KR101312262B1 - 고분자막, 그 제조방법 및 이를 채용한 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자막, 그 제조방법 및 이를 채용한 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 술폰화된 세공을 갖는 다공성 고분자 필름을 포함하는 고분자막, 그 제조방법 및 이를 채용한 연료전지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고분자막은 간편하고 경제적인 방법으로 제조될 수 있고, 이온 전도성이 우수하며, 연료전지에서 발생되는 크로스 오버 현상을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
다공성 고분자 필름, 술폰화, 연료전지

Description

고분자막, 그 제조방법 및 이를 채용한 연료전지{Polymer membrane, a method for preparing the polymer membrane and a fuel cell employing the same}
도 1은 본 발명에 따라서, 다공성 고분자 필름의 세공을 술폰화시킴으로써 술폰화된 세공을 갖는 다공성 고분자 필름을 제조하는 개략적인 공정도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 다른 구현예들에 따른 고분자막의 제조 공정들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예 2 및 비교예 1에 따라서 제조된 다공성 고분자 필름에 대한 IR 스펙트럼 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5a 내지 5c는 황산 용액 처리 전의 다공성 고분자 필름 (5a), 실시예 2에 따라서 제조된 다공성 고분자 필름 (5b) 및 실시예 4에 따라서 제조된 다공성 고분자 필름 (5c)에 대한 주사현자현미경 (SEM) 사진이다.
본 발명은 고분자막, 그 제조방법 및 이를 채용한 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 간편하고 경제적인 방법으로 제조될 수 있고, 이온 전도성 이 우수하며, 연료전지에서 발생되는 크로스 오버 현상을 효과적으로 감소시킬 수 있는 고분자막, 그 제조방법 및 이를 채용한 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 이는 산업용, 가정용 및 차량구동용 전력의 공급뿐만 아니라, 소형의 전기/전자 제품, 특히 휴대용 장치의 전력공급에도 적용될 수 있다.
연료전지는, 사용되는 전해질의 종류에 따라, 폴리머 전해질형 연료전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell), 인산 연료전지 (PAFC: phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지 (MCFC: molten carbonate fuel cell), 고체 산화물 연료전지 (SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분될 수 있다. 사용되는 전해질에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다.
연료전지는, 애노드에 대한 연료 공급방식에 따라, 연료개질기를 통하여 연료를 수소부화가스로 전환시킨 후 애노드에 공급하는 외부개질형과, 기체 또는 액체 상태의 연료를 직접 애노드에 공급하는 연료직접공급형 또는 내부개질형으로 구분될 수 있다.
연료직접 공급형의 대표적인 예는 직접 메탄올연료전지 (DMFC : direct methanol fuel cell)이다. 직접 메탄올 연료전지는 일반적으로 연료로서 메탄올 수용액을, 전해질로서 수소 이온전도성 폴리머 전해질막을 사용한다. 따라서, DMFC도 PEMFC에 속한다.
PEMFC는 소형 및 경량이어도 높은 출력밀도를 구현할 수 있다. 더욱이, PEMFC를 사용하면, 발전 시스템의 구성이 간단해진다.
PEMFC의 기본 구조는 통상적으로, 애노드(연료 전극), 캐소드(산화제 전극), 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 고분자 전해질막을 포함한다. PEMFC의 애노드에는 연료의 산화를 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있으며, PEMFC의 캐소드에는 산화제의 환원을 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있다.
PEMFC의 애노드에 공급되는 연료로서는 통상적으로, 수소, 수소 함유 가스, 메탄올과 물의 혼합 증기, 메탄올 수용액 등이 사용된다. PEMFC의 캐소드에 공급되는 산화제는 통상적으로 산소, 산소 함유 가스 또는 공기이다.
