KR20110006128A - Filling system used for preparation of polymer electrolyte membrane and method of manufacturing polymer electrolyte membrane using the same - Google Patents

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KR20110006128A
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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a polymer electrolyte membrane is provided to improve productivity by filling ion conductor inside pores of a porous supporter and to minimize empty space inside the porous supporter. CONSTITUTION: A method for manufacturing a polymer electrolyte membrane comprises the steps of: manufacturing a porous supporter; preparing a composition solution for filler including an ion conductor; filling the ion conductor inside the pores of the porous supporter by passing the composition solution through pores of the porous supporter.

Description

고분자 전해질막 제조용 충진 시스템 및 그를 이용한 고분자 전해질막 제조방법{Filling System used for preparation of Polymer Electrolyte Membrane and Method of manufacturing Polymer Electrolyte Membrane using the same}Filling System used for preparation of Polymer Electrolyte Membrane and Method of manufacturing Polymer Electrolyte Membrane using the same}

본 발명은 연료전지에 이용되는 고분자 전해질막에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 다공성 지지체를 이용한 고분자 전해질막에 관한 것이다. The present invention relates to a polymer electrolyte membrane used in a fuel cell, and more particularly to a polymer electrolyte membrane using a porous support.

연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로서 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 인해 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. A fuel cell is a battery that converts chemical energy generated by oxidation of a fuel into electrical energy directly, and has been in the spotlight as a next-generation energy source due to its high energy efficiency and eco-friendly features with low emission of pollutants.

연료전지는 일반적으로 전해질막을 사이에 두고 그 양쪽에 산화극(Anode)과 환원극(Cathode)이 각각 형성된 구조를 이루며, 이와 같은 구조를 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)라 칭한다. A fuel cell generally has a structure in which an anode and a cathode are formed on both sides of an electrolyte membrane, and such a structure is called a membrane electrode assembly (MEA).

연료전지는 전해질막의 종류에 따라 알칼리 전해질 연료전지, 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC) 등으로 구분될 수 있는데, 그 중에 고분자 전해질 연료전지는 100℃ 미만의 낮은 작동온도, 고체 전해질의 사용으로 인한 누수문제 해소, 빠른 시동과 응답 특성 및 우수한 내구성 등의 장점으로 인하여 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다. The fuel cells may be classified into alkali electrolyte fuel cells and polymer electrolyte fuel cells (PEMFC) according to the type of electrolyte membrane. Among them, polymer electrolyte fuel cells have a low operating temperature of less than 100 ° C and a solid electrolyte. It has been spotlighted as a portable, automotive, and home power supply because of the advantages of eliminating the water leakage problem, fast start and response characteristics, and excellent durability.

이와 같은 고분자 전해질 연료전지의 대표적인 예로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC) 등을 들 수 있다. Representative examples of such a polymer electrolyte fuel cell may include a hydrogen ion exchange membrane fuel cell (PEMFC) using hydrogen gas as a fuel.

고분자 전해질 연료전지에서 일어나는 반응을 요약하면, 우선, 수소가스와 같은 연료가 산화극에 공급되면, 산화극에서는 수소의 산화반응에 의해 수소이온(H+)과 전자(e-)가 생성된다. 생성된 수소이온(H+)은 고분자 전해질막을 통해 환원극으로 전달되고, 생성된 전자(e-)는 외부회로를 통해 환원극에 전달된다. 환원극에서는 산소가 공급되고, 산소가 수소이온(H+) 및 전자(e-)와 결합하여 산소의 환원반응에 의해 물이 생성된다. Summarizing the reaction occurring in the polymer electrolyte fuel cell, first, when a fuel such as hydrogen gas is supplied to the anode, hydrogen ions (H + ) and electrons (e − ) are generated by the oxidation of hydrogen at the anode. The generated hydrogen ions (H + ) are transferred to the reduction electrode through the polymer electrolyte membrane, and the generated electrons (e − ) are transferred to the reduction electrode through an external circuit. Oxygen is supplied from the reduction electrode, and oxygen is combined with hydrogen ions (H + ) and electrons (e − ) to generate water by reduction of oxygen.

고분자 전해질막은 산화극에서 생성된 수소이온(H+)이 환원극으로 전달되는 통로이므로 기본적으로 수소이온(H+)의 전도도가 우수해야 한다. 또한, 고분자 전해질막은 산화극에 공급되는 수소가스와 환원극에 공급되는 산소를 분리하는 분리능이 우수해야 하고, 그 외에도 기계적 강도, 치수안정성, 내화학성 등이 우수해야 하며, 고전류밀도에서 저항손실(ohmic loss)이 작아야 하는 등의 특성이 요구된다. Since the polymer electrolyte membrane is a passage through which hydrogen ions (H + ) generated from the anode are transferred to the cathode, the conductivity of the hydrogen ions (H + ) should be excellent. In addition, the polymer electrolyte membrane must have excellent separation ability to separate hydrogen gas supplied to the anode and oxygen supplied to the cathode, and also have excellent mechanical strength, dimensional stability, chemical resistance, and the like. Ohmic loss) should be small.

현재 사용되고 있는 고분자 전해질막으로는 불소계 수지로서 퍼플루오로설폰산 수지(상품명:Nafion)(이하 '나피온 수지'라 함)가 있다. 그러나, 나피온 수지는 기계적 강도가 약하여 장시간 사용하게 되면 핀홀(pinhole)이 발생하고 그로 인해 에너지 전환효율이 떨어지는 문제가 있다. 기계적 강도를 보강하기 위해서 나피온 수지의 막두께를 증가시켜 사용하는 시도가 있지만 이 경우는 저항손실이 증가되고 또한 고가인 재료의 사용양이 증가되어 경제성이 떨어지는 문제가 있다. Currently used polymer electrolyte membranes are fluororesins, such as perfluorosulfonic acid resin (trade name: Nafion) (hereinafter referred to as 'nafion resin'). However, the Nafion resin has a weak mechanical strength, so that when used for a long time, pinholes are generated, thereby lowering energy conversion efficiency. In order to reinforce the mechanical strength, there are attempts to increase the film thickness of Nafion resin, but in this case, there is a problem in that the resistance loss is increased and the amount of expensive materials is increased, thereby reducing economic efficiency.

이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 다공성 지지체에 나피온 수지를 함침시킴으로써 기계적 강도를 향상시킨 고분자 전해질막이 제안된 바 있다. 즉, 다공성 지지체의 기공 내에 나피온 수지를 충진시켜 고분자 전해질막을 제조함으로써 기계적 강도가 우수하고 그에 따라 고분자 전해질막의 두께를 줄일 수 있어 저항손실이 감소하는 등의 이점이 있다. In order to solve such a problem, a polymer electrolyte membrane having improved mechanical strength by impregnating a Nafion resin in a porous support has been proposed. That is, by filling the Nafion resin in the pores of the porous support to produce a polymer electrolyte membrane, the mechanical strength is excellent, and accordingly, the thickness of the polymer electrolyte membrane can be reduced, thereby reducing the resistance loss.

그러나, 다공성 지지체에 나피온 수지를 함침시킨 고분자 전해질막은 나피온 수지 단독으로 이루어진 고분자 전해질막에 비하여 수소이온 전도도가 떨어질 수 있은데, 특히, 종래의 경우 제조공정 상의 한계로 인해서 나피온 수지를 다공성 지지체의 기공 내에 충분히 충진시킬 수 없어 수소이온 전도도의 저하를 최소화하지 못하였고, 또한 공정이 복잡하여 대량생산시 생산성이 떨어지는 문제가 있었다. However, a polymer electrolyte membrane impregnated with a Nafion resin in a porous support may have a lower hydrogen ion conductivity than a polymer electrolyte membrane composed of Nafion resin alone. In particular, in the conventional case, the Nafion resin may be porous due to limitations in the manufacturing process. It could not be sufficiently filled in the pores of the support did not minimize the decrease in the hydrogen ion conductivity, and there is a problem that the productivity is low when mass production due to the complex process.

