KR101827897B1 - Composite polymer electrolyte membrane for fuel cell, and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
연료전지용 복합 고분자 전해질막은 다음의 제조 방법을 통해 제조된다: 스프레이(spray) 공정을 통해 수소 이온 전도성 고분자 전해질 용액을 다공성 지지체에 분사하여, 상기 다공성 지지체의 기공들 내부를 부분적으로 또는 전체적으로 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질 용액으로 채우는 것; 상기 다공성 지지체에 분사된 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질 용액을 건조시키는 것; 및 내부의 기공들이 부분적으로 또는 전체적으로 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 채워진 다공성 지지체에 냉간 등방압 가압(cold isostatic pressing, CIP) 공정을 수행하여, 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 완전히 채워지지 않은 잔여 기공들을 제거하는 것. A composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell is manufactured through the following production process: Spraying a hydrogen-ion conductive polymer electrolyte solution on a porous support through a spray process, so that the inside of pores of the porous support is partially Filling with a conductive polymer electrolyte solution; Drying the hydrogen ion conductive polymer electrolyte solution sprayed on the porous support; And a cold isostatic pressing (CIP) process is performed on the porous support in which the pores inside are partially or wholly filled with the proton conductive polymer electrolyte to remove the remaining pores that are not completely filled with the proton conductive polymer electrolyte To do.
Description
본 발명은 연료전지용 복합 고분자 전해질막 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)용 복합 고분자 전해질막 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a composite polymer electrolyte membrane for a PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) and a method of manufacturing the same.
고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 차세대 에너지원으로 각광받고 있는 연료전지의 한 종류로서, 수소 이온 교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지이다. 이러한 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 초기 성능 향상 및 장기 성능 확보를 위해, 전기 절연성뿐 아니라 높은 수소 이온 전도성, 낮은 전자 전도성 및 기체 투과성, 높은 기계적 강도 및 치수 안정성 등의 특성을 갖는 고분자 전해질막을 포함할 것이 요구된다.Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) is a type of fuel cell that is attracting attention as a next generation energy source. It is a fuel cell that uses a polymer membrane having hydrogen ion exchange characteristics as an electrolyte. In order to improve initial performance and ensure long-term performance, such a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) includes a polymer electrolyte membrane having not only electrical insulation but also high hydrogen ion conductivity, low electronic conductivity and gas permeability, high mechanical strength and dimensional stability Is required.
한편, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)용 고분자 전해질막으로서, 듀폰 社의 나피온 단일막과 같은 순수 과불소계 술폰화 고분자 전해질막이 현재 상용화되어 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 순수 과불소계 술폰화 고분자 전해질막은 우수한 내화학성, 내산화성 및 이온 전도성에도 불구하고 단가가 높고 기계적 및 형태적 안정성이 낮으며 100℃ 이상의 온도에서 급격히 감소된 수소 이온 전도성을 갖는 등의 문제점으로 인해, 전술한 바와 같은 우수한 특성들을 가지면서도 경제적인 새로운 고분자 전해질막에 대한 요구가 증가하고 있다. On the other hand, as a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a pure perfluoropoly sulfonated polymer electrolyte membrane such as a Nafion single membrane of DuPont is currently commercialized and most widely used. However, the pure perfluoropoly sulfonated polymer electrolyte membrane has a high unit cost despite its excellent chemical resistance, oxidation resistance and ion conductivity, has a low mechanical and morphological stability, and has a problem of having a hydrogen ion conductivity which is rapidly reduced at a temperature of 100 ° C or higher , There is an increasing demand for new polymer electrolyte membranes having excellent properties as described above, yet economical.
그에 대한 한 가지 방안으로서, 다공성 지지체를 이용한 복합 고분자 전해질막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 박막화가 가능하여 연료전지 작동 시 저항을 줄일 수 있고, 기계적 및 형태적으로 안정성을 확보하면서도 전술한 바와 같은 우수한 특성들을 갖도록 구현될 수 있어, 기존의 고분자 전해질막들이 갖던 다양한 문제점들을 해결할 수 있을 것으로 기대된다. As one approach to this, research on a composite polymer electrolyte membrane using a porous support has been actively conducted. This can reduce the resistance during operation of the fuel cell, and can be realized to have excellent mechanical and morphological stability while having excellent characteristics as described above. Thus, it is possible to solve various problems of existing polymer electrolyte membranes .
하지만 다공성 지지체 기공 내부에 고분자 전해질을 균일하고 촘촘하게, 즉 완전히 함침시키는 것이 상당히 어려우므로 실질적으로는 복합 고분자 전해질막을 구현하는 데 제약이 따를 수 있다. However, since it is considerably difficult to uniformly impregnate the polymer electrolyte uniformly and tightly, that is, completely impregnated into the pores of the porous support, it is practically possible to implement a composite polymer electrolyte membrane.
본 발명의 일 목적은 다공성 지지체를 포함하는 균일 복합 박막 형태로 구현되어 높은 수소 이온 교환 특성 및 낮은 전자 전도성을 가질 뿐 아니라 향상된 기체 투과성을 갖고, 두께 대비 기계적 강도가 우수하며, 물리적 손상의 발생 없이 제조가 용이한 연료전지용 복합 고분자 전해질막 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a fuel cell which is realized in the form of a uniform composite thin film including a porous support and has a high hydrogen ion exchange property and low electron conductivity as well as an improved gas permeability and excellent mechanical strength against thickness, To provide a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell which is easy to manufacture and a method for producing the same.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 예시적인 구현예들에 따른 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조 방법에 있어서, 상기 제조 방법은 다음을 포함한다: 스프레이(spray) 공정을 통해 수소 이온 전도성 고분자 전해질 용액을 다공성 지지체에 분사하여, 상기 다공성 지지체의 기공들 내부를 부분적으로 또는 전체적으로 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질 용액으로 채우는 것; 상기 다공성 지지체에 분사된 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질 용액을 건조시키는 것; 및 내부의 기공들이 부분적으로 또는 전체적으로 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 채워진 다공성 지지체에 냉간 등방압 가압(cold isostatic pressing, CIP) 공정을 수행하여, 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 완전히 채워지지 않은 잔여 기공들을 제거하는 것.In order to accomplish one object of the present invention, there is provided a method of manufacturing a composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell, comprising the steps of: spraying a proton conductive polymer electrolyte solution Injecting the porous support into the pores of the porous support to partially or wholly fill the pores of the porous support with the hydrogen ion conductive polymer electrolyte solution; Drying the hydrogen ion conductive polymer electrolyte solution sprayed on the porous support; And a cold isostatic pressing (CIP) process is performed on the porous support in which the pores inside are partially or wholly filled with the proton conductive polymer electrolyte to remove the remaining pores that are not completely filled with the proton conductive polymer electrolyte To do.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 방법을 통해, 상기 다공성 지지체의 기공들 내부는 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 완전히 채워질 수 있다.In exemplary embodiments, through the method, the interior of the pores of the porous support can be completely filled with the proton conductive polymer electrolyte.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질 용액은 과불소계 술폰화 이오노머(perfluorinated sulfonic acid ionomer, PFSA ionomer) 용액일 수 있고, 상기 다공성 지지체는 다공성 불소계 고분자 지지체일 수 있다. In exemplary embodiments, the proton conductive polymer electrolyte solution may be a perfluorinated sulfonic acid ionomer (PFSA ionomer) solution, and the porous support may be a porous fluorinated polymer support.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액은 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액의 총 중량을 기준으로, 약 1 내지 20 wt%의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함할 수 있다. In exemplary embodiments, the perfluorinated sulfonated ionomer solution may comprise about 1 to 20 wt% of a perfluorinated sulfonated ionomer, based on the total weight of the perfluorinated sulfonated ionomer solution.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 스프레이 공정 수행 시, 수소 이온 전도성 고분자 전해질 용액은 약 2 내지 4 bar의 압력 하에서 약 2 내지 6 ml/min의 유량으로 분사될 수 있다. In exemplary embodiments, during the spray process, the proton conductive polymer electrolyte solution may be injected at a flow rate of about 2 to 6 ml / min under a pressure of about 2 to 4 bar.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질 용액은 중력 방향으로 분사될 수 있다. In exemplary embodiments, the proton-conducting polymer electrolyte solution may be injected in the direction of gravity.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 스프레이(spray) 공정을 수행하기 이전에, 상기 다공성 지지체를 아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 과산화수소로 처리할 수 있다. In exemplary embodiments, the porous support may be treated with acetone, methanol, ethanol, propanol or hydrogen peroxide prior to performing the spray process.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 냉간 등방압 가압 공정(CIP)은, 내부의 기공들이 부분적으로 또는 전체적으로 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 채워진 다공성 지지체를 고무 재질의 용기에 봉입하고, 압력을 고르게 받을 수 있도록 진공 펌프를 이용하여 상기 다공성 지지체를 상기 용기에 밀착시키는 것; 및 완충 용액을 함유하고 있는 냉간 등방압 가압 장치를 이용하여, 상기 다공성 지지체가 담긴 상기 용기에 등방 압력을 가하는 것;을 통해 수행될 수 있다. In the illustrative embodiments, the cold isostatic pressing (CIP) process is a process wherein the porous support, in which the pores are partially or wholly filled with hydrogen-ion conductive polymer electrolyte, is sealed in a rubber-made container, To adhere the porous support to the container using a vacuum pump; And applying a isostatic pressure to the container containing the porous support using a cold isostatic pressing device containing a buffer solution.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 등방 압력은 약 상압 내지 300MPa의 등방 압력일 수 있다. In exemplary embodiments, the isotropic pressure may be between about atmospheric pressure and 300 MPa isotropic pressure.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 예시적인 구현예들에 따른 연료전지용 복합 고분자 전해질막은 전술한 제조 방법을 통해 제조되어, 다공성 지지체; 및 상기 다공성 지지체의 기공 내부를 완전히 채우는 수소 이온 전도성 고분자 전해질을 포함한다. 상기 복합 고분자 전해질막은 약 0.5mA/cm2 이하의 수소 크로스오버 전류밀도(H2 crossover current density) 값을 나타낼 수 있다.A composite polyelectrolyte membrane for a fuel cell according to exemplary embodiments for achieving an object of the present invention is manufactured through the above-described manufacturing method, and comprises a porous support; And a proton conductive polymer electrolyte which completely fills the inside of the pores of the porous support. The composite polymer electrolyte membrane of about 0.5mA / cm 2 of hydrogen crossover current density (H 2 crossover current density) value equal to or less than can be represented.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 다공성 지지체는 다공성 불소계 고분자 지지체일 수 있고, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 과산화수소로 처리된 것일 수 있다. In exemplary embodiments, the porous support may be a porous fluorinated polymeric support and may be treated with acetone, methanol, ethanol, propanol or hydrogen peroxide.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질은 과불소계 술폰화 이오노머(perfluorinated sulfonic acid ionomer, PFSA ionomer)일 수 있고, 상기 다공성 지지체와 결합되어 복합화될 수 있다. In exemplary embodiments, the proton conductive polymer electrolyte may be a perfluorinated sulfonic acid ionomer (PFSA ionomer), and the proton conductive polymer electrolyte may be combined with the porous support.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 복합 고분자 전해질막은 약 10μm 내지 25μm 미만의 두께를 가질 수 있다. In exemplary embodiments, the composite polyelectrolyte membrane may have a thickness of less than about 10 [mu] m to less than 25 [mu] m.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 복합 고분자 전해질막은 고분자 전해질 연료전지의 막 전극 접합체를 구성할 수 있다. In the exemplary embodiments, the composite polymer electrolyte membrane may constitute a membrane electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell.
