KR20180076949A - Polymer electrolyte membrane for fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 포함하는 고분자 나노섬유로 구성되는 다공성 지지체 시트 및 상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자와 상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 형성된 제1 및 제2 이온전도성 고분자막을 포함하는 고분자 전해질막을 제조함으로써 우수한 기계적 물성 및 이온전도성을 가져 전지의 내구성 및 충방전 특성이 크게 향상된 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a porous support sheet composed of a polymer nanofiber including a non-conductive polymer and an ion conductive polymer, A polymer electrolyte membrane comprising a polymer and first and second ion conductive polymer membranes formed on upper and lower portions of the porous support sheet, has excellent mechanical properties and ionic conductivity, and thus has excellent durability and charge / Film and a method of manufacturing the same.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.A fuel cell is a power generation system that converts the chemical reaction energy of a fuel and an oxidant into electric energy. Hydrogen, hydrocarbons such as methanol and butane are used as fuel, and oxygen is used as an oxidant.
연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다. BACKGROUND ART Fuel cells include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a direct methanol fuel cell (DMFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), an alkaline fuel cell (AFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC) And a battery (SOFC).
그 중에서 고분자 전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높아 가장 활발하게 연구되고 있다. 이러한 고분자전해질형 연료전지는 전해질로서 액체가 아닌 고체 고분자 전해질막을 사용하는 점에서 다른 연료전지와 차이가 있다.Among them, polymer electrolyte fuel cells have been actively studied because they have high energy density and high output. Such a polymer electrolyte fuel cell differs from other fuel cells in that a solid polymer electrolyte membrane is used instead of a liquid electrolyte as an electrolyte.
연료전지의 고분자 전해질막은 그 구조상 충분한 수분이 공급되지 않으면 수소이온 전도도가 급격히 떨어지게 되고, 이는 단기적으로 성능 하락이 나타나며, 장기적으로는 부분적 또는 전체적으로 전해질막의 열화를 촉진하여 연료전지의 수명을 촉진시킨다. If the polymer electrolyte membrane of the fuel cell is not sufficiently supplied with water, the hydrogen ion conductivity will drop sharply, which will shorten the performance in the short term and accelerate deterioration of the electrolyte membrane partly or entirely in the long term to promote the lifetime of the fuel cell.
종래 한국공개특허 제2009-0039180호에서는 불소계 고분자 수지의 파이버로 이루어지는 다공성 매트에 이온전도성 고분자 수지가 함침된 이온전도성 복합막에 관해 개시되어 있다.Korean Unexamined Patent Publication No. 2009-0039180 discloses an ion conductive composite membrane impregnated with an ion conductive polymer resin in a porous mat made of a fluoropolymer resin fiber.
그러나 고분자 전해질막으로 불소계 고분자 수지를 사용하게 되면, 수소이온 전도 기능을 가지는 술폰산기는 소수성이 강하여 막 제조 시 이온전도성을 강하시키는 문제가 있으며, 강한 소수성으로 인해 친수성인 이온전도성 고분자 수지와의 함침이 제대로 이루어지지 않아 강성이 저하되는 문제가 있다.
However, when the fluoropolymer resin is used as the polymer electrolyte membrane, the sulfonic acid group having the hydrogen ion conduction function is strongly hydrophobic and has a problem of lowering the ion conductivity during the production of the membrane. In addition, impregnation with a hydrophilic ion conductive polymer resin due to strong hydrophobicity There is a problem that the rigidity is degraded because it is not properly performed.
상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명의 목적은 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 포함하는 고분자 나노섬유로 구성되는 다공성 지지체 시트를 적용하되, 상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질막을 제조함으로써 우수한 기계적 물성 및 이온전도성을 갖는 연료전지용 고분자 전해질막을 제공하는데 있다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to apply a porous support sheet composed of a polymer nanofiber including a non-conductive polymer and an ion conductive polymer, wherein the porous support sheet comprises an ion conductive polymer impregnated in the porous support sheet And to provide a polymer electrolyte membrane for fuel cells having excellent mechanical properties and ionic conductivity by producing a polymer electrolyte membrane.
본 발명의 다른 목적은 상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 제1 및 제2 이온전도성 고분자막을 포함함으로써 우수한 이온전도성을 가져 전지의 내구성 및 충방전 특성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법을 제공하는데 있다.