보다 구체적으로 설명하면, 종래에는 나피온 수지를 포함하는 용액에 다공성 지지체를 침지시키는 침지공정 또는 다공성 지지체에 나피온 수지를 포함하는 용액을 분사하는 스프레이공정을 통해 다공성 지지체의 기공 내에 나피온 수지를 함침시켰다. 이때, 한번의 침지공정 및 스프레이공정으로 다공성 지지체의 기공 내에 나피온 수지를 함침하는 것이 불가능하여 수차례에 걸쳐 침지/스프레이 공정과 건조공정을 반복해야 했고 따라서 공정이 복잡해지고 생산성이 떨어지는 문제가 있었다. More specifically, conventionally, the Nafion resin is formed in the pores of the porous support through an immersion process in which the porous support is immersed in the solution containing the Nafion resin or a spray process in which the solution containing the Nafion resin is sprayed on the porous support. Impregnated. At this time, impregnation of Nafion resin in the pores of the porous support by one dipping process and spraying process was required to repeat the dipping / spraying process and drying process several times. .

또한, 다공성 지지체의 기공 내에 나피온 수지가 완전히 충진되지 않고 빈 공간이 생성되면 빈 공간이 저항으로 작용하여 고분자 전해질막의 수소이온전도도가 떨어지게 되는데, 종래의 방법은 다공성 지지체의 기공 내에 빈 공간이 많이 생성되는 한계가 있었다. 즉, 종래에는 침지/스프레이 공정 이후 건조공정을 통해 다공성 지지체의 기공 내의 용매를 제거하게 되는데, 이와 같이 용매가 제거된 자리에 빈 공간이 생성된다. 또한, 침지/스프레이 공정과 건조공정을 반복하게 됨에 따라 다공성 지지체의 기공 크기가 점차로 줄어들게 되는데 상기 기공 크기가 어느 정도 이하가 될 경우 침지/스프레이 공정을 반복한다 하더라도 표면장력에 의해서 더 이상 다공성 지지체의 기공 내에 나피온 수지가 함침되지 않아 마찬가지로 빈 공간이 생성된다. 따라서, 종래의 경우는 다공성 지지체의 기공 내에 빈 공간이 다수 생성됨에 따라 고분자 전해질막의 수소이온전도도가 떨어지는 문제가 있었다. In addition, when the Nafion resin is not completely filled in the pores of the porous support and the empty space is generated, the empty space acts as a resistance, thereby decreasing the hydrogen ion conductivity of the polymer electrolyte membrane. There was a limit generated. That is, in the related art, the solvent in the pores of the porous support is removed through a drying process after the dipping / spraying process. Thus, an empty space is created in the place where the solvent is removed. In addition, as the immersion / spray process and the drying process are repeated, the pore size of the porous support gradually decreases. When the pore size becomes less than a certain degree, even if the immersion / spray process is repeated, the surface tension of the porous support no longer occurs. Nafion resin is not impregnated in the pores, thus creating an empty space. Therefore, in the conventional case, as a large number of empty spaces are generated in the pores of the porous support, the hydrogen ion conductivity of the polymer electrolyte membrane is inferior.

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명은 공정이 단순하여 생산성이 우수하고 다공성 지지체의 기공 내에 빈 공간이 생성되는 것을 최소화함으로써 수소이온전도도가 우수한 고분자 전해질막의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 상기와 같은 고분자 전해질막 제조용 충진 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다. The present invention has been devised to solve the conventional problems, the present invention provides a method for producing a polymer electrolyte membrane having excellent hydrogen ion conductivity by minimizing the generation of empty space in the pores of the porous support with excellent productivity by a simple process. It aims to do it. In addition, another object of the present invention to provide a filling system for producing a polymer electrolyte membrane as described above.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서, 다공성 지지체를 제조하는 공정; 이온전도체를 포함하는 충진제용 조성액을 제조하는 공정; 및 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 기공을 통해 통과시킴으로써, 상기 다공성 지지체의 기공 내에 상기 이온전도체를 흡착시켜 충진하는 공정을 포함하는 고분자 전해질막의 제조방법을 제공한다. The present invention to achieve the above object, a process for preparing a porous support; Preparing a composition for filler including an ion conductor; And passing the composition composition for the filler through the pores of the porous support, thereby adsorbing and filling the ion conductor in the pores of the porous support.

여기서, 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 기공을 통해 통과시키는 공정은, 상기 충진제용 조성액을 소정의 압력으로 상기 다공성 지지체의 일면에서 타면으로 이동시키는 공정을 포함할 수 있다. Here, the process of passing the composition composition for the filler through the pores of the porous support may include the step of moving the composition composition for the filler from one surface to the other surface of the porous support at a predetermined pressure.

상기 충진제용 조성액을 이동시키는 공정은, 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 일면과 타면 사이에서 순환시키는 공정으로 이루어질 수 있다. The process of moving the filler composition liquid may include a process of circulating the filler composition liquid between one surface and the other surface of the porous support.

상기 충진제용 조성액을 이동시키는 공정은, 압력을 점차로 상승시키면서 수행할 수 있다. The process of moving the composition composition for the filler may be performed while gradually increasing the pressure.

상기 충진제용 조성액을 이동시키는 공정은, 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 일면 방향으로 가압하여 수행할 수도 있고, 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 타면 방향에서 흡입하여 수행할 수도 있다. The process of moving the composition composition for the filler may be performed by pressing the composition composition for the filler in one direction of the porous support, or may be performed by suctioning the composition composition for the filler in the other surface direction of the porous support.

상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 기공을 통해 통과시키는 공정은, 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 일면의 일측에서 타측으로 이동시키는 공정을 포함할 수 있고, 이때, 상기 다공성 지지체의 타면 방향에서 상기 충진제용 조성액을 흡입하거나 또는 상기 다공성 지지체의 일면 방향으로 상기 충진제용 조성액을 가압하는 공정을 추가로 포함할 수 있고, 또한, 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 일면의 일측과 타측 사이, 및 상기 다공성 지지체의 일면의 일측과 타면 사이 중 적어도 하나에서 순환시킬 수 있다. The process of passing the filler composition solution through the pores of the porous support may include a step of moving the filler composition solution from one side of one surface of the porous support to the other side, in which case, the other side of the porous support The method may further include a step of inhaling the composition composition for the filler or pressurizing the composition composition for the filler in one direction of the porous support, and further comprising filling the composition composition for the filler between one side and the other side of one surface of the porous support, and It may be circulated in at least one of one side and the other surface of one surface of the porous support.

본 발명은 이온전도체를 포함하는 충진제용 조성액을 수용하기 위한 용기, 다공성 지지체를 고정함과 더불어 다공성 지지체의 일면에서 타면으로 충진제용 조성액이 이동할 수 있도록 구성된 홀더, 및 상기 용기에 수용된 충진제용 조성액을 상기 홀더 방향으로 이동시키기 위한 압력 펌프를 포함하여 이루어진 충진 시스템을 이용하여 고분자 전해질막을 제조하는 방법에 있어서, 상기 고분자 전해질막을 제조하는 방법은, 상기 용기 내에 상기 충진제용 조성액을 채우고, 상기 홀더에 상기 다공성 지지체를 고정하는 준비공정; 및 상기 압력 펌프를 작동하여 상기 충진제용 조성액을 상기 용기와 상기 홀더 사이에서 순환시킴으로써, 상기 충진제용 조성액을 상기 홀더에 고정된 다공성 지지체의 일면에서 타면으로 반복하여 이동시켜 상기 다공성 지지체의 기공 내에 상기 이온전도체를 흡착시켜 충진하는 공정을 포 함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법을 제공한다. The present invention provides a container for accommodating a composition for filler comprising an ion conductor, a holder configured to move the composition for filler from one side of the porous support to the other side of the porous support, and a composition for filler contained in the container. In the method for producing a polymer electrolyte membrane using a filling system comprising a pressure pump for moving in the direction of the holder, the method for producing a polymer electrolyte membrane, the filling composition for the filler in the container, the holder A preparation step of fixing the porous support; And operating the pressure pump to circulate the filler composition liquid between the container and the holder, thereby repeatedly moving the filler composition liquid from one surface of the porous support fixed to the holder to the other surface, thereby allowing the filler solution to enter the pores of the porous support. It provides a method for producing a polymer electrolyte membrane comprising the step of adsorbing and filling the ion conductor.

