KR20110119264A - Organic-inorganic hybrid electrolyte membrane, method for fabricating the same and fuel cell - Google Patents

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KR20110119264A
KR20110119264A KR1020100038875A KR20100038875A KR20110119264A KR 20110119264 A KR20110119264 A KR 20110119264A KR 1020100038875 A KR1020100038875 A KR 1020100038875A KR 20100038875 A KR20100038875 A KR 20100038875A KR 20110119264 A KR20110119264 A KR 20110119264A
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Abstract

PURPOSE: An organic-inorganic hybrid electrolyte membrane is provided to prevent the leakage of inorganic particles in the operation of a fuel cell, to effectively reduce fuel penetration, to improve ion conductivity and to maintain excellent performance in a high temperature/low humidification condition. CONSTITUTION: An organic-inorganic hybrid electrolyte membrane comprises: a polymer(12) having an ion exchange group(10) and inorganic particles(16) which are chemically bonded with the polymer and have the ion exchange group. A method for preparing the organic-inorganic hybrid electrolyte membrane comprises the steps of: preparing an organic membrane containing the polymer having the ion exchange group; absorbing an inorganic particle precursor having the ion exchange group to the organic membrane; and bonding a polymer(14) having the ion exchange group with the inorganic particle precursor having the ion exchange group using a sol-gel reaction, and inorganic particle precursors having the ion exchange group.

Description

유무기 복합 전해질막, 그 제조방법 및 연료전지{Organic-inorganic hybrid electrolyte membrane, method for fabricating the same and fuel cell}Organic-inorganic hybrid electrolyte membrane, method for fabricating the same and fuel cell

본 발명은 유무기 복합 전해질막, 그 제조방법 및 응용에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이온전도성 고분자와 이온전도성 무기입자를 포함하는 유무기 복합 전해질막, 그 제조방법 및 연료전지에의 응용에 관한 것이다. The present invention relates to an organic-inorganic composite electrolyte membrane, a method of manufacturing and application thereof, and more particularly, to an organic-inorganic composite electrolyte membrane containing an ion conductive polymer and an ion conductive inorganic particle, a method for manufacturing the same, and an application to a fuel cell. will be.

연료전지(fuel cell)란 전기화학반응을 통해 연료의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 전기화학 장치로서, 높은 에너지 밀도 가지며 친환경적이라는 장점을 바탕으로 미래의 에너지 생산장치로 주목받고 있다. 이 중 고분자 전해질 연료전지는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 전해질에 의한 부식이나 증발의 위험이 없으며, 낮은 작동온도, 고출력 밀도 및 빠른 응답특성 등을 갖는 장점이 있다. 또한, 연료로서 수소 이외에 메탄올이나 에탄올, 천연 가스 등을 개질하여 사용할 수 있기 때문에 연료의 수송과 저장이 용이하여 자동차 등의 수송용 전원이나 전자기기용 소형 전원으로 이용하기 용이하다.A fuel cell is an electrochemical device that directly converts chemical energy of a fuel into electrical energy through an electrochemical reaction, and is drawing attention as a future energy production device based on the advantages of high energy density and eco-friendliness. Among them, a polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell using a polymer membrane having a hydrogen ion exchange characteristic as an electrolyte, and there is no risk of corrosion or evaporation due to an electrolyte, and it has advantages such as low operating temperature, high power density, and quick response characteristics. . In addition, methanol, ethanol, natural gas and the like can be reformed and used in addition to hydrogen, so that fuel can be easily transported and stored, and can be used as a power supply for transporting automobiles or a small power supply for electronic devices.

이와 같은 고분자 전해질막의 개발에 있어 목표로 하는 막의 특성은 높은 수소이온 전도도, 낮은 연료 투과도, 고온에서의 고성능, 산화 안정성 및 기계적 강도 등이 있으며, 이를 위해 다양한 종류의 복합막이 개발되고 있다. 예를 들어, 고분자 전해질막에 무기물을 도입함으로써 연료전지 막의 연료 투과도를 감소시키고 고온에서의 안정성 및 성능을 개선하려는 노력이 시도되고 있다. 그러나 통상의 무기물은 이온전달 능력이 없기 때문에 막의 수소이온 전도도를 감소시켜 연료전지의 내부저항을 증가시키는 원인이 될 수 있다. 또한, 무기입자의 도입에 의한 유무기 복합막의 제조 시 유기고분자와 무기입자 간에 상분리가 일어나 불균질한 막이 될 수 있으며, 연료전지 운전 중 무기입자가 누출될 수 있는 문제가 있다.In the development of such a polymer electrolyte membrane, the target membrane has high hydrogen ion conductivity, low fuel permeability, high performance at high temperature, oxidative stability, and mechanical strength, and various kinds of composite membranes have been developed for this purpose. For example, efforts have been made to reduce fuel permeability of fuel cell membranes and to improve stability and performance at high temperatures by introducing inorganic materials into the polymer electrolyte membrane. However, since ordinary inorganic materials are incapable of carrying ions, it may be the cause of increasing the internal resistance of the fuel cell by reducing the hydrogen ion conductivity of the membrane. In addition, when the organic-inorganic composite membrane is introduced by the introduction of inorganic particles, phase separation may occur between the organic polymer and the inorganic particles, resulting in a heterogeneous membrane, and inorganic particles may leak during fuel cell operation.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 우수한 성능 및 안정성을 갖는 유무기 복합 전해질막 및 이를 이용한 연료전지를 제공함에 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide an organic-inorganic composite electrolyte membrane having excellent performance and stability and a fuel cell using the same.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 비용효율적이며 개선된 물성을 갖는 유무기 복합 전해질막의 제조방법을 제공함에 있다.Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing an organic-inorganic composite electrolyte membrane having cost-effective and improved physical properties.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 유무기 복합 전해질막을 제공한다.One aspect of the present invention to achieve the above technical problem provides an organic-inorganic composite electrolyte membrane.

상기 유무기 복합 전해질막은 이온교환기를 갖는 고분자 및 상기 고분자에 화학 결합되고, 이온교환기를 갖는 무기입자를 포함한다.The organic-inorganic composite electrolyte membrane includes a polymer having an ion exchange group and inorganic particles chemically bonded to the polymer and having an ion exchange group.

상기 고분자 및 상기 무기입자의 각 이온교환기는 서로에 관계없이 술폰산기, 카복실기 및 인산기 중 어느 하나일 수 있다.Each ion exchange group of the polymer and the inorganic particles may be any one of a sulfonic acid group, a carboxyl group and a phosphoric acid group regardless of each other.

상기 이온교환기를 갖는 고분자는 하기 제1 화합물군에서 선택되는 어느 하나와 하기 제2 화합물군에서 선택되는 어느 하나의 공중합체일 수 있다.The polymer having an ion exchange group may be any one copolymer selected from the following first compound group and the following second compound group.

