KR20110120185A - Polymer electrolyte membrane for fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지에 이용되는 전해질막에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고분자 전해질막에 관한 것이다. The present invention relates to an electrolyte membrane used for a fuel cell, and more particularly to a polymer electrolyte membrane.
연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로서 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 인해 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. A fuel cell is a battery that converts chemical energy generated by oxidation of a fuel into electrical energy directly, and has been in the spotlight as a next-generation energy source due to its high energy efficiency and eco-friendly features with low emission of pollutants.
연료전지는 일반적으로 전해질막을 사이에 두고 그 양쪽에 산화극(Anode)과 환원극(Cathode)이 각각 형성된 구조를 이루며, 이와 같은 구조를 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)라 칭한다. A fuel cell generally has a structure in which an anode and a cathode are formed on both sides of an electrolyte membrane, and such a structure is called a membrane electrode assembly (MEA).
연료전지는 전해질막의 종류에 따라 알칼리 전해질 연료전지, 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC) 등으로 구분될 수 있는데, 그 중에 고분자 전해질 연료전지는 100℃ 미만의 낮은 작동온도, 빠른 시동과 응답 특성 및 우수한 내구성 등의 장점으로 인하여 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다. Fuel cells can be classified into alkaline electrolyte fuel cells and polymer electrolyte fuel cells (PEMFC) according to the type of electrolyte membrane. Among them, polymer electrolyte fuel cells have a low operating temperature of less than 100 ° C. and fast start-up. Due to the advantages of over response characteristics and excellent durability, it has been spotlighted as a portable, vehicle, and home power supply.
이와 같은 고분자 전해질 연료전지의 대표적인 예로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC) 등을 들 수 있다. Representative examples of such a polymer electrolyte fuel cell may include a hydrogen ion exchange membrane fuel cell (PEMFC) using hydrogen gas as a fuel.
고분자 전해질 연료전지에서 일어나는 반응을 요약하면, 우선, 수소가스와 같은 연료가 산화극에 공급되면, 산화극에서는 수소의 산화반응에 의해 수소이온(H+)과 전자(e-)가 생성된다. 생성된 수소이온(H+)은 고분자 전해질막을 통해 환원극으로 전달되고, 생성된 전자(e-)는 외부회로를 통해 환원극에 전달된다. 환원극에서는 산소가 공급되고, 산소가 수소이온(H+) 및 전자(e-)와 결합하여 산소의 환원반응에 의해 물이 생성된다. Summarizing the reaction occurring in the polymer electrolyte fuel cell, first, when a fuel such as hydrogen gas is supplied to the anode, hydrogen ions (H + ) and electrons (e − ) are generated by the oxidation of hydrogen at the anode. The generated hydrogen ions (H + ) are transferred to the reduction electrode through the polymer electrolyte membrane, and the generated electrons (e − ) are transferred to the reduction electrode through an external circuit. Oxygen is supplied from the reduction electrode, and oxygen is combined with hydrogen ions (H + ) and electrons (e − ) to generate water by reduction of oxygen.
고분자 전해질막은 산화극에서 생성된 수소이온(H+)이 환원극으로 전달되는 통로이므로 기본적으로 수소이온(H+)의 전도도가 우수해야 한다. 또한, 고분자 전해질막은 산화극에 공급되는 수소가스와 환원극에 공급되는 산소를 분리하는 분리능이 우수해야 하고, 그 외에도 기계적 강도, 치수안정성, 내화학성 등이 우수해야 하며, 고전류밀도에서 저항손실(ohmic loss)이 작아야 하는 등의 특성이 요구된다. Since the polymer electrolyte membrane is a passage through which hydrogen ions (H + ) generated from the anode are transferred to the cathode, the conductivity of the hydrogen ions (H + ) should be excellent. In addition, the polymer electrolyte membrane must have excellent separation ability to separate hydrogen gas supplied to the anode and oxygen supplied to the cathode, and also have excellent mechanical strength, dimensional stability, chemical resistance, and the like. Ohmic loss) should be small.
현재 사용되고 있는 고분자 전해질막으로는 불소계 수지로서 퍼플루오로설폰산 수지(이하 '불소계 이온전도체'라 함)가 있다. 그러나, 불소계 이온전도체는 기계적 강도가 약하여 장시간 사용하게 되면 핀홀(pinhole)이 발생하고 그로 인해 에너지 전환효율이 떨어지는 문제가 있다. 기계적 강도를 보강하기 위해서 불소계 이온전도체의 막두께를 증가시켜 사용하는 시도가 있지만 이 경우는 저항손실이 증가되고 또한 고가인 재료의 사용이 증가되어 경제성이 떨어지는 문제가 있다. The polymer electrolyte membrane currently used is a fluororesin, a perfluorosulfonic acid resin (hereinafter referred to as a fluorine-based ion conductor). However, fluorine-based ion conductors have a weak mechanical strength, so that when used for a long time, pinholes are generated, thereby lowering energy conversion efficiency. In order to reinforce the mechanical strength, attempts have been made to increase the thickness of the fluorine-based ion conductor, but in this case, the resistance loss is increased, and the use of expensive materials is increased, thereby reducing the economic efficiency.
이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 불소계 수지인 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 수지(상품명: 테프론)(이하 '테프론 수지'라 함)에 액체 상태의 불소계 이온전도체를 함침시킴으로써 기계적 강도를 향상시킨 고분자 전해질막이 제안된 바 있다. 이 경우는 불소계 이온전도체 단독으로 이루어진 고분자 전해질막에 비하여 수소이온 전도도는 다소 떨어질 수 있지만 기계적 강도가 상대적으로 우수하고 따라서 전해질막의 두께를 줄일 수 있어 저항손실이 감소하는 등의 이점이 있다. In order to solve such a problem, a polymer electrolyte membrane having improved mechanical strength by impregnating a liquid fluorine ion conductor in a porous polytetrafluoroethylene resin (trade name: Teflon) (hereinafter referred to as' teflon resin), which is a fluorine resin, It has been proposed. In this case, the hydrogen ion conductivity may be slightly lower than that of the polymer electrolyte membrane composed of the fluorine-based ion conductor alone, but the mechanical strength is relatively excellent, and thus the thickness of the electrolyte membrane can be reduced, thereby reducing the loss of resistance.
그러나, 테프론 수지는 접착성이 매우 낮기 때문에 이온전도체 선택이 한정되어 있고, 불소계 이온전도체를 적용한 제품의 경우 탄화수소계에 비해 연료의 크로스오버 현상이 크다는 단점이 있다. 또한, 불소계 이온전도체뿐만 아니라 다공성 테프론 수지도 가격이 고가이기 때문에 대량생산을 위해서는 여전히 가격이 저렴한 새로운 재료에 대한 개발이 요구되고 있다. However, since Teflon resin has very low adhesiveness, the ion conductor selection is limited, and a product having a fluorine-based ion conductor has a disadvantage in that a fuel crossover phenomenon is larger than that of a hydrocarbon system. In addition, since the price of not only the fluorine-based ion conductor but also the porous Teflon resin is expensive, it is required to develop new materials which are still inexpensive for mass production.
