KR20150037103A - 유체교환막, 이의 제조 방법 및 유체교환막을 포함하는 유체교환막 모듈 - Google Patents

유체교환막, 이의 제조 방법 및 유체교환막을 포함하는 유체교환막 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 유체교환막은 표면에 친수성 관능기를 가지는 다공성 멤브레인이며, 두께가 50㎛일 때 300 내지 1000 g/m2h의 두께 방향으로의 투습도 및 5 내지 50 MPa의 인장강도를 가진다.
상기 유체교환막은 우수한 기계적 강도 및 우수한 수분 투과 성능을 가져 고성능의 유체교환막 모듈을 제공할 수 있다. 이러한 유체교환막 모듈은 연료전지 또는 공기조화기 등의 다양한 장치에 적용되어 장치의 성능을 향상시키고, 장치를 소형화 및 경량화할 수 있다.

Description

유체교환막, 이의 제조 방법 및 유체교환막을 포함하는 유체교환막 모듈{FLUID EXCHANGE MEMBRANE, METHOD FOR PREPARATION THEREOF AND FLUID EXCHANGE MEMBRANE MODULE COMPRISING THE FLUID EXCHANGE MEMBRANE}
본 발명은 유체교환막 및 이의 제조 방법과 상기 유체교환막을 포함하는 유체교환막 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 우수한 기계적 강도 및 수분 투과 성능을 가지는 유체교환막, 및 이의 제조 방법과 상기 유체교환막을 포함하는 유체교환막 모듈에 관한 것이다.
연료 전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료 전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배 가량 높다는 장점이 있다. 또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 낮다. 따라서, 연료 전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다. 이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체 산화물형 연료 전지(SOFC), 및 알칼리형 연료 전지(AFC) 등으로 분류할 수 있다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 가운데서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.
고분자 전해질형 연료 전지의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Eletrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다. 고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료 전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다. 이들 중에서도 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 가습 막 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.
그러나 가습 막 방식의 경우 가습 막 양면에서의 수분의 분압 차에 의한 수분의 확산 및 응축 현상 의하여 가스 유동층에 수분을 공급하므로, 이러한 가습 막 방식을 채용하는 경우 그 성능을 향상시키는데 많은 제약이 따르고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0013304호(공개일: 2009.02.05)
본 발명의 목적은 우수한 기계적 강도 및 수분 투과 성능을 가지는 유체교환막 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 유체교환막을 포함하는 유체교환막 모듈을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체교환막은 표면에 친수성 관능기를 가지는 다공성 멤브레인이며, 두께가 50㎛일 때 300 내지 1000 g/m2h의 두께 방향으로의 투습도 및 5 내지 50 MPa의 인장강도를 가진다.
상기 다공성 멤브레인은, 예를 들면, 중공사막 형태 또는 평막 형태일 수 있다. 또한, 상기 다공성 멤브레인은, 예를 들면, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리아릴렌설폰, 폴리아릴렌에테르설폰, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리아미드이미드, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로-디옥사-메틸-옥틴설폰산 공중합체, 이들의 공중합체 또는 이들의 혼합물로부터 형성될 수 있다.
상기 친수성 관능기는, 예를 들면, 설폰산기, 인산기, 히드록시기, 카르복실기, 탄산기, 질산기 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유체교환막의 제조 방법은 다공성 멤브레인을 산성 용액에 침지시키는 단계를 포함한다.
상기 제조 방법은 상기 단계 이전에 다공성 멤브레인을 제공하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 다공성 멤브레인을 산성 용액에 침지시키는 단계는 30 내지 100℃의 온도 하에서 수행하거나, 또는 다공성 멤브레인을 산성 용액에 0.5 내지 100 시간 동안 침지시켜 수행할 수 있다. 상기 산성 용액은, 예를 들면, 0.1 내지 10 몰농도의 산성 용액일 수 있다. 또한, 상기 산성 용액으로는, 예를 들면, 황산, 클로로황산, 염산, 질산, 인산 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 유체교환막 모듈은 적어도 두 쌍의 유체유입구와 유체배출구가 형성되어 있는 케이스; 및 상기 케이스에 내장되며, 구동상태에서 어느 한 쌍의 유체유입구와 유체배출구 사이를 흐르는 제 1 유체가 다른 한 쌍의 유체유입구와 유체배출구 사이를 흐르는 제 2 유체와 직접적으로 접촉하지 않도록 배치된 상기 유체교환막을 포함한다.
하나의 예시에서 상기 유체교환막은 중공사막 형태일 수 있다. 이 경우 유체교환막 모듈은 구동상태에서 상기 제 1 유체는 중공사막의 중공을 통하여 흐르고, 제 2 유체는 중공사막의 중공사 다발 사이를 통하여 흐르도록 케이스와 유체교환막을 배치한 것일 수 있다. 상기와 같은 구동이 가능하도록 상기 케이스는 유체유입구가 형성되어 있는 유입케이스, 유체배출구가 형성되어 있는 배출케이스 및 유체유입구와 유체배출구가 형성되어 있는 연결케이스를 포함할 수 있다. 그리고 상기 케이스는 상기 유입케이스 및 배출케이스를 연결케이스로 연결한 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 유체교환막은 상기 케이스 내에 중공사 다발의 길이방향의 어느 한쪽 말단이 유입케이스 측에 위치하고, 다른 한쪽 말단이 배출케이스 측에 위치하도록 배치될 수 있다.