<제1 화합물군><1st compound group>

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(여기서, 상기 고분자가 갖는 이온교환기는 상기 화합물들에 포함된 벤젠 고리(벤젠 고리가 2 이상인 경우 적어도 어느 하나)에 결합된다.)(Here, the ion exchange group possessed by the polymer is bonded to a benzene ring (at least one when the benzene ring is 2 or more) included in the compounds.)

<제2 화합물군><Second compound group>

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(상기 화합물들에서, *는 이온교환기를 갖는 무기입자와 화학 결합을 이루는 원자를 나타낸다.)(In the above compounds, * denotes an atom which forms a chemical bond with an inorganic particle having an ion exchange group.)

상기 이온교환기를 갖는 무기입자는 규소원자에 하기 화학식 1로 표시되는 치환기가 결합된 실리카일 수 있다.The inorganic particles having the ion exchange group may be silica in which a substituent represented by Formula 1 is bonded to a silicon atom.

<화학식 1><Formula 1>

Figure pat00011
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(상기 식에서, R1은 C1~C5의 알킬렌, 또는 아릴렌이고, Q는 이온교환기이다.)(Wherein R 1 is C1 to C5 alkylene or arylene and Q is an ion exchange group.)

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 연료전지를 제공한다.Another aspect of the present invention to achieve the above technical problem provides a fuel cell.

상기 연료전지는 대향 배치되는 애노드와 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하고, 상기 전해질막은 상술한 유무기 복합 전해질막인 것을 특징으로 한다.The fuel cell includes an anode and a cathode disposed opposite and an electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode, wherein the electrolyte membrane is the above-mentioned organic-inorganic composite electrolyte membrane.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 또 다른 측면은 유무기 복합 전해질막의 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention to achieve the above technical problem provides a method for producing an organic-inorganic composite electrolyte membrane.

상기 방법은 이온교환기를 갖는 고분자를 함유한 유기막을 준비하는 단계, 상기 유기막에 이온교환기를 갖는 무기입자 전구체를 흡수시키는 단계 및 졸-겔 반응을 이용하여 상기 이온교환기를 갖는 고분자와 상기 이온교환기를 갖는 무기입자 전구체 간, 및 상기 이온교환기를 갖는 무기입자 전구체들 간을 결합시키는 단계를 포함한다.The method includes preparing an organic membrane containing a polymer having an ion exchange group, absorbing an inorganic particle precursor having an ion exchange group in the organic membrane, and using a sol-gel reaction with the polymer having the ion exchange group and the ion exchanger. Bonding between inorganic particle precursors having an inorganic particle precursor having an ion exchange group.

상기 고분자 및 상기 무기입자 전구체의 각 이온교환기는 서로에 관계없이 술폰산기, 카복실기 및 인산기 중 어느 하나일 수 있다.Each ion exchange group of the polymer and the inorganic particle precursor may be any one of a sulfonic acid group, a carboxyl group and a phosphoric acid group irrespective of each other.

상기 이온교환기를 갖는 고분자는 하기 제1 화합물군에서 선택되는 어느 하나와 하기 제3 화합물군에서 선택되는 어느 하나의 공중합체일 수 있다.The polymer having an ion exchange group may be any one copolymer selected from the following first compound group and the third compound group below.

<제1 화합물군><1st compound group>

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(여기서, 상기 고분자가 갖는 이온교환기는 상기 화합물들에 포함된 벤젠 고리(벤젠 고리가 2 이상인 경우 적어도 어느 하나)에 결합된다.)(Here, the ion exchange group possessed by the polymer is bonded to a benzene ring (at least one when the benzene ring is 2 or more) included in the compounds.)

<제3 화합물군><Third compound group>

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(상기 화합물들에서, R은 수소, 메톡시기 또는 에톡시기 중 어느 하나이다.)(In the above compounds, R is either hydrogen, methoxy group or ethoxy group.)

상기 이온교환기를 갖는 무기입자 전구체는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물일 수 있다.The inorganic particle precursor having the ion exchange group may be a compound represented by the following formula (3).

<화학식 3><Formula 3>

Figure pat00022
Figure pat00022

(상기 식에서, R은 수소, 메톡시기 또는 에톡시기 중 어느 하나이고, R1은 C1~C5의 알킬렌, 또는 아릴렌이고, Q는 이온교환기이다.)(Wherein R is any one of hydrogen, a methoxy group or an ethoxy group, R 1 is C1-C5 alkylene or arylene, and Q is an ion exchange group.)

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 이온전도성 고분자와 이온전도성 무기입자의 화학적 결합으로 인해 연료전지의 운전 중 무기입자의 누출을 방지할 수 있다. 또한, 무기입자가 이온전달채널에 선택적으로 위치할 수 있으므로 연료 투과도를 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 무기입자에 이온전도성을 부여함으로써 이온교환기들 사이의 간격을 줄여 이온전도도를 향상시킬 수 있다. 또한, 이온전도성 무기입자가 갖는 높은 수분 보유력으로 인해 고온, 저가습 조건에서도 우수한 성능을 유지할 수 있다.According to the present invention as described above, due to the chemical bonding of the ion conductive polymer and the ion conductive inorganic particles, it is possible to prevent the leakage of the inorganic particles during operation of the fuel cell. In addition, since the inorganic particles may be selectively positioned in the ion transport channel, the fuel permeability may be effectively reduced, and the ion conductivity may be reduced by improving the ion conductivity by providing ion conductivity to the inorganic particles. In addition, due to the high moisture retention of the ion conductive inorganic particles, it is possible to maintain excellent performance even under high temperature and low humidity conditions.

다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 복합 전해질막에 포함된 이온전도성 고분자 및 이온전도성 무기입자를 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1에 있어서, 고분자 및 무기입자의 각 이온교환기로 술폰산기를 가지며, 이온전도성 무기입자로 이온전도성 실리카를 갖는 경우를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유무기 복합 전해질막의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 제조예 1에 따라 제조된 유무기 복합 전해질막 및 나피온 115가 전해질막으로 각각 도입된 직접 메탄올 연료전지의 성능평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 제조예 1에 따라 제조된 유무기 복합 전해질막 및 나피온 112가 전해질막으로 각각 도입된 고분자 전해질 연료전지의 성능평가 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic view showing an ion conductive polymer and an ion conductive inorganic particle included in an organic-inorganic composite electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing a case in which each ion exchange group of the polymer and the inorganic particles has a sulfonic acid group, and the ion conductive inorganic particles have ion conductive silica.
3 is a schematic view showing a fuel cell according to another embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an organic-inorganic composite electrolyte membrane according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph illustrating performance evaluation results of a direct methanol fuel cell in which an organic-inorganic composite electrolyte membrane and Nafion 115 prepared according to Preparation Example 1 were introduced into an electrolyte membrane, respectively.
FIG. 6 is a graph illustrating performance evaluation results of a polymer electrolyte fuel cell in which an organic-inorganic composite electrolyte membrane and Nafion 112 prepared according to Preparation Example 1 were respectively introduced into an electrolyte membrane.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. Like numbers refer to like elements throughout. In addition, in the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 명세서 전체에 있어서, “이온교환기를 갖는”물질은 “이온전도성”물질과 같은 의미로 해석된다.
Throughout this specification, a material having an "ion exchange group" is interpreted to have the same meaning as a "ion conductive" material.