상기 종래의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 고융점을 갖고 유기용매에 비용해성이며 기공 특성이 우수한 나노 웹에 이온전도체를 최적의 조건으로 충진한 구조이기 때문에, 전체 두께를 줄일 수 있어 저항손실이 줄어들며 재료비용이 줄어들고, 내열성이 우수하고 두께 팽창률이 낮음에 따라 장시간 동안 이온전도도가 저하되지 않는 효과를 갖는 고분자 전해질막을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention has a high melting point, insoluble in organic solvents and excellent porosity of the nano-web filled with ion conductors under optimum conditions, the overall thickness can be reduced, the resistance loss The purpose of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane having the effect of reducing the material cost, reducing the heat resistance and lowering the thickness expansion rate, so that the ion conductivity does not decrease for a long time.
상기 목적을 달성하기 위한 일 측면으로서 본 발명은, 300℃ 이상의 융점을 갖고, 상온에서 NMP, DMF, DMA, 또는 DMSO의 유기용매에 비용해성인 다공성 나노 웹; 및 상기 다공성 나노 웹의 기공 내에 충진되고, 상온에서 상기 유기용매에 용해성인 탄화수소계 물질을 포함하는 이온전도체를 포함하는 고분자 전해질막을 제공한다.As one aspect for achieving the above object, the present invention, a porous nano web having a melting point of 300 ℃ or more, insoluble in organic solvents of NMP, DMF, DMA, or DMSO at room temperature; And an ion conductor filled in the pores of the porous nanoweb and comprising a hydrocarbon-based material soluble in the organic solvent at room temperature.
상기 목적을 달성하기 위한 다른 측면으로서 본 발명은, 전구체(precusor)를 방사용매에 녹여 방사용액을 제조하는 공정; 상기 방사용액을 전기방사하여 평균 직경이 0.005 내지 5 ㎛인 나노 섬유로 이루어진 다공성 나노 웹을 제조하는 공정; 상기 다공성 나노 웹이 NMP, DMF, DMA, 또는 DMSO의 유기용매에 비용해성이 되도록 상기 다공성 나노 웹을 후처리하는 공정; 상기 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 물질을 포함한 이온전도체를 상기 유기용매에 용해시켜 이온전도체 용액을 제조하는 공정; 및 상기 후처리된 다공성 나노 웹의 기공 내에, 아래 식에 의해 측정된 상기 나노 웹의 두께 비율이 20% 이상이 되도록, 상기 이온전도체 용액을 충진한 후 상기 유기용매를 제거하는 공정을 포함하는 고분자 전해질막을 제공한다. As another aspect for achieving the above object, the present invention is a process for preparing a spinning solution by melting a precursor (precusor) in a spinning solvent; Electrospinning the spinning solution to prepare a porous nanoweb made of nanofibers having an average diameter of 0.005 to 5 μm; Post-processing the porous nanoweb such that the porous nanoweb is insoluble in an organic solvent of NMP, DMF, DMA, or DMSO; Preparing an ion conductor solution by dissolving an ion conductor including a hydrocarbon-based material soluble in the organic solvent in the organic solvent; And removing the organic solvent after filling the ion conductor solution in the pores of the post-processed porous nanoweb such that the thickness ratio of the nanoweb measured by the following equation is 20% or more. An electrolyte membrane is provided.
나노 웹의 두께 비율 = [A/(B+C)]×100Thickness ratio of nano web = [A / (B + C)] × 100
상기 A는 나노 웹의 평균 두께이고, 상기 B는 상부 이온전도체의 평균 두께이며, 상기 C는 하부 이온전도체의 평균 두께이다. A is the average thickness of the nanoweb, B is the average thickness of the upper ion conductor, and C is the average thickness of the lower ion conductor.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.The present invention has the following effects.
첫째, 본 발명에 따른 고분자 전해질막은 내열성이 우수하고 유기용매에 비용해성인 나노 웹의 기공 내에 이온전도체를 최적의 조건으로 충진한 구조이기 때문에 전해질막의 전체 두께를 줄일 수 있어 이온전도도가 향상되고 저항손실이 감소되며, 두께 팽창률을 낮출 수 있어 장시간 성능을 유지할 수 있는 효과가 있다. First, since the polymer electrolyte membrane according to the present invention is a structure in which the ion conductor is filled in the pores of the nanoweb which are excellent in heat resistance and insoluble in organic solvents under optimum conditions, the overall thickness of the electrolyte membrane can be reduced, thereby improving ion conductivity and resistance. The loss is reduced, and the thickness expansion ratio can be lowered, thereby maintaining the performance for a long time.
둘째, 본 발명에 따른 고분자 전해질막은 나노 웹과 이온전도체가 모두 탄화수소계 고분자물질로 구성되기 때문에 양자 사이의 접착력이 우수하여 내구성이 우수한 효과가 있다. Second, since the polymer electrolyte membrane according to the present invention is composed of both a hydrocarbon-based polymer material and the nanoweb and the ion conductor, there is an excellent effect of adhesion between both excellent durability.
셋째, 본 발명에 따른 고분자 전해질막은 종래와 같은 고가의 불소계 이온전도체 또는 테프론 수지 등을 이용하지 않고 상대적으로 저가인 탄화수소계 고분자물질을 이용하기 때문에 대량 생산시 경제성이 우수하다.Third, since the polymer electrolyte membrane according to the present invention uses a relatively inexpensive hydrocarbon-based polymer material without using an expensive fluorine-based ion conductor or Teflon resin as in the prior art, it is excellent in economical efficiency in mass production.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질막의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, the present invention encompasses all changes and modifications that come within the scope of the invention as defined in the appended claims and equivalents thereof.
이하, 본 발명에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 고분자 전해질막은 다공성 나노 웹, 및 상기 다공성 나노 웹의 기공 내에 충진된 이온전도체를 포함한다. The polymer electrolyte membrane according to the present invention includes a porous nanoweb, and an ion conductor filled in pores of the porous nanoweb.
상기 다공성 나노 웹은 고분자 전해질막의 기계적 강도를 증진시키고 수분에 의한 부피팽창을 억제함으로써 형태안정성을 증진시키는 역할을 한다. 또한, 상기 다공성 나노 웹은 가격면에서도 유리한 탄화수소계 고분자로 이루어진다.The porous nanoweb serves to enhance the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane and to promote morphological stability by inhibiting volume expansion by moisture. In addition, the porous nanoweb is made of a hydrocarbon-based polymer which is advantageous in terms of price.