여기서, 상기 압력 펌프를 작동하는 공정은 압력을 점차로 상승시키는 공정으로 이루어질 수 있다. Here, the process of operating the pressure pump may be made of a process of gradually increasing the pressure.

상기 압력 펌프를 작동하여 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 일면에서 타면으로 이동시키는 공정은, 가압 펌프를 작동하여 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 일면 방향으로 가압 이동시키는 공정으로 이루어질 수도 있고, 흡입 펌프를 작동하여 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 타면 방향에서 흡입 이동시키는 공정으로 이루어질 수도 있다. The step of operating the pressure pump to move the filler composition liquid from one surface of the porous support to the other surface may include a step of operating a pressure pump to move the filler composition liquid in one direction of the porous support. The suction pump may be operated to suction move the composition liquid for filling in the other surface direction of the porous support.

본 발명은 또한, 이온전도체를 포함하는 충진제용 조성액을 수용하기 위한 용기; 다공성 지지체를 고정함과 더불어 다공성 지지체의 일면에서 타면으로 충진제용 조성액이 이동할 수 있도록 구성된 홀더; 상기 용기에 수용된 충진제용 조성액을 상기 홀더 방향으로 이동시키기 위한 압력 펌프; 및 상기 용기, 홀더 및 압력 펌프를 연결하는 배관을 포함하여 이루어진 고분자 전해질막 제조용 충진 시스템을 제공한다. The present invention also provides a container for accommodating a composition liquid for a filler containing an ion conductor; A holder configured to fix the porous support and move the composition liquid for the filler from one surface of the porous support to the other surface; A pressure pump for moving the filler liquid contained in the container toward the holder; And it provides a filling system for producing a polymer electrolyte membrane comprising a pipe connecting the vessel, the holder and the pressure pump.

상기 홀더는 서로 대향하는 제1커버와 제2커버, 상기 제1커버와 상기 다공성 지지체 사이에 삽입되는 제1밀폐부, 및 상기 제2커버와 상기 다공성 지지체 사이에 삽입되는 제2밀폐부를 포함하여 이루어질 수 있다. The holder includes a first cover and a second cover facing each other, a first sealing portion inserted between the first cover and the porous support, and a second sealing portion inserted between the second cover and the porous support. Can be done.

상기 압력 펌프는 가압 펌프로 이루어질 수도 있고, 흡입 펌프로 이루어질 수도 있다. The pressure pump may consist of a pressure pump or a suction pump.

상기 압력 펌프와 상기 홀더 사이에, 상기 충진제용 조성액에 가해지는 압력 을 측정하기 위한 압력측정부를 추가로 포함할 수 있다. Between the pressure pump and the holder, it may further include a pressure measuring unit for measuring the pressure applied to the composition liquid for the filler.

상기 구성에 의한 본 발명에 따른 다음과 같은 효과가 있다. According to the present invention by the above configuration has the following effects.

본 발명은 소정의 압력으로 충진제용 조성액이 다공성 지지체의 기공을 통과하도록 하여 충진제용 조성액에 포함된 이온전도체가 다공성 지지체의 기공 내에 흡착되면서 축적되도록 함으로써, 반복적인 용매의 건조 공정이 요하지 않는 간단한 방법으로 다공성 지지체의 기공 내에 이온전도체를 충진시킬 수 있어 생산성이 향상되는 장점이 있다. The present invention allows the filler composition to pass through the pores of the porous support at a predetermined pressure so that the ion conductor contained in the filler composition is accumulated while being adsorbed into the pores of the porous support, thereby eliminating the need for repeated drying of the solvent. By filling the pores of the porous support to the ion conductor has the advantage that the productivity is improved.

또한, 본 발명은 반복적인 용매의 건조 공정이 요하지 않기 때문에 종래와 같이 용매의 건조로 인해 다공성 지지체의 기공 내에 발생하던 빈 공간의 생성을 최소화할 수 있어 고분자 전해질막의 수소이온전도도가 향상되는 장점이 있다. In addition, the present invention does not require a repeated drying process of the solvent, it is possible to minimize the generation of empty spaces generated in the pores of the porous support due to the drying of the solvent as in the prior art has the advantage of improving the hydrogen ion conductivity of the polymer electrolyte membrane have.

또한, 본 발명은 다공성 지지체의 기공 내에 이온전도체가 충진됨에 따라 상기 기공의 크기가 줄어든다 하더라도, 소정의 압력을 가해서 충진제용 조성액이 다공성 지지체의 기공을 통과하도록 하기 때문에 충진제용 조성액을 다공성 지지체의 기공 내로 지속적으로 통과시킬 수 있고, 그에 따라 다공성 지지체의 기공 내에 빈 공간의 생성을 최소화할 수 있어 고분자 전해질막의 수소이온전도도가 향상되는 장점이 있다. In addition, in the present invention, even if the size of the pores decreases as the ion conductor is filled in the pores of the porous support, the composition for filler is passed through the pores of the porous support by applying a predetermined pressure to the pores of the porous support. It can be continuously passed into, thereby minimizing the generation of empty space in the pores of the porous support has the advantage of improving the hydrogen ion conductivity of the polymer electrolyte membrane.

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질막 제조공정의 개념도이 다.1 is a conceptual diagram of a polymer electrolyte membrane manufacturing process according to an embodiment of the present invention.

우선, 다공성 지지체(1) 및 충진제용 조성액을 제조한다.First, the porous support 1 and the composition liquid for a filler are prepared.

상기 다공성 지지체(1)는 고분자 전해질막의 지지체로서 고분자 전해질막의 기계적 강도를 증진시키고 온도 및 습도 변화에 따른 고분자 전해질막의 부피 변화율을 최소화하는 역할을 한다. The porous support 1 serves to improve the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane as a support of the polymer electrolyte membrane and to minimize the volume change rate of the polymer electrolyte membrane according to temperature and humidity changes.

상기 다공성 지지체(1)는 불소계 고분자 물질 또는 탄화수소계 고분자 물질을 포함하여 이루어질 수 있으며, 구체적으로는 폴리 이미드(Polyimide:PI), 나일론, 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephtalate:PET), 폴리테트라플루오로 에틸렌(polytetrafluoro ethylene:PTFE), 폴리에틸렌(Polyethylene:PE), 폴리프로필렌(polypropylene:PP), 폴리아릴렌에테르 술폰(Poly(arylene ether sulfone):PAES), 폴리에테르에테르케톤(Polyetheretherketone:PEEK) 등을 포함하여 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. The porous support 1 may include a fluorine-based polymer or a hydrocarbon-based polymer, and specifically, polyimide (PI), nylon, polyethyleneterephtalate (PET), or polytetrafluoroethylene polytetrafluoro ethylene (PTFE), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyarylene ether sulfone (PAES), polyetheretherketone (PEEK), and the like It may be made, but is not necessarily limited thereto.

상기 다공성 지지체(1)는 3차원적으로 연결되는 다수의 기공(10)을 구비하는데, 기공(10)이 전체적으로 균일한 밀도로 형성되는 것이 기공(10) 내에 충진되는 충진제가 균일하게 분포될 수 있고 그에 따라 고분자 전해질막의 수소이온전도도가 전체적으로 균일하게 될 수 있어 바람직하다. 또한, 상기 다공성 지지체(1)에 형성되는 기공(10)은 0.05 내지 10㎛의 직경범위 내로 형성될 수 있는데, 기공(10)이 0.05㎛ 미만으로 형성될 경우 고분자 전해질막의 수소이온전도도가 떨어질 수 있고, 기공(10)이 10㎛를 초과할 경우 고분자 전해질막의 기계적 강도가 떨어지고 부피변화율이 증가될 수 있다. 또한, 상기 다공성 지지체(1)는 20 내지 80부피%의 기 공도를 가질 수 있는데, 그 기공도가 20부피% 미만일 경우 고분자 전해질막의 수소이온전도도가 떨어질 수 있고, 그 기공도가 80부피%를 초과할 경우 고분자 전해질막의 기계적강도가 떨어지고 부피변화율이 증가될 수 있다. The porous support 1 has a plurality of pores 10 connected in three dimensions, the pores 10 are formed in a uniform density as a whole, the fillers filled in the pores 10 can be uniformly distributed And accordingly, the hydrogen ion conductivity of the polymer electrolyte membrane can be made uniform throughout. In addition, the pores 10 formed in the porous support 1 may be formed in the diameter range of 0.05 to 10㎛, when the pores 10 are formed to less than 0.05㎛ hydrogen ion conductivity of the polymer electrolyte membrane may fall. If the pore 10 exceeds 10 μm, the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane may decrease and the volume change rate may increase. In addition, the porous support 1 may have a porosity of 20 to 80% by volume. When the porosity is less than 20% by volume, the hydrogen ion conductivity of the polymer electrolyte membrane may drop, and the porosity thereof may be 80% by volume. If exceeded, the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane may decrease and the volume change rate may increase.

