KR20120009789A - Proton-conducting polymer, polymer electrolyte membrane comprising polymer, cation-exchange resin comprising polymer, cation-exchange membrane comprising polymer, method for preparing polymer - Google Patents

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KR20120009789A KR1020100070476A KR20100070476A KR20120009789A KR 20120009789 A KR20120009789 A KR 20120009789A KR 1020100070476 A KR1020100070476 A KR 1020100070476A KR 20100070476 A KR20100070476 A KR 20100070476A KR 20120009789 A KR20120009789 A KR 20120009789A
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서동완
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진현미
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Abstract

PURPOSE: A proton-conducting polymer is provided to reduce the use amount of a monomer for introducing a cation exchanger through a process after condensation polymerization, thereby variously using for a polymer electrolyte membrane, a cation exchange resin, or a cation exchange membrane. CONSTITUTION: A proton-conducting polymer is in chemical formula 1. In the chemical formula 1, Ar1 is a single bond, or substituted or unsubstituted C6-20 arylene group, E1 and E2 are selected from a sulfonic acid group, a sulfonated group, and a phosphate group, and R1, R2, R3, R4, R5 and R6 is hydrogen, a sulfonic acid group, a sulfonate group, a phosphate group, a substituted or unsubstituted C1-20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C2-20 alkynyl group, a substituted or unsubstituted C5-20 cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted C6-20 aryl, a substituted or unsubstituted C2-20 heteroaryl group, a substituted or unsubstituted C7-20 alkylaryl group, or a substituted or unsubstituted alkoxy group.

Description

양성자 전도성 중합체, 이를 포함하는 고분자 전해질막, 양이온 교환 수지, 양이온 교환막, 및 상기 중합체의 제조방법{Proton-conducting polymer, polymer electrolyte membrane comprising polymer, cation-exchange resin comprising polymer, cation-exchange membrane comprising polymer, method for preparing polymer}Proton-conducting polymer, cation exchange resin, cation exchange membrane, and method for producing the polymer, including proton conductive polymer, cation-exchange resin comprising polymer, cation-exchange membrane comprising polymer, method for preparing polymer}

본 발명은 후공정을 통해 양이온 교환기를 도입함으로써, 양이온 교환기를 갖는 단량체의 사용량을 저감할 수 있을 뿐만 아니라 고분자 전해질막, 양이온 교환수지 또는 양이온 교환막으로 사용될 수 있는 양성자 전도성 중합체, 이의 제조방법, 및 이의 용도에 관한 것이다. The present invention, by introducing a cation exchanger through a post-process, can reduce the amount of the monomer having a cation exchanger, as well as a proton conductive polymer that can be used as a polymer electrolyte membrane, a cation exchange resin or a cation exchange membrane, a method for producing the same, and To its use.

현대사회의 산업 발전에 따른 산업용수, 하천수의 오염을 방지하고, 유가금속 자원의 확보를 위해 많은 관심이 집중되고 있다. 이를 위한 방법으로 물리적, 화학적 방법이 알려져 있으며, 이중 화학적 방법으로 이온교환 방법이 가장 많이 사용되고 있다.In order to prevent the pollution of industrial water and river water according to the industrial development of the modern society, and to secure valuable metal resources, much attention has been focused. Physical and chemical methods are known as a method for this purpose, and ion exchange methods are most commonly used as a dual chemical method.

이온교환은 용액을 이온교환수지와 접촉시켜 용액 중에서 추출하고자 하는 이온을 수지의 관능기와 교환하여 용액 내 이온을 회수하는 방법으로서, 목적하는 이온을 용액으로부터 고체수지로 분리시키는 흡착단계, 흡착된 이온을 수지로부터 산이나 알칼리 용액으로 회수하는 세출단계 및 수지를 재사용하기 위한 재생단계로 설명할 수 있다. Ion exchange is a method of recovering ions in a solution by contacting a solution with an ion exchange resin to exchange ions to be extracted from the solution with a functional group of a resin. It can be described as an extraction step for recovering from the resin to the acid or alkaline solution and a regeneration step for reusing the resin.