본 실시예에 따른 유무기 복합 전해질막은 이온교환기를 갖는 고분자 및 상기 고분자에 화학 결합되고, 이온교환기를 갖는 무기입자를 포함한다. The organic-inorganic composite electrolyte membrane according to the present embodiment includes a polymer having an ion exchange group and inorganic particles chemically bonded to the polymer and having an ion exchange group.

상기 고분자 및 상기 무기입자의 각 이온교환기는 전해질막의 이온전달채널을 통해 수소이온을 전달할 수 있는 작용기를 의미하며, 서로에 관계없이 술폰산기, 카복실기 및 인산기 중 어느 하나일 수 있다.Each ion exchange group of the polymer and the inorganic particle means a functional group capable of transferring hydrogen ions through an ion transport channel of an electrolyte membrane, and may be any one of a sulfonic acid group, a carboxyl group, and a phosphoric acid group regardless of each other.

상기 이온교환기를 갖는 고분자는 비불소계 고분자일 수 있으며, 예를 들어, 하기 제1 화합물군에서 선택되는 어느 하나와 하기 제2 화합물군에서 선택되는 어느 하나의 공중합체일 수 있다.The polymer having the ion exchange group may be a non-fluorine-based polymer, for example, may be any one selected from the following first compound group and any copolymer selected from the following second compound group.

<제1 화합물군><1st compound group>

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(여기서, 상기 고분자가 갖는 이온교환기는 상기 화합물들에 포함된 벤젠 고리(벤젠 고리가 2 이상인 경우 적어도 어느 하나)에 결합된다.)(Here, the ion exchange group possessed by the polymer is bonded to a benzene ring (at least one when the benzene ring is 2 or more) included in the compounds.)

<제2 화합물군><Second compound group>

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(상기 화합물들에서 *는 이온교환기를 갖는 무기입자와 화학 결합을 이루는 원자를 나타낸다.)(* In the compounds, * represents an atom that forms a chemical bond with the inorganic particles having an ion exchange group.)

상기 이온교환기를 갖는 무기입자는, 바람직하게는 규소원자에 하기 화학식 1로 표시되는 치환기가 결합된 실리카(silica)(이하, “이온전도성 실리카”라 함)일 수 있다.The inorganic particles having the ion exchange group may be preferably silica (hereinafter referred to as “ionically conductive silica”) in which a substituent represented by the following Chemical Formula 1 is bonded to a silicon atom.

<화학식 1><Formula 1>

Figure pat00033
Figure pat00033

(상기 식에서, R1은 C1~C5의 알킬렌, 또는 아릴렌이고, Q는 이온교환기이다.)(Wherein R 1 is C1 to C5 alkylene or arylene and Q is an ion exchange group.)

상기 이온교환기를 갖는 무기입자로 상기 이온전도성 실리카를 이용하는 경우, 실리카에 존재하는 수많은 하이드록시기(OH)에 의해 전해질막 내의 수분 보유력을 향상시킬 수 있으므로, 고온/저가습 조건에서도 이온전달을 용이하게 할 수 있다.In the case where the ion conductive silica is used as the inorganic particle having the ion exchange group, the water retention in the electrolyte membrane can be improved by a large number of hydroxyl groups (OH) present in the silica, and thus ion transfer is easy even at high / low humid conditions. It can be done.

상기 이온전도성 실리카가 화학 결합된 이온전도성 고분자의 일 예는, 하기 화학식 2로 나타낼 수 있다.An example of the ion conductive polymer in which the ion conductive silica is chemically bonded may be represented by the following Chemical Formula 2.

<화학식 2><Formula 2>

Figure pat00034
Figure pat00034

(상기 식에서, 점선으로 둘러싸인 부분은 이온전도성 실리카를 나타낸다.)
(In the above formula, the portion enclosed by the dotted line represents ion conductive silica.)

도 1은 상술한 유무기 복합 전해질막에 포함된 이온전도성 고분자 및 이온전도성 무기입자를 나타낸 개략도이다.1 is a schematic view showing the ion conductive polymer and the ion conductive inorganic particles contained in the organic-inorganic composite electrolyte membrane described above.

도 2는 도 1에 있어서, 고분자 및 무기입자의 각 이온교환기로 술폰산기를 가지며, 이온전도성 무기입자로 이온전도성 실리카를 갖는 경우를 나타낸 개략도이다.FIG. 2 is a schematic view showing a case in which each ion exchange group of the polymer and the inorganic particles has a sulfonic acid group, and the ion conductive inorganic particles have ion conductive silica.

도 1을 참조하면, 이온전도성 무기입자(16)는 이온전도성 고분자(14)에 화학적으로 결합되며, 이온전도성 고분자(14)의 이온교환기(10) 주위에 위치한다.Referring to FIG. 1, the ion conductive inorganic particles 16 are chemically bonded to the ion conductive polymer 14 and are positioned around the ion exchanger 10 of the ion conductive polymer 14.

즉, 본 실시예에 따르면, 이온전도성 고분자(14)에 이온전도성 무기입자(16)를 화학 결합시킴으로써, 이온전도성 고분자(14)와 이온전도성 무기입자(16)의 국부적인 상분리 없이 이온전도성 무기입자(16)를 이온전달채널에 선택적으로 위치시킬 수 있으며, 연료전지의 운전 중 이온전도성 무기입자(16)가 누출되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 무기입자에 이온전도성을 부여함으로써, 이온전달 역할을 하는 작용기들 사이의 간격을 줄일 수 있으므로 이온전도도를 향상시킬 수 있다.In other words, according to the present embodiment, the ion conductive inorganic particles 16 are chemically bonded to the ion conductive polymer 14, so that the ion conductive inorganic particles without the local phase separation of the ion conductive polymer 14 and the ion conductive inorganic particles 16 are formed. 16 can be selectively positioned in the ion transfer channel, and the ion conductive inorganic particles 16 can be prevented from leaking during operation of the fuel cell. In addition, by imparting ion conductivity to the inorganic particles, it is possible to reduce the interval between the functional groups that serve as ion transfer, it is possible to improve the ion conductivity.

