KR20210148910A - Multi-layer composite membrane for water electrolysis and method of preparing the membrane - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a separator for water electrolysis, and more specifically, to a multilayer composite separator for water electrolysis including: a polymeric porous support; a garter layer including silica formed on one or both surfaces of the porous support; and a selective layer comprising an ionomer formed on the garter layer, and a method for manufacturing the same. The present invention can provide a separator for water electrolysis having high ionic conductivity, low hydrogen permeability, excellent wettability to a hydrophilic aqueous solution, and thermochemical stability.

Description

수전해용 다층복합분리막 및 이의 제조 방법 {Multi-layer composite membrane for water electrolysis and method of preparing the membrane}Multi-layer composite membrane for water electrolysis and method of preparing the same

본 발명은 수전해용 분리막에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자 다공성 지지체; 상기 다공성 지지체의 일면 또는 양면 상에 형성된 실리카를 포함하는 가터층; 및 상기 가터층 상에 형성된 이오노머로 이루어진 선택층을 포함하는 수전해용 다층복합분리막 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 높은 이온전도도, 낮은 수소투과도, 친수성 수용액에 대한 우수한 젖음성과 열화학적 안정성을 갖는 수전해용 분리막을 제공할 수 있다.The present invention relates to a separation membrane for water electrolysis, and more particularly, to a porous polymer support; a garter layer comprising silica formed on one or both surfaces of the porous support; And it relates to a multilayer composite separator for water electrolysis comprising a selective layer made of an ionomer formed on the garter layer and a manufacturing method thereof, for water electrolysis having high ionic conductivity, low hydrogen permeability, excellent wettability to hydrophilic aqueous solution and thermochemical stability. A separator may be provided.

수전해 시스템은 전기에너지를 이용하여 물을 전기분해하여, 산소와 함께 고순도 수소를 만드는 제조 장치로, 고분자 전해질(polymer electrolyte membrane, PEM) 수전해, 알칼라인 수전해(alkaline water electrolysis, AWE), 고온 수증기(high temperature steam) 수전해로 구분된다. A water electrolysis system uses electric energy to electrolyze water to produce high-purity hydrogen with oxygen. Polymer electrolyte membrane (PEM) water electrolysis, alkaline water electrolysis (AWE), high temperature It is divided into high temperature steam water electrolysis.

알칼라인 수전해는 KOH/NaOH 수용액을 전해액으로 사용하여 OH- 이온을 이동시켜 수전해 반응을 유도하여 수소를 생산하는 것으로 전극, 전해액, 분리막으로 구성되어 있다. 도 1은 알칼라인 수전해 시스템의 구성과 양극과 음극에서의 반응식을 도식화한 것이다. 도 1에서 보여지는 바와 같이, 환원조에서는 외부전원에서 공급된 전자와 H2O가 반응하여 수소기체와 OH-가 생성되고 이 OH-는 분리막을 통해 산화조로 이동하여 H2O와 산소기체를 생성한다. 알칼라인 수전해는 상대적으로 빠른 OER kinetics 및 전기화학적 안정성 확보가 용이하고, 저가의 비백금촉매 사용이 가능하여, 대용량 제조가 가능한 실용화가 검증된 기술이다. 그러나, 강알칼라인 조건, 전자이동, 라디칼 발생, 승온, 가압 등의 혹독한 수전해 운전 조건으로 인해 분리막 선택이 시스템의 성능과 및 내구성에 상당한 영향을 미친다. Alkaline water electrolysis uses KOH/NaOH aqueous solution as an electrolyte to move OH - ions to induce a water electrolysis reaction to produce hydrogen. It is composed of an electrode, an electrolyte, and a separator. 1 is a schematic diagram of the configuration of an alkaline water electrolysis system and reaction schemes at the anode and cathode. As shown in FIG. 1, in the reduction tank, electrons supplied from an external power source and H 2 O react to generate hydrogen gas and OH and this OH moves to the oxidation tank through the separation membrane to generate H 2 O and oxygen gas. create Alkaline water electrolysis is a technology that has been proven to be practical for large-capacity manufacturing because it is easy to secure relatively fast OER kinetics and electrochemical stability, and it is possible to use a low-cost non-platinum catalyst. However, the selection of the separator has a significant effect on the performance and durability of the system due to the harsh water electrolysis operation conditions such as strong alkaline conditions, electron transfer, radical generation, temperature rise, and pressurization.

알칼라인 수전해용 고분자 분리막은 비이온전도성 다공성 분리막과 음이온 전도성 이오노머 분리막으로 분류할 수 있다. 전통적인 알칼라인 수전해용 분리막으로는 석면과 같은 격막(diaphragm)이 사용되어져 왔으나, 환경적인 이슈로 인해 유무기복합형 비이온전도성 다공성 분리막인 AGFA社(벨리에)의 Zirfon막이 널리 사용되어 오고 있다. Alkaline water electrolysis polymer membranes can be classified into non-ion conductive porous membranes and anion conductive ionomer membranes. A diaphragm such as asbestos has been used as a traditional alkaline water electrolysis membrane, but due to environmental issues, AGFA's Zirfon membrane, an organic/inorganic composite non-ion conductive porous membrane, has been widely used.

환원조(cathode reservior)와 산화조(anode reservior) 사이에 위치한 분리막 소재는 강염기(30% KOH) 환경에서 안정적인 내화학성을 갖춰야 하며, 높은 전기화학성능 확보를 위해 OH- 이온을 빠르게 이동시킬 수 있어야 한다. 또한 부하 운전 영역에서 산소 내 수소농도가 4% 이상 혼입될 경우 발생하는 폭발문제를 막기 위해 KOH 용액에 용존되어 있는 수소에 대한 차단성이 우수해야 된다. The membrane material located between the cathode reservoir and the anode reservoir must have stable chemical resistance in a strong base (30% KOH) environment, and must be able to quickly move OH - ions to secure high electrochemical performance. do. In addition, in order to prevent an explosion problem that occurs when the hydrogen concentration in oxygen exceeds 4% in the load operation region, it must have excellent barrier properties against hydrogen dissolved in the KOH solution.

현재 상용되고 있는 AGFA社(벨리에)의 Zirfon막은 다공성 PPS (Polyphenylene sulfide) 고분자 매트릭스 지지체 위에 ZrO2 나노입자를 폴리술폰(Polysulfone) 고분자 바인더와 함께 NMP 용매에 분산시킨 슬러리를 코팅하여 다공성 유무기복합막 형태로 제조된다. Zirfon ⓡ membrane of AGFA (Velier), which is currently commercially available, is a porous organic-inorganic porous organic-inorganic membrane obtained by coating a slurry in which ZrO 2 nanoparticles are dispersed in an NMP solvent together with a polysulfone polymer binder on a porous PPS (Polyphenylene sulfide) polymer matrix support. It is manufactured in the form of a composite membrane.

