KR20060004442A - Method for preparing polymer electrolyte membrane and membrane thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자 전해질 막의 제조방법 및 그 고분자 전해질 막에 관한 것으로, 특히 공지의 나피온 고체 전해질 고분자에 대하여 동등이상의 전도도를 가지면서도 수분에 따른 스웰링(Swelling)을 최소화하고, 낮은 메탄올 투과성을 가져 메탄올 크로스오버를 개선할 수 있는 고분자 전해질 막을 고효율로 용이하게 제조할 수 있는 고분자 전해질 막의 제조방법 및 그 제조방법에 의하여 제조되는 고분자 전해질 막에 관한 것으로, 소수성 다공성 고분자막을 준비하는 단계 및 초임계 유체를 용매로 하여, 상기 초임계 유체의 초임계 조건에서, 상기 소수성 다공성 고분자막의 기공내에 이온전도성 고분자의 단량체를 삽입하고 상기 기공내에 이온전도성 고분자를 중합하여 채우는 중합단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법 및 그 고분자 전해질 막에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a polymer electrolyte membrane and a polymer electrolyte membrane, and in particular, having a conductivity of equal to or higher than that of a known Nafion solid electrolyte polymer, minimizing swelling according to moisture, and having low methanol permeability. The present invention relates to a method for preparing a polymer electrolyte membrane capable of easily producing a polymer electrolyte membrane capable of improving methanol crossover and a polymer electrolyte membrane prepared by the method, and to preparing a hydrophobic porous polymer membrane and a supercritical fluid. And a polymerization step of inserting a monomer of an ion conductive polymer into pores of the hydrophobic porous polymer membrane and superposingly polymerizing the ion conductive polymer in the pores under supercritical conditions of the supercritical fluid. Method for producing electrolyte membrane The polymer electrolyte membrane is related.

고분자, 전해질 막, 초임계Polymer, electrolyte membrane, supercritical

Description

고분자 전해질 막의 제조방법 및 그 고분자 전해질 막{ METHOD FOR PREPARING POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE AND MEMBRANE THEREOF}Manufacturing Method of Polymer Electrolyte Membrane and Its Polymer Electrolyte Membrane {METHOD FOR PREPARING POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE AND MEMBRANE THEREOF}

도 1은 본 발명의 초임계 유체의 하나인 이산화탄소의 삼태 및 초임계 상태를 나타내는 개략적인 온도-압력 선도이다.1 is a schematic temperature-pressure diagram showing the three and supercritical states of carbon dioxide, one of the supercritical fluids of the present invention.

도 2는 본 발명의 고분자 전해질 막의 제조방법을 실시하기 위한 초임계 반응기의 일 실시예에 대한 시스템 개략도이다.2 is a system schematic diagram of one embodiment of a supercritical reactor for carrying out the method of preparing a polymer electrolyte membrane of the present invention.

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

1 : 가스실린더 2 : 압력계1: gas cylinder 2: pressure gauge

3 : 압축기 4 : 부스터3: compressor 4: booster

5 : 오토클레이브 6 : 가열로5: autoclave 6: heating furnace

본 발명은 고분자 전해질 막의 제조방법 및 그 고분자 전해질 막에 관한 것으로, 특히 공지의 나피온 고체 전해질 고분자에 대하여 동등이상의 전도도를 가지면서도 수분에 따른 스웰링(Swelling)을 최소화하고, 낮은 메탄올 투과성을 가져 메탄올 크로스오버를 개선할 수 있는 고분자 전해질 막을 고효율로 용이하게 제조 할 수 있는 고분자 전해질 막의 제조방법 및 그 제조방법에 의하여 제조되는 고분자 전해질 막에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a polymer electrolyte membrane and a polymer electrolyte membrane, and in particular, having a conductivity of equal to or higher than that of a known Nafion solid electrolyte polymer, minimizing swelling according to moisture, and having low methanol permeability. The present invention relates to a method for preparing a polymer electrolyte membrane which can easily produce a polymer electrolyte membrane capable of improving methanol crossover, and a polymer electrolyte membrane prepared by the method.