이와 같은 다공성 지지체(1)는 용매증발, 추출, 또는 상분리 공정을 통하여 박막에 미세 기공을 형성하는 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 고분자 용액을 이용하여 박막을 형성한 후 박막으로부터 용매를 급격히 휘발시키거나 용매를 추출하는 방법을 통해 다공성 지지체(1)를 제조할 수도 있고, 고분자 용액을 고분자에 대한 친화성이 낮은 다른 용매에 담그어 상분리를 유도시키는 방법을 통해 다공성 지지체(1)를 제조할 수도 있다. Such a porous support 1 can be prepared by a method of forming fine pores in a thin film through a solvent evaporation, extraction, or phase separation process. For example, the porous support 1 may be prepared by forming a thin film using a polymer solution and then rapidly evaporating the solvent from the thin film or extracting the solvent. The polymer solution may have a low affinity for the polymer. The porous support 1 may also be prepared by dipping in another solvent to induce phase separation.

또한, 다공성 지지체(1)는 발포제와 고분자가 혼합된 박막을 형성한 후 가열 혹은 광조사를 통해 발포를 일으키는 방법으로 제조할 수도 있고, 전기방사(Electro-spinning) 공정, 비용매 유도 상분리(Non-solvent induced phase separation: NIPS) 공정, 열 유도 상분리(Thermal induced phase separation: TIPS) 공정, 또는 용융 및 콜드 스트레칭(Melt process and cold streching: MPCS) 공정 등을 이용하여 제조할 수도 있다. In addition, the porous support 1 may be manufactured by forming a thin film mixed with a blowing agent and a polymer, and then foaming it by heating or light irradiation, an electrospinning process, and non-solvent induced phase separation (Non). It may be prepared using a solvent induced phase separation (NIPS) process, a thermal induced phase separation (TIPS) process, or a melt process and cold streching (MPCS) process.

상기 충진제용 조성액은 상기 다공성 지지체(1)의 기공 내에 충진되는 충진제를 포함하고 있고, 이와 같은 충진제에 의해서 고분자 전해질막의 주기능인 수소이온전도기능이 수행되며, 따라서, 상기 충진제로는 수소이온전도기능이 우수한 이온전도체가 이용될 수 있다. The composition for the filler includes a filler to be filled in the pores of the porous support (1), by the filler is performed a hydrogen ion conduction function which is the main function of the polymer electrolyte membrane, and thus, the filler is a hydrogen ion conduction function This excellent ion conductor can be used.

상기 충진제용 조성액은 이온전도체를 용매에 용해시킨 이온전도체 용액 또 는 이온전도체를 용매에 분산시킨 이온전도체 분산액을 포함할 수 있다. The filler composition may include an ion conductor solution in which an ion conductor is dissolved in a solvent, or an ion conductor dispersion in which the ion conductor is dispersed in a solvent.

상기 이온전도체 용액 또는 이온전도체 분산액을 구성하는 용매로는 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone;NMP), 디메틸 아세트아마이드(dimethyl acetamide;DMA), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide; DMF), 이소프로필알콜(isopropyl alcohol:IPA), 에탄올 또는 메탄올을 이용할 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다. N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethyl acetamide (DMA), dimethylformamide (dimethylformamide) may be used as a solvent constituting the ion conductor solution or the ion conductor dispersion. DMF), isopropyl alcohol (IPA), ethanol or methanol can be used, but is not necessarily limited thereto.

상기 이온전도체는 불소계 고분자 물질 또는 탄화수소계 고분자 물질을 포함하여 이루어질 수 있으며, 구체적으로는 술포네이트 고불화 폴리머(sulfonated highly fluorinated polymer), 술포네이트 폴리에테르술폰(sulfonated polyethersulfone:S-PES), 술포네이트 폴리벤즈이미다졸(sulfonated polybenzimidazole: S-PBI), 술포네이트 폴리술폰(sulfonated polysulfone: S-PSU), 술포네이트 폴리스티렌(sulfonated polystyrene: S-PS), 술포네이트 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyetheretherketone: S-PEEK), 술포네이트 폴리이미드(sulfonated polyimide: S-PI), 술포네이트 폴리포스파젠(sulfonated polyphosphazene), 술포네이트 폴리아릴렌에테르술폰(sulfonated poly(arylene ether sulfone): S-PAES) 등을 포함하여 이루어질 수 있으나, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다. The ion conductor may include a fluorine-based polymer or a hydrocarbon-based polymer, and specifically, a sulfonated highly fluorinated polymer, a sulfonated polyethersulfone (S-PES), a sulfonate Sulfonated polybenzimidazole (S-PBI), sulfonated polysulfone (S-PSU), sulfonated polystyrene (S-PS), sulfonated polyetheretherketone (S-PBI) PEEK), sulfonated polyimide (S-PI), sulfonated polyphosphazene, sulfonated polyarylene ether sulfone (S-PAES), and the like. It may be made, but is not necessarily limited thereto.

다음, 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체(1)의 상면(1a) 방향으로 가압함으로써 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체(1)의 상면(1a)에서 하면(1b)으로 이동시킨다. 그러면, 상기 충진제용 조성액이 상기 다공성 지지체(1)의 기공(10)을 통해 통과하게 되는데, 이때, 상기 충진제용 조성액을 구성하는 용매는 상기 다공성 지지체(1)의 기공(10)을 통해 통과하지만, 상기 충진제용 조성액을 구성하는 이온전도체는 상기 다공성 지지체(1)의 기공(10) 내에 흡착되면서 결국 상기 기공(10)을 충진하게 된다. Next, the filler composition liquid is moved from the upper surface 1a of the porous support 1 to the lower surface 1b by pressing the composition liquid for the upper surface 1a of the porous support 1. Then, the filler composition solution passes through the pores 10 of the porous support 1, wherein the solvent constituting the filler composition solution passes through the pores 10 of the porous support 1. The ion conductor constituting the composition for the filler is adsorbed into the pores 10 of the porous support 1 and eventually fills the pores 10.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 충진제용 조성액이 다공성 지지체(1)의 기공(10)을 통과할 때 충진제용 조성액에 포함된 이온전도체가 다공성 지지체(1)의 기공(10) 내에 흡착되면서 축적되는 원리를 이용함으로써, 충진제용 조성액을 다공성 지지체(1)의 상면(1a)에서 하면(1b)으로 가압하여 이동시키는 간단한 방법으로 다공성 지지체(1)의 기공(10) 내에 이온전도체를 용이하게 충진할 수 있는 것이다. As described above, according to the exemplary embodiment of the present invention, when the composition liquid for the filler passes through the pores 10 of the porous support 1, the ion conductor included in the composition for the filler is adsorbed into the pores 10 of the porous support 1. By using the principle that is accumulated while accumulating, the ion conductor in the pores 10 of the porous support 1 is easy to pressurize and move the filler composition liquid from the upper surface 1a to the lower surface 1b of the porous support 1. It can be filled.

특히, 본 발명의 경우는 다공성 지지체(1)의 기공(10) 내에 이온전도체가 충진됨에 따라 상기 기공(10)의 크기가 줄어든다 하더라도, 소정의 압력을 가해서 충진제용 조성액을 다공성 지지체(1)의 기공(10)을 통과시키기 때문에 충진제용 조성액을 다공성 지지체(1)의 기공(10) 내로 지속적으로 통과시킬 수 있고, 그에 따라 이온전도체가 상기 기공(10) 내에 지속적으로 흡착될 수 있어 상기 기공(10)의 충진율을 극대화할 수 있다. In particular, in the case of the present invention, even if the size of the pores 10 is reduced as the ion conductor is filled in the pores 10 of the porous support 1, a predetermined pressure is applied to the composition liquid for the porous support 1 Since the pores 10 are passed through, the filler composition may be continuously passed into the pores 10 of the porous support 1, and thus an ion conductor may be continuously adsorbed in the pores 10, thereby allowing the pores ( The filling rate of 10) can be maximized.