본 발명에 따른 연료전지용 복합 고분자 전해질막은 처리 공정, 스프레이 공정, 건조 공정 및 냉간 등방압 가압 공정을 순차적으로 수행하는 방법을 통해, 다공성 지지체를 포함하는 균일 복합 박막 형태로 제조될 수 있다. 특히, 상기 스프레이 공정 이후에 상기 냉간 등방압 가압 공정을 수행함으로써, 열이나 압력에 의한 결함 발생 없이, 단순 수직 방향이 아닌 3차원 그물 구조로 분포하는 상기 다공성 지지체 기공들의 내부를 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 보다 균일하고 촘촘하게, 즉 실질적으로 완전히 채울 수 있다. 이에 따라, 상기 복합 고분자 전해질막에는 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 충분히 채워지지 않은 잔여 기공이나 보이드가 실질적으로 존재하지 않을 수 있고, 물리적 및/또는 화학적 손상이나 열화가 발생하지 않을 수 있다. 그 결과, 상기 복합 고분자 전해질막은 기존의 연료전지용 고분자 전해질막에 준하거나 그 이상으로 향상된 수소 이온 교환 특성, 전자 전도성, 기계적 강도 및 치수 안정성을 가질 수 있고, 특히 낮은 기체 투과도를 가질 수 있다. The composite polyelectrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention can be manufactured in the form of a uniform composite membrane containing a porous support by sequentially performing a treatment process, a spray process, a drying process, and a cold isostatic pressing process. Particularly, by performing the cold isostatic pressing process after the spraying process, the interior of the porous support pores distributed in a three-dimensional net structure, rather than a simple vertical direction, is exposed to a hydrogen ion conductive polymer electrolyte I.e., substantially completely filled with water. Accordingly, the composite polymer electrolyte membrane may not substantially contain residual pores or voids that are not sufficiently filled with the proton conductive polymer electrolyte, and physical and / or chemical damage or deterioration may not occur. As a result, the composite polymer electrolyte membrane can have improved hydrogen ion exchange characteristics, electron conductivity, mechanical strength, dimensional stability, and particularly, a low gas permeability, which is superior to or better than that of conventional polymer electrolyte membranes for fuel cells.
또한, 상기 복합 고분자 전해질막은 고가의 과불소계 술폰화 이오노머와 같은 수소 이온 전도성 전해질을 최소로 사용하여 제조가 가능하므로, 기존의 연료전지용 고분자 전해질막 대비 가격 경쟁력의 측면에서 추가적인 이점을 가질 수 있다. In addition, since the composite polymer electrolyte membrane can be manufactured using a hydrogen ion conductive electrolyte such as a high-priced perfluorocarbon sulfonated ionomer in a minimum amount, the polymer electrolyte membrane can have an additional advantage in terms of price competitiveness compared to a conventional polymer electrolyte membrane for a fuel cell.
그러므로 이와 같은 연료전지용 복합 고분자 전해질막을 통해 우수한 성능을 갖는 막 전극 접합체, 및 이를 포함하는 연료전지를 용이하게 구현할 수 있다. Therefore, a membrane electrode assembly having excellent performance and a fuel cell including the membrane electrode assembly can be easily realized through the composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell.
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 복합 고분자 전해질막 제조를 위한 냉간 등방압 가압(CIP) 공정을 도시한 모식도이다.
도 2는 기존의 복합 고분자 전해질막 제조에 사용되는 열 압착(hot prsessing) 공정을 도시한 모식도이다.
도 3은 실시예 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막들의 표면(a, c 및 e) 및 단면(b, d 및 f)을 비교 도시한 SEM 사진들이다.
도 4는 실시예 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막들의 전류-전압 변화(a) 및 전력밀도 변화(b)를 도시한 그래프들이다.
도 5는 순환전류전압법(Cyclic Voltammetry, CV)을 통해 측정한, 실시예 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막을 포함하는 단전지들(single cell)의 전기화학적 특성을 비교 도시한 그래프이다.
도 6은 선형주사전위법(Linear Sweep Voltammetry, LSV)을 통해 측정한, 실시예 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막을 포함하는 단전지들(single cell)의 수소 크로스오버 전류밀도(H2 crossover current density)를 비교 도시한 그래프이다. 1 is a schematic diagram showing a cold isostatic pressing (CIP) process for producing a composite polymer electrolyte membrane according to exemplary embodiments of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a hot pressing process used for manufacturing a conventional composite polymer electrolyte membrane.
3 is a SEM photograph showing the surfaces (a, c and e) and cross sections (b, d and f) of the composite polymer electrolyte membranes prepared according to Examples and Comparative Examples 1 and 2.
4 is a graph showing a current-voltage change (a) and a power density change (b) of the composite polymer electrolyte membranes prepared according to Examples and Comparative Examples 1 and 2.
5 is a graph showing the electrochemical characteristics of a single cell including a composite polymer electrolyte membrane prepared according to Examples and Comparative Examples 1 and 2, measured through a cyclic voltammetry (CV) It is a graph.
6 is a graph showing the hydrogen crossover current density of single cells comprising the composite polymer electrolyte membranes prepared according to Examples and Comparative Examples 1 and 2, measured through Linear Sweep Voltammetry (LSV) (H 2 crossover current density).
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. The embodiments of the present invention disclosed in the present specification are for illustrative purposes only and the embodiments of the present invention can be embodied in various forms and should not be construed as limited to the embodiments described in the text .
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. It is to be understood that the invention is not to be limited to the specific forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention, As will be understood by those skilled in the art.
본 명세서에서 복합화된다, 또는 복합화가 일어난다는 것은, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 전해질인 과불소계 술폰화 고분자 전해질(이오노머)가 다공성 불소계 고분자 지지체에 물리적 및/또는 화학적으로 결합됨으로써 보다 유효한 기능을 갖도록 조합되는 것을 의미한다. The combination or complexation in the present specification means that the perfluoropolyether sulfonate polymer electrolyte (ionomer), which is a polymer electrolyte having proton conductivity, is physically and / or chemically bonded to the porous fluorinated polymer scaffold to have a more effective function .
본 명세서에서 수소 크로스오버(H2 crossover)란, 애노드(anode) 전극에서 반응하지 못한 수소가 고분자 전해질막을 통과하여 캐소드(cathode) 전극으로 넘어가면서 생기는 수소 투과 현상을 의미하며, 이를 통해 해당 고분자 전해질막의 기체 투과도를 측정할 수 있다. 이러한 수소 크로스오버 현상, 즉 애노드 전극에서 캐소드 전극으로의 바람직하지 않은 기체 확산은 과불소계 전해질막 열화의 주요 원인으로 알려져 있으며, 일반적으로 해당 전해질막의 두께가 얇을수록 쉽게 발생할 수 있다. 본 발명에서는 수소 크로스오버 현상의 발생 여부 및 수소 크로스오버 전류밀도를 확인하기 위하여, 애노드 전극에 수소, 캐소드 전극에 질소를 각각 공급하면서 선형주사전위법(LSV)을 이용해 0V~0.6V(vs. 애노드) 구간에서 해당 전지의 전류를 측정하였다. The hydrogen cross-over (H 2 crossover) in the description field, an anode (anode) means a hydrogen permeable phenomenon occurs going beyond the cathode (cathode) electrode is a hydrogen has not reacted at the electrode through the electrolyte membrane polymer and, through which the polymer electrolyte The gas permeability of the membrane can be measured. Such a hydrogen crossover phenomenon, that is, an undesirable gas diffusion from the anode electrode to the cathode electrode is known to be a main cause of the deterioration of the perfluorinated electrolyte membrane, and generally, the thinner the thickness of the electrolyte membrane, the easier it is. In the present invention, in order to confirm the occurrence of the hydrogen crossover phenomenon and the hydrogen crossover current density, hydrogen is supplied to the anode electrode and nitrogen is supplied to the cathode electrode, and a voltage of 0V to 0.6V (vs. Anode) section of the battery.
본 명세서에서 '냉간 등방압 가압(cold isotatic pressing, CIP) 공정'이란 물과 같은 액체를 압력 매체로 하여 원하는 물질에 모든 방향으로 고압을 균등하게 전달시키는 공정을 의미한다.The term 'cold isothatic pressing (CIP)' as used herein means a process of uniformly delivering a high pressure in all directions to a desired material by using a liquid such as water as a pressure medium.
