 6,059,943; US Pat. No. 6,227,512 B1; Korean Patent Publication No. 2001-0030409). Third, performance is improved through surface modification of the polymer electrolyte membrane.

특히, 세 번째 예인 고분자 전해질 막의 표면 처리는 기존 고분자 전해질 막의 높은 이온전도도 및 기계적 특성을 그대로 유지하면서 새로운 다른 특성을 부가할 수 있는 장점을 가지고 있다. 최근 나피온 막의 표면을 금속 이온(J. Electrochem. Soc., 145, 3798 (1998))으로 처리한 결과가 발표되었으나, 메탄올 투과도 감소에 커다란 효과를 거두지 못하였다. 또한, 나피온 막을 플라즈마 처리(Surf. & Coat. Technol., 116/119, 996 (1999))하여 표면 성질을 개질하고, 메탄올 투과를 방지하려는 시도가 있었는데, 이 경우 메탄올 투과도는 많이 감소되었으나, 전해질 막 표면에 새로운 특성을 갖는 고분자 박막을 형성시킬 수 없는 단점이 있다.In particular, the third example, the surface treatment of the polymer electrolyte membrane has the advantage of adding new other properties while maintaining the high ionic conductivity and mechanical properties of the existing polymer electrolyte membrane. Recently, the surface of Nafion membrane was treated with metal ions (J. Electrochem. Soc., 145, 3798 (1998)), but the effect of reducing methanol permeability was not significant. In addition, attempts have been made to modify the surface properties of the Nafion membrane by plasma treatment (Surf. & Coat. Technol., 116/119, 996 (1999)) and to prevent methanol permeation. There is a disadvantage in that a polymer thin film having new characteristics cannot be formed on the surface of an electrolyte membrane.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 고분자 전해질 막 표면의 한쪽면 또는 양쪽면의 전체 또는 일부를 플라즈마 등으로 처리함으로써, 막 표면의 성질을 개질시켜 연료의 투과를 방지하는, 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to treat the whole or part of one or both surfaces of the polymer electrolyte membrane surface with plasma or the like, thereby modifying the membrane surface properties to permeate fuel. It is to provide a method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell.

또한, 본 발명의 다른 목적은 고분자 전해질 막 표면을 플라즈마 등으로 처리한 후, 플라즈마 처리 등으로 그래프팅 반응을 진행시켜 막 표면에 새로운 고분자 필름을 코팅하거나, 술폰화 반응을 진행시킴으로써, 모재의 변형을 유발하지 않으면서도 우수한 투과 선택도를 주고, 열적으로도 안정한, 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법을 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to treat the surface of the polymer electrolyte membrane with plasma or the like, and then to perform a grafting reaction by plasma treatment or the like to coat a new polymer film on the surface of the membrane or to undergo a sulfonation reaction to deform the base material. The present invention provides a method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell that provides excellent permeation selectivity without thermal induction and is thermally stable.

또한, 본 발명의 또다른 목적은 상기 방법에 의해 제조된 복합막, 이 복합막을 채용한 MEA, 그리고 상기 복합막 또는 MEA를 채용한 연료전지를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a composite membrane produced by the above method, an MEA employing the composite membrane, and a fuel cell employing the composite membrane or MEA.

도 1은 본 발명의 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법에 사용되는 라디오주파수 플라즈마 장치를 나타낸 것이다.1 shows a radiofrequency plasma apparatus used in the method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell of the present invention.

도 2는 본 발명의 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법에 있어서, 플라즈마 처리, 그래프팅 과정 및 술폰화 과정을 나타내는 개략도이다.2 is a schematic view showing a plasma treatment, a grafting process and a sulfonation process in the method of manufacturing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell of the present invention.

도 3은 본 발명의 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법에 있어서, 이온전도성 고분자 전해질 막을 부분적으로 플라즈마 처리하는 일실시예를 도시한 것이다.FIG. 3 illustrates an embodiment in which the ion conductive polymer electrolyte membrane is partially plasma treated in the method of manufacturing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell of the present invention.

도 4는 본 발명의 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법에 의하여 제조된 복합막의 연료 투과도를 실험하기 위한 장치를 나타낸 것이다.Figure 4 shows an apparatus for testing the fuel permeability of the composite membrane prepared by the method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell of the present invention.

도 5는 본 발명의 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법에 의하여 제조된 복합막의 단면 전자현미경 사진을 나타낸 것이다.Figure 5 shows a cross-sectional electron micrograph of the composite membrane prepared by the method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell of the present invention.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**** Description of the symbols for the main parts of the drawings **

11 : 구리 코일 12 : 오토매칭네트워크11 copper coil 12 auto matching network

13 : RF 제너레이터 14 : 모노머 용기13: RF generator 14: monomer container

15 : 플라즈마 처리 기체 16 : 진공펌프15 plasma treatment gas 16 vacuum pump

17 : 진공 게이지 18 : 시료17: vacuum gauge 18: sample

19 : 지지대 21 : 고분자 전해질 막19: support 21: polymer electrolyte membrane

22 : 플라즈마 가스 23 : 전해질표면에 생성된 라디칼22: plasma gas 23: radicals generated on the surface of the electrolyte

24 : 플라즈마 처리된 전해질 막의 표면24: surface of plasma treated electrolyte membrane

25 : 그래프팅 필름 26 : 술폰화 된 고분자 필름25: grafting film 26: sulfonated polymer film

31 : 고분자 전해질 막 32 : 마스킹31 polymer electrolyte membrane 32 masking

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법은, 연료전지용 이온전도성 고분자 전해질 막의 표면을 개질시켜 연료물질의 투과도를 낮추기 위하여, 고분자 전해질 막의 한쪽면 또는 양쪽면의 전체 또는 부분에 대하여 표면 처리 과정을 거치는 복합막 제조 방법으로서, 상기 표면 처리 과정은 플라즈마 처리, 불꽃 처리, 코로나 처리, 자외선 처리,레이저 처리, 엑스레이 처리, 감마레이 처리, 전자 빔처리, 이온 빔처리, 또는 스퍼터링을 사용하여 고분자 전해질 막의 표면을 처리하는 과정인 것을 특징으로 한다.In the method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention for achieving the above object, in order to modify the surface of the ion conductive polymer electrolyte membrane for fuel cells to lower the permeability of the fuel material, one or both sides of the polymer electrolyte membrane A method of manufacturing a composite film which undergoes a surface treatment process for all or part of the surface treatment process, the surface treatment process is plasma treatment, flame treatment, corona treatment, ultraviolet treatment, laser treatment, X-ray treatment, gamma ray treatment, electron beam treatment, ion beam It is characterized in that the process of treating the surface of the polymer electrolyte membrane using a treatment, or sputtering.

본 발명에 의한 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법에 있어서, 상기 플라즈마 처리시 플라즈마 조사에 사용되는 기체는 아르곤, 물, 공기, 질소, 산소, 수소, 프레온 기체, 및 메탄, 에탄, 에틸렌, 아세틸렌, 프로판, 부탄을 포함하는 탄화수소 기체로 구성되는 군으로부터 1 이상 선택되는 것을 특징으로 한다.In the method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell according to the present invention, the gas used for plasma irradiation in the plasma treatment is argon, water, air, nitrogen, oxygen, hydrogen, freon gas, and methane, ethane, ethylene, acetylene, It is characterized in that at least one selected from the group consisting of a hydrocarbon gas containing propane, butane.

