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KR102208306B1 - Composite ion exchange membrane comprising fluorinated polymer and sulfonated silica and method for producing the same - Google Patents

Composite ion exchange membrane comprising fluorinated polymer and sulfonated silica and method for producing the same Download PDF

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KR102208306B1
KR102208306B1 KR1020190061328A KR20190061328A KR102208306B1 KR 102208306 B1 KR102208306 B1 KR 102208306B1 KR 1020190061328 A KR1020190061328 A KR 1020190061328A KR 20190061328 A KR20190061328 A KR 20190061328A KR 102208306 B1 KR102208306 B1 KR 102208306B1
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재단법인대구경북과학기술원
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Abstract

불소계 고분자 및 술폰화된 실리카를 포함하는 복합 양성자 교환막으로, 상기 술폰화된 실리카는 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결된 복합 양성자 교환막이 제공된다. 상기 복합 양성자 교환막은 저습 환경에서도 우수한 수분 흡수 능력, 이온 교환 용량, 양이온 전도도를 가지며, 또한, 우수한 기계적 물성 및 열 안정성을 가지는 효과가 있다.A composite proton exchange membrane comprising a fluorine-based polymer and sulfonated silica, wherein the sulfonated silica is provided with a composite proton exchange membrane in which a sulfonic acid group is directly connected to the silica. The composite proton exchange membrane has excellent moisture absorption capacity, ion exchange capacity, and cation conductivity even in a low humidity environment, and has excellent mechanical properties and thermal stability.

Description

불소계 고분자 및 술폰화된 실리카를 포함하는 복합 양성자 교환막 및 그 제조방법{Composite ion exchange membrane comprising fluorinated polymer and sulfonated silica and method for producing the same}Composite ion exchange membrane comprising fluorinated polymer and sulfonated silica and method for producing the same}

불소계 고분자 및 술폰화된 실리카를 포함하는 복합 양성자 교환막 및 그 제조방법에 관한 것이다.It relates to a composite proton exchange membrane comprising a fluorine-based polymer and sulfonated silica, and a method for producing the same.

연료전지는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접적으로 변환하는 에너지 변환장치로써 기존의 에너지 공급장치에 비하여 높은 에너지 밀도, 전력 밀도, 그리고 변환 효율을 가지고, 수소를 에너지 자원으로 사용하기에 적합한 에너지 변환 장치로 고려된다. 많은 종류의 연료전지 중 proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)와 direct methanol fuel cell(DMFC)는 소형화가 가능하며 기계적으로 우수한 특성을 지니므로 모바일 디바이스 전원으로 각광을 받고 있다. PEMFC와 DMFC는 구조적으로 같으나 사용하는 연료에 따라 나누어진다. PEMFC는 연료로 수소를 사용하며 DMFC는 연료로 메탄올을 사용한다. 특히 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)는 휴대용 장치, 운송 시스템 및 발전소 등과 같은 광범위한 분야에 상업적으로 이용 및 응용이 가능하므로, 유망한 에너지 변환 장치 중 하나로 여겨지고 있다.A fuel cell is an energy conversion device that directly converts chemical energy into electrical energy. It has higher energy density, power density, and conversion efficiency compared to conventional energy supply devices, and is an energy conversion device suitable for using hydrogen as an energy resource. Is considered. Among many types of fuel cells, proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) and direct methanol fuel cells (DMFC) are in the spotlight as mobile device power supplies because they can be miniaturized and have excellent mechanical properties. PEMFC and DMFC are structurally the same, but are divided according to the fuel used. PEMFC uses hydrogen as fuel and DMFC uses methanol as fuel. In particular, the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is considered as one of the promising energy conversion devices because it can be commercially used and applied in a wide range of fields such as portable devices, transportation systems, and power plants.

양성자 교환막 연료전지(PEMFC)에 사용되는 이온교환수지는 이온교환능이 있는 합성수지이다. 이 물질을 이용한 양성자 교환막이 개발되면서 전기화학적으로 다양한 분야에 사용되었다. 양성자 교환막은 연료전지, 레독스 흐름 전지, 전기투석, 담수화, 초순수 및 폐수처리 등의 분야에서 널리 활용되고 있다. 특히 화석 연료의 사용을 감소시켜 친환경적 신 재생에너지 생산 청정기술로 세계적인 주목을 받고 있다. 현재 소형 노트북, 핸드폰 등의 전자제품 사용 급증으로 인해 이에 필요한 고수명, 고용량의 배터리 개발 및 새로운 연료전지의 개발 필요성에 따라 그 핵심 소재인 양성자 교환막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.The ion exchange resin used in the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is a synthetic resin capable of ion exchange. As proton exchange membranes using this material were developed, they were used in various fields electrochemically. Proton exchange membranes are widely used in fields such as fuel cells, redox flow cells, electrodialysis, desalination, ultrapure water and wastewater treatment. In particular, it is attracting worldwide attention as a clean technology to produce eco-friendly new and renewable energy by reducing the use of fossil fuels. Currently, due to the rapid increase in the use of electronic products such as small notebooks and mobile phones, research on the proton exchange membrane, which is a key material, is actively progressing in accordance with the need for development of high-life, high-capacity batteries and new fuel cells required for this.

양성자 교환막은 크게 두 가지 역할을 하는데, 첫 번째는 양극과 음극을 전기적으로 분리하는 역할하며, 두 번째로는 오로지 양성자만 통과하도록 하여 연료전지가 지속적으로 기전력을 발생시키도록 한다.The proton exchange membrane plays two main roles. The first is to electrically separate the anode and the cathode, and the second is to allow only protons to pass so that the fuel cell continuously generates electromotive force.

대표적인 상업용 양성자 교환막으로는 나피온(Nafion)이 있다. 나피온은 막의 기반이 되는 백본을 불소계 고분자 물질인 테플론으로 구성하고 여기에 친수성을 띠는 술폰산(SO3-)을 반응하여 합성하였다. 테플론으로 구성된 백본은 소수성으로 물을 배척하며 동시에 상대적으로 우수한 기계적 특성 및 내 부식성을 가진다. 그리고 술폰산들은 물과 결합하여 invert micelle 구조를 가진 이온 채널을 형성하며 이 채널들이 연결되어 네트워크를 형성한다. 음극의 촉매 층에 의해 수소에서 분리 된 양성자는 네트워크를 따라 양극으로 이동하게 된다. A representative commercial proton exchange membrane is Nafion. Nafion was synthesized by composing the backbone of the membrane with Teflon, a fluorine-based polymer, and reacting hydrophilic sulfonic acid (SO 3- ) thereto. The backbone made of Teflon is hydrophobic, repelling water, and at the same time has relatively excellent mechanical properties and corrosion resistance. And sulfonic acids combine with water to form ion channels with an invert micelle structure, and these channels are connected to form a network. The protons separated from hydrogen by the catalyst layer on the cathode move to the anode along the network.

양성자 교환막은 현재 DuPont에서 독점적으로 공급하고 있는 나피온이 독점적으로 쓰이고 있다. 그러나 연료전지의 낮은 신뢰도는 대부분 양성자 교환막의 낮은 기계적, 열적, 그리고 화학적 특성에서 기인하고 있다. 고분자 물질로 합성된 양성자 교환막은 동작 중 핀홀이 형성되거나 혹은 운동조건의 변화에 의하여 쉽게 찢어지거나 하는 현상이 일어나며 열화현상으로 인한 성능하락도 빈번히 일어난다. 또한 80 ℃이하라는 낮은 온도에서만 안정적으로 동작함으로 CO 피독을 피하기 위해서는 고순도의 수소가 사용되어야 함으로 연료의 공급이 쉽지가 않다. The proton exchange membrane is currently used exclusively by Nafion, which is supplied exclusively by DuPont. However, the low reliability of fuel cells is mostly due to the low mechanical, thermal, and chemical properties of the proton exchange membrane. The proton exchange membrane synthesized from a polymer material is easily torn due to the formation of pinholes or changes in motion conditions during operation, and degradation of performance due to deterioration occurs frequently. In addition, since it operates stably only at low temperatures below 80 ℃, it is difficult to supply fuel because high purity hydrogen must be used to avoid CO poisoning.

또한, 양성자 교환막의 저습 환경 하에서의 낮은 양성자 전도성 때문에 저습 환경에서 사용하기에 어려운 점이 있다. 따라서, 낮은 습도 조건에서 PEMFC의 성능을 향상시키는 것이 상업화 측면에서 중요하게 되었다. 습도를 제어함으로써 PEMFC의 높은 성능을 얻을 수 있지만, 이를 위한 습도의 제어는 추가적인 비용의 발생을 야기한다.In addition, it is difficult to use the proton exchange membrane in a low humidity environment because of its low proton conductivity in a low humidity environment. Therefore, improving the performance of PEMFC in low humidity conditions has become important in terms of commercialization. The high performance of PEMFC can be obtained by controlling the humidity, but controlling the humidity for this causes additional cost.

Mauritz, K. A., and Moore, R. B. State of understanding of Nafion. Chemical Reviews 104, (2004), 4535-4585.Mauritz, K. A., and Moore, R. B. State of understanding of Nafion. Chemical Reviews 104, (2004), 4535-4585. Fuel Cell Fundamentals, Ryan O;hayre et. al. John Wiley & Sons, New York. 978-0-470-25843-9Fuel Cell Fundamentals, Ryan O; Hayre et. al. John Wiley & Sons, New York. 978-0-470-25843-9

본 발명의 일 측면에서의 목적은 불소계 고분자 및 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결된 술폰화된 실리카를 포함하는 복합 양성자 교환막을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a composite proton exchange membrane comprising a fluorine-based polymer and sulfonated silica to which a sulfonic acid group is directly connected to the silica.