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell capable of improving the durability and charge / discharge characteristics of a battery by providing first and second ion conductive polymer membranes on the upper and lower portions of the porous support sheet, .
본 발명은 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 포함하는 고분자 나노섬유로 구성되는 다공성 지지체 시트; 상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자; 및 상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 각각 형성된 제1 및 제2 이온전도성 고분자막;을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막을 제공한다.The present invention relates to a porous support sheet composed of a polymer nanofiber including a non-conductive polymer and an ion conductive polymer; An ion conductive polymer impregnated inside the porous support sheet; And first and second ion conductive polymer membranes formed on upper and lower portions of the porous support sheet, respectively.
또한 본 발명은 (a) 용매에 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 혼합하여 고분자 혼합물 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 고분자 혼합물 용액을 전기 방사하여 다공성 지지체 시트를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 다공성 지지체 시트에 이온전도성 고분자를 함침시키는 단계;를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법을 제공한다.
(A) preparing a polymer mixture solution by mixing a polymer with a nonconductive polymer and an ion conductive polymer in a solvent; (b) electrospinning the polymer mixture solution to form a porous support sheet; And (c) impregnating the porous support sheet with an ion conductive polymer. The present invention also provides a method of manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell.
본 발명에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 포함하는 고분자 나노섬유로 구성되는 다공성 지지체 시트와 상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자를 포함하여 구성됨으로써 우수한 기계적 물성 및 이온전도성을 가지는 이점이 있다.The polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention comprises a porous support sheet composed of a polymer nanofiber including a non-conductive polymer and an ion conductive polymer and an ion conductive polymer impregnated in the porous support sheet, There is an advantage of conductivity.
또한 상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 제1 및 제2 이온전도성 고분자막을 포함함으로 인해 이온전도성이 매우 우수하여 연료전지의 내구성 및 충방전 특성을 향상시킬 수 있다.
Also, since the first and second ion conductive polymer membranes are formed on the upper and lower portions of the porous support sheet, the ion conductivity is very excellent, so that the durability and charge / discharge characteristics of the fuel cell can be improved.
도 1은 본 발명의 실시예에서 제조된 다공성 지지체 시트의 SEM 사진이다.1 is a SEM photograph of a porous support sheet produced in an embodiment of the present invention.
이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to one embodiment.
본 발명은 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 포함하는 고분자 나노섬유로 구성되는 다공성 지지체 시트; 상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자; 및 상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 각각 형성된 제1 및 제2 이온전도성 고분자막;을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막을 제공한다.The present invention relates to a porous support sheet composed of a polymer nanofiber including a non-conductive polymer and an ion conductive polymer; An ion conductive polymer impregnated inside the porous support sheet; And first and second ion conductive polymer membranes formed on upper and lower portions of the porous support sheet, respectively.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 비전하 고분자는 강도가 우수한 특성이 있어 20 ㎛ 두께 이하에서도 강도를 유지할 수 있다. 상기 비전하 고분자는 인장 강도가 30 MPa 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 인장 강도는 연료전지용 막전극 접합체(MEA) 제조 및 스택 체결 시 구조를 유지할 수 있는 최소 강도이다. According to a preferred embodiment of the present invention, the non-conductive polymer has excellent strength and can maintain the strength even when the thickness is less than 20 탆. The non-conductive polymer preferably has a tensile strength of 30 MPa or more. The tensile strength is a minimum strength capable of maintaining the structure of the membrane electrode assembly (MEA) for a fuel cell and stacking.