본 발명에 의한 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법에 있어서, 상기 고분자 전해질 막은 과불소화술폰산 계통인 나피온 막, 다우 케미칼 막, 플레미온 막, 아씨플렉스 막, 밤 막; 탄화수소 계통인 술폰화된 폴리이미드(PI) 막, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 막, 술폰화된 폴리포스포진 막, 술폰화된 폴리에테르술폰(PES) 막, 술폰화된 폴리벤지미다졸 막; 복합막인 프리미어 막, 폴리테트라플로로에틸렌/폴리비닐리덴플로라이드-헥사플로로프로필렌-그래프팅-폴리스티렌 공중합체(PTFE/PVDF-HFP-g-PS) 막, 나피온-실리카 블렌드 막, 나피온-PVDF 블렌드 막, 나피온-포스포텅스틱산(Nafion-phosphotungstic acid) 막; 또는 이온전도성 고분자 전해질이 30 내지 100%, 바람직하게는 70 내지 97% 포함된 복합 고분자 전해질 막인 것을 특징으로 한다.In the method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell according to the present invention, the polymer electrolyte membrane may be a Nafion membrane, a Dow Chemical membrane, a Flemion membrane, an Aflexex membrane, a chestnut membrane which is a perfluorinated sulfonic acid system; Hydrocarbon based sulfonated polyimide (PI) membranes, polyetheretherketone (PEEK) membranes, sulfonated polyphosphosazine membranes, sulfonated polyethersulfone (PES) membranes, sulfonated polybenzimidazole membranes; Composite membrane premier membrane, polytetrafluoroethylene / polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene-grafted-polystyrene copolymer (PTFE / PVDF-HFP-g-PS) membrane, Nafion-silica blend membrane, na Pion-PVDF blend membrane, Nafion-phosphotungstic acid membrane; Or it is a composite polymer electrolyte membrane containing 30 to 100%, preferably 70 to 97% of the ion conductive polymer electrolyte.

본 발명에 의한 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법에 있어서, 상기 플라즈마는 라디오주파수 플라즈마 장치 또는 마이크로파 플라즈마 장치를 이용하여 생성되며, 플라즈마 생성 출력은 10 와트(W) 내지 500 와트, 바람직하게는 50와트 내지 200 와트의 세기 범위를 가지는 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell according to the present invention, the plasma is generated using a radiofrequency plasma apparatus or a microwave plasma apparatus, and the plasma generation power is 10 watts (W) to 500 watts, preferably 50 watts. To an intensity range of 200 watts.

본 발명에 의한 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법에 있어서, 상기 표면 처리 후, 플라즈마 처리, 불꽃 처리, 코로나 처리, 자외선 처리, 레이저 처리, 엑스레이 처리, 감마레이 처리, 전자 빔처리, 이온 빔처리, 또는 스퍼터링을 사용하여 고분자 전해질 막의 전체 또는 일부 표면에 그래프팅 반응을 진행시켜 상기 전해질 막의 표면에 새로운 고분자 필름을 코팅하는 과정을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In the method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell according to the present invention, after the surface treatment, plasma treatment, flame treatment, corona treatment, ultraviolet treatment, laser treatment, X-ray treatment, gamma ray treatment, electron beam treatment, ion beam treatment, Alternatively, the method may further include coating a new polymer film on the surface of the electrolyte membrane by performing a grafting reaction on all or part of the surface of the polymer electrolyte membrane using sputtering.

본 발명에 의한 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법에 있어서, 상기 그래프팅 반응에 사용되는 모노머는 스티렌, 스티렌-다이비닐벤젠의 혼합물, 아릴 아민, 아크릴산, 펜텐, 에틸렌, 부타디엔, 사이클로헥센, 비닐아세테이트, 테트라플로로에틸렌, 비닐 플로라이드, 및 비닐리덴 플로라이드로 구성되는 군으로부터 1 이상 선택되는 것을 특징으로 한다.In the method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention, the monomer used in the grafting reaction is styrene, a mixture of styrene-divinylbenzene, aryl amine, acrylic acid, pentene, ethylene, butadiene, cyclohexene, vinyl acetate At least one selected from the group consisting of tetrafluoroethylene, vinyl fluoride, and vinylidene fluoride.

상기의 모노머를 사용하면 선형고분자가 합성된다. 따라서, 고분자를 가교시켜 고분자 필름의 특성을 변형시키기 위해서는 그래프팅 반응시에 가교제를 첨가해야 한다.When the monomer is used, linear polymers are synthesized. Therefore, in order to modify the properties of the polymer film by crosslinking the polymer, a crosslinking agent should be added during the grafting reaction.

본 발명은 상기 모노머에 가교제인 다이 비닐 벤젠(DVB), 에틸렌 글리콜 다이메타아크릴레이트(EGDMA), 다이에틸렌글리콜 다이아크릴레이트(diethylene glycol diacrylate), N,N-메틸렌 비스아크릴아마이드(N,N-methylene bisacrylamide), 다이아릴 프탈레이트(diallyl phthalate), 1,3-부탄다이올 다이메타아크릴레이트(1,3-butanediol dimethacrylate)를 함께 사용하는 것을 특징으로한다. 이때, 가교제의 사용량은 모노머에 대하여 0.01 내지 10 몰%, 바람직하게는 1 내지 5 몰% 범위이다. 본 발명에서는 가교제의 양을 조절함으로써, 가교도(crosslinking density)를 조절한다.The present invention is a divinyl benzene (DVB), ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA), diethylene glycol diacrylate, N, N- methylene bisacrylamide (N, N- methylene bisacrylamide), diaryl phthalate, and 1,3-butanediol dimethacrylate are used together. At this time, the amount of crosslinking agent used is 0.01 to 10 mol%, preferably 1 to 5 mol% based on the monomer. In the present invention, the crosslinking density is controlled by controlling the amount of the crosslinking agent.

본 발명에 의한 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법에 있어서, 상기 그래프팅 반응에 의한 코팅막의 두께는 수십 나노미터 내지 수백 마이크로미터인 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell according to the present invention, the thickness of the coating membrane by the grafting reaction is characterized in that several tens of nanometers to several hundred micrometers.

본 발명에 의한 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법에 있어서, 상기 그래프팅 반응에 의한 코팅막의 두께는 바람직하게는 1 마이크로미터 내지 20 마이크로미터인 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell according to the present invention, the thickness of the coating membrane by the grafting reaction is preferably 1 micrometer to 20 micrometers.

본 발명에 의한 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법에 있어서, 상기 플라즈마에 의한 표면 처리 또는 플라즈마 유도 그래프팅 반응에 의한 표면 코팅 후, 이온전도도 향상을 위한 술폰화 과정을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In the method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell according to the present invention, after the surface treatment by the plasma or the surface coating by the plasma-induced grafting reaction, and further comprising a sulfonation process for improving the ion conductivity. do.