한편, 상기 연결케이스의 양쪽 말단에 중공사 다발을 고정하는 포팅부를 더 포함할 수 있다.
다른 예시에서 상기 유체교환막은 평막 형태일 수 있다. 이 경우 유체교환막 모듈은 구동상태에서 상기 제 1 유체는 평막의 일면을 따라 흐르고, 상기 제 2 유체는 평막의 다른 일면을 따라 흐르도록 케이스와 유체교환막을 배치한 것일 수 있다. 이러한 구동이 가능하도록 상기 케이스는 내부 공간을 가지며, 그리고 케이스 외부에서 상기 내부 공간으로 유체를 공급하고, 상기 내부 공간에서 케이스 외부로 유체를 배출하도록 두 쌍의 유체유입구 및 유체배출구가 표면에 형성된 구조를 가질 수 있다. 그리고 상기 유체교환막은 그 둘레가 케이스의 내부벽과 접촉하여 케이스의 내부 공간을 이분하되, 이분된 내부 공간 중 어느 하나의 공간은 한 쌍의 유체유입구 및 유체배출구와 연결되고, 이분된 내부 공간 중 다른 하나의 공간은 다른 한 쌍의 유체유입구 및 유체배출구와 연결되도록 상기 케이스 내에 배치될 수 있다.
상기 유체교환막 모듈은, 예를 들면, 가습 모듈, 열교환 모듈, 기체 분리 모듈 또는 수처리 모듈일 수 있다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유체교환막은 표면에 친수성 관능기를 가지는 다공성 멤브레인이다. 만일 유체교환막을 이루는 다공성 멤브레인을 사이에 두고 2종의 유체가 존재한다면, 2종의 유체는 유체교환막을 통하여 유체에 포함되는 특정 유체를 선택적으로 교환할 수 있다. 도 1과 같이 다공성 멤브레인(10)에는 기공(13)이 존재할 수 있다. 또한, 상기 기공은, 예를 들면, 특정 유체를 선택적으로 투과 또는 흡착할 수 있는 것일 수 있다. 본 명세서의 도면에서는 다공성 멤브레인의 구조를 설명하기 위하여 편의상 기공 및 친수성 관능기를 모식적으로 표현하였다. 따라서, 실제 제조된 다공성 멤브레인의 기공 형태, 기공 분포, 기공의 크기와 친수성 관능기의 분포 형태 등은 다양하게 나타날 수 있다.
상기 친수성 관능기(14)는 도 1과 같이 다공성 멤브레인의 표면에 존재할 수 있다. 본 명세서에서 다공성 멤브레인의 표면이란 다공성 멤브레인을 용매에 함침 시켰을 때 용매와 접촉하는 면으로, 다공성 멤브레인이 용매에 함침되었을 때 용매와 접촉하지 않는 부분인 내부와 대비되는 의미이다.
따라서, 상기 친수성 관능기(14)는 도 1과 같이 다공성 멤브레인의 기공의 표면(11a)과 다공성 멤브레인의 외벽(11b)에 존재할 수 있다. 상기 다공성 멤브레인은 그 표면에 친수성 관능기가 존재함으로써 다공성 멤브레인의 양면에서 수분의 분압차에 의한 수분 투과도 이상의 수분 투과도를 가질 수 있다. 하나의 예시에서 표면에 친수성 관능기를 가지는 다공성 멤브레인인 유체교환막은 두께가 50㎛일 때 두께 방향으로의 투습도가 300g/m2h 이상, 310g/m2h 이상 또는 320g/m2h 이상일 수 있다.
상기 투습도는 두께가 50㎛인 다공성 멤브레인 시편에 대하여 ASTM E96/E96M-12의 규정에 따라 측정된 두께 방향으로의 투습도이다. 상기 유체교환막의 투습도의 상한 값은 유체교환막의 기계적 강도가 적절한 수준을 유지한다면 특별히 제한되지 않는다. 유체교환막은, 예를 들면, 상기와 같은 조건에서 1000g/m2h 이하, 800g/m2h 이하, 500g/m2h 이하, 400g/m2h 이하 또는 370 g/m2h 이하의 두께 방향으로의 투습도를 가짐으로써 적절한 수준의 기계적 강도를 유지할 수 있다.