연료전지용 복합 고분자 전해질막Composite Polymer Electrolyte Membrane for Fuel Cell
본 발명의 복합 고분자 전해질막은 연료전지용 전해질막으로서, 구체적으로 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)의 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)를 구성할 수 있는 전해질막이다. 상기 복합 고분자 전해질막은 다공성 지지체 및 수소 이온 전도성 고분자 전해질을 포함한다. 이때, 상기 다공성 지지체의 기공 내부는 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 균일하고 촘촘하게, 즉 실질적으로 완전히 채워져 상기 복합 고분자 전해질막에는 실질적으로 잔여 기공이나 보이드(void)가 존재하지 않을 수 있다. 따라서, 상기 복합 고분자 전해질막은 약 0.5mA/cm2 이하의 수소 크로스오버 전류밀도(H2 crossover current density)를 나타내어 낮은 기체 투과도를 가지므로 기체 투과성이 상당히 우수하다. The composite polymer electrolyte membrane of the present invention is an electrolyte membrane for a fuel cell, specifically, an electrolyte membrane capable of forming a membrane electrode assembly (MEA) of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC). The composite polymer electrolyte membrane includes a porous support and a proton conductive polymer electrolyte. At this time, the inside of the pores of the porous support may be uniformly and closely filled with the hydrogen-ion conductive polymer electrolyte, that is, substantially completely, so that the composite polymer electrolyte membrane may have substantially no residual pores or voids. Therefore, since the composite polymer electrolyte membrane of about 0.5mA / cm 2 of hydrogen crossover current density of less than the indicated (H 2 crossover current density) of the low gas permeability it is extremely excellent in gas permeability.
상기 다공성 지지체는 수소 이온 전도성을 갖는다. 또한, 내부에 3차원 그물 구조로 다수의 기공들을 가져, 상기 복합 고분자 전해질막의 기계적 강도 및 형태적 안정성 향상에 기여할 수 있다. 이러한 다공성 지지체로서, 예컨대 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 지지체와 같은 다공성 불소계 고분자 지지체를 사용할 수 있다. 상기 다공성 불소계 고분자 지지체는 탄소-불소 간의 강한 결합력과 불소 원자의 특징인 가림 효과로 인하여 화학적으로 안정하고, 기계적 특성 및 수소 이온 전도성이 모두 우수하여 본 발명에 유용하게 사용될 수 있다. The porous support has hydrogen ion conductivity. In addition, it has a plurality of pores in a three-dimensional network structure inside, and contributes to enhancement of mechanical strength and morphological stability of the composite polymer electrolyte membrane. As such a porous support, for example, a porous fluorinated polymer support such as a porous polytetrafluoroethylene (PTFE) support may be used. The porous fluorocarbon polymer scaffold is chemically stable due to the strong binding force between carbon and fluorine and the blocking effect, which is a characteristic of fluorine atoms, and is excellent in both mechanical properties and hydrogen ion conductivity, and thus can be usefully used in the present invention.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 다공성 지지체는 아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 과산화수소로 처리된 것일 수 있다. 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 지지체와 같은 다공성 불소계 고분자 지지체는 소수성을 가지므로, 친수성인 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질보다 공기와 더 친숙하여 낮은 젖음성을 갖게 된다. 때문에, 상술한 바와 같은 이점에도 불구하고 이를 이용하여 잔여 기공이나 보이드(void) 없이 균일하고 촘촘한 내부 구조를 갖는 복합 고분자 전해질막을 구현하는 데 어려움이 있을 수 있다. 그러나 아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 과산화수소로 처리됨으로써 상기 다공성 불소계 고분자 지지체는 향상된 젖음성을 가질 수 있으며, 나아가 내부 및/또는 표면 상에 불순물을 포함하지 않을 수 있다. In exemplary embodiments, the porous support may be one treated with acetone, methanol, ethanol, propanol or hydrogen peroxide. Porous fluorinated polymer scaffolds such as porous polytetrafluoroethylene (PTFE) scaffolds have hydrophobicity, so they are more familiar with air than the hydrophilic conductive polymer electrolyte, and have lower wettability. Therefore, it may be difficult to realize a composite polymer electrolyte membrane having a uniform and dense internal structure without residual pores or voids, despite the advantages described above. However, by treating with acetone, methanol, ethanol, propanol or hydrogen peroxide, the porous fluorinated polymer scaffold may have improved wettability and may further contain no impurities on the interior and / or the surface.
상기 다공성 불소계 고분자 지지체의 향상된 젖음성은 상기 다공성 불소계 고분자 지지체의 기공 내부를 더 균일하고 촘촘하게, 즉 실질적으로 완전히 상기 수소 이온 전도성 전해질로 채우는 데 유리하다. 이에 따라, 상기 복합 고분자 전해질막은 높은 막 밀도를 가질 수 있고, 그 결과 더욱 향상된 기계적 강도를 가질 수 있다. 또한, 이의 내부에서 친수성 이온 도메인 간의 간격이 좁아지게 되므로 상기 복합 고분자 전해질막은 증가된 이온 전도도 및 치수 안정성을 가질 수 있다. The improved wettability of the porous fluorinated polymer scaffold is advantageous for filling the pores of the porous fluorinated polymer scaffold more uniformly and densely, that is, substantially completely with the hydrogen ion conductive electrolyte. Accordingly, the composite polymer electrolyte membrane can have a high film density, and as a result, can have a further improved mechanical strength. In addition, since the interval between the hydrophilic ion domains is narrowed within the polymer electrolyte membrane, the composite polymer electrolyte membrane can have increased ionic conductivity and dimensional stability.
상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질은, 예컨대 나피온 이오노머(Nafion ionomer)와 같은 과불소계 술폰화 이오노머(perfluorinated sulfonic acid ionomer, PFSA ionomer)일 수 있다. 과불소계 술폰화 이오노머(PFSA)는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 주 사슬과 동일한 형태의 구조를 갖기 때문에 상기 다공성 불소계 고분자 지지체에 대하여 높은 화학적 친화력을 가질 수 있다. 따라서, 과불소계 술폰화 이오노머(PFSA ionomer) 및 상기 다공성 불소계 고분자 지지체는 서로 강하게 결합되어 복합화될 수 있으며, 이러한 복합화는 최종적으로 상기 복합 고분자 전해질막의 향상된 안정성에 기여할 수 있다.The proton conductive polymer electrolyte may be a perfluorinated sulfonic acid ionomer (PFSA ionomer) such as a Nafion ionomer. Since the perfluorinated sulfonated ionomer (PFSA) has the same structure as the main chain of polytetrafluoroethylene (PTFE), it can have a high chemical affinity for the porous fluorinated polymer scaffold. Therefore, the perfluorinated sulfonated ionomer (PFSA ionomer) and the porous fluorinated polymer scaffold can be strongly bonded to each other to be complexed, and this combination can ultimately contribute to the improved stability of the composite polymer electrolyte membrane.
상기 복합 고분자 전해질막은, 전해질 부족으로 인한 낮은 수소 이온 교환 특성, 높은 전자 전도성 및 기체 투과성 등과 같은 열화된 특성들을 갖지 않으면서도 박막 형태로 구현될 수 있도록, 상기 다공성 불소계 고분자 지지체의 모든 기공 내부를 충분히 채울 수 있는 적절한 함량으로 과불소계 술폰화 이오노머를 포함할 수 있다. 한편, 과불소계 술폰화 이오노머의 함량에 비례하여 상기 복합 고분자 전해질막의 성능이 향상될 수 있지만, 고가의 과불소계 술폰화 이오노머를 과량 함유할 경우 제조 단가가 증가될 수 있어 전해질 함량 및 두께 대비 효율적인 복합 고분자 전해질막 구현이 어려울 수 있다. The composite polymer electrolyte membrane can be formed in a thin film form without having deteriorated properties such as low hydrogen ion exchange characteristics, high electron conductivity and gas permeability due to electrolyte shortage, and the inside of all the pores of the porous fluorine- May contain a perfluorinated sulfonated ionomer in a suitable amount that can be filled. On the other hand, the performance of the composite polymer electrolyte membrane can be improved in proportion to the content of the perfluorinated sulfonated ionomer. However, if an excessive amount of perfluorinated sulfonated ionomer is contained in excess, the manufacturing cost may increase, Implementation of a polymer electrolyte membrane may be difficult.
상기 복합 고분자 전해질막은, 예를 들어 약 10μm 내지 25μm 미만의 두께를 가질 수 있다. 기존의 연료전지용 고분자 전해질막들, 예컨대 나피온 전해질막과 같이 순수 과불소계 술폰화 고분자 전해질로 이루어진 고분자 전해질막들은 강화된 기계적 특성을 위해 일반적으로 약 25μm 이상의 두꺼운 두께를 갖는다. 그러나 전해질막의 두께 증가는 기계적 특성뿐 아니라 막의 저항 또한 증가시키므로 전해질막이 두꺼운 두께를 가질수록 이에 비례하여 전해질막의 이온 전도도가 낮아질 수 있다. 반면, 본 발명의 복합 고분자 전해질막은 전술한 바와 같이 높은 막 밀도 및 기계적 특성을 갖기 때문에, 예를 들어 약 10μm 내지 25μm 미만의 두께, 구체적으로 약 20μm의 상대적으로 얇은 두께를 갖더라도 기존의 연료전지용 고분자 전해질막들과 실질적으로 동일하거나 이보다 높은 이온 전도도 및 기계적 특성을 가질 수 있다. 즉, 상기 복합 고분자 전해질막은 두께 대비 매우 우수한 수소 이온 교환 특성 및 기계적 강도를 동시에 가질 수 있다. The composite polymer electrolyte membrane may have a thickness of, for example, less than about 10 占 퐉 to less than 25 占 퐉. Conventional polymer electrolyte membranes for fuel cells, such as Nafion electrolyte membranes, generally have a thicker thickness of about 25 탆 or more for enhanced mechanical properties, which are composed of a pure perfluoropoly sulfonated polymer electrolyte. However, since the increase in the thickness of the electrolyte membrane increases not only the mechanical characteristics but also the resistance of the membrane, the ionic conductivity of the electrolyte membrane may decrease in proportion to the thickness of the electrolyte membrane. On the other hand, since the composite polymer electrolyte membrane of the present invention has a high film density and mechanical properties as described above, it has a relatively thin thickness of, for example, about 10 탆 to less than 25 탆, And may have ion conductivity and mechanical properties substantially equal to or higher than those of the polymer electrolyte membranes. That is, the composite polymer electrolyte membrane can have hydrogen ion exchange property and mechanical strength which are excellent in the thickness.
