KR20210106345A - Fuel cell, and method of fabricating of the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 출원은 연료 전지 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 알칼리 연료 전지 및 그 제조 방법에 관련된 것이다. The present application relates to a fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an alkaline fuel cell and a method for manufacturing the same.
최근 수소 경제는 수소전기차와 연료전지 시장을 중심으로 가파르게 성장하고 있으며, 주요 선진국들은 수소 경제를 선도하기 위해 생산, 운송 및 저장, 활용 등 수소 밸류체인 전 단계에서 기술적, 산업적 완성도를 높이기 위해 막대한 시간과 비용을 투자하고 있다. 맥킨지가 발표한 보고서(Hydrogen scaling up, 2017)에 따르면 2050년 전 세계 수소 수요는 연간 78EJ(석유로 환산 시 약 132억 6,000만 배럴) 규모에 이를 전망이다. 보고서는 수소가 지금은 주로 산업용 원료로써 활용되고 있지만, 수소 활용 분야의 기술 발전과 함께 수소 소비량이 가파르게 늘어날 것이라 예상한다Recently, the hydrogen economy is growing rapidly centered on the hydrogen electric vehicle and fuel cell market, and major advanced countries have taken a huge amount of time to improve technological and industrial perfection in all stages of the hydrogen value chain, including production, transportation, storage, and utilization, to lead the hydrogen economy. and investing money. According to a report published by McKinsey (Hydrogen scaling up, 2017), the global hydrogen demand in 2050 is expected to reach 78 EJ (about 13.26 billion barrels of oil equivalent) per year. The report predicts that although hydrogen is now mainly used as an industrial raw material, hydrogen consumption will increase sharply with technological advances in the field of hydrogen utilization.
이러한 수소 경제의 대두와 함께 높은 효율을 갖는 연료 전지가 개발되고 있다. With the rise of the hydrogen economy, a fuel cell having high efficiency is being developed.
예를 들어, 대한민국 특허 등록공보 10-1281772에는 캐소드, 양 측에 각각 연료 기체 입구 및 연료 기체 출구가 위치하는 애노드, 및 고체 산화물을 포함하는 전해질을 포함하고, 상기 애노드는 표면이 촉매로 코팅되고, 상기 촉매로 코팅된 애노드는 상기 연료 기체 입구 측에서 상기 연료 기체 출구 측으로 갈수록 촉매 밀도가 커 지거나 작아지는 밀도 구배를 갖되, 상기 촉매는 Ni을 포함하는 정촉매; Fe2O3, TiO2, Cr2O3 또는 이들의 조합을 포함하는 부촉매 또는 이들의 조합 을 포함하는 것인 고체 산화물 연료 전지가 개시되어 있다. For example, Korean Patent No. 10-1281772 discloses a cathode, an anode having a fuel gas inlet and a fuel gas outlet on both sides, respectively, and an electrolyte including a solid oxide, the anode having a surface coated with a catalyst, and , The anode coated with the catalyst has a density gradient in which the catalyst density increases or decreases from the fuel gas inlet side toward the fuel gas outlet side, wherein the catalyst includes a positive catalyst including Ni; Disclosed is a solid oxide fuel cell comprising a cocatalyst comprising Fe2O3, TiO2, Cr2O3, or a combination thereof or a combination thereof.
본 출원이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 연료 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. One technical problem to be solved by the present application is to provide a fuel cell and a method for manufacturing the same.
본 출원이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 제조 비용이 저렴하고 제조 공정이 간소한 연료 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present application is to provide a fuel cell having a low manufacturing cost and a simple manufacturing process and a manufacturing method thereof.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고효율의 연료 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present application is to provide a high-efficiency fuel cell and a method for manufacturing the same.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고온 동작이 가능한 연료 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present application is to provide a fuel cell capable of high-temperature operation and a method for manufacturing the same.
본 출원이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다. The technical problem to be solved by the present application is not limited to the above.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은 연료 전지를 제공한다. In order to solve the above technical problem, the present application provides a fuel cell.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료 전지는, 산화 전극, 상기 산화 전극 상의 환원 전극, 및 상기 환원 전극 및 상기 산화 전극 사이에 배치되고, 셀룰로오스 및 키토산을 포함하는 음이온 교환 멤브레인을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the fuel cell may include an oxidation electrode, a reduction electrode on the oxidation electrode, and an anion exchange membrane disposed between the reduction electrode and the oxidation electrode, and including cellulose and chitosan.
일 실시 예에 따르면, 상기 음이온 교환 멤브레인에서, 상기 키토산의 함량은 30wt% 초과 70wt% 미만인 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, in the anion exchange membrane, the content of the chitosan may include more than 30wt% and less than 70wt%.
일 실시 예에 따르면, 상기 셀룰로오스는 박테리아 셀룰로오스를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the cellulose may include bacterial cellulose.
일 실시 예에 따르면, 상기 음 이온 교환 멤브레인은, 상기 박테리아 셀룰로오스 및 상기 키토산이 결합된 베이스 복합 섬유의 표면이 산화된 제1 복합 섬유, 및 상기 베이스 복합 섬유의 표면이 질소를 갖는 제1 기능기와 결합된 제2 복합 섬유를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the anion exchange membrane includes a first composite fiber in which the surface of the base composite fiber to which the bacterial cellulose and the chitosan are bonded is oxidized, and a first functional group in which the surface of the base composite fiber has nitrogen bonded second composite fibers.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 기능기는, 아래의 <화학식 1>로 표시되는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the first functional group may include one represented by the following <Formula 1>.
<화학식 1><
일 실시 예에 따르면, 상기 산화 전극 및 상기 환원 전극 중에서 적어도 어느 하나는, 구리, 인 및 황의 화합물로 형성되고 피브릴화된 복수의 섬유를 포함할 수 있다. According to an embodiment, at least one of the oxidation electrode and the reduction electrode may include a plurality of fibrillated fibers formed of a compound of copper, phosphorus and sulfur.
일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 섬유를 포함하는 상기 산화 전극 또는 상기 환원 전극은, XRD 분석 결과, (101) 결정면에 대응하는 피크 값이, 다른 결정면에 대응하는 피크 값과 비교하여, 최대값을 갖는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, in the oxidation electrode or the reduction electrode including the plurality of fibers, as a result of XRD analysis, a peak value corresponding to a (101) crystal plane is a peak value corresponding to another crystal plane, compared with a peak value, the maximum value It may include having.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료 전지는, 산화 전극, 상기 산화 전극 상의 환원 전극, 및 상기 산화 전극 및 상기 환원 전극 사이에 배치된 음이온 교환 멤브레인을 포함하되, 상기 산화 전극 또는 상기 환원 전극 중에서 적어도 어느 하나는 아래의 <화학식 2>로 표시되고, 복수의 섬유를 포함하는 연료 전지. According to an embodiment, the fuel cell includes an oxidation electrode, a reduction electrode on the oxidation electrode, and an anion exchange membrane disposed between the oxidation electrode and the reduction electrode, wherein at least one of the oxidation electrode and the reduction electrode One is represented by the following <
<화학식 2><
CuPxSy CuP x S y
(x+y=1, 0.3≤x≤0.7, 0.3≤y≤0.7)(x+y=1, 0.3≤x≤0.7, 0.3≤y≤0.7)
일 실시 예에 따르면, 상기 산화 전극 또는 상기 환원 전극 중에서 적어도 어느 하나는 피브릴화된 복수의 섬유를 포함할 수 있다. According to an embodiment, at least one of the oxidation electrode or the reduction electrode may include a plurality of fibrillated fibers.
일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 섬유를 포함하는 상기 산화 전극 또는 상기 환원 전극은, XRD 분석 결과, (101) 결정면에 대응하는 피크 값이, 다른 결정면에 대응하는 피크 값과 비교하여, 최대값을 갖는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, in the oxidation electrode or the reduction electrode including the plurality of fibers, as a result of XRD analysis, a peak value corresponding to a (101) crystal plane is a peak value corresponding to another crystal plane, compared with a peak value, the maximum value It may include having.
일 실시 예에 따르면, 상기 음이온 교환 멤브레인은, 키토산을 포함하는 베이스 복합 섬유가 네트워크를 구성하는 것을 포함하고, 상기 베이스 복합 섬유는, 박테리아 셀룰로오스 및 상기 박테리아 셀룰로오스와 결합된 상기 키토산을 포함하되, 상기 베이스 복합 섬유는, 서로 가교 결합된, 상기 박테리아 셀룰로오스 및 상기 키토산이 결합된 베이스 복합 섬유의 표면이 산화된 제1 복합 섬유, 및 상기 베이스 복합 섬유의 표면이 질소를 갖는 제1 기능기와 결합된 제2 복합 섬유를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the anion exchange membrane includes a base composite fiber comprising chitosan constituting a network, wherein the base composite fiber includes bacterial cellulose and the chitosan combined with the bacterial cellulose, wherein the The base composite fiber includes a first composite fiber in which the surface of the base composite fiber to which the bacterial cellulose and the chitosan are bonded is cross-linked to each other, and a first composite fiber in which the surface of the base composite fiber is bonded to a first functional
일 실시 예에 따르면, 상기 음이온 교환 멤브레인은, XPS 분석 결과 N1s 스펙트럼에서 pyrrolic, quaternary, 및 oxidized N에 대응하는 피크값을 갖는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the anion exchange membrane may include those having peak values corresponding to pyrrolic, quaternary, and oxidized N in the N1s spectrum as a result of XPS analysis.
일 실시 예에 따르면, 상기 음이온 교환 멤브레인은 결정질 상 및 비결정질 상이 혼재된 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the anion exchange membrane may include a mixture of a crystalline phase and an amorphous phase.
일 실시 예에 따르면, 상기 <화학식 1>에서, x 및 y는 0.5인 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, in <Formula 1>, x and y may include 0.5.
본 출원의 실시 예에 따른 연료 전지는, 산화 전극, 환원 전극, 및 음이온 교환 멤브레인을 포함하되, 상기 음이온 교환 멤브레인이 키토산 및 셀룰로오스를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 음이온 교환 멤브레인은 높은 OH- 이온 전도도를 가질 수 있고, 고온에서도 우수한 장기 안정성을 가질 수 있다. A fuel cell according to an embodiment of the present application includes an oxidation electrode, a reduction electrode, and an anion exchange membrane, wherein the anion exchange membrane may include chitosan and cellulose. Accordingly, the anion exchange membrane may have high OH - ion conductivity and excellent long-term stability even at high temperatures.
또한, 상기 산화 전극 또는 상기 환원 전극 중에서 적어도 어느 하나는, 전이금속, 인, 및 황을 포함하는 화합물로 형성되고, 피브릴화된 복수의 섬유를 포함할 수 있다. 이에 따라 상기 산화 전극 또는 상기 환원 전극은 높은 전기 화학적 특성을 가질 수 있다. In addition, at least one of the oxidation electrode or the reduction electrode is formed of a compound containing a transition metal, phosphorus, and sulfur, and may include a plurality of fibrillated fibers. Accordingly, the oxidation electrode or the reduction electrode may have high electrochemical properties.
이로 인해, 높은 전력 생성 효율, 및 장수명 특성을 갖는 상기 연료 전지가 제공될 수 있고, 상기 연료 전지가 저렴한 비용 및 간소화된 제조 공정으로 제공될 수 있다. Due to this, the fuel cell having high power generation efficiency and long life characteristics can be provided, and the fuel cell can be provided at low cost and a simplified manufacturing process.
도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 연료 전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 출원의 실시 예에 따른 연료 전지에 포함된 음이온 교환 멤브레인 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 출원의 실시 예에 따른 연료 전지에 포함된 산화/환원 전극 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 출원의 실험 예 1-2에 따른 제1 복합 섬유의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 출원의 실험 예 1-3에 따른 제2 복합 섬유의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 출원의 실험 예에 따른 음이온 교환 멤브레인의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 출원의 실험 예 3에 따른 전극을 촬영한 사진이다.
도 8은 본 출원의 실험 예 1-4 내지 실험 예 1-8에 따른 음이온 교환 멤브레인의 XRD 분석 결과이다.
도 9는 본 출원의 실험 예 1-4 내지 실험 예 1-8에 따른 음이온 교환 멤브레인의 온도에 따른 이온 전도도를 측정한 것이다.
도 10은 본 출원의 실험 예 1-9 내지 실험 예 1-13에 따른 음이온 교환 멤브레인, 및 키토산의 온도에 따른 이온 전도도를 측정한 것이다.
도 11은 본 출원의 실험 예 1-9 내지 실험 예 1-13에 따른 음이온 교환 멤브레인 및 키토산의 온도에 따른 스웰링 비율을 측정한 것이다.
도 12는 본 출원의 실험 예 3에 따라 제조된 전극의 XRD 그래프이다.