Zirofon 막의 두께는 500 ± 50 μm이며, 기공도는 50 ± 20%, 기공 크기는 0.15 ± 0.05 μm, bubble point pressure는 3 ± 1 bar, 막저항은 30°C, 30% KOH 용액 내에서 0.3 Ω·cm2 이하이다. Zirofon membrane thickness is 500 ± 50 μm, porosity is 50 ± 20%, pore size is 0.15 ± 0.05 μm, bubble point pressure is 3 ± 1 bar, membrane resistance is 0.3 in 30 °C, 30% KOH solution Ω·cm 2 or less.

Zirofon막은 알칼라인 수전해 분리막으로 널리 사용되고 있으나, 소수성 고분자인 PSS 소재는 알칼라인 용액에 대한 젖음성이 낮아, 고가의 ZrO2를 30 wt% 정도로 다량 첨가하여 이를 보완하고 있어 가격상승요인으로 작용하며, OH- 이온에 대한 선택성이 없는 단점을 가진다. 또한, 다공성 구조로 인한 수소 크로스오버 문제로 안전성 측면에서도 문제가 되고 있다. Zirofon film alkaline Susan's, but is widely used as a separator, a hydrophobic polymer, PSS material is low, the wettability of the alkaline solution, it is complemented by the massive addition of expensive ZrO 2 about 30 wt%, and acts as a price rise factors, OH - It has the disadvantage of not having selectivity for ions. In addition, there is a problem in terms of safety due to the hydrogen crossover problem due to the porous structure.

한편 음이온 전도성 이오노머 분리막은 비다공성 구조로 되어 있어, 생성물인 수소/산소에 대한 높은 차단성을 확보하여, 다공성 분리막에 비해 Faradaic efficiency를 높일 수 있고, 음이온 전도성으로 인해 비교적 낮은 KOH/NaOH 수용액이나 물 조건에서 사용할 수 있는 장점이 있는 반면, 상대적으로 낮은 이온전도도, 낮은 용해도로 인한 가공성 문제와 이로 인한 두꺼운 막 두께, 알칼라인 조건에서 취약한 내화학성 등을 포함하는 여러 문제로 인해 현재까지 알칼라인 수전해에 최적화된 상용화 사례를 찾기가 어렵다.On the other hand, the anion conductive ionomer membrane has a non-porous structure, so it can secure high barrier properties against hydrogen/oxygen, which is the product, and can increase faradaic efficiency compared to porous membranes. While it has the advantage of being able to use it under conditions, it has been optimized for alkaline water electrolysis so far due to several problems including relatively low ionic conductivity, processability problems due to low solubility, thick film thickness, and weak chemical resistance in alkaline conditions. It is difficult to find commercialized examples.

대한민국 공개특허공보 제10-2019-0135273호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2019-0135273 대한민국 등록특허공보 제10-159132호Republic of Korea Patent Publication No. 10-159132

본 발명이 이루고자 하는 과제는 알카라인 용액에 대한 우수한 젖음성과 높은 내화학성, OH- 이온에 대한 높은 선택성을 가지며, 얇은 두께로 제조할 수 있어 저항이 낮으며, 상대적으로 적은 비용으로 제조할 수 있는 수전해용 분리막 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.The object of the present invention is to have excellent wettability to alkaline solution, high chemical resistance, high selectivity to OH - ions, low resistance because it can be manufactured in a thin thickness, and a faucet that can be manufactured at a relatively low cost An object of the present invention is to provide a dissolving separation membrane and a method for manufacturing the same.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 고분자 다공성 지지체; 상기 다공성 지지체의 일면 또는 양면에 형성된 실리카를 포함하는 가터층(Gutter layer); 및 상기 가터층 상에 형성된 이오노머로 이루어진 선택층을 포함하는 수전해용 다층복합분리막을 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention is a polymeric porous support; a garter layer comprising silica formed on one or both surfaces of the porous support; and a selective layer made of an ionomer formed on the garter layer.

또한 본 발명은 i) 고분자 다공성 지지체 상에 실리카와 바인더를 혼합하여 코팅하고 건조시켜 가터층을 형성하는 단계; 및 ii) 상기 가터층 상에 이오노머 분산액을 코팅하고 건조시켜 선택층을 형성하는 단계:를 포함하는 다층복합분리막의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of: i) coating a mixture of silica and a binder on a porous polymer support and drying the coating to form a garter layer; and ii) coating the ionomer dispersion on the garter layer and drying to form a selective layer.

본 발명에 따른 수전해용 다층복합분리막은 알카라인 용액에 대한 우수한 젖음성과 높은 내화학성, OH- 이온에 대한 높은 선택성, 낮은 저항을 유발하는 얇은 두께를 가지며, 상대적으로 적은 비용으로 분리막을 제조할 수 있어 경제적이다. The multilayer composite separator for water electrolysis according to the present invention has a thin thickness causing excellent wettability and high chemical resistance to alkaline solutions, high selectivity to OH - ions, and low resistance, and can be manufactured at a relatively low cost. Economical.

또한 본 발명에 따른 분리막은 알칼라인 수전해 분리막 이외에 고분자전해질(PEM) 수전해, 수처리용 분리막 예를 들어, 나노여과, 역삼투압 시스템용 분리막으로도 적용이 가능하다.In addition, the separation membrane according to the present invention can be applied as a separation membrane for polyelectrolyte (PEM) water electrolysis and water treatment, for example, a separation membrane for nanofiltration and reverse osmosis systems, in addition to the alkaline water electrolysis membrane.

다만, 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들을 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 알칼라인 수전해용 시스템 구성과 양극과 음극에서의 반응식을 보여주는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 알칼라인 수전해용 다층복합분리막의 구조 및 각 층의 두께를 보여주는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 알칼라인 수전해용 다층복합분리막의 구조를 보여주는 모식이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 분리막의 OH- 이온전도도 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 분리막의 전류밀도에 따른 전압부하 특성 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
1 is a schematic diagram showing the configuration of a system for alkaline water electrolysis and reaction formulas at the anode and cathode.
2 is a schematic diagram showing the structure and thickness of each layer of a multilayer composite separator for alkaline water electrolysis according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram showing the structure of a multilayer composite separator for alkaline water electrolysis according to another embodiment of the present invention.
4 is a graph showing OH- ion conductivity measurement results of separation membranes according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
5 is a graph showing evaluation results of voltage load characteristics according to current density of separators according to Examples and Comparative Examples of the present invention.

이하, 도면과 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings and examples.

