KR102118062B1 - Complex electrolyte membrane for PEMFC, manufacturing method thereof and membrane electrode assembly containing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고분자 전해질막 연료전지용 복합 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로 설명하면, 복합 전해질막 내 라디칼 스캐빈져의 함량 및 분포도를 조절하여 내구성을 향상시킨 복합 전해질막 및 막-전극 접합체를 제공할 수 있는 발명에 관한 것이다.The present invention relates to a composite electrolyte membrane for a polymer electrolyte membrane fuel cell, a membrane-electrode assembly containing the same, a fuel cell and a method for manufacturing the same, and more specifically, the content and distribution of radical scavengers in the composite electrolyte membrane It relates to an invention that can provide a composite electrolyte membrane and a membrane-electrode assembly with improved durability by adjusting.
Description
본 발명은 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)에 사용되는 복합 전해질막에 관한 것으로서, 특정 지지체를 도입하고, 지지체와 이오노머 각층 내 라디칼 스캐빈져 분포를 달리하여 제조한 복합 전해질막, 이를 이용한 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료전지, 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composite electrolyte membrane used in a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), a composite electrolyte membrane prepared by introducing a specific support and varying the radical scavenger distribution in each layer of the support and ionomer, membrane using the same- It relates to an electrode assembly, a fuel cell comprising the same, and a method for manufacturing the same.
연료전지는 연료(수소 또는 메탄올)와 산화제(산소)를 전기화학적으로 반응시켜 생기는 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 차세대 에너지원으로 연구 개발되고 있다. 연료전지는 적용분야에 따라 고온용 및 저온용 연료전지를 선택하여 사용할 수 있으며, 통상적으로 전해질의 종류에 따라 분류되고 있는데, 고온용에는 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 등이 있고, 저온용에는 알칼리 전해질 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC) 및 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 등이 대표적으로 개발되고 있다.A fuel cell is a power generation system that directly converts chemical energy generated by electrochemically reacting fuel (hydrogen or methanol) with an oxidizing agent (oxygen) into electrical energy.It is an eco-friendly feature with high energy efficiency and low emission of pollutants. Research and development. Fuel cells can be used by selecting fuel cells for high temperature and low temperature according to the application field, and are generally classified according to the type of electrolyte. For high temperature, solid oxide fuel cells (SOFC) and molten carbonate are used. There are fuel cells (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), and for low temperature, alkaline electrolyte fuel cells (AFC) and polymer electrolyte fuel cells (PEMFC) are being developed.
이중 고분자 전해질 연료전지를 세분하면 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와, 액상의 메탄올을 직접 연료로 산화극(Anode)에 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등이 있다. 고분자 전해질 연료전지는 100℃ 미만의 낮은 작동온도, 고체 전해질 사용으로 인한 누수문제 배제, 빠른 시동과 응답 특성, 및 우수한 내구성 등의 장점으로 휴대용, 차량용, 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다. 특히 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 소형화가 가능하기 때문에 휴대용 연료전지로의 연구가 계속 진행되고 있다.When a polymer electrolyte fuel cell is subdivided, a hydrogen ion exchange membrane fuel cell (PEMFC) using hydrogen gas as fuel, and direct methanol used by supplying liquid methanol to the anode as a direct fuel Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Polymer electrolyte fuel cells are in the spotlight as portable, automotive, and household power supplies with advantages such as low operating temperatures below 100°C, elimination of leakage problems due to the use of solid electrolytes, quick start-up and response characteristics, and excellent durability. In particular, as a high-output fuel cell having a higher current density than other types of fuel cells, miniaturization is possible, and research into a portable fuel cell continues.
이러한 연료전지의 단위전지 구조는 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 양쪽에 산화극(Anode, 연료극) 및 환원극(Cathode, 산소극)이 도포되어 있는 구조를 이루고 있는데, 이를 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)라 칭한다. 이 막-전극 접합체(MEA)는 수소와 산소의 전기화학적 반응이 일어나는 부분으로서 환원극과 산화극 그리고 전해질막, 즉 이온 전도성 전해질막(예, 수소이온 전도성 전해질막)으로 구성되어 있다.The unit cell structure of such a fuel cell has a structure in which an anode (anode) and a cathode (Cathode) are coated on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer material, which is a membrane-electrode assembly (Membrane) Electrode Assembly, MEA). This membrane-electrode assembly (MEA) is a portion where an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs, and is composed of a cathode, an anode, and an electrolyte membrane, that is, an ion conductive electrolyte membrane (eg, a hydrogen ion conductive electrolyte membrane).
산화극에서는 연료인 수소 또는 메탄올이 공급되어 수소의 산화 반응이 일어나 수소이온과 전자를 발생시키며, 환원극에서는 고분자 전해질막을 통과한 수소이온과 산소가 결합하여 산소의 환원 반응에 의해 물이 생성된다.In the anode, hydrogen or methanol, which is fuel, is supplied, and an oxidation reaction of hydrogen occurs to generate hydrogen ions and electrons. In the cathode, hydrogen ions and oxygen that have passed through the polymer electrolyte membrane are combined to generate water by the reduction reaction of oxygen. .
이 막-전극 접합체는 이러한 산화극과 환원극의 전극 촉매층이 이온 전도성 전해질막의 양면에 도포되어 있는 형태를 이루고, 전극 촉매층을 이루고 있는 물질은 Pt(백금)이나 Pt-Ru(백금-루테늄) 등의 촉매 물질이 카본담체에 담지되어 있는 형태이다. 연료전지의 전기화학적 반응의 핵심부품으로 볼 수 있는 막-전극 접합체(MEA)에는 특히 가격 구성 비율이 높은 이온 전도성 전해질막과 백금 촉매 등이 사용되며, 전력 생산 효율과 직결된 부분이기 때문에 연료전지의 성능향상과 가격경쟁력을 높이는데 가장 중요한 부분으로 간주되고 있다.This membrane-electrode assembly forms such that the electrode catalyst layers of the anode and cathode are coated on both sides of the ion conductive electrolyte membrane, and the material forming the electrode catalyst layer is Pt (platinum) or Pt-Ru (platinum-ruthenium). The catalyst material is supported on a carbon carrier. In the membrane-electrode assembly (MEA), which can be seen as a key component of the electrochemical reaction of a fuel cell, an ion-conducting electrolyte membrane and a platinum catalyst, which have a high price composition ratio, are used. It is regarded as the most important part in improving performance and improving price competitiveness.
일반적으로 사용되고 있는 MEA를 제조하는 기존의 방법은 촉매 물질과 수소이온 전도성 바인더(binder), 즉 불소계 나피온 이오노머(Nafion Ionomer) 그리고 물 및/또는 알코올 용매를 혼합하여 반죽(paste)을 제조하고, 이를 촉매층을 지지해주는 전극 지지체이면서 동시에 기체 확산층의 역할을 하는 카본 천(carbon cloth)이나 카본페이퍼(carbon paper) 등에 코팅한 다음, 건조하고 수소이온 전도성 전해질 막에 열 융착하는 방법을 사용한다.The conventional method of manufacturing a commonly used MEA is to prepare a paste by mixing a catalyst material with a hydrogen ion conductive binder, that is, a fluorine-based Nafion Ionomer and water and/or an alcohol solvent, It is coated with carbon cloth or carbon paper, which serves as an electrode support for supporting the catalyst layer and also serves as a gas diffusion layer, and then uses a method of drying and thermally welding to a hydrogen ion conductive electrolyte membrane.
촉매층에서는 촉매에 의한 수소와 산소의 산화환원 반응; 밀착된 탄소 입자에 의한 전자의 이동; 수소, 산소 및 수분을 공급하고 반응 후 잉여 가스를 배출하기 위한 통로의 확보; 산화된 수소이온의 이동 등이 동시에 이루어져야만 한다. 더욱이 성능의 향상을 위해서는 공급연료와 촉매 및 이온 전도성 고분자 전해질막이 만나는 3상 계면영역(Triple Phase Boundary)의 면적을 증대시켜 활성분극(Activation polarization)을 줄여야 하며, 촉매층과 전해질막과의 계면 및 촉매층과 기체확산층과의 계면을 균일하게 접합하여 계면에서의 저항 분극(Ohmic polarization)을 줄여야 한다. 따라서, 촉매층과 전해질막과의 계면 저항을 최대한 감소시킴으로써 연료전지의 성능을 향상시키기 위해서는, MEA 제조시 촉매층과 전해질막의 접합력이 있어야 할 뿐만 아니라, 연료전지 구동 중에도 촉매층과 전해질막 사이의 계면 접합이 계속 유지되어야 한다.In the catalyst layer, a redox reaction of hydrogen and oxygen by a catalyst; The movement of electrons by adhered carbon particles; Securing passages for supplying hydrogen, oxygen and moisture and discharging excess gas after reaction; The movement of oxidized hydrogen ions must be done simultaneously. Moreover, in order to improve the performance, it is necessary to reduce the activation polarization by increasing the area of the triple phase boundary where the feed fuel meets the catalyst and the ion conductive polymer electrolyte membrane, and decrease the activation polarization, and the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane and the catalyst layer It is necessary to reduce the resistance polarization at the interface by uniformly bonding the interface between the and gas diffusion layer. Therefore, in order to improve the performance of the fuel cell by reducing the interface resistance between the catalyst layer and the electrolyte membrane as much as possible, not only the bonding strength of the catalyst layer and the electrolyte membrane must be present during the manufacture of the MEA, but also the interface bonding between the catalyst layer and the electrolyte membrane during fuel cell operation. It must be maintained.
이에, 최근에는 촉매층과 전해질막과의 계면 및 촉매층과 기체확산층과의 계면을 균일하게 접합하기 위한 기술 개발이 활발히 이루어지고 있지만, 계면 균일성이 여전히 제한적인 단점이 있다.Accordingly, in recent years, although technology has been actively developed for uniformly bonding the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane and the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer, the interface uniformity still has limited disadvantages.
또한, 전술된 구조를 갖는 MEA의 경우 통상적으로 두께가 두꺼운 전해질막을 사용하므로, 수소 이온의 전달이 지연되어 성능 저하가 발생할 수 있다.In addition, in the case of MEA having the above-described structure, since an electrolyte membrane having a thick thickness is usually used, the delivery of hydrogen ions may be delayed, resulting in deterioration in performance.
또한, 연료 전지 구동 시 수소 이온의 이동과 사용시간이 길어짐에 따라 촉매층과 전해질막과의 계면 및 촉매층과 기체확산층과의 계면 접합성이 약해져 서로 분리되게 된다. 이에, 연료전지에 적용됐을 때 연료전지의 성능 저하를 야기할 수 있다.In addition, as the movement and use time of hydrogen ions increase when the fuel cell is driven, the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane and the interface bonding property between the catalyst layer and the gas diffusion layer are weakened and separated from each other. Accordingly, when applied to a fuel cell, it may cause a decrease in the performance of the fuel cell.
수소 이온의 이동 시간 등의 단축을 위해서, 전해질막의 두께를 줄여야 하고 이를 위해서 전해질막을 구성하는 다공성 지지체의 두께를 얇게 하는 방법이 있는데, 지지체의 두께를 얇게 하기 위해 고연신시 지지체의 강도 등의 물성이 크게 감소할 뿐만 아니라, 지지체 제조시 불량률이 높아서 경제성, 상업성이 떨어지는 문제가 있었다.In order to shorten the movement time of hydrogen ions, the thickness of the electrolyte membrane must be reduced, and for this purpose, there is a method of thinning the thickness of the porous support constituting the electrolyte membrane, in order to thin the thickness of the support, properties such as strength of the support during high stretching In addition to this large reduction, there was a problem in that economic efficiency and commerciality were poor due to a high defect rate in the production of the support.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)의 내구성을 향상시키기 위해 전해질막 내 사용되는 라디칼 스캐빈져의 입경을 조절하여 효과적으로 라디칼 제거가 가능하여 내구성이 향상된 PEMFC용 복합 전해질막을 제공하고자 한다. 또한, PEMFC용 복합 전해질막의 지지체를 특정 지지체를 적용함으로써, 연료전지 전해질막의 전체 두께를 감소시켜서 연료전지의 성능이 향상된 복합 전해질막, 이의 제조방법 및 이를 적용한 막-전극 접합체, 고분자 전해질막 연료전지를 제공하고자 한다.The present invention was devised to solve the above problems, and it is possible to effectively remove radicals by controlling the particle diameter of the radical scavenger used in the electrolyte membrane to improve the durability of the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), thereby improving durability. It is intended to provide a composite electrolyte membrane for PEMFC. In addition, by applying a specific support to the PEMFC composite electrolyte membrane, the overall thickness of the fuel cell electrolyte membrane is reduced to improve the performance of the fuel cell composite electrolyte membrane, a method of manufacturing the same, and a membrane-electrode assembly using the same, a polymer electrolyte membrane fuel cell Want to provide.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)용 복합 전해질막은 애노드(anode) 방향에 배치되는 제1이오노머(ionomer)층; 지지체층 및 캐소드(cathode) 방향으로 배치되는 제2이오노머층;을 포함하며, 제1이오노머층 및 제2이오노머층은 하기 방정식 1을 만족하도록 라디칼 스캐빈져(radical scavenger)를 포함한다.The PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) composite electrolyte membrane of the present invention for solving the above problems is a first ionomer (ionomer) layer disposed in the anode (anode) direction; It includes; a support layer and a second ionomer layer disposed in the cathode direction; the first ionomer layer and the second ionomer layer include a radical scavenger to satisfy the
[방정식 1][Equation 1]
제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 평균입경 > 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 평균입경Radical scavenger average particle diameter in the first ionomer layer> Radical scavenger average particle diameter in the second ionomer layer
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져는 평균입경 30 ~ 100nm이고, 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져는 평균입경 1 ~ 30nm일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the radical scavenger in the first ionomer layer may have an average particle diameter of 30 to 100 nm, and the radical scavenger in the second ionomer layer may have an average particle diameter of 1 to 30 nm.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 평균함량 및 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 평균함량의 비는 1 : 1.25 ~ 10 중량비로 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the ratio of the average content of the radical scavenger in the first ionomer layer and the average content of the radical scavenger in the second ionomer layer may be included in a weight ratio of 1: 1.25 to 10.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 복합 전해질막에 있어서, 상기 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 분포도는 하기 방정식 2를 만족할 수도 있다.As a preferred embodiment of the present invention, in the composite electrolyte membrane of the present invention, the radical scavenger distribution in the first ionomer layer may satisfy
[방정식 2][Equation 2]
D60~100> D0~40 D 60~100 > D 0~40
상기 방정식 2에서 D0~40 및 D60~100은 지지체의 두께방향으로 제1이오노머층과 지지체와의 접합면으로부터 떨어진 거리에서의 이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 전체 중량 중 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미하는 것으로서, 제1이오노머층와 지지체와의 접합면과 가장 멀리 떨어진 제1이오노머층의 끝단 거리를 100%을 기준으로 볼 때, D0~40은 상기 접합면으로부터 제1이오노머층 끝단 방향으로 0% ~ 40%의 거리에 위치한 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미하고, D60~100은 상기 접합면으로부터 제1이오노머층 끝단 방향으로 60% ~ 100%의 거리에 위치한 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미한다.In
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 복합 전해질막에 있어서, 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 함량과 관련하여, 상기 D60~100의 라디칼 스캐빈져 함량은 0.6 ~ 2.4 중량%이고, D0~40의 라디칼 스캐빈져 함량은 0.01 ~ 0.6 중량%일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, in the composite electrolyte membrane of the present invention, with respect to the radical scavenger content in the first ionomer layer, the radical scavenger content of D 60 to 100 is 0.6 to 2.4% by weight , D 0 to 40 of the radical scavenger content may be 0.01 to 0.6% by weight.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 복합 전해질막에 있어서, 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 분포도는 하기 방정식 3을 만족하는 것을 특징으로 하는 PEMFC용 복합 전해질막;As a preferred embodiment of the present invention, in the composite electrolyte membrane of the present invention, the distribution of radical scavenger in the second ionomer layer is PEMFC composite electrolyte membrane, characterized in that it satisfies the following
[방정식 3][Equation 3]
D60~100> D0~40 D 60~100 > D 0~40
상기 방정식 3에서 D0~40 및 D60~100은 지지체의 두께방향으로 제2이오노머층과 지지체와의 접합면으로부터 떨어진 거리에서의 이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 전체 중량 중 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미하는 것으로서, 제1이오노머층와 지지체와의 접합면과 가장 멀리 떨어진 제2이오노머층의 끝단 거리를 100%을 기준으로 볼 때, D0~40은 상기 접합면으로부터 제2이오노머층 끝단 방향으로 0% ~ 40%의 거리에 위치한 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(%)을 의미하고, D60~100은 상기 접합면으로부터 제2이오노머층 끝단 방향으로 60% ~ 100%의 거리에 위치한 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(%)을 의미한다.In
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 복합 전해질막에 있어서, 제2이오노머층 내 함유된 라디칼 스캐빈져 함량과 관련하여, 상기 D'60 ~100의 라디칼 스캐빈져 함량은 0.8 ~ 3 중량%이고, D'0 ~40의 라디칼 스캐빈져 함량은 0.1 ~ 0.8 중량%일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, in the composite electrolyte membrane of the present invention, with respect to the radical scavenger content contained in the second ionomer layer, the radical scavenger content of the D' 60 to 100 is 0.8 to 3 It becomes radical scavenger content of the% by weight and, D '0 ~ 40 may be 0.1 ~ 0.8% by weight.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 라디칼 스캐빈져는 4족, 5족, 6족, 7족, 8족, 9족, 10족, 11족 원소들, Zn, Al, La 및 Ce 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 금속의 산화물을 포함할 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the radical scavenger is selected from
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 비이온성 라디칼 스캐빈져는 세륨산화물, 지르코늄산화물, 망간산화물, 알루미늄산화물, 바나듐산화물, 세륨 및 아연을 포함하는 금속산화물를 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the nonionic radical scavenger may include cerium oxide, zirconium oxide, manganese oxide, aluminum oxide, vanadium oxide, metal oxide including cerium and zinc.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 복합 전해질막에 있어서, 상기 라디칼 스캐빈져는 CeO, CeO2, Ce2O3, ZnO, MnO2, Mn2O3, Mn3O4, ZrO2, 및 MoO3 중에서 선택된 1종 이상의 라디칼 스캐빈져를 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, in the composite electrolyte membrane of the present invention, the radical scavenger is CeO, CeO 2 , Ce 2 O 3 , ZnO, MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , ZrO 2 , and MoO 3 may include one or more radical scavengers.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 무기계 라디칼 스캐빈져는 세륨(Ce)원자, 아연(Zn)원자 및 산소(O)원자로 구성된 결정구조를 가지는 CeZnO계 금속산화물 입자를 포함할 수 있으며, 상기 결정구조는 ZnO 결정 구조에서 아연원자 중 일부가 세륨원자로 치환되어 있는 형태의 결정구조일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the inorganic radical scavenger may include CeZnO-based metal oxide particles having a crystal structure composed of a cerium (Ce) atom, a zinc (Zn) atom, and an oxygen (O) atom, and the The crystal structure may be a crystal structure in which some of the zinc atoms in the ZnO crystal structure are substituted with cerium atoms.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 CeZnO계 금속산화물 입자는 EDS(Energy Dispersive Spectrometer)로 측정시, Ce(세륨) 12 ~ 91 중량%, Zn(아연) 7 ~ 84.5 중량% 및 잔량의 O(산소)를 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the CeZnO-based metal oxide particles, as measured by Energy Dispersive Spectrometer (EDS), 12 to 91% by weight of Ce (cerium), 7 to 84.5% by weight of Zn (zinc) and the balance of O( Oxygen).
