KR102212930B1 - composite for production of perfluorinated sulfonic acid ionomer, perfluorinated sulfonic acid ionomer using the same, complex electrolyte membrane for PEMFC containing the same and membrane electrode assembly for PEMFC containing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물, 이를 이용한 과불소계 술폰화 이오노머, 이를 포함하는 PEMFC용 복합 전해질막 및 이를 포함하는 PEMFC용 막-전극 접합체에 관한 것으로서, 안전성이 우수할 뿐만 아니라, 내구 수명이 개선된 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물, 이를 이용한 과불소계 술폰화 이오노머, 이를 포함하는 PEMFC용 복합 전해질막 및 이를 포함하는 PEMFC용 막-전극 접합체에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for preparing a perfluorine-based sulfonated ionomer, a perfluorine-based sulfonated ionomer using the same, a composite electrolyte membrane for PEMFC comprising the same, and a membrane-electrode assembly for PEMFC comprising the same, and has excellent safety and durability. The improved composition for preparing a perfluorine-based sulfonated ionomer, a perfluorine-based sulfonated ionomer using the same, a composite electrolyte membrane for PEMFC including the same, and a membrane-electrode assembly for PEMFC including the same.
Description
본 발명은 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물, 이를 이용한 과불소계 술폰화 이오노머, 이를 포함하는 PEMFC용 복합 전해질막 및 이를 포함하는 PEMFC용 막-전극 접합체에 관한 것으로서, 안전성이 우수할 뿐만 아니라, 내구 수명이 개선된 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물, 이를 이용한 과불소계 술폰화 이오노머, 이를 포함하는 PEMFC용 복합 전해질막 및 이를 포함하는 PEMFC용 막-전극 접합체에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for preparing a perfluorine-based sulfonated ionomer, a perfluorine-based sulfonated ionomer using the same, a composite electrolyte membrane for PEMFC comprising the same, and a membrane-electrode assembly for PEMFC comprising the same, and has excellent safety and durability. The improved composition for preparing a perfluorine-based sulfonated ionomer, a perfluorine-based sulfonated ionomer using the same, a composite electrolyte membrane for PEMFC including the same, and a membrane-electrode assembly for PEMFC including the same.
연료전지는 연료(수소 또는 메탄올)와 산화제(산소)를 전기화학적으로 반응시켜 생기는 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 차세대 에너지원으로 연구 개발되고 있다. 연료전지는 적용분야에 따라 고온용 및 저온용 연료전지를 선택하여 사용할 수 있으며, 통상적으로 전해질의 종류에 따라 분류되고 있는데, 고온용에는 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 등이 있고, 저온용에는 알칼리 전해질 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC) 및 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 등이 대표적으로 개발되고 있다.A fuel cell is a power generation system that directly converts chemical energy generated by electrochemically reacting fuel (hydrogen or methanol) and oxidizing agent (oxygen) into electrical energy.It is a next-generation energy source with high energy efficiency and eco-friendly features with low pollutant emissions. It is being researched and developed. Fuel cells can be used by selecting high temperature and low temperature fuel cells depending on the application field, and are usually classified according to the type of electrolyte. For high temperature use, solid oxide fuel cells (SOFC), molten carbonate There are fuel cells (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), etc., and for low temperature applications, Alkaline Fuel Cell (AFC) and Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) are being developed as a representative.
이중 고분자 전해질 연료전지를 세분하면 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와, 액상의 메탄올을 직접 연료로 산화극(Anode)에 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등이 있다. 고분자 전해질 연료전지는 100℃ 미만의 낮은 작동온도, 고체 전해질 사용으로 인한 누수문제 배제, 빠른 시동과 응답 특성, 및 우수한 내구성 등의 장점으로 휴대용, 차량용, 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다. 특히 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 소형화가 가능하기 때문에 휴대용 연료전지로의 연구가 계속 진행되고 있다.If the polymer electrolyte fuel cell is subdivided, a hydrogen ion exchange membrane fuel cell (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) that uses hydrogen gas as fuel, and direct methanol that is used by supplying liquid methanol directly to the anode as fuel. Fuel cells (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Polyelectrolyte fuel cells are in the spotlight as portable, vehicle, and home power supplies for their advantages such as low operating temperature of less than 100°C, excluding leakage problems due to the use of solid electrolytes, fast starting and response characteristics, and excellent durability. In particular, as a high-power fuel cell having a larger current density than other types of fuel cells, research into a portable fuel cell is continuing because it can be miniaturized.
이러한 연료전지의 단위전지 구조는 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 양쪽에 산화극(Anode, 연료극) 및 환원극(Cathode, 산소극)이 도포되어 있는 구조를 이루고 있는데, 이를 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)라 칭한다. 이 막-전극 접합체(MEA)는 수소와 산소의 전기화학적 반응이 일어나는 부분으로서 환원극과 산화극 그리고 전해질막, 즉 이온 전도성 전해질막(예, 수소이온 전도성 전해질막)으로 구성되어 있다.The unit cell structure of such a fuel cell has a structure in which an anode (anode) and a cathode (oxygen electrode) are coated on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer material, which is a membrane-electrode assembly. Electrode Assembly, MEA). This membrane-electrode assembly (MEA) is a part in which an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs, and is composed of a cathode, an anode, and an electrolyte membrane, that is, an ion conductive electrolyte membrane (eg, a hydrogen ion conductive electrolyte membrane).
산화극에서는 연료인 수소 또는 메탄올이 공급되어 수소의 산화 반응이 일어나 수소이온과 전자를 발생시키며, 환원극에서는 고분자 전해질막을 통과한 수소이온과 산소가 결합하여 산소의 환원 반응에 의해 물이 생성된다.Hydrogen or methanol, which is a fuel, is supplied from the oxidation electrode to generate hydrogen ions and electrons through the oxidation reaction of hydrogen, and hydrogen ions and oxygen that have passed through the polymer electrolyte membrane are combined to generate water by the reduction reaction of oxygen. .
이 막-전극 접합체는 이러한 산화극과 환원극의 전극 촉매층이 이온전도성 전해질막의 양면에 도포되어 있는 형태를 이루고, 전극 촉매층을 이루고 있는 물질은 Pt(백금)이나 Pt-Ru(백금-루테늄) 등의 촉매 물질이 카본담체에 담지되어 있는 형태이다. 연료전지의 전기화학적 반응의 핵심부품으로 볼 수 있는 막-전극 접합체(MEA)에는 특히 가격 구성 비율이 높은 이온 전도성 전해질막과 백금 촉매 등이 사용되며, 전력 생산 효율과 직결된 부분이기 때문에 연료전지의 성능향상과 가격경쟁력을 높이는데 가장 중요한 부분으로 간주되고 있다In this membrane-electrode assembly, the electrode catalyst layers of the anode and the cathode are coated on both sides of the ion conductive electrolyte membrane, and the material constituting the electrode catalyst layer is Pt (platinum) or Pt-Ru (platinum-ruthenium). The catalyst material of is supported on a carbon carrier. Membrane-electrode assembly (MEA), which can be seen as a key component of the electrochemical reaction of fuel cells, uses ion-conducting electrolyte membranes and platinum catalysts, which have a high price-to-price ratio, and is directly connected to power production efficiency. It is regarded as the most important part in improving the performance and price competitiveness of
일반적으로 사용되고 있는 MEA를 제조하는 기존의 방법은 촉매 물질과 수소이온 전도성 바인더(binder), 즉 불소계 나피온 이오노머(Nafion Ionomer) 그리고 물 및/또는 알코올 용매를 혼합하여 반죽(paste)을 제조하고, 이를 촉매층을 지지해주는 전극 지지체이면서 동시에 기체 확산층의 역할을 하는 카본 천(carbon cloth)이나 카본페이퍼(carbon paper) 등에 코팅한 다음, 건조하고 수소이온 전도성 전해질 막에 열 융착하는 방법을 사용한다.The conventional method of manufacturing MEA, which is generally used, is to prepare a paste by mixing a catalyst material, a hydrogen ion conductive binder, that is, a fluorine-based Nafion ionomer, and a water and/or alcohol solvent, This is coated with carbon cloth or carbon paper, which is an electrode support supporting the catalyst layer and also serves as a gas diffusion layer, and then dried and thermally fused to a hydrogen ion conductive electrolyte membrane.
촉매층에서는 촉매에 의한 수소와 산소의 산화환원 반응; 밀착된 탄소 입자에 의한 전자의 이동; 수소, 산소 및 수분을 공급하고 반응 후 잉여 가스를 배출하기 위한 통로의 확보; 산화된 수소이온의 이동 등이 동시에 이루어져야만 한다. 더욱이 성능의 향상을 위해서는 공급연료와 촉매 및 이온 전도성 고분자 전해질막이 만나는 3상 계면영역(Triple Phase Boundary)의 면적을 증대시켜 활성분극(Activation polarization)을 줄여야 하며, 촉매층과 전해질막과의 계면 및 촉매층과 기체확산층과의 계면을 균일하게 접합하여 계면에서의 저항 분극(Ohmic polarization)을 줄여야 한다. 따라서, 촉매층과 전해질막과의 계면 저항을 최대한 감소시킴으로써 연료전지의 성능을 향상시키기 위해서는, MEA 제조시 촉매층과 전해질막의 접합력이 있어야 할 뿐만 아니라, 연료전지 구동 중에도 촉매층과 전해질막 사이의 계면 접합이 계속 유지되어야 한다.In the catalyst layer, a redox reaction of hydrogen and oxygen by a catalyst; Movement of electrons by adhered carbon particles; Supply of hydrogen, oxygen and moisture, and securing a passage for discharging excess gas after the reaction; The movement of oxidized hydrogen ions, etc. must occur simultaneously. In order to improve performance, activation polarization should be reduced by increasing the area of the triple phase boundary where the feed fuel meets the catalyst and the ion conductive polymer electrolyte membrane, and the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane and the catalyst layer. The interface between the gas diffusion layer and the gas diffusion layer must be uniformly bonded to reduce ohmic polarization at the interface. Therefore, in order to improve the performance of the fuel cell by reducing the interfacial resistance between the catalyst layer and the electrolyte membrane as much as possible, not only must there be bonding strength between the catalyst layer and the electrolyte membrane during MEA manufacturing, but also the interfacial bonding between the catalyst layer and the electrolyte membrane during fuel cell operation. It must be maintained.
이에, 최근에는 촉매층과 전해질막과의 계면 및 촉매층과 기체확산층과의 계면을 균일하게 접합하기 위한 기술 개발이 활발히 이루어지고 있지만, 계면 균일성이 여전히 제한적인 단점이 있다.Accordingly, in recent years, technology has been actively developed for uniformly bonding the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane and the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer, but the interface uniformity is still limited.
또한, 전술된 구조를 갖는 MEA의 경우 통상적으로 두께가 두꺼운 전해질막을 사용하므로, 수소 이온의 전달이 지연되어 성능 저하가 발생할 수 있다.In addition, in the case of the MEA having the above-described structure, since an electrolyte membrane having a thick thickness is generally used, transmission of hydrogen ions may be delayed, resulting in performance degradation.
또한, 연료 전지 구동 시 수소 이온의 이동과 사용시간이 길어짐에 따라 촉매층과 전해질막과의 계면 및 촉매층과 기체확산층과의 계면 접합성이 약해져 서로 분리되게 된다. 이에, 연료전지에 적용됐을 때 연료전지의 성능 저하를 야기할 수 있다.In addition, when the fuel cell is driven, as the movement of hydrogen ions and the use time increase, the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane and the interface bonding between the catalyst layer and the gas diffusion layer are weakened, and thus they are separated from each other. Accordingly, when applied to a fuel cell, the performance of the fuel cell may be deteriorated.
수소 이온의 이동 시간 등의 단축을 위해서, 전해질막의 두께를 줄여야 하고 이를 위해서 전해질막을 구성하는 다공성 지지체의 두께를 얇게 하는 방법이 있는데, 지지체의 두께를 얇게 하기 위해 고연신시 지지체의 강도 등의 물성이 크게 감소할 뿐만 아니라, 지지체 제조시 불량률이 높아서 경제성, 상업성이 떨어지는 문제가 있었다.In order to shorten the transfer time of hydrogen ions, etc., the thickness of the electrolyte membrane must be reduced, and for this purpose, there is a method of thinning the thickness of the porous support constituting the electrolyte membrane.In order to decrease the thickness of the support, physical properties such as strength of the support during high stretching In addition to this greatly reduced, there was a problem in that economic feasibility and commerciality were deteriorated due to a high defect rate in manufacturing the support.
본 발명은 우수한 물성을 가지는 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물, 이를 이용한 과불소계 술폰화 이오노머를 포함함으로서, PEMFC용 복합 전해질막의 안정성 및 내구성이 향상된 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물, 이를 이용한 과불소계 술폰화 이오노머, 이를 포함하는 PEMFC용 복합 전해질막 및 이를 포함하는 PEMFC용 막-전극 접합체를 제공하고자 한다.The present invention includes a composition for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer having excellent physical properties, a composition for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer having improved stability and durability of a composite electrolyte membrane for PEMFC, and a perfluorine-based sulfonated composition using the same. It is intended to provide an ionomer, a composite electrolyte membrane for PEMFC including the same, and a membrane-electrode assembly for PEMFC including the same.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 테트라플루오로에틸렌(TFE), 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 및 라디칼 개시제를 포함할 수 있다.In order to solve the above-described problems, the composition for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention may include tetrafluoroethylene (TFE), a compound represented by the following
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에 있어서, a는 1 또는 2이다.In Formula 1, a is 1 or 2.
[화학식 2][Formula 2]
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 라디칼 개시제는 비스(플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 비스(클로로플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 디알킬퍼옥시디카보네이트계 화합물, 디아실퍼옥사이드계 화합물, 퍼옥시에스테르계 화합물, 아조계 화합물 및 과황산염계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the radical initiator is a bis (fluoroacyl) peroxide compound, a bis (chlorofluoroacyl) peroxide compound, a dialkyl peroxydicarbonate compound, a diacyl peroxide compound, It may include at least one selected from peroxyester-based compounds, azo-based compounds, and persulfate-based compounds.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 가수분해제 및 산형화제를 더 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention may further include a hydrolyzing agent and an oxidizing agent.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 1 : 0.45 ~ 1.32 중량비로 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the compound represented by Formula 1-1 and the compound represented by Formula 2 may be included in a weight ratio of 1:0.45 to 1.32.
[화학식 1-1][Formula 1-1]
상기 화학식 1-1에 있어서, a는 1이다.In Formula 1-1, a is 1.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 1 : 0.50 ~ 1.96 중량비로 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the compound represented by Formula 1-2 and the compound represented by Formula 2 may be included in a weight ratio of 1:0.50 to 1.96.
[화학식 1-2][Formula 1-2]
상기 화학식 1-2에 있어서, a는 2이다.In Formula 1-2, a is 2.
한편, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머는 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 포함할 수 있다.Meanwhile, the perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention may include a polymer including a repeating unit represented by the following formula (3), a repeating unit represented by the following formula (4), and a repeating unit represented by the following formula (5).
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
상기 화학식 4에 있어서, a는 1 또는 2이다.In Formula 4, a is 1 or 2.
[화학식 5][Formula 5]
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 폴리머는 하기 화학식 6으로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 20,000 ~ 10,000,000 일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the polymer includes a repeating unit represented by Formula 6 below, and the polymer may have a weight average molecular weight of 20,000 to 10,000,000.
[화학식 6][Formula 6]
상기 화학식 6에 있어서, a는 1 또는 2이고, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.01 ~ 1 : 0.01 ~ 1의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.In Formula 6, a is 1 or 2, x, y, and z are rational numbers of 1: 0.01 to 1: 0.01 to 1 as a molar ratio, and the order of bonding of each constituent unit according to x, y and z is Can be randomly modified.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 폴리머는 -SO3H기의 화학당량(EW : equivalent weight)이 500 ~ 1200일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the polymer may have a chemical equivalent (EW: equivalent weight) of -SO 3 H group of 500 to 1200.
나아가, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막은 지지체층, 상기 지지체층 일면에 형성된 제1전해질층 및 상기 지지체층 타면에 형성된 제2전해질층을 포함할 수 있다.Further, the composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention may include a support layer, a first electrolyte layer formed on one surface of the support layer, and a second electrolyte layer formed on the other surface of the support layer.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 제1전해질층 및 제2전해질층 중 적어도 하나의 층에는 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, at least one of the first and second electrolyte layers may contain the perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막은 펜톤 테스트(fenton test)로 측정된 내구성이 1.5 ~ 10.0 μmol/hrㆍg일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention may have a durability measured by a Fenton test of 1.5 to 10.0 μmol/hr·g.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막은 이온전도도가 0.07 ~ 0.2 S/cm일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention may have an ionic conductivity of 0.07 to 0.2 S/cm.
한편, 본 발명의 PEMFC용 막-전극 접합체는 애노드(산화전극), 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막 및 캐소드(환원전극)를 포함할 수 있다.Meanwhile, the membrane-electrode assembly for PEMFC of the present invention may include an anode (anode), a composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention, and a cathode (reduction electrode).
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 본 발명의 PEMFC용 막-전극 접합체는 수소투과도가 1.0 ~ 2.6 mA/cm²일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the membrane-electrode assembly for PEMFC of the present invention may have a hydrogen permeability of 1.0 to 2.6 mA/cm².
나아가, 본 발명의 고분자 전해질막 연료전지는 본 발명의 PEMFC용 막-전극 접합체 및 세퍼레이터를 포함하고, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 전기 발생부, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함할 수 있다.Further, the polymer electrolyte membrane fuel cell of the present invention includes the membrane-electrode assembly and separator for PEMFC of the present invention, an electricity generation unit that generates electricity through an electrochemical reaction between fuel and an oxidizing agent, and supplies fuel to the electricity generation unit. It may include a fuel supply unit and an oxidizing agent supply unit for supplying the oxidizing agent to the generator.