또한, 도 2를 참조하면, 이온전도성 실리카(16)에 존재하는 하이드록시기에 의해 고온에서도 높은 수분 보유력을 유지할 수 있으며, 결합하고 있는 수분이 술폰산기 주위에 존재하므로 고온에서도 높은 이온전도도를 유지할 수 있다.In addition, referring to FIG. 2, the hydroxy group present in the ion-conducting silica 16 can maintain high moisture retention at high temperatures, and maintains high ionic conductivity even at high temperatures because the bound water is present around the sulfonic acid group. Can be.

본 실시예에 따른 유무기 복합 전해질막은 고분자 전해질막을 사용할 수 있는 모든 종류의 연료전지, 예를 들어, 수소를 연료로 사용하는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC), 메탄올 또는 에탄올 등을 연료로 사용하는 직접 알코올 연료전지(DAFC) 등에 적용될 수 있다.
The organic-inorganic composite electrolyte membrane according to the present embodiment uses all kinds of fuel cells capable of using the polymer electrolyte membrane, for example, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) using methanol as a fuel, methanol or ethanol, and the like. Direct alcohol fuel cell (DAFC) and the like.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지를 나타낸 개략도이다.3 is a schematic view showing a fuel cell according to another embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 연료전지(30)는 대향 배치되는 애노드(32)와 캐소드(34) 및 상기 애노드(32)와 상기 캐소드(34) 사이에 개재되는 전해질막(36)을 포함하고, 상기 전해질막(36)은 상술한 유무기 복합 전해질막인 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 3, the fuel cell 30 includes an anode 32 and a cathode 34 disposed opposite to each other, and an electrolyte membrane 36 interposed between the anode 32 and the cathode 34. The electrolyte membrane 36 is characterized in that the organic-inorganic composite electrolyte membrane described above.

일 예로, 하기 반응식 1은 본 실시예에 따른 연료전지 중 메탄올 연료를 사용한 직접 메탄올 연료전지의 전기화학반응을 나타낸 것이다.For example, Scheme 1 below illustrates an electrochemical reaction of a direct methanol fuel cell using methanol fuel in a fuel cell according to the present embodiment.

<반응식 1><Scheme 1>

애노드: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- Eo = 0.046VAnode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e - E o = 0.046 V

캐소드: 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O Eo = 1.23V Cathode: 3 / 2O 2 + 6H + + 6e - → 3H 2 OE o = 1.23V

전체: CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2O Eo = 1.18V
Total: CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 OE o = 1.18 V

상기 반응식 1에서 알 수 있듯이, 연료전지(30)의 애노드(32)에 연료를 주입하면, 애노드(32)에서는 전기화학적 반응에 의해 연료가 산화되어 전자가 생성되며, 상기 전자는 외부회로(38)를 통해 캐소드(34)로 전달되면서 전기에너지를 발생시키게 된다. 한편, 상기 캐소드(34)로 이동한 전자는 산소를 산소이온으로 환원시키고, 이 산소이온은 전해질막(36)을 통하여 캐소드(34)로 이동한 수소이온과 반응하여 물을 생성하게 된다. 이 때 수소이온의 전도도는 고분자 골격을 따라 위치하는 이온교환기 사이의 거리에 영향을 받으며, 그 거리가 좁아질수록 수소이온의 전도도는 커진다. 또한, 수소이온은 단독으로 전해질막(36)을 통과하지 못하고 물 분자 몇 개와 함께 이동해야 하므로, 전해질막(36)에 수분이 부족하면 수소이온의 전달이 제대로 이루어지지 않아 전지효율이 저하될 수 있다.As can be seen in Reaction Scheme 1, when fuel is injected into the anode 32 of the fuel cell 30, the fuel is oxidized by the electrochemical reaction in the anode 32, and electrons are generated. It is delivered to the cathode 34 through) to generate electrical energy. On the other hand, the electrons moved to the cathode 34 reduces oxygen to oxygen ions, and the oxygen ions react with the hydrogen ions moved to the cathode 34 through the electrolyte membrane 36 to generate water. At this time, the conductivity of hydrogen ions is affected by the distance between the ion exchange groups located along the polymer skeleton, and the narrower the distance, the greater the conductivity of the hydrogen ions. In addition, since the hydrogen ions alone do not pass through the electrolyte membrane 36 and must move with some water molecules, when the electrolyte membrane 36 lacks moisture, the hydrogen ions may not be properly transferred, thereby degrading battery efficiency. have.

이처럼, 연료전지 전해질막에 요구되는 특성에 비추어 볼 때, 본 실시예에 따르면, 상술한 바와 같이 이온전도성 무기입자가 화학 결합된 이온전도성 고분자를 포함하는 유무기 복합 전해질막을 연료전지의 전해질막으로 사용함으로써, 이온교환기들 사이의 간격을 줄여 이온전도도를 향상시킬 수 있다. 또한, 이온전도성 무기입자로 이온전도성 실리카 입자를 사용하는 경우 전해질막 내의 수분 보유력을 향상시켜 보다 개선된 이온전도도를 가질 수 있다.
As described above, in view of the characteristics required for the fuel cell electrolyte membrane, according to the present embodiment, as described above, the organic-inorganic composite electrolyte membrane including the ion conductive polymer to which the ion conductive inorganic particles are chemically bonded is used as the electrolyte membrane of the fuel cell. By using this, the gap between the ion exchangers can be reduced to improve the ion conductivity. In addition, in the case of using the ion conductive silica particles as the ion conductive inorganic particles may have improved ion conductivity by improving the water retention in the electrolyte membrane.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유무기 복합 전해질막의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an organic-inorganic composite electrolyte membrane according to still another embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 이온교환기를 갖는 고분자를 함유한 유기막을 준비한다(S10).Referring to FIG. 4, an organic membrane containing a polymer having an ion exchange group is prepared (S10).

상기 고분자가 갖는 이온교환기는 술폰산기, 카복실기 및 인산기 중 어느 하나일 수 있다.The ion exchange group of the polymer may be any one of a sulfonic acid group, a carboxyl group and a phosphoric acid group.

상기 이온교환기를 갖는 고분자는 하기 제1 화합물군에서 선택되는 어느 하나와 하기 제3 화합물군에서 선택되는 어느 하나의 공중합체일 수 있다.The polymer having an ion exchange group may be any one copolymer selected from the following first compound group and the third compound group below.