이와 같은 점을 고려할 때, 상기 충진제용 조성액을 0.1 ~ 5bar의 압력으로 이동시킬 수 있는데, 이는 상기 압력이 0.1 미만일 경우는 다공성 지지체(1)의 기공(10) 크기가 줄어듦에 따라 충진제용 조성액을 상기 기공(10) 내로 지속적으로 통과시키는 것이 힘들게 될 수 있고, 상기 압력이 5bar를 초과할 경우는 충진제용 조성액의 이동속도가 너무 빨라 상기 기공(10) 내에 이온전도체가 용이하게 흡착되지 못하게 될 수 있기 때문이다. Considering this point, the filler composition may be moved to a pressure of 0.1 to 5 bar, which means that when the pressure is less than 0.1, the pore 10 of the porous support 1 is reduced in size. It may be difficult to continuously pass into the pores 10, if the pressure exceeds 5bar the movement speed of the composition composition for the filler is too fast to prevent the ion conductor is easily adsorbed in the pores (10). Because there is.

또한, 다공성 지지체(1)의 기공(10) 내에 이온전도체가 충진되면서 상기 기공(10)의 크기가 점차로 줄어드는 것에 대응할 수 있도록, 초기에는 낮은 압력으로 충진제용 조성액을 이동시키다가 점차로 압력을 증가시킬 수 있다. In addition, in order to cope with a decrease in the size of the pore 10 as the ion conductor is filled in the pores 10 of the porous support 1, initially the composition composition for the filler at a low pressure to gradually increase the pressure Can be.

또한, 상기 충진제용 조성액을 다공성 지지체(1)의 상면(1a)에서 하면(1b)으로 이동시키되, 하면(1b)을 통과한 충진제용 조성액을 다시 활용할 수 있도록 순환시킴으로써 다공성 지지체(1)의 기공(10) 내에 이온전도체의 충진속도를 증가시킬 수 있다. In addition, the filler composition liquid is moved from the upper surface (1a) of the porous support 1 to the lower surface (1b), the pores of the porous support 1 by circulating so as to utilize the filler composition solution passed through the lower surface (1b) again In (10), the filling speed of the ion conductor can be increased.

이하 설명하는 실시예에서, 전술한 도 1에 따른 고분자 전해질막의 제조공정과 동일한 부분에 대해서는 구체적인 설명을 생략하기로 한다. In the embodiments described below, detailed description of the same parts as the manufacturing process of the polymer electrolyte membrane according to FIG. 1 will be omitted.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고분자 전해질막 제조공정의 개념도로서, 이는 충진제용 조성액을 가압하는 공정 대신에 충진제용 조성액을 흡입하는 공정을 통해 상기 충진제용 조성액이 다공성 지지체(1)의 기공(10)을 통과할 수 있도록 한 점을 제외하고 전술한 도 1에 따른 고분자 전해질막의 제조공정과 동일하다. 2 is a conceptual diagram of a process for preparing a polymer electrolyte membrane according to another embodiment of the present invention, in which the composition composition for the filler is a porous support 1 through a process of sucking the composition composition for the filler instead of pressurizing the composition composition for the filler. It is the same as the manufacturing process of the polymer electrolyte membrane according to FIG. 1 described above except for allowing the pores 10 to pass therethrough.

우선, 다공성 지지체(1) 및 충진제용 조성액을 제조한다.First, the porous support 1 and the composition liquid for a filler are prepared.

다음, 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체(1)의 상면(1a) 방향에서 흡입함으로써 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체(1)의 하면(1b)에서 상면(1a)으로 이동시킨다. 그러면, 상기 충진제용 조성액이 상기 다공성 지지체(1)의 기공(10)을 통과하면서, 상기 충진제용 조성액을 구성하는 이온전도체가 상기 다공 성 지지체(1)의 기공(10) 내에 흡착되어 결국 상기 기공(10)을 충진하게 된다. Next, the filler composition liquid is sucked from the upper surface 1a of the porous support 1 to move the filler composition solution from the lower surface 1b of the porous support 1 to the upper surface 1a. Then, while the composition liquid for the filler passes through the pores 10 of the porous support 1, the ion conductor constituting the composition for the filler is adsorbed into the pores 10 of the porous support 1 and eventually the pores. (10) will be filled.

이때, 상기 충진제용 조성액을 -0.01 ~ -0.8 bar의 흡입력으로 이동시킬 수 있고, 흡입력(절대치)을 점차로 증가시킬 수 있으며, 다공성 지지체(1)의 상면(1a)을 통과한 충진제용 조성액을 다시 활용할 수 있도록 순환시킬 수 있다. At this time, the filler composition liquid can be moved to a suction force of -0.01 to -0.8 bar, the suction force (absolute value) can be gradually increased, and the filler composition liquid passed through the upper surface 1a of the porous support 1 again. It can be cycled for use.

특히, 도 2에서와 같이, 충진제용 조성액을 흡입하는 공정을 통해 충진제용 조성액이 다공성 지지체(1)의 기공(10)을 통과하도록 하면, 상기 기공(10)을 통과하는 충진제용 조성액 중 용매 성분의 제거가 촉진되어 기공(10) 내에 이온전도체의 충진시간을 단축시킬 수 있고, 또한 충진제용 조성액 내의 미세 기포를 용이하게 제거할 수 있어 기공(10)의 충진율을 극대화할 수 있다. In particular, as shown in FIG. 2, when the filler composition liquid passes through the pores 10 of the porous support 1 through a process of sucking the composition liquid for the filler, the solvent component of the filler composition liquid passing through the pores 10 is passed. Removal is accelerated so that the filling time of the ion conductor in the pores 10 can be shortened, and the fine bubbles in the filler composition can be easily removed, thereby maximizing the filling rate of the pores 10.

한편, 전술한 도 1에 따른 가압공정과 도2에 따른 흡입공정을 병행하여 수행할 수도 있다. 예를 들어, 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체(1)의 상면(1a) 방향으로 가압함과 더불어 상기 다공성 지지체(1)의 하면(1b) 방향에서 흡입함으로써 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체(1)의 상면(1a)에서 하면(1b)으로 이동시키는 것도 가능하다. On the other hand, the above-described pressing process according to Figure 1 and the suction process according to Figure 2 may be performed in parallel. For example, by pressing the composition composition for the filler in the direction of the upper surface (1a) of the porous support 1 and suctioned in the direction of the lower surface (1b) of the porous support (1) to the porous support ( It is also possible to move from the upper surface 1a of 1) to the lower surface 1b.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고분자 전해질막 제조공정의 개념도로서, 이는 십자흐름(cross flow)공정을 통해 충진제용 조성액이 다공성 지지체(1)의 기공(10)을 통과할 수 있도록 한 방법에 관한 것이다. 3 is a conceptual diagram of a manufacturing process of a polymer electrolyte membrane according to another embodiment of the present invention, which allows the composition composition for the filler to pass through the pores 10 of the porous support 1 through a cross flow process. It's about one way.

우선, 다공성 지지체(1) 및 충진제용 조성액을 제조한다.First, the porous support 1 and the composition liquid for a filler are prepared.