한편, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법은 반응기 내부에 탈이온수(deionized water), 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 투입 및 교반하는 제1단계, 테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스를 상기 반응기 내부에 투입하여 상기 반응기의 내부 분위기를 TFE 가스 분위기로 치환하는 제2단계, 상기 반응기 내부에 라디칼 개시제를 투입하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조하는 제3단계 및 상기 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액에 침지시켜 술폰산염기를 포함하는 화합물을 제조하고, 상기 술폰산염기를 포함하는 화합물을 산형화제를 포함하는 용액에 침지시켜 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조하는 제4단계를 포함할 수 있다.On the other hand, the method for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention is a first step of introducing and stirring deionized water, a compound represented by the following
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에 있어서, a는 1 또는 2이다.In
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
상기 화학식 4에 있어서, a는 1 또는 2이다.In
[화학식 5][Formula 5]
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 폴리머는 하기 화학식 6으로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 20,000 ~ 10,000,000 일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the polymer of the method for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention includes a repeating unit represented by
[화학식 6][Formula 6]
상기 화학식 6에 있어서, a는 1 또는 2이고, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.01 ~ 1 : 0.01 ~ 1의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.In
나아가, 본 발명의 다른 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법은 반응기 내부에 탈이온수(deionized water) 및 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 투입 및 교반하는 제1단계, 테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스를 상기 반응기 내부에 투입하여 상기 반응기의 내부 분위기를 TFE 가스 분위기로 치환하는 제2단계, 상기 반응기 내부에 라디칼 개시제를 투입하는 제3단계, 상기 반응기 내부에 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 투입 및 교반하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조하는 제4단계 및 상기 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액에 침지시켜 술폰산염기를 포함하는 화합물을 제조하고, 상기 술폰산염기를 포함하는 화합물을 산형화제를 포함하는 용액에 침지시켜 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조하는 제5단계를 포함할 수 있다.Further, another method for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer according to the present invention includes a first step of introducing and stirring deionized water and a compound represented by the following formula (1), tetrafluoroethylene (TFE) gas. The second step of introducing into the reactor to replace the internal atmosphere of the reactor with a TFE gas atmosphere, the third step of introducing a radical initiator into the reactor, and introducing and stirring a compound represented by the following formula (2) into the reactor The fourth step of preparing a compound containing -SO 2 F group and the compound containing the -SO 2 F group are immersed in a solution containing a hydrolyzing agent to prepare a compound containing a sulfonic acid group, and the sulfonic acid group A fifth step of preparing a polymer including a repeating unit represented by the following formula (3), a repeating unit represented by the following formula (4), and a repeating unit represented by the following formula (5) by immersing the containing compound in a solution containing an oxidizing agent Can include.
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에 있어서, a는 1 또는 2이다.In
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
상기 화학식 4에 있어서, a는 1 또는 2이다.In
[화학식 5][Formula 5]
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 본 발명의 다른 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 폴리머는 하기 화학식 6으로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 20,000 ~ 10,000,000 일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the polymer of the method for producing another perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention includes a repeating unit represented by the following
[화학식 6][Formula 6]
상기 화학식 6에 있어서, a는 1 또는 2이고, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.01 ~ 1 : 0.01 ~ 1의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.In
본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 PEMFC용 복합 전해질막은 이온전도도가 우수하여, 이를 이용한 수소이온 교환막 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는 우수한 물성을 가질 수 있다.The composite electrolyte membrane for PEMFC containing the perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention has excellent ionic conductivity, and thus, a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) using the same can have excellent physical properties.
또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 PEMFC용 복합 전해질막은 함수율이 높아 가공이 용이할 뿐만 아니라, 수소 투과도가 개선된다.In addition, the composite electrolyte membrane for PEMFC including the perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention has a high moisture content, so it is easy to process and improves hydrogen permeability.
또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 PEMFC용 복합 전해질막은 안전성이 우수할 뿐만 아니라, 내구 수명이 개선된다.In addition, the composite electrolyte membrane for PEMFC including the perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention has excellent safety and improved durability.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 PEMFC용 복합 전해질막의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 PEMFC용 막-전극 접합체의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a composite electrolyte membrane for PEMFC according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a membrane-electrode assembly for PEMFC according to a preferred embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement the present invention. The present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and the same reference numerals are added to the same or similar components throughout the specification.
본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머(PFSA ionomer : perfluorinated sulfonic acid ionomer)에 대하여 먼저 설명한다.First, a perfluorinated sulfonic acid ionomer (PFSA ionomer) of the present invention will be described.
본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머는 후술할 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막의 전해질층에 포함되는 이오노머로서, 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 포함할 수 있고, 바람직하게는 하기 화학식 6으로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 포함할 수 있다.The perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention is an ionomer contained in the electrolyte layer of the composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention to be described later, and is represented by a repeating unit represented by the following formula (3), a repeating unit represented by the following formula (4), and the following formula (5). It may include a polymer containing a repeating unit, preferably a polymer containing a repeating unit represented by the following formula (6).
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
상기 화학식 4에 있어서, a는 1 또는 2이다.In
[화학식 5][Formula 5]
[화학식 6][Formula 6]
상기 화학식 6에 있어서, a는 1 또는 2이고, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.01 ~ 1 : 0.01 ~ 1의 유리수, 바람직하게는 1 : 0.05 ~ 0.3 : 0.025 ~ 0.1의 유리수, 더욱 바람직하게는 1 : 0.1 ~ 0.2 : 0.045 ~ 0.075의 유리수, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.1 ~ 0.2 : 0.045 ~ 0.065의 유리수, 더더더욱 바람직하게는 1 : 0.1 ~ 0.15 : 0.045 ~ 0.055의 유리수일 수 있다.In
만일, x 및 y의 몰비가 1 : 0.01 미만이면 이온전도도의 문제가 있을 수 있고, 1 : 1를 초과하면 상용성, 제막특성, 성형성 및 내구성 등의 문제가 있을 수 있다. 또한, x 및 z의 몰비가 1 : 0.01 미만이면 이온전도도의 문제가 있을 수 있고, 1 : 1를 초과하면 내구성의 문제가 있을 수 있다.If the molar ratio of x and y is less than 1:0.01, there may be a problem of ionic conductivity, and if it exceeds 1:1, there may be problems such as compatibility, film forming characteristics, moldability and durability. In addition, if the molar ratio of x and z is less than 1:0.01, there may be a problem of ionic conductivity, and if it exceeds 1:1, there may be a problem of durability.
또한, 상기 화학식 6에 있어서, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.In addition, in
또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 폴리머는 중량평균분자량 20,000 ~ 10,000,000, 바람직하게는 중량평균분자량 30,000 ~ 8,000,000, 더욱 바람직하게는 중량평균분자량 50,000 ~ 1,000,000, 더더욱 바람직하게는 중량평균분자량 50,000 ~ 800,000, 더더더욱 바람직하게는 중량평균분자량 100,000 ~ 300,000일 수 있으며, 폴리머의 중량평균분자량이 20,000 미만이면 내구성, 기계적 물성에 문제가 있을 수 있고, 중량평균분자량이 10,000,000을 초과하면 성형성의 문제가 있을 수 있다.In addition, the polymer of the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention has a weight average molecular weight of 20,000 to 10,000,000, preferably a weight average molecular weight of 30,000 to 8,000,000, more preferably a weight average molecular weight of 50,000 to 1,000,000, and even more preferably a weight average molecular weight of 50,000 to 800,000, even more preferably, the weight average molecular weight may be 100,000 to 300,000.If the weight average molecular weight of the polymer is less than 20,000, there may be problems in durability and mechanical properties, and if the weight average molecular weight exceeds 10,000,000, there may be a problem of moldability. I can.
또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머는 -SO3H기의 화학당량(EW : equivalent weight)이 500 ~ 1200, 바람직하게는 550 ~ 850, 더욱 바람직하게는 620 ~ 730, 더더욱 바람직하게는 640 ~ 730, 더더더욱 바람직하게는 680 ~ 720일 수 있으며, 만일 -SO3H기의 화학당량이 500 미만이면 내구성, 기계적 물성에 문제가 있을 수 있고, 1200을 초과하면 이온전도도의 문제가 있을 수 있다.In addition, the perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention has a chemical equivalent (EW: equivalent weight) of the -SO 3 H group of 500 to 1200, preferably 550 to 850, more preferably 620 to 730, even more preferably 640. ~ 730, even more preferably 680 ~ 720, if the chemical equivalent of -SO 3 H group is less than 500, there may be problems in durability and mechanical properties, and if it exceeds 1200, there may be problems in ion conductivity. have.
한편, 앞서 언급한 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머는 테트라플루오로에틸렌(TFE), 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 및 라디칼 개시제를 포함하는 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물을 이용하여 제조할 수 있다.On the other hand, the above-mentioned perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention is a composition for preparing a perfluorine-based sulfonated ionomer comprising tetrafluoroethylene (TFE), a compound represented by the following
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에 있어서, a는 1 또는 2이다.In
[화학식 2][Formula 2]
또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 1 : 0.45 ~ 1.32 중량비로 포함할 수 있으며, 만일, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물이 0.45 중량비 미만으로 포함하면 이온전도도의 문제가 있을 수 있고, 1.32 중량비를 초과하면 내구성 저하의 문제가 있을 수 있다.In addition, the composition for preparing a perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention may include a compound represented by
구체적으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 1 : 0.45 ~ 1.32 중량비, 바람직하게는 1 : 0.6 ~ 1.32 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 0.7 ~ 1.1 중량비, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.71 ~ 0.85 중량비로 포함할 수 있다.Specifically, the composition for preparing a perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention comprises a compound represented by the following Formula 1-1 and a compound represented by
[화학식 1-1][Formula 1-1]
상기 화학식 1-1에 있어서, a는 1이다.In Formula 1-1, a is 1.
또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 1 : 0.50 ~ 0.96 중량비, 바람직하게는 1 : 0.52 ~ 0.80 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 0.53 ~ 0.62중량비로 포함할 수 있다.In addition, the composition for preparing a perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention comprises a compound represented by the following Formula 1-2 and a compound represented by
[화학식 1-2][Formula 1-2]
상기 화학식 1-2에 있어서, a는 2이다.In Formula 1-2, a is 2.
본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물의 라디칼 개시제는 라디칼을 생성시켜 라디칼 연쇄 중합을 일으키는 역할을 하는 것으로서, 으로서, 비스(플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 비스(클로로플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 디알킬퍼옥시디카보네이트계 화합물, 디아실퍼옥사이드계 화합물, 퍼옥시에스테르계 화합물, 퍼플루오로퍼옥사이드계 화합물, 아조계 화합물 및 과황산염계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 퍼플루오로퍼옥사이드계 화합물 및 과황산염계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The radical initiator of the composition for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention plays a role in causing radical chain polymerization by generating a radical, as a bis (fluoroacyl) peroxide compound, a bis (chlorofluoroacyl) peroxide It may include at least one selected from among compounds based on compounds, dialkyl peroxydicarbonates, diacyl peroxide compounds, peroxyester compounds, perfluoroperoxide compounds, azo compounds and persulfate compounds, and is preferred. For example, it may include one or more selected from perfluoroperoxide-based compounds and persulfate-based compounds.
디알킬퍼옥시디카보네이트계 화합물로서 디메틸 퍼옥시디카보네이트(dimethyl peroxydicarbonate), 디에틸 퍼옥시디카보네이트(diethyl peroxydicarbonate) 및 디프로필 퍼옥시디카보네이트(dipropyl peroxydicarbonate) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 디아실퍼옥사이드계 화합물로서 디아세틸 퍼옥사이드(diacetyl peroxide)을 포함할 수 있으며, 퍼옥시에스테르계 화합물로서 비스(펜타플루오로 프로피오닐)퍼옥사이드(Bis(Pentafluoro propionyl)peroxide), 비스(트리플루오로메틸)퍼옥시안하이드라이드(Bis(trifluoromethyl)peroxyanhydride)중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 퍼플루오로퍼옥사이드계 화합물로서 비스(퍼플루오로-t-부틸)퍼옥사이드(Bis(perfluoro-t-butyl) peroxide), 비스(트리플루오로메틸)퍼옥사이드(Bis(trifluoromethyl) Peroxide)중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 아조계 화합물로서 아조비스-2-메틸프로페인나이트릴(Azobisisobutyronitrile, AIBN)을 포함할 수 있고, 과황산염계 화합물로서 과황산칼륨(KPS : Potassium persulfate), 과황산암모늄 (APS : Ammonium persulfate) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.As a dialkyl peroxydicarbonate-based compound, it may contain at least one selected from dimethyl peroxydicarbonate, diethyl peroxydicarbonate, and dipropyl peroxydicarbonate, and diacyl peroxide Diacetyl peroxide may be included as a compound, and bis (pentafluoro propionyl) peroxide (Bis (Pentafluoro propionyl) peroxide), bis (trifluoromethyl) peroxide as a peroxy ester compound It may contain at least one selected from oxyanhydride (Bis (trifluoromethyl) peroxyanhydride), and as a perfluoroperoxide-based compound, bis (perfluoro-t-butyl) peroxide (Bis (perfluoro-t-butyl) Peroxide), bis (trifluoromethyl) peroxide (Bis (trifluoromethyl) Peroxide) may contain at least one selected from, as an azo-based compound, azobis-2-methylpropane nitrile (Azobisisobutyronitrile, AIBN) It may include, and may include at least one selected from potassium persulfate (KPS) and ammonium persulfate (APS) as a persulfate-based compound.
한편, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 탈이온수(deionized water)를 더 포함할 수 있다.On the other hand, the composition for preparing a perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention may further include deionized water.
또한, 본 발명의 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 가수분해제 및 산형화제를 더 포함할 수 있다.In addition, the composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention of the present invention may further include a hydrolyzing agent and an oxidizing agent.
가수분해제는 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물에 포함되는 테트라플루오로에틸렌(TFE), 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물이 중합하여 제조된 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해하여 술폰산염기를 포함하는 화합물로 전환해주는 역할을 하는 것으로서, 염기성 화합물을 포함할 수 있다. 이 때, 염기성 화합물로서 수산화리튬, 수산화나트륨 및 수산화칼륨 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 수산화리튬을 포함할 수 있다. The hydrolyzing agent is -SO 2 F group prepared by polymerization of tetrafluoroethylene (TFE) contained in the composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer, the compound represented by
산형화제는 앞서, 가수분해제를 통해 제조된 술폰산염기를 포함하는 화합물을 -SO3H기를 포함하는 화합물로 전환해주는 역할을 하는 것으로서, 염산 및 황산 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The oxidizing agent serves to convert a compound containing a sulfonate group prepared through a hydrolyzing agent into a compound containing a -SO 3 H group, and may include at least one selected from hydrochloric acid and sulfuric acid.
한편, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 바람직한 일실시예로서, 제1단계 내지 제4단계를 포함한다.On the other hand, as a preferred embodiment of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, it includes the first step to the fourth step.
먼저, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제1단계로서, 반응기 내부에 탈이온수(deionized water), 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 투입 및 교반할 수 있다.First, as the first step of the method for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention, deionized water, a compound represented by the following
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에 있어서, a는 1 또는 2이다.In
[화학식 2][Formula 2]
이 때, 반응기로서 바람직하게는 오토클레이브(autoclave)가 사용될 수 있으며, 교반은 150 ~ 450 rpm, 바람직하게는 200 ~ 400 rpm, 더욱 바람직하게는 250 ~ 350rpm으로 15분 ~ 45분, 바람직하게는 20분 ~ 40분, 더욱 바람직하게는 25 ~ 35분 동안 수행할 수 있다.At this time, preferably an autoclave may be used as the reactor, and the stirring is 150 to 450 rpm, preferably 200 to 400 rpm, more preferably 250 to 350 rpm, for 15 minutes to 45 minutes, preferably It may be performed for 20 minutes to 40 minutes, more preferably 25 to 35 minutes.
또한, 반응기 내부에 투입되는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 1 : 0.45 ~ 1.32 중량비로 투입될 수 있다In addition, the compound represented by
구체적으로, 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 1 : 0.45 ~ 1.32 중량비, 바람직하게는 1 : 0.6 ~ 1.32 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 0.7 ~ 1.1 중량비, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.71 ~ 0.85 중량비로 투입될 수 있다.Specifically, the compound represented by the following formula 1-1 and the compound represented by the
[화학식 1-1][Formula 1-1]
상기 화학식 1-1에 있어서, a는 1이다.In Formula 1-1, a is 1.
또한, 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 1 : 0.50 ~ 0.96 중량비, 바람직하게는 1 : 0.52 ~ 0.80 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 0.53 ~ 0.62중량비로 투입될 수 있다.In addition, the compound represented by the following formula 1-2 and the compound represented by the
[화학식 1-2][Formula 1-2]
상기 화학식 1-2에 있어서, a는 2이다.In Formula 1-2, a is 2.
본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제1단계를 수행한 후, 반응기 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거할 수 있으며, 다시 질소가스로 퍼징(purging)할 수 있다.(이와 같은 과정은 2 ~ 5회 반복하여 수행될 수 있다.)After performing the first step of the method for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention, the inside of the reactor can be vacuumed to remove moisture, and then purged with nitrogen gas (same process as above). Can be performed by repeating 2 to 5 times.)
다음으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제2단계로서, 테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스(gas)를 상기 반응기 내부에 투입하여 상기 반응기의 내부 분위기를 TFE 가스 분위기로 치환할 수 있다.Next, as a second step of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, tetrafluoroethylene (TFE) gas is introduced into the reactor to replace the internal atmosphere of the reactor with a TFE gas atmosphere. I can.
구체적으로, 제2단계는 먼저, TFE 가스를 반응기 내부로 투입하여, 반응기 내부의 압력을 0.005 ~ 0.1MPa, 바람직하게는 0.007 ~ 0.05MPa, 더욱 바람직하게는 0.008 ~ 0.03MPa의 TFE 가스 분위기로 치환할 수 있다. Specifically, in the second step, first, TFE gas is introduced into the reactor, and the pressure inside the reactor is replaced with a TFE gas atmosphere of 0.005 to 0.1 MPa, preferably 0.007 to 0.05 MPa, more preferably 0.008 to 0.03 MPa. can do.
다음으로, 반응기 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거하고, 이 후, 반응기 내부의 압력이 0.4 ~ 1.2MPa, 바람직하게는 0.6 ~ 1.0MPa, 더욱 바람직하게는 0.7 ~ 0.9MPa가 될 때까지 TFE 가스를 반응기 내부로 투입할 수 있다.Next, the inside of the reactor is vacuumed to remove moisture, and after that, the TFE gas until the pressure inside the reactor is 0.4 to 1.2 MPa, preferably 0.6 to 1.0 MPa, more preferably 0.7 to 0.9 MPa. Can be introduced into the reactor.
