KR20170112724A - 강화막의 제조방법 및 적층체 - Google Patents

강화막의 제조방법 및 적층체 Download PDF

Info

Publication number
KR20170112724A
KR20170112724A KR1020160040225A KR20160040225A KR20170112724A KR 20170112724 A KR20170112724 A KR 20170112724A KR 1020160040225 A KR1020160040225 A KR 1020160040225A KR 20160040225 A KR20160040225 A KR 20160040225A KR 20170112724 A KR20170112724 A KR 20170112724A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
porous support
diffusion film
solution
solvent
polymer
Prior art date
Application number
KR1020160040225A
Other languages
English (en)
Inventor
민민규
김지헌
박영선
최성호
김도영
배인성
이문찬
김혁
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020160040225A priority Critical patent/KR20170112724A/ko
Publication of KR20170112724A publication Critical patent/KR20170112724A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
    • B32B37/14—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the properties of the layers
    • B32B37/16—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the properties of the layers with all layers existing as coherent layers before laminating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/06—Layered products comprising a layer of synthetic resin as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B27/065—Layered products comprising a layer of synthetic resin as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of foam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B38/00—Ancillary operations in connection with laminating processes
    • B32B38/08—Impregnating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B38/00—Ancillary operations in connection with laminating processes
    • B32B38/16—Drying; Softening; Cleaning
    • B32B38/164—Drying
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B43/00—Operations specially adapted for layered products and not otherwise provided for, e.g. repairing; Apparatus therefor
    • B32B43/006—Delaminating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/18—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by features of a layer of foamed material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2305/00—Condition, form or state of the layers or laminate
    • B32B2305/02—Cellular or porous
    • B32B2305/026—Porous
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2457/00—Electrical equipment
    • B32B2457/10—Batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2457/00—Electrical equipment
    • B32B2457/18—Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 명세서는 강화막의 제조방법 및 강화막을 제조하기 위한 적층체에 관한 것이다.

Description

강화막의 제조방법 및 적층체{METHOD FOR MANUFACTURING REINFORCED MEMBRANE AND LAMINATE}
본 명세서는 강화막의 제조방법 및 강화막을 제조하기 위한 적층체에 관한 것이다.
강화막(reinforced membrane)은 전지, 센서 등과 같이 이온교환능이 필요한 분야에 사용되며, 구체적으로, 상기 강화막은 연료전지, 화학센서, 플로우 배터리 등의 이온교환막으로 사용되고 있다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 필요성이 높아지고 있으며, 대체에너지의 하나로서 연료전지, 금속 이차 전지, 플로우 배터리 등에 대한 관심이 집중되고 있다.
이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며 사용되는 연료가 풍부하여 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 함께, 연료전지의 고분자 전해질막으로 구비된 강화막에 대한 연구도 필요하다.
금속 이차 전지는 충방전의 효율을 높이는 연구가 진행되고 있으며, 특히 연료전지의 공기극을 접목하여 금속 공기 이차 전지에 대한 연구도 진행중이다. 이에 따라, 금속 이차 전지의 전해질막으로 구비된 강화막에 관심도 높아지고 있다.
플로우 배터리는 에너지가 저장되는 전해질을 순환시키면서 충전과 방전이 이루어지는 이차전지이며, 플로우의 전해질막으로 구비되는 강화막과 함께 플로우 배터리에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.
대한민국 특허공개 제 2003-0045324 호 (2003.06.11 공개)
본 명세서는 강화막의 제조방법 및 강화막을 제조하기 위한 적층체를 제공하고자 한다.