<제1 화합물군><1st compound group>

Figure pat00035
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Figure pat00036
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Figure pat00037
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Figure pat00038
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Figure pat00039
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여기서, 상기 고분자가 갖는 이온교환기는 상기 각 화합물들에 포함된 벤젠 고리(벤젠 고리가 2 이상인 경우 적어도 어느 하나)에 결합된다.Here, the ion exchange group of the polymer is bonded to the benzene ring (at least one when the benzene ring is 2 or more) included in each of the compounds.

<제3 화합물군><Third compound group>

Figure pat00040
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Figure pat00041
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Figure pat00042
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Figure pat00043
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Figure pat00044
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(상기 화합물들에서, R은 수소, 메톡시기 또는 에톡시기 중 어느 하나이다.)(In the above compounds, R is either hydrogen, methoxy group or ethoxy group.)

상기 이온교환기를 갖는 고분자를 함유한 유기막을 준비하는 단계는 특별히 제한되지 않으며, 일 예로, 고분자를 형성하기 위한 단량체를 함유하는 용액을 다공성 지지막에 흡수시킨 후, 중합 반응을 일으키는 단계 및 상기 중합 반응에 의해 형성된 고분자에 이온교환기를 도입하는 단계를 통해 수행할 수 있다. 이 경우, 상기 단량체를 함유하는 용액은 가교제를 더 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 가교제는, 사용되는 단량체가 스티렌계 단량체, 비닐계 단량체 또는 이들의 혼합물인 경우, 디비닐벤젠(divinylbenzene), 비스(비닐 페닐)에탄(bis(vinyl phenyl)ethane), 트리알릴시아누레이트(triallylcyanurate) 등일 수 있다. 상기 다공성 지지막은 다공성 폴리에틸렌막일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.The step of preparing an organic membrane containing the polymer having the ion exchange group is not particularly limited. For example, after absorbing a solution containing a monomer for forming a polymer into the porous support membrane, causing a polymerization reaction and the polymerization It can be carried out through the step of introducing an ion exchange group to the polymer formed by the reaction. In this case, the solution containing the monomer may further include a crosslinking agent. For example, when the monomer used is a styrene monomer, a vinyl monomer, or a mixture thereof, divinylbenzene, bis (vinyl phenyl) ethane, triallylyl Anallylate (triallylcyanurate) and the like. The porous support membrane may be a porous polyethylene membrane. However, the present invention is not limited thereto.

다른 예로, 먼저 이온교환기를 갖는 고분자를 제조한 후, 제조된 고분자를 DMF, NMP 등의 적당한 유기용매에 녹여 고분자 용액을 제조하고, 상기 고분자 용액을 유리 기판 상에 캐스팅(casting) 후 건조하는 과정을 통해서도 이온교환기를 함유한 유기막을 준비하는 단계를 수행할 수 있다.As another example, a process of first preparing a polymer having an ion exchange group, dissolving the prepared polymer in a suitable organic solvent such as DMF, NMP, etc. to prepare a polymer solution, and then casting the polymer solution on a glass substrate and drying it. Also through the step of preparing an organic membrane containing an ion exchange group can be performed.

상기 유기막에 이온교환기를 갖는 무기입자 전구체를 흡수시킨다(S12).An inorganic particle precursor having an ion exchange group is absorbed in the organic film (S12).

상기 이온교환기를 갖는 무기입자 전구체는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물일 수 있다.The inorganic particle precursor having the ion exchange group may be a compound represented by the following formula (3).

<화학식 3><Formula 3>

Figure pat00045
Figure pat00045

(상기 식에서, R은 수소, 메톡시기 또는 에톡시기 중 어느 하나이고, R1은 C1~C5의 알킬렌, 또는 아릴렌이고, Q는 이온교환기이다.)(Wherein R is any one of hydrogen, a methoxy group or an ethoxy group, R 1 is C1-C5 alkylene or arylene, and Q is an ion exchange group.)

상기 무기입자 전구체가 갖는 이온교환기는 술폰산기, 카복실기 및 인산기 중 어느 하나일 수 있다.The ion exchange group of the inorganic particle precursor may be any one of a sulfonic acid group, a carboxyl group and a phosphoric acid group.

일 예로, 상기 이온교환기가 술폰산기인 경우, 이온전도성 무기입자 전구체는 3-머캅토프로필트리메톡시실란(3-mercaptopropyltrimethoxylsilane), 4-머캅토부틸트리에톡시실란(4-mercaptobutyltriethoxylsilane) 등의 싸이올기(thiol group)를 과산화수소 등의 산화제를 사용하여 술폰산기로 산화시켜 제조할 수 있다. 이후, 가수분해 반응을 더 거칠 수 있다.For example, when the ion exchange group is a sulfonic acid group, the ion conductive inorganic particle precursor is a thiol group such as 3-mercaptopropyltrimethoxylsilane, 4-mercaptobutyltriethoxylsilane, and the like. The thiol group may be prepared by oxidizing a sulfonic acid group using an oxidizing agent such as hydrogen peroxide. Thereafter, the hydrolysis reaction may be further coarse.

또한, 상기 이온전도성 무기입자 전구체를 흡수시키는 과정은 예를 들어, 상기 유기막을 액상의 이온전도성 무기입자 전구체에 침지하여 수행할 수 있다. 또한, 상기 유기막에 상기 화학식 3으로 표시되는 이온전도성 무기입자 전구체를 흡수시키는 과정에서, 테트라에틸오소실리케이트(tetraethylorthosilicate, TEOS) 등과 같은 가교제를 첨가하는 경우, 후술하는 졸-겔 반응 과정에서 이온전도성 무기입자의 형성을 보다 용이하게 할 수 있다.In addition, the process of absorbing the ion conductive inorganic particle precursor may be performed, for example, by immersing the organic membrane in a liquid ion conductive inorganic particle precursor. In addition, when a crosslinking agent such as tetraethylorthosilicate (TEOS) is added to the organic membrane in the process of absorbing the ion conductive inorganic particle precursor represented by Chemical Formula 3, the ion conductivity during the sol-gel reaction described later Formation of an inorganic particle can be made easier.

졸-겔 반응을 이용하여 상기 이온교환기를 갖는 고분자와 상기 이온교환기를 갖는 무기입자 전구체 간, 및 상기 이온교환기를 갖는 무기입자 전구체들 간을 결합시킨다(S14).By using the sol-gel reaction between the polymer having the ion exchange group and the inorganic particle precursor having the ion exchange group, and between the inorganic particle precursor having the ion exchange group (S14).

상기 졸-겔 반응 과정에서, 이온전도성 고분자와 이온전도성 무기입자 전구체 간의 반응에 의해 고분자-무기입자의 화학결합이 형성되는 동시에, 이온전도성 무기입자 전구체들 간의 반응에 의해 이온전도성 무기입자가 형성된다.In the sol-gel reaction process, a chemical bond of a polymer-inorganic particle is formed by a reaction between an ion conductive polymer and an ion conductive inorganic particle precursor, and an ion conductive inorganic particle is formed by a reaction between the ion conductive inorganic particle precursors. .