일반적으로 연료전지는 탄화수소 계열 또는 수소를 연료로 하여 이에 포함되어 있는 탄소 또는 수소와 공기중의 산소가 전기화학반응을 통하여 직접 전기 에너지로 변환되는 장치로서, 반응에 따른 부산물이 물 또는 이산화탄소와 같은 청정부산물이고, 고효율의 발전이 가능하다는 장점으로 인하여 차세대 연료에너지 기술로서 제안되어지고 있다.In general, a fuel cell is a device in which a hydrocarbon-based or hydrogen is used as a fuel, and carbon or hydrogen and oxygen contained in the air are directly converted into electrical energy through an electrochemical reaction. It is a clean by-product and has been proposed as the next generation fuel energy technology because of its high efficiency.

이러한 연료전지의 종류는 알칼리형, 인산형, 용융탄산염, 고체산화물형, 고체 고분자 전해질형 및 직접메탄올형으로 분류되고 있으며, 이중에서 전해질에 의한 부식이나 증발의 위험이 없고 높은 전류밀도를 얻을 수 있으며, 비교적 저온에서 동작하는 장점으로 인하여 고체 고분자 전해질형 및 직접메탄올형 연료전지에 대하여 많은 관심이 기울여지고 있다.These fuel cells are classified into alkali type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, solid polymer electrolyte type, and direct methanol type. Among them, there is no risk of corrosion or evaporation by electrolyte and high current density can be obtained. In addition, due to the advantages of operating at a relatively low temperature, much attention has been paid to the solid polymer electrolyte type and direct methanol type fuel cell.

상기 고체 고분자 전해질형 및 직접메탄올형 연료전지에 사용되는 전해질 막으로는 대표적으로 나피온(Nafion)을 들 수 있는데, 상기 나피온 막의 경우는 현재까지 개발된 수소이온 전도막으로는 가장 우수한 전도도를 가지는 것으로 알려져 가장 많이 사용되고 있는 실정이나 가격이 고가이고, 저항을 줄이기 위하여 얇게 만들기가 힘들며, 특히 구조적으로 습식환경에서 전도도를 가지기 때문에 장시간 사용시 스웰링 등에 의하여 효율이 급격히 감소하며, 직접메탄올형 연료전지의 경우에 있어서는 메탄올 크로스오버가 발생하여 연로전지의 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다. The electrolyte membrane used in the solid polymer electrolyte type and direct methanol type fuel cell may include Nafion, and the Nafion membrane may have the highest conductivity as a hydrogen ion conductive membrane developed to date. It is known to have the most common use, but the price is high, and it is difficult to make it thin to reduce the resistance. In particular, since it has structural conductivity in the wet environment, the efficiency is drastically reduced by swelling for a long time, and it is a direct methanol fuel cell. In the case of Methanol crossover occurs, there is a problem in reducing the efficiency of the fuel cell.                         

따라서 이러한 문제점을 개선하기 위하여 나피온 표면에 금속나노 입자를 코팅하거나, 무기/유기 혼성막을 개발하거나, 나피온의 표면에 메탄올 침투방지용 표면처리를 하거나, 나피온과 다른 고분자를 적당한 용제에 녹여 이종 복합필름을 제조하는 방법들이 제안되었다.Therefore, in order to improve these problems, metal nanoparticles are coated on the surface of Nafion, inorganic / organic hybrid membranes are developed, surface treatment for methanol penetration prevention on the surface of Nafion, or Nafion and other polymers are dissolved in a suitable solvent. Methods for producing a composite film have been proposed.

이중에서 다공성 고분자막의 기공에 수소이온 전도성 고분자를 충진하는 수소이온 전해질 막 제조기술이 일본 특허 JP 2003-263998A에 소개되었으나 상기 방법은 일종 또는 여러 종의 수소이온 전도성 고분자를 기재인 고분자 박막에 화학적으로 결합시키는 중합반응을 통하여 수소이온 전도성을 갖게 하기 때문에 제조방법이 까다롭고 그 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.Among them, a technique for preparing a hydrogen ion electrolyte membrane that fills the pores of a porous polymer membrane with a hydrogen ion conductive polymer was introduced in Japanese Patent JP 2003-263998A, but the method is chemically applied to a polymer thin film based on one or several kinds of hydrogen ion conductive polymers. Since the hydrogenation conductivity is made through the polymerization reaction to bond, there is a problem that the manufacturing method is difficult and the economical efficiency is inferior.

