KR20080039615A - Composite electrolyte membrane and fuel cell using the same - Google Patents

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Abstract

A composite electrolyte membrane is provided to prevent degradation of the membrane by removing hydroxy radicals generated during an operation of a fuel cell, and to exhibit stabler performances at high temperature. A composite electrolyte membrane includes a proton conducting polymer, and carbon nanotubes dispersed in a matrix of the proton conducting polymer. The carbon nanotubes remove hydroxy radicals generated by crossover of a fuel gas. The carbon nanotubes absorb the hydroxy radicals, and the hydroxy radicals absorbed into the carbon nanotubes are removed by combining with the carbon nanotubes or impurities contained in the carbon nanotubes. The carbon nanotube has a length of 10-5000 nm, an outer diameter of 2-50 nm, and an inner diameter of 1-40 nm.

Description

복합 전해질막 및 이를 이용한 연료전지 {COMPOSITE ELECTROLYTE MEMBRANE AND FUEL CELL USING THE SAME}Composite electrolyte membrane and fuel cell using same {COMPOSITE ELECTROLYTE MEMBRANE AND FUEL CELL USING THE SAME}

도 1은 실시예 1 및 비교예 1의 전해질막을 각각 구비한 연료전지를 사용하여 DMFC 성능을 비교한 그래프이다.1 is a graph comparing DMFC performance using a fuel cell having electrolyte membranes of Example 1 and Comparative Example 1, respectively.

본 발명은 수소이온 전도성 고분자; 및 상기 수소이온 전도성 고분자의 매트릭스에 분산된 카본나노튜브를 포함하는 복합 전해질막, 이를 포함하는 막전극 접합체, 및 상기 막전극 접합체를 구비한 연료전지에 관한 것이다. The present invention is hydrogen ion conductive polymer; And a composite electrolyte membrane including carbon nanotubes dispersed in a matrix of the hydrogen ion conductive polymer, a membrane electrode assembly including the same, and a fuel cell including the membrane electrode assembly.

최근 휴대용 전자기기 및 무선통신기기의 급격한 보급으로 인해, 휴대용 전원 공급원인 배터리로서의 연료전지 개발, 무공해 자동차용 연료전지 및 청정 에너지원으로서 발전용 연료전지의 개발에 많은 관심과 연구가 진행되고 있다.Recently, due to the rapid spread of portable electronic devices and wireless communication devices, a lot of interest and research has been progressed in the development of a fuel cell as a battery as a portable power supply source, a fuel cell for a pollution-free automobile and a fuel cell for power generation as a clean energy source.

연료전지는 연료의 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다. 즉, 연료전지는 연료가스(수소, 메탄올, 또는 기타 유기물)와 산화제(산소 또는 공기)를 사용하고, 이들의 산화환원 반응 중에 발생하는 전자를 이용하여 전력을 생산하는 발전 방식으로서, 높은 에너지 효율성과 오염물의 배출 이 적은 친환경적인 특징으로 인하여 차세대 에너지원으로 연구 개발되고 있다. A fuel cell is an energy conversion device that converts chemical energy of a fuel directly into electrical energy. In other words, the fuel cell is a power generation method that uses fuel gas (hydrogen, methanol, or other organic material) and oxidizing agent (oxygen or air), and generates electric power by using electrons generated during the redox reaction. It is being researched and developed as a next-generation energy source due to its eco-friendly features with low emissions of pollutants and pollutants.

수소를 연료로 하는 저가습 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)의 경우, 넓은 온도 범위에서 작동이 가능하므로 냉각 장치 및 밀봉 부품 간소화, 저가습 수소를 연료로 사용하므로 가습기 사용 최소화, 그리고 빠른 구동 등의 장점으로 차량용 및 가정용 전원 장치로 각광을 받고 있다. 또한 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서 넓은 범위의 온도에서 작동되고 구조가 간단하며 빠른 시동과 응답 특성이 있다.For low humidity polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel (P olymer E lectrolyte M embrane F uel C ell, PEMFC), capable of operating over a wide temperature range because the use of simplified cooling system and the sealing parts, a low humidified hydrogen to the fuel Therefore, it has been spotlighted as a vehicle and home power supply because of the advantages of using a humidifier and fast driving. In addition, it is a high output fuel cell with a higher current density than other types of fuel cells. It operates at a wide range of temperatures, has a simple structure, and has fast startup and response characteristics.

이러한 연료전지는 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 사이에 수소 이온 교환막이 개재(介在)되어 있는 막전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)와 발생된 전기를 집전하고 연료를 공급하는 분리판(bipolar plate)의 연속적인 복합체로 구성된다. 애노드(anode)에서는 연료인 수소 또는 메탄올이 공급되어 전극 촉매 상에서 반응하여 수소 이온 (H+, 양성자)을 발생시키며, 캐소드(cathode)에서는 수소 이온 교환막을 통과한 수소 이온과 산소가 결합하여 순수한 물을 생성한다.Such a fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) having a hydrogen ion exchange membrane interposed between an anode and a cathode, and a bipolar plate that collects and supplies fuel for electricity generated. It consists of a continuous composite of plates. At the anode, hydrogen or methanol, which is a fuel, is supplied and reacts on the electrode catalyst to generate hydrogen ions (H +, protons). At the cathode, hydrogen ions and oxygen that pass through the hydrogen ion exchange membrane combine to form pure water. Create

애노드(anode)와 캐소드(cathode)는 각각 반응물들의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층과 상기 촉매층을 지지해 주는 지지층(또는 기체확산층이라 함)으로 이루어져 있다. 지지층으로는 다공성 탄소지(carbon paper)나 탄소천(carbon cloth)이 널리 쓰인다. 지지층은 촉매층을 지지해 주는 역할 외에도 반응물을 촉매층으로 확산시켜 주는 기체확산층 역할, 촉매층에서 발생한 전류를 분리판으로 이동시켜 주는 집전체 역할, 생성된 물이 촉매층 밖으로 유출되게 하는 통로 역할, 수소 이온 교환막에 적당한 수분이 존재하도록 하는 역할도 수행한다.The anode and the cathode each consist of a catalyst layer in which oxidation / reduction reactions of reactants occur and a support layer (or gas diffusion layer) supporting the catalyst layer. Porous carbon paper or carbon cloth is widely used as a support layer. In addition to supporting the catalyst layer, the support layer serves as a gas diffusion layer for diffusing the reactants into the catalyst layer, a current collector for moving currents generated from the catalyst layer to the separator plate, a role for passage of the generated water out of the catalyst layer, and a hydrogen ion exchange membrane. It also plays a role in ensuring that adequate moisture is present.

수소 이온 교환막은 고분자 전해질로 된 고분자 전해질막을 사용하며 두께는 보통 20 내지 300㎛이다. 대표적인 고분자 전해질막으로는 나피온 막이 알려져 있다. 기존 나피온 막 등의 설폰화된 고분자 전해질막은 가습이 충분한 상태에서 높은 전도도 및 연료전지의 성능을 보여주는 반면, 막에 포함되는 수분의 감소에 따라 급격한 수소 이온 전도성 저하가 수반되어 저가습 상태에서는 확연한 성능 저하가 초래되고 있다. 따라서, 고온(100℃ 이상)에서의 사용은 엄격한 물 관리를 필요로 하고, 복잡한 시스템을 필요로 한다.The hydrogen ion exchange membrane uses a polymer electrolyte membrane made of a polymer electrolyte, and its thickness is usually 20 to 300 µm. As a representative polymer electrolyte membrane, a Nafion membrane is known. While sulfonated polymer electrolyte membranes, such as conventional Nafion membranes, exhibit high conductivity and fuel cell performance under sufficient humidification, they are more pronounced in low-humidity conditions due to a drastic decrease in conductivity of hydrogen ions as the moisture in the membrane decreases. The performance degradation is caused. Therefore, use at high temperatures (above 100 ° C.) requires strict water management and requires complex systems.

