KR20120041645A - Ion conductive composite membrane, preparation method thereof, membrane-electrode assembly and fuel cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An ion-conductive composite layer is provided to have excellent durability, dimensional stability, and electrochemical properties, thereby remarkably improving the performance of a membrane-electrode assembly and a fuel cell. CONSTITUTION: An ion-conductive composite layer comprises crosslinked polyvinylalcohol and a polystyrene sulfonic acid/maleic acid copolymer coating layer(4) on at least one side of a porous non-ionic conductive polymer layer. A manufacturing method of the ion conductive composite film comprises: a step of manufacturing a porous non-ion conductive polymer membrane; a step of manufacturing coating solution by mixing polyvinylalcohol, polystyrene, a sulfonic acid/maleic acid copolymer, and a solvent; a step of coating at least one side of the porous polymer with the coating solution; and a step of thermal crosslinking the coated polymer membrane at 100-160 °C for 30 minutes - 5 hours.

Description

이온전도성 복합막, 이의 제조방법, 막-전극 접합체 및 연료전지{Ion conductive composite membrane, preparation method thereof, membrane-electrode assembly and fuel cell comprising the same} Ionic conductive composite membrane, preparation method thereof, membrane-electrode assembly and fuel cell

본 발명은 이온전도성 복합막, 이의 제조방법, 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것으로, 치수 안정성, 내구성 및 전기화학적 특성이 우수한 이온전도성 복합막, 이의 제조방법, 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to an ion conductive composite membrane, a method for manufacturing the same, a membrane-electrode assembly and a fuel cell comprising the same, an ion conductive composite membrane having excellent dimensional stability, durability and electrochemical properties, a method for manufacturing the same, and a membrane comprising the same It relates to an electrode assembly and a fuel cell.

직접 메탄올 연료전지 (direct methanol fuel cell, DMFC)는 수소를 사용하는 고분자 전해질 연료진지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)와 유사한 구조와 작동 원리를 가졌으나, 연료로 수소 대신 메탄올을 직접 양극(anode)에 공급하여 사용한다. The direct methanol fuel cell (DMFC) has a structure and principle of operation similar to that of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) that uses hydrogen. ) To be used.

따라서 연료공급 체계가 단순하고 전체 장치가 간단하여 소형화가 가능하다. 직접 메탄올 연료전지는 다양한 용도로 사용이 가능하며, 특히 1W 정도의 소형 배터리 대체용 전원이나 500W 이하의 휴대용 전원으로의 사용 가능성이 매우 높고, 상당한 성능 향상이 이루어진다면 자동차용 엔진으로도 사용이 가능할 것이다. Therefore, the fuel supply system is simple and the whole apparatus is simple, which makes it possible to miniaturize. The direct methanol fuel cell can be used for various purposes. Especially, it is very likely to be used as a power source for replacing a small battery of about 1W or a portable power supply of less than 500W. will be.

이러한 직접 메탄올 연료전지의 상용화에 있어서의 문제점은 촉매 피독 현상에 의해 전력밀도가 기존의 연료전지 시스템에 비해 낮다는 것과 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA)에 사용되고 있는 Nafion과 같은 기존의 고분자 전해질막이 직접 메탄올 연료전지에 최적화되지 않았으며, 상업적으로도 이용할 만한 경제적인 고분자 전해질막이 전 세계적으로 개발되지 않고 있다는 점이다. The problems in the commercialization of the direct methanol fuel cell are that the power density is lower than that of the conventional fuel cell system due to the catalyst poisoning phenomenon, and the conventional Nafion used in the membrane-electrode assembly (MEA). Polymer electrolyte membranes are not optimized for direct methanol fuel cells, and commercially available economical polymer electrolyte membranes have not been developed worldwide.

또한, 기존의 고분자 전해질막을 직접 메탄올 연료전지에 사용하는 데 있어 주된 문제점이 되는 것은 연료가 되는 메탄올이 상당량 음극에서 양극으로 고분자 전해질막을 투과하여 양극 전극과 상호반응을 일으키는 것이다. 이러한 상호반응으로 인해서 양극 전위가 감소하며 전지전압의 손실이 발생하게 된다. 즉, 직접 메탄올 연료전지 성능을 개선하기 위한 연구의 큰 영역은 고분자 전해질막에 있으며, 메탄올 크로스오버에 대한 영향을 최소화시키고 높은 이온 전도도를 얻을 수 있는 소재개발이 우선적으로 요구되고 있다. In addition, a major problem in using a conventional polymer electrolyte membrane directly in a methanol fuel cell is that methanol, which is a fuel, penetrates the polymer electrolyte membrane from the cathode to the anode in a significant amount to cause interaction with the anode electrode. Due to this interaction, the anode potential decreases and battery voltage is lost. That is, a large area of research for improving the performance of direct methanol fuel cell is in the polymer electrolyte membrane, and the development of materials capable of minimizing the influence on methanol crossover and obtaining high ion conductivity is required.

이에 본 발명자는 투석증발 공정에서 메탄올 저항체로 알려진 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol, PVA)과 가교제이자 이온전도도 증가를 가져올 수 있는 폴리스티렌 술폰산/말레산 공중합체로 이루어진 고분자 전해질막을 제안한 바 있다. 그러나, 폴리스티렌 술폰산/말레산 공중합체의 함량이 높아지면 막이 쉽게 부서지는 경향을 나타내, 내구성이 취약하고 이온전도도 향상이 어려운 문제점이 있었다.
Accordingly, the present inventor has proposed a polymer electrolyte membrane comprising polyvinyl alcohol (polyvinylalcohol, PVA) known as a methanol resistor in a dialysis evaporation process, and a polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer capable of bringing about an increase in ionic conductivity as a crosslinking agent. However, when the content of the polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer is high, the membrane tends to be easily broken, and thus there is a problem that the durability is poor and the ion conductivity is difficult to be improved.

상기한 문제점을 개선하기 위해, 본 발명의 과제는 내구성이 우수한 다공성 비이온성 고분자막 표면에 메탄올 저항체인 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol, PVA)과 가교제이자 이온전도도 증가를 가져올 수 있는 폴리스티렌 술폰산/말레산 공중합체 고분자층을 형성하여 우수한 전기화학적 특성 및 내구성을 가질 수 있도록 한 이온전도성 복합막 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다. In order to improve the above problems, an object of the present invention is a polyvinyl alcohol (polyvinylalcohol, PVA) and a crosslinking agent and a polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer which can bring an increase in ionic conductivity on the surface of the porous non-ionic polymer membrane having excellent durability It is to provide an ion conductive composite membrane and a method of manufacturing the same to form a polymer layer to have excellent electrochemical properties and durability.