전술한 바와 같이, 본 발명의 복합 고분자 전해질막은 다공성 지지체를 포함하는 균일 복합 박막 형태로 구현되어 두께 대비 기계적 강도가 우수할 뿐 아니라, 높은 수소 이온 교환 특성 및 낮은 전자 전도성을 갖고, 특히 향상된 기체 투과성을 갖는다. 또한, 상기 복합 고분자 전해질막은 높은 단가의 과불소계 술폰화 이오노머(예컨대, 나피온 이오노머)를 상대적으로 적은 함량으로 포함하면서도 기존의 고분자 전해질막에 준하거나 그 이상으로 전술한 바와 같은 우수한 특성들을 가지므로 가격 경쟁력 측면에서 추가적인 이점을 가질 수 있다. As described above, the composite polymer electrolyte membrane of the present invention is realized in the form of a uniform composite thin film including a porous support, which not only has excellent mechanical strength against thickness, but also has a high hydrogen ion exchange property and low electron conductivity, Respectively. In addition, since the composite polymer electrolyte membrane has excellent characteristics as described above in comparison with a conventional polymer electrolyte membrane while containing a relatively high amount of perfluorinated sulfonated ionomer (e.g., Nafion ionomer) in a relatively small amount It can have additional advantages in terms of price competitiveness.
따라서, 이를 통해 우수한 성능의 막 전극 접합체(MEA) 및 이를 포함하는 연료전지를 용이하게 구현할 수 있다. 특히, 상기 복합 고분자 전해질막은 기계적 강도가 높기 때문에, 이를 통해 전해질막의 손상 없이 연료전지 스택을 용이하게 제작할 수 있다. Accordingly, it is possible to easily realize a membrane electrode assembly (MEA) having excellent performance and a fuel cell including the same. Particularly, since the composite polymer electrolyte membrane has high mechanical strength, the fuel cell stack can be easily manufactured without damaging the electrolyte membrane.
연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조 방법METHOD FOR PRODUCING POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL CELL
본 발명의 복합 고분자 전해질막은 도 1을 참조로 하여 다음의 공정들을 수행함으로써 제조할 수 있다. The composite polymer electrolyte membrane of the present invention can be produced by performing the following processes with reference to FIG.
특별히 도시하지는 않았으나, 전술한 바와 같은 다공성 지지체를 아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 과산화수소로 처리한다.Although not specifically shown, the porous support as described above is treated with acetone, methanol, ethanol, propanol or hydrogen peroxide.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 다공성 지지체로서 다공성 불소계 고분자 지지체를 아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 과산화수소로 세척할 수 있다. 이를 통해, 상기 다공성 불소계 고분자 지지체는 이의 내부 및/또는 표면으로부터 불순물이 제거될 수 있으며, 향상된 젖음성을 가질 수 있다. In exemplary embodiments, the porous fluoropolymer support may be washed with acetone, methanol, ethanol, propanol or hydrogen peroxide as the porous support. Accordingly, the porous fluorocarbon polymer scaffold can have impurities removed from the inside and / or the surface thereof, and can have improved wettability.
특별히 도시하지는 않았으나, 스프레이(spray) 공정을 통해, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 과산화수소로 처리된 다공성 지지체에 수소 이온 전도성 전해질 용액을 분사한다. 상기 수소 이온 전도성 전해질 용액은 전술한 바와 동일한 수소 이온 전도성 전해질을 포함하는 용액으로서, 예를 들어 과불소계 술폰화 이오노머(PFSA ionomer) 용액을 사용할 수 있다. 상기 스프레이 공정을 통해, 상기 다공성 지지체 내부에 3차원 그물 구조로 분포하는 다수의 기공들이 적어도 부분적으로 상기 수소 이온 전도성 전해질 용액(과불소계 술폰화 이오노머 용액)으로 채워질 수 있다. Although not specifically shown, a hydrogen ion conductive electrolyte solution is sprayed through a spray process onto a porous support treated with acetone, methanol, ethanol, propanol or hydrogen peroxide. The proton conductive electrolyte solution is a solution containing the same proton conductive electrolyte as described above, for example, a solution of a perfluorinated sulfonated ionomer (PFSA ionomer) can be used. Through the spray process, a plurality of pores distributed in a three-dimensional net structure inside the porous support may be at least partially filled with the hydrogen ion conductive electrolyte solution (perfluorinated sulfonated ionomer solution).
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 스프레이 공정은, 처리된 다공성 불소계 고분자 지지체를 일정한 모양으로 제작된 틀에 평평하게 고정시키고, 가스 봄베에 연결된 스프레이 건(spray gun)을 이용하여 일정 거리를 두고 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액을 분사함으로써 수행할 수 있다. 이때, 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액은 상기 다공성 불소계 지지체가 손상되지 않으면서도 고르게 분사될 수 있도록 약 2 내지 4 bar의 압력 하에서 약 2 내지 6 ml/min의 유량으로 분사될 수 있다. 특히, 일 실시예에 있어서, 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액은 중력 방향으로 분사될 수 있다. 이 경우, 분사되는 과불소계 술폰화 이오노머 용액에 수직 방향으로의 분사력 및 중력이 동일 방향으로 함께 작용하여, 중력 방향 이외의 다른 방향으로 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액이 분사되는 경우보다 상기 다공성 불소계 고분자 지지체의 기공 내부는 보다 효과적으로 채워질 수 있다. In exemplary embodiments, the spraying process may be performed by fixing the treated porous fluoropolymer support to a mold made in a predetermined shape, fixing the porous fluoropolymer support to a predetermined shape using a spray gun connected to a gas cylinder, And spraying a perfluorinated sulfonated ionomer solution. At this time, the perfluorinated sulfonated ionomer solution can be sprayed at a flow rate of about 2 to 6 ml / min under a pressure of about 2 to 4 bar so that the porous fluorocarbon based support can be evenly sprayed without being damaged. In particular, in one embodiment, the perfluorinated sulfonated ionomer solution may be injected in the direction of gravity. In this case, when the perfluorinated sulfonated ionomer solution is injected into the injected perfluorinated sulfonated ionomer solution in the same direction and the injected perfluorinated sulfonated ionomer solution is injected in a direction other than the direction of gravity, The inside of the pores of the support can be more effectively filled.
한편, 예시적인 구현예들에 있어서, 상기 스프레이 공정 수행 시, 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액은 분산성을 고려하여 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액의 총 중량을 기준으로, 약 1 내지 약 20 wt%의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함할 수 있다. 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액 내 과불소계 술폰화 이오노머의 함량이 약 15 wt%를 초과할 때부터 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액의 점도가 서서히 증가하게 되며, 과불소계 술폰화 이오노머 함량이 약 20 wt%를 초과할 경우 높은 점도로 인해 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액이 고르게 분사되지 않을 수 있다. On the other hand, in exemplary embodiments, in performing the spray process, the perfluorinated sulfonated ionomer solution may contain about 1 to about 20 wt%, based on the total weight of the perfluorinated sulfonated ionomer solution, Of a perfluorinated sulfonated ionomer. When the content of the perfluorinated sulfonated ionomer in the perfluorinated sulfonated ionomer solution exceeds about 15 wt%, the viscosity of the perfluorinated sulfonated ionomer solution gradually increases and the perfluorinated sulfonated ionomer content increases to about 20 wt% %, The perfluorinated sulfonated ionomer solution may not be uniformly sprayed due to the high viscosity.
특별히 도시하지는 않았으나, 건조 공정을 통해, 상기 다공성 지지체에 분사된 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질 용액을 건조시킨다. 이에 따라, 상기 용액 내 용매는 휘발되고 상기 다공성 지지체 기공들 내부에는 전술한 바와 같은 수소 이온 전도성 고분자 전해질, 예를 들어 과불소계 술폰화 이오노머만이 남을 수 있다. Although not specifically shown, the hydrogen ion conductive polymer electrolyte solution sprayed on the porous support is dried through a drying process. Thus, the solvent in the solution is volatilized and only the hydrogen ion conductive polymer electrolyte, for example, the perfluorinated sulfonated ionomer, as described above, may remain in the porous support pores.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 건조 공정은, 내부의 기공들이 적어도 부분적으로 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액으로 채워진 다공성 불소계 고분자 지지체를 오븐에 넣고, 약 1 시간 내지 2 시간 동안 1차 건조시킨 뒤, 상기 1차 건조 시보다 오랜 시간, 예컨대 약 12 시간 동안 2차 건조시킴으로써 진행할 수 있다. 이때, 상기 1차 건조 및 2차 건조는 모두 상기 용액 내 용매를 충분히 휘발시킬 수 있으며 과불소계 술폰화 이오노머가 열에 의해 분해되거나 변화되지 않는 온도, 예컨대 약 60℃의 온도에서 이뤄질 수 있다. In exemplary embodiments, the drying process may be performed by placing a porous fluoropolymer support, in which pores at least partially filled with the perfluorocompound sulfonated ionomer solution, into an oven and then primarily drying for about 1 to 2 hours , Followed by secondary drying for a longer time than the primary drying, for example, about 12 hours. At this time, the primary drying and the secondary drying may both be performed sufficiently at a temperature at which the solvent in the solution can sufficiently volatilize and the perfluorinated sulfonated ionomer is not decomposed or changed by heat, for example, about 60 ° C.