특히, 상기 다공성 나노 웹은 상온에서 NMP, DMF, DMA, 또는 DMSO의 유기용매에 대해 불용성이기 때문에 상기 나노 웹 기공 내에 이온전도체를 충진하는 공정이 용이한 이점이 있다. 즉, 이온전도체를 나노 웹의 기공 내에 충진하기 위해서는 이온전도체를 유기용매에 용해시켜 이온전도체 용액을 준비한 후 이온전도체 용액을 다공성 나노 웹의 기공 내에 충진하게 되는데, 다공성 나노 웹이 유기용매에 용해될 경우 이온전도체 용액을 다공성 나노 웹의 기공 내에 충진하는 공정시 나노 웹이 용해되어 원하는 구조의 고분자 전해질막을 얻을 수 없게 된다. 따라서, 다공성 나노 웹은 유기용매에 대해 불용성인 탄화수소계 물질을 포함하여 구성된다. In particular, since the porous nanoweb is insoluble in the organic solvent of NMP, DMF, DMA, or DMSO at room temperature, the process of filling the ion conductor in the nanoweb pores is easy. That is, in order to fill the ion conductor in the pores of the nanoweb, the ion conductor is dissolved in an organic solvent to prepare an ion conductor solution, and then the ion conductor solution is filled in the pores of the porous nanoweb, and the porous nanoweb is dissolved in the organic solvent. In this case, during the process of filling the ion conductor solution into the pores of the porous nanoweb, the nanoweb is dissolved to obtain a polymer electrolyte membrane having a desired structure. Thus, the porous nanoweb comprises a hydrocarbon-based material that is insoluble in organic solvents.
상기 다공성 나노 웹은 300 ℃이상의 융점을 갖는 탄화수소계 물질을 포함한다. 이와 같이 상기 다공성 나노 웹은 고온의 융점을 갖기 때문에 고온의 환경에서도 안정된 형태를 유지하고 전극과 쉽게 분리되지 않기 때문에 장시간 성능을 유지할 수 있는 이점이 있다. The porous nanoweb includes a hydrocarbon-based material having a melting point of 300 ° C. or higher. As such, since the porous nanoweb has a high melting point, the porous nanoweb maintains a stable shape even in a high temperature environment and is not easily separated from the electrode.
이상에서와 같은 요구 특성을 모두 만족하는 다공성 나노 웹으로는 폴리이미드(Polyimide), 또는 폴리벤즈옥사졸(Polybenzoxazole), 그들의 공중합물, 또는 그들이 혼합물을 들 수 있다. Examples of the porous nanoweb that satisfies all of the above required characteristics include polyimide, polybenzoxazole, copolymers thereof, or mixtures thereof.
상기 다공성 나노 웹은 소정의 섬유로 구성된 3차원적으로 연결되는 웹 형태로 이루어져 있는데, 이 경우 섬유의 굵기는 0.005 내지 5 ㎛ 범위일 수 있다. 나노 웹을 구성하는 섬유의 굵기가 0.005 ㎛ 미만일 경우 다공성 나노 웹의 기계적 강도가 저하될 수 있고 섬유의 굵기가 5 ㎛를 초과할 경우 다공성 나노 웹의 다공도 조절이 용이하지 않을 수 있다. The porous nanoweb consists of a three-dimensionally connected web consisting of a predetermined fiber, in this case the thickness of the fiber may be in the range of 0.005 to 5 ㎛. If the thickness of the fibers constituting the nano-web is less than 0.005 ㎛ may decrease the mechanical strength of the porous nano-web, and if the thickness of the fiber exceeds 5 ㎛ may not be easy to control the porosity of the porous nano-web.
상기 다공성 나노 웹은 5 내지 20 ㎛의 두께로 형성될 수 있다. 상기 다공성 나노 웹의 두께가 5 ㎛ 미만일 경우 고분자 전해질막의 기계적 강도 및 형태안정성이 떨어질 수 있고, 상기 다공성 나노 웹의 두께가 20 ㎛를 초과할 경우 고분자 전해질막의 저항손실이 증가할 수 있다. The porous nanoweb may be formed to a thickness of 5 to 20 ㎛. When the thickness of the porous nanoweb is less than 5 μm, the mechanical strength and shape stability of the polymer electrolyte membrane may be reduced, and when the thickness of the porous nanoweb exceeds 20 μm, the resistance loss of the polymer electrolyte membrane may increase.
상기 다공성 나노 웹은 70 내지 98 %의 다공도를 가질 수 있다. 상기 다공성 나노 웹의 다공도가 70% 미만일 경우는 고분자 전해질막의 이온전도도가 떨어질 수 있고 상기 다공성 나노 웹의 다공도가 98 %를 초과할 경우에는 고분자 전해질막의 기계적 강도 및 형태안정성이 떨어질 수 있다. The porous nanoweb may have a porosity of 70 to 98%. When the porosity of the porous nanoweb is less than 70%, the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane may drop, and when the porosity of the porous nanoweb exceeds 98%, the mechanical strength and shape stability of the polymer electrolyte membrane may decrease.
상기 이온전도체는 고분자 전해질막의 주기능인 이온전도기능을 수행하는 것으로서, 그와 같은 이온전도기능이 우수하고 또한 가격면에서도 유리한 탄화수소계 고분자를 이용할 수 있으며, 특히 전술한 바와 같이 상기 다공성 나노 웹의 기공 내에 이온전도체를 충진하는 공정의 용이성을 위해서 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 물질을 포함하여 이루어진다. 이와 같은 요구특성을 모두 만족하여 이온전도체에 이용될 수 있는 탄화수소계 고분자로는 S-PI(sulfonated polyimide), S-PAES(sulfonated polyarylethersulfone), S-PEEK(sulfonated polyetheretherketone), 술포네이트 폴리벤즈이미다졸(sulfonated polybenzimidazole: S-PBI), 술포네이트 폴리술폰(sulfonated polysulfone: S-PSU), 술포네이트 폴리스티렌(sulfonated polystyrene: S-PS), 술포네이트 폴리포스파젠(sulfonated polyphosphazene) 또는 그들의 혼합물을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 유기용매에 대해 "용해성"이란 상온에서 NMP, DMF, DMA, 또는 DMSO의 유기용매에 녹는 특성을 의미한다. The ion conductor performs an ion conducting function, which is a main function of the polymer electrolyte membrane, and can use a hydrocarbon-based polymer having such an ion conducting function and advantageous in terms of price, and as described above, the pores of the porous nanoweb. In order to facilitate the process of filling the ion conductor therein, a hydrocarbon-based material soluble in an organic solvent is included. Hydrocarbon-based polymers that can satisfy all of these requirements can be used in ionic conductors such as sulfonated polyimide (S-PI), sulfonated polyarylethersulfone (S-PAES), sulfonated polyetheretherketone (S-PEEK), and sulfonate polybenzimidazole (sulfonated polybenzimidazole: S-PBI), sulfonated polysulfone (S-PSU), sulfonated polystyrene (S-PS), sulfonated polyphosphazene, or mixtures thereof. However, the present invention is not limited thereto. Here, "soluble" with respect to the organic solvent means a characteristic that is dissolved in the organic solvent of NMP, DMF, DMA, or DMSO at room temperature.