또한 미국특허 US 5547551과 US 6425993 B1의 경우에는 얇은 다공성 고분자 박막을 나피온과 같은 수소이온 전달 고분자가 녹아 있는 용액에 넣고 미세한 기공에 수소이온 전달물질을 함침시키는 방법이 제안되었으나 나피온이 다공성 고분자의 구멍에 함침되어도 나피온 분자의 이온성 부분이 소수성 탄화수소 부분과 편중 분리되어, 수화된 이온성 부분으로 메탄올 성분이 침투하여 투과되는 현상을 방지할 수 없는 문제점이 있으며, 실제적인 제조에 있어서 상기 수소이온 전달 고분자를 미세한 기공에 고르게 함침시키는 것이 용이하지 않은 문제점이 있다.In the case of US Patents US Pat. No. 5,547,551 and 6425993 B1, a method of impregnating hydrogen ion transport materials into fine pores by introducing a thin porous polymer thin film into a solution in which a hydrogen ion transport polymer such as Nafion is dissolved is proposed. Even if impregnated in the hole of the ionic portion of the Nafion molecules are separated from the hydrophobic hydrocarbon portion in a partial separation, the methanol component infiltrated into the hydrated ionic portion can not prevent the phenomenon of permeation. There is a problem that it is not easy to impregnate the hydrogen ion transfer polymer evenly in the fine pores.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 공지의 나피온 고체 전해질 고분자에 대하여 동등이상의 전도도를 가지면서도 수분에 따른 스웰링을 최소화하고, 낮은 메탄올 투과성을 가져 메탄올 크로스오버를 개선할 수 있는 고분 자 전해질 막의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 고분자 전해질 막을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the problems of the prior art as described above, the present invention has a conductivity equal to or higher than that of a known Nafion solid electrolyte polymer, while minimizing swelling according to moisture, and having low methanol permeability, thereby improving methanol crossover. It is an object of the present invention to provide a method for producing a polymer electrolyte membrane and a polymer electrolyte membrane produced thereby.

또한 본 발명은 상기 조건을 만족함과 동시에 고효율로 용이하게 이를 제조할 수 있는 전해질 막의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 고분자 전해질 막을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a method for producing an electrolyte membrane which can be easily produced with high efficiency while satisfying the above conditions and a polymer electrolyte membrane produced thereby.

이외에 본 발명은 친수성 또는 소수성의 이온 전도성 고분자가 소수성 다공성 고분자 막의 기공을 고르게 채우고, 기공내에서는 이온 전도성 고분자의 이온성 부분의 편중 없이 고르게 배치되도록 할 수 있는 전해질 막의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 고분자 전해질 막을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention provides a method for preparing an electrolyte membrane and a polymer prepared thereby allowing the hydrophilic or hydrophobic ion conductive polymer to uniformly fill pores of the hydrophobic porous polymer membrane, and evenly disposed within the pores without bias of the ionic portion of the ion conductive polymer. It is an object to provide an electrolyte membrane.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 The present invention to achieve the above object

소수성 다공성 고분자막을 준비하는 단계; 및Preparing a hydrophobic porous polymer membrane; And

초임계 유체를 용매로 하여, 상기 초임계 유체의 초임계 조건에서, 상기 소수성 다공성 고분자막의 기공내에 이온전도성 고분자의 단량체를 삽입하고 상기 기공내에 이온전도성 고분자를 중합하여 채우는 중합단계Polymerization step of using a supercritical fluid as a solvent, in the supercritical conditions of the supercritical fluid, the monomer of the ion conductive polymer is inserted into the pores of the hydrophobic porous polymer membrane and polymerized and filled with the ion conductive polymer in the pores

를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a polymer electrolyte membrane comprising a.

또한 본 발명은 In addition, the present invention

상기 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막을 제공한다.It provides a polymer electrolyte membrane, which is prepared by the production method.

이하 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.                     