본 명세서는 다공성 지지체를 준비하는 단계; 상기 다공성 지지체에 전해질 고분자 및 용매를 포함하는 용액을 함침하는 단계; 상기 용액이 함침된 다공성 지지체의 일면에 확산필름을 적층하는 단계; 상기 확산필름의 표면을 가압하는 단계; 상기 확산필름이 구비된 다공성 지지체를 건조하는 단계; 및 상기 확산필름을 제거하는 단계를 포함하는 강화막의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 명세서는 다공성 지지체; 상기 다공성 지지체 내에 구비된 전해질 고분자 및 용매를 포함하는 용액; 및 상기 다공성 지지체 상에 구비된 확산필름을 포함하는 것인 적층체를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태의 강화막의 제조방법에 따르면, 다공성 지지체로부터 함침된 용액이 디웨팅(dewetting)되는 현상을 줄일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태의 강화막의 제조방법을 통해 다공성 지지체 내부에 고르게 함침된 강화막을 제조할 수 있다.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 연료전지용 막 전극 접합체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 연료전지의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.
본 명세서는 다공성 지지체를 준비하는 단계; 상기 다공성 지지체에 전해질 고분자 및 용매를 포함하는 용액을 함침하는 단계; 상기 용액이 함침된 다공성 지지체의 일면에 확산필름을 적층하는 단계; 상기 확산필름의 표면을 가압하는 단계; 상기 확산필름이 구비된 다공성 지지체를 건조하는 단계; 및 상기 확산필름을 제거하는 단계를 포함하는 강화막의 제조방법을 제공한다.
상기 강화막의 제조방법은 다공성 지지체를 준비하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 다공성 지지체를 준비하는 단계는 상기 다공성 지지체를 제조하거나, 제조된 다공성 지지체를 구입하여 준비하는 단계일 수 있다.
상기 다공성 지지체는 다수의 기공이 구비되어 있다면 다공성 지지체의 구조 및 재질은 특별히 한정되지 않으며, 당 기술분야에서 일반적으로 사용하는 것을 이용할 수 있다.
상기 강화막의 제조방법은 상기 다공성 지지체에 전해질 고분자 및 용매를 포함하는 용액을 함침하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 다공성 지지체에 용액을 함침하는 방법은 특별히 한정하지 않으며, 다공성 지지체를 용액이 담긴 욕조에 넣거나, 다공성 지지체의 일면 또는 양면에 용액을 도포한 후 다공성 지지체의 기공 내로 용액이 침투하도록 가압할 수 있다.
상기 전해질 고분자는 이온 교환을 할 수 있는 물질이라면 특별히 한정하지 않으며, 당 기술분야에서 일반적으로 사용하는 것을 이용할 수 있다.
상기 전해질 고분자는 탄화수소계 고분자, 부분불소계 고분자 또는 불소계 고분자일 수 있다.
상기 탄화수소계 고분자는 플루오린기가 없는 탄화수소계 술폰화(sulfonated) 고분자일 수 있으며, 반대로 불소계 고분자는 플루오린기로 포화된 술폰화(sulfonated) 고분자일 수 있고, 상기 부분불소계 고분자는 플루오린기로 포화되지 않은 술폰화(sulfonated) 고분자일 수 있다.