본 발명에 따른 수전해용 다층복합분리막은 고분자 다공성 지지체; 상기 다공성 지지체의 일면 또는 양면 상에 형성된 실리카를 포함하는 가터층(Gutter layer); 및 상기 가터층 상에 형성된 이오노머로 이루어진 선택층을 포함하는 것이 특징이다.The multilayer composite separator for water electrolysis according to the present invention includes: a polymeric porous support; a garter layer comprising silica formed on one or both surfaces of the porous support; and a selective layer made of an ionomer formed on the garter layer.

도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 수전해용 다층복합분리막으로서, 다공성 지지체의 일면에 가터층이 형성된 상기 가터층 상에 이오노머 선택층이 형성된 분리막이 예시되어 있다. FIG. 2 illustrates a multilayer composite separator for water electrolysis according to an embodiment of the present invention, in which an ionomer selective layer is formed on the garter layer having a garter layer formed on one surface of a porous support.

도 3에는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 수전해용 다층복합분리막으로서, 다공성 지지체의 양면에 가터층이 형성되고, 상기 양측 가터층 상에 각각 이오노머 선택층이 형성된 분리막이 예시되어 있다. FIG. 3 illustrates a multilayer composite separator for water electrolysis according to another embodiment of the present invention, in which garter layers are formed on both sides of a porous support, and ionomer selection layers are respectively formed on both sides of the garter layer.

또한 본 발명에 따른 다층복합분리막의 제조 방법은 In addition, the manufacturing method of the multilayer composite separator according to the present invention is

i) 고분자 다공성 지지체 상에 실리카와 바인더를 혼합하여 코팅하고 건조시켜 가터층을 형성하는 단계; 및i) forming a garter layer by coating a mixture of silica and a binder on the polymer porous support and drying; and

ii) 상기 가터층 상에 이오노머 분산액을 코팅하고 건조시켜 선택층을 형성하는 단계:를 포함한다. ii) coating the ionomer dispersion on the garter layer and drying to form a selective layer.

또한 본 발명에서 선택층 형성 단계는 이오노머 분산액 코팅 및 건조 후에 80 내지 150 ℃ 의 고온 열처리 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. In addition, the selective layer forming step in the present invention preferably further comprises a high-temperature heat treatment step of 80 to 150 ℃ after the ionomer dispersion coating and drying.

본 발명에서 다공성 지지층의 두께는 25 내지 300 ㎛ 범위인 것이 바람직하며, 가터층은 0.5 내지 10 ㎛, 선택층은 0.5 내지 2 ㎛로 형성할 수 있다. 상용화된 Zirfon 막의 두께가 통상 500 ㎛ 정도로 높은 저항을 유발하는 것과 비교할 때, 본 발명은 분리막 전체의 두께를 얇게 제조할 수 있어 저항을 낮출 수 있다는 장점이 있다. In the present invention, the thickness of the porous support layer is preferably in the range of 25 to 300 µm, the garter layer is 0.5 to 10 µm, and the optional layer is 0.5 to 2 µm. Compared to the thickness of the commercially available Zirfon film, which usually induces a high resistance of about 500 μm, the present invention has the advantage that the entire thickness of the separator can be made thin, so that the resistance can be lowered.

본 발명에 사용가능한 다공성 지지체로는 내화학성이 높은 폴리올레핀(폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌계 고분자를 들 수 있으며, 기공도는 50% 이상인 것이 바람직하다. 본 발명에서 다공성 지지체는 기계적 강도와 수투과도를 높이는 역할을 한다.The porous support usable in the present invention may include a polyolefin (polyethylene, polypropylene, etc.) or polytetrafluoroethylene-based polymer having high chemical resistance, and preferably has a porosity of 50% or more. In the present invention, the porous support serves to increase mechanical strength and water permeability.

본 발명은 다공성 지지체의 일면 또는 양면에 가터층(Gutter layer)을 형성하는 것이 특징이다. 일반적으로 다층막을 형성할 때 제일 하부층은 기공이 가장 큰 층으로 이루어진다. 그 위에 바로 코팅막을 형성하면 코팅 용액이 기공안으로 스며들어 기공이 막힌 일부 구간이 생기게 되며, 이에 따라 이온 투과도가 떨어지게 된다. 또한 알칼라인 수전해인 경우 이온이 물과 같이 결합해서 통과하게 되기 때문에 수투과도도 떨어지는 문제가 있다. 본 발명에서는 이를 해결하기 위해 기저층인 다공성 지지체 상에 가터층을 도입하고, 그 위에 이오노머 코팅층을 형성하였다. 가터층은 하부의 다공성 지지체의 기공보다 작은 기공을 가진 층으로서 코팅층이 스며드는 것을 최소화할 수 있다. The present invention is characterized in that a garter layer is formed on one or both surfaces of the porous support. In general, when forming a multilayer film, the lowermost layer consists of a layer having the largest pores. If a coating film is formed directly on it, the coating solution permeates into the pores and some sections are formed in which the pores are blocked, and thus the ion permeability is lowered. In addition, in the case of alkaline water electrolysis, there is a problem in that the water permeability is also reduced because ions are combined with water to pass through. In the present invention, in order to solve this problem, a garter layer was introduced on a porous support as a base layer, and an ionomer coating layer was formed thereon. The garter layer is a layer having pores smaller than the pores of the underlying porous support, and it is possible to minimize penetration of the coating layer.

따라서, 본 발명에서 가터층의 기공은 고분자 다공성 지지체의 기공보다 크기가 작은 것이 특징이며, 고분자 다공성 지지체의 기공은 평균 직경이 30 nm 내지 0.8 ㎛ 범위이고, 가터층의 기공은 평균 직경이 1 nm 내지 0.1 ㎛ 범위인 것이 바람직하다. Therefore, in the present invention, the pores of the garter layer are characterized in that the size is smaller than that of the porous polymer support, the pores of the porous polymer support have an average diameter in the range of 30 nm to 0.8 μm, and the pores of the garter layer have an average diameter of 1 nm to 0.1 μm.

본 발명에서는 실리카를 이용하여 가터층을 형성하였으며, 실리카의 형태는 구형, 다각형 등 다양한 형상이 모두 사용가능하다. 가터층의 기공 크기를 조절하는 것이 중요한데, 알칼리 환경에서는 실리카가 녹아서 구멍을 형성하므로 사용하는 실리카의 크기에 따라 기공 크기를 나노사이즈로 컨트롤할 수 있다. 한편 실리카가 녹지 않는 환경에서는 친수성 작용기를 가진 실리카를 이용하여 물에 대한 흡습성을 높임으로써 수투과도를 향상시킬 수 있다. 친수성 실리카의 예시로는 하이드록시기, 아민기, 카르복실기, 술폰산기 등의 친수성 작용기가 실리카 말단에 결합된 것을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, a garter layer is formed using silica, and various shapes such as a spherical shape and a polygonal shape of the silica can be used. It is important to control the pore size of the garter layer. Since silica melts and forms pores in an alkaline environment, the pore size can be controlled to a nano size according to the size of the silica used. On the other hand, in an environment in which silica does not dissolve, water permeability can be improved by using silica having a hydrophilic functional group to increase hygroscopicity in water. Examples of the hydrophilic silica include, but are not limited to, those in which a hydrophilic functional group such as a hydroxyl group, an amine group, a carboxyl group, and a sulfonic acid group is bonded to the end of the silica.