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 복합 전해질막에 사용되는 상기 지지체는 PTFE(Poly tetra fluoro ethylene) 다공성 지지체를 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the support used in the composite electrolyte membrane of the present invention may include a polytetrafluorofluoroethylene (PTFE) porous support.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 PTFE 다공성 지지체는 ASTM D 822 방법에 의거하여 측정시, 1축 방향(길이 방향) 인장강도가 40 MPa 이상 및 2축 방향(폭 방향) 인장강도가 40 MPa 이상일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the PTFE porous support is measured in accordance with ASTM D 822 method, the tensile strength in the uniaxial direction (longitudinal direction) of 40 MPa or more and the tensile strength in the biaxial direction (width direction) of 40 MPa It may be abnormal.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 상기 PTFE 다공성 지지체는 ASTM D 882에 의거하여 측정시, 1축 방향(길이 방향) 인장강도가 40 MPa 이상 및 2축 방향(폭 방향) 인장강도가 40 MPa 이상일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the PTFE porous support of the present invention is measured in accordance with ASTM D 882, the tensile strength in the uniaxial direction (longitudinal direction) of 40 MPa or more and the tensile strength in the biaxial direction (width direction). 40 MPa or more.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 상기 PTFE 다공성 지지체는 ASTM D 882에 의거하여 측정시, 1축 방향 모듈러스와 2축 방향 모듈러스 값이 하기 방정식 4를 만족할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the PTFE porous support of the present invention may satisfy the following
[방정식 4][Equation 4]
0 ≤ │(1축 방향 모듈러스 - 2축 방향 모듈러스)/(1축 방향 모듈러스)ⅹ100%│ ≤ 54%0 ≤ │(1 axis direction modulus-2 axis direction modulus)/(1 axis direction modulus)ⅹ100%│ ≤ 54%
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 PTFE 다공성 지지체는 1축 방향(길이 방향) 연신비가 3 ~ 10배이고, 2축 방향(폭 방향) 연신비가 15 ~ 50배일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the PTFE porous support may have an axial direction (lengthwise) stretching ratio of 3 to 10 times, and a biaxial direction (width direction) stretching ratio of 15 to 50 times.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 PTFE 다공성 지지체는 1축 방향(길이 방향) 연신비가 6 ~ 9.5배이고, 2축 방향(폭 방향) 연신비가 25 ~ 45배일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the PTFE porous support may have a axial direction (lengthwise) stretching ratio of 6 to 9.5 times, and a biaxial direction (width direction) stretching ratio of 25 to 45 times.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 PTFE 다공성 지지체는 1축 방향(길이 방향) 연신비가 6.2~9배이고, 2축 방향(폭 방향) 연신비가 28~45 배일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the PTFE porous support may have a axial direction (lengthwise) stretching ratio of 6.2 to 9 times, and a biaxial direction (width direction) stretching ratio of 28 to 45 times.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 상기 다공성 지지체는 1축 방향(길이 방향) 및 2축 방향(폭 방향)의 연신비(또는 종횡비)가 1 : 3.00 ~ 8.5, 바람직하게는 1 : 3.50 ~ 7.0일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the porous support of the present invention has an elongation ratio (or aspect ratio) in a uniaxial direction (longitudinal direction) and a biaxial direction (or transverse direction) of 1: 3.00 to 8.5, preferably 1: 3.50. ~ 7.0.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 PTFE 다공성 지지체는 평균기공크기가 0.080㎛ ~ 0.20㎛이고, 평균 기공률이 60 ~ 90%일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the PTFE porous support has an average pore size of 0.080 μm to 0.20 μm, and an average porosity of 60 to 90%.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 PTFE 다공성 지지체는 평균두께 5 ~ 25㎛일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the PTFE porous support may be an average thickness of 5 ~ 25㎛.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막은 ASTM D 882에 의거하여 측정시, 1축 방향 모듈러스(modulus)가 50 MPa 이상 및 2축 방향 모듈러스가 50 MPa 이상일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the PEMFC composite electrolyte membrane of the present invention may have a uniaxial modulus of 50 MPa or more and a biaxial modulus of 50 MPa or more when measured according to ASTM D 882.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 연료전지 전해직막은 ASTM D 822방법에 의거하여 측정시, 1축 방향(길이 방향) 인장강도가 50 MPa 이상 및 2축 방향(폭 방향) 인장강도가 48 MPa 이상일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the fuel cell electrolytic membrane of the present invention is measured in accordance with ASTM D 822 method, the tensile strength in the uniaxial direction (longitudinal direction) is 50 MPa or more and the tensile strength in the biaxial direction (widthwise). May be 48 MPa or more.
본 발명의 다른 목적은 앞서 설명한 다양한 형태의 복합 전해질막을 제조하는 방법에 관한 것으로서, PTFE 다공성 지지체를 준비하는 1단계; PTFE 다공성 지지체의 일면에 제1이오노머(ionomer)층을 형성시키는 2단계; 제1이오노머층 형성된 지지체의 타면에 제2이오노머층을 형성시키는 3단계; 및 제1이오노머층 및 제2이오노머층이 형성된 PTFE 다공성 지지체를 열처리하는 4단계;를 포함하는 공정을 수행하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조할 수 있다.Another object of the present invention relates to a method for manufacturing a composite electrolyte membrane of various types described above, the first step of preparing a PTFE porous support; A second step of forming a first ionomer layer on one surface of the PTFE porous support; A third step of forming a second ionomer layer on the other surface of the support on which the first ionomer layer is formed; And a fourth step of heat-treating the PTFE porous support on which the first ionomer layer and the second ionomer layer are formed; a composite electrolyte membrane for PEMFC can be prepared by performing a process including the process.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 1단계의 PTFE 다공성 지지체는 PTFE 파우더 및 액상 윤활제를 혼합 및 교반하여 페이스트(paste)를 제조하는 1-1단계; 상기 페이스트를 숙성시키는 1-2단계; 숙성된 페이스트(paste)를 압출 및 압연시켜서 미소성 테이프를 제조하는 1-3단계; 미소성 테이프를 건조시킨 후, 액상 윤활제를 제거하는 1-4단계; 윤활제가 제거된 미소성 테이프를 1축 연신시키는 1-5단계; 1축 연신된 미소성 테이프를 2축 연신시키는 1-6단계; 및 소성하는 1-7단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the PTFE porous support in
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 1-1단계의 페이스트는 PTFE 파우더 100 중량부에 대하여 윤활제 15 ~ 35 중량부를 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the paste of step 1-1 may include 15 to 35 parts by weight of lubricant relative to 100 parts by weight of PTFE powder.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 액상 윤활제로서, 유동파라핀, 나프타, 화이트 오일, 톨루엔, 크실렌 등의 탄화수소 오일 외에, 각종 알코올류, 케톤류, 에스테르류 등이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 유동파라핀, 나프타 및 화이트 오일 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, as the liquid lubricant, in addition to hydrocarbon oils such as liquid paraffin, naphtha, white oil, toluene, xylene, various alcohols, ketones, esters, and the like can be used, and preferably liquid paraffin , Naphtha and white oil may be used.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 1-2단계의 상기 숙성은 30℃ ~ 70℃의 온도에서 12 ~ 24 시간 동안 방치하여 수행할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the aging in step 1-2 may be performed by leaving for 12 to 24 hours at a temperature of 30°C to 70°C.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 1-3단계의 상기 압출은 숙성된 페이스트를 압축기에서 압축하여 PTFE 블록을 제조한 후, PTFE 블록을 0.069 ~ 0.200 Ton/cm2 압력으로 가압압출하여 수행할 수 있다. As a preferred embodiment of the present invention, the extrusion in steps 1-3 can be performed by compressing the aged paste in a compressor to produce a PTFE block, and then extruding the PTFE block at a pressure of 0.069 to 0.200 Ton/cm 2. have.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 1-3단계의 상기 압연은 5 ~ 10 MPa의 유압으로, 50 ~ 100℃ 하에서 캘린더링 공정으로 수행할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the rolling in steps 1-3 may be performed by a calendering process under 50 to 100° C. with a hydraulic pressure of 5 to 10 MPa.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 1-4단계의 건조 공정은 윤활제 제거를 위한 공정으로서, 미소성 테이프를 1 ~ 5M/min 속도로 이동시키면서 100℃ ~ 200℃ 하에서 건조를 수행할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the drying process in steps 1-4 is a process for removing the lubricant, and drying may be performed at 100°C to 200°C while moving the unfinished tape at a speed of 1 to 5M/min.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 1-5단계의 1축 연신은 윤활제가 제거된 미소성 테이프를 길이 방향으로 3 ~ 10배, 바람직하게는 6 ~ 9.5배, 더욱 바람직하게는 6.2 ~ 9배로 연신을 수행할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the uniaxial stretching in steps 1-5 is 3 to 10 times, preferably 6 to 9.5 times, more preferably 6.2 to 9 times, the unstretched tape from which the lubricant has been removed. Stretching can be performed.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 1-5단계의 1축 연신은 260℃ ~ 350℃의 연신온도 하에서, 6 ~ 12 M/min의 연신속도로 수행할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the uniaxial stretching in steps 1-5 may be performed at a stretching speed of 6 to 12 M/min, under a stretching temperature of 260°C to 350°C.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 1-6단계의 2축 연신은 1축 연신된 미소성 테이프를 폭 방향으로 15 ~ 50배, 바람직하게는 25 ~ 45배, 더욱 바람직하게는 28 ~ 45배로 연신을 수행할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the biaxial stretching in steps 1-6 is 15 to 50 times, preferably 25 to 45 times, more preferably 28 to 45 times the unstretched unstretched tape in the width direction. Stretching can be performed.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 1-6단계의 2축 연신은 150℃ ~ 260℃의 연신온도 하에서, 10 ~ 20M/min의 연신속도로 수행할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the biaxial stretching in steps 1-6 can be performed at a stretching speed of 10 to 20 M/min, under a stretching temperature of 150°C to 260°C.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 1-7단계의 소성은 350℃ ~ 450℃ 온도 하에서 수행할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the firing in steps 1-7 can be performed under a temperature of 350°C to 450°C.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 1-7단계 공정을 수행하여 제조한 다공성 지지체를 불소계 이오노머 용액에 함침하는 1-8단계; 및 상기 함침된 PTFE 다공성 지지체를 건조 및 열처리하는 1-9단계;를 더 수행할 수도 있다.As a preferred embodiment of the present invention, steps 1-8 impregnating the porous support prepared by performing steps 1-7 in a fluorine-based ionomer solution; And steps 1-9 of drying and heat-treating the impregnated PTFE porous support.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 1-8단계의 상기 불소계 이오노머 용액은 제올라이트, 티타니아, 지르코니아, 및 몬모릴로나이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 흡습제를 더 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the fluorine-based ionomer solution in steps 1-8 may further include at least one hygroscopic agent selected from the group consisting of zeolite, titania, zirconia, and montmorillonite.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 1-8단계의 상기 불소계 이오노머 용액은 용액 전체 중량 중 중공형 실리카 0.05 ~ 5 중량%로 더 포함할 수 있다. As a preferred embodiment of the present invention, the fluorine-based ionomer solution in steps 1-8 may further include 0.05 to 5% by weight of hollow silica in the total weight of the solution.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 불소계 이오노머는 나피온(Nafion), 플레미온(Flemion) 및 아시플렉스(Aciplex) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the fluorine-based ionomer may include one or more selected from Nafion, Flemion and Aciplex.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 1-9단계의 상기 건조는 60℃ ~ 100℃ 온도에서 1 ~ 30분 동안 수행하고, 상기 열처리는 100℃ ~ 200℃ 온도에서 1분 ~ 5분 동안 수행될 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the drying in steps 1-9 is performed at 60°C to 100°C for 1 to 30 minutes, and the heat treatment is performed at 100°C to 200°C for 1 minute to 5 minutes. Can be.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 1-9단계의 열처리된 상기 다공성 지지체는 폐색된 기공의 부피가 전체 기공 부피에 대하여 90 부피% 이상일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the porous support heat-treated in steps 1-9 may have a closed pore volume of 90% by volume or more with respect to the total pore volume.
본 발명의 또 다른 목적은 PEMFC용 막-전극 접합체(MEA)에 관한 것으로서, 애노드(산화전극); 애노드 촉매층; 상기 PEMFC용 복합 전해질막; 캐소드 촉매층; 및 캐소드(환원전극);을 포함한다.Another object of the present invention relates to a PEMFC membrane-electrode assembly (MEA), comprising: an anode (oxide electrode); Anode catalyst layer; The composite electrolyte membrane for PEMFC; Cathode catalyst layer; And a cathode (reduction electrode).
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 애노드와 애노드 촉매층 및 캐소드와 캐소드 촉매층 사이에는 기체확산층를 더 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, a gas diffusion layer may be further included between the anode and the anode catalyst layer and the cathode and the cathode catalyst layer.
본 발명의 또 다른 목적은 고분자 전해질막 연료전지에 관한 것으로서, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 전기 발생부; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 산화제를 상기 발생부로 공급하는 산화제 공급부;를 포함하고, 상기 전기 발생부는 상기 막-전극 접합체 및 세퍼레이터를 포함한다.Another object of the present invention relates to a polymer electrolyte membrane fuel cell, an electric generator for generating electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidizing agent; A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And an oxidizing agent supplying part for supplying an oxidizing agent to the generating part, wherein the electricity generating part includes the membrane-electrode assembly and a separator.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 고분자 전해질막 연료전지는 막-전극 접합체 및 세퍼레이터를 포함하고, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 전기 발생부를 형성하는 1단계; 상기 막-전극 접합체 사이에 세퍼레이터를 개재하여 스택을 형성하는 2단계; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부를 형성하는 3단계; 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 형성하는 4단계;를 포함한다.As a preferred embodiment of the present invention, the polymer electrolyte membrane fuel cell includes a membrane-electrode assembly and a separator, and a first step of forming an electricity generating unit that generates electricity through an electrochemical reaction between the fuel and the oxidizing agent; Forming a stack with a separator interposed between the membrane-electrode assembly; Forming a fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And four steps of forming an oxidizing agent supplying part for supplying an oxidizing agent to the electricity generating part.
본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막은 라디칼 스캐빈져를 최적의 함량 및 분포도를 가지는 바, HO· 및/또는 HOO· 등의 라디칼을 효율적으로 포착하여 막-전극 접합체 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 특정 지지체를 적용시켜서 복합 전해질막의 전체 두께를 감소시켜서 연료전지의 성능을 향상시킬 수도 있다.Since the composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention has an optimum content and distribution of radical scavengers, it is possible to improve the durability of the membrane-electrode assembly by efficiently capturing radicals such as HO · and/or HOO · . In addition, the performance of the fuel cell may be improved by applying a specific support to reduce the overall thickness of the composite electrolyte membrane.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 PEMFC용 복합 전해질막의 개략도이다.
도 2은 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 PEMFC용 복합 전해질막의 개략도로서, 복합 전해질막의 이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 분포를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 준비예 2-1에서 제조한 CeZnO 라디칼 스캐빈져의 SEM 측정 사진이다.
도 4는 준비예 2-1에서 제조한 CeZnO 라디칼 스캐빈져의 EDS(Energy Dispersive Spectrometer, 또는 EDAX) 측정 결과이다.
도 5a 및 도 5b는 준비예 2-2의 CeZnO 금속산화물 입자 분산액과 나피온 혼합 전후의 나노입도분석 측정 결과이다.
도 6a 및 도 6b는 CeO2 금속산화물 입자 분산액과 나피온 혼합 전후의 나노입도분석 측정 결과이다.
도 7은 실험예 3에서 실시한 분산안정성 측정 실험 결과로서, (a)는 CeZnO 1중량%와 나피온을 혼합한 직후에 찍은 사진이고, (b)는 (a)의 사진을 찍은 후, 24 시간 경과 후 찍은 사진이다. 그리고, (c) CeO2 중량%와 나피온을 혼합한 직후에 찍은 사진이고, (d)는 (c)의 사진을 찍은 후, 24 시간 경과 후 찍은 사진이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 막-전극 접합체의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a composite electrolyte membrane for PEMFC according to one preferred embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a PEMFC composite electrolyte membrane according to a preferred embodiment of the present invention, and is a schematic diagram for explaining the radical scavenger distribution in the ionomer layer of the composite electrolyte membrane.
3 is a SEM measurement photo of CeZnO radical scavenger prepared in Preparation Example 2-1.
4 is an EDS (Energy Dispersive Spectrometer, or EDAX) measurement results of the CeZnO radical scavenger prepared in Preparation Example 2-1.
5A and 5B are CeZnO metal oxide particles of Preparation Example 2-2 This is the result of nanoparticle size analysis before and after mixing the dispersion with Nafion.
6A and 6B show CeO2 Metal oxide particles This is the result of nanoparticle size analysis before and after mixing the dispersion with Nafion.
7 is a result of the dispersion stability measurement experiment conducted in Experimental Example 3, (a) is a picture taken immediately after mixing 1% by weight of CeZnO and Nafion, (b) 24 hours after taking the picture of (a) This photo was taken after the passage. And, (c) CeO2 This is a picture taken immediately after mixing weight% and Nafion, and (d) is a picture taken 24 hours after taking the picture in (c).
8 is a schematic diagram of a membrane-electrode assembly according to a preferred embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)용 복합 전해질막에 대해서 더 자세하게 설명을 한다.Hereinafter, the composite electrolyte membrane for a PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) of the present invention will be described in more detail.
도 1에 개략도로 나타낸 바와 같이, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막(10)은 애노드(anode) 방향에 배치되는 제1이오노머(ionomer)층(2); 지지체층(1) 및 캐소드(cathode) 방향으로 배치되는 제2이오노머층(3);을 포함하며. 상기 제1이오노머층(2) 및 제2이오노머층(3)은 라디칼 스캐빈져(radical scavenger)를 포함한다. 또한, 상기 지지체층(1) 역시 제1이오노머층 및 제2이오머층의 라디칼 스캐빈져를 포함할 수 있다.1, the
연료전지 운전 또는 휴지 상태에서 발생하는 라디칼은 캐소드 보다 애노드에서 상대적으로 더 많이 발생하며, 지지체의 양면에 형성되어 있는 전해질층에서 전해질층의 지지체 방향 부위보다 전극(애노드 또는 캐소드) 방향의 전해질층 부위에서 라디칼이 더 많이 발생 및/또는 존재하는 경향이 있다. 따라서, 본 발명은 라디칼 스캐빈져의 전해질막(층) 내 분포 및 사용량을 조절함으로써, 라디칼 스캐빈져 과량 사용에 의한 문제를 방지하면서도 막-전극 접합체의 내구성을 크게 향상시키고자 한 발명인 것이다. The radicals generated during fuel cell operation or at rest occur relatively more at the anode than at the cathode, and in the electrolyte layer formed on both sides of the support, the electrolyte layer portion in the electrode (anode or cathode) direction than the support direction portion of the electrolyte layer in the electrolyte layer Tends to generate more and/or more radicals. Therefore, the present invention is to improve the durability of the membrane-electrode assembly while significantly preventing problems caused by excessive use of the radical scavenger by controlling the distribution and amount of use of the radical scavenger in the electrolyte membrane (layer).
이를 위해 본 발명은 하기 방정식 1을 만족하도록 제1이오노머층 및 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져를 사용한다.To this end, the present invention uses a radical scavenger in the first ionomer layer and the second ionomer layer to satisfy the
[방정식 1][Equation 1]
제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 평균입경 > 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 평균입경Radical scavenger average particle diameter in the first ionomer layer> Radical scavenger average particle diameter in the second ionomer layer
바람직하게는 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져는 평균입경 30 ~ 100nm이고, 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져는 평균입경 1 ~ 30nm일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져는 평균입경 50 ~ 95nm이고, 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져는 평균입경 8 ~ 28nm일 수 있다.Preferably, the radical scavenger in the first ionomer layer may have an average particle diameter of 30 to 100 nm, and the radical scavenger in the second ionomer layer may have an average particle diameter of 1 to 30 nm, more preferably a radical scavenger in the 1 ionomer layer. The base may have an average particle diameter of 50 to 95 nm, and the radical scavenger in the second ionomer layer may have an average particle diameter of 8 to 28 nm.
그리고, 바람직하게는 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 평균함량 및 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 평균함량은 1 : 1.25 ~ 10 중량비로, 바람직하게는 1 : 1.25 ~ 5 중량비로, 더욱 바람직하게는 1 : 1.25 ~ 3 중량비로 포함하는 것이 좋다.And, preferably, the average content of the radical scavenger in the first ionomer layer and the average content of the radical scavenger in the second ionomer layer are in a ratio of 1: 1.25 to 10, preferably 1: 1.25 to 5, and more preferably It is good to include in a weight ratio of 1: 1.25 to 3.