마지막으로, 반응기 내부에 3℃/min ~ 7℃/min, 바람직하게는 4℃/min ~ 6℃/min의 속도로 열을 가하여, 반응기 내부 온도가 30 ~ 40℃, 바람직하게는 33 ~ 37℃가 될 때까지 승온할 수 있다.Finally, heat is applied to the inside of the reactor at a rate of 3° C./min to 7° C./min, preferably 4° C./min to 6° C./min, so that the temperature inside the reactor is 30 to 40° C., preferably 33 to 37. The temperature can be raised until it reaches °C.
다음으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제3단계로서, 상기 반응기 내부에 라디칼 개시제를 투입하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조할 수 있다. Next, as a third step of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, a radical initiator may be added to the inside of the reactor to prepare a compound containing -SO 2 F.
상기 라디칼 개시제는 앞서 언급했듯이 비스(플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 비스(클로로플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 디알킬퍼옥시디카보네이트계 화합물, 디아실퍼옥사이드계 화합물, 퍼옥시에스테르계 화합물, 퍼플루오로퍼옥사이드계 화합물, 아조계 화합물 및 과황산염계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 퍼플루오로퍼옥사이드계 화합물 및 과황산염계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 라디칼 개시제는 탈이온수(deionized water)에 혼합하여 라디칼 개시제 용액으로 사용할 수 있다. 이 때, 라디칼 개시제 용액은 라디칼 개시제가 0.1 ~ 2 중량%, 바람직하게는 0.5 ~ 1.5 중량%로 포함할 수 있다.As mentioned above, the radical initiator is a bis (fluoroacyl) peroxide compound, a bis (chlorofluoroacyl) peroxide compound, a dialkyl peroxydicarbonate compound, a diacyl peroxide compound, a peroxy ester compound, It may include at least one selected from perfluoroperoxide-based compounds, azo-based compounds, and persulfate-based compounds, and preferably at least one selected from perfluoroperoxide-based compounds and persulfate-based compounds, and , The radical initiator may be mixed with deionized water and used as a radical initiator solution. In this case, the radical initiator solution may contain 0.1 to 2% by weight of the radical initiator, preferably 0.5 to 1.5% by weight.
한편, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제3단계를 통하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조할 시, 반응기 내부에는 3℃/min ~ 7℃/min, 바람직하게는 4℃/min ~ 6℃/min의 속도로 열을 가하여, 반응기 내부 온도를 40 ~ 60℃, 바람직하게는 45 ~ 55℃가 될 때까지 승온하여, 제조 반응이 종결될 때까지 유지될 수 있으며, 제조 반응은 1 ~ 5시간, 바람직하게는 2 ~ 4시간동안 수행될 수 있다.On the other hand, when preparing a compound containing -SO 2 F group through the third step of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, the inside of the reactor is 3 ℃ / min ~ 7 ℃ / min, preferably 4 ℃ By applying heat at a rate of /min ~ 6℃/min, the temperature inside the reactor is raised to 40 ~ 60°C, preferably 45 ~ 55°C, and it can be maintained until the production reaction is terminated. The reaction may be carried out for 1 to 5 hours, preferably 2 to 4 hours.
추가적으로, 제3단계에서 제조된 -SO2F기를 포함하는 화합물은 증류수를 이용하여 반복적으로 수세하여 이물질 및 미반응물을 제거할 수 있다.Additionally, the compound containing the -SO 2 F group prepared in the third step may be repeatedly washed with distilled water to remove foreign matter and unreacted material.
마지막으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제4단계로서, 제3단계에서 제조된 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액에 침지시켜 술폰산염기를 포함하는 화합물을 제조하고, 상기 술폰산염기를 포함하는 화합물을 산형화제를 포함하는 용액에 침지시켜 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조할 수 있고, 바람직하게는 하기 화학식 6으로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조할 수 있다.Finally, as a fourth step of the method for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention, the compound containing the -SO 2 F group prepared in the third step is immersed in a solution containing a hydrolyzing agent to contain a sulfonate group. A compound is prepared, and the compound containing the sulfonate group is immersed in a solution containing an oxidizing agent to include a repeating unit represented by the following formula (3), a repeating unit represented by the following formula (4), and a repeating unit represented by the following formula (5) The polymer can be prepared, and preferably a polymer including a repeating unit represented by the following formula (6) can be prepared.
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
상기 화학식 4에 있어서, a는 1 또는 2이다.In
[화학식 5][Formula 5]
[화학식 6][Formula 6]
상기 화학식 6에 있어서, a는 1 또는 2이고, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.01 ~ 1 : 0.01 ~ 1의 유리수, 바람직하게는 1 : 0.05 ~ 0.3 : 0.025 ~ 0.1의 유리수, 더욱 바람직하게는 1 : 0.1 ~ 0.2 : 0.045 ~ 0.075의 유리수, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.1 ~ 0.2 : 0.045 ~ 0.065의 유리수, 더더더욱 바람직하게는 1 : 0.1 ~ 0.15 : 0.045 ~ 0.055의 유리수일 수 있고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.In
또한, 폴리머는 중량평균분자량 20,000 ~ 10,000,000, 바람직하게는 중량평균분자량 30,000 ~ 8,000,000, 더욱 바람직하게는 중량평균분자량 50,000 ~ 1,000,000, 더더욱 바람직하게는 중량평균분자량 50,000 ~ 800,000, 더더더욱 바람직하게는 중량평균분자량 100,000 ~ 300,000일 수 있다.In addition, the polymer has a weight average molecular weight of 20,000 to 10,000,000, preferably a weight average molecular weight of 30,000 to 8,000,000, more preferably a weight average molecular weight of 50,000 to 1,000,000, even more preferably a weight average molecular weight of 50,000 to 800,000, even more preferably a weight average It may have a molecular weight of 100,000 to 300,000.
구체적으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제4단계는 제3단계에서 제조된 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 통해 가수분해하여 -SO2F기를 술폰산염기로 치환하고, 산형화제를 통해 술폰산염기를 -SO3H기로 치환하는 과정이다.Specifically, in the fourth step of the method for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention, the compound containing the -SO 2 F group prepared in the third step is hydrolyzed through a hydrolyzing agent to form the -SO 2 F group as a sulfonate group. It is a process of substituting and replacing the sulfonate group with -SO 3 H group through an oxidizing agent.
가수분해제를 포함하는 용액은 앞서 언급한 가수분해제가 용매에 혼합된 물질이고, 산형화제를 포함하는 용액은 앞서 언급한 산형화제가 용매에 혼합된 물질로서 용매로는 물 또는 물과 극성 용매의 혼합 용매일 수 있다. 극성 용매로는, 알코올류 (메탄올, 에탄올 등) 또는 디메틸술폭사이드일 수 있다.A solution containing a hydrolyzing agent is a substance in which the aforementioned hydrolyzing agent is mixed in a solvent, and a solution containing an oxidizing agent is a substance in which the aforementioned oxidizing agent is mixed in a solvent, and the solvent is water or water and a polar solvent. It may be a mixed solvent. As a polar solvent, alcohols (methanol, ethanol, etc.) or dimethyl sulfoxide may be used.
나아가, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 바람직한 다른 일실시예로서, 제1단계 내지 제5단계를 포함한다.Further, as another preferred embodiment of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, it includes the first to fifth steps.
먼저, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제1단계로서, 반응기 내부에 탈이온수(deionized water) 및 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 투입 및 교반할 수 있다.First, as a first step of the method for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention, deionized water and a compound represented by the following formula (1) may be added and stirred into the reactor.
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에 있어서, a는 1 또는 2이다.In
이 때, 반응기로서 바람직하게는 오토클레이브(autoclave)가 사용될 수 있으며, 교반은 150 ~ 450 rpm, 바람직하게는 200 ~ 400 rpm, 더욱 바람직하게는 250 ~ 350rpm으로 15분 ~ 45분, 바람직하게는 20분 ~ 40분, 더욱 바람직하게는 25 ~ 35분 동안 수행할 수 있다.At this time, preferably an autoclave may be used as the reactor, and the stirring is 150 to 450 rpm, preferably 200 to 400 rpm, more preferably 250 to 350 rpm, for 15 minutes to 45 minutes, preferably It may be performed for 20 minutes to 40 minutes, more preferably 25 to 35 minutes.
본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제1단계를 수행한 후, 반응기 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거할 수 있으며, 다시 질소가스로 퍼징(purging)할 수 있다.(이와 같은 과정은 2 ~ 5회 반복하여 수행될 수 있다.)After performing the first step of the method for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention, the inside of the reactor can be vacuumed to remove moisture, and then purged with nitrogen gas (same process as above). Can be performed by repeating 2 to 5 times.)
다음으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제2단계로서, 테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스(gas)를 상기 반응기 내부에 투입하여 상기 반응기의 내부 분위기를 TFE 가스 분위기로 치환할 수 있다.Next, as a second step of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, tetrafluoroethylene (TFE) gas is introduced into the reactor to replace the internal atmosphere of the reactor with a TFE gas atmosphere. I can.
구체적으로, 제2단계는 먼저, TFE 가스를 반응기 내부로 투입하여, 반응기 내부의 압력을 0.005 ~ 0.1MPa, 바람직하게는 0.007 ~ 0.05MPa, 더욱 바람직하게는 0.008 ~ 0.03MPa의 TFE 가스 분위기로 치환할 수 있다. Specifically, in the second step, first, TFE gas is introduced into the reactor, and the pressure inside the reactor is replaced with a TFE gas atmosphere of 0.005 to 0.1 MPa, preferably 0.007 to 0.05 MPa, more preferably 0.008 to 0.03 MPa. can do.
다음으로, 반응기 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거하고, 이 후, 반응기 내부의 압력이 0.4 ~ 1.2MPa, 바람직하게는 0.6 ~ 1.0MPa, 더욱 바람직하게는 0.7 ~ 0.9MPa가 될 때까지 TFE 가스를 반응기 내부로 투입할 수 있다.Next, the inside of the reactor is vacuumed to remove moisture, and after that, the TFE gas until the pressure inside the reactor is 0.4 to 1.2 MPa, preferably 0.6 to 1.0 MPa, more preferably 0.7 to 0.9 MPa. Can be introduced into the reactor.
마지막으로, 반응기 내부에 3℃/min ~ 7℃/min, 바람직하게는 4℃/min ~ 6℃/min의 속도로 열을 가하여, 반응기 내부 온도가 30 ~ 40℃, 바람직하게는 33 ~ 37℃가 될 때까지 승온할 수 있다.Finally, heat is applied to the inside of the reactor at a rate of 3° C./min to 7° C./min, preferably 4° C./min to 6° C./min, so that the temperature inside the reactor is 30 to 40° C., preferably 33 to 37. The temperature can be raised until it reaches °C.
다음으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제3단계로서, 상기 반응기 내부에 라디칼 개시제를 투입할 수 있다.Next, as a third step of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, a radical initiator may be introduced into the reactor.
상기 라디칼 개시제는 앞서 언급했듯이 비스(플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 비스(클로로플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 디알킬퍼옥시디카보네이트계 화합물, 디아실퍼옥사이드계 화합물, 퍼옥시에스테르계 화합물, 퍼플루오로퍼옥사이드계 화합물, 아조계 화합물 및 과황산염계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 퍼플루오로퍼옥사이드계 화합물 및 과황산염계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 라디칼 개시제는 탈이온수(deionized water)에 혼합하여 라디칼 개시제 용액으로 사용할 수 있다. 이 때, 라디칼 개시제 용액은 라디칼 개시제가 0.1 ~ 2 중량%, 바람직하게는 0.5 ~ 1.5 중량%로 포함할 수 있다.As mentioned above, the radical initiator is a bis (fluoroacyl) peroxide compound, a bis (chlorofluoroacyl) peroxide compound, a dialkyl peroxydicarbonate compound, a diacyl peroxide compound, a peroxy ester compound, It may include at least one selected from perfluoroperoxide-based compounds, azo-based compounds, and persulfate-based compounds, and preferably at least one selected from perfluoroperoxide-based compounds and persulfate-based compounds, and , The radical initiator may be mixed with deionized water and used as a radical initiator solution. In this case, the radical initiator solution may contain 0.1 to 2% by weight of the radical initiator, preferably 0.5 to 1.5% by weight.
제3단계에서 상기 반응기 내부에 라디칼 개시제를 투입 후, 반응기 내부에 3℃/min ~ 7℃/min, 바람직하게는 4℃/min ~ 6℃/min의 속도로 열을 가하여, 반응기 내부 온도를 40 ~ 60℃, 바람직하게는 45 ~ 55℃가 될 때까지 승온하여, 30 ~ 90분, 바람직하게는 45 ~ 75분동안 유지할 수 있다.In the third step, after introducing a radical initiator into the reactor, heat is applied to the inside of the reactor at a rate of 3°C/min to 7°C/min, preferably 4°C/min to 6°C/min, thereby increasing the temperature inside the reactor. The temperature may be raised to 40 to 60°C, preferably 45 to 55°C, and maintained for 30 to 90 minutes, preferably 45 to 75 minutes.
다음으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제4단계로서, 상기 반응기 내부에 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 투입 및 교반하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조할 수 있다.Next, as a fourth step of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, a compound including -SO 2 F group can be prepared by adding and stirring a compound represented by the following formula (2) in the reactor.
[화학식 2][Formula 2]
이 때, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 앞서 제1단계에서 투입된 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 1중량 대비, 0.45 ~ 1.32 중량비로 투입될 수 있다.In this case, the compound represented by
구체적으로, 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 1 중량 대비, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 0.45 ~ 1.32 중량비, 바람직하게는 0.6 ~ 1.32 중량비, 더욱 바람직하게는 0.7 ~ 1.1 중량비, 더더욱 바람직하게는 0.71 ~ 0.85 중량비로 투입될 수 있다.Specifically, relative to 1 weight of the compound represented by the following formula 1-1, the compound represented by the formula (2) is 0.45 to 1.32 weight ratio, preferably 0.6 to 1.32 weight ratio, more preferably 0.7 to 1.1 weight ratio, even more preferably It can be added in a weight ratio of 0.71 to 0.85.
[화학식 1-1][Formula 1-1]
상기 화학식 1-1에 있어서, a는 1이다.In Formula 1-1, a is 1.
또한, 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 1중량 대비, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 0.50 ~ 0.96 중량비, 바람직하게는 0.52 ~ 0.80, 더욱 바람직하게는 0.53 ~ 0.62중량비로 투입될 수 있다.In addition, the compound represented by
[화학식 1-2][Formula 1-2]
상기 화학식 1-2에 있어서, a는 2이다.In Formula 1-2, a is 2.
한편, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제4단계를 통하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조할 시, 반응기 내부는 0.4 ~ 1.2MPa, 바람직하게는 0.6 ~ 1.0MPa, 더욱 바람직하게는 0.7 ~ 0.9MPa의 압력, 40 ~ 60℃, 바람직하게는 45 ~ 55℃의 온도, 150 ~ 450 rpm, 바람직하게는 200 ~ 400 rpm, 더욱 바람직하게는 250 ~ 350rpm의 교반 속도로 1 ~ 5시간, 바람직하게는 2 ~ 4시간동안 수행될 수 있다.On the other hand, when preparing a compound containing -SO 2 F group through the fourth step of the method for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention, the inside of the reactor is 0.4 to 1.2 MPa, preferably 0.6 to 1.0 MPa, more preferably Preferably, a pressure of 0.7 to 0.9 MPa, a temperature of 40 to 60° C., preferably 45 to 55° C., 150 to 450 rpm, preferably 200 to 400 rpm, more preferably at a stirring speed of 250 to 350 rpm, 1 to It can be carried out for 5 hours, preferably 2 to 4 hours.
마지막으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제5단계로서, 제4단계에서 제조된 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액에 침지시켜 술폰산염기를 포함하는 화합물을 제조하고, 상기 술폰산염기를 포함하는 화합물을 산형화제를 포함하는 용액에 침지시켜 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조할 수 있고, 바람직하게는 하기 화학식 6으로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조할 수 있다.Finally, as the fifth step of the method for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention, the compound containing the -SO 2 F group prepared in the fourth step is immersed in a solution containing a hydrolyzing agent to contain a sulfonate group. A compound is prepared, and the compound containing the sulfonate group is immersed in a solution containing an oxidizing agent to include a repeating unit represented by the following formula (3), a repeating unit represented by the following formula (4), and a repeating unit represented by the following formula (5) The polymer can be prepared, and preferably a polymer including a repeating unit represented by the following formula (6) can be prepared.
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
상기 화학식 4에 있어서, a는 1 또는 2이다.In
[화학식 5][Formula 5]
[화학식 6][Formula 6]
상기 화학식 6에 있어서, a는 1 또는 2이고, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.01 ~ 1 : 0.01 ~ 1의 유리수, 바람직하게는 1 : 0.05 ~ 0.3 : 0.025 ~ 0.1의 유리수, 더욱 바람직하게는 1 : 0.1 ~ 0.2 : 0.045 ~ 0.075의 유리수, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.1 ~ 0.2 : 0.045 ~ 0.065의 유리수, 더더더욱 바람직하게는 1 : 0.1 ~ 0.15 : 0.045 ~ 0.055의 유리수일 수 있고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.In
또한, 폴리머는 중량평균분자량 20,000 ~ 10,000,000, 바람직하게는 중량평균분자량 30,000 ~ 8,000,000, 더욱 바람직하게는 중량평균분자량 50,000 ~ 1,000,000, 더더욱 바람직하게는 중량평균분자량 50,000 ~ 800,000, 더더더욱 바람직하게는 중량평균분자량 100,000 ~ 300,000일 수 있다.In addition, the polymer has a weight average molecular weight of 20,000 to 10,000,000, preferably a weight average molecular weight of 30,000 to 8,000,000, more preferably a weight average molecular weight of 50,000 to 1,000,000, even more preferably a weight average molecular weight of 50,000 to 800,000, even more preferably a weight average It may have a molecular weight of 100,000 to 300,000.
구체적으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제5단계는 제4단계에서 제조된 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 통해 가수분해하여 -SO2F기를 술폰산염기로 치환하고, 산형화제를 통해 술폰산염기를 -SO3H기로 치환하는 과정이다.Specifically, the fifth step of the method for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention is to hydrolyze the compound containing the -SO 2 F group prepared in the fourth step through a hydrolyzing agent to form the -SO 2 F group as a sulfonate group. It is a process of substituting and replacing the sulfonate group with -SO 3 H group through an oxidizing agent.
