KR20090023994A - Polymer electrolyte membrane comprising sulfated cyclodextrin for direct methanol fuel cell and method of preparing the same and membrane electrode assembly and direct methanol fuel cell using the same - Google Patents

Polymer electrolyte membrane comprising sulfated cyclodextrin for direct methanol fuel cell and method of preparing the same and membrane electrode assembly and direct methanol fuel cell using the same Download PDF

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Abstract

A polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell is provided to improve selectivity by suppressing increase in methanol permeation and secure high proton conductivity using a sulfation cyclodextrin dispersed in an ion exchange film matrix. A method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell comprises the following steps of: uniformly mixing a sulfation cyclodextrin in a polymer solution for an ion exchange film; evaporating a solvent of the mixing solution by drying; and heat-processing the solvent removed resultant to obtain a polymer electrolyte membrane.

Description

황산화 사이클로덱스트린을 포함하는 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법과 이를 사용하는 막전극 접합체 및 직접메탄올 연료전지{Polymer electrolyte membrane comprising sulfated cyclodextrin for direct methanol fuel cell and Method of preparing the same and Membrane electrode assembly and Direct methanol fuel cell using the same}Polymer electrolyte membrane comprising sulfated cyclodextrin for direct methanol fuel cell and method of preparing the same and Membrane electrode assembly and Direct methanol fuel cell using the same}

본 발명은 황산화 사이클로덱스트린을 포함하는 고분자 전해질막 및 그 제조방법과 이를 사용하는 막전극 접합체 및 직접메탄올 연료전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 수분 함유량, 프로톤 전도도, 이온교환용량 및 선택도가 우수한 고분자 전해질막 및 그 제조방법과 이를 포함하는 막전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane comprising a sulfated cyclodextrin, a method for producing the same, and a membrane electrode assembly and a direct methanol fuel cell using the same. More specifically, the present invention relates to a polymer electrolyte membrane having excellent moisture content, proton conductivity, ion exchange capacity, and selectivity, a method of manufacturing the same, and a membrane electrode assembly and a fuel cell including the same.

최근 환경오염원의 배출이 적고 에너지 효율이 높은 대체 에너지원의 하나로서 연료전지가 주목을 받고 있다. 이러한 연료전지 중에서 메탄올을 연료로서 사용하는 직접메탄올 연료전지(DMFC)는 수소를 직접 사용하는 연료전지보다는 전극 작용이 미약하여 출력밀도는 낮지만, 연료인 메탄올이 에너지밀도가 높고 저장이 용이하여 저출력 및 장시간 사용에는 매우 유리하다.Recently, fuel cells are attracting attention as one of alternative energy sources with low emission of environmental pollution sources and high energy efficiency. Among these fuel cells, direct methanol fuel cells (DMFCs) using methanol as fuel have a lower electrode density than fuel cells that directly use hydrogen, and thus have a low output density. However, methanol, a fuel, has a high energy density and is easy to store. And for long time use.

직접메탄올 연료전지의 전기발생 원리는 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 과정이다. 구체적으로는 다음의 반응식 1을 참조하면, 애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온(프로톤) 및 전자가 발생하고, 프로톤은 전해질 막을 통해 캐소드 전극으로 이동하며, 캐소드 전극에서는 산소(산화제)와 전해질막을 통해 전달된 프로톤과 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.The principle of electricity generation in direct methanol fuel cells is an electrochemical process that converts chemical energy directly into electrical energy. Specifically, referring to Scheme 1, an oxidation reaction of a fuel occurs at an anode electrode to generate hydrogen ions (protons) and electrons, and protons move to the cathode electrode through an electrolyte membrane, and at the cathode electrode, oxygen (oxidant) and Protons and electrons transferred through the electrolyte membrane react with each other to generate water. This reaction causes the movement of electrons in the external circuit.

연료극(애노드) : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- A fuel electrode (anode): CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e -

공기극(캐소드) : 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2OAn air electrode (cathode): 3 / 2O 2 + 6H + + 6e - → 3H 2 O

전체 반응 : CH3OH + H2O → CO2 + 3H2OTotal reaction: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 O

직접메탄올 연료전지의 전해질막으로는 특히 화학적 안정성이 우수한 퍼플루오로술폰산막이 주로 사용되며, 퍼플루오로술폰산의 측쇄 말단에 술폰산기가 만드는 친수성을 띠는 이온 클러스터(퍼플루오로술폰산막의 경우 크기가 약 1~4nm)를 통해 프로톤이 전파된다. 이때, 이온클러스터 주변에 물이 부족하면 프로톤 전도성이 현저하게 저하된다. 따라서 퍼플루오로술폰산막을 사용하는 연료전지에서는 전해질막을 언제나 습윤 상태로 유지시키고 있어야 한다. In particular, perfluorosulfonic acid membranes having excellent chemical stability are mainly used as electrolyte membranes for direct methanol fuel cells, and ion clusters having hydrophilicity formed by sulfonic acid groups at the side chain ends of perfluorosulfonic acid (in the case of perfluorosulfonic acid membranes, the size thereof is weak). 1 to 4 nm) protons are propagated. At this time, when water is insufficient around the ion cluster, proton conductivity is significantly reduced. Therefore, in a fuel cell using a perfluorosulfonic acid membrane, the electrolyte membrane should always be kept wet.

그러나, 직접메탄올 연료전지의 연료로 사용되는 메탄올은 물에 잘 용해되어 물속에서 잘 확산되기 때문에, 메탄올의 일부가 산화전극에서부터 얇은 고분자 전해질 막을 통해 환원전극으로 이동하게 된다(메탄올 크로스오버). 이 경우, 보통 환원 전극으로 사용되는 촉매에 의해 메탄올이 산화되며, 메탄올이 산화되면 연료를 소비할 뿐만 아니라 환원전극에서 산화·환원 반응을 모두 일으키게 되어 혼합된 전위를 나타내게 되어 효율이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 메탄올 투과도를 낮추거나 선택도(프로톤 전도도를 메탄올 투과도로 나눈 값)가 높은 전해질막에 대한 요구가 있어왔다.However, since methanol, which is used as a fuel of a direct methanol fuel cell, dissolves well in water and diffuses well in water, a portion of methanol moves from an anode to a cathode through a thin polymer electrolyte membrane (methanol crossover). In this case, methanol is usually oxidized by a catalyst used as a reduction electrode, and when methanol is oxidized, not only fuel is consumed, but also oxidation and reduction reactions occur at the reduction electrode, resulting in a mixed potential, resulting in a decrease in efficiency. have. Therefore, there has been a need for an electrolyte membrane having a low methanol permeability or a high selectivity (proton conductivity divided by methanol permeability).