PEMFC의 애노드에서는, 연료가 산화되어 수소이온과 전자가 생성된다. 수소 이온은 전해질막을 통하여 캐소드로 전달되며, 전자는 도선(또는 집전체)을 통하여 외부회로(부하)로 전달된다. PEMFC의 캐소드에서는, 전해질막을 통하여 전달된 수소이온, 도선(또는 집전체)을 통하여 외부회로로부터 전달된 전자, 및 산소가 결합하여 물이 생성된다. 이 때, 애노드, 외부회로 및 캐소드를 경유하는 전자의 이동이 곧 전력이다.
PEMFC에 있어서, 고분자 전해질막은, 애노드로부터 캐소드로의 수소이온의 이동을 위한 이온 전도체의 역할을 할 뿐만 아니라, 애노드와 캐소드의 기계적 접촉을 차단하는 격리막 (separator)의 역할도 한다. 따라서, 고분자 전해질막에 대하여 요구되는 특성은, 우수한 이온전도도, 전기화학적 안전성, 높은 기계적 강도, 작동 온도에서의 열안정성, 박막화의 용이성 등이다.
고분자 전해질막의 재료로서는, 일반적으로, 불소화 알킬렌으로 구성된 주쇄 와 말단에 술폰산기를 갖는 불소화비닐 에테르로 구성된 측쇄를 갖는 술포네이트 고불화 폴리머 (예: Nafion : Dupont사의 상표)와 같은 폴리머 전해질이 사용되고 있으며, 이러한 폴리머 전해질막은 적정량의 물을 함습하므로써 우수한 이온 전도성을 발휘하게 된다.
그러나, 이러한 고분자막은 우수한 이온 전도성을 발휘한다는 장점을 갖지만, 이오노머 클러스터 (ionomer cluster)가 연결된 채널의 직경이 커서 연료의 크로스 오버 정도가 높고, 연료전지 조합시에 기계적 물성이 좋지 않아서 쉽게 휘므로, 그 제조가 어렵다는 문제점이 있으며, 더욱이 매우 고가의 물질이라는 단점이 있다.
따라서, 이러한 고가의 술포네이트 고불화 폴리머를 대체할 수 있는 다양한 고분자막의 개발이 이루어지고 있으며, 예를 들어 일본 공개특허공보 제1995-050170호는 술폰산기를 도입한 폴리올레핀 막으로 된 연료전지용 이온 교환막을 개시하고 있다.
그러나, 상기 언급한 일본 공개특허공보 제1995-050170호 역시, 방사선 (예를 들어, 전자선)을 조사한 후에, 술폰산기를 가지는 비닐 화합물 등을 접촉시키는 등, 복잡한 제조 공정을 필요로 할 뿐만 아니라, 우수한 이온 전도성 및 낮은 투과도를 갖는 고분자 전해질막을 간편하고도 경제적인 방법으로 제조하는 데에는 한계점을 지니고 있었다.
따라서, 본 발명은 상기 서술한 종래기술의 문제점을 해결하고자, 간편하고 경제적인 방법으로 제조될 수 있고, 이온 전도성이 우수하며, 연료전지에서 발생되는 크로스 오버 현상을 효과적으로 감소시킬 수 있는 고분자막, 그 제조방법 및 이를 채용한 연료전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 일 태양에서,
술폰화된 세공을 갖는 다공성 고분자 필름을 포함하는 고분자막을 제공한다.
본 발명은 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 태양에서,
다공성 고분자 필름을 준비하는 단계;
상기 다공성 고분자 필름을 술폰화를 위한 용액에 침지시키는 단계; 및
상기 침지 결과물을 세척 및 건조시킴으로써 고분자막을 제조하는 단계를 포함하는 고분자막의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 또 다른 태양에서,
캐소드;
애노드; 및
상기 캐소드와 애노드 사이에 개재된 상기 고분자막을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은, 술폰화된 세공을 갖는 다공성 고분자 필름을 포함하는 고분자막을 제공한다.