본 발명에 의한 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법에 있어서, 상기 방법은 전극 이외의 부분에서 연료인 수소, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올을 포함하는 알콜, 글리세롤, 또는 포름산이 투과되는 것을 방지하기 위하여, 연료전지 전극과 직접 접촉하지 않는 전해질막의 외곽부분을 표면 처리하여 연료 투과성 및 이온전도도를 감소시키거나 제거하는 것을 특징으로 한다.In the method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell according to the present invention, the method is performed in order to prevent the permeation of alcohol, glycerol, or formic acid containing hydrogen, methanol, ethanol, isopropanol, which are fuels, in a portion other than the electrode. Surface treatment of the outer portion of the electrolyte membrane that is not in direct contact with the battery electrode is characterized by reducing or eliminating fuel permeability and ion conductivity.

본 발명에 의한 연료전지용 고분자 전해질 복합막은, 상기에 기재된 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 복합막.A fuel cell polymer electrolyte composite membrane according to the present invention is produced by the method described above.

본 발명에 의한 전해질막-전극 접합체는, 상기의 연료전지용 고분자 전해질 복합막을 포함하는 것을 특징으로 한다.The electrolyte membrane-electrode assembly according to the present invention is characterized by comprising the polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell.

본 발명에 의한 연료전지는, 상기에 기재된 방법에 의하여 제조되는 연료전지용 고분자 전해질 복합막 또는 상기의 전해질막-전극 접합체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.A fuel cell according to the present invention is characterized by comprising a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell or the above electrolyte membrane-electrode assembly produced by the method described above.

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

본 발명에서는 연료전지에 사용되는 이온전도성 고분자 전해질 막의 표면을 전체 또는 부분적으로 플라즈마 표면 처리를 하거나/또는 플라즈마 유도 그래프팅(grafting) 반응을 통해 고분자 전해질 막의 표면에 새로운 고분자 필름을 코팅함으로써 연료전지의 연료로 사용되는 수소, 메탄올, 에탄올, 프로판올 등의 알콜, 글리세롤, 포름산 등의 투과도를 낮출 수 있는 고분자 전해질 복합막을 제조한다.In the present invention, the surface of the ion conductive polymer electrolyte membrane used in the fuel cell is treated in whole or in part by plasma surface treatment and / or by coating a new polymer film on the surface of the polymer electrolyte membrane through a plasma induced grafting reaction. A polymer electrolyte composite membrane capable of lowering the permeability of alcohols such as hydrogen, methanol, ethanol, and propanol, glycerol, and formic acid, which are used as fuels, is prepared.

플라즈마는 전자와 이온으로 분리된 기체로서, 그 전리도가 중성원자에 비해 상당히 높으면서도 전체적으로는 음과 양의 전하수가 거의 같아서 중성을 띠고 있는 기체를 칭한다.Plasma is a gas separated by electrons and ions, and refers to a gas that is neutral in that its ionization degree is considerably higher than that of the neutral atom, and the negative number of charges is almost the same.

플라즈마 내의 전자는 활발한 열 운동을 통하여 기체 원자나 분자를 여기, 해리, 전리시킬 수 있기 때문에 사용하는 기체의 종류에 따라 플라즈마 내에서나 플라즈마와 접하고 있는 고체 표면상에서 화학반응을 일으킬 수 있다.Since the electrons in the plasma can excite, dissociate, and ionize gas atoms or molecules through active thermal motions, chemical reactions may occur in the plasma or on the solid surface in contact with the plasma, depending on the type of gas used.

플라즈마의 활발한 화학적 성질은 종래의 방법으로 얻기 어려운 극한 환경을 제공하여 신물질을 합성하거나, 고분자 표면의 성질을 바꾸어 본체와는 다른 물리적, 화학적 성질을 주는데 이용될 수 있다. 예컨대, 고분자의 표면을 질소나 산소 플라즈마 등으로 처리하면 고분자의 표면에 친수성이나 소수성을 줄 수 있다.The active chemical properties of the plasma can be used to provide extreme environments that are difficult to obtain by conventional methods to synthesize new materials or to change the properties of the polymer surface to give physical and chemical properties that are different from the body. For example, when the surface of the polymer is treated with nitrogen or oxygen plasma, hydrophilicity or hydrophobicity can be given to the surface of the polymer.

본 발명에서는 과불소화술폰산 계열의 고분자 전해질 막의 플라즈마 표면 처리에 13.56 메가헤르쯔(MHz) 라디오 주파수 플라즈마 장치를 사용하였다. 그러나, 마이크로파 플라즈마 장치를 사용하는 것도 가능하다.In the present invention, 13.56 MHz (MHz) radio frequency plasma apparatus was used for plasma surface treatment of perfluorinated sulfonic acid polymer electrolyte membrane. However, it is also possible to use microwave plasma apparatus.

본 발명에서는 고분자 전해질 막의 표면에 새로운 고분자 필름을 코팅시키기 위해, 플라즈마 처리, 불꽃 처리, 코로나 처리, 자외선 처리, 레이저 처리, 엑스레이 처리, 감마레이 처리, 전자 빔처리, 이온 빔처리, 또는 스퍼터링을 이용한다.In the present invention, a plasma treatment, a flame treatment, a corona treatment, an ultraviolet treatment, a laser treatment, an X-ray treatment, a gamma ray treatment, an electron beam treatment, an ion beam treatment, or sputtering is used to coat a new polymer film on the surface of the polymer electrolyte membrane. .

본 발명의 고분자 전해질 막의 플라즈마 표면 처리는 도 1에 도시된 처리장치를 사용하여 수행할 수 있다.Plasma surface treatment of the polymer electrolyte membrane of the present invention can be performed using the treatment apparatus shown in FIG.

본 발명에 사용되는 플라즈마 유도 그래프팅 반응 시에는 도 1의 장치를 이용하여 고분자 전해질 막에 플라즈마 표면 처리를 한 후, 소망하는 모노머 용액에 담그어 적절한 온도에서 그래프팅 반응을 진행시킴으로써 수행한다. 반응 시간과 온도는 각각의 모노머에 따라 다를 수 있고, 48시간 이상에서는 복합막이 너무 두꺼워질 우려가 있으므로 바람직하지 않다. 또한, 선택된 모노머 용액에서 반응시간과 조건에 따라 수십 나노미터에서 수백 마이크로미터까지 조절 가능하다.In the plasma-induced grafting reaction used in the present invention, plasma treatment is performed on the polymer electrolyte membrane using the apparatus of FIG. 1, and then immersed in a desired monomer solution to proceed the grafting reaction at an appropriate temperature. The reaction time and temperature may vary depending on the respective monomers, and at least 48 hours, the composite membrane may be too thick, which is not preferable. In addition, the selected monomer solution can be adjusted from several tens of nanometers to several hundred micrometers depending on the reaction time and conditions.

상기와 같은 과정을 거쳐 그래프팅 반응을 시키면 고분자 전해질막 표면에 새로운 비이온전도성 고분자 필름(이하 '불활성 필름')이 형성되는데, 이 불활성 필름을 이루는 물질은 이온전도성이 매우 낮거나 없기 때문에, 메탄올과 같은 알콜이나 상기의 다른 연료에 대해서도 투과도가 매우 낮다.When the grafting reaction is carried out through the above process, a new nonionic conductive polymer film (hereinafter referred to as 'inert film') is formed on the surface of the polymer electrolyte membrane. Since the material forming the inert film has very low or no ion conductivity, methanol The permeability is very low for alcohols such as or other fuels described above.