이러한 문제를 해결하기 위해, 유ㆍ무기 나노입자(SiO2, TiO2, montmorillonite, polyphenylene oxide)를 도입한 나노복합막에 관한 연구가 시도되어 왔다. 하지만, 이러한 나노입자들은 메탄올 투과도의 감소를 이룰 수 있지만, 나노입자 첨가량만큼의 이온교환용량 감소로 인해 프로톤 전도도가 감소되는 문제가 있다.In order to solve this problem, researches on nanocomposite membranes incorporating organic and inorganic nanoparticles (SiO 2 , TiO 2 , montmorillonite, polyphenylene oxide) have been attempted. However, these nanoparticles can reduce methanol permeability, but there is a problem in that proton conductivity is reduced due to a decrease in ion exchange capacity by the amount of nanoparticles added.

이에 관해, Ji Hwan Son, Yong Soo Kang, Jongok Won, Poly(vinyl alcohol)-based polymer electrolyte membranes containing polyrotaxane, J. Membr. Sci. 281 (2006) 345-450 에는 폴리에틸렌글리콜과 알파-사이클로덱스트린의 포접착제인 폴리로텍세인이 폴리비닐알코올 매트릭스에 분산된 전해질막이 개시되어 있으나, 그 효과가 충분하지 못하다.In this regard, Ji Hwan Son, Yong Soo Kang, Jongok Won, Poly (vinyl alcohol) -based polymer electrolyte membranes containing polyrotaxane, J. Membr. Sci. 281 (2006) 345-450 discloses an electrolyte membrane in which polyrotaxane, an adhesive of polyethylene glycol and alpha-cyclodextrin, is dispersed in a polyvinyl alcohol matrix, but its effect is insufficient.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 프로톤 전도성이 우수할 뿐만 아니라 메탄올 투과도의 증가를 억제시켜 선택도가 향상된 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막을 제공하는 것이다.Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane for direct methanol fuel cell having excellent proton conductivity and improved selectivity by suppressing an increase in methanol permeability.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막은, 이온교환막을 포함하는 고분자 전해질막으로서, 상기 이온교환막을 형성하는 고분자 매트릭스 내부에 황산화 사이클로덱스트린이 분산되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 황산화 사이클로덱스트린은 전해질막 내부에서 굴곡도 효과(tortuous pathway effect)를 나타내므로 메탄올 크로스오버를 저해하는 효과를 나타낸다. 또한, 도 1에 나타난 바와 같이, 7~11개의 황산수소기(HSO4 -)를 갖고 있으므로 프로톤 전도성을 향상시킬 수 있으므로, 높은 선택도를 나타내어 직접메탄올 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.In order to solve the above problems, the polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell of the present invention is a polymer electrolyte membrane including an ion exchange membrane, characterized in that sulfated cyclodextrin is dispersed in a polymer matrix forming the ion exchange membrane. . The sulfated cyclodextrin according to the present invention exhibits a tortuous pathway effect in the electrolyte membrane and thus inhibits methanol crossover. In addition, as shown in FIG. 1, since it has 7 to 11 hydrogen sulfate groups (HSO 4 ), it is possible to improve the proton conductivity, thereby exhibiting high selectivity and thus improving the performance of the direct methanol fuel cell.

본 발명에 따른 황산화 사이클로덱스트린은 친수성을 띠는 황산수소기를 갖고 있으므로, 상기 이온교환막의 친수성 이온 클러스터에 주로 분산되어 있게 되어 프로톤 전도성 및 선택도가 더욱 우수할 수 있다.Since the sulfated cyclodextrin according to the present invention has a hydrophilic hydrogen sulfate group, it is mainly dispersed in the hydrophilic ion cluster of the ion exchange membrane, so that proton conductivity and selectivity may be further excellent.

본 발명에 따른 황산화 사이클로덱스트린의 전해질막 내에서의 함량은 당업자가 필요에 따라 적절히 조절할 수 있으며, 예를 들면 이온교환막 고분자 매트릭 스와 황산화 사이클로덱스트린의 전체 중량에 대하여 5중량% 이하일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.The content of the sulfated cyclodextrin according to the present invention in the electrolyte membrane may be appropriately adjusted by those skilled in the art, for example, may be 5% by weight or less based on the total weight of the ion exchange membrane polymer matrix and the sulfated cyclodextrin, It is not limited to this.

본 발명의 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법은, (S1) 이온교환막 형성용 고분자 용액에 황산화 사이클로덱스트린을 균일하게 혼합하는 단계; (S2) 상기 혼합 용액을 상온에서 건조하여 용매를 증발시키는 단계; 및 (S3) 상기 결과물을 열처리하여 고분자 전해질막을 얻는 단계;를 포함한다.Method for producing a polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell of the present invention, (S1) step of uniformly mixing a sulfated cyclodextrin in a polymer solution for forming an ion exchange membrane; (S2) drying the mixed solution at room temperature to evaporate the solvent; And (S3) heat treating the resultant to obtain a polymer electrolyte membrane.

본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 (S3) 단계에서의 열처리는 잔류하고 있는 용매를 최대한 증발시키고, 고분자 전해질막의 강도를 증가시키기 위해서 수행되는 것으로서 당업자가 필요에 따라 적절하게 수행할 수 있으며, 예를 들면 80~170℃에서 5분~3일 동안 수행될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.In the manufacturing method of the present invention, the heat treatment in the step (S3) is performed to evaporate the remaining solvent as much as possible, and to increase the strength of the polymer electrolyte membrane can be appropriately performed by those skilled in the art as needed, for example For example, it may be performed at 80 to 170 ° C. for 5 minutes to 3 days, but is not limited thereto.