구체적으로 상기 비전하 고분자는 탄화수소계, 불소계 및 실리콘계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다. 보다 상세하게는 상기 탄화수소계 고분자는 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리이미드 및 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다. 상기 불소계 고분자는 폴리비닐리덴플루오라이드, 클로로트리플루오르에틸렌 및 에틸렌테트라플루오르에틸렌로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다. 상기 실리콘계 고분자는 폴리실란, 폴리카르보실란 및 폴리실록산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다.Specifically, the non-conductive polymer may be at least one selected from the group consisting of hydrocarbon-based, fluorine-based, and silicone-based polymers. More specifically, the hydrocarbon-based polymer may be at least one selected from the group consisting of polymethyl methacrylate, polyimide, and polyether ether ketone. The fluorine-based polymer may be at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride, chlorotrifluoroethylene, and ethylene tetrafluoroethylene. The silicon-based polymer may be at least one selected from the group consisting of polysilane, polycarbosilane and polysiloxane.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 고분자 나노섬유를 구성하는 이온전도성 고분자, 상기 다공성 지지체 시트의 내부에 함침된 이온전도성 고분자 및 상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 형성된 제1 및 제2 이온전도성 고분자막은 모두 동일한 이온전도성 고분자 소재로 이루어진 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the ion conductive polymer constituting the polymer nanofibers, the ion conductive polymer impregnated in the porous support sheet, and the first and second ion conductive The polymer membrane may be made of the same ion conductive polymer material.
상기 이온전도성 고분자는 상기 비전하 고분자와 혼합하여 고분자 나노섬유로 구성되는 다공성 지지체 시트를 제조하게 되면, 다공성 지지체 시트 자체가 우수한 이온전도성을 가져 애노드 전극에서 발생한 수소 이온을 캐소드 전극으로 전달하는데 매우 유용한 이점이 있다. When the porous support sheet composed of the polymer nanofibers is prepared by mixing the ion conductive polymer with the non-conductive polymer, the porous support sheet itself has excellent ion conductivity and is very useful for transferring hydrogen ions generated from the anode electrode to the cathode electrode There is an advantage.
상기 이온전도성 고분자는 이온전도도가 0.05 S/cm 이상인 것을 사용할 수 있다. 상기 이온전도도는 연료전지 운전 성능에 영향을 주는 인자로 최소 0.05 S/cm 이상을 유지하여야 운전 성능이 저하되지 않는다. 이러한 상기 이온전도성 고분자는 퍼플루오르설포닉에시드, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리포스파진, 및 폴리에테르케톤으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다. The ion conductive polymer having ionic conductivity of 0.05 S / cm or more can be used. The ionic conductivity should be maintained at least 0.05 S / cm or more as a factor affecting the fuel cell operation performance, so that the operation performance is not deteriorated. The ion conductive polymer may be at least one selected from the group consisting of perfluorosulfone acid, polyimide, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyphosphazene, and polyether ketone.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 고분자 나노섬유는 상기 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자가 5:5 내지 7:3 중량비로 혼합된 것일 수 있다. 상기 혼합비에서 상기 비전하 고분자의 비율이 증가하면 상기 다공성 지지체 시트의 강성은 높아지나 이온전도도가 감소될 수 있다. 또한, 상기 이온전도성 고분자의 비율이 증가하면 이온전도도는 높아지나 상기 다공성 지지체 시트의 강성이 저하될 수 있다. 바람직하게는 상기 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자가 6:4 중량비로 혼합된 것일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the polymer nanofibers may be prepared by mixing the non-charged polymer and the ion conductive polymer in a weight ratio of 5: 5 to 7: 3. When the ratio of the non-charged polymer in the mixing ratio is increased, the rigidity of the porous support sheet is increased but the ion conductivity can be reduced. Also, when the ratio of the ion conductive polymer is increased, the ionic conductivity is increased, but the rigidity of the porous support sheet may be lowered. Preferably, the non-conductive polymer and the ion conductive polymer are mixed in a weight ratio of 6: 4.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 고분자 나노섬유는 나노 크기의 섬유길이를 가지고 있어 기존 섬유에 비해 큰 비표면적을 갖는 이점이 있다. 이렇게 큰 비표면적을 가지는 고분자 나노섬유로 다공성 지지체 시트를 형성하게 되면 이온전도성 고분자의 함침량을 증가시켜 이온전도성 고분자의 이온전도도를 유지할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the polymer nanofibers have a nano-sized fiber length and thus have a large specific surface area as compared with conventional fibers. When the porous support sheet is formed of the polymer nanofiber having such a large specific surface area, the ion conductivity of the ion conductive polymer can be maintained by increasing the impregnation amount of the ion conductive polymer.
