KR20080103189A - Metal(iv)-silicate-phosphate and use of the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 실시예 1에서 제조된 지르코늄 실리케이트 포스페이트 분말을 X선 회절 분광기 (X-ray Diffraction, 기기명: Bruker D4 Endeavor, Cuk radiation)를 이용하여 무기물의 결정구조를 분석한 그래프이다.1 is a graph of the crystal structure of the zirconium silicate phosphate powder prepared in Example 1 using an X-ray diffraction spectrometer (X-ray Diffraction, equipment name: Bruker D4 Endeavor, Cuk radiation).
도 2는 실시예 3의 유기/무기 복합 전해질막과 비교예 1 및 비교예 2의 유기 전해질막을 각각 구비한 연료전지의 저가습 조건(상대습도 40%, 셀 온도 70℃)하에서의 성능을 비교한 그래프이다.FIG. 2 compares the performance under low-humidity conditions (relative humidity of 40% and cell temperature of 70 ° C.) of the fuel cell including the organic / inorganic composite electrolyte membrane of Example 3 and the organic electrolyte membranes of Comparative Examples 1 and 2, respectively. It is a graph.
본 발명은 화학식 M(Ⅳ)SiO2(HPO4)2ㆍn H2O 로 표시되는 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(Metal(Ⅳ) Silicate Phosphate, MSP) 및 이의 이용에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이를 포함하는 유기/무기 복합 전해질막, 이를 포함하는 전극, 상기 유기/무기 복합 전해질막 및/또는 상기 전극을 포함하는 막전극 접합체(MEA), 및 이러한 막전극 접합체를 구비하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention is formula M (IV) SiO 2 (HPO 4 ) 2 ㆍ n Metal (IV) -silicate-phosphate represented by H 2 O (Metal (IV) Silicate Phosphate (MSP) and the use thereof, and more specifically, an organic / inorganic composite electrolyte membrane comprising the same, an electrode comprising the same, A membrane electrode assembly (MEA) comprising the organic / inorganic composite electrolyte membrane and / or the electrode, 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 배출이 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 the next generation energy source due to the eco-friendly features with low emission 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 있다.Currently, researches on various types of organic / inorganic composite electrolyte membranes in which an inorganic conductive material (Proton Conducting Filler) showing high hydrogen ion conductivity and hygroscopicity are added to an organic polymer to supplement the above-mentioned problems.
P. Costamagna (Electrochimica Acta 2002, Vol 47, 1023 )는 Nafion 115에 Zirconium Phosphate를 첨가한 유/무기 복합 전해질 막을 제조하였다. 상기 문헌에서 제조된 복합 전해질 막의 경우, 130 ℃에서 순수 Nafion 115로 만든 전해질 막 의 성능에 비해 4배 정도 높은 수준(1000 mA/cm2 @ 0.45 V) 을 보이나, 이는 가압 조건에 수소/산소 가스 (3 bar, H2/O2) 하, 100 % 상대 습도의 측정 조건에 한한다.P. Costamagna (Electrochimica Acta 2002, Vol 47, 1023) prepared an organic / inorganic composite electrolyte membrane in which Zirconium Phosphate was added to Nafion 115. In the case of the composite electrolyte membrane prepared in the above document, it was four times higher (1000 mA / cm 2 @ 0.45 V) than the performance of the electrolyte membrane made of pure Nafion 115 at 130 ° C. (3 bar, H 2 / O 2 ) at 100% relative humidity.
US 특허 제 US 2005/0227135 A1에 따르면, Nafion에 α-Zirconium Phosphate를 첨가하였을 때, 고온 가압 (120 ℃, 2 bar, H2/O2) 하 50 % 상대 습도의 조건에서만 1000 mA/cm2 (@ 0.6 V) 수준의 성능을 제시하고 있다 (이는 순수 Nafion 에 비해 5배 정도 높은 수준의 수치이다).According to US patent US 2005/0227135 A1, when α-Zirconium Phosphate is added to Nafion, 1000 mA / cm 2 only at 50% relative humidity under high temperature pressurization (120 ° C., 2 bar, H 2 / O 2 ) (@ 0.6 V) performance (about five times higher than pure Nafion).
US 특허 제 US 7,008971 B2에 따르면 술폰화 폴리에테르 에테르 케톤 (sulfonated polyether ether ketone)에 Montmorillonite와 TEOS를 첨가한 복합 전해질 막을 제조할 경우, 100% 상대 습도 조건에서 90 ℃ 온도에서 7 x 10-2 S/cm 수준의 수소 이온 전도도 값을 나타내었다. 그러나 이는 저가습 조건에서 높은 수소 이온 전도도를 만족해야 하는 연료 전지의 요구 특성에 맞지 않는다.According to US Pat. No. 7,008971 B2, a composite electrolyte membrane in which Montmorillonite and TEOS is added to a sulfonated polyether ether ketone is prepared at 7 × 10 − at 90 ° C. under 100% relative humidity. The hydrogen ion conductivity value of 2 S / cm level was shown. However, this does not meet the demand characteristics of fuel cells that must satisfy high hydrogen ion conductivity at low humidity conditions.
G. M, Anilkumar (Electrochemistry Communications 2006, Vol. 8, 133)는 술폰화 폴리에테르술폰 (sulfonated polyethersulfone)에 α-Zirconium Phosphate를 첨가하여 복합 전해질 막을 제조할 경우, 온도 90 ℃, 상대 습도 90 % 일 때는, 0.19 S/cm 의 높은 수소 이온 전도도 값을 보이나, 같은 온도에서 상대 습도 30 % 일 때, 3.7 x 10-3 S/cm 그리고 상대 습도 50 % 일 때, 1.9 x 10-2 S/cm 의 낮은 수준의 전도도 수치를 나타낸다.G. M, Anilkumar (Electrochemistry Communications 2006, Vol. 8, 133), when the composite electrolyte membrane was prepared by adding α-Zirconium Phosphate to sulfonated polyethersulfone, a temperature of 90 ° C. and a relative humidity of 90% Time, 0.19 High hydrogen ion conductivity values of S / cm, but low levels of 1.9 x 10 -2 S / cm at 3.7 x 10 -3 S / cm and 50% relative humidity at the same temperature Indicates conductivity value.
이와 같이 종래 전해질 막들은 저가습 조건하에서는 성능이 저하되어 실용화되지 못하고 있는 실정이다.As such, the conventional electrolyte membranes are not practical due to deterioration in performance under low-humidity conditions.
본 발명은 저가습 조건하에서도 높은 수소이온 전도도를 갖는 신규한 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention aims to provide a novel metal (IV) -silicate-phosphate (MSP) having high hydrogen ion conductivity even under low humidity conditions.