전술한 본 발명의 고분자 전해질막은 직접메탄올 연료전지용 막전극 접합체 및 직접메탄올 연료전지에 사용될 수 있다.The polymer electrolyte membrane of the present invention described above can be used in the membrane electrode assembly for direct methanol fuel cell and direct methanol fuel cell.

본 발명의 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막은 이온교환막 매트릭스에 분산된 황산화 사이클로덱스트린으로인해, 프로톤 전도도, 이온교환용량 및 선택도가 우수하다. 선택도가 우수하면 종래보다 적은 메탄올로도 종래와 동일하거나 우수한 성능을 가진 직접메탄올 연료전지를 제조할 수 있다.The polymer electrolyte membrane for direct methanol fuel cell of the present invention has excellent proton conductivity, ion exchange capacity and selectivity due to sulfated cyclodextrin dispersed in an ion exchange membrane matrix. If the selectivity is excellent, it is possible to manufacture a direct methanol fuel cell having the same or superior performance as in the prior art even with less methanol.

이하, 본 발명의 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막을 그 제조방법에 따라 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통 상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell of the present invention will be described in detail according to the preparation method thereof. The terms or words used in this specification and claims are not to be construed in a general or dictionary sense, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best describe their invention. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that it can.

먼저, 이온교환막 형성용 고분자 용액에 황산화 사이클로덱스트린을 혼합하고 균일하게 교반한다(S1).First, the sulfated cyclodextrin is mixed with the polymer solution for ion exchange membrane formation and stirred uniformly (S1).

본 발명의 이온교환막을 형성하는 고분자는 당분야에서 사용되는 이온교환막 형성용 고분자가 제한없이 사용될 수 있으며, 특히 이온 클러스터를 형성할 수 있는 고분자이라면 더 우수한 효과를 기대할 수 있다. 예를 들면, 퍼플루오르술폰산 고분자, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리이미드, 폴리에테르케톤, 폴리벤즈이미다졸, 폴리술폰계 고분자, 폴리비닐알콜 및 폴리스티렌으로 이루어진 군에서 선택되는 고분자가 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.The polymer forming the ion exchange membrane of the present invention may be used without limitation the polymer for forming an ion exchange membrane used in the art, especially if the polymer capable of forming ion clusters can be expected to have a better effect. For example, perfluorosulfonic acid polymer, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene, polyphenylene oxide, polyimide, polyetherketone, polybenzimidazole, polysulfone polymer, polyvinyl alcohol And it may be used a polymer selected from the group consisting of polystyrene, but is not limited thereto.

상기 이온교환막 형성용 고분자 용액을 형성하기 위한 용매는 당분야에서 사용되는 용매가 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올(iso propanol), n-프로판올 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 바람직하게 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.As the solvent for forming the polymer solution for forming the ion exchange membrane, a solvent used in the art may be used without limitation. For example, any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, iso propanol, n-propanol and butanol may be preferably used, but is not limited thereto.

본 발명에 따른 황산화 사이클로덱스트린은 사이클로덱스트린의 황산화물이다. 사이클로덱스트린은 양 끝의 입구의 크기가 다른 원통형 구조로서 알파-사이클 로덱스트린, 베타-사이클로덱스트린 및 감마-사이클로덱스트린 등이 존재한다. 본 발명에서는 사이클로덱스트린이면 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들면 황산화 알파-사이클로덱스트린, 황산화 베타-사이클로덱스트린 및 황산화 감마-사이클로덱스트린 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 경제성의 측면에서 황산화 베타-사이클로덱스트린이 바람직할 수 있다.Sulfated cyclodextrins according to the invention are sulfur oxides of cyclodextrins. Cyclodextrins are cylindrical structures having different sizes of inlets at both ends, and include alpha-cyclodextrin, beta-cyclodextrin, gamma-cyclodextrin, and the like. In the present invention, cyclodextrin may be used without limitation, and for example, sulfated alpha-cyclodextrin, sulfated beta-cyclodextrin and sulfated gamma-cyclodextrin may be used, but is not limited thereto. In terms of economy, sulfated beta-cyclodextrin may be preferred.

황산화 사이클로덱스트린은, 도 1에 나타난 바와 같이, 사이클로덱스트린에 황산수소기(HSO4 -)가 도입된 것으로서 사이클로덱스트린보다 친수성을 더 갖게 된다. 친수성 입자가 퍼플루오로술폰산막에 도입되는 경우에는, 퍼플루오로술폰산막의 소수성 부분보다는 친수성을 띠는 이온클러스터에 주로 위치하게 된다는 사실이 당분야에 알려져 있다. As illustrated in FIG. 1, the sulfated cyclodextrin is introduced with hydrogen sulfate group (HSO 4 ) in the cyclodextrin, and has more hydrophilicity than cyclodextrin. It is known in the art that when hydrophilic particles are introduced into the perfluorosulfonic acid membrane, they are primarily located in the hydrophilic ion cluster rather than the hydrophobic portion of the perfluorosulfonic acid membrane.

따라서, 본 발명의 고분자 전해질막에 있어서, 이온교환막이 친수성 이온클러스터를 갖는 경우에 황산화 사이클로덱스트린이 친수성 부분에 주로 분산되어 위치할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 이온클러스터에 황산화 사이클로덱스트린이 주로 분산되어 있으면, 프로톤 및 메탄올이 수분에 의해 주로 전도되므로, 프로톤 전도성 및 메탄올 분자에 대한 굴곡도 효과가 더욱 향상될 수 있다.Therefore, in the polymer electrolyte membrane of the present invention, it can be seen that the sulfated cyclodextrin may be mainly dispersed in the hydrophilic portion when the ion exchange membrane has a hydrophilic ion cluster. As such, when the sulfated cyclodextrin is mainly dispersed in the ion cluster, since the proton and methanol are mainly conducted by moisture, the effect of the proton conductivity and the flexibility on the methanol molecule may be further improved.