좀 더 구체적으로는 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 분포도는 하기 방정식 2를 만족하는 것이 좋다. 그리고, 바람직하게는 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 함량과 관련하여, D60~100의 라디칼 스캐빈져 함량은 0.6 ~ 2.4 중량%이고, D0~40의 라디칼 스캐빈져 함량은 0.01 ~ 0.6 중량%인 것이 좋다.More specifically, the distribution of radical scavengers in the first ionomer layer satisfies
[방정식 2][Equation 2]
D60~100 > D0~40 D 60~100 > D 0~40
상기 방정식 2에서 D0~40 및 D60~100은 지지체의 두께방향으로 제1이오노머층과 지지체와의 접합면으로부터 떨어진 거리에서의 이오노머층(도 2의 점선 부위 L1 또는 L2의 이오노머층 부위) 내 라디칼 스캐빈져 전체 중량 중 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미하는 것으로서, 제1이오노머층와 지지체와의 접합면과 가장 멀리 떨어진 제1이오노머층의 끝단 거리를 100%을 기준으로 볼 때, D0~40 은 상기 접합면으로부터 제1이오노머층 끝단 방향으로 10% ~ 40%의 거리에 위치한 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미하고, D60~100은 상기 접합면으로부터 제1이오노머층 끝단 방향으로 60% ~ 90%의 거리에 위치한 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미한다.In
또한, 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 분포도는 하기 방정식 3을 만족하는 것이 좋으며, 바람직하게는 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 함량과 관련하여, D'60 ~100의 라디칼 스캐빈져 함량은 0.8 ~ 3.0 중량%이고, D'0 ~40의 라디칼 스캐빈져 함량은 0.1 ~ 0.8 중량%인 것이 좋다.In addition, the distribution of radical scavengers in the second ionomer layer preferably satisfies the
[방정식 3] [Equation 3]
D'60 ~100 > D'0 ~40 D' 60 ~100 >D' 0 ~ 40
상기 방정식 3에서 D'0 ~40 및 D'60 ~100은 지지체의 두께방향으로 제2이오노머층과 지지체와의 접합면으로부터 떨어진 거리에서의 이오노머층(도 2의 점선 부위 L3 또는 L4 의 이오노머층 부위) 내 라디칼 스캐빈져 전체 중량 중 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미하는 것으로서, 제1이오노머층와 지지체와의 접합면과 가장 멀리 떨어진 제2이오노머층의 끝단 거리를 100%을 기준으로 볼 때, D'0 ~40 은 상기 접합면으로부터 제2이오노머층 끝단 방향으로 10% ~ 40%의 거리에 위치한 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(%)을 의미하고, D'60 ~100은 상기 접합면으로부터 제2이오노머층 끝단 방향으로 60% ~ 90%의 거리에 위치한 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(%)을 의미한다.In
[라디칼 [Radical 스캐빈져Scavenger ]]
본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막의 제1이오노머층 및/또는 제2이오노머층 각각에 사용되는 라디칼 스캐빈져는 서로 같거나 다른 것을 사용할 수 있으며, 상기 라디칼 스캐빈져는 무기계 라디칼 스캐빈져를 사용할 수 있으며, 이온계 라디칼 스캐빈져를 사용하는 것 보다 전해질막 내부에 원하는 크기의 무기계 라디칼 스캐빈져를 배치하는 것으로 이온전도도 확보와 우수한 내구성을 확보할 수 있다.The radical scavengers used for each of the first ionomer layer and/or the second ionomer layer of the PEMFC composite electrolyte membrane of the present invention may be the same or different from each other, and the radical scavenger may use an inorganic radical scavenger. It is possible to secure ion conductivity and excellent durability by arranging an inorganic radical scavenger of a desired size inside the electrolyte membrane rather than using an ionic radical scavenger.
또한, 상기 무기계 라디칼 스캐빈져로는 당업계에서 일반적으로 사용하는 무기계 라디칼 스캐빈져를 사용할 수 있으며, 바람직하게 4족, 5족, 6족, 7족, 8족, 9족, 10족, 11족 원소들, Zn, Al, La 및 Ce 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 금속의 산화물을 단종 또는 혼합하여 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 세륨산화물, 지르코늄산화물, 망간산화물, 알루미늄산화물, 바나듐산화물, 세륨과 아연을 포함하는 금속산화물을 단종 또는 혼합하여 사용할 수도 있다. 좀 더 구체적으로는 비이온성 라디칼 스캐빈져로서, CeO, CeO2, Ce2O3, ZnO, MnO2, Mn2O3, Mn3O4, ZrO2, 및 MoO3 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, as the inorganic radical scavenger, an inorganic radical scavenger generally used in the art may be used, preferably
또한, 무기계 라디칼 스캐빈져로서, CeZnO 금속산화물을 포함할 수도 있으며, 상기 CeZnO 금속산화물 세륨(Ce)원자, 아연(Zn)원자 및 산소(O)원자로 구성된 결정구조를 가지는 금속산화물 입자로서, 우르츠광형(Wurtzite) 결정 구조를 가지는 ZnO 결정 구조에서 Zn원자 중 일부가 Ce원자로 치환되어 있는 형태의 결정구조를 가지는 것일 수 있다. 상기 CeZnO 금속산화물은 Ce 12 ~ 91 중량%, Zn 7 ~ 84.5 중량% 및 잔량의 O를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 Ce 13.40 ~ 89.20 중량%, Zn 7.55 ~ 88.20 중량% 및 잔량의 O를 포함할 수도 있다. 그리고, 기타 불가피한 불순물을 더 포함할 수도 있다. 또한, 상기 CeZnO 금속산화물은 DLS(Dynamic Light Scattering) 방식의 나노입도분석기로 입도(D50) 분석시, 200 nm 이하, 바람직하게는 160 nm 이하, 더욱 바람직하게는 45 ~ 160 nm일 수 있다. 이러한, Ce-Zn-O 금속산화물은 Ce 이온인 Ce3 + 및/또는 Ce4 +가 연료전지 운전시 발생하는 HO· 및/또는 HOO· 등의 라디칼을 포착하여 반영구적으로 제거하게 된다.In addition, as an inorganic radical scavenger, may include a CeZnO metal oxide, the CeZnO metal oxide as a metal oxide particle having a crystal structure composed of cerium (Ce) atom, zinc (Zn) atom and oxygen (O) atom, ur In the ZnO crystal structure having a wurtzite crystal structure, a part of the Zn atoms may have a crystal structure in which a Ce atom is substituted. The CeZnO metal oxide may include
무기계 라디칼 스캐빈져 중 상기 CeZnO 금속산화물은 [Zn(OH)4]2- 함유 용액에 Ce 전구체 수용액을 혼합 및 환원반응을 수행하여 세륨 이온이 도핑된 ZnO 결정구조를 가지는 CeZnO 금속산화물 입자를 형성시켜서 제조할 수 있다. 여기서, "Ce 이온이 도핑된 ZnO 결정구조"는 우르츠광형(Wurtzite) 결정 구조를 가지는 ZnO 결정 구조에서 Zn원자 중 일부가 Ce원자로 치환된 형태의 결정 구조가 새롭게 형성되는 것을 의미한다.In the inorganic radical scavenger, the CeZnO metal oxide is mixed with a [Zn(OH) 4 ] 2- containing solution and a reduction reaction is performed to form CeZnO metal oxide particles having a ZnO crystal structure doped with cerium ions. It can be prepared by ordering. Here, “Ce ion-doped ZnO crystal structure” means that a crystal structure in which a part of Zn atoms is substituted with a Ce atom is newly formed in a ZnO crystal structure having a wurtzite crystal structure.
이를 제조하는 방법에 대하여 설명하면, Zn 전구체를 알코올에 용해시켜서 Zn 전구체 용액을 제조한 후, Zn 전구체 용액을 승온시키는 1단계; [Zn(OH)4]2- 함유 용액을 제조하는 2단계; [Zn(OH)4]2- 함유 용액에 Ce 전구체 수용액을 혼합 및 환원반응을 수행하여 Ce 이온이 도핑된 ZnO 결정구조를 가지는 CeZnO 금속산화물 입자를 형성시키는 3단계; 상기 CeZnO 금속산화물 입자를 회수 및 세척하는 4단계; 및 세척한 CeZnO 금속산화물 입자를 건조시키는 5단계;를 포함하는 공정을 수행하여 PEMFC용 라디칼 스캐빈져를 제조할 수 있다.When explaining a method for manufacturing this, a Zn precursor solution is prepared by dissolving a Zn precursor in alcohol, and then heating the Zn precursor solution; [Zn(OH) 4 ] Two steps to prepare a 2 - containing solution; [Zn (OH) 4] 3 steps of performing a 2-containing solution is mixed and the reduction reaction of Ce precursor solution to form a CeZnO metal oxide particles having a ZnO crystal structure Ce ion-doped; Four steps of recovering and washing the CeZnO metal oxide particles; And 5 steps of drying the washed CeZnO metal oxide particles; a radical scavenger for PEMFC may be prepared by performing a process including the.
1단계의 승온은 Zn 전구체 용액을 40℃ ~ 70℃까지, 바람직하게는 55℃ ~ 70℃까지 서서히 가열시켜서 수행할 수 있다. The temperature rise in
1단계의 Zn 전구체는 아세트산아연(zinc acetate), 질산아연(zinc nitrate), 황산아연(zinc sulfate), 염화아연(Zinc chloride), 브롬화아연(Zinc bromide), 인산아연(Zinc phosphate), 요오드화아연(Zinc iodide), 시연화아연(Zinc cyanide), 메톡시화아연(Zinc methoxide), 아크릴산염아연(Zinc acrylate), 플루오르화아연(Zinc fluoride) 및 인화아연(Zinc phosphide) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 아세트산아연, 질산아연 및 황산아연 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The Zn precursor in the first stage is zinc acetate, zinc nitrate, zinc sulfate, zinc chloride, zinc bromide, zinc phosphate, zinc iodide (Zinc iodide), zinc cyanide, zinc methoxide, zinc acrylate, zinc fluoride, zinc fluoride, and zinc phosphide It may, and preferably, may include at least one selected from zinc acetate, zinc nitrate, and zinc sulfate.
1단계의 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 메탄올을 사용할 수 있다.The alcohol in the first step may include one or more selected from methanol, ethanol, propanol and butanol, and preferably methanol.
1단계의 Zn 전구체 용액은 알코올에 Zn 전구체를 0.01M ~ 5 M 농도로, 바람직하게는 0.05M ~ 2 M로 용해시킨 것을 사용할 수 있는데, 이때, Zn 전구체 농도가 0.01M 미만이면 합성 중 [Zn(OH)4]-2로 변환이 어려운 문제가 있을 수 있고, 5M을 초과하면 알코올 용제에 용해가 잘 안 되는 문제가 있을 수 있다.The Zn precursor solution of
다음으로, 2단계에서 [Zn(OH)4]2- 함유 용액은 Zn 전구체 용액에 이온화제를 투입, 교반 및 반응시켜서 제조하는데, Zn 전구체 용액에 이온화제를 투입시키면 ZnO가 형성되고, 이온화제를 계속 첨가하면 pH가 증가하면서 ZnO가 [Zn(OH)4]2-으로 변화되면서 혼합용액이 투명색으로 변화하게 된다.Next, in
이온화제 투입시, Zn 전구체 용액은 40℃ ~ 70℃, 바람직하게는 55℃ ~ 65℃인 것이 좋은데, 이때, Zn 전구체 용액은 40℃ 미만이면 [Zn(OH)4]2-으로 생성되지 않거나 너무 미량만 생성되는 문제가 있을 수 있고, 70℃를 초과하면 용제가 끓는 문제가 있을 수 있으므로, 상기 온도를 가지는 Zn 전구체 용액에 이온화제를 투입, 교반 및 반응시키는 것이 좋다.When the ionizing agent is added, the Zn precursor solution is preferably 40°C to 70°C, preferably 55°C to 65°C, and if the Zn precursor solution is less than 40°C, [Zn(OH) 4 ] 2- is not produced or There may be a problem that only a very small amount is generated, and if it exceeds 70°C, the solvent may have a problem of boiling, so it is good to add, agitate, and react with an ionizing agent in the Zn precursor solution having the above temperature.
그리고, 이온화제 투입량은 특별하게 한정하지는 않으나, Zn 전구체 용액과 이온화제의 혼합액의 pH가 6 ~ 14, 바람직하게는 pH가 8 ~ 12가 될 때까지, 더욱 바람직하게는 pH가 8 ~ 10이 될 때까지 이온화제를 적가시켜서 혼합 및 반응을 시키는 것이 좋은데, Zn 전구체 용액 내 Zn 이온 함량에 따라 다르지만, Zn 이온 함량이 낮은 경우, pH 6 이상부터 혼합용액이 투명색으로 변한다. In addition, the input amount of the ionizing agent is not particularly limited, but the pH of the mixed solution of the Zn precursor solution and the ionizing agent is 6 to 14, preferably until the pH is 8 to 12, more preferably the pH is 8 to 10. It is good to mix and react by adding the ionizing agent dropwise until it is possible. It varies depending on the Zn ion content in the Zn precursor solution, but when the Zn ion content is low, the mixed solution turns to a transparent color from
상기 이온화제는 염기성 용액으로서, 저급 알코올에 수산화물 0.05M ~ 5M 농도로, 바람직하게는 0.5M ~ 2M 농도로 용해시킨 용액을 포함한다. 이때, 수산화물 농도가 0.05M 미만이면 합성 중 [Zn(OH)4]-2로 변환이 어려운 문제가 있을 수 있고, 5M을 초과하면 알코올 용제에 용해가 안되는 문제가 있을 수 있으므로, 상기 농도로 수산화물을 알코올에 용해시킨 것을 사용하는 것이 좋다.The ionizing agent is a basic solution, and includes a solution dissolved in a lower alcohol in a concentration of 0.05M to 5M hydroxide, preferably 0.5M to 2M concentration. At this time, if the hydroxide concentration is less than 0.05M, it may be difficult to convert to [Zn(OH) 4 ] -2 during synthesis, and if it exceeds 5M, there may be a problem that it is not soluble in alcohol solvent. It is good to use what is dissolved in alcohol.
그리고, 상기 수산화물은 KOH, NaOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2, Mg(OH)2, NaHCO3, Al(OH)3 및 NH3 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 KOH, NaOH, 및 Ca(OH)2 중에서 1종 이상을, 더욱 바람직하게는 KOH를 포함할 수 있다.And, the hydroxide is KOH, NaOH, Ca (OH) 2 , Ba(OH) 2 , Mg(OH) 2 , NaHCO 3 , Al(OH) 3 and may include one or more selected from NH 3 , preferably one of KOH, NaOH, and Ca(OH) 2 The above may more preferably contain KOH.
또한, 이온화제 제조에 사용되는 상기 저급 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 1단계의 Zn 전구체 용액 제조에 사용되는 알코올과 동일한 것을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 메탄올을 사용할 수 있다. In addition, the lower alcohol used in the preparation of the ionizing agent may include one or more selected from methanol, ethanol, propanol and butanol, preferably the same alcohol used in the preparation of the Zn precursor solution in one step, , More preferably, methanol can be used.
다음으로, 3단계는 [Zn(OH)4]2- 함유 용액과 Ce 전구체 수용액을 1:0.1 ~ 10 부피비로, 바람직하게는 1:0.5 ~ 2 부피비로 혼합 및 환원반응을 수행하여 세륨 이온이 도핑된 ZnO 결정구조를 가지는 CeZnO 금속산화물 입자를 형성시키는 공정이다. 이때, Ce 전구체 용액 사용량이 1:0.1 부피비 미만이면 반응생성물인 CeZnO 금속산화물 입자 내 Ce 함량이 적어서 제조된 CeZnO 금속산화물 입자의 라디칼 제거 효과 즉, 산화방지 효과가 떨어지는 문제가 있을 수 있고, Ce 전구체 용액 사용량이 1:10 부피비를 초과하면 반응생성물인 CeZnO 금속산화물 입자 내 Ce 함량이 너무 높아서 전해질 내 분산안정성이 떨어져서 침전물일 발생하는 문제가 있을 수 있다. [Zn(OH)4]2- 함유 용액과 Ce 전구체 수용액을 혼합하면 [Zn(OH)4]2-가 ZnO로 변환되는데, 이때, 물에 녹아있는 Ce 이온(Ce3 + 및/또는 Ce4 +)들 중 일부가 ZnO 입자와 섞이고, OH- 이온이 Ce3 + 및/또는 Ce4 +을 당기기 때문에 양이온만 섞이게 된다. Next, in
상기 Ce 전구체 수용액은 물, 바람직하게는 DI-water에 세륨 전구체를 0.01M ~ 5M로, 바람직하게는 0.05M ~ 2M로 용해시킨 수용액을 포함한다. 이때, 세륨 전구체 농도가 0.05M 미만이면 CeZnO 금속산화물 입자 내 Ce 함량이 적어서 제조된 CeZnO 금속산화물 입자의 라디칼 제거 효과 즉, 산화방지 효과가 떨어지는 문제가 있을 수 있고, 세륨 전구체 농도가 5M를 초과하면 반응생성물인 CeZnO 금속산화물 입자 내 Ce 함량이 너무 높아서 전해질 내 분산안정성이 떨어져서 침전물일 발생하는 문제가 있을 수 있다.The Ce precursor aqueous solution includes an aqueous solution in which a cerium precursor is dissolved in water, preferably DI-water, in an amount of 0.01M to 5M, preferably 0.05M to 2M. At this time, if the cerium precursor concentration is less than 0.05M, the Ce content in the CeZnO metal oxide particles is small, and thus the radical removal effect of the prepared CeZnO metal oxide particles, that is, the antioxidant effect may be inferior, and if the cerium precursor concentration exceeds 5M Since the Ce content in the CeZnO metal oxide particles, which are reaction products, is too high, dispersion stability in the electrolyte is poor, which may cause a problem of precipitation.
그리고, 상기 세륨 전구체는 질산세륨(cerium nitrate hexahydrate), 수산화세륨(Cerium(IV) hydroxide) 브롬화세륨(Cerium(III) bromide), 옥살산세륨(Cerium(III) oxalate), 황산세륨(Cerium(IV) sulfate), 염화세륨(Cerium(III) chloride), 요오드화세륨(Cerium(III) iodide), 플루오르화세륨(Cerium(III) fluoride), 세륨아세틸아세토네이트(Cerium(III) acetylacetonate) 및 질산세륨암모늄(Ammonium cerium(IV) nitrate) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 질산세륨, 황산세륨 및 염화세륨 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the cerium precursors are cerium nitrate hexahydrate, cerium(IV) hydroxide, cerium(III) bromide, cerium(III) oxalate, and cerium(IV) sulfate. sulfate), cerium(III) chloride, cerium(III) iodide, cerium(III) fluoride, cerium acetylacetonate, cerium(III) acetylacetonate, and cerium ammonium nitrate ( Ammonium cerium (IV) nitrate), and may preferably include one or more selected from cerium nitrate, cerium sulfate, and cerium chloride.
그리고, 3단계는 0℃ ~ 70℃ 하에서, 바람직하게는 40℃ ~ 65℃ 하에서 [Zn(OH)4]2- 함유 용액과 Ce 전구체 수용액을 혼합 및 환원반응을 수행하는 것이 좋은데, 반응시 온도가 0℃ 미만이면 Ce 이온 도핑에 의한 결정 구조 내 Zn원자의 Ce원자로의 치환반응이 잘 이루어지지 않을 수 있으며, 반응시 온도가 70℃를 초과하면 [Zn(OH)4]2-의 알코올 일부가 증발되면서 반응이 불균일한 문제가 있을 수 있으므로, 상기 온도 범위 하에서 혼합 및 반응을 수행하는 것이 좋다.And, in
다음으로, 4단계는 3단계의 반응생성물을 CeZnO 금속산화물 입자를 회수한 후, 이를 세척하여 최종 CeZnO 금속산화물 입자인 라디칼 스캐빈져를 제고하는 공정이며, 상기 회수는 당업계에서 사용하는 일반적인 방법을 통해서 수행할 수 있으며, 일례를 들면 필터링시켜서 반응용액으로부터 반응생성물인 CeZnO 금속산화물 입자를 회수할 수 있다. 그리고, 상기 세척은 당업계에서 사용하는 일반적인 방법을 통해 수행할 수 있으며, 특별히 한정하지 않는다.Next,
그리고, 5단계의 건조는 당업계에서 사용하는 일반적인 방법을 통해 수행할 수 있으며, 바람직한 일례를 들면, 세척한 CeZnO 금속산화물 입자를 90℃ ~ 120℃, 바람직하게는 95℃ ~ 110℃ 하에서 20 ~ 36시간 정도 열건조를 수행할 수 있다.And, the drying in
또한, 열건조시킨 금속산화물 입자의 결정성 증대를 위해, 소성시키는 공정을 선택적으로 추가 수행할 수도 있으며, 바람직한 일례를 들면, 소성은 1,500℃ 이하, 바람직하게는 1,000℃ ~ 1,450℃ 하에서 소성공정을 수행할 수 있다.In addition, in order to increase the crystallinity of the heat-dried metal oxide particles, a calcination process may be additionally performed. For a preferred example, calcination is performed at 1,500° C. or less, preferably at 1,000° C. to 1,450° C. It can be done.
[[ PTFEPTFE 다공성 지지체] Porous support]
다음으로, 본 발명의 복합 전해질막의 구성 중 하나인 지지체층은 당업계에서 사용하는 일반적인 다공성 지지체를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 하기 제조방법으로 제조된 특정 물성을 가지는 PTFE 다공성 지지체를 사용하는 것이 좋다. Next, the support layer, which is one of the configurations of the composite electrolyte membrane of the present invention, may use a general porous support used in the art, and preferably a PTFE porous support having specific properties prepared by the following manufacturing method. .
상기 PTFE 다공성 지지체는 PTFE 파우더 및 윤활제를 혼합 및 교반하여 페이스트(paste)를 제조하는 1-1단계; 상기 페이스트를 숙성시키는 1-2단계; 숙성된 페이스트(paste)를 압출 및 압연시켜서 미소성 테이프를 제조하는 1-3단계; 미소성 테이프를 건조시킨 후, 액상 윤활제를 제거하는 1-4단계; 윤활제가 제거된 미소성 테이프를 1축 연신시키는 1-5단계; 1축 연신된 미소성 테이프를 2축 연신시키는 1-6단계; 및 소성하는 1-7단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.The PTFE porous support is a 1-1 step of preparing a paste by mixing and stirring the PTFE powder and lubricant; 1-2 steps of aging the paste; Steps 1-3 for producing an unbaked tape by extruding and rolling the aged paste; After drying the green tape, steps 1-4 to remove the liquid lubricant; Step 1-5 of uniaxially stretching the unbaked tape from which the lubricant has been removed; Steps 1-6 of biaxially stretching the uniaxially stretched micro tape; And 1-7 steps of firing; can be prepared by performing a process comprising.