또한, 본 발명은 유기 고분자-MSP 상호간에 안정적인 수소이온 전도 채널을 형성시킴으로써, 저가습 조건 하에서 높은 성능 향상을 구현하는 유기/무기 복합 전해질막을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide an organic / inorganic composite electrolyte membrane that realizes a high performance improvement under low humidity conditions by forming a stable hydrogen ion conduction channel between the organic polymer and MSP.
또한, 본 발명은 촉매-MSP 상호간에 수소이온 전도 채널의 형성을 유도하여, 저가습 조건 하에서 높은 성능 향상을 구현하는 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide an electrode which induces formation of a hydrogen ion conducting channel between the catalyst and the MSP, thereby achieving a high performance improvement under low humidity conditions.
또한, 본 발명은 상기 유기/무기 복합 전해질막 및/또는 상기 전극을 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 an improved organic / inorganic composite electrolyte membrane and / or a membrane electrode assembly (MEA) including the electrode and the membrane electrode assembly.
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)를 제공한다.The present invention provides a metal (IV) -silicate-phosphate (MSP) represented by the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
M(Ⅳ)SiO2(HPO4)2ㆍn H2O M (Ⅳ) SiO 2 (HPO 4 ) 2 ㆍ n H 2 O
상기 화학식 1에서, M은 ⅣA족 및 ⅣB족 금속으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속이다.In
또한, 본 발명은 유기 고분자 및 상기 화학식 1로 표시되는 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)를 포함하는 유기/무기 복합 전해질막을 제공한다.The present invention also provides an organic / inorganic composite electrolyte membrane including an organic polymer and a metal (IV) -silicate-phosphate (MSP) represented by Chemical Formula 1.
또한, 본 발명은 기체 확산층의 일면 또는 양면 상에 상기 화학식 1로 표시되는 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)가 포함된 촉매층이 형성된 전극을 제공한다.The present invention also provides an electrode having a catalyst layer including metal (IV) -silicate-phosphate (MSP) represented by Formula 1 on one or both surfaces of a gas diffusion layer.
또한, 본 발명은 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 막전극 접합체에 있어서,In addition, the present invention is a cathode; Anode; And an electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode.
(i) 상기 전해질막은 본 발명에 따른 유기/무기 복합 전해질막; 또는 (ii) 상기 캐소드, 또는 애노드, 또는 이들 모두는 본 발명에 따른 전극; 또는 상기 (i)과 (ii) 모두인 것이 특징인 막전극 접합체(MEA)를 제공한다.(i) the electrolyte membrane is an organic / inorganic composite electrolyte membrane according to the present invention; Or (ii) the cathode, or anode, or both, according to the present invention; Or it provides a membrane electrode assembly (MEA) characterized in that both (i) and (ii).
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.
< 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)><Metal (IV) -silicate-phosphate (MSP)>
본 발명의 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)는 화학식 M(Ⅳ)SiO2(HPO4)2ㆍn H2O 로 표시되는 신규한 물질로서, 포스페이트는 수분을 끌어당겨 수소 결합을 형성하며, 금속(Ⅳ)과 실리케이트(SiO2)는 졸-겔 반응을 통한 다면체 네트워크 구조(clustering)를 형성하여 수분을 끌어당기므로 물 채널(수소 이동 채널)을 형성 할 수 있다. 따라서, 상기 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)는 예컨대 상대습도 40% 이하의 저가습 조건에서도 높은 수소이온 전도도를 나타내며, 유기 고분자들과의 반응시 안정적인 모폴러지를 형성할 수 있으므로, 연료전지 등의 전기화학소자에 바람직하게 사용될 수 있다.The metal (IV) -silicate-phosphate (MSP) of the present invention is represented by the formula M (IV) SiO 2 (HPO 4 ) 2 · n As a novel substance represented by H 2 O, phosphate attracts moisture to form hydrogen bonds, and metal (IV) and silicates (SiO 2 ) form polyhedral network clusters through sol-gel reactions It can draw water channels (hydrogen transfer channels). Therefore, the metal (IV) -silicate-phosphate (MSP) exhibits high hydrogen ion conductivity even at low humidity conditions of 40% or less, for example, and can form stable morphology upon reaction with organic polymers. It can be used suitably for electrochemical elements, such as a battery.
상기 금속은 Ti, Zr, Hf, Rf 등의 ⅣA족 금속, 및 Si, Ge, Sn, Pb 등의 ⅣB족 금속에서 선택될 수 있으며, 경우에 따라서는 이들의 둘 또는 그 이상으로 조합으로 포함될 수 있다. 그 중에서도 특히 Zr이 바람직하다.The metal may be selected from Group IVA metals such as Ti, Zr, Hf, and Rf, and Group IVB metals such as Si, Ge, Sn, and Pb, and in some cases, may be included as a combination of two or more of them. have. Especially, Zr is preferable.
본 발명의 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)는, Metal (IV) -silicate-phosphate (MSP) of this invention,
(a) 금속(Ⅳ) 알콕사이드 또는 금속(Ⅳ) 염; 금속과 배위결합하는 리간드; 및 산(acid)을 혼합하는 단계; (a) metal (IV) alkoxides or metal (IV) salts; Ligands that coordinate with metals; And mixing an acid;
(b) 상기 (a) 단계의 혼합물에 실리콘 알콕사이드; 및 산을 첨가하여 금속(Ⅳ)-실리케이트 전구체 용액을 준비하는 단계; 및 (b) silicon alkoxide in the mixture of step (a); And adding an acid to prepare a metal (IV) -silicate precursor solution; And
(c) 상기 금속(Ⅳ)-실리케이트 전구체 용액에 인산 또는 폴리인산을 첨가, 혼합하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.(c) adding and mixing phosphoric acid or polyphosphoric acid to the metal (IV) -silicate precursor solution.
상기 (a) 단계는 알코올 및/또는 물의 존재 하에 수행될 수 있다. 상기 알코올은 특별한 제한은 없으나, 상기 금속 알콕사이드의 알콕시와 동종의 것을 사용하는 것이 바람직하다. Step (a) may be carried out in the presence of alcohol and / or water. The alcohol is not particularly limited, but it is preferable to use the same kind as the alkoxy of the metal alkoxide.
