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KR100967627B1 - Manufacturing Method of Polymer Electrolyte Composite Membrane for Fuel Cell - Google Patents

Manufacturing Method of Polymer Electrolyte Composite Membrane for Fuel Cell Download PDF

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KR100967627B1
KR100967627B1 KR1020070136992A KR20070136992A KR100967627B1 KR 100967627 B1 KR100967627 B1 KR 100967627B1 KR 1020070136992 A KR1020070136992 A KR 1020070136992A KR 20070136992 A KR20070136992 A KR 20070136992A KR 100967627 B1 KR100967627 B1 KR 100967627B1
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Abstract

본 발명은 스티렌, 비닐피롤리돈, 가교제 및 개시제를 포함하는 혼합 용액에, 서로 다른 모노머를 사용하여 합성한 이온 전도성 고분자를 함유하는 다공성 지지체를 함침시켜 열중합한 후, 술폰화하여 수소이온 형태로 치환시킴으로써, 우수한 수소 이온 전도성을 가지면서도 제조 공정이 간단하고 제조 비용을 절감할 수 있는 연료전지용 고분자전해질 복합막 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 상기 스티렌-비닐피롤리돈 공중합체를 함유하는 연료전지용 고분자전해질 복합막의 제조 방법은, (a-1) 스티렌, 비닐피롤리돈, 가교제 및 개시제로 구성된 혼합 용액에 다공성 지지체를 함침시키는 단계와, (b-1) 상기 (a-1) 단계에서 함침된 다공성 지지체를 오븐에서 열중합하는 단계와, (c-1) 상기 (b-1) 단계에서 중합된 스티렌-비닐피롤리돈 공중합 복합막을 술폰화하여 술폰산기를 도입하는 단계와, (d-1) 상시 (c-1) 단계에서 술폰화된 복합막을 수소이온형태로 치환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention is impregnated with a porous support containing an ion conductive polymer synthesized using different monomers in a mixed solution containing styrene, vinylpyrrolidone, a crosslinking agent and an initiator, and thermally polymerized by sulfonation to form a hydrogen ion. The present invention relates to a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell and a method of manufacturing the same, which have excellent hydrogen ion conductivity and can simplify the manufacturing process and reduce manufacturing cost. Method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell containing the styrene-vinylpyrrolidone copolymer, (a-1) impregnating a porous support in a mixed solution consisting of styrene, vinylpyrrolidone, a crosslinking agent and an initiator, (b-1) thermally polymerizing the porous support impregnated in step (a-1) in an oven, and (c-1) treating the styrene-vinylpyrrolidone copolymer composite membrane polymerized in step (b-1). Fonning to introduce the sulfonic acid group, and (d-1) permanently replacing the sulfonated composite membrane in the form of hydrogen ions in (c-1).

스티렌, 비닐피롤리돈, 연료전지, 복합막. Styrene, vinylpyrrolidone, fuel cells, composite membranes.

Description

연료전지용 고분자전해질 복합막의 제조 방법{PREPARATION METHOD OF POLYMER ELECTROLYTE COMPOSITE MEMBRANES FOR FUEL CELLS}Manufacturing method of polymer electrolyte composite membrane for fuel cell {PREPARATION METHOD OF POLYMER ELECTROLYTE COMPOSITE MEMBRANES FOR FUEL CELLS}

본 발명은 연료전지용 고분자전해질 복합막 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는, 스티렌, 비닐피롤리돈, 가교제 및 개시제를 포함하는 혼합 용액에, 서로 다른 모노머를 사용하여 합성한 이온 전도성 고분자를 함유하는 다공성 지지체를 함침시켜 열중합한 후, 술폰화하여 수소이온 형태로 치환시킴으로써, 우수한 수소 이온 전도성을 가지면서도 제조 공정이 간단하고 제조 비용을 절감할 수 있는 연료전지용 고분자전해질 복합막 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an ion conductive polymer synthesized using different monomers in a mixed solution containing styrene, vinylpyrrolidone, a crosslinking agent and an initiator. By impregnating a porous support containing a thermal support, and then sulfonated and substituted in the form of hydrogen ions, a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell, which has excellent hydrogen ion conductivity and can simplify the manufacturing process and reduce the manufacturing cost, and its manufacture It is about a method.

일반적으로, 연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라 크게 알칼리형(Akaline Fuel Cell: AFC), 인산형(Phosphoric Acid Fuel Cell: PAFC), 용융탄산염(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC), 고체산화물(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 및 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)로 분류되고 있다. 상기 여러 종류의 연료전지 중에서 고분자 연료전지 및 직접 메탄올 연료전지는 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질에 의한 부식이나 증발의 위험이 없으며, 단위면적당 높은 전류밀도(current density)를 얻을 수 있어 타 연료전지에 비해 출력특성이 월등히 높고, 작동온도가 낮아 현재 자동차 등의 이동용(transportable) 전원, 주택이나 공공건물 등의 분산용 전원(on-site) 및 전자기기용 등의 소형 전원으로 이용하기 위하여 미국, 일본을 비롯한 유럽 등에서 이에 대한 개발이 활발히 추진되고 있다. 뿐만 아니라 이온 전도성 고분자 전해질막은 고분자전해질 연료전지 또는 직접 메탄올 연료전지에서 성능과 가격을 결정하는 가장 중요한 핵심 구성요소 중 하나이다.In general, fuel cells are generally alkaline fuel cells (AFC), phosphate (Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)), molten carbonate (Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)), solids depending on the type of electrolyte used. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), Direct Methanol Fuel Cell (DMFC), and Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) are classified. Among the fuel cell types, the polymer fuel cell and the direct methanol fuel cell use polymers as electrolytes, and thus there is no risk of corrosion or evaporation due to electrolytes, and high current density per unit area can be obtained. Compared with the US and Japan, the output characteristics are much higher and the operating temperature is lower than that of the US, Japan, to use them as portable power sources such as automobiles, distributed power sources (on-site) and electronic devices for homes and public buildings. In Europe and other countries, development of this is being actively promoted. In addition, the ion conductive polymer electrolyte membrane is one of the most important key components in determining the performance and price in the polymer electrolyte fuel cell or direct methanol fuel cell.

