KR20120134236A - Electrolyte membrane for fuel cell and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전해질막에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 연료전지에 이용되는 전해질막에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolyte membrane, and more particularly, to an electrolyte membrane used for a fuel cell.
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, 고체 전해질의 사용으로 인한 누수문제 해소, 빠른 시동과 응답 특성 및 우수한 내구성 등의 장점으로 인하여 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다. The fuel cells may be classified into alkali 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 a solid electrolyte. It has been spotlighted as a portable, automotive, and home power supply because of the advantages of eliminating the water leakage problem, fast start and response characteristics, and excellent durability.
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 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 cathode via the electrolyte membrane, and the generated electrons (e − ) are transferred to the cathode via 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.
전해질막은 산화극에서 생성된 수소이온(H+)이 환원극으로 전달되는 통로이므로 기본적으로 수소이온(H+)의 전도도가 우수해야 한다. 또한, 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 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 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. characteristics such as low loss) are required.
현재 사용되고 있는 전해질막으로는 불소계 수지로서 퍼플루오로설폰산 수지(상품명:Nafion)(이하 '나피온 수지'라 함)가 있다. 그러나, 나피온 수지는 기계적 강도가 약하여 장시간 사용하게 되면 핀홀(pinhole)이 발생하고 그로 인해 에너지 전환효율이 떨어지는 문제가 있다. 기계적 강도를 보강하기 위해서 나피온 수지의 막두께를 증가시켜 사용하는 시도가 있지만 이 경우는 저항손실이 증가되고 또한 고가인 재료의 사용양이 증가되어 경제성이 떨어지는 문제가 있다. Currently used electrolyte membranes are perfluorosulfonic acid resins (trade name: Nafion) (hereinafter referred to as Nafion resins) as fluorine resins. However, the Nafion resin has 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, there are attempts to increase the film thickness of Nafion resin, but in this case, there is a problem in that the resistance loss is increased and the amount of expensive materials is increased, thereby reducing economic efficiency.
이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 탄화수소계 다공성 나노 웹에 이온전도체를 함침한 강화 복합막이 개발되고 있다. In order to solve this problem, a reinforced composite membrane in which an ion conductor is impregnated with a hydrocarbon-based porous nanoweb has been developed.
그러나, 이러한 강화 복합막은 가습이 원활하게 이루어지지 않을 경우 즉, 저습도 상태에서 이온전도도가 급격히 떨어지는 문제가 발생한다. However, such a reinforced composite membrane has a problem that the ion conductivity drops sharply when the humidification is not performed smoothly, that is, in a low humidity state.
본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전해질막의 지지체 역할을 하는 다공성 나노 웹이 흡습성 소재가 내부에 균일하게 분포된 섬유를 포함함으로써 최적의 기공 특성을 가짐에 따라 이온전도도가 우수하고 낮은 습도 상태에서도 수분을 원활하게 흡수함에 따라 이온전도도 유지율이 우수한 연료전지용 전해질막 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is to solve the above problems, the porous nano-web serving as the support of the electrolyte membrane has a low ion conductivity as it has the optimum pore characteristics by including a fiber in which the hygroscopic material is uniformly distributed therein It is an object of the present invention to provide an electrolyte membrane for a fuel cell having excellent ion conductivity retention rate and a method of manufacturing the same, as moisture is smoothly absorbed even under humidity.
상기 목적을 달성하기 위한 일 측면으로서 본 발명은, 유기용매에 대해 불용성인 탄화수소계 고분자를 포함하는 다공성 나노 웹; 및 상기 다공성 나노 웹의 기공 내에 충진되며 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 고분자를 포함하는 이온전도체를 포함하고, 상기 다공성 나노 웹은 흡습성 섬유를 포함하고, 상기 흡습성 섬유의 내부에 흡습성 소재가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 전해질막을 제공한다.As one aspect for achieving the above object, the present invention, a porous nano-web comprising a hydrocarbon-based polymer insoluble in the organic solvent; And an ion conductor filled in pores of the porous nanoweb and containing a hydrocarbon-based polymer soluble in an organic solvent, wherein the porous nanoweb includes hygroscopic fibers, and a hygroscopic material is dispersed in the hygroscopic fibers. An electrolyte membrane is provided.
다른 측면으로서 본 발명은, 흡습성 소재가 포함된 방사액을 제조하는 공정; 상기 방사액을 방사하여 다공성 나노 웹을 제조하는 공정; 탄화수소계 고분자를 포함한 이온전도체를 유기용매에 용해시켜 이온전도체 용액을 제조하는 공정; 및 상기 다공성 나노 웹의 기공 내에 상기 이온전도체 용액을 충진한 후, 상기 유기용매를 제거하는 공정을 포함하는 전해질막의 제조방법을 제공한다.As another aspect, the present invention, a process for producing a spinning solution containing a hygroscopic material; Spinning the spinning solution to produce a porous nanoweb; Preparing an ion conductor solution by dissolving an ion conductor including a hydrocarbon-based polymer in an organic solvent; And filling the ion conductor solution in the pores of the porous nanoweb, and then removing the organic solvent.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.The present invention has the following effects.
첫째, 본 발명에 따른 전해질막은 전체적으로 균일하게 수분을 흡착할 수 있기 때문에 낮은 습도 상태에서도 높은 이온전도도를 가짐에 따라 이온전도도 유지율이 우수하다. First, since the electrolyte membrane according to the present invention can adsorb moisture uniformly as a whole, it has excellent ion conductivity retention as it has high ion conductivity even in a low humidity state.
둘째, 본 발명에 따른 전해질막은 바인더를 사용하지 않고 흡습성 소재를 부여함에 따라 최적의 기공 특성을 갖는 다공성 나노 웹을 포함함에 따라 우수한 이온전도도를 가질 수 있다.Secondly, the electrolyte membrane according to the present invention may have excellent ion conductivity as it includes a porous nanoweb having optimal pore characteristics by providing a hygroscopic material without using a binder.
셋째, 본 발명에 따른 전해질막은 흡습성 소재를 방사액에 첨가하여 제조하기 때문에 우수한 생산성을 가질 수 있다. Third, the electrolyte membrane according to the present invention can have excellent productivity because it is prepared by adding a hygroscopic material to the spinning solution.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 웹의 단면도이다.
도 2와 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 웹의 단면도이다.
도 4는 전해질막의 형태에 따른 습도에 따른 이온전도도에 대한 그래프이다. 1 is a cross-sectional view of a nanoweb according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are cross-sectional views of a nanoweb according to another embodiment of the present invention.
4 is a graph of ion conductivity according to humidity according to the shape of an electrolyte membrane.
