KR20230082202A - Method for separating and recovering electrode materials using supercritical dispersion - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초임계 분산법을 이용한 전극 소재의 분리 및 회수 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 막전극접합체로부터 초임계 분산법을 이용하여 전극 소재를 분리하여 회수하는 방법 및 회수된 이오노머 분산액과 촉매를 이용하여 제조된 전기화학적 특성이 우수한 이온교환막 또는 막전극접합체 등에 관한 것이다. The present invention relates to a method for separating and recovering an electrode material using a supercritical dispersion method, and more particularly, to a method for separating and recovering an electrode material from a membrane electrode assembly using a supercritical dispersion method, and a recovered ionomer dispersion and catalyst. It relates to an ion exchange membrane or membrane electrode assembly having excellent electrochemical properties prepared using
Description
본 발명은 초임계 분산법을 이용한 전극 소재의 분리 및 회수 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 막전극접합체로부터 초임계 분산법을 이용하여 전극 소재를 분리하여 회수하고, 회수된 이오노머 분산액과 촉매를 이용하여 제조된 전기화학적 특성이 우수한 이온교환막 또는 막전극접합체 등에 관한 것이다. The present invention relates to a method for separating and recovering an electrode material using a supercritical dispersion method, and more particularly, to separate and recover an electrode material from a membrane electrode assembly using a supercritical dispersion method, and to obtain a recovered ionomer dispersion and catalyst. It relates to an ion exchange membrane or a membrane electrode assembly having excellent electrochemical properties manufactured using the same.
일반적으로 막전극접합체는 이온전도성 고분자 전해질 분리막, 전극 바인더 및 탄소담지촉매로 구성되며 고분자전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell; PEFC), 역전기투석(reveres electrodialysis), 고분자 전해질 수전해(polymer electrolyte membrane water electrolysis) 등 다양한 전기화학 전환공정에 활용된다. In general, a membrane electrode assembly is composed of an ion conductive polymer electrolyte membrane, an electrode binder, and a carbon-supported catalyst, and is composed of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEFC), reverse electrodialysis, and polymer electrolyte water electrolysis. It is used in various electrochemical conversion processes such as membrane water electrolysis).
이 중에서 고분자 전해질 분리막과 전극 바인더는 생산성과 경제성의 관점에서 이온전도성이 높고 화학적 안정성이 우수한 것이 바람직하기 때문에 높은 이온전도성을 확보할 수 있는 술폰산기를 이온교환기로 이루어진 분리막 형태로 개발되고 있으며, 대표적인 예로는 케무어스(Chemours)사의 나피온(Nafion)과 아사히 카세이(Asahi Kasei)사의 아시플렉스(Aciplex-S) 등이 시판되고 있다. Among these, polymer electrolyte separators and electrode binders are being developed in the form of separators composed of ion exchange groups with sulfonic acid groups that can secure high ion conductivity because it is desirable to have high ion conductivity and excellent chemical stability from the viewpoint of productivity and economic feasibility. Nafion of Chemours and Aciplex-S of Asahi Kasei are commercially available.
또한 전극촉매의 경우 높은 활성을 유도할 수 있는 희귀금속을 사용하여 Pt/C 및 Ir/C와 같이 고가금속을 활용한 탄소담지촉매 형태로 개발되고 있으며, 대표적인 예로는 다나카(Tanaka)사의 일렉트로카탈리스트(ElectroCatalyst)와 알파에이서(Alfa Aesar)사의 하이스펙(HiSPEC) 등이 시판되고 있다.In addition, in the case of electrode catalysts, rare metals capable of inducing high activity are being used and are being developed in the form of carbon-supported catalysts using expensive metals such as Pt/C and Ir/C. A representative example is Tanaka's Electrocatalyst. (ElectroCatalyst) and Alfa Aesar's HiSPEC are commercially available.
이러한 막전극접합체를 구성하는 이온전도성 고분자 전해질 분리막, 전극 바인더, 탄소담지촉매와 같은 소재는 연료전지 또는 수전해 장치 등의 전기화학성능 및 내구성을 좌우하는 핵심 소재로서 현재 해외의 소수 특정 기업에서만 생산되고 있으며, 가격도 매우 높아서 이를 이용한 제품 생산에 부담이 되고 있다. 또한 막전극접합체에서 이오노머 또는 탄소담지촉매만을 회수할 수 있는 기술이 전무하여 사용 후에는 막전극접합체 상태로 전량 폐기하여야 하며, 폐기 비용 등을 이유로 적시에 처리되지 못하고 방치되는 경우가 많으며, 폐기시 발생하는 환경오염 문제도 해결해야 할 과제로 남아있다. 또한 이러한 전극 소재 중에서 금속 촉매 회수를 위해 전통적인 열화학 분해반응을 적용할 경우에는 불산(HF)과 관련된 환경 문제가 발생하기 때문에 새로운 처리 방법이 요구되고 있다. Materials such as the ion conductive polymer electrolyte membrane, electrode binder, and carbon supported catalyst constituting the membrane electrode assembly are key materials that determine the electrochemical performance and durability of fuel cells or water electrolysis devices, and are currently produced only by a few specific overseas companies. And the price is very high, making it a burden to produce products using it. In addition, since there is no technology capable of recovering only the ionomer or carbon supported catalyst from the membrane electrode assembly, the entire amount must be discarded in the state of the membrane electrode assembly after use. The problem of environmental pollution also remains a challenge to be addressed. In addition, when a traditional thermochemical decomposition reaction is applied to recover a metal catalyst among these electrode materials, a new treatment method is required because environmental problems related to hydrofluoric acid (HF) occur.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 연료전지 또는 수전해 장치에 널리 사용되는 막전극접합체로부터 초임계 분산법을 통해 손상 없이 이오노머와 촉매를 선택적으로 분리하여 회수하는 방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a method for selectively separating and recovering an ionomer and a catalyst without damage through a supercritical dispersion method from a membrane electrode assembly widely used in a fuel cell or a water electrolysis device.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 과제는 막전극접합체로부터 회수된 이오노머 분산액을 이용하여 이온교환막 또는 전극 바인더를 제조하여 전극 소재의 수입 의존도를 감소시키고, 제조단가를 낮추며, 사용 후 막전극접합체의 폐기를 통해 야기되는 환경문제를 완화하는 것이다. 또한 막전극접합체로부터 열화학 분해반응을 통해 귀금속 촉매를 회수할 경우 발생하는 환경오염 문제를 해결할 수 있는 친환경 촉매 회수 방법을 제공하는 것이다.Another task to be achieved by the present invention is to reduce the dependence on imports of electrode materials, lower the manufacturing cost, and dispose of the membrane electrode assembly after use by manufacturing an ion exchange membrane or an electrode binder using an ionomer dispersion recovered from a membrane electrode assembly. to alleviate the environmental problems caused by In addition, it is to provide an eco-friendly catalyst recovery method that can solve the environmental pollution problem that occurs when a noble metal catalyst is recovered from a membrane electrode assembly through a thermochemical decomposition reaction.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 막전극접합체를 물과 알코올로 이루어진 혼합 용매 중에서 초임계 분산시켜 이오노머를 추출하는 단계; 상기 이오노머가 추출된 분산액을 여과하여 분리하는 단계; 및 상기 이오노머 분산액이 분리되고 남은 성분 중에서 촉매를 분리하는 단계를 포함하는 초임계 분산법을 이용한 전극 소재 회수 방법을 제공한다. 이때, 막전극접합체는 연료전지 또는 수전해 장치용 막전극접합체일 수 있으며, 사용 전 또는 사용 후 막전극접합체 모두 전극 소재 회수가 가능하다. In order to solve the above technical problem, the present invention is supercritical dispersion of the membrane electrode assembly in a mixed solvent consisting of water and alcohol to extract the ionomer; Filtering and separating the dispersion from which the ionomer was extracted; and separating the catalyst from components remaining after the separation of the ionomer dispersion. In this case, the membrane electrode assembly may be a membrane electrode assembly for a fuel cell or a water electrolysis device, and electrode materials can be recovered before or after use.
또한, 본 발명은 막전극접합체로부터 회수된 이오노머 분산액 또는 촉매 소재를 이용하여 제조된 이온교환막, 전극 바인더, 전극 촉매 및 이를 포함하는 막전극접합체를 제공한다. In addition, the present invention provides an ion exchange membrane, an electrode binder, an electrode catalyst prepared using an ionomer dispersion or a catalyst material recovered from a membrane electrode assembly, and a membrane electrode assembly including the same.
본 발명은 초임계 분산법을 이용하여 막전극접합체로부터 이오노머와 촉매를 선택적으로 손실 없이 분리할 수 있으며, 이온교환막 또는 전극 바인더와 같이 필요로 하는 용도에 맞춰 다시 전극 제조에 활용할 수 있다. According to the present invention, the ionomer and the catalyst can be selectively separated without loss from the membrane electrode assembly using the supercritical dispersion method, and can be used again in the manufacture of electrodes according to required uses such as ion exchange membranes or electrode binders.
본 발명의 실시예를 통해 막전극접합체로부터 회수된 이오노머 분산액을 이용하여 이온교환막을 제조하고, 이를 테스트한 결과, 성능 저하 없이 높은 수소이온전도성과 수소기체차단성을 확인할 수 있었다. 또한 본 발명에 따라 초임계 분산법을 통해 회수된 이오노머를 이용하여 제조된 이온교환막 또는 전극 바인더 및 탄소담지촉매를 이용하여 다시 막전극접합체를 제조하여 평가한 결과, 전기화학적 특성도 개선됨을 확인하였다. An ion exchange membrane was prepared using the ionomer dispersion recovered from the membrane electrode assembly through an embodiment of the present invention, and as a result of testing this, it was confirmed that high hydrogen ion conductivity and hydrogen gas barrier property were confirmed without deterioration in performance. In addition, a membrane electrode assembly was prepared and evaluated again using an ion exchange membrane prepared using the ionomer recovered through the supercritical dispersion method according to the present invention or an electrode binder and a carbon supported catalyst, and as a result, it was confirmed that the electrochemical properties were also improved. .