이온교환수지는 기재수지에 도입되는 이온교환기의 종류, 이온교환수지의 형태에 의해 분류될 수 있다. 관능기에 따른 분류는 용액 중의 양이온을 자신의 양이온과 치환시켜 용액 중의 양이온을 제거하는 양이온교환수지와 용액 중의 음이온을 자신의 음이온과 치환시켜 용액 중의 음이온을 제거하는 음이온교환수지가 있다. 또한, 형태에 따른 분류는 입상형 이온교환체와 섬유형 이온교환제로 나눌 수 있다. Ion exchange resins may be classified according to the type of ion exchange groups introduced into the base resin and the type of ion exchange resin. The functional groups are classified into cation exchange resins for removing cations in a solution by replacing cations in the solution with their own cations and anion exchange resins for removing anions in a solution by replacing anions in the solutions with their anions. In addition, the classification according to the form can be divided into granular ion exchanger and fibrous ion exchanger.

현재 양이온교환수지로 스티렌에 디비닐벤젠을 가교제로 사용하여 제조된 3차원의 망상구조를 갖는 수지에 이온 교환기를 도입한 스티렌계 수지가 상용되고 있다. 이는 화학적으로 강산, 강염기에 안정하고, 설폰산기가 교환기로 되어 있어 전 pH 범위에서 이온교환이 가능하다는 장점이 있지만, 150℃ 이상으로 가열하면 분해되어 교환용량, 밀도, 수분 흡착이 저하하고, 186℃에서 24시간 가열하면 교환용량이 15?40% 저하되어 사용할 수 없는 단점이 있다. Currently, styrene-based resins incorporating ion exchangers into resins having a three-dimensional network structure made by using divinylbenzene as a crosslinking agent in styrene as a cation exchange resin are commercially available. It is chemically stable to strong acids and strong bases, and has the advantage of being capable of ion exchange in the entire pH range since sulfonic acid groups are exchangers, but when heated to 150 ° C. or higher, they are decomposed and the exchange capacity, density, and water adsorption are reduced. When heated at ℃ for 24 hours, the exchange capacity is reduced by 15 to 40%, there is a disadvantage that can not be used.

이러한 이온교환수지는 유가금속의 회수, 공기정화, 촉매, 수처리, 의약분야 및 단백질 분리 등에 다양하게 용도로 사용되고 있다. Such ion exchange resins are used for various purposes such as recovery of valuable metals, air purification, catalysts, water treatment, pharmaceuticals and protein separation.

그러나, 현재 사용되고 있는 이온교환수지는 이온교환 용량에 한계가 있고, 대부분 가교되어 있어 가공성이 떨어지는 단점이 있다. 이에 이러한 단점을 개선한 신규한 이온교환수지의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.However, currently used ion exchange resins have a limit in ion exchange capacity, and most of them are crosslinked, and thus have disadvantages of poor workability. Therefore, there is an urgent need for the development of new ion exchange resins that have alleviated these shortcomings.

상기 이온교환수지는 이온 교환능으로 인해 연료전지의 고분자 전해질막으로 응용될 수 있다.The ion exchange resin can be applied as a polymer electrolyte membrane of a fuel cell due to the ion exchange capacity.

고분자 전해질막의 종류는 크게 불소계(fluorinated PEM)와 탄화수소계(Hydrocarbon-based PEM)로 구분되는데, 그 중 탄화수소계 전해질막은 폴리이미드(PI), 폴리설폰(PSU), 폴리에테르케톤(PEK), 폴리아릴렌에테르설폰(PAES) 등의 고분자를 사용하여 제조되며, 일반적으로 불소계 전해질막에 비해 제조원가가 낮고, 열 안정성이 우수한 장점이 있다.Polymer electrolyte membranes are classified into fluorinated PEM and hydrocarbon-based PEM. Among them, hydrocarbon electrolyte membrane is polyimide (PI), polysulfone (PSU), polyether ketone (PEK), poly It is manufactured using a polymer such as arylene ether sulfone (PAES), and generally has a low manufacturing cost and excellent thermal stability as compared to a fluorine-based electrolyte membrane.