상기 고분자 나노섬유의 평균 섬유길이가 100~300 nm인 것을 사용할 수 있다. 이때, 상기 평균 섬유길이가 100 nm 미만이면 다공성 지지체 시트의 강도가 저하될 수 있고, 300 nm 초과이면 다공성 지지체 시트의 기공률이 저하되어 이온전도성 고분자의 함침량이 저하될 수 있다.The polymer nanofibers having an average fiber length of 100 to 300 nm can be used. If the average fiber length is less than 100 nm, the strength of the porous support sheet may be lowered. If the average fiber length is more than 300 nm, the porosity of the porous support sheet may be lowered and the impregnation amount of the ion conductive polymer may be lowered.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 다공성 지지체 시트는 평균 기공크기가 50~100 nm이며, 기공률이 75~95%인 것일 수 있다. 상기 평균 기공크기가 50 nm 미만이고, 기공률이 70% 미만이면 이온전도성 고분자의 함침량이 적어져 고분자 전해질막의 성능이 저하될 수 있다. 또한 상기 평균 기공크기가 100 nm 초과이고, 기공률이 95% 초과이면 이온전도성 고분자의 함침량이 너무 많아 함침 균일도가 저하될 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the porous support sheet may have an average pore size of 50 to 100 nm and a porosity of 75 to 95%. If the average pore size is less than 50 nm and the porosity is less than 70%, the impregnation amount of the ion conductive polymer is decreased, and the performance of the polymer electrolyte membrane may be deteriorated. When the average pore size is more than 100 nm and the porosity is more than 95%, the impregnation amount of the ion conductive polymer is too much, and the impregnation uniformity may be lowered.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자는 다공성 지지체 시트 전체 중량에 대하여 60~75 중량%가 함침된 것일 수 있다. 상기 이온전도성 고분자의 함침량이 60 중량% 미만이면 이온전도성 효과가 미미하고, 75 중량% 초과이면 두께 증가로 인한 전하전달 저항이 증가될 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the ion conductive polymer impregnated in the porous support sheet may be impregnated with 60 to 75 wt% of the total weight of the porous support sheet. If the impregnation amount of the ion conductive polymer is less than 60 wt%, the effect of ionic conductivity is insufficient. If the impregnation amount is more than 75 wt%, the charge transfer resistance due to the increase in thickness may be increased.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 다공성 지지체 시트는 두께가 10~20 ㎛인 것일 수 있다. 상기 다공성 지지체 시트의 두께가 10 ㎛ 미만이면 강도가 저하될 수 있고, 20 ㎛ 초과이면 전하전달 저항이 증가할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the porous support sheet may have a thickness of 10 to 20 탆. If the thickness of the porous support sheet is less than 10 탆, the strength may be lowered, and if it is more than 20 탆, the charge transfer resistance may increase.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 형성된 제1 및 제2 이온전도성 고분자막은 각각 두께가 3~5 ㎛인 것일 수 있다. 상기 제1 및 제2 이온전도성 고분자막의 각 두께가 3 ㎛ 미만이면 균일한 층을 형성할 수 없으며, 5 ㎛ 초과이면 전하전달 저항이 증가될 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the first and second ion conductive polymer membranes formed on the upper and lower portions of the porous support sheet may each have a thickness of 3 to 5 탆. If the thickness of each of the first and second ion conductive polymer films is less than 3 mu m, a uniform layer can not be formed, and if more than 5 mu m, the charge transfer resistance can be increased.
한편, 본 발명의 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법은 (a) 용매에 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 혼합하여 고분자 혼합물 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 고분자 혼합물 용액을 전기 방사하여 다공성 지지체 시트를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 다공성 지지체 시트에 이온전도성 고분자를 함침시키는 단계;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, comprising the steps of: (a) preparing a polymer mixture solution by mixing a polymer with a nonconductive polymer and an ion conductive polymer; (b) electrospinning the polymer mixture solution to form a porous support sheet; And (c) impregnating the porous support sheet with the ion conductive polymer.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (a) 단계에서 용매는 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide), 테트라메틸 요소(tetramethyl urea), 디메틸 설폭시드(dimethyl sulfoxide), 트리에틸 포스페이트(triethyl phosphate), N-메틸-2-피로리돈(N-methyl-2-pyrrolidone), 트리메틸 포스페이트(trimethyl phosphate), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran)(THF) 및 메틸 에틸 케톤(Methyl Ethyl Ketone)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the solvent in step (a) is selected from the group consisting of dimethylacetamide, tetramethyl urea, dimethyl sulfoxide, triethyl phosphate, N- At least one selected from the group consisting of N-methyl-2-pyrrolidone, trimethyl phosphate, tetrahydrofuran (THF) and methyl ethyl ketone .