현재 사용되는 고분자 전해질막은 주로 나피온(Nafion, DuPont사 제조의 상품명), 프레미온(Flemion, Asahi Glass사 제조의 상품명), 아시프렉스(Asiplex, Asahi Chemical사 제조의 상품명) 및 다우 XUS(Dow XUS, Dow Chemical사 제조의 상품명) 전해질막과 같은 퍼플루오로설포네이트 아이오노머막(perfluorosulfonate ionomer membrane)이 많이 사용되고 있으나, 그 가격이 상당히 고가이기 때문에 상기 고분자 연료전지를 발전용 전원으로 상용화하는데 큰 애로 사항으로 작용하고 있다. Currently used polymer electrolyte membranes are mainly Nafion (trade name manufactured by DuPont), Premion (trade name manufactured by Flemion, Asahi Glass), Asiplex (trade name manufactured by Asahi Chemical), and Dow XUS (Dow XUS). , Dow Chemical Co., Ltd.) perfluorosulfonate ionomer membranes such as electrolyte membranes are widely used, but since the price is quite expensive, it is a great difficulty to commercialize the polymer fuel cell as a power source for power generation. It is working as a matter.

한편, 이러한 애로 사항을 해소하기 위한 방편으로, 가격이 상대적으로 저렴하며 다양하게 상업적 응용이 가능한 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone), 폴리술폰(polysulfone), 폴리이미드(polyimide) 등의 탄화수소계 고분자에 대한 연구가 활발히 진행중이다. 위 고분자를 술폰화 반응으로 이온 전도성 고 분자로 제조한 후 전해질 막으로 캐스팅하는 방법으로 연료전지 전해질 막으로 적용하고 있다.On the other hand, as a way to solve such difficulties, hydrocarbon-based polymers such as polyether ether ketone, polysulfone, polyimide, etc., which are relatively inexpensive and have various commercial applications. The research on is active. The polymer is prepared as an ion-conducting polymer by sulfonation and then cast into an electrolyte membrane, which is applied as a fuel cell electrolyte membrane.

또한, 위의 탄화수소계 고분자의 가장 큰 단점인 내산화환원성과 열적/기계적 안정성을 개선시키고 막 전극 접합체(MEA) 제조 시에 과도한 팽윤에 의한 전극과의 낮은 접합성을 개선하기 위한 방편으로 테플론과 같이 기계적, 열적, 내 산화성이 우수한 다공성 지지체에 과불소계 혹은 탄화수소계 고분자를 그 기공에 함침시켜 복합막을 제작하는 방법이 제시되고 있다. 상용화된 예로 W.L. Gore & Associates사의 Gore-select 는 20~40㎛의 얇은 두께와 뛰어난 기계적, 전기화학적 물성을 나타낸다. In addition, Teflon is a method for improving redox resistance and thermal / mechanical stability, which are the major disadvantages of the above hydrocarbon-based polymers, and for improving low bonding properties with electrodes due to excessive swelling during membrane electrode assembly (MEA) manufacturing. A method of fabricating a composite membrane by impregnating a perfluorinated or hydrocarbon-based polymer in its pores in a porous support having excellent mechanical, thermal and oxidation resistance has been proposed. Commercialized examples include W.L. Gore & Associates' Gore-select has a thin thickness of 20 to 40㎛ and excellent mechanical and electrochemical properties.

상술한 바와 같은 복합막의 우수한 성질을 살려 연료전지의 보다 좋은 성능을 나타낼 수 있는 막을 제조하기 위하여, 나피온 대신 탄화수소계 단량체인 스티렌을 가교제인 디비닐벤젠과 함께 테플론, 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF) 등의 다양한 다공성 지지체에 함침시켜 공중합한 후 술폰화시키는 방법이 제시되고 있다.In order to manufacture a membrane that can exhibit better performance of a fuel cell utilizing the excellent properties of the composite membrane as described above, styrene, a hydrocarbon monomer instead of Nafion, is used together with divinylbenzene, a crosslinking agent, with Teflon, polyethylene (PE), and polyvinyl. A method of impregnating and copolymerizing sulfides by impregnating various porous supports such as lidene difluoride (PVDF) has been proposed.

이러한 복합막의 연구에 많이 사용되는 슬폰화된 스티렌계 수지는, 흔히 디비닐벤젠과 공중합 시켜 함수시 막 형상을 유지하고, 수지중에 고분자 전해질로서 적절한 이온군을 형성하는 것을 특징으로 한다. Sponified styrene resins, which are frequently used in the study of such composite membranes, are often copolymerized with divinylbenzene to maintain a membrane shape in water, and form an appropriate ion group as a polymer electrolyte in the resin.