1-1단계에서 상기 페이스트는 PTFE 파우더 100 중량부에 대하여 윤활제 15 ~ 35 중량부를, 바람직하게는 15 ~ 30 중량부를, 더욱 바람직하게는 15 ~ 25 중량부를 포함할 수 있다. 상기 PTFE 미세분말 100 중량부에 대하여 윤활제가 15 중량부 미만일 경우 후술되는 2축 연신 공정에 의해 PTFE 다공성 지지체 형성시 기공도가 낮아질 수 있고, 35 중량부를 초과할 경우 PTFE 다공성 지지체 형성시 기공의 크기가 커져 지지체의 강도가 약해질 수 있다.In step 1-1, the paste may include 15 to 35 parts by weight of lubricant, preferably 15 to 30 parts by weight, and more preferably 15 to 25 parts by weight based on 100 parts by weight of PTFE powder. When the lubricant is less than 15 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the PTFE fine powder, porosity may be lowered when forming the PTFE porous support by the biaxial stretching process described below, and when it exceeds 35 parts by weight, the size of the pores when forming the PTFE porous support May increase and the strength of the support may be weakened.
상기 PTFE 파우더의 평균입경은 300㎛ ~ 800㎛. 바람직하게는 450㎛ ~ 700㎛일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 윤활제는 액상 윤활제로서, 유동파라핀, 나프타, 화이트 오일, 톨루엔, 크실렌 등의 탄화수소 오일 외에, 각종 알코올류, 케톤류, 에스테르류 등이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 유동파라핀, 나프타 및 화이트 오일 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.The average particle diameter of the PTFE powder is 300㎛ ~ 800㎛. Preferably 450㎛ ~ 700㎛, but is not limited thereto. The lubricant is a liquid lubricant, in addition to hydrocarbon oils such as liquid paraffin, naphtha, white oil, toluene, and xylene, various alcohols, ketones, esters, and the like can be used, and preferably selected from liquid paraffin, naphtha, and white oil One or more types can be used.
다음으로, 1-2단계의 숙성은 예비성형 공정으로서, 상기 페이스트를 30℃ ~ 70℃의 온도에서 12 ~ 24 시간 동안 숙성할 수 있고, 바람직하게는 35℃ ~ 60℃의 온도에서 16 ~ 20 시간 동안 숙성할 수 있다. 상기 숙성 온도가 35℃ 미만이거나 숙성 시간이 12 시간 미만일 경우 PTFE 파우더 표면에 윤활제 코팅이 불 균일하게 되어 후술되는 2축 연신시 PTFE 시트의 연신 균일성이 제한적일 수 있다. 또한, 숙성 온도가 70℃를 초과하거나 숙성 시간이 24 시간을 초과할 경우 윤활제의 증발로 인하여 2축 연신 공정 후의 지지체 기공 크기가 너무 작아지는 문제가 있을 수 있다.Next, aging in steps 1-2 is a pre-forming process, and the paste can be aged for 12 to 24 hours at a temperature of 30°C to 70°C, preferably 16 to 20 at a temperature of 35°C to 60°C Can ripen for an hour. When the aging temperature is less than 35°C or the aging time is less than 12 hours, the lubricant coating on the PTFE powder surface becomes uneven, and thus the stretching uniformity of the PTFE sheet during biaxial stretching described later may be limited. In addition, when the aging temperature exceeds 70°C or the aging time exceeds 24 hours, there may be a problem that the support pore size after the biaxial stretching process is too small due to the evaporation of the lubricant.
다음으로, 1-3단계의 상기 압출은 숙성된 페이스트를 압축기에서 압축하여 PTFE 블록을 제조한 후, PTFE 블록을 0.069 ~ 0.200 Ton/cm2의 압력으로, 바람직하게는 0.090 ~ 0.175 Ton/cm2의 압력으로 가압 압출하여 수행할 수 있다. 이때, 상기 가압압출 압력이 0.069 Ton/cm2 미만일 경우 지지체의 기공 크기가 커져서 지지체의 강도가 약해질 수 있고, 0.200 Ton/cm2을 초과할 경우 2축 연신 공정 후의 지지체 기공크기가 작아지는 문제가 있을 수 있다.Next, the extruding in steps 1-3 is performed by compressing the aged paste in a compressor to prepare a PTFE block, and then pressing the PTFE block at a pressure of 0.069 to 0.200 Ton/cm 2 , preferably 0.090 to 0.175 Ton/cm 2 It can be carried out by extrusion under pressure. At this time, the pressure extrusion pressure is 0.069 Ton / cm 2 If it is less than the pore size of the support may be increased, the strength of the support may be weakened, and if it exceeds 0.200 Ton/cm 2 , there may be a problem that the support pore size after the biaxial stretching process is reduced.
그리고, 1-3단계의 상기 압연은 5 ~ 10MPa의 유압으로, 50 ~ 100℃ 하에서 캘린더링 공정으로 수행할 수 있다. 이때, 상기 유압이 5MPa 미만일 경우 지지체의 기공 크기가 커져서 지지체의 강도가 약해질 수 있고, 10MPa를 초과할 경우 지지체 기공크기가 작아지는 문제가 있을 수 있다.In addition, the rolling of steps 1-3 may be performed by a calendering process under 50 to 100° C. with a hydraulic pressure of 5 to 10 MPa. At this time, when the hydraulic pressure is less than 5MPa, the pore size of the support may be increased, so that the strength of the support may be weakened, and when it exceeds 10MPa, the pore size of the support may be reduced.
다음으로, 1-4단계의 건조는 당업계에서 사용하는 일반적인 건조 방법을 통해 수행할 수 있으며, 바람직한 일례를 들면, 압연시켜 제조한 미소성 테이프를 100℃ ~ 200℃ 온도에서 1 ~ 5M/min 속도로 컨베이어 벨트로 이송시키면서, 바람직하게는 140℃ ~ 190℃ 온도에서 2 ~ 4M/min 속도로 이송시키면서 수행할 수 있다. 이때, 상기 건조 온도가 100℃ 이하이거나, 건조 속도가 5M/min를 초과할 경우 윤활제의 미증발로 인해 연신 공정 진행 시 기포가 발생할 수 있으며, 상기 건조 온도가 200℃ 이상이거나 건조속도가 1M/min을 미만일 경우 건조된 테이프의 스티브니스(Stiffness)가 증가하여 연신공정 중 슬립(Slip)이 발생할 수 있다.Next, the drying of steps 1-4 may be performed through a general drying method used in the art, and for example, 1-5 M/min of the unfinished tape prepared by rolling at a temperature of 100° C. to 200° C. It can be carried out while transferring at a speed of 2 to 4 M/min at a temperature of 140°C to 190°C while transferring it to the conveyor belt at a speed. At this time, when the drying temperature is 100°C or less, or the drying rate exceeds 5M/min, air bubbles may be generated during the stretching process due to non-evaporation of the lubricant, and the drying temperature is 200°C or higher or the drying rate is 1M/ If less than min, the stiffness of the dried tape increases, and slip may occur during the stretching process.
다음으로, 1-5단계의 1축 연신은 윤활제가 제거된 미소성 테이프를 길이 방향으로 연신을 수행하는 공정으로서, 롤러를 통해 이송시, 롤러간의 속도차를 이용하여 1축 연신을 수행한다. 그리고, 1축 연신은 윤활제가 제거된 미소성 테이프를 길이 방향으로 3 ~ 10배로, 바람직하게는 6 ~ 9.5배로, 더욱 바람직하게는 6.2 ~ 9배로, 더 더욱 바람직하게는 6.3 ~ 8.2배로 연신을 수행하는 것이 좋다. 이때, 1축 연신비가 3배 미만이면 충분한 기계적 물성을 확보할 수 없으며, 1축 연신비가 10배를 초과하면 기계적 물성이 오히려 감소하고, 지지체의 기공이 너무 커지는 문제가 있을 수 있다.Next, the uniaxial stretching in steps 1-5 is a process of stretching the unfinished tape from which the lubricant has been removed in the longitudinal direction. When transporting through the roller, uniaxial stretching is performed using a speed difference between the rollers. In addition, the uniaxial stretching stretches the non-lubricated
그리고, 1축 연신은 260℃ ~ 350℃의 연신온도 및 6 ~ 12 M/min의 연신속도, 바람직하게는 270℃ ~ 330℃의 연신온도 및 8 ~ 11.5 M/min의 연신속도로, 수행하는 것이 좋으며, 1축 연신시 연신온도가 260℃ 미만이거나, 연신속도가 6 M/min 미만이면 건조시트에 부하되는 열이 많아져 소성구간이 발생하는 문제가 있을 수 있고, 1축 연신시 연신온도가 350℃를 초과하거나, 연신속도가 12 M/min를 초과하면 1축 연신공정 중 슬립(Slip)이 발생하여 두께 균일도가 저하되는 문제가 있을 수 있다.And, the uniaxial stretching is performed at a stretching temperature of 260°C to 350°C and a drawing speed of 6 to 12 M/min, preferably a drawing temperature of 270°C to 330°C and a drawing rate of 8 to 11.5 M/min It is preferable, and if the stretching temperature during uniaxial stretching is less than 260°C, or when the stretching speed is less than 6 M/min, there may be a problem that a heat is applied to the drying sheet and a firing section may occur, and the stretching temperature during uniaxial stretching. If it exceeds 350 ℃, or the stretching speed exceeds 12 M / min, there may be a problem that the thickness uniformity is lowered by slip occurs during the uniaxial stretching process.
다음으로, 1-6단계의 2축 연신은 1축 연신된 미소성 테이프의 폭 방향(1축 연신과 수직하는 방향)으로 연신을 수행하며, 끝단이 고정된 상태에서 횡방향으로 폭을 넓혀 연신할 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 당업계에서 통상으로 사용되는 연신방법에 따라 연신할 수 있다. 본 발명에서 상기 2축 연신은 폭 방향으로 15 ~ 50배로 연신을 수행할 수 있으며, 바람직하게는 25 ~ 45배, 더욱 28 ~ 45배, 더 더욱 바람직하게는 29 ~ 42배로 수행할 수 있으며, 이때 2축 연신비가 15 배 이하이면 충분한 기계적 물성을 확보하지 못할 수 있고, 50배를 초과하더라도 기계적 물성 향상이 없을 뿐만 아니라, 길이 방향 및/또는 폭 방향으로의 물성 균일성이 저하되는 문제가 있을 수 있으므로, 상기 범위 내로 연신을 수행하는 것이 좋다.Next, the biaxial stretching in steps 1-6 is stretched in the width direction (direction perpendicular to the uniaxial stretching) of the uniaxially stretched unstretched tape, and stretched by extending the width in the transverse direction while the end is fixed. can do. However, the present invention is not limited thereto, and stretching may be performed according to a stretching method commonly used in the art. In the present invention, the biaxial stretching may be performed in the
그리고, 2축 연신은 150℃ ~ 260℃의 연신온도 하에서 10 ~ 20 M/min의 연신속도로, 바람직하게는 200℃ ~ 250℃의 연신온도 하에서 11 ~ 18 M/min의 연신속도로 하에서 수행하는 것이 좋으며, 2축 연신온도가 150℃ 미만이거나 또는 연신속도가 10 M/min 미만이면 횡방향의 연신 균일성이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 2축 연신온도가 260℃를 초과하거나, 또는 연신속도가 20 M/min을 초과하면 미소성 구간이 발생하여 물성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.Further, biaxial stretching is performed at a stretching rate of 10 to 20 M/min under a stretching temperature of 150°C to 260°C, preferably under a stretching rate of 11 to 18 M/min under a stretching temperature of 200°C to 250°C. It is preferred to do this, and if the biaxial stretching temperature is less than 150°C or the stretching speed is less than 10 M/min, there may be a problem that the stretching uniformity in the transverse direction is lowered, and the biaxial stretching temperature exceeds 260°C. When the elongation speed exceeds 20 M/min, a microscopic section may occur, which may cause a problem of deterioration in physical properties.
다음으로, 1-7단계의 소성은 연신된 다공성 지지체를 컨베이어 벨트 상에서 10 ~ 18 M/min의 속도로, 바람직하게는 13 ~ 17 M/min의 속도로 이동시키면서, 350℃ ~ 450℃, 바람직하게는 380℃ ~ 440℃의 온도를, 더욱 바람직하게는 400℃ ~ 435℃은 온도를 가하여 수행할 수 있으며, 이를 통해서 연신비를 고정시키고 강도 향상 효과를 꾀할 수 있다. 소성시, 소성 온도가 350℃ 미만일 경우 다공성 지지체의 강도가 낮아질 수 있고, 450℃를 초과할 경우 과소성에 따른 피브릴(Fibril)수 감소로 인해 지지체의 물성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.Next, the firing in steps 1-7 is carried out at a speed of 10 to 18 M/min on the conveyor belt, preferably at a speed of 13 to 17 M/min, while moving the stretched porous support at 350°C to 450°C, preferably For example, a temperature of 380°C to 440°C, and more preferably 400°C to 435°C, may be performed by adding a temperature, through which the stretching ratio can be fixed and strength improvement effect can be sought. When firing, when the firing temperature is less than 350°C, the strength of the porous support may be lowered, and when it exceeds 450°C, there may be a problem that the physical properties of the support are lowered due to a decrease in the number of fibrils due to undercalcination.
1-7단계 공정을 수행하여 제조한 PTFE 다공성 지지체는 1축 방향(길이 방향) 및 2축 방향(폭 방향)의 연신비(또는 종횡비)가 1:3.00 ~ 8.5, 바람직하게는 1 : 4.0 ~ 7.0, 더 바람직하게는 1 : 4.00 ~ 5.50일 수 있으며, 더 더욱 바람직하게는 1 : 4.20 ~ 5.00일 수 있으며, 1축 방향 및 2축 방향 연신비(또는 종횡비)가 상기 범위인 것이 높은 기계적 물성, 지지체의 적정 기공크기 확보 측면 및 적정 전류 흐름성 확보 측면에서 바람직하다. The PTFE porous support prepared by performing the 1-7 steps process has an elongation ratio (or aspect ratio) of 1-axis direction (longitudinal direction) and 2-axis direction (width direction) of 1:3.00 to 8.5, preferably 1: 4.0 to 7.0 , More preferably 1: 4.00 to 5.50, more preferably 1: 4.20 to 5.00, the axial and biaxial stretching ratios (or aspect ratios) of the above range is high mechanical properties, support It is desirable in terms of securing the proper pore size and securing the proper current flow.
제조된 다공성 지지체는 평균기공 크기가 0.080㎛ ~ 0.200㎛, 바람직하게는 0.090㎛ ~ 0.180㎛, 더 바람직하게는 0.095㎛ ~ 0.150㎛, 더 더욱 바람직하게는 0.100 ~ 0.140㎛일 수 있다. 또한, 본 발명의 다공성 지지체는 평균 기공률이 60% ~ 90%, 더욱 바람직하게는 60% ~ 79.6%일 수 있다.The prepared porous support may have an average pore size of 0.080 μm to 0.200 μm, preferably 0.090 μm to 0.180 μm, more preferably 0.095 μm to 0.150 μm, and even more preferably 0.100 to 0.140 μm. In addition, the porous support of the present invention may have an average porosity of 60% to 90%, more preferably 60% to 79.6%.
이때, 다공성 지지체의 평균기공 크기가 0.080 ㎛ 미만이거나 기공률이 60 % 미만일 경우, 지지체를 이용하여 전해질막 제조하기 위해 전해질 함침시, 지지체 내 전해질의 함침 정도가 제한적일 수 있다. 또한, 상기 평균기공 크기가 0.200 ㎛을 초과하거나 기공률이 90%를 초과할 경우 전해질에 함침시 다공성 지지체 구조가 변형되고, 치수안정성의 저하에 따라 제품 수명이 저하되는 문제가 있을 수 있다.At this time, when the average pore size of the porous support is less than 0.080 μm or the porosity is less than 60%, when the electrolyte is impregnated to prepare the electrolyte membrane using the support, the degree of impregnation of the electrolyte in the support may be limited. In addition, when the average pore size exceeds 0.200 μm or the porosity exceeds 90%, the porous support structure may be deformed when impregnated with an electrolyte, and product life may be reduced due to a decrease in dimensional stability.
그리고, 위의 방법으로 제조한 PTFE 다공성 지지체는 평균두께 5㎛ ~ 25㎛, 바람직하게는 평균두께 5㎛ ~ 20㎛, 더욱 바람직하게는 10㎛ ~ 20㎛일 수 있다.In addition, the PTFE porous support prepared by the above method may have an average thickness of 5 μm to 25 μm, preferably an average thickness of 5 μm to 20 μm, and more preferably 10 μm to 20 μm.
이러한, PTFE 다공성 지지체는 ASTM D 882에 의거하여 측정시, 1축 방향 모듈러스와 2축 방향 모듈러스 값이 하기 방정식 4를 만족할 수 있다.As described above, the PTFE porous support may satisfy the
[방정식 4][Equation 4]
0 ≤ │(1축 방향 모듈러스 - 2축 방향 모듈러스)/(1축 방향 모듈러스)×100%│ ≤ 54%, 바람직하게는 0 ≤ │(1축 방향 모듈러스 - 2축 방향 모듈러스)/(1축 방향 모듈러스)×100%│ ≤ 40%, 더욱 바람직하게는 1 ≤ │(1축 방향 모듈러스 - 2축 방향 모듈러스)/(1축 방향 모듈러스)×100%│ ≤ 26%0 ≤ │(1 axis direction modulus-2 axis direction modulus)/(1 axis direction modulus)×100%│ ≤ 54%, preferably 0 ≤ │(1 axis direction modulus-2 axis direction modulus)/(1 axis Direction modulus)×100%│ ≤ 40%, more preferably 1 ≤ │(1-axis direction modulus-2-axis direction modulus)/(1-axis direction modulus)×100%│ ≤ 26%
그리고, 본 발명의 상기 다공성 지지체는 ASTM D 882에 의거하여 측정시, 1축 방향(길이 방향) 모듈러스(modulus)가 40 MPa 이상 일 수 있으며, 바람직하게는 1축 방향 모듈러스가 50 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 1축 방향 모듈러스가 48 ~ 75 Mpa, 더 더욱 바람직하게는 65 ~ 75 Mpa일 수 있다. 또한, 2축 방향(폭 방향) 모듈러스가 40 MPa 이상, 바람직하게는 2축 방향(폭 방향) 모듈러스가 55 Mpa 이상, 더욱 바람직하게는 46 ~ 75 Mpa, 더 더욱 바람직하게는 55 ~ 75 Mpa일 수 있다.In addition, the porous support of the present invention may have a uniaxial (longitudinal) modulus of 40 MPa or more when measured according to ASTM D 882, preferably a uniaxial directional modulus of 50 MPa or more, more Preferably, the uniaxial modulus may be 48 to 75 Mpa, more preferably 65 to 75 Mpa. In addition, the modulus of the biaxial direction (width direction) is 40 MPa or more, preferably the modulus of the biaxial direction (width direction) is 55 Mpa or more, more preferably 46 to 75 Mpa, and even more preferably 55 to 75 Mpa. Can be.
또한, 본 발명의 다공성 지지체는 ASTM D882에 의거하여 측정시, 1축 방향(길이 방향) 인장강도가 40 MPa 이상 및 2축 방향(폭 방향) 인장강도가 40 MPa 이상일 수 있으며, 바람직하게는 1축 방향 인장강도가 50 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 1축 방향 인장강도가 54 ~ 65 Mpa일 수 있다. 또한, 바람직하게는 2축 방향 인장강도가 52 Mpa 이상, 더욱 바람직하게는 2축 방향 인장강도가 52 ~ 70 Mpa일 수 있다.In addition, the porous support of the present invention may be measured in accordance with ASTM D882, the uniaxial direction (longitudinal) tensile strength of 40 MPa or more and the biaxial direction (width direction) tensile strength of 40 MPa or more, preferably 1 The axial tensile strength may be 50 MPa or more, more preferably, the uniaxial tensile strength may be 54 to 65 Mpa. Further, preferably, the tensile strength in the biaxial direction may be 52 Mpa or more, and more preferably, the tensile strength in the biaxial direction may be 52 to 70 Mpa.
앞서 설명한 방법으로 제조된, 우수한 기계적 물성을 가지는 본 발명의 다공성 지지체는 1-7단계에서 소성시켜 제조한 다공성 지지체를 불소계 이오노머 용액에 함침하는 1-8단계; 및 상기 함침된 PTFE 다공성 지지체를 건조 및 열처리하는 1-9단계;를 더 수행할 수도 있다.The porous support of the present invention, prepared by the above-described method, having excellent mechanical properties, comprises steps 1-8 of impregnating the fluorine-based ionomer solution with the porous support prepared by firing in steps 1-7; And steps 1-9 of drying and heat-treating the impregnated PTFE porous support.