현재 전술한 문제점을 보완하기 위해, 높은 수소이온 전도성과 흡습성을 보이는 무기 전도성 물질(Proton Conducting Filler)을 유기 고분자에 첨가하는 다양한 종류의 유기/무기 복합 전해질 막의 연구가 진행되고 있으나, 연료 가스의 투과(crossover)로 인해 전해질 막의 내구성이 저하되고 저가습 조건하에서 성능이 저하되는 문제가 있다.In order to solve the above problems, various types of organic / inorganic composite electrolyte membranes are added to the organic polymers, which are in addition to proton conducting fillers having high hydrogen ion conductivity and hygroscopicity. (crossover) has a problem that the durability of the electrolyte membrane is lowered and the performance is lowered under low humidity conditions.

본 발명은 수소이온 전도성 고분자 및 카본나노튜브를 포함하여, 연료전지의 구동 중 발생 가능한 히드록시 라디칼을 제거하여 막의 분해를 방지할 수 있고, 저가습 조건 하에서 높은 수소이온 전도도와 셀 성능을 구현함으로써 고온에서 좀 더 안정적으로 성능을 보일 수 있는 복합 전해질막을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention includes a hydrogen ion conductive polymer and carbon nanotubes to prevent hydroxy radicals generated during operation of a fuel cell, thereby preventing decomposition of the membrane, and by implementing high hydrogen ion conductivity and cell performance under low humidity conditions. An object of the present invention is to provide a composite electrolyte membrane that can exhibit more stable performance at high temperatures.

또한, 본 발명은 상기 복합 전해질막을 포함하는 막전극 접합체(MEA) 및 상기 막전극 접합체를 구비하여 성능이 향상된 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a fuel cell having a membrane electrode assembly (MEA) including the composite electrolyte membrane and the membrane electrode assembly with improved performance.

본 발명은 수소이온 전도성 고분자; 및 상기 수소이온 전도성 고분자의 매트릭스에 분산된 카본나노튜브를 포함하는 전해질막으로서,The present invention is hydrogen ion conductive polymer; And an electrolyte membrane comprising carbon nanotubes dispersed in the matrix of the hydrogen ion conductive polymer,

상기 카본나노튜브는 연료 가스의 크로스오버(crossover)에 의해 발생하는 히드록시 라디칼을 제거하는 것이 특징인 복합 전해질막을 제공한다.The carbon nanotubes provide a composite electrolyte membrane characterized by removing hydroxy radicals generated by crossover of fuel gas.

또한, 본 발명은 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 상기 복합 전해질막을 포함하는 막전극 접합체(MEA)를 제공한다.In addition, the present invention is a cathode; Anode; And it provides a membrane electrode assembly (MEA) comprising the composite electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode.

또한, 본 발명은 상기 막전극 접합체를 구비하는 연료전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a fuel cell having the membrane electrode assembly.

이하, 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 복합 전해질막은 카본나노튜브가 수소이온 전도성 고분자의 매트릭스에 분산된 것으로서, 이를 채용한 연료전지의 구동 중 연료 가스의 크로스오버(crossover)에 의해 발생하는 히드록시 라디칼(ㆍOH)이 상기 카본나노튜브에 의해 제거되는 것이 특징이다.In the composite electrolyte membrane of the present invention, carbon nanotubes are dispersed in a matrix of a hydrogen ion conductive polymer, and hydroxy radicals (.OH) generated by crossover of fuel gas during driving of a fuel cell employing the same are described above. It is characterized by being removed by carbon nanotubes.

연료전지의 구동 중 수소나 메탄올과 같은 연료 가스가 전해질막을 투과(crossover)하여 히드록시 라디칼이 발생될 수 있다. 예를 들면, 아래와 같은 메커니즘에 따라 히드록시 라디칼이 발생되고, 발생되는 히드록시 라디칼에 의해 추가적인 반응이 일어날 수 있다.During operation of the fuel cell, fuel gas such as hydrogen or methanol may crossover the electrolyte membrane to generate hydroxy radicals. For example, hydroxy radicals are generated according to the following mechanism, and further reactions may be caused by the generated hydroxy radicals.

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OHㆍ + OH- Fe 2+ + H 2 O 2 → Fe 3+ + OH + OH and -

Fe3+ + H2O2 → [FeOOH2+] + H+ → Fe2+ + H2OㆍFe 3+ + H 2 O 2 → [FeOOH 2+ ] + H + → Fe 2+ + H 2 O

OHㆍ + Fe2+ → Fe3+ + OH- And OH + Fe 2+ → Fe 3+ + OH -

OHㆍ + H2O2 → HO2ㆍ + H2O OH · + H 2 O 2 → HO 2 ㆍ + H 2 O

이러한 히드록시 라디칼은 고분자 전해질의 약한 부분을 공격하거나 반응성이 높은 이온 교환기 인접 부위를 공격한다. 특히, 수소를 포함하는 말단기를 가지는 몇몇 고분자 사슬이 히드록시 라디칼 공격의 주요 대상이 되며, 이 반응에 의해 고분자 주쇄가 끊어져 고분자 전해질막의 내구성과 셀 성능이 저하된다.These hydroxy radicals attack weak portions of the polymer electrolyte or attack adjacent sites of highly reactive ion exchangers. In particular, some polymer chains having hydrogen-containing end groups are the main targets of hydroxy radical attack, and the polymer main chain is broken by this reaction, thereby deteriorating the durability and cell performance of the polymer electrolyte membrane.

따라서, 본 발명의 복합 전해질막은 카본나노튜브를 이용하여 이러한 라디칼 공격의 주 원인인 히드록시 라디칼을 제거함으로써, 고분자 전해질막의 분해를 미연에 방지할 수 있고, 전해질막의 노화를 막으며, 안정적인 셀 성능을 구현할 수 있다.Therefore, the composite electrolyte membrane of the present invention can prevent the decomposition of the polymer electrolyte membrane in advance by removing hydroxy radicals which are the main causes of such radical attack by using carbon nanotubes, and prevent aging of the electrolyte membrane, and stable cell performance. Can be implemented.

이때, 상기 카본나노튜브는 모세관으로 작용하여 상기 히드록시 라디칼을 내부에 흡수(모세관 현상)하고, 이렇게 상기 카본나노튜브 내부로 흡수되는 상기 히드록시 라디칼은 카본나노튜브와 결합하거나, 카본나노튜브에 포함된 불순물과 결합하여 제거될 수 있다. 구체적으로, 상기 히드록시 라디칼은 카본나노튜브의 표면에 공유결합을 형성하거나, 카본나노튜브에 포함된 불순물과 결합하여 H2O나 CO2를 형성하게 됨으로써 제거될 수 있다. In this case, the carbon nanotubes act as a capillary tube to absorb the hydroxy radicals inside (capillary phenomenon), and the hydroxy radicals absorbed into the carbon nanotubes are combined with the carbon nanotubes or the carbon nanotubes. It can be removed in combination with the impurities contained. Specifically, the hydroxy radicals may be removed by forming a covalent bond on the surface of the carbon nanotubes, or by combining with impurities contained in the carbon nanotubes to form H 2 O or CO 2 .

또한, 상기 카본나노튜브는 튜브 내 빈 공간에 수분을 저장하는 역할, 및 수 분과 수소이온의 이동 통로로서의 역할을 하므로, 이를 포함하는 본 발명의 복합 전해질막은 저가습 조건 하에서도 높은 수소이온 전도도와 셀 성능을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 전해질막은 카본나노튜브를 포함하여 연료의 투과가 억제되고, 전해질막의 성형성이 향상될 수 있다. 또한, 카본나노튜브는 가늘고 긴 섬유상의 형상을 가지고 있고 서로 얽히진 상태로 인한 지지체 역할을 할 수 있으므로, 전해질막의 기계적 강도가 증가될 수 있다.In addition, the carbon nanotubes serve to store moisture in the empty space in the tube, and serve as a passage for the movement of moisture and hydrogen ions, the composite electrolyte membrane of the present invention comprising the same has a high hydrogen ion conductivity even under low humidity conditions Cell performance can be achieved. In addition, the electrolyte membrane of the present invention may include carbon nanotubes to suppress fuel permeation and improve moldability of the electrolyte membrane. In addition, since the carbon nanotubes have a thin and long fibrous shape and may serve as a support due to entanglement with each other, the mechanical strength of the electrolyte membrane may be increased.