본 발명의 일 측면에서In one aspect of the present invention

불소계 고분자 및 술폰화된 실리카를 포함하는 복합 양성자 교환막으로,A composite proton exchange membrane comprising a fluorine-based polymer and sulfonated silica,

상기 술폰화된 실리카는 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결된 복합 양성자 교환막이 제공된다.The sulfonated silica is provided with a complex proton exchange membrane to which a sulfonic acid group is directly connected to the silica.

또한, 본 발명의 다른 측면에서In addition, in another aspect of the present invention

실리카 전구체 및 술폰산 화합물로부터 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결된 술폰화된 실리카를 합성하는 단계;Synthesizing sulfonated silica to which a sulfonic acid group is directly linked to the silica from the silica precursor and the sulfonic acid compound;

불소계 고분자 및 상기 합성된 술폰화된 실리카를 혼합하는 단계; 및Mixing the fluorine-based polymer and the synthesized sulfonated silica; And

상기 혼합된 불소계 고분자 및 술폰화된 실리카를 캐스팅하여 복합 양성자 교환막을 형성하는 단계;를 포함하는 복합 양성자 교환막 제조방법이 제공된다.There is provided a method for producing a composite proton exchange membrane comprising; casting the mixed fluorine-based polymer and sulfonated silica to form a composite proton exchange membrane.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에서In addition, in another aspect of the present invention

양극;anode;

음극;cathode;

상기 복합 양성자 교환막;The composite proton exchange membrane;

을 포함하는 막-전극 접합체가 제공된다.A membrane-electrode assembly comprising a is provided.

나아가, 본 발명의 또 다른 또 다른 측면에서Furthermore, in another aspect of the present invention

상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지가 제공된다.A fuel cell including the membrane-electrode assembly is provided.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 복합 양성자 교환막은 저습 환경에서도 우수한 수분 흡수 능력, 이온 교환 용량, 양이온 전도도를 가지며, 또한, 우수한 기계적 물성 및 열 안정성을 가지는 효과가 있다.The composite proton exchange membrane provided in one aspect of the present invention has excellent moisture absorption capacity, ion exchange capacity, and cation conductivity even in a low humidity environment, and has excellent mechanical properties and thermal stability.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 양성자 교환막의 화학구조를 나타낸 모식도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 양성자 교환막을 포함하는 막-전극 접합체의 일례를 나타낸 모식도이고,
도 3은 순수한 실리카와 본 발명의 일 실시예에 따른 SSA의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 그래프이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SSA의 TEM 이미지 및 EDS 분석 결과를 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SSA의 XPS 스펙트럼을 나타낸 그래프로, 도 5a는 Si 2p, 도 5b는 O 1s, 도 5c는 S 2p에 대하여 나타낸 것이고,
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예의 막에 대하여 인장 변형 실험 결과를 나타낸 그래프이고,
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예의 막에 대하여 온도에 따른 중량 감소를 나타낸 그래프이고,
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예의 막의 AFM 이미지를 나타낸 것이고,
도 9는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 대하여 상 분리 모폴로지를 보여주는 이미지이고,
도 10은 본 발명의 실시예 및 비교예의 막의 습도 조건에 따른 양성자 전도도를 나타낸 그래프이고,
도 11은 본 발명의 일 실시예 및 비교예의 막의 온도 조건에 따른 양성자 전도도를 나타낸 그래프이고,
도 12는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 연료전지의 성능을 측정한 그래프이고,
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 성능을 습도 조건에 따라 측정한 그래프이고,
도 14은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료전지의 성능을 습도 조건에 따라 측정한 그래프이고,
도 15은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지의 성능을 습도 조건에 따라 측정한 그래프이다.
1 is a schematic diagram showing the chemical structure of a composite proton exchange membrane according to an embodiment of the present invention,
2 is a schematic diagram showing an example of a membrane-electrode assembly including a composite proton exchange membrane according to an embodiment of the present invention,
3 is a graph showing the FT-IR spectrum of pure silica and SSA according to an embodiment of the present invention,
Figure 4 shows the TEM image and EDS analysis results of SSA according to an embodiment of the present invention,
Figure 5 is a graph showing the XPS spectrum of SSA according to an embodiment of the present invention, Figure 5a is Si 2p, Figure 5b is O 1s, Figure 5c is shown for S 2p,
6 is a graph showing the results of tensile deformation experiments for the films of Examples and Comparative Examples of the present invention,
7 is a graph showing weight reduction according to temperature for the membranes of Examples and Comparative Examples of the present invention,
8 shows AFM images of the films of Examples and Comparative Examples of the present invention,
9 is an image showing a phase separation morphology for an embodiment and a comparative example of the present invention,
10 is a graph showing proton conductivity according to humidity conditions of the membranes of Examples and Comparative Examples of the present invention,
11 is a graph showing the proton conductivity according to the temperature conditions of the membranes of an embodiment and a comparative example of the present invention,
12 is a graph measuring the performance of a fuel cell according to Examples and Comparative Examples of the present invention,
13 is a graph measuring the performance of a fuel cell according to an embodiment of the present invention according to a humidity condition,
14 is a graph measuring the performance of a fuel cell according to another embodiment of the present invention according to a humidity condition,
15 is a graph measuring the performance of a fuel cell according to another embodiment of the present invention according to a humidity condition.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by an expert skilled in the art to which the present invention belongs. In general, the nomenclature used in this specification is well known and commonly used in the art.

본 발명의 일 측면에서In one aspect of the present invention

불소계 고분자 및 술폰화된 실리카를 포함하는 복합 양성자 교환막으로,A composite proton exchange membrane comprising a fluorine-based polymer and sulfonated silica,

상기 술폰화된 실리카는 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결된 복합 양성자 교환막이 제공된다.The sulfonated silica is provided with a complex proton exchange membrane to which a sulfonic acid group is directly connected to the silica.

이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 복합 양성자 교환막에 대하여 각 물질별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the composite proton exchange membrane provided in one aspect of the present invention will be described in detail for each material.

먼저, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 복합 양성자 교환막은 불소계 고분자를 포함한다.First, the composite proton exchange membrane provided in one aspect of the present invention includes a fluorine-based polymer.

상기 불소계 고분자는 비제한적인 예로, 퍼플루오로술폰산(perfluorosulfonic acid), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 또는 폴리바이닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride)일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The fluorine-based polymer may be a non-limiting example, perfluorosulfonic acid, polytetrafluoroethylene, or polyvinylidenefluoride, but is not limited thereto.

예를 들어, 퍼플루오로술폰산은 우수한 기계적 안정성, 열적 안정성 및 높은 이온 전도도로 인하여 양성자 교환막에 사용되기에 바람직하다.For example, perfluorosulfonic acid is preferred for use in proton exchange membranes due to its excellent mechanical stability, thermal stability and high ionic conductivity.

다음으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 복합 양성자 교환막은 술폰화된 실리카를 포함한다.Next, the composite proton exchange membrane provided in one aspect of the present invention includes sulfonated silica.

상기 술폰화된 실리카는 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결될 수 있다.The sulfonated silica may have a sulfonic acid group directly connected to the silica.

상기 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결된 술폰화된 실리카는 그렇지 않은 술폰화된 실리카에 비하여 더 높은 양성자 전도도를 가질 수 있다.The sulfonated silica to which the sulfonic acid group is directly connected to the silica may have a higher proton conductivity compared to the sulfonated silica that is not.

또한, 상기 술폰화된 실리카는 술폰산기가 실리카에 직접적으로 연결됨으로써 술폰산기의 함량이 낮음에도 불구하고 구조적 단순함 및 상기 불소계 고분자의 술폰산기와의 상호작용으로 인하여 이온교환용량(IEC)이 높을 수 있다.In addition, the sulfonated silica may have a high ion exchange capacity (IEC) due to structural simplicity and interaction with the sulfonic acid group of the fluorine-based polymer despite the low content of the sulfonic acid group as the sulfonic acid group is directly connected to the silica.

상기 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결된 술폰화된 실리카는 하기 화학식 1과 같은 구조를 갖는다.Sulfonated silica to which a sulfonic acid group is directly connected to the silica has a structure as shown in Formula 1 below.

<화학식 1><Formula 1>

Figure 112019053538716-pat00001
Figure 112019053538716-pat00001

상기 술폰화된 실리카는 실리카 전구체 및 술폰산 화합물로부터 합성될 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 다양한 전구체로부터 합성될 수 있다.The sulfonated silica may be synthesized from a silica precursor and a sulfonic acid compound, but is not limited thereto, and may be synthesized from various precursors.

상기 실리카 전구체는 비제한적인 예로, 실리카 겔(silica gel), 테트라메틸 오르소실리케이트(tetramethyl orthosilicate), 테트라에틸오르소실리케이트(tetraethyl orthosilicate), 테트라프로필오르소실리케이트(tetrapropyl orthosilicate), 테트라부틸오르소실리케이트(tetrabutyl orthosilicate) 또는 테트라이소프로필오르소실리케이트(tetraisopropyl orthosilicate) 일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The silica precursor may be non-limiting examples, such as silica gel, tetramethyl orthosilicate, tetraethyl orthosilicate, tetrapropyl orthosilicate, tetrabutyl ortho It may be a silicate (tetrabutyl orthosilicate) or tetraisopropyl orthosilicate (tetraisopropyl orthosilicate), but is not limited thereto.