1-8단계의 상기 불소계 이오노머 용액은 중공형 실리카를 더 포함할 수 있으며, 이를 통하여 지지체의 불소계 이오노머 용액에 대한 흡습을 향상시키고, 불소계 이오노머 용액 함침에 따른 PTFE 다공성 지지체의 부피 팽창을 방지할 수 있다. The fluorine-based ionomer solution in steps 1-8 may further include hollow silica, thereby improving moisture absorption of the support to the fluorine-based ionomer solution and preventing volume expansion of the PTFE porous support due to impregnation of the fluorine-based ionomer solution. have.
상기 불소계 이오노머는 나피온(Nafion), 플레미온(Flemion), 및 아시플렉스(Aciplex) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 나피온일 수 있다.The fluorine-based ionomer may include one or more selected from Nafion, Flemion, and Aciplex, and more preferably Nafion.
상기 중공형 실리카는 구상이며, 평균입경은 10 ~ 300 nm일 수 있고, 더욱 바람직하게는 10 ~ 100 nm일 수 있다. 여기서 입경의 의미는 중공형 실리카의 형상이 구상일 경우 지름을 의미하고, 구형이 아닌 경우 중공형 실리카 표면의 임의의 한 점에서 다른 한 점까지의 직선거리 중 최대거리를 의미한다. 상기 중공형 실리카의 평균입경이 10 nm 미만일 경우 상기 불소계 이오노머 용액을 담지할 수 있는 용량이 감소함에 따라 상기 불소계 이오노머 용액의 흡수력이 제한적일 수 있고, 평균직경이 300 nm를 초과하는 경우 상기 PTFE 다공성 지지체 기공 내에 상기 중공형 실리카가 함침되는 양이 제한적일 수 있다.The hollow silica is spherical, and may have an average particle diameter of 10 to 300 nm, more preferably 10 to 100 nm. Here, the particle size means a diameter when the shape of the hollow silica is spherical, and when it is not spherical, it means a maximum distance among linear distances from any one point to another on the surface of the hollow silica. If the average particle diameter of the hollow silica is less than 10 nm, the absorption capacity of the fluorine-based ionomer solution may be limited as the capacity to support the fluorine-based ionomer solution decreases, and the PTFE porous support when the average diameter exceeds 300 nm The amount of the hollow silica impregnated in the pores may be limited.
상기 중공형 실리카에 포함되는 중공부는 쉘부를 통해 흡착 이동한 불소계 이오노머 용액이 담지되는 공간으로써, 바람직하게는 중공의 직경이 5 ~ 100 nm일 수 있고, 더욱 바람직하게는 5 ~ 50 nm일 수 있다. 만일 중공직경이 5 nm 미만일 경우 담지되는 불소계 이오노머 용액의 양이 적어질 수 있고, 100 nm를 초과할 경우 중공형 실리카의 입경이 목적하는 범위를 초과하여 커지거나 쉘부의 붕괴를 초래할 수 있다. 상기 불소계 이오노머 용액 100 중량부에 대하여 중공형 실리카 0.05 ~ 5 중량부를 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 1 ~ 3 중량부를 포함할 수 있다. 상기 불소계 이오노머 용액 100 중량부에 대하여 중공형 실리카를 0.05 중량부 미만으로 포함할 경우 불소계 이오노머 용액의 함침 효과가 미미할 수 있고, 5 중량부를 초과할 경우 다공성 지지체에서 폐쇄된 기공의 비율이 높아져 막-전극 접합체에 적용 시 전류의 흐름도가 낮아질 수 있다.The hollow portion included in the hollow silica is a space on which the fluorine-based ionomer solution adsorbed and moved through the shell portion is supported. Preferably, the hollow diameter may be 5 to 100 nm, and more preferably 5 to 50 nm. . If the hollow diameter is less than 5 nm, the amount of the fluorine-based ionomer solution supported may be reduced, and if it exceeds 100 nm, the particle size of the hollow silica may increase beyond a desired range or cause collapse of the shell portion. The fluorine-based ionomer solution may contain 0.05 to 5 parts by weight of the hollow silica with respect to 100 parts by weight, and more preferably 1 to 3 parts by weight. When the hollow silica contains less than 0.05 parts by weight based on 100 parts by weight of the fluorine-based ionomer solution, the impregnation effect of the fluorine-based ionomer solution may be insignificant. When applied to the electrode assembly, the flow diagram of the current may be lowered.
또한, 상기 불소계 이오노머 용액은 제올라이트, 티타니아, 지르코니아 및 몬모릴로나이트 중에서 선택된 1종 이상의 흡습제를 더 포함할 수 있다.In addition, the fluorine-based ionomer solution may further include at least one hygroscopic agent selected from zeolite, titania, zirconia, and montmorillonite.
1-9단계의 상기 건조는 60℃ ~ 100℃ 온도에서 1 ~ 30 분 동안 수행할 수 있고, 열처리는 100℃ ~ 200℃ 온도에서 1 분 ~ 5 분 동안 수행될 수 있다. 상기 건조 공정의 온도가 60℃ 미만일 경우 다공성 지지체에 함침된 불소계 이오노머 용액의 보액성이 저하될 수 있고, 100℃를 초과할 경우, 전해질막 제조시, 전해질막 및/또는 막-전극 접합체 제조시 전극과의 접착성이 저하될 수 있다. 또한, 상기 열처리 공정에서 열처리 온도가 100℃ 미만이거나 시간이 1분 미만일 경우 상기 다공성 지지체에 함침된 불소계 이오노머 용액의 보액성이 저하될 수 있고, 온도가 200℃를 초과하거나 열처리 시간이 5분을 초과할 경우 전해질막에 지지체 접착시, 전해질막과의 접착성이 저하될 수 있다.The drying of steps 1-9 may be performed at a temperature of 60°C to 100°C for 1 to 30 minutes, and heat treatment may be performed at a temperature of 100°C to 200°C for 1 minute to 5 minutes. When the temperature of the drying process is less than 60°C, the liquid retainability of the fluorine-based ionomer solution impregnated in the porous support may be lowered, and when it exceeds 100°C, the electrolyte membrane is manufactured, and the electrolyte membrane and/or the membrane-electrode assembly is prepared. The adhesion with the electrode may be deteriorated. In addition, in the heat treatment process, when the heat treatment temperature is less than 100°C or the time is less than 1 minute, the liquid retention property of the fluorine-based ionomer solution impregnated in the porous support may decrease, and the temperature exceeds 200°C or the heat treatment time is 5 minutes. When exceeded, when the support is adhered to the electrolyte membrane, adhesion to the electrolyte membrane may be deteriorated.
9단계의 열처리된 상기 다공성 지지체는 폐색된 기공의 부피가 전체 기공 부피에 대하여 90 부피% 이상일 수 있다.In the heat-treated porous support in
본 발명의 상기 PEMFC용 복합 전해질막은 하기 관계식 1의 무게 변동계수(CV1)값이 40% 이상, 바람직하게는 45 ~ 300%, 더욱 바람직하게는 60% ~ 140%일 수 있다.The PEMFC composite electrolyte membrane of the present invention may have a weight variation coefficient (CV1) value of
[관계식 1][Relationship 1]
무게 변동계수(CV1,%) = │(전해질 처리 후 다공성 지지체 두께 - 전해질 처리 전 다공성 지지체 무게) / (전해질 처리 전 다공성 지지체 무게)│ × 100Weight coefficient of variation (CV1,%) = │(thickness of porous support after electrolyte treatment-weight of porous support before electrolyte treatment) / (weight of porous support before electrolyte treatment)│ × 100
상기 무게 변동계수는 상기 다공성 지지체에 전해질인 불소계 이오노머 용액을 함침시키기 전과 후에 전해질막이 상기 다공성 지지체 표면에 코팅되어 형성되고, 다공성 지지체의 기공 내부에 함침됨으로 인한 무게 변화를 가늠할 수 있는 지표 중의 하나로써, 그 수치가 클수록 상기 다공성 지지체 내에 함침된 불소계 이오노머의 함침량이 증가됨을 알 수 있다.The weight fluctuation coefficient is formed as an electrolyte membrane coated on the surface of the porous support before and after impregnation of the fluorine-based ionomer solution, which is an electrolyte, in the porous support, and is one of the indicators for measuring the weight change due to impregnation inside the pores of the porous support. , It can be seen that the larger the value, the greater the impregnation amount of the fluorine-based ionomer impregnated in the porous support.
이와 같이, 본 발명에 따른 복합 전해질막은 상기 무게 변동계수가 40% 이상을 만족함으로써 상기 다공성 지지체 내에 함침된 전해질의 함침량이 큰 것을 알 수 있으며, 본 발명에 따른 연료전지용 전해질막은 부피 수축 정도가 낮고 전해질 함침량이 높다.As described above, the composite electrolyte membrane according to the present invention can be seen that the impregnation amount of the electrolyte impregnated in the porous support is large by satisfying the weight fluctuation coefficient of 40% or more. High electrolyte impregnation.
그리고, 상기 PEMFC 다공성 지지체를 이용하여 제조한 본 발명의 PEMFC 연료전지 전해질막은 인장강도 및 모듈러스 증대 효과가 있으며, 본 발명의 연료전지 전해질막은 ASTM D 882에 의거하여 측정시, 1축 방향(길이 방향) 모듈러스(modulus)가 50 MPa 이상 일 수 있으며, 바람직하게는 1축 방향 모듈러스가 55 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 1축 방향 모듈러스가 55 ~ 100Mpa일 수 있다. 또한, 2축 방향(폭 방향) 모듈러스가 50 MPa 이상, 바람직하게는 2축 방향(폭 방향) 모듈러스가 53 Mpa 이상, 더욱 바람직하게는 55 ~ 90 Mpa일 수 있다.In addition, the PEMFC fuel cell electrolyte membrane of the present invention manufactured using the PEMFC porous support has an effect of increasing tensile strength and modulus, and the fuel cell electrolyte membrane of the present invention is measured in accordance with ASTM D 882, in one axial direction (longitudinal direction ) The modulus may be 50 MPa or more, preferably, the uniaxial modulus may be 55 MPa or more, and more preferably, the uniaxial modulus may be 55 to 100 Mpa. In addition, the biaxial direction (width direction) modulus may be 50 MPa or more, preferably, the biaxial direction (width direction) modulus may be 53 Mpa or more, and more preferably 55 to 90 Mpa.
또한, 본 본 발명의 PEMFC 연료전지 전해질막은 ASTM D882에 의거하여 측정시, 1축 방향(길이 방향) 인장강도가 45 MPa 이상 및 2축 방향(폭 방향) 인장강도가 45 MPa 이상일 수 있으며, 바람직하게는 1축 방향 인장강도가 55 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 1축 방향 인장강도가 56 ~ 90Mpa일 수 있다. 또한, 바람직하게는 2축 방향 인장강도가 50 ~ 85 Mpa, 더욱 바람직하게는 2축 방향 인장강도가 50 ~ 78 Mpa일 수 있다.In addition, the PEMFC fuel cell electrolyte membrane of the present invention may have a tensile strength of 45 MPa or higher in the uniaxial direction (longitudinal direction) and 45 MPa or higher in the biaxial direction (width direction) when measured according to ASTM D882. For example, the uniaxial tensile strength may be 55 MPa or more, and more preferably, the uniaxial tensile strength may be 56 to 90 Mpa. In addition, preferably, the biaxial tensile strength may be 50 to 85 Mpa, more preferably, the biaxial tensile strength may be 50 to 78 Mpa.
그리고, 본 발명의 PEMFC 연료전지 전해질막은 기존의 연료전지 전해질막과 비교하여 구조가 단순화되고, 전극과 접합됐을 때 계면 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 지지체의 두께가 얇게 설계가 가능하여, 전해질막의 두께가 얇아짐에 따라 수소 이온 전달 지연을 방지할 수 있고, 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the PEMFC fuel cell electrolyte membrane of the present invention has a simplified structure compared to a conventional fuel cell electrolyte membrane, and can improve interfacial properties when bonded to an electrode. In addition, since the thickness of the support can be designed to be thin, as the thickness of the electrolyte membrane becomes thin, hydrogen ion transfer delay can be prevented, and there is an effect of improving the performance of the fuel cell.
본 발명의 일실시예에 따른 막-전극 접합체는 도 8에 개략전인 단면도로 나타낸 바와 같이, 전술된 PEMFC용 복합 전해질막(10)을 제조하는 단계, 및 상기 연료전지용 전해질막의 양면에 촉매층(22, 22'), 기체 확산층(21, 21') ? 전극 기재(23, 23')을 포함하는 전극을 접합하는 단계를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.Membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention, as shown in a schematic cross-sectional view in Figure 8, preparing the above-described composite electrolyte membrane for
도 8를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체는 연료전지 전해질막(10)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드(anode, 산화전극, 20) 및 캐소드(cathode, 환원 전극, 20')를 구비한다. 이때, 상기 애노드(20) 및 캐소드(20')은 각각 기체 확산층 (21, 21'), 촉매층(22, 22'), 및 전극 기재(23, 23')를 포함한다.Referring to FIG. 8, the membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention has an anode (anode, anode, 20) and a cathode (cathode, reduction) positioned opposite each other with the fuel
상기 애노드(20)는 기체 확산층(21) 및 산화 촉매층(22)을 구비할 수 있다. 상기 기체 확산층(21)은 연료전지에 주입되는 연료의 급격한 확산을 방지하고, 이온 전도도의 저하를 방지하기 위해 구비될 수 있다. 상기 기체 확산층(21)은 열처리 또는 전기화학적 처리를 통하여 연료의 확산 속도를 조절할 수 있다. 상기 기체 확산층(21)은 탄소섬유 또는 탄소종이일 수 있다. 여기서, 상기 연료는 개미산 용액, 메탄올, 포름알데히드, 또는 에탈올과 같은 액체연료일 수 있다. The
상기 산화 촉매층(22)은 촉매가 도입되는 층으로서, 도전성 지지체 및 이온 전도성 바인더(미도시)를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 산화 촉매층(22)은 상기 도전성 지지체에 부착된 주촉매를 포함할 수 있다. 상기 도전성 지지체는 카본 블랙일 수 있고, 상기 이온 전도성 바인더는 나피온 이오노머 또는 술폰화된 폴리머일 수 있다. 또한, 상기 주촉매는 금속촉매일 수 있으며, 일례로서 백금(Pt)일 수 있다. The
상기 산화 촉매층(22)은 전기도금법, 스프레이법, 페인팅법, 닥터블레이드법 또는 전사법을 사용하여 형성할 수 있다. The
상기 캐소드(20')은 기체 확산층(21') 및 환원 촉매층(22')을 포함할 수 있다. 상기 기체 확산층(21')은 상기 환원전극(20')에 주입되는 가스의 급격한 확산을 방지하고, 상기 환원전극(20')에 주입된 가스를 균일하게 분산시켜주기 위해 구비될 수 있다. 상기 기체 확산층은(21') 탄소 종이 또는 탄소 섬유일 수 있다. The cathode 20' may include a gas diffusion layer 21' and a reduction catalyst layer 22'. The
상기 환원 촉매층(22')은 촉매가 도입되는 층으로서, 도전성 지지체 및 이온 전도성 바인더(미도시)를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 환원 촉매층(22')은 상기 도전성 지지체에 부착된 주촉매를 포함할 수 있다. 상기 도전성 지지체는 카본 블랙일 수 있고, 상기 이온 전도성 바인더는 나피온 이오노머 또는 술폰화된 폴리머일 수 있다. 또한, 상기 주촉매는 금속촉매일 수 있으며, 일 예로서 백금(Pt)일수 있다.The reduction catalyst layer 22' is a layer into which a catalyst is introduced, and may include a conductive support and an ion conductive binder (not shown). In addition, the reduction catalyst layer 22' may include a main catalyst attached to the conductive support. The conductive support may be carbon black, and the ion conductive binder may be a Nafion ionomer or a sulfonated polymer. In addition, the main catalyst may be a metal catalyst, for example, platinum (Pt).
상기 환원 촉매층(22')은 전기도금법, 스프레이법, 페인팅법, 닥터블레이드법 또는 전사법을 사용하여 형성할 수 있다. The reduction catalyst layer 22' may be formed using an electroplating method, a spray method, a painting method, a doctor blade method, or a transfer method.
상기 막-전극 접합체는 상기 산화전극(20), 연료전지용 복합 전해질막(10) 및 환원전극(20') 각각을 배치시킨 후 체결하여 형성하거나, 이를 고온 및 고압으로 압착하여 형성할 수 있다.The membrane-electrode assembly may be formed by disposing the
상기 PEMFC용 복합 전해질막(10)의 양면에 상기 전극(20, 20')을 접합하는 단계는 먼저 상기 연료전지 전해질막(10)의 일면에 기체 확산층 형성 물질을 도포하여 기체 확산층(21, 21')을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The step of bonding the
상기 기체 확산층(21, 21')은 상기 PEMFC용 복합 전해질막(10)과 상기 촉매층(22, 22') 사이에서 전류 전도체 역할을 수행하며, 반응물인 가스와 생성물인 물의 통로가 된다. 따라서, 기체 확산층(21, 21')은 가스가 잘 통할 수 있도록 기공률이 20% ~ 90%인 다공성 구조일 수 있다. 기체 확산층(21, 21')의 두께는 필요에 따라 적절하게 채택될 수 있으며, 예를 들면 100 ~ 400 ㎛일 수 있다. 상기 기체 확산층(21, 21')의 두께가 100 ㎛ 이하일 경우 촉매층과 상기 전극 기재 사이에서 전기 접촉 저항이 커지고, 압축에 의해 구조가 불안정해질 수 있다. 또한, 상기 기체 확산층(21, 21')의 두꼐가 400 ㎛를 초과할 경우 반응물인 가스의 이동이 어려워질 수 있다.The gas diffusion layers 21 and 21' serve as a current conductor between the
상기 기체 확산층(21, 21')은 탄소계 물질 및 불소계 수지를 포함하여 형성될 수 있다. 탄소계 물질로는 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 불소계 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머, 또는 스티렌-부타디엔고부(SBR)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. The gas diffusion layers 21 and 21' may be formed of a carbon-based material and a fluorine-based resin. Carbon-based materials include graphite, carbon black, acetylene black, denka black, kecheon black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nanoring, carbon nanowire, fullerene (C60) And it may include one or more selected from the group consisting of super P, but is not limited thereto. Further, examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinyl alcohol, cellulose acetate, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene, or styrene-butadiene high part (SBR). It may include one or more selected from the group consisting of.
다음으로, 상기 기체 확산층(21, 21') 상에 촉매층(22, 22')을 형성한다. Next, catalyst layers 22 and 22' are formed on the gas diffusion layers 21 and 21'.
상기 촉매층(22, 22')은 상기 기체 확산층(21, 21') 상에 촉매층 형성 물질을 도포하여 형성시킬 수 있다.The catalyst layers 22 and 22' may be formed by applying a catalyst layer forming material on the gas diffusion layers 21 and 21'.
상기 촉매층 형성 물질은 금속촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 금속촉매를 사용할 수 있다. 금속 촉매로는 대표적으로 백금, 루테늄, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다. 또한, 상기 탄소계 지지체로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케천 블랙, 활성카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌 및 수퍼P로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.The catalyst layer-forming material may be a metal catalyst or a metal catalyst supported on a carbon-based support. As the metal catalyst, one or more selected from the group consisting of platinum, ruthenium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, and platinum-transition metal alloy may be used. In addition, the carbon-based support is graphite (graphite), carbon black, acetylene black, denka black, kecheon black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nanoring, carbon nano It may include at least one selected from the group consisting of wire, fullerene and super P.
상기 전극 기재(23, 23')는 탄소페이퍼, 탄소천, 및 탄소펠트로 이루어진 군으로부터 선택되는 도전성 기재를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않고, 고분자 전해질 연료전지에 적용이 가능한 캐소드(cathode) 전극 물질 또는 애노드(anode) 전극 물질은 모두 사용이 가능하다. 상기 전극 기재는 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있고, 상기 전극 기재(23, 23')에 상기 촉매층(22, 22')을 형성한 뒤 상기 기체 확산층(21, 21') 상에 상기 촉매층(22, 22') 및 상기 기체 확산층(21, 21')이 접하도록 배치시켜 형성될 수 있다.The electrode substrates 23 and 23' may use a conductive substrate selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth, and carbon felt, but are not limited thereto, and a cathode electrode material applicable to a polymer electrolyte fuel cell or All anode electrode materials can be used. The electrode substrate may be formed through a conventional deposition method, and after forming the catalyst layers 22 and 22' on the
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to help understanding of the present invention. However, the following examples are only to aid the understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following experimental examples.