가수분해제를 포함하는 용액은 앞서 언급한 가수분해제가 용매에 혼합된 물질이고, 산형화제를 포함하는 용액은 앞서 언급한 산형화제가 용매에 혼합된 물질로서 용매로는 물 또는 물과 극성 용매의 혼합 용매일 수 있다. 극성 용매로는, 알코올류 (메탄올, 에탄올 등) 또는 디메틸술폭사이드일 수 있다A solution containing a hydrolyzing agent is a substance in which the aforementioned hydrolyzing agent is mixed in a solvent, and a solution containing an oxidizing agent is a substance in which the aforementioned oxidizing agent is mixed in a solvent, and the solvent is water or water and a polar solvent. It may be a mixed solvent. As a polar solvent, alcohol (methanol, ethanol, etc.) or dimethyl sulfoxide may be used.
한편, 도 1을 참조하면, 본 발명의 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)용 복합 전해질막은 지지체층(10), 상기 지지체층(10) 일면에 형성된 제1전해질층(20) 및 상기 지지체층(10) 타면에 형성된 제2전해질층(30)을 포함할 수 있다.Meanwhile, referring to FIG. 1, the composite electrolyte membrane for a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) of the present invention includes a
구체적으로, 제1전해질층(20)은 애노드(anode) 방향으로 배치될 수 있고, 제2전해질층(30)은 캐소드(cathode) 방향으로 배치될 수 있다.Specifically, the
이 때, 제1전해질층(20) 및 제2전해질층(30) 중 적어도 하나의 층에는 앞서 언급한 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1전해질층(20) 또는 제2전해질층(30)에 앞서 언급한 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하거나, 제1전해질층(20) 및 제2전해질층(30)에 앞서 언급한 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함할 수 있다.At this time, at least one of the
또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머는 제1전해질층(20) 및/또는 제2전해질층(30)을 구성할 뿐만 아니라, 지지체층(10)의 기공 내에 포함될 수 있다.In addition, the perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention may not only constitute the
한편, 본 발명의 제1전해질층(20) 및/또는 제2전해질층(30)에는 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 외에도 PEMFC용 라디칼 스캐빈져(radical scavenger)를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the
본 발명의 PEMFC용 라디칼 스캐빈져(radical scavenger)는 [Zn(OH)4]2- 함유 용액에 Ce 전구체 수용액을 혼합 및 환원반응을 수행하여 세륨 이온이 도핑된 ZnO 결정구조를 가지는 CeZnO 금속산화물 입자를 형성시켜서 제조할 수 있다. 여기서, "Ce 이온이 도핑된 ZnO 결정구조"는 우르츠광형(Wurtzite) 등의 결정 구조를 가지는 ZnO 결정 구조에서 Zn원자 중 일부가 Ce원자로 치환된 형태의 결정 구조가 새롭게 형성되는 것을 의미한다.The radical scavenger for PEMFC of the present invention is a CeZnO metal oxide having a ZnO crystal structure doped with cerium ions by mixing and reducing an aqueous solution of Ce precursor in a solution containing [Zn(OH) 4 ] 2- It can be produced by forming particles. Here, the "Ce ion-doped ZnO crystal structure" means that a crystal structure in which some of the Zn atoms are replaced with Ce atoms in a ZnO crystal structure having a crystal structure such as a Wurtzite is newly formed.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면, Zn 전구체를 알코올에 용해시켜서 Zn 전구체 용액을 제조한 후, Zn 전구체 용액을 승온시키는 제1단계; [Zn(OH)4]2- 함유 용액을 제조하는 제2단계; [Zn(OH)4]2- 함유 용액에 Ce 전구체 수용액을 혼합 및 환원반응을 수행하여 Ce 이온이 도핑된 ZnO 결정구조를 가지는 CeZnO 금속산화물 입자를 형성시키는 제3단계; 상기 CeZnO 금속산화물 입자를 회수 및 세척하는 제4단계; 및 세척한 CeZnO 금속산화물 입자를 건조시키는 제5단계;를 포함하는 공정을 수행하여 PEMFC용 라디칼 스캐빈져를 제조할 수 있다. 이에 대한 더욱 자세한 설명은 동일 출원인에 의한 대한민국 특허등록 제10-1860870호가 참조로 삽입될 수 있다.In more detail, after preparing a Zn precursor solution by dissolving a Zn precursor in alcohol, a first step of heating the Zn precursor solution; [Zn(OH) 4 ] A second step of preparing a 2- containing solution; [Zn(OH) 4 ] A third step of forming CeZnO metal oxide particles having a ZnO crystal structure doped with Ce ions by mixing and reducing an aqueous solution of Ce precursor to the 2- containing solution; A fourth step of recovering and washing the CeZnO metal oxide particles; And a fifth step of drying the washed CeZnO metal oxide particles, thereby manufacturing a radical scavenger for PEMFC. For a more detailed description of this, Korean Patent Registration No. 10-1860870 by the same applicant may be incorporated by reference.
본 발명의 PEMFC용 라디칼 스캐빈져는 세륨(Ce)원자, 아연(Zn)원자 및 산소(O)원자로 구성된 결정구조를 가지는 금속산화물 입자로서, 바람직한 일례로, 우르츠광형(Wurtzite) 등의 결정 구조를 가지는 ZnO 결정 구조에서 Zn원자 중 일부가 Ce원자로 치환되어 있는 형태의 결정구조를 가질 수 있다.The radical scavenger for PEMFC of the present invention is a metal oxide particle having a crystal structure composed of a cerium (Ce) atom, a zinc (Zn) atom, and an oxygen (O) atom, and as a preferred example, crystals such as Wurtzite In the structured ZnO crystal structure, it may have a crystal structure in which some of the Zn atoms are substituted with Ce atoms.
또한, 본 발명의 PEMFC용 라디칼 스캐빈져는 Ce 12 ~ 91 중량%, Zn 7 ~ 84.5 중량% 및 잔량의 O를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 Ce 13.40 ~ 89.20 중량%, Zn 7.55 ~ 88.20 중량% 및 잔량의 O를 포함할 수도 있다. 그리고, 기타 불가피한 불순물을 더 포함할 수도 있다.In addition, the radical scavenger for PEMFC of the present invention may contain 12 to 91% by weight of Ce, 7 to 84.5% by weight of Zn, and the remaining amount of O, preferably 13.40 to 89.20% by weight of Ce, and 7.55 to 88.20 by weight of Zn. % And the balance of O may be included. In addition, other inevitable impurities may be further included.
또한, 본 발명의 라디칼 스캐빈져는 DLS(Dynamic Light Scattering) 방식의 나노입도분석기로 입도(D50) 분석시, 200 nm 이하, 바람직하게는 160 nm 이하, 더욱 바람직하게는 45 ~ 160 nm일 수 있다.In addition, the radical scavenger of the present invention may be 200 nm or less, preferably 160 nm or less, more preferably 45 to 160 nm, when analyzing particle size (D50) with a DLS (Dynamic Light Scattering) nanoparticle size analyzer. have.
나아가, 본 발명의 제1전해질층(20) 및/또는 제2전해질층(30)은 각각 독립적으로 과불소계 술폰화 이오노머 100 중량부에 대하여 PEMFC용 라디칼 스캐빈져 0.5 ~ 1.5 중량부, 바람직하게는 0.7 ~ 1.3 중량부, 더욱 바람직하게는 0.9 ~ 1.1 중량부를 포함할 수 있으며, 만일 0.5 중량부 미만으로 포함한다면 내구성이 안 좋아지는 문제가 있을 수 있고, 1.5 중량부를 초과한다면 내구성은 좋아지나, 이온전도도가 떨어져 본 발명의 복합 전해질막의 성능이 저하되는 문제가 있을 수 있다.Further, the
또한, 제1전해질층(20) 및/또는 제2전해질층(30)은 각각 독립적으로 중공형 실리카를 더 포함할 수도 있다.In addition, the
상기 중공형 실리카는 구상이며, 평균입경은 10 ~ 300 nm일수 있고, 더욱 바람직하게는 10 ~ 100 nm일 수 있다. 여기서 입경의 의미는 중공형 실리카의 형상이 구상일 경우 지름을 의미하고, 구형이 아닌 경우 중공형 실리카 표면의 임의의 한 점에서 다른 한 점까지의 직선거리 중 최대거리를 의미한다. The hollow silica may have a spherical shape, and an average particle diameter may be 10 to 300 nm, more preferably 10 to 100 nm. Here, the meaning of the particle diameter means the diameter when the shape of the hollow silica is spherical, and when the shape of the hollow silica is not spherical, it means the maximum distance among the linear distances from one point on the surface of the hollow silica to another point.
또한, 제1전해질층(20) 및/또는 제2전해질층(30)은 각각 독립적으로 제올라이트, 티타니아, 지르코니아 및 몬모릴로나이트 중에서 선택된 1종 이상의 흡습제를 더 포함할 수 있다.In addition, the
또한, 본 발명의 지지체층(10) 및 제1전해질층(20)은 1 : 0.8 ~ 1.2 두께비, 바람직하게는 1 : 0.9 ~ 1.1 두께비를 가질 수 있다.In addition, the
한편, 본 발명의 지지체층(10)은 당업계에서 사용하는 일반적인 다공성 지지체를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 하기 제조방법으로 제조된 특정 물성을 가지는 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 다공성 지지체를 포함할 수 있다.On the other hand, the
본 발명의 PTFE 다공성 지지체는 PTFE 파우더 및 윤활제를 혼합 및 교반하여 페이스트(paste)를 제조하는 제1-1단계; 상기 페이스트를 숙성시키는 제1-2단계; 숙성된 페이스트(paste)를 압출 및 압연시켜서 미소성 테이프를 제조하는 제1-3단계; 미소성 테이프를 건조시킨 후, 액상 윤활제를 제거하는 제1-4단계; 윤활제가 제거된 미소성 테이프를 1축 연신시키는 제1-5단계; 1축 연신된 미소성 테이프를 2축 연신시키는 제1-6단계; 및 소성하는 제1-7단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.The PTFE porous support of the present invention comprises: a 1-1 step of mixing and stirring a PTFE powder and a lubricant to prepare a paste; A 1-2 step of aging the paste; Step 1-3 of extruding and rolling the aged paste to produce a green tape; After drying the green tape, step 1-4 of removing the liquid lubricant; 1-5 steps of uniaxially stretching the green tape from which the lubricant has been removed; Steps 1-6 of biaxially stretching the uniaxially stretched unfired tape; And it can be produced by performing a process including a 1-7 step of firing.
제1-1단계에서 상기 페이스트는 PTFE 파우더 100 중량부에 대하여 윤활제 15 ~ 35 중량부를, 바람직하게는 15 ~ 30 중량부를, 더욱 바람직하게는 15 ~ 25 중량부를 포함할 수 있다. 상기 PTFE 파우더 100 중량부에 대하여 윤활제가 15 중량부 미만일 경우 후술되는 2축 연신 공정에 의해 PTFE 다공성 지지체 형성시 기공도가 낮아질 수 있고, 35 중량부를 초과할 경우 PTFE 다공성 지지체 형성시 기공의 크기가 커져 지지체의 강도가 약해질 수 있다.In step 1-1, the paste may contain 15 to 35 parts by weight of a lubricant, preferably 15 to 30 parts by weight, and more preferably 15 to 25 parts by weight, based on 100 parts by weight of the PTFE powder. If the lubricant is less than 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the PTFE powder, the porosity may be lowered when the PTFE porous support is formed by the biaxial stretching process described below, and if it exceeds 35 parts by weight, the pore size when forming the PTFE porous support is It may become larger and the strength of the support may be weakened.
상기 PTFE 파우더의 평균입경은 300㎛ ~ 800㎛. 바람직하게는 450㎛ ~ 700㎛일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 윤활제는 액상 윤활제로서, 유동파라핀, 나프타, 화이트 오일, 톨루엔, 크실렌 등의 탄화수소 오일 외에, 각종 알코올류, 케톤류, 에스테르류 등이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 유동파라핀, 나프타 및 화이트 오일 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.The average particle diameter of the PTFE powder is 300㎛ ~ 800㎛. Preferably, it may be 450 μm to 700 μm, but is not limited thereto. The lubricant is a liquid lubricant, in addition to hydrocarbon oils such as liquid paraffin, naphtha, white oil, toluene, and xylene, various alcohols, ketones, esters, etc. can be used, preferably selected from liquid paraffin, naphtha, and white oil. More than one type can be used.
다음으로, 제1-2단계의 숙성은 예비성형 공정으로서, 상기 페이스트를 30℃ ~ 70℃의 온도에서 12 ~ 24 시간 동안 숙성할 수 있고, 바람직하게는 35℃ ~ 60℃의 온도에서 16 ~ 20 시간 동안 숙성할 수 있다. 상기 숙성 온도가 30℃ 미만이거나 숙성 시간이 12 시간 미만일 경우, PTFE 파우더 표면에 윤활제 코팅이 불균일하게 되어 후술되는 2축 연신시 PTFE 다공성 지지체의 연신 균일성이 제한적일 수 있다.Next, the aging of step 1-2 is a preforming process, and the paste can be aged for 12 to 24 hours at a temperature of 30°C to 70°C, and preferably 16 to 60°C at a temperature of 35°C to 60°C. It can be aged for 20 hours. When the aging temperature is less than 30° C. or the aging time is less than 12 hours, the lubricant coating becomes non-uniform on the surface of the PTFE powder, and thus, the stretching uniformity of the PTFE porous support may be limited during biaxial stretching, which will be described later.
또한, 숙성 온도가 70℃를 초과하거나 숙성 시간이 24 시간을 초과할 경우 윤활제의 증발로 인하여 2축 연신 공정 후의 PTFE 다공성 지지체의 기공 크기가 너무 작아지는 문제가 있을 수 있다.In addition, when the aging temperature exceeds 70°C or the aging time exceeds 24 hours, there may be a problem in that the pore size of the PTFE porous support after the biaxial stretching process is too small due to evaporation of the lubricant.
다음으로, 제1-3단계의 상기 압출은 숙성된 페이스트를 압축기에서 압축하여 PTFE 블록을 제조한 후, PTFE 블록을 0.069 ~ 0.200 Ton/cm2의 압력으로, 바람직하게는 0.090 ~ 0.175 Ton/cm2의 압력으로 가압 압출하여 수행할 수 있다.Next, in the extrusion of steps 1-3, the aged paste is compressed in a compressor to produce a PTFE block, and the PTFE block is then compressed at a pressure of 0.069 to 0.200 Ton/cm 2 , preferably 0.090 to 0.175 Ton/cm. It can be carried out by pressing extrusion at a pressure of 2 .
이 때, 상기 가압압출 압력이 0.069 Ton/cm2 미만일 경우 다공성 지지체의 기공 크기가 커져서 다공성 지지체의 강도가 약해질 수 있고, 0.200 Ton/cm2을 초과할 경우 2축 연신 공정 후의 다공성 지지체 기공크기가 작아지는 문제가 있을 수 있다.At this time, when the pressure extruding pressure is less than 0.069 Ton/cm 2 , the pore size of the porous support may increase and the strength of the porous support may be weakened. If it exceeds 0.200 Ton/cm 2 , the pore size of the porous support after the biaxial stretching process There may be a problem of getting smaller.
또한, 제1-3단계의 상기 압연은 5 ~ 10MPa의 유압으로, 50 ~ 100℃ 하에서 캘린더링 공정으로 수행할 수 있다. 이 때, 상기 유압이 5MPa 미만일 경우 다공성 지지체의 기공 크기가 커져서 다공성 지지체의 강도가 약해질 수 있고, 10MPa를 초과할 경우 다공성 지지체의 기공크기가 작아지는 문제가 있을 수 있다.In addition, the rolling of steps 1-3 may be performed with a hydraulic pressure of 5 to 10 MPa and a calendering process at 50 to 100°C. In this case, when the hydraulic pressure is less than 5 MPa, the pore size of the porous support increases, so that the strength of the porous support may be weakened, and when it exceeds 10 MPa, there may be a problem that the pore size of the porous support decreases.
다음으로, 제1-4단계의 건조는 당업계에서 사용하는 일반적인 건조 방법을 통해 수행할 수 있으며, 바람직한 일례를 들면, 압연시켜 제조한 미소성 테이프를 100℃ ~ 200℃ 온도에서 1 ~ 5M/min 속도로 컨베이어 벨트로 이송시키면서, 바람직하게는 140℃ ~ 190℃ 온도에서 2 ~ 4M/min 속도로 이송시키면서 수행할 수 있다. 이때, 상기 건조 온도가 100℃ 이하이거나, 건조 속도가 5M/min를 초과할 경우 윤활제의 미증발로 인해 연신 공정 진행 시 기포가 발생할 수 있으며, 상기 건조 온도가 200℃ 이상이거나 건조속도가 1M/min을 미만일 경우 건조된 테이프의 스티브니스(Stiffness)가 증가하여 연신공정 중 슬립(Slip)이 발생할 수 있다.Next, the drying of steps 1-4 can be performed through a general drying method used in the art, and a preferred example is, for example, an unfired tape manufactured by rolling 1 to 5M/ at a temperature of 100°C to 200°C. While being transferred to a conveyor belt at a speed of min, it can be carried out while being transferred at a rate of 2 to 4M/min, preferably at a temperature of 140°C to 190°C. At this time, when the drying temperature is 100°C or less or the drying rate exceeds 5M/min, bubbles may occur during the stretching process due to non-evaporation of the lubricant, and the drying temperature is 200°C or more or the drying speed is 1M/min. If it is less than min, the stiffness of the dried tape increases, and thus slip may occur during the stretching process.
다음으로, 제1-5단계의 1축 연신은 윤활제가 제거된 미소성 테이프를 길이 방향으로 연신을 수행하는 공정으로서, 롤러를 통해 이송시, 롤러간의 속도차를 이용하여 1축 연신을 수행한다. 그리고, 1축 연신은 윤활제가 제거된 미소성 테이프를 길이 방향으로 3 ~ 10배로, 바람직하게는 6 ~ 9.5배로, 더욱 바람직하게는 6.2 ~ 9배로, 더 더욱 바람직하게는 6.3 ~ 8.2배로 연신을 수행하는 것이 좋다. 이 때, 1축 연신비가 3배 미만이면 충분한 기계적 물성을 확보할 수 없으며, 1축 연신비가 10배를 초과하면 기계적 물성이 오히려 감소하고, 지지체의 기공이 너무 커지는 문제가 있을 수 있다.Next, the uniaxial stretching of steps 1-5 is a process of stretching the unfired tape from which the lubricant has been removed in the longitudinal direction, and when transported through rollers, uniaxial stretching is performed using the difference in speed between the rollers. . And, uniaxial stretching is 3 to 10 times, preferably 6 to 9.5 times, more preferably 6.2 to 9 times, even more preferably 6.3 to 8.2 times in the longitudinal direction of the unfired tape from which the lubricant is removed. Good to do. In this case, if the uniaxial draw ratio is less than 3 times, sufficient mechanical properties cannot be secured, and if the uniaxial draw ratio exceeds 10 times, mechanical properties are rather reduced, and there may be a problem that the pores of the support become too large.