본 발명의 다른 과제는 이와 같은 이온전도성 복합막을 포함하는 막-전극 접합체및 연료전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly and a fuel cell including such an ion conductive composite membrane.

이를 위해 본 발명은,To this end, the present invention,

다공성 비이온전도성 고분자막의 적어도 일면에 가교된 폴리비닐알코올과 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체 코팅층이 형성된 이온전도성 복합막을 제공한다. Provided is an ion conductive composite membrane having a polyvinyl alcohol crosslinked and a polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer coating layer formed on at least one surface of a porous nonionic conductive polymer membrane.

또한 본 발명은Also,

다공성 비이온전도성 고분자막을 준비하는 단계;Preparing a porous nonionic conductive polymer membrane;

폴리비닐알코올, 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체와 용매를 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계;Preparing a coating solution by mixing a polyvinyl alcohol, a polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer, and a solvent;

상기 다공성 고분자막의 적어도 일면을 상기 코팅 용액으로 코팅하는 단계; 및Coating at least one surface of the porous polymer membrane with the coating solution; And

상기 코팅된 고분자막을 100~160 ℃에서 30분 내지 5시간 동안 열가교하는 단계를 포함하는 이온전도성 복합막 제조방법을 제공한다.
It provides an ion conductive composite membrane manufacturing method comprising the step of thermally cross-linking the coated polymer membrane at 100 ~ 160 ℃ for 30 minutes to 5 hours.

또한 본 발명은 Also,

상기한 이온전도성 복합막; 및The ion conductive composite membrane; And

상기 이온전도성 복합막을 사이에 두고 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.
Provided is a fuel cell membrane-electrode assembly including an anode electrode and a cathode electrode which face each other with the ion conductive composite membrane interposed therebetween.

또한 본 발명은 상기한 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a fuel cell comprising the membrane electrode assembly.

본 발명의 이온전도성 복합막은 우수한 내구성, 치수 안정성과 전기화학적 특성을 나타내는바, 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 연료전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.The ion conductive composite membrane of the present invention exhibits excellent durability, dimensional stability and electrochemical characteristics, and can greatly improve the performance of the membrane-electrode assembly and the fuel cell including the same.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합막을 도시한 사시도이다.1 is a perspective view showing a composite membrane according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.Since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, the present invention is not necessarily limited to those illustrated in the drawings, and the thicknesses are enlarged to clearly express various parts and regions.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합막을 보여주는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a composite film according to an embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 복합막(10)은 연료전지의 애노드 전극에서 발생한 수소 이온을 캐소드 전극으로 전달하기 위해 사용되는 매체로서, 다공성 비이온전도성 고분자막의 적어도 일면에 가교된 폴리비닐알코올과 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체 코팅층이 형성된다. Referring to the drawings, the composite membrane 10 according to an embodiment of the present invention is a medium used to transfer hydrogen ions generated from the anode electrode of the fuel cell to the cathode, and is crosslinked on at least one surface of the porous non-ionic conductive polymer membrane. Polyvinyl alcohol and polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer coating layer are formed.

상기 고분자막(2)은 비이온성 전도성 고분자로 이루어지며, 기계적 강도와 수소이온의 이동을 위한 이온 전도 채널을 제공하는 다공성 기재로서 역할을 할 수 있는 재질이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 대표적으로, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 고분자막을 사용할 수 있다. The polymer membrane 2 is made of a nonionic conductive polymer, and may be used without limitation as long as it can serve as a porous substrate that provides an ion conducting channel for mechanical strength and migration of hydrogen ions. Typically, a polymer film made of polyethylene, polypropylene, or polytetrafluoroethylene can be used.

상기 다공성 비이온전도성 고분자막(2)의 기공도는 50 내지 90 %인 것이 바람직하다. 이때 기공도가 상기 범위를 초과하는 경우 기계적 강도가 충분히 못하여 지지체로 작용하기 어려운 문제점이 있고, 이와 반대로 기공도가 상기 범위 미만인 경우 수소이온 전도 채널이 부족하여 이온이 충분히 이동하지 못하는 문제점이 있다. The porosity of the porous nonionic conductive polymer membrane 2 is preferably 50 to 90%. In this case, when the porosity exceeds the above range, there is a problem in that the mechanical strength is insufficient and it is difficult to act as a support. On the contrary, when the porosity is below the above range, there is a problem that the ion is not sufficiently moved due to the lack of a hydrogen ion conducting channel.

이러한 고분자막(2)은 기계적 강도 및 내구성 확보가 가능할 뿐만 아니라 표면의 코팅층(4) 형성을 통해 수소 이온 전도도를 확보할 수 있다. The polymer membrane 2 may not only secure mechanical strength and durability, but may also secure hydrogen ion conductivity by forming a coating layer 4 on the surface thereof.

상기 코팅층(4)은 가교된 폴리비닐알코올과 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체 코팅층을 포함한다. 상기 폴리비닐알코올은 메탄올 저항체로서 고분자막(2) 표면에 형성됨으로써 복합막(10)의 메탄올 투과도를 감소시킨다. 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체는 가교제로서 작용할 뿐만 아니라, 설폰산기를 통해 이온전도도의 증가를 가져올 수 있다. The coating layer (4) comprises a cross-linked polyvinyl alcohol and polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer coating layer. The polyvinyl alcohol is formed on the surface of the polymer film 2 as a methanol resistor to reduce the methanol permeability of the composite film 10. The polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer not only acts as a crosslinking agent, but can also lead to an increase in ionic conductivity through sulfonic acid groups.

이와 같이, 본 발명에 따른 복합막(10)은 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체가 코팅층을 통해 적용되므로, 이를 이용하여 막을 제조하는 경우 발생하는 취약한 내구성을 개선할 수 있다. As such, the composite membrane 10 according to the present invention is applied to the polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer through the coating layer, it is possible to improve the weak durability that occurs when manufacturing the membrane using this.