일반적으로, 연료전지에 사용되는 고분자 전해질막으로는 화학적 안정성 및 전도성이 우수한 술포네이트 고불화 폴리머 (예: Nafion : Dupont사의 상표) 등이 널리 사용되지만, 이는 가격이 매우 비싸고, 이오노머 클러스터가 연결된 세공의 직경이 커서 연료의 크로스 오버 (cross over) 현상이 심하며, 연료전지의 조합시에 쉽게 휘어진다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 종래 고분자 전해질막의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 세공을 갖는 저가의 다공성 고분자 필름에 있어서, 상기 세공을 술폰화 시킴으로써, 이온 전도성을 향상시키고, 크로스 오버 현상을 억제하고자 한다.
바람직하게는, 상기 다공성 고분자 필름은, 다공성 폴리올레핀 필름으로서, 구체적으로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 다공성 폴리에틸렌 필름, 다공성 폴리프로필렌 필름 또는 이들의 혼합 필름 등을 예로 들 수 있다.
상기 다공성 고분자 필름의 세공은 10nm 내지 10㎛의 평균 직경을 가지며, 세공의 총 부피는 다공성 고분자 필름의 총 부피 대비 10% 내지 90%인 것이 바람직한데, 세공의 평균 직경이 1nm 미만이거나, 세공의 부피 비율이 10% 미만인 경우에는 세공 내의 효과적인 술폰화가 이루어질 수 없다는 문제점이 있으며, 세공의 평균 직경이 10㎛를 초과하거나, 세공의 부피 비율이 90%를 초과하는 경우에는 필름의 기계적 물성이 떨어져서 전해질막으로 사용하는 데에 어려움이 있다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 고분자막의 두께는 0.5㎛ 내지 2000㎛인 것이 바람직한데, 그 두께가 0.5㎛ 미만인 경우에는 필름 제조가 어렵다는 문제점이 있고, 0.5㎛ 내 지 2000㎛를 초과하는 경우에는 막 저항이 과도하게 증가한다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
즉, 본 발명에 따른 고분자막은, 일반적으로 연료전지용 고분자막으로 사용되는 물질에 있어서, 이온 전도성이 증가할수록 투과성 역시 함께 증가한다는 점을 고려할 때에, 종래 통상적으로 널리 사용되는 Nafion 등과 같은 물질과 비교하였을 때에, 이에 뒤지지 않는 이온 전도성을 보유하면서도 동시에 낮은 투과성을 갖는다. 이는, 이온 전도도 수치를 투과도로 나눈 값, 즉 이온 전도도/투과도 수치에 있어서, 본 발명에 따른 고분자막이 Nafion 등과 같은 물질의 해당 수치에 비해서 동등하거나 또는 그 이상의 값을 갖는다는 것을 의미한다.
한편, 본 발명에 따른 고분자막은 세공의 술폰화에 있어서, 고분자막의 탄소 사슬에 술폰산기가 직접 결합된 형태를 가지며, 이는 고분자막의 탄소 원자와 술폰산기의 결합에 있어서, 어떠한 매개 화합물 또는 반응기가 개입되지 않으므로, 간단한 공정에 의해서 세공의 술폰화가 수행될 수 있다는 것을 의미한다.
더욱 구체적으로, 술폰화된 세공은 하기 화학식 1의 알칸 술폰산기, 화학식 2의 베타-술폰기, 화학식 3 또는 화학식 4의 알켄 술폰산기, 화학식 5의 감마-술폰기 또는 화학식 6의 델타-술폰기를 포함할 수 있다.
Figure 112006013424206-pat00001
Figure 112006013424206-pat00002
Figure 112006013424206-pat00003
Figure 112006013424206-pat00004
Figure 112006013424206-pat00005
Figure 112006013424206-pat00006
본 발명에 따른 고분자막은 그 이온 전도성을 더욱 향상시키거나, 막의 기계적 물성을 향상시키기 위해서, 그 일면 또는 양면에 이온 전도성 물질이 더 코팅된 것일 수도 있다. 이러한 이온 전도성 물질의 구체적인 예로는, 이에 제한되는 것 은 아니지만, 술포네이트 고불화 폴리머, 술포네이트 폴리술폰 (polysulfone), 술포네이트 폴리스티렌 (polystyrene), 술포네이트 폴리에테르에테르케톤 (polyetheretherketone), 술포네이트 폴리벤즈이미다졸 (polybenzimidazole), 술포네이트 폴리이미드 (polyimide) 및 술포네이트 폴리포스파젠 (polyphosphazene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 예로 들 수 있다.