이와 같이, 본 발명에 따라 회수된 이오노머는 초임계 분산과정을 거치면서 갖게 된 독특한 분산특성을 통해 이온교환막 및 전극 바인더로서의 우수한 특성을 나타내며, 이를 이온교환막과 전극 바인더로 도입할 경우 연료전지 또는 수전해 장치 등의 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 초임계 분산 방식을 적용하면 열화학 분해 반응을 통한 기존의 촉매 회수 공정을 비약적으로 간소화시킬 수 있으며 불산(HF) 관련 환경 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 상용 촉매와 동일 수준의 전기화학적 성능을 확보할 수 있다. As such, the ionomer recovered according to the present invention exhibits excellent properties as an ion exchange membrane and electrode binder through the unique dispersion characteristics obtained through the supercritical dispersion process. It is possible to improve the electrochemical performance of the solution and the like. In addition, if the supercritical dispersion method is applied according to the present invention, the existing catalyst recovery process through thermochemical decomposition can be drastically simplified, and environmental problems related to hydrofluoric acid (HF) can be solved, as well as the same level as commercial catalysts. Electrochemical performance can be secured.
또한 본 발명은 막전극접합체로부터 손실 없이 선택적으로 이오노머 및 촉매 소재를 회수할 수 있으며, 이온교환막 및 전극 바인더와 같이 필요로 하는 용도에 맞도록 분산액의 상태를 조절할 수 있다는 점에서 활용도가 매우 높다.In addition, the present invention is very useful in that the ionomer and catalyst materials can be selectively recovered from the membrane-electrode assembly without loss, and the state of the dispersion can be adjusted to suit the required use, such as an ion exchange membrane and an electrode binder.
또한, 이오노머 회수기술을 통해 과불소계 이오노머 소재에 대한 수급 이슈를 완화시킬 수 있으며, 별도의 합성과정 없이 이오노머 회수를 통해 이온교환막 및 전극 바인더로 제조함으로서 제조단가를 절약할 수 있고, 전량 폐기를 통해 발생되는 폐기물로 인한 환경문제를 미연에 방지할 수 있다. 다만, 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 않는다.In addition, through ionomer recovery technology, it is possible to alleviate the supply and demand issue of perfluorinated ionomer materials, and it is possible to save manufacturing cost by manufacturing ion exchange membranes and electrode binders through ionomer recovery without a separate synthesis process, and through the disposal of the entire amount. Environmental problems caused by the generated waste can be prevented in advance. However, the effects of the invention are not limited to the effects mentioned above.
또한, 본 발명에 따른 회수된 이오노머를 이용하여 제조된 이온교환막 및 전극 바인더, 탄소담지촉매는 고분자 전해질 연료전지 이외에도 고분자 전해질 수전해, 기타 이온 선택성 이오노머가 요구되는 수처리, 산화-환원 흐름전지, 축전식 탈이온화 분야 등의 다양한 산업 분야에 적용할 수 있다.In addition, the ion exchange membrane, electrode binder, and carbon-supported catalyst prepared using the recovered ionomer according to the present invention are polymer electrolyte water electrolysis, other water treatment requiring ion-selective ionomer, oxidation-reduction flow battery, and storage electricity in addition to polymer electrolyte fuel cells. It can be applied to various industrial fields such as formula deionization.
도 1은 본 발명에 따라 초임계 분산법을 이용하여 전극 소재를 분리하는 과정을 보여주는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 이온교환막의 수소이온전도거동을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 이온교환막의 수소기체 투과 거동을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 이온교환막이 도입된 막전극접합체의 65 ℃ 조건에서의 전류-전압 곡선을 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 이오노머가 바인더로 적용된 막전극접합체의 65 ℃ 조건에서의 전류-전압 곡선을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탄소담지촉매가 적용된 막전극접합체의 65 ℃ 조건에서의 전류-전압 곡선을 보여주는 그래프이다. 1 is a schematic diagram showing a process of separating an electrode material using a supercritical dispersion method according to the present invention.
2 is a graph showing proton conduction behavior of ion exchange membranes prepared according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
3 is a graph showing hydrogen gas permeation behavior of ion exchange membranes prepared according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
4 is a graph showing current-voltage curves of membrane electrode assemblies introduced with ion exchange membranes manufactured according to Examples and Comparative Examples of the present invention at 65 °C.
5 is a graph showing current-voltage curves of membrane-electrode assemblies to which an ionomer prepared according to Examples and Comparative Examples of the present invention is applied as a binder at 65 °C.
6 is a graph showing current-voltage curves of membrane-electrode assemblies to which a carbon-carrying catalyst prepared according to Examples and Comparative Examples of the present invention is applied at 65 °C.
이하에서 도면 및 실시예를 참조하여 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 초임계 분산법을 이용한 전극 소재 회수 방법은 막전극접합체를 물과 알코올로 이루어진 혼합 용매 중에서 초임계 분산시켜 이오노머를 추출하는 단계; 상기 이오노머가 추출된 분산액을 여과하여 분리하는 단계; 및 상기 이오노머 분산액이 분리되고 남은 성분 중에서 촉매를 분리하는 단계를 포함한다. An electrode material recovery method using a supercritical dispersion method according to the present invention includes supercritical dispersion of a membrane-electrode assembly in a mixed solvent composed of water and alcohol to extract an ionomer; Filtering and separating the dispersion from which the ionomer was extracted; and separating the catalyst from components remaining after the ionomer dispersion is separated.
본 발명에 사용될 수 있는 막전극접합체로는 연료전지에 널리 사용되고 있는 막전극접합체를 들 수 있다. 일반적으로 막전극접합체는 이온전도성 작용기를 포함하고 있는 분리막의 양쪽에 전극 바인더와 촉매로 이루어진 촉매층이 형성되어 있다.Membrane electrode assemblies that can be used in the present invention include membrane electrode assemblies widely used in fuel cells. In general, membrane electrode assemblies have a catalyst layer made of an electrode binder and a catalyst formed on both sides of a separator containing an ion conductive functional group.
막전극접합체 중에 포함된 분리막은 일반적으로 순수 이오노머로 이루어진 고분자 전해질막 또는 지지체 섬유와 이오노머로 이루어진 고분자 전해질 강화복합막일 수 있다. 본 발명에서는 초임계 분산법을 통해 알코올 수용액을 이용하여 이오노머를 분산액상으로 분리하게 되며, 이때 강화복합막을 구성하는 PTFE와 같은 지지체 섬유는 이오노머 분산액 중에 분산되지 않으므로 일종의 응집된 상태로 분리가 가능하게 된다. The separator included in the membrane electrode assembly may generally be a polymer electrolyte membrane made of pure ionomer or a polymer electrolyte reinforced composite membrane made of support fiber and ionomer. In the present invention, the ionomer is separated into a dispersion phase using an aqueous alcohol solution through the supercritical dispersion method. At this time, since the support fibers such as PTFE constituting the reinforced composite membrane are not dispersed in the ionomer dispersion, separation is possible in a kind of aggregated state. do.
본 발명에서 막전극접합체 중에 포함된 분리막을 이루고 있는 이오노머는 과불소계 이오노머, 부분불소계 이오노머 또는 탄화수소계 이오노머 어느 것이나 제한이 없이 추출할 수 있으며, 초임계 분산법에 의해 알코올 수용액 중에 분산시켜 분리할 수 있다. 구체적으로 분리막 중의 과불소계 이오노머의 종류로는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체 및 이들의 혼합물을 들 수 있으며, 상용화된 제품으로는 상용 나피온, 플레미온, 아시플렉스, 3M 이오노머, Dow 이오노머, Solvay 이오노머, Sumitomo 이오노머 및 이들의 혼합물을 들 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, perfluorine-based ionomer, partial fluorine-based ionomer, or hydrocarbon-based ionomer can be extracted without limitation as the ionomer constituting the separation membrane included in the membrane electrode assembly, and can be separated by dispersing in an aqueous alcohol solution by the supercritical dispersion method. there is. Specifically, the types of perfluorine-based ionomers in the separator include poly(perfluorosulfonic acid), poly(perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing a sulfonic acid group, and mixtures thereof. Commercially available products include commercially available Nafion, Flemion, Aciplex, 3M ionomer, Dow ionomer, Solvay ionomer, Sumitomo ionomer, and mixtures thereof, but are not particularly limited thereto.
또한 부분불소계 이오노머의 예시로는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르술폰-코-비닐리덴플로라이드), 술폰화된 트리플로오로스티렌-그래프트-폴리(테트라플로오로에틸렌)(PTFE-g-TFS), 스티렌-그래프트 술폰화 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF-g-PSSA), 디카르플루오로바이페닐을 단량체로 포함하는 공중합체, 헥사플루오로벤젠을 단량체로 포함하는 공중합체 및 이들의 혼합물을 들 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다. In addition, examples of partially fluorine-based ionomers include sulfonated poly(arylene ethersulfone-co-vinylidene fluoride), sulfonated trifluorostyrene-grafted-poly(tetrafluoroethylene) (PTFE-g-TFS) , styrene-grafted sulfonated polyvinylidene fluoride (PVDF-g-PSSA), copolymers containing dicarfluorobiphenyl as a monomer, copolymers containing hexafluorobenzene as a monomer, and mixtures thereof. It may be, but is not particularly limited thereto.
한편 탄화수소계 이오노머의 예시로는 술폰화 이미드, 술폰화 아릴에테르술폰, 술폰화 에테르에테르케톤, 술폰화 벤즈이미다졸, 술폰화 술폰, 술폰화 스티렌, 술폰화 포스파젠, 술폰화 에테르에테르술폰, 술폰화 에테르술폰, 술폰화 에테르벤즈이미다졸, 술폰화 아릴렌에테르케톤, 술폰화 에테르케톤, 술폰화 스타이렌, 술폰화 이미다졸, 술폰화 에테르케톤케톤, 아릴에테르벤즈이미다졸 및 이들의 조합 중에서 선택된 1종 이상의 탄화수소를 포함하는 단일 공중합체, 교대 공중합체, 불규칙 공중합체, 블록 공중합체, 멀티블록 공중합체, 그라프트 공중합체 및 이들의 혼합물을 들 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다. On the other hand, examples of the hydrocarbon-based ionomer include sulfonated imide, sulfonated aryl ether sulfone, sulfonated ether ether ketone, sulfonated benzimidazole, sulfonated sulfone, sulfonated styrene, sulfonated phosphazene, sulfonated ether ether sulfone, Among sulfonated ethersulfones, sulfonated etherbenzimidazoles, sulfonated arylene ether ketones, sulfonated ether ketones, sulfonated styrenes, sulfonated imidazoles, sulfonated ether ketone ketones, aryletherbenzimidazoles, and combinations thereof A single copolymer, an alternating copolymer, an irregular copolymer, a block copolymer, a multi-block copolymer, a graft copolymer, and a mixture thereof containing at least one selected hydrocarbon may be used, but is not particularly limited thereto.