본 발명에 따른 황산화 사이클로덱스트린은 당업자기 필요에 따라 적당량을 이온교환막 형성용 고분자 용액에 혼합할 수 있다. 예를 들면, 이온교환막 고분자 매트릭스와 황산화 사이클로덱스트린의 전체 중량에 대하여 0.1중량% 이상이면 본 발명의 효과가 우수하게 나타날 수 있으며, 1 중량% 이상이면 최적의 효과를 나타 낼 수 있다. 또한, 5중량% 이하가 되도록 혼합할 수 있는데, 5중량% 이하이면 고분자 전해질막의 균열가능성이 적어질 수 있다.The sulfated cyclodextrin according to the present invention can be mixed with the polymer solution for forming an ion exchange membrane in an appropriate amount as required by those skilled in the art. For example, an effect of the present invention may be excellent when the weight of the ion exchange membrane polymer matrix and the sulfated cyclodextrin is 0.1% by weight or more, and when 1% by weight or more, an optimal effect may be obtained. In addition, it can be mixed so that it is 5% by weight or less, if the 5% by weight or less may be less likely to crack the polymer electrolyte membrane.

이온교환막 형성용 고분자 용액에 황산화 사이클로덱스트린을 균일하게 혼합하는 방법은 당분야에서 사용하는 혼합방식을 필요에 따라 적용할 수 있으며, 예를 들면 교반 또는 소니케이션(sonication) 방법을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.The method of uniformly mixing the sulfated cyclodextrin in the polymer solution for forming an ion exchange membrane may be applied to the mixing method used in the art as needed, and for example, a stirring or sonication method may be used. It is not limited to this.

이온교환막 형성용 고분자 용액에 황산화 사이클로덱스트린을 균일하게 혼합한 후에는, 상온에서 건조하여 용매를 증발시킨다(S2).After uniformly mixing the sulfated cyclodextrin in the polymer solution for ion exchange membrane formation, the solvent is evaporated by drying at room temperature (S2).

전술한 혼합용액을 상온에서 증발시키면 막의 형태를 형성하게 된다. 상온에서의 건조 시간은 용매가 증발하여 막의 형태를 형성하는 때까지 이므로 특별한 제한은 없으나, 일반적으로 2~4일이면 막의 형태를 가질 수 있다.The above-mentioned mixed solution is evaporated at room temperature to form a film. The drying time at room temperature is until the solvent is evaporated to form a film, so there is no particular limitation, but generally 2 to 4 days may have a film shape.

상온 건조 후에, 열처리하여 고분자 전해질막을 얻는다(S3).After drying at room temperature, heat treatment is performed to obtain a polymer electrolyte membrane (S3).

상온 건조한 결과물을 열처리하여, 잔류하고 있는 용매를 최대한 증발시킬 수 있으며, 고분자 전해질막의 강도를 높일 수 있다. 따라서, 당업자는 지나친 열처리로 인한 고분자 전해질막의 파손을 발생시키지 않는 범위에서 선택된 고분자 전해질막에 따라 적절한 열처리 조건을 택할 수 있다. 예를 들면, 80~170℃에서 5분~3일 동안 열처리를 수행할 수 있다. 상기 범위 내에서 고분자 전해질막이 더 잘 형성될 수 있고, 열분해를 방지할 수 있다.By heat-treating the resultant room temperature, the remaining solvent can be evaporated as much as possible, and the strength of the polymer electrolyte membrane can be increased. Therefore, those skilled in the art can select appropriate heat treatment conditions according to the polymer electrolyte membrane selected in a range that does not cause breakage of the polymer electrolyte membrane due to excessive heat treatment. For example, heat treatment may be performed at 80 to 170 ° C. for 5 minutes to 3 days. Within this range, the polymer electrolyte membrane may be better formed, and thermal decomposition may be prevented.

전술한 본 발명의 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막은 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 개재되어 본 발명의 직접메탄올 연료전지용 막전극 접합체의 제조에 사용될 수 있다. 본 발명의 막전극 접합체는 고분자 전해질막으로서 전술한 본 발명의 전해질막을 사용하는 것을 제외하고는 당분야에서 사용되는 기술이 제한없이 사용될 수 있다.The above-described polymer electrolyte membrane for direct methanol fuel cell of the present invention may be interposed between the anode electrode and the cathode electrode to be used for the preparation of the membrane electrode assembly for direct methanol fuel cell of the present invention. The membrane electrode assembly of the present invention can be used without limitation the technology used in the art except for using the electrolyte membrane of the present invention described above as the polymer electrolyte membrane.

예를 들면, 애노드 전극 및 캐소드 전극은 촉매층을 포함하여 이루어질 수 있으며, 촉매층은 금속촉매 또는 탄소계 물질에 담지된 금속촉매, 이오노머 고분자를 포함한다.For example, the anode electrode and the cathode electrode may include a catalyst layer, and the catalyst layer includes a metal catalyst or ionomer polymer supported on a metal catalyst or a carbon-based material.

금속촉매로는 백금, 루테늄, 백금-루테늄 합금 또는 백금-팔라듐 합금 등이 사용될 수 있으며, 탄소계 물질로는 흑연, 카본 블랙, 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 등이 사용될 수 있고, 이오노머 고분자로는 나피온 이오노머와 같은 술폰화 고분자가 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 전해질막에 대향하여 상기 촉매층의 측면에 미세기공을 갖는 탄소계 물질로 구성되는 기체확산층이 형성될 수 있다.Platinum, ruthenium, platinum-ruthenium alloy or platinum-palladium alloy may be used as the metal catalyst. Graphite, carbon black, carbon nanotube or carbon nanofiber may be used as the carbon-based material. Sulfonated polymers such as Nafion ionomers may be representatively used, but not limited thereto. In addition, a gas diffusion layer may be formed of a carbon-based material having micropores on the side of the catalyst layer opposite to the electrolyte membrane.