그러나, 이러한 스티렌-디비닐벤젠 공중합체는 건조하게 되면 취성의 증가로 부서지게 되어 박막화나 복합막 등의 형태로 대량생산 및 전극으로 가공 시에 기계적 안정성이 뒤떨어진다는 결점을 갖고 있으며, 이러한 결점으로 광범위한 상용화 가 되지 못하는 단점이 있는 것으로 알려져 있다.However, these styrene-divinylbenzene copolymers are brittle due to increased brittleness, and have the disadvantage of inferior mechanical stability when mass-produced and processed into electrodes in the form of thin films or composite membranes. It is known that there is a disadvantage that it is not widely commercialized.

따라서 본 발명의 목적은, 다공성 지지체에 도입되는 스티렌과 디비닐벤젠을 이용한 복합막의 물성을 향상시키기 위하여 상기 두 물질 외에 새로운 단량체인 비닐피롤리돈(VP)을 지지체 내에 추가로 도입하여 공중합 시킴으로써, 얻은 고분자전해질 복합막을 이용하여 비닐피롤리돈의 도입이 막의 함수율 및 이온 교환 용량을 향상시켜 스티렌-디비닐벤젠을 이용해 제조된 종래의 고분자전해질 복합막 보다 더욱 향상된 수소 이온 전도성을 가지는 연료전지용 고분자전해질 복합막 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.Therefore, an object of the present invention, in order to improve the physical properties of the composite membrane using styrene and divinylbenzene introduced into the porous support by introducing a new monomer vinylpyrrolidone (VP) in addition to the two materials in the support and copolymerization, The introduction of vinylpyrrolidone by using the obtained polymer electrolyte composite membrane improves the moisture content and ion exchange capacity of the membrane, and thus has a higher hydrogen ion conductivity than that of the conventional polymer electrolyte composite membrane prepared using styrene-divinylbenzene. It is to provide a composite membrane and a method of manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스티렌-비닐피롤리돈 공중합체를 함유하는 연료전지용 고분자전해질 복합막은, 다공성 지지체에 스티렌-비닐피롤리돈 공중합체를 합성하여 막을 형성하는 것을 특징으로 한다.A polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell containing a styrene-vinylpyrrolidone copolymer according to the present invention for achieving the above object is characterized by forming a membrane by synthesizing a styrene-vinylpyrrolidone copolymer on a porous support.

여기서, 상기 스티렌-비닐피롤리돈 공중합체는 스티렌 단량체 60~90wt.%와 비닐 피롤리돈 5~20wt.% 와 가교제 5~20wt.%가 함유되어 있고, 상기 단량체 100중량부에 대하여 개시제가 0.2~1 중량부가 함유되어있는 것을 특징으로 하는 스티렌-비닐피롤리돈 공중합체를 함유함이 바람직하다.Herein, the styrene-vinylpyrrolidone copolymer contains 60 to 90 wt.% Of a styrene monomer, 5 to 20 wt.% Of vinyl pyrrolidone, and 5 to 20 wt.% Of a crosslinking agent, and an initiator is added to 100 parts by weight of the monomer. It is preferable to contain the styrene-vinylpyrrolidone copolymer characterized by containing 0.2-1 weight part.

이때 비닐 피롤리돈의 함량이 5wt.% 미만이면 이온전도도를 향상 시킬 수 있는 함수율을 얻기에 그 양이 부족하고 20 wt% 이상이면 막의 이온 교환 용량을 감 소시킨다. 또 가교제의 함량이 5 wt% 미만일 경우 가교도가 부족하고 20 wt%를 초과할 경우 가교도가 너무 높아 막의 전도도를 감소시키는 역할을 한다.At this time, if the content of vinyl pyrrolidone is less than 5wt.%, The amount is insufficient to obtain a moisture content to improve the ionic conductivity, and if it is more than 20wt%, the ion exchange capacity of the membrane is reduced. In addition, when the content of the crosslinking agent is less than 5 wt%, the crosslinking degree is insufficient, and when the content of the crosslinking agent is more than 20 wt%, the crosslinking degree is too high, thereby reducing the conductivity of the membrane.

또한, 상기 다공성 지지체는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리 프로필렌, 폴리비닐디플루오라이드 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.In addition, the porous support is preferably at least one selected from polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, and polyvinyl difluoride.

또한, 상기 스티렌계 단량체는 알파메틸스티렌, 스티렌, 및 트리플루오로스티렌 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.In addition, the styrene monomer is preferably at least one selected from alphamethylstyrene, styrene, and trifluorostyrene.

또한, 상기 가교제는 디비닐벤젠, 메틸렌비스아크릴아미드, 테트라 메틸렌비스아크릴아미드 중 어느 하나 인 것이 바람직하다.In addition, the crosslinking agent is preferably any one of divinylbenzene, methylenebisacrylamide and tetramethylenebisacrylamide.