[[ 실시예Example ]]
준비예Preparation example 1-1 : 1-1: PTFEPTFE 다공성 지지체의 제조 Preparation of porous support
평균입경 570㎛인 PTFE 미세 파우더 100 중량부에 대하여 액상 윤활제인 나프타(naphtha) 23 중량부를 혼합 및 교반하여 균일하게 분산시켜서 페이스트를 제조하였다.A paste was prepared by mixing and stirring 23 parts by weight of naphtha, a liquid lubricant, with 100 parts by weight of PTFE fine powder having an average particle diameter of 570 μm, and uniformly dispersing the mixture.
다음으로, 상기 페이스트를 50℃에서 18 시간 동안 방치시켜서 숙성시킨 후, 성형 지그를 이용하여 압축시켜서 PTFE 블록을 제조하였다.Next, the paste was left to stand at 50° C. for 18 hours, and then aged and compressed using a molding jig to prepare a PTFE block.
다음으로, 상기 PTFE 블록을 압출금형에 투입 후, 약 0.10 Ton/cm2 압력 하에서 가압압출을 실시하였다.Next, after inserting the PTFE block into the extrusion mold, pressure extrusion was performed under a pressure of about 0.10 Ton/cm 2 .
다음으로, 압연롤을 이용하여, 압연시켜서 평균두께 850㎛ 인 미소성 테이프를 제조하였다. Next, using a rolling roll, it was rolled to prepare an unbaked tape having an average thickness of 850 μm.
다음으로, 미소성 테이프를 3M/min의 속도로 컨베이어 벨트로 이송시키면서 180℃의 열을 가하여 건조시켜 윤활제를 제거하였다.Next, while transferring the unbaked tape to the conveyor belt at a rate of 3M/min, the lubricant was removed by drying by applying heat of 180°C.
다음으로, 윤활제가 제거된 미소성 테이프를 연신온도 280℃ 및 연신속도 10 M/min 조건 하에서 6.5 배로 1축 연신(길이 방향 연신)을 수행하였다.Next, uniaxial stretching (longitudinal stretching) of the unfinished tape from which the lubricant was removed was performed at 6.5 times under the stretching temperature of 280° C. and the stretching speed of 10 M/min.
다음으로, 1축 연신된 미소성 테이프를 연신온도 250℃ 및 연신속도 10 M/min 조건 하에서 30 배로 2축 연신(폭 방향 연신)을 수행하여 다공성 지지체를 제조하였다.Next, the uniaxially stretched micro tape was subjected to biaxial stretching (stretching in the width direction) 30 times under a stretching temperature of 250° C. and a stretching rate of 10 M/min, to prepare a porous support.
다음으로, 1축 및 2축 연신된 다공성 지지체를 컨베이어 벨트 상에서 15 M/min의 속도로 420℃ 온도를 가하여 소성시켜서 평균두께 14㎛ 및 평균기공 크기 0.114㎛인 PTFE 다공성 지지체를 제조하였다.Next, the uniaxial and biaxially stretched porous support was calcined by applying a temperature of 420°C at a rate of 15 M/min on a conveyor belt to prepare a PTFE porous support having an average thickness of 14 µm and an average pore size of 0.114 µm.
준비예Preparation example 1-2 ~ 1-2 ~ 준비예Preparation example 1-3 및 1-3 and 비교준비예Comparative Preparation 1-1 ~ 1-1 ~ 비교준비예Comparative Preparation 1-2 1-2
상기 준비예 1-1과 동일한 방법으로 실시하되, 실시예 1에서 1축 및 2축 연신시켜 제조한 다공성 지지체를 소성 온도를 하기 표 1과 같이 달리하여 PTFE 다공성 지지체를 각각 제조하여, 준비예 1-2 ~ 1-3 및 비교준비예 1-1 ~ 1-2를 각각 실시하였다.It was carried out in the same manner as in Preparation Example 1-1, in Example 1 to prepare a porous porous support prepared by uniaxially and biaxially stretching the thermoplastic temperature as shown in Table 1 below, respectively, to prepare a porous PTFE support, Preparation Example 1 -2 to 1-3 and Comparative Preparation Examples 1-1 to 1-2 were performed, respectively.
준비예Preparation example 1-4 ~ 1-4 ~ 준비예Preparation example 1-6 및 1-6 and 비교준비예Comparative Preparation 1-3 ~ 1-3 ~ 비교준비예Comparative Preparation 1-6 1-6
상기 준비예 1-1과 동일한 방법으로 실시하되, 하기 표 1과 같이 1축 연신시 온도 또는 2축 연신시 온도를 각각 달리하여 PTFE 다공성 지지체를 각각 제조함으로써, 준비예 1-4 ~ 1-6 및 비교준비예 1-3 ~ 1-6을 각각 실시하였다.It was carried out in the same manner as in Preparation Example 1-1, but by preparing the PTFE porous support by varying the temperature during uniaxial stretching or temperature during biaxial stretching as shown in Table 1 below, Preparation Examples 1-4 to 1-6 And Comparative Preparation Examples 1-3 to 1-6, respectively.
준비예Preparation example 1-7 ~ 1-7 ~ 준비예Preparation example 1-10 및 1-10 and 비교준비예Comparative Preparation 1-7 ~ 1-7 ~ 비교준비예Comparative Preparation 1-10 1-10
상기 준비예 1-1과 동일한 방법으로 실시하되, 하기 표 1과 같이 1축 연신시 연신속도 또는 2축 연신시 연신속도를 각각 달리하여 PTFE 다공성 지지체를 각각 제조함으로써, 준비예 1-7 ~ 1-10 및 비교준비예 1-7 ~ 1-10을 각각 실시하였다.It was carried out in the same manner as in Preparation Example 1-1, by preparing the PTFE porous support by varying the stretching speed during uniaxial stretching or the stretching speed during biaxial stretching as shown in Table 1 below, Preparation Examples 1-7 to 1 -10 and Comparative Preparation Examples 1-7 to 1-10 were performed respectively.
준비예Preparation example 1-11 ~ 1-11 ~ 준비예Preparation example 1-14 및 1-14 and 비교준비예Comparative Preparation 1-11 ~ 1-11 ~ 비교준비예Comparative Preparation 1-15 1-15
상기 준비예 1-1과 동일한 방법으로 PTFE 다공성 지지체를 제조하되, 하기 표 1 및 표 2와 같은 조건으로 1축 및 2축 연신을 각각 실시하였다.To prepare a PTFE porous support in the same manner as in Preparation Example 1-1, uniaxial and biaxial stretching were performed under the conditions shown in Tables 1 and 2, respectively.
온도
(℃)Firing
Temperature
(℃)
(℃)1-axis stretching temperature
(℃)
(℃)Biaxial stretching temperature
(℃)
(M/min)1-axis stretching speed
(M/min)
(M/min)2-axis stretching speed
(M/min)
(길이 방향)1-axis stretching ratio
(Longitudinal direction)
(폭 방향)Biaxial stretching ratio
(Width direction)
(지지체 연신 종횡비)1-axis and 2-axis stretching ratio
(Support body stretch aspect ratio)
평균
두께
(㎛)Support
Average
thickness
(㎛)
온도
(℃)Firing
Temperature
(℃)
(℃)1-axis stretching temperature
(℃)
(℃)Biaxial stretching temperature
(℃)
(M/min)1-axis stretching speed
(M/min)
(M/min)2-axis stretching speed
(M/min)
(길이 방향)1-axis stretching ratio
(Longitudinal direction)
(폭 방향)Biaxial stretching ratio
(Width direction)
(지지체 연신 종횡비)1-axis and 2-axis stretching ratio
(Support body stretch aspect ratio)
평균
두께
(㎛)Support
Average
thickness
(㎛)
실험예Experimental Example 1 : One : PTFEPTFE 다공성 지지체의 기계적 물성 측정 Measurement of mechanical properties of porous support
상기 준비예 및 비교준비예에서 제조한 다공성 지지체 각각의 평균기공크기, 기공율, 인장강도 및 모듈러스를 측정한 후, 그 결과를 하기 표 3 및 표 4에 나타내었다.After measuring the average pore size, porosity, tensile strength and modulus of each of the porous supports prepared in the Preparation Examples and Comparative Preparation Examples, the results are shown in Tables 3 and 4 below.
평균기공 크기 및 기공율은 ASTM F316-03에 의거하여 측정하였으며, 압력은 0 ~ 70 psi, 용매는 갤윅(galwick)을 사용하였고, dry up/wet up 방식으로 측정하였다(모세관류 포로미터, capillary flow porometer 사용).The average pore size and porosity were measured in accordance with ASTM F316-03, the pressure was 0 to 70 psi, the solvent was a galwick, and was measured by a dry up/wet up method (capillary perforation, capillary flow) porometer).
그리고, 인장강도 및 모듈러스는 ASTM D 882 방법에 의거하여, 일자형 시편을 제작(폭 10 mm, 길이 100mm)한 후, 시험속도 500 mm/분, 초기 그립(grip)거리 500mm 조건에서 유니버설 테스트기(universal test machine)으로 측정하였다.And, the tensile strength and modulus according to ASTM D 882 method, after producing a straight specimen (
(길이 방향)1 axis
(Longitudinal direction)
(폭 방향)2-axis
(Width direction)
(길이 방향)1 axis
(Longitudinal direction)
(폭 방향)2-axis
(Width direction)
상기 표 3를 살펴보면, 준비예 1-1 ~ 1-14의 지지체는 평균기공크기 0.08 ~ 0.20㎛를 가지며, 60 ~ 80% 범위의 기공율을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이에 반해, 비교준비예 1-1, 비교준비예 1-3, 비교준비예 1-5 및 비교준비예 1-8의 경우, 평균기공크기가 0.08㎛ 미만이고 60% 미만의 낮은 기공율을 가졌다. 또한, 비교준비예 1-4, 비교준비예 1-6, 비교준비예 1-7, 비교준비예 1-9 및 비교준비예 1-15는 평균기공크기가 0.20㎛를 초과하였다.상기 표 4를 살펴보면, 준비예 1-1 ~ 1-14의 경우, 인장강도가 1축 및 2축 모두 40 Mpa 이상이었으며, 모듈러스 역시 1축 및 2축 모두 40 Mpa 이상이었다.Referring to Table 3, prepared in Example 1 - 1 to 1 - 14 of the support has an average pore size of 0.08 ~ 0.20㎛, it was confirmed that it has a porosity of 60% to 80% range. On the other hand, Comparative Preparation Examples 1-1 and Comparative Preparation Examples 1 - 3 and Comparative Preparation Examples 1 - 5 and Comparative Preparation Example 1 and under the case of 8, the average pore size is 0.08㎛ and had a low porosity of less than 60%. In Comparative Preparation Examples 1 - 4 and Comparative Preparation Examples 1 to 6 and Comparative Preparation Examples 1 - 7 and Comparative Preparation Examples 1 - 9 and Comparative Preparation Example 1 - 15 is the average pore size was more than the 0.20㎛ Table 4 Referring to preparation example 1 - 1 to 1 - for 14, the tensile strength was a uniaxial and biaxial all over 40 Mpa, the modulus was still more than 40 Mpa both uniaxial and biaxial.
이에 반해, 비교준비예 1-2의 경우 2축 인장강도 및 1축 모듈러스가 40 Mpa 미만으로 낮았으며, 비교준비예 1-11, 비교준비예 1-12 및 비교준비예 1-15의 경우 1축 인장강도 및 1축 모듈러스가 40 Mpa 미만으로 낮은 결과를 보였다.In contrast, in Comparative Preparation Example 12 was biaxially tensile strength and modulus are low, the first axis is less than 40 Mpa, in Comparative Preparation Examples 1 - 11, Comparative Preparation Examples 1 - 12 and Comparative Preparation Examples 1 - 15 In the case of 1 The results showed that the axial tensile strength and uniaxial modulus were lower than 40 Mpa.
또한, 비교준비예 1-13 및 비교준비예 1-14의 경우, 2축 인장강도 및 2축 모듈러스가 40 Mpa 미만의 낮은 결과를 보였다.In Comparative Preparation Examples 1 - 13 and Comparative Preparation Examples 1 - 14 In the case of biaxial tensile strength and biaxial modulus it was lower resulting in less than 40 Mpa.
실험예Experimental Example 2 :전해질막의2: Electrolytic membrane 인장강도 및 Tensile strength and 모듈러스Modulus 측정 Measure
필름 애플러케이터(Film applicator)를 이용하여 준비예 1-1에서 제조한 PTFE 다공성 지지체의 일면에 아퀴비온(AquivionTM) 전해질을 도포 후 90℃에서 10분간 건조하고, 다공성 지지체 반대면에 동일한 전해질을 도포 후 90℃에서 10분간 건조 및 150℃에서 10분간 열처리하여 PTFE 다공성 지지체 층이 포함된 3층 구조의 전해질막을 제조하였다. Aquivion TM electrolyte was applied to one surface of the PTFE porous support prepared in Preparation Example 1-1 using a film applicator, dried at 90° C. for 10 minutes, and the same was applied to the opposite surface of the porous support. After applying the electrolyte, drying was performed at 90° C. for 10 minutes and heat treatment at 150° C. for 10 minutes to prepare an electrolyte membrane having a three-layer structure including a PTFE porous support layer.
동일한 방법으로 준비예 1-5, 준비예 1-10, 쥰비예 1-15, 비교준비예 1-6 및 비교준비예 1-9의 다공성 지지체 각각을 이용하여, PTFE 다공성 지지체 층이 포함된 3층 구조의 전해질막을 제조하였다.Using the porous support of Preparation Example 1-5, Preparation Example 1-10, Preparation Example 1-15, Comparative Preparation Example 1-6 and Comparative Preparation Example 1-9 in the same manner, the PTFE porous support layer was included 3 A layered electrolyte membrane was prepared.
또한, 기존 PTFE 다공성 지지체(1축 연신비 2.5 배, 2축 연신비 10배, 제조사:상아프론테크)를 이용하여 동일한 방법으로 도 1과 같이 단면이 3층 구조인 전해질막을 제조하였다.In addition, an electrolyte membrane having a three-layer structure in cross section was prepared in the same manner as in FIG. 1 by using an existing PTFE porous support (2.5 times for uniaxial stretching ratio, 10 times for biaxial stretching ratio, manufacturer: Sang-Apron Tech).
그리고, 제조한 전해질막의 인장강도 및 모듈러스를 ASTM D 882에 의거하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.Then, the tensile strength and modulus of the prepared electrolyte membrane were measured according to ASTM D 882, and the results are shown in Table 5 below.
상기 표 5의 물성 측정 결과를 살펴보면, 기존 PTFE 다공성 지지체를 이용하여 제조한 전해질막의 경우, 실시예와 비교할 때, 크게 낮은 기계적 물성을 가지는 결과를 보였다. 이에 반해, 본 발명의 PTFE 다공성 지지체를 이용하여 제조한 전해질막의 경우, 모듈러스가 크게 증대하는 경향을 보였다.또한, 다공성 지지체 내 전해질 함침량이 높아서 무게 변동계수가 300%를 초과했었던 비교비교예 1-6 및 비교준비예 1-9의 경우, 실시예와 비교할 때, 전해질막의 인장강도뿐만 아니라 모듈러스가 크게 떨어지는 문제가 있음을 확인할 수 있었으며, 다공성 지지체를 이용한 전해질막 제조에 따른 기계적 물성 증대 효과가 매우 약했다. 이에 반해 준비예 1-1, 준비예 1-5, 준비예 1-10의 경우, 다공성 지지체의 인장강도 및 모듈러스와 비교할 때, 전해질막의 인장강도 및 모듈러스 증대 효과가 있었다.Looking at the measurement results of the physical properties of Table 5, in the case of the electrolyte membrane prepared using the existing PTFE porous support, compared with the Examples, it showed a result with significantly lower mechanical properties. On the other hand, in the case of the electrolyte membrane produced using the PTFE porous support of the present invention, the modulus showed a tendency to increase significantly. In addition, the comparative example 1- in which the weight variation coefficient exceeded 300% due to the high amount of electrolyte impregnation in the porous support In the case of 6 and Comparative Preparation Examples 1-9, it was confirmed that there was a problem of a significant drop in modulus as well as tensile strength of the electrolyte membrane, and the effect of increasing mechanical properties according to the preparation of the electrolyte membrane using a porous support was very high. Was weak. On the other hand, in the case of Preparation Example 1-1, Preparation Example 1-5, and Preparation Example 1-10, compared with the tensile strength and modulus of the porous support, there was an effect of increasing the tensile strength and modulus of the electrolyte membrane.
준비예Preparation example 2-1 : 2-1: PEMFCPEMFC 라디칼 Radical 스캐빈져의Scavenger 제조 Produce
아세트산아연(zinc acetate)을 메탄올(순도 99.5%)에 0.1M을 완전 용해시켜서 Zn 전구체 용액을 준비하였다. 이와는 별도로, KOH를 메탄올에 1M을 녹여서 이온화제를 준비하였다. 또한, 이와는 별도로 세륨나이트레이트 헥사하이드레이트(Cerium nitrate hexahydrate)를 DI-water에 0.1M 로 용해시킨 Ce 전구체 용액을 준비하였다.Zn precursor solution was completely dissolved in methanol (purity 99.5%) to prepare a Zn precursor solution. Separately, an ionizing agent was prepared by dissolving 1 M of KOH in methanol. In addition, a Ce precursor solution in which cerium nitrate hexahydrate was dissolved in DI-water in 0.1 M was prepared separately.
다음으로, 상기 Zn 전구체 용액 200 ml를 60℃로 가열한 후, 가열된 Zn 전구체 용액에 상기 이온화제를 pH10이 될 때까지 적가시켰다. 적가를 시작하면 흰색으로 변하다가 pH6부터는 다시 점차 투명한 용액으로 변했다. 최종적으로 적가를 종결하여, [Zn(OH)4]2- 함유 용액을 제조하였다.Next, after heating 200 ml of the Zn precursor solution to 60° C., the ionizing agent was added dropwise to the heated Zn precursor solution until
다음으로, 60℃ 하에서, [Zn(OH)4]2- 함유 용액에 상기 Ce 전구체 용액을 1:1 부피비로 혼합 및 교반하여 환원반응을 수행하여 CeZnO 금속산화물 입자를 형성시켰다.Next, under 60° C., the Ce precursor solution was mixed and stirred in a [Zn(OH) 4 ] 2- containing solution in a 1:1 volume ratio and stirred to perform a reduction reaction to form CeZnO metal oxide particles.
다음으로, 원심분리하여 침전시켜서 CeZnO 금속산화물 입자를 회수한 후, 증류수로 세척한 다음, 100℃에서 24시간 동안 열건조시켜서 최종적으로 CeZnO 금속산화물 입자인 PEMFC 라디칼 스캐빈져를 제조하였다.Next, the precipitated by centrifugation to recover the CeZnO metal oxide particles, washed with distilled water, and then dried at 100° C. for 24 hours to finally prepare a PEMFC radical scavenger which is a CeZnO metal oxide particle.
제조한 라디칼 스케빈져를 SEM 측정하였으며, 측정 이미지를 도 3에 나타내었다. 도 3을 살펴보면 미세한 입자로 구성되어있는 것을 확인할 수 있다.The prepared radical scavenger was measured by SEM, and the measurement image is shown in FIG. 3. Looking at Figure 3 it can be seen that it is composed of fine particles.
준비예Preparation example 2-2 ~ 2-2 ~ 준비예Preparation example 2-8 및 2-8 and 비교준비예Comparative Preparation 2-1 ~ 2-1 ~ 비교준비예Comparative Preparation 2-5 2-5
준비예 2-1과 동일한 방법으로 실시하되, 준비예 2-2 ~ 2-3 및 비교준비예 2-1 ~ 2-2는 이온화제 적가시 Zn 전구체 용액의 온도를 달리했다. 그리고, 준비예 2-4 ~ 2-6 및 비교준비예 2-3은 이온화제 투입 종결 pH를 달리하여 실시하였다. 그리고, 준비예 2-7 ~ 2-8 및 비교준비예 2-4 ~ 2-5는 [Zn(OH)4]2- 함유 용액 및 Ce 전구체 용액 부피비를 하기 표 6와 같이 달리하여 실시하여 라디칼 스캐빈져를 제조하였다. It was carried out in the same manner as in Preparation Example 2-1, but Preparation Examples 2-2 to 2-3 and Comparative Preparation Examples 2-1 to 2-2 varied the temperature of the Zn precursor solution when the ionizing agent was added dropwise. In addition, Preparation Examples 2-4 to 2-6 and Comparative Preparation Examples 2-3 were performed by varying the termination pH of the ionizing agent. In addition, Preparation Examples 2-7 to 2-8 and Comparative Preparation Examples 2-4 to 2-5 were performed by varying the volume ratio of the [Zn(OH) 4 ] 2- containing solution and the Ce precursor solution as shown in Table 6 below. Scavengers were prepared.
실험예Experimental Example 2 : EDS 측정 2: EDS measurement
상기 준비예 및 비교준비예에서 제조한 라디칼 스캐빈져를 측정하였으며, 준비예 2-1에 대한 측정 그래프를 도 4에 나타내었으며, 이 외의 측정결과를 하기 표 7에 나타내었다.The radical scavengers prepared in the Preparation Examples and Comparative Preparation Examples were measured, and the measurement graphs for Preparation Examples 2-1 are shown in FIG. 4, and the results of the measurement are shown in Table 7 below.