또한, 1축 연신은 260℃ ~ 350℃의 연신온도 및 6 ~ 12 M/min의 연신속도, 바람직하게는 270℃ ~ 330℃의 연신온도 및 8 ~ 11.5 M/min의 연신속도로, 수행하는 것이 좋으며, 1축 연신시 연신온도가 260℃ 미만이거나, 연신속도가 6 M/min 미만이면 건조시트에 부하되는 열이 많아져 소성구간이 발생하는 문제가 있을 수 있고, 1축 연신시 연신온도가 350℃를 초과하거나, 연신속도가 12 M/min를 초과하면 1축 연신공정 중 슬립(Slip)이 발생하여 두께 균일도가 저하되는 문제가 있을 수 있다.In addition, uniaxial stretching is performed at a stretching temperature of 260°C to 350°C and a stretching speed of 6 to 12 M/min, preferably a stretching temperature of 270°C to 330°C and a stretching speed of 8 to 11.5 M/min. It is better. If the stretching temperature is less than 260℃ during uniaxial stretching, or when the stretching speed is less than 6 M/min, there may be a problem that the sintering section occurs due to increased heat loaded on the drying sheet. When is greater than 350°C or the stretching speed exceeds 12 M/min, slip occurs during the uniaxial stretching process, resulting in a problem of lowering the thickness uniformity.
다음으로, 제1-6단계의 2축 연신은 1축 연신된 미소성 테이프의 폭 방향(1축 연신과 수직하는 방향)으로 연신을 수행하며, 끝단이 고정된 상태에서 횡방향으로 폭을 넓혀 연신할 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 당업계에서 통상으로 사용되는 연신방법에 따라 연신할 수 있다. 본 발명에서 상기 2축 연신은 폭 방향으로 15 ~ 50배로 연신을 수행할 수 있으며, 바람직하게는 25 ~ 45배, 더욱 바람직하게는 28 ~ 45배, 더더욱 바람직하게는 29 ~ 42배로 수행할 수 있으며, 이때 2축 연신비가 15배 이하이면 충분한 기계적 물성을 확보하지 못할 수 있고, 50배를 초과하더라도 기계적 물성 향상이 없을 뿐만 아니라, 길이 방향 및/또는 폭 방향으로의 물성 균일성이 저하되는 문제가 있을 수 있으므로, 상기 범위 내로 연신을 수행하는 것이 좋다.Next, in the biaxial stretching of steps 1-6, stretching is performed in the width direction of the unfired tape that has been uniaxially stretched (a direction perpendicular to the uniaxial stretching), and the width is widened in the transverse direction while the end is fixed. Can be stretched. However, it is not limited thereto, and may be stretched according to a stretching method commonly used in the art. In the present invention, the biaxial stretching may be performed 15 to 50 times in the width direction, preferably 25 to 45 times, more preferably 28 to 45 times, even more preferably 29 to 42 times. In this case, if the biaxial draw ratio is 15 times or less, sufficient mechanical properties may not be secured, and even if it exceeds 50 times, mechanical properties are not improved, and the uniformity of properties in the longitudinal and/or width directions decreases. Since there may be, it is good to perform stretching within the above range.
또한, 2축 연신은 150℃ ~ 260℃의 연신온도 하에서 10 ~ 20 M/min의 연신속도로, 바람직하게는 200℃ ~ 250℃의 연신온도 하에서 11 ~ 18 M/min의 연신속도로 하에서 수행하는 것이 좋으며, 2축 연신온도가 150℃ 미만이거나 또는 연신속도가 10 M/min 미만이면 횡방향의 연신 균일성이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 2축 연신온도가 260℃를 초과하거나, 또는 연신속도가 20 M/min을 초과하면 미소성 구간이 발생하여 물성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.In addition, biaxial stretching is performed under a stretching temperature of 150°C to 260°C at a drawing speed of 10 to 20 M/min, and preferably at a drawing temperature of 200°C to 250°C under a drawing speed of 11 to 18 M/min. If the biaxial stretching temperature is less than 150°C or the stretching speed is less than 10 M/min, there may be a problem of lowering the stretching uniformity in the transverse direction, and the biaxial stretching temperature exceeds 260°C, or If the drawing speed exceeds 20 M/min, there may be a problem of deteriorating physical properties due to occurrence of an unfired section.
마지막으로, 제1-7단계의 소성은 연신된 다공성 지지체를 컨베이어 벨트상에서 10 ~ 18 M/min의 속도로, 바람직하게는 13 ~ 17 M/min의 속도로 이동시키면서, 350℃ ~ 450℃, 바람직하게는 380℃ ~ 440℃의 온도를, 더욱 바람직하게는 400℃ ~ 435℃의 온도를 가하여 수행할 수 있으며, 이를 통해서 연신비를 고정시키고 강도 향상 효과를 꾀할 수 있다. 소성시, 소성 온도가 350℃ 미만일 경우 다공성 지지체의 강도가 낮아질 수 있고, 450℃를 초과할 경우 과소성에 따른 피브릴(Fibril)수 감소로 인해 지지체의 물성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.Finally, the sintering of the first to seventh steps moves the stretched porous support on a conveyor belt at a speed of 10 to 18 M/min, preferably at a speed of 13 to 17 M/min, while at 350°C to 450°C, Preferably, it can be carried out by applying a temperature of 380°C to 440°C, more preferably 400°C to 435°C, through which the draw ratio can be fixed and strength improvement effect can be achieved. During firing, if the firing temperature is less than 350°C, the strength of the porous support may be lowered, and if it exceeds 450°C, there may be a problem in that the physical properties of the support decrease due to a decrease in the number of fibrils due to undercalcination.
또한, 제1-7단계의 공정을 수행하여 제조한 PTFE 다공성 지지체는 1축 방향(길이 방향) 및 2축 방향(폭 방향)의 연신비(또는 종횡비)가 1:3.00 ~ 8.5, 바람직하게는 1 : 4.0 ~ 7.0, 더 바람직하게는 1 : 4.00 ~ 5.50일 수 있으며, 더 더욱 바람직하게는 1 : 4.20 ~ 5.00일 수 있으며, 1축 방향 및 2축 방향 연신비(또는 종횡비)가 상기 범위인 것이 높은 기계적 물성, 지지체의 적정 기공크기 확보 측면 및 적정 전류 흐름성 확보 측면에서 바람직하다.In addition, the PTFE porous support manufactured by performing the processes of steps 1-7 has a stretch ratio (or aspect ratio) of 1:3.00 to 8.5, preferably 1 in the uniaxial direction (length direction) and in the biaxial direction (width direction). : 4.0 to 7.0, more preferably 1: 4.00 to 5.50, and even more preferably 1: 4.20 to 5.00, and the stretching ratio (or aspect ratio) in the uniaxial direction and the biaxial direction is higher in the above range It is preferable in terms of mechanical properties, securing an appropriate pore size of the support, and securing an appropriate current flow.
제조된 본 발명의 PTFE 다공성 지지체는 평균기공 크기가 0.080㎛ ~ 0.200㎛, 바람직하게는 0.090㎛ ~ 0.180㎛, 더 바람직하게는 0.095㎛ ~ 0.150㎛, 더 더욱 바람직하게는 0.100 ~ 0.140㎛일 수 있다. 또한, 본 발명의 PTFE 다공성 지지체는 평균 기공률이 60% ~ 90%, 더욱 바람직하게는 60% ~ 79.6%일 수 있다.The prepared PTFE porous support of the present invention may have an average pore size of 0.080 μm to 0.200 μm, preferably 0.090 μm to 0.180 μm, more preferably 0.095 μm to 0.150 μm, and even more preferably 0.100 to 0.140 μm. . In addition, the PTFE porous support of the present invention may have an average porosity of 60% to 90%, more preferably 60% to 79.6%.
만일, 본 발명의 PTFE 다공성 지지체의 평균기공 크기가 0.080 ㎛ 미만이거나 기공률이 60 % 미만일 경우, PTFE 다공성 지지체를 이용하여 전해질막 제조하기 위해 전해질에 함침시, PTFE 다공성 지지체 내 전해질의 함침 정도가 제한적일 수 있다. 또한, 상기 평균기공크기가 0.200 ㎛을 초과하거나 기공률이 90%를 초과할 경우 전해질에 함침시 PTFE 다공성 지지체 구조가 변형되고, 치수안정성의 저하에 따라 제품 수명이 저하되는 문제가 있을 수 있다.If the average pore size of the PTFE porous support of the present invention is less than 0.080 μm or the porosity is less than 60%, when impregnating the electrolyte to prepare an electrolyte membrane using a PTFE porous support, the degree of impregnation of the electrolyte in the PTFE porous support may be limited. I can. In addition, when the average pore size exceeds 0.200 µm or the porosity exceeds 90%, the structure of the PTFE porous support is deformed when impregnated with the electrolyte, and the product life may be deteriorated due to a decrease in dimensional stability.
한편, 본 발명의 PTFE 다공성 지지체는 ASTM D 882에 의거하여 측정시, 1축 방향 모듈러스와 2축 방향 모듈러스 값이 하기 방정식 1을 만족할 수 있다.On the other hand, the PTFE porous support of the present invention, when measured according to ASTM D 882, the modulus values in the uniaxial direction and the modulus in the biaxial direction may satisfy
[방정식 1][Equation 1]
0 ≤ │(1축 방향 모듈러스 - 2축 방향 모듈러스)/(1축 방향 모듈러스)×100%│ ≤ 54%, 바람직하게는 0 ≤ │(1축 방향 모듈러스 - 2축 방향 모듈러스)/(1축 방향 모듈러스)×100%│ ≤ 40%, 더욱 바람직하게는 1 ≤ │(1축 방향 모듈러스 - 2축 방향 모듈러스)/(1축 방향 모듈러스)×100%│ ≤ 26%0 ≤ │(modulus in 1 axis direction-modulus in 2 axis direction)/(modulus in
또한, 본 발명의 PTFE 다공성 지지체는 ASTM D 882에 의거하여 측정시, 1축 방향(길이 방향) 모듈러스(modulus)가 40 MPa 이상일 수 있으며, 바람직하게는 1축 방향 모듈러스가 50 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 1축 방향 모듈러스가 48 ~ 75 Mpa, 더 더욱 바람직하게는 65 ~ 75 Mpa일 수 있다. 또한, 2축 방향(폭 방향) 모듈러스가 40 MPa 이상, 바람직하게는 2축 방향(폭 방향) 모듈러스가 55 Mpa 이상, 더욱 바람직하게는 46 ~ 75 Mpa, 더 더욱 바람직하게는 55 ~ 75 Mpa일 수 있다.In addition, the PTFE porous support of the present invention may have a uniaxial (longitudinal) modulus of 40 MPa or more, preferably a uniaxial modulus of 50 MPa or more, more preferably, when measured according to ASTM D 882. Preferably, the modulus in the uniaxial direction may be 48 to 75 Mpa, even more preferably 65 to 75 Mpa. In addition, the modulus in the biaxial direction (width direction) is 40 MPa or more, preferably, the modulus in the biaxial direction (width direction) is 55 Mpa or more, more preferably 46 to 75 Mpa, and even more preferably 55 to 75 Mpa. I can.
또한, 본 발명의 PTFE 다공성 지지체는 ASTM D882에 의거하여 측정시, 1축 방향(길이 방향) 인장강도가 40 MPa 이상 및 2축 방향(폭 방향) 인장강도가 40MPa 이상일 수 있으며, 바람직하게는 1축 방향 인장강도가 50 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 1축 방향 인장강도가 54 ~ 65 Mpa일 수 있다. 또한, 바람직하게는 2축 방향 인장강도가 52 Mpa 이상, 더욱 바람직하게는 2축 방향 인장강도가 52 ~ 70 Mpa일 수 있다.In addition, when measured according to ASTM D882, the PTFE porous support of the present invention may have a tensile strength of 40 MPa or more in a uniaxial direction (length direction) and a tensile strength of 40 MPa or more in a biaxial direction (width direction), preferably 1 The tensile strength in the axial direction may be 50 MPa or more, and more preferably, the tensile strength in the uniaxial direction may be 54 to 65 Mpa. In addition, preferably, the tensile strength in the biaxial direction may be 52 Mpa or more, and more preferably the tensile strength in the biaxial direction may be 52 to 70 Mpa.
나아가, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막의 제조방법은 제1단계 내지 제4단계를 포함한다.Further, the method of manufacturing a composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention includes the first to fourth steps.
먼저, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막의 제조방법의 제1단계는 PTFE(Poly tetra fluoro ethylene) 다공성 지지체를 준비할 수 있다.First, in the first step of the method for manufacturing a composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention, a polytetrafluoroethylene (PTFE) porous support may be prepared.
제1단계에서 준비한 PTFE 다공성 지지체는 앞서 설명한 PTFE 다공성 지지체 및 제조하는 방법과 동일할 수 있다.The PTFE porous support prepared in the first step may be the same as the PTFE porous support and method of manufacturing described above.
다음으로, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막의 제조방법의 제2단계는 제1단계에서 준비한 PTFE 다공성 지지체 일면에 제1전해질층을 형성시킬 수 있다.Next, in the second step of the method for manufacturing a composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention, a first electrolyte layer may be formed on one surface of the PTFE porous support prepared in the first step.
구체적으로, 제2단계는 PTFE 다공성 지지체의 일면에 제1전해질층을 형성시키는 공정으로서 PTFE 다공성 지지체의 일면에 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 용액에 도포시키거나, PTFE 다공성 지지체의 일면을 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 용액에 함침시킨 후, 건조시켜서 제1전해질층을 형성시킬 수 있다. Specifically, the second step is a process of forming a first electrolyte layer on one surface of the PTFE porous support, which is applied to a solution containing the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention on one surface of the PTFE porous support, or on one surface of the PTFE porous support. May be impregnated in a solution containing the perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention and then dried to form a first electrolyte layer.
상기 제2단계의 건조는 1분 ~ 30분 동안 60℃ ~ 100℃의 열을 가하여 수행하거나, 바람직하게는 5분 ~ 15분 동안 70℃ ~ 90℃의 열을 가하여 수행할 수 있다. 이 때, 건조 온도가 60℃ 미만이면 다공성 지지체에 함침된 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 용액의 보액성이 저하될 수 있고, 100℃를 초과하면 전해질막 및/또는 막-전극 접합체 제조시 전극과의 접합성이 저하될 수 있다.The drying in the second step may be performed by applying heat of 60°C to 100°C for 1 to 30 minutes, or preferably by applying heat of 70°C to 90°C for 5 to 15 minutes. At this time, if the drying temperature is less than 60°C, the liquid retention properties of the solution containing the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention impregnated into the porous support may be reduced, and if it exceeds 100°C, the electrolyte membrane and/or the membrane-electrode assembly During manufacture, the adhesion to the electrode may be deteriorated.
다음으로, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막의 제조방법의 제3단계는 제1단계에서 준비한 PTFE 다공성 지지체 타면에 제2전해질층을 형성시킬 수 있다.Next, in the third step of the method for manufacturing a composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention, a second electrolyte layer may be formed on the other surface of the PTFE porous support prepared in the first step.
구체적으로, 제3단계는 제1전해질층이 형성된 PTFE 다공성 지지체의 타면에 제2전해질층을 형성시키는 공정으로서 PTFE 다공성 지지체의 타면에 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 용액에 도포시키거나, PTFE 다공성 지지체의 타면을 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 용액에 함침시킨 후, 건조시켜서 제2전해질층을 형성시킬 수 있다. Specifically, the third step is a process of forming a second electrolyte layer on the other surface of the PTFE porous support on which the first electrolyte layer is formed, and is applied to a solution containing the perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention on the other surface of the PTFE porous support, or , After impregnating the other surface of the PTFE porous support in the solution containing the perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention, and then drying it, a second electrolyte layer may be formed.
상기 제3단계의 건조는 1분 ~ 30분 동안 60℃ ~ 100℃의 열을 가하여 수행하거나, 바람직하게는 5분 ~ 15분 동안 70℃ ~ 90℃의 열을 가하여 수행할 수 있다. 이 때, 건조 온도가 60℃ 미만이면 다공성 지지체에 함침된 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 용액의 보액성이 저하될 수 있고, 100℃를 초과하면 전해질막 및/또는 막-전극 접합체 제조시 전극과의 접합성이 저하될 수 있다.The drying of the third step may be performed by applying heat of 60°C to 100°C for 1 to 30 minutes, or preferably by applying heat of 70°C to 90°C for 5 to 15 minutes. At this time, if the drying temperature is less than 60°C, the liquid retention properties of the solution containing the perfluorinated sulfonated ionomer impregnated into the porous support may be deteriorated. The bonding property with may be deteriorated.
한편, 제2단계 및 제3단계에서 제1전해질층 및/또는 제2전해질층 형성에 사용되는 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 용액은 PEMFC용 라디칼 스캐빈져, 중공형 실리카 또는 흡습제가 추가적으로 혼합되어 있을 수 있으며, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머, PEMFC용 라디칼 스캐빈져, 중공형 실리카 및 흡습제 각각은 앞서 설명한 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머, PEMFC용 라디칼 스캐빈져, 중공형 실리카 및 흡습제와 동일할 수 있다.Meanwhile, the solution containing the perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention used to form the first and/or second electrolyte layers in the second and third steps is a radical scavenger for PEMFC, a hollow silica, or a desiccant. May be additionally mixed, and each of the perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention, the radical scavenger for PEMFC, the hollow silica and the desiccant is the perfluorine-based sulfonated ionomer of the present invention described above, the radical scavenger for PEMFC, and hollow It may be the same as type silica and desiccant.