이 경우, 형성되는 이온전도성 무기입자는 이온전도성 고분자를 구성하는 물질 중 상기 제3 화합물군에 속하는 화합물과 반응하여 화학 결합을 형성하며, 예를 들어, 상기 화학 결합은 산소-규소 공유결합(실록산 결합)일 수 있다.In this case, the formed ion conductive inorganic particles react with a compound belonging to the third compound group among the materials constituting the ion conductive polymer to form a chemical bond, for example, the chemical bond is an oxygen-silicon covalent bond (siloxane Combination).

따라서, 이온전도성 고분자를 구성하는 물질 중 상기 제3 화합물군에 속하는 화합물의 함량을 조절하는 경우, 고분자에 화학 결합하는 무기입자의 양을 조절할 수 있으므로, 요구되는 전해질막의 특성에 따라 도입되는 무기입자의 양을 용이하게 제어할 수 있다. 또한, 상기 화학 결합을 통해 전해질막의 이온전달채널, 즉 이온전도성 고분자의 골격을 따라 이온전도성 무기입자가 선택적으로 위치할 수 있으므로 적은 양의 무기물로도 효과적으로 연료 투과도를 감소시킬 수 있어 제조 단가를 절감할 수 있다. 아울러 무기입자의 함량이 증가할 때 발생할 수 있는 막의 불균질성도 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
Therefore, when controlling the content of the compound belonging to the third compound group of the material constituting the ion conductive polymer, it is possible to control the amount of inorganic particles chemically bonded to the polymer, the inorganic particles to be introduced according to the characteristics of the electrolyte membrane required The amount of can be easily controlled. In addition, since the ion-conductive inorganic particles may be selectively positioned along the ion transport channel of the electrolyte membrane, that is, through the skeleton of the ion-conducting polymer through the chemical bond, fuel permeability can be effectively reduced even with a small amount of inorganic material, thereby reducing manufacturing costs. can do. In addition, there is an advantage that can reduce the heterogeneity of the membrane may occur when the content of the inorganic particles increases.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred examples are provided to aid the understanding of the present invention. However, the following experimental examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following experimental examples.

<제조예 1><Manufacture example 1>

고분자가 함유된 With polymer 유기막의Organic 제조 Produce

스티렌(styrene) 5ml, 비닐트리메톡시실란(vinyltrimethoxysilane) 5ml, 디비닐벤젠(divinylbenzene) 0.1ml 및 라디칼 중합 개시제로 사용되는 벤조페닐옥사이드(benzophenyloxide) 0.25g을 혼합하여 모노머 용액을 제조하였다. 다음, 모노머 용액을 다공성 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 필름에 흡수 시킨 후, 80℃에서 8시간 동안 가열 중합함으로써 고분자가 함유된 유기막을 제조하였다.
A monomer solution was prepared by mixing 5 ml of styrene, 5 ml of vinyltrimethoxysilane, 0.1 ml of divinylbenzene, and 0.25 g of benzophenyloxide used as a radical polymerization initiator. Next, the monomer solution was absorbed into a porous polyethylene (PE) film, and then heat-polymerized at 80 ° C. for 8 hours to prepare an organic film containing a polymer.

이온전도성 무기물(무기입자 전구체)의 제조Preparation of Ion Conductive Minerals (Inorganic Particle Precursors)

과산화수소 5ml와 에탄올 5ml의 혼합액에 3-머캅토프로필트리메톡시실란(3-mercaptopropyltrimethoxylsilane) 1ml를 첨가한 후, 상온에서 5시간 동안 교반하면서 반응시켜 3-머캅토프로필트리메톡시실란의 싸이올기(thiol group)를 술폰산기(sulfonate group)로 산화시켰다. 다음, 테트라에틸오소실리케이트(tetraethyl orthosilicate) 1ml를 첨가한 후, 30분 동안 교반하여 액상의 이온전도성 무기물(무기입자 전구체)을 제조하였다.
1 ml of 3-mercaptopropyltrimethoxylsilane was added to a mixed solution of 5 ml of hydrogen peroxide and 5 ml of ethanol, and then reacted with stirring for 5 hours at room temperature to form a thiol group of 3-mercaptopropyltrimethoxysilane ( thiol group) was oxidized to sulfonate group. Next, 1 ml of tetraethyl orthosilicate was added, followed by stirring for 30 minutes to prepare a liquid ion conductive inorganic material (inorganic particle precursor).

고분자의 Polymer 술폰화Sulfonation 및 이온전도성 무기물의 도입 And introduction of ion conductive minerals

클로로술폰산(chlorosulfonic acid) 2ml와 1,2-디클로로에탄(1,2-dichloroehtane) 98ml의 혼합 용액에, 앞서 제조된 고분자가 함유된 유기막을 침지한 후, 상온에서 1시간 동안 술폰화 반응시켰다. 다음, 아세톤으로 막을 세척하여 반응을 중지시키고 상온에서 건조하였다. 이어서, 1N NaOH와 1N HCl에 각각 하루 동안 보관한 후, 증류수로 세척하였다. 술폰화 반응이 완료된 막을 앞서 제조된 이온전도성 무기물 용액에 10분간 침지시켜 이온전달 채널 내로 무기물을 흡수시켰다. 이온전도성 무기물이 흡수된 막을 상온에서 건조한 후, 80℃에서 5시간 동안 가열하여 졸-겔 반응을 유도하였다. 무기물의 흡수 및 졸-겔 반응은 3회 반복하였다. 최종적으로 제조된 막을 100℃에서 2시간 동안 가열하고 1N HCl에 하루 동안 보관한 후 증류수로 세척함으로써, 유무기 복합 전해질막을 제조하였다.
In a mixed solution of 2 ml of chlorosulfonic acid and 98 ml of 1,2-dichloroehtane, the organic membrane containing the polymer prepared above was immersed, and then sulfonated at room temperature for 1 hour. Next, the reaction was stopped by washing the membrane with acetone and dried at room temperature. Subsequently, each was stored in 1N NaOH and 1N HCl for 1 day, and then washed with distilled water. After the sulfonation reaction was completed, the membrane was immersed in the previously prepared ion conductive inorganic solution for 10 minutes to absorb the inorganic material into the ion transfer channel. The membrane in which the ion conductive inorganic material was absorbed was dried at room temperature, and then heated at 80 ° C. for 5 hours to induce a sol-gel reaction. The absorption of inorganics and the sol-gel reaction were repeated three times. Finally, the prepared membrane was heated at 100 ° C. for 2 hours, stored in 1N HCl for 1 day, and then washed with distilled water to prepare an organic-inorganic composite electrolyte membrane.