본 발명에서 이오노머 추출에 사용될 수 있는 막전극접합체은 사용하지 않은 막전극접합체이나 사용되었던 막전극접합체 어느 것이나 사용가능하며, 특별한 제한이 없다. 막전극접합체로부터 이오노머를 추출하기 전에 별도의 전처리가 반드시 필요한 것은 아니지만, 연료전지나 수전해 장치 등에 사용되었던 막전극접합체을 이용하는 경우에는 특히 장기간 운전하는 동안 오염되었을 불순물을 사전에 제거하기 위해서 산처리 과정을 수행하는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 본 발명은 초임계 분산법을 이용하여 막전극접합체로부터 이오노머를 추출하기 전에 막전극접합체를 산(acid)으로 처리하여 불순물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.As the membrane electrode assembly that can be used for ionomer extraction in the present invention, either unused membrane electrode assembly or used membrane electrode assembly can be used, and there is no particular limitation. Although a separate pretreatment is not necessarily required before extracting the ionomer from the membrane electrode assembly, in the case of using a membrane electrode assembly used in a fuel cell or water electrolysis device, an acid treatment process is required to remove impurities that may be contaminated during long-term operation in advance. It is desirable to do In other words, the present invention may further include treating the membrane electrode assembly with an acid to remove impurities before extracting the ionomer from the membrane electrode assembly using the supercritical dispersion method.
또한 본 발명은 이오노머를 추출하기 전에 막전극접합체를 산(acid)으로 처리하지 않고, 초임계 분산법을 이용하여 막전극접합체로부터 이오노머를 추출한 후에 산처리 과정을 수행하는 것도 가능하다. 따라서 본 발명은 초임계 조건하에서 막전극접합체로부터 이오노머가 추출된 분산액을 분리한 후 산(acid)으로 처리하여 불순물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. In addition, in the present invention, it is also possible to perform an acid treatment process after extracting the ionomer from the membrane electrode assembly using a supercritical dispersion method without treating the membrane electrode assembly with an acid before extracting the ionomer. Therefore, the present invention may further include a step of separating the dispersion from which the ionomer is extracted from the membrane electrode assembly under supercritical conditions and then treating with an acid to remove impurities.
본 발명에서 산처리 과정은 이온교환막 내 과불소계 이오노머의 말단 작용기를 나트륨염(COO-Na+ 또는 SO3 -Na+) 등과 같은 염 상태에서 수소이온전달이 가능한 산(COO-H+ 또는 SO3 -H+) 형태로 전환할 목적으로 수행한다. 이때, 사용 가능한 산(acid)의 종류는 특별히 제한되지 않으나 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 염산(HCl) 등과 같은 강산 중 하나를 사용하는 것이 적합하며, 산(acid)의 농도는 0.1 내지 3 M 범위가 적합하다. 농도가 0.1 M 미만일 경우, 산(COO-H+ 또는 SO3 -H+) 형태로 완전하게 전환이 이루어지지 않을 수 있으며, 3 M를 초과할 경우, 산(COO-H+ 또는 SO3 -H+) 형태로 전환시킬 수 있는 양보다 과량으로 도입되기 때문에 경제적인 관점에서 바람직하지 못하다. In the present invention, the acid treatment process converts the terminal functional group of the perfluorinated ionomer in the ion exchange membrane to an acid capable of hydrogen ion transfer (COO - Na + or SO 3 - Na + ) in a salt state such as sodium salt (COO - H + or SO 3 - It is performed for the purpose of converting to H + ) form. At this time, the type of acid that can be used is not particularly limited, but it is recommended to use one of strong acids such as sulfuric acid (H 2 SO 4 ), nitric acid (HNO 3 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), and hydrochloric acid (HCl). It is suitable, and the concentration of the acid (acid) is suitable in the range of 0.1 to 3 M. If the concentration is less than 0.1 M, complete conversion to acid (COO - H + or SO 3 - H + ) form may not be achieved, and if it exceeds 3 M, acid (COO - H + or SO 3 - H + ) + ) is undesirable from an economic point of view because it is introduced in excess of the amount that can be converted into the form.
막전극접합체로부터 이오노머를 추출하기 전에 막전극접합체를 산(acid)으로 처리하여 불순물을 제거하는 경우에는, 예를 들어, 산이 끓는 상태에서 0.5 내지 6시간 동안 처리하여 수행한다. 이후 이온교환막 표면에 과도하게 묻어 있을 산 잔여물을 제거하기 위해, 다시 초순수에서 0.5 내지 6시간 동안 끓이는 것이 더욱 바람직하다.In the case of removing impurities by treating the membrane electrode assembly with an acid before extracting the ionomer from the membrane electrode assembly, for example, the membrane electrode assembly is treated in a boiling acid state for 0.5 to 6 hours. Afterwards, it is more preferable to boil the ion exchange membrane in ultrapure water for 0.5 to 6 hours in order to remove excessive acid residues on the surface of the ion exchange membrane.
한편 본 발명에서 초임계 분산법을 통해 막전극접합체로부터 이오노머를 추출한 후에 불순물 제거하는 경우에는 예를 들어, 여과된 이오노머 분산액을 이온교환수지 팩 내에 넣고, 이를 0.1 내지 3 M 범위의 일정 농도를 갖는 끓는 황산용액에 0.5 내지 6시간 동안 넣고 이온교환을 유도한 후, 끊는 물에 연속적으로 0.5 내지 6시간 동안 교반시키는 과정으로 이루어질 수 있다. 또 다른 방법으로 여과된 이오노머 분산액을 고형화시킨 후, 이오노머를 추출하기 전에 막전극접합체를 산(acid)으로 처리하는 방법과 동일한 과정으로 불순물을 제거할 수도 있다. On the other hand, in the case of removing impurities after extracting the ionomer from the membrane electrode assembly through the supercritical dispersion method in the present invention, for example, the filtered ionomer dispersion is placed in an ion exchange resin pack and has a certain concentration in the range of 0.1 to 3 M. After inducing ion exchange in a boiling sulfuric acid solution for 0.5 to 6 hours, it may be made by continuously stirring in boiling water for 0.5 to 6 hours. After solidifying the filtered ionomer dispersion by another method, impurities may be removed by the same process as the method of treating the membrane electrode assembly with an acid before extracting the ionomer.
본 발명에서 막전극접합체로부터 초임계 분산법을 이용하여 분산액상으로 이오노머를 추출하는 과정은 다음과 같다. 임계점 이상에서의 초임계 유체는 액체와 유사한 용해력, 매우 낮은 표면장력 및 기체와 유사한 투과성을 나타내는 특징이 있으며, 초임계 유체의 밀도는 용해 성능을 개선시킬 수 있다는 장점이 있다. 초임계 유체 중에서는 용질의 점도가 낮기 때문에 물질 전달을 촉진할 수 있어 이오노머의 높은 용질 확산성을 나타낼 수 있다. In the present invention, the process of extracting the ionomer from the membrane-electrode assembly into a dispersion liquid using the supercritical dispersion method is as follows. Supercritical fluids above the critical point are characterized by liquid-like solvency, very low surface tension, and gas-like permeability, and the density of the supercritical fluid has the advantage of improving dissolution performance. Since the solute has a low viscosity in a supercritical fluid, mass transfer can be promoted, and thus the ionomer can exhibit high solute diffusivity.
이러한 특정 용질에 대한 용해도는 혼합 용매를 도입함에 따라 더 개선될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 수소 결합의 형성을 통해 초임계 유체의 극성과 용매화 강도를 향상시키기 위해 공용매(co-solvent)로 물과 함께 알코올을 사용했다. 한편 이오노머 및 탄소담지촉매 회수를 위한 초임계 분산에 사용되는 혼합 용매는 추후 이온교환막 제조 및 전극 바인더 활용 시 용매의 빠른 휘발을 유도하기 위해 알코올의 함량이 물의 함량보다 높은 것이 바람직하며, 예를 들어, 알코올:물의 부피 비로 55:45 내지 99:1의 범위인 것이 적합하다. The solubility of these specific solutes can be further improved by introducing mixed solvents. In an embodiment of the present invention, water and alcohol were used as a co-solvent to improve the polarity and solvation strength of the supercritical fluid through the formation of hydrogen bonds. On the other hand, the mixed solvent used for supercritical dispersion for the recovery of the ionomer and the carbon-supported catalyst preferably has an alcohol content higher than that of water in order to induce rapid volatilization of the solvent when preparing an ion exchange membrane and using an electrode binder later. For example, , the volume ratio of alcohol:water in the range of 55:45 to 99:1 is suitable.
본 발명에 사용 가능한 알코올은 예를 들어, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 이소프로필알코올, 부탄올, 이소부탄올, 2-부탄올, tert-부탄올, n-펜탄올, 이소펜틸 알코올, 2-메틸-1-부탄올, 네오펜틸 알코올, 디에틸 케비놀, 메틸 프로필 케비놀, 메틸 이소프로필 케비놀, 디메틸 에틸 케비놀, 1-헥산올, 2-헥산올, 3-헥산올, 2-메틸-1-펜탄올, 3-메틸-1-펜탄올, 4-메틸-1-펜탄올, 2-메틸-2-펜탄올, 3-메틸-2-펜탄올, 4-메틸-2-펜탄올, 2-메틸-3-펜탄올, 3-메틸-3-펜탄올, 2,2-디메틸-1-부탄올, 2,3-디메틸-1-부탄올, 2,3-디메틸-2-부탄올, 3,3-디메틸-1-부탄올, 2-에틸-1-부탄올, 1-헵탄올, 2-헵탄올, 3-헵탄올 및 4-헵탄올 및 이들의 혼합물을 들 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다. Alcohol usable in the present invention, for example, methanol, ethanol, 1-propanol, isopropyl alcohol, butanol, isobutanol, 2-butanol, tert-butanol, n-pentanol, isopentyl alcohol, 2-methyl-1 -butanol, neopentyl alcohol, diethyl ketinol, methyl propyl ketinol, methyl isopropyl ketinol, dimethyl ethyl ketinol, 1-hexanol, 2-hexanol, 3-hexanol, 2-methyl-1-pentane ol, 3-methyl-1-pentanol, 4-methyl-1-pentanol, 2-methyl-2-pentanol, 3-methyl-2-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, 2-methyl -3-pentanol, 3-methyl-3-pentanol, 2,2-dimethyl-1-butanol, 2,3-dimethyl-1-butanol, 2,3-dimethyl-2-butanol, 3,3-dimethyl -1-butanol, 2-ethyl-1-butanol, 1-heptanol, 2-heptanol, 3-heptanol and 4-heptanol, and mixtures thereof, but are not particularly limited thereto.