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 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
본 발명에 따른 전해질막은 다공성 나노 웹, 및 상기 다공성 나노 웹의 기공 내에 충진된 이온전도체를 포함한다. The electrolyte membrane according to the present invention includes a porous nanoweb, and an ion conductor filled in the pores of the porous nanoweb.
본 발명에 따른 전해질막은 다공성 나노 웹, 및 상기 다공성 나노 웹의 기공 내에 충진된 이온전도체를 포함하여 이루어진다. The electrolyte membrane according to the present invention comprises a porous nanoweb, and an ion conductor filled in the pores of the porous nanoweb.
상기 다공성 나노 웹은 전해질막의 기계적 강도를 증진시키고 수분에 의한 부피팽창을 억제함으로써 형태안정성을 향상시키는 지지체와 같은 역할을 한다. 이러한 다공성 나노 웹은 가격 측면에서 유리한 탄화수소계 고분자를 포함하며, 특히, 다공성 나노 웹의 기공 내에 이온전도체를 용이하게 충진시키기 위해서 유기용매에 대해 불용성인 탄화수소계 고분자를 포함할 수 있다. 즉, 상기 다공성 나노 웹이 유기용매에 용해될 경우 이온전도체 용액을 다공성 나노 웹의 기공 내에 충진 시 다공성 나노 웹이 용해되어 전해질막의 기계적 물성 및 성능이 저하될 수 있다. The porous nanoweb serves as a support to improve the mechanical stability of the electrolyte membrane and to improve the shape stability by inhibiting volume expansion by moisture. The porous nanoweb may include a hydrocarbon-based polymer which is advantageous in terms of cost, and in particular, may include a hydrocarbon-based polymer that is insoluble in an organic solvent in order to easily fill an ion conductor in pores of the porous nanoweb. That is, when the porous nanoweb is dissolved in an organic solvent, when the ion conductor solution is filled in the pores of the porous nanoweb, the porous nanoweb may be dissolved, thereby lowering mechanical properties and performance of the electrolyte membrane.
이러한 요구 특성을 만족하는 탄화수소계 고분자로는 나일론, PI(Polyimide), PBO(Polybenzoxazole), PET(Polyethyleneterephtalate), PE(Polyethylene), PP(polypropylene), 그들의 공중합체, 또는 그들의 혼합물을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, "불용성"이란 상온에서 NMP, DMF, DMA, 또는 DMSO와 같은 유기용매에 녹지 않는 특성을 의미한다. Hydrocarbon-based polymers that satisfy these requirements include nylon, polyimide (PI), polybenzoxazole (PBO), polyethylene terephtalate (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP), copolymers thereof, or mixtures thereof. It is not necessarily limited thereto. Here, the term "insoluble" means a property that is insoluble in an organic solvent such as NMP, DMF, DMA, or DMSO at room temperature.
이와 같이 지지체 역할을 하는 다공성 나노 웹을 포함하는 전해질막이 연료전지의 분리막에 사용될 경우 높은 습도 환경에서는 양호한 이온전도도를 가지지만, 낮은 습도 환경에서는 이온전도도가 급격히 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. As such, when the electrolyte membrane including the porous nanoweb serving as a support is used for the membrane of the fuel cell, the electrolyte membrane has a good ion conductivity in a high humidity environment, but may cause a problem that the ion conductivity rapidly drops in a low humidity environment.
이러한 문제를 해결하고자 다공성 나노 웹은 수분을 쉽게 빨아들일 수 있는 흡습성 소재를 포함하고 있다. 이러한 흡습성 소재는 다공성 나노 웹에 다양한 형태로 포함될 수 있다. To solve this problem, the porous nanoweb includes a hygroscopic material that can easily absorb moisture. Such hygroscopic materials may be included in various forms in the porous nanoweb.
예를 들어, 흡습성 소재가 다공성 나노 웹에 코팅된 형태로 부여될 수 있다. 즉, 흡습성 소재를 포함하는 용액에 다공성 나노 웹을 함침 후 건조시켜 흡습성 소재가 코팅된 다공성 나노 웹이 제조될 수 있다. 그러나, 이와 같이 흡습성 소재가 다공성 나노 웹에 코팅된 경우 다공성 나노 웹을 이루고 있는 섬유의 표면에만 흡습성 소재가 존재하고 섬유 내부에는 흡습성 소재가 존재하지 않기 때문에 다공성 나노 웹의 흡수성이 크게 향상되지 못하고, 이로 인해 낮은 습도에서 이온전도도가 급격히 떨어질 수 있다. 또한, 흡습성 소재가 다공성 나노 웹에 코팅된 경우 흡습성 소재가 나노 웹으로부터 쉽게 이탈할 수 있기 때문에 내구성이 떨어질 수 있고, 흡습성 소재가 나노 웹의 기공을 막기 때문에 이온전도도가 떨어질 수 있다. For example, the hygroscopic material may be imparted to the porous nanoweb in a coated form. That is, the porous nanoweb coated with the hygroscopic material may be manufactured by impregnating and drying the porous nanoweb in a solution including the hygroscopic material. However, when the hygroscopic material is coated on the porous nanoweb, the hygroscopic material is present only on the surface of the fiber constituting the porous nanoweb and the hygroscopic material does not exist inside the fiber. This can lead to a sharp drop in ionic conductivity at low humidity. In addition, when the hygroscopic material is coated on the porous nanoweb, the hygroscopic material may be easily detached from the nanoweb, so durability may be degraded, and the ion conductivity may be lowered because the hygroscopic material blocks pores of the nanoweb.
반면, 흡습성 소재가 다공성 나노 웹을 이루는 섬유 내부에 고르게 분산된 형태로 부여될 수 있다. 예를 들어, 흡습성 소재가 섬유에 고르게 분산되어 있거나, 흡습성 소재로 이루어진 섬유를 포함하여 이루어진 다공성 나노 웹이 있을 수 있다. 이와 같이 흡습성 소재가 다공성 나노 웹 전체에 고르게 분산될 경우 수분을 효율적으로 흡수할 수 있기 때문에 낮은 습도에서도 이온전도도가 급격히 떨어지는 것을 방지할 수 있다. On the other hand, the hygroscopic material may be given in the form of evenly dispersed inside the fibers forming the porous nanoweb. For example, the hygroscopic material may be evenly dispersed in the fiber, or there may be a porous nanoweb including the fiber made of the hygroscopic material. As such, when the hygroscopic material is evenly dispersed throughout the porous nanoweb, moisture can be efficiently absorbed, thereby preventing a sharp drop in ion conductivity even at low humidity.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 나노 웹의 단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 흡습성 소재는 섬유 내부에 입자 상태로 분산되어 있을 수 있다. 1 is a cross-sectional view of a porous nanoweb according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the hygroscopic material may be dispersed in a particle state inside the fiber.