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (b) 단계에서 전기방사는 상기 고분자 혼합물 용액을 나노 크기의 섬유길이를 갖는 섬유를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 고분자 나노섬유는 전기방사되어 웹 형태의 다공성 지지체 시트를 형성할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, in the step (b), electrospinning can produce the polymer mixture solution having fibers having nanosized fiber length. The polymer nanofibers thus prepared can be electrospun to form a web-like porous support sheet.
이때, 상기 전기방사는 전압 10~15 kv 및 습도(RH) 30~40%의 조건에서 수행되는 것일 수 있다. 상기 전기방사 시 전압이 10 kv 미만이면 나노섬유가 제대로 형성되지 않을 수 있고, 15 kv 초과이면 나노섬유의 굵기가 가늘어 절단될 수 있다. 습도가 40% 초과이면 나노섬유상이 건조될 때, 뭉쳐질 수 있다. 낮은 습도는 나노섬유상 제조에 유리하나, 환경 유지를 위한 공정 원가가 증가한다. At this time, the electrospinning may be performed under the condition of a voltage of 10 to 15 kV and a humidity of 30 to 40%. If the voltage during the electrospinning is less than 10 kV, the nanofiber may not be properly formed, and if the voltage is more than 15 kV, the nanofiber may be thinned. If the humidity is above 40%, the nanofibers can clump when dried. Low humidity is favorable for nanofiber manufacturing, but process costs for environmental maintenance increase.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (c) 단계는 상기 다공성 지지체 시트에 이온전도성 고분자를 함침시키는 단계로 하기와 같은 두 가지 방법에 의해 수행될 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the step (c) may be carried out by impregnating the porous support sheet with the ion conductive polymer by the following two methods.
첫번째로, 상기 (c) 단계는, 상기 다공성 지지체 시트에 이온전도성 고분자를 25~30 ℃의 온도에서 1~3 분 동안 함침시키는 것일 수 있다. 이러한 방법으로 상기 다공성 지지체 시트에 이온전도성 고분자를 함침시키게 되면 액상의 이온전도성 고분자가 상기 다공성 지지체 시트 내부에 침투하는 것이 용이하여 전체적으로 고르게 침투되고, 이로 인해 내부 균일도를 증가시킬 수 있다.First, in the step (c), the porous conductive sheet may be impregnated with the ion conductive polymer at a temperature of 25 to 30 DEG C for 1 to 3 minutes. If the porous support sheet is impregnated with the ion conductive polymer in this manner, the liquid ion conductive polymer can easily penetrate into the porous support sheet, thereby uniformly penetrating the porous support sheet, thereby increasing the internal uniformity.
두번째로, 상기 (c) 단계는, (c-1) 상기 다공성 지지체 시트의 양면에 제1 및 제2 이온전도성 고분자막을 각각 형성하여 적층체를 제조하는 단계; 및 (c-2) 상기 적층체를 핫프레스하는 단계;로 이루어진 것일 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 이온전도성 고분자막은 동일한 이온전도성 고분자 소재로 이루어진 것일 수 있다.Second, the step (c) may include: (c-1) forming first and second ion conductive polymer films on both surfaces of the porous support sheet to produce a laminate; And (c-2) hot-pressing the laminate. At this time, the first and second ion conductive polymer membranes may be made of the same ion conductive polymer material.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (c-2) 단계에서 핫프레스 공정은 120~160 ℃의 온도 및 0.1~5 MPa의 압력 조건에서 1~5 분 동안 수행될 수 있다. 이때, 핫프레스 공정 시 온도 및 압력 조건을 만족하지 못하면 지지체와 이온전도성 고분자의 계면이 분리되는 문제가 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, in the step (c-2), the hot pressing process may be performed at a temperature of 120 to 160 ° C and a pressure of 0.1 to 5 MPa for 1 to 5 minutes. In this case, if the temperature and pressure conditions are not satisfied during the hot pressing process, there is a problem that the interface between the support and the ion conductive polymer is separated.