하지만, 탄화수소계 전해질막에는 불소계 막 수준의 수소이온 전도도를 부여하기 위하여 설폰산기 등 친수성 이온기가 도입되는데, 그에 따라 수분에 의한 과도한 팽윤으로 기계적 물성이 저하되어 막의 안정성이 떨어지고, 설폰화된 수지의 일부가 용출되는 문제점이 있다.However, hydrophilic ionic groups such as sulfonic acid groups are introduced to hydrocarbon electrolyte membranes in order to impart hydrogen ion conductivity of fluorine-based membranes. Accordingly, the mechanical properties are degraded due to excessive swelling by water, resulting in poor membrane stability. There is a problem that some are eluted.

상기 문제점을 보완하기 위하여 원료 수지에 공유결합에 의한 가교 구조를 도입하여 전해질막의 수용성을 낮추어 수지의 용출을 억제하거나, 고분자의 주쇄가 아닌 측쇄에 설폰산기를 도입하여 고분자 사슬의 유동성을 증가시킴으로써 수소이온의 전도도를 향상시키는 방법이 제안되었다. 그러나, 수소이온 전도도가 여전히 낮고, 가교에 의한 거대 고분자는 합성과정 및 이를 이용한 막 제조과정에 어려움이 있으며, 유리전이온도(Tg)의 상승으로 고분자의 유동성이 떨어져 막의 기계적 물성이 충분치 못한 문제점이 있다.In order to solve the above problems, a crosslinked structure by covalent bonding is introduced into the raw material resin to lower the water solubility of the electrolyte membrane to suppress elution of the resin, or by introducing sulfonic acid groups into the side chain rather than the main chain of the polymer to increase the fluidity of the polymer chain. A method for improving the conductivity of ions has been proposed. However, the hydrogen ion conductivity is still low, the macromolecule by crosslinking is difficult in the synthesis process and the membrane manufacturing process using the same, and due to the increase in glass transition temperature (Tg), the polymer fluidity of the membrane is insufficient due to insufficient fluidity of the membrane. have.

본 발명의 한 측면은 가공성 및 물리적 특성이 우수한 새로운 구조를 가지는 양성자 전도성 중합체를 제공하는 것이다.One aspect of the present invention is to provide a proton conductive polymer having a novel structure with excellent processability and physical properties.

본 발명의 또 다른 한 측면은 상기 중합체를 포함하는 고분자 전해질막을 제공하는 것이다.Another aspect of the invention to provide a polymer electrolyte membrane comprising the polymer.

본 발명의 또 다른 한 측면은 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체를 제공하는 것이다.Yet another aspect of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly including the polymer electrolyte membrane.

본 발명의 또 다른 한 측면은 상기 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane.

본 발명의 또 다른 한 측면은 상기 중합체를 포함하는 양이온 교환 수지를 제공하는 것이다.Another aspect of the invention is to provide a cation exchange resin comprising the polymer.

본 발명의 또 다른 한 측면은 상기 중합체를 포함하는 양이온 교환막을 제공하는 것이다.Another aspect of the invention is to provide a cation exchange membrane comprising the polymer.