또한, 상기 개시제는 N,N'-아조비스이소부티로니트릴(AIBN), 벤조일퍼옥사이드(BPO), 이큐밀 퍼옥사이드 중 어느 하나인 것이 바람직하다.In addition, the initiator is preferably any one of N, N'-azobisisobutyronitrile (AIBN), benzoyl peroxide (BPO), cumyl peroxide.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스티렌-비닐피롤리돈 공중합체를 함유하는 연료전지용 고분자전해질 복합막의 제조 방법은;Method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell containing a styrene-vinylpyrrolidone copolymer according to the present invention for achieving the above object;

(a-1) 스티렌, 비닐피롤리돈, 가교제 및 개시제로 구성된 혼합 용액에 다공성 지지체를 함침시키는 단계와; (a-1) impregnating a porous support into a mixed solution consisting of styrene, vinylpyrrolidone, a crosslinking agent and an initiator;

(b-1) 상기 (a-1) 단계에서 함침된 다공성 지지체를 오븐에서 열중합하는 단계와; (b-1) thermally polymerizing the porous support impregnated in the step (a-1) in an oven;

(c-1) 상기 (b-1) 단계에서 중합된 스티렌-비닐피롤리돈 공중합 복합막을 술폰화하여 술폰산기를 도입하는 단계와; (c-1) sulfonating the styrene-vinylpyrrolidone copolymer composite membrane polymerized in the step (b-1) to introduce a sulfonic acid group;

(d-1) 상시 (c-1) 단계에서 술폰화된 복합막을 수소이온형태로 치환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.(d-1) characterized in that it comprises the step of replacing the sulfonated composite membrane in the form of hydrogen ions in step (c-1) at all times.

본 발명에 따른 연료전지용 고분자전해질 복합막 및 그의 제조 방법에 의하면, 고분자전해질 복합막의 기계적 물성을 향상시키기 위해서 다공성 지지체인 PTFE, PE를 사용하고, 비닐피롤리돈 단량체를 함께 사용함으로써, 종래의 스티렌-디비닐벤젠만을 사용하여 제조한 복합막보다 우수한 이온 전도도를 가지면서도 간단한 제조 공정과 박막화로 인한 제조 단가를 절감할 수 있고 연속 제조 공정 개발을 기대할 수 있는 효과가 있다. According to the fuel cell polymer electrolyte composite membrane according to the present invention and a method for manufacturing the same, in order to improve the mechanical properties of the polymer electrolyte composite membrane, PTFE, PE, which are porous supports, and vinylpyrrolidone monomers are used together, -It has better ionic conductivity than composite membrane made using only divinylbenzene, but it can reduce the manufacturing cost due to simple manufacturing process and thinning and can expect to develop continuous manufacturing process.

이하 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 자세히 설명한다.Hereinafter, one preferred embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에서는, 스티렌과 비닐피롤리돈 단량체, 가교제, 개시제가 혼합된 혼합 용액을 제조한다. 이때, 혼합 용액내 단량체의 비율은 전체 100 중량부에 대해 스티렌 60~90 중량부, 비닐 피롤리돈 5~20 중량부, 디비닐벤젠 5~20중량부를 함유하고 상기 단량체 용액 100 중량부에 대해 0.2~1(바람직하게는 0.25) 중량부의 개시제를 포함한다. In this invention, the mixed solution which mixed the styrene and vinylpyrrolidone monomer, a crosslinking agent, and an initiator is produced. At this time, the ratio of the monomer in the mixed solution contains 60 to 90 parts by weight of styrene, 5 to 20 parts by weight of vinyl pyrrolidone, 5 to 20 parts by weight of divinylbenzene, and 100 parts by weight of the monomer solution, based on 100 parts by weight of the total solution. 0.2 to 1 (preferably 0.25) parts by weight of initiator.

여기서, 상기 스티렌 단량체는 알파메틸스티렌, 스티렌, 및 트리플루오로스티렌 중에서 선택된 1종 이상이다.Herein, the styrene monomer is at least one selected from alphamethylstyrene, styrene, and trifluorostyrene.

이와 같이 스티렌 단량체와 함께 수분보유력이 우수한 비닐피롤리돈 단량체 를 일정량 혼합 사용하여 함수율과 이온교환능력을 향상시켜 높은 이온전도도를 가지게 된다.As such, by using a predetermined amount of the vinylpyrrolidone monomer having excellent moisture retention together with the styrene monomer, the water content and the ion exchange ability are improved to have high ion conductivity.

상기 중합을 위한 가교제는 복합막의 가교도를 좌우하여 그 양에 따라 막의 팽윤도와 기계적 물성을 좌우하는 역할을 하는 것으로서 그 종류로는 디비닐벤젠, 메틸렌비스아크릴아미드, 테트라 메틸렌비스아크릴아미드 등일 수 있으나 그 종류를 한정하는 것은 아니며, 본 발명에서는 디비닐벤젠을 사용함이 가장 바람직하다. 또한, 중합을 위한 개시제는 특별한 한정 없이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 N,N'-아조비스이소부티로니트릴(AIBN), 벤조일퍼옥사이드(BPO), 이큐밀 퍼옥사이드 등이 사용될 수 있다. The crosslinking agent for the polymerization plays a role in determining the swelling degree and the mechanical properties of the membrane according to the amount of crosslinking degree of the composite membrane and its type may be divinylbenzene, methylenebisacrylamide, tetramethylenebisacrylamide, etc. It does not limit a kind, It is most preferable to use divinylbenzene in this invention. In addition, an initiator for polymerization may be used without particular limitation, and in the present invention, N, N′-azobisisobutyronitrile (AIBN), benzoyl peroxide (BPO), cumyl peroxide, and the like may be used.