상기 술폰산 화합물은 비제한적인 예로, 클로로술폰산(chlorosulfuric acid, Cl-SO3H), 황산(sulfuric acid, H2SO4) 또는 발연황산(fuming sulfuric acid, oleum)일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The sulfonic acid compound may be, but is not limited to, chlorosulfuric acid (Cl-SO 3 H), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), or fuming sulfuric acid (oleum), but is not limited thereto. Does not.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 복합 양성자 교환막은 비교적 간단한 구조의 전구체로부터 술폰화된 실리카를 얻을 수 있다는 장점이 있다.The composite proton exchange membrane provided in one aspect of the present invention has the advantage that sulfonated silica can be obtained from a precursor having a relatively simple structure.

상기 술폰화된 실리카에서 황의 함량은 0.5 wt% 내지 3 wt%일 수 있으며, 0.8 wt% 내지 2.5 wt%일 수 있으며, 1.0 wt% 내지 2.0 wt%일 수 있다.The sulfur content in the sulfonated silica may be 0.5 wt% to 3 wt%, 0.8 wt% to 2.5 wt%, and 1.0 wt% to 2.0 wt%.

상기 술폰화된 실리카는 상기 불소계 고분자를 기준으로 0.1 wt% 내지 2.0 wt% 포함될 수 있으며, 바람직하게는 0.2 wt% 내지 1.8 wt% 포함될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.3 wt% 내지 1.6 wt% 포함될 수 있으며, 더욱 더 바람직하게는 0.4 wt% 내지 1.4 wt% 포함될 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.5 wt% 내지 1.2 wt% 포함될 수 있다. 상기 술폰화된 실리카의 함량이 상기 불소계 고분자 대비 0.1 wt% 미만인 경우, 술폰화된 실리카의 술폰산기와 불소계 고분자의 술폰산기의 상호작용이 충분히 발생하지 않을 수 있다는 문제점이 있고, 2.0 wt%를 초과하는 경우 복합막 제작 자체가 어려워지며, 막의 전반적인 성능 하락이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.The sulfonated silica may be included in 0.1 wt% to 2.0 wt%, preferably 0.2 wt% to 1.8 wt%, and more preferably 0.3 wt% to 1.6 wt% based on the fluorine-based polymer. And, even more preferably 0.4 wt% to 1.4 wt% may be included, and most preferably 0.5 wt% to 1.2 wt% may be included. When the content of the sulfonated silica is less than 0.1 wt% of the fluorine-based polymer, there is a problem that the interaction between the sulfonic acid group of the sulfonated silica and the sulfonic acid group of the fluorine-based polymer may not occur sufficiently, and exceeding 2.0 wt% In this case, fabrication of the composite film itself becomes difficult, and there is a problem that the overall performance of the film may decrease.

상기 술폰화된 실리카는 양성자 교환막에서 필러로서 사용될 수 있으며, 이는 저습 환경에서의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.The sulfonated silica can be used as a filler in a proton exchange membrane, which can improve ionic conductivity in a low humidity environment.

상기와 같이 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결된 술폰화된 실리카의 경우, 복잡한 구조의 실리카 및 술폰산 전구체를 사용하지 않기 때문에 구조가 매우 단순하며, 이는 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결 될 수 있게 할 수 있다.In the case of the sulfonated silica having a sulfonic acid group directly connected to the silica as described above, the structure is very simple because the silica having a complex structure and the sulfonic acid precursor are not used, and this can allow the sulfonic acid group to be directly connected to the silica.

상기 술폰화된 실리카의 술폰산기와 상기 불소계 고분자의 술폰산기의 경우 서로 상호작용이 가능하며, 상기 단순한 화학적 구조로 구성이 되어 있는 술폰화된 실리카로 인해 친수성 영역의 확장이 확실하게 이루어질 수 있는 효과가 있다.The sulfonic acid group of the sulfonated silica and the sulfonic acid group of the fluorine-based polymer can interact with each other, and the hydrophilic region can be reliably expanded due to the sulfonated silica composed of the simple chemical structure. have.

상기 친수성 영역의 확장은 소수성 영역과 대비가 되는 효과를 가져 오기 때문에 보다 확실한 상분리가 나타나게 해주며, 이는 이온 채널의 확립과 연계되어 전 상대습도에서의 이온전도도의 전반적 향상으로 그 효과가 이어진다.Since the expansion of the hydrophilic region brings about a contrasting effect with the hydrophobic region, a more reliable phase separation occurs, which is linked to the establishment of an ion channel, leading to an overall improvement of the ionic conductivity at all relative humidity.

상기 술폰화된 실리카의 술폰산기와 상기 불소계 고분자의 술폰산기 간의 상호작용으로 인하여 열적 안정도 및 기계적 인장강도가 향상될 수 있다.Thermal stability and mechanical tensile strength may be improved due to the interaction between the sulfonic acid group of the sulfonated silica and the sulfonic acid group of the fluorine-based polymer.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 복합 양성자 교환막은 비교적 잘 분리된 상 모폴로지를 가지며(도 9b, 도 9d 참조), 이러한 소수성 및 친수성 간의 잘 조직화된 상 분리는 복합막에서의 양성자 이동을 촉진시킬 수 있다.The composite proton exchange membrane provided in one aspect of the present invention has a relatively well-separated phase morphology (see FIGS. 9b and 9d), and a well-organized phase separation between such hydrophobicity and hydrophilicity can promote proton transfer in the composite membrane. have.

또한, 우수한 수분 흡수율(water uptake)에 비하여 그 팽윤도는 낮으므로 저습환경에서도 비교적 우수한 성능을 보일 수 있다.In addition, the swelling degree is low compared to the excellent water uptake, so it can exhibit relatively excellent performance even in a low humidity environment.

또한, 상기 복합 양성자 교환막은 우수한 기계적 물성 및 열 안정성을 가질 수 있다.In addition, the composite proton exchange membrane may have excellent mechanical properties and thermal stability.

본 발명의 다른 측면에서In another aspect of the present invention

실리카 전구체 및 술폰산 화합물로부터 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결된 술폰화된 실리카를 합성하는 단계;Synthesizing sulfonated silica to which a sulfonic acid group is directly linked to the silica from the silica precursor and the sulfonic acid compound;

불소계 고분자 및 상기 합성된 술폰화된 실리카를 혼합하는 단계; 및Mixing the fluorine-based polymer and the synthesized sulfonated silica; And

상기 혼합된 불소계 고분자 및 술폰화된 실리카를 캐스팅하여 복합 양성자 교환막을 형성하는 단계;를 포함하는 복합 양성자 교환막 제조방법이 제공된다.There is provided a method for producing a composite proton exchange membrane comprising; casting the mixed fluorine-based polymer and sulfonated silica to form a composite proton exchange membrane.

이하 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 복합 양성자 교환막 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a composite proton exchange membrane provided in another aspect of the present invention will be described in detail for each step.

먼저 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 복합 양성자 교환막 제조방법은 실리카 전구체 및 술폰산 화합물로부터 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결된 술폰화된 실리카를 합성하는 단계를 포함한다.First, a method for preparing a composite proton exchange membrane provided in another aspect of the present invention includes synthesizing a sulfonated silica to which a sulfonic acid group is directly linked to the silica from a silica precursor and a sulfonic acid compound.

상기 실리카 전구체는 비제한적인 예로, 실리카 겔(silica gel), 테트라메틸 오르소실리케이트(tetramethyl orthosilicate), 테트라에틸오르소실리케이트(tetraethyl orthosilicate), 테트라프로필오르소실리케이트(tetrapropyl orthosilicate), 테트라부틸오르소실리케이트(tetrabutyl orthosilicate) 또는 테트라이소프로필오르소실리케이트(tetraisopropyl orthosilicate) 일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The silica precursor may be non-limiting examples, such as silica gel, tetramethyl orthosilicate, tetraethyl orthosilicate, tetrapropyl orthosilicate, tetrabutyl ortho It may be a silicate (tetrabutyl orthosilicate) or tetraisopropyl orthosilicate (tetraisopropyl orthosilicate), but is not limited thereto.

상기 술폰산 화합물은 비제한적인 예로, 클로로술폰산(chlorosulfuric acid, Cl-SO3H), 황산(sulfuric acid, H2SO4) 또는 발연황산(fuming sulfuric acid, oleum)일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The sulfonic acid compound may be, but is not limited to, chlorosulfuric acid (Cl-SO 3 H), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), or fuming sulfuric acid (oleum), but is not limited thereto. Does not.

상기 방법은 졸겔법(sol-gel method)에 의하여 수행될 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.The method may be performed by a sol-gel method, but is not limited thereto.

상기 단계는 소성가공하는 단계를 포함할 수 있다.The step may include plastic working.

상기 소성가공하는 단계는 100℃ 내지 700℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 200℃ 내지 600℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 250℃ 내지 550℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 가장 바람직하게는 300℃ 내지 500℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 소성가공은 상기 온도범위에서 온도를 승온해가며 수행될 수 있으며, 바람직하게는 3℃/min 내지 5℃/min의 온도로 승온할 수 있다.The plastic working step may be performed at a temperature of 100°C to 700°C, and preferably may be performed at a temperature of 200°C to 600°C, and more preferably at a temperature of 250°C to 550°C. And, most preferably, it can be carried out at a temperature of 300 ℃ to 500 ℃. The plastic processing may be performed while increasing the temperature in the above temperature range, and preferably, the temperature may be increased to a temperature of 3° C./min to 5° C./min.

상기 술폰화된 실리카는 상기 소성가공을 통하여 보다 강력한 산성 물질이 될 수 있다.The sulfonated silica may become a more powerful acidic material through the plastic processing.

상기 술폰화된 실리카를 합성하는 단계에서 술폰화된 실리카를 중성화될 때까지 세척하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 세척은 DI water로 수행될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.In the step of synthesizing the sulfonated silica, the step of washing the sulfonated silica until neutralized may be further included, and the washing may be performed with DI water, but is not limited thereto.