이때, 상기 코팅층(4)은 이온전도도 향상뿐만 아니라 소수성기로 인한 메탄올 투과 억제를 위해 추가로 3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산 (3-(trihydroxysilyl)-1-propane-sulfonic acid)을 포함하는 것이 바람직하다. At this time, the coating layer (4) is added to tri- trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid (3- (trihydroxysilyl) -1-propane-sulfonic acid) in addition to improve the ionic conductivity as well as inhibit methanol permeation due to hydrophobic groups. It is preferable to include.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 복합막은 적절한 기계적 강도 및 내구성을 갖는 다공성 비이온전도성 고분자막 상에 가교된 폴리비닐알코올과 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체 코팅층이 형성됨으로써, 우수한 이온전도도 등의 전기화학적 특성을 나타내므로, 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 연료전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.As described above, the composite membrane according to the present invention is formed of a cross-linked polyvinyl alcohol and polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer coating layer on a porous non-ionic conductive polymer membrane having an appropriate mechanical strength and durability, thereby providing excellent electrical conductivity and the like. Since the chemical properties are exhibited, the performance of the membrane-electrode assembly and the fuel cell including the same can be greatly improved.

이와 같은 본 발명의 복합막은,Such a composite membrane of the present invention,

다공성 비이온전도성 고분자막을 준비하는 단계;Preparing a porous nonionic conductive polymer membrane;

폴리비닐알코올, 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체와 용매를 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계;Preparing a coating solution by mixing a polyvinyl alcohol, a polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer, and a solvent;

상기 다공성 고분자막의 적어도 일면을 상기 코팅 용액으로 코팅하는 단계; 및Coating at least one surface of the porous polymer membrane with the coating solution; And

상기 코팅된 고분자막을 100~160 ℃에서 30분 내지 5시간 동안 열가교하는 단계를 거쳐 제조된다. The coated polymer film is prepared through thermal crosslinking at 100 to 160 ° C. for 30 minutes to 5 hours.

이하 각 단계별로 더욱 상세히 설명한다.Each step will be described in more detail below.

먼저, 다공성 비이온전도성 고분자막을 준비한다. First, a porous nonionic conductive polymer membrane is prepared.

상기 고분자막의 두께는 기계적 물성과 이온전도 저항을 고려할 때 10 내지 30 ㎛ 범위가 바람직하다. 상기 다공성 비이온전도성 고분자막의 재질은 상기 언급한 바를 따른다.
The thickness of the polymer membrane is preferably in the range of 10 to 30 ㎛ in consideration of mechanical properties and ion conductivity resistance. The material of the porous nonionic conductive polymer membrane is as described above.

이어서, 폴리비닐알코올, 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체와 용매를 혼합하여 코팅 용액을 제조한다. Subsequently, a coating solution is prepared by mixing the polyvinyl alcohol, polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer, and a solvent.

상기 코팅 용액은 이온전도도 향상을 위해 3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산을 더욱 포함할 수 있다.The coating solution may further include 3-trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid to improve ion conductivity.

상기 용매는 폴리비닐알코올, 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체와 3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산이 균일하게 용해, 분산시킬 수 있는 것이라면 특별한 제한은 없다. 바람직하기로 폴리비닐알코올은 디메틸설폭사이드에, 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체와 3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산은 물에 용해한 뒤 혼합하여 사용한다. The solvent is not particularly limited as long as the polyvinyl alcohol, polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer and 3-trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid can be uniformly dissolved and dispersed. Preferably, polyvinyl alcohol is dissolved in dimethyl sulfoxide, polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer, and 3-trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid are used after mixing in water.

이때 상기 코팅 용액은 폴리비닐알코올 6 내지 10 중량%; 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체 0.5 내지 3 중량%; 3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산 0.1 내지 3 중량%; 디메틸설폭사이드 55 내지 85 중량% 및 물 잔부를 포함하는 것이 바람직하다. At this time, the coating solution is 6 to 10% by weight of polyvinyl alcohol; 0.5 to 3 weight percent polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer; 0.1 to 3 weight percent of 3-trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid; It is preferred to include 55 to 85% by weight of dimethyl sulfoxide and the balance of water.

만약 상기 각 성분의 함량이 하한치에 미달하는 경우 코팅의 균일성이 저하되어 막의 성능이 일정하지 않으며, 상기 상한치를 초과하는 경우 고분자막 표면의 기공이 막혀 막의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
If the content of each component is less than the lower limit, the uniformity of the coating is reduced and the performance of the membrane is not constant. If the upper limit is exceeded, pores on the surface of the polymer membrane are blocked, and thus the performance of the membrane is reduced.

다음으로, 상기 다공성 고분자막의 적어도 일면을 상기 코팅 용액으로 코팅한다.Next, at least one surface of the porous polymer membrane is coated with the coating solution.

상기 코팅 용액을 고분자막에 코팅하는 방법은 통상적으로 사용하는 딥 코팅, 바 코팅, 스프레이 코팅, 플로우 코팅, 솔루션 캐스팅 등이 사용될 수 있다. 바람직하게는 솔루션 캐스팅을 수행한다. As a method of coating the coating solution on the polymer film, dip coating, bar coating, spray coating, flow coating, solution casting, and the like, which are commonly used, may be used. Preferably solution casting is performed.

고분자막 표면에 코팅층을 균일하게 형성하기 위해 상기한 코팅액의 고분자 농도, 코팅시간을 상기한 범위 내에서 적절히 조절할 수 있다.
In order to uniformly form the coating layer on the surface of the polymer film, the polymer concentration of the coating solution and the coating time may be appropriately adjusted within the above range.

이어서, 코팅된 고분자막을 100~160 ℃에서 30분 내지 5시간 동안 열가교한다. Subsequently, the coated polymer film is thermally crosslinked at 100 to 160 ° C. for 30 minutes to 5 hours.

이러한 열가교를 통해 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체가 가교제로 작용하여 코팅층 내의 고분자를 가교시킴으로써, 코팅층의 안정성이 더욱 향상된다. Through such thermal crosslinking, the polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer acts as a crosslinking agent to crosslink the polymer in the coating layer, thereby further improving the stability of the coating layer.

여기서, 상기 열가교 온도 및 시간이 상기 범위 미만이면 효율적인 열가교 반응 효과를 얻을 수 없으며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 복합막의 열적 안정성에 문제가 발생할 수 있다.In this case, if the thermal crosslinking temperature and time are less than the range, an efficient thermal crosslinking reaction effect may not be obtained. On the contrary, if the thermal crosslinking temperature and time are exceeded, a problem may occur in the thermal stability of the composite membrane.