또한 소수성 소재인 다공성 지지체는 전해액과의 젖음성이 매우 낮기 때문에 친수성 작용기가 결합된 실리카를 사용하여 이와 같이 가터층을 도입하면 친수성과 전해액의 젖음성이 향상되고, 제조 원가도 낮출 수 있어 유용하다.In addition, since the porous support, which is a hydrophobic material, has very low wettability with an electrolyte, using silica to which a hydrophilic functional group is bound to introduce a garter layer in this way improves hydrophilicity and wettability of the electrolyte, and it is useful because it can reduce manufacturing cost.

또한 가터층 형성에는 폴리올계 구조를 가진 글리세린, 글리세롤, 폴리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,4-부탄디올, 1,6-헥산디올, 디에틸렌글리콜 등이 바인더 소재로 사용될 수 있으며, 실리카의 함량은 바인더 소재 대비 0.01 내지 10 중량%인 것이 바람직하다. In addition, in forming the garter layer, glycerin, glycerol, polyethylene glycol, propylene glycol, 1,4-butanediol, 1,6-hexanediol, diethylene glycol, etc. having a polyol-based structure may be used as a binder material, and the content of silica is the binder. It is preferable that it is 0.01 to 10% by weight based on the material.

또한 상기 가터층에 상에 특정 이온에 대해 전도성을 갖는 이오노머 선택층이 형성되는데, 선택층에 원하는 작용기를 도입하여 분리막의 특성을 제어하고, 계면특성을 확보할 수 있다는 점에서 유용하다. 본 발명에 사용되는 이오노머는 과불소계, 부분 불소계 또는 탄화수소계 이오노머가 모두 가능하지만, 보다 친수성-소수성간의 미세상분리 구조가 잘 형성되어 있는 과불소계 이오노머를 사용하는 것이 신속한 이온전달 구조형성을 통해 우수한 이온전도성을 확보할 수 있다는 점에서 바람직하다. In addition, an ionomer selective layer having conductivity with respect to a specific ion is formed on the garter layer, and it is useful in that a desired functional group is introduced into the selective layer to control the properties of the separator and secure the interface properties. The ionomer used in the present invention may be a perfluorine-based, partially-fluorinated, or hydrocarbon-based ionomer. However, it is preferable to use a perfluorinated ionomer with a more hydrophilic-hydrophobic fine-phase separation structure through rapid ion transport structure formation. It is preferable in that conductivity can be ensured.

알칼라인 수전해에는 음이온 전도성 작용기를 가진 이오노머를 사용할 수 있는데, 예를 들어, 암모늄기, 포스포늄기, 이미다졸륨기, 피리듐기, 구아니디늄기 또는 설포늄기 중에서 선택될 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다. 알칼라인 수전해는 OH- 이온을 이동시켜 수전해 반응이 일어나기 때문에 음이온 전도성 이오노머를 사용하여 OH- 이온의 이동속도를 향상시키는 것이 수전해 성능 향상에 유리하다. For alkaline water electrolysis, an ionomer having an anion conductive functional group may be used, for example, an ammonium group, a phosphonium group, an imidazolium group, a pyridium group, a guanidinium group, or a sulfonium group. it is not Since alkaline water electrolysis moves OH - ions to cause water electrolysis, it is advantageous to improve the performance of water electrolysis by using an anion conductive ionomer to improve the movement speed of OH-ions.

한편 본 발명에 따른 다층복합분리막을 PEM 수전해 등에 적용하는 경우에는 양이온 전도성 이오노머를 이용하여 선택층을 형성할 수 있다. 이때, 양이온 전도성 작용기의 예시로는 하이드록시기, 술폰산기, 인산기, 카르복실기 등을 들 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. On the other hand, when the multilayer composite separator according to the present invention is applied to PEM water electrolysis, etc., a selective layer can be formed using a cation conductive ionomer. In this case, examples of the cation conductive functional group include, but are not limited to, a hydroxyl group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a carboxyl group, and the like.

본 발명에서 선택층은 이오노머 분산액을 이용하여 가터층 상에 형성하게 된다. 일반적인 이오노머 분산액을 사용하여 선택층을 형성하는 것도 가능하지만, 음이온 전도성 이오노머는 상온/상압 조건하에서 분산이 잘 되지 않기 때문에 물과 알코올의 혼합용매 상에서 이오노머를 초임계조건하에서 분산시킨 나노분산액을 이용하면 막 제조가 용이하기 때문에 더욱 바람직하다. 이때 공용매(co-solvent)로 물과 알코올을 사용하고, 초임계 조건을 이용하여 이오노머를 나노분산시키면, 이오노머의 분산 특성을 제어할 수 있다. 본 발명의 이오노머 나노분산에 적용되는 초임계 조건의 온도는 80 내지 300 ℃ 범위이고, 압력은 0.1 내지 20 MPa 범위인 것이 바람직하며, 사용되는 이오노머 말단 음이온 전도성 작용기와 알코올의 종류와 비율에 따라 달라질 수 있다. 이와 같은 분산특성이 제어된 이오노머 나노분산액을 이용하여 선택층을 제조하면 선택층의 두께 조절이 용이하고, 분산특성 제어를 통해 음이온 전도성 작용기간의 배열이 이온수송거동에 유리하게 형성되어 전기화학적 특성이 우수한 다층복합분리막을 얻을 수 있다. In the present invention, the selective layer is formed on the garter layer using the ionomer dispersion. Although it is possible to form a selective layer using a general ionomer dispersion, the anion conductive ionomer is not well dispersed under normal temperature / atmospheric pressure conditions. It is more preferable because it is easy to manufacture a film|membrane. In this case, when water and alcohol are used as co-solvents and the ionomer is nano-dispersed using supercritical conditions, the dispersion characteristics of the ionomer can be controlled. The temperature of the supercritical conditions applied to the ionomer nanodispersion of the present invention is in the range of 80 to 300 ° C., and the pressure is preferably in the range of 0.1 to 20 MPa. can If the selective layer is prepared using the ionomer nanodispersion with such a controlled dispersion property, the thickness of the selective layer can be easily controlled, and the arrangement of the anion conductive functional groups is advantageously formed for ion transport behavior through the control of the dispersion property, resulting in electrochemical properties This excellent multilayer composite separator can be obtained.