본 발명에 따른 연료전지용 고분자전해질 복합막의 제조 방법을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method of manufacturing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell according to the present invention will be described in more detail.

먼저, 상기한 바와 같은 스티렌과 비닐피롤리돈 단량체, 가교제, 개시제가 혼합된 혼합 용액에 다공성 지지체를 함침시켜 지지체에 혼합 용액이 충분히 스며들 수 있게 한 뒤 PET 필름 위에 올리고 다시 PET 필름을 덮은 후 밀대로 골고루 밀어서 용액이 필름 사이에 묻어날 수 있게 한 뒤에, 오븐에서 60℃∼120℃에서 1시간 이상 열 중합하여 다공 지지체 내의 기공을 고분자가 채운 형태의 복합막을 제조한다. 이때 중합 온도 60℃ 이하에서는 효율적인 개시 반응을 통한 열중합 효과를 얻을 수 없으며, 120℃ 이상에서는 제조막의 열적 안정성에 문제가 발생한다.First, the porous support is impregnated into the mixed solution of styrene and vinylpyrrolidone monomer, crosslinking agent, and initiator as described above to allow the mixed solution to fully penetrate the support, and then onto the PET film and cover the PET film again. After the solution is evenly pushed with a push rod to allow the solution to be buried between the films, the polymer is thermally polymerized at 60 ° C. to 120 ° C. for at least 1 hour in an oven to prepare a composite membrane in which the pores in the porous support are filled with polymer. At this time, the thermal polymerization effect through an efficient initiation reaction cannot be obtained at a polymerization temperature of 60 ° C. or lower, and a problem occurs in the thermal stability of the manufactured film at 120 ° C. or higher.

여기서, 상기 지지체는 내화학성, 내산화성 및 열적/기계적 안정성이 뛰어난 소재가 사용되며, 예를 들면 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리 프로필 렌, 폴리비닐디플루오라이드 등이 사용될 수 있다.Here, the support is used a material excellent in chemical resistance, oxidation resistance and thermal / mechanical stability, for example, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyvinyl difluoride may be used.

다음으로, 상기 복합막의 술폰화를 위하여 디클로로에탄(DCE)을 용매로 하여 클로로술폰산을 함유하는 산 용액을 만들고 용액 내에 복합막을 침전시키고 24시간 방치하여 술폰화시킨 후, 잔여 산의 제거를 위하여 아세톤 및 초순수를 이용하여 수차례 세척한다. 술폰기의 수소이온 형태로의 치환을 위해 2 N NaOH 용액에서 4~8시간 방치 한 후 다시 2 N HCl용액에 10~12시간 침지시킨 후 초순수로 수차례 세척하여 보관한다. 이때 상기 산 용액은 디클로로에탄을 용매로 사용하여 제조한 0.5~30wt.%의 클로로술폰산 용액으로 술폰화 반응을 진행하게 하는데, 클로로술폰산 용액의 농도가 0.5 wt% 이하에서는 충분한 술폰화 반응이 일어나지 않고, 30wt % 이상에서는 부반응으로 인해 막이 브리틀해져 기계적 물성의 저하를 초래한다. Next, for sulfonation of the composite membrane, an acid solution containing chlorosulfonic acid was prepared using dichloroethane (DCE) as a solvent, and the composite membrane was precipitated in the solution and allowed to stand for 24 hours to be sulfonated, and then acetone was removed to remove residual acid. And several times using ultrapure water. In order to replace the sulfon group with hydrogen ion form, it was left for 4-8 hours in 2N NaOH solution, and then immersed in 2N HCl solution for 10-12 hours and washed several times with ultrapure water. At this time, the acid solution is subjected to sulfonation reaction with 0.5 to 30 wt.% Chlorosulfonic acid solution prepared using dichloroethane as a solvent. When the concentration of the chlorosulfonic acid solution is 0.5 wt% or less, sufficient sulfonation reaction does not occur. At 30 wt% or more, the side reaction causes the membrane to be brittle, resulting in deterioration of mechanical properties.

위와 같은 방법으로 스티렌과 비닐 피롤리돈의 공중합체를 함유하는 30~40 ㎛ 두께의 고분자전해질 복합막을 제조할 수 있다.In the same manner as above, a polymer electrolyte composite membrane having a thickness of 30 to 40 μm containing a copolymer of styrene and vinyl pyrrolidone may be prepared.

이하, 본 발명을 하기 실시 예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited only to the following examples.