도 1을 참조하면, 내부의 기공들이 적어도 부분적으로 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 채워진 다공성 지지체에 냉간 등방압 가압(cold isostatic pressing, CIP) 공정을 수행한다. 이에 따라, 전술한 공정들로부터 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 완전히 채워지지 않아 존재할 수 있는 잔여 기공이 제거될 수 있다. Referring to FIG. 1, a cold isostatic pressing (CIP) process is performed on a porous support in which pores at least partially filled with the proton conductive polymer electrolyte. Accordingly, residual pores which may not be completely filled with the proton conductive polymer electrolyte may be removed from the above-described processes.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 냉간 등방압 가압(CIP) 공정은 도 1에 도시된 바와 같이, 내부의 기공들이 적어도 부분적으로 과불소계 술폰화 이오노머로 채워진 다공성 불소계 고분자 지지체를 고무 재질의 용기(틀)에 봉입하고, 압력을 고르게 받을 수 있도록 진공 펌프를 이용하여 상기 다공성 불소계 고분자 지지체를 상기 용기(틀)에 밀착시킨 뒤, 완충 용액을 함유하고 있는 냉간 등방압 가압 장치를 이용하여 상기 다공성 불소계 고분자 지지체가 담긴 용기(틀)에 등방 압력을 가함으로써 진행할 수 있다. 이때, 상기 다공성 불소계 고분자 지지체는 상기 용기(틀) 내에 봉입되어 있기 때문에 상기 완충 용액에 의해 오염되지 않을 수 있다. In the exemplary embodiments, the cold isostatic pressing (CIP) process is a process in which a porous fluorinated polymeric support, in which the pores therein are at least partially filled with a perfluorinated sulfonated ionomer, The porous fluoropolymer support was brought into close contact with the container (frame) using a vacuum pump so that the pressure could be evenly received, and then the porous fluoropolymer support was attached to the container using a cold isostatic pressing device containing a buffer solution. It is possible to proceed by applying an isotropic pressure to a container (frame) containing the polymer scaffold. At this time, since the porous fluorinated polymer scaffold is enclosed in the container (frame), it may not be contaminated by the buffer solution.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 등방 압력은 약 상압 내지 300MPa의 등방 압력일 수 있다. 예컨대, 약 250MPa의 높은 압력이 모든 방향으로 일정하게 상기 다공성 불소계 고분자 지지체에 가해질 수 있기 때문에, 과불소계 술폰화 이오노머로 완전히 채워지지 않아 존재할 수 있는 잔여 기공들이 효과적으로 제거될 수 있다.In exemplary embodiments, the isotropic pressure may be between about atmospheric pressure and 300 MPa isotropic pressure. For example, since a high pressure of about 250 MPa can be applied to the porous fluoropolymer support uniformly in all directions, residual pores that may be present because of not being completely filled with the perfluorinated sulfonated ionomer can be effectively removed.
전술한 바와 같은 본 발명의 제조 방법과는 달리, 연료전지용 고분자 전해질막, 특히 복합 고분자 전해질막의 제조 시, 기존에는 통상적으로 침지 공정(dipping process), 캐스팅 공정(casting process), 코팅 공정(coating process) 등을 이용한다. 그러나 이러한 공정들로는 다공성 지지체, 특히 소수성인 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소계 고분자를 포함하는 다공성 지지체의 기공 내부를 친수성인 고분자 전해질(수소 이온 전도성 고분자 전해질)로 채우기 어려울 수 있다. 다공성 지지체 기공 내부가 충분히 채워지지 않아 복합 고분자 전해질막에 잔여 기공이 존재하게 되면, 이를 통해 연료가 투과되어 막의 성능이 저하되는 것은 물론, 해당 복합 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지의 장기 운전 시 라디칼이 형성되어 막을 열화시키는 원인으로 작용할 수 있다. Unlike the production method of the present invention as described above, in the production of a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, particularly a composite polymer electrolyte membrane, conventionally, a dipping process, a casting process, a coating process ). However, such processes may be difficult to fill the inside of the pores of the porous support containing a fluorine-based polymer such as a porous support, particularly hydrophobic polytetrafluoroethylene, with a hydrophilic polymer electrolyte (hydrogen ion conductive polymer electrolyte). When the pores of the porous support are not sufficiently filled, residual pores are present in the composite polymer electrolyte membrane, thereby deteriorating the performance of the membrane due to the permeation of the fuel. In addition, since the radical of the fuel cell, including the composite polymer electrolyte membrane, And can act as a cause of deteriorating the film.
더욱이, 침지 공정(dipping process), 캐스팅 공정(casting process), 코팅 공정(coating process) 등은 일반적으로 수회에 걸쳐 반복 수행될 것이 요구되어 제조 시에 복잡성을 야기할 수 있고, 그럼에도 불구하고 고분자 전해질로 충분히 채워지지 않는 잔여 기공들이 존재할 수 있어 해당 공정들의 수행 이후에 열 압착 공정(hot pressing process)과 같은 후처리 공정을 추가적으로 수행하여야 한다. Moreover, the dipping process, casting process, coating process and the like are generally required to be repeated several times, resulting in complications during manufacture, and nonetheless, the polymer electrolyte There may be residual pores that are not sufficiently filled and the post-treatment process such as a hot pressing process must be additionally performed after the execution of the processes.
그러나 이러한 열 압착 공정은 도 2에 도시된 바와 같이, 내부의 기공들이 적어도 부분적으로 고분자 전해질로 채워진 다공성 지지체를 두 개의 핫 플레이트(hot plate) 사이에 위치시키고 여기에 압력을 가하여 수행되는 공정으로서, 이를 통해서는 일반적으로 단순 수직 방향으로만 압력이 가해진다. 때문에, 실질적으로는 단순 수직 방향이 아니라 3차원 그물 구조로 분포해 있는 다수의 기공들(수소 이온 전도성 고분자 전해질로 완전히 채워지지 않은 잔여 기공들)을 압착하여 제거하는 데는 여전히 한계가 있을 수 있다. However, this thermocompression process is a process which is carried out by placing a porous support, in which the internal pores are at least partially filled with a polymer electrolyte, between two hot plates and applying pressure thereto, Through this, pressure is normally applied only in a simple vertical direction. Therefore, there may still be a limit to the removal of a large number of pores (residual pores which are not completely filled with the proton conductive polymer electrolyte), which are distributed in a three-dimensional net structure rather than a simple vertical direction.
또한, 열 압착 공정 중 열과 압력에 의해 다공성 지지체 및 고분자 전해질은 쉽게 손상될 수 있다. 예컨대, 고분자 전해질로 사용되는 과불소계 술폰화 이오노머는 술폰산기를 가져 온도에 민감하므로 일정 온도 이상에서는 분해되는 특성을 갖는다. 따라서, 이러한 열 압착 공정 수행 시 작용하는 열에 의해 고분자 전해질이 분해되는 것을 방지하려면 고분자 전해질의 유리전이온도, 분해 온도 등 다양한 요소를 고려해야 하고, 고분자 전해질의 열적 특성을 알아보기 위하여 추가적으로 시차주사열량법 (Differential scanning calorimentry, DSC) 혹은 열 중량 분석 (Thermogravimetric analysis, TGA)을 진행하여야 한다. In addition, the porous support and the polymer electrolyte can be easily damaged by heat and pressure during the thermocompression process. For example, a perfluorinated sulfonated ionomer used as a polymer electrolyte has a sulfonic acid group and thus has a characteristic of being decomposed at a temperature above a certain temperature because it is temperature-sensitive. Therefore, in order to prevent decomposition of the polymer electrolyte by the heat applied during the thermocompression process, various factors such as the glass transition temperature and the decomposition temperature of the polymer electrolyte should be considered. In order to investigate the thermal characteristics of the polymer electrolyte, (Differential scanning calorimetry, DSC) or thermogravimetric analysis (TGA).
특히, 200℃ 이상의 고온으로 열 압착 공정을 수행하려면 고분자 전해질, 예컨대 과불소계 술폰화 이오노머를 열에 강한 형태로 치환시키는 과정이 필요하다. 즉, 술폰산기(-SO3H)에서 H+ 이온을 Na+ 이온으로 치환시키는 추가 공정이 필요한데, 이러한 치환 공정에는 긴 시간이 요구되므로 해당 공정을 통해 제조되는 복합 고분자 전해질막은 대량 생산에 불리할 수밖에 없다. Particularly, in order to perform a thermocompression process at a high temperature of 200 ° C or more, a process of replacing a polymer electrolyte, for example, a perfluorinated sulfonated ionomer, into a heat-resistant form is required. That is, a further step of replacing H + ions with Na + ions in the sulfonic acid group (-SO 3 H) is required. Since the replacement process requires a long time, the composite polymer electrolyte membrane produced through the process is inevitably disadvantageous for mass production .
결과적으로, 열 압착 공정을 통해 가할 수 있는 온도 및 압력은 충분히 높지 않으며, 이에 따라 기존의 제조 방법으로는 결함 없이 우수한 성능을 갖는 복합 고분자 전해질막을 용이하게 제조하기 어려울 수 있다. As a result, the temperature and pressure that can be applied through the thermocompression process are not sufficiently high, and thus it is difficult to easily manufacture a composite polymer electrolyte membrane having excellent performance without defects in the conventional manufacturing method.
하지만 본 발명에 따른 복합 고분자 전해질막은 전술한 바와 같은 처리 공정, 스프레이 공정, 건조 공정 및 냉간 등방압 가압 공정을 순차적으로 수행하는 방법을 통해, 다공성 지지체를 포함하는 균일 복합 박막 형태로 제조될 수 있다. 특히, 상기 스프레이 공정 이후에 상기 냉간 등방압 가압 공정을 수행함으로써, 열이나 압력에 의한 결함 발생 없이, 단순 수직 방향이 아닌 3차원 그물 구조로 분포하는 상기 다공성 지지체 기공들의 내부를 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 보다 균일하고 촘촘하게, 즉 실질적으로 완전히 채울 수 있다. 그러므로 상기 복합 고분자 전해질막에는 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 충분히 채워지지 않은 잔여 기공이나 보이드가 실질적으로 존재하지 않을 수 있고, 물리적 및/또는 화학적 손상이나 열화가 발생하지 않을 수 있다. 그 결과, 상기 복합 고분자 전해질막은 기존의 연료전지용 고분자 전해질막에 준하거나 그 이상으로 향상된 수소 이온 교환 특성, 전자 전도성, 기계적 강도 및 치수 안정성을 가질 수 있고, 특히 낮은 기체 투과도를 가질 수 있다. However, the composite polymer electrolyte membrane according to the present invention can be produced in the form of a uniform composite membrane containing a porous support by sequentially performing the above-mentioned treatment process, spray process, drying process, and cold isostatic pressing process . Particularly, by performing the cold isostatic pressing process after the spraying process, the interior of the porous support pores distributed in a three-dimensional net structure, rather than a simple vertical direction, is exposed to a hydrogen ion conductive polymer electrolyte I.e., substantially completely filled with water. Therefore, the composite polymer electrolyte membrane may not substantially contain residual pores or voids that are not sufficiently filled with the proton conductive polymer electrolyte, and physical and / or chemical damage or deterioration may not occur. As a result, the composite polymer electrolyte membrane can have improved hydrogen ion exchange characteristics, electron conductivity, mechanical strength, dimensional stability, and particularly, a low gas permeability, which is superior to or better than that of conventional polymer electrolyte membranes for fuel cells.