상기 술폰화된 실리카에서 황의 함량은 0.5 wt% 내지 3 wt%일 수 있으며, 0.8 wt% 내지 2.5 wt%일 수 있으며, 1.0 wt% 내지 2.0 wt%일 수 있다.The sulfur content in the sulfonated silica may be 0.5 wt% to 3 wt%, 0.8 wt% to 2.5 wt%, and 1.0 wt% to 2.0 wt%.

상기 술폰화된 실리카의 합성 단계는 그 전구체가 비교적 간단한 화학 구조를 가지고 있으며, 술폰화된 실리카를 비교적 용이하게 얻을 수 있다는 이점이 있다.The step of synthesizing the sulfonated silica has an advantage that the precursor has a relatively simple chemical structure, and the sulfonated silica can be obtained relatively easily.

다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 복합 양성자 교환막 제조방법은 불소계 고분자 및 상기 술폰화된 실리카를 혼합하는 단계를 포함한다.Next, a method for preparing a composite proton exchange membrane provided in another aspect of the present invention includes mixing a fluorine-based polymer and the sulfonated silica.

상기 불소계 고분자는 비제한적인 예로, 퍼플루오로술폰산(perfluorosulfonic acid), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 또는 폴리바이닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride)일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The fluorine-based polymer may be a non-limiting example, perfluorosulfonic acid, polytetrafluoroethylene, or polyvinylidenefluoride, but is not limited thereto.

예를 들어, 퍼플루오로술폰산은 우수한 기계적 안정성, 열적 안정성 및 높은 이온 전도도로 인하여 양성자 교환막에 사용되기에 바람직하다.For example, perfluorosulfonic acid is preferred for use in proton exchange membranes due to its excellent mechanical stability, thermal stability and high ionic conductivity.

상기 술폰화된 실리카는 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결될 수 있다.The sulfonated silica may have a sulfonic acid group directly connected to the silica.

상기 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결된 술폰화된 실리카는 그렇지 않은 술폰화된 실리카에 비하여 더 높은 양성자 전도도를 가질 수 있다.The sulfonated silica to which the sulfonic acid group is directly connected to the silica may have a higher proton conductivity compared to the sulfonated silica that is not.

상기 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결된 술폰화된 실리카는 하기 화학식 1과 같은 구조를 갖는다.Sulfonated silica to which a sulfonic acid group is directly connected to the silica has a structure as shown in Formula 1 below.

<화학식 1><Formula 1>

Figure 112019053538716-pat00002
Figure 112019053538716-pat00002

상기 술폰화된 실리카는 상기 불소계 고분자를 기준으로 0.1 wt% 내지 10 wt% 포함될 수 있으며, 바람직하게는 0.2 wt% 내지 5 wt% 포함될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.3 wt% 내지 3 wt% 포함될 수 있으며, 더욱 더 바람직하게는 0.5 wt% 내지 2 wt% 포함될 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.6 wt% 내지 1.2 wt% 포함될 수 있다.The sulfonated silica may be included in 0.1 wt% to 10 wt%, preferably 0.2 wt% to 5 wt%, more preferably 0.3 wt% to 3 wt% based on the fluorine-based polymer. And, even more preferably 0.5 wt% to 2 wt% may be included, and most preferably 0.6 wt% to 1.2 wt% may be included.

상기 술폰화된 실리카는 양성자 교환막에서 필러로서 사용될 수 있으며, 이는 저습 환경에서의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.The sulfonated silica can be used as a filler in a proton exchange membrane, which can improve ionic conductivity in a low humidity environment.

상기 불소계 고분자 및 상기 술폰화된 실리카를 혼합하는 단계는 상기 혼합된 불소계 고분자 및 술폰화된 실리카를 초음파 처리하는 단계 및 이를 교반하는 단계를 포함할 수 있다.The step of mixing the fluorine-based polymer and the sulfonated silica may include ultrasonicating the mixed fluorine-based polymer and the sulfonated silica, and stirring the mixture.

다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 복합 양성자 교환막 제조방법은 상기 혼합된 불소계 고분자 및 술폰화된 실리카를 캐스팅하여 복합 양성자 교환막을 형성하는 단계를 포함한다.Next, a method for producing a composite proton exchange membrane provided in another aspect of the present invention includes forming a composite proton exchange membrane by casting the mixed fluorine-based polymer and sulfonated silica.

상기 캐스팅하는 단계에서 혼합물은 50℃ 내지 120℃의 온도로 건조될 수 있다. 상기 건조 온도가 30℃ 미만인 경우 복합막 형성이 어려울 수 있다는 문제점이 있고, 상기 건조 온도가 150℃를 초과하는 경우 복합막 형성 과정에서 균열이 발생하거나 복합막의 두께가 불균일할 수 있다는 문제점이 있다.In the casting step, the mixture may be dried at a temperature of 50°C to 120°C. When the drying temperature is less than 30°C, there is a problem that it may be difficult to form a composite film, and when the drying temperature exceeds 150°C, there is a problem that cracks may occur or the thickness of the composite film may be non-uniform in the process of forming the composite film.

상기 단계 후에, 상기 복합 양성자 교환막을 80℃ 내지 100℃의 온도로 어닐링하는 단계를 더 포함할 수 있다. 어닐링하는 단계에 의하여 복합 양성자 교환막의 인장강도가 향상될 수 있다.After the step, it may further include annealing the composite proton exchange membrane at a temperature of 80 ℃ to 100 ℃. The tensile strength of the composite proton exchange membrane may be improved by the annealing step.

또한, 상기 단계 후에, 상기 복합 양성자 교환막을 황산 용액으로 처리하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 그 후 세척하는 단계를 거칠 수 있다. 상기 세척은 DI water로 수행될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.In addition, after the step, it may further include a step of treating the complex proton exchange membrane with a sulfuric acid solution, and thereafter may be subjected to a step of washing. The washing may be performed with DI water, but is not limited thereto.

본 발명의 다른 일 측면에서In another aspect of the present invention

양극;anode;

음극;cathode;

상기의 복합 양성자 교환막;The composite proton exchange membrane;

을 포함하는 막-전극 접합체가 제공된다.A membrane-electrode assembly comprising a is provided.

이하 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 막-전극 접합체를 각 구성별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a membrane-electrode assembly provided in another aspect of the present invention will be described in detail for each configuration.

상기 양극(10) 및 음극(10)은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 것을 사용할 수 있으므로 특별히 제한하지는 않는다.The positive electrode 10 and the negative electrode 10 are not particularly limited, since conventional ones can be used in the technical field to which the present invention pertains.

상기 양극 및 음극은 가스확산층(11) 및 촉매층(12)을 포함한다.The anode and cathode include a gas diffusion layer 11 and a catalyst layer 12.

상기 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원 반응을 촉진시키는 금속 촉매를 포함한다. 상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, 또는 Zn)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금, 백금-니켈 합금 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다.The catalyst layer includes a metal catalyst that promotes oxidation of hydrogen and reduction of oxygen. The catalyst layer is made of platinum, ruthenium, osmium, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, and platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, or Zn). It is preferable to include at least one selected from the group. In particular, it is preferred to include platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-cobalt alloy, platinum-nickel alloy, or mixtures thereof.

상기 금속 촉매는 일반적으로 담체에 지지된 상태로 사용된다. 상기 담체는 아세틸렌 블랙, 흑염과 같은 탄소계 재료; 또는 알루미나, 실리카와 같은 무기 미립자;를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매를 담지하는 담체는 다공성을 가지며 표면적이 150 ㎡/g 이상일 수 있으며, 구체적으로는 500 내지 1200 ㎡/g 일 수 있고, 평균 입경은 10 내지 300 nm 일 수 있으며, 구체적으로는 20 내지 100 nm일 수 있다.The metal catalyst is generally used while being supported on a carrier. The carrier may be a carbon-based material such as acetylene black or black salt; Alternatively, inorganic fine particles such as alumina and silica may be used. For example, the carrier supporting the catalyst has porosity and may have a surface area of 150 m 2 /g or more, specifically, 500 to 1200 m 2 /g, and an average particle diameter of 10 to 300 nm, specifically May be 20 to 100 nm.

상기 가스확산층은 탄소 페이퍼 또는 탄소천(cloth)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 가스확산층은 연료전지용 전극을 지지하는 역할을 하며 촉매층으로 반응가스를 확산시켜 촉매층으로 반응기체가 쉽게 접근할 수 있게 하는 역할을 한다. 상기 가스확산층은 탄소 페이퍼나 탄소 천을 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소계 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 발수처리된 탄소페이퍼 또는 탄소천은 연료 전지의 구동 시 발생하는 물에 의하여 가스 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.Carbon paper or carbon cloth may be used as the gas diffusion layer, but is not limited thereto. The gas diffusion layer serves to support the electrode for the fuel cell, and serves to diffuse the reaction gas into the catalyst layer so that the reactive body can easily access the catalyst layer. It is preferable to use the gas diffusion layer obtained by water-repelling carbon paper or carbon cloth with a fluorine-based resin such as polytetrafluoroethylene. The water-repellent-treated carbon paper or carbon cloth may prevent the gas diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven.

상기 복합 양성자 교환막(20)은 상술한 복합 양성자 교환막에 대한 내용이 적용될 수 있으며, 중복하여 설명하지 않는다.The composite proton exchange membrane 20 may be applied to the above-described composite proton exchange membrane, and will not be described in duplicate.

상기 복합 양성자 교환막은 음극과 양극 사이에 위치한다.The composite proton exchange membrane is located between the cathode and the anode.