(중량%)Ce
(weight%)
(중량%)Zn
(weight%)
(중량%)O
(weight%)
실험예Experimental Example 3 : 3: CeZnOCeZnO 금속산화물 입자의 입도 및 분산안정성 측정 Measurement of particle size and dispersion stability of metal oxide particles
상기 준비예 2-1 ~ 2-8에서 제조한 CeZnO 금속산화물 입자를 건조 전에 샘플을 10ml 취한 후, 나피온 용액에 1중량%가 되도록 혼합한 다음, DLS(Dynamic Light Scattering) 방식의 나노입도분석기(제조사: Microtrac, 상품명 Nanotrac Wave)을 이용하여 합성된 CeZnO 입자의 입도(D50)를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 이와 함께, 기존 라디칼 스캐빈져로 사용되는 CeO2 금속산화물 입자(구입처: US Research Nanomaterials, Inc)를 동일한 방법으로 건조 전에 샘플을 10ml 취한 후, 나피온 용액에 1 중량%가 되도록 혼합한 다음, 나노입도분석기를 이용하여 CeO2 금속산화물 입자의 입도(D50)를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 8에 나타내었다.After preparing 10 ml of samples before drying the CeZnO metal oxide particles prepared in Preparation Examples 2-1 to 2-8, mixing them to 1% by weight in a Nafion solution, and then using DLS (Dynamic Light Scattering) The particle size (D50) of the CeZnO particles synthesized using a nanoparticle size analyzer (manufacturer: Microtrac, trade name Nanotrac Wave) was measured, and the results are shown in Table 3 below. Along with this, 10 ml of a sample was taken before drying CeO 2 metal oxide particles (purchased by US Research Nanomaterials, Inc.) used as a conventional radical scavenger, and then mixed to 1% by weight in a Nafion solution, The particle size (D50) of CeO 2 metal oxide particles was measured using a nanoparticle size analyzer, and the results are shown in Table 8 below.
그리고, 준비예 2-2의 CeZnO 금속산화물 입자 및 CeO2 금속산화물 입자의 나피온과의 혼합 전후에 측정한 입도측정결과 데이터를 도 5a ~ 도 5b 및 도 6a ~ 도 6b에 나타내었다. 이때, 도 5a는 나피온과의 혼합 전 준비예 2-2의 입도측정결과이고, 도 5b는 나피온과의 혼합 후 준비예 2-2의 입도 측정결과이다. 그리고, 도 6a는 나피온과의 혼합 전 CeO2 금속산화물 입자의 입도 측정결과이고, 도 6b는 나피온과의 혼합 후 CeO2 금속산화물 입자의 입도 측정결과이다.And, the particle size measurement data measured before and after mixing of CeZnO metal oxide particles and CeO 2 metal oxide particles of Preparation Example 2-2 with Nafion are shown in FIGS. 5A to 5B and 6A to 6B. 5A is a particle size measurement result of Preparation Example 2-2 before mixing with Nafion, and FIG. 5B is a particle size measurement result of Preparation Example 2-2 after mixing with Nafion. And, Figure 6a is a particle size measurement result of CeO 2 metal oxide particles before mixing with Nafion, Figure 6b is a particle size measurement result of CeO 2 metal oxide particles after mixing with Nafion.
또한, CeZnO 금속산화물 입자 및 CeO2 금속산화물 입자의 전해질 내 분산안정성을 측정하기 위하여, CeZnO 금속산화물을 나피온 용액과의 혼합용액 내 1 중량%가 되도록 혼합 및 교반시킨 다음, 24시간 동안 방치하여 침전물 발생 여부를 확인하였으며, 그 결과를 하기 표 8 및 도 7의 (a) ~ (d)에 나타내었다.In addition, in order to measure the dispersion stability of the CeZnO metal oxide particles and CeO 2 metal oxide particles in the electrolyte, the CeZnO metal oxide was mixed and stirred to 1 wt% in a mixed solution with a Nafion solution, and then left to stand for 24 hours. Precipitation was confirmed, and the results are shown in Tables 8 and 7 (a) to (d).
도 5a 및 도 6b를 살펴보면, 준비예 2-2의 CeZnO 금속산화물 및 CeO2 금속산화물 모두 나피온 용액에 잘 분산되어 있음을 확인할 수 있으나, 도 5b 및 도 6b를 비교해보면, 도 5b의 경우 분산성이 잘 유지되고 있는데 반해, 도 6b의 CeO2 금속산화물은 분산성이 크게 떨어져서 침전물이 발생하기 시작하는 것을 확인할 수 있다.5A and 6B, it can be seen that both the CeZnO metal oxide and the CeO 2 metal oxide of Preparation Example 2-2 are well dispersed in the Nafion solution, but when comparing FIGS. 5B and 6B, the case of FIG. 5B While the acidity is well maintained, it can be seen that the CeO 2 metal oxide of FIG. 6B has a great dispersibility and begins to generate sediment.
실험예Experimental Example 4 : 4 : 펜톤Fenton 테스트( Test( FentonFenton test), 이온전도도 측정 test), ion conductivity measurement
준비예 2-1에서 제조한 CeZnO 금속산화물 분말을 DI-water에 전체 중량 중 1 중량%가 되도록 투입한 뒤 초음파 처리(Sonication)를 24 시간 동안 진행하여 CeZnO 금속산화물 분산용액을 제조하였다.Prepared in Preparation Example 2-1 CeZnO metal oxide powder was added to DI-water to be 1 wt% of the total weight, and then ultrasonic treatment was performed for 24 hours to prepare a CeZnO metal oxide dispersion solution.
다음으로, 나피온(Nafion) 용액에 초음파 처리한 CeZnO 금속산화물 분산용액을 혼합액 전체 중량 중 1 중량%가 되도록 투입한 후, 5시간 동안 교반시켜서 코팅액을 제조하였다. Next, the NaZion solution was sonicated with CeZnO metal oxide dispersion solution sonicated to 1% by weight of the total weight of the mixed solution, and then stirred for 5 hours to prepare a coating solution.
다음으로 상기 코팅액을 유리기판 상부에 필름 애플리케이터(Film Applicator)를 이용하여 코팅시켜서 도막을 형성시킨 후, 80℃에서 1시간 동안 건조시킨 다음, 150℃에서 1 시간 동안 열처리하여 20um 두께의 단일막을 제조하였다. Next, the coating solution was coated on a glass substrate using a film applicator to form a coating film, dried at 80° C. for 1 hour, and then heat treated at 150° C. for 1 hour to prepare a single film having a thickness of 20 μm. Did.
동일한 방법으로 준비예 2-1 대신 준비예 2-2 ~ 2-8 및 비교준비예 2-1 ~ 2-5의 CeZnO 금속산화물 입자를 이용하여 20um 두께의 단일막을 각각 제조하였다.In the same manner, a 20 μm-thick single film was prepared using CeZnO metal oxide particles of Preparation Examples 2-2 to 2-8 and Comparative Preparation Examples 2-1 to 2-5, instead of Preparation Example 2-1.
(1) 상기 CeZnO 금속산화물 분말 함유 단일막 각각을 황산제일철(Ferrous sulfate) 수용액에 과산화수소를 첨가하여 라디칼을 인위적으로 발생시킨 수용액에 침지하여 분해시킨 뒤 불소이온 농도를 측정하여 전해질막의 내구성을 평가하였고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.(1) Each of the single membranes containing the CeZnO metal oxide powder was decomposed by immersing radicals in an artificially generated aqueous solution by adding hydrogen peroxide to an aqueous ferrous sulfate solution, and then measuring the fluorine ion concentration to evaluate the durability of the electrolyte membrane. , The results are shown in Table 4 below.
(2) 상기 CeZnO 금속산화물 분말 함유 단일막의 이온전도도를 4극자 방법으로 임피던스 (impedance)를 측정하고 수소이온 전도도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 9에 나타내었다.(2) The ion conductivity of the single layer containing the CeZnO metal oxide powder was measured by impedance using a 4-pole method, and hydrogen ion conductivity was measured, and the results are shown in Table 9 below.
(μmol/hrㆍg)Durability evaluation
(μmol/hrㆍg)
(S/cm)Ion conductivity
(S/cm)
상기 표 9의 실험결과를 살펴보면, 준비예 2-1 ~ 2-8은 40 μmol/hrㆍg 이하의 불소이온 농도를 보이는 바, 우수한 내구성을 갖는 것을 확인할 수 있었으며, 0.120 S/cm 이상의 우수한 이온전도도를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이에 반해, 비교준비예 2-1 ~ 2-5는 불소이온 농도가 45 μmol/hrㆍg 이상으로 전반적으로 내구성이 좋지 않은 경향을 보였으며, 비교준비예 2-2 및 비교준비예 2-5의 경우, 준비예와 비교할 때 이온전도도가 크게 낮은 결과를 보였다. 그리고, 준비예 2-1 ~ 2-8의 내구성 평가 측정 결과를 살펴보면, Ce 함량이 증가할수록 불소이온농도가 낮아지는 경향을 보이며, 이는 Ce에 의해 라디칼 제거 효과가 증대하게 되고 이로 인하여 전해질막을 공격하는 라디칼이 감소함으로써, 용출되는 불소이온 농도가 감소하여 내구성이 증대됨을 확인할 수 있었다. Looking at the experimental results in Table 9, Preparation Examples 2-1 to 2-8 show fluorine ion concentrations of 40 μmol/hr·g or less, and it was confirmed that they have excellent durability, and excellent ions of 0.120 S/cm or more It was confirmed that it had conductivity. On the other hand, in Comparative Preparation Examples 2-1 to 2-5, the fluoride ion concentration was 45 μmol/hr·g or more, showing a tendency of poor overall durability. Comparative Preparation Example 2-2 and Comparative Preparation Example 2-5 In the case of, compared with the preparation example, the ion conductivity was significantly lower. And, looking at the results of the durability evaluation measurements of Preparation Examples 2-1 to 2-8, the fluoride ion concentration tends to decrease as the Ce content increases, which increases the radical removal effect by Ce, thereby attacking the electrolyte membrane. As the radicals to be decreased, it was confirmed that the concentration of eluted fluorine ions decreased and durability was increased.
실시예Example 1 : 전해질막 제조 1: Preparation of electrolyte membrane
불소계 이오노머인 나피온 100 중량부에 대하여 평균입경이 50 nm인 구형의 중공형 실리카 1 중량부를 혼합하여 나피온 용액을 준비하였다A Nafion solution was prepared by mixing 1 part by weight of spherical hollow silica having an average particle diameter of 50 nm with respect to 100 parts by weight of Nafion, a fluorine-based ionomer.
다음으로, 준비예 1-1에서 제조한 다공성 지지체를 상기 나피온 용액에 함침시킨 다음 꺼내서 진공오븐에 투입한 다음, 80℃에서 10 분 동안 건조하였다. 다음으로, 160℃에서, 3 분 동안 열처리를 수행하여 두께 15㎛의 전해질이 함침된 다공성 지지체를 제조하였다.Next, the porous support prepared in Preparation Example 1-1 was impregnated with the Nafion solution, then taken out, put into a vacuum oven, and dried at 80° C. for 10 minutes. Next, a heat treatment was performed at 160° C. for 3 minutes to prepare a porous support impregnated with an electrolyte having a thickness of 15 μm.
실시예Example 2 ~ 3 및 2 to 3 and 비교예Comparative example 1 ~ 2 1 to 2
상기 실시예 1과 동일한 조건으로 제조하되, 하기 표 10과 같이 지지체의 종류를 달리하여 전해질이 함침된 다공성 지지체를 제조하였다.Prepared under the same conditions as in Example 1, a porous support impregnated with an electrolyte was prepared by changing the type of the support as shown in Table 10 below.
실험예Experimental Example 5 : 무게 변동 계수 측정 5: weight variation coefficient measurement
(1) 실시예 및 비교예에서 제조한 전해질 함침 전 PTFE 다공성 지지체의 무게 및 전해질 함침 후 지지체에 전해질층이 코팅된 전해질막의 무게를 측정하여 하기 관계식 2를 통해 무게 변동 계수(CV1,%)를 계산하였다.(1) The weight variation coefficient (CV1,%) was calculated through the
[관계식 1][Relationship 1]
무게 변동계수(CV1,%) = (전해질 처리 후 다공성 지지체 두께 - 전해질 처리 전 다공성 지지체 무게) / (전해질 처리 전 다공성 지지체 무게) × 100%Weight coefficient of variation (CV1,%) = (thickness of porous support after electrolyte treatment-weight of porous support before electrolyte treatment) / (weight of porous support before electrolyte treatment) × 100%
무게 (g)Before electrolyte impregnation
Weight (g)
(%)Weight fluctuation coefficient
(%)
상기 표 10의 실험결과를 살펴보면, 실시예 1 ~ 3의 경우, 무게 변동계수가 40% 이상, 바람직하게는 60% ~ 300% 범위로 적정 무게가 증가함을 확인할 수 있었다. 이에 반해, 다공성 지지체의 평균기공크기가 0.08㎛ 미만이었던 비교준비예 1-1, 비교준비예 1-3, 비교준비예 1-5 및 비교준비예 1-8의 다공성 지지체를 사용한 경우, 우수한 인장강도 및 모듈러스를 가졌으나, 다공성 지지체 내 전해질 함침량이 적어서 무게 변동 계수 값이 40% 미만인 결과를 보였다.또한, 비교준비예 1-6 및 비교준비예 1-9의 다공성 지지체를 사용한 경우, 무게 변동계수가 300% 이상으로 매우 높은 결과를 보였다.Looking at the experimental results in Table 10, in Examples 1 to 3, it was confirmed that the appropriate weight increases in the weight variation coefficient of 40% or more, preferably 60% to 300%. On the other hand, when using the porous support of Comparative Preparation Example 1-1, Comparative Preparation Example 1-3, Comparative Preparation Example 1-5 and Comparative Preparation Example 1-8, wherein the average pore size of the porous support was less than 0.08 µm, excellent tensile strength Although having strength and modulus, the amount of electrolyte impregnation in the porous support was small and the weight variation coefficient value was less than 40%. In addition, when the porous support of Comparative Preparation Example 1-6 and Comparative Preparation Example 1-9 was used, weight variation The result was very high with a coefficient of over 300%.
상기 표 10을 참조하면, 실시예 1 ~ 3의 경우 비교예 1 ~ 2와 비교하여 높은 무게 변동 계수 특성을 나타냄을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 비교예 1 ~ 3이 더 많은 전해질을 보액하고 있는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 10, it can be seen that Examples 1 to 3 exhibit high weight variation coefficient characteristics compared to Comparative Examples 1 to 2. Therefore, it can be seen that Comparative Examples 1 to 3 according to an embodiment of the present invention retain more electrolyte.
제조예Manufacturing example 1 : One : PEMFC용PEMFC 복합 전해질막의 제조 Preparation of composite electrolyte membrane
상기 준비예 1-1에서 제조한 PTFE 다공성 지지체를 준비하였다.The PTFE porous support prepared in Preparation Example 1-1 was prepared.
상기 준비예 2-8에서 제조한 평균입도(D50) 122nm의 CeZnO 금속산화물 입자(라디칼 스캐빈져) 및 잔량의 나피온 용액을 혼합하여 제1이오노머 용액을 준비하되 CeZnO 금속산화물 입자 0.12 중량% 및 0.3 중량%로 각각 포함하는 제1이오노머 용액 1 ~ 2를 제조하였다.The first ionomer solution was prepared by mixing CeZnO metal oxide particles (radical scavenger) of the average particle size (D 50 ) 122 nm and the remaining amount of Nafion solution prepared in Preparation Example 2-8, but CeZnO metal oxide particles 0.12% by weight and
또한, 상기 준비예 2-8의 CeZnO 금속산화물 입자(라디칼 스캐빈져) 및 잔량의 나피온 용액을 혼합하여 제2이오노머 용액을 준비하되 CeZnO 금속산화물 입자 0.08 중량% 및 0.6 중량%로 각각 포함하는 제2이오노머 용액 1 ~ 2를 각각 제조하였다.In addition, CeZnO metal oxide particles of the Preparation Example 2-8 (radical scavenger) And a second ionomer solution was prepared by mixing the remaining amount of Nafion solution, respectively, to prepare
상기 PTFE 다공성 지지체를 유리기판에 고정하고, 애플리케이터(Film Applicator)를 이용하여 PTFE 다공성 지지체 일면에 제1이오노머 용액 1에 함침시켰다. 다음으로 연속해서 제1이오노머 용액 1에 함침시켰던 PTFE 다공성 지지체 일면을 제1이오노머 용액 2에 함침시켰다. 다음으로 제1이오노머 용액 1~2에 함침시킨 PTFE 다공성 지지체를 80℃ 진공오븐에 투입하고 10분 동안 건조를 수행하여 PTFE 다공성 지지체의 일면에 제1이오노머층을 형성시켰다. 이때, 제1이오노머층은 라디칼 스캐빈져 함량(중량%)이 다른 이오노머를 적용하여 L1, L2순으로 다층으로 형성되었다. L1은 제1이오노머 용액 1에 의해 형성된 제1이오노머층이고, L2는 제1이오노머 용액 2에 의해 형성된 제1이오노머층이다.The PTFE porous support was fixed to a glass substrate, and the
다음으로, 애플리케이터를 이용하여 다층 구조의 제1이오노머층이 형성된 상기 PTFE 다공성 지지체의 타면을 제2이오노머 용액 1에 함침시켰다. 다음으로 연속해서 제2이오노머 용액 1에 함침시켰던 PTFE 다공성 지지체를 제2이오노머 용액 2에 함침시켰다. 다음으로 제2이오노머 용액 1~2에 함침시킨 PTFE 다공성 지지체를 80℃ 진공오븐에 투입하고 10분 동안 건조를 수행하여 PTFE 다공성 지지체의 일면에 제2이오노머층을 형성시켰다. 이때, 제2이오노머층은 라디칼 스캐빈져 함량(중량%)이 다른 이오노머를 적용하여 L3, L4순으로 다층으로 형성되었다. L3은 제2이오노머 용액 1에 의해 형성된 제2이오노머층이고, L4는 제2이오노머 용액 2에 의해 형성된 제2이오노머층이다.Next, using the applicator, the other surface of the PTFE porous support having the multi-layered first ionomer layer was impregnated into the
이때 L1 및 L2를 포함하는 전체 제1이오노머(ionomer)층에 적용된 CeZnO 금속산화물 평균함량은 약 1.05 중량%이고, L3 및 L4를 포함하는 전체 제2이오노머(ionomer)층에 적용된 CeZnO 금속산화물 평균함량은 약 1.7 중량%이다. At this time, the average content of CeZnO metal oxide applied to the entire first ionomer layer including L1 and L2 is about 1.05% by weight, and the average content of CeZnO metal oxide applied to the entire second ionomer layer including L3 and L4. Is about 1.7% by weight.
다음으로, 160℃에서, 3 분 동안 열처리를 수행하여 제1이오노머층 두께 8㎛ 및 제2이오노머층 두께 8㎛, PTFE 다공성 지지체층 14㎛인 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였다.Next, at 160° C., heat treatment was performed for 3 minutes to prepare a composite electrolyte membrane for PEMFC having a first ionomer layer thickness of 8 μm, a second ionomer layer thickness of 8 μm, and a PTFE porous support layer of 14 μm.
[방정식 2][Equation 2]
D60~100 > D0~40 D 60~100 > D 0~40
상기 방정식 2에서 D0~40 및 D60~100은 지지체의 두께방향으로 제1이오노머층과 지지체와의 접합면으로부터 떨어진 거리에서의 이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 전체 중량 중 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미하는 것으로서, 제1이오노머층와 지지체와의 접합면과 가장 멀리 떨어진 제1이오노머층의 끝단 거리를 100%을 기준으로 볼 때, D0~40 은 상기 접합면으로부터 제1이오노머층 끝단 방향으로 0% ~ 40%의 거리에 위치한 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미하고, D60~100은 상기 접합면으로부터 제1이오노머층 끝단 방향으로 60% ~ 100%의 거리에 위치한 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미한다.In
[방정식 3][Equation 3]
D'60~100 > D'0~40 D' 60~100 >D' 0~40
상기 방정식 3에서 D'0 ~40 및 D'60 ~100은 지지체의 두께방향으로 제2이오노머층과 지지체와의 접합면으로부터 떨어진 거리에서의 이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 전체 중량 중 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미하는 것으로서, 제1이오노머층와 지지체와의 접합면과 가장 멀리 떨어진 제2이오노머층의 끝단 거리를 100%을 기준으로 볼 때, D'0 ~40 은 상기 접합면으로부터 제2이오노머층 끝단 방향으로 0% ~ 40%의 거리에 위치한 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(%)을 의미하고, D'60 ~100은 상기 접합면으로부터 제2이오노머층 끝단 방향으로 60% ~ 100%의 거리에 위치한 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(%)을 의미한다.In
제조예Manufacturing example 2 ~ 6 및 2 to 6 and 비교제조예Comparative manufacturing example 1 ~ 8 1 to 8
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 복합 전해질막을 제조하되, 하기 표 10과 제1이오노머층 및/또는 제2이오노머층 형성용 나피온 용액 내 라디칼 스캐빈져 함량 및 종류를 달리하여 제조예 2 ~ 6 및 비교제조예 1 ~ 8을 실시하여 PEMFC용 복합 전해질막을 각각 제조하였다.A composite electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except for Table 10 and the radical scavenger content and type in the Nafion solution for forming the first ionomer layer and/or the second ionomer layer. And Comparative Preparation Examples 1 to 8 to prepare PEMFC composite electrolyte membranes, respectively.