상기 이온전도체는 상기 다공성 나노 웹의 기공 내에 충진되는 것으로서, 연료전지 운전 중 온도 또는 습도 등의 작동 조건이 변경될 경우 이온전도체와 다공성 나노 웹 사이의 접착성이 저하될 수 있는데, 본 발명의 경우 이온전도체와 다공성 나노 웹 모두 탄화수소계 고분자를 포함하여 구성되어 있기 때문에 기본적으로 양자 사이의 접착성이 우수하다. 더불어, 이온전도체에 포함된 탄화수소계 물질과 다공성 나노 웹에 포함된 탄화수소계 물질을 서로 동일한 물질계로 구성할 수 있으며, 구체적으로는 이온전도체로서 S-PI(sulfonated polyimide)을 이용하고 다공성 나노 웹으로서 폴리이미드를 이용할 경우 이온전도체와 다공성 나노 웹 사이의 접착성이 매우 우수하게 될 수 있다. The ion conductor is filled in the pores of the porous nanoweb, the adhesion between the ion conductor and the porous nanoweb may be degraded when the operating conditions such as temperature or humidity during fuel cell operation is changed, in the case of the present invention Since both the ion conductor and the porous nanoweb are composed of hydrocarbon-based polymers, the adhesion between the two is basically excellent. In addition, the hydrocarbon-based material included in the ion conductor and the hydrocarbon-based material included in the porous nanoweb may be composed of the same material system. Specifically, S-PI (sulfonated polyimide) is used as the ion conductor and as the porous nanoweb. If polyimide is used, the adhesion between the ion conductor and the porous nanoweb may be very excellent.
이와 같이 다공성 나노 웹과 이온전도체의 접착력이 우수함에 따라 이들로 포함하여 이루어진 전해질막은 수분에 의해 3차원적으로 팽창을 억제할 수 있어 길이 및 두께 팽창률이 상대적으로 낮아진다.As described above, as the adhesion between the porous nanoweb and the ion conductor is excellent, the electrolyte membrane including these can inhibit expansion in three dimensions by moisture, so that the length and thickness expansion ratio are relatively low.
상술한 바와 같이 우수한 기공 특성을 갖는 다공성 나노 웹과 상기 다공성 나노 웹의 기공에 충분히 충진된 이온전도체를 포함하는 고분자 전해질막은 10% 이하의 두께 팽창률을 갖는다. 즉, 상기 고분자 전해질막의 수분에 대한 두께 방향으로 변형 정도인 두께 팽창률은 10% 이하인 것이 바람직할 수 있다. 고분자 전해질막은 연료전지용 분리막에 사용할 수 있는데, 이러한 분리막은 고습 상태에 노출됨에 따라 팽창과 수축을 반복하는데, 만일 상기 분리막의 두께 팽창률이 지나치게 높으면 전극과 분리될 수 있고, 이와 같이 전극과 분리막이 분리될 경우 연료전지의 성능이 급격히 저하될 수 있다. As described above, the polymer electrolyte membrane including the porous nanoweb having excellent pore properties and the ion conductor sufficiently filled in the pores of the porous nanoweb has a thickness expansion ratio of 10% or less. That is, it may be preferable that the thickness expansion ratio of the degree of deformation in the thickness direction with respect to the moisture of the polymer electrolyte membrane is 10% or less. The polymer electrolyte membrane may be used in a fuel cell separator, and the separator repeats expansion and contraction as it is exposed to high humidity. If the thickness expansion ratio of the separator is too high, the separator may be separated from the electrode. If so, the performance of the fuel cell may be drastically reduced.
상기 고분자 전해질막의 두께 팽창률은 다음 식으로부터 측정된다.The thickness expansion ratio of the polymer electrolyte membrane is measured from the following equation.
두께 팽창률(%) = [(T1-T0)/T0)]×100 Thickness Expansion Rate (%) = [(T1-T0) / T0)] × 100
이때, 상기 T0는 물에 팽창 전의 고분자 전해질막의 평균 두께이고, 상기 T1은 물에 팽창 후의 고분자 전해질막의 평균 두께이다. In this case, T0 is the average thickness of the polymer electrolyte membrane before expansion in water, T1 is the average thickness of the polymer electrolyte membrane after expansion in water.
이러한 두께 팽창률은 구성 소재에 가장 큰 영향을 받지만, 전해질막의 형태에 따라서도 큰 영향을 받는다. 예를 들어, 전해질막이 이온 전도체로만 이루어진 단일막일 경우, 이온전도체 특성상 매우 큰 수분율을 나타내며 이러한 특성으로 인해 단일막은 수분에 의해 직접적으로 영향을 받기 때문에 두께 팽창률이 매우 클 수 있다.This thickness expansion ratio is most affected by the material of construction, but also greatly affected by the shape of the electrolyte membrane. For example, when the electrolyte membrane is a single membrane composed of only ion conductors, the membrane has a very high moisture content due to the ion conductor characteristics, and due to this characteristic, the single membrane is directly affected by moisture, and thus the thickness expansion ratio may be very large.
또한, 섬유들이 3차원적으로 서로 엉켜서 이루어진 웹에 이온전도체가 충진된 전해질막은 수분에 의해 3차원적으로 팽창을 억제할 수 있어 길이 및 두께 팽창률이 상대적으로 낮아진다. 특히, 지지체 역할을 하는 웹과 이온전도체가 강하게 부착되어 있을 경우 전해질막의 두께 팽창률은 더욱 낮아진다. 왜냐하면, 지지체 역할을 하는 웹은 통상 소수성이기 때문에 수분에 의해 팽창이 잘 일어나지 않고, 이러한 웹에 강하게 부착된 이온전도체는 웹의 수분 팽창 특성에 영향을 받기 때문에 두께 팽창률이 더욱 낮아지게 된다. In addition, the electrolyte membrane in which the ion conductor is filled in the web formed by entangled fibers in three dimensions can suppress expansion in three dimensions by moisture, so that the length and thickness expansion ratio are relatively low. In particular, when the web serving as the support and the ion conductor are strongly attached, the thickness expansion ratio of the electrolyte membrane is further lowered. Because the web serving as the support is usually hydrophobic, the expansion does not occur easily due to moisture, and the ion-conductor strongly attached to the web is affected by the water expansion characteristics of the web, thereby lowering the thickness expansion rate.
또한, 상기 웹이 직경이 작은 섬유들로 이루어질 경우 표면적이 증가하고 다공도가 높아지며 방향성이 없이 최적의 3차원적인 구조를 가질 수 있기 때문에 이로부터 제조된 전해질막은 더욱 낮은 두께 팽창률을 가지게 된다.In addition, when the web is composed of fibers having a small diameter, the surface area, porosity, and orientation can have an optimal three-dimensional structure, and thus the electrolyte membrane prepared therefrom has a lower thickness expansion ratio.
본 발명의 고분자 전해질막은 나노 섬유들을 최적의 조건에서 적층시켜 제조됨에 따라 된 표면적 및 다공성이 우수한 나노 웹을 사용하고, 이러한 나노 웹과 강하게 부착된 이온전도체로 이루어져 있기 때문에 10% 이하의 낮은 두께 팽창률을 가지게 된다. The polymer electrolyte membrane of the present invention uses a nanoweb having excellent surface area and porosity, which is prepared by laminating nanofibers under optimum conditions, and has a low thickness expansion rate of 10% or less because it consists of such nanoweb and strongly adhered ion conductors. Will have
상기 고분자 전해질막은 아래 식에 의해 측정된 상기 나노 웹의 두께 비율이 20% 이상일 수 있다. The polymer electrolyte membrane may have a thickness ratio of 20% or more as measured by the following formula.