본 발명은 또한 상기 본 발명의 전해질막 및 막전극 접합체를 사용하는 것을 제외하고는 당분야의 기술을 제한없이 사용하여 제조할 수 있는 직접메탄올 연료전지를 제공한다. 예를 들면, 본 발명의 직접메탄올 연료전지는 하나 또는 둘 이상의 본 발명의 막전극 접합체를 포함하는 스택, 상기 스택에 메탄올을 공급하는 연료공급부 및 상기 스택에 산소 또는 공기를 공급하는 산화제공급부를 포함할 수 있다.The present invention also provides a direct methanol fuel cell that can be manufactured using any of the techniques in the art, except for using the electrolyte membrane and membrane electrode assembly of the present invention. For example, the direct methanol fuel cell of the present invention includes a stack including one or more membrane electrode assemblies of the present invention, a fuel supply unit supplying methanol to the stack, and an oxidant supply unit supplying oxygen or air to the stack. can do.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어져 서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, embodiments according to the present invention can be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

실시예 1Example 1

나피온 5중량%를 물에 용해시킨 나피온 용액에, 나피온 용액 중의 나피온과 황산화 베타-사이클로덱스트린의 전체 중량 대비 1중량%이 되도록 황산화 베타-사이클로덱스트린을 첨가한 후, 소니케이션을 수행하여 균일하게 혼합하였다. 혼합된 용액을 페트리디쉬에 넣고 3일 동안 상온에서 방치하여 용액을 증발시킨 후, 150℃에서 10분 동안 열처리 하여 고분자 전해질막을 제조하였다.To the Nafion solution in which 5% by weight of Nafion was dissolved in water, added sulfated beta-cyclodextrin to 1% by weight based on the total weight of Nafion and sulfated beta-cyclodextrin in the Nafion solution, followed by sonication. Was performed to mix uniformly. The mixed solution was placed in a petri dish and left at room temperature for 3 days to evaporate the solution, followed by heat treatment at 150 ° C. for 10 minutes to prepare a polymer electrolyte membrane.

실시예 2 및 3Examples 2 and 3

나피온 5중량% 용액에 황산화 베타-사이클로덱스트린을 나피온과의 전체 중량 대비 3중량%(실시예 2) 및 5중량%(실시예 3)가 되도록 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자 전해질막을 제조하였다.Example 1 except that the sulfated beta-cyclodextrin was added to 3% by weight (Example 2) and 5% by weight (Example 3) to Nafion 5% by weight solution A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner.

비교예Comparative example

황산화 사이클로덱스트린을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자 전해질막을 제조하였다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that no sulfated cyclodextrin was added.

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 각 고분자 전해질막의 수분 함유량, 이온교환용량, 프로톤 전도도, 메탄올 투과도 및 선택도를 측정하여 표 1에 나타내었 다.The water content, ion exchange capacity, proton conductivity, methanol permeability and selectivity of each polymer electrolyte membrane prepared in Examples and Comparative Examples were measured and shown in Table 1.

또한, 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자 전해질막의 이온 클러스터의 기공 크기를 측정하여 도 3에 나타내었으며, 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자 전해질막을 사용하여 제조된 단위 셀의 테스트 결과를 도 4에 나타냈다.In addition, the pore size of the ion clusters of the polymer electrolyte membranes prepared in Examples and Comparative Examples was measured and shown in FIG. 3, and the test results of the unit cells prepared using the polymer electrolyte membranes prepared in Examples and Comparative Examples are shown. 4 is shown.

수분 함유량 및 이온교환용량 측정Moisture Content and Ion Exchange Capacity Measurement

수분 함유량은 다음의 식 (1)로 측정하였다.The moisture content was measured by the following formula (1).

수분 함유량(%) = (Wwet - Wdry)/Wdry ×100 (1)Moisture Content (%) = (W wet -W dry ) / W dry × 100 (1)

여기에서, Wwet은 물에 의해 팽윤된 전해질막의 무게를, Wdry는 건조된 전해질막의 무게를 나타낸다.Here, W wet denotes the weight of the electrolyte membrane swollen by water, and W dry denotes the weight of the dried electrolyte membrane.

이온교환용량은 제조된 전해질막 내의 친수성기인 양이온 교환기의 포함 정도를 알 수 있으며, 산-염기 적정법을 이용하여 측정하였다. 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전해질막을 각각 0.1N 수산화나트륨 수용액 50ml에 24시간 침적하여 예를 들면, 전해질막 내의 -OSO3H+가 -OSO3Na+ 형태로 치환되도록 한 후 10ml를 채취하여 0.1N 염산을 이용하여 적정함으로써 다음의 식 (2)를 이용하여 수산화나트륨의 감소량을 측정하였다. Ion exchange capacity can be seen that the degree of inclusion of the cation exchange group, which is a hydrophilic group in the prepared electrolyte membrane, was measured by acid-base titration method. The electrolyte membranes prepared according to Examples and Comparative Examples were immersed in 50 ml of 0.1 N aqueous sodium hydroxide solution for 24 hours, for example, so that -OSO 3 H + in the electrolyte membrane was replaced with -OSO 3 Na + , and then 10 ml was collected. By titrating with 0.1 N hydrochloric acid, the amount of reduction of sodium hydroxide was measured using the following equation (2).

이온교환용량(meq/g) = (VNaOH × NNaOH × 5)/Wdry (2)Ion exchange capacity (meq / g) = (V NaOH × N NaOH × 5) / W dry (2)

여기에서 VNaOH는 적정에 사용된 수산화나트륨(NaOH) 수용액의 양을, NNaOH는 수산화나트륨 수용액의 노르말 농도를, Wdry는 건조된 전해질막의 무게를 나타낸다Where V NaOH is the amount of sodium hydroxide (NaOH) solution used for titration, N NaOH is the normal concentration of sodium hydroxide solution, and W dry is the weight of the dried electrolyte membrane.