또한, 상기 흡습성 소재는 다른 탄화수소계 고분자와 고르게 섞여 혼합되어 있을 수 있다. In addition, the hygroscopic material may be mixed with the other hydrocarbon-based polymer evenly mixed.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다공성 나노 웹의 단면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 흡습성 소재가 단섬유(mono-filament)의 일 사이드에 위치하고 다른 탄화수소계 고분자가 상기 단섬유의 다른 사이드에 위치된, 즉 복합 섬유를 포함한 다공성 나노 웹일 수 있다. 2 is a cross-sectional view of a porous nanoweb according to another embodiment of the present invention. As shown in Figure 2, the hygroscopic material is located on one side of the mono-filament (mono-filament) and the other hydrocarbon-based polymer is located on the other side of the short fiber, that is, it may be a porous nano-web including a composite fiber.
또한, 상기 흡습성 소재는 단섬유의 외측부인 시스(sheath)에 위치하고 다른 탄화수소계 고분자는 상기 단섬유의 코어(core)에 위치된 복합 섬유를 포함한 다공성 나노 웹일 수 있다. In addition, the hygroscopic material is located in the sheath (sheath) of the outer side of the short fiber and the other hydrocarbon-based polymer may be a porous nanoweb including a composite fiber located in the core (core) of the short fiber.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다공성 나노 웹의 단면도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 흡습성 소재로 이루어진 단섬유와 다른 탄화수소계 고분자로 이루어진 단섬유가 고르게 섞여진 혼합 섬유를 포함한 다공성 나노 웹일 수 있다. 3 is a cross-sectional view of a porous nanoweb according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the nanofiber may include a porous nanoweb including mixed fibers in which short fibers made of the hygroscopic material and short fibers made of other hydrocarbon polymers are evenly mixed.
상기 흡습성 소재는 무기물 입자를 포함할 수 있다. 상기 무기물 입자는 알칼리토금속 산화물, 금속 산화물, 실리콘 산화물, 또는 황산염을 포함할 수 있다. 이러한 무기물 입자로는 CaO, BaO, SrO, TiO2, 또는 SiO2를 사용할 수 있다. The hygroscopic material may include inorganic particles. The inorganic particles may include alkaline earth metal oxides, metal oxides, silicon oxides, or sulfates. As such inorganic particles, CaO, BaO, SrO, TiO 2 , or SiO 2 may be used.
상기 흡습성 소재는 친수성 기를 포함하는 흡습성 고분자를 포함할 수 있다. 이러한 흡습성 고분자는 폴리우레탄, 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리메틸렌 옥사이드(PMO), 폴리에틸렌옥사이드 메타크릴레이트, 폴리에틸렌옥사이드 아크릴레이트, 폴리에틸렌옥사이드 디메타크릴레이트, 폴리에틸렌옥사이드 디아크릴레이트 및 폴리히드록시에틸메틸아크릴레이트(PHEMA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1 이상의 고분자 또는 그 공중합체를 포함할 수 있다. The hygroscopic material may include a hygroscopic polymer including a hydrophilic group. Such hygroscopic polymers include polyurethane, polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polymethylene oxide (PMO), polyethylene oxide methacrylate, polyethylene oxide acrylate, polyethylene oxide dimethacryl At least one polymer or a copolymer thereof selected from the group consisting of latex, polyethylene oxide diacrylate and polyhydroxyethylmethylacrylate (PHEMA).
상기 다공성 나노 웹은 3차원적으로 연결되는 다수의 기공을 구비하는데, 기공이 전체적으로 균일하게 형성되는 것이 기공 내에 충진되는 이온전도체가 균일하게 분포될 수 있고 그에 따라 전해질막의 이온전도도가 전체적으로 균일하게 될 수 있어 바람직하다. The porous nanoweb has a plurality of pores that are connected in three dimensions, the pores are formed uniformly as a whole, the ion conductors filled in the pores can be uniformly distributed, and thus the ion conductivity of the electrolyte membrane becomes uniform throughout It is preferable to be able.
상기 다공성 나노 웹에 형성되는 기공은 0.05 내지 30㎛의 직경 범위 내로 형성될 수 있는데, 기공이 0.05㎛ 미만으로 형성될 경우 전해질막의 이온전도도가 급격히 떨어질 수 있고, 기공이 30㎛를 초과할 경우 전해질막의 기계적 강도 및 형태안정성이 떨어질 수 있다. 또한, 상기 기공은 0.5 내지 20 ㎛의 직경을 가지는 것이 바람직할 수 있고, 더욱 바람직하게는 1.0 내지 15 ㎛의 직경을 가질 수 있다. The pores formed in the porous nanoweb may be formed within a diameter range of 0.05 to 30㎛, if the pores are formed less than 0.05㎛ ionic conductivity of the electrolyte membrane may drop sharply, if the pores exceed 30㎛ The mechanical strength and morphological stability of the membrane may be poor. In addition, the pores may preferably have a diameter of 0.5 to 20 ㎛, more preferably may have a diameter of 1.0 to 15 ㎛.
상기 다공성 나노 웹은 소정의 섬유로 이루어지고, 상기 섬유의 굵기는 0.005 내지 30㎛ 범위일 수 있다. 상기 섬유의 굵기가 0.005㎛ 미만일 경우 다공성 나노 웹의 기계적 강도가 저하될 수 있고 상기 섬유의 굵기가 30㎛를 초과할 경우 다공성 나노 웹의 다공도 조절이 용이하지 않을 수 있다. 또한, 상기 섬유의 굵기는 0.005 내지 5㎛ 범위인 것이 바람직할 수 있다. The porous nanoweb is made of a predetermined fiber, the thickness of the fiber may range from 0.005 to 30㎛. If the thickness of the fiber is less than 0.005㎛ the mechanical strength of the porous nanoweb may be lowered, and if the thickness of the fiber exceeds 30㎛ may not be easy to control the porosity of the porous nanoweb. In addition, the thickness of the fiber may be preferably in the range of 0.005 to 5㎛.