나노 웹의 두께 비율 = [A/(B+C)]×100Thickness ratio of nano web = [A / (B + C)] × 100
상기 A는 나노 웹의 평균 두께이고, 상기 B는 상부 이온전도체의 평균 두께이며, 상기 C는 하부 이온전도체의 평균 두께이다.A is the average thickness of the nanoweb, B is the average thickness of the upper ion conductor, and C is the average thickness of the lower ion conductor.
만일, 상기 나노 웹의 두께 비율이 20% 미만일 경우, 전해질막의 지지체 역할을 하는 부분이 지나치게 낮아짐으로써 기계적 물성이 급격하게 저하됨에 따라 내구성이 크게 저하될 수 있고 두께 팽창률이 증가함에 따라 전지성능이 저하될 수 있기 때문이다. If the thickness ratio of the nanoweb is less than 20%, as the support portion of the electrolyte membrane is too low, the mechanical properties may be drastically lowered, so durability may be greatly reduced, and battery performance decreases as the thickness expansion ratio is increased. Because it can be.
본 발명에 따른 고분자 전해질막은 다공성 나노 웹의 기공 내에 이온전도체를 충진한 구조이기 때문에 기계적 강도가 10 ㎫이상으로 우수하게 된다. 또한 기계적 강도가 증진됨에 따라 고분자 전해질막의 전체 두께를 80㎛ 이하로 줄일 수 있어 이온 전도속도가 빨라지고 저항손실이 줄어들며 재료비용도 감소되는 이점이 있다. Since the polymer electrolyte membrane according to the present invention has a structure in which the ion conductor is filled in the pores of the porous nanoweb, the mechanical strength is excellent to 10 MPa or more. In addition, as the mechanical strength is improved, the overall thickness of the polymer electrolyte membrane can be reduced to 80 μm or less, thereby increasing the ion conduction speed, reducing the resistance loss, and reducing the material cost.
또한, 본 발명은 고분자 전해질막을 구성하는 다공성 나노 웹과 이온전도체를 모두 탄화수소계 고분자물질을 이용하기 때문에 접착력이 우수함에 따라 내구성이 우수하고, 그에 더하여 종래와 같은 고가의 불소계 이온전도체 또는 테프론 수지 등을 이용하지 않고 상대적으로 저가인 탄화수소계 고분자물질을 이용하기 때문에 대량생산시 경제성에서 우수한 장점이 있다. In addition, since the porous nanoweb and the ion conductor constituting the polymer electrolyte membrane both use a hydrocarbon-based polymer material, the present invention has excellent adhesive strength, and thus, durability is excellent, and in addition, the conventional fluorine-based ion conductor or Teflon resin, etc. Because of using a relatively inexpensive hydrocarbon-based polymer material without using a has a good economical advantage in mass production.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질막의 제조방법에 대해서 설명하기로 한다. 고분자의 종류, 중량비 등 전술한 바와 동일한 부분에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다. Hereinafter, a method of manufacturing a polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention will be described. Detailed description of the same parts as described above, such as the type, weight ratio of the polymer will be omitted.
우선 고분자 전해질막의 제조방법은, 유기용매에 대해 불용성인 탄화수소계 물질을 포함한 다공성 나노 웹을 제조하는 공정 및 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 물질을 포함한 이온전도체를 유기용매에 용해시켜 이온전도체 용액을 제조하는 공정을 포함한다. First, a method of preparing a polymer electrolyte membrane includes a process of preparing a porous nanoweb containing a hydrocarbon-based material insoluble in an organic solvent, and an ion conductor solution by dissolving an ion conductor containing a hydrocarbon-based material insoluble in an organic solvent in an organic solvent. It includes the process of manufacturing.
상기 나노 웹 제조와 상기 이온전도체 용액 제조 사이에 특별한 공정순서가 있는 것은 아니다. There is no special process sequence between the nanoweb preparation and the ion conductor solution preparation.
상기 다공성 나노 웹은 유기용매에 대해 불용성인 탄화수소계 물질을 포함하기 때문에, 유기용매에 녹는 전구체를 이용하여 나노 웹을 형성한 후 소정의 반응을 통해 제조할 수 있다. Since the porous nanoweb includes a hydrocarbon-based material that is insoluble in an organic solvent, the porous nanoweb may be prepared through a predetermined reaction after forming the nanoweb using a precursor soluble in the organic solvent.
구체적으로는, 전구체(precusor)를 방사용매에 녹여 방사용액을 제조하고, 이어서 상기 제조된 방사용액을 전기방사하여 평균 직경이 0.005 내지 5 ㎛인 나노 섬유로 이루어진 다공성 나노 웹을 제조한 후 제조된 나노 웹을 후처리함에 의해 다공성 나노 웹을 제조할 수 있다.Specifically, a precursor is prepared by dissolving a precursor in a spinning solvent, followed by electrospinning the prepared spinning solution to prepare a porous nanoweb made of nanofibers having an average diameter of 0.005 to 5 μm. Porous nanowebs can be prepared by post-treatment of nanowebs.
상기 다공성 나노 웹은 높은 다공도와 미세한 공극 및 박막을 얻기 위해 전기방사 공정을 통해 제조한다. The porous nanoweb is manufactured through an electrospinning process to obtain high porosity and fine pores and thin films.
한편, 유기용매에 비용해성을 갖는 다공성 나노 웹은 전기방사 공정을 통해 직접 제조할 수 없다. 즉, 다공성 나노 웹을 형성하는 폴리이미드 또는 폴리벤즈옥사졸은 NMP, DMF, DMA, 또는 DMSO의 용매에 잘 녹지 않기 때문에 방사용액을 제조하기가 곤란하기 때문이다. On the other hand, porous nano webs that are insoluble in organic solvents cannot be directly manufactured through an electrospinning process. In other words, the polyimide or polybenzoxazole forming the porous nanoweb is difficult to prepare a spinning solution because it is difficult to dissolve in a solvent of NMP, DMF, DMA, or DMSO.
따라서, 우선 유기용매에 잘 녹는 전구체를 이용하여 전구체 나노 웹을 제조한 후 제조된 전구체 나노 웹이 상기 유기용매에 녹지 않도록 후처리하여 유기용매에 비용해성인 다공성 나노 웹이 제조된다.Therefore, first, the precursor nanoweb is prepared by using a precursor that is well soluble in an organic solvent, and then the prepared precursor nanoweb is post-treated so that it is not dissolved in the organic solvent, thereby preparing a porous nanoweb which is insoluble in the organic solvent.