도 13은 본 출원의 실험 예 3에 따른 전극의 P 및 S의 조성비에 따른 ORR, OER, 및 HER 특성을 평가한 그래프이다.
도 14는 본 출원의 실험 예 3에 따른 전극에서 결정면에 따른 OER, ORR, 및 HER 특성을 평가한 그래프이다.
도 15는 본 출원의 실험 예 3-1 및 실험 예 3-2에 따른 연료 전지의 효율을 비교한 그래프이다.
도 16은 본 출원의 실험 예 3-1 및 실험 예 3-3에 따른 연료 전지의 효율을 비교한 그래프이다.
도 17은 본 출원의 실험 예 3-1에 따른 연료 전지의 수명 특성을 평가한 그래프이다.1 is a view for explaining a fuel cell according to an embodiment of the present application.
2 is a view for explaining an anion exchange membrane included in a fuel cell according to an embodiment of the present application and a method for manufacturing the same.
3 is a view for explaining an oxidation/reduction electrode included in a fuel cell according to an embodiment of the present application and a method of manufacturing the same.
4 is a view for explaining a manufacturing process of a first composite fiber according to Experimental Example 1-2 of the present application.
5 is a view for explaining a manufacturing process of a second composite fiber according to Experimental Examples 1-3 of the present application.
6 is a view for explaining a method of manufacturing an anion exchange membrane according to an experimental example of the present application.
7 is a photograph of an electrode according to Experimental Example 3 of the present application.
8 is an XRD analysis result of anion exchange membranes according to Experimental Examples 1-4 to Experimental Examples 1-8 of the present application.
9 is a graph showing the measurement of ionic conductivity according to temperature of anion exchange membranes according to Experimental Examples 1-4 to Experimental Examples 1-8 of the present application.
10 is an anion exchange membrane according to Experimental Examples 1-9 to Experimental Examples 1-13 of the present application, and ion conductivity according to the temperature of chitosan was measured.
11 is a measurement of the swelling ratio according to the temperature of the anion exchange membrane and chitosan according to Experimental Examples 1-9 to 1-13 of the present application.
12 is an XRD graph of an electrode prepared according to Experimental Example 3 of the present application.
13 is a graph evaluating ORR, OER, and HER characteristics according to the composition ratio of P and S of the electrode according to Experimental Example 3 of the present application.
14 is a graph evaluating OER, ORR, and HER characteristics according to a crystal plane in an electrode according to Experimental Example 3 of the present application.
15 is a graph comparing the efficiency of fuel cells according to Experimental Example 3-1 and Experimental Example 3-2 of the present application.
16 is a graph comparing the efficiency of fuel cells according to Experimental Example 3-1 and Experimental Example 3-3 of the present application.
17 is a graph evaluating the lifespan characteristics of a fuel cell according to Experimental Example 3-1 of the present application.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.In addition, in various embodiments of the present specification, terms such as first, second, third, etc. are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Accordingly, what is referred to as a first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment. Each embodiment described and illustrated herein also includes a complementary embodiment thereof. In addition, in the present specification, 'and/or' is used to mean including at least one of the elements listed before and after.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다. In the specification, the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In addition, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, element, or a combination thereof described in the specification is present, and one or more other features, numbers, steps, configuration It should not be construed as excluding the possibility of the presence or addition of elements or combinations thereof. Also, in the present specification, the term “connection” is used to include both indirectly connecting a plurality of components and directly connecting a plurality of components.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In addition, in the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 연료 전지 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining a fuel cell according to an embodiment of the present application.
도 1을 참조하면, 본 출원의 실시 예에 따른 연료 전지는, 산화 전극(100), 음이온 교환 멤브레인(200), 및 환원 전극(300)을 포함할 수 있다. 상기 음이온 교환 멤브레인(200)은 상기 산화 전극(100), 및 상기 환원 전극(300) 사이에 배치될 수 있다. Referring to FIG. 1 , a fuel cell according to an embodiment of the present application may include an
상기 산화 전극(100)의 제1 면은 상기 음이온 교환 멤브레인(200)과 접촉되고, 상기 산화 전극(100)의 상기 제1 면에 대향하는 제2 면 상에 제1 가스 확산층(102)이 배치될 수 있다. A first surface of the
또한, 상기 환원 전극(300)의 제1 면은 상기 음이온 교환 멤브레인(200)가 접촉되고, 상기 환원 전극(300)의 상기 제1 면에 대향하는 제2 면 상에 제2 가스 확산층(302)이 배치될 수 있다. In addition, the first surface of the
상기 제1 가스 확산층(102)으로 수소 가스가 공급되고, 상기 수소 가스의 산화 과정에서 발생된 전력이 외부 로드(load)로 전달될 수 있다. Hydrogen gas may be supplied to the first
구체적으로, 상기 제1 가스 확산층(102)으로 수소 가스가 공급되고 상기 제2 가스 확산층(302)으로 물 및 공기가 공급되는 경우, 또는 공기를 대신하고 고순도의 산소 가스가 공급되는 경우, 상기 환원 전극(300)에서 아래의 <화학식 1>과 같이 OH- 이온을 생성할 수 있고, OH- 이온은 상기 음이온 교환 멤브레인(200)을 통해 상기 산화 전극(100)으로 이동하여, 아래의 <화학식 2>와 같이 물 및 전자를 생성하고, 상기 산화 전극(100)에서 생성된 전자는 상기 외부 로드로 인가될 수 있다. 이에 따라, 전체적으로, 아래의 <화학식 3>과 같이 반응이 수행되어, 전력이 생산될 수 있다. Specifically, when hydrogen gas is supplied to the first
<화학식 1><
1/2O2 + H2O + 2e- -> 2OH- 1/2O 2 + H 2 O + 2e - -> 2OH -
<화학식 2><
H2 + 2OH- -> 2H2O + 2e- H 2 + 2OH - -> 2H 2 O + 2e -
<화학식 3><Formula 3>
H2 + 1/2O2 -> H2OH 2 + 1/2O 2 -> H 2 O
이하, 본 출원의 실시 예에 따른 연료 전지에 포함된 상기 산화 전극(100), 상기 음이온 교환 멤브레인(200), 및 상기 환원 전극(300)이 도 2 및 도 3을 참조하여 설명된다. Hereinafter, the
도 2는 본 출원의 실시 예에 따른 연료 전지에 포함된 음이온 교환 멤브레인 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 2 is a view for explaining an anion exchange membrane included in a fuel cell according to an embodiment of the present application and a method for manufacturing the same.
도 2를 참조하면, 키토산 유도체가 준비된다. 상기 키토산 유도체는, 키토산 전구체가 용매에 혼합된 것일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 키토산 유도체는, 키토산 염화물 및 용매에, 용해제를 첨가한 것일 수 있다. 이에 따라, 상기 키토산 염화물이 용매에 용이하게 용해될 수 있고, 후술되는 배지에 상기 키토산 유도체가 용이하게 제공되어 키토산이 결합된 셀룰로오스가 용이하게 제조될 수 있다. Referring to Figure 2, a chitosan derivative is prepared. The chitosan derivative may be a mixture of a chitosan precursor in a solvent. According to one embodiment, the chitosan derivative, chitosan chloride and a solvent, may be a solubilizing agent added. Accordingly, the chitosan chloride can be easily dissolved in a solvent, and the chitosan derivative can be easily provided in a medium to be described later, so that cellulose to which chitosan is bound can be easily prepared.
예를 들어, 상기 용매는 수성 아세트산일 수 있고, 상기 용해제는, glycidyltrimethylammonium chloride, (2-Aminoethyl)trimethylammonium chloride, (2-Chloroethyl)trimethylammonium chloride, (3-Carboxypropyl)trimethylammonium chloride, 또는 (Formylmethyl)trimethylammonium chloride 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. For example, the solvent may be aqueous acetic acid, and the solvent is glycidyltrimethylammonium chloride, (2-Aminoethyl)trimethylammonium chloride, (2-Chloroethyl)trimethylammonium chloride, (3-Carboxypropyl)trimethylammonium chloride, or (Formylmethyl)trimethylammonium chloride It may include at least one of them.
상기 키토산은 우수한 열 및 화학적 안정성을 가지며, 높은 이온 전도도를 갖고, OH 이온을 장기간 손실 없이 함유할 수 있다. 또한, 상기 연료 전지에 사용시 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)과 높은 호환성을 가질 수 있다. The chitosan has excellent thermal and chemical stability, has high ionic conductivity, and can contain OH ions without loss for a long period of time. In addition, it may have high compatibility with the
상기 키토산 유도체로부터, 셀룰로오스에 결합된 키토산이 생성된다. 상기 키토산이 결합된 상기 셀룰로오스가 생성되는 단계는, 상기 키토산 유도체를 갖는 배양 배지를 준비하는 단계, 및 상기 배양 배지 내에 박테리아 균주를 주입하고 배양하여, 키토산(214)이 결합된 셀룰로오스(212)를 포함하는 베이스 복합 섬유(210)를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 셀룰로오스(212)는 박테리아 셀룰로오스일 수 있다. From the chitosan derivative, chitosan bound to cellulose is produced. The step of producing the cellulose to which the chitosan is bound is a step of preparing a culture medium having the chitosan derivative, and injecting and culturing a bacterial strain in the culture medium, the
일 실시 예에 따르면, 상기 키토산(214)이 결합된 상기 셀룰로오스(212)는, 상기 배양 배지에서 박테리아 펠리클을 배양한 후, 상기 박테리아 펠리클을 탈염하여 제조될 수 있다. 상기 박테리아 펠리클은, 효모 및 박테리아 배양을 위한 원료들(예를 들어, 파인애플 주스, 펩톤, 디소듐포스페이트, 시트르산)과 함께 상기 키토산 유도체를 포함하는 배양 배지를 준비하고, 균주를 주입한 후, 배양하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 균주는 Acetobacter Xylinum일 수 있다. According to an embodiment, the
배양된 상기 박테리아 펠리클을 세척 및 건조한 후, 산성 용액(예를 들어, HCl)로 탈염하고, 중성화시킨 후 용매를 제거하여 상기 키토산(214)이 결합된 상기 셀룰로오스(212)를 포함하는 상기 베이스 복합 섬유(210)가 제조될 수 있다. 탈염 과정에서, 잔존된 Na, K, 또는 세포 차폐물 및 파편이 제거되어, 고순도의 상기 키토산(214)이 결합된 상기 셀룰로오스(212)가 제조될 수 있다. After washing and drying the cultured bacterial pellicle, desalting with an acidic solution (eg, HCl), neutralizing and removing the solvent. The base complex comprising the
또한, 상기 키토산(214)은 상기 셀룰로오스(212)와 화학적으로 결합할 수 있다. 이에 따라, 상기 키토산(214)이 결합된 상기 셀룰로오스(212)는, XPS 분석 시 C-N에 대응하는 신축진동이 관찰될 수 있다.In addition, the
일 실시 예에 따르면, 산화제를 이용하여 상기 키토산(214)이 결합된 상기 셀룰로오스(212)의 표면, 즉 상기 베이스 복합 섬유(210)의 표면이 산화되어, 제1 복합 섬유(210a)가 제조될 수 있다. According to an embodiment, the surface of the
구체적으로, 상기 제1 복합 섬유(210a)를 제조하는 단계는, 산화제를 포함하는 수용액에 상기 베이스 복합 섬유(210)를 첨가하여 소스 용액을 제조하는 단계, 상기 소스 용액의 pH를 염기성으로 조정하는 단계, 상기 소스 용액의 pH를 중성으로 조정하는 단계, 및 상기 소스 용액 내의 펄프를 세척하고 건조시켜 상기 제1 복합 섬유(210a)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. Specifically, the step of preparing the first
예를 들어, 상기 산화제를 포함하는 수용액은, TEMPO 수용액일 수 있다. 또는, 다른 예를 들어, 상기 산화제를 포함하는 수용액은, 4-Hydroxy-TEMPO, (Diacetoxyiodo)benzene, 4-Amino-TEMPO, 4-Carboxy-TEMPO, 4-Methoxy-TEMPO, TEMPO methacrylate, 4-Acetamido-TEMPO, 3-Carboxy-PROXYL, 4-Maleimido-TEMPO, 4-Hydroxy-TEMPO benzoate, 또는 4-Phosphonooxy-TEMPO 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. For example, the aqueous solution containing the oxidizing agent may be a TEMPO aqueous solution. Or, for another example, the aqueous solution containing the oxidizing agent is 4-Hydroxy-TEMPO, (Diacetoxyiodo)benzene, 4-Amino-TEMPO, 4-Carboxy-TEMPO, 4-Methoxy-TEMPO, TEMPO methacrylate, 4-Acetamido It may include at least one of -TEMPO, 3-Carboxy-PROXYL, 4-Maleimido-TEMPO, 4-Hydroxy-TEMPO benzoate, or 4-Phosphonooxy-TEMPO.