실시예 1Example 1

스티렌(stylene):비닐피롤리돈(vp):디비닐벤젠(DVB)을 각각 90:0:10, 85:5:10, 90:5:5의 무게비로 혼합한 단량체 용액을 만들고 상기 모노머 용액의 전 체 무게에 대하여 0.25% 무게비의 N,N'-아조비스이소부티로니트릴(AIBN)을 첨가하였다. 상기 용액에 40㎛ 두께의 폴리테트라플루오로에틸렌 기재의 다공성 지지체를 함침시켜 지지체 내에 단량체 용액이 충분히 스며들 수 있게 한 후 지지체를 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름 사이에 넣고 110℃ 오븐에서 열중합을 수행하였다. 중합이 완료되면 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름을 제거하고 디클로로에탄을 용매로 사용하여 제조한 5 wt%의 클로로술폰산 용액에 상온에서 24시간 침지시켜 고분자의 술폰화를 진행하였다. 술폰화가 완료되면 아세톤 및 초순수로 수차례 세척한 후 보관하였다.A monomer solution was prepared by mixing styrene (vinyl pyrrolidone (vp): divinylbenzene (DVB) in a weight ratio of 90: 0: 10, 85: 5: 10, and 90: 5: 5, respectively. N, N'-azobisisobutyronitrile (AIBN) was added at a ratio of 0.25% by weight based on the total weight of. The solution was impregnated with a 40 μm-thick polytetrafluoroethylene-based porous support to sufficiently infiltrate the monomer solution into the support, and then the support was sandwiched between polyethylene terephthalate (PET) films and thermally polymerized in a 110 ° C. oven. Was performed. Upon completion of the polymerization, the polyethylene terephthalate film was removed and immersed in a 5 wt% chlorosulfonic acid solution prepared using dichloroethane as a solvent at room temperature for 24 hours to proceed with sulfonation of the polymer. After sulfonation was completed, washed several times with acetone and ultrapure water and then stored.

이러한 공정으로 막 두께가 대략 40㎛인 PTFE/술폰화 스티렌-비닐피롤리돈 복합막을 제조하였다. 이렇게 제조된 복합막은 SEM, 함수율, 이온교환용량 및 전도도에 대해 분석하였고, 그 결과를 다음 도 1 및 표 1에 나타내었다.This process produced a PTFE / sulfonated styrene-vinylpyrrolidone composite membrane having a film thickness of approximately 40 μm. The composite membrane thus prepared was analyzed for SEM, water content, ion exchange capacity and conductivity, and the results are shown in FIG. 1 and Table 1 below.

도 1의 (a)와 (b)는 실시예 1에 따라 제조된 PTFE/스티렌-비닐피롤리돈 복합막의 SEM 사진으로서, 막 내에서 상 분리 및 핀홀이 발견되지 않음을 알 수 있다. (A) and (b) of FIG. 1 are SEM images of the PTFE / styrene-vinylpyrrolidone composite membrane prepared according to Example 1, and it can be seen that phase separation and pinholes are not found in the membrane.

PTFE/술폰화 스티렌-비닐피롤리돈 복합막의 함수율, 이온교환용량 및 전도도는 다음의 방법으로 측정되었고, 표 1에 결과를 나타내었다. The water content, ion exchange capacity and conductivity of the PTFE / sulfonated styrene-vinylpyrrolidone composite membrane were measured by the following method, and the results are shown in Table 1.

1) 함수율 : 초순수에 복합막을 24 시간 이상 담가 두어 막이 충분히 물을 머금을 수 있게 한 후 막 표면의 수분을 제거하고 무게(젖은 무게, Ww)를 측정한다. 막을 진공 상태 120℃의 오븐에 넣고 12시간 이상 건조시키고 무게(건조 무게, Wd)를 측정한다. 다음의 수학식 1에 대입하여 함수율을 구한다.1) Moisture content: Soak the composite membrane in ultrapure water for more than 24 hours to allow the membrane to have enough water. Remove moisture from the surface of the membrane and measure its weight (wet weight, Ww). The membrane is placed in a vacuum oven at 120 ° C. and dried for at least 12 hours and weighed (dry weight, Wd). The moisture content is obtained by substituting Equation 1 below.

Figure 112007092927033-pat00001
Figure 112007092927033-pat00001

2) 이온교환용량 : 복합막을 1.0 M HCl에 24 시간 담가 두어 이온교환막내의 작용기가 acid 형태 (e.g. -SO3H)로 존재하도록 한다. 산 용액에서 평형상태에 이른 막을 증류수로 씻어 막 표면에 남아 있는 산용액을 모두 제거한다. 막을 다시 1.0 M NaCl 50mL에 24시간 함침하여 NaCl 용액 속의 양이온과 고분자전해질막 내에 있는 수소 이온이 치환되도록 한다. 이 과정에서 염용액의 부피는 나중에 정확한 수소이온의 몰수를 계산하기 위해 정확히 알고 있어야 한다. 이 NaCl 용액을 0.01 M NaOH으로 적정하여 재 치환된 수소 이온의 양을 측정한다. 재 치환된 막은 건조시켜 무게를 측정하고 다음의 수학식 2에 의해 이온교환용량을 계산한다.2) Ion-exchange capacity: Soak the composite membrane in 1.0 M HCl for 24 hours so that functional groups in the ion-exchange membrane exist in acid form (eg -SO3H). Wash the membrane in equilibrium with acid solution with distilled water and remove all the acid solution remaining on the membrane surface. Remove The membrane is again immersed in 50 mL of 1.0 M NaCl for 24 hours to replace the cations in the NaCl solution with the hydrogen ions in the polymer electrolyte membrane. In this process, the volume of the salt solution must be known correctly to later calculate the exact moles of hydrogen ions. The NaCl solution is titrated with 0.01 M NaOH to determine the amount of hydrogen ions replaced again. The re-substituted membrane is dried, weighed, and the ion exchange capacity is calculated by the following equation.

Figure 112007092927033-pat00002
Figure 112007092927033-pat00002

여기서, V=재치환 염용액 부피 (mL), C=수소이온 농도 (meq/mL), W=건조막의 무게이다.Where V = replacement salt solution volume (mL), C = hydrogen ion concentration (meq / mL), and W = weight of the dry membrane.