상기 본 발명의 방법에 따르면, 비교적 간단한 공정을 통해 이온전도성 복합막의 치수 안정성과 내구성을 월등하게 향상시킬 수 있다.
According to the method of the present invention, it is possible to significantly improve the dimensional stability and durability of the ion conductive composite membrane through a relatively simple process.

본 발명의 막-전극접합체는 위와 같은 이온전도성 복합막을 포함하여 이루어진다. 본 발명의 막-전극 접합체는 상기 이온전도성 복합막; 및 상기 이온전도성 복합막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하여 이루어진다. The membrane-electrode assembly of the present invention comprises the above ion conductive composite membrane. The membrane electrode assembly of the present invention is the ion conductive composite membrane; And an anode electrode and a cathode electrode which face each other with the ion conductive composite membrane interposed therebetween.

막-전극접합체를 이루는 애노드 전극, 캐소드 전극, 기체확산층, 촉매층에 대한 내용은 이미 이 분야에서 널리 알려진 공지의 기술이므로 자세한 설명은 생략한다. The details of the anode electrode, the cathode electrode, the gas diffusion layer, and the catalyst layer constituting the membrane-electrode assembly are well known in the art and thus, detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 이온전도성 복합막 및 막-전극 접합체는 전해질막을 사용하는 고분자전해질형 연료전지와 직접액체 연료전지에 효과적으로 활용될 수 있다. 바람직하게는 메탄올을 연료로 사용하는 직접메탄올 연료전지에 사용될 수 있다.
The ion conductive composite membrane and the membrane-electrode assembly of the present invention can be effectively used in a polymer electrolyte fuel cell and a direct liquid fuel cell using an electrolyte membrane. Preferably it can be used in a direct methanol fuel cell using methanol as a fuel.

따라서, 본 발명은 또한 상기 본 발명의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.Accordingly, the present invention also provides a fuel cell comprising the membrane-electrode assembly of the present invention.

실시예Example

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 하기 실시예는 본 발명을 보다 명확히 표현하기 위한 목적으로 기재될 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention are described. The following examples are described for the purpose of more clearly expressing the present invention, but the contents of the present invention are not limited to the following examples.

실시예Example 1 내지 6 1 to 6

하기 표 1에 기재된 함량에 따라 폴리비닐알코올(평균분자랑 89,000 g/mol), 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체(평균분자량 20,000 g/mol)과 3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산을 준비하였다.Polyvinyl alcohol (average molecular weight 89,000 g / mol), polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer (average molecular weight 20,000 g / mol) and 3-trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid according to the content described in Table 1 Was prepared.

폴리비닐알코올을 디메틸설폭사이드에 녹인 용액과 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체와 3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산을 물에 녹인 용액을 혼합하여 코팅 용액을 준비하였다. A coating solution was prepared by mixing a solution of polyvinyl alcohol in dimethyl sulfoxide, a solution of polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer, and 3-trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid in water.

폴리에틸렌 막 위에 코팅 용액을 캐스팅한 뒤 상온에서 24 시간 동안 건조하여 용매를 제거한 다음 오븐에서 110 ℃에서 2시간 동안 가교를 진행하였다. The coating solution was cast on a polyethylene membrane, dried at room temperature for 24 hours to remove the solvent, and crosslinked at 110 ° C. for 2 hours in an oven.

구분
division
코팅용액(함량: 중량%)
Coating solution (content: wt%)
폴리비닐알코올Polyvinyl alcohol 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체Polystyrene Sulfonic Acid / Maleic Acid Copolymer 3-트리하이드록시 실릴-1-프로판 설폰산 3-trihydroxy silyl-1-propane sulfonic acid 디메틸설폭사이드Dimethyl sulfoxide water 실시예 1
Example 1
99 1One 00 8181 99
실시예 2
Example 2
88 22 00 7272 1818
실시예 3
Example 3
7.57.5 2.52.5 00 67.567.5 22.522.5
실시예 4
Example 4
8.68.6 1One 0.40.4 77.477.4 12.612.6
실시예 5
Example 5
7.97.9 0.90.9 1.21.2 71.171.1 18.918.9
실시예 6
Example 6
7.17.1 0.80.8 2.12.1 63.963.9 26.126.1

실시예Example 7 내지 13 7 to 13

하기 표 2에 기재된 함량에 따라 폴리비닐알코올(평균분자랑 89,000 g/mol), 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체(평균분자량 20,000 g/mol)과 3-트리하이드록시 실릴-1-프로판 설폰산을 준비하였다. Polyvinyl alcohol (average molecular weight 89,000 g / mol), polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer (average molecular weight 20,000 g / mol) and 3-trihydroxy silyl-1-propane sulfonic acid according to the content shown in Table 2 below Was prepared.

폴리비닐알코올을 디메틸설폭사이드에 녹인 용액과 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체와 3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산을 물에 녹인 용액을 혼합하여 코팅 용액을 준비하였다. A coating solution was prepared by mixing a solution of polyvinyl alcohol in dimethyl sulfoxide, a solution of polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer, and 3-trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid in water.

폴리프로필렌 막 위에 코팅 용액을 캐스팅한 뒤 상온에서 24 시간 동안 건조하여 용매를 제거한 다음 오븐에서 120 ℃에서 30분 동안 가교를 진행하였다. The coating solution was cast on a polypropylene membrane, dried at room temperature for 24 hours to remove the solvent, and then crosslinked at 120 ° C. for 30 minutes in an oven.

구분
division
코팅 용액(함량: 중량%)
Coating solution (content: wt%)
폴리비닐알코올Polyvinyl alcohol 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체Polystyrene Sulfonic Acid / Maleic Acid Copolymer 3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산 3-trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid 디메틸설폭사이드Dimethyl sulfoxide water 실시예 7
Example 7
99 1One 00 8181 99
실시예 8
Example 8
88 22 00 7272 1818
실시예 9
Example 9
7.57.5 2.52.5 00 67.567.5 22.522.5
실시예 10
Example 10
7.77.7 1.91.9 0.40.4 69.369.3 20.720.7
실시예 11
Example 11
7.17.1 1.81.8 1.11.1 63.963.9 26.126.1
실시예 12
Example 12
6.56.5 1.61.6 1.91.9 58.558.5 31.531.5

실시예Example 13 내지 18 13 to 18

하기 표 3에 기재된 함량에 따라 폴리비닐알코올(평균분자랑 89,000 g/mol), 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체(평균분자량 20,000 g/mol)과 3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산 설폰산을 준비하였다. Polyvinyl alcohol (average molecular weight 89,000 g / mol), polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer (average molecular weight 20,000 g / mol) and 3-trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid according to the content shown in Table 3 below Sulfonic acid was prepared.