본 발명은 고분자 전해질 막의 제조방법에 관한 것으로 소수성 다공성 고분자막을 준비하는 단계 및 초임계 유체를 용매로 하여, 상기 초임계 유체의 초임계 조건에서, 상기 소수성 다공성 고분자막의 기공내에 이온전도성 고분자의 단량체를 삽입하고 상기 기공내에 이온전도성 고분자를 중합하여 채우는 중합단계를 포함하여 구성된다.The present invention relates to a method for preparing a polymer electrolyte membrane, comprising preparing a hydrophobic porous polymer membrane and using a supercritical fluid as a solvent, under supercritical conditions of the supercritical fluid, monomers of the ion conductive polymer in the pores of the hydrophobic porous polymer membrane. And a polymerization step of inserting and polymerizing and filling an ion conductive polymer in the pores.

즉, 메탄올과의 반응을 억제하고, 이를 통하여 스웰링 및 메탄올 크로스오버를 막기 위하여 본 발명의 고분자 전해질 막은 소수성의 다공성 고분자막을 기지로 한다. 따라서 이온 전도성 고분자를 포함하기 위한 소수성 다공성 고분자막을 준비한다. 상기 소수성 다공성 고분자막에는 소수성의 공지의 다양한 고분자 막이 사용될 수 있으며, 특히 불소계 고분자, 탄화수소계 고분자, 또는 이들의 공중합체를 사용할 수 있으며 상기 불소계 고분자로는 poly (tetrafluoroethylene), poly (vinylidene fluoride), poly (trichlorofluoroethylene), poly(vinylfluoride) 등이 이용가능하며, 탄화수소계 고분자로는 polyolefin계, polysilane계, polyester계, polyamide계, polyacrylate계, polyvinyl chloride계, polycarbonate계, polyimide계 등이 사용될 수 있고, 이들이 다공성 구조를 갖기 위하여 다양한 공지의 방법이 적용될 수 있으며, 이에 대한 예로는 상기 중합체에 용매와 가소제를 혼합하여 필름으로 제조한 후에 용매 추출법을 통하여 가소제를 추출하는 등의 방법을 통하여 다공성 구조를 얻을 수 있다. 또한 상업적으로 유용한 PP, Kapton(듀퐁사), Teflon(듀퐁사), U-Pore(우베사), Bayfol(Bayer Dormagon사), UPILEX(우베사) 등의 제품을 사용할 수도 있다. That is, the polymer electrolyte membrane of the present invention is based on a hydrophobic porous polymer membrane in order to suppress the reaction with methanol and thereby prevent swelling and methanol crossover. Therefore, a hydrophobic porous polymer membrane for preparing an ion conductive polymer is prepared. As the hydrophobic porous polymer membrane, various known hydrophobic polymer membranes may be used, and in particular, a fluorine-based polymer, a hydrocarbon-based polymer, or a copolymer thereof may be used. The fluorine-based polymer may be poly (tetrafluoroethylene), poly (vinylidene fluoride), poly (trichlorofluoroethylene), poly (vinylfluoride) and the like are available, and hydrocarbon-based polymers may be used such as polyolefin, polysilane, polyester, polyamide, polyacrylate, polyvinyl chloride, polycarbonate, polyimide, etc. Various known methods may be applied to have a porous structure, and examples thereof may include a solvent and a plasticizer mixed with the polymer to prepare a film, and then obtain a porous structure by extracting a plasticizer through a solvent extraction method. have. Commercially available PP, Kapton (Dupont), Teflon (Dupont), U-Pore (Ubesa), Bayfol (Bayer Dormagon), and UPILEX (Ubesa) can also be used.                     

또한 상기 소수성 다공성 고분자막의 형상은 그 두께가 1 ㎛ 내지 1 ㎜이고, 기공의 크기는 1 ㎚ 내지 10 ㎛이고, 기공의 면적이 전체면적의 10 내지 90 %인 것이 전도성 및 막의 저항 감소측면에서 바람직하며, 더욱 바람직하게는 그 두께가 5 ㎛ 내지 300 ㎛이고, 평균 기공의 직경이 10 ㎚ 내지 1 ㎛이고, 기공의 면적이 전체면적의 20 내지 80 %인 것이 적정한 막의 강도 유지 및 전도성 확보와 막(membrane)저항 감소 측면에서 좋다.In addition, the hydrophobic porous polymer membrane has a thickness of 1 μm to 1 mm, a pore size of 1 nm to 10 μm, and a pore area of 10 to 90% of the total area, in terms of conductivity and reduction of resistance of the membrane. More preferably, the thickness is 5 μm to 300 μm, the average pore diameter is 10 nm to 1 μm, and the pore area is 20 to 80% of the total area to maintain proper membrane strength and to secure conductivity. (membrane) Good for reducing resistance.