3) 수소이온전도도 : 상온의 초순수에 24시간 이상 함침시킨 후 표면의 물을 제거하고 4-전극 시스템 측정 장치를 사용하여 임피던스 스펙트로스코피 방법에 의해 저항을 측정하였다3) Hydrogen ion conductivity: After impregnating the ultrapure water at room temperature for more than 24 hours, the surface water was removed and the resistance was measured by impedance spectroscopy using a four-electrode system measuring device.

Figure 112007092927033-pat00003
Figure 112007092927033-pat00003

여기에서 σ=수소이온전도도 (S/cm), L= 측정용 셀의 Pt wires 사이의 길이 (cm), R=측정된 저항 (Ω), W=막의 너비 (cm), d=막의 두께 (cm)를 나타낸다.       Where σ = hydrogen ion conductivity (S / cm), L = length between the Pt wires of the measuring cell (cm), R = measured resistance (Ω), W = film width (cm), d = film thickness ( cm).

혼합 용액 조성 (wt%)Mixed Solution Composition (wt%) 함수율
(%)
Water content
(%)
이온교환용량(meq/g)
Ion exchange capacity (meq / g)
수소이온
전도도
(S/cm)
(S/cm)
Hydrogen ion
conductivity
(S / cm)
(S / cm)
구분division StyreneStyrene VPVP DVBDVB 비교예 1-1Comparative Example 1-1 9090 00 1010 32.3732.37 1.401.40 0.05260.0526 실시예 1-1Example 1-1 8585 55 1010 31.2131.21 1.831.83 0.04990.0499 실시예 1-2Example 1-2 9090 55 55 62.5062.50 1.841.84 0.09050.0905

상기 표에서 보는 바와 같이 스티렌을 단독으로 사용하는 경우(비교예 1-1)보다 비닐피롤리돈을 함께 사용한 경우에 이온 교환 용량이 증가하는 것을 볼 수 있고(실시예 1-1, 1-2), 실시예 1-2의 복합막은 스티렌을 단독 사용할 때 보다 매우 높은 수소 이온 전도도와 함수율을 나타냈다.As shown in the above table, it can be seen that the ion exchange capacity increases when vinylpyrrolidone is used in combination with styrene alone (Comparative Example 1-1) (Examples 1-1 and 1-2). ), The composite membrane of Example 1-2 showed much higher hydrogen ion conductivity and water content than when styrene was used alone.

실시예 2Example 2

상기 실시예 1에서 PTFE 지지체 대신 30㎛ 두께의 폴리에틸렌 지지체를 사용하여 복합막을 제조하고 다음 물성에 대하여 분석하여 표 2에 나타내었다. In Example 1, a composite membrane was prepared by using a polyethylene support having a thickness of 30 μm instead of the PTFE support, and the results were shown in Table 2 below.

혼합 용액 조성 (wt%)Mixed Solution Composition (wt%) 함수율
(%)
Water content
(%)
이온교환용량
(meq/g)
Ion exchange capacity
(meq / g)
수소이온
전도도
(S/cm)
Hydrogen ion
conductivity
(S / cm)
구분division StyreneStyrene VPVP DVBDVB 비교예 2-1Comparative Example 2-1 9090 00 1010 15.2215.22 1.481.48 0.01750.0175 실시예 2-1Example 2-1 8585 55 1010 20.4120.41 2.062.06 0.02240.0224 실시예 2-2Example 2-2 9090 55 55 21.7421.74 1.491.49 0.01550.0155

상기 표2에서 보는 바와 같이 스티렌을 단독으로 사용하는 경우(비교예 2-1)보다 비닐 피롤리돈을 함께 사용한 경우(실시예 2-1)에 이온 교환용량과 전도도가 증가한 것을 볼 수 있다.As shown in Table 2 above, it can be seen that the ion exchange capacity and conductivity were increased when vinyl pyrrolidone was used together (Example 2-1) than when styrene was used alone (Comparative Example 2-1).

이상 본 발명을 다양한 실시예를 들어 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 예증하기 위한 것일 뿐 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 당업자에 있어서는 본 발명의 요지 및 스코프를 일탈하는 일 없이도 다양한 변화 및 수정이 가능함은 물론이며 이 또한 본 발명의 영역 내이다.Although the present invention has been described in detail with reference to various embodiments, it is not intended to limit the present invention only to illustrate the present invention, and various changes and modifications can be made by those skilled in the art without departing from the gist and scope of the present invention. Of course, this is also within the scope of the present invention.

도 1은 본 발명에 따라 다공성 지지체(PTFE 지지체) 표면의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope: SEM)으로 측정한 사진을 나타내는 도면이고,1 is a view showing a photograph measured by Scanning Electron Microscope (SEM) of the surface of the porous support (PTFE support) according to the present invention,

도 2a는 PTFE/술폰화 스티렌-비닐피롤리돈 복합막의 표면의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope: SEM)으로 측정한 사진이고, 도 2b는 도 2a의 단면 사진도이다.FIG. 2A is a photograph taken by a scanning electron microscope (SEM) of the surface of the PTFE / sulfonated styrene-vinylpyrrolidone composite membrane, and FIG. 2B is a cross-sectional photograph of FIG. 2A.