폴리비닐알코올을 디메틸설폭사이드에 녹인 용액과 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체와 3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산을 물에 녹인 용액을 혼합하여 코팅 용액을 준비하였다. A coating solution was prepared by mixing a solution of polyvinyl alcohol in dimethyl sulfoxide, a solution of polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer, and 3-trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid in water.

폴리테르라플루오로에틸렌 막 위에 코팅 용액을 캐스팅한 뒤 상온에서 24 시간 동안 건조하여 용매를 제거한 다음 오븐에서 140 ℃에서 90분 동안 가교를 진행하였다. The coating solution was cast on a polyterafluoroethylene membrane, dried at room temperature for 24 hours to remove the solvent, and then crosslinked at 140 ° C. for 90 minutes in an oven.

구분
division
코팅수용액(함량: 중량%)
Coating solution (content: wt%)
폴리비닐알코올Polyvinyl alcohol 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체Polystyrene Sulfonic Acid / Maleic Acid Copolymer 3-트리하이드록시 실릴-1-프로판 설폰산 3-trihydroxy silyl-1-propane sulfonic acid 디메틸설폭사이드Dimethyl sulfoxide water 실시예 13
Example 13
99 1One 00 8181 99
실시예 14
Example 14
88 22 00 7272 1818
실시예 15
Example 15
7.57.5 2.52.5 00 67.567.5 22.522.5
실시예 16
Example 16
7.27.2 2.42.4 0.40.4 64.864.8 25.225.2
실시예 17
Example 17
6.76.7 2.32.3 1One 60.360.3 39.739.7
실시예 18
Example 18
6.26.2 22 1.81.8 55.855.8 34.234.2

비교예 1Comparative Example 1

폴리비닐알코올(평균분자랑 89,000 g/mol) 10 g, 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체(평균분자량 20,000 g/mol) 0.7 g을 물 0.0893 L에 녹여 캐스팅 용액을 준비하였다. 준비된 용액을 충분히 교반하여 균일용액으로 제조하였고, 이를 가드너 나이프(garrdner knife)를 이용하여 유리판 위에 캐스팅하였다. 이후 상온에서 하루동안 건조시키고 형성된 막을 유리판에서 분리한 후 항온 건조기를 이용하여 130 ℃에서 90분 동안 가교하여 두께 60 ㎛ 를 갖는 막을 제조하였다.
A casting solution was prepared by dissolving 10 g of polyvinyl alcohol (average molecular weight 89,000 g / mol) and 0.7 g of polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer (average molecular weight 20,000 g / mol) in 0.0893 L of water. The prepared solution was sufficiently stirred to prepare a homogeneous solution, which was cast on a glass plate using a Gardner knife. After drying at room temperature for one day, the formed membrane was separated from the glass plate and crosslinked at 130 ° C. for 90 minutes using a constant temperature dryer to prepare a membrane having a thickness of 60 μm.

비교예Comparative example 2 2

폴리비닐알코올(평균분자랑 89,000 g/mol) 10 g, 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체(평균분자량 20,000 g/mol) 0.7 g, 3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산 0.3 g을 물 0.089 L에 녹여 캐스팅 용액을 준비하였다. 준비된 용액을 충분히 교반하여 균일용액으로 제조하였고, 이를 가드너 나이프(gardner knife)를 이용하여 유리판 위에 캐스팅하였다. 이후 상온에서 하루 동안 건조시키고 형성된 막을 유리판에서 분리한 후 항온 건조기를 이용하여 130 ℃에서 90분 동안 가교하여 두께 60 ㎛를 갖는 막을 제조하였다.
10 g of polyvinyl alcohol (average molecular weight 89,000 g / mol), 0.7 g of polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer (average molecular weight 20,000 g / mol), 0.3 g of 3-trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid It was dissolved in 0.089 L to prepare a casting solution. The prepared solution was sufficiently stirred to prepare a homogeneous solution, which was cast on a glass plate using a gardener knife. After drying at room temperature for one day, the formed membrane was separated from the glass plate and crosslinked at 130 ° C. for 90 minutes using a constant temperature dryer to prepare a membrane having a thickness of 60 μm.

실험예Experimental Example 1: 함수율 및 팽윤도 측정 1: moisture content and swelling

상기 실시예 1 내지 18에서 제조한 복합막의 치수 안전성을 확인하기 위해 물에 대한 함수율(water content)과 팽윤도(swelling ration)를 측정하였다. In order to confirm the dimensional safety of the composite membrane prepared in Examples 1 to 18, the water content and the swelling ratio for water were measured.

5 cm×5 cm 크기의 시료막을 준비하여 25 ℃ 초순수에 24시간 이상 침적 후 꺼내어 여과지로 표면에 부착된 유리수분을 제거한 후 밀폐용기에 넣고 칭량하였다. 다음으로 진공오븐에 넣어 수분을 제거한 후 완전히 건조된 막을 밀폐용기에 넣고 칭량하였다. A sample membrane having a size of 5 cm × 5 cm was prepared and immersed in 25 ° C. ultrapure water for 24 hours or more, and then removed from the glass moisture adhered to the surface by a filter paper. Next, the water was put in a vacuum oven to remove moisture, and the dried film was placed in an airtight container and weighed.

함수율은 (팽윤 후 막의 무게-팽윤 전 막의 무게)/(팽윤 전 막의 무게)X100로 계산하고, 팽윤도는 (팽윤 후 막면적-팽윤 전 막면적)/(팽윤 전 막면적)X100으로 계산하였다. 그 결과는 아래 표 4에 나타내었다.The water content was calculated as (weight of membrane after swelling-weight of membrane before swelling) / (weight of membrane before swelling) X100 and swelling degree was calculated as (membrane area after swelling-membrane area before swelling) / (membrane area before swelling) X100. The results are shown in Table 4 below.