또한, 상기 유체교환막은 다공성 멤브레인의 표면에 친수성 관능기가 분포하도록 형성됨으로써 우수한 기계적 강도도 확보할 수 있다. 만약 다공성 멤브레인의 표면 및 내부에 동등한 수준의 친수성 관능기가 존재한다면, 수분에 의한 팽윤 현상으로 적절한 수준의 기계적 강도를 가지는 유체교환막을 제공할 수 없다. 따라서, 상기 유체교환막은 다공성 멤브레인의 표면에 내부 대비 많은 양의 친수성 관능기가 존재하도록 형성될 수 있다. 즉, 유체교환막의 다공성 멤브레인의 내부에는 표면 대비 미량의 친수성 관능기가 존재하거나 아예 존재하지 않을 수 있다. 그러나, 다공성 멤브레인을 형성하는 재료가 친수성 관능기를 가지는 재료라면, 다공성 멤브레인 내부에도 표면보다는 적지만 친수성 관능기가 상당량 존재할 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체교환막은 다공성 멤브레인 표면에 내부보다 많은 양의 친수성 관능기가 존재하도록 형성함으로써 5MPa 이상, 7MPa 이상 또는 8MPa 이상의 우수한 인장강도를 가질 수 있다. 상기 인장강도는 일정 크기로 재단된 시편의 양쪽을 서로 반대방향으로 잡아당겨 시편의 파단시의 힘을 파단면적으로 나눈 값을 의미하는 것으로, 구체적인 측정 방법은 실시예를 참고할 수 있다. 상기 유체교환막의 인장강도의 상한 값은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 50MPa 이하, 30MPa 이하, 20MPa 이하 또는 15MPa 이하일 수 있다.
상기 유체교환막은 다공성 멤브레인의 내부 대비 표면에 더 많은 양의 친수성 관능기가 존재하도록 하기 위하여, 다공성 멤브레인을 산 처리하여 형성할 수 있다. 구체적인 유체교환막의 제조 방법은 후술하는 내용을 참조할 수 있다.
상기 다공성 멤브레인의 형태는, 예를 들면, 중공사막 형태 또는 평막 형태일 수 있다.
하나의 예시에서 중공사막 형태의 다공성 멤브레인(20)은, 도 2와 같이, 중공사(25) 다발일 수 있다. 상기 유체교환막으로 도 2와 같은 중공사(25) 다발의 다공성 멤브레인(20)을 사용하는 경우 중공사 다발의 다공성 멤브레인에 기공(23)이 존재하며, 중공사(25) 다발의 다공성 멤브레인(20)의 표면에 친수성 관능기(24)가 존재하는 것을 사용할 수 있다. 상기 친수성 관능기(24)는 도 2와 같이 중공사가 용매에 함침된다면 용매와 접촉될 수 있는 면인 중공사의 기공의 표면(21a), 중공사의 외벽(21b) 및 중공사의 내벽(21c)에 존재할 수 있다. 상기 유체교환막이 중공사막 형태인 경우 전술한 투습도는 도 2의 중공사의 외벽(21b)에서 중공사의 내벽(21c) 방향으로의 투습도 또는 중공사의 내벽(21c)에서 중공사의 외벽(21b) 방향으로의 투습도를 의미한다. 또한, 투습도를 측정 조건인 두께는 중공사의 외벽(21b)과 내벽(21c) 사이의 최단 거리를 의미한다. 본 명세서에서는 중공을 원형으로 표현하였으나, 실제 제조된 중공사의 중공의 형상은 원형 외에 다른 형상일 수 있다.
중공사막 형태의 다공성 멤브레인은 중공사의 중공(26)들과 중공사 다발 사이의 공간(27)들 사이에 다공성 멤브레인이 고밀도로 존재하여 고성능의 유체교환막을 제공할 수 있다.
또한, 다른 하나의 예시에서 평막 형태의 다공성 멤브레인(30)은, 도 3과 같이, 평평한 양쪽 표면을 가지는 막일 수 있다. 상기 유체교환막으로 도 3과 같은 평막 형태의 다공성 멤브레인(30)을 사용하는 경우 평막에 기공(33)이 존재하며, 상기 표면(31)에 친수성 관능기(34)가 존재하는 것을 사용할 수 있다. 상기 친수성 관능기(34)는 도 3과 같이 평막이 용매에 함침된다면 용매와 접촉될 수 있는 면인 평막의 기공의 표면(31a) 및 평막의 외벽(31b)에 존재할 수 있다.
상기 다공성 멤브레인은 산 처리로 친수성 관능기를 생성시킬 수 있는 것이라면 당 업계에서 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있다. 그 중에서 산 처리로 친수성 관능기를 생성시키기 위하여 채용될 수 있는 다공성 멤브레인의 재료로는 예를 들면 폴리설폰; 폴리에테르설폰; 폴리페닐렌설폰 등과 같은 폴리아릴렌설폰; 폴리페닐렌에테르설폰 등과 같은 폴리아릴렌에테르설폰; 폴리이미드; 폴리에테르이미드; 폴리아미드이미드; 폴리비닐알코올; 폴리아크릴로니트릴; 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로-디옥사-메틸-옥틴설폰산 공중합체(tetrafluoroethylene-perfluoro-3,6-dioxa-4-methyl-7-octenesulfonic acid copolymer); 이들의 공중합체; 또는 이들의 혼합물 등을 들 수 있다. 상기에서 이들의 공중합체는 선택된 2 이상의 고분자를 합성하기 위하여 사용되는 단량체들을 중합하여 얻어지는 공중합체를 의미하며, 이들의 혼합물은 선택된 2 이상의 고분자가 물리적으로 혼합된 혼합물을 의미한다.