본 발명에서 이오노머 회수를 위한 초임계 조건의 온도는 100 내지 350 ℃ 범위이고, 압력은 1 내지 17.0 MPa 범위이며, 이오노머를 고농도로 추출하기 위한 온도는 130 내지 350 ℃ 범위이고, 압력은 4 내지 17.0 MPa 범위인 것이 바람직하다. 상기 온도가 100℃ 미만이거나 반응 압력이 1 MPa 미만일 경우, 회수된 이오노머 분산액은 부분적으로 분산되지 않는 상태로 고른 분산 특성을 갖기 어렵고, 이와 반대로 온도가 350 ℃를 초과하거나 17.0 MPa을 초과하는 경우 고온 고압의 반응 조건을 유지시켜야 하기 때문에 경제성이 낮다. 본 발명에서 이오노머의 초임계 분산을 위한 구체적인 온도와 압력 범위는 회수할 이오노머와 알코올의 종류와 비율에 따라 달라질 수 있으며, 사용 용도에 따라 이오노머 분산액의 농도를 조절할 수 있으므로 활용도가 매우 높다는 장점이 있다. 본 발명에 따라 초임계 분산된 이오노머 분산액은 독특한 분산 특성을 보이며, 이를 기반으로 제조된 이온교환막 및 전극 바인더를 도입한 전지 또는 수전해 장치의 전기화학성능 향상에 기여할 수 있다. In the present invention, the temperature of the supercritical condition for recovering the ionomer is in the range of 100 to 350 ° C, the pressure is in the range of 1 to 17.0 MPa, the temperature for extracting the ionomer at high concentration is in the range of 130 to 350 ° C, and the pressure is in the range of 4 to 17.0 It is preferably in the range of MPa. When the temperature is less than 100 ° C or the reaction pressure is less than 1 MPa, the recovered ionomer dispersion is partially undispersed and difficult to have even dispersion characteristics, conversely, when the temperature exceeds 350 ° C or exceeds 17.0 MPa, high temperature Economical efficiency is low because high-pressure reaction conditions must be maintained. In the present invention, the specific temperature and pressure range for the supercritical dispersion of the ionomer may vary depending on the type and ratio of the ionomer and alcohol to be recovered, and the concentration of the ionomer dispersion can be adjusted according to the purpose of use, so the utilization is very high. . The ionomer dispersion supercritically dispersed according to the present invention exhibits unique dispersion characteristics, and can contribute to improving the electrochemical performance of a battery or water electrolysis device incorporating an ion exchange membrane and an electrode binder prepared thereon.
한편 초임계 분산법을 이용하여 혼합 용매 내로 추출된 이오노머 분산액은 냉각시킨 후 여과시켜 알코올 수용액에 분산되지 않은 지지체 섬유 및 촉매 등과 분리한다. 이오노머 분산액은 일반적인 여과지를 이용하여 쉽게 분리할 수 있으며, 평균 기공 크기가 0.45 내지 10 ㎛인 종이여과지를 이용하는 것이 바람직하다. 종이여과지 이외에 다른 필터 또는 분리 장치를 사용하여도 무방하며, 특별한 제한은 없다. 한편 여과지 또는 여과 장치를 통과한 분산액은 알코올과 물의 혼합 용매에 이오노머가 추출된 분산액으로서, 산화안정제 등 소량의 수용성 물질이 포함될 수 있다. 산화안정제 등의 첨가제는 이온교환막이나 전극 바인더 제조에 사용되는 성분이므로, 산화안정제 등의 수용성 물질이 소량 포함된 이오노머 분산액은 이대로 이온교환막이나 전극 바인더 제조에 사용하면 된다. On the other hand, the ionomer dispersion extracted into the mixed solvent using the supercritical dispersion method is cooled and filtered to separate support fibers and catalysts that are not dispersed in the aqueous alcohol solution. The ionomer dispersion can be easily separated using a general filter paper, and it is preferable to use a paper filter paper having an average pore size of 0.45 to 10 μm. It is okay to use other filters or separation devices other than paper filter paper, and there is no particular limitation. Meanwhile, the dispersion that has passed through the filter paper or the filtering device is a dispersion obtained by extracting the ionomer in a mixed solvent of alcohol and water, and may contain a small amount of water-soluble substances such as an oxidation stabilizer. Since additives such as oxidation stabilizers are components used for manufacturing ion exchange membranes or electrode binders, the ionomer dispersion containing a small amount of water-soluble substances such as oxidation stabilizers may be used as is for manufacturing ion exchange membranes or electrode binders.
본 발명에 따라 사용 전 또는 사용 후 막전극접합체로부터 얻어진 이오노머 분산액은 이오노머를 분산시켜 제조한 분산액이나 또는 시판되는 이오노머 분산액과 성능과 품질에 차이가 없으므로 일반적인 막 제조 방법을 이용하여 이온교환막을 제조할 수 있다. 예를 들어, 막전극접합체로부터 얻어진 과불소계 이오노머 분산액을 기판에 캐스팅한 후 건조시키고, 열처리하여 이온교환막을 제조할 수 있으며, 분산액의 농도를 조절하거나 다른 이오노머 분산액과 혼합하여 사용하는 등 통상적인 분리막 제조 방식은 어느 것이나 적용할 수 있다. 본 발명에 따라 이온교환막으로부터 얻어진 과불소계 이오노머 분산액을 전극 바인더로 사용하는 경우에도 시판되는 이오노머 분산액을 사용할 때와 마찬가지로 특별한 제한이 없다. Since the ionomer dispersion obtained from the membrane electrode assembly before or after use according to the present invention has no difference in performance and quality from a dispersion prepared by dispersing an ionomer or a commercially available ionomer dispersion, an ion exchange membrane can be manufactured using a general membrane manufacturing method. can For example, a perfluorine-based ionomer dispersion obtained from a membrane electrode assembly may be cast on a substrate, dried, and heat treated to prepare an ion exchange membrane, and the concentration of the dispersion may be adjusted or mixed with other ionomer dispersions. Any manufacturing method can be applied. Even when the perfluorine-based ionomer dispersion obtained from the ion exchange membrane according to the present invention is used as an electrode binder, there is no particular limitation as in the case of using a commercially available ionomer dispersion.
한편 본 발명에 따라 막전극접합체로부터 초임계 분산법으로 회수된 이오노머 분산액을 이용하여 제조한 이온교환막은 수소이온 전도성 및 수소기체 차단성이 우수하며, 전극 바인더로 적용하여 막전극 접합체를 제조한 경우 단위전지 성능도 매우 우수하게 나타났다. 따라서 연료전지 또는 수전해 장치 등에서 사용된 막전극접합체로부터 성능 손실 없이 이오노머를 추출할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.Meanwhile, the ion exchange membrane prepared using the ionomer dispersion recovered from the membrane electrode assembly by the supercritical dispersion method according to the present invention has excellent hydrogen ion conductivity and hydrogen gas barrier properties, and is applied as an electrode binder to manufacture a membrane electrode assembly. The unit cell performance was also very good. Therefore, it can be confirmed that the ionomer can be extracted from the membrane electrode assembly used in a fuel cell or a water electrolysis device without performance loss.
본 발명에서 막전극접합체로부터 이오노머 분산액을 추출하여 분리하고, 남은 잔여물에는 지지체 섬유와 촉매 등이 포함되어 있다. 이때, 지지체 섬유의 경우 초임계 분산방식으로 분해가 발생되지 않기 때문에 6 내지 10 μm 여과지(No.100, HYUNDAI MICRO, KOREA)로 분리시킨다. 촉매 성분은 예를 들어, Pt와 C가 혼합되어 있는 탄소담지촉매로 구성되어있다. 촉매의 조성은 40 에서 60 중량%이며, 300Kpa 압력으로 2.5 내지 5 μm 여과지(No.51, HYUNDAI MICRO, KOREA)를 사용하여 분리시킨다. 이외의 동일한 분리 방법으로 원심분리기(T04B, Hanil, KOREA)를 4000 RPM 5분 동안 운전시켜 탄소담지촉매와 이오노머 분산액을 분리할 수 있다. 연료전지 또는 수전해 장치 등에서 사용되는 막전극접합체에는 통상 탄소계 지지체에 담지된 금속 촉매가 포함된다. 본 발명에서는 막전극접합체로부터 탄소담지촉매 상태로 분리되며, 이대로 전극촉매 소재로 활용될 수 있다. In the present invention, the ionomer dispersion is extracted and separated from the membrane electrode assembly, and the remaining residue contains support fibers and catalysts. At this time, since decomposition does not occur in the case of the support fiber in the supercritical dispersion method, it is separated with a 6 to 10 μm filter paper (No.100, HYUNDAI MICRO, KOREA). The catalyst component is composed of, for example, a carbon-supported catalyst in which Pt and C are mixed. The composition of the catalyst is 40 to 60% by weight, and is separated using a 2.5 to 5 μm filter paper (No.51, HYUNDAI MICRO, KOREA) at 300 Kpa pressure. Other than the same separation method, the centrifugal separator (T04B, Hanil, KOREA) can be operated for 5 minutes at 4000 RPM to separate the carbon supported catalyst and the ionomer dispersion. Membrane electrode assemblies used in fuel cells or water electrolysis devices usually include a metal catalyst supported on a carbon-based support. In the present invention, the carbon-supported catalyst is separated from the membrane electrode assembly, and can be used as an electrode catalyst material as it is.
탄소담지촉매는 탄소계 지지체 표면에 금속이 흡착되어 있으며, 이때 탄소계 지지체는 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어, 탄소나노혼 및 그래핀 등으로 이루어져 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다. In the carbon-supported catalyst, metal is adsorbed on the surface of a carbon-based support. At this time, the carbon-based support is composed of carbon black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanohorns, graphene, etc., but is particularly limited thereto. It is not.