상기 소스 용액은, 상기 베이스 복합 섬유(210)의 산화 반응을 위한 희생 시약 및 추가 산화제가 더 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 희생 시약은, NaBr, sodium iodide, sodium bromate, Sodium bromite, Sodium borate, sodium chlorite, 또는 sodium chloride 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 상기 추가 산화제는, NaClO, potassium hypochlorite, Lithium hypochlorite, sodium chlorite, sodium chlorate, Perchloric acid, Potassium perchlorate, Lithium perchlorate, Tetrabutylammonium perchlorate, Zinc perchlorate, hydrogen peroxide, 또는 sodium peroxide 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. The source solution may further include a sacrificial reagent and an additional oxidizing agent for the oxidation reaction of the base
일 실시 예에 따르면, 상기 소스 용액의 pH를 염기성으로 조정하는 단계에서, 상기 소스 용액의 pH를 10으로 조정될 수 있다. 이에 따라, 침전물을 최소화시키면서 산화 반응을 용이하게 유도할 수 있고, pH 8~9인 반응 조건과 비교하여, 상기 제1 복합 섬유(210a)의 산화도가 향상될 수 있다. According to an embodiment, in the step of adjusting the pH of the source solution to be basic, the pH of the source solution may be adjusted to 10. Accordingly, the oxidation reaction can be easily induced while minimizing the precipitate, and the oxidation degree of the first
일 실시 예에 따르면, 상기 산화제를 포함하는 수용액에 상기 베이스 복합 섬유(210) 및 상기 희생 시약이 제공된 후, 상기 추가 산화제가 제공될 수 있다. 또한, 상기 추가 산화제는, 점적되어 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 베이스 복합 섬유(210)의 급격한 산화 현상이 방지될 수 있고, 결과적으로, 상기 베이스 복합 섬유(210)의 표면이 균일하게 안정적으로 산화될 수 있다. According to an embodiment, after the base
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 키토산(214)이 결합된 상기 셀룰로오스(212)의 표면에 브롬을 결합시키고 질소를 포함하는 제1 기능기(216)를 브롬과 치환시켜, 제2 복합 섬유(210b)가 제조될 수 있다. In addition, according to an embodiment, by binding bromine to the surface of the
상기 제1 기능기(216)는 아래의 <화학식 4>와 같이 표시될 수 있고, 상기 제1 기능기(216)는, 상기 키토산(214) 및/또는 상기 셀룰로오스(212)와 결합될 수 있다.The first
<화학식 4><Formula 4>
즉, 상기 제2 복합 섬유(210b)는, quaternary N을 가질 수 있다.That is, the second
구체적으로, 상기 제2 복합 섬유(210b)를 제조하는 단계는, 제1 용매에 상기 베이스 복합 섬유(210)를 분산시키고 브롬 소스를 첨가하여 제1 소스 용액을 제조하는 단계, 상기 제1 소스 용액에 커플링제를 첨가하고 반응시켜 반응 현탁액을 제조하는 단계, 상기 반응 현탁액을 여과, 세척 및 동결 건조하여 브롬화된 베이스 복합 섬유를 제조하는 단계, 상기 브롬화된 베이스 복합 섬유를 제2 용매에 분산시켜 제2 소스 용액을 제조하는 단계, 상기 제2 소스 용액에 상기 제1 기능기(216) 전구체를 첨가하고 반응시키는 단계, 반응된 용액을 여과, 세척, 및 동결 건조하여 상기 제2 복합 섬유(210b)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. Specifically, the step of preparing the second
예를 들어, 상기 제1 용매 및 상기 제2 용매는, 서로 동일할 수 있고, N, N-dimethylacetamide, Acetamide, Acetonitrile, ethanol, ethylenediamine, diethyl ether, 또는 benzaldehyde 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.For example, the first solvent and the second solvent may be the same as each other, and may include at least one of N, N-dimethylacetamide, Acetamide, Acetonitrile, ethanol, ethylenediamine, diethyl ether, or benzaldehyde.
예를 들어, 상기 브롬 소스는, LiBr, Sodium bromide, 또는 potassium bromide 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. For example, the bromine source may include at least one of LiBr, sodium bromide, and potassium bromide.
예를 들어, 상기 커플링제는, N-bromosuccinimide 및 triphenylphosphine를 포함할 수 있다. 상기 커플링제에 의해, 상기 베이스 복합 섬유(210)의 표면에 브롬이 용이하게 결합될 수 있다. 구체적으로, N-bromosuccinimide 내의 브롬은 상기 베이스 복합 섬유(210)와 결합되고, triphenylphosphine는 브롬 전구체(브롬 소슨 또는 N-bromosuccinimide)를 환원시켜 반응 속도를 향상시킬 수 있다. For example, the coupling agent may include N-bromosuccinimide and triphenylphosphine. Bromine may be easily coupled to the surface of the base
상술된 바와 같이, 상기 반응 현탁액에서 상기 브롬화된 베이스 복합 섬유를 수득한 후, 상기 브롬화된 베이스 복합 섬유는 동결 건조될 수 있다. 이에 따라, 상기 브롬화된 베이스 복합 섬유의 브롬의 손실이 최소화될 수 있고, 브롬이 다른 원소들과 2차 반응하는 것이 최소화될 수 있다. As described above, after obtaining the brominated base composite fiber in the reaction suspension, the brominated base composite fiber may be freeze-dried. Accordingly, loss of bromine in the brominated base composite fiber may be minimized, and secondary reaction of bromine with other elements may be minimized.
예를 들어, 상기 제1 기능기(216) 전구체는, 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane를 포함할 수 있다. For example, the precursor of the first
상기 키토산(214)이 결합된 상기 셀룰로오스(212)를 이용하여 상기 음이온 교환 멤브레인(200)이 제조될 수 있다. The
상기 음이온 교환 멤브레인(200)은, 상기 키토산(214)이 결합된 상기 셀룰로오스(212)를 포함하는 상기 베이스 복합 섬유(210)가 네트워크를 구성하는 멤브레인 형태로 제조될 수 있다. 이로 인해, 상기 음이온 교환 멤브레인(200)은 내부에 복수의 기공이 제공되고 높은 표면적을 가질 수 있으며, 유연성 및 기계적 특성이 우수할 수 있다.The
상기 음이온 교환 멤브레인(200)은, 결정질 상 및 비정질 상이 혼재된 상태일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 음이온 교환 멤브레인(200)은, 비정질 상의 비율이 결정질 상의 비율보다 높을 수 있다. 이에 따라, 상기 음이온 교환 멤브레인(200)이 고 이온 이동도를 가질 수 있다.The
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 복합 섬유(210a) 및 상기 제2 복합 섬유(210b)이용한 젤라틴 공정으로, 상기 음이온 교환 멤브레인(200)이 제조될 수 있다. 이 경우, 상기 음이온 교환 멤브레인(200)은, 상기 제1 복합 섬유(210a) 및 상기 제2 복합 섬유(210b)를 포함하되, 상기 제1 복합 섬유(210a) 및 상기 제2 복합 섬유(210b)는 서로 가교 결합될 수 있다. 상기 제1 복합 섬유(210a)에 의해 상기 음이온 교환 멤브레인(200) 내의 OH 이온의 수가 증가하고 이온 전도도가 향상될 수 있으며, 음전하 농도(negative charge density)가 증가하고 스웰링 저항성이 향상될 수 있다. 또한, 상기 제2 복합 섬유(210b)에 의해, 분자량이 증가되어 열적 안정성이 향상되고, 이온 교환능(ion exchange capacity)이 향상되어 높은 수분 함침율 및 높은 스웰링 저항성을 가질 수 있으며, 상기 제1 복합 섬유(210a)와 가교 결합력이 향상될 수 있고, 특정한 용매에 선택적으로 높은 용해도(ion discerning selectivity)를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 음이온 교환 멤브레인(200)을 포함하는 연료 전지의 전력 생성 효율 및 수명 특성이 향상될 수 있다.According to an embodiment, the
구체적으로, 상기 음이온 교환 멤브레인(200)을 제조하는 단계는, 상기 제1 복합 섬유(210a) 및 상기 제2 복합 섬유(210b)를 용매에 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계, 상기 혼합 용액에 가교제 및 개시제를 첨가하고 반응시켜 현탁액을 제조하는 단계, 상기 현탁액을 기판 상에 캐스팅하고 건조시켜 복합 섬유막을 제조하는 단계, 상기 복합 섬유막에 이온 교환 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. Specifically, preparing the
예를 들어, 상기 용매는, methylene chloride, 1,2-Propanediol, 및 아세톤의 혼합 용매를 포함할 수 있고, 상기 가교제는 glutaraldehyde를 포함할 수 있고, 상기 개시제는 N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide를 포함할 수 있다. For example, the solvent may include a mixed solvent of methylene chloride, 1,2-Propanediol, and acetone, the crosslinking agent may include glutaraldehyde, and the initiator may include N,N-Diethyl-N-methyl -N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide may be included.
또한, 예를 들어, 상기 복합 섬유막에 대한 이온 교환 공정은, 상기 복합 섬유막에 KOH 수용액 및 ZnTFSI 수용액을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 이로 인해, 상기 음이온 교환 멤브레인 내에 OH 이온 함량이 향상될 수 있다. Also, for example, the ion exchange process for the composite fiber membrane may include providing an aqueous KOH solution and an aqueous ZnTFSI solution to the composite fiber membrane. Due to this, the OH ion content in the anion exchange membrane may be improved.
상술된 바와 같이, 본 출원의 실시 예에 따르면, 상기 음이온 교환 멤브레인(200)은, 상기 베이스 복합 섬유(210), 상기 제1 복합 섬유(210a), 또는 상기 제2 복합 섬유(210b) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 멤브레인을 포함할 수 있다. As described above, according to the embodiment of the present application, the
상기 음이온 교환 멤브레인(200) 내에서, 상기 키토산(214)의 비율은, 상기 배양 배지 내에 제공되는 상기 키토산 유도체의 함량에 따라서 용이하게 제어될 수 있다. 상기 키토산(214)의 비율에 따라서, 상기 음이온 교환 멤브레인(200)의 결정성, 이온 전도도, 및 스웰링 비율이 제어될 수 있다. 구체적으로, 상기 키토산(214)의 비율이 증가할수록, 상기 음이온 교환 멤브레인(200)의 결정성이 점차적으로 감소될 수 있다. In the
일 실시 예에 따르면, 상기 키토산(214)의 함량은 30wt% 초과 70wt% 미만일 수 있다. 만약, 상기 키토산(214)의 함량이 30wt% 이하이거나, 또는 70wt% 이상인 경우, 상기 음이온 교환 멤브레인의 이온 전도도가 현저하게 저하되고, 스웰링 비율이 현저하게 증가할 수 있다. According to one embodiment, the content of the
하지만, 본 출원의 실시 예에 따르면, 상기 음이온 교환 멤브레인(200) 내에서 상기 키토산(214)의 비율이 30wt% 초과 70wt% 미만일 수 있고, 이로 인해, 상기 음이온 교환 멤브레인(200)이 고 이온 전도도 특성을 유지하면서, 낮은 스웰링 비율 값을 가질 수 있다.However, according to an embodiment of the present application, the proportion of the
도 3은 본 출원의 실시 예에 따른 연료 전지에 포함된 산화/환원 전극 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 3 is a view for explaining an oxidation/reduction electrode included in a fuel cell according to an embodiment of the present application and a method of manufacturing the same.
도 3을 참조하면, 도 1을 참조하여 설명된 상기 산화 전극(100) 또는 상기 환원 전극(300) 중에서 적어도 어느 하나는, 전이금속, 칼코겐 원소, 및 인의 화합물로 형성될 수 있다. 이하, 상기 산화 전극(100) 또는 상기 환원 전극(300), 및 그 제조 방법이 설명된다. Referring to FIG. 3 , at least one of the
칼코겐 원소를 갖는 제1 전구체, 인을 갖는 제2 전구체, 전이금속을 갖는 제3 전구체가 준비될 수 있다.A first precursor having a chalcogen element, a second precursor having phosphorus, and a third precursor having a transition metal may be prepared.
일 실시 예에 따르면, 상기 칼코겐 원소는, 황을 포함할 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 상기 제1 전구체는, dithiooxamide, Dithiobiuret, Dithiouracil, Acetylthiourea, Thiourea, N-methylthiourea, Bis(phenylthio)methane, 2-Imino-4-thiobiuret, N,N′, Ammonium sulfide, Methyl methanesulfonate, Sulfur powder, sulphates, N,N-Dimethylthioformamide, 또는 Davy Reagent methyl 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the chalcogen element may include sulfur. In this case, for example, the first precursor is dithiooxamide, Dithiobiuret, Dithiouracil, Acetylthiourea, Thiourea, N-methylthiourea, Bis(phenylthio)methane, 2-Imino-4-thiobiuret, N,N′, Ammonium sulfide, Methyl It may include at least one of methanesulfonate, sulfur powder, sulphates, N,N-Dimethylthioformamide, or Davy Reagent methyl.