<분석예 1: 유무기 복합 전해질막의 특성 분석>Analysis Example 1 Analysis of Characteristics of Organic-Inorganic Composite Electrolyte Membrane

상기 제조예 1에 따라 제조된 유무기 복합 전해질막과 상용화된 고분자막인 나피온(Nafion) 115의 물성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.The physical properties of Nafion 115, a polymer membrane compatible with the organic-inorganic composite electrolyte membrane prepared according to Preparation Example 1, was measured and shown in Table 1 below.

전해질막Electrolyte membrane 두께
(㎛)
thickness
(Μm)
수소이온 전도도
(S/cm)
Hydrogen ion conductivity
(S / cm)
MeOH 투과도
(×105 cm2/s)
MeOH Permeability
(× 10 5 cm 2 / s)
나피온 115Nafion 115 152152 0.0830.083 19.919.9 유무기 복합 전해질막Organic-Inorganic Composite Electrolyte Membrane 3636 0.0920.092 4.584.58

상기 표 1을 참조하면, 제조예 1에 따라 제조된 유무기 복합 전해질막은 나피온 115 대비 약 10.8% 향상된 수소이온 전도도와 약 23.0% 감소된 메탄올 투과도를 가짐을 알 수 있다.
Referring to Table 1, it can be seen that the organic-inorganic composite electrolyte membrane prepared according to Preparation Example 1 has about 10.8% improved hydrogen ion conductivity and about 23.0% reduced methanol permeability compared to Nafion 115.

또한, 제조예 1에 따라 제조된 유무기 복합 전해질막과 나피온 115를 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)에 적용하여 성능을 평가하였다.In addition, the organic-inorganic composite electrolyte membrane prepared in Preparation Example 1 and Nafion 115 were applied to a direct methanol fuel cell (DMFC) to evaluate their performance.

도 5는 제조예 1에 따라 제조된 유무기 복합 전해질막 및 나피온 115가 전해질막으로 각각 도입된 직접 메탄올 연료전지의 성능평가 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 5 is a graph illustrating performance evaluation results of a direct methanol fuel cell in which an organic-inorganic composite electrolyte membrane and Nafion 115 prepared according to Preparation Example 1 were introduced into an electrolyte membrane, respectively.

도 5를 참조하면, 제조예 1에 따라 제조된 유무기 복합 전해질막은 얇은 두께에도 불구하고 나피온 115의 경우와 유사한 개방 회로 전압(open circuit voltage, OCV) 및 최대 전력 밀도를 나타냄을 알 수 있다. 따라서, 상기 제조예 1에 따라 제조된 유무기 복합 전해질막은 우수한 이온전도도 및 메탄올 투과 저감 성능을 가지고 있음을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 5, it can be seen that the organic-inorganic composite electrolyte membrane prepared according to Preparation Example 1 exhibits an open circuit voltage (OCV) and a maximum power density similar to that of Nafion 115 despite a thin thickness. . Therefore, it can be seen that the organic-inorganic composite electrolyte membrane prepared according to Preparation Example 1 has excellent ion conductivity and methanol permeation reduction performance.

<분석예 2: 고온/저가습 조건에서의 성능 평가>Analysis Example 2: Performance Evaluation at High Temperature / Low Humidity Conditions

제조예 1에 따라 제조된 유무기 복합 전해질막과 상용화된 고분자막인 나피온(Nafion) 112를 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)에 적용하여 성능을 평가하였다.Performance was evaluated by applying Nafion 112, a polymer membrane commercialized with the organic-inorganic composite electrolyte membrane prepared in Preparation Example 1, to a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC).

도 6은 제조예 1에 따라 제조된 유무기 복합 전해질막 및 나피온 112가 전해질막으로 각각 도입된 고분자 전해질 연료전지의 성능평가 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서, 도 6은 수소극의 가습을 75%로 하고, 산소극을 무가습 조건으로 운전한 경우의 그래프이다.FIG. 6 is a graph illustrating performance evaluation results of a polymer electrolyte fuel cell in which an organic-inorganic composite electrolyte membrane and Nafion 112 prepared according to Preparation Example 1 were respectively introduced into an electrolyte membrane. 6 is a graph in which the humidification of the hydrogen electrode is 75% and the oxygen electrode is operated under unhumidified conditions.

연료전지의 운전 조건을 80℃, 100% 가습으로 하였을 경우 유무기 복합 전해질막은 Nafion 112와 유사한 성능을 나타내었으나(미도시), 도 6에 도시된 바와 같이 수소극의 가습을 75%로 하고, 산소극을 무가습 조건으로 하여 운전한 경우, 나피온 112의 성능은 크게 감소한 반면, 유무기 복합 전해질막의 성능은 100% 가습 조건의 성능을 유지하였다. 그 결과, 유무기 복합 전해질막은 Nafion 112 보다 약 51.3% 더 높은 최대 전력밀도를 나타내었다.
When the fuel cell was operated at 80 ° C. and 100% humidification, the organic-inorganic composite electrolyte membrane exhibited similar performance to that of Nafion 112 (not shown). However, as shown in FIG. 6, the humidification of the hydrogen electrode was 75%. When the oxygen electrode was operated under a non-humidifying condition, the performance of Nafion 112 was greatly reduced, while the performance of the organic-inorganic composite electrolyte membrane was 100%. As a result, the organic-inorganic composite electrolyte membrane showed a maximum power density of about 51.3% higher than that of Nafion 112.

상술한 바와 같이, 본 제조예에 따라 제조된 유무기 복합 전해질막은 직접 메탄올 연료전지와 고분자 전해질 연료전지에서 모두 우수한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 특히 고온/저가습 조건에서 기존 상용막과 비교하여 향상된 성능을 나타냄을 확인할 수 있다.
As described above, it can be seen that the organic-inorganic composite electrolyte membrane prepared according to the present example shows excellent performance in both direct methanol fuel cells and polymer electrolyte fuel cells, and especially compared to conventional commercial membranes under high temperature / low humidification conditions. It can be seen that it shows improved performance.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes by those skilled in the art within the spirit and scope of the present invention. You can change it.