상기와 같이 상기 다공성 지지체 시트의 양면에 제1 및 제2 이온전도성 고분자막이 형성된 적층체를 핫프레스하게 되면 상기 다공성 지지체 시트에 이온전도성 고분자가 함침시키는 동시에 고분자 전해질막의 표면 두께를 균일하게 하는 이점이 있다.When the stacked body having the first and second ion conductive polymer films formed on both sides of the porous support sheet is hot-pressed as described above, the ion conductive polymer is impregnated into the porous support sheet and the surface thickness of the polymer electrolyte membrane is made uniform have.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자를 포함하는 고분자 나노섬유로 구성되는 다공성 지지체 시트와 상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자를 포함하여 구성됨으로써 우수한 기계적 물성 및 이온전도성을 가지는 이점이 있다.Therefore, the polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention comprises a porous support sheet composed of a polymer nanofiber including a non-conductive polymer and an ion conductive polymer, and an ion conductive polymer impregnated in the porous support sheet, And ion conductivity.
또한 상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 제1 및 제2 이온전도성 고분자막을 포함함으로 인해 이온전도성이 매우 우수하여 연료전지의 내구성 및 충방전 특성을 향상시킬 수 있다.
Also, since the first and second ion conductive polymer membranes are formed on the upper and lower portions of the porous support sheet, the ion conductivity is very excellent, so that the durability and charge / discharge characteristics of the fuel cell can be improved.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the following Examples.
실시예Example
디메틸아세트아마이드 용매 100 ml에 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)와 나피온(nafion)을 6:4 중량비로 혼합하여 고분자 혼합물 용액을 제조하였다. 그 다음 상기 고분자 혼합물 용액을 압력 13 kv, 습도 RH 35% 및 온도 25 ℃ 조건에서 전기 방사하여 평균 섬유직경이 100 nm인 고분자 나노섬유로 이루어진 다공성 지지체 시트를 제조하였다. 이때, 상기 다공성 지지체 시트는 기공률이 85%이며, 평균 기공크기가 70 nm이고, 두께가 15 ㎛이었다. Dimethylacetamide Polyvinylidene fluoride (PVdF) and nafion were mixed in a weight ratio of 6: 4 to 100 ml of solvent to prepare a polymer mixture solution. Then, the polymer mixture solution was electrospun under conditions of a pressure of 13 kV, a humidity RH of 35% and a temperature of 25 ° C to prepare a porous support sheet composed of polymer nanofibers having an average fiber diameter of 100 nm. At this time, the porous support sheet had a porosity of 85%, an average pore size of 70 nm, and a thickness of 15 탆.
상기 다공성 지지체 시트의 일면에 적층하여 열압착 방법으로 8 ㎛두께의 제1 이온전도성 고분자막을 적층하였다.The porous support sheet was laminated on one surface of the sheet, and a first ion conductive polymer membrane having a thickness of 8 탆 was laminated by a thermal compression bonding method.
그 다음 상기 다공성 지지체 시트의 다른 일면에 상기와 동일한 방법으로 15 ㎛ 두께의 제2 이온전도성 고분자막을 적층하였다. Next, a second ion conductive polymer membrane having a thickness of 15 탆 was laminated on the other surface of the porous support sheet in the same manner as above.
그 다음 제1 이온전도성 고분자막, 다공성 지지체 시트 및 제2 이온전도성 고분자막으로 이루어진 적층체를 140 ℃의 온도 및 1 MPa의 압력 조건에서 3 분 동안 핫프레스하여 고분자 전해질막을 제조하였다. 이때, 제조된 고분자 전해질막에서 제1 및 제2 이온전도성 고분자막은 두께가 각각 3 ㎛인 것을 확인하였다. Next, the laminate composed of the first ion conductive polymer membrane, the porous support sheet and the second ion conductive polymer membrane was hot pressed for 3 minutes at a temperature of 140 ° C and a pressure of 1 MPa to prepare a polymer electrolyte membrane. At this time, it was confirmed that the thickness of each of the first and second ion conductive polymer membranes in the prepared polymer electrolyte membrane was 3 μm.
이를 통해, 상기 제1 및 제2 이온전도성 고분자가 핫프레스 공정을 통해 다공성 지지체 시트의 내부에 일부 함침된 것을 알 수 있었다. 이때 다공성 지지체 시트에 함침된 이온전도성 고분자는 전체 다공성 지지체 시트에 대하여 70 중량%로 함침된 것을 확인하였다.