상기 전구체는 0.5% 이하의 수분율을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 왜냐하면, 상기 전구체의 수분율이 0.5%를 초과할 경우, 수분에 의해 방사용액의 점도가 떨어지고 방사 후 수분에 의해 필라멘트가 절단되어 공정성이 저하될 수 있으며 결점으로 작용함으로써 물성이 떨어질 수 있기 때문이다. It may be preferred that the precursor has a moisture content of 0.5% or less. This is because, if the moisture content of the precursor exceeds 0.5%, the viscosity of the spinning solution may be lowered by the moisture, and the filament may be cut by the moisture after spinning, thereby decreasing processability and deteriorating physical properties by acting as a defect.
상기 전구체 나노 웹을 비용해성인 다공성 나노 웹으로 제조하기 위한 후처리 방법은 열처리 방법 또는 화학적 처리 방법이 있다. 특히, 상기 열처리 방법은 고온 및 고압으로 설정된 핫프레스(hot press)를 이용하여 수행될 수 있다. The post-treatment method for preparing the precursor nanoweb into the insoluble porous nanoweb includes a heat treatment method or a chemical treatment method. In particular, the heat treatment method may be performed using a hot press set to a high temperature and a high pressure.
본 발명의 일 실시예인 폴리이미드 다공성 나노 웹의 제조방법을 설명한다.It describes a method for producing a polyimide porous nanoweb as an embodiment of the present invention.
폴리아믹애시드(polyamicacid) 전구체를 전기방사하여 나노 웹 전구체를 형성한 후 핫프레스(hot press)를 이용하여 나노 웹 전구체를 이미드화(imidization)시켜 폴리이미드 다공성 나노 웹이 제조될 수 있다. The polyimide porous nanoweb may be prepared by electrospinning a polyamicacid precursor to form a nanoweb precursor and then imidizing the nanoweb precursor using a hot press.
보다 구체적으로 설명하면, 테트라하이드로푸란(THF) 용매에 폴리아믹애시드를 용해시켜 전구체 용액을 제조하고, 상기 전구체 용액을 20 내지 100 ℃의 온도 및 1 내지 1,000 ㎸의 고전압이 인가된 상태에서 방사 노즐을 통해 토출시켜 집전체(collector)에 폴리아믹애시드 나노 웹을 형성한 후 상기 폴리아믹애시드 나노 웹을 80 내지 400℃ 온도로 설정된 핫프레스에서 열처리함으로써 폴리이미드 다공성 나노 웹이 완성될 수 있다. In more detail, a precursor solution is prepared by dissolving polyamic acid in a tetrahydrofuran (THF) solvent, and the precursor solution is sprayed at a temperature of 20 to 100 ° C. and a high voltage of 1 to 1,000 kPa. The polyimide porous nanoweb may be completed by forming a polyamic acid nanoweb on a collector by discharging it and then heat treating the polyamic acid nanoweb in a hot press set at a temperature of 80 to 400 ° C.
본 발명의 다른 실시예인 폴리벤즈옥사졸 다공성 나노 웹은, 폴리하이드록시아마이드(polyhydroxyamide) 전구체를 이용하여 상술한 방법과 유사한 방법으로 전기방사한 후 열처리하여 제조될 수 있다. Polybenzoxazole porous nanoweb of another embodiment of the present invention, by using a polyhydroxyamide (polyhydroxyamide) precursor can be prepared by an electrospinning and heat treatment in a similar manner as described above.
이와 같이 고융점을 갖고 유기용매에 불용성인 폴리이미드 또는 폴리벤즈옥사졸 다공성 나노 웹은 전해질막의 내열성, 내화학성, 및 기계적 물성을 향상시키는 역할을 하게 된다.As such, the polyimide or polybenzoxazole porous nanoweb having a high melting point and insoluble in an organic solvent serves to improve heat resistance, chemical resistance, and mechanical properties of the electrolyte membrane.
다음, 상기 다공성 나노 웹의 기공 내에 상기 이온전도체 용액을 충진한다. Next, the ion conductor solution is filled in the pores of the porous nanoweb.
상기 다공성 나노 웹의 기공 내에 상기 이온전도체 용액을 충진하는 공정은 담지 공정을 이용할 수 있으나, 반드시 그에 한정되는 것은 아니고, 라미네이팅 공정, 스프레이 공정, 스크린 프린팅 공정, 닥터 블레이드 공정 등 당업계에 공지된 다양한 방법을 이용할 수 있다. The process of filling the ion conductor solution into the pores of the porous nanoweb may use a supporting process, but is not necessarily limited thereto, and various methods known in the art, such as a laminating process, a spray process, a screen printing process, a doctor blade process, and the like. The method can be used.
상기 침지 공정을 이용할 경우에는 상온에서 5 ~ 30분 동안 2 ~ 5회 침지 공정을 수행하는 것이 바람직하다. When using the immersion process, it is preferable to perform the immersion process 2 to 5 times for 5 to 30 minutes at room temperature.
상기 이온전도체 용액을 충진한 후에는 이온전도체 용액 내의 유기용매를 제거하여, 다공성 나노 웹의 기공 내에 이온전도체가 채워지도록 한다. 상기 유기용매를 제거하는 공정은 60 ~ 150도 열풍 오븐에서 2 ~ 5시간 동안 건조하는 공정으로 이루어질 수 있다. After the ion conductor solution is filled, the organic solvent in the ion conductor solution is removed so that the ion conductor is filled in the pores of the porous nanoweb. The process of removing the organic solvent may be a process of drying for 2 to 5 hours in a 60 to 150 degree hot air oven.
이하, 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이므로 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 안 된다. Hereinafter, the present invention will be described in detail through Examples and Comparative Examples. However, the following examples are only intended to help the understanding of the present invention, and the scope of the present invention should not be limited.
실시예Example 1 One
농도가 12 중량%인 폴리아믹애시드/THF 방사용액을 30 ㎸의 전압이 인가된 상태에서 전기방사한 후 폴리아믹애시드 나노 웹 전구체를 형성한 후 350 ℃의 오븐에서 5시간 동안 열처리하여 15 ㎛의 평균 두께를 갖는 폴리이미드 다공성 나노 웹을 제조하였다. 이때, 상기 전기방사는 25 ℃에서 스프레이 젯 노즐에서 30 ㎸의 전압을 인가한 상태에서 수행하였다. The polyamic acid / THF spinning solution having a concentration of 12% by weight was electrospun in a state where a voltage of 30 kV was applied, and then a polyamic acid nano web precursor was formed, followed by heat treatment in an oven at 350 ° C. for 15 hours Polyimide porous nanowebs with average thicknesses were prepared. At this time, the electrospinning was carried out in a state in which a voltage of 30 kW was applied in a spray jet nozzle at 25 ℃.
N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidinone; NMP)에 S-PEEK(sulfonated polyetheretherketone)을 용해시켜 10 중량%의 이온전도체 용액을 제조하였다. S-PEEK (sulfonated polyetheretherketone) was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) to prepare a 10 wt% ion conductor solution.