또한, 본 발명의 복합 전해질막은, 앞서 기재한 바와 같은 전해질막-즉, 상기 수소이온 전도성 고분자; 및 상기 수소이온 전도성 고분자의 매트릭스에 분산된 카본나노튜브를 포함하는 전해질막-이 미세 다공성막의 일면 또는 양면 상에 적층된 것일 수 있다.In addition, the composite electrolyte membrane of the present invention, the electrolyte membrane as described above-that is, the hydrogen ion conductive polymer; And an electrolyte membrane including carbon nanotubes dispersed in the matrix of the hydrogen ion conductive polymer may be stacked on one or both surfaces of the microporous membrane.

상기 미세 다공성막의 비제한적인 예로는 폴리프로필렌 다공성막, 폴리에틸렌 다공성막, 또는 폴리올레핀 다공성막 등이 있고, 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합된 것일 수 있다. Non-limiting examples of the microporous membrane include a polypropylene porous membrane, a polyethylene porous membrane, or a polyolefin porous membrane, and these may be single or mixed two or more kinds.

본 발명에서, 상기 카본나노튜브는 길이가 10 ~ 5000 nm이고, 외경이 2 ~ 50 nm이며, 내경이 1 ~ 40 nm인 것일 수 있다. 바람직하게는 길이가 50 ~ 1000 nm, 외경이 4 ~ 30 nm이며, 내경이 2 ~ 20 nm인 것일 수 있다. In the present invention, the carbon nanotubes may have a length of 10 to 5000 nm, an outer diameter of 2 to 50 nm, and an inner diameter of 1 to 40 nm. Preferably the length is 50 to 1000 nm, the outer diameter is 4 to 30 nm, the inner diameter may be 2 to 20 nm.

이와 같은 크기가 되면, 상기 카본나노튜브는 상기 전해질막 내에서 일정 방향, 구체적으로는 전극에 대하여 수직으로 배향하기가 쉬워지고, 그 결과 표면 (내관 벽도 포함)을 최단 거리로 수소이온이 전도되는 효과가 높고, 연료의 투과도 억제할 수 있다. 상기 카본나노튜브의 길이가 10 nm 미만인 경우에는 배향이 랜덤하 게 되고, 입자 표면을 최단거리로 하여 수소이온(플로톤)이 전도되는 효과, 즉 수소이온(플로톤) 전도성의 향상 효과가 불충분하게 된다. 카본나노튜브의 길이가 5000 nm를 넘는 경우에는 전해질막의 형성성이 저하되고, 또 수소나 메탄올 등의 연료의 투과가 증가하는 경향이 있다. 또한, 카본나노튜브의 외경이 2 nm 미만인 경우에는, 카본 나노튜브의 길이에 따라서도 영향을 받지만, 카본나노튜브가 서로 뒤얽히고, 배향이 랜덤하게 되고, 치밀한 전해질막이 얻어지지 않고, 수소나 메탄올 등의 연료 투과도 증가하는 경향이 있다.With such a size, the carbon nanotubes are easily oriented in a predetermined direction, specifically, perpendicular to the electrodes in the electrolyte membrane, and as a result, hydrogen ions are conducted at the shortest distance from the surface (including the inner tube wall). The effect is high and fuel permeation can also be suppressed. When the length of the carbon nanotube is less than 10 nm, the orientation becomes random, and the effect of conducting hydrogen ions (floton) with the shortest surface of the particles, that is, the effect of improving hydrogen ion (floton) conductivity is insufficient. Done. When the length of the carbon nanotubes exceeds 5000 nm, the formability of the electrolyte membrane is lowered, and the permeation of fuels such as hydrogen and methanol tends to increase. In addition, when the outer diameter of the carbon nanotube is less than 2 nm, it is also affected by the length of the carbon nanotube, but the carbon nanotubes are entangled with each other, the orientation becomes random, and a dense electrolyte membrane is not obtained, and hydrogen or methanol is not obtained. It also tends to increase fuel permeability.

또한, 복합 전해질막에서 상기 카본나노입자의 함량 범위는 막을 이루면서 높은 수소이온 전도도를 나타낼 수 있는 범위라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 복합 전해질막 중 0.0001 ~ 50 중량%, 바람직하게는 0.0001 ~ 10 중량%로 포함될 수 있다.In addition, the content range of the carbon nanoparticles in the composite electrolyte membrane is not particularly limited as long as it is a range capable of exhibiting high hydrogen ion conductivity while forming a membrane. For example, 0.0001 to 50% by weight of the composite electrolyte membrane, preferably 0.0001 It may be included in 10% by weight.

상기 수소이온 전도성 고분자는 통상 전해질막용 고분자로 사용하고 있는 것이면 특별히 제한하지 않는다. 이러한 수소이온 전도성 고분자의 비제한적인 예로는 폴리아릴렌에테르(polyaryleneether, PAE), 폴리에테르에테르케톤 (polyetheretherketone, PEEK), 폴리에테르에테르술폰 (polyetherethersulfone, PEES), 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 나피온(Nafion), 폴리아졸(polyazole), 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol, PVA), 폴리페닐렌 옥사이드(polyphenylene oxide), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide), 폴리술폰, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리이미드(polyimide), 폴리아미드(polyamide), 폴리퀴녹살린, 폴리포스파젠, 또는 폴리벤즈이미다졸 등이 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상으로 혼합하여 사용될 수 있다. The hydrogen ion conductive polymer is not particularly limited as long as it is generally used as an electrolyte membrane polymer. Non-limiting examples of such hydrogen ion conductive polymers include polyaryleneether (PAE), polyetheretherketone (PEEK), polyetherethersulfone (polyetherethersulfone, PEES), polytetrafluoroethylene (PTFE) , Polyvinylidenefluoride (PVDF), Nafion, polyazole, polyvinylalcohol (PVA), polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide , Polysulfone, polycarbonate, polystyrene, polyimide, polyamide, polyquinoxaline, polyphosphazene, or polybenzimidazole, and the like, which may be used alone or in combination of two or more thereof. have.

또한, 이러한 수소이온 전도성 고분자는 안정적인 수소이온의 이동, 전달을 위해 1종 이상의 수소이온 교환기를 가질 수 있다. 상기 수소이온 교환기의 비제한적인 예로는 설폰산기, 인산기, 히드록시기, 또는 카르복실산기 등이 있다.In addition, such a hydrogen ion conductive polymer may have one or more hydrogen ion exchange groups for the stable transfer and transfer of hydrogen ions. Non-limiting examples of the hydrogen ion exchange group include sulfonic acid groups, phosphoric acid groups, hydroxy groups, or carboxylic acid groups.

특히, 상기 수소이온 전도성 고분자는 상기 수소이온 교환기와 같은 친수성 관능기가 밀집된 블록(block)을 포함하는 블록 공중합체가 바람직하며, 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위로 이루어지는 멀티 블록 공중합체가 더욱 바람직하다. 이는 블록 공중합체가 종래 랜덤 공중합체에 비해 친수성기와 소수성기를 선별적으로 따로 밀집시키는 구조가 가능함으로써 친수성기에 의한 수소 이온 전도 채널 형성 효과와 소수성기에 의한 화학적 안정성 증가를 동시에 도모할 수 있기 때문이다.In particular, the hydrogen ion conductive polymer is preferably a block copolymer including a block in which a hydrophilic functional group such as the hydrogen ion exchange group is dense, and more preferably a multi-block copolymer made of a repeating unit represented by the following formula (1). . This is because the block copolymer has a structure in which the hydrophilic group and the hydrophobic group are selectively concentrated separately compared to the conventional random copolymer, thereby achieving the effect of forming the hydrogen ion conduction channel by the hydrophilic group and increasing the chemical stability by the hydrophobic group.