마지막으로, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막의 제조방법의 제4단계는 제1전해질층 및 제2전해질층이 형성된 PTFE 다공성 지지체를 열처리하여 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막을 제조할 수 있다.Finally, in the fourth step of the method for manufacturing a composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention, a composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention can be prepared by heat-treating the PTFE porous support on which the first and second electrolyte layers are formed.
제4단계의 열처리는 100℃ ~ 200℃에서 1분 ~ 5분간, 바람직하게는 140℃ ~ 180℃에서 1분 ~ 5분간 수행할 수 있으며, 열처리 온도가 100℃ 미만이거나 열처리 시간이 1분 미만이면 제1전해질층 및/또는 제2전해질층의 보액성이 저하될 수 있고, 열처리 온도가 200℃를 초과하면 제1 및 제2전해질층과 다공성 지지체간의 접착성(결합성)이 저하될 수 있다.The heat treatment in the fourth step can be performed at 100°C to 200°C for 1 minute to 5 minutes, preferably at 140°C to 180°C for 1 minute to 5 minutes, and the heat treatment temperature is less than 100°C or the heat treatment time is less than 1 minute On the back side, the liquid retention properties of the first and/or second electrolyte layers may decrease, and when the heat treatment temperature exceeds 200°C, the adhesion (bonding property) between the first and second electrolyte layers and the porous support may decrease. have.
제4단계의 열처리를 수행한 복합 전해질막의 PTFE 다공성 지지체는 폐색된 기공의 부피가 전체 기공 부피에 대하여 85 부피% 이상, 바람직하게는 90 부피% 이상일 수 있다.In the PTFE porous support of the composite electrolyte membrane subjected to the heat treatment of the fourth step, the volume of the closed pores may be 85% by volume or more, preferably 90% by volume or more with respect to the total pore volume.
나아가, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막은 내구성이 1.5 ~ 10.0 μmol/hrㆍg, 바람직하게는 1.5 ~ 3.5 μmol/hrㆍg, 더욱 바람직하게는 1.5 ~ 2.2 μmol/hrㆍg일 수 있다.Further, the composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention may have a durability of 1.5 to 10.0 μmol/hr·g, preferably 1.5 to 3.5 μmol/hr·g, and more preferably 1.5 to 2.2 μmol/hr·g.
또한, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막은 이온전도도가 0.07 ~ 0.2 S/cm, 0.10 ~ 0.2 S/cm, 바람직하게는 0.135 ~ 0.18 S/cm, 더욱 바람직하게는 0.14 ~ 0.17 S/cm일 수 있다.In addition, the composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention may have an ionic conductivity of 0.07 to 0.2 S/cm, 0.10 to 0.2 S/cm, preferably 0.135 to 0.18 S/cm, more preferably 0.14 to 0.17 S/cm. .
한편, 도 2를 참조하면, 본 발명의 PEMFC용 막-전극 접합체는 애노드(산화전극)(200), 앞서 언급한 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막(100) 및 캐소드(환원전극)(300)를 포함한다.Meanwhile, referring to FIG. 2, the membrane-electrode assembly for PEMFC of the present invention includes an anode (anode) 200, the
달리 말하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체는 복합 전해질막(100)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드(anode, 산화전극, 200) 및 캐소드(cathode, 환원 전극, 300)를 구비한다. 이 때, 애노드(200)는 애노드 기체확산층(3), 애노드 촉매층(2) 및 애노드 전극 기재(1)를 포함하고, 캐소드(300)는 캐소드 기체확산층(4), 캐소드 촉매층(5) 및 캐소드 전극 기재(6)를 포함할 수 있다.In other words, the membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention includes an anode (anode 200) and a cathode (cathode, reduction electrode, 300) positioned opposite to each other with the
구체적으로, 애노드(200)는 애노드 기체확산층(3), 애노드 촉매층(2) 및 애노드 전극 기재(1)가 순차적으로 적층되어 형성될 수 있고, 애노드 기체확산층(3)은 복합 전해질막(200)의 일면에 접합되어 있을 수 있다. 또한, 캐소드(300)는 캐소드 기체확산층(4), 캐소드 촉매층(5) 및 캐소드 전극 기재(6)가 순차적으로 적층되어 형성될 수 있고, 캐소드 기체확산층(4)은 복합 전해질막(200)의 타면에 접합되어 있을 수 있다.Specifically, the
본 발명의 막-전극 접합체는 애노드(200), 복합 전해질막(100) 및 캐소드(300) 각각을 배치시킨 후 체결하여 형성하거나, 이를 고온 및 고압으로 압착하여 형성할 수 있다.The membrane-electrode assembly of the present invention may be formed by disposing the
애노드 기체확산층(3)은 복합 전해질막(100)의 일면에 기체확산층 형성 물질을 도포하여 형성할 수 있다.The anode
애노드 기체확산층(3)은 연료전지에 주입되는 연료의 급격한 확산을 방지하고, 이온 전도도의 저하를 방지하기 위해 구비될 수 있다. 또한, 애노드 기체확산층(3)은 열처리 또는 전기화학적 처리를 통하여 연료의 확산 속도를 조절할 수 있다. 또한, 애노드 기체확산층(3)은 PEMFC용 복합 전해질막(100)과 애노드 촉매층(2) 사이에서 전류 전도체 역할을 수행하며, 반응물인 가스와 생성물인 물의 통로가 된다. 따라서, 애노드 기체확산층(3)은 가스가 잘 통할 수 있도록 기공률이 20% ~ 90%인 다공성 구조일 수 있다. 애노드 기체확산층(3)의 두께는 필요에 따라 적절하게 채택될 수 있으며, 예를 들면 100 ~ 400 ㎛일 수 있다. 상기 애노드 기체확산층(3)의 두께가 100 ㎛ 미만일 경우 애노드 촉매층(2)과 상기 애노드 전극 기재(1)사이에서 전기 접촉 저항이 커지고, 압축에 의해 구조가 불안정해질 수 있다. 또한, 상기 애노드 기체확산층(3)의 두께가 400 ㎛를 초과할 경우 반응물인 가스의 이동이 어려워질 수 있다.The anode
또한, 애노드 기체확산층(3)은 탄소계 물질 및 불소계 수지를 포함하여 형성될 수 있다. 탄소계 물질로는 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 불소계 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머, 또는 스티렌-부타디엔고부(SBR)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 연료는 개미산 용액, 메탄올, 포름알데히드, 또는 에탄올과 같은 액체연료일 수 있다.In addition, the anode
애노드 촉매층(2)은 산화 촉매가 도입되는 층으로서, 애노드 촉매층(2)은 상기 애노드 기체확산층(3) 상에 촉매층 형성 물질을 도포하여 형성시킬 수 있다The
상기 촉매층 형성 물질은 금속촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 금속촉매를 사용할 수 있다. 금속 촉매로는 대표적으로 백금, 루테늄, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다. 또한, 상기 탄소계 지지체로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케천 블랙, 활성카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌 및 수퍼P로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.The catalyst layer forming material may be a metal catalyst or a metal catalyst supported on a carbon-based support. As the metal catalyst, at least one selected from the group consisting of platinum, ruthenium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, and platinum-transition metal alloy may be used. In addition, as the carbon-based support, graphite (graphite), carbon black, acetylene black, denka black, kecheon black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nanoring, carbon nano It may include at least one selected from the group consisting of wire, fullerene, and super P.
또한, 애노드 촉매층(2)은 도전성 지지체 및 이온 전도성 바인더(미도시)를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 애노드 촉매층(2)은 도전성 지지체에 부착된 주촉매를 포함할 수 있다. 상기 도전성 지지체는 카본 블랙일 수 있고, 상기 이온 전도성 바인더는 나피온 이오노머 또는 술폰화된 폴리머일 수 있다. 또한, 상기 주촉매는 금속촉매일 수 있으며, 일례로서 백금(Pt)일 수 있다. 애노드 촉매층(2)은 전기도금법, 스프레이법, 페인팅법, 닥터블레이드법 또는 전사법을 사용하여 형성할 수 있다.In addition, the
애노드 전극 기재(1)는 탄소페이퍼, 탄소천, 및 탄소펠트로 이루어진 군으로부터 선택되는 도전성 기재를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않고, 고분자 전해질 연료전지에 적용이 가능한 애노드(anode) 전극 물질은 모두 사용이 가능하다. 상기 애노드 전극 기재(1)는 통상의 증착 방법을 통해 애노드 촉매층(2) 일면에 형성될 수 있고, 상기 애노드 전극 기재(1)에 상기 애노드 촉매층(2)을 형성한 뒤 상기 애노드 기체확산층(3) 상에 애노드 촉매층(2) 및 애노드 전극 기재(1)가 접하도록 배치시켜 형성될 수 있다.The
캐소드 기체확산층(4)은 복합 전해질막(100)의 타면에 기체확산층 형성 물질을 도포하여 형성할 수 있다.The cathode
캐소드 기체확산층(4)은 캐소드(300)에 주입되는 가스의 급격한 확산을 방지하고, 캐소드(300)에 주입된 가스를 균일하게 분산시켜 주기 위해 구비될 수 있다. 또한, 캐소드 기체확산층(4)은 PEMFC용 복합 전해질막(100)과 캐소드 촉매층(5) 사이에서 전류 전도체 역할을 수행하며, 반응물인 가스와 생성물인 물의 통로가 된다. 따라서, 캐소드 기체확산층(4)은 가스가 잘 통할 수 있도록 기공률이 20% ~ 90%인 다공성 구조일 수 있다. 캐소드 기체확산층(4)의 두께는 필요에 따라 적절하게 채택될 수 있으며, 예를 들면 100 ~ 400 ㎛일 수 있다. 상기 캐소드 기체확산층(4)의 두께가 100 ㎛이하일 경우 캐소드 촉매층(5)과 상기 캐소드 전극 기재(6)사이에서 전기 접촉 저항이 커지고, 압축에 의해 구조가 불안정해질 수 있다. 또한, 상기 캐소드 기체확산층(4)의 두께가 400 ㎛를 초과할 경우 반응물인 가스의 이동이 어려워질 수 있다.The cathode
또한, 캐소드 기체확산층(4)은 탄소계 물질 및 불소계 수지를 포함하여 형성될 수 있다. 탄소계 물질로는 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 불소계 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머, 또는 스티렌-부타디엔고부(SBR)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 연료는 개미산 용액, 메탄올, 포름알데히드, 또는 에탄올과 같은 액체연료일 수 있다.In addition, the cathode
캐소드 촉매층(5)은 환원 촉매가 도입되는 층으로서, 캐소드 촉매층(5)은 상기 캐소드 기체확산층(4) 상에 촉매층 형성 물질을 도포하여 형성시킬 수 있다The
상기 촉매층 형성 물질은 금속촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 금속촉매를 사용할 수 있다. 금속 촉매로는 대표적으로 백금, 루테늄, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다. 또한, 상기 탄소계 지지체로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케천 블랙, 활성카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌 및 수퍼P로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.The catalyst layer forming material may be a metal catalyst or a metal catalyst supported on a carbon-based support. As the metal catalyst, at least one selected from the group consisting of platinum, ruthenium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, and platinum-transition metal alloy may be used. In addition, as the carbon-based support, graphite (graphite), carbon black, acetylene black, denka black, kecheon black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nanoring, carbon nano It may include at least one selected from the group consisting of wire, fullerene, and super P.
또한, 캐소드 촉매층(5)은 도전성 지지체 및 이온 전도성 바인더(미도시)를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 캐소드 촉매층(5)은 상기 도전성 지지체에 부착된 주촉매를 포함할 수 있다. 상기 도전성 지지체는 카본 블랙일 수 있고, 상기 이온 전도성 바인더는 나피온 이오노머 또는 술폰화된 폴리머일 수 있다. 또한, 상기 주촉매는 금속촉매일 수 있으며, 일 예로서 백금(Pt)일 수 있다. 상기 캐소드 촉매층(5)은 전기도금법, 스프레이법, 페인팅법, 닥터블레이드법 또는 전사법을 사용하여 형성할 수 있다.In addition, the
캐소드 전극 기재(6)는 탄소페이퍼, 탄소천, 및 탄소펠트로 이루어진 군으로부터 선택되는 도전성 기재를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않고, 고분자 전해질 연료전지에 적용이 가능한 캐소드(cathode) 전극 물질은 모두 사용이 가능하다. 상기 캐소드 전극 기재(6)는 통상의 증착 방법을 통해 캐소드 촉매층(5) 일면에 형성될 수 있고, 상기 캐소드 전극 기재(6)에 상기 캐소드 촉매층(5)을 형성한 뒤 상기 캐소드 기체확산층(4) 상에 캐소드 촉매층(5) 및 캐소드 전극 기재(6)가 접하도록 배치시켜 형성될 수 있다.The
나아가, 본 발명의 PEMFC용 막-전극 접합체는 수소투과도가 1.0 ~ 2.6 mA/cm², 바람직하게는 수소투과도가 1.5 ~ 2.5 mA/cm²인, 더욱 바람직하게는 수소투과도가 2.0 ~ 2.3 mA/cm²일 수 있다.Furthermore, the membrane-electrode assembly for PEMFC of the present invention has a hydrogen permeability of 1.0 to 2.6 mA/cm², preferably a hydrogen permeability of 1.5 to 2.5 mA/cm², more preferably a hydrogen permeability of 2.0 to 2.3 mA/cm². I can.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부와, 전술된 연료를 상기 전기 발생부에 공급하는 연료 공급부와, 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공극부를 포함하여 구성된다.Meanwhile, in the polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention, at least one electricity generation unit for generating electric energy through an oxidation reaction of fuel and a reduction reaction of an oxidizing agent, and the above-described fuel are supplied to the electricity generation unit. And an oxidizing agent void for supplying an oxidizing agent to the electricity generating unit.
본 발명의 막-전극 접합체를 하나 이상을 포함하고, 본 발명의 막-전극 접합체의 양단에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터가 배치되어 전기 발생부가 구성될 수 있다. 이러한 전기 발생부 적어도 하나가 모여서 스택을 구성할 수 있다.Including at least one membrane-electrode assembly of the present invention, separators for supplying fuel and an oxidizing agent are disposed at both ends of the membrane-electrode assembly of the present invention to constitute an electricity generating unit. At least one of these electric generating units may be gathered to form a stack.
이때, 본 발명의 고분자 전해질막 연료전지의 배치 형태 또는 제조방법은 고분자 전해질 연료전지에 적용 가능한 형태라면 제한 없이 형성이 가능하므로, 종래 기술을 참조하여 다양하게 적용할 수 있다.At this time, the arrangement form or manufacturing method of the polymer electrolyte membrane fuel cell of the present invention can be formed without limitation as long as it is applicable to the polymer electrolyte fuel cell, and thus may be variously applied with reference to the prior art.
이상에서 본 발명에 대하여 구현예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명의 구현예를 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 구현예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments of the present invention have been described above, but these are only examples and do not limit the embodiments of the present invention, and those of ordinary skill in the field to which the embodiments of the present invention pertain are not limited to the essential characteristics of the present invention. It will be appreciated that various modifications and applications not illustrated above are possible within the range not departing from. For example, each component specifically shown in the embodiments of the present invention can be modified and implemented. And differences related to these modifications and applications should be construed as being included in the scope of the present invention defined in the appended claims.
[실시예] [Example]
실시예 1 : 과불소계 술폰화 이오노머의 제조 Example 1: Preparation of perfluorinated sulfonated ionomer
(1) 1L 스테인리스 오토클레이브에 탈이온수(deionized water) 500ml, 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 35g 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 26g을 투입하고, 300 rpm의 속도로 30분동안 교반하였다.(1) 500 ml of deionized water, 35 g of a compound represented by the following formula 1-1, and 26 g of a compound represented by the following
[화학식 1-1][Formula 1-1]
[화학식 2][Formula 2]
교반 후, 오토클레이브 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거할 수 있으며, 다시 질소가스로 퍼징(purging)하는 과정을 3회 수행하였다.After stirring, the inside of the autoclave can be vacuumed to remove moisture, and the process of purging again with nitrogen gas was performed three times.
(2) 테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스(gas)를 오토클레이브 내부로 투입하여, 오토클레이브 내부를 압력이 0.01MPa인 TFE 가스 분위기로 치환하였다. 치환 후, 오토클레이브 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거하고, 오토클레이브의 내부의 압력이 0.8MPa이 될 때까지 TFE 가스를 오토클레이브 내부로 투입하였다. 이 후, 오토클레이브 내부에 5℃/min의 속도로 열을 가하여, 오토클레이브 내부 온도가 35℃가 될 때까지 승온하였다.(2) Tetrafluoroethylene (TFE) gas was introduced into the autoclave, and the interior of the autoclave was replaced with a TFE gas atmosphere having a pressure of 0.01 MPa. After substitution, the inside of the autoclave was vacuumed to remove moisture, and TFE gas was introduced into the autoclave until the pressure inside the autoclave reached 0.8 MPa. Thereafter, heat was applied to the interior of the autoclave at a rate of 5°C/min, and the temperature was increased until the temperature inside the autoclave reached 35°C.
(3) 오토클레이브 내부에 라디칼 개시제를 포함하는 용액(탈이온수에 라디칼 개시제인 과황산칼륨(KPS)이 1 중량% 포함된 용액)를 30분동안 7회에 나누어 500ppm을 투입하였다. 이 후, 오토클레이브 내부에는 5℃/min의 속도로 열을 가하여, 반응기 내부 온도를 50℃가 될 때까지 승온하여, 3시간동안 반응을 수행하여, -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조하였다. 제조한 -SO2F기를 포함하는 화합물을 증류수 5L를 이용하여 3회 수세하였다.(3) A solution containing a radical initiator (a solution containing 1% by weight of potassium persulfate (KPS) as a radical initiator in deionized water) in the autoclave was divided 7 times for 30 minutes, and 500 ppm was added. Thereafter, heat was applied to the inside of the autoclave at a rate of 5°C/min, the temperature inside the reactor was raised to 50°C, and the reaction was carried out for 3 hours to prepare a compound containing -SO 2 F. . The prepared -SO 2 F group-containing compound was washed with
(4) 수세한 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액(수산화칼륨을 포함하는 수용액)에 침지시켜 가수분해를 수행하고, 산형화제를 포함하는 용액(염산을 포함하는 수용액)에 침지시켜 하기 화학식 6-1로 표시되는 반복단위로 표시되는 폴리머를 포함하는 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 제조된 과불소계 술폰화 이오노머의 중량평균분자량 및 -SO3H기의 화학당량은 하기 표 1에 나타내었다. (4) Hydrolysis is performed by immersing the washed compound containing the -SO 2 F group in a solution containing a hydrolysis agent (aqueous solution containing potassium hydroxide), and a solution containing an oxidizing agent (aqueous solution containing hydrochloric acid) ) To prepare a perfluorine-based sulfonated ionomer containing a polymer represented by a repeating unit represented by the following Formula 6-1. The weight average molecular weight of the prepared perfluorine-based sulfonated ionomer and the chemical equivalent of -SO 3 H group are shown in Table 1 below.