또한, 상기 금속과 배위결합하는 리간드는 금속과 σ-결합 및/또는 π-결합할 수 있는 리간드로 알려진 통상의 화합물을 사용할 수 있다. 상기 리간드의 비제한적인 예로는 아세톤, 아세틸 아세톤 등이 있으나, 특별히 한정하지는 않는다. 또 한, 상기 산(acid)은 염산, 인산, 황산 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다. In addition, as the ligand for coordinating with the metal, conventional compounds known as ligands capable of σ-bonding and / or π-bonding with metal can be used. Non-limiting examples of the ligand include acetone, acetyl acetone and the like, but is not particularly limited. In addition, the acid may be hydrochloric acid, phosphoric acid, sulfuric acid, etc., but is not limited thereto.
상기 금속(Ⅳ) 알콕사이드 및 금속(Ⅳ) 염은 ⅣA족 금속 및 ⅣB족 금속에서 선택되는 금속의 알콕사이드 및 금속의 염이면 특별히 한정되지 않는다. The metal (IV) alkoxide and metal (IV) salt are not particularly limited as long as they are salts of alkoxides and metals of metals selected from Group IVA metals and Group IVB metals.
이후 설명하는 전해질 막 또는 전극 등에 원료로 사용하고 액상의 형태가 바람직한 경우에는, 상기 제조 과정에서 폴리인산 또는 인산 용액을 과량으로 사용하거나, 반응 후 인산 용액을 추가로 첨가하여 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP) 용액으로 제조할 수도 있다. In the case of using an electrolyte membrane or an electrode as a raw material described later and a liquid phase, the poly (phosphate) -silicate may be added by using an excessive amount of a polyphosphoric acid solution or a phosphoric acid solution during the production process, or by adding an additional phosphoric acid solution after the reaction. It may also be prepared as a phosphate (MSP) solution.
또한, 상기 금속(Ⅳ)-실리케이트 전구체 용액을 사용하여 전해질막 또는 전극 형성 과정을 거친 후, 인산 처리를 함으로써 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)를 제조할 수도 있다.In addition, the metal (IV) -silicate-phosphate (MSP) may be prepared by performing a process of forming an electrolyte membrane or an electrode using the metal (IV) -silicate precursor solution, followed by phosphoric acid treatment.
<유기/무기 복합 전해질막>Organic / Inorganic Composite Electrolyte Membrane
본 발명의 전해질막은 유기/무기 복합 전해질막으로서, 유기 고분자 및 상기 화학식 1로 표시되는 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)를 포함하고, 상기 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)는 상기 유기 고분자 매트릭스에 분산되어 있는 것일 수 있다.The electrolyte membrane of the present invention is an organic / inorganic composite electrolyte membrane, and includes an organic polymer and a metal (IV) -silicate-phosphate (MSP) represented by
본 발명의 유기/무기 복합 전해질막은 앞서 설명한 바와 같이 저가습 조건에서 높은 수소이온 전도도를 나타내면서 유기 고분자들과의 반응시 안정적인 모폴러지를 형성할 수 있는 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)를 포함하고 있으므로, 유기 고분자-금속(Ⅳ) 실리케이트 포스페이트(MSP) 상호간에 안정적인 수소이온 전 도 채널이 형성되어 전해질막은 저가습 조건에서 높은 수소이온 전도도를 나타낸다. 실제로, 본 발명의 유/무기 복합 전해질막은 저가습(상대습도 40%) 조건하에서, 종래 나피온막 보다 더 우수한 수소이온 전도도를 나타냄을 확인할 수 있다(표 1 참조). 또한 우수한 내화학성 및 열안정성을 제공할 수 있다.As described above, the organic / inorganic composite electrolyte membrane of the present invention exhibits a high hydrogen ion conductivity under low-humidity conditions and forms a metal (IV) -silicate-phosphate (MSP) that can form a stable morphology upon reaction with organic polymers. As a result, stable hydrogen ion conduction channels are formed between the organic polymer-metal (IV) silicate phosphate (MSP) and the electrolyte membrane exhibits high hydrogen ion conductivity at low humidity conditions. In fact, it can be seen that the organic / inorganic composite electrolyte membrane of the present invention shows better hydrogen ion conductivity than the conventional Nafion membrane under low humidity (40% relative humidity) conditions (see Table 1). It can also provide excellent chemical and thermal stability.
본 발명의 유기/무기 복합 전해질막에서, 상기 유기 고분자는 통상 전해질막용 고분자로 사용하고 있는 것이면 특별히 제한하지 않는다.In the organic / inorganic composite electrolyte membrane of the present invention, the organic polymer is not particularly limited as long as it is generally used as an electrolyte membrane polymer.
이러한 유기 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, (포스페이티드) 폴리포스파젠, 또는 폴리벤즈이미다졸 등이 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상으로 혼합하여 사용될 수 있다. Non-limiting examples of such organic polymers are polyaryleneether (PAE), polyetheretherketone (PEEK), polyetherethersulfone (polyetherethersulfone, PEES), polytetrafluoroethylene (PTFE), poly Polyvinylidenefluoride (PVDF), Nafion, polyazole, polyvinylalcohol (PVA), polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenyl Sulfones, polycarbonates, polystyrenes, polyimides, polyamides, polyquinoxalines, (phosphated) polyphosphazenes, or polybenzimidazoles, and the like, either alone or in combination of two or more thereof. Can be used.
특히, 유기 고분자-금속(Ⅳ) 실리케이트 포스페이트(MSP) 간에 보다 안정적인 수소이온 전도 채널을 형성하기 위해, 상기 유기 고분자는 설폰산기, 인산기, 히드록시기 및 카르복실산기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 수소이온 교환기를 갖는 유기 고분자가 바람직하고, 술폰화된 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyetheretherketone, PEEK)이 보다 바람직하다.In particular, in order to form a more stable hydrogen ion conducting channel between organic polymer-metal (IV) silicate phosphate (MSP), the organic polymer is at least one hydrogen ion selected from the group consisting of sulfonic acid groups, phosphoric acid groups, hydroxyl groups and carboxylic acid groups. Organic polymers having exchange groups are preferred, and sulfonated polyetheretherketone (PEEK) is more preferred.
본 발명의 유기/무기 복합 전해질막에서, 상기 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)의 함량 범위는 막을 이루면서 높은 수소이온 전도도를 나타낼 수 있는 범위라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 상기 유기 고분자 100 중량부 대비 0.1 내지 1000 중량부, 바람직하게는 1 내지 100 중량부로 포함될 수 있다.In the organic / inorganic composite electrolyte membrane of the present invention, the content range of the metal (IV) -silicate-phosphate (MSP) is not particularly limited as long as it is a range capable of exhibiting high hydrogen ion conductivity while forming a membrane. 0.1 to 1000 parts by weight, preferably 1 to 100 parts by weight, based on 100 parts by weight of the organic polymer.