또한, 상기 복합 고분자 전해질막은 고가의 과불소계 술폰화 이오노머와 같은 수소 이온 전도성 전해질을 최소로 사용하여 제조가 가능하므로, 기존의 연료전지용 고분자 전해질막 대비 가격 경쟁력의 측면에서 추가적인 이점을 가질 수 있다. In addition, since the composite polymer electrolyte membrane can be manufactured using a hydrogen ion conductive electrolyte such as a high-priced perfluorocarbon sulfonated ionomer in a minimum amount, the polymer electrolyte membrane can have an additional advantage in terms of price competitiveness compared to a conventional polymer electrolyte membrane for a fuel cell.
한편, 지금까지는 연료전지용 복합 고분자 전해질막 및 이의 제조 방법에 대해서만 설명하였으나, 전술한 바와 같은 복합 고분자 전해질막으로 구성되는 막 전극 접합체, 및 이를 포함하는 모든 연료전지, 예를 들어 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 또한 본 발명의 범위에 포함됨은 당해 분야 통상의 기술자에게 자명할 것이다.Although the composite polymer electrolyte membrane for a fuel cell and the method for producing the same have been described so far, membrane electrode assemblies composed of the composite polymer electrolyte membrane as described above, and all fuel cells including the same, for example, polymer electrolyte fuel cells PEMFC) is also included in the scope of the present invention will be apparent to those skilled in the art.
이하의 실시를 통하여 본 발명은 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. The present invention will be described in more detail through the following embodiments. However, the examples are for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
[실시예][Example]
다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 지지체(GORE PTFE, GMM-405)를 아세톤(Sigma Aldrich)으로 세척하여 불순물을 제거하고 젖음성을 향상시켰다.The porous polytetrafluoroethylene support (GORE PTFE, GMM-405) was washed with acetone (Sigma Aldrich) to remove impurities and improve wettability.
아세톤으로 세척된 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 지지체를 일정한 모양을 갖도록 제작된 틀에 테플론 테이프를 이용하여 평평하고 단단하게 고정시킨 후, 질소 가스 봄베에 연결된 스프레이 건(EWATA spray gun, W-300-101G)을 이용하여 나피온 수지 용액(Nafion perfluorinated resin solution 5wt%, Sigma Aldrich)을 일정 거리를 두고 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 지지체에 고르게 분사하였다. 이때, 나피온 수지 용액은 중력 방향으로 2 내지 4 bar 압력 하에서 2 내지 6 ml/min의 유량으로 분사되었다. The porous polytetrafluoroethylene support washed with acetone was fixed flat and firmly using a Teflon tape to a frame made to have a uniform shape. Then, a spray gun (EWATA spray gun, W-300-101G ), Nafion resin solution (5 wt% of Nafion perfluorinated resin solution, Sigma Aldrich) was evenly sprayed on a porous polytetrafluoroethylene support at a certain distance. At this time, the Nafion resin solution was sprayed at a flow rate of 2 to 6 ml / min under a pressure of 2 to 4 bar in the gravity direction.
나피온 수지 용액이 분사된 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 지지체를 60℃ 오븐에서 1시간 동안 1차 건조시키고, 동일 온도 조건의 진공 오븐에서 12시간 동안 2차 건조하여 분사된 나피온 수지 용액 내 용매를 모두 휘발시켰다. 이에 따라, 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 지지체에는 0.097g의 나피온 이오노머가 함침되었으며, 내부의 기공들이 나피온 이오노머로 채워진 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 지지체의 두께는 20μm이었다. The porous polytetrafluoroethylene support onto which the Nafion resin solution was sprayed was first dried in an oven at 60 ° C for 1 hour and then dried in a vacuum oven at the same temperature for 12 hours for 12 hours to remove the solvent in the sprayed Nafion resin solution All were volatilized. Thus, the porous polytetrafluoroethylene support was impregnated with 0.097 g of Nafion ionomer, and the porous polytetrafluoroethylene support having the pores therein filled with Nafion ionomer had a thickness of 20 μm.
이어, 내부의 기공들이 나피온 이오노머로 채워진 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 지지체를 완충 용액에 의해 오염되지 않도록 고무 재질로 이루어진 틀에 봉입하고, 진공 펌프를 이용하여 상기 틀에 완벽하게 밀착시켜 압력을 고르게 받을 수 있도록 하였다. 상기 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 지지체가 담긴 틀을 냉간 등방압 가압(CIP) 장치에 넣고 250MPa의 압력을 5분 동안 가하였다. Then, the porous polytetrafluoroethylene support having pores filled with Nafion ionomers was sealed in a frame made of a rubber material so as not to be contaminated by the buffer solution, and the porous polytetrafluoroethylene support was completely adhered to the frame by using a vacuum pump To receive. The frame containing the porous polytetrafluoroethylene support was placed in a cold isostatic pressing (CIP) apparatus and a pressure of 250 MPa was applied for 5 minutes.
전술한 공정들을 거치며 최종적으로 20μm 두께의 복합 고분자 전해질막이 제조되었고, 이후 이를 이용하여 다음의 공정들을 수행함으로써 막 전극 접합체 및 이를 포함하는 단전지를 제작하였다. A composite polymer electrolyte membrane having a thickness of 20 袖 m was finally prepared through the above-described processes, and then the membrane electrode assembly and the unit cell including the membrane electrode assembly were prepared by using the following processes.
나피온 이오노머와 이소프로필 알코올(Sigma Aldrich) 용매에 46.5wt% Pt/C 촉매를 녹여 촉매 용액을 제조하였다. 상기 복합 고분자 전해질막을 펴서 고정시킨 후, 촉매 분사용 스프레이 건(spray gun)을 이용하여 상기 촉매 용액을 상기 복합 고분자 전해질막에 뿌려주었다. 이때, 애노드(anode)의 촉매 로딩양은 0.2 mgpt/cm2이 되고 캐소드(cathode)의 촉매 로딩양은 0.4 mgpt/cm2이 되도록 하였으며, 활성 면적(active area)은 1cm2이 되도록 하였다. 이후, 촉매 용액의 용매가 모두 증발할 때까지 자연 건조 시킴으로써, 서로 대향하도록 배치된 애노드(anode) 전극과 캐소드(cathode) 전극, 및 이들 사이에 위치하는 복합 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)가 제작되었다. A catalyst solution was prepared by dissolving 46.5 wt% Pt / C catalyst in Nafion ionomer and isopropyl alcohol (Sigma Aldrich) solvent. The composite polymer electrolyte membrane was spread and fixed, and then the catalyst solution was sprayed onto the composite polymer electrolyte membrane using a spray gun for catalyst separation. At this time, the catalyst loading amount of the anode was 0.2 mg pt / cm 2 , the catalyst loading amount of the cathode was 0.4 mg pt / cm 2 , and the active area was 1 cm 2 . Thereafter, the solvent of the catalyst solution is naturally dried until all of the solvent evaporates, thereby forming a membrane electrode assembly (membrane) assembly including an anode electrode and a cathode electrode arranged to face each other, and a composite polymer electrolyte membrane interposed therebetween, electrode assembly, MEA) were fabricated.
제작된 막 전극 접합체(MEA)를 테플론 소재의 가스켓(Gasket)과 카본 소재의 분리판(Bipolar plate)을 이용하여 30 In*lb, 50 In*lb, 70 In*lb의 압력으로 순차적으로 체결함으로써 단전지(single cell)를 제작하였다. The prepared membrane electrode assembly (MEA) was sequentially tightened at a pressure of 30 In * lb, 50 In * lb, and 70 In * lb by using a gasket made of Teflon and a bipolar plate made of carbon A single cell was fabricated.
[비교예 1] [Comparative Example 1]
냉간 등방압 가압 공정을 제외하고는 전술한 바와 동일한 공정을 수행하여 0.097g의 나피온 이오노머를 함유하는 20μm 두께의 복합 고분자 전해질막을 제조하였다. Except that the cold isostatic pressing step was carried out, a 20 μm thick composite polymer electrolyte membrane containing 0.097 g of Nafion ionomer was prepared.
또한, 제조된 복합 고분자 전해질막을 이용하여 막 전극 접합체(MEA) 및 이를 포함하는 단전지를 제작하였다. In addition, a membrane electrode assembly (MEA) and a unit cell including the membrane electrode assembly (MEA) were fabricated using the prepared composite polymer electrolyte membrane.
[비교예 2][Comparative Example 2]
건조 공정 이후, 냉간 등방압 가압 공정 대신에 열 압착 공정을 수행하여, 0.097g의 나피온 이오노머를 함유하는 20μm 두께의 복합 고분자 전해질막을 제조하였다. 이때, 열 압착 공정은 나피온 이오노머의 유리전이온도 부근인 110℃에서 3톤의 무게를 가하여 수행하였다. (열 압착 공정을 통해, 내부의 기공들이 나피온 이오노머로 채워진 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 지지체에 면적 당 가해진 압력을 Pa 압력 단위로 환산하면 약 1.3Mpa이 된다) After the drying step, a thermo-compression process was performed in place of the cold isostatic pressing process to prepare a 20 μm thick composite polymer electrolyte membrane containing 0.097 g of Nafion ionomer. At this time, the thermocompression bonding process was performed by weighing 3 tons at 110 캜, which is a temperature near the glass transition temperature of the Nafion ionomer. (Through the thermocompression process, the pressure applied per area on the porous polytetrafluoroethylene support in which the internal pores are filled with Nafion ionomer is about 1.3 MPa in terms of Pa pressure unit)
또한, 제조된 복합 고분자 전해질막을 이용하여 막 전극 접합체(MEA) 및 이를 포함하는 단전지를 제작하였다. In addition, a membrane electrode assembly (MEA) and a unit cell including the membrane electrode assembly (MEA) were fabricated using the prepared composite polymer electrolyte membrane.
실험예: 복합 고분자 전해질막의 미세 구조 평가Experimental Example: Evaluation of Microstructure of Composite Polymer Electrolyte Membrane
복합 고분자 전해질막의 미세 구조를 평가하기 위하여, 실시예 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막들의 표면 및 단면(분사된 나피온 이오노머 용액이 닿는 면에 수직한 방향으로의 단면)을 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 이용해 관찰하고 비교해 보았다. 그 결과는 도 3에 도시된 바와 같다. In order to evaluate the microstructure of the composite polymer electrolyte membrane, the surface and cross-section of the composite polymer electrolyte membranes prepared according to Examples and Comparative Examples 1 and 2 (the cross-section perpendicular to the plane of the injected Nafion ionomer solution) Were observed and compared using a scanning electron microscope (SEM). The result is as shown in Fig.