상기 전해질 고분자는 퍼플루오르술폰산계 고분자, 탄화수소계 고분자, 방향족 술폰계 고분자, 방향족 케톤계 고분자, 폴리벤즈이미다졸계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리비닐리덴 플루오라이드계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리페닐렌옥사이드계 고분자, 폴리포스파젠계 고분자, 폴리에틸렌나프탈레이트계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 도핑된 폴리벤즈이미다졸계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리피롤계 고분자 및 폴리아닐린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 고분자일 수 있다. 상기 고분자는 술폰화(sulfonated)하여 사용될 수 있으며, 단일 공중합체, 교대 공중합체, 랜덤 공중합체, 블록 공중합체, 멀티블록 공중합체 또는 그라프트 공중합체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전해질 고분자는 양이온 전도성을 가지는 고분자일 수 있으며, 예를 들면, 퍼플루오르술폰산계 고분자, 술폰화 폴리에테르에테르케톤 (sPEEK, Sulfonated Polyetheretherketone), 술폰화 폴리에테르케톤 (sPEK, sulfonated (polyetherketone)), 폴리비닐리덴 플로라이드-그라프트-폴리스티렌 술폰산 (poly (vinylidene fluoride)-graft-poly(styrene sulfonic acid), PVDF-g-PSSA) 및 술폰화 폴리플루로레닐 에테르케톤 (Sulfonated poly (fluorenyl ether ketone)) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 용액의 용매는 상기 전해질 고분자를 용해할 수 있고, 상기 확산필름에 사용되는 고분자와 친화도를 가져 확산필름으로 용액의 용매가 확산될 수 있다면 특별히 한정하지 않는다. 예를 들면, 상기 용액의 용매는 디메틸술폭시드(DMSO, dimethyl sulfoxide), 디메틸아세트아미드(DMAc, dimethylacetamide), 디메틸포름아미드(DMF, dimethylformamide), 메틸피롤리돈(NMP, N-methylpyrrolidone), 에탄올, 프로판올, IPA(isopropyl alcohol) 및 물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 용액의 총 중량을 기준으로, 상기 전해질 고분자의 함량은 3중량% 이상 30중량% 이하일 수 있다.
상기 용액의 총 중량을 기준으로, 상기 용매의 함량은 70중량% 이상 97중량% 이하일 수 있다. 이 경우 막 제조에 적합한 점도를 갖는 장점이 있다.
상기 용액은 필요에 따라 무기 입자 및 스캐빈저 등을 더 포함할 수 있다. 상기 무기 입자는 기능성을 부여할 수 있다면 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면 SiO2 입자, CeO2 입자, TiO2 입자, Pt 입자 및 백금이 담지된 탄소 입자(Pt/C) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 용액의 점도는 1cP 이상 500cP 이하일 수 있다. 이 경우 지지체 내 기공에 원활히 함침될 수 있는 장점이 있다.
상기 강화막의 제조방법은 상기 용액이 함침된 다공성 지지체의 일면에 확산필름을 적층하는 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 확산필름을 적층하는 단계는 상기 용액이 함침된 다공성 지지체를 지지대 상에 놓고 지지대와 접하는 다공성 지지체의 면의 반대면에 확산필름을 적층하는 단계일 수 있다.
상기 확산필름은 상기 용액 중 용매를 흡수할 수 있는 필름일 수 있다. 다시 말하면, 다공성 지지체에 함침된 용액 중 용매가 확산필름으로 확산될 수 있는 필름일 수 있다.
상기 확산필름은 폴리카보네이트(PC, Polycarbonate), 폴리스티렌(PS, Polystyrene), 폴리염화비닐(PVC, polyvinyl chloride) 및 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE, Ethylene TetrafluoroEthylene) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 강화막의 제조방법은 상기 확산필름의 표면을 가압하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 확산필름의 표면을 가압하는 방법은 특별히 한정하지 않으나, 상기 확산필름의 표면을 가압롤로 가압할 수 있다.
상기 확산필름의 표면을 가압하는 단계는 상기 확산필름의 표면을 가압하여 상기 용액이 함침된 다공성 지지체의 두께를 조절하는 단계일 수 있다.
상기 확산필름의 표면을 가압하는 단계는 상기 용액이 함침된 다공성 지지체의 두께를 조절하고, 다공성 지지체에 함침된 용액으로부터 용매가 확산필름으로 확산되도록 유도하는 단계일 수 있다.
상기 강화막의 제조방법은 상기 확산필름이 구비된 다공성 지지체를 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 확산필름이 구비된 다공성 지지체를 건조하는 단계는 상기 용액이 함침된 다공성 지지체로부터 용매가 확산필름으로 확산되어 확산필름의 표면으로부터 용매가 기화됨으로써, 상기 다공성 지지체를 건조하는 단계일 수 있다. 이때, 상기 확산필름과 용매가 서로 친화도가 없어 확산필름으로 용매가 확산되지 않는다면, 상기 건조단계에 의해서 다공성 지지체에 함침된 용액 내의 용매가 전혀 제거되지 않거나 완전히 제거되지 않아 확산필름이 제거된 후 다공성 지지체로부터 디웨팅(dewetting)이 일어날 수 있다.