또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 칼코겐 원소는, 산소, 셀레늄, 또는 텔루륨 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.Alternatively, according to another embodiment, the chalcogen element may include at least one of oxygen, selenium, or tellurium.
예를 들어, 상기 제2 전구체는, tetradecylphosphonic acid, ifosfamide, Octadecylphosphonic acid, Hexylphosphonic acid, Trioctylphosphine, Phosphoric acid, Triphenylphosphine, Ammonium Phosphide, pyrophosphates, Davy Reagent methyl, Cyclophosphamide monohydrate, Phosphorus trichloride, Phosphorus(V) oxychloride, Thiophosphoryl chloride, Phosphorus pentachloride, 또는 Phosphorus pentasulfide 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. For example, the second precursor is tetradecylphosphonic acid, ifosfamide, Octadecylphosphonic acid, Hexylphosphonic acid, Trioctylphosphine, Phosphoric acid, Triphenylphosphine, Ammonium Phosphide, pyrophosphates, Davy Reagent methyl, Cyclophosphamide monohydrate, Phosphorus (V methyl, Cyclophosphamide) triphosphoryl, Phosphorus. It may include at least one of chloride, Phosphorus pentachloride, or Phosphorus pentasulfide.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전구체는 인을 포함하는 서로 다른 이종이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전구체로, tetradecylphosphonic acid 및 ifosfamide이 1:1(M%)로 혼합된 혼합물이 사용될 수 있다. 이에 따라, 상기 전이금속, 인, 및 상기 칼코겐 원소의 화학 양론비가 1:1:1로 제어될 수 있다. 결과적으로, 본 출원의 실시 예에 따른 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)이 코벨라이트(covellite) 구조를 가질 수 있고, 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)의 전기 화학적 특성이 향상될 수 있다. According to an embodiment, different heterogeneous species including phosphorus may be used as the second precursor. For example, as the second precursor, a mixture of tetradecylphosphonic acid and ifosfamide 1:1 (M%) may be used. Accordingly, the stoichiometric ratio of the transition metal, phosphorus, and the chalcogen element can be controlled to 1:1:1. As a result, the
일 실시 예에 따르면, 상기 전이금속은 구리를 포함할 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 상기 제3 전구체는, copper chloride, copper(II) sulfate, copper(II) nitrate, copper selenide, copper oxychloride, cupric acetate, copper carbonate, copper thiocyanate, copper sulfide, copper hydroxide, copper naphthenate, 또는 copper(II) phosphate 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the transition metal may include copper. In this case, for example, the third precursor is copper chloride, copper(II) sulfate, copper(II) nitrate, copper selenide, copper oxychloride, cupric acetate, copper carbonate, copper thiocyanate, copper sulfide, copper hydroxide, copper It may include at least one of naphthenate, or copper(II) phosphate.
또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 전이금속은 마그네슘, 망간, 코발트, 철, 니켈, 티타늄, 아연, 알루미늄, 또는 주석 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. Alternatively, according to another embodiment, the transition metal may include at least one of magnesium, manganese, cobalt, iron, nickel, titanium, zinc, aluminum, and tin.
상기 제1 전구체, 상기 제2 전구체, 및 상기 제3 전구체를 혼합하고, 제1 환원제를 첨가하여 혼합물이 제조될 수 있다. A mixture may be prepared by mixing the first precursor, the second precursor, and the third precursor, and adding a first reducing agent.
상기 제1 전구체, 상기 제2 전구체, 및 상기 제3 전구체는, 용매에 혼합된 후, 상기 제1` 환원제가 첨가될 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는, 에탄올 및 에틸렌디아민의 혼합물일 수 있다. 또는, 다른 예를 들어, 상기 용매는, 에탄올 및 톨루엔의 혼합물일 수 있다. After the first precursor, the second precursor, and the third precursor are mixed in a solvent, the first reducing agent may be added. For example, the solvent may be a mixture of ethanol and ethylenediamine. Alternatively, as another example, the solvent may be a mixture of ethanol and toluene.
일 실시 예에 따르면, 상기 용매의 종류, 및 혼합 비율에 따라서, 후술되는 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)의 결정면의 방향이 제어될 수 있다. 다시 말하면, 상기 용매의 종류 및 혼합 비율에 따라서, 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)에서 (101) 결정면의 발달 여부가 제어될 수 있고, 이로 인해, 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)의 전기 화학적 특성이 제어될 수 있다. According to one embodiment, according to the type and mixing ratio of the solvent, the direction of the crystal plane of the
본 출원의 실시 예에 따르면, 후술되는 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)에서 (101) 결정면이 발달될 수 있도록, 상기 용매가 선택될 수 있고(예를 들어, 에탄올 및 에틸렌디아민의 1:3 부피비 혼합), 이로 인해, 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)의 전기 화학적 특성(예를 들어, ORR, OER, HER)이 향상될 수 있다. According to an embodiment of the present application, the solvent may be selected so that a (101) crystal plane can be developed in the
상기 용매에, 상기 제1 전구체, 상기 제2 전구체, 및 상기 제3 전구체가 혼합된 후, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 핵 생성 및 결정화가 진행될 수 있다. After the first precursor, the second precursor, and the third precursor are mixed in the solvent, nucleation and crystallization may proceed as shown in FIG. 3A .
예를 들어, 상기 제1 환원제는, Ammonium hydroxide, Ammonium chloride, 또는 Tetramethylammonium hydroxide 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. For example, the first reducing agent may include at least one of Ammonium hydroxide, Ammonium chloride, and Tetramethylammonium hydroxide.
상기 제1 전구체, 상기 제2 전구체, 상기 제3 전구체, 상기 제1 환원제, 및 상기 용매를 포함하는 상기 혼합물을 공침시켜, 복수의 줄기를 포함하는 중간 생성물이 제조될 수 있다. An intermediate product including a plurality of stems may be prepared by co-precipitating the mixture including the first precursor, the second precursor, the third precursor, the first reducing agent, and the solvent.
상기 혼합물은 열처리되어, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 중간 생성물이 형성될 수 있다. 상기 중간 생성물은, 복수의 줄기를 가질 수 있고, 상기 복수의 줄기는 서로 네트워크를 구성할 수 있다. The mixture may be heat treated to form an intermediate product, as shown in FIG. 3(b) . The intermediate product may have a plurality of stems, and the plurality of stems may constitute a network with each other.
예를 들어, 상기 제1 환원제가 첨가된 상기 혼합물은, 120℃에서 환류(reflux) 열처리된 후, 탈이온수 및 에탄올로 세척될 수 있다. For example, the mixture to which the first reducing agent is added may be reflux heat treated at 120° C., and then washed with deionized water and ethanol.
상기 제1 환원제는 열처리되는 동안, 환원제의 기능을 수행하는 동시에, pH를 유지시키고 반응속도를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 복수의 줄기를 갖는 상기 중간 생성물이 용이하게 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 전이금속이 구리이고, 상기 칼코겐 원소가 황인 경우, 상기 중간 구조체는, 코벨라이트 결정 구조의 CuPS일 수 있다. The first reducing agent may perform the function of the reducing agent while heat-treating, maintain pH and increase the reaction rate. Accordingly, the intermediate product having the plurality of stems can be easily prepared. For example, when the transition metal is copper and the chalcogen element is sulfur, the intermediate structure may be CuPS having a cobelite crystal structure.
상기 중간 생성물에 제2 환원제를 첨가하고 가압 열처리하는 방법으로, 상기 복수의 줄기에서 복수의 가지를 분기시켜, 상기 전이금속, 상기 칼코겐 원소, 및 인을 포함하는 피브릴화된 복수의 섬유가 제조될 수 있다. In a method of adding a second reducing agent to the intermediate product and heat-treating under pressure, a plurality of fibrillated fibers including the transition metal, the chalcogen element, and phosphorus are obtained by branching a plurality of branches from the plurality of stems. can be manufactured.
일 실시 예에 따르면, 탈이온수에, 상기 중간 생성물 및 상기 제2 환원제가 첨가된 후, 가압 열처리 공정이 수행될 수 있다. According to an embodiment, after the intermediate product and the second reducing agent are added to deionized water, a pressure heat treatment process may be performed.
예를 들어, 상기 제2 환원제는, Triton X-165, Triton X-102, Triton X-45, Triton X-114 Triton X-405, Triton X-101, Trimesic acid, Diamide, Peroxynitrite, formaldehyde, Thimerosal, 또는 chloramine-T 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. For example, the second reducing agent is, Triton X-165, Triton X-102, Triton X-45, Triton X-114 Triton X-405, Triton X-101, Trimesic acid, Diamide, Peroxynitrite, formaldehyde, Thimerosal, Or it may include at least one of chloramine-T.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 환원제와 함께, 상기 칼코겐 원소를 포함하는 칼코겐 원소 공급원이 더 첨가될 수 있다. 이로 인해, 반응 과정에서 손실되는 상기 칼코겐 원소가 상기 칼코겐 원소 공급원에 의해 보충되어, 후술되는 피브릴화된 복수의 섬유가 네트워크를 구성하는 스폰지 구조의 상기 전극 구조체가 용이하게 형성될 수 있다. According to an embodiment, together with the second reducing agent, a chalcogen element source including the chalcogen element may be further added. Due to this, the chalcogen element lost in the reaction process is supplemented by the chalcogen element source, the electrode structure of a sponge structure in which a plurality of fibrillated fibers to be described later constitute a network can be easily formed .
예를 들어, 상기 칼코겐 원소가 황인 경우, 상기 칼코겐 원소 공급원은 sodium bisulfite, Sodium sulfate, sodium sulfide, Sodium thiosulfate, Sodium thiomethoxide, Sodium ethanethiolate, 또는 Sodium methanethiolate 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. For example, when the chalcogen element is sulfur, the chalcogen element source may include at least one of sodium bisulfite, sodium sulfate, sodium sulfide, sodium thiosulfate, sodium thiomethoxide, sodium ethanethiolate, or sodium methanethiolate.