하나의 예시에서 상기 중 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리아릴렌설폰 및 폴리아릴렌에테르설폰 등은 산 처리에 의하여 표면에 친수성 관능기를 용이하게 형성할 수 있어 간편한 공정으로 수분투과능력이 우수한 유체교환막을 제공할 수 있다. 또한, 상기 고분자들의 재료는 저렴하게 구할 수 있어 유체교환막을 경제적으로 대량 생산하기에 적합하다.
상기 다공성 멤브레인의 친수성 관능기는 다공성 멤브레인을 산 처리하여 상기 다공성 멤브레인의 표면에 형성된 것이다. 따라서, 친수성 관능기는 다공성 멤브레인의 재료 및 산에 따라 다양하게 존재할 수 있다. 이러한 친수성 관능기로는, 예를 들면, 설폰산기(-SO3H), 인산기(-O-PO3H2), 히드록시기(-OH), 카르복실기(-COOH), 탄산기(-O-CO2H), 질산기(-O-NO2) 또는 이들의 혼합물 등이 존재할 수 있다.
상기 유체교환막은 상술한 구조 외에 당 업계에서 통상적으로 채용하는 구조로 응용될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유체교환막의 제조 방법은 다공성 멤브레인을 산성 용액에 침지시키는 단계를 포함한다.
만일 고분자를 산 처리하고, 산 처리된 고분자로 다공성 멤브레인을 제조하여 상기 방법을 채용하지 않는 경우에는 다공성 멤브레인의 표면 및 내부에 동등한 수준으로 친수성 관능기가 생성된다. 그 결과, 수분에 의한 멤브레인의 팽윤 현상으로 기계적 강도가 저하된 유체교환막이 제공된다.
따라서, 상기 유체교환막의 제조 방법은 다공성 멤브레인을 형성한 다음 그 다공성 멤브레인을 산성 용액에 침지시키는 방법을 채용함으로써 내부 대비 표면에 많은 양의 친수성 관능기가 형성된 유체교환막을 제공할 수 있다. 이러한 유체교환막은 우수한 수분투과도 및 기계적 강도를 나타낼 수 있다.
그러므로 상기 유체교환막의 제조 방법은 상기 단계 이전에 다공성 멤브레인을 제공하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
하나의 예시에서 상기 다공성 멤브레인의 제공은 시중에 유통되고 있는 상품을 구입하여 수행할 수 있다. 이와 같이 다공성 멤브레인으로 시중에 유통되고 있는 것을 사용하였다면, 상기 유체교환막의 제조 방법은 다공성 멤브레인의 제조 방법과 분리된 별도의 공정으로 진행될 수 있다.
또한, 다른 예시에서 상기 다공성 멤브레인의 제공은 당 업계에 알려진 방식에 의하여 다공성 멤브레인을 제조하여 수행할 수 있다. 이와 같이 다공성 멤브레인을 제조하여 사용하는 경우 기존의 다공성 멤브레인의 제조 공정 장치에 다공성 멤브레인을 산성 용액에 침지시킬 수 있는 장치를 추가하여 상기 유체교환막의 제조 방법을 다공성 멤브레인의 제조 방법과 일체화하여 진행할 수 있다.
상기 유체교환막의 제조 방법은 기존의 중공사막 또는 평막 등의 다공성 멤브레인을 이용하거나, 또는 기존의 중공사막 또는 평막 등의 다공성 멤브레인의 제조 장치를 활용하여 우수한 성능의 유체교환막을 제조할 수 있으므로, 기존 기술과의 융합이 용이한 장점이 있다.
다공성 멤브레인을 산성 용액에 침지시키는 경우 다공성 멤브레인 표면에는 친수성 관능기가 생성된다. 본 출원인은 다공성 멤브레인을 이루고 있는 고분자의 말단이 산과 반응하여 상기 친수성 관능기가 생성된 것으로 예상하고 있다.
상기 다공성 멤브레인을 산성 용액에 침지시키는 단계의 공정 조건은 다공성 멤브레인의 종류, 산성 용액의 종류 및 농도 등에 따라 제어될 수 있다.
하나의 예시에서 다공성 멤브레인을 산성 용액에 침지시키는 단계는 30 내지 100℃, 50 내지 100℃ 또는 70 내지 100℃의 온도 하에서 수행될 수 있다. 상기 온도 범위에서 다공성 멤브레인의 물성에 영향을 미치지 않으면서 다공성 멤브레인의 표면에 적절한 양의 친수성 관능기를 생성시킬 수 있다. 그리고 다공성 멤브레인은, 예를 들면, 산성 용액에 0.5 내지 100 시간, 0.5 내지 50 시간, 0.5 내지 20 시간, 0.5 내지 10 시간, 0.5 내지 5 시간 또는 1 내지 3 시간 동안 침지될 수 있다. 다공성 멤브레인을 산성 용액에 침지시키는 시간은 상기 범위 내에서 공정 온도에 따라 적절하게 제어될 수 있다. 그 결과 다공성 멤브레인의 물성 저하 없이 표면에 친수성 관능기가 생성된 유체교환막을 제공할 수 있다.