상기 이온전도체는 고분자 전해질막의 주기능인 수소이온을 전도하는 기능을 수행하는 것으로서, 이러한 이온전도도가 우수하고 또한 가격 측면에서도 유리한 탄화수소계 고분자를 이용할 수 있으며, 특히 전술한 바와 같이 상기 다공성 나노 웹의 기공 내에 이온전도체를 용이하게 충진시키기 위해서 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 고분자를 포함할 수 있다. 이와 같은 요구특성을 만족하여 이온전도체에 이용될 수 있는 탄화수소계 고분자로는 S-PI(sulfonated polyimide), S-PAES(sulfonated polyarylethersulfone), S-PEEK(sulfonated polyetheretherketone), 퍼플루오로 술폰산 수지 (Perfluorosulfonic acid; PFSA), 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 녹는 특성을 의미한다. The ion conductor performs a function of conducting hydrogen ions, which is a main function of the polymer electrolyte membrane, and can use a hydrocarbon-based polymer having excellent ion conductivity and advantageous in terms of price, and as described above, the pores of the porous nanoweb. In order to easily fill the ion conductor in the inside, a hydrocarbon-based polymer soluble in an organic solvent may be included. Hydrocarbon-based polymers that can be used for ion conductors satisfying these requirements include sulfonated polyimide (S-PI), sulfonated polyarylethersulfone (S-PAES), sulfonated polyetheretherketone (S-PEEK), and perfluorosulfonic acid resin (Perfluorosulfonic resin). acid; PFSA), sulfonated polybenzimidazole (S-PBI), sulfonated polysulfone (S-PSU), sulfonated polystyrene (S-PS), sulfonate polyphosphazene (sulfonated polyphosphazene) or mixtures thereof, but is not necessarily limited thereto. Here, the "soluble" with respect to the organic solvent means the characteristic of melting 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. 그에 더하여, 이온전도체에 포함된 탄화수소계 고분자와 다공성 나노 웹에 포함된 탄화수소계 고분자를 서로 동일한 물질계로 구성할 수 있으며, 구체적으로는 이온전도체로서 S-PI(sulfonated polyimide)을 이용하고 다공성 나노 웹으로서 PI(Polyimide)를 이용하는 것과 같이 이온전도체에 포함된 탄화수소계 고분자를 다공성 나노 웹에 포함된 탄화수소계 고분자의 설폰화 물질로 형성할 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 polymer included in the ion conductor and the hydrocarbon-based polymer included in the porous nanoweb may be composed of the same material, and specifically, S-PI (sulfonated polyimide) is used as the ion conductor and the porous nanoweb When the hydrocarbon-based polymer included in the ion conductor is formed of sulfonated material of the hydrocarbon-based polymer included in the porous nanoweb, such as using PI (Polyimide), the adhesion between the ion conductor and the porous nanoweb will be excellent. Can be.
위와 같이 구성된 전해질막은 50 내지 90 %의 이온전도도 유지율을 가질 수 있다. 즉, 상기 전해질막은 낮은 습도에서도 충분한 수분을 함유함에 따라 이온전도도가 크게 저하되지 않고 완만한 감소를 나타낼 수 있고, 이에 따라 습도 환경의 급격한 변화에도 우수한 연료 성능을 발휘할 수 있게 된다. The electrolyte membrane configured as above may have an ion conductivity retention of 50 to 90%. That is, the electrolyte membrane may exhibit a moderate decrease without significantly lowering the ionic conductivity as it contains sufficient moisture even at low humidity, thereby exhibiting excellent fuel performance even with a sudden change in the humidity environment.
도 4는 전해질막의 형태에 따른 습도에 따른 이온전도도에 대한 그래프이다. 도 4의 A는 흡습성 고분자가 탄화수소계 고분자가 혼합된 섬유로 이루어진 나노 웹을 포함한 전해질막에 대한 상대습도별 이온전도도 그래프이다. 또한, 도 4의 B는 탄화수소계 고분자로 이루어진 나노 웹에 흡습성 고분자를 코팅한 전해질막에 대한 상대습도별 이온전도도 그래프이다. 또한, 도 4의 C는 탄화수소계 고분자로 이루어진 나노 웹에 이온전도체를 충진한 전해질막에 대한 상대습도별 이온전도도 그래프이다. 4 is a graph of ion conductivity according to humidity according to the shape of an electrolyte membrane. 4A is a graph of ionic conductivity for each relative humidity of an electrolyte membrane including a nanoweb composed of fibers in which a hygroscopic polymer is mixed with a hydrocarbon-based polymer. 4B is a graph of ionic conductivity for each relative humidity of an electrolyte membrane coated with a hygroscopic polymer on a nanoweb made of a hydrocarbon-based polymer. 4C is a graph of ion conductivity for each relative humidity of an electrolyte membrane in which a nanoweb made of a hydrocarbon-based polymer is filled with an ion conductor.
도 4에 도시된 바와 같이, 흡습성 소재가 섬유 내부에 고르게 분산된 나노 웹을 포함하는 전해질막은 나노 웹은 상기 흡습성 소재에 의해 기공 특성이 변하지 않기 때문에 동일한 상대습도에서 다른 전해질막보다 높은 이온전도도를 나타내고, 수분을 효율적으로 흡착함에 따라 낮은 습도에서도 우수한 이온전도도를 유지할 수 있다. As shown in FIG. 4, the electrolyte membrane including the nanoweb in which the hygroscopic material is evenly dispersed in the fiber has a higher ion conductivity than other electrolyte membranes at the same relative humidity because the nanoweb does not change pore characteristics by the hygroscopic material. By efficiently adsorbing moisture, excellent ion conductivity can be maintained even at low humidity.
반면, 흡습성 소재가 섬유 표면에 코팅된 전해질막은 코팅된 흡습성 소재가 나노 웹의 기공을 막음으로써 기공 특성이 저하되기 때문에 이온전도도가 상대적으로 낮고, 수분을 효율적으로 흡착하지 못함에 따라 낮은 습도에서 이온전도도가 크게 떨어지게 된다. On the other hand, the electrolyte membrane coated with the hygroscopic material on the surface of the fiber has a relatively low ion conductivity because the hygroscopic material coated prevents the pores of the nanoweb, and thus the ion conductivity is relatively low. The conductivity is greatly reduced.
한편, 흡습성 소재를 포함하지 않은 전해질막은 수분을 원활하게 흡수하지 못함에 따라 이온전도도가 상대적으로 가장 낮고, 낮은 습도에서 이온전도도가 급격히 떨어지게 된다. On the other hand, the electrolyte membrane that does not contain the hygroscopic material is relatively low in the ion conductivity as the moisture is not absorbed smoothly, the ion conductivity is sharply dropped at low humidity.