본 발명에 따라 고분자 다공성 지지체; 상기 다공성 지지체의 일면 또는 양면 상에 형성된 실리카를 포함하는 가터층; 및 상기 가터층 상에 형성된 이오노머로 이루어진 선택층을 포함하는 수전해용 다층복합분리막은 알카라인 용액에 대한 우수한 젖음성과 높은 내화학성, OH- 이온에 대한 높은 선택성, 낮은 저항을 유발하는 얇은 두께를 가지며, 상대적으로 적은 비용으로 분리막을 제조할 수 있어 경제적이다. Polymeric porous support according to the present invention; a garter layer comprising silica formed on one or both surfaces of the porous support; And the multilayer composite separator for water electrolysis comprising a selective layer made of an ionomer formed on the garter layer has a thin thickness that induces excellent wettability and high chemical resistance to alkaline solution, high selectivity to OH - ions, and low resistance, It is economical because the separation membrane can be manufactured at a relatively low cost.

또한 본 발명에 따른 분리막은 알칼라인 수전해 분리막 이외에도 고분자전해질 수전해 등 다양한 분야에 적용할 수 있다. In addition, the separation membrane according to the present invention can be applied to various fields such as polyelectrolyte water electrolysis in addition to the alkaline water electrolysis membrane.

이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 제시된 것으로서 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.The present invention will be described in more detail by way of examples below. However, the following examples are provided by way of illustration to help the understanding of the present invention, and the scope of the present invention should not be construed as being limited thereto.

<실시예 1><Example 1>

1-1. 음이온 전도성 이오노머의 제조1-1. Preparation of anion conductive ionomers

음이온 전도성 이오노머는 -SO2F 말단기를 갖는 과불소계 고분자 중간체(PSF)를 이용하여 총 2단계(1단계 : 아민화 반응(-F → -O-NH-C6H5), 2단계: 알칼리화 반응(Alkali treatment)(-NH → -NH2 +))의 화학적 개질반응을 통해 제조하였다. 1단계 아민화 반응에서는 질소분위기, 100 oC에서 2-디에틸아미노에탄올을 PSF:2-디에틸아미노에탄올=5:1의 중량비율로 첨가한 뒤 0.5 M NaOH 수용액을 포함하는 용액으로 만들고 200 rpm의 속도로 교반하며 상기 PSF를 7시간 반응시켰으며, 초순수로 3시간 동안 세척한 다음 60 oC 대류 오븐에서 4시간 동안 건조시켜 준비하였고, 그 다음 2단계의 알칼리화 반응에서는 50 oC에서 0.5 M 농도의 LiOH 용액을 200 rpm의 속도로 교반하며 상기 아민화 반응을 거친 PSF를 4시간 동안 반응시켰으며, 초순수로 6시간 동안 세척한 다음 60 oC 대류 오븐에서 4시간 동안 건조시켰다. 이 개질 공정에 따라 음이온 전도성 작용기인 암모늄기를 갖는 과불소계 이오노머를 제조하였다.The anion conductive ionomer is prepared in two steps (step 1: amination reaction (-F → -O-NH-C 6 H 5 ), step 2: using a perfluorinated polymer intermediate (PSF) having a -SO 2 F end group): It was prepared through chemical modification of alkali treatment (-NH → -NH 2 + )). In the first-step amination reaction, 2-diethylaminoethanol was added in a nitrogen atmosphere at 100 o C in a weight ratio of PSF:2-diethylaminoethanol = 5:1, and then a solution containing 0.5 M NaOH aqueous solution was prepared and 200 The PSF was reacted for 7 hours while stirring at a speed of rpm, washed with ultrapure water for 3 hours, dried in a convection oven at 60 o C for 4 hours, and then prepared by drying in a convection oven at 50 o C in the next two steps of alkalinization reaction at 50 o C The M-concentration LiOH solution was stirred at a speed of 200 rpm, and the amination-treated PSF was reacted for 4 hours, washed with ultrapure water for 6 hours, and then dried in a 60 o C convection oven for 4 hours. According to this reforming process, a perfluorinated ionomer having an ammonium group as an anion conductive functional group was prepared.

1-2. 음이온 전도성 이오노머 나노분산액의 제조1-2. Preparation of anionically conductive ionomer nanodispersion

다층복합분리막 제조에 앞서 나노분산액의 제조를 위한 이오노머로 상기 실시예 1-1에서 합성된 음이온 전도성 이오노머를 사용하였다. 물-알코올 혼합용매를 분산용매로 사용하였으며, 알코올 용매로 사용한 노르말 프로판올 (NPA, 순도: 95.0 ~ 98.0 %)은 미국 Aldrich Chemical Co.에서 구입하여 추가 정제 없이 사용하였다. The anion conductive ionomer synthesized in Example 1-1 was used as an ionomer for the preparation of the nano-dispersion prior to the preparation of the multilayer composite separator. A water-alcohol mixed solvent was used as a dispersion solvent, and normal propanol (NPA, purity: 95.0 to 98.0 %) used as an alcohol solvent was purchased from Aldrich Chemical Co. in the United States and used without further purification.

상기 음이온 전도성 이오노머 (무게, 22.5 g)를 123.7 g의 NPA와 101.2 g의 초순수 (중량비 55:45)가 들어있는 유리 라이너에 첨가하였다. 고압/고온 반응기 (4560 Mini-Bench Reactor System, PARR, 미국)에 유리 라이너를 장착하고, 가열 속도 4.25℃ min-1로 290 °C까지 반응기의 반응 혼합물을 가열하고, 압력이 6.5 MPa에 도달하였을 때, 반응을 1 시간 동안 유지하였다. 대기압 (101.3 kPa)하에서 서서히 냉각시킨 다음 나노분산액을 얻었다. 마지막으로, 나노분산액은 평균 기공 크기가 5 내지 10 ㎛인 여과지를 이용하여 여과하였다.The anion-conducting ionomer (weight, 22.5 g) was added to a glass liner containing 123.7 g of NPA and 101.2 g of ultrapure water (weight ratio 55:45). A high pressure/high temperature reactor (4560 Mini-Bench Reactor System, PARR, USA) was equipped with a glass liner, and the reaction mixture in the reactor was heated to 290 °C at a heating rate of 4.25 °C min -1 , and the pressure reached 6.5 MPa. when the reaction was maintained for 1 hour. After cooling slowly under atmospheric pressure (101.3 kPa), a nanodispersion was obtained. Finally, the nano-dispersion was filtered using filter paper having an average pore size of 5 to 10 μm.