구분division 함수율(%)Moisture content (%) 팽윤도(%)Swelling degree (%) 실시예 1Example 1 20.520.5 110.8110.8 실시예 2Example 2 11.711.7 109.2109.2 실시예 3Example 3 7.57.5 108.9108.9 실시예 4Example 4 2020 108.4108.4 실시예 5Example 5 10.810.8 106.2106.2 실시예 6Example 6 6.36.3 103.9103.9 실시예 7Example 7 31.531.5 117.6117.6 실시예 8Example 8 21.821.8 114.1114.1 실시예 9Example 9 20.920.9 109.6109.6 실시예 10Example 10 30.630.6 112.4112.4 실시예 11Example 11 19.619.6 109.3109.3 실시예 12Example 12 15.415.4 107.7107.7 실시예 13Example 13 17.417.4 108.7108.7 실시예 14Example 14 16.916.9 108.2108.2 실시예 15Example 15 14.814.8 107.3107.3 실시예 16Example 16 13.313.3 105.2105.2 실시예 17Example 17 12.012.0 105.4105.4 실시예 18Example 18 8.28.2 102.7102.7 Nafion 115Nafion 115 1919 113.4113.4 비교예 1Comparative Example 1 150150 175175 비교예 2Comparative Example 2 175175 173.3173.3

상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 코팅수용액 중 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체와 3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산의 함량이 증가할수록 막의 함수율과 팽윤도는 모두 감소하였다. 이는 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체와 3-트리하이드록시 1-프로판 설폰산 입자의 증가로 막 내부 자유 체적(free volume)이 감소하여 함수율이 감소하였기 때문이다. 이와 같이, 낮은 함수율은 팽윤 효과가 작다는 것을 의미하는 것으로 전해질 막 내로의 침투가 어렵지만 선택적이 투과에 있어 유리함을 의미한다.
As shown in Table 4, as the content of the polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer and 3-trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid in the coating aqueous solution increased, both the water content and the swelling degree of the membrane decreased. This is because the free volume in the membrane is reduced due to the increase in the polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer and 3-trihydroxy 1-propane sulfonic acid particles, thereby decreasing the water content. As such, the low water content means that the swelling effect is small, which means that penetration into the electrolyte membrane is difficult but selective is advantageous for permeation.

실험예Experimental Example 2: 이온교환용량 측정 2: Ion exchange capacity measurement

이온교환용량을 측정하기 위하여 1 N NaOH 수용액과 1N HCl 수용액을 이용 산염기 적정에 의하여 이온교환용량을 다음과 같은 식에 의해 결정하였다. 준비된 시료막을 적당한 크기로 자른 후 무게를 측정하여 0.1N NaOH 수용액 100 ㎖에 하루이상 침적시켰다. 이후 0.1N HCl을 이용하여 적정함으로써 NaOH 감소량을 측정하였다. 그 결과는 아래 표 5에 나타내었다. In order to measure the ion exchange capacity, the ion exchange capacity was determined by an acid salt titration using 1N NaOH aqueous solution and 1N HCl aqueous solution by the following equation. The prepared sample membrane was cut to an appropriate size, weighed, and deposited in 100 ml of 0.1N NaOH aqueous solution for at least one day. Thereafter, NaOH reduction was measured by titration with 0.1 N HCl. The results are shown in Table 5 below.

이온교환용량IEC(meq/g)={(VHCl×NHCl)-5(VNaOH×NNaOH)}/시료막 중량(g)Ion exchange capacity IEC (meq / g) = {(VHCl × NHCl) -5 (VNaOH × NNaOH)} / sample film weight (g)

VHCl:HCl의 부피 (ml), VNaOH: NaOH의 부피(ml)Volume of VHCl: HCl (ml), VNaOH: volume of NaOH (ml)

NHCl: HCl의 농도(N), NNaOH : NaOH의 농도(N)NHCl: concentration of HCl (N), NNaOH: concentration of NaOH (N)

구분division 이온교환용량 (meq/g)
Ion exchange capacity (meq / g)
실시예 1Example 1 0.6520.652 실시예 2Example 2 0.7120.712 실시예 3Example 3 0.7320.732 실시예 4Example 4 0.6840.684 실시예 5Example 5 0.7440.744 실시예 6Example 6 0.7630.763 실시예 7Example 7 0.610.61 실시예 8Example 8 0.660.66 실시예 9Example 9 0.700.70 실시예 10Example 10 0.6620.662 실시예 11Example 11 0.7450.745 실시예 12Example 12 0.750.75 실시예 13Example 13 0.540.54 실시예 14Example 14 0.6240.624 실시예 15Example 15 0.6960.696 실시예 16Example 16 0.620.62 실시예 17Example 17 0.7240.724 실시예 18Example 18 0.7450.745 Nafion 115Nafion 115 0.910.91 비교예 1Comparative Example 1 0.880.88 비교예 2Comparative Example 2 1.041.04

상기 표 5를 참조하면, 코팅 용액 중 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체와 3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산의 함량이 증가할수록 복합막의 이온교환용량이 증가하였다.
Referring to Table 5, as the content of the polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer and 3-trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid increased in the coating solution, the ion exchange capacity of the composite membrane increased.

실험예Experimental Example 3: 메탄올 투과도 측정 3: Methanol Permeability Measurement

상기에서 제조한 실시예 3의 메탄올 투과도를 2 챔버 분산 셀 법(Two chamber diffusion cell method)에 의해 측정하였다. 측정을 위해 한쪽 챔버(250 ㎖)에는 2 M 메탄올 용액을 채우고, 다른 한쪽 챔버(34 ㎖)에는 초순수를 채웠다. 두 챔버 사이에 위치한 막의 유효면적은 7.02 cm2이며, 클램프를 이용하여 기밀을 유지하였다. 실험시 교반을 시켜주었으며 온도측정은 열전대(thermocouple)을 이용하였다. 일정 시간이 지난 다음 메탄올 용액을 채운 챔버로부터 고분자 전해질을 통해 초순수만을 채운 챔버 쪽으로 메탄올이 확산이 될 때, 확산된 메탄올의 양을 가스크로마토그래피를 이용하여 측정하였다. 아래 표 6은 55 ℃에서의 측정된 메탄올 농도를 나타낸 것이고, 표 7은 25 ℃에서의 각 시료막의 메탄올 투과도를 나타낸 것이다. The methanol permeability of Example 3 prepared above was measured by a two chamber diffusion cell method. One chamber (250 mL) was filled with 2 M methanol solution and the other chamber (34 mL) was filled with ultrapure water for measurement. The effective area of the membrane located between the two chambers was 7.02 cm 2 and was kept airtight using clamps. The experiment was stirred and a thermocouple was used for temperature measurement. After a certain period of time, when methanol diffused from the chamber filled with the methanol solution toward the chamber filled with ultrapure water through the polymer electrolyte, the amount of methanol diffused was measured by gas chromatography. Table 6 below shows the methanol concentration measured at 55 ° C., and Table 7 shows the methanol permeability of each sample membrane at 25 ° C.