상기 건조단계의 건조온도는 30℃ 이상 150℃ 이하일 수 있다.
상기 건조단계의 건조시간은 30분 이상 24시간 이하일 수 있다.
일반적으로 다공성 지지체와 다공성 지지체에 함침되는 고분자 용액의 친밀도(affinity)가 떨어지는 재료를 사용할 경우 도 4에 도시된 바와 같이 다공성 지지체에 용액이 잘 스며들지 못하거나, 다공성 지지체의 반발력에 의해 디웨팅이 발생할 수 있다.
한편, 본 명세서의 강화막의 제조방법에 따르면, 고분자 용액의 용매와 친화도 또는 용해도가 있는 확산필름을 사용하는 경우 확산필름에 의해서 디웨팅을 억제하면서 확산필름의 표면에서 확산필름으로 확산된 고분자 용액의 용매를 건조할 수 있어 전해질 고분자, 용매 및 다공성 지지체의 종류에 상관없이 다공성 지지체의 기공 내에 고르게 전해질 고분자가 함침된 좋은 품질의 막을 제조할 수 있다.
상기 강화막의 제조방법은 상기 확산필름을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 확산필름을 제거하는 방법은 특별히 한정하지 않으나, 물리적으로 확산필름을 강화막으로부터 쉽게 떼어낼 수 있다.
상기 강화막의 제조방법은 상기 강화막을 산처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 산처리 단계는 상기 강화막에 이온교환기를 부여하거나 활성화하는 단계일 수 있다.
상기 산처리 단계는 상기 강화막을 황산으로 산처리하는 단계; 세척하는 단계; 및 산처리된 강화막을 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 산처리 단계에서 강화막에 부여된 이온교환기는 술폰산기일 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 명세서는 전해질 고분자 및 용매를 포함하는 용액이 함침된 다공성 지지체(100)의 일면에 확산필름(200)을 적층하고 상기 확산필름의 표면을 가압롤(300)로 가압한 후, 상기 확산필름이 구비된 다공성 지지체를 건조한 뒤 확산필름을 제거여 강화막(400)을 제조할 수 있다.
본 명세서는 다공성 지지체; 상기 다공성 지지체 내에 구비된 전해질 고분자 및 용매를 포함하는 용액; 및 상기 다공성 지지체 상에 구비된 확산필름을 포함하는 것인 적층체를 제공한다.
상기 적층체는 강화막의 제조방법에 대하여 상술한 바를 인용할 수 있다.
상기 다공성 지지체는 다수의 기공이 구비되어 있다면 다공성 지지체의 구조 및 재질은 특별히 한정되지 않으며, 당 기술분야에서 일반적으로 사용하는 것을 이용할 수 있다. 예를 들면, 상기 다공성 지지체는 폴리 이미드(Polyimide:PI), 나일론, 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephtalate:PET), 폴리테트라플루오로 에틸렌(polytetrafluoro ethylene:PTFE), 폴리에틸렌(Polyethylene:PE), 폴리프로필렌(polypropylene:PP), 폴리아릴렌에테르 술폰(Poly(arylene ether sulfone):PAES) 및 폴리에테르에테르케톤(Polyetheretherketone:PEEK) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 다공성 지지체의 기공의 개별직경은 1nm 이상 50㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 다공성 지지체의 기공의 개별직경은 10nm 이상 1㎛ 이하일 수 있으며, 바람직하게, 상기 다공성 지지체의 기공의 개별직경은 50 nm 이상 500nm 이하일 수 있다. 직경이 큰 기공이 있는 것보다 촘촘한 기공이 많을수록 통기도와 내구성이 증가하는 장점이 있다.