상기에서 산성 용액은 다공성 멤브레인의 물성에 영향을 주지 않으면서 다공성 멤브레인을 이루는 고분자에 친수성 관능기를 생성시킬 수 있는 정도의 적절한 농도로 제조될 수 있다. 하나의 예시에서 산성 용액의 농도는 0.1 내지 10M(몰농도) 또는 0.1 내지 7M 정도로 제어되어 우수한 성능의 유체교환막을 제공할 수 있다.
상기 산성 용액으로는 통상적으로 사용 가능한 산성 용액이 제한 없이 사용될 수 있다. 이러한 산성 용액의 예로는 황산, 클로로황산, 염산, 질산, 인산 또는 이들의 혼합물 등을 들 수 있다.
상기 유체교환막의 제조 방법은 다공성 멤브레인을 산성 용액에 침지시키는 단계 이후에 산성 용액으로부터 표면에 친수성 관능기를 가지는 다공성 멤브레인을 건져 건조시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 표면에 친수성 관능기를 가지는 다공성 멤브레인을 건조시키는 온도 및 시간은 사용된 산성 용액 및 기타 용매의 비점을 고려하여 적절하게 제어될 수 있다.
상기 유체교환막의 제조 방법은 전술한 단계 외에 당 업계에서 통상적으로 수행하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 유체교환막 모듈은 케이스 및 상기 케이스에 내장되는 상기 유체교환막을 포함한다.
상기 유체교환막 모듈은 적어도 2종의 유체 사이에 존재하는 유체교환막을 통하여 2종의 유체가 수분 또는 열 등이 유체를 교환하도록 구동되는 장치이다. 따라서, 상기 케이스에는 적어도 두 쌍의 유체유입구와 유체배출구가 형성될 수 있다. 또한, 상기 유체교환막은 2종의 유체가 직접적으로 접촉되지 않도록 상기 케이스 내에 배치될 수 있다. 즉, 유체교환막 모듈의 구동상태에서 어느 한 쌍의 유체유입구와 유체배출구 사이를 흐르는 제 1 유체가 다른 한 쌍의 유체유입구와 유체배출구 사이를 흐르는 제 2 유체와 직접적으로 접촉하지 않도록 유체교환막을 케이스 내에 배치할 수 있다. 본 명세서에서 제 1 유체와 제 2 유체가 직접적으로 접촉되지 않는다는 것은 제 1 유체와 제 2 유체가 완전히 분리된 상태를 의미하는 것이 아니라 제 1 유체와 제 2 유체 사이에 다공성 멤브레인이 존재하여 제 1 유체와 제 2 유체가 자유롭게 혼화될 수 없는 상태를 의미한다.
유체교환막 모듈을 구성하는 구조는 유체교환막의 형태에 따라 제어될 수 있다.
하나의 예시에서 유체교환막이 도 2와 같은 중공사막 형태의 다공성 멤브레인으로 형성된 것이라면 2종의 유체 중 어느 하나의 유체는 중공사의 중공을 통과하고, 다른 하나의 유체는 중공사 다발 사이를 통과하도록 유체교환막 모듈을 구성할 수 있다.
이러한 유체교환막 모듈(40)은 도 4와 같이 유체유입구(45a)가 형성되어 있는 유입케이스(41), 유체배출구(45b)가 형성되어 있는 배출케이스(42) 및 유체유입구(46a)와 유체배출구(46b)가 형성되어 있는 연결케이스(43)를 포함하며, 상기 유입케이스(41) 및 배출케이스(42)를 연결케이스(43)로 연결한 구조를 가지는 케이스를 포함할 수 있다. 또한, 유체교환막 모듈(40)은 유체교환막(44)을 중공사 다발의 길이방향(P)의 어느 한쪽 말단이 유입케이스(41) 측에 위치하고, 다른 한쪽 말단이 배출케이스(42) 측에 위치하도록 배치한 구조를 가질 수 있다.
상기에서 연결케이스(43)는 도 4와 같이 중공사 다발을 고정할 수 있도록 연결케이스(43)의 양쪽 말단에 포팅부(47)를 더 포함할 수 있다. 상기 포팅부(47)는 중공사 다발들을 결속하면서 상기 중공사 다발들 사이의 공극을 메워 중공사 다발들 사이를 지나가는 유체가 중공으로 들어가지 못하도록 한다. 상기 포팅부(47)의 재료는 통상적으로 사용하는 것을 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 유체교환막 모듈(40)의 구조는 상기 구조에 제한되는 것은 아니며, 중공사막 형태의 다공성 멤브레인을 이용하는 모듈에 채용되는 구조가 적절하게 응용될 수 있다.
다른 예시에서 유체교환막이 도 3과 같은 평막 형태의 다공성 멤브레인으로 형성된 것이라면 2종의 유체 사이에 평막이 존재하여 2종의 유체가 평막의 마주보는 면을 따라 흐르도록 유체교환막 모듈을 구성할 수 있다.