다음, 충진제용 조성액을 다공성 지지체(1)의 상면(1a)의 일측(1c)에서 타측(1d)으로 이동시키고, 다공성 지지체(1)의 하면(1b) 방향에서 상기 이동하는 충 진제용 조성액을 흡입한다. 그러면, 흡입력에 의해 충진제용 조성액이 상기 다공성 지지체(1)의 기공(10)을 통과하면서, 상기 충진제용 조성액을 구성하는 이온전도체가 상기 다공성 지지체(1)의 기공(10) 내에 흡착되어 결국 상기 기공(10)을 충진하게 된다. 상기 충진제용 조성액을 별도로 흡입할 경우에는 -0.01 ~ -0.8 bar의 흡입력으로 흡입할 수 있고, 흡입력(절대치)을 점차로 증가시킬 수 있다. Next, the composition composition for the filler is moved from one side 1c of the upper surface 1a of the porous support 1 to the other side 1d, and the moving composition composition for the filler is moved in the direction of the lower surface 1b of the porous support 1. Inhale. Then, while the composition liquid for the filler passes through the pores 10 of the porous support 1 by suction force, the ion conductor constituting the composition for the filler is adsorbed into the pores 10 of the porous support 1 and eventually the The pores 10 are filled. When the composition composition for filler is separately inhaled, it can be inhaled with a suction force of -0.01 to -0.8 bar, and the suction force (absolute value) can be gradually increased.

다만, 상기 다공성 지지체(1)의 하면 방향에서 상기 충진제용 조성액을 흡입하는 대신에, 상기 다공성 지지체(1)의 상면 방향으로 상기 충진제용 조성액을 가압할 수도 있고, 이때, 0.1 ~ 5bar의 압력범위로 가압할 수 있으면 가압력을 점차로 증가시킬 수 있다. However, instead of sucking the composition composition for the filler in the lower direction of the porous support 1, the composition composition for the filler may be pressurized in the upper direction of the porous support 1, in this case, a pressure range of 0.1 ~ 5bar If pressure can be increased, the pressing force can be gradually increased.

또한, 상기 다공성 지지체(1)의 하면(1b) 방향에서 별도로 흡입하는 공정 또는 상기 다공성 지지체(1)의 상면 방향으로 상기 충진제용 조성액을 가압하는 공정을 수행하지 않을 수도 있으며, 이 경우에는 상기 다공성 지지체(1)의 상면(1a)의 일측(1c)에서 타측(1d)으로 이동하는 충진제용 조성액의 유량을 조절함으로써 충진제용 조성액을 다공성 지지체(1)의 하면(1b) 방향으로 이동시킬 수 있다. In addition, the process of separately sucking in the direction of the lower surface (1b) of the porous support 1 or pressurizing the composition liquid for the filler in the upper surface of the porous support 1 may not be performed, in this case, the porous The filler composition liquid can be moved in the direction of the lower surface 1b of the porous support 1 by adjusting the flow rate of the filler composition liquid moving from one side 1c of the upper surface 1a to the other side 1d of the support 1. .

또한, 다공성 지지체(1)의 상면(1a)의 타측(1d)으로 이동한 충진제용 조성액을 활용할 수 있도록 다공성 지지체(1)의 상면(1a)의 일측(1c)과 타측(1d) 사이에서 충진제용 조성액을 순환시킬 수 있고, 또한, 다공성 지지체(1)의 하면(1b)으로 이동한 충진제용 조성액을 활용할 수 있도록 다공성 지지체(1)의 상면(1a)의 일측(1c)과 하면(1b) 사이에서 충진제용 조성액을 순환시킬 수 있다. In addition, the filler between one side (1c) and the other side (1d) of the upper surface (1a) of the porous support 1 to utilize the composition composition for the filler moved to the other side (1d) of the upper surface (1a) of the porous support (1) One side 1c and the lower surface 1b of the upper surface 1a of the porous support 1 so as to circulate the solution composition and to utilize the composition composition for the filler which has moved to the lower surface 1b of the porous support 1. The composition liquid for filler can be circulated between them.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질막 제조용 충진시스 템(101)을 이용하여 고분자 전해질막을 제조하는 방법을 보여주는 모식도이다. Figure 4 is a schematic diagram showing a method for producing a polymer electrolyte membrane using the filling system 101 for producing a polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.

도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질막 제조용 충진시스템(101)은 용기(100), 홀더(200), 압력 펌프(300), 및 배관(400)을 포함하여 이루어진다. As can be seen in Figure 4, the filling system 101 for producing a polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention comprises a container 100, a holder 200, a pressure pump 300, and a pipe 400. .

상기 용기(100)는 이온전도체를 포함하는 충진제용 조성액을 수용한다. The container 100 accommodates a composition liquid for a filler containing an ion conductor.

상기 홀더(200)는 다공성 지지체를 고정함과 더불어 다공성 지지체의 일면에서 타면으로 충진제용 조성액이 이동할 수 있도록 한다. 이를 위해서, 상기 홀더(200)는 서로 대향하는 제1커버(210)와 제2커버(230), 상기 제1커버(210)와 다공성 지지체(1) 사이에 삽입되는 제1밀폐부(250), 및 상기 제2커버(230)와 다공성 지지체(1) 사이에 삽입되는 제2밀폐부(270)를 포함하여 이루어진다. The holder 200 fixes the porous support and allows the composition liquid for the filler to move from one side of the porous support to the other side. To this end, the holder 200 is a first sealing portion 250 which is inserted between the first cover 210 and the second cover 230 facing each other, the first cover 210 and the porous support (1) And a second sealing part 270 inserted between the second cover 230 and the porous support 1.

상기 제1커버(210) 및 제2커버(230)는 충진제용 조성액이 이동할 수 있도록 그 내부가 관통되도록 구성되어 있고, 각각의 말단은 상기 배관(400)에 연결되어 있다. 상기 제1밀폐부(250) 및 제2밀폐부(270)는 충진제용 조성액이 홀더(200) 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 것으로 오링(O-Ring)을 이용할 수 있다. The first cover 210 and the second cover 230 are configured to penetrate the inside thereof so that the composition liquid for the filler can move, and each end thereof is connected to the pipe 400. The first sealing part 250 and the second sealing part 270 may use an O-ring to prevent the filler composition from flowing out of the holder 200.

상기 압력 펌프(300)는 상기 용기(100)에 수용된 충진제용 조성액을 상기 홀더(200) 방향으로 이동시키기 위한 것으로서, 가압펌프 또는 흡입펌프를 이용할 수 있으며, 특히 튜브연동식 정량펌프(Peristaltic pump)를 이용할 수 있다. The pressure pump 300 is for moving the filler liquid contained in the container 100 in the direction of the holder 200, and may use a pressure pump or a suction pump, in particular, a tube-type metering pump. Can be used.

상기 배관(400)은 상기 용기(100), 홀더(200) 및 압력 펌프(300)를 연결하여 충진제용 조성액이 순환할 수 있도록 한다. The pipe 400 connects the container 100, the holder 200, and the pressure pump 300 to allow the composition liquid for the filler to circulate.

또한, 상기 압력 펌프(300)와 상기 홀더(200) 사이의 배관(400)에 압력측정 부(500)가 설치되어, 상기 배관(400)을 통해 이동하는 충진제용 조성액에 가해지는 압력을 측정할 수 있다. In addition, the pressure measuring unit 500 is installed in the pipe 400 between the pressure pump 300 and the holder 200 to measure the pressure applied to the composition liquid for the filler moving through the pipe 400. Can be.

이와 같은 도 4에 따른 고분자 전해질막 제조용 충진시스템(101)을 이용하여 고분자 전해질막을 제조하는 공정을 설명하면 하기와 같다. The process of manufacturing the polymer electrolyte membrane using the filling system 101 for manufacturing the polymer electrolyte membrane according to FIG. 4 will be described below.

우선, 상기 용기(100) 내에 충진제용 조성액을 채우고, 상기 홀더(200)에 다공성 지지체(1)를 고정한다. First, the filler composition is filled in the container 100, and the porous support 1 is fixed to the holder 200.

다음, 상기 압력 펌프(300)를 작동하여 상기 용기(100) 내에 채워진 충진제용 조성액을 상기 홀더(200)로 이동시킨다. 즉, 상기 압력 펌프(300)를 작동하면, 상기 압력 펌프(300)의 가압력 또는 흡입력에 의해서 충진제용 조성액이 배관(400)을 통해 상기 홀더(200)로 이동하고, 상기 홀더(200)에 고정된 다공성 지지체(1)의 일면에서 타면으로 충진제용 조성액이 이동하면서 다공성 지지체(1)의 기공 내에 이온전도체가 흡착되면서 충진된다. 상기 다공성 지지체(1)의 타면으로 이동된 충진제용 조성액은 다시 배관(400)을 통해 압력 펌프(300) 및 용기(100)로 이동하고 전술한 동작을 반복하면서 순환하게 된다. Next, the pressure pump 300 is operated to move the filler composition filled in the container 100 to the holder 200. That is, when the pressure pump 300 is operated, the composition liquid for the filler moves to the holder 200 through the pipe 400 by the pressing force or the suction force of the pressure pump 300, and fixed to the holder 200. As the composition composition for the filler is moved from one surface of the porous support 1 to the other, the ion conductor is adsorbed in the pores of the porous support 1. The composition liquid for the filler, which is moved to the other surface of the porous support 1, moves to the pressure pump 300 and the container 100 through the pipe 400 again and circulates while repeating the above-described operation.