본 발명의 다른 한 측면은 상기 양성자 전도성 중합체의 제조방법을 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a method for producing the proton conductive polymer.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 양성자 전도성 중합체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a proton conductive polymer represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 식에서,Where

Ar1이 단일 결합 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며;Ar 1 is a single bond or a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms;

E1 및 E2가 서로 독립적으로 수소, 설폰산기, 설폰산염기, 및 인산기에서 선택된 어느 하나이며,E 1 and E 2 are each independently selected from hydrogen, sulfonic acid group, sulfonate group, and phosphoric acid group,

R1, R2, R3, R4, R5 및 R6이 서로 독립적으로 수소, 설폰산기, 설폰산염기, 인산기, 치환 또는 비치환된 탄수소 1 내지 20의 직쇄 또는 분지형 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알키닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 5 내지 20의 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄수소 7 내지 20의 알킬아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기이며, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are each independently hydrogen, sulfonic acid group, sulfonate group, phosphoric acid group, substituted or unsubstituted straight or branched alkyl group of 1 to 20 carbon atoms, substituted Or an unsubstituted C2-C20 alkenyl group, a substituted or unsubstituted C2-C20 alkynyl group, a substituted or unsubstituted C5-C20 cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted C6-C20 aryl group , A substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkylaryl group having 7 to 20 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms,

단, E1, E2, R1, R2, R3, R4, R5 및 R6 중 하나 이상은 설폰산기, 설폰산염기, 또는 인산기이거나, 설폰산기, 설폰산염기, 또는 인산기로 치환된 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 시클로알킬기, 아릴기, 헤테로아릴기, 알킬아릴기, 또는 알콕시기이고,Provided that at least one of E 1 , E 2 , R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5, and R 6 is a sulfonic acid group, a sulfonate group, or a phosphoric acid group, or a sulfonic acid group, a sulfonate group, or a phosphoric acid group Substituted alkyl, alkenyl, alkynyl, cycloalkyl, aryl, heteroaryl, alkylaryl, or alkoxy groups,

a+b=4, c+d=4이며, a 및 c는 서로 독립적으로 1 내지 4의 정수이며;a + b = 4, c + d = 4 and a and c are each independently an integer of 1 to 4;

n은 중합도로서 10 내지 10,000이다.n is 10 to 10,000 as polymerization degree.

본 발명의 또 다른 한 측면에 따라 상기 중합체를 포함하는 고분자 전해질막이 제공된다.According to another aspect of the invention there is provided a polymer electrolyte membrane comprising the polymer.

본 발명의 또 다른 한 측면에 따라 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체가 제공된다.According to another aspect of the invention there is provided a membrane-electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane.

본 발명의 또 다른 한 측면에 따라 상기 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지가 제공된다.According to another aspect of the invention there is provided a fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane.

본 발명의 또 다른 한 측면에 따라 상기 중합체를 포함하는 양이온 교환 수지가 제공된다.According to another aspect of the invention there is provided a cation exchange resin comprising the polymer.

본 발명의 또 다른 한 측면에 따라 상기 중합체를 포함하는 양이온 교환막이 제공된다.According to another aspect of the invention there is provided a cation exchange membrane comprising the polymer.

본 발명의 또 다른 한 측면에 따라, According to another aspect of the invention,

하기 화학식 6 내지 9로 표시되는 화합물을 반응시켜 하기 화학식 10으로 표시되는 화합물을 제조하는 단계; 및Preparing a compound represented by Chemical Formula 10 by reacting a compound represented by Chemical Formula 6 to 9; And

하기 화학식 10으로 표시되는 화합물에 양이온 교환기를 도입하여 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 제조하는 단계;를 포함하는 양성자 전도성 중합체의 제조방법:A method of preparing a proton conductive polymer comprising: introducing a cation exchange group into a compound represented by Formula 10 to prepare a compound represented by Formula 3 below:

<화학식 6><Formula 6>

Figure pat00002
Figure pat00002

<화학식 7><Formula 7>

Figure pat00003
Figure pat00003

<화학식 8><Formula 8>

Figure pat00004
Figure pat00004

<화학식 9><Formula 9>

Figure pat00005
Figure pat00005

<화학식 10><Formula 10>

Figure pat00006
Figure pat00006

<화학식 3><Formula 3>

Figure pat00007
,
Figure pat00007
,

상기 식에서,Where

R'1, R'2, R'3, R'4, R'5, 및 R'6 은 수소, 치환 또는 비치환된 탄수소 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알키닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 5 내지 20의 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄수소 7 내지 20의 알킬아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기이며,R ' 1 , R' 2 , R ' 3 , R' 4 , R ' 5 , and R' 6 are hydrogen, a substituted or unsubstituted carbohydrate having 1 to 20 alkyl groups, or a substituted or unsubstituted carbon having 2 to 20 carbon atoms. Alkenyl group, substituted or unsubstituted C2-C20 alkynyl group, substituted or unsubstituted C5-C20 cycloalkyl group, substituted or unsubstituted C6-C20 aryl group, substituted or unsubstituted C2-C20 A heteroaryl group of 20, a substituted or unsubstituted alkylaryl group having 7 to 20 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms,

E1, E2, R1, R2, R3, R4, R5, R6, a, b, c, 및 d는 제1항에서 정의된 대로이며,E 1 , E 2 , R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , a, b, c, and d are as defined in claim 1,

Ar1이 단일 결합 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며,Ar 1 is a single bond or a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms,

Ar2 및 Ar3은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며,Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms,

X는 Cl, Br, I, 또는 F이고,X is Cl, Br, I, or F,

p 및 q는 몰분율이며, p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이며,p and q are mole fractions, p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,

r이 중합도로서 10 내지 10000이다.r is 10-10000 as a degree of polymerization.

본 발명에 따른 양성자 전도성 중합체는 후공정을 통해 2개 이상, 바람직하기로 4개 이상, 최대 8개의 양이온 교환기의 도입이 가능하여 상기 양이온 교환기의 도입을 위한 단량체의 사용량을 저감할 수 있다.The proton conductive polymer according to the present invention can introduce two or more, preferably four or more, up to eight cation exchangers through a post-process, thereby reducing the amount of monomer used for the introduction of the cation exchanger.

또한, 상기 양성자 전도성 중합체는 물리적 특성, 수소이온 전도도 이온교환능 및 금속이온 흡착능이 우수할 뿐만 아니라 가공이 용이하여 다양한 형태로 성형되어, 고분자 전해질막, 양이온 교환수지, 양이온 교환막 등의 광범위한 용도에 응용될 수 있다. In addition, the proton-conducting polymer is not only excellent in physical properties, hydrogen ion conductivity ion exchange capacity and metal ion adsorption capacity, but also easily processed and molded into various forms, and is applicable to a wide range of applications such as polymer electrolyte membrane, cation exchange resin, and cation exchange membrane. Can be.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 직접 메탄올 연료전지의 개략도이다.
도 2는 실시예 10 내지 12 및 비교예 3에서 제조한 단위전지의 전류밀도에 따른 전지 전압의 값을 도시한 그래프이다.
1 is a schematic diagram of a direct methanol fuel cell according to one embodiment of the invention.
2 is a graph showing the value of the battery voltage according to the current density of the unit cells manufactured in Examples 10 to 12 and Comparative Example 3.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 전도성 중합체, 이를 포함하는 고분자 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 채용한 연료전지 및 상기 중합체의 제조방법에 관하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, a proton conductive polymer according to an embodiment of the present invention, a polymer electrolyte membrane including the same, a membrane-electrode assembly including the same, a fuel cell employing the same, and a manufacturing method of the polymer will be described in more detail.