시간(분)Time (minutes) GC 메탄올 농도GC Methanol Concentration 실제 메탄올 농도Actual methanol concentration 00 00 00 3030 00 00 6060 00 00 9090 0.88070.8807 0.8948384470.894838447 120120 1.04941.0494 1.0662466981.066246698 2M 메탄올2M methanol 6.18346.1834 6.2826661256.282666125

구분division 메탄올 투과도(cm2/s)Methanol Permeability (cm 2 / s) 실시예 3Example 3 -- 비교예 1Comparative Example 1 1.19×10-6 1.19 × 10 -6 비교예 2Comparative Example 2 4.12×10-7 4.12 × 10 -7

상기 표 6 및 표 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 3의 복합막은 25 ℃에서의 메탄올 투과도 측정 결과 그 메탄올 함량이 측정할 수 없을 만큼 적었으며, 55 ℃에서의 메탄올 투과도는 5.4×10-5 cm2/s이었다. 이와 같은 결과는 현재 직접 메탄올 연료전지에 사용되고 있는 나피온 115의 25 ℃에서의 2.11×106 cm2/s과 비교하여 상당히 낮다. 이렇게 낮은 메탄올 투과도는 코팅 용액 중 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체의 함량이 증가함에 따라 폴리비닐알코올의 하이드록시기와 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체의 작용기 사이의 수소결합이 증가하여 자유부피가 감소하고 이에 따라 물 분자의 이동이 감소함과 더불어 소수성 다공성 막의 메탄올에 대한 장벽 작용 때문인 것으로 생각된다.
As shown in Table 6 and Table 7, the composite membrane of Example 3 according to the present invention showed that the methanol content was less than measurable as measured by methanol at 25 ° C., and methanol permeability at 55 ° C. was 5.4 ×. 10 -5 cm 2 / s. This result is significantly lower than 2.11 × 10 6 cm 2 / s at 25 ° C of Nafion 115, which is currently used in direct methanol fuel cells. This low methanol permeability increases the hydrogen bond between the hydroxyl group of polyvinyl alcohol and the functional group of the polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer as the content of the polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer in the coating solution increases, thereby reducing the free volume. As a result, the migration of water molecules is reduced, and the hydrophobic porous membrane is thought to be due to the barrier action to methanol.

실험예Experimental Example 4: 이온전도도 측정 4: ion conductivity measurement

수소이온 전도도는 교류 사극자법 (Four point probe AC impedance spectroscopic method)을 이용하여 옴저항 또는 벌크저항(ohmic resistance or bulk resistance)를 측정하여 σ=l/ (R×S)의 식에 따라 측정하였다. Hydrogen ion conductivity was measured according to the equation of σ = l / (R × S) by measuring ohmic resistance or bulk resistance using a Four Point probe AC impedance spectroscopic method.

여기서, σ(S/cm)는 수소이온 전도도, l(cm)은 전압강하 측정전극간의 거리, R(Ω)은 고분자 전해질의 옴저항, S는 일정전류가 통과하는 전해질 내 면적(cm2)을 의미한다. 그 결과는 아래 표 8에 나타내었다. Where σ (S / cm) is the hydrogen ion conductivity, l (cm) is the distance between the voltage drop measurement electrodes, R (Ω) is the ohmic resistance of the polymer electrolyte, and S is the area in the electrolyte through which a constant current passes (cm 2 ). Means. The results are shown in Table 8 below.


구분

division
이온전도도 (scm-1)
Ion Conductivity (scm -1 )
25 ℃25 ℃ 40 ℃40 ℃ 55 ℃55 ℃ 70 ℃70 ℃ 실시예 1Example 1 0.001060.00106 0.001600.00160 0.002050.00205 0.003430.00343 실시예 2Example 2 0.006350.00635 0.009640.00964 0.01190.0119 0.01040.0104 실시예 3Example 3 0.008730.00873 0.013220.01322 0.018410.01841 0.019260.01926 실시예 4Example 4 0.00620.0062 0.01230.0123 0.01730.0173 0.0530.053 실시예 5Example 5 0.01430.0143 0.0430.043 0.0970.097 0.1470.147 실시예 6Example 6 0.0180.018 0.090.09 0.1270.127 0.1760.176 실시예 7Example 7 0.0010.001 0.001620.00162 0.0020.002 0.003260.00326 실시예 8Example 8 0.0060.006 0.008470.00847 0.01080.0108 0.01200.0120 실시예 9Example 9 0.007240.00724 0.01210.0121 0.016710.01671 0.0180.018 실시예 10Example 10 0.00590.0059 0.01140.0114 0.0160.016 0.0490.049 실시예 11Example 11 0.01260.0126 0.0440.044 0.0960.096 0.1380.138 실시예 12Example 12 0.0200.020 0.0940.094 0.1320.132 0.1810.181 실시예 13Example 13 0.00090.0009 0.001420.00142 0.001920.00192 0.00280.0028 실시예 14Example 14 0.00520.0052 0.008020.00802 0.00930.0093 0.01010.0101 실시예 15Example 15 0.0060.006 0.01170.0117 0.014230.01423 0.01640.0164 실시예 16Example 16 0.00410.0041 0.01080.0108 0.01540.0154 0.040.04 실시예 17Example 17 0.01070.0107 0.0320.032 0.0770.077 0.1290.129 실시예 18Example 18 0.01630.0163 0.0820.082 0.100.10 0.1540.154 Nafion 115Nafion 115 0.0910.091 0.0870.087 0.0830.083 00.07400.074 비교예 1Comparative Example 1 0.0100.010 -- -- -- 비교예 2Comparative Example 2 0.0230.023 -- -- --

상기 표 8에 나타낸 바와 같이, 코팅 용액 중 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체의 함량과 측정온도가 증가할수록 이온전도도는 증가하는 경향을 나타내었다. Nafion 115의 이온전도도는 온도가 증가함에 따라 약간 감소하는 경향을 나타낸 반면, 폴리비닐알코올-폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체-3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산의 코팅층이 형성된 복합막의 경우 온도가 증가할수록 이온전도도가 증가하였다. 이는 다공성 고분막의 컴팩트한 부분이 상온에서는 이온의 이동을 저해하지만 온도의 증가로 인하여 이러한 부분이 느슨해짐에 따라 복합막의 이온전도도는 Nafion 115 보다 우수한 이온전도도를 나타내었다.
As shown in Table 8, as the content of polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer in the coating solution and the measurement temperature increases, the ion conductivity showed a tendency to increase. The ionic conductivity of Nafion 115 tended to decrease slightly with increasing temperature, while the composite membrane of polyvinyl alcohol-polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer-3-trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid was formed. As the temperature increased, the ion conductivity increased. This suggests that the compact portion of the porous polymer membrane inhibits the movement of ions at room temperature, but the ion conductivity of the composite membrane showed better ion conductivity than that of Nafion 115 as these portions became loose due to the increase of temperature.