이러한 유체교환막 모듈(50)은 도 5와 같이 내부 공간(55)을 가지며, 케이스(51) 외부에서 상기 내부 공간(55)으로 유체를 공급하고, 상기 내부 공간(55)에서 케이스(51) 외부로 유체를 배출하도록 두 쌍의 유체유입구(53a, 54a) 및 유체배출구(53b, 54b)가 표면에 형성된 구조를 가지는 케이스(51)를 포함할 수 있다. 또한, 유체교환막 모듈(50)은 도 5와 같이 평막(52)의 둘레가 케이스(51)의 내부벽과 접촉하여 케이스의 내부 공간(55)을 이분하도록 배치된 유체교환막(52)을 포함할 수 있다. 이때, 유체교환막(52)은 이분된 내부 공간 중 어느 하나의 공간(55a)이 한 쌍의 유체유입구(53a) 및 유체배출구(53b)와 연결되고, 이분된 내부 공간 중 다른 하나의 공간(55b)이 다른 한 쌍의 유체유입구(54a) 및 유체배출구(54b)와 연결되도록 상기 케이스 내에 배치될 수 있다. 그 결과 2종의 유체가 유체교환막(52)으로 인하여 직접적으로 접촉되는 것을 방지하고, 2종의 유체 사이의 수분 등의 유체 교환이 가능하도록 유체교환막 모듈(50)을 구성할 수 있다. 또한, 상기 평막 형태의 유체교환막(52)은 주름을 포함할 수 있는데, 즉 상기 평막(52)을 접어서 줄이 지게 하여 상기 평막(52)과 유체의 접촉 면적을 증가시킬 수 있다. 본 명세서에서 용어 이분은 하나의 공간을 두 공간으로 가르는 의미를 가지는 용어로 두 공간의 크기 또는 면적 등이 동일할 것을 요구하지 않으며, 용어 이등분과 구별되는 용어이다.
상기 평막 형태의 다공성 멤브레인으로 형성된 유체교환막을 포함하는 유체교환막 모듈의 경우에도 그 구조가 상기 구조에 한정되는 것은 아니며, 평막 형태의 다공성 멤브레인을 이용하는 모듈에 채용되는 구조들이 응용될 수 있다.
상기 유체교환막 모듈은 2종 이상의 유체 사이의 우수한 수분 등의 유체교환성능을 가지므로, 다양한 분야에 응용이 가능하다. 유체교환막 모듈은, 예를 들면, 가습 모듈, 열교환 모듈, 기체 분리 모듈 또는 수처리 모듈 등으로 이용될 수 있다.
하나의 예시에서 유체교환막 모듈이 연료 전지의 가습 모듈로 적용될 수 있다. 유체교환막 모듈은 당 업계에 알려진 방식을 채용하여 연료 전지의 가습 모듈로 적용할 수 있다. 또한, 연료 전지의 용량에 따라 유체교환막 모듈의 구조를 적절하게 제어할 수 있다. 예를 들어, 고집적화가 요구되는 100kW 이상의 고용량의 연료 전지 시스템에는 중공사막 형태의 다공성 멤브레인이 적용된 모듈이 사용될 수 있다.
예시적인 유체교환막은 우수한 기계적 강도 및 우수한 수분 투과 성능을 가져 고성능의 유체교환막 모듈을 제공할 수 있다. 이러한 유체교환막 모듈은 연료전지 또는 공기조화기 등의 다양한 장치에 적용되어 장치의 성능을 향상시키고, 장치를 소형화 및 경량화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 멤브레인의 일부분을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 중공사막 형태의 다공성 멤브레인의 일부분을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 평막 형태의 다공성 멤브레인의 일부분을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유체교환막 모듈을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시형태에 따른 유체교환막 모듈을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[ 제조예 : 유체교환막의 제조]
( 비교예 1)
폴리설폰 수지 20 중량%, 기공형성 첨가제 10 중량% 그리고 70 중량%의 용매(dimethylacetamide; DMAC)를 반응 용기에 투입하고 70℃의 온도에서 6 시간 동안 교반하여 중공사막을 제조하기 위한 도프를 준비하였다. 또한, 건습식 방사를 위한 코어 응고액으로는 물과 DMAC를 각각 50 중량% 혼합하여 준비하였다. 상기의 도프와 응고액을 2중 관형 노즐에 주입하여 폴리설폰 중공사(외경 900㎛, 내경 800㎛)를 제조하였으며 8,000 개를 하나의 다발로 하는 중공사막 형태의 유체교환막을 제조하였다.
( 비교예 2)
5M(몰농도)의 황산 용액에 비교예 1에서 사용된 것과 동일한 폴리설폰 수지를 80℃ 에서 5 시간 동안 교반한 후 건조하여 황산 관능기를 도입한 수지를 얻었다. 비교에 1에서 폴리설폰 수지 대신 상기 황산 관능기를 도입한 수지를 사용한 것을 제외하고 비교예 1과 동일한 방법으로 유체교환막을 제조하였다.