본 발명의 유/무기 복합 전해질 막은 전술한 구성 성분 이외에, 당 업계에 알려진 통상적인 기타 성분, 첨가제 등을 포함할 수 있다. 또한, 유/무기 복합 전해질 막의 두께는 특별한 제한이 없으며, 연료전지의 성능과 안전성 향상을 도모하는 범위 내에서 조절 가능하다. The organic / inorganic 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 organic / inorganic composite electrolyte membrane is not particularly limited and can be adjusted within a range to improve the performance and safety of the fuel cell.
본 발명에 따른 유/무기 복합 전해질 막은 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 예를 들면, (i) 상기 유기고분자 또는 이의 용액; 및 상기 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP) 또는 이의 용액을 혼합하여 이들의 혼합물을 준비하는 단계; 및 (ii) 상기 혼합물을 사용하여 막을 성형하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다. The organic / inorganic composite electrolyte membrane according to the present invention can be prepared according to conventional methods known in the art. For example, (i) the organic polymer or a solution thereof; And mixing the metal (IV) -silicate-phosphate (MSP) or a solution thereof to prepare a mixture thereof. And (ii) forming a film using the mixture.
또 다른 일예를 들면, (i) 상기 유기 고분자 또는 이의 용액; 및 금속(Ⅳ)-실리케이트 전구체 용액을 혼합하여 이들의 혼합물을 준비하는 단계; 및 (ii) 상기 혼합물을 사용하여 막을 성형한 후, 인산 처리하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다. 상기 인산 처리하는 과정은 인산 용액에 성형된 막을 넣고, 세척하여 진행될 수 있다.As another example, (i) the organic polymer or a solution thereof; And mixing the metal (IV) -silicate precursor solution to prepare a mixture thereof; And (ii) molding the membrane using the mixture, followed by phosphoric acid treatment. The process of phosphoric acid treatment may be performed by putting a molded membrane into the phosphoric acid solution, washing.
이때, 상기 금속(Ⅳ)-실리케이트 전구체 용액은 (a) 금속(Ⅳ) 알콕사이드 또 는 금속(Ⅳ) 염; 금속과 배위결합하는 리간드; 및 산(acid)을 혼합하는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계의 혼합물에 실리콘 알콕사이드; 및 산을 첨가하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다. In this case, the metal (IV) -silicate precursor solution may include (a) a metal (IV) alkoxide or metal (IV) salt; Ligands that coordinate with metals; And mixing an acid; And (b) a silicon alkoxide in the mixture of step (a); And addition of an acid.
상기 금속(Ⅳ)-실리케이트 전구체 용액의 제조에서, 상기 (a) 단계는 알코올 및/또는 물의 존재 하에 수행될 수 있다. 상기 알코올은 특별한 제한은 없으나, 상기 금속 알콕사이드의 알콕시와 동종의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 금속과 배위결합하는 리간드는 금속과 σ-결합 및/또는 π-결합할 수 있는 리간드로 알려진 통상의 화합물을 사용할 수 있다. 상기 리간드의 비제한적인 예로는 아세톤, 아세틸 아세톤 등이 있으나, 특별히 한정하지는 않는다. 또한, 상기 산(acid)은 인산, 황산 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다. In the preparation of the metal (IV) -silicate precursor solution, step (a) may be performed in the presence of alcohol and / or water. The alcohol is not particularly limited, but it is preferable to use the same kind as the alkoxy of the metal alkoxide. In addition, as the ligand for coordinating with the metal, conventional compounds known as ligands capable of σ-bonding and / or π-bonding with metal can be used. Non-limiting examples of the ligand include acetone, acetyl acetone and the like, but is not particularly limited. In addition, the acid may be phosphoric acid, sulfuric acid, etc., but is not limited thereto.
상기 유기 고분자를 용해시키는 용매는, 균일한 혼합과 이후 용매 제거를 용이하게 하기 위해서, 사용하고자 하는 유기 고분자와 용해도 지수가 유사하며, 끓는점(boiling point)이 낮은 것이 바람직하다. 그러나, 이에 제한되지 않으며, 당 업계에 알려진 통상적인 용매를 사용할 수 있다. 상기 유기 고분자를 용해시키는 용매의 비제한적인 예로는 N,N-디메틸아세트아미드(N,N-dimethylacetamide, DMAc), N-메틸피롤리돈 (N-methylpyrrolidone, NMP), 디메틸술폭시드(dimethylsulfoxide, DMSO), 또는 N,N-디메틸포름아미드 (N,N-dimethylformamide, DMF), 인산, 폴리인산 등이 있다.The solvent for dissolving the organic polymer, the solubility index is similar to the organic polymer to be used in order to facilitate uniform mixing and subsequent solvent removal, it is preferable that the boiling point (boiling point) is low. 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 organic polymer include N, N-dimethylacetamide (DMAc), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (dimethylsulfoxide, DMSO), or N, N-dimethylformamide (N, N-dimethylformamide, DMF), phosphoric acid, polyphosphoric acid, and the like.
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.
<전극><Electrode>
본 발명의 전극은, 기체 확산층의 일면 또는 양면 상에 상기 화학식 1로 표시되는 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)가 포함된 촉매층이 형성된 것이며, 촉매의 작용으로 전기화학 반응을 유도하는 연료전지용 전극으로서, 캐소드 및 애노드가 있다.In the electrode of the present invention, a catalyst layer including metal (IV) -silicate-phosphate (MSP) represented by
본 발명의 전극은 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)를 포함하고 있으므로, 촉매-금속(Ⅳ) 실리케이트 포스페이트(MSP) 상호간에 안정적인 수소이온 전도 채널이 형성되어 저가습 조건에서 높은 수소이온 전도도를 나타낸다.Since the electrode of the present invention includes a metal (IV) -silicate-phosphate (MSP), a stable hydrogen ion conduction channel is formed between the catalyst-metal (IV) silicate phosphate (MSP) and thus high hydrogen ion conductivity at low humidity conditions. Indicates.
상기 전극의 촉매층은, 촉매와 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)를 기체 확산층 상에 고정 및 연결하는 바인더 성분으로서, 당 업계에 알려진 통상적인 수소이온 전도성 유기 고분자를 포함할 수 있다. 이러한 수소이온 전도성 유기 고분자는 전해질막의 구성 성분으로 포함될 수 있는 고분자 전해질이라면 특별한 제한하지 않는다. 이의 예로는 앞서 전해질막의 구성 성분으로 기재된 유기 고분자의 예와 같으나, 이에 한정하지는 않는다. The catalyst layer of the electrode is a binder component for fixing and connecting the catalyst and the metal (IV) -silicate-phosphate (MSP) on the gas diffusion layer, and may include a conventional hydrogen ion conductive organic polymer known in the art. The hydrogen ion conductive organic polymer is not particularly limited as long as it is a polymer electrolyte that may be included as a component of the electrolyte membrane. Examples thereof are the same as the examples of the organic polymer described above as a component of the electrolyte membrane, but are not limited thereto.