본 발명에 사용되는 플라즈마 유도 그래프팅 반응 시에는 도 1의 장치를 이용하여 고분자 전해질 막에 플라즈마 표면 처리를 한 후, 상기의 모노머를 도 1에 도시된 부호 14의 장치를 통하여 모노머의 증기압을 이용해 기체 상태로 흘려보내 고분자 전해질에 필름 그래프팅 반응을 진행시킬 수 있다. 이때 생성되는 필름은 수 마이크로미터 이내의 두께를 가지는 박막으로 제조할 수 있다. 유량은 100 에스씨씨엠 (SCCM, standard cubic centimeter per minute) 이내에서 가능하며, 바람직하게는 20- 80 에스씨씨엠이고, 반응시간은 48간 이내로 하는 것이 바람직하다.In the plasma-induced grafting reaction used in the present invention, after plasma treatment of the polymer electrolyte membrane using the apparatus of FIG. 1, the monomer is vaporized using the vapor pressure of the monomer through the apparatus shown in FIG. 1. By flowing in a gaseous state, the film grafting reaction may be advanced to the polymer electrolyte. In this case, the resulting film may be manufactured as a thin film having a thickness within several micrometers. The flow rate can be within 100 cubic centimeters per minute (SCCM), preferably 20-80 cms, and the reaction time is preferably within 48 hours.

특히, 본 발명에서는 고분자 전해질 막의 부분적인 플라즈마 처리를 포함한다. 이 방법은 고분자 전해질막에서 전극과 접촉하지 않을 부분만 플라즈마 처리한 후, 상기의 그래프팅 반응으로 불활성 필름을 코팅함으로써, 전극이 닿는 부분은 이온전도도를 유지하도록 두고, 전극이 닿지 않는 외곽부분은 메탄올 투과도를 크게 줄이는 방법이다. 전극의 외곽부분에서 이온전도도와 메탄올 투과도를 제거하게 되면, MEA가 금속과 접촉시 부식되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 연료 투과도를 저감시켜 연료전지 성능을 높일 수 있다.In particular, the present invention involves the partial plasma treatment of a polymer electrolyte membrane. In this method, after plasma treatment of only the portion of the polymer electrolyte membrane that will not be in contact with the electrode, the inert film is coated by the above grafting reaction, so that the part where the electrode touches is maintained to maintain ion conductivity, and the outer part where the electrode does not touch This is a way to significantly reduce the methanol permeability. By removing the ion conductivity and the methanol permeability from the outer portion of the electrode, the MEA can be prevented from being corroded in contact with the metal, and the fuel permeability can be reduced to increase the fuel cell performance.

고분자 전해질 막의 부분적인 플라즈마 처리는 도 2를 통하여 쉽게 설명된다. 전해질 막의 부분적인 플라즈마 처리는, 플라즈마 표면 처리 및/또는 플라즈마 유도 그래프팅 반응을 하지 않을 부분을 마스킹을 이용하여 막은 다음 플라즈마 처리를 함으로써 이루어진다.Partial plasma treatment of the polymer electrolyte membrane is easily described with reference to FIG. Partial plasma treatment of the electrolyte membrane is performed by masking a portion where the plasma surface treatment and / or the plasma induced grafting reaction will not be performed by masking and then performing a plasma treatment.

본 발명에서는 상기의 방법으로 고분자 전해질막의 표면에 불활성 필름을 형성시킨 고분자 전해질 복합막을 제조한 후, 이온전도도 향상을 위하여 술폰화 과정을 더 포함할 수 있다. 술폰화 방법은, 복합막이 방향족을 포함하고 있을 때, 미국 특허 제3,870,841호에 제시된 방법에 의하여 수행할 수 있다. 술폰화는 아세틱 설페이트(acetic sulfate) 또는 클로로설폰산(chlorosulfuric acid)과 같은 술폰화제를 통해서 진행하는데, 아세틱 설페이트를 사용하면 반응 조절이 쉽기 때문에 더 바람직하다. 황산과 아세틱 안하이드라이드(acetic anhydride)를 반응시켜 아세틱 설페이트(acetic sulfate)를 제조한 후, 1,2-다이클로로에탄(1,2-dichloroethane) 용액에서 고분자 전해질 복합막과 반응시키면 쉽게 반응이 진행된다. 반응 온도는 40 내지 70℃ 사이이며, 50 내지 60℃가 가장 바람직하고, 반응시간은 0.5 내지 48시간 사이이며, 바람직하게는 4 내지 6시간이 적당하다. 술폰화도(degree of sulfonation) 조절을 위하여 아세틱 설페이트의 양을 조절할 수 있다. 복합막의 불활성 필름에 존재하는 방향족 고분자의 양과 아세틱 설페이트의 몰비를 조절하면 0 내지 95% 사이의 술폰화도 조절이 가능하다. 술폰화도가 너무 낮으면 이온전도도가 낮아지며, 술폰화도가 너무 높으면 연료 투과도가 높아지게 되므로 20 내지 70 % 사이의 술폰화도로 유지하는 것이 바람직하다. 이러한 방법을 통하면 고분자 전해질 복합막의 연료 투과도는 낮추면서, 이온전도도는 그대로 유지시키거나 또는 향상시킬 수 있다.In the present invention, after preparing a polymer electrolyte composite membrane in which an inert film is formed on the surface of the polymer electrolyte membrane by the above method, a sulfonation process may be further included to improve ion conductivity. The sulfonation method can be carried out by the method described in US Pat. No. 3,870,841 when the composite membrane contains aromatics. Sulfonation proceeds through sulfonating agents such as acetic sulfate or chlorosulfuric acid, which is more preferred because of the ease of reaction control. Acetic sulfate is prepared by reacting sulfuric acid with acetic anhydride, and then reacted with a polymer electrolyte composite membrane in 1,2-dichloroethane solution. The reaction proceeds. Reaction temperature is between 40-70 degreeC, 50-60 degreeC is the most preferable, reaction time is between 0.5-48 hours, Preferably 4-6 hours are suitable. The amount of acetic sulfate can be controlled to control the degree of sulfonation. By controlling the molar ratio of the aromatic polymer and the acetic sulfate present in the inert film of the composite membrane, it is possible to control the sulfonation degree between 0 and 95%. If the sulfonation degree is too low, the ion conductivity is low, and if the sulfonation degree is too high, the fuel permeability is increased, so it is preferable to maintain the sulfonation degree between 20 and 70%. Through this method, the fuel permeability of the polymer electrolyte composite membrane can be lowered while the ionic conductivity can be maintained or improved.

본 발명에서는, 표면 처리, 그래프팅 반응(선형 및 가교 그래프팅 막)에 의한 필름코팅 및 술폰화 반응의 과정에서 여러 가지 제조조건을 조절함으로써, 연료전지의 성능향상을 가져올 수 있는 다양한 고분자막을 제조할 수 있다. 예컨대, 가교 그래프팅 반응을 통한 고분자 필름 제조시 그래프팅 시간과 가교도를 조절함으로써, 내구성 및 연료투과도 면에서 최적의 특성을 갖는 고분자 필름의 제조가 가능해지는 것을 의미한다. 또한, 술폰화시 술폰화제와 술폰화반응 조건을 바꿈으로써 복합막의 이온교환능(Ion exchange capacity)의 조절도 가능해짐을 의미한다.In the present invention, various polymer membranes can be produced to improve the performance of fuel cells by controlling various manufacturing conditions in the process of film coating and sulfonation reaction by surface treatment, grafting reaction (linear and crosslinking grafting membrane). can do. For example, by controlling the grafting time and the degree of crosslinking during the preparation of the polymer film through the crosslinking grafting reaction, it is possible to manufacture a polymer film having optimal properties in terms of durability and fuel permeability. In addition, it is possible to control the ion exchange capacity of the composite membrane by changing the sulfonation agent and sulfonation reaction conditions during sulfonation.