Figure 112006080075796-PAT00001
Figure 112006080075796-PAT00001

상기 화학식 1에서,In Chemical Formula 1,

A, X, 및 Y는 각각 독립적으로

Figure 112006080075796-PAT00002
,
Figure 112006080075796-PAT00003
,
Figure 112006080075796-PAT00004
,
Figure 112006080075796-PAT00005
,
Figure 112006080075796-PAT00006
,
Figure 112006080075796-PAT00007
,
Figure 112006080075796-PAT00008
,
Figure 112006080075796-PAT00009
,
Figure 112006080075796-PAT00010
,
Figure 112006080075796-PAT00011
,
Figure 112006080075796-PAT00012
,
Figure 112006080075796-PAT00013
, 또는
Figure 112006080075796-PAT00014
이고(여기서, R은 -NO2 또는 -CF3임);A, X, and Y are each independently
Figure 112006080075796-PAT00002
,
Figure 112006080075796-PAT00003
,
Figure 112006080075796-PAT00004
,
Figure 112006080075796-PAT00005
,
Figure 112006080075796-PAT00006
,
Figure 112006080075796-PAT00007
,
Figure 112006080075796-PAT00008
,
Figure 112006080075796-PAT00009
,
Figure 112006080075796-PAT00010
,
Figure 112006080075796-PAT00011
,
Figure 112006080075796-PAT00012
,
Figure 112006080075796-PAT00013
, or
Figure 112006080075796-PAT00014
And wherein R is —NO 2 or —CF 3 ;

Z는

Figure 112006080075796-PAT00015
,
Figure 112006080075796-PAT00016
,
Figure 112006080075796-PAT00017
,
Figure 112006080075796-PAT00018
,
Figure 112006080075796-PAT00019
,
Figure 112006080075796-PAT00020
, 또는
Figure 112006080075796-PAT00021
이고(여기서, Q는 -SO3H, -SO3 -M+, -COOH, -COO-M+, -PO3H2, -PO3H-M+, 또는 -PO3 2-2M+이며, M은 Na 또는 K임);Z is
Figure 112006080075796-PAT00015
,
Figure 112006080075796-PAT00016
,
Figure 112006080075796-PAT00017
,
Figure 112006080075796-PAT00018
,
Figure 112006080075796-PAT00019
,
Figure 112006080075796-PAT00020
, or
Figure 112006080075796-PAT00021
And (wherein, Q is -SO 3 H, -SO 3 - M +, -COOH, -COO - M +, -PO 3 H 2, -PO 3 H - M +, or -PO 3 2- 2M +, and , M is Na or K);

B는

Figure 112006080075796-PAT00022
,
Figure 112006080075796-PAT00023
,
Figure 112006080075796-PAT00024
, 또는
Figure 112006080075796-PAT00025
이고;B is
Figure 112006080075796-PAT00022
,
Figure 112006080075796-PAT00023
,
Figure 112006080075796-PAT00024
, or
Figure 112006080075796-PAT00025
ego;

G는 X이고, G'은 Z이고;G is X and G 'is Z;

b/a는 0 < b/a < 1 이고, d/c는 0 < d/c < 1이고;b / a is 0 <b / a <1 and d / c is 0 <d / c <1;

1 ≤ m < 100이고, 1 ≤ n < 100이다.1 ≦ m <100 and 1 ≦ n <100.

상기 화학식 1의 반복단위로 이루어지는 멀티 블록 공중합체는 산 치환 체(acid substituents)를 포함하지 않는 브랜치된 소수 블록(branched hydrophobic block)과 산 치환체(술폰산기, 인산기, 카르복실산기)를 포함하는 브랜치된 친수 블록(branched hydrophilic block)을 중합함으로써, 후처리 산 도입 반응이나 산 치환체를 갖는 중합체의 가교반응(cross-linking)을 실시하지 않고 브랜처(brancher)가 공중합체의 주사슬을 직접 구성하여 이루어질 수 있다. The multi-block copolymer composed of the repeating unit represented by Chemical Formula 1 may include a branched hydrophobic block that does not include acid substituents and a branch that includes an acid substituent (sulfonic acid group, phosphoric acid group, or carboxylic acid group). By polymerizing the branched hydrophilic block, the brancher directly forms the main chain of the copolymer without performing post-treatment acid introduction reaction or cross-linking of the polymer having an acid substituent. Can be done.

이때, 화학식 1의 반복 단위는 박막의 기계적 집적도를 유지시켜주는 브랜치된 소수 블록과 박막에 이온 전도성을 부여하는 브랜치된 친수 블록이 교대로 화학적 결합을 통해 연결된 것이다. 따라서, 높은 수소 이온 전도도를 가지면서도 기계적 물성이 우수하고 화학적으로 안정할 뿐만 아니라, 고분자 골격내에 산 치환체의 분포, 위치, 수 등을 용이하게 제어할 수 있고, 산 치환체의 증가에 따른 막 물성의 저하 없이 전해질막을 구성할 수 있다는 장점이 있다.In this case, the repeating unit of Formula 1 is a branched hydrophobic block for maintaining the mechanical density of the thin film and branched hydrophilic block for imparting ion conductivity to the thin film are alternately connected through a chemical bond. Therefore, while having high hydrogen ion conductivity, not only the mechanical properties are excellent and chemically stable, but also the distribution, position, number, etc. of the acid substituents in the polymer skeleton can be easily controlled. There is an advantage that the electrolyte membrane can be configured without deterioration.

상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위로 이루어지는 멀티 블록 공중합체의 제조방법은 대한민국 특허출원 2004-110487호에 상세히 기술되어 있다.Method for producing a multi-block copolymer consisting of a repeating unit represented by the formula (1) is described in detail in Korean Patent Application No. 2004-110487.

본 발명의 복합 전해질막에서 상기 카본나노입자의 함량 범위는 막을 이루면서 높은 수소이온 전도도를 나타낼 수 있는 범위라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 복합 전해질막 중 0.0001 ~ 50 중량%, 바람직하게는 0.0001 ~ 10 중량%로 포함될 수 있다.The content range of the carbon nanoparticles in the composite electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited as long as it is a range capable of exhibiting high hydrogen ion conductivity while forming a membrane. For example, 0.0001 to 50% by weight of the composite electrolyte membrane, preferably It may be included in 0.0001 to 10% by weight.

본 발명의 복합 전해질 막은 전술한 구성 성분 이외에, 당 업계에 알려진 통상적인 기타 성분, 첨가제 등을 포함할 수 있다. 또한, 복합 전해질 막의 두께는 특별한 제한이 없으며, 연료전지의 성능과 안전성 향상을 도모하는 범위 내에서 조 절 가능하다. The composite electrolyte membrane of the present invention may include other components, additives, and the like that are known in the art, in addition to the aforementioned components. In addition, the thickness of the composite electrolyte membrane is not particularly limited and can be adjusted within the range to improve the performance and safety of the fuel cell.

본 발명에 따른 복합 전해질막은 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 예를 들면, (i) 상기 수소이온 전도성 고분자 또는 이를 용매에 용해시킨 고분자 용액; 및 상기 카본나노튜브를 혼합하여 이들의 복합 용액을 준비하는 단계; 및 (ii) 상기 복합 용액을 사용하여 막을 형성하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.The composite electrolyte membrane according to the present invention can be prepared according to conventional methods known in the art. For example, (i) the hydrogen ion conductive polymer or a polymer solution dissolved in a solvent; And mixing the carbon nanotubes to prepare a complex solution thereof. And (ii) forming a film using the complex solution.