또한, 본 발명은 고분자 전해질막을 구성하는 다공성 나노 웹과 이온전도체를 모두 탄화수소계 고분자를 이용하기 때문에 양자 사이의 접착력이 우수하여 내구성이 우수하고, 그에 더하여 종래와 같은 고가의 나피온 수지 또는 테프론 수지 등을 이용하지 않고 상대적으로 저가인 탄화수소계 고분자를 이용하기 때문에 대량생산시 가격 측면에서 우수한 장점이 있다. In the present invention, since both the porous nanoweb and the ion conductor constituting the polymer electrolyte membrane use a hydrocarbon-based polymer, the adhesion between the two is excellent, so the durability is excellent, and in addition to the conventional expensive Nafion resin or Teflon resin Since it uses a relatively inexpensive hydrocarbon-based polymer without using such, there is an advantage in terms of price in mass production.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질막의 제조방법에 대해서 설명하기로 한다. 다만, 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. However, detailed description of the same parts as described above will be omitted.
우선, 흡습성 소재가 내부에 분산된 섬유 및 유기용매에 대해 불용성인 탄화수소계 고분자로 이루어진 다공성 나노 웹을 제조하고, 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 고분자를 포함한 이온전도체를 유기용매에 용해시켜 이온전도체 용액을 제조한다. First, a porous nanoweb composed of a fiber having a hygroscopic material dispersed therein and a hydrocarbon-based polymer insoluble to an organic solvent, and an ion conductor containing a hydrocarbon-based polymer soluble in an organic solvent are dissolved in an organic solvent. Prepare a solution.
상기 다공성 나노 웹 제조와 상기 이온전도체 용액 제조 사이에 특별한 공정순서가 있는 것은 아니다. There is no particular process sequence between the preparation of the porous nanoweb and the preparation of the ion conductor solution.
상기 다공성 나노 웹은 주로 유기용매에 대해 불용성인 탄화수소계 고분자로 이루어지기 때문에, 유기용매에 용해하지 않고 제조하거나 또는 다공성 전구체를 형성한 후 소정의 반응을 통해 제조할 수 있다. Since the porous nanoweb is mainly made of a hydrocarbon-based polymer that is insoluble in an organic solvent, the porous nanoweb may be prepared without dissolving in an organic solvent or may be prepared through a predetermined reaction after forming a porous precursor.
먼저, 유기용매에 용해하지 않고 제조하는 방법에 대해 설명한다. First, the method of manufacturing without melt | dissolving in an organic solvent is demonstrated.
예를 들어, 탄화수소계 고분자를 용융시킨 후 이에 흡습성 소재를 함께 혼합하여 얻어진 방사액을 방사하여 도 1에 도시한 바와 같은 다공성 나노 웹을 제조할 수 있다. For example, a porous nanoweb as shown in FIG. 1 may be manufactured by spinning a spinning polymer obtained by melting a hydrocarbon-based polymer and then mixing a hygroscopic material together.
또는, 탄화수소계 고분자를 용융시켜 제 1 방사액을 만들고, 흡습성 소재를 용융시켜 제 2 방사액을 만든 후, 동일한 방사 구금을 이용하여 상기 제 1 방사액과 제 2 방사액을 동일 구금 홀을 통해 복합 방사하여 도 2에 도시한 바와 같은 다공성 나노 웹을 제조할 수 있다. Alternatively, the first spinning solution is melted to form a first spinning solution, the hygroscopic material is melted to form a second spinning solution, and then the first spinning solution and the second spinning solution are formed through the same hole using the same spinneret. Composite spinning can produce a porous nanoweb as shown in FIG.
또는, 탄화수소계 고분자를 용융시켜 제 1 방사액을 만들고, 흡습성 소재를 용융시켜 제 2 방사액을 만든 후, 동일한 방사 구금을 이용하여 상기 제 1 방사액과 제 2 방사액을 각 구금 홀을 통해 각각 방사하여 도 3에 도시한 바와 같은 다공성 나노 웹을 제조할 수 있다. Alternatively, the first spinning solution is melted to form a first spinning solution, the hygroscopic material is melted to make a second spinning solution, and then the first spinning solution and the second spinning solution are discharged through the respective holes using the same spinning cap. Spinning may be performed to produce a porous nanoweb as shown in FIG.
다음, 유기용매에 용해시켜 제조하는 방법에 대해 설명한다. Next, a method for dissolving in an organic solvent and producing it will be described.
우선, 전구체를 방사용매에 녹인 후 흡습성 소재가 첨가된 방사액을 제조한다. 이어서, 상기 방사액을 전기방사하여 다공성 전구체를 형성한 후, 상기 다공성 전구체를 후처리하여 유기용매에 비용해성인 도 1에 도시한 바와 같은 다공성 나노 웹을 제조한다. First, the precursor is dissolved in a spinning solvent to prepare a spinning solution to which a hygroscopic material is added. Subsequently, after the spinning solution is electrospun to form a porous precursor, the porous precursor is post-treated to prepare a porous nanoweb as shown in FIG. 1 which is insoluble in an organic solvent.
또는, 전구체를 방사용매에 녹여 제 1 방사액을 제조하고, 흡습성 소재를 방사용매에 녹여 제 2 방사액을 제조한 후, 동일한 방사 구금을 이용하여 상기 제 1 방사액과 제 2 방사액을 동일 구금 홀을 통해 복합 전기방사하여 다공성 전구체를 형성한 후, 상기 다공성 전구체를 후처리하여 유기용매에 비용해성인 도 2에 도시한 바와 같은 다공성 나노 웹을 제조한다. Alternatively, the precursor is dissolved in a spinning solvent to prepare a first spinning solution, and a hygroscopic material is dissolved in a spinning solvent to prepare a second spinning solution, and then the first spinning solution and the second spinning solution are the same using the same spinneret. After complex electrospinning through a detention hole to form a porous precursor, the porous precursor is post-treated to prepare a porous nanoweb as shown in FIG. 2 which is insoluble in an organic solvent.
또는, 전구체를 방사용매에 녹여 제 1 방사액을 제조하고, 흡습성 소재를 방사용매에 녹여 제 2 방사액을 제조한 후, 동일한 방사 구금을 이용하여 상기 제 1 방사액과 제 2 방사액을 각 구금 홀을 통해 각각 전기방사하여 다공성 전구체를 형성한 후, 상기 다공성 전구체를 후처리하여 유기용매에 비용해성인 도 3에 도시한 바와 같은 다공성 나노 웹을 제조한다. Alternatively, the precursor is dissolved in a spinning solvent to prepare a first spinning solution, a hygroscopic material is dissolved in a spinning solvent to prepare a second spinning solution, and then the first spinning solution and the second spinning solution are each prepared using the same spinning cap. After electrospinning each through a hole to form a porous precursor, the porous precursor is post-treated to prepare a porous nanoweb as shown in FIG. 3 which is insoluble in an organic solvent.