특히, 촉매-고분자-금속 실리케이트 포스페이트(MSP) 간에 상호 안정적인 수소이온 전도 채널을 형성하기 위해, 상기 유기 고분자는 설폰산기, 인산기, 히드록시기, 및 카르복실산기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 수소이온 교환기를 갖는 유기 고분자가 바람직하다. In particular, the organic polymer is at least one hydrogen ion exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, phosphoric acid groups, hydroxy groups, and carboxylic acid groups to form mutually stable hydrogen ion conducting channels between the catalyst-polymer-metal silicate phosphate (MSP). Preference is given to organic polymers having
상기 촉매층 내 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP) 함량은 기체 확산층에 대한 도포로 인해 전극을 형성할 수 있고, 앞서 설명한 바와 같은 우수한 물성을 나타낼 수 있는 범위라면 특별히 제한되지 않으며, 일례로 촉매층에 사용되는 상기 유기 고분자 100 중량부 대비 0.1 내지 1000 중량부, 바람직하게는 1 내지 100 중량부로 포함될 수 있다. The metal (IV) -silicate-phosphate (MSP) content in the catalyst layer is not particularly limited as long as it can form an electrode due to the coating on the gas diffusion layer and exhibits excellent physical properties as described above. 0.1 to 1000 parts by weight, preferably 1 to 100 parts by weight, based on 100 parts by weight of the organic polymer used in the.
본 발명의 전극은 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 이의 일 예를 들면, 촉매, 유기 고분자, 촉매 분산을 증진시키는 용매, 및 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)를 포함하는 혼합용액을 기체 확산층에 도포 및 건조시킴으로써 촉매층을 형성할 수 있으며, 상기의 방법으로 전극이 제조될 수 있다. Electrodes of 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 mixed solution including a catalyst, an organic polymer, a solvent for enhancing catalyst dispersion, and a metal (IV) -silicate-phosphate (MSP) to the gas diffusion layer. The electrode can be produced by the above method.
또 다른 일예를 들면, 촉매, 유기 고분자, 촉매 분산을 증진시키는 용매, 및 금속(Ⅳ)-실리케이트 전구체 용액을 포함하는 혼합용액을 기체 확산층에 도포 및 건조시킨 후, 인산 처리하여 제조될 수 있다. 이때, 상기 금속(Ⅳ)-실리케이트 전구체 용액은 앞서 유기/무기 복합 전해질막의 제조 과정에서 기재한 바와 동일한 방법으로 제조될 수 있다. 또한, 상기 인산 처리하는 과정은 인산 용액에 상기 건조과정을 통해 형성된 전극을 넣고, 세척하여 진행될 수 있다.As another example, a mixed solution including a catalyst, an organic polymer, a solvent for enhancing catalyst dispersion, and a metal (IV) -silicate precursor solution may be applied to a gas diffusion layer and dried, followed by phosphoric acid treatment. In this case, the metal (IV) -silicate precursor solution may be prepared by the same method as described above in the preparation of the organic / inorganic composite electrolyte membrane. In addition, the process of the phosphoric acid treatment may be performed by putting the electrode formed through the drying process in a phosphoric acid solution, washing.
상기 혼합용액을 기체 확산층 위에 도포하는 방법으로는 프린팅(printing), 분무(spray), 롤링(rolling) 또는 브러싱(brushing) 등의 방법이 있으나, 이에 한정하지는 않는다.The method of coating the mixed solution on the gas diffusion layer includes, but is not limited to, printing, spraying, rolling, or brushing.
상기 기체 확산층은 일반적으로 도전성 및 80% 이상의 다공도를 갖는 기재라면 특별한 제한이 없으며, 일례로 다공성 탄소지(carbon paper)나 탄소천(carbon cloth) 등이 있다. The gas diffusion layer is not particularly limited as long as it is a substrate having conductivity and porosity of 80% or more, and examples thereof include porous carbon paper or carbon cloth.
전극 중 캐소드 촉매층에 사용되는 촉매는 귀금속계 촉매 분말, 예컨대 Pt, W, Ru, Mo, Pd 또는 이들의 조합을 전도성 탄소분말의 표면에 고르게 담지시킨 형태를 사용할 수 있으며, 촉매의 비표면적을 증가시켜 반응효율을 향상시키기 위해서 카본블랙, 탄소나노튜브(carbon nanotube), 탄소 나노혼(carbon nanohorn) 등의 매우 미분된 형태의 탄소분말을 사용할 수 있다. 또한, 애노드의 촉매층에 사용되는 촉매는 일반적으로 백금 또는 Pt/Ru 와 같은 백금계 합금의 분말을 사용할 수 있다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니다.The catalyst used in the cathode catalyst layer of the electrode may be in the form of a noble metal catalyst powder, such as Pt, W, Ru, Mo, Pd or a combination thereof evenly supported on the surface of the conductive carbon powder, increasing the specific surface area of the catalyst In order to improve the reaction efficiency, carbon powder in a very finely divided form, such as carbon black, carbon nanotubes, and carbon nanohorns, may be used. In addition, the catalyst used in the catalyst layer of the anode may generally use a powder of platinum or a platinum-based alloy such as Pt / Ru. However, it is not limited thereto.
전극 제조시 상기 촉매 분산을 증진시키기 위해 사용하는 용매의 비제한적인 예로는 물, 부탄올, 이소프로필알콜(isopropyl alcohol, IPA), 메탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜 등이 있고, 이들 용매를 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.Non-limiting examples of solvents used to enhance the catalyst dispersion in electrode preparation include water, butanol, isopropyl alcohol (IPA), methanol, ethanol, n-propanol, n-butyl acetate, ethylene glycol, and the like. In addition, these solvent can be used individually or in mixture of 2 or more types.
<막전극 접합체 및 연료전지><Membrane Electrode Assembly and Fuel Cell>
본 발명의 막전극 접합체(MEA)는 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 것으로서, (i) 상기 전해질막은 전술한 본 발명의 유기/무기 복합 전해질막; 또는 (ii) 상기 캐소드, 또는 애노드, 또는 이들 모두는 전술한 본 발명의 전극; 또는 상기 (i)과 (ii) 모두인 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 (i) the electrolyte membrane includes the organic / inorganic composite electrolyte membrane of the present invention; Or (ii) the cathode, or anode, or both of the electrodes of the invention described above; Or (i) and (ii) above.