본 발명의 목적, 특징 및 이점은 본 발명의 바람직한 실시예의 설명을 고찰함으로써 더욱 명확하게 될 것이다. 다음의 실시예는 본 발명에 따른 고분자 전해질 복합막의 제조방법 및 이렇게 제조된 고분자 전해질 복합막의 성능을 측정한 예를 보여주는 것으로서, 본 발명은 이러한 실시예에 의해 그 범위가 제한받지 않는다.The objects, features and advantages of the present invention will become more apparent upon a review of the description of the preferred embodiments of the present invention. The following examples show a method for measuring the polymer electrolyte composite membrane according to the present invention and the performance of the polymer electrolyte composite membrane thus prepared, and the present invention is not limited in scope by these examples.

<실시예 1><Example 1>

과불소화술폰산 막의 일종인 듀퐁사의 나피온 117 고분자 전해질 막 표면에 폴리스티렌의 그래프팅 반응을 유도하기 위하여, 도 1의 장치를 이용하여 아르곤 기체로 고분자 전해질 막의 표면을 플라즈마 처리하였다. 플라즈마 장비로 13.56 메가헤르쯔(MHz) 교류파워 제너레이터(generator)와 오토매칭네트워크(automatching network, auto electronics. co., Korea)를 사용하여 200와트(W)로 고분자 전해질 막을 2분간 플라즈마 처리하였고, 이때 진공실안에서의 아르곤의 압력은 0.3 토르(Torr)로 유지하였다.In order to induce the grafting reaction of polystyrene on the surface of the Nafion 117 polymer electrolyte membrane of DuPont, a kind of perfluorinated sulfonic acid membrane, the surface of the polymer electrolyte membrane was plasma treated with argon gas using the apparatus of FIG. 1. Plasma equipment was used to plasma treatment the polymer electrolyte membrane at 200 watts for 2 minutes using a 13.56 MHz alternating current power generator and an automatching network (auto electronics.co., Korea). The pressure of argon in the vacuum chamber was maintained at 0.3 Torr.

플라즈마 처리된 막은 공기와 접촉하지 않은 상태에서 곧바로 정제된 스티렌용액(Aldrich Co., USA)에 담구어졌다. 스티렌 용액으로 메탄올 용액에 대하여 30/70(메탄올/스티렌 : v/v %, 30ml)인 용액을 사용하여 그래프팅 반응을 진행시켰다. 이때 반응은 삼구 플라스크에, 50℃의 항온조에서, 교반기를 이용하여 200알피엠(rpm, resolution per minute)으로 교반시키면서, 각각 6시간(복합막 1), 12시간(복합막 2), 24시간(복합막 3) 동안 진행하였다. 이와 같은 방법으로 나피온 표면에 선형 폴리스티렌 필름을 코팅시킨 복합막을 제조하였다.The plasma treated film was immediately immersed in purified styrene solution (Aldrich Co., USA) without contact with air. As a styrene solution, a grafting reaction was performed using a solution of 30/70 (methanol / styrene: v / v%, 30 ml) with respect to a methanol solution. At this time, the reaction was stirred in a three-necked flask at 50 ° C. in a constant temperature bath at 200 APM (rpm, resolution per minute) using a stirrer for 6 hours (composite membrane 1), 12 hours (composite membrane 2), and 24 hours ( It proceeded for the composite membrane 3). In this manner, a composite membrane coated with a linear polystyrene film on the surface of Nafion was prepared.

반응 종결 후 잔존하는 미반응 모노머와 그래프팅되지 않은 호모폴리머(homopolymer)를 제거하기 위하여 1,2-다이클로로에탄(Aldrich Co., USA)에 24시간 이상 동안 담근 후, 다시 1,2-다이클로로엔탄에 헹구고, 초순수(deionized) 물에 보존하였다.After completion of the reaction, soak in 1,2-dichloroethane (Aldrich Co., USA) for at least 24 hours to remove the remaining unreacted monomer and grafted homopolymer. Rinsed in chloroethane and stored in deionized water.

제조된 고분자 전해질 복합막의 메탄올 투과도는 도 4에 도시한 장치를 이용하여 측정하였다. 메탄올 투과계수의 측정 방법은 일반적으로 사용되는 공지의 방법을 따르므로, 그 구체적인 설명은 생략한다.Methanol permeability of the prepared polymer electrolyte composite membrane was measured using the apparatus shown in FIG. Since the measuring method of a methanol permeability coefficient follows the well-known method generally used, the detailed description is abbreviate | omitted.

각 복합막에 대한 메탄올 투과계수는 하기 표 1과 같다.The methanol permeability coefficient for each composite membrane is shown in Table 1 below.

그래프팅 반응시간(hr)Grafting Response Time (hr) 복합막 두께(μm)Composite film thickness (μm) 메탄올 투과계수(㎠/s)Methanol Permeability (㎠ / s) 나피온 막Nafion Membrane 180180 2.42 × 10-6 2.42 × 10 -6 복합막 1Composite Membrane 1 66 199199 2.35 × 10-6 2.35 × 10 -6 복합막 2Composite Membrane 2 1212 213213 2.17 × 10-6 2.17 × 10 -6 복합막 3Composite Membrane 3 2424 240240 0.77 × 10-6 0.77 × 10 -6

표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 플라즈마 처리 후, 플라즈마 유도 그래프팅 반응을 진행시켜 고분자 전해질 막의 표면에 선형 고분자 필름을 코팅한 경우, 기존의 상용 나피온 막에 비하여 연료물질(메탄올)의 투과도가 감소됨을 확인할 수 있다.As shown in Table 1, when the linear polymer film is coated on the surface of the polymer electrolyte membrane by performing a plasma induced grafting reaction after the plasma treatment according to an embodiment of the present invention, the fuel material ( Methanol) can be seen that the permeability is reduced.

<실시예 2><Example 2>

실시예 1에서와 같은 방법으로, 플라즈마 처리를 한 후 스티렌-다이비닐벤젠모노머를 사용하여 가교된 고분자 필름을 형성시켰다. 이때 변수로서 가교제인 다이비닐벤젠의 몰 함량 및 반응시간을 변화시켰으며, 이외의 다른 모든 조건은 동일하게 유지하였다.In the same manner as in Example 1, after the plasma treatment, a styrene-divinylbenzene monomer was used to form a crosslinked polymer film. At this time, the molar content and reaction time of the divinylbenzene crosslinking agent were changed as variables, and all other conditions were kept the same.