10: 이온교환기 12: 고분자
14: 이온전도성 고분자 16: 이온전도성 무기입자
30: 연료전지 32: 애노드
34: 캐소드 36: 전해질막
38: 외부회로
10: ion exchanger 12: polymer
14: ion conductive polymer 16: ion conductive inorganic particles
30: fuel cell 32: anode
34: cathode 36: electrolyte membrane
38: external circuit

Claims (9)

이온교환기를 갖는 고분자; 및
상기 고분자에 화학 결합되고, 이온교환기를 갖는 무기입자를 포함하는 유무기 복합 전해질막.
A polymer having an ion exchange group; And
An organic-inorganic composite electrolyte membrane chemically bonded to the polymer and comprising inorganic particles having ion exchange groups.
제1항에 있어서,
상기 고분자 및 상기 무기입자의 각 이온교환기는 서로에 관계없이 술폰산기, 카복실기 및 인산기 중 어느 하나인 유무기 복합 전해질막.
The method of claim 1,
Each ion exchange group of the polymer and the inorganic particles is any one of a sulfonic acid group, a carboxyl group and a phosphoric acid group irrespective of each other.
제1항에 있어서,
상기 이온교환기를 갖는 고분자는 하기 제1 화합물군에서 선택되는 어느 하나와 하기 제2 화합물군에서 선택되는 어느 하나의 공중합체인 유무기 복합 전해질막:
<제1 화합물군>
Figure pat00046
,
Figure pat00047
,
Figure pat00048
,
Figure pat00049
,
Figure pat00050

여기서, 상기 고분자가 갖는 이온교환기는 상기 화합물들에 포함된 벤젠 고리(벤젠 고리가 2 이상인 경우 적어도 어느 하나)에 결합된다.
<제2 화합물군>
Figure pat00051
,
Figure pat00052
,
Figure pat00053
,
Figure pat00054
,
Figure pat00055

상기 화합물들에서, *는 이온교환기를 갖는 무기입자와 화학 결합을 이루는 원자를 나타낸다.
The method of claim 1,
The polymer having an ion exchange group is an organic-inorganic composite electrolyte membrane is any one selected from the following first compound group and any copolymer selected from the following second compound group:
<1st compound group>
Figure pat00046
,
Figure pat00047
,
Figure pat00048
,
Figure pat00049
,
Figure pat00050

Here, the ion exchange group of the polymer is bonded to the benzene ring (at least one when the benzene ring is 2 or more) included in the compounds.
<Second compound group>
Figure pat00051
,
Figure pat00052
,
Figure pat00053
,
Figure pat00054
,
Figure pat00055

In the above compounds, * denotes an atom which forms a chemical bond with an inorganic particle having an ion exchange group.
제1항에 있어서,
상기 이온교환기를 갖는 무기입자는 규소원자에 하기 화학식 1로 표시되는 치환기가 결합된 실리카인 유무기 복합 전해질막:
<화학식 1>
Figure pat00056

상기 식에서, R은 C1~C5의 알킬렌, 또는 아릴렌이고, Q는 이온교환기이다.
The method of claim 1,
The inorganic particle having an ion exchange group is an organic-inorganic composite electrolyte membrane which is a silica in which a substituent represented by Formula 1 is bonded to a silicon atom:
<Formula 1>
Figure pat00056

Wherein R is C1-C5 alkylene or arylene and Q is an ion exchange group.
대향 배치되는 애노드와 캐소드 및;
상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전해질막을 포함하고,
상기 전해질막은 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 유무기 복합 전해질막인 연료전지.
An anode and a cathode disposed opposite;
An electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode,
The electrolyte membrane is a fuel cell of the organic-inorganic composite electrolyte membrane of any one of claims 1 to 4.
이온교환기를 갖는 고분자를 함유한 유기막을 준비하는 단계;
상기 유기막에 이온교환기를 갖는 무기입자 전구체를 흡수시키는 단계; 및
졸-겔 반응을 이용하여 상기 이온교환기를 갖는 고분자와 상기 이온교환기를 갖는 무기입자 전구체 간, 및 상기 이온교환기를 갖는 무기입자 전구체들 간을 결합시키는 단계를 포함하는 유무기 복합 전해질막 제조방법.
Preparing an organic membrane containing a polymer having an ion exchange group;
Absorbing an inorganic particle precursor having an ion exchange group in the organic membrane; And
A method for preparing an organic-inorganic composite electrolyte membrane comprising using a sol-gel reaction to bond between the polymer having the ion exchange group and the inorganic particle precursor having the ion exchange group, and the inorganic particle precursor having the ion exchange group.
제6항에 있어서,
상기 고분자 및 상기 무기입자 전구체의 각 이온교환기는 서로에 관계없이 술폰산기, 카복실기 및 인산기 중 어느 하나인 유무기 복합 전해질막 제조방법.
The method of claim 6,
Each ion exchange group of the polymer and the inorganic particle precursor is any one of a sulfonic acid group, a carboxyl group and a phosphoric acid group irrespective of each other.
제6항에 있어서,
상기 이온교환기를 갖는 고분자는 하기 제1 화합물군에서 선택되는 어느 하나와 하기 제3 화합물군에서 선택되는 어느 하나의 공중합체인 유무기 복합 전해질막 제조방법:
<제1 화합물군>
Figure pat00057
,
Figure pat00058
,
Figure pat00059
,
Figure pat00060
,
Figure pat00061

여기서, 상기 고분자가 갖는 이온교환기는 상기 화합물들에 포함된 벤젠 고리(벤젠 고리가 2 이상인 경우 적어도 어느 하나)에 결합된다.
<제3 화합물군>
Figure pat00062
,
Figure pat00063
,
Figure pat00064
,
Figure pat00065
,
Figure pat00066

상기 화합물들에서, R은 수소, 메톡시기 또는 에톡시기 중 어느 하나이다.
The method of claim 6,
The polymer having an ion exchange group is any one selected from the following first compound group and any one copolymer selected from the following third compound group organic-inorganic composite electrolyte membrane manufacturing method:
<1st compound group>
Figure pat00057
,
Figure pat00058
,
Figure pat00059
,
Figure pat00060
,
Figure pat00061

Here, the ion exchange group of the polymer is bonded to the benzene ring (at least one when the benzene ring is 2 or more) included in the compounds.
<Third compound group>
Figure pat00062
,
Figure pat00063
,
Figure pat00064
,
Figure pat00065
,
Figure pat00066

In the above compounds, R is either hydrogen, methoxy group or ethoxy group.
제6항에 있어서,
상기 이온교환기를 갖는 무기입자 전구체는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물인 유무기 복합 전해질막 제조방법:
<화학식 3>
Figure pat00067

상기 식에서, R은 수소, 메톡시기 또는 에톡시기 중 어느 하나이고, R1은 C1~C5의 알킬렌, 또는 아릴렌이고, Q는 이온교환기이다.
The method of claim 6,
The inorganic particle precursor having an ion exchange group is a compound of the organic-inorganic composite electrolyte membrane which is a compound represented by the formula (2):
<Formula 3>
Figure pat00067

Wherein R is either hydrogen, methoxy or ethoxy, R 1 is C1-C5 alkylene or arylene and Q is an ion exchange group.
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