상기 준비된 다공성 소수성 고분자 막에 초임계 유체를 용매로 하여, 상기 초임계 유체의 초임계 조건에서, 상기 소수성 다공성 고분자막의 기공내에 이온전도성 고분자의 단량체를 삽입하고 상기 기공내에 이온전도성 고분자를 중합하여 채우는 중합단계를 실시한다. 즉, 본 발명의 고분자 전해질 막의 제조방법은 이온 전도성 고분자를 고분자 상태로 함침시키지 않고, 단량체 형태로 함침한 후에 중합이 기공내부에서 이루어질 뿐만 아니라 이러한 함침 및 중합이 초임계 용매내에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 것으로 고분자 상태의 함침은 함침입자의 거대화에 따라 미세 기공에 함침이 용이하지 않으므로 이를 개선하기 위하여 단량체를 상기 기공내에 넣은 후에 중합반응을 통하여 이온 전도성 고분자가 형성되도록 한다. 특히 상기 함침 및 중합시에 환경을 초임계 유체내에서 실시함으로써 초임계 유체가 가지는 우수한 확산력 및 낮은 점도를 이용하여 상기 단량체의 기공내 유입을 용이하게 하는 효과를 얻을 수 있다. 특히, 초임계 유체가 고분자내에 유입되면 이의 가소화 작용이 활발하게 일어나 고분자의 유리전이온도가 저하되는 특성이 있으며, 이를 통하여 단량체의 함침량을 늘려 전도도 향상을 도모할 수 있으며, 친수 성 또는 소수성의 이온 전도성 고분자가 소수성 다공성 고분자 막의 기공을 고르게 채우고, 기공내에서는 이온 전도성 고분자의 이온성 부분의 편중 없이 고르게 배치되도록 할 수 있다.Supercritical fluid as a solvent in the prepared porous hydrophobic polymer membrane, under supercritical conditions of the supercritical fluid, the monomer of the ion conductive polymer is inserted into the pores of the hydrophobic porous polymer membrane and polymerized by filling the ion conductive polymer in the pores The polymerization step is carried out. In other words, the method for producing a polymer electrolyte membrane of the present invention is characterized in that the polymerization is not performed inside the pores after the impregnation of the ion conductive polymer in the polymer state, but is performed in the supercritical solvent as well as the polymerization is carried out in the pores. Since the impregnation of the polymer state is not easy to impregnate the fine pores according to the size of the impregnated particles, the ion conductive polymer is formed through the polymerization reaction after the monomer is put into the pores to improve this. In particular, by conducting the environment in the supercritical fluid during the impregnation and polymerization, it is possible to obtain the effect of facilitating the inflow of the monomer into the pores by using the excellent diffusion force and low viscosity of the supercritical fluid. In particular, when the supercritical fluid flows into the polymer, its plasticizing action is active and the glass transition temperature of the polymer is lowered. Through this, the impregnated amount of the monomer can be increased to improve conductivity, and hydrophilic or hydrophobic. The ion conductive polymer of may evenly fill the pores of the hydrophobic porous polymer membrane, and evenly disposed within the pores without biasing the ionic portion of the ion conductive polymer.