( 실시예 1)
비교예 1의 유체교환막을 0.5M의 황산 용액에 2 시간 동안 침지시켰다. 이때 산성 용액의 온도는 80℃로 유지하였다. 이어서 산성 용액에서 상기 막을 건져내서 증류수로 세척(washing)한 후, 80℃의 온도하에서 건조하여 유체교환막을 제조하였다.
( 실시예 2)
실시예 1에서 산성 용액으로 5M의 황산 용액을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 유체교환막을 제조하였다.
[ 실험예 : 유체교환막의 물성 측정]
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 유체교환막에 대하여 물성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1 비교예 2 실시예 1 실시예 2
투습도(1)
(단위: g/m2h)		 250 380 330 360
인장강도(2)
(단위: MPa)		 10 3 10 9
가습성능(3)
(단위: ℃)		 55 62 60 61
(1) 투습도 시험: 중공사의 중공과 중공사의 외벽 사이의 두께 50㎛의 멤브레인에 대하여 ASTM E96/E96M-12에 따라 중공사의 두께 방향으로의 투습도를 측정하였다.
(2) 기계적 강도 시험: 100mm의 길이로 중공사 다발을 절단한 후, UTM 장비를 이용하여 중공사 다발의 길이방향의 양쪽 말단을 서로 반대방향으로 잡아당겼다. 중공사 다발의 파단시의 작용한 힘을 측정한 후 그 힘을 파단면적으로 나누어 인장강도로 규정하였다.
(3) 가습성능 시험: 중공사 다발의 중공과 중공사 다발 사이의 공간에 각각 50g/sec의 건조공기를 유입하고 중공사 다발의 외부는 온도 70℃ 및 습도 90% 로 고정하고, 중공사 다발의 중공은 온도 40℃ 및 습도 10%로 고정하여 기체-기체 가습을 실시하였다. 가습 성능은 상기 중공사의 중공을 통하여 흐르는 공기가 가습 되어 나오는 지점의 온도와 습도를 측정하여 노점(Dew Point)으로 환산한 값으로 규정하였다.
실시예 1 및 2의 유체교환막은 비교예 1 대비 우수한 투습도 및 가습성능을 나타내었다. 그러나, 유체교환막을 제조하는 수지를 산 처리한 비교예 2의 경우 비교예 1 대비 우수한 투습도를 나타내기는 하였으나, 수분에 의한 팽윤 현상으로 비교예 1 대비 매우 열악한 인장강도를 나타내었다. 이에 반해, 실시예 1 및 2의 유체교환막은 향상된 수분 투과 성능에도 불구하고, 비교예 1과 같은 수준의 인장강도를 유지하는 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10 다공성 멤브레인
11 다공성 멤브레인의 표면
11a 다공성 멤브레인의 기공의 표면
11b 다공성 멤브레인의 외벽
12 다공성 멤브레인의 내부
13 기공
14 친수성 관능기
20 중공사막 형태의 다공성 멤브레인
21 중공사막 형태의 다공성 멤브레인의 표면
21a 중공사막 형태의 다공성 멤브레인의 기공의 표면
21b 중공사막 형태의 다공성 멤브레인의 외벽
21c 중공사막 형태의 다공성 멤브레인의 내벽
22 중공사막 형태의 다공성 멤브레인의 내부
23 기공
24 친수성 관능기
25 중공사
26 중공
27 중공사 다발 사이의 공간
30 평막 형태의 다공성 멤브레인
31 평막 형태의 다공성 멤브레인의 표면
31a 평막 형태의 다공성 멤브레인의 기공의 표면
31b 평막 형태의 다공성 멤브레인의 외벽
32 평막 형태의 다공성 멤브레인의 내부
33 기공
34 친수성 관능기
40 유체교환막 모듈
41 유입케이스
42 배출케이스
43 연결케이스
44 유체교환막
45a 유체유입구
45b 유체배출구
46a 유체유입구
46b 유체배출구
47 포팅부
50 유체교환막 모듈
51 케이스
52 유체교환막
53a 유체유입구
53b 유체배출구
54a 유체유입구
54b 유체배출구
55 내부공간
55a 이분된 내부공간 중 어느 하나의 공간
55b 이분된 내부공간 중 다른 하나의 공간

Claims (17)

  1. 표면에 친수성 관능기를 가지는 다공성 멤브레인이며, 두께가 50㎛일 때 두께 방향으로의 투습도가 300 내지 1000 g/m2h이고, 인장강도가 5 내지 50 MPa인 유체교환막.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 멤브레인은 중공사막 형태 또는 평막 형태인 유체교환막.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 멤브레인은 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리아릴렌설폰, 폴리아릴렌에테르설폰, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리아미드이미드, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로-디옥사-메틸-옥틴설폰산 공중합체, 이들의 공중합체 또는 이들의 혼합물로 이루어는 것인 유체교환막.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 친수성 관능기는 설폰산기, 인산기, 히드록시기, 카르복실기, 탄산기, 질산기 또는 이들의 혼합물인 유체교환막.