본 발명의 또 다른 측면에서는In another aspect of the present invention

상기의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지가 제공된다.A fuel cell including the membrane-electrode assembly is provided.

상기 연료전지는 상술한 막-전극 접합체에 대한 내용이 적용될 수 있으며, 중복하여 설명하지 않는다.The fuel cell may be applied to the above-described membrane-electrode assembly, and will not be described in duplicate.

이하, 실시예, 비교예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through Examples, Comparative Examples and Experimental Examples. The scope of the present invention is not limited to specific embodiments, and should be interpreted by the appended claims. In addition, those who have acquired ordinary knowledge in this technical field should understand that many modifications and variations can be made without departing from the scope of the present invention.

<실시예 1> 0.5 wt%의 SSA가 포함된 복합막의 제조<Example 1> Preparation of a composite membrane containing 0.5 wt% of SSA

100 mL의 비커에 10 mL의 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS) 용액을 채우고 1.0 mL의 Cl-SO3H 용액을 비커에 넣었다. 백색 겔을 형성 할 때까지 혼합 용액을 교반한 후, 백색 겔을 도가니에 넣고 소성용 로에 넣었다. 대기압 하에서 온도 승온 속도는 4℃/분으로 하여 300℃ 내지 500℃ 범위에서 수행하였다. 소성 후 온도는 자연스럽게 25℃로 낮아졌으며, 생성된 물질을 중화 될 때까지 뜨거운 DI water로 세척하고, 건조시켜 술폰화된 실리카(SSA)를 얻었다.A 100 mL beaker was charged with 10 mL of tetraethyl orthosilicate (TEOS) solution, and 1.0 mL of a Cl-SO 3 H solution was added to the beaker. After stirring the mixed solution until a white gel was formed, the white gel was placed in a crucible and placed in a firing furnace. The temperature increase rate under atmospheric pressure was performed in the range of 300°C to 500°C at 4°C/min. After firing, the temperature was naturally lowered to 25°C, and the resulting material was washed with hot DI water until neutralized, and dried to obtain sulfonated silica (SSA).

그 후, 퍼플루오로술폰산 막인 나피온(Nafion)을 준비하였다. 에탄올과 혼합된 나피온 이오노머에 SSA를 0.5 wt% 첨가하였으며, 이 혼합물을 1시간 동안 초음파 처리하였다. 초음파 처리가 완료된 후, 상기 혼합물을 마그네틱 바를 사용하여 3 시간 동안 교반하였다. 복합막을 얻기 위해, 생성된 혼합물 용액을 평판 배양 접시에 부어 진공 오븐에서 건조시켰다. 용매 캐스팅 단계에서, 복합막은 50, 60, 70℃에서 1시간 동안 건조되었고, 80℃에서 4 시간 동안 건조되었다. 복합막을 100 ℃에서 3시간 동안 더 건조시킨 후 플레이트에서 벗겨냈다. 막을 4시간 동안 끓인 1M H2SO4 용액으로 처리 한 다음, 뜨거운 DI water로 여러 번 세척 하였다.Then, Nafion, a perfluorosulfonic acid membrane, was prepared. 0.5 wt% of SSA was added to the Nafion ionomer mixed with ethanol, and the mixture was sonicated for 1 hour. After the sonication was completed, the mixture was stirred for 3 hours using a magnetic bar. To obtain a composite membrane, the resulting mixture solution was poured into a plate culture dish and dried in a vacuum oven. In the solvent casting step, the composite membrane was dried at 50, 60, and 70°C for 1 hour and at 80°C for 4 hours. The composite membrane was further dried at 100° C. for 3 hours and then peeled off the plate. The membrane was treated with a 1M H 2 SO 4 solution boiled for 4 hours, and then washed several times with hot DI water.

<실시예 2> 1.0 wt%의 SSA가 포함된 복합막의 제조<Example 2> Preparation of a composite membrane containing 1.0 wt% of SSA

실시예 1과 동일한 방법으로 복합막을 제조하되, 나피온 이오노머에 1.0 wt%의 SSA를 첨가하였다.A composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1, but 1.0 wt% of SSA was added to the Nafion ionomer.

<실시예 3> 1.5 wt%의 SSA가 포함된 복합막의 제조<Example 3> Preparation of a composite membrane containing 1.5 wt% of SSA

실시예 1과 동일한 방법으로 복합막을 제조하되, 나피온 이오노머에 1.5 wt%의 SSA를 첨가하였다.A composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1, but 1.5 wt% of SSA was added to the Nafion ionomer.

<비교예 1> SSA가 포함되지 않은 복합막의 제조<Comparative Example 1> Preparation of a composite membrane containing no SSA

실시예 1과 동일한 방법으로 복합막을 제조하되, 나피온 이오노머에 SSA를 첨가하지 않았다.A composite membrane was prepared in the same manner as in Example 1, but SSA was not added to the Nafion ionomer.

<실험예 1> SSA 특성 분석<Experimental Example 1> SSA characteristic analysis

술폰화된 실리카의 형태를 조사하기 위하여, 실시예 2에 대하여, 푸리에 변환 적외선(FT-IR) 스펙트럼, 투과 전자 현미경(TEM), CHNS 분석기 및 X선 광전자 분광기(XPS)를 사용하였다. 자동 샘플러(> 6000 스캔)를 사용하는 Agilent Cary 600 FT-IR 분광기를 사용하여 개별 작용기의 진동 피크를 확인했다. 범위는 4000 에서 500 cm-1 이었고 해상도는 4 cm-1 이었다. 또한, SSA의 원소 함량을 확인하기 위해 CHNS 원소 분석기(Elementar; Vario MACRO cube)와 TEM(FE-TEM, Hitachi HF-3300) 에너지 분산 분광기(EDS)를 사용했다.In order to investigate the morphology of the sulfonated silica, for Example 2, a Fourier transform infrared (FT-IR) spectrum, a transmission electron microscope (TEM), a CHNS analyzer and an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used. An Agilent Cary 600 FT-IR spectrometer using an automatic sampler (> 6000 scans) was used to determine the vibration peaks of individual functional groups. The range was from 4000 to 500 cm -1 and the resolution was 4 cm -1 . In addition, a CHNS elemental analyzer (Elementar; Vario MACRO cube) and a TEM (FE-TEM, Hitachi HF-3300) energy dispersion spectroscopy (EDS) were used to check the element content of SSA.

도 3은 순수한 실리카와 비교하여 SAA의 FT-IR 스펙트럼을 나타내었다. SiO2의 넓은 Si-O-Si(비대칭) 스트레칭 및 Si-O-Si(대칭) 스트레칭 피크가 각각 1000 내지 1250 cm-1 및 약 800 cm-1에서 나타났다. SSA의 FT-IR 스펙트럼에서의 비대칭 Si-O-Si 스트레칭 피크 및 대칭 Si-O-Si 스트레칭 피크도 실리카 경우의 FT-IR 스펙트럼과 같은 범위에서 나타났다. 광대역 OH 스트레칭 피크는 2700에서 3700 cm-1로 나타났다. FT-IR 스펙트럼의 -SO3H와 SiO2의 스트레칭 피크가 비슷한 영역에서 형성된다는 것은 -SO3H와 Si-O-Si 피크가 1250 내지 1000 cm-1 영역에서 서로 겹친다는 것을 의미한다. SSA의 S-O 스트레칭 피크는 도 3b에서 667 cm-1에 나타나는데, 이를 통하여 SSA가 형성되었음을 알 수 있다. 이는 보고되는 SSA의 S-O의 피크 결과와 일치하는 값이다.Figure 3 shows the FT-IR spectrum of SAA compared to pure silica. The broad Si-O-Si (asymmetric) stretching and Si-O-Si (symmetric) stretching peaks of SiO 2 appeared at 1000 to 1250 cm -1 and about 800 cm -1 , respectively. The asymmetrical Si-O-Si stretching peak and the symmetrical Si-O-Si stretching peak in the FT-IR spectrum of SSA also appeared in the same range as the FT-IR spectrum in the case of silica. Broadband OH stretching peaks appeared from 2700 to 3700 cm -1 . The fact that the stretching peaks of -SO 3 H and SiO 2 in the FT-IR spectrum are formed in similar regions means that the -SO 3 H and Si-O-Si peaks overlap each other in the 1250 to 1000 cm -1 region. The SO stretching peak of SSA appears at 667 cm -1 in FIG. 3B, and it can be seen that SSA was formed. This is a value consistent with the reported peak result of the SO of SSA.

도 4의 EDS 스펙트럼을 통하여, O, Si 및 S가 포함됨을 알 수 있으며, 또한, 황 함량을 CHNS 분석기로 조사한 결과, S 함량 값은 1.65%로 확인되었다.From the EDS spectrum of FIG. 4, it can be seen that O, Si and S are included, and as a result of examining the sulfur content with a CHNS analyzer, the S content value was confirmed to be 1.65%.

또한, 도 5의 XPS 스펙트럼을 확인하면, 넓은 범위의 Si 2p XPS 스펙트럼의 피크는 100-105 eV 범위에서 나타났고, O 1s XPS 스펙트럼의 경우, Si-O와 Si-OH로 인해 528 ~ 535eV 부근의 광대역의 피크를 보이며, S 2p 피크는 170 eV 부근에서 관찰되었다. 이는 SSA의 -SO3H의 존재에 기인 한 것이다. FT-IR, EDS, CHNS 및 XPS 결과는 SiO2 표면에 술폰산기가 형성되었음을 확인할 수 있으며, 술폰화된 SiO2가 성공적으로 합성되었음을 의미한다.In addition, when checking the XPS spectrum of FIG. 5, the peak of the Si 2p XPS spectrum of a wide range appeared in the range of 100-105 eV, and in the case of the O 1s XPS spectrum, near 528 to 535 eV due to Si-O and Si-OH. It shows a broadband peak of, and the S 2p peak was observed around 170 eV. This is due to the presence of -SO 3 H in SSA. The FT-IR, EDS, CHNS and XPS results confirm that a sulfonic acid group was formed on the SiO 2 surface, indicating that the sulfonated SiO 2 was successfully synthesized.