또한 본 발명에서 막전극접합체에서 분리된 탄소담지촉매의 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 및 이트륨(Y) 또는 이들의 합금 등으로 이루어져 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다. In addition, the metals of the carbon supported catalyst separated from the membrane electrode assembly in the present invention are platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir), gold (Au), silver (Ag), chromium (Cr) , manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), molybdenum (Mo), and yttrium (Y) or alloys thereof, but are not particularly limited thereto. .
이와 같은 탄소담지촉매 중에서 연료전지 또는 수전해 장치 등의 막전극접합체에 가장 널리 사용되는 촉매는 백금(Pt/C)이며, 다른 촉매들의 예로는 팔라듐, 로듐, 니켈 등이 있으나, 이러한 촉매들에 비해 백금(Pt/C) 촉매가 가격 대비 성능이 가장 우수하다는 장점이 있다. 본 발명에서는 막전극접합체에서 촉매(Pt/C)를 성능 저하 없이 간단히 분리할 수 있으므로, 이대로 다시 전극 촉매로 사용할 수 있어 매우 유용하다. Among these carbon-supported catalysts, the most widely used catalyst for membrane electrode assemblies such as fuel cells or water electrolysis devices is platinum (Pt/C), and examples of other catalysts include palladium, rhodium, and nickel. In comparison, platinum (Pt/C) catalysts have the advantage of being the most excellent in cost performance. In the present invention, since the catalyst (Pt/C) can be simply separated from the membrane electrode assembly without deterioration in performance, it can be used as an electrode catalyst again, which is very useful.
현재 알려진 금속 촉매를 회수하는 방법은 열화학 분해반응을 통해 이루어지는데, 이때 발생하는 불산으로 인한 환경오염 문제도 제기되고 있는 바, 본 발명을 통해 이러한 전통적인 촉매 재생 회수 공정을 개선할 수 있다. 또한 본 발명에서 초임계 분산법을 이용하여 탄소 지지체에 담지된 금속 촉매 형태로 촉매를 회수한 후에 이미 개발된 촉매 재생 공정과 연계하여 귀금속만을 별도로 분리할 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따라 사용 후 막전극접합체로부터 과불소계 이오노머와 탄소담지촉매를 회수하는 기술은 경제적일 뿐만 아니라 환경적인 관점에서도 효용 가치가 높다고 할 수 있다. A currently known method for recovering a metal catalyst is performed through a thermochemical decomposition reaction, and environmental pollution due to hydrofluoric acid generated at this time is also raised. Through the present invention, this traditional catalyst regeneration recovery process can be improved. In addition, in the present invention, after recovering the catalyst in the form of a metal catalyst supported on a carbon support using the supercritical dispersion method, only noble metals can be separated separately in connection with a catalyst regeneration process that has already been developed. Therefore, the technology for recovering the perfluorine-based ionomer and the carbon-supported catalyst from the membrane electrode assembly after use according to the present invention can be said to be economical as well as highly useful from an environmental point of view.
위에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 초임계 분산법을 이용하여 막전극접합체로부터 이오노머와 촉매를 선택적으로 손실 없이 분리할 수 있으며, 이온교환막 또는 전극 바인더와 같이 필요로 하는 용도에 맞춰 다시 전극 제조에 활용할 수 있다. 이하 실시예를 통해 막전극접합체로부터 회수된 이오노머 분산액을 이용하여 이온교환막을 제조하고, 이를 테스트한 결과, 성능 저하 없이 높은 수소이온전도성과 수소기체차단성을 확인할 수 있었다. 또한 본 발명에 따라 초임계 분산법을 통해 회수된 이오노머를 이용하여 제조된 이온교환막 또는 전극 바인더 및 탄소담지촉매를 이용하여 다시 막전극접합체를 제조하여 평가한 결과, 전기화학적 특성도 개선됨을 확인하였다. As described above, the present invention can selectively separate the ionomer and catalyst from the membrane-electrode assembly without loss by using the supercritical dispersion method, and can be used again in the manufacture of electrodes according to the required use, such as an ion exchange membrane or an electrode binder. can Through the following examples, an ion exchange membrane was prepared using the ionomer dispersion recovered from the membrane electrode assembly, and as a result of testing it, high hydrogen ion conductivity and hydrogen gas barrier property could be confirmed without degradation. In addition, a membrane electrode assembly was prepared and evaluated again using an ion exchange membrane prepared using the ionomer recovered through the supercritical dispersion method according to the present invention or an electrode binder and a carbon supported catalyst, and as a result, it was confirmed that the electrochemical properties were also improved. .
이와 같이, 본 발명에 따라 회수된 이오노머는 초임계 분산과정을 거치면서 갖게 된 독특한 분산특성을 통해 이온교환막 및 전극 바인더로서의 우수한 특성을 나타내며, 이를 이온교환막과 전극 바인더로 도입할 경우 연료전지 또는 수전해 장치 등의 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 초임계 분산 방식을 적용하면 열화학 분해 반응을 통한 기존의 촉매 회수 공정을 비약적으로 간소화시킬 수 있으며 불산(HF) 관련 환경 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 상용 촉매와 동일 수준의 전기화학적 성능을 확보할 수 있다. As such, the ionomer recovered according to the present invention exhibits excellent properties as an ion exchange membrane and electrode binder through the unique dispersion characteristics obtained through the supercritical dispersion process. It is possible to improve the electrochemical performance of the solution and the like. In addition, if the supercritical dispersion method is applied according to the present invention, the existing catalyst recovery process through thermochemical decomposition can be drastically simplified, and environmental problems related to hydrofluoric acid (HF) can be solved, as well as the same level as commercial catalysts. Electrochemical performance can be secured.
또한 본 발명은 막전극접합체의 막과 전극을 별도로 분리하여 처리하는 종래 기술과 달리, 막전극접합체 내의 막과 전극을 분리하지 않고도 초임계 분산법을 활용하여 막과 전극 내의 이오노머만을 선택적으로 화학적 손실 없이 추출할 수 있다는 점에서 획기적인 기술이라고 할 수 있다. 또한 일반적인 추출 공정에서는 막으로부터 이오노머를 분리하기 어렵고, 전극층 내 극소량이 이오노머만 추출이 가능한 문제점을 해결하기 위하여, 초임계 조건을 적용하여 막과 전극에 포함된 이오노머를 고농도로 추출할 수 있었다. In addition, unlike the prior art in which the membrane and the electrode of the membrane-electrode assembly are separately processed, the present invention utilizes the supercritical dispersion method without separating the membrane and the electrode in the membrane-electrode assembly to selectively cause chemical loss of only the ionomer in the membrane and electrode. It can be said to be a groundbreaking technology in that it can be extracted without In addition, in order to solve the problem that it is difficult to separate the ionomer from the membrane in a general extraction process and only a small amount of ionomer can be extracted from the electrode layer, supercritical conditions were applied to extract the ionomer included in the membrane and the electrode at high concentration.
또한 본 발명은 막전극접합체로부터 이오노머를 추출할 때, 이온교환막 및 전극 바인더와 같이 필요로 하는 용도에 맞도록 분산액의 상태를 조절할 수 있다는 점에서 활용도가 매우 높다. 또한, 이오노머 회수기술을 통해 과불소계 이오노머 소재에 대한 수급 이슈를 완화시킬 수 있으며, 별도의 합성과정 없이 이오노머 회수를 통해 이온교환막 및 전극 바인더로 제조함으로서 제조단가를 절약할 수 있고, 전량 폐기를 통해 발생되는 폐기물로 인한 환경 오염을 개선할 수 있다. In addition, the present invention is very useful in that, when extracting the ionomer from the membrane electrode assembly, the state of the dispersion can be adjusted to suit the required use, such as an ion exchange membrane and an electrode binder. In addition, through ionomer recovery technology, it is possible to alleviate the supply and demand issue of perfluorinated ionomer materials, and it is possible to save manufacturing cost by manufacturing ion exchange membranes and electrode binders through ionomer recovery without a separate synthesis process, and through the disposal of the entire amount. Environmental pollution due to generated waste can be improved.
본 발명에 따른 회수된 이오노머를 이용하여 제조된 이온교환막 및 전극 바인더, 탄소담지촉매는 고분자 전해질 연료전지 이외에도 고분자 전해질 수전해, 기타 이온 선택성 이오노머가 요구되는 수처리, 산화-환원 흐름전지, 축전식 탈이온화 분야 등의 다양한 산업 분야에 적용할 수 있다. The ion exchange membrane, electrode binder, and carbon supported catalyst prepared using the recovered ionomer according to the present invention can be used for polymer electrolyte water electrolysis in addition to polymer electrolyte fuel cells, water treatment requiring other ion-selective ionomers, oxidation-reduction flow batteries, and capacitive deionization. It can be applied to various industrial fields such as ionization field.
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 안 된다.The present invention will be described in more detail through the following examples. However, the following examples are presented by way of example to aid understanding of the present invention and should not be construed as limiting the scope of the present invention thereto.
<실시예 1-1> <Example 1-1>
본 실시예에서는 초임계 분산법을 통해 막전극접합체로부터 이오노머와 촉매를 회수하였다. 과불소계 이오노머인 나피온 분리막과 탄소담지촉매(Pt/C)로 구성된 막전극접합체로서, 24개월 이상 사용된 것을 대상으로 했다. In this example, the ionomer and catalyst were recovered from the membrane electrode assembly through the supercritical dispersion method. A membrane-electrode assembly composed of a Nafion separator, a perfluorine-based ionomer, and a carbon supported catalyst (Pt/C), which was used for more than 24 months.
과불소계 이오노머 회수를 위한 초임계 분산에 앞서, 장기간 운전하는 동안 오염되었을 막전극접합체의 불순물을 사전에 제거하기 위해서 하기와 같은 산처리 과정을 진행하였다. 끓는 0.5 M H2SO4 수용액에서 2시간 동안 처리하고, 막전극접합체 표면에 과도하게 묻어 있을 H2SO4도 초순수에서 2시간 동안 끓여 제거한 막전극접합체를 준비하였다.Prior to supercritical dispersion for the recovery of the perfluorine-based ionomer, the following acid treatment process was performed in order to remove impurities from the membrane electrode assembly that would have been contaminated during long-term operation. A membrane electrode assembly was prepared by treating in a boiling 0.5 MH 2 SO 4 aqueous solution for 2 hours, and removing excessive H 2 SO 4 from the surface of the membrane electrode assembly by boiling in ultrapure water for 2 hours.