하기 표 11에서, D0~40, D60~100, D'0 ~40 및 D'60 ~100 각각은 상기 방정식 1 또는 방정식 3에서 정의된 바와 같다.In Table 11 below, D 0-40 , D 60-100 D' 0 ~ 40 and Each of D' 60 to 100 is as defined in
제조예Manufacturing example 7 ~ 7 ~ 제조예Manufacturing example 8 8
상기 제조예 1과 동일한 방법으로, 동일한 농도의 제1이오노머 용액 1 ~ 2 및 제2이오노머 용액 1 ~ 2를 각각 제조하여 이를 이용하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였다. 이때, 제1, 2 이오노머 용액은 라디칼 스캐빈져로서, 상기 준비예 2-8의 CeZnO 금속산화물 대신 CeO2(구입처: US Research Nanomaterials, Inc)를 사용하여 제조한 것이다. 그리고, 라디칼 스캐빈져 함량은 하기 표 11과 같다.In the same manner as in Preparation Example 1, the
라디칼 스캐빈져 함량In the first ionomer layer
Radical scavenger content
라디칼 스캐빈져 함량In the second ionomer layer
Radical scavenger content
실험예Experimental Example 6 : 6: PEMFC용PEMFC 복합 전해질막의 내구성 및 이온전도도 측정 실험 Durability and ion conductivity measurement experiment of composite electrolyte membrane
1) One) 펜톤Fenton 테스트( Test( FentonFenton test) test)
제조예 1 ~ 8 및 비교제조예 1 ~ 8의 PEMFC용 복합 전해질막 각각을 5㎝ⅹ5㎝(가로ⅹ세로) 크기로 시험편을 준비하고, 오븐에 80℃, 5시간 이상 건조 후 질량을 측정한다. 준비된 시편을 2% 과산화수소에 3ppm Fe2 + 첨가하여 제조한 용액 200g에 침지한 후 80℃, 120시간 방치한다. 시험편에서 용출된 불소 이온농도는 불소이온 선택전극을 사용하여 측정하였고, 그 결과를 표 12에 나타내었다. 펜톤 테스트는 측정값이 낮을수록 불소이온 용출이 낮은 것이며, 즉, 전해질막의 내구성이 우수한 것이다.Each of the composite electrolyte membranes for PEMFC of Preparation Examples 1 to 8 and Comparative Preparation Examples 1 to 8 was prepared in a test piece having a size of 5 cm(5 cm (horizontal length), dried in an oven at 80° C. for 5 hours or more, and then measured mass . Was immersed in a solution prepared by 200g 3ppm Fe + 2 was added to the prepared specimen in a 2% hydrogen peroxide solution and allow to stand for 80 ℃, 120 hours. The fluorine ion concentration eluted from the test piece was measured using a fluorine ion selection electrode, and the results are shown in Table 12. In the Fenton test, the lower the measured value, the lower the elution of fluorine ions, that is, the durability of the electrolyte membrane is excellent.
2) 이온전도도 측정2) Measurement of ion conductivity
제조예 1 ~ 8 및 비교제조예 1 ~ 8의 PEMFC용 복합 전해질막 각각을 1㎝ⅹ5㎝(가로ⅹ세로) 크기로 시험편을 준비하고, 증류수에 담가 오븐에 80℃, 5시간 침지 후 체결된 셀을 증류수에 담가 25℃ 온도 셋팅 후 임피던스를 측정하였고, 이온전도도를 산출하여 그 결과를 표 12에 나타내었다.Each of the composite electrolyte membranes for PEMFC of Preparation Examples 1 to 8 and Comparative Preparation Examples 1 to 8 was prepared with a specimen size of 1 cmⅹ5 cm (horizontal length), immersed in distilled water, and immersed in an oven at 80° C. for 5 hours, and then tightened. The cell was immersed in distilled water, the impedance was measured after setting the temperature at 25°C, and the ionic conductivity was calculated and the results are shown in Table 12.
상기 표 12의 실험결과를 살펴보면, 제조예 1 ~ 실시예 8의 경우, 제1이오노머 및 제2이오노머 내 라디칼 스캐빈져 함량이 동일한 비교제조예 1 보다 전반적으로 우수한 내구성을 가지면서도 높은 이온전도도를 가져서 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다. 특히, CeZnO계 금속산화물 입자를 PEMFC 라디칼 스캐빈져로 사용한 제조예 1 ~ 6이, CeO2를 PEMFC 라디칼 스캐빈져로 사용한 제조예 7 ~ 8 보다 상대적으로 불소이온농도가 낮아서 더 우수한 내구성 및 이온전도도를 가지는 결과를 보였다.이에 반해, 제1이오노머층의 라디칼 스캐빈져가 평균농도가 제2이오노모층의 평균농도 보다 높은 비교제조예 2의 경우, 제조예 1과 비교할 때, 이온전도도가 크게 낮은 결과를 보였다. Looking at the experimental results of Table 12, in the case of Preparation Examples 1 to 8, the ion scavenger content in the first ionomer and the second ionomer is higher than that of Comparative Production Example 1 in which the radical scavenger content is the same, and has high ion conductivity. It can be confirmed that it has excellent performance. In particular, Preparation Examples 1 to 6 using CeZnO-based metal oxide particles as PEMFC radical scavengers have relatively lower fluorine ion concentrations than Preparation Examples 7 to 8 using CeO 2 as PEMFC radical scavengers, resulting in better durability and ions. In contrast, in the case of Comparative Production Example 2, in which the average concentration of the radical scavenger of the first ionomer layer was higher than the average concentration of the second ionomer layer, ion conductivity was compared with Preparation Example 1. The results were significantly lower.
그리고, 제1이오노머층 내 D0~40 이 D60~ 100 보다 라디칼 스캐빈져 함량이 많은 비교제조예 3 및 제2이오노머층 내 D0~40 이 D60~ 100 보다 라디칼 스캐빈져 함량이 많은 비교제조예 4의 경우, 제조예 4와 비교할 때, 상대적으로 내구성이 크게 좋지 않은 문제가 있었다.And, in the first ionomer layer D 0 ~ 40 D 60 ~ 100 has a radical scavenger content than Comparative Preparation Example 3 and The second case of the ionomer in layer D 0 ~ 40 60 ~ 100 D is more radical scavenger Comparative Production Example 4 The content of large, as compared to Production Example 4, there is a problem in poor durability larger relatively.
또한, 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 평균함량이 너무 낮은 비교제조예 5 및 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 평균함량이 너무 낮은 비교제조예 7의 경우, 이온전도도는 좋으나, 내구성이 매우 좋지 않은 결과를 보였다.In addition, in Comparative Production Example 5 in which the average content of the radical scavenger in the first ionomer layer was too low and in Comparative Production Example 7 in which the average content of the radical scavenger in the second ionomer layer was too low, the ion conductivity was good, but the durability was very high. It gave bad results.
그리고, 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 평균함량이 과량인 비교제조예 6 및 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 평균함량이 너무 많은 비교제조예 8의 경우, 내구성이 매우 좋으나, 이온전도도가 너무 낮아서 전해질막의 성능이 크게 떨어지는 문제가 있음을 확인할 수 있었다.In addition, in Comparative Production Example 6 in which the average content of radical scavengers in the first ionomer layer was excessive and in Comparative Production Example 8 in which the average content of radical scavengers in the second ionomer layer was too high, durability was very good, but ion conductivity was high. It was confirmed that there was a problem that the performance of the electrolyte membrane was greatly reduced because it was too low.
상기 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명이 제시하는 방법으로 제조한 PEMFC용 복합 전해질막이 우수한 라디칼 제거 효과를 가질 뿐만 아니라, 우수한 물성을 가짐을 확인할 수 있었으며, 이를 통해서 내구성, 즉 장기수명안정성 및 성능이 향상된 PEMFC용 막-전극 접합체 및 PEMFC를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.Through the above Examples and Experimental Examples, it was confirmed that the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared by the method proposed by the present invention not only has an excellent radical removal effect, but also has excellent physical properties, through which durability, that is, long-term life stability and performance. It is expected that the improved membrane-electrode assembly for PEMFC and PEMFC can be provided.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예 및 실험예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예 및 실험예에 의해 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.As described above, the present invention has been described in detail with reference to preferred examples and experimental examples, but the present invention is not limited by the examples and experimental examples, and has ordinary knowledge in the art within the technical spirit and scope of the present invention. Various modifications and changes are possible by the ruler.
1 : 다공성 지지체 2 : 제1이오노머층 3 : 제2이오노머층
5. : 라디칼 스캐빈져 10 : 복합 전해질막 21 : 기체 확산층
22 : 촉매층 23 : 애노드 전극 기재 23': 캐소드 전극 기재 DESCRIPTION OF
5.: radical scavenger 10: composite electrolyte membrane 21: gas diffusion layer
22: catalyst layer 23: anode electrode substrate 23': cathode electrode substrate
Claims (14)
제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 및 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져는 독립적으로 CeZnO계 금속산화물 입자, CeO, CeO2, Ce2O3, ZnO, MnO2, Mn2O3, Mn3O4, ZrO2, 및 MoO3 중에서 선택된 1종 이상을 포함하며
상기 CeZnO계 금속산화물 입자는 세륨(Ce)원자, 아연(Zn)원자 및 산소(O)원자로 구성된 결정구조를 가지며, 상기 결정구조는 ZnO 결정 구조에서 아연원자 중 일부가 세륨원자로 치환되어 있는 형태의 결정구조이고,
상기 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 분포도는 하기 방정식 2를 만족하는 것을 특징으로 PEMFC용 복합 전해질막;
[방정식 2]
D60~100 > D0~40
상기 방정식 2에서 D0~40 및 D60~100은 지지체의 두께방향으로 제1이오노머층과 지지체와의 접합면으로부터 떨어진 거리에서의 이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 전체 중량 중 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미하는 것으로서, 제1이오노머층와 지지체와의 접합면과 가장 멀리 떨어진 제1이오노머층의 끝단 거리를 100%을 기준으로 볼 때, D0~40 은 상기 접합면으로부터 제1이오노머층 끝단 방향으로 10% ~ 40%의 거리에 위치한 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미하고, D60~100은 상기 접합면으로부터 제1이오노머층 끝단 방향으로 60% ~ 90%의 거리에 위치한 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미한다.
A first ionomer layer disposed in the anode direction; It includes; a support layer and a second ionomer layer disposed in the cathode (cathode) direction,
The radical scavenger in the first ionomer layer and the radical scavenger in the second ionomer layer are independently CeZnO-based metal oxide particles, CeO, CeO 2 , Ce 2 O 3 , ZnO, MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , ZrO 2 , and includes at least one selected from MoO 3
The CeZnO-based metal oxide particles have a crystal structure composed of a cerium (Ce) atom, a zinc (Zn) atom, and an oxygen (O) atom, and the crystal structure is a type in which some of the zinc atoms in the ZnO crystal structure are substituted with cerium atoms. Crystal structure,
The radical scavenger distribution in the first ionomer layer satisfies the following equation 2, PEMFC composite electrolyte membrane;
[Equation 2]
D 60~100 > D 0~40
In Equation 2, D 0-40 and D 60-100 are the content of the radical scavenger in the total weight of the radical scavenger in the ionomer layer at a distance away from the bonding surface between the first ionomer layer and the support in the thickness direction of the support. Meaning (% by weight), when the end distance of the first ionomer layer farthest from the bonding surface between the first ionomer layer and the support is based on 100%, D 0-40 is the first ionomer from the bonding surface. The content (% by weight) of radical scavenger in the first ionomer layer located at a distance of 10% to 40% in the direction of the end of the layer, D 60 to 100 is 60% in the direction of the end of the first ionomer layer from the bonding surface It means the content (% by weight) of radical scavenger in the first ionomer layer located at a distance of ~ 90%.
4. The composite electrolyte membrane for PEMFC according to claim 3, wherein the average content of radical scavenger in the first ionomer layer and the average content of radical scavenger in the second ionomer layer are 1: 1.25 to 10 weight ratio.
[방정식 3]
D'60~100> D'0~40
상기 방정식 3에서 D'0~40 및 D'60~100은 지지체의 두께방향으로 제2이오노머층과 지지체와의 접합면으로부터 떨어진 거리에서의 이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 전체 중량 중 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미하는 것으로서, 제1이오노머층와 지지체와의 접합면과 가장 멀리 떨어진 제2이오노머층의 끝단 거리를 100%을 기준으로 볼 때, D'0~40 은 상기 접합면으로부터 제2이오노머층 끝단 방향으로 0% ~ 40%의 거리에 위치한 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(%)을 의미하고, D'60~100은 상기 접합면으로부터 제2이오노머층 끝단 방향으로 60% ~ 100%의 거리에 위치한 제2이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(%)을 의미한다.
The method according to claim 3, wherein the distribution of radical scavengers in the second ionomer layer satisfies the following equation 3; PEMFC composite electrolyte membrane;
[Equation 3]
D' 60~100 >D' 0~40
In Equation 3, D' 0 to 40 and D' 60 to 100 are radical scavengers in the ionomer layer at a distance away from the bonding surface between the second ionomer layer and the support in the thickness direction of the support. As the content (% by weight), when looking at the end distance of the second ionomer layer farthest from the bonding surface between the first ionomer layer and the support, based on 100%, D' 0-40 is from the bonding surface. The content of the radical scavenger (%) in the second ionomer layer located at a distance of 0% to 40% in the direction of the end of the second ionomer layer, and D' 60 to 100 are from the junction surface to the end of the second ionomer layer It means the content (%) of radical scavengers in the second ionomer layer located at a distance of 60% to 100%.
상기 PTFE 다공성 지지체는 ASTM D 822에 의거하여 측정시, 1축 방향(길이 방향) 인장강도가 40 MPa 이상 및 2축 방향(폭 방향) 인장강도가 40 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 PEMFC용 복합 전해질막.
The method of claim 3, wherein the support layer comprises a PTFE (Poly tetra fluoro ethylene) porous support,
The PTFE porous support is a composite electrolyte membrane for PEMFC, characterized in that the tensile strength in the uniaxial direction (longitudinal direction) is 40 MPa or more and the tensile strength in the biaxial direction (width direction) is 40 MPa or more when measured according to ASTM D 822. .
The composite electrolyte membrane for PEMFC according to claim 7, wherein the PTFE porous support has a uniaxial (longitudinal) modulus of 40 MPa or more and a biaxial (wide) modulus of 40 MPa or more.
The composite electrolyte membrane for PEMFC according to claim 7, wherein the PTFE porous support has an average pore size of 0.080 μm to 0.200 μm, and an average porosity of 60% to 90%.
PTFE 다공성 지지체의 일면에 제1이오노머(ionomer)층을 형성시키는 2단계;
제1이오노머층 형성된 지지체의 타면에 제2이오노머층을 형성시키는 3단계; 및
제1이오노머층 및 제2이오노머층이 형성된 PTFE 다공성 지지체를 열처리하는 4단계;를 포함하며,
제조된 복합 전해질막의 제1이오노머층 및 제2이오노머층 각각은 독립적으로 CeZnO계 금속산화물 입자, CeO, CeO2, Ce2O3, ZnO, MnO2, Mn2O3, Mn3O4, ZrO2, 및 MoO3 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 라디칼 스캐빈져를 포함하며,
상기 CeZnO계 금속산화물 입자는 세륨(Ce)원자, 아연(Zn)원자 및 산소(O)원자로 구성된 결정구조를 가지며, 상기 결정구조는 ZnO 결정 구조에서 아연원자 중 일부가 세륨원자로 치환되어 있는 형태의 결정구조이고,
제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 분포도는 하기 방정식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 PEMFC용 복합 전해질막의 제조방법;
[방정식 2]
D60~100 > D0~40
상기 방정식 2에서 D0~40 및 D60~100은 지지체의 두께방향으로 제1이오노머층과 지지체와의 접합면으로부터 떨어진 거리에서의 이오노머층 내 라디칼 스캐빈져 전체 중량 중 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미하는 것으로서, 제1이오노머층와 지지체와의 접합면과 가장 멀리 떨어진 제1이오노머층의 끝단 거리를 100%을 기준으로 볼 때, D0~40 은 상기 접합면으로부터 제1이오노머층 끝단 방향으로 10% ~ 40%의 거리에 위치한 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미하고, D60~100은 상기 접합면으로부터 제1이오노머층 끝단 방향으로 60% ~ 90%의 거리에 위치한 제1이오노머층 내 라디칼 스캐빈져의 함량(중량%)을 의미한다.
Step 1 of preparing a PTFE porous support;
A second step of forming a first ionomer layer on one surface of the PTFE porous support;
A third step of forming a second ionomer layer on the other surface of the support on which the first ionomer layer is formed; And
Including; a fourth step of heat-treating the PTFE porous support having a first ionomer layer and a second ionomer layer;
Each of the first ionomer layer and the second ionomer layer of the prepared composite electrolyte membrane is independently CeZnO-based metal oxide particles, CeO, CeO 2 , Ce 2 O 3 , ZnO, MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , ZrO 2 , and a radical scavenger comprising at least one selected from MoO 3 ,
The CeZnO-based metal oxide particles have a crystal structure composed of a cerium (Ce) atom, a zinc (Zn) atom, and an oxygen (O) atom, and the crystal structure is a type in which some of the zinc atoms in the ZnO crystal structure are substituted with cerium atoms. Crystal structure,
The radical scavenger distribution in the first ionomer layer is a method of manufacturing a composite electrolyte membrane for PEMFC, characterized in that it satisfies Equation 2 below;
[Equation 2]
D 60~100 > D 0~40
In Equation 2, D 0-40 and D 60-100 are the content of the radical scavenger in the total weight of the radical scavenger in the ionomer layer at a distance away from the bonding surface between the first ionomer layer and the support in the thickness direction of the support. As a meaning (% by weight), when the end distance of the first ionomer layer farthest from the bonding surface between the first ionomer layer and the support is 100%, D 0-40 is the first ionomer from the bonding surface. The content of the radical scavenger (% by weight) in the first ionomer layer located at a distance of 10% to 40% in the direction of the end of the layer, D 60 to 100 is 60% in the direction of the end of the first ionomer layer from the bonding surface It means the content (% by weight) of radical scavenger in the first ionomer layer located at a distance of ~ 90%.
상기 페이스트를 숙성시키는 1-2단계;
숙성된 페이스트(paste)를 압출 및 압연시켜서 미소성 테이프를 제조하는 1-3단계;
미소성 테이프를 건조시킨 후, 액상 윤활제를 제거하는 1-4단계;
윤활제가 제거된 미소성 테이프를 1축 연신시키는 1-5단계;
1축 연신된 미소성 테이프를 2축 연신시키는 1-6단계; 및
소성하는 1-7단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PEMFC용 복합 전해질막의 제조방법.
11. The method of claim 10, The first step of the porous PTFE support is 1-1 step of preparing a paste (paste) by mixing and stirring the PTFE powder and liquid lubricant;
1-2 steps of aging the paste;
Steps 1-3 for producing an unbaked tape by extruding and rolling the aged paste;
After drying the green tape, steps 1-4 to remove the liquid lubricant;
Step 1-5 of uniaxially stretching the unbaked tape from which the lubricant has been removed;
Steps 1-6 of biaxially stretching the uniaxially stretched micro tape; And
Method of manufacturing a composite electrolyte membrane for PEMFC, characterized in that it comprises; 1-7 steps of firing.
상기 함침된 PTFE 다공성 지지체를 건조 및 열처리하는 1-9단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PEMFC용 복합 전해질막의 제조방법.
The method of claim 11, further comprising steps 1-8 impregnating the electrolyte solution with a porous support prepared by performing steps 1-7; And
Method of manufacturing a composite electrolyte membrane for PEMFC further comprising; 1-9 steps of drying and heat-treating the impregnated PTFE porous support.
Anode (oxide electrode); Anode catalyst layer; The composite electrolyte membrane of any one of claims 3, 4, and 6 to 9; Cathode catalyst layer; And cathode (reduction electrode); PEMFC membrane-electrode assembly comprising a.
연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
산화제를 상기 발생부로 공급하는 산화제 공급부; 를 포함하는 고분자 전해질막 연료전지.An electricity generating unit including the membrane-electrode assembly and separator of claim 13 and generating electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidizing agent;
A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And
An oxidizing agent supplying unit for supplying an oxidizing agent to the generating unit; Polymer electrolyte membrane fuel cell comprising a.
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