탈이온수에 상기 중간 생성물 및 상기 제2 환원제가 혼합되는 과정은, 냉각된 상태에서 수행될 수 있다. 상기 제2 환원제가 첨가되는 과정에서 발생된 열에 의해 반응 속도가 과도하게 증가되는 것이 방지될 수 있고, 이로 인해, 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)의 전기 화학적 특성이 향상될 수 있다. The process of mixing the intermediate product and the second reducing agent in deionized water may be performed in a cooled state. It can be prevented that the reaction rate is excessively increased by the heat generated in the process of adding the second reducing agent, thereby improving the electrochemical properties of the
상술된 바와 같이, 상기 중간 생성물에 제2 환원제를 첨가하고 가압 열처리되어, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 줄기에서 복수의 가지가 분기될 수 있고, 이로 인해, 피브릴화된 복수의 섬유가 네트워크를 구성하는 스폰지 구조의 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)이 형성될 수 있다.As described above, by adding a second reducing agent to the intermediate product and heat-treating under pressure, a plurality of branches may be branched from the plurality of stems, as shown in FIG. The oxidized
스폰지 구조의 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)은, 탈이온수 및 에탄올로 세척된 후, 액체 질소에 침지될 수 있다. 이로 인해, 스폰지 구조의 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)의 기계적 특성 및 유연성이 향상될 수 있다. The oxidizing
또한, 액체 질소에 침지된 후, 스폰지 구조의 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)은 동결 건조되어, 잔존된 용매들이 제거되어, 2차 반응이 최소화될 수 있다. In addition, after being immersed in liquid nitrogen, the oxidizing
상기 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)은, 상술된 바와 같이, 상기 복수의 줄기에서 상기 복수의 가지가 분기된, 피브릴화된 상기 복수의 섬유가 네트워크를 구성하는 스폰지 구조의 멤브레인을 포함할 수 있다. 이로 인해, 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)은 1~2nm 크기의 기공이 복수로 제공된 다공성 구조를 가지며, 플렉시블할 수 있다. The
상기 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300) 및 상기 음이온 교환 멤브레인(200)과 함께 연료 전지의 전극으로 사용될 수 있다. It may be used as an electrode of a fuel cell together with the
또한, 상술된 바와 같이, 상기 제1 전구체, 상기 제2 전구체, 및 상기 제3 전구체와 함께 혼합되는 상기 용매의 종류 및 비율이 제어되어, 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)에서 (101) 결정면이 발달될 수 있다. 이에 따라, 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)에 대한 XRD 분석 시, (101) 결정면에 대응하는 피크 값이, 다른 결정면에 대응하는 피크 값과 비교하여, 최대 값을 가질 수 있다. XRD 측정 시, (101) 결정면에 대응하는 피크 값은 2θ 값이 19°~21°인 범위에서 관찰될 수 있다. In addition, as described above, the type and ratio of the solvent mixed with the first precursor, the second precursor, and the third precursor is controlled, in the
상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)을 구성하는 상기 복수의 섬유는 상기 전이금속, 인, 및 상기 칼코겐 원소의 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전이 금속이 구리이고, 상기 칼코겐 원소가 산소이 경우, 상기 섬유는, 아래의 <화학식 5>로 표시될 수 있다. The plurality of fibers constituting the
<화학식 5><
CuPxSy CuP x S y
상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)을 구성하는 상기 섬유가 상기 <화학식 5>와 같이 표시되는 경우, x+y=1, 0.3≤x≤0.7, 0.3≤y≤0.7일 수 있다. When the fibers constituting the
만약, 상기 <화학식 5>에서, x가 0.3 미만이거나 0.7 초과이고, y가 0.3 미만이거나 0.7 초과인 경우, 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)의 ORR, OER, 및 HER 특성이 저하될 수 있다. If, in <
하지만, 본 출원의 실시 예에 따르면, 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)이 CuPxSy로 표시되는 경우, P의 조성비는 0.3 이상 0.7 이하일 수 있고, S의 조성비는 0.3 이상 0.7 이하일 수 있다. 이에 따라, 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)의 ORR, OER, 및 HER 특성이 향상될 수 있고, 이에 따라, 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)을 포함하는 연료 전지의 효율이 향상될 수 있다. However, according to the embodiment of the present application, when the
본 출원의 실시 예에 따르면, 상기 칼코겐 원소를 갖는 상기 제1 전구체, 인을 갖는 상기 제2 전구체, 및 상기 전이금속을 갖는 상기 제3 전구체를 혼합하고 공침 및 가압 열처리하는 방법으로, 피브릴화된 상기 복수의 섬유가 네트워크를 이루는 멤브레인 형태의 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)이 제조될 수 있다. According to an embodiment of the present application, in a method of mixing the first precursor having the chalcogen element, the second precursor having phosphorus, and the third precursor having the transition metal, and co-precipitating and heat treatment under pressure, fibrils The
높은 전기 화학적 특성을 갖는 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)이 저렴한 방법으로 제조될 수 있다. The
또한, 상기 산화 전극(100) 및 상기 환원 전극(300)은 공침 및 가압 열처리로 제조되어, 대량 생산이 용이하고 제조 공정이 간소화된, 연료 전지용 전극이 제조될 수 있다. In addition, the
실험 예 1-1에 따른 베이스 복합 섭유(CBC) 제조Preparation of base complex feeding oil (CBC) according to Experimental Example 1-1
박테리아 균주로 Acetobacter xylinum을 준비하고, 키토산 유도체를 준비하였다. 키토산 유도체는, 1g의 키토산 염화물(chitosan chloride)을 1%(v/v)의 수성 아세트산에 용해시킨 현탁액을 1M의 글리시딜 트리메틸암모늄클로라이드(glycidyltrimethylammonium chloride)로 N2 분위기에서 65℃에서 24시간 동안 처리한 후, 침전시키고 에탄올로 복수회 여과시켜 제조하였다. Acetobacter xylinum was prepared as a bacterial strain, and a chitosan derivative was prepared. The chitosan derivative is a suspension of 1 g of chitosan chloride dissolved in 1% (v/v) aqueous acetic acid with 1 M glycidyltrimethylammonium chloride in N2 atmosphere at 65° C. for 24 hours. After treatment, it was prepared by precipitation and filtration multiple times with ethanol.
파인애플 주스(2% w/v), 효모(0.5% w/v), 펩톤(0.5% w/v), 디소듐포스페이트(0.27% w/v), 시트르산(0.015% w/v), 및 상기 키토산 유도체(2% w/v)를 포함하는 Hestrin-Schramm(HS) 배양 배지를 준비하고, 20 분 동안 121℃에서 증기 멸균시켰다. 또한, Acetobacter xylinum을 전-배양(pre-cultivation) Hestrin-Schramm(HS) 배양 배지에서 30 ℃에서 24 시간 동안 활성화시킨 후, 아세트산을 첨가하여 pH 6으로 유지시켰다.Pineapple juice (2% w/v), yeast (0.5% w/v), peptone (0.5% w/v), disodium phosphate (0.27% w/v), citric acid (0.015% w/v), and the above A Hestrin-Schramm (HS) culture medium containing a chitosan derivative (2% w/v) was prepared and steam sterilized at 121° C. for 20 minutes. In addition, Acetobacter xylinum was activated in a pre-cultivation Hestrin-Schramm (HS) culture medium at 30° C. for 24 hours, and then maintained at
이후, Acetobacter xylinum을 Hestrin-Schramm(HS) 배양 배지에서 30 ℃에서 7 일 동안 배양하였다. Then, Acetobacter xylinum was cultured in Hestrin-Schramm (HS) culture medium at 30 °C for 7 days.
수확된 박테리아 펠리클(pellicle)을 탈 이온수로 세척하여 상청액의 pH를 중성화시키고, 105℃ 진공에서 탈수시켰다. 생성된 셀룰로오스를 1 N HCl을 이용하여 30 분 동안 탈염(demineralized)하여(질량비 1:15, w/v) 과량의 시약을 제거한 다음, 상청액이 중성 pH가 될 때까지 탈 이온수를 이용하여 복수회 원심 분리하여 정제하였다. 최종적으로, 모든 용매를 100 ℃에서 증발시킨 후 실험 예에 따른 베이스 복합 섬유(키토산-박테리아 셀룰로오스(CBC))를 제조하였다.The harvested bacterial pellicles were washed with deionized water to neutralize the pH of the supernatant and dehydrated in vacuum at 105°C. The resulting cellulose was demineralized with 1 N HCl for 30 minutes (mass ratio 1:15, w/v) to remove excess reagent, and then using deionized water several times until the supernatant became neutral pH. It was purified by centrifugation. Finally, after evaporating all solvents at 100 °C, the base composite fiber (chitosan-bacterial cellulose (CBC)) according to the experimental example was prepared.
실험 예 1-2에 따른 제1 복합 섬유(oCBC) 제조Preparation of first composite fiber (oCBC) according to Experimental Example 1-2
도 4는 본 출원의 실험 예 1-2에 따른 제1 복합 섬유의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a view for explaining a manufacturing process of a first composite fiber according to Experimental Example 1-2 of the present application.
상기 베이스 복합 섬유의 표면이 산화된 제1 복합 섬유(TEMPO-산화된 CBC(oCBCs))는, 도 4에 도시된 바와 같이, 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl(TEMPO), 브롬화나트륨(NaBr), 및 하이포염소산나트륨(NaClO)을 사용하는 산화반응에 의해, 히드록시메틸(hydroxymethyl) 및 ortho-para directing acetamido 베이스 복합 섬유(CBC)를 TEMPO의 산화물에 컨쥬게이션(conjugation)하는 방법으로 설계되었다. The first composite fibers (TEMPO-oxidized CBCs (oCBCs)) on which the surface of the base composite fibers are oxidized, 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO), By oxidation using sodium bromide (NaBr) and sodium hypochlorite (NaClO), hydroxymethyl and ortho-para directing acetamido-based composite fibers (CBC) were conjugated to the oxide of TEMPO. designed in this way.
구체적으로, 2mM TEMPO 수용액에 분산된 2g의 베이스 복합 섬유 섬유를 NaBr (1.9mM)과 반응시켰다. 5mM의 NaClO를 추가 산화제로 사용하였다. Specifically, 2 g of the base composite fiber fibers dispersed in 2 mM TEMPO aqueous solution were reacted with NaBr (1.9 mM). 5 mM NaClO was used as an additional oxidizing agent.
반응 현탁액을 초음파로 교반하고, 실온에서 3 시간 동안 반응을 진행시켰다. 0.5M NaOH 용액을 연속적으로 첨가함으로써 현탁액의 pH가 10을 유지하도록 하였다. 이어서, 현택액에 1N HCl을 첨가하여 3시간 동안 pH를 중성으로 유지시켰다. 현탁액 내에 생성된 산화된 펄프를 0.5 N HCl을 이용하여 3 회 세척하고, 탈이온수를 이용하여 상청액이 중성 pH가 되도록 하였다. The reaction suspension was stirred ultrasonically, and the reaction was allowed to proceed at room temperature for 3 hours. The pH of the suspension was maintained at 10 by continuous addition of 0.5M NaOH solution. Then, 1N HCl was added to the suspension to keep the pH neutral for 3 hours. The resulting oxidized pulp in the suspension was washed 3 times with 0.5 N HCl, and the supernatant was brought to neutral pH with deionized water.
세정된 펄프를 30 분 동안 아세톤, 톨루엔으로 교환하고 건조시켜 용매를 증발시키고, 최종적으로, 제1 복합 섬유(oCBC) 섬유를 수득하였다.The washed pulp was exchanged with acetone, toluene for 30 minutes and dried to evaporate the solvent, and finally, a first composite fiber (oCBC) fiber was obtained.
도 4에서 알 수 있듯이, 상기 베이스 복합 섬유의 표면이 산화될 수 있다. As can be seen from FIG. 4 , the surface of the base composite fiber may be oxidized.
실험 예 1-3에 따른 제2 복합 섬유(qCBC) 제조Preparation of the second composite fiber (qCBC) according to Experimental Example 1-3
도 5는 본 출원의 실험 예 1-3에 따른 제2 복합 섬유의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다. 5 is a view for explaining a manufacturing process of a second composite fiber according to Experimental Examples 1-3 of the present application.
상기 베이스 복합 섬유에 질소를 갖는 제1 기능기가 결합된 제2 복합(Covalently quaternized CBC(qCBC))는, 도 5에 도시된 바와 같이, 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane을 이용한 커플링제에 의한 브롬화된 베이스 복합 섬유(CBC) 및 4차 아민 그룹의 컨쥬게이션(conjugation)하는 방법으로 제조되었다. A second composite (Covalently quaternized CBC (qCBC)) in which a first functional group having nitrogen is bonded to the base composite fiber is, as shown in FIG. 5, a coupling agent using 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane It was prepared by a method of conjugation of a brominated base composite fiber (CBC) and a quaternary amine group by
구체적으로, N, N-dimethylacetamide(35ml) 용액에 분산된 1g의 베이스 복합 섬유를 LiBr(1.25g) 현탁액과 30분 동안 교반하면서 반응시켰다. N-bromosuccinimide(2.1 g) 및 triphenylphosphine(3.2 g)을 커플링제로 사용하였다. 두 반응 혼합물을 10 분 동안 교반하고, 60분 동안 80℃에서 반응시켰다. Specifically, 1 g of the base composite fiber dispersed in N,N-dimethylacetamide (35 ml) solution was reacted with a LiBr (1.25 g) suspension with stirring for 30 minutes. N-bromosuccinimide (2.1 g) and triphenylphosphine (3.2 g) were used as coupling agents. The two reaction mixtures were stirred for 10 minutes and reacted at 80° C. for 60 minutes.
이어서, 반응 현탁액을 실온으로 냉각시키고 탈 이온수에 첨가하고, 여과하고, 탈 이온수 및 에탄올로 린싱하고, 동결 건조하여 브롬화된 베이스 복합 섬유(bCBC) 섬유를 수득하였다. The reaction suspension was then cooled to room temperature and added to deionized water, filtered, rinsed with deionized water and ethanol, and freeze-dried to obtain brominated base conjugate fiber (bCBC) fibers.
브롬화된 베이스 복합 섬유를 100 ml의 N, N-dimethylformamide에 용해시키고, 1.2 g의 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane와 반응시켰다. The brominated base composite fiber was dissolved in 100 ml of N,N-dimethylformamide and reacted with 1.2 g of 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane.
이후, 혼합물을 30 분 동안 초음파 처리한 후, 실온에서 24시간 동안 반응시켰다. 생성된 용액을 diethyl ether에 혼합하고, diethyl ether/ethyl acetate로 5 회 세척하고 동결 건조시켜 제2 복합 섬유(Covalently quaternized CBC(qCBC))를 수득하였다.Thereafter, the mixture was sonicated for 30 minutes and then reacted at room temperature for 24 hours. The resulting solution was mixed with diethyl ether, washed with diethyl ether/
도 5에서 알 수 있듯이, 상기 베이스 복합 섬유의 표면에 질소를 갖는 제1 기능기가 결합된 것을 확인할 수 있다.As can be seen from FIG. 5 , it can be confirmed that the first functional group having nitrogen is bonded to the surface of the base composite fiber.