이때, 상기 압력 펌프(300)가 가압펌프일 경우에는 0.1 ~ 5bar의 가압력으로, 흡입폄프일 경우에는 -0.01 ~ -0.8 bar의 흡입력으로 충진제용 조성액을 순환시킬 수 있으며, 압력(절대치)을 점차로 상승시킬 수 있음은 전술한 바와 동일하다. At this time, when the pressure pump 300 is a pressurized pump, a pressure of 0.1 to 5 bar may be used, and in the case of a suction pump, the composition liquid for filler may be circulated with a suction force of -0.01 to -0.8 bar, and the pressure (absolute value) gradually increases. Can be raised is the same as described above.

실시예 1Example 1

폴리아크릴에시드(Polyacrylacid: PAA)를 전기방사(Electro-spinning)한 후 핫프레스(hotpress)하여 PAA 다공성 전구체를 형성한 후 이미드화반응을 통해 PI(Polyimide)로 이루어진 다공성 지지체를 제조하였다. Polyacrylic acid (PAA) was electrospinned and then hot pressed to form a PAA porous precursor, followed by imidization to prepare a porous support made of PI (Polyimide).

술포네이트 폴리에테르술폰(sulfonated polyethersulfone:S-PES)을 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone; NMP)을 용해시켜 10중량%의 충진제용 조성액을 준비하였다. Sulfonated polyethersulfone (S-PES) was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone (N-methyl-2-pyrrolidone; NMP) to prepare a 10% by weight filler composition.

그 후, 도 4에 도시한 고분자 전해질막 제조용 충진시스템(101b)의 용기(100)에 상기 준비한 충진제용 조성액을 채우고, 홀더(200)(Millipore filter holder YY2014236)에 상기 제조한 다공성 지지체를 고정한 후, 가압 펌프를 작동하여 충진제용 조성액을 순환시킴으로써 다공성 지지체의 기공에 S-PES를 충진하였다. 이때, 초기압은 0.5 bar였고, 다공성 지지체의 기공이 충진되어 그 크기가 줄어듦에 따라 압력이 점차 증가되어 3 bar까지 증가되었을 때 가압 펌프의 작동을 중지하였다. Thereafter, the prepared filler composition is filled in the container 100 of the filling system 101b for preparing the polymer electrolyte membrane shown in FIG. 4, and the fixed porous support is fixed to the holder 200 (Millipore filter holder YY2014236). In addition, S-PES was filled in the pores of the porous support by circulating the composition liquid for the filler by operating a pressure pump. At this time, the initial pressure was 0.5 bar, and when the pores of the porous support were filled and the size thereof decreased, the pressure was gradually increased to stop the operation of the pressure pump when the pressure was increased to 3 bar.

그 후, 홀더로부터 다공성 지지체를 분리한 후 130℃에서 3시간 동안 건조하여 고분자 전해질막을 제조하였다. Thereafter, the porous support was separated from the holder and dried at 130 ° C. for 3 hours to prepare a polymer electrolyte membrane.

실시예 2Example 2

전술한 실시예 1에서, 흡입 펌프를 이용하였고, 이때, 초기압은 -0.1 bar였고, 다공성 지지체의 기공이 충진되어 그 크기가 줄어듦에 따라 압력이 점차 증가되어 -0.8 bar까지 증가되었을 때 흡입 펌프의 작동을 중지한 것을 제외하고, 전술한 실시예 1과 동일한 방법에 의해 고분자 전해질막을 제조하였다. In Example 1 described above, a suction pump was used, wherein the initial pressure was -0.1 bar, and the suction pump increased when the pressure increased gradually to -0.8 bar as the pores of the porous support were filled and the size thereof decreased. A polymer electrolyte membrane was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the operation of the was stopped.

비교예 1Comparative Example 1

전술한 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 지지체 및 충진제용 조성액을 준비하였다. The composition solution for the porous support and the filler was prepared in the same manner as in Example 1 above.

그 후, 충진제용 조성액에 다공성 지지체를 2시간 동안 담지한 후 130℃에서 3시간 동안 건조하는 공정을 3회 반복하여 고분자 전해질막을 제조하였다. Thereafter, the porous support was supported in the composition for the filler for 2 hours and then dried three times at 130 ° C. for three hours to prepare a polymer electrolyte membrane.

비교예 2Comparative Example 2

전술한 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 지지체 및 충진제용 조성액을 준비하였다. The composition solution for the porous support and the filler was prepared in the same manner as in Example 1 above.

그 후, 충진제용 조성액에 다공성 지지체에 스프레이 분사한 후 130℃에서 3시간 동안 건조하는 공정을 3회 반복하여 고분자 전해질막을 제조하였다. Subsequently, the polymer electrolyte membrane was prepared by spraying a porous composition on the composition for the filler and then repeating the drying process for 3 hours at 130 ° C. three times.

이상과 같은 실시예 및 비교예에 따른 주요 공정 조건을 요약하면 하기 표 1과 같다. To summarize the main process conditions according to the above Examples and Comparative Examples are shown in Table 1.

다공성 지지체Porous support 충진제용 조성액Filler Composition 충진방식Filling method 비고Remarks 실시예 1Example 1 PIPI S-PES 및 NMPS-PES and NMP 가압순환Pressurized circulation 초기압력(0.5 bar)
최종압력(3 bar)Initial pressure (0.5 bar)
Final pressure (3 bar) 실시예 2 Example 2 PIPI S-PES 및 NMPS-PES and NMP 흡입순환Suction circulation 초기압력(-0.1 bar)
최종압력(-0.8 bar)Initial pressure (-0.1 bar)
Final pressure (-0.8 bar) 비교예 1Comparative Example 1 PIPI S-PES 및 NMPS-PES and NMP 침지Immersion 침지/건조
3회 반복Dipping / drying
3 repetitions 비교예 2Comparative Example 2 PIPI S-PES 및 NMPS-PES and NMP 스프레이spray 스프레이/건조
3회 반복Spray / dry
3 repetitions

실험예[수소이온전도도(S/cm)]Experimental example [hydrogen ion conductivity (S / cm)]

실시예 및 비교예에 따라 제조한 고분자 전해질막의 컨덕턴스(conductance)를 정전류 4 단자법에 의하여 측정하였다. 구체적으로는 온도 80℃ 및 상대습도 80%로 조절된 챔버 내에서 일정한 교류 전류를 고분자 전해질막의 양단에 인가하면서 중앙에서 발생하는 교류전위 차이를 측정하여 수소이온 전도도를 얻었고, 그 결과는 하기 표 2와 같다. Conductance of the polymer electrolyte membrane prepared according to Examples and Comparative Examples was measured by a constant current four-terminal method. Specifically, while applying a constant alternating current to both ends of the polymer electrolyte membrane in a chamber controlled at a temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 80%, hydrogen ion conductivity was obtained by measuring the difference in the alternating potential generated at the center, and the results are shown in Table 2 below. Same as

수소이온전도도(S/cm)Hydrogen ion conductivity (S / cm) 실시예 1Example 1 0.090.09 실시예 2Example 2 0.100.10 비교예 1Comparative Example 1 0.070.07 비교예 2Comparative Example 2 0.060.06

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질막 제조공정의 개념도.1 is a conceptual diagram of a polymer electrolyte membrane manufacturing process according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고분자 전해질막 제조공정의 개념도.2 is a conceptual diagram of a polymer electrolyte membrane manufacturing process according to another embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고분자 전해질막 제조공정의 개념도.3 is a conceptual diagram of a polymer electrolyte membrane manufacturing process according to another embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질막 제조용 충진시스템을 이용하여 고분자 전해질막을 제조하는 방법을 보여주는 모식도.Figure 4 is a schematic diagram showing a method for producing a polymer electrolyte membrane using a filling system for producing a polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.