As a result, it was found that the first and second ion conductive polymers were partially impregnated into the interior of the porous support sheet through the hot press process. At this time, it was confirmed that the ion conductive polymer impregnated into the porous support sheet was impregnated with 70 wt% of the whole porous support sheet.
비교예Comparative Example
고분자 전해질막의 소재인 고분자 전해질로 상업용 나피온(Nafion)(NRE212, 듀퐁)을 준비하였다.
Commercial Nafion (NRE212, DuPont) was prepared as a polymer electrolyte which is a polymer electrolyte membrane material.
실험예 1Experimental Example 1
상기 실시예에서 제조된 다공성 지지체 시트의 나노섬유상 두께 및 기공구조를 확인하기 위해 SEM 측정을 실시하였다. 그 결과는 도 1에 나타내었다.SEM measurement was performed to confirm the nanofiber thickness and pore structure of the porous support sheet prepared in the above examples. The results are shown in Fig.
도 1은 본 발명의 실시예에서 제조된 다공성 지지체 시트의 SEM 사진이다. 상기 도 1의 (a)는 고분자 나노섬유를 보여주는 것으로 평균 섬유두께가 100 nm인 것을 확인하였다. 상기 도 1의 (b)는 다공성 지지체 시트의 표면을 보여주는 것으로 나노섬유상에 의한 균일한 기공구조가 형성된 것을 알 수 있었다.
1 is a SEM photograph of a porous support sheet produced in an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) shows polymer nanofibers showing an average fiber thickness of 100 nm. FIG. 1 (b) shows the surface of the porous support sheet, showing that a uniform pore structure was formed by the nanofibers.
실험예 2Experimental Example 2
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자 전해질막을 적용하여 통상의 방법에 의해 연료전지를 제조하였다. 이렇게 제조된 각 연료전지의 이온전도도를 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.The polymer electrolyte membranes prepared in the above Examples and Comparative Examples were applied to fabricate a fuel cell by a conventional method. The ion conductivity of each fuel cell thus prepared was measured, and the results are shown in Table 1 below.
상기 표 1의 결과에 의하면, 상기 실시예의 경우 이온전도성 고분자가 다공성 지지체 시트에 균일하게 함침되어 있어, 상기 비교예에 비해 이온전도도가 향상되었음을 확인하였다.According to the results of Table 1, it was confirmed that the ion conductive polymer was uniformly impregnated in the porous support sheet in the case of the above example, and the ion conductivity was improved as compared with the comparative example.
Claims (16)
상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자; 및
상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 각각 형성된 제1 및 제2 이온전도성 고분자막;
을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막.
A porous support sheet composed of a polymer nanofiber including a non-conductive polymer and an ion conductive polymer;
An ion conductive polymer impregnated inside the porous support sheet; And
First and second ion conductive polymer membranes respectively formed on upper and lower portions of the porous support sheet;
A polymer electrolyte membrane for a fuel cell.
상기 비전하 고분자는 탄화수소계, 불소계 및 실리콘계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
The method according to claim 1,
Wherein the non-conductive polymer is at least one selected from the group consisting of hydrocarbon-based, fluorine-based, and silicone-based polymers.
상기 고분자 나노섬유를 구성하는 이온전도성 고분자, 상기 다공성 지지체 시트의 내부에 함침된 이온전도성 고분자 및 상기 제1 및 제2 이온전도성 고분자막은 모두 동일한 이온전도성 고분자 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
The method according to claim 1,
Wherein the ion conductive polymer constituting the polymer nanofibers, the ion conductive polymer impregnated in the porous support sheet, and the first and second ion conductive polymer membranes are all made of the same ion conductive polymer material. membrane.
상기 이온전도성 고분자는 퍼플루오르설포닉에시드, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리포스파진, 및 폴리에테르케톤으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
The method of claim 3,
Wherein the ion conductive polymer is at least one selected from the group consisting of perfluorosulfonic acid, polyimide, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyphosphazine, and polyether ketone.
상기 고분자 나노섬유는 상기 비전하 고분자 및 이온전도성 고분자가 5:5 내지 7:3 중량비로 혼합된 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer nanofibers are prepared by mixing the non-charged polymer and the ion conductive polymer in a weight ratio of 5: 5 to 7: 3.