[화학식 6-1][Formula 6-1]
상기 화학식 6-1에 있어서, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.125 : 0.05의 유리수이다.In Formula 6-1, x, y, and z are molar ratios, and are rational numbers of 1:0.125:0.05.
실시예 2 ~ 실시예 7Examples 2 to 7
실시예 1과 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 하기 표 1에 기재된 바와 같이 사용된 성분들의 함량을 달리하여 실시예 2 ~ 7의 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다.In the same way as in Example 1 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, as described in Table 1 below, the perfluorine-based sulfonated ionomers of Examples 2 to 7 were prepared by varying the content of the components used.
실시예 8Example 8
실시예 1과 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 상기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 대신 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물을 사용하여 하기 화학식 6-2로 표시되는 반복단위로 표시되는 폴리머를 포함하는 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 제조된 과불소계 술폰화 이오노머의 중량평균분자량, -SO3H기의 화학당량 및 사용된 성분들의 함량은 하기 표 2에 나타내었다. In the same way as in Example 1 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, a perfluorine-based sulfonated ionomer including a polymer represented by a repeating unit represented by the following Formula 6-2 was prepared by using a compound represented by the following Formula 1-2 instead of the compound represented by Formula 1-1. The weight average molecular weight of the prepared perfluorinated sulfonated ionomer, the chemical equivalent of the -SO 3 H group, and the contents of the components used are shown in Table 2 below.
[화학식 1-2][Formula 1-2]
[화학식 6-2][Chemical Formula 6-2]
상기 화학식 6-2에 있어서, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.146 : 0.05의 유리수이다.In Formula 6-2, x, y, and z are molar ratios, and are rational numbers of 1:0.146:0.05.
실시예 9 ~ 실시예 12Examples 9 to 12
실시예 8과 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 하기 표 2에 기재된 바와 같이 사용된 성분들의 함량을 달리하여 실시예 9 ~ 12의 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다.In the same way as in Example 8 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, as shown in Table 2 below, the perfluorinated sulfonated ionomers of Examples 9 to 12 were prepared by varying the content of the components used.
비교예 1 : 과불소계 술폰화 이오노머의 제조 Comparative Example 1: Preparation of perfluorinated sulfonated ionomer
(1) 1L 스테인리스 오토클레이브에 탈이온수(deionized water) 500ml, 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 65g 을 투입하고, 300 rpm의 속도로 30분동안 교반하였다.(1) 500 ml of deionized water and 65 g of a compound represented by the following formula 1-1 were added to a 1 L stainless steel autoclave, and stirred at a speed of 300 rpm for 30 minutes.
[화학식 1-1][Formula 1-1]
교반 후, 오토클레이브 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거할 수 있으며, 다시 질소가스로 퍼징(purging)하는 과정을 3회 수행하였다.After stirring, the inside of the autoclave can be vacuumed to remove moisture, and the process of purging again with nitrogen gas was performed three times.
(2) 테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스(gas)를 오토클레이브 내부로 투입하여, 오토클레이브 내부를 압력이 0.01MPa인 TFE 가스 분위기로 치환하였다. 치환 후, 오토클레이브 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거하고, 오토클레이브의 내부의 압력이 0.8MPa이 될 때까지 TFE 가스를 오토클레이브 내부로 투입하였다. 이 후, 오토클레이브 내부에 5℃/min의 속도로 열을 가하여, 오토클레이브 내부 온도가 35℃가 될 때까지 승온하였다.(2) Tetrafluoroethylene (TFE) gas was introduced into the autoclave, and the interior of the autoclave was replaced with a TFE gas atmosphere having a pressure of 0.01 MPa. After substitution, the inside of the autoclave was vacuumed to remove moisture, and TFE gas was introduced into the autoclave until the pressure inside the autoclave reached 0.8 MPa. Thereafter, heat was applied to the interior of the autoclave at a rate of 5°C/min, and the temperature was increased until the temperature inside the autoclave reached 35°C.
(3) 오토클레이브 내부에 라디칼 개시제를 포함하는 용액(탈이온수에 라디칼 개시제인 과황산칼륨(KPS)이 1 중량% 포함된 용액)를 30분동안 7회에 나누어 500ppm을 투입하였다. 이 후, 오토클레이브 내부에는 5℃/min의 속도로 열을 가하여, 반응기 내부 온도를 50℃가 될 때까지 승온하여, 3시간동안 반응을 수행하여, -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조하였다. 제조한 -SO2F기를 포함하는 화합물을 증류수 5L를 이용하여 3회 수세하였다.(3) A solution containing a radical initiator (a solution containing 1% by weight of potassium persulfate (KPS) as a radical initiator in deionized water) in the autoclave was divided 7 times for 30 minutes, and 500 ppm was added. Thereafter, heat was applied to the inside of the autoclave at a rate of 5°C/min, the temperature inside the reactor was raised to 50°C, and the reaction was carried out for 3 hours to prepare a compound containing -SO 2 F. . The prepared -SO 2 F group-containing compound was washed with
(4) 수세한 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액(수산화칼륨을 포함하는 수용액)에 침지시켜 가수분해를 수행하고, 산형화제를 포함하는 용액(염산을 포함하는 수용액)에 침지시켜 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 제조된 과불소계 술폰화 이오노머의 중량평균분자량은 124,660, -SO3H기의 화학당량은 709 이다.(4) Hydrolysis is performed by immersing the washed compound containing the -SO 2 F group in a solution containing a hydrolysis agent (aqueous solution containing potassium hydroxide), and a solution containing an oxidizing agent (aqueous solution containing hydrochloric acid) ) To prepare a perfluorinated sulfonated ionomer. The weight average molecular weight of the prepared perfluorinated sulfonated ionomer is 124,660, and the chemical equivalent of -SO 3 H group is 709.
비교예 2Comparative Example 2
비교예 1과 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 상기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 대신 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 89g을 사용하여 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 제조된 과불소계 술폰화 이오노머의 중량평균분자량은 134,320, -SO3H기의 화학당량은 701이다.In the same way as in Comparative Example 1 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, instead of the compound represented by Formula 1-1, 89g of the compound represented by Formula 1-2 was used to prepare a perfluorine-based sulfonated ionomer. The weight average molecular weight of the prepared perfluorinated sulfonated ionomer is 134,320, and the chemical equivalent of -SO 3 H group is 701.
[화학식 1-2][Formula 1-2]
비교예 3 : 과불소계 술폰화 이오노머의 제조 Comparative Example 3: Preparation of perfluorinated sulfonated ionomer
(1) 1L 스테인리스 오토클레이브에 탈이온수(deionized water) 500ml, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 56g 을 투입하고, 300 rpm의 속도로 30분동안 교반하였다.(1) 500 ml of deionized water and 56 g of a compound represented by the following formula (2) were added to a 1 L stainless steel autoclave, followed by stirring at a speed of 300 rpm for 30 minutes.
[화학식 2][Formula 2]
교반 후, 오토클레이브 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거할 수 있으며, 다시 질소가스로 퍼징(purging)하는 과정을 3회 수행하였다.After stirring, the inside of the autoclave can be vacuumed to remove moisture, and the process of purging again with nitrogen gas was performed three times.
(2) 테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스(gas)를 오토클레이브 내부로 투입하여, 오토클레이브 내부를 압력이 0.01MPa인 TFE 가스 분위기로 치환하였다. 치환 후, 오토클레이브 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거하고, 오토클레이브의 내부의 압력이 0.8MPa이 될 때까지 TFE 가스를 오토클레이브 내부로 투입하였다. 이 후, 오토클레이브 내부에 5℃/min의 속도로 열을 가하여, 오토클레이브 내부 온도가 35℃가 될 때까지 승온하였다.(2) Tetrafluoroethylene (TFE) gas was introduced into the autoclave, and the interior of the autoclave was replaced with a TFE gas atmosphere having a pressure of 0.01 MPa. After substitution, the inside of the autoclave was vacuumed to remove moisture, and TFE gas was introduced into the autoclave until the pressure inside the autoclave reached 0.8 MPa. Thereafter, heat was applied to the interior of the autoclave at a rate of 5°C/min, and the temperature was increased until the temperature inside the autoclave reached 35°C.
(3) 오토클레이브 내부에 라디칼 개시제를 포함하는 용액(탈이온수에 라디칼 개시제인 과황산칼륨(KPS)이 1 중량% 포함된 용액)를 30분동안 7회에 나누어 500ppm을 투입하였다. 이 후, 오토클레이브 내부에는 5℃/min의 속도로 열을 가하여, 반응기 내부 온도를 50℃가 될 때까지 승온하여, 3시간동안 반응을 수행하여, -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조하였다. 제조한 -SO2F기를 포함하는 화합물을 증류수 5L를 이용하여 3회 수세하였다.(3) A solution containing a radical initiator (a solution containing 1% by weight of potassium persulfate (KPS) as a radical initiator in deionized water) in the autoclave was divided 7 times for 30 minutes, and 500 ppm was added. Thereafter, heat was applied to the inside of the autoclave at a rate of 5°C/min, the temperature inside the reactor was raised to 50°C, and the reaction was carried out for 3 hours to prepare a compound containing -SO 2 F. . The prepared -SO 2 F group-containing compound was washed with
(4) 수세한 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액(수산화칼륨을 포함하는 수용액)에 침지시켜 가수분해를 수행하고, 산형화제를 포함하는 용액(염산을 포함하는 수용액)에 침지시켜 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 제조된 과불소계 술폰화 이오노머의 중량평균분자량은 150,650, -SO3H기의 화학당량은 710이다. (4) Hydrolysis is performed by immersing the washed compound containing the -SO 2 F group in a solution containing a hydrolysis agent (aqueous solution containing potassium hydroxide), and a solution containing an oxidizing agent (aqueous solution containing hydrochloric acid) ) To prepare a perfluorinated sulfonated ionomer. The weight average molecular weight of the prepared perfluorinated sulfonated ionomer is 150,650, and the chemical equivalent of -SO 3 H group is 710.
준비예 1 : PTFE 다공성 지지체의 제조Preparation Example 1: Preparation of PTFE porous support
평균입경 570㎛인 PTFE 미세 파우더 100 중량부에 대하여 액상 윤활제인 나프타(naphtha) 23 중량부를 혼합 및 교반하여 균일하게 분산시켜서 페이스트를 제조하였다.A paste was prepared by mixing and stirring 23 parts by weight of naphtha, a liquid lubricant, to 100 parts by weight of PTFE fine powder having an average particle diameter of 570 μm, and uniformly dispersing it.
다음으로, 상기 페이스트를 50℃에서 18 시간 동안 방치시켜서 숙성시킨 후, 성형 지그를 이용하여 압축시켜서 PTFE 블록을 제조하였다.Next, the paste was allowed to stand at 50° C. for 18 hours to be aged, and then compressed using a molding jig to prepare a PTFE block.
다음으로, 상기 PTFE 블록을 압출금형에 투입 후, 약 0.10 Ton/cm2 압력 하에서 가압압출을 실시하였다.Next, after the PTFE block was put into an extrusion mold, pressure extrusion was performed under a pressure of about 0.10 Ton/cm 2 .
다음으로, 압연롤을 이용하여, 압연시켜서 평균두께 850㎛ 인 미소성 테이프를 제조하였다.Next, using a rolling roll, it was rolled to prepare a green tape having an average thickness of 850 μm.
다음으로, 미소성 테이프를 3M/min의 속도로 컨베이어 벨트로 이송시키면서 180℃의 열을 가하여 건조시켜 윤활제를 제거하였다.Next, the unfired tape was transferred to a conveyor belt at a rate of 3 M/min and dried by applying heat at 180° C. to remove the lubricant.
다음으로, 윤활제가 제거된 미소성 테이프를 연신온도 280℃ 및 연신속도 10 M/min 조건 하에서 6.5 배로 1축 연신(길이 방향 연신)을 수행하였다.Next, the unfired tape from which the lubricant was removed was uniaxially stretched (lengthwise stretched) by 6.5 times under the conditions of a stretching temperature of 280°C and a stretching speed of 10 M/min.
다음으로, 1축 연신된 미소성 테이프를 연신온도 250℃ 및 연신속도 10 M/min 조건 하에서 30 배로 2축 연신(폭 방향 연신)을 수행하여 다공성 지지체를 제조하였다.Next, the uniaxially stretched unfired tape was biaxially stretched 30 times (widthwise stretching) under conditions of a stretching temperature of 250°C and a stretching speed of 10 M/min to prepare a porous support.
다음으로, 1축 및 2축 연신된 다공성 지지체를 컨베이어 벨트 상에서 15 M/min의 속도로 420℃ 온도를 가하여 소성시켜서 평균두께 5㎛ 및 평균기공 크기 0.114㎛인 PTFE 다공성 지지체를 제조하였다.Next, uniaxially and biaxially stretched porous supports were fired on a conveyor belt at 420°C at a rate of 15 M/min to prepare a PTFE porous support having an average thickness of 5 μm and an average pore size of 0.114 μm.
제조예 1 : PEMFC용 복합 전해질막의 제조Preparation Example 1: Preparation of composite electrolyte membrane for PEMFC
(1) 상기 준비예 1에서 제조한 PTFE 다공성 지지체를 준비하였다.(1) The PTFE porous support prepared in Preparation Example 1 was prepared.
(2) 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 100 중량부에 대하여 PEMFC용 라디칼 스캐빈져(상아프론테크, CeZnO 금속산화물) 1 중량부를 혼합하여 과불소계 술폰화 이오노머 용액을 준비하였다.(2) A perfluorine-based sulfonated ionomer solution was prepared by mixing 1 part by weight of a PEMFC radical scavenger (Sang-Afrontech, CeZnO metal oxide) with respect to 100 parts by weight of the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 1.
(3) 준비예 1에서 제조한 PTFE 다공성 지지체를 유리기판에 고정하고, 애플리케이터(Film Applicator)를 이용하여 PTFE 다공성 지지체 일면에 과불소계 술폰화 이오노머 용액에 함침시켰다. 다음으로, 과불소계 술폰화 이오노머 용액에 함침시킨 PTFE 다공성 지지체를 80℃ 진공오븐에 투입하고 10분 동안 건조를 수행하여 PTFE 다공성 지지체의 일면에 제1전해질층을 형성시켰다. (3) The PTFE porous support prepared in Preparation Example 1 was fixed to a glass substrate, and one surface of the PTFE porous support was impregnated with a perfluorine-based sulfonated ionomer solution using an applicator. Next, the PTFE porous support impregnated with the perfluorine-based sulfonated ionomer solution was put into a vacuum oven at 80° C. and dried for 10 minutes to form a first electrolyte layer on one side of the PTFE porous support.
제1전해질층은 과불소계 술폰화 이오노머 용액에 의해 형성된 층이다.The first electrolyte layer is a layer formed by a perfluorine-based sulfonated ionomer solution.
(4) 애플리케이터를 이용하여 제1전해질층이 형성된 PTFE 다공성 지지체의 타면을 과불소계 술폰화 이오노머 용액에 함침시켰다. 다음으로, 과불소계 술폰화 이오노머 용액에 함침시킨 PTFE 다공성 지지체를 80℃ 진공오븐에 투입하고 10분 동안 건조를 수행하여 PTFE 다공성 지지체의 타면에 제2전해질층을 형성시켰다. 제2전해질층은 과불소계 술폰화 이오노머 용액에 의해 형성된 층이다.(4) Using an applicator, the other surface of the PTFE porous support on which the first electrolyte layer was formed was impregnated with a perfluorine-based sulfonated ionomer solution. Next, the PTFE porous support impregnated with the perfluorine-based sulfonated ionomer solution was put into a vacuum oven at 80° C. and dried for 10 minutes to form a second electrolyte layer on the other surface of the PTFE porous support. The second electrolyte layer is a layer formed by a perfluorine-based sulfonated ionomer solution.
(5) 제1전해질층 및 제2전해질층이 형성된 PTFE 다공성 지지체를 160℃에서 3분 동안 열처리하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였으며, 제1전해질층은 평균두께가 5㎛, 제2전해질층은 평균두께가 5㎛로 형성되었다.(5) The PTFE porous support on which the first and second electrolyte layers were formed was heat-treated at 160° C. for 3 minutes to prepare a composite electrolyte membrane for PEMFC. The first electrolyte layer had an average thickness of 5 μm, and the second electrolyte layer was The average thickness was formed to 5 μm.
제조예 2 ~ 12 및 비교제조예 1 ~ 3Preparation Examples 2 to 12 and Comparative Preparation Examples 1 to 3
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하되, 제조예 2는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 2에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였고, 제조예 3은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 3에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였으며, 제조예 4는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 4에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였고, 제조예 5는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 5에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였고, 제조예 6은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 6에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였으며, 제조예 7은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 7에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였고, 제조예 8은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 8에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였으며, 제조예 9는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 9에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였고, 제조예 10은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 10에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였으며, 제조예 11은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 11에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였고, 제조예 12는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 12에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였으며, 비교제조예 1은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 비교예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였고, 비교제조예 2는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 비교예 2에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였으며, 비교제조예 3은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 비교예 3에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였다.A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, but in Preparation Example 2, a composite electrolyte for PEMFC using the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 2 instead of the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 1. A membrane was prepared, and in Preparation Example 3, a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 3 instead of the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 1, and Preparation Example 4 was performed in Example 1. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 4 instead of the prepared perfluorine-based sulfonated ionomer, and in Example 5 instead of the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 1. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the prepared perfluorine-based sulfonated ionomer, and Preparation Example 6 was for PEMFC by using the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 6 instead of the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 1. A composite electrolyte membrane was prepared, and in Preparation Example 7 a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared by using the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 7 instead of the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 1. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 8 instead of the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in 1, and Preparation Example 9 was an Example instead of the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 1. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in 9, and Preparation Example 10 used the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 10 instead of the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 1. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared, and in Preparation Example 11, a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 11 instead of the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 1, and Preparation Example 12 Example instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1 A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in 12, and Comparative Preparation Example 1 used the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Comparative Example 1 instead of the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 1. Thus, a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared, and in Comparative Preparation Example 2, a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Comparative Example 2 instead of the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 1. In Example 3, a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Comparative Example 3 instead of the perfluorine-based sulfonated ionomer prepared in Example 1.