프로톤 전도도, 메탄올 투과도 및 선택도Proton Conductivity, Methanol Permeability and Selectivity

임피던스 분석법으로 프로톤 전도도 값을 측정하였으며, 기체 크로마토그래프를 이용하여 전해질막을 투과한 메탄올의 농도를 측정함으로써 메탄올 투과도를 측정하였다. 전술한 바와 같이, 선택도는 측정된 프로톤 전도도를 메탄올 투과도로 나눈 값이다.Proton conductivity values were measured by impedance analysis, and methanol permeability was measured by measuring the concentration of methanol that passed through the electrolyte membrane using a gas chromatograph. As mentioned above, the selectivity is the measured proton conductivity divided by the methanol permeability.

수분 함유량(%)Moisture content (%) 이온교환용량 (meq/g)Ion exchange capacity (meq / g) 프로톤 전도도 (S/cm)Proton Conductivity (S / cm) 메탄올 투과도 (cm2/s)Methanol Permeability (cm 2 / s) 선택도 (Sㆍs/cm3)Selectivity (S · s / cm 3 ) 실시예 1Example 1 22.122.1 0.910.91 1.19×10-2 1.19 × 10 -2 1.071×10-6 1.071 × 10 -6 1.111×104 1.111 × 10 4 실시예 2Example 2 23.323.3 0.940.94 1.35×10-2 1.35 × 10 -2 1.086×10-6 1.086 × 10 -6 1.243×104 1.243 × 10 4 실시예 3Example 3 24.424.4 0.960.96 1.44×10-2 1.44 × 10 -2 1.093×10-6 1.093 × 10 -6 1.317×104 1.317 × 10 4 비교예Comparative example 21.421.4 0.890.89 1.05×10-2 1.05 × 10 -2 1.065×10-6 1.065 × 10 -6 0.986×104 0.986 × 10 4

상기 표에 나타난 바와 같이, 황산화 베타-사이클로덱스트린이 많이 포함된 고분자 전해질막일수록 더 높은 이온교환용량 및 프로톤 전도도를 나타내었다.As shown in the table, the polymer electrolyte membrane containing more sulfated beta-cyclodextrin showed higher ion exchange capacity and proton conductivity.

종래의 연구에 따르면 메탄올 투과도는 수분 함유량이 증가함에 따라 직선적으로 증가한다고 보고되고 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 나피온/황산화 베타-사이클로덱스트린 고분자 전해질막에서는 전해질막 내에 황산화 베타-사이클로덱스트린 함량이 증가할수록 메탄올 투과도는 매우 경미하게 증가함을 알 수 있다. 이는 메탄올 분자가 나피온의 이온 클러스터 기공 내에 존재하는 황산화 베타-사이클로덱스트린으로 인한 우회현상 때문이라고 볼 수 있다.According to a conventional study, methanol permeability has been reported to increase linearly with increasing water content. However, in the Nafion / Sulfated Beta-cyclodextrin polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention, the sulfated beta-cyclo It can be seen that the methanol permeability increases slightly with increasing dextrin content. This may be due to the bypass caused by the sulfated beta-cyclodextrin present in the Nafion ion cluster pores of methanol.

게다가 선택도를 살펴보면 비교예와는 달리, 실시예에서는 전해질막 내에 황산화 베타-사이클로덱스트린 함량이 증가할수록 선택도가 점차 증가하는 것을 알 수 있다.In addition, looking at the selectivity, unlike the comparative example, it can be seen that the selectivity gradually increases as the sulfated beta-cyclodextrin content increases in the electrolyte membrane.

전해질막의 이온 클러스터 기공 크기 측정Ion Cluster Pore Size Measurement of Electrolyte Membrane

프로톤 핵자기공명(NMR) cryoporometry 및 깁스-톰슨 식을 이용하여 고분자 전해질막의 이온 클러스터 기공의 크기를 측정할 수 있다. Proton nuclear magnetic resonance (NMR) cryoporometry and the Gibbs-Thomson equation can be used to measure the size of the ion cluster pores of the polymer electrolyte membrane.

프로톤 핵자기공명(NMR) cryoporometry는 다공성 물질 내에서 응결된 유기액체의 녹는점이 기공의 크기에 따라 달라진다는 원리와 핵자기공명 완화에서 액체상과 고체상의 스핀-스핀 완화시간(spin-spin relaxation time, T2)이 현저하게 차이가 난다는 원리를 이용한다.Proton nuclear magnetic resonance (NMR) cryoporometry is based on the principle that the melting point of the condensed organic liquid in the porous material depends on the pore size and the spin-spin relaxation time in liquid and solid phases in nuclear magnetic resonance relaxation. T 2 ) is remarkably different.

또한, 깁스-톰슨(Gibbs-Thompson) 이론에 따르면 기공의 크기가 작을수록 녹는점 강하가 크므로 작은 기공에 채워진 물부터 녹기 시작한다. 즉, 다음 식 (3)에서와 같이 기공에 채워진 물의 액체상과 고체상이 온도에 따라 다른 분율로 존재하게 되는 것이다.In addition, according to Gibbs-Thompson theory, the smaller the pore size, the larger the melting point drop, so that it starts melting from the water filled in the small pore. That is, as shown in the following equation (3), the liquid and solid phases of the water filled in the pores are present at different fractions depending on the temperature.

ΔTm = Tm - Tm(x) = (4ㆍσㆍΔTm)/(xㆍΔHfㆍρ) = k/x (3)ΔT m = T m -T m (x) = (4 · σ · ΔT m ) / (x · ΔH f ρ) = k / x (3)

여기에서 ΔTm은 녹는점 강하, Tm은 벌크 상태에서의 녹는점, Tm(x)는 기공의 크기가 x인 기공 내 물질의 녹는점, σ는 액체와 고체의 경계면에서의 표면 에너지, ΔHf는 벌크 상태의 용융 엔탈피, ρ는 고체의 밀도, k는 유기액체의 종류에 의존하는 상수이다. Where ΔT m is the melting point drop, T m is the melting point in bulk, T m (x) is the melting point of the material in the pore with pore size x, σ is the surface energy at the interface between liquid and solid, ΔH f is a constant of melting enthalpy in bulk, ρ is the density of solids, and k is the type of organic liquid.