1-3. 다층강화복합분리막 제조1-3. Manufacture of multi-layer reinforced composite separator

본 실시예에서는 폴리테트라플루오로에틸렌(두께: 30 ㎛, 기공도: 70%)을 다공성 지지체로 사용하였고, 지지체 위에 가터층 형성을 위해 친수성 실리카인 AEROSIL® 380 (Evonik Industries AG., Germany)을 바인더로 사용된 폴리에틸렌글리콜(0.6 kDa, Aldrich Chemical Co., USA) 대비 5 중량%로 혼합하여 코팅한 후 대류오븐에서 50 oC 1시간 건조시켰다. 그 다음 선택층 형성을 위해 상기 나노분산액 제조 단계를 거쳐 제조된 음이온 전도성 나노분산액을 가터층 상에 코팅시킨 뒤 대류오븐에서 60 oC 1시간 건조시키고, 이어서 150 oC 1시간 열처리하여 결과적으로 다공성 지지체의 양면에 가터층과 선택층을 포함하는 다층복합분리막을 제조하였다. In this example, polytetrafluoroethylene (thickness: 30 μm, porosity: 70%) was used as a porous support, and hydrophilic silica AEROSIL ® 380 (Evonik Industries AG., Germany) was used to form a garter layer on the support. 5% by weight of polyethylene glycol (0.6 kDa, Aldrich Chemical Co., USA) used as a binder was mixed and coated, and then dried in a convection oven at 50 o C for 1 hour. Then, to form a selective layer, the anion conductive nanodispersion prepared through the nanodispersion preparation step was coated on the garter layer , dried in a convection oven at 60 o C for 1 hour, and then heat treated at 150 o C for 1 hour, resulting in porosity A multilayer composite separator including a garter layer and a selective layer on both sides of the support was prepared.

<실시예 2> <Example 2>

포스포늄기로 개질된 음이온 전도성 이오노머의 나노분산액을 이용하여 선택층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 다층복합분리막을 제조하였다. A multilayer composite separator was prepared in the same manner as in Example 1, except that a selective layer was formed using a nano-dispersion of an anion conductive ionomer modified with a phosphonium group.

<실시예 3> <Example 3>

이미다졸륨기를 갖는 이오노머의 나노분산액을 이용하여 선택층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 다층복합분리막을 제조하였다. A multilayer composite separator was prepared in the same manner as in Example 1, except that a selective layer was formed using a nano-dispersion solution of an ionomer having an imidazolium group.

<실시예 4><Example 4>

지지체 위에 가터층 형성을 위해 친수성 실리카인 AEROSIL® 380 (Evonik Industries AG., Germany)을 바인더로 사용된 폴리에틸렌글리콜(0.6 kDa, Aldrich Chemical Co., USA) 대비 5 중량%로 혼합하여 한쪽 면에만 코팅한 후 대류오븐에서 50 oC 1시간 건조시켰다. 그 다음 선택층 형성을 위해 실시예 1과 동일하게 나노분산액 제조 단계를 거쳐 제조된 음이온 전도성 나노분산액을 한 쪽에만 형성된 가터층 상에 코팅시킨 뒤 대류오븐에서 60 oC 1시간 건조시키고, 이어서 150 oC 1시간 열처리하여 결과적으로 다공성 지지체의 한쪽 면에만 가터층/선택층을 형성하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 다층복합분리막을 제조하였다.To form a garter layer on a support, AEROSIL ® 380 (Evonik Industries AG., Germany), a hydrophilic silica, was mixed at 5 wt% compared to polyethylene glycol (0.6 kDa, Aldrich Chemical Co., USA) used as a binder and coated on only one side After that, it was dried at 50 o C for 1 hour in a convection oven. Then, to form a selective layer, the anion conductive nano-dispersion prepared through the nano-dispersion preparation step in the same manner as in Example 1 was coated on the garter layer formed on only one side , and then dried in a convection oven at 60 o C for 1 hour, then 150 o A multilayer composite separator was prepared in the same manner as in Example 1, except that a garter layer/selective layer was formed only on one side of the porous support after heat treatment at o C for 1 hour.

<비교예 1><Comparative Example 1>

음이온 전도성 이오노머 분리막인 상용 Neosepta® AHA 분리막(Astom, Japan)을 준비하였다. A commercially available Neosepta ® AHA separator (Astom, Japan), which is an anion conductive ionomer separator, was prepared.

<비교예 2><Comparative Example 2>

비이온 전도성 다공성 분리막인 상용 Zirfon® PERL의 분리막(Agfa, Belgium)을 준비하였다. A commercially available Zirfon ® PERL separator (Agfa, Belgium), which is a non-ion conductive porous separator, was prepared.

<실험예 1> 이온전도성 평가<Experimental Example 1> Ion conductivity evaluation

비교예 1(AHA) 및 본 발명에 따른 실시예 1의 분리막에 대하여, 전해질의 영향을 제외한 소재 자체의 이온전도성 비교를 위해 물조건하에서 온도에 따른 OH-이온전도도를 측정하였다. 그 결과, 모두 온도가 증가함에 따라 이온의 이동성 향상으로 인해 이온전도도는 향상되었으며, 비교예 1의 분리막보다 본 발명에 따른 실시예 1의 분리막이 더 우수한 이온전도도를 나타내었다. 이는 친수성 실리카 도입을 통한 젖음성 향상과 더불어 낮은 저항을 유발하는 얇은 두께(~50 ㎛)로 인한 복합적인 효과로 판단되며, 이러한 특성은 수전해 장치에 적용될 때, 알칼라인 용액에 대한 젖음성 향상과 분리막의 얇은 두께로 인한 저항 감소로 이온전달속도를 촉진하여 성능 향상에 기여할 수 있다. 또한, 얇은 두께로 분리막 제조가 가능하기 때문에 분리막 제조 시 원가 절감을 통한 경제성 확보도 할 수 있다. 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3의 분리막은 비교예 1의 분리막 보다 우수한 OH- 이온전도도를 나타내었으며, 작용기에 따라 다소 차이는 있으나, 암모늄기를 음이온 전도성 작용기로 갖는 실시예 1이 가장 우수하였다. For the separator of Comparative Example 1 (AHA) and Example 1 according to the present invention, OH- ion conductivity according to temperature under water condition was measured to compare the ionic conductivity of the material itself excluding the effect of electrolyte. As a result, as the temperature increased, the ionic conductivity was improved due to the improvement of ion mobility, and the separator of Example 1 according to the present invention exhibited better ionic conductivity than the separator of Comparative Example 1. This is judged to be a complex effect due to the thin thickness (~50 μm) that induces low resistance along with the improvement of wettability through introduction of hydrophilic silica. It can contribute to performance improvement by accelerating the ion transfer rate by reducing the resistance due to the thin thickness. In addition, since it is possible to manufacture a separator with a thin thickness, it is possible to secure economic feasibility through cost reduction when manufacturing a separator. The separators of Examples 1 to 3 according to the present invention exhibited superior OH- ion conductivity than the separator of Comparative Example 1, and although there was a slight difference depending on the functional group, Example 1 having an ammonium group as an anion conductive functional group was the best.

