KR20040092332A - 폴링에 의한 고분자전해질연료전지용 고분자막의이온전도도 향상 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자전해질연료전지(PEMFC)의 전해질 막으로 사용되는 고체고분자막의 이온전도도를 향상시키기 위한 방법으로서, 막을 구성하고 있는 성분의 배향을 제어하여 고분자막의 이온전도도를 증가시키는 것이다. 즉 이온이 전달되는 길을 직선화시킨 배향을 갖게 해 이온이 빨리 전달되게 하는 방법으로 외부에서 고분자막에 강한 전기장을 가하면 고분자막 내부의 전기모멘트(electric moment)에 작용해 분자배향이 전기장방향으로 직선화되어 이온전도도가 증가하는 방법에 관한 발명이다.

Description

폴링에 의한 고분자전해질연료전지용 고분자막의 이온전도도 향상 {Enhancement of Ion Conductivity of Polymer Membrane used for PEMFC by Electronic Poling Method}

이온전도성 고분자막은 고체이지만 높은 전도성을 갖고 있어 최근에 고분자전해질 연료전지, 2차전지, 고용량capacitor 등의 용도로 많이 연구 개발되고 있다. 하지만 고체전해질이기 때문에 액상 전해질의 전도도에 미치지 못해 고분자막의 이온전도성 향상연구가 요구되고 있다. 고체와 액체의 중간이라고 할 수 있는 겔 상태의 전해질을 만들어 고체와 액체의 장점을 동시에 갖게 하는 방법도 연구·개발되었는데, 겔 상의 전해질이 양쪽 전극이 접촉하지 않게 하는 역할(separator)을 효과적으로 할 수 있고 누수문제가 없으며 보다 향상된 전하운반체의 이동도(mobility)로 인해 이온전도도가 고체상보다 증가될 수 있다. 겔상에서 고체상보다 이온전도도가 높아지긴 하였지만 아직도 부족하여 고분자막의 이온전도성을 향상시키는 방법으로 막 성분 자체를 변화시키거나 새로운 성분을 첨가하는 방법이 있고 또 다른 방법으로 막을 구성하고 있는 성분의 배향을 제어함으로서 전도도를 증가시킬 수 있다. 즉 이온이 전달되는 길을 직선화시킨 배향을 갖게 함으로서 이온이 빨리 전달되게 하는 것이다. 배향 제어방법에 의한 전도도 향상은 본 연구진에 의해 Poly(styrene-block-4-vinylpyridine)을 미세상 분리하여 3차원 배향된 막으로 확인한 바 있다. 이 때는 막을 제조하는 과정에서 배향을 직선화 시킨 것이고 본 발명은 이미 제조된 막의 배향을 바꾸는 것이다. 외부에서 고분자막에 강한 전기장을 가하면 고분자막내부의 전기모멘트에 작용해 분자배향이 변할 수 있는 원리를 이용한 방법이다. 이와 관련한 연구들은 주로 poling으로 분자배향 변화를 일으켜 광전도도(photo conductivity) 변화가 있음을 보였으나, 본 발명처럼 고분자막에 전기장을 가해 이온전도도를 증가시킨 연구결과 보고는 아직 없다.

고체 고분자막의 이온전도성을 향상시키기 위해 막을 구성하고 있는 성분의 배향을 폴링방법으로 변화시켜 이온전도성을 증가시키는 것이 본 발명이 해결하고자 하는 과제이다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 다음과정의 고분자 막 제조와 폴링방법을 효과적으로 수행하는 방법을 제공한다.

막을 구성하는 고분자물질을 균일하게 혼합한다. 이 고분자 물질들은 전기모멘트가 강하고 상호작용력과 수소결합 등에 의해 혼화성이 좋은 고분자들이다. 여기에 전달시키고자하는 이온 공여체(donor)를 첨가하여 이온 전도도를 향상시킬 수 있게 한다. 이 혼합물을 가열하거나 적당한 용매를 사용해 균일한 sol이나 용액상태가 되게 한다. 용액이 너무 묽을 경우에는 일정온도에서 용매를 증발시킨다. 캐스팅, 프레싱 등의 방법에 의해 일정 두께의 얇은 막으로 성형하고 건조하여 겔 형태의 막을 만든다. 직류가 공급되는 두 전극 중 한쪽 극 위에 고분자막을 고정하고 다른 쪽 극은 일정 간격으로 떼어놓은 상태에서 전기장(5∼20 kV/cm)을 30∼90분간 가해 막을 poling한다. 이 때 막의 유연성을 위해 상온보다 높은 일정 온도에서 폴링을 해 막 성분의 배열 변화 효과를 향상시킬 수도 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예] PVDF/PMMA 막의 제조 및 Poling

Glove box 내에서 Propylene Carbonate와 PVDF(poly(vinylidine fluoride))를 80℃로 가열하면서 혼합하여 용해한 후 여기에 Ethylene Carbonate(EC)와 salicylic acid(SA)를 넣으면서 교반하고, 마지막으로 PMMA(poly (methylmethaacrylate))와 MF(methylformamide)를 넣고 잘 교반해 균일한 상태가 되게 한다. 각 시약의 함량은 PVDF, PMMA, PC, SA, MF를 각각 중량 ％로 20, 25, 40, 10, 5％로 하여 막을 제조하였다. Vacuum Oven 에서 PC 등 solvent를 증발시킨 후 막을 일정 두께로 pressing하여 제조한다. 고분자막을 High Voltage Power Supplier(Stanford PS 350, 5000V-25W)의 한쪽 극에 접착하고 다른 쪽 극은 고분자막과 분리된 상태에서 90분간 상온에서10kV/cm을 가하였다. 막의 이온 전도도는 스텐레스 스틸 두 전극 사이에 고분자막을 넣고 인피던스분석 방법(EG&G 263A Potentiostat + Lock-in Amplifier)에 의해 측정하였다. 폴링 전후의 막의 이온전도도를 측정한 결과 폴링에 의해 약 10배 정도의 이온전도도 향상을 보였다.

이온 전도성 고분자막은 여러 장점 때문에 리튬폴리머전지, 고분자전해질 연료전지, supercapacitor 등의 여러 용도로 연구개발 되고 있다. 다양한 용도로 이용되는 이온전도성 고분자 막의 전도도를 향상시키는데 본 발명의 폴링방법을 적용시킬 수 있다.

Claims (1)

1. 고분자전해질 연료전지용 고분자전해질막의 이온전도도를 향상시키기 위한 방법으로 내부에 전기모멘트가 있는 막에 외부에서 강한 전기장을 가해 막 내부의 배향을 변화시키는 폴링방법