본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 전도성 중합체는 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함한다:Proton conductive polymer according to an embodiment of the present invention includes a repeating unit represented by the following formula (1):

<화학식 1><Formula 1>

Figure pat00008
Figure pat00008

상기 식에서,Where

Ar1이 단일 결합 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며;Ar 1 is a single bond or a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms;

E1 및 E2가 서로 독립적으로 수소, 설폰산기, 설폰산염기, 및 인산기에서 선택된 어느 하나이며,E 1 and E 2 are each independently selected from hydrogen, sulfonic acid group, sulfonate group, and phosphoric acid group,

R1, R2, R3, R4, R5 및 R6이 서로 독립적으로 수소, 설폰산기, 설폰산염기, 인산기, 치환 또는 비치환된 탄수소 1 내지 20의 직쇄 또는 분지형 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알키닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 5 내지 20의 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄수소 7 내지 20의 알킬아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기이며, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are each independently hydrogen, sulfonic acid group, sulfonate group, phosphoric acid group, substituted or unsubstituted straight or branched alkyl group of 1 to 20 carbon atoms, substituted Or an unsubstituted C2-C20 alkenyl group, a substituted or unsubstituted C2-C20 alkynyl group, a substituted or unsubstituted C5-C20 cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted C6-C20 aryl group , A substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkylaryl group having 7 to 20 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms,

단, E1, E2, R1, R2, R3, R4, R5 및 R6 중 하나 이상은 설폰산기, 설폰산염기, 또는 인산기이거나, 설폰산기, 설폰산염기, 또는 인산기로 치환된 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 시클로알킬기, 아릴기, 헤테로아릴기, 알킬아릴기, 또는 알콕시기이고,Provided that at least one of E 1 , E 2 , R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5, and R 6 is a sulfonic acid group, a sulfonate group, or a phosphoric acid group, or a sulfonic acid group, a sulfonate group, or a phosphoric acid group Substituted alkyl, alkenyl, alkynyl, cycloalkyl, aryl, heteroaryl, alkylaryl, or alkoxy groups,

a+b=4, c+d=4이며, a 및 c는 서로 독립적으로 1 내지 4의 정수이며;a + b = 4, c + d = 4 and a and c are each independently an integer of 1 to 4;

n은 중합도로서 10 내지 10,000이다.n is 10 to 10,000 as polymerization degree.

본 발명의 일실시예에 따른 상기 양성자 전도성 중합체가 우수한 물성을 가질 수 있는 가능한 근거에 관하여 이하에서 보다 구체적으로 설명하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 한정하려는 의도가 아니다.The probable ground in which the proton conductive polymer according to an embodiment of the present invention may have excellent physical properties will be described in more detail below, which is intended to help the understanding of the present invention, and thus, limits the scope of the present invention in any way. It is not intended to be.

상기 중합체에 포함된 양이온 교환기는 측쇄의 일 말단에 연결되는 것이 바람직하다. 상기 양이온 교환기가 상기 중합체 측쇄의 일 말단에 연결됨에 의하여 주쇄로부터 이격되어 비교적 자유롭게 움직일 수 있다. 상기 측쇄에 연결된 양이온 교환기는 중합체 내에서 계면활성제와 같은 역할을 수행할 수 있다. 그러므로, 상기 측쇄 말단의 양이온 교환기는 마이셀(micelle)과 같은 이온 채널을 형성하기가 용이하고, 상기 양이온 교환기가 측쇄에 연결된 위치를 조절함에 의하여 이온 채널의 크기도 조절할 수 있다. 결과적으로, 상기 양성자 전도성 중합체는 상기 이온 채널에 포함된 물의 양을 용이하게 조절할 수 있으며 높은 수소이온 전도도를 가질 수 있다.The cation exchange group included in the polymer is preferably connected to one end of the side chain. The cation exchange group is linked to one end of the polymer side chain and can move relatively freely away from the main chain. The cation exchanger linked to the side chain may serve as a surfactant in the polymer. Therefore, the cation exchanger at the side chain end is easy to form an ion channel such as a micelle, and the size of the ion channel can be controlled by controlling the position where the cation exchanger is connected to the side chain. As a result, the proton conductive polymer can easily control the amount of water contained in the ion channel and can have high hydrogen ion conductivity.