상기 수소이온 전도성 고분자를 용해시키는 용매는 균일한 혼합과 이후 용매 제거를 용이하게 하기 위해서, 사용하고자 하는 고분자와 용해도 지수가 유사하며, 끓는점(boiling point)이 낮은 것이 바람직하다. 그러나, 이에 제한되지 않으며, 당 업계에 알려진 통상적인 용매를 사용할 수 있다. 상기 수소이온 전도성 고분자를 용해시키는 용매의 비제한적인 예로는 N, N'-디메틸아세트아미드(N, N'-dimethylacetamide, DMAc), N-메틸피롤리돈 (N-methyl pyrrolidone, NMP), 디메틸술폭시드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 또는 N, N-디메틸포름아미드 (N, N-dimethylformamide, DMF), 인산, 폴리인산 등이 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The solvent for dissolving the hydrogen ion conductive polymer has a similar solubility index to the polymer to be used and a low boiling point to facilitate uniform mixing and subsequent solvent removal. However, the present invention is not limited thereto, and conventional solvents known in the art may be used. Non-limiting examples of the solvent for dissolving the hydrogen ion conductive polymer is N, N'-dimethylacetamide (DMAc), N-methyl pyrrolidone (NMP), dimethyl Sulfoxide (dimethyl sulfoxide, DMSO), or N, N-dimethylformamide (N, N-dimethylformamide, DMF), phosphoric acid, polyphosphoric acid, and the like, these may be used alone or in combination of two or more.

상기 혼합물을 사용하여 막을 성형하는 것은, 상기 혼합물을 기재(substrate)상에 코팅 및 건조한 후, 기재로부터 전해질막을 분리하여 진행될 수 있다. 상기 기재의 비제한적인 예로는 유리판, 고분자 필름, 스테인리스 판 등이 있다.Molding the membrane using the mixture may proceed by coating and drying the mixture on a substrate and then separating the electrolyte membrane from the substrate. Non-limiting examples of the substrate include glass plates, polymer films, stainless steel plates and the like.

상기 혼합물을 기재상에 코팅하는 방법은 당 업계에 알려진 통상적인 코팅 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면 딥(Dip) 코팅, 다이(Die) 코팅, 롤(roll) 코팅, 콤마(comma) 코팅, 닥터 블레이드 또는 이들의 혼합 방식 등 다양한 방식을 이용할 수 있다.The method of coating the mixture on a substrate may use conventional coating methods known in the art, for example, dip coating, die coating, roll coating, comma coating, Various methods, such as a doctor blade or a mixing method thereof, can be used.

이후 제조된 복합 전해질막을 산 용액 내에 투입하고 교반, 또는 가열할 수도 있는데, 이를 통해 고분자 내의 염은 산으로, 예를 들면 SO3 -Na+은 SO3H 형태로 변환된다. 즉, salt된 친수 부분을 H-form 형태로 바꾸어 conductor 역할을 할 수 있도록 하는 것이다. 이때 산의 종류 및 가열 온도 범위는 특별한 제한이 없으며, 일례로 80~90 ℃ 범위일 수 있다.Thereafter, the prepared composite electrolyte membrane may be introduced into an acid solution and stirred or heated, whereby the salt in the polymer is converted into an acid, for example, SO 3 - Na +, into SO 3 H form. In other words, it converts the salted hydrophilic part into H-form to act as a conductor. At this time, the type of acid and the heating temperature range is not particularly limited, for example, may be in the range 80 ~ 90 ℃.

본 발명의 막전극 접합체(MEA)는 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 것으로서, 상기 전해질막은 본 발명에 따른 복합 전해질막인 것이 특징이다.The membrane electrode assembly (MEA) of the present invention is a cathode; Anode; And an electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode, wherein the electrolyte membrane is a composite electrolyte membrane according to the present invention.

막전극 접합체(MEA)는 연료와 공기의 전기화학 촉매 반응이 일어나는 전극(캐소드와 애노드)과 수소 이온의 전달이 일어나는 고분자 막의 접합체를 의미하는 것으로서, 전극(캐소드와 애노드)과 전해질 막이 접착된 단일의 일체형 유니트(unit)이다. 본 발명은 이러한 전해질막에 카본나노튜브 및 수소이온 전도성 고분자가 포함되어 있음으로써, 저가습 조건에서 작동 특성이 우수한 막전극 접합체를 구성한다.A membrane electrode assembly (MEA) refers to a conjugate of electrodes (cathodes and anodes) in which an electrochemical catalytic reaction between fuel and air occurs and a polymer membrane in which hydrogen ions are transferred, and a single electrode bonded to an electrode (cathodes and anodes) and an electrolyte membrane. It is an integrated unit of. The present invention comprises a carbon nanotube and a hydrogen ion conductive polymer in the electrolyte membrane, thereby constituting a membrane electrode assembly excellent in operating characteristics in low-humidity conditions.

본 발명의 막전극 접합체는 애노드의 촉매층과 캐소드의 촉매층이 전해질 막에 접촉하도록 하는 형태로서, 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 일례로, 상기 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 밀착시킨 상태에서 100 내지 400℃로 열압착하여 제조될 수 있다.The membrane electrode assembly of the present invention is in a form such that the catalyst layer of the anode and the catalyst layer of the cathode contact the electrolyte membrane, and can be prepared according to conventional methods known in the art. In one example, the cathode; Anode; And it may be prepared by thermal compression at 100 to 400 ℃ in the state in which the electrolyte membrane located between the cathode and the anode in close contact.

또한, 본 발명에서의 전극(캐소드와 애노드)은 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 일례로, 귀금속계 촉매, 수소이온 전도성 고분자(바인더) 및 촉매 분산을 증진시키는 용매를 포함하는 촉매 잉크를 기체 확산층 위에 도포 및 건조함으로써 촉매층을 형성할 수 있으며, 상기의 방법으로 전극이 제조될 수 있다.In addition, the electrodes (cathode and anode) in the present invention can be prepared according to conventional methods known in the art. For example, a catalyst layer may be formed by applying and drying a catalyst ink including a noble metal catalyst, a hydrogen ion conductive polymer (binder) and a solvent to enhance catalyst dispersion on a gas diffusion layer, and the electrode may be manufactured by the above method. have.

추가적으로, 본 발명은 상기 막전극 접합체(MEA)를 포함하는 연료전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a fuel cell including the membrane electrode assembly (MEA).

연료전지는 본 발명의 막전극 접합체(MEA)를 사용하여 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기에서 제조된 막전극 접합체(MEA)와 바이폴라 플레이트(bipolar plate)로 구성하여 제조될 수 있다.The fuel cell may be manufactured according to conventional methods known in the art using the membrane electrode assembly (MEA) of the present invention. For example, it may be prepared by configuring a membrane electrode assembly (MEA) and a bipolar plate (bipolar plate) prepared above.

상기 연료전지는 고분자 전해질 연료전지, 직접 액체 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 직접 개미산 연료전지, 직접 에탄올 연료전지, 또는 직접 디메틸에테르 연료전지 등이 가능하다. The fuel cell may be a polymer electrolyte fuel cell, a direct liquid fuel cell, a direct methanol fuel cell, a direct formic acid fuel cell, a direct ethanol fuel cell, or a direct dimethyl ether fuel cell.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, described in detail through preferred embodiments to help understand the present invention. However, the following examples are merely to illustrate the present invention and the present invention is not limited by the following examples.

[실시예]EXAMPLE

실시예 1. 술폰화 블록 공중합체와 카본나노튜브를 블렌드한 복합 전해질막의 제조 Example 1 . Preparation of Composite Electrolyte Membrane Blended with Sulfonated Block Copolymer and Carbon Nanotubes

술폰화 폴리에테르에테르케톤(Sulfonated Polyether ether ketone) 블록 공중합체 10 g (한국 특허출원 제10-2004-0110487호 중 실시예 2 및 실시예 5에 따라 제조된 고분자)을 디메틸포름아마이드(DMF) 90 g 에 용해시킨 후, 상기 용액을 BORU 유리 필터(pore size 3)로 여과시켜 먼지 등을 제거하였다. 10 g of sulfonated polyether ether ketone block copolymer (a polymer prepared according to Examples 2 and 5 in Korean Patent Application No. 10-2004-0110487) was prepared by dimethylformamide (DMF) 90 After dissolving in g, the solution was filtered through a BORU glass filter (pore size 3) to remove dust and the like.

이 고분자 용액에 고분자 대비 0.1 중량%의 카본나노튜브(직경 50nm, ㈜제이오)를 분산시켜 블렌드 용액을 제조하였다. A blend solution was prepared by dispersing 0.1 wt% of carbon nanotubes (diameter 50 nm, J. Co., Ltd.) in the polymer solution.