여기서, 상기 전기방사 공정은 스프레이 젯 노즐(sprayed jet nozzle)이 연결된 주사기에 방사액을 주입하고 상온 내지 100℃에서 상기 노즐에 1 내지 1,000kV의 고전압을 인가하면 주입된 방사액이 방출하면서 필라멘트가 형성되고, 이 필라멘트를 이형 필름(releasing film)을 갖는 콜렉터(collector)에 방사한 후 이형 필름을 제거하여 다공성 나노 웹을 형성하는 공정이다. Here, in the electrospinning process, when a spinning liquid is injected into a syringe to which a sprayed jet nozzle is connected and a high voltage of 1 to 1,000 kV is applied to the nozzle at room temperature to 100 ° C, the injected spinning liquid is discharged and the filament is released. After forming, the filament is spun onto a collector having a releasing film and then the release film is removed to form a porous nanoweb.
상기 다공성 전구체를 후처리하는 공정은, 유기용매에 용해성인 다공성 전구체를 상기 유기용매에 비용해성인 다공성 나노 웹으로 전환시키는 공정으로, 열처리 방법 또는 화학적 방법에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 유기용매에 용해성인 다공성 전구체를 고온 및 고압으로 설정된 핫프레스(hot press)를 이용하여 열처리함으로써 유기용매에 비용해성인 다공성 나노 웹이 제조될 수 있다.The post-treatment of the porous precursor is a process of converting a porous precursor soluble in an organic solvent into a porous nanoweb insoluble in the organic solvent, and may be performed by a heat treatment method or a chemical method. For example, a porous nanoweb insoluble in an organic solvent may be prepared by heat treating a porous precursor soluble in an organic solvent using a hot press set at high temperature and high pressure.
상기 유기용매에 비용해성인 다공성 나노 웹은 폴리이미드(Polyimide) 또는 폴리벤조옥사졸(Polybenzoxazole)을 포함할 수 있다. The porous nanoweb insoluble in the organic solvent may include polyimide or polybenzoxazole.
상기 유기용매로는 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidinone; NMP), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide; DMF), 또는 디메틸 아세트아마이드(dimethyl acetamide; DMA)를 이용할 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다. N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), dimethylformamide (DMF), or dimethyl acetamide (DMA) may be used as the organic solvent. It is not necessarily limited thereto.
다음, 상기 다공성 나노웹의 기공 내에 상기 이온전도체 용액을 충진한다. Next, the ion conductor solution is filled in the pores of the porous nanoweb.
상기 다공성 나노웹의 기공 내에 상기 이온전도체 용액을 충진하는 공정은 담지 공정을 이용할 수 있으나, 반드시 그에 한정되는 것은 아니고, 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 may use various methods known in the art, such as a spraying process, a screen printing process, and a doctor blade process. Can be.
상기 담지 공정을 이용할 경우에는 상온에서 5 ~ 30분 동안 2 ~ 5회 담지 공정을 수행하는 것이 바람직하다. When using the supporting process, it is preferable to perform the supporting process 2 to 5 times at room temperature for 5 to 30 minutes.
상기 이온전도체 용액을 충진한 후에는 이온전도체 용액 내의 유기용매를 제거하여, 다공성 나노웹의 기공 내에 이온전도체가 채워지도록 한다. 상기 유기용매를 제거하는 공정은 60 ~ 150 ℃의 온도에서 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 to fill the pores of the porous nanoweb. The process of removing the organic solvent may be a process of drying for 2 to 5 hours at a temperature of 60 ~ 150 ℃.
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
15 중량%의 폴리아믹애시드와 5 중량%인 이산화규소를 테트라하이드로푸란(THF) 방사용매에 녹여 만든 방사액을 25 ℃의 온도 및 30 ㎸의 전압이 인가된 상태에서 전기방사하여 다공성 전구체를 형성한 후 350 ℃의 오븐에서 5시간 동안 열처리하여 흡습성 다공성 나노 웹을 제조하였다. A spinning solution prepared by dissolving 15% by weight of polyamic acid and 5% by weight of silicon dioxide in a tetrahydrofuran (THF) spinning solvent was electrospun at a temperature of 25 ° C. and a voltage of 30 mA to form a porous precursor. After the heat treatment for 5 hours in an oven at 350 ℃ to prepare a hygroscopic porous nano-web.
N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidinone; NMP)에 S-PEEK(sulfonated polyetheretherketone)을 용융시켜 10 중량%의 이온전도체 용액을 제조하였다. S-PEEK (sulfonated polyetheretherketone) was melted in N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) to prepare a 10 wt% ion conductor solution.
상기 흡습성 다공성 나노 웹을 상온의 상기 이온전도체 용액에 담지하였는데, 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 전해질막을 제조하였다. The hygroscopic porous nanoweb was supported on the ion conductor solution at room temperature. Specifically, the immersion process was performed three times at room temperature for 20 minutes, and a reduced pressure atmosphere was applied for 1 hour to remove fine bubbles. Thereafter, the mixture was dried in a hot air oven maintained at 80 ° C. for 3 hours to remove NMP, thereby preparing an electrolyte membrane.
실시예Example 2 2
20 중량%의 폴리아믹애시드를 테트라하이드로푸란 방사용매에 녹여 제 1 방사액을 제조하고, 15 중량%의 폴리비닐알코올을 물에 용해시켜 제 2 방사액을 제조하여, 상기 제 1 방사액과 상기 제 2 방사액을 방사 구금에 공급하여 각기 다른 구금 홀을 통해 25 ℃의 온도 및 30 ㎸의 전압이 인가된 상태에서 전기방사하여 다공성 전구체를 형성한 후 200 ℃의 오븐에서 10시간 동안 열처리하여 흡습성 복합 다공성 나노 웹을 제조하였다. 20 wt% of polyamic acid was dissolved in tetrahydrofuran spinning solvent to prepare a first spinning solution, and 15 wt% of polyvinyl alcohol was dissolved in water to prepare a second spinning solution. The second spinning solution was supplied to the spinneret and electrospun in a state where a temperature of 25 ° C. and a voltage of 30 kW were applied through different prison holes to form a porous precursor, followed by heat treatment in an oven at 200 ° C. for 10 hours. Composite porous nanowebs were prepared.
전술한 실시예 1에서, 상기 흡습성 다공성 나노 웹 대신 복합된 다공성 나노 웹을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 통해 전해질막이 제조되었다.In Example 1 described above, an electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except for using the composite porous nanoweb instead of the hygroscopic porous nanoweb.