상기 다공성 지지체의 기공의 개별직경을 측정하는 방법은 특별히 한정하지 않으며, 당 기술분야에서 사용되는 방법을 채용할 수 있으나, 예를 들면, 전자현미경을 통해 기공의 직경을 측정할 수 있다.
상기 다공성 지지체의 공극율은 50% 이상 95% 이하일 수 있다. 이 경우 다공성 지지체의 기공 내로 이온전도성 고분자를 함침했을 때 이온 채널이 잘 형성되는 장점이 있다.
상기 다공성 지지체의 두께는 특별히 한정하지 않으나, 2㎛ 이상 30㎛ 이하일 수 있다.
상기 용액은 전해질 고분자 및 용매를 포함하는 용액일 수 있다. 상기 전해질 고분자 및 용매의 종류는 특별히 한정하지 않는다.
상기 확산필름은 상기 용액 중 용매를 흡수할 수 있는 필름일 수 있으며, 용액이 함침된 다공성 지지체 상에 구비되어 상기 용액 중 적어도 일부의 용매가 흡수된 필름일 수 있다.
상기 확산필름은 상기 용액 중 용매를 흡수할 수 있는 필름이라면 특별히 한정하지 않으나, 상기 용액 중 용매와의 친화도 및 용해도에 따라 선택할 수 있다. 예를 들면, 상기 용액 중 용매가 디메틸술폭시드(DMSO, dimethyl sulfoxide), 디메틸아세트아미드(DMAc, dimethylacetamide), 디메틸포름아미드(DMF, dimethylformamide), 메틸피롤리돈(NMP, N-methylpyrrolidone), 에탄올, 프로판올, IPA(isopropyl alcohol) 및 물 중 적어도 하나를 포함하는 경우, 상기 확산필름은 폴리카보네이트(PC, Polycarbonate), 폴리스티렌(PS, Polystyrene), 폴리염화비닐(PVC, polyvinyl chloride) 및 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE, Ethylene TetrafluoroEthylene) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 확산필름의 두께는 1㎛ 이상 50㎛ 이하일 수 있다. 이 경우, 확산필름에 흡수된 용매가 쉽게 확산필름의 표면으로 이동하여 건조될 수 있다.
본 명세서는 상기 강화막의 제조방법으로 제조된 강화막을 제공한다.
상기 강화막의 두께는 특별히 한정하지 않으나, 상기 강화막의 두께는 다공성 지지체의 두께에 의해 결정되며, 상기 강화막의 두께는 다공성 지지체의 두께와 동일하거나 보다 두꺼울 수 있다. 예를 들면, 상기 강화막의 두께는 2㎛ 이상 30㎛ 이하일 수 있다. 이 경우 전해질막으로서의 내구성과 성능이 확보되는 장점이 있다.
상기 강화막의 총 중량을 기준으로, 상기 다공성 지지체의 함량은 0.5중량% 이상 40중량% 이하일 수 있다.
상기 강화막의 총 중량을 기준으로, 상기 전해질 고분자의 함량은 60중량% 이상 99.5중량% 이하일 수 있다.
본 명세서는 애노드; 캐소드; 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비된 상기 강화막을 포함하는 전기화학 전지를 제공한다.
상기 캐소드는 방전될 때 전자를 받아 환원되는 전극을 의미하고, 충전될 때 산화되어 전자를 내보내는 애노드(산화전극)일 수 있다. 상기 애노드는 방전될 때 산화되어 전자를 내보내는 전극을 의미하고, 충전될 때 전자를 받아 환원되는 캐소드(환원전극)일 수 있다.
상기 전기화학 전지는 화학반응을 이용한 전지를 의미하며 고분자 전해질막이 구비된다면 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 상기 전기화학 전지는 연료전지, 금속 이차 전지 또는 흐름전지일 수 있다.