이 블렌드 용액을 유리 기판 위에 붓고 film applicator로 유리 기판 위에 부은 용액을 도포한 후, 80 ℃의 오븐에서 2 시간 이상 용액을 건조하여 50 ㎛ 두께의 복합 전해질막을 제조하였다. The blend solution was poured onto a glass substrate, a solution poured onto the glass substrate with a film applicator was applied, and the solution was dried in an oven at 80 ° C. for at least 2 hours to prepare a composite electrolyte membrane having a thickness of 50 μm.

실시예 2. Example 2. 술폰화 블록 공중합체와 카본나노튜브를 블렌드한 막과 폴리에틸렌 미세 다공성막을 이용한 복합 전해질막Composite electrolyte membrane using membrane blended sulfonated block copolymer and carbon nanotube and polyethylene microporous membrane

상기 실시예 1에서 제조한 블렌드 용액과 폴리에틸렌 미세 다공성막을 사용하여 강화-복합 전해질막을 제조하였다. The reinforcement-composite electrolyte membrane was prepared using the blend solution prepared in Example 1 and a polyethylene microporous membrane.

상기 블렌드 용액을 유리 기판 위에 붓고 film applicator로 유리 기판 위에 부은 용액을 도포한 후, 80 ℃의 오븐에서 2 시간 이상 용액을 건조하고, 그 위에 폴리에틸렌 다공성막을 잘 펴서 붙였다. 그리고, 상기 폴리에틸렌 다공성막 위에 상기 블렌드 용액을 붓고 film applicator로 미세 다공성 막 위에 부은 용액을 도포한 후, 80 ℃의 오븐에서 2 시간 이상 용액을 건조하고, 다시 그 위에 상기 블렌드 용액을 붓고 film applicator로 미세 다공성 막 위에 부은 용액을 도포한 후, 80 ℃의 오븐에서 2 시간 이상 공중합체 용액을 건조하여 50 ㎛ 두께의 복합 전해질막을 제조하였다. The blend solution was poured onto a glass substrate, applied with a film applicator and poured onto the glass substrate, and then the solution was dried in an oven at 80 ° C. for at least 2 hours, and the polyethylene porous membrane was spread thereon. Then, the blend solution is poured onto the polyethylene porous membrane and the solution poured onto the microporous membrane with a film applicator is then dried in an oven at 80 ° C. for at least 2 hours, and then the blend solution is poured onto the film applicator and After applying the solution poured on the microporous membrane, the copolymer solution was dried for 2 hours or more in an oven at 80 ℃ to prepare a composite electrolyte membrane having a thickness of 50 ㎛.

비교예 1. 술폰화 블록 공중합체만을 이용한 순수 전해질막의 제조 Comparative Example 1 . Preparation of Pure Electrolyte Membrane Using Only Sulfonated Block Copolymer

상기 실시예 1에서 사용된 블록 공중합체 10 g을 디메틸포름아마이드(DMF) 90 g 에 용해시킨 후, 상기 용액을 BORU 유리 필터(pore size 3)로 여과시켜 먼지 등을 제거하였다. After dissolving 10 g of the block copolymer used in Example 1 in 90 g of dimethylformamide (DMF), the solution was filtered through a BORU glass filter (pore size 3) to remove dust and the like.

상기 고분자 용액을 유리 기판 위에 붓고 film applicator로 유리 기판 위에 부은 용액을 도포한 후, 80 ℃의 오븐에서 2 시간 이상 용액을 건조하여 50 ㎛ 두께의 순수 전해질막을 제조하였다.The polymer solution was poured onto a glass substrate, a solution poured onto the glass substrate with a film applicator was applied, and the solution was dried in an oven at 80 ° C. for at least 2 hours to prepare a pure electrolyte membrane having a thickness of 50 μm.

[실험예]Experimental Example

상기 실시예 1, 2에서 제조한 복합 전해질막과 상기 비교예 1에서 제조한 전해질막에 대하여 하기와 같은 방법으로 이온교환능력도(IEC, Ion Exchange Capacity), 기계적 물성, 메탄올 투과도, 치수안정성 등을 측정하였다.For the composite electrolyte membranes prepared in Examples 1 and 2 and the electrolyte membrane prepared in Comparative Example 1, ion exchange capacity (IEC, I on E xchange C apacity), mechanical properties, methanol permeability, Dimensional stability and the like were measured.

실험예 1. 이온교환능력도(IEC, Ion Exchange Capacity) 및 기계적 물성 Experimental Example 1 . Ion Exchange Capacity (IEC) and Mechanical Properties

상기 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 각각 제조한 전해질막 0.5 g을 100 ℃의 초순수에서 2 시간 동안 수화시킨 후 포화 NaCl 수용액 100 mL 에 10 시간 이상 담지시켜 수소 이온(H+)을 나트륨 이온(Na+)으로 치환시켰다. 0.5 g of the electrolyte membranes prepared in Examples 1, 2 and Comparative Example 1, respectively, were hydrated in ultrapure water at 100 ° C. for 2 hours and then immersed in 100 mL of saturated NaCl aqueous solution for 10 hours or more to form hydrogen ions (H + ). Substituted by (Na + ).

상기 치환된 수소 이온(H+)을 0.1 N NaOH 표준용액으로 적정하고, 적정에 사용된 NaOH의 양으로부터 하기 수학식 1에 따라 고분자막의 IEC 값을 계산하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 듀퐁사에서 제조한 나피온 115의 IEC 값을 비교 값으로 제시하였다.The substituted hydrogen ions (H + ) were titrated with 0.1 N NaOH standard solution, and the IEC value of the polymer membrane was calculated from the amount of NaOH used in the titration according to Equation 1 below, and the results are shown in Table 1 below. . The IEC value of Nafion 115 manufactured by DuPont was presented as a comparative value.

IEC(-SO3H mequiv./g) = (소비된 NaOH 표준용액(mL) × 0.1N ) / 건조된 박막의 무게(g)IEC (-SO 3 H mequiv./g) = (consumed NaOH standard solution (mL) × 0.1N) / weight of dried thin film (g)

전해질막의 기계적 강도 측정은 Zwick® UTM으로 측정하였다. 상온에서 습도 25 % 상태로, 실시예 1, 2 및 비교예 1 각각의 전해질막으로부터 ASTM D-882(Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting)를 만족시키는 dog-bone 형태의 필름을 제조하고 crosshead speed를 50mm/min으로 각각 5번씩 반복 측정한 후, 그 인장강도의 평균값을 표 1에 나타내었다.Mechanical strength of the electrolyte membrane was measured by Zwick® UTM. A dog-bone type film satisfying ASTM D-882 (Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting) was prepared from each of the electrolyte membranes of Examples 1, 2 and Comparative Example 1 at room temperature and 25% humidity. After measuring the crosshead speed 5 times each at 50 mm / min, the average value of the tensile strength is shown in Table 1.

구분division 이온교환능력도 (meq./g)Ion exchange capacity (meq./g) 겉보기 물성Apparent properties 인장강도 (Mpa)Tensile Strength (Mpa) 연신율 (%)Elongation (%) 실시예 1Example 1 1.381.38 투명(검정), 우수Transparent (black), excellent 8585 1919 실시예 2Example 2 1.351.35 투명(검정), 우수Transparent (black), excellent 9090 2121 비교예 1Comparative Example 1 1.411.41 투명, 우수Transparent, excellent 7070 1414 Nafion 112Nafion 112 0.910.91 투명, 우수Transparent, excellent 4343 225225

상기 표 1을 통하여, 본 발명에 따라 제조한 실시예 1, 2의 복합 전해질막은 상기 비교예 1에서 제조한 전해질막에 비하여 IEC 의 감소는 미세한, 반면 비교예 1에서 제조한 전해질막과 비교하여 인장강도는 20 ~ 30 % 정도, 연신율은 30 ~ 50 % 정도 향상되었음을 확인할 수 있었다.Through Table 1, the composite electrolyte membranes of Examples 1 and 2 prepared according to the present invention have a smaller decrease in IEC than the electrolyte membrane prepared in Comparative Example 1, whereas the electrolyte membranes prepared in Comparative Example 1 Tensile strength was about 20 to 30%, and elongation was about 30 to 50%.