상기 초임계 유체는 고유 임계점(삼중점) 이상의 압력과 온도에서 기체상과 유사한 확산계수, 점도 등의 전달물성을 갖고 액체상과 비슷한 밀도를 갖도록 조절시켜 놓은 양면성 상태하의 유체를 의미하는 것으로 이산화탄소, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 사이클로헥산, 이소프로판올, 벤젠, 톨루엔, 암모니아, 물, 산화질소 등의 공지의 고분자 중합반응에 이용 가능한 다양한 유체가 적용될 수 있으며, 바람직하게는 주위에서 용이하게 얻을 수 있는 측면에서는 물, 메탄올 또는 이산화탄소가 좋으며, 초임계 조건의 유지를 위한 장치의 제작 용이성 등을 고려할 경우에는 이산화탄소 또는 산화질소(N2O)를 사용할 수 있다. 따라서 더욱 바람직하게는 이들 조건을 모두 만족하는 이산화탄소를 이용하는 것이 좋다. 즉, 증류수의 경우는 주변에서 얻기는 용이하나 삼중점(고유 임계점) 조건이 온도는 374.2 ℃, 압력은 217.6 기압으로서 이보다 고온, 고압인 초임계 조건을 얻기 위해서는 매우 큰 고온/고압의 장치가 필요하고, 이산화탄소의 삼중점 조건은 도 1에 도시한 바와 같이 각각 31.1 ℃, 73.8 기압이고 산화질소의 경우도 이와 유사한 조건에 해당하므로 낮은 온도 및 압력에서 초임계조건을 형성할 수 있으므로 저가로도 초임계 반응기를 구성할 수 있는 장점이 있다. 이에 대한 일 실시예는 도 2에 도시한 바와 같다. 뿐만 아니라 이산화탄소의 경우는 자연에 무한량으로 존재하며, 제철 또는 석유화학산업에서 폐기물로 다량발생하고 있으며, 무색, 무취이면서 화학적으로 안 전하여 용매로 사용하기에 유리한 조건을 갖추고 있다.The supercritical fluid refers to a fluid under a bilateral state that is controlled to have a density similar to that of the liquid phase with a transfer property such as diffusion coefficient and viscosity similar to that of the gas phase at a pressure and temperature above an intrinsic critical point (triple point). Various fluids available for known polymer polymerization reactions such as ethylene, propane, propylene, cyclohexane, isopropanol, benzene, toluene, ammonia, water, and nitric oxide can be applied, and in terms of being easily obtained from the surroundings, Water, methanol or carbon dioxide is preferred, and carbon dioxide or nitric oxide (N 2 O) may be used when considering the ease of manufacture of the device for maintaining the supercritical conditions. Therefore, it is more preferable to use carbon dioxide that satisfies all these conditions. In other words, distilled water is easy to obtain from the surroundings, but the triple point (intrinsic critical point) condition has a temperature of 374.2 ° C. and a pressure of 217.6 atm. , The triple point condition of carbon dioxide is 31.1 ° C. and 73.8 atm, respectively, as shown in FIG. 1, and in the case of nitrogen oxide, the same condition is similar, so supercritical reactors can be formed at low temperatures and pressures. There is an advantage that can be configured. One embodiment thereof is as shown in FIG. 2. In addition, carbon dioxide is present in an infinite amount in nature, a large amount is generated as a waste in the steelmaking or petrochemical industry, it is colorless, odorless and chemically safe and has a favorable condition for use as a solvent.

또한 상기 이온전도성 고분자의 단량체는 공지의 다양한 이온 전도성 고분자의 합성에 이용되는 친수성 단량체가 이에 해당하며, 이에는 상기 이온전도성 고분자가 수소이온인 경우를 포함한다. 이러한 이온전도성 고분자의 단량체의 예로는 술폰산, 아인산의 유도체 등을 들 수 있으며, 이에 대한 구체예로는 아크릴술폰산나트륨, 메타크릴술폰산나트륨, 스티렌술폰산나트륨, 아크릴산, 알릴아민, 알릴술폰산, 알릴아인산, 메타크릴술폰산, 메타크릴호스혼산, 비닐술폰산, 비닐아인산, 스티렌술폰산, 스티렌아인산, 아크릴아미드의 술폰산, 에틸렌이민, 메타크릴산 등의 구조중에 비닐기, 술폰산, 아인산 등의 강산기, 카르복실기 등의 약산기, 1급 내지 4급 아민과 같은 강염기, 약염기를 가지는 단량체 및 그 에스테르 등의 유도체가 포함될 수 있다.In addition, the monomer of the ion conductive polymer corresponds to a hydrophilic monomer used in the synthesis of various known ion conductive polymers, and this includes the case where the ion conductive polymer is a hydrogen ion. Examples of the monomer of the ion conductive polymer include sulfonic acid and derivatives of phosphorous acid. Specific examples thereof include sodium acrylate sulfonate, sodium methacrylate sulfonate, sodium styrene sulfonate, acrylic acid, allylamine, allylsulfonic acid, allyl phosphoric acid, Strong acids such as vinyl groups, sulfonic acids, phosphorous acids, carboxyl groups, etc. in the structures of methacrylic sulfonic acid, methacrylic hose mixed acid, vinyl sulfonic acid, vinyl phosphoric acid, styrene sulfonic acid, styrene phosphoric acid, sulfonic acid of acrylamide, ethyleneimine, methacrylic acid, etc. Derivatives such as weak acid groups, strong bases such as primary to quaternary amines, monomers having weak bases, and esters thereof may be included.