<실험예 2> 막 특성 분석<Experimental Example 2> Analysis of membrane properties

실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 대하여 막의 특성을 측정하기 위하여, 수분 흡수율(water uptake, %), 이온교환용량(ion, exchange capacity, IEC), 팽윤도(%), 기계적 성질, 열 안정성(%) 및 막의 형태와 같은 막 모폴로지를 분석하였다.In order to measure the properties of the membrane for Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, water absorption (water uptake, %), ion exchange capacity (ion, exchange capacity, IEC), swelling degree (%), mechanical properties, heat The membrane morphology such as stability (%) and membrane morphology was analyzed.

수분 흡수율은 건조(Wdry) 및 습윤(Wwet) 조건 막의 중량으로부터 계산하였다. 습윤 막의 중량은 1일 동안 DI water에 샘플을 침지시킨 다음, 티슈 페이퍼를 사용하여 막 표면상의 물을 신속하게 제거한 후 습윤 상태 샘플의 중량을 측정함으로써 얻어졌다. 그 다음 샘플을 100 ℃의 진공 오븐에서 3시간 동안 건조시켜, 건조 막의 샘플 무게를 얻었다. 수분 흡수율의 계산은 하기 수학식 1과 같다.The moisture absorption rate was calculated from the weight of the film under dry (W dry ) and wet (W wet ) conditions. The weight of the wet film was obtained by immersing the sample in DI water for 1 day, then quickly removing the water on the surface of the film using tissue paper, and then measuring the weight of the wet sample. Then, the sample was dried in a vacuum oven at 100° C. for 3 hours to obtain a sample weight of the dried film. The calculation of the water absorption rate is as shown in Equation 1 below.

<수학식 1><Equation 1>

Figure 112019053538716-pat00003
Figure 112019053538716-pat00003

이온교환용량(IEC)은 적정에 의해 결정되었다. IEC 값을 계산하기 위해 건조 막을 준비하였다. 건조된 막(Wdry, mg)을 3M NaCl 용액에 하루 동안 동안 담근 후, 0.01M NaOH 용액(CNaOH, M)으로 적정하였고, 사용된 NaOH 용액의 부피(VNaOH, mL)를 측정하였다. IEC 값은 하기 수학식 2에 의해 계산되었다.The ion exchange capacity (IEC) was determined by titration. A dry membrane was prepared to calculate the IEC value. The dried membrane (W dry , mg) was immersed in 3M NaCl solution for one day, and then titrated with 0.01M NaOH solution (C NaOH , M), and the volume of the NaOH solution used (V NaOH , mL) was measured. The IEC value was calculated by Equation 2 below.

<수학식 2><Equation 2>

Figure 112019053538716-pat00004
Figure 112019053538716-pat00004

팽윤도는 건조(Ldry) 및 습윤(Lwet)상태의 막의 치수 변화를 계산함으로써 하기 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.The degree of swelling can be calculated as in Equation 3 below by calculating the dimensional change of the membrane in dry (L dry ) and wet (L wet ) states.

<수학식 3><Equation 3>

Figure 112019053538716-pat00005
Figure 112019053538716-pat00005

또한, 막의 기계적 특성을 확인하기 위해서 SFM-100 kN(United Testing Systems, USA)을 이용하여 표본 크기가 5 cm x 1.5 cm 인 막에 대해 측정하였다.In addition, in order to confirm the mechanical properties of the membrane, a sample size of 5 cm x 1.5 cm was measured using SFM-100 kN (United Testing Systems, USA).

열 안정성은 열 중량 분석기(Thermo plus EVO, TG8120)를 사용하여 분석하였다. 샘플을 담은 도가니를 가열하였으며, 도가니에 담긴 시료의 양은 10 mg을 넘었고, 실온 내지 900℃의 범위 내에서 20℃ min-의 속도로 온도를 조절하였다.Thermal stability was analyzed using a thermogravimetric analyzer (Thermo plus EVO, TG8120). The crucible containing the sample was heated, and the amount of the sample contained in the crucible exceeded 10 mg, and the temperature was adjusted at a rate of 20° C. min in the range of room temperature to 900° C.

막의 모폴로지를 분석하기 위해 비접촉 모드인 원자힘 현미경(AFM)인 XE-15(Park Systems, Korea)를 사용했다. 스캔 속도는 0.1 Hz 였고 X-Y 스캔 크기는 90 ㎛ × 90 ㎛ 였다.To analyze the morphology of the membrane, XE-15 (Park Systems, Korea), an atomic force microscope (AFM), which is a non-contact mode was used. The scan speed was 0.1 Hz and the X-Y scan size was 90 μm×90 μm.

막의 상 분리 형태를 조사하기 위해 투과 전자 현미경(TEM, FEI Tecnai G2 F20)을 사용하였다. 구리 격자 상에 놓기 전에, 막 샘플을 0.5 M 아세트산 납 수용액으로 염색하고 DI water로 부드럽게 씻어내었다. 염색 단계 후, 막 샘플을 진공 오븐에서 적어도 4시간 동안 건조시켰다. 건조된 시료를 에폭시 수지에 묻고 Leica 마이크로톰으로 절단 하였다. 절단된 막 샘플의 두께는 80 nm이었다.Transmission electron microscopy (TEM, FEI Tecnai G2 F20) was used to investigate the phase separation morphology of the membrane. Before placing on the copper grid, the membrane sample was stained with 0.5 M aqueous lead acetate solution and gently washed with DI water. After the dyeing step, the membrane samples were dried in a vacuum oven for at least 4 hours. The dried sample was buried in an epoxy resin and cut with a Leica microtome. The thickness of the cut film sample was 80 nm.

이에 대한 측정 결과는 하기 표 1과 같다.The measurement results for this are shown in Table 1 below.

수분 흡수율Moisture absorption rate
(%)(%)
이온교환용량 Ion exchange capacity
(mEq g(mEq g -1-One ))
팽윤도Degree of swelling
(%)(%)
양성자 전도도Proton conductivity
(80℃, 20% RH, mS cm(80℃, 20% RH, mS cm -1-One ))
양성자 전도도Proton conductivity
(80℃, 100% RH, mS cm(80℃, 100% RH, mS cm -1-One ))
비교예Comparative example 17.3 ± 0.317.3 ± 0.3 0.98 ± 0.030.98 ± 0.03 1313 55 111.4111.4 실시예 1Example 1
(SSA 0.5 wt%)(SSA 0.5 wt%)
22.0 ± 1.322.0 ± 1.3 1.20 ± 0.071.20 ± 0.07 1010 5.95.9 150.6150.6
실시예 2Example 2
(SSA 1.0 wt%)(SSA 1.0 wt%)
24.1 ± 1.124.1 ± 1.1 1.31 ± 0.071.31 ± 0.07 99 8.88.8 230.1230.1
실시예 3Example 3
(SSA 1.5 wt%)(SSA 1.5 wt%)
20.0 ± 0.420.0 ± 0.4 1.11 ± 0.081.11 ± 0.08 99 5.55.5 143.2143.2

실리카 및 SSA 자체의 이온교환용량(IEC) 값은 각각 0.08 및 0.64 mEq g-1로 SSA는 술폰산기의 존재 때문에 실리카보다 강한 산성을 띠게 된다.The ion exchange capacity (IEC) values of silica and SSA itself are 0.08 and 0.64 mEq g -1 , respectively, and SSA is more acidic than silica due to the presence of sulfonic acid groups.

그 결과로서, 실시예 1 내지 실시예 3은 비교예 1에 비하여 높은 수분 흡수율과 IEC 값을 갖게 된다. 그 결과 실시예 1 내지 실시예 3은 비교예 1에 비하여 높은 양성자 전도도를 보이며, 이는 저습환경에서도 마찬가지이다.As a result, Examples 1 to 3 have higher moisture absorption rates and IEC values compared to Comparative Example 1. As a result, Examples 1 to 3 show higher proton conductivity compared to Comparative Example 1, which is the same even in a low humidity environment.

반면, 실시예 1 내지 실시예 3은 비교예 1에 비하여 낮은 팽윤도를 가지는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, it can be seen that Examples 1 to 3 have a lower degree of swelling compared to Comparative Example 1.

특히 실시예 2의 경우, 가장 높은 수분 흡수율과 이온교환용량을 가지면서도 팽윤도는 낮음을 알 수 있다.In particular, in the case of Example 2, it can be seen that the swelling degree is low while having the highest water absorption rate and ion exchange capacity.

기계적 특성은 도 6을 통하여 확인할 수 있다. 도 6에서 SSA의 함량이 증가할수록 인장 강도가 향상됨을 확인할 수 있다. 각각의 최대 응력은 실시예 1 내지 실시예 3 각각에 대하여 16.3, 18.4, 19.4 N 인 것으로 나타난다. 반면 비교예 1의 최대 응력은 15.3 N 이다. 나피온과 SSA의 상호 작용으로 인하여 실시예 1 내지 실시예 3은 높은 최대 응력을 나타내며, 즉 기계적 강도가 향상됨을 알 수 있다.Mechanical properties can be confirmed through FIG. 6. In Figure 6, it can be seen that as the content of SSA increases, the tensile strength increases. Each maximum stress is shown to be 16.3, 18.4 and 19.4 N for each of Examples 1 to 3. On the other hand, the maximum stress of Comparative Example 1 is 15.3 N. It can be seen that Examples 1 to 3 exhibit high maximum stress due to the interaction of Nafion and SSA, that is, the mechanical strength is improved.