본 명세서는 전기화학 전지를 단위전지로 포함하는 것인 전기화학 전지모듈을 제공한다.
상기 전기화학 전지 모듈은 본 출원의 하나의 실시 상태에 따른 단위 전지 사이에 바이폴라(bipolar) 플레이트를 삽입하여 스택킹(stacking)하여 형성될 수 있다.
상기 전지 모듈은 구체적으로 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치의 전원으로 사용될 수 있다.
본 명세서는 애노드, 캐소드 및 상기 애노드 및 캐소드 사이에 구비된 상기 강화막을 포함하는 것인 막 전극 접합체를 제공한다.
본 명세서는 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지를 제공한다.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막 전극 접합체(MEA)인데, 이는 전해질막(M)과 이 전해질막(M)의 양면에 형성되는 애노드(A) 및 캐소드(C)로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 애노드(A)에서는 수소 또는 메탄올, 부탄과 같은 탄화수소 등의 연료(F)의 산화 반응이 일어나 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생하고, 수소 이온은 전해질막(M)을 통해 캐소드(C)으로 이동한다. 캐소드(C)에서는 전해질막(M)을 통해 전달된 수소 이온과, 산소와 같은 산화제(O) 및 전자가 반응하여 물(W)이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.
도 2는 연료전지용 막 전극 접합체의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지용 막 전극 접합체는 전해질막(10)과, 이 전해질막(10)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 캐소드(50) 및 애노드(51)를 구비할 수 있다. 상기 캐소드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 캐소드 촉매층(20)과 캐소드 기체확산층(40)이 구비되고, 상기 애노드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 애노드 촉매층(21) 및 애노드 기체확산층(41)이 구비될 수 있다.
도 3은 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지는 스택(60), 산화제 공급부(70) 및 연료 공급부(80)를 포함하여 이루어진다.
스택(60)은 상술한 막 전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막 전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는 막 전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막 전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.
산화제 공급부(70)는 산화제를 스택(60)으로 공급하는 역할을 한다. 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(70)로 주입하여 사용할 수 있다.
연료 공급부(80)는 연료를 스택(60)으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료 탱크(81)에 저장된 연료를 스택(60)으로 공급하는 펌프(82)로 구성될 수 있다. 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있다. 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 명세서를 한정하기 위한 것은 아니다.
[실시예]
[실시예 1]
전해질 고분자 레진을 10wt%의 농도로 DMSO에 녹여 용액을 준비하였다. 10cmⅩ10cm 크기의 프레임에 고정된 기공도 약 80%, 두께 약 10㎛의 폴리올레핀계 다공성 지지체의 양면에 상기 용액을 코팅하였다.
상기 막 용액이 함침된 다공성 지지체의 일면에 지지를 위한 PET를 부착하고 즉시 PVC필름을 PET가 부착되지 않은 다공성 지지체의 타면 상에 적층하였다. 그 다음 PVC 하단의 용액이 다공성 지지체에 고르게 침투되도록 PVC필름 상에서 롤러를 굴렸다. 이후 50℃ 오븐에서 24시간 건조한 후 PVC필름을 제거하여 강화막을 제조했다.
[비교예 1]
실시예 1과 동일한 전해질 고분자 레진을 10wt%의 농도로 DMSO에 녹여 용액을 준비하였다.
10cmⅩ10cm 크기의 프레임에 고정된 기공도 약 80%, 두께 약 10㎛의 폴리올레핀계 다공성 지지체의 양면에 상기 용액을 코팅하였다.
상기 막 용액이 함침된 다공성 지지체의 일면에 지지를 위한 PET를 부착하고 지지대 상에 PET가 부착된 면이 접하도록 놓고 50℃ 오븐에서 24시간 건조하여 강화막을 제조하였다.