상기와 같이 불순물이 제거된 막전극접합체를 초임계 분산시키기 위한 알코올 용매로 1-프로판올을 선택하였다. 막전극접합체(무게, 20 g)을 111.1 g의 1-프로판올과 90.8 g의 초순수 (중량비 55:45)가 들어있는 유리 라이너에 첨가하였다. As described above, 1-propanol was selected as an alcohol solvent for supercritical dispersion of the membrane-electrode assembly from which impurities were removed. A membrane electrode assembly (weight, 20 g) was added to a glass liner containing 111.1 g of 1-propanol and 90.8 g of ultrapure water (55:45 weight ratio).
고압/고온 반응기 (4560 Mini-Bench Reactor System, PARR, 미국)에 유리 라이너를 장착한 다음, 가열 속도 4.25℃ min-1로 300 °C까지 반응기의 반응 혼합물을 가열하고, 압력이 7 MPa에 도달하였을 때, 반응을 2시간 동안 유지하였다. 대기압 (101.3 kPa)하에서 서서히 냉각시킨 다음 분산액을 얻었다. 회수된 분산액은 평균 기공 크기가 (5 내지 10 ㎛) 인 종이여과지를 이용하여 지지체 섬유와 분리시켜 여과하였다. 여과지를 통과한 분산액은 알코올과 물의 혼합 용매에 이오노머가 추출된 분산액으로서, 산화안정제 등 소량의 수용성 물질이 포함될 수 있다. 한편 분산되지 않은 지지체 섬유와 탄소담지촉매를 포함하는 잔여물에서 전극 소재로 사용될 수 있는 탄소담지촉매(Pt/C)를 (6~10 μm 여과지(No.100, HYUNDAI MICRO, KOREA)로 지지체를 분리시킨 후 촉매 성분은 300 Kpa 압력으로 2.5~5 μm 여과지(No.51, HYUNDAI MICRO, KOREA)를 사용하여 분리시키거나 이외의 동일한 분리 방법으로 원심분리기(T04B, Hanil, KOREA)를 4000 RPM 5분 동안 운전시키는 방법으로 분리하였다. A high-pressure/high-temperature reactor (4560 Mini-Bench Reactor System, PARR, USA) was fitted with a glass liner, then the reaction mixture in the reactor was heated to 300 °C with a heating rate of 4.25 °C min-1, and the pressure reached 7 MPa. When done, the reaction was maintained for 2 hours. After cooling slowly under atmospheric pressure (101.3 kPa), a dispersion was obtained. The recovered dispersion was separated from the support fibers and filtered using a paper filter having an average pore size of 5 to 10 μm. The dispersion that has passed through the filter paper is a dispersion obtained by extracting the ionomer in a mixed solvent of alcohol and water, and may contain a small amount of water-soluble substances such as an oxidation stabilizer. On the other hand, the carbon-supported catalyst (Pt / C), which can be used as an electrode material, from the residue containing the undispersed support fibers and the carbon-supported catalyst (6 ~ 10 μm filter paper (No.100, HYUNDAI MICRO, KOREA) After separation, the catalyst component is separated using a 2.5 to 5 μm filter paper (No.51, HYUNDAI MICRO, KOREA) at 300 Kpa pressure, or a centrifuge (T04B, Hanil, KOREA) using the same separation method as 4000
<실시예 1-2> <Example 1-2>
본 실시예에서는 과불소계 이오노머 대신 폴리아릴렌에테르술폰 (Poly(arylene ether sulfone) random copolymers ;BPS, 술폰화도: 40 몰%) BPS-40 탄화수소계 이오노머로 이루어진 분리막과 탄소담지촉매(Pt/C)로 구성된 막전극접합체로서, 24개월 이상 사용된 것을 대상으로 하여, 실시예 1-1과 동일한 조건의 초임계 분산법을 통해 막전극접합체로부터 이오노머와 촉매를 회수하였다. In this embodiment, a separator made of poly(arylene ether sulfone) random copolymers (BPS, sulfonation degree: 40 mol%) BPS-40 hydrocarbon-based ionomer and a carbon supported catalyst (Pt/C) instead of perfluorine-based ionomer As a membrane electrode assembly composed of , the ionomer and catalyst were recovered from the membrane electrode assembly using a supercritical dispersion method under the same conditions as in Example 1-1 for a target used for more than 24 months.
<실시예 1-3> <Example 1-3>
이온교환막으로서 PEFC 도입에 앞서 수소이온전도 및 수소투과거동 평가를 위해, 상기 실시예 1-1에서 회수한 이오노머 분산액을 이용하여 용액 코팅법을 통해 이온교환막으로 제조하였다. 이를 위해, 이오노머 분산액을 표면이 친수화 처리된 유리판 위에 캐스팅한 후, 50 °C 설정된 진공오븐에서 3시간 동안 고형화시키고, 210 °C에서 1시간 열처리하여 막을 제조하였다. 그 후, 끓는 0.5 M H2SO4 수용액에서 2시간 동안 처리하고, 필름 샘플 표면에 과도하게 묻은 H2SO4를 제거하기 위해 초순수에서 2시간 동안 끓여 막을 준비하였다.In order to evaluate hydrogen ion conduction and hydrogen permeation behavior prior to introducing PEFC as an ion exchange membrane, an ion exchange membrane was prepared through a solution coating method using the ionomer dispersion recovered in Example 1-1. To this end, the ionomer dispersion was cast on a glass plate whose surface was hydrophilized, solidified in a vacuum oven set at 50 °C for 3 hours, and heat-treated at 210 °C for 1 hour to prepare a membrane. Thereafter, the membrane was prepared by treating in a boiling 0.5 MH 2 SO 4 aqueous solution for 2 hours and boiling in ultrapure water for 2 hours to remove excessive H 2 SO 4 on the surface of the film sample.
PEFC 전기화학적 성능 평가를 위해 시판되는 40 wt % Pt/C 촉매 (Johnson Matthey, 미국)가 일정량 포함된 전극슬러리를 상기와 같이 제조된 이온교환막에 활성 면적 25 cm2 에 해당하는 양면에 전사하여 막전극접합체를 제조하였다. 이때 로딩되는 촉매의 양은 0.4 mg cm-2이 되도록 제조하였다.To evaluate the electrochemical performance of PEFC, an electrode slurry containing a certain amount of a commercially available 40 wt % Pt/C catalyst (Johnson Matthey, USA) was transferred to both sides corresponding to an active area of 25 cm 2 on the ion exchange membrane prepared as described above to obtain a membrane. An electrode assembly was prepared. At this time, the amount of the catalyst to be loaded was prepared to be 0.4 mg cm -2 .
<실시예 2-1> <Example 2-1>
막전극접합체에서 불순물을 제거하는 과정은 실시예 1-1과 동일하게 진행하였다. 이에 따라 불순물이 제거된 막전극접합체를 초임계 분산시키기 위한 알코올 용매로 1-프로판올을 선택하였으며, 미국 Aldrich Chemical Co.에서 구입하여 추가 정제 없이 준비하였다. The process of removing impurities from the membrane electrode assembly was performed in the same manner as in Example 1-1. Accordingly, 1-propanol was selected as an alcohol solvent for supercritical dispersion of the membrane-electrode assembly from which impurities were removed, and was purchased from Aldrich Chemical Co., USA, and prepared without further purification.
막전극접합체(무게, 20 g)을 111.1 g의 1-프로판올과 90.8 g의 초순수 (중량비 55:45)가 들어있는 유리 라이너에 첨가하였다. A membrane electrode assembly (weight, 20 g) was added to a glass liner containing 111.1 g of 1-propanol and 90.8 g of ultrapure water (55:45 weight ratio).
고압/고온 반응기 (4560 Mini-Bench Reactor System, PARR, 미국)에 유리 라이너를 장착한 다음, 가열 속도 4.25℃ min-1로 300 ℃까지 반응기의 반응 혼합물을 가열하고, 압력이 7 MPa에 도달하였을 때, 반응을 2시간 동안 유지하였다. 대기압 (101.3 kPa)하에서 서서히 냉각시킨 다음 분산액을 얻었다. 회수된 분산액은 평균 기공 크기가 (5 내지 10 ㎛) 인 종이여과지를 이용하여 지지체 섬유와 분리시켜 여과하였다. 여과지를 통과한 분산액은 알코올과 물의 혼합 용매에 이오노머가 추출된 분산액으로서, 산화안정제 등 소량의 수용성 물질이 포함될 수 있다. 한편 분산되지 않은 지지체 섬유와 탄소담지촉매를 포함하는 잔여물에서 전극 소재로 사용될 수 있는 탄소담지촉매(Pt/C)를 (6~10 μm 여과지(No.100, HYUNDAI MICRO, KOREA)로 지지체를 분리시킨 후 촉매 성분은 300 Kpa 압력으로 2.5 내지 5 μm 여과지(No.51, HYUNDAI MICRO, KOREA)를 사용하여 분리시키거나 이외의 동일한 분리 방법으로 원심분리기(T04B, Hanil, KOREA)를 4000 RPM 5분 동안 운전시키는 방법으로 분리하였다. A high-pressure/high-temperature reactor (4560 Mini-Bench Reactor System, PARR, USA) was fitted with a glass liner, and then the reaction mixture in the reactor was heated to 300 °C at a heating rate of 4.25 °C min -1 , when the pressure reached 7 MPa. At that time, the reaction was maintained for 2 hours. After cooling slowly under atmospheric pressure (101.3 kPa), a dispersion was obtained. The recovered dispersion was separated from the support fibers using a paper filter paper having an average pore size of (5 to 10 μm) and filtered. The dispersion that has passed through the filter paper is a dispersion in which the ionomer is extracted in a mixed solvent of alcohol and water, and may contain a small amount of water-soluble substances such as an oxidation stabilizer. On the other hand, the carbon-supported catalyst (Pt / C), which can be used as an electrode material, from the residue containing the undispersed support fibers and the carbon-supported catalyst (6 ~ 10 μm filter paper (No.100, HYUNDAI MICRO, KOREA) After separation, the catalyst component is separated using a 2.5 to 5 μm filter paper (No.51, HYUNDAI MICRO, KOREA) at 300 Kpa pressure, or a centrifuge (T04B, Hanil, KOREA) using the same separation method as 4000
<실시예 2-2> <Example 2-2>
PEFC 전기화학적 성능 평가를 위해 시판되는 40 wt % Pt/C 촉매 (Johnson Matthey, 미국)를 초순수 및 이소프로필알코올(IPA, Sigma-Aldrich, 미국)과 균질화기(VCX130, Sonics & Materials Inc., 미국)를 사용하여 혼합하였다. 그 다음 상기 실시예 2-1에서 제조된 5 wt%의 이오노머 분산액을 전극 바인더로 사용하여 잉크 슬러리에 첨가하고, 30분간 더 혼합하였다. 7 cm × 7 cm Nafion 막(NR211, DuPont, 미국)을 준비하고, 상기와 같이 제조된 잉크 슬러리를 활성면적 25 cm2 해당하는 캐소드쪽 막 상에 0.4 mg cm-2로 스프레이하였다. For PEFC electrochemical performance evaluation, a commercially available 40 wt % Pt/C catalyst (Johnson Matthey, USA) was mixed with ultrapure water and isopropyl alcohol (IPA, Sigma-Aldrich, USA) and a homogenizer (VCX130, Sonics & Materials Inc., USA). ) was used to mix. Then, 5 wt% of the ionomer dispersion prepared in Example 2-1 was added to the ink slurry using an electrode binder and mixed for 30 minutes. A 7 cm × 7 cm Nafion film (NR211, DuPont, USA) was prepared, and the prepared ink slurry was sprayed on the cathode-side film corresponding to an active area of 25
<비교예 1><Comparative Example 1>
이온교환막의 성능 비교를 위해 시판되는 양이온 전도성 이오노머 막인 상용 Nafion 막(NR211, Chemours, 미국)을 준비하였으며, 실시예 1-2와 동일한 방법으로 막전극접합체를 제조하였다. To compare the performance of the ion exchange membrane, a commercially available Nafion membrane (NR211, Chemours, USA), which is a commercially available cation conductive ionomer membrane, was prepared, and a membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1-2.