본 발명은 다른 태양에서, 다공성 고분자 필름을 준비하는 단계; 상기 다공성 고분자 필름을 술폰화를 위한 용액에 침지시키는 단계; 및 상기 침지 결과물을 세척 및 건조시킴으로써 고분자막을 제조하는 단계를 포함하는 고분자막의 제조방법을 제공한다.
도 1에는 본 발명에 따라서, 다공성 고분자 필름의 세공을 술폰화시킴으로써 술폰화된 세공을 갖는 다공성 고분자 필름을 제조하는 개략적인 공정도를 도시하였다.
도 1을 참조하면, 먼저 다공성 고분자 필름을 준비하며, 이는 상기 언급한 바와 같이, 다공성 폴리올레핀 필름으로서, 구체적으로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 다공성 폴리에틸렌 필름, 다공성 폴리프로필렌 필름 또는 이들의 혼합 필름 등일 수 있으며, 그 세공은 10nm 내지 10㎛의 평균 직경을 갖고, 다공성 고분자 필름의 총 부피 대비 10% 내지 90%의 총 부피를 갖는 것이 바람직하다.
상기 다공성 고분자 필름의 술폰화를 위한 용액에의 침지 단계에서 상기 술폰화를 위한 용액이란 고분자 필름을 술폰화시킬 수 있는 용매 또는 용액으로서, 구체적으로는 이에 제한되는 것은 아니지만, 90% 이상의 황산, 발연 황산, 염화황 산 (chlorosulfonic acid) 등일 수 있으며, 세공 내로 술폰화를 위한 용액의 침투를 용이하게 하기 위해서, 보조 용매, 즉 디클로로메탄, 디클로로에탄, 클로로포름 또는 그 혼합물 등과 같은 용매를 술폰화를 위한 용매 또는 용액과 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 보조 용매와 상기 술폰화를 위한 용액의 혼합비는 상기 보조 용매 100 중량부에 대해서 상기 술폰화를 위한 용액 10 내지 500 중량부의 비율일 수 있다.
또한, 상기 술폰화를 위한 용액에의 침지 단계는 상온 내지 70℃의 온도에서 0.1시간 내지 24시간 동안 수행되는 것이 바람직한데, 침지 온도가 상기 범위 미만인 경우에는 원하는 정도의 술폰화를 달성하는 데에 너무 오랜 시간이 소요된다는 문제점이 있고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 시간이 너무 짧아서 재현성을 확보하기 어렵다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 이러한 침지 단계에 의해서 그 세공이 술폰화된 다공성 고분자 필름을 제조할 수 있게 되며, 이어서, 상기 술폰화된 다공성 고분자 필름을 세척 및 건조시킴으로써 본 발명에 따른 고분자막을 제조할 수 있게 된다. 상기 세척은 탈이온수 등을 사용하여 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 술폰화된 다공성 고분자 필름은 도 2a 및 2b에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 술폰화를 위한 용액에의 침지 과정 이후에, 황산 수용액에 침지시킴으로써 더욱 조밀한 형태의 술폰화된 다공성 고분자 필름으로 제조되거나, 상기 술폰화를 위한 용액에의 침지 결과물 또는 상기 황산 수용액에의 침지 결과물 표면에 이온 전도성 물질을 코팅함으로써 이온 전도성이 더욱 향상된 형태의 술폰화된 다공성 고분자 필름으로 제조될 수도 있다.
바람직하게는, 상기 황산 수용액은 30% 내지 50% 농도의 황산 수용액이며, 이러한 황산 수용액에의 침지 과정은 상온에서 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 또 다른 태양에서, 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 개재된 상기 고분자막을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다.