[실험예 1]
실시예 1과 비교예 1에 따라 제조한 막의 50℃ 오븐에서의 시간에 따른 표면 상태를 지지를 위한 PET를 부착한 직후, PET를 부착시점으로부터 30초 경과, 1시간 경과, 24시간 경과시 강화막의 표면 상태를 확인하여 도 6에 나타냈다.
확산필름으로서 PVC필름을 부착한 실시예 1은 PET를 부착시점으로부터 24시간 경과하더라도 디웨팅이 일어나지 않았으나, PVC필름이 부착되지 않은 비교예 1은 PET를 부착시점으로부터 30초 경과 후부터 조금씩 디웨팅이 일어나며 1시간 경과 후부터는 디웨팅 현상이 두드러지는 것을 알 수 있었다.
10: 전해질막
20, 21: 촉매층
40, 41: 기체확산층
50: 캐소드
51: 애노드
60: 스택
70: 산화제 공급부
80: 연료 공급부
81: 연료 탱크
82: 펌프
100: 용액이 함침된 다공성 지지체
110: 다공성 지지체
130: 용액
200: 확산필름
300: 가압롤
400: 강화막

Claims (14)

  1. 다공성 지지체를 준비하는 단계;
    상기 다공성 지지체에 전해질 고분자 및 용매를 포함하는 용액을 함침하는 단계;
    상기 용액이 함침된 다공성 지지체의 일면에 확산필름을 적층하는 단계;
    상기 확산필름의 표면을 가압하는 단계;
    상기 확산필름이 구비된 다공성 지지체를 건조하는 단계; 및
    상기 확산필름을 제거하는 단계를 포함하는 강화막의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 확산필름은 상기 용액 중 용매를 흡수할 수 있는 필름인 것인 강화막의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 확산필름은 폴리카보네이트(PC, Polycarbonate), 폴리스티렌(PS, Polystyrene), 폴리염화비닐(PVC, polyvinyl chloride) 및 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE, Ethylene TetrafluoroEthylene) 중 적어도 하나를 포함하는 것인 강화막의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 용액의 용매는 디메틸술폭시드(DMSO, dimethyl sulfoxide), 디메틸아세트아미드(DMAc, dimethylacetamide), 디메틸포름아미드(DMF, dimethylformamide), 메틸피롤리돈(NMP, N-methylpyrrolidone), 에탄올, 프로판올, IPA(isopropyl alcohol) 및 물 중 적어도 하나를 포함하는 것인 강화막의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 확산필름의 표면을 가압하는 단계는 상기 확산필름의 표면을 가압롤로 가압하는 단계인 것인 강화막의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 확산필름의 표면을 가압하는 단계는 상기 확산필름의 표면을 가압하여 상기 용액이 함침된 다공성 지지체의 두께를 조절하는 단계인 것인 강화막의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 확산필름이 구비된 다공성 지지체를 건조하는 단계는 상기 용액이 함침된 다공성 지지체로부터 용매가 확산필름으로 확산되어 확산필름의 표면으로부터 용매가 기화됨으로써, 상기 다공성 지지체를 건조하는 단계인 것인 강화막의 제조방법.
  8. 다공성 지지체;
    상기 다공성 지지체 내에 구비된 전해질 고분자 및 용매를 포함하는 용액; 및
    상기 다공성 지지체 상에 구비된 확산필름을 포함하는 것인 적층체.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 확산필름은 상기 용액 중 용매를 흡수할 수 있는 필름인 것인 적층체.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 확산필름은 폴리카보네이트(PC, Polycarbonate), 폴리스티렌(PS, Polystyrene), 폴리염화비닐(PVC, polyvinyl chloride) 및 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE, Ethylene TetrafluoroEthylene) 중 적어도 하나를 포함하는 것인 적층체.