<도면의 주요부의 구성에 대한 설명><Description of construction of main part of drawing>

1: 다공성 지지체 10: 기공1: porous support 10: pore

100: 용기 200: 홀더100: container 200: holder

300: 압력 펌프 400: 배관300: pressure pump 400: piping

500: 압력측정부 500: pressure measuring unit

Claims (18)

다공성 지지체를 제조하는 공정; Preparing a porous support; 이온전도체를 포함하는 충진제용 조성액을 제조하는 공정; 및Preparing a composition for filler including an ion conductor; And 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 기공을 통해 통과시킴으로써, 상기 다공성 지지체의 기공 내에 상기 이온전도체를 흡착시켜 충진하는 공정을 포함하는 고분자 전해질막의 제조방법. And passing the composition solution for the filler through the pores of the porous support, thereby adsorbing and filling the ion conductor in the pores of the porous support. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 기공을 통해 통과시키는 공정은, 상기 충진제용 조성액을 소정의 압력으로 상기 다공성 지지체의 일면에서 타면으로 이동시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법. The process of passing the composition composition for the filler through the pores of the porous support, the method of producing a polymer electrolyte membrane, comprising the step of moving the composition composition for the filler from one surface to the other surface of the porous support at a predetermined pressure. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 충진제용 조성액을 이동시키는 공정은, 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 일면과 타면 사이에서 순환시키는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법. The process of moving the filler composition liquid, the method of producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that the step of circulating the filler composition liquid between one surface and the other surface of the porous support. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 충진제용 조성액을 이동시키는 공정은, 압력을 점차로 상승시키면서 수행하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법. The process of moving the composition composition for the filler, the method of producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that carried out while gradually increasing the pressure. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 충진제용 조성액을 이동시키는 공정은, 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 일면 방향으로 가압하여 수행하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법. The step of moving the composition composition for the filler, the method for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that is carried out by pressing the composition composition for the filler in one direction of the porous support. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 충진제용 조성액을 이동시키는 공정은, 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 타면 방향에서 흡입하여 수행하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법. The step of moving the filler composition liquid, the method for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that the suction is carried out in the other surface direction of the porous support composition. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 기공을 통해 통과시키는 공정은, 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 일면의 일측에서 타측으로 이동시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법. The process of passing the composition composition for the filler through the pores of the porous support, the method for producing a polymer electrolyte membrane, comprising the step of moving the composition composition for filler from one side of the one surface of the porous support to the other side. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 기공을 통해 통과시키는 공정 은, 상기 다공성 지지체의 타면 방향에서 상기 충진제용 조성액을 흡입하거나 또는 상기 다공성 지지체의 일면 방향으로 상기 충진제용 조성액을 가압하는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법. The process of passing the composition composition for the filler through the pores of the porous support, the step of sucking the composition composition for the filler in the other surface direction of the porous support or pressurizing the composition composition for the filler in one direction of the porous support further. Method for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that it comprises a. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 일면의 일측과 타측 사이, 및 상기 다공성 지지체의 일면의 일측과 타면 사이 중 적어도 하나에서 순환시키는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법. The method of claim 1, wherein the filler composition is circulated between one side and the other side of one surface of the porous support and between one side and the other side of one surface of the porous support. 이온전도체를 포함하는 충진제용 조성액을 수용하기 위한 용기, 다공성 지지체를 고정함과 더불어 다공성 지지체의 일면에서 타면으로 충진제용 조성액이 이동할 수 있도록 구성된 홀더, 및 상기 용기에 수용된 충진제용 조성액을 상기 홀더 방향으로 이동시키기 위한 압력 펌프를 포함하여 이루어진 충진 시스템을 이용하여 고분자 전해질막을 제조하는 방법에 있어서, A container for accommodating a filler composition containing an ion conductor, a holder configured to move the filler composition from one side of the porous support to the other side of the porous support, and a filler composition contained in the container toward the holder. In the method for producing a polymer electrolyte membrane using a filling system comprising a pressure pump for moving to, 상기 고분자 전해질막을 제조하는 방법은, Method for producing the polymer electrolyte membrane, 상기 용기 내에 상기 충진제용 조성액을 채우고, 상기 홀더에 상기 다공성 지지체를 고정하는 준비공정; 및 Filling the composition liquid for the filler in the container and fixing the porous support to the holder; And 상기 압력 펌프를 작동하여 상기 충진제용 조성액을 상기 용기와 상기 홀더 사이에서 순환시킴으로써, 상기 충진제용 조성액을 상기 홀더에 고정된 다공성 지지체의 일면에서 타면으로 반복하여 이동시켜 상기 다공성 지지체의 기공 내에 상 기 이온전도체를 흡착시켜 충진하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법. By operating the pressure pump to circulate the filler composition liquid between the container and the holder, the filler composition liquid is repeatedly moved from one surface of the porous support fixed to the holder to the other surface to allow air to enter the pores of the porous support. Method for producing a polymer electrolyte membrane comprising the step of adsorbing and filling the ion conductor. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 압력 펌프를 작동하는 공정은 압력을 점차로 상승시키는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법. The process of operating the pressure pump is a method for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that consisting of a step of gradually increasing the pressure. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 압력 펌프를 작동하여 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 일면에서 타면으로 이동시키는 공정은, 가압 펌프를 작동하여 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 일면 방향으로 가압 이동시키는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법. Operation of the pressure pump to move the filler composition liquid from one surface of the porous support to the other surface, characterized in that consisting of the step of operating the pressure pump to move the composition composition for the filler pressure in one direction of the porous support. Method for producing a polymer electrolyte membrane. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 압력 펌프를 작동하여 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 일면에서 타면으로 이동시키는 공정은, 흡입 펌프를 작동하여 상기 충진제용 조성액을 상기 다공성 지지체의 타면 방향에서 흡입 이동시키는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법. Operation of the pressure pump to move the filler composition liquid from one surface of the porous support to the other surface, characterized in that the suction pump is operated by suction movement in the other surface direction of the porous support composition Method for producing a polymer electrolyte membrane. 이온전도체를 포함하는 충진제용 조성액을 수용하기 위한 용기;A container for containing a composition liquid for filler including an ion conductor; 다공성 지지체를 고정함과 더불어 다공성 지지체의 일면에서 타면으로 충진제용 조성액이 이동할 수 있도록 구성된 홀더; A holder configured to fix the porous support and move the composition liquid for the filler from one surface of the porous support to the other surface; 상기 용기에 수용된 충진제용 조성액을 상기 홀더 방향으로 이동시키기 위한 압력 펌프; 및A pressure pump for moving the filler liquid contained in the container toward the holder; And 상기 용기, 홀더 및 압력 펌프를 연결하는 배관을 포함하여 이루어진 고분자 전해질막 제조용 충진 시스템. Filling system for producing a polymer electrolyte membrane comprising a pipe connecting the vessel, the holder and the pressure pump. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 홀더는 서로 대향하는 제1커버와 제2커버, 상기 제1커버와 상기 다공성 지지체 사이에 삽입되는 제1밀폐부, 및 상기 제2커버와 상기 다공성 지지체 사이에 삽입되는 제2밀폐부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 제조용 충진 시스템. The holder includes a first cover and a second cover facing each other, a first sealing portion inserted between the first cover and the porous support, and a second sealing portion inserted between the second cover and the porous support. Filling system for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that made. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 압력 펌프는 가압 펌프로 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 제조용 충진 시스템. The pressure pump is a filling system for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that consisting of a pressure pump. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 압력 펌프는 흡입 펌프로 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 제조용 충진 시스템. The pressure pump is a filling system for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that consisting of a suction pump. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 압력 펌프와 상기 홀더 사이에, 상기 충진제용 조성액에 가해지는 압력을 측정하기 위한 압력측정부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 제조용 충진 시스템. Filling system for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that further comprising a pressure measuring unit for measuring the pressure applied to the composition composition for the filler, between the pressure pump and the holder.
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