또한 이러한 단량체를 1종만 이용하여 호모폴리머(Homopolymer) 형태를 구성할 수도 있고, 2종 이상 이용하여 코폴리머(Copolymer) 형태를 구성할 수도 있다.In addition, by using only one type of such a monomer may form a homopolymer (Homopolymer) form, or by using two or more types may form a copolymer (Copolymer) form.

상기 단량체의 중합방법으로는 공지의 다양한 중합방법이 이에 적용될 수 있음은 물론이며, 이에 대한 예로는 개시제 투입 등을 통한 중합을 들 수 있다.As a polymerization method of the monomer, various known polymerization methods may be applied thereto, and examples thereof include polymerization through an initiator addition.

또한 본 발명은 이상과 같이 기술된 상기의 방법으로 제조된 복합체 형태의 고분자 전해질 막을 제공한다. 상기 고분자 전해질 막은 다공구조의 소수성 기지에 이온전도성 고분자가 채워진 형태의 복합체 구조를 가지게된다.In another aspect, the present invention provides a polymer electrolyte membrane in the form of a composite prepared by the above-described method. The polymer electrolyte membrane has a composite structure in which a hydrophobic matrix of a porous structure is filled with an ion conductive polymer.

본 발명의 전해질 막은 공지의 다양한 형태의 연료전지에 적용될 수 있으며 특히, 고분자 고체 전해질 막의 이온 전도성을 이용하는 형태이고 본 발명에 따른 친수성 이온 전도성 고분자 막의 스웰링 문제의 개선효과를 크게 얻을 수 있는 고분자 전해질 연료전지에 적용할 수 있으며, 바람직하게는 메탄올 크로스오버의 개선을 통하여 고효율의 연료전지를 구성할 수 있으므로 직접메탄올형 연료전지 또는 개질형 메탄올 연료전지에 적용할 수 있으며, 이중에서도 현재 실제 응용이 가시화되고 있는 직접메탄올형 연료전지에 이용하는 것이 더욱 바람직하다.The electrolyte membrane of the present invention can be applied to a variety of known fuel cells, and in particular, a form using the ion conductivity of the polymer solid electrolyte membrane and a polymer electrolyte capable of greatly improving the swelling problem of the hydrophilic ion conductive polymer membrane according to the present invention. It can be applied to fuel cells, and it can be applied to direct methanol fuel cell or reformed methanol fuel cell, because high efficiency fuel cell can be constructed through improvement of methanol crossover. It is more preferable to use it for the direct methanol fuel cell visualized.

본 발명의 고분자 전해질 막의 제조방법 및 그 고분자 전해질 막에 따르면, 이온 전도성 고분자를 고분자 상태로 함침시키지 않고, 단량체 형태로 함침한 후에 중합이 기공내부에서 이루어질 뿐만 아니라 이러한 함침 및 중합이 초임계 용매내에서 이루어지도록 하여 초임계 유체가 가지는 우수한 확산력 및 낮은 점도를 이용하여 상기 단량체의 기공내 유입을 용이하게 하고 단량체의 함침량을 늘려 전도도 향상을 도모하고, 친수성 또는 소수성의 이온 전도성 고분자가 소수성 다공성 고분자 막의 기공을 고르게 채울 수 있는 장점이 있다.According to the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane of the present invention and the polymer electrolyte membrane, the polymerization is not only performed inside the pores after the impregnation of the ion conductive polymer in the polymer state, but also in the form of monomers, and such impregnation and polymerization is carried out in the supercritical solvent. By utilizing the excellent diffusion force and low viscosity of the supercritical fluid to facilitate the inflow of the monomer in the pores and to increase the amount of monomer impregnation to improve the conductivity, hydrophilic or hydrophobic ion conductive polymer is a hydrophobic porous polymer It has the advantage of evenly filling the pores of the membrane.