상기 이온전도체 용액에 상기 다공성 나노 웹을 침지하였는데, 구체적으로는 상온에서 20분 동안 3회 침지 공정을 수행하였고, 이때 미세 기포 제거를 위해 감압 분위기를 1시간 가량 적용하였다. 그 후, 80 ℃로 유지된 열풍 오븐에서 3시간 건조하여 NMP를 제거하여 45 ㎛의 평균 두께를 갖는 고분자 전해질막을 제조하였다. The porous nanoweb was immersed in the ion conductor solution. Specifically, the immersion process was performed three times at room temperature for 20 minutes. At this time, a reduced pressure atmosphere was applied for 1 hour to remove fine bubbles. Thereafter, the resultant was dried in a hot air oven maintained at 80 ° C. for 3 hours to remove NMP to prepare a polymer electrolyte membrane having an average thickness of 45 μm.
실시예Example 2 2
전술한 실시예 1에서, 상기 전기 방사 조건을 조절하여 다공성 나노 웹의 평균 두께를 10 ㎛로 변경하고, 상기 이온전도체 함침량을 조절하여 전해질막의 평균 두께가 50 ㎛로 변경된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자 전해질막을 제조하였다. In Example 1 described above, except that the average thickness of the porous nanoweb is changed to 10 μm by adjusting the electrospinning conditions, and the average thickness of the electrolyte membrane is changed to 50 μm by adjusting the amount of ion conductor impregnation. A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in 1.
비교예Comparative example 1 One
N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidinone; NMP)에 S-PEEK(sulfonated polyetheretherketone)을 용해시켜 15 중량%의 이온전도체 용액을 제조하였다. 이를 유리판 위에서 닥터 블레이드를 이용하여 막을 형성하고 이를 80 ℃로 유지된 열풍 오븐에서 3시간 건조하여 NMP를 제거하여 두께 50㎛의 단일막의 고분자 전해질막을 제조 하였다.S-PEEK (sulfonated polyetheretherketone) was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) to prepare a 15 wt% ion conductor solution. The film was formed on a glass plate using a doctor blade, and dried in a hot air oven maintained at 80 ° C. for 3 hours to remove NMP, thereby preparing a polymer membrane having a thickness of 50 μm.
비교예Comparative example 2 2
DMAc 용액에 폴리설폰 25 중량%와 PVP 5중량%을 혼합하여 용해시킨 후 유리판에 닥터블레이드를 이용하여 막을 형성하고 이를 상온의 물에 침지하였다. 이를 다시 초순수에 하루 침지하여 잔존 용매를 제거한 후 80 ℃로 유지된 열풍에 24시간 건조하여 두께 30 ㎛의 다공성 폴리설폰 막을 제조하였다. 이렇게 제조된 폴리설폰 다공막에 알코올에 분산된 나피온 용액을 상기 실시예1과 동일한 방법으로 함침, 건조하여 45 ㎛의 평균 두께를 갖는 고분자 전해질막을 제조하였다. After dissolving 25% by weight of polysulfone and 5% by weight of PVP in a DMAc solution, a film was formed using a doctor blade on a glass plate and immersed in water at room temperature. This was again immersed in ultrapure water for one day to remove the residual solvent and dried for 24 hours in hot air maintained at 80 ℃ to prepare a porous polysulfone membrane of 30 ㎛ thickness. The polysulfone porous membrane thus prepared was impregnated and dried in the same manner as in Example 1 to dry the Nafion solution in alcohol to prepare a polymer electrolyte membrane having an average thickness of 45 μm.
비교예Comparative example 3 3
전술한 실시예 1에서, 상기 전기 방사 조건을 조절하여 상기 다공성 나노 웹의 평균 두께를 8 ㎛로 변경하고, 이온전도체 함침량을 조절하여 고분자 전해질막의 평균 두께를 50 ㎛로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자 전해질막을 제조하였다. In Example 1, the electrospinning conditions were adjusted to change the average thickness of the porous nanoweb to 8 μm, and the average thickness of the polymer electrolyte membrane was changed to 50 μm by adjusting the amount of ion conductor impregnation. A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1.
실시예 및 비교예 들에 의해 제조된 다공성 나노 웹 및 다공성 고분자 전해질막들의 물성은 다음의 방법으로 측정하여 아래의 표 1에 나타내었다.
The physical properties of the porous nanoweb and the porous polymer electrolyte membranes prepared by Examples and Comparative Examples were measured by the following method and are shown in Table 1 below.
다공성 나노 웹 및 고분자 Porous Nano Webs and Polymers 전해질막의Electrolyte membrane 두께(㎛) Thickness (㎛)
마이크로미터를 이용하여 샘플 10 포인트의 두께를 측정하여 평균값으로 다공성 나노 웹 및 고분자 전해질막의 두께를 평가하였다.
The thickness of the sample 10 points was measured using a micrometer to evaluate the thickness of the porous nanoweb and the polymer electrolyte membrane as an average value.
나노 웹의 두께 비율(%)% Thickness of nano web
도 1에 나타낸 바와 같이, 전자현미경을 통해 얻어진 고분자 전해질막의 단면 사진을 통해 얻어진 나노 웹의 평균 두께(A) 및 이온전도체의 평균 두께(B+C)로부터 아래의 식을 이용하여 나노 웹의 두께 비율을 측정하였다. As shown in FIG. 1, the average thickness (A) of the nanoweb and the average thickness (B + C) of the ion conductor (B + C) obtained through the cross-sectional photograph of the polymer electrolyte membrane obtained through the electron microscope, are used. The ratio was measured.
나노 웹의 두께 비율(%) = [A/(B+C)]×100
% Thickness of nanoweb = [A / (B + C)] × 100
고분자 Polymer 전해질막의Electrolyte membrane 기계적 강도(㎫) Mechanical strength (MPa)
ASTM 638에 따라 측정하였다. 이때, 구체적인 측정 조건은 다음과 같다.It was measured according to ASTM 638. At this time, specific measurement conditions are as follows.
인장 속도 : 25 ㎝/분Tensile Speed: 25 cm / min
그립 간격 : 6.35 ㎝Grip Spacing: 6.35 cm
온도 및 습도 : 25 ℃×50 %
Temperature and humidity: 25 ℃ × 50%
고분자 Polymer 전해질막의Electrolyte membrane 두께 팽창률(%) Thickness Expansion Rate (%)
실시예 및 비교예에서 얻어진 각 고분자 전해질막으로부터 10㎝×10㎝의 샘플을 제조하고, 각 샘플을 80 ℃에서 3시간 동안 진공 건조한 후 두께(T0)를 측정하였다. 이어서, 각 샘플을 상온의 물에 3시간 침지한 후 꺼내어 표면의 물을 제거한 후 두께(T1)를 측정하였다. 이어서, 얻어진 팽융 전후의 샘플 두께를 이용하여 아래의 식으로부터 고분자 전해질막의 두께 팽창률(%)을 측정하였다. Samples of 10 cm × 10 cm were prepared from the polymer electrolyte membranes obtained in Examples and Comparative Examples, and each sample was vacuum dried at 80 ° C. for 3 hours, and then the thickness (T 0) was measured. Subsequently, each sample was immersed in water at room temperature for 3 hours, then taken out to remove the surface water, and then the thickness (T1) was measured. Next, using the obtained sample thickness before and after swelling, the thickness expansion ratio (%) of the polymer electrolyte membrane was measured from the following equation.