실험 예 1-4 내지 실험 예 1-8에 따른 음이온 교환 멤브레인(CBCs) 제조Preparation of anion exchange membranes (CBCs) according to Experimental Examples 1-4 to Experimental Examples 1-8
도 6은 본 출원의 실험 예에 따른 음이온 교환 멤브레인의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 6 is a view for explaining a method of manufacturing an anion exchange membrane according to an experimental example of the present application.
음이온 교환 멤브레인은, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1 복합 섬유(oCBC) 및 상기 제2 복합 섬유(qCBC)를 이용한 젤라틴 공정으로 제조되었다. 구체적으로, 초음파를 이용하여 상기 제1 복합 섬유(oCBC) 및 상기 제2 복합 섬유(qCBC)를 동일한 무게 비율로 methylene chloride 및 1,2-Propanediol 및 아세톤의 혼합물(8:1:1 v/v/v%)에 용해시키고, 가교제로 1wt%의 glutaraldehyde 및 개시제로 0.3wt%의 N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide를 첨가하였다. As shown in FIG. 6 , the anion exchange membrane was prepared by a gelatin process using the first composite fiber (oCBC) and the second composite fiber (qCBC). Specifically, the first composite fiber (oCBC) and the second composite fiber (qCBC) were mixed with methylene chloride and 1,2-Propanediol and acetone in the same weight ratio using ultrasound (8:1:1 v/v). /v%), 1wt% of glutaraldehyde as a crosslinking agent and 0.3wt% of N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide as an initiator were added.
진공 챔버 (200 Pa)를 이용하여 겔 현탁액의 기포를 제거하고, 60 ℃에서 6 시간 동안 유리 상에 캐스팅하였다. 복합 섬유막을 탈 이온수로 응고시키면서 박리하고, 탈 이온수로 헹구고, 진공 건조시켰다. A vacuum chamber (200 Pa) was used to remove air bubbles from the gel suspension and cast on glass at 60° C. for 6 hours. The composite fiber membrane was peeled off while coagulated with deionized water, rinsed with deionized water, and vacuum dried.
1 M KOH 수용액 및 0.1 M ZnTFSI으로 상온에서 각각 6시간 동안 이온 교환하여 음이온 교환 멤브레인(CBCs)을 제조하였다. 이 후, CO2와 반응 및 카보네이트 형성을 피하기 위해, N2 분위기에서 탈이온수로 세척 및 침지 공정이 수행되었다.Anion exchange membranes (CBCs) were prepared by ion exchange with 1 M KOH aqueous solution and 0.1 M ZnTFSI at room temperature for 6 hours, respectively. Thereafter, in order to avoid reaction and carbonate formation with CO 2 , washing and immersion processes were performed with deionized water in an N 2 atmosphere.
도 6에서 확인할 수 있듯이, 상기 제1 복합 섬유(oCBC) 및 상기 제2 복합 섬유(qCBC)는 서로 가교 결합되어 상기 음이온 교환 멤브레인(CBCs)를 구성하는 것을 확인할 수 있다. 상기 음이온 교환 멤브레인(CBCs)의 가교된 상기 제1 복합 섬유(oCBC) 및 상기 제2 복합 섬유(qCBC)의 표면에서는 OH 이온이 호핑(hopping, 그로투스 이동(grotthuss transport))하며, 상기 제1 복합 섬유 및 상기 제2 복합 섬유의 표면에서 이격된 내부에서는 확산을 통해 이동할 수 있다. 또한, 상기 음이온 교환 멤브레인(CBCs)는 비정질 상을 가질 수 있고, 이로 인해, 결정질 구조와 비교하여 높은 이온 전도도를 가질 수 있다.As can be seen in FIG. 6 , it can be confirmed that the first conjugated fibers (oCBC) and the second conjugated fibers (qCBC) are cross-linked with each other to constitute the anion exchange membranes (CBCs). On the surfaces of the crosslinked first composite fibers (oCBC) and the second composite fibers (qCBC) of the anion exchange membranes (CBCs), OH ions hop (hopping, grottos transport), and the first The interior spaced apart from the surface of the composite fiber and the second composite fiber may move through diffusion. In addition, the anion exchange membranes (CBCs) may have an amorphous phase, and thus may have high ionic conductivity compared to a crystalline structure.
상기 음이온 교환 멤브레인(CBCs)의 제조 과정에서, 상기 제1 복합 섬유(oCBC) 및 상기 제2 복합 섬유(qCBC)의 비율을 아래의 <표 1>와 같이 조절하였다. In the manufacturing process of the anion exchange membranes (CBCs), the ratio of the first conjugated fiber (oCBC) and the second conjugated fiber (qCBC) was adjusted as shown in Table 1 below.
실험 예 1-9 내지 실험 예 1-13에 따른 음이온 교환 멤브레인 제조Preparation of anion exchange membranes according to Experimental Examples 1-9 to Experimental Examples 1-13
상술된 실험 예 1-1에 따라서 베이스 복합 섬유를 제조하되, 키토산 유도체의 첨가 비율을 조절하여 키토산 함량이 서로 다른 베이스 복합 섬유를 제조하였다. 이후, 상술된 실험 예 1-6에 따라서 키토산 함량이 서로 다른 베이스 복합 섬유를 이용하여, <표 2>와 같이 실험 예 1-9 내지 실험 예 1-13에 따른 음이온 교환 멤브레인을 제조하였다.Base composite fibers were prepared according to Experimental Example 1-1 described above, but the base composite fibers having different chitosan contents were prepared by adjusting the addition ratio of the chitosan derivative. Thereafter, anion exchange membranes according to Experimental Examples 1-9 to 1-13 were prepared as shown in <Table 2> by using the base composite fibers having different chitosan contents according to Experimental Examples 1-6 described above.
실험 예 2에 따른 전극 제조Electrode manufacturing according to Experimental Example 2
황을 갖는 제1 전구체로 dithiooxamide을 준비하고, 인을 갖는 제2 전구체로 tetradecylphosphonic acid 및 ifosfamide의 혼합물(1:1M%)을 준비하고, 구리를 갖는 제3 전구체로 copper chloride를 준비하고, 용매로 에탄올 및 에틸렌디아민의 혼합물(1:3v/v%)을 준비하였다. Prepare dithiooxamide as a first precursor having sulfur, prepare a mixture (1:1 M%) of tetradecylphosphonic acid and ifosfamide as a second precursor having phosphorus, prepare copper chloride as a third precursor having copper, and prepare as a solvent A mixture of ethanol and ethylenediamine (1:3v/v%) was prepared.
제1 내지 제3 전구체를 용매에 첨가한 후, 교반하여 현탁액을 제조하였다. After the first to third precursors were added to the solvent, a suspension was prepared by stirring.
이후, 2.5M%의 수산화암모늄을 제1 환원제로 첨가하고, 2시간동안 교반하고, 120℃에서 6시간 동안 열처리한 후, 중간 생성물을 수득하고 탈이온수 및 에탄올로 세척하고 50℃의 진공에서 건조하였다. Thereafter, 2.5M% of ammonium hydroxide was added as a first reducing agent, stirred for 2 hours, and heat treated at 120° C. for 6 hours, after which an intermediate product was obtained, washed with deionized water and ethanol, and dried in a vacuum at 50° C. did.
얼음 수조에서, 제2 환원제인 Triton X-165 및 황 원소 공급원인 sodium bisulfite를 갖는 탈이온수 20ml에 중간 생성물을 혼합 및 교반하였다. 이후, 120℃에서 24시간 동안 가압 열처리하여, 구리, 인, 및 황의 화합물로 형성되고 피브릴화된 복수의 섬유가 네트워크를 이루는 멤브레인을 제조하였다. In an ice bath, the intermediate product was mixed and stirred in 20 ml of deionized water with Triton X-165 as a secondary reducing agent and sodium bisulfite as an elemental sulfur source. Thereafter, pressure heat treatment was performed at 120° C. for 24 hours to prepare a membrane in which a plurality of fibrillated fibers formed of a compound of copper, phosphorus, and sulfur constitute a network.
멤브레인을 탈이온수 및 에탄올로 세척하여 중성 pH로 조정하고, -70℃에서 2시간 동안 보관된 후 액체 질소에 침지하고 진공 상태에서 동결 건조하여, (101) 결정면이 발달된 실험 예 2에 따른 CuPS 전극을 제조하였다. The membrane was washed with deionized water and ethanol to adjust to neutral pH, stored at -70°C for 2 hours, immersed in liquid nitrogen, and freeze-dried in vacuum, CuPS according to Experimental Example 2 in which (101) crystal plane was developed Electrodes were prepared.
실험 예 2에 따른 전극의 제조 과정에서, 황을 갖는 상기 제1 전구체 및 인을 갖는 상기 제2 전구체의 비율을 조정하여, CuPS에서 P 및 S의 비율을 각각 0.1:0.9, 0.2:0.8, 03:0.7, 0.5:0.5, 0.7.0.3, 및 0.9:0.1로 조정하였다.In the manufacturing process of the electrode according to Experimental Example 2, by adjusting the ratio of the first precursor having sulfur and the second precursor having phosphorus, the ratios of P and S in CuPS were 0.1:0.9, 0.2:0.8, and 03, respectively. :0.7, 0.5:0.5, 0.7.0.3, and 0.9:0.1.
도 7은 본 출원의 실험 예 3에 따른 전극을 촬영한 사진이다. 7 is a photograph of an electrode according to Experimental Example 3 of the present application.
도 7을 참조하면, 상술된 실험 예 2에 따라 제조된 전극(CuP0.5S0.5)을 촬영하였다. 실험 예 2에 따른 전극은 약 10cm의 길이를 갖고, 플렉시블한 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7 , the electrode (CuP 0.5 S 0.5 ) prepared according to Experimental Example 2 described above was photographed. It can be seen that the electrode according to Experimental Example 2 has a length of about 10 cm and is flexible.
실험 예 3-1에 따른 연료 전지 제조Fuel cell manufacturing according to Experimental Example 3-1
실험 예 2에 따른 전극(CuP0.5S0.5)를 환원 전극으로 사용하고, 150ugcm-2의 Pt를 산화 전극으로 사용하고, 실험 예 1-6의 음이온 교환 멤브레인을 이용하여, 실험 예 3-1에 따른 연료 전지를 제조하였다. Using the electrode (CuP 0.5 S 0.5 ) according to Experimental Example 2 as a reducing electrode, using 150ugcm -2 of Pt as an oxidation electrode, and using the anion exchange membrane of Experimental Example 1-6, in Experimental Example 3-1 A fuel cell was manufactured according to the
실험 예 3-2에 따른 연료 전지 제조Fuel cell manufacturing according to Experimental Example 3-2
Pt/C를 산화 전극으로 사용하고 은(Ag)을 환원 전극으로 사용하고, 실험 예 1-6의 음이온 교환 멤브레인을 이용하여, 실험 예 3-2에 따른 연료 전지를 제조하였다. A fuel cell according to Experimental Example 3-2 was manufactured by using Pt/C as an oxidizing electrode, silver (Ag) as a reducing electrode, and using the anion exchange membrane of Experimental Example 1-6.
실험 예 3-3에 따른 연료 전지 제조Fuel cell manufacturing according to Experimental Example 3-3
실험 예 3-1과 동일한 방법을 수행하되, 실험 예 1-6의 음이온 교환 멤브레인을 대신하여 상용화된 나피온(Nafion) 멤브레인을 이용하여, 실험 예 3-3에 따른 연료 전지를 제조하였다. A fuel cell according to Experimental Example 3-3 was manufactured in the same manner as in Experimental Example 3-1, except that a commercially available Nafion membrane was used instead of the anion exchange membrane of Experimental Example 1-6.
실험 예 3-1 내지 실험 예 3-3에 따른 연료 전지 구조는 아래의 <표 3>과 같이 정리될 수 있다. The fuel cell structures according to Experimental Example 3-1 to Experimental Example 3-3 may be arranged as shown in Table 3 below.
도 8은 본 출원의 실험 예 1-4 내지 실험 예 1-8에 따른 음이온 교환 멤브레인의 XRD 분석 결과이다.8 is an XRD analysis result of anion exchange membranes according to Experimental Examples 1-4 to Experimental Examples 1-8 of the present application.
도 8을 참조하면, 상술된 실험 예 1-4 내지 실험 예 1-8에 따른 음이온 교환 멤브레인에 대한 XRD 분석을 수행하였다. Referring to FIG. 8 , XRD analysis was performed on the anion exchange membranes according to Experimental Examples 1-4 to Experimental Examples 1-8 described above.