<비교예 2><Comparative Example 2>
전극 바인더의 성능 비교를 위해 시판되는 Nafion 바인더(D521, Chemours, 미국)를 준비하였으며, 실시예 2-2와 동일한 방법으로 막전극접합체를 제조하였다.To compare the performance of the electrode binder, a commercially available Nafion binder (D521, Chemours, USA) was prepared, and a membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 2-2.
<비교예 3> <Comparative Example 3>
탄소담지촉매 성능 비교를 위해 시판되는 40 wt% Pt/C 촉매 (Johnson Matthey, 미국)를 준비하였으며, 실시예 2-2와 동일한 방법으로 막전극접합체를 제조하였다. For comparison of the carbon-supported catalyst performance, a commercially available 40 wt% Pt/C catalyst (Johnson Matthey, USA) was prepared, and a membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 2-2.
<비교예 4><Comparative Example 4>
반응기 (4560 Mini-Bench Reactor System, PARR, 미국)의 온도를 80℃, 대기압으로 하여 반응시킨 것을 제외하고, 실시예 1-1과 동일한 방법으로 이오노머와 촉매를 분산시켰다. 이와 같이, 초임계 범위를 벗어난 온도와 압력 조건하에서 이온교환막을 분산시킨 경우, 막으로부터 이오노머의 추출이 거의 일어나지 않았으며, 소량 추출된 저농도의 이오노머조차 용매 중에 고르게 분산되지 않아 분산 특성이 좋지 않았다. 따라서 본 실험에서 얻어진 이오노머 분산액은 농도가 너무 낮고 분산 특성이 불량하여 이온교환막이나 전극 바인더의 제조에 적합하지 않다는 것을 확인할 수 있었다. The ionomer and catalyst were dispersed in the same manner as in Example 1-1, except that the temperature of the reactor (4560 Mini-Bench Reactor System, PARR, USA) was set to 80° C. and atmospheric pressure. As such, when the ion exchange membrane was dispersed under temperature and pressure conditions outside the supercritical range, extraction of the ionomer from the membrane hardly occurred, and even a small amount of extracted ionomer at a low concentration was not uniformly dispersed in the solvent, resulting in poor dispersion characteristics. Therefore, it was confirmed that the ionomer dispersion obtained in this experiment had too low a concentration and poor dispersion characteristics, and thus was not suitable for manufacturing an ion exchange membrane or an electrode binder.
<실험예> 성능 비교 실험 <Experimental Example> Performance comparison experiment
수소이온전도거동Hydrogen ion conduction behavior
비교예 1과 본 발명의 따른 실시예 1에 대하여, PEFC에서 중요한 성능 인자중 하나인 수소이온전도거동을 온도에 따라 평가하였다. 도 2의 측정 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 따른 실시예 1의 경우 비교예 1보다 우수한 수소이온 전도거동을 보임을 확인하였다. 이러한 특성은 이온교환막으로 도입 시 우수한 수소이온전도 특성으로 인해 PEFC의 성능 향상에 도움이 될 수 있다.For Comparative Example 1 and Example 1 according to the present invention, proton conduction behavior, which is one of the important performance factors in PEFC, was evaluated according to temperature. As can be seen from the measurement results of FIG. 2 , it was confirmed that Example 1 according to the present invention exhibited better hydrogen ion conduction behavior than Comparative Example 1. These characteristics can help improve the performance of PEFC due to excellent hydrogen ion conductivity when introduced into an ion exchange membrane.
또한, 상용 비교예 1과 비교하였을 때 말단의 친수성 작용기와 연관된 수소이온 전도능력 손실이 일어나지 않은 결과를 볼 때 초임계 분산 중 화학적인 손상 없이 과불소계 이오노머를 추출/회수한 것으로 판단할 수 있다.In addition, when compared to Commercial Comparative Example 1, it can be determined that the perfluorinated ionomer was extracted / recovered without chemical damage during the supercritical dispersion, considering the result that the loss of hydrogen ion conductivity associated with the hydrophilic functional group at the terminal did not occur.
수소기체투과거동Hydrogen gas permeation behavior
비교예 1과 본 발명의 따른 실시예 1에 대하여, PEFC에서 중요한 성능 인자중 하나인 수소기체투과거동을 온도에 따라 평가하였다. 도 3의 측정 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 경우, 비교예 1과 유사한 화학구조를 가짐에도 불구하고, 현저하게 개선된 수소투과거동을 보였다. 이러한 특성은 회수를 위해 초임계 분산과정을 거치면서 얻어진 독특한 분산특성으로 인해 보다 밀집적으로 막을 형성한 효과로 보여지며, 이를 이온교환막으로 도입할 경우 우수한 수소기체차단 특성으로 인해 PEFC의 성능 향상에 도움이 될 수 있다.For Comparative Example 1 and Example 1 according to the present invention, hydrogen gas permeation behavior, which is one of the important performance factors in PEFC, was evaluated according to temperature. As can be seen from the measurement results of FIG. 3, in the case of Example 1 according to the present invention, despite having a chemical structure similar to that of Comparative Example 1, significantly improved hydrogen permeation behavior was shown. This characteristic is seen as the effect of forming a more dense membrane due to the unique dispersion characteristic obtained through the supercritical dispersion process for recovery. This can help.
단위전지 성능(전압-전류 밀도): 이온교환막으로 도입Unit cell performance (voltage-current density): introduction into ion exchange membrane
도 4는 본 발명에 따른 실시예 1과 비교예 1의 65 ℃ 조건에서의 전류-전압 곡선을 보여주는 그래프이다. 결과를 보면 막전극접합체로부터 회수된 이오노머 분산액을 이용하여 제조한 실시예 1이 상용 비교예 1보다 우수한 단위전지성능을 나타냄을 확인할 수 있다. 상기와 같이 PEFC의 중요한 성능 인자인 수소이온전도성 및 수소기체차단성이 우수한 특성이 발현되어 PEFC 성능 향상에 기인한 효과로 판단된다. 4 is a graph showing current-voltage curves of Example 1 and Comparative Example 1 according to the present invention at 65 °C. Looking at the results, it can be confirmed that Example 1 prepared using the ionomer dispersion recovered from the membrane electrode assembly exhibited better unit cell performance than commercial Comparative Example 1. As described above, it is judged that the effect is due to the improvement in PEFC performance because of the excellent characteristics of hydrogen ion conductivity and hydrogen gas barrier property, which are important performance factors of PEFC.
단위전지 성능(전압-전류 밀도): 전극 바인더로 도입Unit cell performance (voltage-current density): introduced as an electrode binder
도 5는 전극 바인더로 본 발명에 따른 실시예 2와 비교예 2를 캐소드에 도입하여 제조된 막전극접합체의 65 ℃ 산소 조건에서의 전류-전압 곡선을 보여주는 그래프이다. 결과를 보면 실시예 2(1.52 A/cm2@0.6 V)가 상용 비교예 2(1.28 A/cm2@0.6 V)보다 우수한 단위 전지 성능을 나타냄을 확인할 수 있다. 회수를 위한 초임계 분산과정을 거치면서 얻게 된 독특한 분산특성의 발현으로 인해 전극층 내에서의 효과적인 수소이온전도 및 기체투과 특성 확보로 이어져 PEFC 성능 향상에 기인한 효과로 판단된다.5 is a graph showing current-voltage curves of membrane-electrode assemblies prepared by introducing Example 2 and Comparative Example 2 according to the present invention as an electrode binder into a cathode under an oxygen condition at 65 °C. Looking at the results, it can be seen that Example 2 (1.52 A/cm 2 @0.6 V) exhibits better unit cell performance than Commercial Comparative Example 2 (1.28 A/cm 2 @0.6 V). The expression of unique dispersion characteristics obtained through the supercritical dispersion process for recovery leads to effective hydrogen ion conduction and gas permeation characteristics in the electrode layer, which is considered to be an effect due to improved PEFC performance.