두께 팽창률(%) = [(T1-T0)/T0)]×100
Thickness Expansion Rate (%) = [(T1-T0) / T0)] × 100
A : 나노 웹의 평균 두께 B : 상부 이온전도체의 두께
C : 하부 이온전도체의 두께A: average thickness of the nanoweb B: thickness of the upper ion conductor
C: thickness of lower ion conductor
Claims (13)
상기 다공성 나노 웹의 기공 내에 충진되고, 상온에서 상기 유기용매에 용해성인 탄화수소계 물질을 포함하는 이온전도체를 포함하는 고분자 전해질막.Porous nano webs having a melting point of 300 ° C. or higher and insoluble in organic solvents of NMP, DMF, DMA, or DMSO at room temperature; And
A polymer electrolyte membrane filled with pores of the porous nano-web, comprising an ion conductor containing a hydrocarbon-based material soluble in the organic solvent at room temperature.
상기 고분자 전해질막은 10% 이하의 두께 팽창률을 갖는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막. The method of claim 1,
The polymer electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane, characterized in that having a thickness expansion rate of 10% or less.
상기 고분자 전해질막은 아래 식에 의해 측정된 상기 나노 웹의 두께 비율이 20% 이상인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.
나노 웹의 두께 비율 = [A/(B+C)]×100
상기 A는 나노 웹의 평균 두께이고, 상기 B는 상부 이온전도체의 평균 두께이며, 상기 C는 하부 이온전도체의 평균 두께이다.The method of claim 1,
The polymer electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane, characterized in that the thickness ratio of the nanoweb measured by the formula below 20% or more.
Thickness ratio of nano web = [A / (B + C)] × 100
A is the average thickness of the nanoweb, B is the average thickness of the upper ion conductor, and C is the average thickness of the lower ion conductor.
상기 나노 웹은 폴리이미드(polyimide), 폴리벤즈옥사졸(polybenzoxazole), 그들의 공중합물 또는 그들의 혼합물을 포함하는 고분자 전해질막. The method of claim 1,
The nanoweb is a polyimide (polyimide), polybenzoxazole (polybenzoxazole), a polymer electrolyte membrane comprising a copolymer or a mixture thereof.
상기 나노 웹은 0.005 내지 5 ㎛의 평균 직경을 갖는 나노 섬유로 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.The method of claim 1,
The nanoweb is a polymer electrolyte membrane, characterized in that consisting of nanofibers having an average diameter of 0.005 to 5 ㎛.
상기 나노 웹은 1 내지 20 ㎛의 평균 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.The method of claim 1,
The polymer web membrane, characterized in that the nanoweb has an average thickness of 1 to 20 ㎛.
상기 나노 웹은 다공도가 50 내지 98 %이고 기공의 평균 직경이 0.05 내지 30 ㎛인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.The method of claim 1,
The nanoweb has a porosity of 50 to 98% and an average diameter of pores is 0.05 to 30 ㎛ polymer electrolyte membrane.
상기 이온전도체는 S-PI(sulfonated polyimide), S-PAES(sulfonated polyarylethersulfone), S-PEEK(sulfonated polyetheretherketone), 술포네이트 폴리벤즈이미다졸(sulfonated polybenzimidazole: S-PBI), 술포네이트 폴리술폰(sulfonated polysulfone: S-PSU), 술포네이트 폴리스티렌(sulfonated polystyrene: S-PS), 술포네이트 폴리포스파젠(sulfonated polyphosphazene) 또는 그들의 혼합물을 포함하는 고분자 전해질막.The method of claim 1,
The ion conductor is sulfonated polyimide (S-PI), sulfonated polyarylethersulfone (S-PAES), sulfonated polyetheretherketone (S-PEEK), sulfonated polybenzimidazole (S-PBI), sulfonated polysulfone (sulfonated polysulfone) : S-PSU), a sulfonated polystyrene (S-PS), a sulfonate polyphosphazene (sulfonated polyphosphazene) or a polymer electrolyte membrane comprising a mixture thereof.
상기 고분자 전해질막은 기계적 강도가 10MPa이상인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막. The method of claim 1,
The polymer electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane, characterized in that the mechanical strength is 10MPa or more.
상기 방사용액을 전기방사하여 평균 직경이 0.005 내지 5 ㎛인 나노 섬유로 이루어진 다공성 나노 웹을 제조하는 공정;
상기 다공성 나노 웹이 NMP, DMF, DMA, 또는 DMSO의 유기용매에 비용해성이 되도록 상기 다공성 나노 웹을 후처리하는 공정;
상기 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 물질을 포함한 이온전도체를 상기 유기용매에 용해시켜 이온전도체 용액을 제조하는 공정; 및
상기 후처리된 다공성 나노 웹의 기공 내에, 아래 식에 의해 측정된 상기 나노 웹의 두께 비율이 20% 이상이 되도록, 상기 이온전도체 용액을 충진한 후 상기 유기용매를 제거하는 공정을 포함하는 고분자 전해질막.
나노 웹의 두께 비율 = [A/(B+C)]×100
상기 A는 나노 웹의 평균 두께이고, 상기 B는 상부 이온전도체의 평균 두께이며, 상기 C는 하부 이온전도체의 평균 두께이다.Preparing a spinning solution by dissolving a precursor in a spinning solvent;
Electrospinning the spinning solution to prepare a porous nanoweb made of nanofibers having an average diameter of 0.005 to 5 μm;
Post-processing the porous nanoweb such that the porous nanoweb is insoluble in an organic solvent of NMP, DMF, DMA, or DMSO;
Preparing an ion conductor solution by dissolving an ion conductor including a hydrocarbon-based material soluble in the organic solvent in the organic solvent; And
A polymer electrolyte comprising filling the ion conductor solution in the pores of the post-processed porous nanoweb so as to have a thickness ratio of 20% or more measured by the following equation, and then removing the organic solvent. membrane.
Thickness ratio of nano web = [A / (B + C)] × 100
A is the average thickness of the nanoweb, B is the average thickness of the upper ion conductor, and C is the average thickness of the lower ion conductor.
상기 전구체는 0.5 중량% 이하의 수분을 포함하는 고분자 전해질막의 제조방법. The method of claim 10,
The precursor is a method of producing a polymer electrolyte membrane containing less than 0.5% by weight of water.
상기 후처리하는 공정은 열처리 공정 또는 화학적 처리 공정을 포함하는 고분자 전해질막의 제조방법. The method of claim 10,
The post-treatment process includes a heat treatment process or a chemical treatment process.
상기 다공성 나노 웹은 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리벤즈옥사졸(polybenzoxazole)을 포함하는 고분자 전해질막의 제조방법. The method of claim 10,
The porous nanoweb is a method for producing a polymer electrolyte membrane comprising a polyimide (polyimide) or polybenzoxazole (polybenzoxazole).
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