도 8에서 확인할 수 있듯이, 실험 예 1-4 내지 실험 예 1-8에 따른 음이온 교환 멤브레인이 (101) 및 (002) 결정면에 대응하는 피크 값을 가지며, 제1 복합 섬유(oCBC) 및 제2 복합 섬유(qCBC)의 비율에 따라서, 결정 구조는 실질적으로 변화되지 않지만, 제2 복합 섬유의 비율이 증가함에 따라서 (002) 결정면에 대응하는 피크 값의 2θ값이 미세하게 증가하는 것을 확인할 수 있다.As can be seen in FIG. 8 , the anion exchange membranes according to Experimental Examples 1-4 to Experimental Examples 1-8 have peak values corresponding to (101) and (002) crystal planes, and the first composite fiber (oCBC) and the second According to the ratio of the composite fiber (qCBC), the crystal structure does not change substantially, but as the ratio of the second composite fiber increases, it can be seen that the 2θ value of the peak value corresponding to the (002) crystal plane slightly increases. .
도 9는 본 출원의 실험 예 1-4 내지 실험 예 1-8에 따른 음이온 교환 멤브레인의 온도에 따른 이온 전도도를 측정한 것이다.9 is a graph showing the measurement of ionic conductivity according to temperature of anion exchange membranes according to Experimental Examples 1-4 to Experimental Examples 1-8 of the present application.
도 9를 참조하면, 상술된 실험 예 1-4 내지 실험 예 1-8에 따른 음이온 교환 멤브레인에 대해서 이온 전도도를 온도에 따라서 측정하고, 상업적으로 판매되는 A201 멤브레인의 이온 전도도를 온도에 따라서 측정하여 비교하였다. Referring to FIG. 9 , the ionic conductivity of the anion exchange membranes according to the aforementioned Experimental Examples 1-4 to Experimental Examples 1-8 was measured according to the temperature, and the ionic conductivity of the commercially available A201 membrane was measured according to the temperature. compared.
도 9에서 알 수 있듯이, 온도가 증가할수록, 실험 예 1-4 내지 실험 예 1-8에 따른 음이온 교환 멤브레인 및 A201 멤브레인의 이온 전도도가 증가하였다. 또한, 실험 예 1-4 내지 실험 예 1-8에 따른 음이온 교환 멤브레인의 이온 전도도가 A201 멤브레인과 비교하여 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다. As can be seen from FIG. 9 , as the temperature increased, the ionic conductivity of the anion exchange membrane and the A201 membrane according to Experimental Examples 1-4 to Experimental Examples 1-8 increased. In addition, it can be seen that the ionic conductivity of the anion exchange membranes according to Experimental Examples 1-4 to Experimental Examples 1-8 is significantly higher than that of the A201 membrane.
이에 더하여, 실험 예 1-6에 따라서 제1 복합 섬유 및 제2 복합 섬유의 비율이 동일한 음이온 교환 멤브레인의 이온 전도도가, 실험 예 1-4, 실험 예 1-5, 실험 예 1-7, 및 실험 예 1-8에 따른 음이온 교환 멤브레인들보다 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다. 결과적으로, 제1 복합 섬유의 비율을 30wt% 초과 70wt% 미만으로 제어하고, 제2 복합 섬유의 비율을 70wt% 미만 30wt% 초과로 제어하는 것이, OH 이온의 이온 전도도를 향상시킬 수 있는 효율적인 방법인 것을 확인할 수 있다.In addition, according to Experimental Example 1-6, the ionic conductivity of the anion exchange membrane having the same ratio of the first composite fiber and the second composite fiber was, Experimental Example 1-4, Experimental Example 1-5, Experimental Example 1-7, and It can be seen that the anion exchange membranes according to Experimental Examples 1-8 are significantly higher than that. As a result, controlling the proportion of the first composite fiber to be more than 30 wt% and less than 70 wt% and controlling the proportion of the second conjugate fiber to less than 70 wt% and more than 30 wt% is an efficient way to improve the ionic conductivity of OH ions It can be confirmed that
도 10은 본 출원의 실험 예 1-9 내지 실험 예 1-13에 따른 음이온 교환 멤브레인, 및 키토산의 온도에 따른 이온 전도도를 측정한 것이다. 10 is an anion exchange membrane according to Experimental Examples 1-9 to Experimental Examples 1-13 of the present application, and ion conductivity according to temperature of chitosan was measured.
도 10을 참조하면, 실험 예 1-9 내지 실험 예 1-13에 따른 음이온 교환 멤브레인 및 키토산에 대해서 이온 전도도를 온도에 따라서 측정하였다.Referring to FIG. 10 , the ionic conductivity of the anion exchange membrane and chitosan according to Experimental Examples 1-9 to 1-13 was measured according to temperature.
도 10에서 알 수 있듯이, 온도가 증가할수록, 실험 예 1-9 내지 실험 예 1-13의 음이온 교환 멤브레인 및 키토산의 이온 전도도가 증가하였다. 또한, 실험 예 1-9 내지 실험 예 1-13에 따른 음이온 교환 멤브레인의 이온 전도도가 키토산과 비교하여, 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다. As can be seen from FIG. 10 , as the temperature increased, the ionic conductivity of the anion exchange membrane and chitosan of Experimental Examples 1-9 to Experimental Examples 1-13 increased. In addition, it can be seen that the ionic conductivity of the anion exchange membranes according to Experimental Examples 1-9 to 1-13 is significantly higher than that of chitosan.
이에 더하여, 실험 예 1-11에 따라서 50wt% 키토산을 갖는 음이온 교환 멤브레인의 이온 전도도가, 실험 예 1-9, 실험 예 1-10, 실험 예 1-12, 및 실험 예 1-13에 따른 음이온 교환 멤브레인들보다 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다. 결과적으로, 음이온 교환 멤브레인 내에서 키토산의 비율을 30wt% 초과 70wt% 미만으로 제어하는 것이, OH 이온의 이온 전도도를 향상시킬 수 있는 효율적인 방법인 것을 확인할 수 있다.In addition, the ionic conductivity of the anion exchange membrane having 50wt% chitosan according to Experimental Example 1-11 was the anion according to Experimental Example 1-9, Experimental Example 1-10, Experimental Example 1-12, and Experimental Example 1-13. It can be seen that it is significantly higher than the exchange membranes. As a result, it can be confirmed that controlling the proportion of chitosan in the anion exchange membrane to be more than 30 wt% and less than 70 wt% is an efficient way to improve the ionic conductivity of OH ions.
도 11은 본 출원의 실험 예 1-9 내지 실험 예 1-13에 따른 음이온 교환 멤브레인 및 키토산의 온도에 따른 스웰링 비율을 측정한 것이다. 11 is a measurement of the swelling ratio according to the temperature of the anion exchange membrane and chitosan according to Experimental Examples 1-9 to Experimental Examples 1-13 of the present application.
도 11을 참조하면, 상술된 실험 예 1-9 내지 실험 예 1-13에 따른 음이온 교환 멤브레인 및 키토산에 대해서 스웰링 비율을 온도에 따라서 측정하였다. Referring to FIG. 11 , the swelling ratio of the anion exchange membrane and chitosan according to Experimental Examples 1-9 to 1-13 described above was measured according to temperature.
도 11에서 알 수 있듯이, 온도가 증가할수록, 실험 예 1-9 내지 실험 예 1-13에 따른 음이온 교환 멤브레인 및 키토산의 스웰링 비율이 증가하였다. 또한, 실험 예 1-11에 따라서 50wt% 키토산을 갖는 음이온 교환 멤브레인의 스웰링 비율이, 실험 예 1-9, 실험 예 1-10, 실험 예 1-12, 및 실험 예 1-13에 따른 음이온 교환 멤브레인들보다 현저하게 낮은 것을 확인할 수 있다. 결과적으로, 음이온 교환 멤브레인 내에서 키토산의 비율을 30wt% 초과 70wt% 미만으로 제어하는 것이, 스웰링 비율을 감소시키는 효율적인 방법인 것을 확인할 수 있다.As can be seen from FIG. 11 , as the temperature increased, the swelling ratio of the anion exchange membrane and chitosan according to Experimental Examples 1-9 to 1-13 increased. In addition, the swelling ratio of the anion exchange membrane having 50wt% chitosan according to Experimental Example 1-11, Experimental Example 1-9, Experimental Example 1-10, Experimental Example 1-12, and Experimental Example 1-12, and the anion according to Experimental Example 1-13 It can be seen that it is significantly lower than the exchange membranes. As a result, it can be confirmed that controlling the proportion of chitosan in the anion exchange membrane to be more than 30 wt% and less than 70 wt% is an effective way to reduce the swelling ratio.
도 12는 본 출원의 실험 예 3에 따라 제조된 전극의 XRD 그래프이다. 12 is an XRD graph of an electrode prepared according to Experimental Example 3 of the present application.
도 12를 참조하면, 실험 예 3에 따라 제조된 전극에 대해서 XRD 측정을 수행하였다. Referring to FIG. 12 , an XRD measurement was performed on the electrode prepared according to Experimental Example 3.
도 12에서 알 수 있듯이, 실험 예 3의 전극은, (101) 결정면, (111) 결정면, (210)결정면, (120) 결정면, (220) 결정면, (022) 결정면. (103) 결정면, 및 (222) 결정면을 가지며, 특히, (101) 결정면에 대응하는 피크의 크기가 (101) 결정면 외 다른 결정면에 대응하는 피크 값들과 비교하여, 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다. 또한, 실험 예 3의 전극은 사방정계(orthorhombic) 결정 구조 Pnm21 스페이스 그룹으로 코벨라이트(covellite) 상을 갖는 것을 알 수 있다. 12 , the electrode of Experimental Example 3 had a (101) crystal plane, a (111) crystal plane, a (210) crystal plane, a (120) crystal plane, a (220) crystal plane, and a (022) crystal plane. It has a (103) crystal plane and a (222) crystal plane, and in particular, it can be seen that the size of the peak corresponding to the (101) crystal plane is significantly higher than the peak values corresponding to the crystal plane other than the (101) crystal plane. In addition, it can be seen that the electrode of Experimental Example 3 has a covellite phase with an orthorhombic crystal structure Pnm21 space group.
도 13은 본 출원의 실험 예 3에 따른 전극의 P 및 S의 조성비에 따른 ORR, OER, 및 HER 특성을 평가한 그래프이다. 13 is a graph evaluating ORR, OER, and HER characteristics according to the composition ratio of P and S of the electrode according to Experimental Example 3 of the present application.
도 13을 참조하면, 실험 예 3에 따른 CuPS 전극에서, P 및 S의 조성비에 따른 ORR, OER, 및 HER 특성을 측정하고 도시하였다. Referring to FIG. 13 , in the CuPS electrode according to Experimental Example 3, ORR, OER, and HER characteristics according to the composition ratio of P and S were measured and illustrated.
도 13에서 알 수 있듯이, CuPS 전극에서, P의 조성비가 0.3 초과 0.7 미만이고, S의 조성비가 0.7미만 0.3 초과인 경우, ORR, OER, 및 HER 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, CuPS 전극에서, P의 조성비가 0.3 초과 0.7 미만이고, S의 조성비가 0.7미만 0.3 초과가 되도록 제어하는 것이, ORR, OER, 및 HER 특성을 향상시킬 수 있는 효율적인 방법임을 확인할 수 있다.As can be seen from FIG. 13 , in the CuPS electrode, when the composition ratio of P is greater than 0.3 and less than 0.7 and the composition ratio of S is less than 0.7 and greater than 0.3, it can be confirmed that ORR, OER, and HER characteristics are excellent. In other words, in the CuPS electrode, it can be confirmed that controlling the composition ratio of P to be greater than 0.3 and less than 0.7 and the composition ratio of S to be less than 0.7 and greater than 0.3 is an efficient method for improving ORR, OER, and HER characteristics.
도 14는 본 출원의 실험 예 3에 따른 전극에서 결정면에 따른 OER, ORR, 및 HER 특성을 평가한 그래프이다. 14 is a graph evaluating OER, ORR, and HER characteristics according to a crystal plane in an electrode according to Experimental Example 3 of the present application.
도 14를 참조하면, 실험 예 3에 따른 CuPS 전극의 결정면에 따라서, OER 및 ORR 반응(bifunctional activity)에 대한 오버포텐셜 및 HER 반응에 대한 오버포텐셜을 이산 푸리에 변환으로 계산하였다. Referring to FIG. 14 , according to the crystal plane of the CuPS electrode according to Experimental Example 3, overpotentials for OER and ORR reactions (bifunctional activity) and overpotentials for HER reactions were calculated using discrete Fourier transforms.
도 14에서 알 수 있듯이, (101) 결정면의 오버포텐셜 값이 가장 낮을 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라, 본 출원의 실시 예에 따라서 (101) 결정면이 발달된 전극의 ORR, OER, HER 특성이 향상되는 것을 확인할 수 있다. As can be seen from FIG. 14 , it can be confirmed that the overpotential value of the (101) crystal plane is the lowest, and accordingly, the ORR, OER, and HER characteristics of the electrode having the (101) crystal plane are improved according to the embodiment of the present application. it can be confirmed that
결론적으로 (101) 결정면이 발달된 전극을 제조하고, 이를 연료 전지의 산화 전극 또는 환원 전극으로 활용하는 것이, 연료 전지의 전력 생산 효율을 향상시킬 수 있는 효율적인 방법임을 알 수 있다.In conclusion, it can be seen that manufacturing an electrode with a (101) crystal plane and using it as an oxidation electrode or a reduction electrode of a fuel cell is an efficient method to improve the power production efficiency of a fuel cell.