실시예Example 3 3
15 중량%의 폴리아믹애시드를 테트라하이드로푸란 방사용매에 녹여 만든 방사액을 25 ℃의 온도 및 30 ㎸의 전압이 인가된 상태에서 전기방사하여 다공성 전구체를 형성한 후 350 ℃의 오븐에서 5시간 동안 열처리하여 다공성 나노 웹을 제조하였다. A spinning solution prepared by dissolving 15% by weight of polyamic acid in a tetrahydrofuran spinning solvent was electrospun at a temperature of 25 ° C. and a voltage of 30 mA to form a porous precursor, followed by 5 hours in an oven at 350 ° C. Heat treatment to prepare a porous nanoweb.
흡습성 소재인 폴리비닐알코올을 물에 녹여 10 중량%의 흡습성 용액을 제조하였다. Polyvinyl alcohol, a hygroscopic material, was dissolved in water to prepare a hygroscopic solution of 10% by weight.
상기 흡습성 용액에 상기 다공성 나노 웹을 침지시킨 후 건조하여 5 부피%의 폴리비닐알코올이 코팅된 흡습성 다공성 나노 웹을 제조하였다. The porous nanoweb was immersed in the hygroscopic solution and dried to prepare a hygroscopic porous nanoweb coated with 5% by volume of polyvinyl alcohol.
전술한 실시예 1에서, 상기 폴리비닐알코올이 코팅된 흡습성 다공성 나노 웹을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 통해 전해질막이 제조되었다.In Example 1 described above, an electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except for using the hygroscopic porous nanoweb coated with polyvinyl alcohol.
실시예 4Example 4
20 중량%의 폴리아믹애시드를 테트라하이드로푸란 방사용매에 녹여 제 1 방사액을 제조하고, 10 중량%의 이산화규소를 테트라하이드로푸란 방사용매에 용해시켜 제2 방사액을 제조하여, 상기 제1 방사액과 상기 제2 방사액을 방사 구금에 공급하여 각기 다른 구금 홀을 통해 25 ℃의 온도 및 30 ㎸의 전압이 인가된 상태에서 전기방사하여 다공성 전구체를 형성한 후 200 ℃의 오븐에서 10시간 동안 열처리하여 흡습성 복합 다공성 나노 웹을 제조하였다. 20 wt% of polyamic acid was dissolved in tetrahydrofuran spinning solvent to prepare a first spinning solution, and 10 wt% of silicon dioxide was dissolved in tetrahydrofuran spinning solvent to prepare a second spinning solution. The liquid and the second spinning solution were supplied to a spinneret to electrospin at a temperature of 25 ° C. and a voltage of 30 kW through different prison holes to form a porous precursor, followed by 10 hours in an oven at 200 ° C. Heat treatment to prepare a hygroscopic composite porous nanoweb.
흡습성 다공성 나노 웹 대신 복합된 다공성 나노 웹을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 통해 전해질막이 제조되었다.An electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except for using the composite porous nanoweb instead of the hygroscopic porous nanoweb.
비교예Comparative example 1 One
전술한 실시예 1에서, 이산화규소가 첨가되지 않은 방사액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 통해 전해질막이 제조되었다. In Example 1 described above, an electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except for using the spinning solution to which silicon dioxide was not added.
실시예 및 비교예 들에 의해 제조된 전해질막들의 물성은 다음의 방법으로 측정하여 아래의 표 1에 나타내었다.Physical properties of the electrolyte membranes prepared by Examples and Comparative Examples are shown in Table 1 below, measured by the following method.
수소이온전도도Hydrogen ion conductivity (S/㎝)(S / cm)
실시예 및 비교예에 따라 제조된 전해질막의 컨덕턴스(conductance)를 정전류 4 단자법에 의하여 측정하였다. 구체적으로는 온도 80℃에서 상대습도 50% 또는 증류수에 침지한 상태의 100% 습도 조건에서 30분 안정화시킨 뒤 일정한 교류 전류를 전해질막의 양단에 인가하면서 중앙에서 발생하는 교류전위 차이를 측정하여 수소이온전도도를 얻었고, 그 결과는 하기 표 1과 같다. Conductance of the electrolyte membranes prepared according to Examples and Comparative Examples was measured by a constant current four terminal method. Specifically, after stabilizing for 30 minutes under a relative humidity of 50% or 100% humidity in a state of immersion in distilled water at a temperature of 80 ° C., a constant AC current is applied to both ends of the electrolyte membrane to measure the difference in the AC potential generated at the center of the hydrogen ion. The conductivity was obtained, and the results are shown in Table 1 below.
이온전도도 유지율(%)Ion conductivity retention rate (%)
상술한 방법에 의해 측정된 습도 100%에서의 수소이온전도도(S100)와, 상술한 방법 중 상대습도만 50%로 변경하여 측정된 상대습도 50%에서의 수소이온전도도(S50)를 이용하여 아래의 식을 통해 이온전도도 유지율(%)을 측정하였다. Hydrogen ion conductivity (S100) at 100% humidity measured by the above-described method and hydrogen ion conductivity (S50) at 50% relative humidity measured by changing only relative humidity to 50% of the above-described method The ion conductivity retention (%) was measured through the equation.
이온전도도 유지율(%) = (S50/S100)×100Ion Conductivity Retention Rate (%) = (S50 / S100) × 100
수소이온전도도(S/㎝) S100
Hydrogen ion conductivity (S / cm)
수소이온전도도(S/cm)S50
Hydrogen ion conductivity (S / cm)
(%)Ion Conductivity Retention Rate
(%)
10 : 탄화수소계 고분자 20 : 흡습성 소재
A : 흡습 섬유 포함한 전해질막 B : 코팅된 전해질막
C : 흡습성 소재 미포함된 전해질막10: hydrocarbon-based polymer 20: hygroscopic material
A: electrolyte membrane containing hygroscopic fiber B: coated electrolyte membrane
C: Electrolyte Membrane without hygroscopic material
Claims (14)
상기 다공성 나노 웹의 기공 내에 충진되며, 유기용매에 대해 용해성인 탄화수소계 고분자를 포함하는 이온전도체를 포함하고,
상기 다공성 나노 웹은 흡습성 섬유를 포함하고,
상기 흡습성 섬유의 내부에 흡습성 소재가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 전해질막. Porous nano web comprising a hydrocarbon-based polymer insoluble in the organic solvent; And
Filled in the pores of the porous nano-web, comprising an ion conductor containing a hydrocarbon-based polymer soluble in organic solvents,
The porous nano web includes a hygroscopic fiber,
An electrolyte membrane, wherein a hygroscopic material is dispersed in the hygroscopic fiber.