<실험예 2> 수소기체투과도 평가<Experimental Example 2> Hydrogen gas permeability evaluation

소재 자체의 수소기체투과도를 확인하기 위해 건조 상태의 수소기체투과도를 Time-lag법을 통해 80 oC 온도 조건에서 평가한 결과, 비이온 전도성 다공성 분리막인 비교예 2(Zirfon)의 경우, 다공성 특성으로 인해 그대로 수소기체가 투과되어 측정이 불가하였으며, 비교예 1(AHA)의 경우 건조 후 기계적 물성이 매우 약화되어 수소기체 투과도 측정이 불가하였다. 본 발명에서의 실시예 1의 경우, 상대적으로 얇은 두께에도 7.74 Barrer로 낮은 수소기체투과도를 보임을 확인하였는데, 이는 동일 두께의 상용 양이온교환막으로 사용되는 Nafion 212(DuPont, USA) 막의 수소기체투과도 수준과 유사하였다. 이러한 특성은 추후 수전해 장치에 적용될 때 낮은 수소기체투과도로 안정성 향상에 기여할 수 있으며, 지지체의 기계적 물성 강화 효과로 물리적인 수명 특성 연장에 도움이 될 것으로 기대된다.In order to check the hydrogen gas permeability of the material itself, as a result of evaluating the hydrogen gas permeability in the dry state at 80 o C temperature condition through the time-lag method, in the case of Comparative Example 2 (Zirfon), a non-ion conductive porous separator, porous characteristics For this reason, hydrogen gas permeated as it was and measurement was impossible, and in the case of Comparative Example 1 (AHA), the mechanical properties were very weakened after drying, making it impossible to measure the hydrogen gas permeability. In the case of Example 1 in the present invention, it was confirmed that the low hydrogen gas permeability was 7.74 Barrer even with a relatively thin thickness, which is the hydrogen gas permeability level of the Nafion 212 (DuPont, USA) membrane used as a commercial cation exchange membrane of the same thickness. was similar to This characteristic can contribute to the improvement of stability due to low hydrogen gas permeability when applied to a water electrolysis device in the future, and is expected to help extend the physical lifespan characteristics due to the effect of strengthening the mechanical properties of the support.

비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 실시예 1Example 1 두께 [㎛]thickness [㎛] 198198 500500 5050 수소기체투과도@
80 oC [Barrer]
Hydrogen gas permeability@
80 o C [Barrer]
측정불가
(기계적 물성 약화)
not measurable
(weakened mechanical properties)
측정불가
(다공성)
not measurable
(porous)
7.74 ± 0.047.74 ± 0.04

<실험예 3> 전압부하 특성 평가<Experimental Example 3> Voltage load characteristic evaluation

비교예 1 (Zirfon)과 비교예 2 (AHA)에 따른 분리막에 대해서, Ni 계열의 합금전극을 사용하여 80 oC, 5 M KOH 조건하에서의 전류밀도에 따른 전압부하를 측정하였으며, 본 발명에 따른 실시예 1, 4의 다층복합분리막의 경우 더 낮은 농도(3 M KOH)인 것을 제외하고 동일한 방법으로 전류밀도에 따른 전압부하를 측정하였다. 그 결과, 비교예 1, 2 대비 본 발명에 따른 실시예 1과 실시예 4가 더 낮은 농도의 KOH 조건하에서 구동하였음에도 동일 전류밀도에서 제일 낮은 전압부하를 나타내었다. 이는 더 낮은 전력으로도 운전할 수 있음을 의미한다. 이러한 결과는 가터층의 친수성 실리카 도입을 통한 알칼라인 용액에 대한 젖음성 향상과 선택층의 음이온 전도성 이오노머 도입과 더불어 결과적으로 제조된 분리막의 두께 저감을 통한 저항 감소 등의 복합적인 효과로 인한 성능 향상으로 판단된다. 한편 가터층/선택층이 단면으로 형성된 실시예 4보다 양면으로 형성된 실시예 1이 동일 전류밀도에서 낮은 전압부하를 나타내었다. 이는 가터층과 선택층이 양면에 형성되면서 단면보다 알칼라인 용액에 대한 젖음성이 향상되고, 선택층의 추가적인 음이온 전도성 이오노머 도입의 효과로 판단된다.For the separators according to Comparative Example 1 (Zirfon) and Comparative Example 2 (AHA), the voltage load according to the current density under the conditions of 80 o C and 5 M KOH was measured using a Ni-based alloy electrode. In the case of the multilayer composite separators of Examples 1 and 4, the voltage load according to the current density was measured in the same manner except for a lower concentration (3 M KOH). As a result, compared to Comparative Examples 1 and 2, Examples 1 and 4 according to the present invention exhibited the lowest voltage load at the same current density even though they were driven under a KOH condition of a lower concentration. This means it can be operated even with lower power. These results are judged to be performance improvements due to the complex effects of improving wettability to alkaline solutions through the introduction of hydrophilic silica in the garter layer, introducing anion conductive ionomers in the selective layer, and reducing resistance by reducing the thickness of the resulting separator. do. On the other hand, Example 1, in which the garter layer/selective layer was formed in a single side, showed a lower voltage load at the same current density than Example 4 in which the garter layer/selection layer was formed as a single side. This is judged to be the effect of introducing an additional anion conductive ionomer into the selective layer, as the garter layer and the selective layer are formed on both sides, and the wettability to the alkaline solution is improved compared to the single side.

Claims (23)