구체적으로, 도 3에 도시된 (a) 및 (b)는 실시예에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막의 표면 및 단면을 각각 도시한 SEM 사진들이고, (c) 및 (d)는 비교예 2에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막의 표면 및 단면을 각각 도시한 SEM 사진들이며, (e) 및 (f)는 비교예 1에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막의 표면 및 단면을 각각 도시한 SEM 사진들이다. 3 (a) and 3 (b) are SEM photographs each showing a surface and a cross section of the composite polymer electrolyte membrane prepared according to the embodiment, and FIGS. 3 (c) and 3 (E) and (f) are SEM micrographs showing the surface and cross-section of the composite polymer electrolyte membrane prepared according to Comparative Example 1, respectively.
도 3을 참조하면, 비교예 1에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막 표면 및 단면에는 나피온 이오노머로 충분히 채워지지 않은 다수의 잔여 기공들이 존재하였고, 비교예 2에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막은 비교예 1의 경우에 비하여 표면에는 잔여 기공이 존재하지 않았지만 단면에는 여전히 잔여 기공이 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 실시예에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막은 비교예 2에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막과 표면 상에서 큰 모폴로지 차이를 보이지 않았으나((a) 및 (b)를 비교 참조), 해당 전해질막들의 단면을 비교해보면 (d)에서 보이던 가로 방향으로의 결과 결 사이 간격이 (b)에서 현저하게 줄어들어 거의 존재하지 않는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 3, there were a large number of residual pores not sufficiently filled with Nafion ionomer on the surface and cross section of the composite polymer electrolyte membrane prepared according to Comparative Example 1, and the composite polymer electrolyte membrane prepared according to Comparative Example 2 had 1, residual pores were not present on the surface but residual pores were still present on the surface. On the other hand, the composite polyelectrolyte membrane prepared according to the Example did not show a large difference in morphology on the surface of the composite polymer electrolyte membrane prepared according to Comparative Example 2 (see comparison between (a) and (b)), (D), the interval between the results in the transverse direction was remarkably reduced in (b), and it was confirmed that there was almost no existence.
따라서, 기존의 열 압착 공정보다 본 발명의 냉간 등방압 가압 공정을 통해 다공성 지지체 기공 내부를 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 보다 더 균일하고 촘촘하게 채울 수 있으며, 이를 통해 우수한 성능을 가지면서도 박막화된 복합 고분자 전해질을 용이하게 제조할 수 있음을 알 수 있다. Accordingly, the inside of the pores of the porous support can be more uniformly and closely filled with the proton conductive polymer electrolyte through the cold isostatic pressing process of the present invention than the conventional thermocompression process. As a result, a thin polymerized composite electrolyte Can be easily produced.
실험예: 복합 고분자 전해질막의 성능 평가 IExperimental Example: Performance Evaluation of Composite Polymer Electrolyte Membrane I
복합 고분자 전해질막의 성능을 평가하기 위하여, 실시예 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막을 포함하는 단전지들(sigle cells)을 운전하여 전류-전압(I-V) 변화를 측정하고, 전력밀도 변화를 측정하였다. 이때, 애노드에는 200cc/min 유량의 수소를 공급하고, 캐소드에는 600cc/min 유량의 공기를 공급하였으며, 해당 단전지들을 운전하면서 0 A부터 2.5 A까지 50mA/s의 속도로 전류를 변화시켰다. 그 결과는 도 4 및 [표 1]에 도시된 바와 같다. 구체적으로, 도 4의 (a)에는 전류-전압(I-V) 변화가 도시되었고, (b)에는 전력밀도 변화가 도시되었다. 한편, 전류-전압(I-V) 곡선에서 복합 고분자 전해질막의 성능은 OCV(open circuit voltage)에서와 0.6V에서의 전류밀도 값을 기준으로 평가하였다. In order to evaluate the performance of the composite polymer electrolyte membrane, the change in the current-voltage (IV) was measured by operating the unit cells (sigle cells) including the composite polymer electrolyte membrane prepared according to the Examples and Comparative Examples 1 and 2, The density change was measured. At this time, 200cc / min of hydrogen was supplied to the anode, 600cc / min of air was supplied to the cathode, and the current was changed from 0 A to 2.5 A at a rate of 50 mA / s while the corresponding cells were operated. The results are as shown in Fig. 4 and [Table 1]. Specifically, a current-voltage (I-V) variation is shown in FIG. 4 (a) and a power density variation is shown in (b). On the other hand, the performance of the composite polymer electrolyte membrane in the current-voltage (I-V) curve was evaluated based on the OCV (open circuit voltage) and the current density value at 0.6V.
도 4 및 [표 1]을 참조하면, 비교예 1에 따른 단전지보다 비교예 2에 따른 단전지가 성능이 더 우수하였으며, 실시예에 따른 단전지는 비교예 2에 따른 단전지보다 현저하게 더 우수한 성능을 나타내었다(도 4의 (a) 참조). Referring to FIG. 4 and Table 1, the performance of the unit cell according to Comparative Example 2 was better than that of the unit cell according to Comparative Example 1, and the single cell according to the Example was significantly superior to the single cell according to Comparative Example 2 (See Fig. 4 (a)).
특히, 전력밀도(power density)는 전류밀도(current density)와 전압(voltage)의 곱으로 나타나며 최대전력밀도(maximum power density)를 기준으로 해당 단전지의 성능을 평가하게 되는데, 최대전력밀도 값이 높을수록 단전지의 성능이 우수한 것을 의미한다. 이러한 내용을 참조로 도 4의 (b)를 살펴보면, (a)에서 나타난 경향과는 조금 다르게 비교예 2에 따른 단전지의 최대전력밀도가 비교예 1에 따른 단전지의 최대전력밀도보다 조금 낮은 것으로 측정되었지만, 실시예에 따른 단전지의 최대전력밀도는 비교예 1 내지 2에 따른 단전지들의 최대전력밀도보다 상당히 높아 여전히 유사한 경향이 (b)에서도 나타나는 것을 확인할 수 있었다. Particularly, a power density is a product of a current density and a voltage. The performance of the unit cell is evaluated based on a maximum power density. The maximum power density value The higher the performance of the unit cell, the better. 4 (b), the maximum power density of the single cell according to Comparative Example 2 is slightly lower than the maximum power density of the single cell according to Comparative Example 1, slightly different from the tendency shown in (a) , It was confirmed that the maximum power density of the single cell according to the embodiment was significantly higher than the maximum power density of the single cells according to Comparative Examples 1 and 2, and a similar tendency still appeared even in the case of (b).
실시예 및 비교예 1 내지 2에 따른 복합 고분자 전해질막은 모두 동일한 함량으로 나피온 이오노머를 함유하고 두께 또한 동일하므로, 앞서 살펴본 바와 같은 단전지들간의 성능 특성 차이는 제조 공정에 따라 달라지는 전해질막 모폴로지 특성에서 기인하는 것임을 알 수 있다. The composite polyelectrolyte membranes according to Examples and Comparative Examples 1 to 2 contain Nafion ionomers in the same contents and have the same thicknesses. Therefore, the performance characteristics of the single cells as described above may vary depending on the electrolyte membrane morphology It can be understood that it is the origin.
실험예: 복합 고분자 전해질막의 성능 평가 IIExperimental Example: Performance Evaluation of Composite Polymer Electrolyte Membrane II
복합 고분자 전해질막의 성능을 평가하기 위하여, 실시예 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 복합 고분자 전해질막을 포함하는 단전지들에 순환전류전압법(Cyclic Voltammetry, CV) 및 선형주사전위법(Linear Sweep Voltammetry, LSV)을 수행하였다. 이때, 애노드에는 200cc/min 유량의 수소를 공급하고, 캐소드에는 600cc/min 유량의 질소를 공급하였다. 그 결과는 도 5, 도 6 및 [표 1]에 도시된 바와 같다. In order to evaluate the performance of the composite polyelectrolyte membrane, cyclic voltammetry (CV) and linear sweep voltammetry were performed on the unit cells including the composite polymer electrolyte membrane prepared according to Examples and Comparative Examples 1 and 2, , LSV) were performed. At this time, hydrogen at a flow rate of 200 cc / min was supplied to the anode, and nitrogen at a flow rate of 600 cc / min was supplied to the cathode. The results are shown in Figs. 5, 6, and Table 1.
구체적으로, 도 5는 순환전류전압법(CV)을 사용하여 측정한 해당 단전지들의 전기화학적 특성을 비교 도시한 그래프이고, 도 6는 선형주사전위법(LSV)을 사용하여 측정한 해당 단전지들의 수소 크로스오버 전류밀도(H2 crossover current density)를 비교 도시한 그래프이다. 5 is a graph comparing electrochemical characteristics of the unit cells measured using the cyclic voltammetry (CV) method. FIG. 6 is a graph showing the electrochemical characteristics of the unit cells measured using the cyclic voltammetry (CV) (H 2 crossover current density) of the hydrogen crossover.