또한, 기공부피 V(x)는 기공반경 x의 함수이다. 반경 x와 x+Δx 사이의 부피는 (dV/dx)x로 주어지므로 다음의 식(4)로 나타낼 수 있다.Also, the pore volume V (x) is a function of pore radius x. Since the volume between the radius x and x + Δx is given by (dV / dx) x, it can be expressed by the following equation (4).

(dV/dx) = [dV/dTm(x)] [dTm(x)/dx] = (dVㆍk)/[dTm(x)ㆍx2] (4)(dV / dx) = [dV / dT m (x)] [dT m (x) / dx] = (dV · k) / [dT m (x) · x 2 ] (4)

따라서, x를 알고 있는 물질을 기공 내에 넣고 [dV/dTm(x)]을 측정하면 기공크기 분포를 알 수 있다.Therefore, the pore size distribution can be determined by inserting a substance having x as a pore into the pores and measuring [dV / dT m (x)].

이에 따라, 상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 고분자 전해질막들을 물에 함침시킨 후, 온도를 낮춰 계 내의 모든 물을 응결시킨 후 승온시키면서 이에 따른 강도를 측정하였다. 즉, 이온 클러스터 내 삽입된 수분의 부피 분율에 직접적으로 비례하는 상대적인 스핀-에코 신호 강도 그래프를 온도에 따라서 얻었으며, 이를 도 2에 나타내었다.Accordingly, after impregnating the polymer electrolyte membranes prepared according to the above Examples and Comparative Examples in water, the temperature was lowered to condense all the water in the system and then the temperature was measured while increasing the strength. That is, a relative spin-echo signal intensity graph, which is directly proportional to the volume fraction of water inserted into the ion cluster, was obtained according to the temperature, which is shown in FIG. 2.

또한, 도 2의 그래프를 통해서, 상변화가 일어나는 온도 범위인 녹는점 강하를 측정하였고, 이 값을 깁스-톰슨 식에 대입하여 클러스터의 크기 분포를 알 수 있으며, 이를 도 3에 나타내었다. Also, through the graph of FIG. 2, the melting point drop, which is a temperature range in which the phase change occurs, was measured, and the size distribution of the cluster can be known by substituting this value into the Gibbs-Thomson equation, which is shown in FIG. 3.

도 3에 나타난 바와 같이, 고분자 전해질막 내에 황산화 베타-사이클로덱스트린 함량이 증가할수록 이온 클러스터 크기 분포가 넓어짐을 알 수 있고, 그 크기 또한 점차 증가함을 알 수 있다. 고분자 전해질막 내에 황산화 베타-사이클로덱스트린 함량이 증가할수록 이온 클러스터 크기 및 그 분포가 넓어진다는 것은 황산화 베타-사이클로덱스트린이 프로톤 전도도 향상에 유효한 효과를 미친다는 것을 의미하는 것이다.As shown in FIG. 3, it can be seen that as the sulfated beta-cyclodextrin content increases in the polymer electrolyte membrane, the ion cluster size distribution becomes wider, and its size gradually increases. As the sulfated beta-cyclodextrin content increases in the polymer electrolyte membrane, the ion cluster size and its distribution become wider, which means that the sulfated beta-cyclodextrin has an effective effect on improving proton conductivity.

단위 셀 테스트Unit cell test

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자 전해질막을 사용하여, 당분야에서 막전극 접합체를 제조하였다. 애노드 및 캐소드는 E-TEK사의 직접메탄올 연료전지용 A11STDA 및 A11STDC 제품을 사용하였다. 상기 애노드 및 캐소드 사이에 실시예 및 비교예에 따른 고분자 전해질막을 끼워 넣고 140℃에서 3000psi로 5분간 압착하여 막전극 집합체를 제조하였다. 애노드에 2M의 메탄올/물 용액을, 캐소드에 공기를 주입하면서 단위 셀 테스트를 시행하였다. 도 4에서 나타난 바와 같이, 고분자 전해질막 내에 황산화 베타-사이클로덱스트린 함량이 증가할수록 단위 셀의 전류 밀도 및 최대 전력 밀도가 증가하였다.Using the polymer electrolyte membrane prepared in Examples and Comparative Examples, a membrane electrode assembly was prepared in the art. The anode and cathode used E-TEK's A11STDA and A11STDC products for direct methanol fuel cells. The polymer electrolyte membrane according to the examples and the comparative example was sandwiched between the anode and the cathode, and pressed at 3000 ° C. for 5 minutes at 3000 ° C. to prepare a membrane electrode assembly. A unit cell test was conducted with a 2 M methanol / water solution at the anode and air at the cathode. As shown in FIG. 4, as the sulfated beta-cyclodextrin content increased in the polymer electrolyte membrane, the current density and the maximum power density of the unit cell increased.

도 1은 황산화 베타-사이클로덱스트린의 화학구조식이다.1 is a chemical formula of sulfated beta-cyclodextrin.

도 2는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 고분자 전해질막의 이온 클러스터 내 삽입된 수분의 부피 분율에 직접적으로 비례하는 상대적인 스핀-에코 신호 강도를 나타낸 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing relative spin-echo signal intensities directly proportional to the volume fraction of water inserted into ion clusters of polymer electrolyte membranes prepared according to Examples and Comparative Examples.

도 3은 도 2의 결과를 이용하여, 실시예 및 비교예에 따라 제조된 고분자 전해질막의 이온 클러스터 크기를 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the ion cluster size of the polymer electrolyte membrane prepared according to Examples and Comparative Examples, using the results of FIG.

도 4는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 고분자 전해질막을 사용하여 제조된 단위 셀의 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing test results of a unit cell manufactured using a polymer electrolyte membrane prepared according to Examples and Comparative Examples.