따라서 이를 통하여 공지의 나피온 고체 전해질 고분자에 대하여 동등이상의 전도도를 가지며, 기지는 소수성의 고분자를 적용함으로써 이온전도에 요구되는 수분에 따른 스웰링을 최소화하여 고분자 전해질 막 및 연료전지의 내구성을 확보할 수 있는 장점이 있다.Therefore, it has a conductivity equal to or higher than that of known Nafion solid electrolyte polymers, and by applying a hydrophobic polymer, the base minimizes swelling according to the water required for ion conductivity, thereby securing durability of the polymer electrolyte membrane and fuel cell. There are advantages to it.

또한 기지가 가지는 소수성 특성, 및 초임계 중합조건에 따른 기공내에서의 이온 전도성 고분자의 이온성 부분의 편중 없는 고른 배치를 통하여 낮은 메탄올 투과성을 가지므로 메탄올 크로스오버를 개선하여 고효율을 갖는 직접메탄올형 연 료전지 또는 개질메탄올형 연료전지용 고분자 전해질 막을 얻을 수 있으며, 이를 이용한 개선된 직접메탄올형 연료전지 또는 개질메탄올형 연료전지를 얻을 수 있다.In addition, it has low methanol permeability through the hydrophobic nature of the matrix and evenly distributed arrangement of the ionic portion of the ion conductive polymer in the pores according to the supercritical polymerization conditions. A polymer electrolyte membrane for a fuel cell or a reformulated methanol fuel cell can be obtained, and an improved direct methanol fuel cell or a reformed methanol fuel cell can be obtained using the same.

또한 본 발명을 통한 제조방법의 경우는 상기 조건을 만족함과 동시에 고효율로 용이하게 전해질 막을 제조할 수 있는 장점이 있다. In addition, the manufacturing method according to the present invention has the advantage of being able to easily prepare the electrolyte membrane with high efficiency while satisfying the above conditions.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 상세한 설명 및 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.The present invention described above is not limited to the above-described detailed description and drawings, and various modifications and changes made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. Of course, it is also included within the scope of the present invention.

Claims (9)

소수성 다공성 고분자막을 준비하는 단계; 및Preparing a hydrophobic porous polymer membrane; And 초임계 유체를 용매로 하여, 상기 초임계 유체의 초임계 조건에서, 상기 소수성 다공성 고분자막의 기공내에 이온전도성 고분자의 단량체를 삽입하고 상기 기공내에 이온전도성 고분자를 중합하여 채우는 중합단계Polymerization step of using a supercritical fluid as a solvent, in the supercritical conditions of the supercritical fluid, the monomer of the ion conductive polymer is inserted into the pores of the hydrophobic porous polymer membrane and polymerized and filled with the ion conductive polymer in the pores 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.Method for producing a polymer electrolyte membrane comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 소수성 다공성 고분자막은 불소계, 탄화수소계 또는 이들의 공중합체인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.The hydrophobic porous polymer membrane is a method for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that the fluorine-based, hydrocarbon-based or a copolymer thereof. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 소수성 다공성 고분자막은 그 두께가 1 ㎛ 내지 1 ㎜이고, 기공의 크기는 1 ㎚ 내지 10 ㎛이고, 기공의 면적이 전체면적의 10 내지 90 %인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.The hydrophobic porous polymer membrane has a thickness of 1 μm to 1 mm, a pore size of 1 nm to 10 μm, and a pore area of 10 to 90% of the total area. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 초임계 유체는 이산화탄소 또는 산화질소인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.The supercritical fluid is a method for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that carbon dioxide or nitrogen oxides. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 이온전도성 고분자의 단량체는 술폰산, 아인산의 유도체인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.The monomer of the ion conductive polymer is a method for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that the derivative of sulfonic acid, phosphorous acid. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막.A polymer electrolyte membrane, which is prepared by the method according to any one of claims 1 to 5. 제6항의 고분자 전해질 막을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지.A fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane of claim 6. 제6항의 고분자 전해질 막을 가지는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지.A polymer electrolyte fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane of claim 6. 제6항의 고분자 전해질 막을 가지는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올형 연료전지.A direct methanol fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane of claim 6.
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