실험예 2. 메탄올 투과도(MeOH crossover) Experimental Example 2 . Methanol permeability (MeOH crossover)

상기 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 각각 제조한 전해질막의 메탄올 투과도는 확산 셀(diffusion cell) 장치를 사용하여 측정하였다. The methanol permeability of the electrolyte membranes prepared in Examples 1, 2 and Comparative Example 1, respectively, was measured using a diffusion cell device.

먼저 좌측 셀에는 10 M 의 메탄올 수용액을, 우측 셀에는 순수한 물을 넣고 셀의 중간에 상기 제조한 전해질막을 끼워 넣은 후, 우측 셀에서 용액을 샘플링하면서 얻은 시간(t)에 따른 우측 셀 내의 메탄올 농도(C i (t))의 변화로부터 메탄올 투과도를 계산하였다. First, a methanol aqueous solution of a left cell 10 M, the right cell, into the pure water was placed into the above prepared in the middle of the cell, the electrolyte membrane, the methanol concentration in the right cell, according to time (t) obtained while sampling the solution in the right cell The methanol permeability was calculated from the change in ( C i ( t )).

이때, 메탄올 투과도(D i ·K i )는 전해질 두께(L)와 막의 노출면적(A) 값, 우측 셀의 부피(V), 및 좌측 셀의 메탄올 초기농도(C i0 ) 값으로부터 하기 수학식 2에 의하여 계산하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었으며, 나피온 115의 메탄올 투과도 값을 비교 값으로 제시하였다.At this time, the methanol permeability (D i · K i) is to the electrolyte thickness (L) with the film exposure area (A) value, the volume (V), and methanol to the initial concentration (C i0) value of the left cell of the right cell expression Calculated by 2 and the results are shown in Table 2 below, methanol permeability value of Nafion 115 was presented as a comparison value.

C i (t) = {(A·D i ·K i ·C io ) / V·L} × t C i (t) = {( A · D i · K i · C io) / V · L} × t

구분division 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 Nafion 112Nafion 112 메탄올 투과도 (10-6 * cm2/sec)Methanol Permeability (10 -6 * cm 2 / sec) 1.21.2 0.90.9 1.81.8 2.42.4

상기 표 2를 통하여, 본 발명에 따라 제조한 실시예 1, 2의 복합 전해질막은 상기 비교예 1에서 제조한 전해질막보다 메탄올 투과도 낮고, 종래 고분자막에 사용되던 나피온과 비교하여도 메탄올 차단성이 매우 우수하게 향상되었음을 확인할 수 있었다.Through Table 2, the composite electrolyte membranes of Examples 1 and 2 prepared according to the present invention had a lower methanol permeability than the electrolyte membrane prepared in Comparative Example 1, and methanol barrier properties were compared with those of Nafion used in conventional polymer membranes. It was confirmed that the improvement was very excellent.

실험예 3.Experimental Example 3. 셀 성능 분석Cell performance analysis

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전해질막을 사용하여 DMFC (직접메탄올 연료전지)의 단위전지 셀을 구성하였고, 셀의 내구성을 확인하였다. Using the electrolyte membrane prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was configured a unit cell cell of DMFC (direct methanol fuel cell), and the durability of the cell was confirmed.

Arbin의 DMFC test station 장비를 사용하였으며, 셀온도는 80℃, 셀 유효면적은 9cm2, 0.3 M MeOH를 3 mL/min, air는 200 sccm의 속도로 공급해준 상태에서 constant current mode로 80 mA/cm2으로 측정하였다. 그 결과는 도 1에 나타내었다.Arbin's DMFC test station was used and the cell temperature was 80 ° C, the cell effective area was 9 cm 2 , 0.3 M MeOH 3 mL / min, and the air was supplied at a rate of 200 sccm, 80 mA / Measured in cm 2 . The results are shown in FIG.

도 1에 의하면, 비교예 1에서 제조된 전해질막을 사용한 셀(비교예 1)의 경우, 80 mA/cm2에서 0.5V의 성능을 보였다가, 1200 시간 구동 후 0.35V까지 떨어졌다. 반면, 실시예 1에서 제조된 전해질막을 사용한 셀(실시예 1)은 1200시간 구동 후 0.4V를 나타내었으므로, 비교예 1에서 제조된 전해질막보다 안정적이며 우수한 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다. 즉, 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전해질막을 사용한 셀을 각각 동일 시간 구동하였을 경우, 실시예 1에서 제조된 전해질막을 사용한 셀은 전해질막에 포함된 카본 나노튜브가 히드록시 라디칼을 트랩핑하여 전해질막의 분해를 방지하기 때문에 비교예 1에서 제조된 전해질막을 사용한 셀보다 성능 감소가 적었고, 내구성이 향상되었다.According to FIG. 1, the cell using the electrolyte membrane prepared in Comparative Example 1 (Comparative Example 1) showed a performance of 0.5V at 80 mA / cm 2 , but dropped to 0.35V after 1200 hours of driving. On the other hand, since the cell (Example 1) using the electrolyte membrane prepared in Example 1 exhibited 0.4V after driving for 1200 hours, it was confirmed that the electrolyte membrane prepared in Comparative Example 1 exhibited more stable and superior performance. That is, when the cells using the electrolyte membranes prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were respectively driven for the same time, the cells using the electrolyte membrane prepared in Example 1 trapped hydroxy radicals in the carbon nanotubes included in the electrolyte membrane. In order to prevent decomposition of the electrolyte membrane, the performance decrease was less than that of the cell using the electrolyte membrane prepared in Comparative Example 1, and durability was improved.

본 발명의 복합 전해질막은 연료전지의 구동 중 발생 가능한 히드록시 라디칼을 제거하여 막의 분해를 미연에 방지할 수 있고, 전해질막의 노화를 막을 수 있다. 또한, 저가습 조건 하에서도 높은 수소이온 전도도와 셀 성능을 구현하여 고온에서도 안정적인 성능을 보일 수 있고, 연료의 투과(crossover)가 억제되며, 기계 적 강도가 향상되는 효과가 있다. 또한, 이러한 복합 전해질막을 포함하는 본 발명의 막전극 접합체 및 연료전지는 상기 언급된 범위에서 향상된 성능 구현이 가능하다.The composite electrolyte membrane of the present invention can prevent the decomposition of the membrane in advance by removing hydroxy radicals that can be generated during operation of the fuel cell, and can prevent the aging of the electrolyte membrane. In addition, even under low-humidity conditions, high hydrogen ion conductivity and cell performance may be realized to exhibit stable performance even at high temperatures, fuel crossover is suppressed, and mechanical strength may be improved. In addition, the membrane electrode assembly and the fuel cell of the present invention including such a composite electrolyte membrane can implement improved performance in the above-mentioned range.

이상에서 본 발명의 기재된 구체예를 중심으로 상세히 설명하였지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Although described in detail above with reference to the specific embodiments of the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope and spirit of the present invention, and such variations and modifications belong to the appended claims. It is also natural.