연신의 경우 실시예 1 내지 실시예 3은 비교예에 비하여 낮은 연신율을 보인다. 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1의 최대 연신율은 각각 5.6, 5.2, 4.6 및 6.5 mm 였다. 최대 응력은 SSA 함량이 증가함에 따라 향상되지만, 최대 연신율은 SSA 함량이 증가함에 따라 감소하게 된다.In the case of elongation, Examples 1 to 3 show lower elongation compared to the comparative examples. The maximum elongation of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was 5.6, 5.2, 4.6 and 6.5 mm, respectively. The maximum stress increases with increasing SSA content, but the maximum elongation decreases with increasing SSA content.

Nafion-SSA 복합 막의 최대 응력은 복합 막의 SSA 함량이 증가함에 따라 향상되었지만 Nafion-SSA 복합 막의 최대 연신율의 측면은 개조 된 Nafion보다 낮은 값을 나타냈다. 물 흡수와 Nafion-SSA 복합 막의 IEC 값은 개조 된 Nafion보다 높았지만 Nafion-SSA 복합 막의 팽창 정도는 SSA가 Nafion 백본과 상호 작용한다는 것을 의미하는 재구성 된 Nafion보다 낮았다.The maximum stress of the Nafion-SSA composite film improved as the SSA content of the composite film increased, but the aspect of the maximum elongation of the Nafion-SSA composite film showed a lower value than that of the modified Nafion. Water absorption and IEC values of the Nafion-SSA composite membrane were higher than that of the modified Nafion, but the degree of swelling of the Nafion-SSA composite membrane was lower than that of the reconstituted Nafion, which means that SSA interacts with the Nafion backbone.

도 7은 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1의 막의 열 안정성을 도시한다. 모든 막은 탈수(56 - 160℃), 탈황(270 - 420℃), 폴리머 백본 분해(400 - 550℃)와 같은 세 가지 감량 단계를 나타낸다.7 shows the thermal stability of the films of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. All membranes exhibit three reduction steps: dehydration (56-160 °C), desulfurization (270-420 °C) and polymer backbone decomposition (400-550 °C).

다만, 실시예 1 내지 실시예 3의 복합막의 경우 탈황 단계에서의 중량 감소 정도는 비교예 1보다 작음을 확인할 수 있다. SSA와 같은 술폰화된 필러는 술폰화된 필러와 고분자의 술폰산기 사이의 상호 작용으로 인해 열적 안정성이 향상되는 것이다. 실시예 1 내지 실시예 3의 복합막의 경우, 나피온의 술폰산기와 SSA가 서로 화학적으로 상호 작용한다는 것을 의미하는 개선된 열 안정성을 보인다. 또한, 이러한 상호 작용은 실시예 1 내지 실시예 3의 복합 막의 특히 폴리머 백본의 분해 단계에서의 열적 안정성에 긍정적인 영향을 미친다. 이러한 열 안정성 특성은 인장 변형 시험 결과 및 상 분리 모폴로지와도 잘 일치한다.However, in the case of the composite membranes of Examples 1 to 3, it can be seen that the degree of weight reduction in the desulfurization step is smaller than that of Comparative Example 1. Sulfonated fillers such as SSA have improved thermal stability due to the interaction between the sulfonated filler and the sulfonic acid group of the polymer. The composite membranes of Examples 1 to 3 exhibit improved thermal stability, meaning that the sulfonic acid groups of Nafion and SSA interact chemically with each other. In addition, this interaction has a positive effect on the thermal stability of the composite membranes of Examples 1 to 3, especially in the decomposition step of the polymer backbone. These thermal stability properties are in good agreement with tensile strain test results and phase separation morphology.

도 8은 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1의 AFM 이미지를 도시한다. 도 8a는 비교예 1, 도 8b는 실시예1, 도 8c는 실시예 2, 도 8d는 실시예 3의 AFM 이미지이다. 실시예 3의 경우 실시예 1 및 실시예 2에 비하여 큰 Rq 값(255 nm) 및 큰 응집도를 나타낸다. 이는 SSA가 에탄올과 혼합된 나피온 이오노머 용액에 잘 분산되더라도, SSA는 캐스팅 단계에서 쉽게 응고됨을 의미한다. 실시예 1 내지 실시예 3 각각의 Rq 값은 각각 65.6, 142, 255 nm 이며, 비교예 1의 경우 5.40 nm이다. 즉 SSA 함량이 증가할수록 Rq 값은 커지며, 실시예 2에 비하여 실시예 3의 경우 매우 큰 차이가 있음을 알 수 있다. 이는 실시예 2에 비하여 실시예 3에서 복합막의 양성자 전도도가 급격히 감소한 이유가 될 것이다.8 shows AFM images of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. 8A is an AFM image of Comparative Example 1, FIG. 8B is Example 1, FIG. 8C is Example 2, and FIG. 8D is Example 3. Example 3 shows a larger Rq value (255 nm) and a larger degree of aggregation compared to Examples 1 and 2. This means that although SSA is well dispersed in the Nafion ionomer solution mixed with ethanol, SSA is easily solidified in the casting step. Rq values of Examples 1 to 3 are 65.6, 142, and 255 nm, respectively, and in Comparative Example 1, they are 5.40 nm. That is, as the SSA content increases, the Rq value increases, and it can be seen that there is a very large difference in Example 3 compared to Example 2. This will be the reason for the rapid decrease in the proton conductivity of the composite membrane in Example 3 compared to Example 2.

도 9는 비교예 1 및 실시예 2의 SEM을 통한 상 분리 모폴로지를 보여준다. 도 9a와 도 9c는 비교예 1의 경우, 도 9b와 도 9d는 실시예 2의 경우를 나타낸다. 밝은 영역은 소수성 부분을, 어두운 영역은 술폰화된 리드기를 포함하는 친수성 부분을 나타낸다. 실시예 2의 경우 비교예 1에 비하여 현저한 상 분리를 확인할 수 있다. 특히 실시예 2의 경우 비교예 1에 비하여 더 명확하고 큰 친수성 부분을 갖기 때문에 SSA가 나피온의 술폰기와 상호작용할 수 있음을 알 수 있다. 이는 더 높은 양성자 전도도 및 우수한 열 특성을 보일 수 있도록 한다.9 shows the phase separation morphology through SEM of Comparative Examples 1 and 2. 9A and 9C show a case of Comparative Example 1, and FIGS. 9B and 9D show a case of Example 2. The bright regions represent the hydrophobic regions and the dark regions represent the hydrophilic regions containing the sulfonated lead groups. In the case of Example 2, compared to Comparative Example 1, significant phase separation can be confirmed. Particularly, in the case of Example 2, it can be seen that SSA can interact with the sulfone group of Nafion because it has a clearer and larger hydrophilic portion compared to Comparative Example 1. This makes it possible to exhibit higher proton conductivity and good thermal properties.

<실험예 3> 양성자 전도도 분석<Experimental Example 3> Proton conductivity analysis

실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 대하여 양성자 전도도를 측정하였다. 막 전도성 셀(Bekktech, Korea)을 이용한 4 탐침 측정 방법으로 측정하였다. 막 샘플을 전도성 셀에 넣고 고정 된 거리로 분리 된 두 개의 백금 전극과 접촉시켰으며, Potentiostat에서 상응하는 전류를 얻기 위해 두 개의 Pt 전극 사이의 특정 전압을 가했다. 80 ℃에서의 RH에 따른 막 전도율의 측정은 하기 수학식 4와 같다.Proton conductivity was measured for Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. It was measured by a four-probe measurement method using a membrane conductive cell (Bekktech, Korea). The membrane sample was placed in a conductive cell and contacted with two platinum electrodes separated by a fixed distance, and a specific voltage was applied between the two Pt electrodes to obtain a corresponding current in a potentiostat. The measurement of the film conductivity according to RH at 80° C. is shown in Equation 4 below.

<수학식 4><Equation 4>

Figure 112019053538716-pat00006
Figure 112019053538716-pat00006

여기서 R은 막의 저항(Ω), T는 막의 두께(cm), W는 시료의 폭(cm), L(cm)은 두 개의 Pt 전극 사이의 거리(L = 0.425cm)를 의미한다.Here, R is the resistance of the film (Ω), T is the thickness of the film (cm), W is the width of the sample (cm), and L (cm) is the distance between the two Pt electrodes (L = 0.425 cm).

그 측정값을 도 9에 나타내었다. 80℃ 하에서 습도를 20 ~ 100%로 변경해가며 측정하였다. 실시예 1 내지 실시예 3은 전체 RH 범위에서 비교예 1 보다 높은 양성자 전도도를 보였으며, 실시예 1과 실시예 3은 비슷한 양성자 전도도를 보였다. 또한, 실시예 2가 가장 높은 양성자 전도도를 보였으며, 20 %의 RH 조건에서 비교예 1에 비하여 약 1.7배 정도 우수한 양성자 전도도를 보였다. 실시예 1 내지 실시예 3의 경우, 높은 IEC 값에 의하여, 자체적으로 술폰산기를 갖는 SSA는 낮은 RH 조건에서도 높은 양성자 전도성을 나타내게 된다.The measured values are shown in FIG. 9. It was measured while changing the humidity to 20 ~ 100% under 80 ℃. Examples 1 to 3 showed higher proton conductivity than Comparative Example 1 in the entire RH range, and Examples 1 and 3 showed similar proton conductivity. In addition, Example 2 showed the highest proton conductivity, and showed about 1.7 times superior proton conductivity compared to Comparative Example 1 under a 20% RH condition. In the case of Examples 1 to 3, due to the high IEC value, SSA having a sulfonic acid group by itself exhibits high proton conductivity even under low RH conditions.