실험예 1 : PEMFC용 복합 전해질막의 내구성 및 이온전도도 측정 실험Experimental Example 1: Durability and ionic conductivity measurement experiment of PEMFC composite electrolyte membrane
1) 펜톤 테스트(Fenton test)1) Fenton test
제조예 1 ~ 12 및 비교제조예 1 ~ 3에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막 각각을 5㎝ⅹ5㎝(가로ⅹ세로) 크기로 시험편을 준비하고, 오븐에 80℃, 5시간 이상 건조 후 질량을 측정한다. 준비된 시편을 2% 과산화수소에 3ppm Fe2+ 첨가하여 제조한 용액 200g에 침지한 후 80℃, 120시간 방치한다. 시험편에서 용출된 불소 이온농도는 불소이온 선택전극을 사용하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3 및 표 4에 나타내었다. 펜톤 테스트는 측정값이 낮을수록 불소이온 용출이 낮은 것이며, 즉, 전해질막의 내구성이 우수한 것이다.Each of the composite electrolyte membranes for PEMFC prepared in Preparation Examples 1 to 12 and Comparative Preparation Examples 1 to 3 was prepared in a size of 5 cm x 5 cm (width x height), and the mass was dried in an oven at 80° C. for 5 hours or longer. Measure. The prepared specimen was immersed in 200 g of a solution prepared by adding 3 ppm Fe 2+ to 2% hydrogen peroxide and left at 80° C. for 120 hours. The fluorine ion concentration eluted from the test piece was measured using a fluorine ion selective electrode, and the results are shown in Tables 3 and 4 below. In the Fenton test, the lower the measured value, the lower the elution of fluorine ions, that is, the superior durability of the electrolyte membrane.
2) 이온전도도 측정2) Ion conductivity measurement
제조예 1 ~ 12 및 비교제조예 1 ~ 3에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막 각각을 1㎝ⅹ5㎝(가로ⅹ세로) 크기로 시험편을 준비하고, 증류수에 담가 오븐에 80℃, 5시간 침지 후 체결된 셀을 증류수에 담가 25℃ 온도 셋팅 후 임피던스를 측정하였고, 이온전도도를 산출하여 그 결과를 하기 표 3 및 표 4에 나타내었다.Each of the PEMFC composite electrolyte membranes prepared in Preparation Examples 1 to 12 and Comparative Preparation Examples 1 to 3 was prepared in a size of 1 cm x 5 cm (width x length), immersed in distilled water, and immersed in an oven at 80° C. for 5 hours. The connected cell was immersed in distilled water, and the impedance was measured after setting the temperature at 25°C, and the ionic conductivity was calculated, and the results are shown in Tables 3 and 4 below.
실험예 2 : PEMFC용 복합 전해질막의 함수율 측정 실험Experimental Example 2: Water content measurement experiment of composite electrolyte membrane for PEMFC
제조예 1 ~ 12 및 비교제조예 1 ~ 2에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막을 120℃에서 1시간 동안 완전히 건조시킨 후 무게(Wd)를 측정하였다. 이를 다시 탈이온수에 침지시켜 60 ~ 120℃에서 5시간 동안 방치 한 후 시료를 꺼내고, 겉면의 물기를 제거하여 무게(Ww)를 측정하였다.The composite electrolyte membranes for PEMFC prepared in Preparation Examples 1 to 12 and Comparative Preparation Examples 1 to 2 were completely dried at 120°C for 1 hour, and then the weight (W d ) was measured. This was again immersed in deionized water and left for 5 hours at 60 to 120°C, and then the sample was taken out, and the water was removed from the surface to measure the weight (W w ).
그 후, 하기 수학식 1에 의하여 함수율을 측정하여, 그 결과를 하기 표 3 및 표 4에 나타내었다. Thereafter, the moisture content was measured according to
[수학식 1][Equation 1]
함수율(%) = ((Ww-Wd)/Ww))*100Moisture content (%) = ((W w -W d )/W w ))*100
실험예 3 : PEMFC용 복합 전해질막의 수소투과도 측정 실험Experimental Example 3: Hydrogen permeability measurement experiment of PEMFC composite electrolyte membrane
제조예 1 ~ 12 및 비교제조예 1 ~ 2에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막을 각각 포함하는 전극 활성 면적이 25cm2인 PEMFC용 막-전극 접합체를 제작하여 RH 100% 조건, Cell station에서 측정하였으며, PEMFC용 막-전극 접합체의 성능을 활성화하여 최적의 성능을 구현하기 위해 초기 Activation을 실시하였다. 이후, PEMFC용 막-전극 접합체의 Performance를 확인하기 위해 CC(Constant Current) mode로 1분간 OCV 대기후, 0A에서 45A까지 1분간 각 구간을 반복하는 조건으로 PEMFC용 막-전극 접합체에 대한 Performance 를 측정하였다. 최종적으로 수소투과도를 측정하기 위해 온도를 80℃로 RH값을 100%로 하였으며 애노드(Anode)에 H2와 캐소드(Cathode)에 N2가스(gas)를 흘려주어 0.4V ~ 0.5V 구간을 플로팅(plotting)하여 측정하여, 그 결과를 하기 표 3 및 표 4에 나타내었다.A membrane-electrode assembly for PEMFC having an electrode active area of 25 cm 2 each including the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 1 to 12 and Comparative Preparation Examples 1 to 2 was prepared and measured at a cell station under
상기 표 3에서 확인할 수 있듯이, 제조예 1 ~ 3에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막은 제조예 4 ~ 7 및 비교제조예 1 및 3에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막보다 내구성이 우수할 뿐만 아니라, 이온전도도가 높고, 수소투과도가 낮은 것을 확인할 수 있었다.As can be seen in Table 3, the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 1 to 3 is superior to the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 4 to 7 and Comparative Preparation Examples 1 and 3, as well as ionic It was confirmed that the conductivity was high and the hydrogen permeability was low.
구체적으로, 제조예 1 ~ 3에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막과 비교하여, 제조예 4 ~ 5에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막은 내구성이 나빠지고, 수소투과도가 증가함을 확인할 수 있었다.Specifically, compared with the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 1 to 3, it was confirmed that the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 4 to 5 was poor in durability and increased hydrogen permeability.
또한, 제조예 1 ~ 3에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막과 비교하여, 제조예 6 ~ 7에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막은 이온전도도가 저하되고, 수소투과도가 증가함을 확인할 수 있었다.Also, Compared with the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 1 to 3, it was confirmed that the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 6 to 7 decreased ionic conductivity and increased hydrogen permeability.
또한, 제조예 1 ~ 3에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막과 비교하여, 비교제조예 1 및 3에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막은 내구성이 나빠지고, 이온전도도가 저하되며, 수소투과도가 증가함을 확인할 수 있었다.Also, Compared with the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 1 to 3, it was confirmed that the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Comparative Preparation Examples 1 and 3 was poor in durability, decreased ionic conductivity, and increased hydrogen permeability. there was.
상기 표 4에서 확인할 수 있듯이, 제조예 8에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막은 제조예 9 ~ 12 및 비교제조예 2 ~ 3에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막보다 내구성이 우수할 뿐만 아니라, 이온전도도가 높고, 수소투과도가 높은 것을 확인할 수 있었다. As can be seen in Table 4, the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Example 8 is superior to the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 9 to 12 and Comparative Preparation Examples 2 to 3, as well as ionic conductivity. It was confirmed that it was high and the hydrogen permeability was high.
구체적으로 제조예 8에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막과 비교하여, 제조예 9 ~ 10에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막은 내구성이 나빠지고, 수소투과도가 증가함을 확인할 수 있었다.Specifically, compared with the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Example 8, it was confirmed that the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 9 to 10 was poor in durability and increased hydrogen permeability.
또한, 제조예 8에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막과 비교하여, 제조예 11 ~ 12에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막은 내구성이 나빠질 뿐만 아니라, 이온전도도가 저하되고, 수소투과도가 증가함을 확인할 수 있었다.Also, Compared with the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Example 8, it was confirmed that the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 11 to 12 was not only deteriorated in durability, but also decreased ionic conductivity and increased hydrogen permeability.
또한, 제조예 8에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막과 비교하여, 비교제조예 2 및 3에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막은 내구성이 현저히 나빠지고, 이온전도도가 현저히 저하되며, 수소투과도가 현저히 증가함을 확인할 수 있었다.Also, Compared with the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Example 8, it was confirmed that the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Comparative Preparation Examples 2 and 3 significantly worsened the durability, significantly lowered the ionic conductivity, and significantly increased the hydrogen permeability. Could
본 발명의 단순한 변형이나 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해서 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.A simple modification or change of the present invention can be easily implemented by those of ordinary skill in the art, and all such modifications or changes can be considered to be included in the scope of the present invention.
Claims (17)
하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 1 : 0.7 ~ 1.1 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물.
[화학식 1-1]
[화학식 2]
Tetrafluoroethylene (TFE); A compound represented by the following formula 1-1; A compound represented by the following formula (2); And radical initiators; Including,
A composition for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer, comprising a compound represented by the following Formula 1-1 and a compound represented by the following Formula 2 in a weight ratio of 1:0.7 to 1.1.
[Formula 1-1]
[Formula 2]
상기 라디칼 개시제는 비스(플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 비스(클로로플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 디알킬퍼옥시디카보네이트계 화합물, 디아실퍼옥사이드계 화합물, 퍼옥시에스테르계 화합물, 아조계 화합물 및 과황산염계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물.
The method of claim 1,
The radical initiator is a bis (fluoroacyl) peroxide compound, a bis (chlorofluoroacyl) peroxide compound, a dialkyl peroxydicarbonate compound, a diacyl peroxide compound, a peroxy ester compound, an azo compound And a perfluorine-based sulfonated ionomer comprising at least one selected from persulfate-based compounds.
상기 조성물은 가수분해제; 및 산형화제; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물.
The method of claim 1,
The composition comprises a hydrolyzing agent; And an oxidizing agent; A composition for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer further comprising a.
하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 1 : 0.52 ~ 0.80 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물.
[화학식 1-2]
[화학식 2]
Tetrafluoroethylene (TFE); A compound represented by the following formula 1-2; A compound represented by the following formula (2); And radical initiators; Including,
A composition for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer comprising a compound represented by the following Formula 1-2 and a compound represented by the following Formula 2 in a weight ratio of 1: 0.52 to 0.80.
[Formula 1-2]
[Formula 2]
상기 폴리머는 하기 화학식 6으로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 50,000 ~ 800,000인 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머;
[화학식 3]
[화학식 4]
상기 화학식 4에 있어서, a는 1 또는 2이다.
[화학식 5]
[화학식 6]
상기 화학식 6에 있어서, a는 1 또는 2이고, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.05 ~ 0.3 : 0.045 ~ 0.075의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.
Including a polymer comprising a repeating unit represented by the following formula (3), a repeating unit represented by the following formula (4), and a repeating unit represented by the following formula (5),
The polymer comprises a repeating unit represented by the following formula (6), wherein the polymer has a weight average molecular weight of 50,000 to 800,000 perfluorinated sulfonated ionomer;
[Formula 3]
[Formula 4]
In Formula 4, a is 1 or 2.
[Formula 5]
[Formula 6]
In Formula 6, a is 1 or 2, x, y, and z are molar ratios, and are rational numbers of 1: 0.05 to 0.3: 0.045 to 0.075, and the order of bonding of each constituent unit according to x, y and z is Can be randomly modified.
상기 폴리머는 -SO3H기의 화학당량(EW : equivalent weight)이 500 ~ 1200 인 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머.
The method of claim 6,
The polymer is a perfluorine-based sulfonated ionomer, characterized in that the chemical equivalent (EW: equivalent weight) of the -SO 3 H group is 500 to 1200.
상기 지지체층 일면에 형성된 제1전해질층; 및
상기 지지체층 타면에 형성된 제2전해질층; 을 포함하고,
상기 제1전해질층 및 제2전해질층 중 적어도 하나의 층에는 제6항의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 것을 특징으로 하는 PEMFC용 복합 전해질막.
Support layer;
A first electrolyte layer formed on one surface of the support layer; And
A second electrolyte layer formed on the other surface of the support layer; Including,
A composite electrolyte membrane for PEMFC, comprising the perfluorine-based sulfonated ionomer of claim 6 in at least one of the first and second electrolyte layers.
상기 복합 전해질막은 펜톤 테스트(fenton test)로 측정된 내구성이 1.5 ~ 10 μmol/hrㆍg이고, 이온전도도가 0.07 ~ 0.2 S/cm인 것을 특징으로 하는 PEMFC용 복합 전해질막.
The method of claim 9,
The composite electrolyte membrane has a durability measured by a Fenton test of 1.5 to 10 μmol/hr·g, and an ionic conductivity of 0.07 to 0.2 S/cm.
Anode (anode); The composite electrolyte membrane for PEMFC of claim 9; And a cathode (reduction electrode); PEMFC membrane-electrode assembly comprising a.
상기 막-전극 접합체는 수소투과도가 1.0 ~ 2.6 mA/cm²인 것을 특징으로 하는 PEMFC용 막-전극 접합체.
The method of claim 11,
The membrane-electrode assembly is a membrane-electrode assembly for PEMFC, characterized in that the hydrogen permeability is 1.0 ~ 2.6 mA/cm².
연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부; 를 포함하는 고분자 전해질막 연료전지.
An electricity generator comprising the membrane-electrode assembly and separator for PEMFC of claim 11, and generating electricity through an electrochemical reaction between fuel and an oxidizing agent;
A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And
An oxidizing agent supply unit supplying an oxidizing agent to the electricity generating unit; Polymer electrolyte membrane fuel cell comprising a.
테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스를 상기 반응기 내부에 투입하여 상기 반응기의 내부 분위기를 TFE 가스 분위기로 치환하는 제2단계;
상기 반응기 내부에 라디칼 개시제를 투입하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조하는 제3단계; 및
상기 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액에 침지시켜 술폰산염기를 포함하는 화합물을 제조하고, 상기 술폰산염기를 포함하는 화합물을 산형화제를 포함하는 용액에 침지시켜 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조하는 제4단계; 를 포함하고,
상기 폴리머는 하기 화학식 6으로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 50,000 ~ 800,000인 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법;
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, a는 1 또는 2이다.
[화학식 2]
[화학식 3]
[화학식 4]
상기 화학식 4에 있어서, a는 1 또는 2이다.
[화학식 5]
[화학식 6]
상기 화학식 6에 있어서, a는 1 또는 2이고, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.05 ~ 0.3 : 0.045 ~ 0.075의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.
A first step of introducing and stirring deionized water, a compound represented by the following Formula 1, and a compound represented by the following Formula 2 into the reactor;
A second step of injecting tetrafluoroethylene (TFE) gas into the reactor to replace the internal atmosphere of the reactor with a TFE gas atmosphere;
A third step of preparing a compound containing a -SO 2 F group by introducing a radical initiator into the reactor; And
The compound containing the -SO 2 F group is immersed in a solution containing a hydrolyzing agent to prepare a compound containing a sulfonic acid group, and the compound containing the sulfonic acid group is immersed in a solution containing an oxidizing agent to formula 3 A fourth step of preparing a polymer including a repeating unit represented by the following formula (4), a repeating unit represented by the following formula (5); Including,
The polymer comprises a repeating unit represented by the following formula (6), and the polymer has a weight average molecular weight of 50,000 to 800,000; a method for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer;
[Formula 1]
In Formula 1, a is 1 or 2.
[Formula 2]
[Formula 3]
[Formula 4]
In Formula 4, a is 1 or 2.
[Formula 5]
[Formula 6]
In Formula 6, a is 1 or 2, x, y, and z are molar ratios, and are rational numbers of 1: 0.05 to 0.3: 0.045 to 0.075, and the order of bonding of each constituent unit according to x, y and z is Can be randomly modified.
테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스를 상기 반응기 내부에 투입하여 상기 반응기의 내부 분위기를 TFE 가스 분위기로 치환하는 제2단계;
상기 반응기 내부에 라디칼 개시제를 투입하는 제3단계;
상기 반응기 내부에 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 투입 및 교반하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조하는 제4단계; 및
상기 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액에 침지시켜 술폰산염기를 포함하는 화합물을 제조하고, 상기 술폰산염기를 포함하는 화합물을 산형화제를 포함하는 용액에 침지시켜 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조하는 제5단계; 를 포함하고,
상기 폴리머는 하기 화학식 6으로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 50,000 ~ 800,000인 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법;
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, a는 1 또는 2이다.
[화학식 2]
[화학식 3]
[화학식 4]
상기 화학식 4에 있어서, a는 1 또는 2이다.
[화학식 5]
[화학식 6]
상기 화학식 6에 있어서, a는 1 또는 2이고, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.05 ~ 0.3 : 0.045 ~ 0.075의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.A first step of introducing and stirring deionized water and a compound represented by the following formula (1) into the reactor;
A second step of injecting tetrafluoroethylene (TFE) gas into the reactor to replace the internal atmosphere of the reactor with a TFE gas atmosphere;
A third step of introducing a radical initiator into the reactor;
A fourth step of preparing a compound containing a -SO 2 F group by introducing and stirring a compound represented by the following formula (2) into the reactor; And
The compound containing the -SO 2 F group is immersed in a solution containing a hydrolyzing agent to prepare a compound containing a sulfonic acid group, and the compound containing the sulfonic acid group is immersed in a solution containing an oxidizing agent to formula 3 A fifth step of preparing a polymer including a repeating unit represented by the following formula (4), a repeating unit represented by the following formula (5); Including,
The polymer comprises a repeating unit represented by the following formula (6), and the polymer has a weight average molecular weight of 50,000 to 800,000; a method for producing a perfluorine-based sulfonated ionomer;
[Formula 1]
In Formula 1, a is 1 or 2.
[Formula 2]
[Formula 3]
[Formula 4]
In Formula 4, a is 1 or 2.
[Formula 5]
[Formula 6]
In Formula 6, a is 1 or 2, x, y, and z are molar ratios, and are rational numbers of 1: 0.05 to 0.3: 0.045 to 0.075, and the order of bonding of each constituent unit according to x, y and z is Can be randomly modified.
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