고분자 다공성 지지체;
상기 다공성 지지체의 일면 또는 양면 상에 형성된 실리카를 포함하는 가터층(Gutter layer); 및
상기 가터층 상에 형성된 이오노머로 이루어진 선택층을 포함하는 수전해용 다층복합분리막.
Polymeric porous support;
a garter layer comprising silica formed on one or both surfaces of the porous support; and
A multilayer composite separator for water electrolysis comprising a selective layer made of an ionomer formed on the garter layer.
제1항에 있어서,
상기 가터층의 기공은 상기 고분자 다공성 지지체의 기공보다 크기가 작은 것을 특징으로 하는 수전해용 다층복합분리막.
According to claim 1,
The multilayer composite separator for water electrolysis, characterized in that the pores of the garter layer are smaller in size than the pores of the porous polymer support.
제2항에 있어서,
상기 고분자 다공성 지지체의 기공은 평균 직경이 30 nm 내지 0.8 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 수전해용 다층복합분리막.
3. The method of claim 2,
The multilayer composite separator for water electrolysis, characterized in that the pores of the polymeric porous support have an average diameter in the range of 30 nm to 0.8 μm.
제2항에 있어서,
상기 가터층의 기공은 평균 직경이 1 nm 내지 0.1 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 수전해용 다층복합분리막.
3. The method of claim 2,
The pores of the garter layer have an average diameter in the range of 1 nm to 0.1 μm.
제1항에 있어서,
상기 고분자 다공성 지지체는 폴리올레핀계 또는 폴리테트라플루오로에틸렌계 고분자 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수전해용 다층복합분리막.
According to claim 1,
The porous polymer support is a multilayer composite separator for water electrolysis, characterized in that it is selected from polyolefin-based or polytetrafluoroethylene-based polymers.
제1항에 있어서,
상기 실리카는 하이드록시기, 아민기, 카르복실기, 술폰산기 중에서 선택된 작용기가 말단에 결합된 친수성 실리카인 것을 특징으로 하는 수전해용 다층복합분리막.
According to claim 1,
The silica is a multilayer composite separator for water electrolysis, characterized in that it is a hydrophilic silica in which a functional group selected from a hydroxyl group, an amine group, a carboxyl group, and a sulfonic acid group is bonded to the terminal.
제1항에 있어서,
상기 선택층의 이오노머는 과불소계 또는 부분불소계 또는 탄화수소계 이오노머 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수전해용 다층복합분리막.
According to claim 1,
The ionomer of the selective layer is a multilayer composite separator for water electrolysis, characterized in that it is selected from perfluorine-based, partially-fluorinated, or hydrocarbon-based ionomers.
제1항에 있어서,
상기 이오노머는 음이온 전도성 작용기 또는 양이온 전도성 작용기가 도입된 이오노머인 것을 특징으로 하는 수전해용 다층복합분리막.
According to claim 1,
The ionomer is an ionomer into which an anion conductive functional group or a cation conductive functional group is introduced.
제8항에 있어서,
상기 음이온 전도성 작용기는 암모늄기, 포스포늄기, 이미다졸륨기, 피리듐기, 구아니디늄기 또는 설포늄기 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 수전해용 다층복합분리막.
9. The method of claim 8,
The anion-conducting functional group is an ammonium group, a phosphonium group, an imidazolium group, a pyridium group, a guanidinium group, or a sulfonium group.
제8항에 있어서,
상기 양이온 전도성 작용기는 하이드록시기, 술폰산기, 인산기, 카르복실기 중에서 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 수전해용 다층복합분리막.
9. The method of claim 8,
The cation conductive functional group is a multilayer composite separator for water electrolysis, characterized in that it is selected from a hydroxyl group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, and a carboxyl group.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지층의 두께는 25 내지 300 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 수전해용 다층복합분리막.
According to claim 1,
The multilayer composite separator for water electrolysis, characterized in that the thickness of the porous support layer is in the range of 25 to 300 ㎛.
제1항에 있어서,
상기 가터층의 두께는 0.5 내지 10 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 수전해용 다층복합분리막.
According to claim 1,
The thickness of the garter layer is a multilayer composite separator for water electrolysis, characterized in that in the range of 0.5 to 10 ㎛.
제1항에 있어서,
상기 선택층의 두께는 0.5 내지 2 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 수전해용 다층복합분리막.
According to claim 1,
The thickness of the selective layer is a multilayer composite separator for water electrolysis, characterized in that in the range of 0.5 to 2 ㎛.
i) 고분자 다공성 지지체 상에 실리카와 바인더를 혼합하여 코팅하고 건조시켜 가터층을 형성하는 단계; 및
ii) 상기 가터층 상에 이오노머 분산액을 코팅하고 건조시켜 선택층을 형성하는 단계를 포함하는 다층복합분리막의 제조 방법.
i) forming a garter layer by coating a mixture of silica and a binder on the polymer porous support and drying; and
ii) coating and drying the ionomer dispersion on the garter layer to form a selective layer.
제14항에 있어서,
상기 선택층 형성 단계는 건조 후 80 내지 150 ℃ 의 고온 열처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층복합분리막의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
The selective layer forming step is a method of manufacturing a multilayer composite separator, characterized in that it further comprises a high temperature heat treatment step of 80 to 150 ℃ after drying.
제14항에 있어서,
상기 고분자 다공성 지지체는 폴리올레핀 또는 폴리테트라플루오로에틸렌계 고분자 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다층복합분리막의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
The method for producing a multilayer composite separator, characterized in that the polymeric porous support is selected from polyolefin or polytetrafluoroethylene-based polymer.
제14항에 있어서,
상기 실리카는 하이드록시기, 아민기, 카르복실기, 술폰산기 중에서 선택된 작용기가 말단에 결합된 친수성 실리카인 것을 특징으로 하는 다층복합분리막의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
The method of manufacturing a multilayer composite separator, characterized in that the silica is a hydrophilic silica in which a functional group selected from a hydroxyl group, an amine group, a carboxyl group, and a sulfonic acid group is bonded to the terminal.
제14항에 있어서,
상기 바인더는 글리세린, 글리세롤, 폴리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,4-부탄디올, 1,6-헥산디올, 디에틸렌글리콜 등으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 것을 특징으로 하는 다층복합분리막의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
The binder is a method of manufacturing a multilayer composite separator, characterized in that at least one selected from the group consisting of glycerin, glycerol, polyethylene glycol, propylene glycol, 1,4-butanediol, 1,6-hexanediol, diethylene glycol, and the like.
제14항에 있어서,
상기 실리카의 함량은 상기 바인더 대비 0.01 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 다층복합분리막의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
The content of the silica is a method of manufacturing a multilayer composite separator, characterized in that 0.01 to 10% by weight relative to the binder.
제14항에 있어서,
상기 이오노머는 음이온 전도성 작용기 또는 양이온 전도성 작용기가 도입된 이오노머인 것을 특징으로 하는 수전해용 다층복합분리막의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
The ionomer is a method of manufacturing a multilayer composite separator for water electrolysis, characterized in that the ionomer is an anion conductive functional group or a cation conductive functional group is introduced.
제20항에 있어서,
상기 음이온 전도성 작용기는 암모늄기, 포스포늄기, 이미다졸륨기, 피리듐기, 구아니디늄기 또는 설포늄기 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 수전해용 다층복합분리막의 제조 방법.
21. The method of claim 20,
Wherein the anion conductive functional group is selected from an ammonium group, a phosphonium group, an imidazolium group, a pyridium group, a guanidinium group, or a sulfonium group.
제20항에 있어서,
상기 양이온 전도성 작용기는 하이드록시기, 술폰산기, 인산기, 카르복실기 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 수전해용 다층복합분리막의 제조 방법.
21. The method of claim 20,
The cation conductive functional group is a method of manufacturing a multilayer composite separator for water electrolysis, characterized in that selected from a hydroxyl group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, and a carboxyl group.
제14항에 있어서,
상기 이오노머 분산액은 이오노머가 물과 알코올의 혼합 용액에 초임계 조건하에서 나노분산된 것을 특징으로 하는 다층복합분리막의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
The ionomer dispersion is a method for manufacturing a multilayer composite separator, characterized in that the ionomer is nano-dispersed in a mixed solution of water and alcohol under supercritical conditions.
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