복합막 4 및 5는 다이비닐벤젠 몰함량이 0.5몰%이고, 반응시간이 각각 6시간, 12시간인 경우이고, 복합막 6 및 7은 다이비닐벤젠 몰함량이 1몰%이고, 반응시간이 각각 6시간, 12시간인 경우이다. 또한, 복합막 8 및 9는 다이비닐벤젠 몰함량이 2몰%이고, 반응시간이 각각 6시간, 12시간인 경우이며, 복합막 10 및 11은 다이비닐벤젠 몰함량이 5몰%이고, 반응시간이 각각 6시간, 12시간인 경우이다.The composite membranes 4 and 5 had a molar content of divinylbenzene 0.5 mol% and the reaction time was 6 hours and 12 hours, respectively. The composite membranes 6 and 7 had a molar content of divinylbenzene 1 mol% and a reaction time was 6 hours and 12 hours, respectively. In addition, the composite films 8 and 9 had a molar content of divinylbenzene 2 mol%, the reaction time was 6 hours and 12 hours, respectively, and the composite films 10 and 11 had a 5 mol% molar content of divinylbenzene, and The time is 6 hours and 12 hours, respectively.

각 복합막에 대한 메탄올 투과계수는 하기 표 2와 같다.The methanol permeability coefficient for each composite membrane is shown in Table 2 below.

다이비닐벤젠몰농도(%)Divinylbenzene molarity (%) 그래프팅반응시간(hr)Grafting reaction time (hr) 복합막두께(μm)Composite film thickness (μm) 메탄올 투과계수(㎠/s)Methanol Permeability (㎠ / s) 나피온 막Nafion Membrane 00 180180 2.42 × 10-6 2.42 × 10 -6 복합막 4Composite Membrane 4 0.50.5 66 201201 1.26 × 10-6 1.26 × 10 -6 복합막 5Composite Membrane 5 0.50.5 1212 211211 1.33 × 10-6 1.33 × 10 -6 복합막 6Composite Membrane 6 1.01.0 66 190190 0.32 × 10-6 0.32 × 10 -6 복합막 7Composite Membrane 7 1.01.0 1212 201201 0.54 × 10-6 0.54 × 10 -6 복합막 8Composite Membrane 8 2.02.0 66 187187 0.96 × 10-6 0.96 × 10 -6 복합막 9Composite Membrane 9 2.02.0 1212 192192 0.75 × 10-6 0.75 × 10 -6 복합막 10Composite Membrane 10 5.05.0 66 183183 0.77 × 10-6 0.77 × 10 -6 복합막 11Composite Membrane 11 5.05.0 1212 187187 0.73 × 10-6 0.73 × 10 -6

표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 고분자 전해질 막의 표면에 가교된 고분자 필름을 코팅한 경우, 스티렌만을 사용하여 선형고분자 필름을형성시킨 경우(복합막 1 및 복합막 2) 및 기존의 상용 나피온 막을 사용한 경우에 비하여 연료물질(메탄올)의 투과도가 크게 감소되었음을 알 수 있다. 또한, 다이비닐벤젠 함량이 증가할수록 나피온 표면에 형성된 고분자 필름의 두께가 감소하였다.As shown in Table 2, when the cross-linked polymer film is coated on the surface of the polymer electrolyte membrane according to the embodiment of the present invention, the linear polymer film is formed using only styrene (composite membrane 1 and composite membrane 2) and the existing It can be seen that the permeability of fuel material (methanol) is greatly reduced compared to the case of using commercial Nafion membrane. In addition, as the divinylbenzene content increased, the thickness of the polymer film formed on the Nafion surface decreased.

도 5는 플라즈마를 이용하여 나피온 표면에 폴리스티렌을 그래프팅 시킨 후 단면의 형상을 분석하기 위하여 관찰한 단면 전자현미경 사진이다. 도 5에서 보는 바와 같이, 나피온 표면에 약 10 마이크로미터(㎛) 정도의 폴리스티렌 층이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.5 is a cross-sectional electron microscope photograph observed to analyze the shape of the cross-section after grafting polystyrene to the Nafion surface using a plasma. As shown in FIG. 5, it can be seen that a polystyrene layer of about 10 micrometers (µm) is formed on the surface of Nafion.

<실시예 3><Example 3>

실시예 2에서 제조된 가교된 폴리스티렌 복합막을 술폰화제를 사용하여 폴리스티렌의 방향족 그룹의 술폰화를 진행하였다. 황산과 아세틱 안하이드라이드를 반응시켜 아세틱 설페이트를 제조한 후 1,2-다이클로로에탄(1,2-dichloroethane) 용액에 고분자 복합막을 넣고, 질소 분위기하에서 50℃으로 6시간동안 교반하면서 반응을 진행시켰다. 이때 아세틱 설페이트의 양은 방향족 그룹의 몰비의 5배가 되도록 하였다. 제조된 술폰화된 복합막의 메탄올 투과도는 실시예 1, 2와 같은 방법으로 측정하였으며, 이온전도도는 상온에서 교류 임피던스 방법을 이용하여 측정하였다. 측정하기 전에 최소 24시간 동안 초순수물에 담근 후 이온전도도를 측정하였다.The crosslinked polystyrene composite membrane prepared in Example 2 was subjected to sulfonation of the aromatic group of polystyrene using a sulfonating agent. Acetic sulfate was prepared by reacting sulfuric acid with acetic anhydride, and then a polymer composite membrane was added to a 1,2-dichloroethane solution, followed by stirring at 50 ° C. for 6 hours under a nitrogen atmosphere. Proceeded. At this time, the amount of acetic sulfate was made to be 5 times the molar ratio of the aromatic group. The methanol permeability of the prepared sulfonated composite membrane was measured in the same manner as in Examples 1 and 2, and the ion conductivity was measured using an alternating current impedance method at room temperature. Ionic conductivity was measured after soaking in ultrapure water for at least 24 hours before measurement.

복합막 12 및 13은 가교제의 농도가 0.5%이고, 반응시간이 각각 6시간, 12시간인 경우이고, 복합14 및 15는 가교제의 농도가 1%이고, 반응시간이 각각 6시간,12시간인 경우이다. 또한, 복합막 16 및 17은 가교제의 농도가 2%이고, 반응시간이 각각 6시간, 12시간인 경우이며, 복합막 18 및 19는 가교제의 농도가 5%이고, 반응시간이 각각 6시간, 12시간인 경우이다.Composite membranes 12 and 13 had a crosslinking agent concentration of 0.5% and reaction time of 6 hours and 12 hours, respectively. Composites 14 and 15 had crosslinking agent concentrations of 1% and reaction time of 6 hours and 12 hours, respectively. If it is. In addition, the composite membranes 16 and 17 had a crosslinking agent concentration of 2%, and the reaction time was 6 hours and 12 hours, respectively. The composite membranes 18 and 19 had a crosslinking agent concentration of 5%, and the reaction time was 6 hours, respectively. 12 hours.

각 복합막에 대한 이온전도도 및 메탄올 투과계수는 하기 표 3와 같다.Ion conductivity and methanol permeability coefficient for each composite membrane are shown in Table 3 below.