상기 캐소드 및 애노드는 가스 확산층과 촉매층으로 구성된다. 상기 촉매층은 관련 반응 (수소의 산화 및 산소의 환원)을 촉매적으로 도와주는 이른바 금속 촉매를 포함하는 것으로서, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금 (M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn중에서 선택된 1종 이상의 전이 금속임)중에서 선택된 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 그 중에서도 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금 및 백금-니켈중에서 선택된 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 일반적으로 상기 금속 촉매로는 담체에 지지된 것이 사용된다. 상기 담체로는 아세틸렌 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다.
상기 가스 확산층으로는 탄소 페이퍼나 탄소 천(cloth)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 가스 확산층은 연료 전지용 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 반응 가스를 확산시켜 촉매층으로 반응 기체가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 또한 이 가스 확산층은 탄소 페이퍼나 탄소 천을 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 가스 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.
또한, 상기 전극은 상기 가스 확산층과 상기 촉매층 사이에 가스 확산층의 가스 확산 효과를 더욱 증진시키기 위하여, 미세 다공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 상기 미세 다공층은 탄소 분말, 카본 블랙, 활성 탄소, 아세틸렌 블랙 등의 도전성 물질, 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 바인더 및 필요에 따라 이오노머를 포함하는 조성물을 도포하여 형성된다.
본 발명의 연료전지는 특히 직접 메탄올 연료전지인 것이 바람직하다.
이하, 도 3을 참조하여 상술한 고분자막을 포함하는 본 발명에 따른 연료전지 중 직접 메탄올 연료 전지에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 직접 메탄올 연료전지는 도 3과 같은 구조를 갖는다.
도 3에 나타나 있듯이, DMFC는 연료가 공급되는 애노드 (32), 산화제가 공급되는 캐소드 (30), 및 애노드 (32)와 캐소드 (30) 사이에 위치하는 전해질막 (41)을 포함한다. 일반적으로, 애노드 (32)는 애노드 확산층 (22)과 애노드 촉매층 (33)으로 이루어지며, 캐소드 (30)는 캐소드 확산층 (32)과 캐소드 촉매층 (31)으로 이루어진다.
애노드의 확산층 (22)을 통하여 애노드의 촉매층 (33)에 전달된 메탄올 수용액은 전자, 수소이온, 이산화탄소 등으로 분해된다. 수소이온은 전해질막 (41)을 통하여 캐소드 촉매층 (31)으로 전달되고, 전자는 외부회로로 전달되며, 이산화탄소는 외부로 배출된다. 캐소드 촉매층 (31)에서는, 전해질막 (41)을 통하여 전달된 수소이온, 외부회로로부터 공급된 전자, 그리고 캐소드 확산층 (32)을 통하여 전달된 공기 중의 산소가 반응하여 물을 생성한다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
다공성 고분자 필름으로서 평균 직경 약 0.5㎛를 가지며, 세공의 총 부피가 다공성 고분자 필름 총 부피의 약 70%이고, 두께 20㎛인 폴리에틸렌 필름 (Teklon 사 제조)을 준비하였다. 이어서, 상기 폴리에틸렌 필름을 발연 황산 (SO3 15%) 및 디클로로에탄의 부피비가 1:1.5인 60℃의 술폰화를 위한 용액 중에 3분 동안 침지시킨 후에, 50% 황산 수용액 중에 1분 동안 상온에서 다시 침지시켰다. 상기 결과물을 탈이온수로 세척하고, 상온에서 12시간 동안 건조시킴으로써 본 발명에 따른 고분자막을 제조하였다.
실시예 2
60℃의 술폰화를 위한 용액에의 침지 시간을 6분으로 하였다는 점을 제외하 고는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해서 본 발명에 따른 고분자막을 제조하였다.
실시예 3
60℃의 술폰화를 위한 용액에의 침지 시간을 9분으로 하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해서 본 발명에 따른 고분자막을 제조하였다.
실시예 4
60℃의 술폰화를 위한 용액에의 침지 시간을 12분으로 하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해서 본 발명에 따른 고분자막을 제조하였다.