상기 고분자 나노섬유는 평균 섬유길이가 100~300 nm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer nanofibers have an average fiber length of 100 to 300 nm.
상기 다공성 지지체 시트는 평균 기공크기가 50~100 nm이며, 기공률이 75 ~ 95%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
The method according to claim 1,
Wherein the porous support sheet has an average pore size of 50 to 100 nm and a porosity of 75 to 95%.
상기 다공성 지지체 시트 내부에 함침된 이온전도성 고분자는 다공성 지지체 시트 전체 중량에 대하여 이온전도성 고분자 60~75 중량%가 함침된 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
The method according to claim 1,
Wherein the ion conductive polymer impregnated in the porous support sheet is impregnated with 60 to 75% by weight of ion conductive polymer based on the total weight of the porous support sheet.
상기 다공성 지지체 시트는 두께가 10~20 ㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
The method according to claim 1,
Wherein the porous support sheet has a thickness of 10 to 20 占 퐉.
상기 다공성 지지체 시트의 상부 및 하부에 형성된 제1 및 제2 이온전도성 고분자막은 각각 두께가 3~5 ㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
The method according to claim 1,
Wherein the first and second ion conductive polymer membranes formed on the upper and lower portions of the porous support sheet each have a thickness of 3 to 5 占 퐉.
(b) 상기 고분자 혼합물 용액을 전기 방사하여 다공성 지지체 시트를 형성하는 단계; 및
(c) 상기 다공성 지지체 시트에 이온전도성 고분자를 함침시키는 단계;
를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
(a) preparing a polymer mixture solution by mixing a polymer and an ion conductive polymer in a solvent;
(b) electrospinning the polymer mixture solution to form a porous support sheet; And
(c) impregnating the porous support sheet with an ion conductive polymer;
Wherein the polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprises a polymer electrolyte membrane.
상기 (a) 단계에서 용매는 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide), 테트라메틸 요소(tetramethyl urea), 디메틸 설폭시드(dimethyl sulfoxide), 트리에틸 포스페이트(triethyl phosphate), N-메틸-2-피로리돈(N-methyl-2-pyrrolidone), 트리메틸 포스페이트(trimethyl phosphate), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran)(THF) 및 메틸 에틸 케톤(Methyl Ethyl Ketone)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
The method according to claim 11,
In step (a), the solvent may be selected from the group consisting of dimethylacetamide, tetramethyl urea, dimethyl sulfoxide, triethyl phosphate, N-methyl-2-pyrrolidone (N- wherein the polymer electrolyte membrane is at least one selected from the group consisting of methyl-2-pyrrolidone, trimethyl phosphate, tetrahydrofuran (THF), and methyl ethyl ketone. Way.
상기 (b) 단계에서 전기방사는 전압 10~15 kv 및 습도(RH) 30~40 %의 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the electrospinning in the step (b) is performed under a condition of a voltage of 10 to 15 kV and a humidity of 30 to 40%.
상기 (c) 단계는, 상기 다공성 지지체 시트에 이온전도성 고분자를 25~30 ℃의 온도에서 1~3 분 동안 함침시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the step (c) comprises impregnating the porous support sheet with the ion conductive polymer at a temperature of 25 to 30 ° C for 1 to 3 minutes.
상기 (c) 단계는,
(c-1) 상기 다공성 지지체 시트의 양면에 제1 및 제2 이온전도성 고분자막을 각각 형성하여 적층체를 제조하는 단계; 및
(c-2) 상기 적층체를 핫프레스하는 단계;
로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
12. The method of claim 11,
The step (c)
(c-1) forming first and second ion-conductive polymer membranes on both surfaces of the porous support sheet to produce a laminate; And
(c-2) hot-pressing the laminate;
≪ RTI ID = 0.0 > 1, < / RTI >
상기 (c-2) 단계에서 핫프레스 공정은 120~160 ℃의 온도 및 0.1~5 MPa의 압력 조건에서 1~5 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.16. The method of claim 15,
Wherein the hot pressing process is performed at a temperature of 120 to 160 ° C. and a pressure of 0.1 to 5 MPa for 1 to 5 minutes in the step (c-2).
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