가교제농도(%)Crosslinking agent concentration (%) 술폰화 반응시간(hr)Sulfonation reaction time (hr) 이온전도도(S/cm)Ion Conductivity (S / cm) 메탄올 투과계수(㎠/s)Methanol Permeability (㎠ / s) 나피온 막Nafion Membrane 00 00 0.0960.096 2.42 × 10-6 2.42 × 10 -6 복합막 12Composite Membrane 12 0.50.5 66 0.0750.075 1.63 × 10-6 1.63 × 10 -6 복합막 13Composite Membrane 13 0.50.5 1212 0.0730.073 1.65 × 10-6 1.65 × 10 -6 복합막 14Composite Membrane 14 1.01.0 66 0.0830.083 0.95 × 10-6 0.95 × 10 -6 복합막 15Composite Membrane 15 1.01.0 1212 0.0810.081 1.07 × 10-6 1.07 × 10 -6 복합막 16Composite Membrane 16 2.02.0 66 0.0910.091 1.32 × 10-6 1.32 × 10 -6 복합막 17Composite Membrane 17 2.02.0 1212 0.0900.090 1.18 × 10-6 1.18 × 10 -6 복합막 18Composite Membrane 18 5.05.0 66 0.0950.095 1.20 × 10-6 1.20 × 10 -6 복합막 19Composite Membrane 19 5.05.0 1212 0.0940.094 1.13 × 10-6 1.13 × 10 -6

실시예 2의 복합막을 술폰화한 후에 이온전도도는 나피온 막과 유사한 값을 보였고, 메탄올 투과계수는 술폰화 전보다는 상승하였으나, 여전히 나피온 막보다 낮은 값을 보이고 있다.After sulfonation of the composite membrane of Example 2, the ion conductivity showed a value similar to that of the Nafion membrane, and the methanol permeability coefficient was higher than that before the sulfonation, but still lower than that of the Nafion membrane.

<실시예 4><Example 4>

실시예 1의 방법과 동일한 반응기에서 아르곤 플라즈마를 이용하여 과불소화술폰산 막의 한 쪽면을 플라즈마 처리한 후, 공기중에서 숙성시키는 과정(에이징: aging)을 거쳐서 표면 개질된 복합막을 제조하였다. 필름을 형성시키는 과정은 거치지 않았다. 이 때 반응기의 압력은 0.3 Torr이였고, 플라즈마 반응시간은 5분이었다. 복합막 20의 플라즈마 파워는 50W였고, 복합막 21은 200W였다. 플라즈마 처리된 고분자 전해질 막의 메탄올 투과도와 이온전도도는 실시예 1 및 3에서와 동일한 방법으로 측정하였다.One surface of the perfluorinated sulfonic acid membrane was plasma treated using argon plasma in the same reactor as that of Example 1, and then the surface-modified composite membrane was prepared by aging in air. The process of forming the film did not go through. At this time, the pressure of the reactor was 0.3 Torr and the plasma reaction time was 5 minutes. The plasma power of the composite film 20 was 50W, and the composite film 21 was 200W. Methanol permeability and ion conductivity of the plasma-treated polymer electrolyte membrane were measured in the same manner as in Examples 1 and 3.

각 복합막에 대한 이온전도도 및 메탄올 투과계수는 하기 표 4와 같다.Ion conductivity and methanol permeability coefficient for each composite membrane are shown in Table 4 below.

플라즈마 파워(W)Plasma Power (W) 메탄올 투과계수(㎠/S)Methanol Permeability Coefficient (㎠ / S) 이온전도도(S/cm)Ion Conductivity (S / cm) 나피온 막Nafion Membrane 2.42 × 10-6 2.42 × 10 -6 0.0960.096 복합막 20Composite Membrane 20 5050 1.52 × 10-6 1.52 × 10 -6 0.0810.081 복합막 21Composite Membrane 21 200200 1.13 × 10-6 1.13 × 10 -6 0.0800.080

상기 표 4에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 복합막 20과 21은 이온전도도는 변화되지 않으면서, 메탄올 투과도는 크게 감소된 것을 알 수 있다.As shown in Table 4, the composite membranes 20 and 21 prepared according to the present invention can be seen that the methanol permeability is greatly reduced without changing the ion conductivity.

본 발명에서는 고분자 전해질 막의 표면을 플라즈마로 처리함으로써, 막 표면의 성질을 개질시켜 연료의 투과도를 감소시켰다. 또한, 본 발명은 고분자 전해질 막 표면을 플라즈마로 처리한 후 플라즈마 유도 그래프팅 반응을 진행시켜 막 표면을 코팅함으로써, 모재의 변형을 유발하지 않으면서도, 우수한 투과 선택도를 주고, 열적으로도 안정한 고분자 전해질 복합막을 제조하였다.In the present invention, the surface of the polymer electrolyte membrane is treated with plasma, thereby modifying the properties of the membrane surface to reduce fuel permeability. In addition, the present invention by treating the surface of the polymer electrolyte membrane with a plasma and then proceeding the plasma-induced grafting reaction to coat the membrane surface, giving excellent permeation selectivity without causing deformation of the base material, thermally stable polymer An electrolyte composite membrane was prepared.

본 발명에 따라 제조되는 플라즈마 표면 코팅막은 결점이 없는 아주 얇은(수백 나노미터 내지 수백 마이크로미터)막으로 제어할 수 있고, 형성된 막의 치밀성 및 높은 가교성으로 인하여 우수한 투과 선택도를 가지며, 열적으로도 안정하다. 본 발명은 플라즈마를 이용하여 막의 표면을 코팅함으로써, 기존의 증착법을 쓴 경우보다 부착력이 좋고, 증착 온도를 낮출 수 있어, 종래의 고온 가열 조건에 수반되는 모재의 변형과 변성을 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 고분자 전해질 복합막을 채용한 연료전지는 전지 성능이 향상된다.The plasma surface coating film prepared according to the present invention can be controlled to a very thin (hundreds of nanometers to hundreds of micrometers) film without defects, and has excellent permeability selectivity due to the compactness and high crosslinkability of the formed film. Stable. In the present invention, by coating the surface of the film using plasma, the adhesion is better than when using the conventional deposition method, and the deposition temperature can be lowered, so that deformation and modification of the base metal accompanying conventional high temperature heating conditions can be reduced. Therefore, the fuel cell employing the polymer electrolyte composite membrane according to the present invention improves battery performance.

또한, 본 발명은 기존의 상용막을 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있으며, 나아가 전해질 막에서 전극과 닿지 않는 외곽부분을 메탄올 비투과성으로 처리함으로서, 고분자 전해질이 가지고 있는 높은 이온전도도를 이용하면서 연료 투과도를 감소시킨 고분자 전해질 복합막을 제조할 수 있다.In addition, the present invention has the advantage that the conventional commercial membrane can be used as it is, furthermore, by treating the outer portion of the electrolyte membrane that does not contact the electrode with methanol impermeability, while reducing the fuel permeability while using the high ion conductivity of the polymer electrolyte. The polymer electrolyte composite membrane can be prepared.