단위전지 성능(전압-전류 밀도): 탄소담지촉매로 도입Unit cell performance (voltage-current density): introduced as a carbon-supported catalyst
도 6은 탄소담지촉매로 본 발명에 따른 실시예 3와 비교예 3를 캐소드에 도입하여 제조된 막전극접합체의 65 ℃ 산소 조건에서의 전류-전압 곡선을 보여주는 그래프이다. 결과를 보면 실시예 2(1.52 A/cm2@0.6 V)가 상용 비교예 2(1.28 A/cm2@0.6 V)보다 우수한 단위전지성능을 나타냄을 확인할 수 있다. 회수를 위한 초임계 분산 과정을 거치면서 얻게 된 독특한 분산특성의 발현으로 인해 전극층 내에서의 효과적인 수소이온전도 및 기체투과 특성 확보로 이어져 PEFC 성능 향상에 기인한 효과로 판단된다. 6 is a graph showing current-voltage curves of membrane-electrode assemblies prepared by introducing Example 3 and Comparative Example 3 according to the present invention as a carbon-supported catalyst into the cathode under oxygen conditions at 65 °C. Looking at the results, it can be seen that Example 2 (1.52 A/cm 2 @0.6 V) exhibits better unit cell performance than commercial Comparative Example 2 (1.28 A/cm 2 @0.6 V). The expression of unique dispersion characteristics obtained through the supercritical dispersion process for recovery leads to effective hydrogen ion conduction and gas permeation characteristics in the electrode layer, which is considered to be an effect due to improved PEFC performance.
Claims (25)
상기 이오노머가 추출된 분산액을 여과하여 분리하는 단계; 및
상기 이오노머 분산액이 분리되고 남은 성분 중에서 촉매를 분리하는 단계를 포함하는 초임계 분산법을 이용한 전극 소재 회수 방법. Extracting the ionomer by supercritical dispersion of the membrane electrode assembly in a mixed solvent composed of water and alcohol;
Filtering and separating the dispersion from which the ionomer was extracted; and
An electrode material recovery method using a supercritical dispersion method comprising the step of separating the catalyst from the remaining components after the ionomer dispersion is separated.
상기 막전극접합체는 연료전지 또는 수전해 장치용 막전극접합체인 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 1,
The electrode material recovery method, characterized in that the membrane electrode assembly is a membrane electrode assembly for a fuel cell or a water electrolysis device.
상기 막전극접합체는 이온전도성을 가진 분리막의 양쪽에 촉매와 전극바인더를 포함하는 촉매층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 1,
The membrane electrode assembly is an electrode material recovery method, characterized in that a catalyst layer including a catalyst and an electrode binder is formed on both sides of the separator having ion conductivity.
상기 막전극접합체는 사용 전 또는 사용 후 막전극접합체인 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 1,
The electrode material recovery method, characterized in that the membrane electrode assembly is a membrane electrode assembly before or after use.
상기 이오노머를 추출하는 단계 전에 막전극접합체를 산(acid)으로 처리하여 불순물을 제거하는 단계; 또는 상기 이오노머가 추출된 분산액을 분리하는 단계 후에 이오노머를 산(acid)으로 처리하여 불순물을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 1,
removing impurities by treating the membrane electrode assembly with an acid before the step of extracting the ionomer; or removing impurities by treating the ionomer with an acid after the step of separating the dispersion from which the ionomer is extracted.
상기 산(acid)은 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 염산(HCl) 중에서 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 5,
The acid (acid) is an electrode material recovery method, characterized in that at least one selected from sulfuric acid (H 2 SO 4 ), nitric acid (HNO 3 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), hydrochloric acid (HCl).
상기 산(acid)의 농도는 0.1 내지 3 M 범위인 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법. According to claim 5,
Electrode material recovery method, characterized in that the concentration of the acid (acid) is in the range of 0.1 to 3 M.
상기 산으로 처리하여 불순물을 제거하는 단계 후에 초순수에서 끓여 산 잔여물을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 5,
The electrode material recovery method further comprising the step of removing acid residues by boiling in ultrapure water after the step of removing impurities by treating with acid.
상기 이오노머는 과불소계 이오노머, 부분불소계 이오노머 또는 탄화수소계 이오노머 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 1,
The electrode material recovery method, characterized in that the ionomer is selected from a perfluorine-based ionomer, a partial fluorine-based ionomer, or a hydrocarbon-based ionomer.
상기 과불소계 이오노머는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 9,
Electrode material, characterized in that the perfluorine-based ionomer is poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), a copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing a sulfonic acid group, or a mixture thereof recovery method.
상기 부분불소계 이오노머는 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르술폰-코-비닐리덴플로라이드), 술폰화된 트리플로오로스티렌-그래프트-폴리(테트라플로오로에틸렌)(PTFE-g-TFS), 스티렌-그래프트 술폰화 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF-g-PSSA), 디카르플루오로바이페닐을 단량체로 포함하는 공중합체, 헥사플루오로벤젠을 단량체로 포함하는 공중합체 및 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 9,
The partially fluorinated ionomer is sulfonated poly(arylene ethersulfone-co-vinylidene fluoride), sulfonated trifluorostyrene-grafted-poly(tetrafluoroethylene) (PTFE-g-TFS), styrene- Graft sulfonated polyvinylidene fluoride (PVDF-g-PSSA), a copolymer containing dicarfluorobiphenyl as a monomer, a copolymer containing hexafluorobenzene as a monomer, and mixtures thereof Electrode material recovery method.
상기 탄화수소계 이오노머는 술폰화 이미드, 술폰화 아릴에테르술폰, 술폰화 에테르에테르케톤, 술폰화 벤즈이미다졸, 술폰화 술폰, 술폰화 스티렌, 술폰화 포스파젠, 술폰화 에테르에테르술폰, 술폰화 에테르술폰, 술폰화 에테르벤즈이미다졸, 술폰화 아릴렌에테르케톤, 술폰화 에테르케톤, 술폰화 스타이렌, 술폰화 이미다졸, 술폰화 에테르케톤케톤, 아릴에테르벤즈이미다졸 및 이들의 조합 중에서 선택된 1종 이상의 탄화수소를 포함하는 단일 공중합체, 교대 공중합체, 불규칙 공중합체, 블록 공중합체, 멀티블록 공중합체, 그라프트 공중합체 및 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 9,
The hydrocarbon-based ionomer is sulfonated imide, sulfonated aryl ether sulfone, sulfonated ether ether ketone, sulfonated benzimidazole, sulfonated sulfone, sulfonated styrene, sulfonated phosphazene, sulfonated ether ether sulfone, sulfonated ether One selected from sulfone, sulfonated etherbenzimidazole, sulfonated arylene ether ketone, sulfonated ether ketone, sulfonated styrene, sulfonated imidazole, sulfonated ether ketone ketone, aryletherbenzimidazole, and combinations thereof A method for recovering electrode materials, characterized in that they are homopolymers, alternating copolymers, random copolymers, block copolymers, multi-block copolymers, graft copolymers, and mixtures thereof containing the above hydrocarbons.
상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 이소프로필알코올, 부탄올, 이소부탄올, 2-부탄올, tert-부탄올, n-펜탄올, 이소펜틸 알코올, 2-메틸-1-부탄올, 네오펜틸 알코올, 디에틸 케비놀, 메틸 프로필 케비놀, 메틸 이소프로필 케비놀, 디메틸 에틸 케비놀, 1-헥산올, 2-헥산올, 3-헥산올, 2-메틸-1-펜탄올, 3-메틸-1-펜탄올, 4-메틸-1-펜탄올, 2-메틸-2-펜탄올, 3-메틸-2-펜탄올, 4-메틸-2-펜탄올, 2-메틸-3-펜탄올, 3-메틸-3-펜탄올, 2,2-디메틸-1-부탄올, 2,3-디메틸-1-부탄올, 2,3-디메틸-2-부탄올, 3,3-디메틸-1-부탄올, 2-에틸-1-부탄올, 1-헵탄올, 2-헵탄올, 3-헵탄올 및 4-헵탄올로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 1,
The alcohol is methanol, ethanol, 1-propanol, isopropyl alcohol, butanol, isobutanol, 2-butanol, tert-butanol, n-pentanol, isopentyl alcohol, 2-methyl-1-butanol, neopentyl alcohol, di Ethyl Kebinol, Methyl Propyl Kebinol, Methyl Isopropyl Kebinol, Dimethyl Ethyl Kebinol, 1-Hexanol, 2-Hexanol, 3-Hexanol, 2-Methyl-1-Pentanol, 3-Methyl-1- Pentanol, 4-methyl-1-pentanol, 2-methyl-2-pentanol, 3-methyl-2-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, 2-methyl-3-pentanol, 3- Methyl-3-pentanol, 2,2-dimethyl-1-butanol, 2,3-dimethyl-1-butanol, 2,3-dimethyl-2-butanol, 3,3-dimethyl-1-butanol, 2-ethyl -1-butanol, 1-heptanol, 2-heptanol, 3-heptanol and 4-heptanol characterized in that at least one selected from the group consisting of an electrode material recovery method.
상기 알코올과 물은 부피비로 55:45 내지 99:1의 범위인 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 1,
The electrode material recovery method, characterized in that the alcohol and water are in the range of 55:45 to 99:1 by volume.
상기 초임계 분산 조건의 온도는 100 내지 350 ℃ 범위이고, 압력은 1 내지 17.0 MPa 범위인 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 1,
The electrode material recovery method, characterized in that the temperature of the supercritical dispersion condition is in the range of 100 to 350 ℃, the pressure is in the range of 1 to 17.0 MPa.
상기 이오노머가 추출된 분산액은 산화안정제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 1,
Electrode material recovery method, characterized in that the dispersion from which the ionomer is extracted further comprises an oxidation stabilizer.
상기 촉매는 탄소계 지지체에 담지된 금속 촉매인 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 1,
The electrode material recovery method, characterized in that the catalyst is a metal catalyst supported on a carbon-based support.
상기 탄소계 지지체는 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어, 탄소나노혼 및 그래핀으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 17,
The carbon-based support is an electrode material recovery method, characterized in that at least one selected from the group consisting of carbon black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanohorns and graphene.
상기 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 및 이트륨(Y) 또는 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 선택되는 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 17,
The metal is platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir), gold (Au), silver (Ag), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt ( Co), nickel (Ni), copper (Cu), molybdenum (Mo) and yttrium (Y) or an electrode material recovery method, characterized in that at least one selected from the group consisting of alloys thereof.
상기 탄소계 지지체에 담지된 금속 촉매로부터 금속을 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법.According to claim 17,
Electrode material recovery method further comprising the step of separating the metal from the metal catalyst supported on the carbon-based support.
상기 이오노머 분산액이 분리되고 남은 성분은 지지체 섬유인 것을 특징으로 하는 전극 소재 회수 방법. According to claim 1,
Electrode material recovery method, characterized in that the component remaining after the ionomer dispersion is separated is a support fiber.
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