실험예Experimental Example 5: 인장  5: imprint 탄성율Modulus 측정 Measure

막의 기계적 특성을 측정하기 위한 실험으로 연신기(Universal testing machine : UTM, Llody사)을 사용하여 막의 인장 탄성율을 측정하였다. 덤벨형 시편을 만들고 고무 표면의 지그를 사용하여 100 N의 로드셀(load cell)로, 5 mm/분의 속도를 적용하여 측정하였다. 그 결과는 아래 표 9에 나타내었다. As an experiment for measuring the mechanical properties of the membrane, the tensile modulus of the membrane was measured using a stretching machine (Universal testing machine: UTM, Llody). Dumbbell-shaped specimens were made and measured by applying a speed of 5 mm / min with a 100 N load cell using a jig of rubber surface. The results are shown in Table 9 below.

구분division 인장 탄성율(Mpa)Tensile Modulus (Mpa) 실시예 1Example 1 465.2465.2 실시예 2Example 2 470.2470.2 실시예 3Example 3 554.1554.1 실시예 4Example 4 1027.01027.0 실시예 5Example 5 906.9906.9 실시예 6Example 6 846.1846.1 실시예 7Example 7 327.0327.0 실시예 8Example 8 415.4415.4 실시예 9Example 9 486.2486.2 실시예 10Example 10 782.1782.1 실시예 11Example 11 624.3624.3 실시예 12Example 12 611.4611.4 실시예 13Example 13 512.7512.7 실시예 14Example 14 523.0523.0 실시예 15Example 15 549.3549.3 실시예 16Example 16 1013.21013.2 실시예 17Example 17 901.4901.4 실시예 18Example 18 861.2861.2 Nafion 115Nafion 115 350350 비교예 1Comparative Example 1 278278 비교예 2Comparative Example 2 347347

상기 표 9에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 복합막은 폴리비닐알코올/폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체로 이루어진 비교예 1 및 폴리비닐알코올/폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체/3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산으로 이루어진 비교예 2의 막과 비교하여 우수한 기계적 강도를 나타내었다.
As can be seen in Table 9, the composite membrane according to the present invention is Comparative Example 1 consisting of a polyvinyl alcohol / polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer and polyvinyl alcohol / polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer / 3-trihydroxy Excellent mechanical strength was shown compared to the membrane of Comparative Example 2 consisting of silyl-1-propane sulfonic acid.

2: 다공성 비이온전도성 고분자막
4: 코팅층
10: 복합막
2: porous nonionic conductive polymer membrane
4: coating layer
10: composite membrane

Claims (9)

다공성 비이온전도성 고분자막의 적어도 일면에 가교된 폴리비닐알코올과 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체를 코팅층이 형성된 이온전도성 복합막.An ion conductive composite membrane having a coating layer formed of a polyvinyl alcohol crosslinked on at least one surface of a porous nonionic conductive polymer membrane and a polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer. 제1항에 있어서, 상기 고분자막은
폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 포함하는 것인 복합막.
The method of claim 1, wherein the polymer membrane
Composite membrane comprising one material selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, and polytetrafluoroethylene.
제1항에 있어서, 상기 코팅층은
추가로 3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산을 포함하는 것인 복합막.
The method of claim 1, wherein the coating layer
The composite membrane further comprises 3-trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid.
다공성 비이온전도성 고분자막을 준비하는 단계;
폴리비닐알코올, 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체와 용매를 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계;
상기 다공성 고분자막의 적어도 일면을 상기 코팅 용액으로 코팅하는 단계; 및
상기 코팅된 고분자막을 100~160 ℃에서 30분 내지 5시간 동안 열가교하는 단계를 포함하는 이온전도성 복합막 제조방법.
Preparing a porous nonionic conductive polymer membrane;
Preparing a coating solution by mixing a polyvinyl alcohol, a polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer, and a solvent;
Coating at least one surface of the porous polymer membrane with the coating solution; And
Ion conductive composite membrane manufacturing method comprising the step of thermally cross-linking the coated polymer membrane at 100 ~ 160 ℃ for 30 minutes to 5 hours.
제4항에 있어서, 상기 코팅 용액은
추가로 3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산을 포함하는 것인 제조방법.
The method of claim 4, wherein the coating solution
Further comprising 3-trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid.
제5항에 있어서, 상기 코팅 용액은
폴리비닐알코올 6 내지 10 중량%; 폴리스티렌 설폰산/말레산 공중합체 0.5 내지 3 중량%; 3-트리하이드록시실릴-1-프로판 설폰산 0.1 내지 3 중량%; 디메틸설폭사이드 55 내지 85 중량% 및 물 잔부를 포함하는 것인 제조방법.
The method of claim 5, wherein the coating solution
6 to 10 weight percent polyvinyl alcohol; 0.5 to 3 weight percent polystyrene sulfonic acid / maleic acid copolymer; 0.1 to 3 weight percent of 3-trihydroxysilyl-1-propane sulfonic acid; 55 to 85% by weight of dimethyl sulfoxide and the balance of water.
제1항에 따른 이온전도성 복합막; 및
상기 이온전도성 복합막을 사이에 두고 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체.
The ion conductive composite membrane according to claim 1; And
A membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising an anode electrode and a cathode electrode which are opposed to each other with the ion conductive composite membrane interposed therebetween.
제7항에 기재의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 7. 제8항에 있어서, 상기 연료전지는 직접 메탄올 연료전지인 것인 연료전지.
The fuel cell of claim 8, wherein the fuel cell is a direct methanol fuel cell.
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