도 5를 참조하면, 순환전류전압법(CV)을 통해 단전지 운전 시 공급되는 수소와 단전지의 백금 전극 사이에 일어나는 흡/탈착 반응을 관찰함으로써 촉매의 전기화학적 활성 영역을 확인할 수 있었다. 해당 그래프는 0.05V에서 1.2V까지 50mV/s의 전위 주사 속도로 총 5회를 측정하여 재현성을 확보한 후, 5번째 측정값을 도시한 것이다. 전기화학적 활성 표면은 0.05V부터 0.35V까지 관찰되는 수소 탈착 피크를 기초로 하여 평가하였다. 실시예 및 비교예 1 내지 2에 따른 단전지들에 대한 순환전류전압(CV) 그래프에서 백금 활성 면적을 비교한 결과, 실시예 및 비교예 1 내지 2 각각에서 백금 촉매의 전기화학적 활성 영역이 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 실시예 및 비교예 1 내지 2에 따른 단전지들이 보이는 성능은 촉매가 아닌 해당 전지들에 포함된 전해질막의 특성으로부터 기인하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, the electrochemical active region of the catalyst can be confirmed by observing the adsorption / desorption reaction between the hydrogen supplied during the operation of the unit cell and the platinum electrode of the unit cell through the cyclic voltammetry (CV) method. The graph shows the fifth measured value after ensuring reproducibility by measuring a total of 5 times at a potential scanning speed of 50 mV / s from 0.05 V to 1.2 V. The electrochemically active surface was evaluated based on the hydrogen desorption peaks observed from 0.05V to 0.35V. As a result of comparing the platinum active area in the graph of the circulating current voltage (CV) for the unit cells according to Examples and Comparative Examples 1 and 2, it was found that the electrochemically active regions of the platinum catalyst coincide with each other in each of Examples and Comparative Examples 1 and 2 . It can be seen from the above that the performance of the single cells according to Examples and Comparative Examples 1 and 2 is attributable to the characteristics of the electrolyte membrane included in the cells, not the catalyst.
한편, 선형주사전위법(LSV)은 0.0V부터 0.6V까지의 전압 범위에서 2mV/s의 전위 주사 속도로 수행되었으며, 이를 통해 애노드에서 반응하지 못한 수소가 캐소드로 투과되어 캐소드 전극층과 반응하여 생기는 수소 크로스오버 전류밀도(H2 crossover current density)를 측정하였다. 이때, 수소 크로스오버 전류밀도는 0.4V의 전지 전압 기준으로 평가되었고([표 1] 참조), 수소 크로스오버 전류밀도가 높을수록 해당 전해질막을 통해 쉽게 수소 기체가 투과될 수 있음(해당 전해질막은 높은 기체 투과도를 갖는 것)을 의미한다. On the other hand, the LSV was performed at a potential scanning speed of 2 mV / s in a voltage range from 0.0 V to 0.6 V, whereby hydrogen which did not react at the anode was transmitted to the cathode and reacted with the cathode electrode layer the hydrogen crossover current density (H 2 crossover current density) was measured. At this time, the hydrogen crossover current density was evaluated based on a battery voltage of 0.4 V (see Table 1), and hydrogen gas could easily permeate through the electrolyte membrane as the hydrogen crossover current density became higher (the electrolyte membrane was high Gas permeability ").
도 6을 참조하면, 0.4V에서 수소 크로스오버 전류밀도는 비교예 1에 따른 단전지가 1.51mA/cm2을 나타내었고, 비교예 2에 따른 단전지가 비교예 1의 경우에 비해 약 50% 가량 감소된 값인 0.78mA/cm2를 나타내었다. 이는, 열 압착 공정을 통해 잔여 기공을 어느 정도 제거하여 복합 고분자 전해질막의 수소 기체 투과도를 낮출 수 있음을 의미한다. Referring to FIG. 6, the hydrogen crossover current density at 0.4 V was 1.51 mA / cm 2 according to Comparative Example 1, and the unit cell according to Comparative Example 2 was reduced by about 50% Lt; 2 > / cm < 2 > This means that the hydrogen purity of the composite polymer electrolyte membrane can be lowered by removing residual pores to some extent through the thermocompression process.
하지만 실시예에 따른 단전지는 수소 크로스오버 전류밀도가 음의 값을 나타내어 비교예 1 내지 2에 따른 단전지들과는 확연히 다른 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 냉간 등방압 가압 공정을 통해 제조되어 실시예에 따른 복합 고분자 전해질막 내부에 잔여 기공들이 실질적으로 존재하지 않아 해당 복합 고분자 전해질막으로 수소 기체 투과가 거의 일어나지 않는 것을 의미한다. 이러한 결과는 도 3에 나타난 결과를 통해 살펴본 복합 고분자 전해질막의 미세 구조 평가 결과와도 일치하는 것이다. However, it was confirmed that the unit cell according to the Example exhibited a negative value of the hydrogen crossover current density, and thus showed a distinct difference from the single cells according to Comparative Examples 1 and 2. This means that hydrogen gas permeation into the composite polymer electrolyte membrane does not occur because the residual pores are not substantially present in the composite polyelectrolyte membrane manufactured through the cold isostatic pressing process. These results are consistent with the result of the microstructure evaluation of the composite polymer electrolyte membrane as shown in FIG.
Claims (14)
상기 다공성 지지체에 분사된 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질 용액을 건조시키는 것; 및
내부의 기공들이 부분적으로 또는 전체적으로 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 채워진 다공성 지지체에 냉간 등방압 가압(cold isostatic pressing, CIP) 공정을 수행하여, 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 완전히 채워지지 않은 잔여 기공들을 제거하는 것;을 포함하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조 방법. Spraying a hydrogen ion conductive polymer electrolyte solution onto a porous support through a spray process to fill the pores of the porous support with the hydrogen ion conductive polymer electrolyte solution partly or wholly;
Drying the hydrogen ion conductive polymer electrolyte solution sprayed on the porous support; And
A cold isostatic pressing (CIP) process is performed on a porous support having pores filled in with the proton conductive polymer electrolyte partially or entirely to remove residual pores that are not completely filled with the proton conductive polymer electrolyte Wherein the composite polymer electrolyte membrane for fuel cells comprises:
상기 방법을 통해, 상기 다공성 지지체의 기공들 내부는 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 완전히 채워지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the pores of the porous support are completely filled with the proton conductive polymer electrolyte through the above method.
상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질 용액은 과불소계 술폰화 이오노머(perfluorinated sulfonic acid ionomer, PFSA ionomer) 용액이고,
상기 다공성 지지체는 다공성 불소계 고분자 지지체인 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조 방법.The method according to claim 1,
The hydrogen ion conductive polymer electrolyte solution is a perfluorinated sulfonic acid ionomer (PFSA ionomer) solution,
Wherein the porous support is a porous fluorinated polymer support.
상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액은 상기 과불소계 술폰화 이오노머 용액의 총 중량을 기준으로, 1 내지 20 wt%의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조 방법. The method of claim 3,
Wherein the perfluorinated sulfonated ionomer solution comprises 1 to 20 wt% of a perfluorinated sulfonated ionomer based on the total weight of the perfluorinated sulfonated ionomer solution.
상기 스프레이 공정 수행 시, 수소 이온 전도성 고분자 전해질 용액은 2 내지 4 bar의 압력 하에서 2 내지 6 ml/min의 유량으로 분사되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조 방법. The method according to claim 1,
Wherein the hydrogen ion conductive polymer electrolyte solution is injected at a flow rate of 2 to 6 ml / min under a pressure of 2 to 4 bar during the spraying process.
상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질 용액은 중력 방향으로 분사되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조 방법. 6. The method of claim 5,
Wherein the hydrogen-ion conductive polymer electrolyte solution is injected in a gravity direction.
상기 스프레이(spray) 공정을 수행하기 이전에,
상기 다공성 지지체를 아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 과산화수소로 처리하는 것을 더 포함하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조 방법. The method according to claim 1,
Prior to performing the spray process,
Further comprising treating the porous support with acetone, methanol, ethanol, propanol or hydrogen peroxide.
상기 냉간 등방압 가압 공정(CIP)은
내부의 기공들이 부분적으로 또는 전체적으로 수소 이온 전도성 고분자 전해질로 채워진 다공성 지지체를 고무 재질의 용기에 봉입하고, 압력을 고르게 받을 수 있도록 진공 펌프를 이용하여 상기 다공성 지지체를 상기 용기에 밀착시키는 것; 및
완충 용액을 함유하고 있는 냉간 등방압 가압 장치를 이용하여, 상기 다공성 지지체가 담긴 상기 용기에 등방 압력을 가하는 것;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조 방법. The method according to claim 1,
The cold isostatic pressing process (CIP)
Sealing the porous support, which is partially or entirely filled with the proton conductive polymer electrolyte, in a rubber-made container, and bringing the porous support into close contact with the container using a vacuum pump so that pressure can be uniformly received; And
And applying an isostatic pressure to the container containing the porous support by using a cold isostatic pressing device containing a buffer solution. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
상기 등방 압력은 상압 내지 300MPa의 등방 압력인 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막의 제조 방법. 9. The method of claim 8,
Wherein the isotropic pressure is an isostatic pressure of atmospheric pressure to 300 MPa.
다공성 지지체; 및
상기 다공성 지지체의 기공 내부를 완전히 채우는 수소 이온 전도성 고분자 전해질;을 포함하며,
0.5mA/cm2 이하의 수소 크로스오버 전류밀도(H2 crossover current density)를 나타내는 연료전지용 복합 고분자 전해질막.A composite polymer electrolyte membrane produced by the method according to any one of claims 1 to 9, wherein the composite polymer electrolyte membrane comprises
A porous support; And
And a proton conductive polymer electrolyte which completely fills the inside of the pores of the porous support,
0.5mA / cm 2 below the hydrogen crossover current density (H 2 crossover current density) indicating a composite polymer electrolyte membrane for fuel cells of.
상기 다공성 지지체는 다공성 불소계 고분자 지지체이고, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 과산화수소로 처리된 것인 연료전지용 복합 고분자 전해질막. 11. The method of claim 10,
Wherein the porous support is a porous fluorinated polymer support and is treated with acetone, methanol, ethanol, propanol or hydrogen peroxide.
상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질은 과불소계 술폰화 이오노머(perfluorinated sulfonic acid ionomer, PFSA ionomer)이고, 상기 다공성 지지체와 결합되어 복합화되는 연료전지용 복합 고분자 전해질막. 11. The method of claim 10,
Wherein the hydrogen-ion conductive polymer electrolyte is a perfluorinated sulfonic acid ionomer (PFSA ionomer), and is combined with the porous support to form a complex polymer electrolyte membrane for a fuel cell.
상기 복합 고분자 전해질막은 10μm 내지 25μm 미만의 두께를 갖는 연료전지용 복합 고분자 전해질막.11. The method of claim 10,
Wherein the composite polymer electrolyte membrane has a thickness of less than 10 占 퐉 to 25 占 퐉.
상기 복합 고분자 전해질막은 고분자 전해질 연료전지의 막 전극 접합체를 구성하는 연료전지용 복합 고분자 전해질막.
11. The method of claim 10,
The composite polymer electrolyte membrane is a membrane electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell.
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