도 15는 본 출원의 실험 예 3-1 및 실험 예 3-2에 따른 연료 전지의 전력 생산 효율을 비교한 그래프이다. 15 is a graph comparing power production efficiency of fuel cells according to Experimental Example 3-1 and Experimental Example 3-2 of the present application.
도 15를 참조하면, 95℃조건에서, 산화 전극 및 환원 전극에 각각 0.15 Lmin-1 및 0.95 Lmin-1의 유량 및 2.5bar 및 1.3bar 압력 조건에서 가스를 공급하면서, 실험 예 3-1 및 3-2의 연료 전지의 전류 밀도에 따른 전압 및 전력 밀도를 측정하였다. 15, while supplying gas at a flow rate of 0.15 Lmin -1 and 0.95 Lmin -1 and a pressure of 2.5 bar and 1.3 bar to the oxidation electrode and the reduction electrode, respectively, at 95 ° C., Experimental Examples 3-1 and 3 Voltage and power density according to the current density of the fuel cell of -2 were measured.
도 15에서 알 수 있듯이, 상용화된 Ag를 환원 전극으로 갖는 실험 예 3-2와 비교하여, 실험 예 3-1에 따라서, 본 출원의 실험 예 2에 따른 CuPS 전극을 환원 전극으로 사용하는 경우, 95℃의 고온에서도 정상적으로 동작하는 것은 물론, 높은 효율 및 977mWcm-2의 높은 전력 밀도를 갖는 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 15, in comparison with Experimental Example 3-2 having commercialized Ag as a reduction electrode, according to Experimental Example 3-1, when using the CuPS electrode according to Experimental Example 2 of the present application as a reduction electrode, It can be seen that it operates normally even at a high temperature of 95°C, as well as has high efficiency and a high power density of 977mWcm -2.
도 16은 본 출원의 실험 예 3-1 및 실험 예 3-3에 따른 연료 전지의 전력 생산 효율을 비교한 그래프이다.16 is a graph comparing power production efficiency of fuel cells according to Experimental Example 3-1 and Experimental Example 3-3 of the present application.
도 16을 참조하면, 95℃조건에서, 산화 전극 및 환원 전극에 각각 0.15 Lmin-1 및 0.95 Lmin-1의 유량 및 2.5bar 및 1.3bar 압력 조건에서 가스를 공급하면서, 실험 예 3-1 및 3-3의 연료 전지의 전류 밀도에 따른 전압 및 전력 밀도를 측정하였다. Referring to FIG. 16, while supplying gas at a flow rate of 0.15 Lmin -1 and 0.95 Lmin -1 and a pressure of 2.5 bar and 1.3 bar to the oxidation electrode and the reduction electrode, respectively, Experimental Examples 3-1 and 3 at 95° C. Voltage and power density according to the current density of the fuel cell of -3 were measured.
도 16에서 알 수 있듯이, 실험 예 3-3과 같이, 상용화된 나피온을 음이온 교환 멤브레인으로 사용하는 경우와 비교하여, 실험 예 3-1에 따라서 본 출원의 실험 예 1-6의 음이온 교환 멤브레인을 사용하는 경우, 95℃의 고온에서도 정상적으로 동작하는 것은 물론, 높은 효율 및 977mWcm-2의 높은 전력 밀도를 갖는 것을 확인할 수 있다.As can be seen in FIG. 16, as in Experimental Example 3-3, compared to the case of using commercialized Nafion as an anion exchange membrane, the anion exchange membrane of Experimental Example 1-6 of the present application according to Experimental Example 3-1 When using , it can be seen that it operates normally even at a high temperature of 95° C., as well as has high efficiency and a high power density of 977 mWcm -2.
결론적으로, 본 출원의 실시 예에 따른 음이온 교환 멤브레인 및 전극을 이용하는 것이, 연료 전지의 전력 생상 효율 및 고온 동작 특성을 향상시키는 효율적인 방법인 것을 확인할 수 있다.In conclusion, it can be confirmed that using the anion exchange membrane and the electrode according to the embodiment of the present application is an efficient method for improving the power generation efficiency and high temperature operation characteristics of the fuel cell.
도 17은 본 출원의 실험 예 3-1에 따른 연료 전지의 수명 특성을 평가한 그래프이다.17 is a graph evaluating the lifespan characteristics of a fuel cell according to Experimental Example 3-1 of the present application.
도 17을 참조하면, 95℃조건에서, 산화 전극 및 환원 전극에 각각 0.15 Lmin-1 및 0.95 Lmin-1의 유량 및 2.5bar 및 1.3bar 압력 조건에서 가스를 공급하면서, 500mAcm-2 조건에서, 360시간 동안 실험 예 3-1의 연료 전지의 장기 안정성을 평가하였다. Referring to FIG. 17, while supplying gas at a flow rate of 0.15 Lmin -1 and 0.95 Lmin -1 and a pressure of 2.5 bar and 1.3 bar to the oxidation electrode and the reduction electrode, respectively , at 500 mAcm -2 conditions, 360 The long-term stability of the fuel cell of Experimental Example 3-1 over time was evaluated.
도 17에서 알 수 있듯이, 360시간의 장시간이 지난 후에도 95℃의 고온에서 안정적으로 구동하는 것은 물론, 초기 전압 값과 비교하여 약 10.9%의 손실만을 기록하였다. As can be seen from FIG. 17 , even after a long time of 360 hours, it was stably driven at a high temperature of 95° C., and only about 10.9% loss was recorded compared to the initial voltage value.
결론적으로, 본 출원의 실시 예에 따른 음이온 교환 멤브레인 및 전극을 이용하여 연료 전지를 제조하는 것이, 높은 전력생성 효율을 갖는 동시에, 장수명 및 열적 안정성을 향상시키는 방법임을 알 수 있다. In conclusion, it can be seen that manufacturing a fuel cell using the anion exchange membrane and the electrode according to the embodiment of the present application is a method of improving the long life and thermal stability while having high power generation efficiency.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.As mentioned above, although the present invention has been described in detail using preferred embodiments, the scope of the present invention is not limited to specific embodiments and should be construed according to the appended claims. In addition, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.
Claims (14)
상기 산화 전극 상의 환원 전극; 및
상기 환원 전극 및 상기 산화 전극 사이에 배치되고, 셀룰로오스 및 키토산을 포함하는 음이온 교환 멤브레인을 포함하는 연료 전지.
oxide electrode;
a reduction electrode on the oxidation electrode; and
and an anion exchange membrane disposed between the reduction electrode and the oxidation electrode, the anion exchange membrane comprising cellulose and chitosan.
상기 음이온 교환 멤브레인에서, 상기 키토산의 함량은 30wt% 초과 70wt% 미만인 것을 포함하는 연료 전지.
According to claim 1,
In the anion exchange membrane, the content of the chitosan is more than 30wt% and less than 70wt%.
상기 셀룰로오스는 박테리아 셀룰로오스를 포함하는 연료 전지.
3. The method of claim 2,
The cellulose is a fuel cell comprising bacterial cellulose.
상기 음 이온 교환 멤브레인은,
상기 박테리아 셀룰로오스 및 상기 키토산이 결합된 베이스 복합 섬유의 표면이 산화된 제1 복합 섬유; 및
상기 베이스 복합 섬유의 표면이 질소를 갖는 제1 기능기와 결합된 제2 복합 섬유를 포함하는 연료 전지.
4. The method of claim 3,
The anion exchange membrane,
a first composite fiber in which the surface of the base composite fiber to which the bacterial cellulose and the chitosan are bonded is oxidized; and
and a second composite fiber having a surface of the base composite fiber combined with a first functional group having nitrogen.
상기 제1 기능기는, 아래의 <화학식 1>로 표시되는 것을 포함하는 연료 전지.
<화학식 1>
5. The method of claim 4,
The first functional group is a fuel cell, including the one represented by the following <Formula 1>.
<Formula 1>
상기 산화 전극 및 상기 환원 전극 중에서 적어도 어느 하나는, 구리, 인 및 황의 화합물로 형성되고 피브릴화된 복수의 섬유를 포함하는 연료 전지.
According to claim 1,
At least one of the oxidation electrode and the reduction electrode is a fuel cell comprising a plurality of fibrillated fibers formed of a compound of copper, phosphorus and sulfur.
상기 복수의 섬유를 포함하는 상기 산화 전극 또는 상기 환원 전극은, XRD 분석 결과, (101) 결정면에 대응하는 피크 값이, 다른 결정면에 대응하는 피크 값과 비교하여, 최대값을 갖는 것을 포함하는 연료 전지.
7. The method of claim 6,
The oxidation electrode or the reduction electrode including the plurality of fibers, as a result of XRD analysis, the peak value corresponding to the (101) crystal plane is compared with the peak value corresponding to the other crystal plane, fuel comprising that having a maximum value battery.
상기 산화 전극 상의 환원 전극; 및
상기 산화 전극 및 상기 환원 전극 사이에 배치된 음이온 교환 멤브레인을 포함하되,
상기 산화 전극 또는 상기 환원 전극 중에서 적어도 어느 하나는 아래의 <화학식 1>로 표시되고, 복수의 섬유를 포함하는 연료 전지.
<화학식 2>
CuPxSy
(x+y=1, 0.3≤x≤0.7, 0.3≤y≤0.7)
oxide electrode;
a reduction electrode on the oxidation electrode; and
an anion exchange membrane disposed between the oxidation electrode and the reduction electrode;
At least one of the oxidation electrode and the reduction electrode is represented by the following <Formula 1>, and a fuel cell including a plurality of fibers.
<Formula 2>
CuP x S y
(x+y=1, 0.3≤x≤0.7, 0.3≤y≤0.7)
상기 산화 전극 또는 상기 환원 전극 중에서 적어도 어느 하나는 피브릴화된 복수의 섬유를 포함하는 연료 전지.
9. The method of claim 8,
At least one of the oxidation electrode and the reduction electrode is a fuel cell comprising a plurality of fibrillated fibers.
상기 복수의 섬유를 포함하는 상기 산화 전극 또는 상기 환원 전극은, XRD 분석 결과, (101) 결정면에 대응하는 피크 값이, 다른 결정면에 대응하는 피크 값과 비교하여, 최대값을 갖는 것을 포함하는 연료 전지.
9. The method of claim 8,
The oxidation electrode or the reduction electrode including the plurality of fibers, as a result of XRD analysis, the peak value corresponding to the (101) crystal plane is compared with the peak value corresponding to the other crystal plane, fuel comprising that having a maximum value battery.
상기 음이온 교환 멤브레인은,
키토산을 포함하는 베이스 복합 섬유가 네트워크를 구성하는 것을 포함하고,
상기 베이스 복합 섬유는, 박테리아 셀룰로오스 및 상기 박테리아 셀룰로오스와 결합된 상기 키토산을 포함하되,
상기 베이스 복합 섬유는, 서로 가교 결합된, 상기 박테리아 셀룰로오스 및 상기 키토산이 결합된 베이스 복합 섬유의 표면이 산화된 제1 복합 섬유, 및 상기 베이스 복합 섬유의 표면이 질소를 갖는 제1 기능기와 결합된 제2 복합 섬유를 포함하는 연료 전지.
9. The method of claim 8,
The anion exchange membrane,
A base composite fiber comprising chitosan constitutes a network,
The base composite fiber comprises bacterial cellulose and the chitosan combined with the bacterial cellulose,
The base composite fiber is a first composite fiber cross-linked with each other, the surface of the base composite fiber to which the bacterial cellulose and the chitosan are bonded is oxidized, and the surface of the base composite fiber is combined with a first functional group having nitrogen A fuel cell comprising a second composite fiber.
상기 음이온 교환 멤브레인은, XPS 분석 결과 N1s 스펙트럼에서 pyrrolic, quaternary, 및 oxidized N에 대응하는 피크값을 갖는 것을 포함하는 연료 전지.
9. The method of claim 8,
wherein the anion exchange membrane has peak values corresponding to pyrrolic, quaternary, and oxidized N in the N1s spectrum as a result of XPS analysis.
상기 음이온 교환 멤브레인은 결정질 상 및 비결정질 상이 혼재된 것을 포함하는 연료 전지.
9. The method of claim 8,
The anion exchange membrane is a fuel cell comprising a mixture of a crystalline phase and an amorphous phase.
상기 <화학식 1>에서, x 및 y는 0.5인 것을 포함하는 연료 전지.
9. The method of claim 8,
In <Chemical Formula 1>, x and y are 0.5.
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