  5. 다공성 멤브레인을 산성 용액에 침지시키는 단계를 포함하는 유체교환막의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제조 방법은 상기 단계 이전에 다공성 멤브레인을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 유체교환막의 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 단계는 30 내지 100℃의 온도 하에서 수행하는 유체교환막의 제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 단계는 다공성 멤브레인을 산성 용액에 0.5 내지 100 시간 동안 침지시키는 것을 포함하는 유체교환막의 제조 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 단계는 다공성 멤브레인을 0.1 내지 10 몰농도의 산성 용액에 침지시키는 것을 포함하는 유체교환막의 제조 방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 산성 용액으로 황산, 클로로황산, 염산, 질산, 인산 또는 이들의 혼합물을 사용하는 유체교환막의 제조 방법.
  11. 적어도 두 쌍의 유체유입구와 유체배출구가 형성되어 있는 케이스; 및 상기 케이스에 내장되며, 구동상태에서 어느 한 쌍의 유체유입구와 유체배출구 사이를 흐르는 제 1 유체가 다른 한 쌍의 유체유입구와 유체배출구 사이를 흐르는 제 2 유체와 직접적으로 접촉하지 않도록 배치된 제 1 항에 따른 유체교환막을 포함하는 유체교환막 모듈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 유체교환막은 중공사막 형태이고, 상기 제 1 유체는 중공사막의 중공을 통하여 흐르고, 제 2 유체는 중공사막의 중공사 다발 사이를 통하여 흐르도록 케이스와 유체교환막을 배치한 유체교환막 모듈.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 케이스는 유체유입구가 형성되어 있는 유입케이스, 유체배출구가 형성되어 있는 배출케이스 및 유체유입구와 유체배출구가 형성되어 있는 연결케이스를 포함하며, 상기 케이스는 상기 유입케이스 및 배출케이스를 연결케이스로 연결한 구조를 가지고, 상기 유체교환막을 중공사 다발의 길이방향의 어느 한쪽 말단이 유입케이스 측에 위치하고, 다른 한쪽 말단이 배출케이스 측에 위치하도록 상기 케이스 내에 배치한 유체교환막 모듈.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 연결케이스의 양쪽 말단에 중공사 다발을 고정하는 포팅부를 포함하는 유체교환막 모듈.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 유체교환막은 평막 형태이고, 상기 제 1 유체는 평막의 일면을 따라 흐르고, 상기 제 2 유체는 평막의 다른 일면을 따라 흐르도록 케이스와 유체교환막을 배치한 유체교환막 모듈.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 케이스는 내부 공간을 가지며, 그리고 케이스 외부에서 상기 내부 공간으로 유체를 공급하고, 상기 내부 공간에서 케이스 외부로 유체를 배출하도록 두 쌍의 유체유입구 및 유체배출구가 표면에 형성된 구조를 가지며,
    상기 유체교환막은 그 둘레가 케이스의 내부벽과 접촉하여 케이스의 내부 공간을 이분하되, 이분된 내부 공간 중 어느 하나의 공간은 한 쌍의 유체유입구 및 유체배출구와 연결되고, 이분된 내부 공간 중 다른 하나의 공간은 다른 한 쌍의 유체유입구 및 유체배출구와 연결되도록 상기 케이스 내에 배치되는 유체교환막 모듈.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 유체교환막 모듈은 가습 모듈, 열교환 모듈, 기체 분리 모듈 또는 수처리 모듈인 유체교환막 모듈.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190057591A (ko) * 2017-11-20 2019-05-29 롯데케미칼 주식회사 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법 및 레독스 흐름 전지용 복합 분리막
CN117430215A (zh) * 2023-12-22 2024-01-23 杭州水处理技术研究开发中心有限公司 一种电絮凝处理污废水装置及应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007002099A (ja) * 2005-06-23 2007-01-11 Toyobo Co Ltd 透湿材料
JP2007234314A (ja) * 2006-02-28 2007-09-13 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
KR20090013304A (ko) 2007-08-01 2009-02-05 주식회사 코오롱 중공사막 및 그 제조방법
KR20100131631A (ko) * 2009-06-08 2010-12-16 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 가습기

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007002099A (ja) * 2005-06-23 2007-01-11 Toyobo Co Ltd 透湿材料
JP2007234314A (ja) * 2006-02-28 2007-09-13 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
KR20090013304A (ko) 2007-08-01 2009-02-05 주식회사 코오롱 중공사막 및 그 제조방법
KR20100131631A (ko) * 2009-06-08 2010-12-16 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 가습기

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190057591A (ko) * 2017-11-20 2019-05-29 롯데케미칼 주식회사 레독스 흐름 전지용 복합 분리막의 제조 방법 및 레독스 흐름 전지용 복합 분리막
CN117430215A (zh) * 2023-12-22 2024-01-23 杭州水处理技术研究开发中心有限公司 一种电絮凝处理污废水装置及应用
CN117430215B (zh) * 2023-12-22 2024-04-02 杭州水处理技术研究开发中心有限公司 一种电絮凝处理污废水装置及应用

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