Claims (14)

연료전지용 이온전도성 고분자 전해질 막의 표면을 개질시켜 연료물질의 투과도를 낮추기 위하여, 고분자 전해질 막의 한쪽면 또는 양쪽면의 전체 또는 부분에 대하여 표면 처리 과정을 거치는 복합막 제조 방법으로서,In order to reduce the permeability of the fuel material by modifying the surface of the ion conductive polymer electrolyte membrane for a fuel cell, a composite membrane manufacturing method that is subjected to the surface treatment process on all or part of one side or both sides of the polymer electrolyte membrane, 상기 표면 처리 과정은 플라즈마 처리, 불꽃 처리, 코로나 처리, 자외선 처리, 레이저 처리, 엑스레이 처리, 감마레이 처리, 전자 빔처리, 이온 빔처리, 또는 스퍼터링을 사용하여 고분자 전해질 막의 표면을 처리하는 과정인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법.The surface treatment process is a process of treating the surface of the polymer electrolyte membrane using plasma treatment, flame treatment, corona treatment, ultraviolet treatment, laser treatment, X-ray treatment, gamma ray treatment, electron beam treatment, ion beam treatment, or sputtering. A method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 플라즈마 처리시 플라즈마 조사에 사용되는 기체는 아르곤, 물, 공기, 질소, 산소, 수소, 프레온 기체, 및 메탄, 에탄, 에틸렌, 아세틸렌, 프로판, 부탄을 포함하는 탄화수소 기체로 구성되는 군으로부터 1 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법.The gas used for the plasma irradiation in the plasma treatment is at least one from the group consisting of argon, water, air, nitrogen, oxygen, hydrogen, freon gas, and a hydrocarbon gas containing methane, ethane, ethylene, acetylene, propane, butane Method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell, characterized in that selected. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 고분자 전해질 막은 과불소화술폰산 계통인 나피온 막, 다우 케미칼 막, 플레미온 막, 아씨플렉스 막, 밤 막; 탄화수소 계통인 술폰화된 폴리이미드(PI) 막, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 막, 술폰화된 폴리포스포진 막,술폰화된 폴리에테르술폰(PES) 막, 술폰화된 폴리벤지미다졸 막; 복합막인 프리미어 막, 폴리테트라플로로에틸렌/폴리비닐리덴플로라이드-헥사플로로프로필렌-그래프팅-폴리스티렌 공중합체(PTFE/PVDF-HFP-g-PS) 막, 나피온-실리카 블렌드 막, 나피온-PVDF 블렌드 막, 나피온-포스포텅스틱산(Nafion-phosphotungstic acid) 막; 또는 이온전도성 고분자 전해질이 30 내지 100% 포함된 복합 고분자 전해질 막인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법.The polymer electrolyte membrane may be a perfluorosulfonic acid-based Nafion membrane, Dow Chemical membrane, Flemion membrane, Aciplex membrane, chestnut membrane; Hydrocarbon based sulfonated polyimide (PI) membranes, polyetheretherketone (PEEK) membranes, sulfonated polyphosphosazine membranes, sulfonated polyethersulfone (PES) membranes, sulfonated polybenzimidazole membranes; Composite membrane premier membrane, polytetrafluoroethylene / polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene-grafted-polystyrene copolymer (PTFE / PVDF-HFP-g-PS) membrane, Nafion-silica blend membrane, na Pion-PVDF blend membrane, Nafion-phosphotungstic acid membrane; Or a composite polymer electrolyte membrane containing 30 to 100% of an ion conductive polymer electrolyte. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 플라즈마는 라디오주파수 플라즈마 장치 또는 마이크로파 플라즈마 장치를 이용하여 생성되며, 플라즈마 생성 출력은 10 와트(W) 내지 500 와트의 세기 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법.The plasma is generated using a radiofrequency plasma apparatus or a microwave plasma apparatus, the plasma generation output is a method of producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell, characterized in that the intensity range of 10 watts (W) to 500 watts. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 표면 처리 후, 플라즈마 처리, 불꽃 처리, 코로나 처리, 자외선 처리, 레이저 처리, 엑스레이 처리, 감마레이 처리, 전자 빔처리, 이온 빔처리, 또는 스퍼터링을 사용하여 고분자 전해질 막의 전체 또는 일부 표면에 그래프팅 반응을 진행시켜 상기 전해질 막의 표면에 새로운 고분자 필름을 코팅하는 과정을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법.After the surface treatment, plasma treatment, flame treatment, corona treatment, ultraviolet treatment, laser treatment, X-ray treatment, gamma ray treatment, electron beam treatment, ion beam treatment, or sputtering is used to graf all or part of the surface of the polymer electrolyte membrane. The method of manufacturing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell, characterized in that further comprising the step of proceeding the reaction to coat a new polymer film on the surface of the electrolyte membrane. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 그래프팅 반응에 사용되는 모노머는 스티렌, 스티렌-다이비닐벤젠의 혼합물, 아릴 아민, 아크릴산, 펜텐, 에틸렌, 부타디엔, 사이클로헥센, 비닐아세테이트, 테트라플로로에틸렌, 비닐 플로라이드, 및 비닐리덴 플로라이드로 구성되는 군으로부터 1 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법.Monomers used in the grafting reaction include styrene, a mixture of styrene-divinylbenzene, aryl amine, acrylic acid, pentene, ethylene, butadiene, cyclohexene, vinyl acetate, tetrafluoroethylene, vinyl fluoride, and vinylidene fluoride Method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell, characterized in that at least one selected from the group consisting of. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 모노머에 가교제인 다이비닐벤젠, 에틸렌 글리콜 다이메타아크릴레이트, 다이에틸렌글리콜 다이아크릴레이트, N,N-메틸렌 비스아크릴아마이드, 다이 아릴릭 프탈레이트, 또는 1,3-부탄다이올 다이메타아크릴레이트를 함께 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법.Divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, diethylene glycol diacrylate, N, N-methylene bisacrylamide, diaryl phthalate, or 1,3-butanediol dimethacrylate, which are crosslinking agents, are used as the monomer. A method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell, which is used together. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 그래프팅 반응에 의한 코팅막의 두께는 수십 나노미터 내지 수백 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법.The thickness of the coating film by the grafting reaction is a method of manufacturing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell, characterized in that several tens of nanometers to several hundred micrometers. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 그래프팅 반응에 의한 코팅막의 두께는 1 마이크로미터 내지 20 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법.The thickness of the coating film by the grafting reaction is a method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell, characterized in that 1 to 20 micrometers. 제1항 또는 제5항에 있어서,The method according to claim 1 or 5, 상기 플라즈마에 의한 표면 처리 또는 플라즈마 유도 그래프팅 반응에 의한 표면 코팅 후, 이온전도도 향상을 위한 술폰화 과정을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법.After the surface treatment by the plasma or the surface coating by the plasma induced grafting reaction, a method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell, characterized in that further comprising a sulfonation process for improving the ion conductivity. 제1항 또는 제5항에 있어서,The method according to claim 1 or 5, 상기 방법은 전극 이외의 부분에서 연료인 수소, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올을 포함하는 알콜, 글리세롤, 또는 포름산이 투과되는 것을 방지하기 위하여, 연료전지 전극과 직접 접촉하지 않는 전해질막의 외곽부분을 표면처리하여 연료 투과성 및 이온전도도를 감소시키거나 제거하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 복합막의 제조 방법.The method is to surface-treat the outer portion of the electrolyte membrane that is not in direct contact with the fuel cell electrode in order to prevent the permeation of alcohol, glycerol, or formic acid, including fuel, hydrogen, methanol, ethanol, isopropanol, from the parts other than the electrode A method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell, characterized by reducing or eliminating fuel permeability and ion conductivity. 상기 제1항 내지 제11항에 기재된 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질 복합막.A polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell, which is produced by the method according to claim 1. 상기 제12항의 연료전지용 고분자 전해질 복합막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해질막-전극 접합체.An electrolyte membrane-electrode assembly comprising the polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell of claim 12. 상기 제1항 내지 제11항에 기재된 방법에 의하여 제조되는 연료전지용 고분자 전해질 복합막 또는 제13항의 전해질막-전극 접합체를 포함하여 구성되는 것을특징으로 하는 연료전지.A fuel cell comprising a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell or an electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 13 produced by the method according to claim 1.
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