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 전해질막과 전극 중의 적어도 하나에 상기 금속(Ⅳ)-실리케이트-포스페이트(MSP)가 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 includes the metal (IV) -silicate-phosphate (MSP) in at least one of the electrolyte membrane and the electrode, thereby constituting a membrane electrode assembly having excellent operating characteristics under 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 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 설명 하면 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 1: 지르코늄 실리케이트 전구체 용액 및 지르코늄 실리케이트 포스페이트 [ZrSiOExample 1 Zirconium Silicate Precursor Solution and Zirconium Silicate Phosphate [ZrSiO 22 (HPO(HPO 44 )) 22 ㆍnHNH 22 O] 제조O] Manufacture
에틸 알코올에 Zr(O(CH2)3CH3)4와 Si(OC2H5)4 및 아세틸 아세톤을 Zr(O(CH2)3CH3)4: Si(OC2H5)4: 아세틸 아세톤: 물 = 1: 1: 1: 4의 몰(mole)비로 넣고, 35 % 염산을 첨가하여 지르코늄 실리케이트 전구체 용액을 제조하였다. In ethyl alcohol, Zr (O (CH 2 ) 3 CH 3 ) 4 and Si (OC 2 H 5 ) 4 and acetyl acetone were converted into Zr (O (CH 2 ) 3 CH 3 ) 4 : Si (OC 2 H 5 ) 4 : A zirconium silicate precursor solution was prepared by adding a mole ratio of acetyl acetone: water = 1: 1: 1: 4 and adding 35% hydrochloric acid.
구체적으로, 먼저 5 g의 Zr(O(CH2)3CH3)4을 앞서 언급한 몰비율에 해당되는 양의 아세틸 아세톤 및 10 g의 에틸 알코올의 혼합 용액에 넣고, 35 % 염산 0.5 ml를 첨가한 후 상온에서 하루 동안 교반하였다. 이어서, 상기 혼합물에 앞서 언급한 몰비율에 해당되는 양의 Si(OC2H5)4를 넣고, 다시 앞서 언급한 몰비율에 해당되는 양의 물과 35% 염산 0.5ml를 서서히 첨가한 후 하루 정도 교반하여 지르코늄 실리케이트 전구체 용액을 제조하였다.Specifically, first, 5 g of Zr (O (CH 2 ) 3 CH 3 ) 4 is added to a mixed solution of acetyl acetone and 10 g of ethyl alcohol in an amount corresponding to the aforementioned molar ratio, and 0.5 ml of 35% hydrochloric acid is added. After the addition, the mixture was stirred at room temperature for one day. Subsequently, Si (OC 2 H 5 ) 4 in an amount corresponding to the aforementioned molar ratio was added to the mixture, and then slowly added 0.5 ml of 35% hydrochloric acid and water in an amount corresponding to the aforementioned molar ratio. Stirring about to prepare a zirconium silicate precursor solution.
상기 제조된 지르코늄 실리케이트 전구체 용액에 과량의 인산을 첨가하고 혼합하여 지르코늄 실리케이트 포스페이트 용액을 제조하였다. 이어서, 지르코늄 실리케이트 포스페이트 용액을 80 ℃하에 5 시간 건조하여 지르코늄 실리케이트 포스페이트 분말을 얻었다.An excess of phosphoric acid was added to the prepared zirconium silicate precursor solution and mixed to prepare a zirconium silicate phosphate solution. The zirconium silicate phosphate solution was then dried at 80 ° C. for 5 hours to obtain zirconium silicate phosphate powder.
제조된 지르코늄 실리케이트 포스페이트 분말을 X선 회절 분광기 (X-ray Diffraction, 기기명: Bruker D4 Endeavor, Cuk radiation)를 이용하여 무기물의 결정구조를 분석하였고, 그 그래프를 도 1에 나타내었다. 도 1에서, 가로축의 θ는 X-선과 결정면과의 각도이고, 세로축은 Intensity이다. 또한, XRD의 응용 프로그램인 EVA를 이용하여 화학식 Zr(Ⅳ)SiO2(HPO4)2 을 입력한 결과, 도 1에서 나타나는 peak 값과 일치하는 그래프가 나타났다. 도 1에 의하면, Space group은 Monoclinic 형태이고, Lattice constants(a=9.097Å, b=5.307Å, c=16.284Å)를 나타내었다.Manufactured The crystal structure of the zirconium silicate phosphate powder was analyzed by using an X-ray diffraction spectrometer (X-ray Diffraction, equipment name: Bruker D4 Endeavor, Cuk radiation), and the graph is shown in FIG. 1. In Fig. 1, θ of the horizontal axis is an angle between the X-ray and the crystal plane, and the vertical axis is Intensity. In addition, as a result of inputting the chemical formula Zr (IV) SiO 2 (HPO 4 ) 2 using EVA, which is an application of XRD, a graph coinciding with the peak value shown in FIG. Referring to FIG. 1, the space group has a monoclinic form and shows Lattice constants (a = 9.097 Å, b = 5.307 Å, c = 16.284 Å).
실시예 2: 술폰화된 폴리에테르 에테르 케톤 / 지르코늄 실리케이트 전구체 [sulfonated polyether ether ketone / Zirconium Silicate Precusor]의 복합재 용액 (40~60 wt%) 제조Example 2 Preparation of a Composite Solution (40-60 wt%) of Sulfonated Polyether Ether Ketone / Zirconium Silicate Precusor
상기 실시예 1의 과정 중에 제조된 8 g의 지르코늄 실리케이트 전구체 용액에 8 g의 술폰화된 폴리에테르 에테르 케톤을 첨가하고 상온에서 3 시간 교반하여 술폰화된 폴리에테르 에테르 케톤 / 지르코늄 실리케이트 전구체의 복합재 용액을 제조하였다. 8 g of sulfonated polyether ether ketone was added to the 8 g zirconium silicate precursor solution prepared during the process of Example 1, and stirred at room temperature for 3 hours to give a solution of the composite of sulfonated polyether ether ketone / zirconium silicate precursor. Was prepared.