Claims (11)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete (a-1) 스티렌, 비닐피롤리돈, 가교제 및 개시제로 구성된 혼합 용액에 다공성 지지체를 함침시키는 단계와;(a-1) impregnating a porous support into a mixed solution consisting of styrene, vinylpyrrolidone, a crosslinking agent and an initiator; (b-1) 상기 (a-1) 단계에서 함침된 다공성 지지체를 오븐에서 열중합하는 단계와;(b-1) thermally polymerizing the porous support impregnated in the step (a-1) in an oven; (c-1) 상기 (b-1) 단계에서 중합된 스티렌-비닐피롤리돈 공중합 복합막을 술폰화하여 술폰산기를 도입하는 단계와;(c-1) sulfonating the styrene-vinylpyrrolidone copolymer composite membrane polymerized in the step (b-1) to introduce a sulfonic acid group; (d-1) 상시 (c-1) 단계에서 술폰화된 복합막을 수소이온형태로 치환하는 단계를 포함하며,(d-1) replacing the sulfonated composite membrane in the form of hydrogen ion at step (c-1) at all times, 상기 술폰산기를 도입하는 단계에서는, 상기 스티렌-비닐피롤리돈 공중합 복합막을 술폰화하기 위해 디클로로에탄(DCE)을 용매로 하여 클로로술폰산을 함유하는 산 용액을 만들고 용액 내에 복합막을 침전시키고 24시간 방치하여 술폰화시킨 후, 잔여 산의 제거를 위하여 아세톤 및 초순수를 이용하여 수차례 세척하는 것을 특징으로 하는 스티렌-비닐피롤리돈 공중합체를 함유하는 연료전지용 고분자전해질 복합막의 제조 방법In the step of introducing the sulfonic acid group, in order to sulfonate the styrene-vinylpyrrolidone copolymer composite membrane using dichloroethane (DCE) as a solvent to make an acid solution containing chlorosulfonic acid and precipitate the composite membrane in the solution and left for 24 hours After sulfonation, a method of producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell containing a styrene-vinylpyrrolidone copolymer, which is washed several times with acetone and ultrapure water to remove residual acid. 제 7항에서, 상기 열중합하는 단계에서는, 상기 함침된 다공성 지지체를 상기 오븐에서 60℃∼120℃에서 1시간 이상 열중합하는 것을 특징으로 하는 스티렌-비닐피롤리돈 공중합체를 함유하는 연료전지용 고분자전해질 복합막의 제조 방법.8. The polymer electrolyte for fuel cell containing styrene-vinylpyrrolidone copolymer according to claim 7, wherein in the thermal polymerization step, the impregnated porous support is thermally polymerized in the oven at 60 ° C. to 120 ° C. for at least 1 hour. Method for producing a composite membrane. 삭제delete (a-1) 스티렌, 비닐피롤리돈, 가교제 및 개시제로 구성된 혼합 용액에 다공성 지지체를 함침시키는 단계와;(a-1) impregnating a porous support into a mixed solution consisting of styrene, vinylpyrrolidone, a crosslinking agent and an initiator; (b-1) 상기 (a-1) 단계에서 함침된 다공성 지지체를 오븐에서 열중합하는 단계와;(b-1) thermally polymerizing the porous support impregnated in the step (a-1) in an oven; (c-1) 상기 (b-1) 단계에서 중합된 스티렌-비닐피롤리돈 공중합 복합막을 술폰화하여 술폰산기를 도입하는 단계와;(c-1) sulfonating the styrene-vinylpyrrolidone copolymer composite membrane polymerized in the step (b-1) to introduce a sulfonic acid group; (d-1) 상시 (c-1) 단계에서 술폰화된 복합막을 수소이온형태로 치환하는 단계를 포함하며,(d-1) replacing the sulfonated composite membrane in the form of hydrogen ion at step (c-1) at all times, 상기 술폰산기를 도입하는 단계에서는, 상기 술폰화된 복합막을 수소이온형태로 치환하기 위해 2 N NaOH 용액에서 4~8시간 방치 한 후 다시 2 N HCl용액에 10~12시간 침지시킨 후 초순수로 수차례 세척하여 보관하는 것을 특징으로 하는 스티렌-비닐피롤리돈 공중합체를 함유하는 연료전지용 고분자전해질 복합막의 제조 방법.In the step of introducing the sulfonic acid group, the sulfonated composite membrane was left for 4 to 8 hours in 2 N NaOH solution to replace the sulfonated composite membrane in the form of hydrogen ions, and then immersed in 2 N HCl solution for 10 to 12 hours and then several times with ultrapure water. A method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell containing a styrene-vinylpyrrolidone copolymer, characterized by washing and storing. 제 7항에서, 상기 디클로로에탄(DCE)을 용매로 하여 클로로술폰산을 함유하는 산 용액을 만드는 단계에서, 디클로로에탄을 용매로 사용하여 제조한 0.5~30wt.%의 클로로술폰산 용액에 침지시켜 상온에서 24시간 방치하여 고분자의 술폰화를 진행하는 연료전지용 고분자전해질 복합막의 제조 방법.The method of claim 7, wherein the dichloroethane (DCE) as a solvent in the step of making an acid solution containing chlorosulfonic acid, immersed in 0.5 ~ 30wt.% Chlorosulfonic acid solution prepared using dichloroethane as a solvent at room temperature A method for producing a polymer electrolyte composite membrane for a fuel cell, which is left for 24 hours to undergo sulfonation of a polymer.
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