상기 흡습성 소재는 흡습성 무기물 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해질막. The method of claim 1,
The hygroscopic material is an electrolyte membrane, characterized in that it comprises hygroscopic inorganic particles.
상기 흡습성 무기물 입자는 알칼리토금속 산화물, 금속산화물, 황산염, 및 실리콘 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 전해질막.The method of claim 2,
The hygroscopic inorganic particles include at least one of alkaline earth metal oxides, metal oxides, sulfates, and silicon oxides.
상기 흡습성 무기물 입자는 CaO, BaO, SrO, TiO2, 및 SiO2 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해질막.The method of claim 3,
The hygroscopic inorganic particles include at least one of CaO, BaO, SrO, TiO 2 , and SiO 2 .
상기 흡습성 소재는 친수성 기를 갖는 흡습성 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해질막.The method of claim 1,
The hygroscopic material comprises an hygroscopic polymer having a hydrophilic group.
상기 흡습성 고분자는 폴리우레탄, 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리메틸렌 옥사이드(PMO), 폴리에틸렌옥사이드 메타크릴레이트, 폴리에틸렌옥사이드 아크릴레이트, 폴리에틸렌옥사이드 디메타크릴레이트, 폴리에틸렌옥사이드 디아크릴레이트 및 폴리히드록시에틸메틸아크릴레이트(PHEMA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1 이상의 고분자 또는 그 공중합체를 포함하는 전해질막.The method of claim 5,
The hygroscopic polymer is polyurethane, polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polymethylene oxide (PMO), polyethylene oxide methacrylate, polyethylene oxide acrylate, polyethylene oxide dimethacryl An electrolyte membrane comprising at least one polymer or a copolymer thereof selected from the group consisting of latex, polyethylene oxide diacrylate and polyhydroxyethylmethylacrylate (PHEMA).
상기 나노 웹에 포함된 탄화수소계 고분자는, 나일론, PI(Polyimide), PBO(Polybenzoxazole), PET(Polyethyleneterephtalate), PE(Polyethylene), PP(polypropylene), 그들의 공중합체, 또는 그들의 혼합물을 포함하는 전해질막. The method of claim 1,
Hydrocarbon-based polymers included in the nanoweb, an electrolyte membrane including nylon, polyimide (PI), polybenzoxazole (PBO), polyethylene terephtalate (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP), copolymers thereof, or mixtures thereof .
상기 이온전도체에 포함된 탄화수소계 고분자는, S-PI(sulfonated polyimide), S-PAES(sulfonated polyarylethersulfone), S-PEEK(sulfonated polyetheretherketone), 퍼플루오로 술폰산 수지 (Perfluorosulfonic acid; PFSA), 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 전해질막.The method of claim 1,
Hydrocarbon-based polymers contained in the ion conductor, S-PI (sulfonated polyimide), S-PAES (sulfonated polyarylethersulfone), S-PEEK (sulfonated polyetheretherketone), perfluoro sulfonic acid resin (Perfluorosulfonic acid; PFSA), sulfonate poly Benzimidazole (S-PBI), sulfonated polysulfone (S-PSU), sulfonated polystyrene (S-PS), sulfonated polyphosphazene or mixtures thereof Electrolyte membrane containing.
상기 전해질막은 이온전도도 유지율이 50 내지 90 %인 것을 특징으로 하는 전해질막.The method of claim 1,
The electrolyte membrane is an electrolyte membrane, characterized in that the ion conductivity retention of 50 to 90%.
상기 방사액을 방사하여 다공성 나노 웹을 제조하는 공정;
탄화수소계 고분자를 포함한 이온전도체를 유기용매에 용해시켜 이온전도체 용액을 제조하는 공정; 및
상기 다공성 나노 웹의 기공 내에 상기 이온전도체 용액을 충진한 후, 상기 유기용매를 제거하는 공정을 포함하는 전해질막의 제조방법. Preparing a spinning solution containing a hygroscopic material;
Spinning the spinning solution to produce a porous nanoweb;
Preparing an ion conductor solution by dissolving an ion conductor including a hydrocarbon-based polymer in an organic solvent; And
After filling the ion conductor solution into the pores of the porous nano-web, the method of manufacturing an electrolyte membrane comprising the step of removing the organic solvent.
상기 방사액을 제조하는 공정은 탄화수소계 고분자에 상기 흡습성 소재를 첨가하는 공정을 포함하는 전해질막의 제조방법.The method of claim 10,
The process of preparing the spinning solution includes the step of adding the hygroscopic material to the hydrocarbon-based polymer.
상기 방사액을 제조하는 공정은, 탄화수소계 고분자를 포함하는 제 1 방사액을 제조하는 공정; 및 흡습성 소재를 포함하는 제 2 방사액을 제조하는 공정을 포함하고,
상기 다공성 나노 웹을 제조하는 공정은, 1개의 방사구금에서 각 구금홀을 통해 상기 제 1 방사액 및 상기 제 2 방사액을 동시에 방사하는 공정을 포함하는 전해질막의 제조방법. The method of claim 10,
The step of producing the spinning solution, the step of preparing a first spinning solution containing a hydrocarbon-based polymer; And manufacturing a second spinning solution containing a hygroscopic material,
The manufacturing method of the porous nanoweb, the method of producing an electrolyte membrane comprising the step of simultaneously spinning the first spinning liquid and the second spinning liquid through each of the hole in the spinneret.
상기 방사액 제조 공정은 유기용매에 용해성인 탄화수소계 전구체를 방사용매에 녹이는 공정을 포함하고,
상기 다공성 나노 웹을 제조하는 공정은,
상기 방사액을 전기방사(Electro-spinning)하여 다공성 전구체를 형성하는 공정; 및
상기 다공성 전구체를 후처리하여 유기용매에 비용해성인 다공성 나노 웹을 제조하는 공정을 포함하는 전해질막의 제조방법. The method of claim 10,
The spinning solution manufacturing process includes a step of melting a hydrocarbon precursor soluble in an organic solvent in a spinning solvent,
The process of manufacturing the porous nanoweb,
Electrospinning the spinning solution to form a porous precursor; And
And post-treating the porous precursor to produce a porous nanoweb that is insoluble in an organic solvent.
상기 흡습성 소재는 무기물 입자 또는 흡습성 고분자를 포함하는 전해질막의 제조방법. 14. The method according to any one of claims 10 to 13,
The hygroscopic material is a method for producing an electrolyte membrane containing inorganic particles or hygroscopic polymer.
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