Claims (12)

애노드와 캐소드 사이에 개재되는 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막에 있어서,In the polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell interposed between the anode and the cathode, 이온교환막을 포함하는 고분자 전해질막으로서, 상기 이온교환막을 형성하는 고분자 매트릭스 내부에 황산화 사이클로덱스트린이 분산되어 있는 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막.A polymer electrolyte membrane comprising an ion exchange membrane, wherein a polymer electrolyte membrane for direct methanol fuel cell in which sulfated cyclodextrin is dispersed in a polymer matrix forming the ion exchange membrane. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 황산화 사이클로덱스트린은 상기 이온교환막의 친수성 이온 클러스터에 주로 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막.The sulfated cyclodextrin is a polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell, characterized in that mainly dispersed in the hydrophilic ion cluster of the ion exchange membrane. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 이온교환막을 형성하는 고분자 매트릭스는 퍼플루오르술폰산 고분자, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리이미드, 폴리에테르케톤, 폴리벤즈이미다졸, 폴리술폰계 고분자, 폴리비닐알콜 및 폴리스티렌으로 이루어진 군에서 선택되는 고분자로 형성된 고분자 매트릭스인 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막.The polymer matrix forming the ion exchange membrane may be a perfluorosulfonic acid polymer, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene, polyphenylene oxide, polyimide, polyether ketone, polybenzimidazole, polysulfone type Polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell, characterized in that the polymer matrix formed of a polymer selected from the group consisting of a polymer, polyvinyl alcohol and polystyrene. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 황산화 사이클로덱스트린은 황산화 알파-사이클로덱스트린, 황산화 베타-사이클로덱스트린 및 황산화 감마-사이클로덱스트린으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막.The sulfated cyclodextrin is any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of sulfated alpha-cyclodextrin, sulfated beta-cyclodextrin and sulfated gamma-cyclodextrin, the polymer electrolyte for direct methanol fuel cell membrane. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 황산화 사이클로덱스트린의 함량은 이온교환막 고분자 매트릭스와 황산화 사이클로덱스트린의 전체 중량에 대하여 5중량% 이하인 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막.The content of the sulfated cyclodextrin is a polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell, characterized in that less than 5% by weight relative to the total weight of the ion exchange membrane polymer matrix and sulfated cyclodextrin. (S1) 이온교환막 형성용 고분자 용액에 황산화 사이클로덱스트린을 균일하게 혼합하는 단계;(S1) uniformly mixing the sulfated cyclodextrin in the polymer solution for forming an ion exchange membrane; (S2) 상기 혼합 용액을 상온에서 건조하여 용매를 증발시키는 단계; 및(S2) drying the mixed solution at room temperature to evaporate the solvent; And (S3) 상기 결과물을 열처리하여 고분자 전해질막을 얻는 단계;(S3) heat treating the resultant to obtain a polymer electrolyte membrane; 를 포함하는 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.Method for producing a polymer electrolyte membrane for direct methanol fuel cell comprising a. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 황산화 사이클로덱스트린은 황산화 알파-사이클로덱스트린, 황산화 베타-사이클로덱스트린 및 황산화 감마-사이클로덱스트린으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전 지용 고분자 전해질막의 제조방법.The sulfated cyclodextrin is a direct methanol fuel cell polymer, characterized in that any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of sulfated alpha-cyclodextrin, sulfated beta-cyclodextrin and sulfated gamma-cyclodextrin Method for producing an electrolyte membrane. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 이온교환막 형성용 고분자는 퍼플루오르술폰산 고분자, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리이미드, 폴리에테르케톤, 폴리벤즈이미다졸, 폴리술폰계 고분자, 폴리비닐알콜 및 폴리스티렌으로 이루어진 군에서 선택되는 고분자인 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.The ion-exchange membrane-forming polymer may be a perfluorosulfonic acid polymer, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene, polyphenylene oxide, polyimide, polyether ketone, polybenzimidazole, polysulfone polymer, Method for producing a polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell, characterized in that the polymer selected from the group consisting of polyvinyl alcohol and polystyrene. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 제조된 고분자 전해질막 내의 황산화 사이클로덱스트린의 함량은 이온교환막 고분자 매트릭스와 황산화 사이클로덱스트린의 전체 중량에 대하여 5중량% 이하인 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.The content of the sulfated cyclodextrin in the prepared polymer electrolyte membrane is a method for producing a polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell, characterized in that less than 5% by weight relative to the total weight of the ion exchange membrane polymer matrix and sulfated cyclodextrin. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 (S3) 단계에서의 열처리는 80~170℃에서 5분~3일 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.The heat treatment in the step (S3) is a method for producing a polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell, characterized in that performed for 5 minutes to 3 days at 80 ~ 170 ℃. 전해질막; 및 상기 전해질막을 사이에 두고 형성되며, 각각 촉매층을 포함하는 애노드 및 캐소드;를 포함하는 직접메탄올 연료전지용 막전극 접합체에 있어서,Electrolyte membrane; In the membrane electrode assembly for a direct methanol fuel cell comprising a; and formed between the electrolyte membrane, each comprising an anode and a cathode comprising a catalyst layer, 상기 전해질막은 상기 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막인 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 막전극 접합체.The electrolyte membrane is a direct methanol fuel cell membrane electrode assembly, characterized in that the polymer electrolyte membrane for direct methanol fuel cell according to any one of claims 1 to 5. 하나 또는 둘 이상의 제11항에 따른 막전극 접합체를 포함하는 스택;A stack comprising one or more membrane electrode assemblies according to claim 11; 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및 A fuel supply unit supplying fuel to the stack; And 산화제를 상기 스택으로 공급하는 산화제공급부;An oxidant supplier for supplying an oxidant to the stack; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지.Direct methanol fuel cell comprising a.
KR1020070089163A 2007-09-03 2007-09-03 Polymer electrolyte membrane comprising sulfated cyclodextrin for direct methanol fuel cell and method of preparing the same and membrane electrode assembly and direct methanol fuel cell using the same KR20090023994A (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20100122879A (en) * 2009-05-13 2010-11-23 충남대학교산학협력단 Polyelectrolyte multilayer and biosensor

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