비교예 1 및 실시예 2의 활성화 에너지는 각각 8.20 및 7.70 kJ mol-1로 측정되는데(도 11 참조), 이를 통하여, SSA가 나피온 이오노머와 상호작용하기 때문에 낮은 활성화 에너지 값 및 높은 양성자 전도도를 갖는다는 것을 알 수 있다.Activation energies of Comparative Examples 1 and 2 were measured as 8.20 and 7.70 kJ mol -1 , respectively (see FIG. 11), through which SSA interacts with Nafion ionomer, resulting in low activation energy values and high proton conductivity. You can see that you have.

<실험예 4> 연료전지 특성 분석<Experimental Example 4> Fuel cell characteristic analysis

실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 대하여 활성 영역이 5 cm2 인 막 전극 접합체(MEA)를 제작하여 연료 전지 성능을 평가했다. MEA는 테프론 씰링 개스킷 사이에 추가되어 단일 셀에 삽입되었다. 수소와 산소 가스의 유속은 300 SCCM으로 고정되었고 셀 온도는 80℃였다. 특정 RH 조건을 제어하기 위해, 양극 및 음극 입구 부분을 이슬점 온도로 가열 하였다. RH의 여러 조건 하에서 0.6 V에서 MEA를 안정화시킨 후, 배압을 가하지 않고 모든 MEA의 연료 전지 성능을 측정 하였다.With respect to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, a membrane electrode assembly (MEA) having an active region of 5 cm 2 was prepared to evaluate fuel cell performance. MEA was added between Teflon sealing gaskets and inserted into a single cell. The flow rates of hydrogen and oxygen gas were fixed at 300 SCCM and the cell temperature was 80°C. To control specific RH conditions, the anode and cathode inlet portions were heated to a dew point temperature. After stabilizing the MEA at 0.6 V under various conditions of RH, the fuel cell performance of all MEAs was measured without applying back pressure.

25% RH, 80℃ 조건 하에서의 결과 값을 도 12에 나타내었다. 실시예 1 내지 실시예 3은 비교예 1에 비하여 우수한 성능을 보인다. 실시예 1 내지 실시예 3의 최대 출력 밀도는 각각 293, 454, 223 mW cm-2이며, 실시예 2의 경우 비교예 1(159 mW cm-2)에 비하여 2.85배 높은 값을 갖는다. 0.2 V 에서의 실시예 1 내지 실시예 3의 전류 밀도는 각각 1146, 2062, 885 mA cm-2 였다. 실시예 2의 경우 비교예 1(734 mA cm-2)에 비하여 2.81배 높은 값을 갖는다. 또한 실시예 2의 경우 HFR 값이 가장 낮아 연료 전지의 성능이 가장 우수할 수 있다.The result values under the conditions of 25% RH and 80°C are shown in FIG. 12. Examples 1 to 3 show superior performance compared to Comparative Example 1. The maximum power densities of Examples 1 to 3 are 293, 454, and 223 mW cm -2 , respectively, and Example 2 has a value 2.85 times higher than that of Comparative Example 1 (159 mW cm -2 ). The current densities of Examples 1 to 3 at 0.2 V were 1146, 2062 and 885 mA cm -2, respectively. Example 2 has a value 2.81 times higher than that of Comparative Example 1 (734 mA cm -2 ). In addition, in the case of Example 2, the HFR value is the lowest, and thus the performance of the fuel cell may be the best.

실시예 1 내지 실시예 3에 대하여, 25, 50, 75% RH 조건 하에서의 연료 전지 측정 값을 각각 도 13 내지 도 15에 도시하였다. 실시예 2의 경우가 모든 RH 조건하에서 가장 높은 연료전지 성능을 갖는다는 것을 알 수 있다.For Examples 1 to 3, measurement values of fuel cells under 25, 50, and 75% RH conditions are shown in FIGS. 13 to 15, respectively. It can be seen that the case of Example 2 has the highest fuel cell performance under all RH conditions.

10 전극
11 가스확산층
12 촉매층
20 양성자 교환막
10 electrodes
11 Gas diffusion layer
12 catalyst bed
20 proton exchange membrane

Claims (11)

불소계 고분자 및 술폰화된 실리카를 포함하는 복합 양성자 교환막으로,
상기 술폰화된 실리카는 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결된 것이며,
상기 술폰화된 실리카는 상기 불소계 고분자 기준 0.5 wt% 내지 1.5 wt%로 포함되는 것이며,
원자간력 현미경(AFM)으로 측정시 제곱평균제곱근 거칠기(Rq)가 65.6 내지 225 nm인 것을 특징으로 하는 복합 양성자 교환막.
A composite proton exchange membrane comprising a fluorine-based polymer and sulfonated silica,
The sulfonated silica is a sulfonic acid group directly connected to the silica,
The sulfonated silica is contained in an amount of 0.5 wt% to 1.5 wt% based on the fluorine-based polymer,
Complex proton exchange membrane, characterized in that the root mean square roughness (Rq) is 65.6 to 225 nm as measured by an atomic force microscope (AFM).
제1항에 있어서,
상기 불소계 고분자는 퍼플루오로술폰산(perfluorosulfonic acid), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene) 및 폴리바이닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합 양성자 교환막.
The method of claim 1,
The fluorine-based polymer is a complex proton exchange membrane, characterized in that at least one selected from the group consisting of perfluorosulfonic acid, polytetrafluoroethylene, and polyvinylidenefluoride.
삭제delete 실리카 전구체 및 술폰산 화합물로부터 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결된 술폰화된 실리카를 합성하는 단계;
불소계 고분자 및 상기 합성된 술폰화된 실리카를 혼합하는 단계; 및
상기 혼합된 불소계 고분자 및 술폰화된 실리카를 캐스팅하여 복합 양성자 교환막을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 불소계 고분자는 에탄올과 혼합된 것이며,
상기 술폰화된 실리카는 상기 불소계 고분자 기준 0.5 wt% 내지 1.5 wt%로 혼합되는 것을 특징으로 하는 복합 양성자 교환막 제조방법.
Synthesizing sulfonated silica to which a sulfonic acid group is directly linked to the silica from the silica precursor and the sulfonic acid compound;
Mixing the fluorine-based polymer and the synthesized sulfonated silica; And
Forming a complex proton exchange membrane by casting the mixed fluorine-based polymer and sulfonated silica; includes,
The fluorine-based polymer is mixed with ethanol,
The sulfonated silica is mixed with 0.5 wt% to 1.5 wt% based on the fluorine-based polymer.
제4항에 있어서,
상기 실리카 전구체는 실리카 겔(silica gel), 테트라메틸 오르소실리케이트(tetramethyl orthosilicate), 테트라에틸오르소실리케이트(tetraethyl orthosilicate), 테트라프로필오르소실리케이트(tetrapropyl orthosilicate), 테트라부틸오르소실리케이트(tetrabutyl orthosilicate) 및 테트라이소프로필오르소실리케이트(tetraisopropyl orthosilicate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합 양성자 교환막 제조방법.
The method of claim 4,
The silica precursor is silica gel, tetramethyl orthosilicate, tetraethyl orthosilicate, tetrapropyl orthosilicate, tetrabutyl orthosilicate And tetraisopropyl orthosilicate (tetraisopropyl orthosilicate) at least one member selected from the group consisting of a composite proton exchange membrane manufacturing method.
제4항에 있어서,
상기 술폰산 화합물은 클로로술폰산(chlorosulfuric acid, Cl-SO3H), 황산(sulfuric acid, H2SO4) 및 발연황산(fuming sulfuric acid, oleum)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합 양성자 교환막 제조방법.
The method of claim 4,
The sulfonic acid compound is characterized in that at least one selected from the group consisting of chlorosulfuric acid (Cl-SO 3 H), sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and fuming sulfuric acid (oleum). Composite proton exchange membrane manufacturing method.
제4항에 있어서,
상기 실리카 전구체 및 술폰산 화합물로부터 실리카에 술폰산기가 직접적으로 연결된 술폰화된 실리카를 합성하는 단계는 소성가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 양성자 교환막 제조방법.
The method of claim 4,
Synthesizing the sulfonated silica to which the sulfonic acid group is directly connected to the silica from the silica precursor and the sulfonic acid compound comprises plastic working.
제4항에 있어서,
상기 불소계 고분자는 퍼플루오로술폰산(perfluorosulfonic acid), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene) 및 폴리바이닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합 양성자 교환막 제조방법.
The method of claim 4,
The fluorine-based polymer is one or more selected from the group consisting of perfluorosulfonic acid, polytetrafluoroethylene, and polyvinylidenefluoride.
제4항에 있어서,
상기 혼합된 불소계 고분자 및 술폰화된 실리카를 캐스팅하여 복합 양성자 교환막을 형성하는 단계 후에,
상기 복합 양성자 교환막을 100℃ 내지 150℃의 온도로 어닐링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 양성자 교환막 제조방법.
The method of claim 4,
After the step of forming a complex proton exchange membrane by casting the mixed fluorine-based polymer and sulfonated silica,
Annealing the composite proton exchange membrane at a temperature of 100°C to 150°C.
양극;
음극;
제1항의 복합 양성자 교환막;
을 포함하는 막-전극 접합체.
anode;
cathode;
The composite proton exchange membrane of claim 1;
Membrane-electrode assembly comprising a.
제10항의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지.
A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly of claim 10.
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