실시예 3: 술폰화된 폴리에테르 에테르 케톤 / 지르코늄 실리케이트 포스페이트를 포함하는 유기/무기 복합 전해질막(시편 1) 제조Example 3 Preparation of Organic / Inorganic Composite Electrolyte Membrane (Sample 1) Containing Sulfonated Polyether Ether Ketone / Zirconium Silicate Phosphate
상기 실시예 2에서 제조된 술폰화된 폴리에테르 에테르 케톤 / 지르코늄 실리케이트 전구체의 복합재 용액을 용액 붓기 방법으로 필름을 제조하였다. 필름 제조를 위해 지지체로 사용되는 유리판 혹은 고분자 필름 위에 용액을 부은 후, 닥터 블레이드를 이용하여 일정 두께로 용액을 도포하였다. 상기 도포된 유리판을 수평 을 맞춘 80 ℃ 의 항온 항습기에 8 시간 정도 보관하여 용액이 넓게 펴지게 한 뒤, 형성된 복합 전해질막을 지지체로부터 분리하였다. 분리된 복합 전해질막을 2 M의 인산에 넣고 80 ℃에서 6 시간 동안 교반한 뒤 증류수로 세척하여 술폰화된 폴리에테르 에테르 케톤 / 지르코늄 실리케이트 포스페이트를 포함하는 유/무기 복합 전해질막(시편 1)을 제조하였다. A film of the composite solution of the sulfonated polyether ether ketone / zirconium silicate precursor prepared in Example 2 was prepared by solution pouring. The solution was poured onto a glass plate or a polymer film used as a support for film production, and then the solution was applied to a predetermined thickness using a doctor blade. The coated glass plate was kept in a constant temperature and humidity chamber at 80 ° C. for about 8 hours to widen the solution, and then the formed composite electrolyte membrane was separated from the support. The separated composite electrolyte membrane was placed in 2 M phosphoric acid, stirred at 80 ° C. for 6 hours, and then washed with distilled water to prepare an organic / inorganic composite electrolyte membrane (Sample 1) including sulfonated polyether ether ketone / zirconium silicate phosphate. It was.
실시예 4: 지르코늄 실리케이트 포스페이트 함유 전극 제조Example 4: Preparation of Zirconium Silicate Phosphate-Containing Electrode
촉매(Pt/C), 증류수, 술폰화된 폴리에테르 에테르 케톤 전해질 용액(5%), 상기 실시예 1에서 제조된 지르코늄 실리케이트(MS) 전구체 용액, 및 IPA(Isopropylalcohol)를 Pt/C: H2O: 5% Ionomer solution: MS: IPA = 1: 3: 6: 1: 100의 중량 비율로 함께 섞어 교반한 후, carbon cloth의 기체 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)에 도포한 후, 인산 처리하여 전극을 제조하였다. The catalyst (Pt / C), distilled water, sulfonated polyether ether ketone electrolyte solution (5%), the zirconium silicate (MS) precursor solution prepared in Example 1, and IPA (Isopropylalcohol) were prepared using Pt / C: H 2 O: 5% Ionomer solution: MS : IPA = 1: 3: 6: 1: after stirring to mix together with 100 weight ratio, was applied to a gas diffusion layer (G as D iffusion L ayer, GDL) of the carbon cloth, Phosphoric acid treatment prepared the electrode.
실시예 5: 막전극 접합체의 제조Example 5 Preparation of Membrane Electrode Assembly
촉매(Pt/C), 증류수, 술폰화된 폴리에테르 에테르 케톤 전해질 용액(5%), 및 IPA(Isopropylalcohol)를 Pt/C: H2O: 5% Ionomer solution: IPA = 1: 3: 6: 100의 중량 비율로 함께 섞어 교반한 후, carbon cloth의 기체 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)에 도포한 후, 건조하여 전극을 제조하였다.The catalyst (Pt / C), distilled water, sulfonated polyether ether ketone electrolyte solution (5%), and IPA (Isopropylalcohol) were added with Pt / C: H 2 O: 5% Ionomer solution: IPA = 1: 3: 6: after stirring to mix together in a weight ratio of 100, it was applied to a gas diffusion layer (G as D iffusion L ayer, GDL) of the carbon cloth, and dried to prepare an electrode.
상기 제조된 전극과 상기 실시예 3에서 제조된 전해질막을 접합하여 막전극 접합체(MEA)를 제조하였다.A membrane electrode assembly (MEA) was manufactured by bonding the prepared electrode and the electrolyte membrane prepared in Example 3.
비교예 1: Nafion 전해질막(시편 2)을 사용한 막전극 접합체 제조Comparative Example 1: Preparation of membrane electrode assembly using Nafion electrolyte membrane (Sample 2)
Dupont 사의 Nafion 112 막을 사용하였고, 이를 실시예 5에서 제조한 전극과 접합하여 막전극 접합체를 제조하였다. A Nafion 112 membrane manufactured by Dupont was used, and the membrane electrode assembly was prepared by bonding the membrane to the electrode prepared in Example 5.
비교예 2: 술폰화된 폴리에테르 에테르 케톤 전해질막(시편 3) 및 막전극 접합체 제조Comparative Example 2: Preparation of sulfonated polyether ether ketone electrolyte membrane (Sample 3) and membrane electrode assembly
상기 실시예 2에서 제조된 술폰화된 폴리에테르 에테르 케톤 / 지르코늄 실리케이트 전구체의 복합재 용액 대신 술폰화된 폴리에테르 에테르 케톤을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 순수 유기 고분자 전해질막(시편 3)을 제조하였다.A pure organic polymer electrolyte membrane (sample) was prepared in the same manner as in Example 3, except that sulfonated polyether ether ketone was used instead of the composite solution of sulfonated polyether ether ketone / zirconium silicate precursor prepared in Example 2. 3) was prepared.
또한, 상기 술폰화된 폴리에테르 에테르 케톤 전해질막과 실시예 5에서 제조한 전극을 접합하여 막전극 접합체를 제조하였다. In addition, the sulfonated polyether ether ketone electrolyte membrane was bonded to the electrode prepared in Example 5 to prepare a membrane electrode assembly.