실시예 5
실시예 2에서와 동일한 방법에 의해서 폴리에틸렌 필름을 60℃의 술폰화를 위한 용액 중에 6분 동안 침지시킨 이후에, 이를 80℃ 항온조에서 12시간 동안 건조시킴으로써 본 발명에 따른 고분자막을 제조하였다.
실시예 6
실시예 2에서와 동일한 방법으로 고분자막을 제조하되, 60℃의 술폰화를 위한 용액 중에 6분 동안 침지시킨 후에 NafionTM 용액 (중량분율 17%)에 1분동안 침지시키고, 상기 결과물을 탈이온수로 세척함으로써, 고분자막의 양면에 이온 전도성 물질층이 코팅된 본 발명에 따른 고분자막을 제조하였다.
비교예 1
술폰화를 위한 용액에의 침지에 있어서, 침지 온도 및 시간을 상온, 19시간으로 하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해서 비교예 1에 따 른 고분자막을 제조하였다.
비교예 2
시중에 널리 시판되는 전해질막으로서, Nafion 117 (Du PontTM)을 사용하였다.
도 4에는 실시예 2 및 비교예 1에 따라서 제조된 다공성 고분자 필름에 대한 IR 스펙트럼 결과를 나타내었다. 도 4의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 비교예 1에 따른 고분자막의 경우 술폰화 시간이 19시간으로서, 실시예 2의 6분에 비해서 월등히 긴 시간임에도 불구하고, IR 스펙트럼 상에 나타나는 술폰화 정도는 실시예 2에 비해서 훨씬 미약한 수준으로 나타난다.
또한, 하기 표 1의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 2와 5를 비교해 보면, 건조 온도를 증가시키면 이온 전도도는 약간 낮아지지만, 투과도는 더 많이 낮아지므로, 상대적으로 전해질막으로서 더욱 우수한 특성을 갖는 것을 알 수 있다
또한, 도 5a 내지 5c에는 황산 용액 처리 전의 다공성 고분자 필름, 실시예 2에 따라서 제조된 다공성 고분자 필름 및 실시예 4에 따라서 제조된 다공성 고분자 필름에 대한 주사현자현미경 (SEM) 사진을 도시하였다. 도 5a 내지 5c에서 볼 수 있는 바와 같이, 술폰화가 진행됨에 따라서 다공성 고분자 필름의 세공 크기가 감소하는 것을 알 수 있다.
더불어, 하기 표 1에는 실시예 1 내지 6 및 비교예 2에 따른 고분자막의 이 온 전도성, 투과도 및 이온전도성/투과도 값을 나타내었다.
고분자막 이온 전도성 (S/cm) 투과도 (cm2/sec) 이온 전도성/투과도
실시예 1 1.46 ×10-3 5.22 ×10-7 2.81 ×103
실시예 2 1.61 ×10-3 3.71 ×10-7 4.33 ×103
실시예 3 1.99 ×10-3 4.84 ×10-7 4.12 ×103
실시예 4 3.14 ×10-3 5.64 ×10-7 5.57 ×103
실시예 5 1.13 ×10-3 1.40 ×10-7 8.05 ×103
실시예 6 5.70 ×10-2 7.70 ×10-7 7.40 ×103
비교예 2 2.00 ×10-2 3.70 ×10-7 5.40 ×103
상기 표 1의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 고분자막은 종래 통상적으로 널리 사용되는 Nafion 등과 같은 물질과 비교하였을 때에, 이에 뒤지지 않는 이온 전도성을 보유하면서도 동시에 낮은 투과성을 갖는다.
본 발명에 따른 고분자막은 간편하고 경제적인 방법으로 제조될 수 있고, 이온 전도성이 우수하며, 연료전지에서 발생되는 크로스 오버 현상을 효과적으로 감소시킬 수 있다.