Claims (13)

수소이온 전도성 고분자; 및 상기 수소이온 전도성 고분자의 매트릭스에 분산된 카본나노튜브를 포함하는 전해질막으로서,Hydrogen ion conductive polymer; And an electrolyte membrane comprising carbon nanotubes dispersed in the matrix of the hydrogen ion conductive polymer, 상기 카본나노튜브는 연료 가스의 크로스오버(crossover)에 의해 발생하는 히드록시 라디칼을 제거하는 것이 특징인 복합 전해질막.The carbon nanotube is a composite electrolyte membrane, characterized in that to remove the hydroxy radicals generated by the crossover (crossover) of the fuel gas. 제1항에 있어서, 상기 카본나노튜브는 상기 히드록시 라디칼을 내부에 흡수하고, 상기 카본나노튜브 내부로 흡수되는 상기 히드록시 라디칼은 카본나노튜브와 결합하거나, 카본나노튜브에 포함된 불순물과 결합하여 제거되는 것이 특징인 복합 전해질막.The method of claim 1, wherein the carbon nanotubes absorb the hydroxy radicals therein, and the hydroxy radicals absorbed into the carbon nanotubes are combined with carbon nanotubes or with impurities contained in the carbon nanotubes. Composite electrolyte membrane, characterized in that to be removed. 제1항에 있어서, 상기 전해질막은 미세 다공성막의 일면 또는 양면 상에 적층된 것이 특징인 복합 전해질막.The composite electrolyte membrane of claim 1, wherein the electrolyte membrane is stacked on one or both surfaces of the microporous membrane. 제3항에 있어서, 상기 미세 다공성막은 폴리프로필렌 다공성막, 폴리에틸렌 다공성막, 및 폴리올레핀 다공성막으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 특징인 복합 전해질막.The composite electrolyte membrane of claim 3, wherein the microporous membrane is at least one selected from the group consisting of a polypropylene porous membrane, a polyethylene porous membrane, and a polyolefin porous membrane. 제1항에 있어서, 상기 카본나노튜브는 길이가 10 ~ 5000 nm이고, 외경이 2 ~ 50 nm이며, 내경이 1 ~ 40 nm인 것이 특징인 복합 전해질막.The composite electrolyte membrane of claim 1, wherein the carbon nanotubes have a length of 10 to 5000 nm, an outer diameter of 2 to 50 nm, and an inner diameter of 1 to 40 nm. 제1항에 있어서, 상기 카본나노튜브는 복합 전해질막 중 0.0001 ~ 50 중량%로 포함되는 것이 특징인 복합 전해질막.The composite electrolyte membrane of claim 1, wherein the carbon nanotubes are present in an amount of 0.0001 to 50% by weight in the composite electrolyte membrane. 제1항에 있어서, 상기 수소이온 전도성 고분자는 폴리아릴렌에테르(PAE), 폴리에테르에테르케톤 (PEEK), 폴리에테르에테르술폰 (PEES), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 나피온(Nafion), 폴리아졸, 폴리비닐알콜(PVA), 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리술폰, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리퀴녹살린, 폴리포스파젠 및 폴리벤즈이미다졸로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 특징인 복합 전해질막.The method of claim 1, wherein the hydrogen ion conductive polymer is polyarylene ether (PAE), polyether ether ketone (PEEK), polyether ether sulfone (PEES), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride ( PVDF), Nafion, Polyazole, Polyvinyl Alcohol (PVA), Polyphenylene Oxide, Polyphenylene Sulphide, Polysulfone, Polycarbonate, Polystyrene, Polyimide, Polyamide, Polyquinoxaline, Polyphosphazene And polybenzimidazole. The composite electrolyte membrane, characterized in that at least one selected from the group consisting of. 제7항에 있어서, 상기 수소이온 전도성 고분자는 설폰산기, 인산기, 히드록시기, 및 카르복실산기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 수소이온 교환기를 갖는 것이 특징인 복합 전해질막.The composite electrolyte membrane of claim 7, wherein the hydrogen ion conductive polymer has at least one hydrogen ion exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, phosphoric acid groups, hydroxyl groups, and carboxylic acid groups. 제1항에 있어서, 상기 수소이온 전도성 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위로 이루어지는 멀티 블록 공중합체인 것이 특징인 복합 전해질막.The composite electrolyte membrane of claim 1, wherein the hydrogen ion conductive polymer is a multi-block copolymer made of a repeating unit represented by the following Chemical Formula 1. 3. [화학식 1][Formula 1]
Figure 112006080075796-PAT00026
Figure 112006080075796-PAT00026
상기 화학식 1에서,In Chemical Formula 1, A, X, 및 Y는 각각 독립적으로
Figure 112006080075796-PAT00027
,
Figure 112006080075796-PAT00028
,
Figure 112006080075796-PAT00029
,
Figure 112006080075796-PAT00030
,
Figure 112006080075796-PAT00031
,
Figure 112006080075796-PAT00032
, ,
Figure 112006080075796-PAT00034
,
Figure 112006080075796-PAT00035
,
Figure 112006080075796-PAT00036
,
Figure 112006080075796-PAT00037
,
Figure 112006080075796-PAT00038
, 또는
Figure 112006080075796-PAT00039
이고(여기서, R은 -NO2 또는 -CF3임);
A, X, and Y are each independently
Figure 112006080075796-PAT00027
,
Figure 112006080075796-PAT00028
,
Figure 112006080075796-PAT00029
,
Figure 112006080075796-PAT00030
,
Figure 112006080075796-PAT00031
,
Figure 112006080075796-PAT00032
, ,
Figure 112006080075796-PAT00034
,
Figure 112006080075796-PAT00035
,
Figure 112006080075796-PAT00036
,
Figure 112006080075796-PAT00037
,
Figure 112006080075796-PAT00038
, or
Figure 112006080075796-PAT00039
And wherein R is —NO 2 or —CF 3 ;
Z는
Figure 112006080075796-PAT00040
, ,
Figure 112006080075796-PAT00042
,
Figure 112006080075796-PAT00043
,
Figure 112006080075796-PAT00044
,
Figure 112006080075796-PAT00045
, 또는
Figure 112006080075796-PAT00046
이고(여기서, Q는 -SO3H, -SO3 -M+, -COOH, -COO-M+, -PO3H2, -PO3H-M+, 또는 -PO3 2-2M+이며, M은 Na 또는 K임);
Z is
Figure 112006080075796-PAT00040
, ,
Figure 112006080075796-PAT00042
,
Figure 112006080075796-PAT00043
,
Figure 112006080075796-PAT00044
,
Figure 112006080075796-PAT00045
, or
Figure 112006080075796-PAT00046
And (wherein, Q is -SO 3 H, -SO 3 - M +, -COOH, -COO - M +, -PO 3 H 2, -PO 3 H - M +, or -PO 3 2- 2M +, and , M is Na or K);
B는
Figure 112006080075796-PAT00047
,
Figure 112006080075796-PAT00048
,
Figure 112006080075796-PAT00049
, 또는
Figure 112006080075796-PAT00050
이고;
B is
Figure 112006080075796-PAT00047
,
Figure 112006080075796-PAT00048
,
Figure 112006080075796-PAT00049
, or
Figure 112006080075796-PAT00050
ego;
G는 X이고, G'은 Z이고;G is X and G 'is Z; b/a는 0 < b/a < 1 이고, d/c는 0 < d/c < 1이고;b / a is 0 <b / a <1 and d / c is 0 <d / c <1; 1 ≤ m < 100이고, 1 ≤ n < 100이다.1 ≦ m <100 and 1 ≦ n <100.
제9항에 있어서, 상기 화학식 1의 반복 단위는 브랜치된 소수 블록과 브랜치된 친수 블록을 중합시켜 브랜치된 소수 블록과 브랜치된 친수 블록이 교대로 화학 결합으로 연결되는 것이 특징인 복합 전해질막.The composite electrolyte membrane of claim 9, wherein the repeating unit of Chemical Formula 1 polymerizes the branched hydrophobic block and the branched hydrophilic block so that the branched hydrophobic block and the branched hydrophilic block are alternately connected by chemical bonds. 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 복합 전해질막을 포함하는 막전극 접합체(MEA).Cathode; Anode; And a composite electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 10, positioned between the cathode and the anode. 제11항의 막전극 접합체(MEA)를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the membrane electrode assembly of claim 11. 제12항에 있어서, 상기 연료전지는 고분자 전해질 연료전지, 직접 액체 연료 전지, 직접 메탄올 연료전지, 직접 개미산 연료전지, 직접 에탄올 연료전지 또는 직접 디메틸에테르 연료전지인 것이 특징인 연료전지.13. The fuel cell of claim 12, wherein the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell, a direct liquid fuel cell, a direct methanol fuel cell, a direct formic acid fuel cell, a direct ethanol fuel cell, or a direct dimethyl ether fuel cell.
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