실험예 1: Ion Exchange Capacity 측정Experimental Example 1: Ion Exchange Capacity Measurement
상기 비교예 1의 Nafion 112 전해질막(Dupont 사), 및 비교예 2의 술폰화된 폴리에테르 에테르 케톤 전해질막 각각 0.5 g을 100 ℃의 초순수에서 2 시간 동안 수화시킨 후, NaCl 100 mL 수용액에 10 시간 이상 담지시켜 수소 이온(H+)을 나트륨 이온(Na+)으로 치환시켰다. 상기 치환된 수소 이온(H+)을 0.1 N NaOH 표준용액으로 적정하고, 적정에 사용된 NaOH의 양으로 하기 수학식 1에 따라 고분자막의 IEC 값을 계산하고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.0.5 g of each of Nafion 112 electrolyte membrane of Comparative Example 1 (Dupont) and sulfonated polyether ether ketone electrolyte membrane of Comparative Example 2 was hydrated in ultrapure water at 100 ° C. for 2 hours, and then, It was supported for more than time to replace hydrogen ions (H + ) with sodium ions (Na + ). The substituted hydrogen ions (H + ) were titrated with 0.1 N NaOH standard solution, and the IEC value of the polymer membrane was calculated according to
[수학식 1][Equation 1]
IEC(-SO3H mequiv./g) IEC (-SO 3 H mequiv./g)
= (소비된 NaOH 표준용액(mL) × 0.1N) / 건조된 박막의 무게(g)= (Consumed NaOH standard solution (mL) × 0.1N) / weight of dried thin film (g)
실험예 2: 수소이온 전도도의 측정Experimental Example 2: Measurement of hydrogen ion conductivity
ZAHNER IM-6 Impedance Analyzer를 사용하였고, 1 Hz ~ 1 MHz의 Frequency 영역에서 Potentio-Static Four-Probe 방법에 의해, 70 ℃의 온도 및 상대 습도 40%, 또는 70 ℃의 온도 및 상대 습도 100% 상태에서 각각 시편 1 내지 시편 3의 수소이온 전도도를 측정하여 그 결과를 표 1에 기재하였다.A ZAHNER IM-6 Impedance Analyzer was used and by the Potentio-Static Four-Probe method in the frequency range of 1 Hz to 1 MHz, a temperature of 70 ° C. and a relative humidity of 40%, or a temperature of 70 ° C. and a relative humidity of 100% In each of the
실험예 3: 메탄올 투과도(MeOH crossover)Experimental Example 3: Methanol Permeability (MeOH crossover)
상기 실시예 3에서 제조한 술폰화된 폴리에테르 에테르 케톤/ 지르코늄 실리케이트 포스페이트를 포함하는 유/무기 복합 전해질막(시편 1), 비교예 1의 Nafion 112 전해질막(Dupont 사)(시편 2), 및 비교예 2의 술폰화된 폴리에테르 에테르 케톤 전해질막(시편 3) 각각의 메탄올 투과도는 확산 셀(diffusion cell) 장치를 사용하여 측정하였다. Organic / inorganic composite electrolyte membrane (Sample 1) comprising the sulfonated polyether ether ketone / zirconium silicate phosphate prepared in Example 3, Nafion 112 electrolyte membrane (Dupont) of Comparative Example 1 (Sample 2), and The methanol permeability of each sulfonated polyether ether ketone electrolyte membrane (Sample 3) of Comparative Example 2 was measured using a diffusion cell apparatus.
먼저 좌측 셀에는 10 M의 메탄올 수용액을, 우측 셀에는 순수한 물을 넣고 셀의 중간에 상기 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. 이때, 메탄올 투과도(D i ㆍK 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 계산하였고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.First, put 10 M aqueous methanol solution in the left cell, pure water in the right cell, insert the electrolyte membrane in the middle of the cell, and then measure the methanol concentration ( C ) in the right cell according to the time ( t ) obtained by sampling the solution in the right cell. The methanol permeability was calculated from the change in i ( t )). At this time, the methanol permeability (D i and 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 It was calculated by 2, the results are shown in Table 1 below.
[수학식 2][Equation 2]
C i (t) = {(AㆍD i ㆍK i ㆍC io ) / VㆍL} × t C i (t) = {( A and D i and K i and C io) / V and L} × t
상기 표 1 의하면, 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 2의 전해질막을 비교하였을 때, 지르코늄 실리케이트 포스페이트를 술폰화된 폴리에테르 에테르 케톤에 첨가한 유기/무기 복합 전해질 막(실시예 3)의 수소이온 전도도가 크게 향상되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명에 따른 유기/무기 복합 전해질 막(실시예 3)은 종래 고분자막에 사용되던 나피온과 비교하여 고온에서의 메탄올 투과도가 향상되었음을 확인할 수 있었다.According to Table 1, hydrogen of the organic / inorganic composite electrolyte membrane (Example 3) in which zirconium silicate phosphate was added to sulfonated polyether ether ketone when the electrolyte membranes of Example 3, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 were compared It was confirmed that the ionic conductivity was greatly improved. In addition, it was confirmed that the organic / inorganic composite electrolyte membrane according to the present invention (Example 3) improved methanol permeability at a high temperature as compared to Nafion used in the conventional polymer membrane.
실험예 4: 셀 성능 분석Experimental Example 4: Cell Performance Analysis
상기 실시예 5, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 막전극 접합체(MEA)로 단위전지 셀을 구성하여 성능을 확인하였다. Performance was confirmed by constructing a unit battery cell from the membrane electrode assembly (MEA) prepared in Example 5, Comparative Example 1 and Comparative Example 2.
Arbin의 PEMFC test station 장비를 사용하였으며, 셀온도는 70℃, 셀 유효면적은 25cm2, 수소의 유량은 200cc/m, 공기의 유량은 1000cc/m 이었다. 셀은 대기압 상태에서 운전되었으며, 상대습도 40%, 셀 온도 70℃ 조건에서 셀 성능을 확인하였고, 그 결과는 도 2에 나타내었다.Arbin's PEMFC test station was used. The cell temperature was 70 ° C, the cell effective area was 25cm 2 , the flow rate of hydrogen was 200cc / m, and the flow rate of air was 1000cc / m. The cell was operated at atmospheric pressure, and the cell performance was confirmed at a relative humidity of 40% and a cell temperature of 70 ° C., and the results are shown in FIG. 2.
도 2에 의하면, 본 발명의 유/무기 복합 전해질 막을 구비하는 연료전지는 높은 수소이온 전도성 보유를 통해 고온 및 저습도 조건하에서도 우수한 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다.2, it can be seen that the fuel cell including the organic / inorganic composite electrolyte membrane of the present invention exhibits excellent performance even under high temperature and low humidity conditions through high hydrogen ion conductivity retention.
본 발명에 따른 유기/무기 복합 전해질막은 높은 수소이온 전도도를 가지면서도 내화학성 및 열안정성이 우수할 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 유기/무기 복합 전해질막 및/또는 전극으로 구성된 막전극 접합체를 포함하는 연료전지는 저가습 조건에서 향상된 성능구현이 가능하다. The organic / inorganic composite electrolyte membrane according to the present invention not only has high hydrogen ion conductivity but also excellent chemical resistance and thermal stability, and includes a membrane electrode assembly composed of the organic / inorganic composite electrolyte membrane and / or the electrode according to the present invention. Fuel cells can achieve improved performance under low humidity conditions.
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 modifications and modifications belong to the appended claims. It is also natural.
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