  11. 청구항 8에 있어서, 상기 용액의 용매는 디메틸술폭시드(DMSO, dimethyl sulfoxide), 디메틸아세트아미드(DMAc, dimethylacetamide), 디메틸포름아미드(DMF, dimethylformamide), 메틸피롤리돈(NMP, N-methylpyrrolidone), 에탄올, 프로판올, IPA(isopropyl alcohol) 및 물 중 적어도 하나를 포함하는 것인 적층체.
  12. 청구항 8에 있어서, 상기 다공성 지지체의 공극율은 50% 이상 95% 이하인 것인 적층체.
  13. 청구항 8에 있어서, 상기 확산필름의 두께는 1㎛ 이상 50㎛ 이하인 것인 적층체.
  14. 청구항 8에 있어서, 상기 용액의 총 중량을 기준으로, 상기 용매의 함량은 70중량% 이상 97중량% 이하인 것인 적층체.
KR1020160040225A 2016-04-01 2016-04-01 강화막의 제조방법 및 적층체 KR20170112724A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160040225A KR20170112724A (ko) 2016-04-01 2016-04-01 강화막의 제조방법 및 적층체

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160040225A KR20170112724A (ko) 2016-04-01 2016-04-01 강화막의 제조방법 및 적층체

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20170112724A true KR20170112724A (ko) 2017-10-12

Family

ID=60141092

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160040225A KR20170112724A (ko) 2016-04-01 2016-04-01 강화막의 제조방법 및 적층체

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20170112724A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101577828B1 (ko) 고분자 전해질막 제조용 충진 시스템 및 그를 이용한 고분자 전해질막 제조방법
EP2960975B1 (en) Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly including polymer electrolyte membrane, and fuel cell including membrane electrode assembly
KR102018913B1 (ko) 탄소 나노 섬유 방사층을 포함하는 연료전지용 기체확산층
EP3076466B1 (en) Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly comprising polymer electrolyte membrane, and fuel cell comprising membrane electrode assembly
KR100684787B1 (ko) 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료전지용 스택 및 연료전지 시스템
KR101926784B1 (ko) 이온 교환막, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 에너지 저장 장치
KR20150045305A (ko) 분리막의 제조방법 및 분리막
CN110383553B (zh) 增强隔膜的制造方法、使用该制造方法制造的增强隔膜和氧化还原液流电池
JP4771702B2 (ja) 補強材を有する高分子固体電解質膜
CN113169366A (zh) 氧化还原液流电池用隔膜及其制造方法
US10476094B2 (en) Reinforced membrane, electrochemical cell and fuel cell comprising same, and production method for reinforced membrane
KR100658739B1 (ko) 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법
JP2006269266A (ja) 補強材を有する複合高分子固体電解質膜
KR20180003906A (ko) 암모늄 세륨 나이트레이트로 코팅된 무기필러, 이를 포함하는 이온교환막 및 바나듐 레독스 플로우 배터리
KR20170003276A (ko) 강화막의 제조방법, 강화막의 제조장치 및 강화막
KR20080039615A (ko) 복합 전해질막 및 이를 이용한 연료전지
KR20170112724A (ko) 강화막의 제조방법 및 적층체
KR20170003479A (ko) 고분자 강화막의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 고분자 강화막
KR102293564B1 (ko) 강화막, 이를 포함하는 전기화학 전지 및 연료 전지, 및 상기 강화막의 제조방법
KR102090860B1 (ko) 고분자 전해질막, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지
US20240113318A1 (en) Polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly comprising same, and fuel cell
KR20170003278A (ko) 내수축성 적층체, 내수축성 적층체의 제조방법 및 내수축성 적층체의 제조장치
KR20160069285A (ko) 강화막 제조장치, 강화막 및 강화막의 제조방법
KR20170098006A (ko) 강화막, 이를 포함하는 전기화학 전지 및 연료 전지, 및 상기 강화막의 제조방법
KR20110017750A (ko) 친수성이 향상된 다공성막을 이용한 수소이온전도성 복합막의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 수소이온전도성 복합막

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application