Claims (19)

  1. 술폰화를 위한 용액에의 침지 과정 후에, 황산 수용액에 침지된 다공성 폴리에틸렌필름을 포함하며,
    술폰화된 세공의 기공 크기가 술폰화되지 않은 세공의 기공 크기보다 작으며,
    상기 술폰화된 세공은 하기 화학식 1의 알칸 술폰산기, 화학식 2의 베타-술폰기, 화학식 3 또는 화학식 4의 알켄 술폰산기, 화학식 5의 감마-술폰기 또는 화학식 6의 델타-술폰기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자막:
    <화학식 1>
    Figure 712013002584137-pat00021
    <화학식 2>
    Figure 712013002584137-pat00022
    <화학식 3>
    Figure 712013002584137-pat00023
    <화학식 4>
    Figure 712013002584137-pat00024
    <화학식 5>
    Figure 712013002584137-pat00025
    <화학식 6>
    Figure 712013002584137-pat00026
    .
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자 필름의 세공은 10nm 내지 10㎛의 평균 직경을 가지며, 상기 세공의 총면적은 상기 다공성 고분자 필름의 총면적 대비 10% 내지 90%인 것을 특징으로 하는 고분자막.
  5. 제1항에 있어서, 상기 고분자막의 두께는 0.5㎛ 내지 2000㎛인 것을 특징으로 하는 고분자막.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 고분자막은 그 일면 또는 양면에 이온 전도성 물질이 더 코팅된 것을 특징으로 하는 고분자막.
  8. 제7항에 있어서, 상기 이온 전도성 물질은 술포네이트 고불화 폴리머, 술포네이트 폴리술폰 (polysulfone), 술포네이트 폴리스티렌 (polystyrene), 술포네이트 폴리에테르에테르케톤 (polyetheretherketone), 술포네이트 폴리벤즈이미다졸 (polybenzimidazole), 술포네이트 폴리이미드 (polyimide) 및 술포네이트 폴리포스파젠 (polyphosphazene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 고분자막.
  9. 제1항, 제4항 내지 제5항 및 제7항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 따른 고분자막의 제조방법으로서,
    다공성 고분자 필름을 준비하는 단계;
    상기 다공성 고분자 필름을 술폰화를 위한 용액에 침지시키는 단계;
    상기 다공성 고분자 필름을 황산 수용액에 침지시키는 단계; 및
    상기 침지 결과물을 세척 및 건조시킴으로써 고분자막을 제조하는 단계를 포함하는 고분자막의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 다공성 고분자 필름은 다공성 폴리올레핀 필름인 것을 특징으로 하는 고분자막의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 다공성 폴리올레핀 필름은 다공성 폴리에틸렌 필름, 다공성 폴리프로필렌 필름 또는 그 혼합 필름인 것을 특징으로 하는 고분자막의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 다공성 고분자 필름의 세공은 10nm 내지 10㎛의 평균 직경을 가지며, 상기 세공의 총 부피는 상기 다공성 고분자 필름의 총 부피 대비 10% 내지 90%인 것을 특징으로 하는 고분자막의 제조방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 술폰화를 위한 용액은 90% 이상의 황산, 발연 황산 또는 염화황산 (chlorosulfonic acid)인 것을 특징으로 하는 고분자막의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 술폰화를 위한 용액은 디클로로메탄, 디클로로에탄, 클로로포름 또는 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 보조 용매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자막의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 보조 용매와 상기 술폰화를 위한 용액의 혼합비는 상기 보조 용매 100 중량부에 대해서 상기 술폰화를 위한 용액 10 내지 500 중량부인 것을 특징으로 하는 고분자막의 제조방법.
  16. 삭제
  17. 제9항에 있어서, 상기 술폰화를 위한 용액에의 침지 단계 또는 상기 황산 수용액에의 침지 단계 이후에, 침지 결과물의 표면에 이온 전도성 물질을 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자막의 제조방법.
  18. 제9항에 있어서, 상기 황산 수용액은 30% 내지 50% 농도의 황산 수용액인 것을 특징으로 하는 고분자막의 제조방법.
  19. 캐소드;
    애노드; 및
    상기 캐소드와 애노드 사이에 개재된 제1항, 제4항 내지 제5항 및 제7항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 따른 고분자막을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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