종래의 일반적인 양성자 전도성 중합체는 양이온 교환기가 주쇄에 직접 연결됨에 의하여 중합체 내에서 양이온 교환기의 함량이 높아지면 중합체 자체가 물에 녹게 되어 전해질막의 기능이 상실될 수 있어 양이온 교환기의 함량에 한계가 있다. 그러므로, 양이온 교환기가 주쇄에만 연결된 종래의 일반적인 양성자 전도성 중합체는 높은 수소이온 전도도를 가지기 어려우며 메탄올의 주쇄를 통한 투과가 용이할 수 있다.Conventional proton-conducting polymers have a limitation in the content of the cation exchanger because the cation exchanger is directly connected to the main chain to increase the content of the cation exchanger in the polymer, so that the polymer itself is dissolved in water and thus the function of the electrolyte membrane may be lost. Therefore, conventional general proton conducting polymers in which a cation exchanger is connected only to the main chain are difficult to have high hydrogen ion conductivity and may be easily permeable through the main chain of methanol.

또한, 상기 중합체에서 양이온 교환기가 주쇄로부터 이격되어 존재함에 의하여 상기 중합체에서 친수부와 소수부가 분리되므로, 소수부인 주쇄를 경유하는 메탄올의 투과가 더욱 억제될 수 있다. 또한, 양이온 교환기가 주쇄에 존재하지 않고 측쇄에 존재함에 의하여 양성자 전도성 중합체 자체의 유연성이 향상되고, 열안정성, 산화/환원반응에 대한 안정성도 향상될 수 있다.In addition, since the hydrophilic part and the hydrophobic part in the polymer are separated by the presence of a cation exchange group spaced apart from the main chain in the polymer, permeation of methanol via the main chain which is a hydrophobic part can be further suppressed. In addition, since the cation exchanger is not present in the main chain but in the side chain, the flexibility of the proton conductive polymer itself may be improved, and thermal stability and stability to oxidation / reduction reaction may be improved.

상기 양이온 교환기로는 술폰산기 (-SO3H) 또는 술폰산염기 (-SO3M, 여기서 M은 리튬, 나트륨, 또는 칼륨임), -OPO3H로 표시되는 인산기 등이 가능하다. 특히, 상기 술폰산기 또는 술폰산염기는 C-S 결합이 산화 조건에 강한 저항성을 갖고 있어 유리하다.In the cation exchange group is capable of such a sulfonic acid group (-SO 3 H) or a sulfonic acid base (-SO 3 M, where M is lithium, being sodium or potassium), phosphoric acid group represented by -OPO 3 H. In particular, the sulfonic acid group or sulfonate group is advantageous because the CS bond has a strong resistance to oxidation conditions.

전술한 치환기의 정의를 구체적으로 살펴보면 다움과 같다.Looking at the definition of the above-described substituents in detail as follows.

상기 본 발명에서 사용되는 치환기인 알킬기는 1 내지 20개, 바람직하게는 1 내지 10개, 보다 바람직하게는 1 내지 6개의 탄소 원자의 직쇄 또는 분지쇄 포화 1가 탄화수소 부위를 의미한다. 본 발명에서 사용되는 치환기인 비치환된 알킬기의 구체적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, 이소부틸, sec-부틸, tert-부틸, 펜틸, iso-아밀, 헥실 등을 들 수 있다. 또한, 본 명세서에서 다르게 정의하지 않는 이상, 상기 알킬기에 포함되어 있는 하나 이상의 수소 원자는 할로겐 원자, 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 치환 또는 비치환된 아미노기(-NH2, -NH(R), -N(R')(R''), R'과 R"은 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬기임), 아미디노기, 히드라진, 또는 히드라존,기 카르복실기, 술폰산기, 인산기, C1-C20의 알킬기, C1-C20의 할로겐화된 알킬기, C1-C20의 알케닐기, C1-C20의 알키닐기, C1-C20의 헤테로알킬기, C6-C20의 아릴기, C6-C20의 아릴알킬기, C6-C20의 헤테로아릴기, 또는 C6-C20의 헤테로아릴알킬기로 치환될 수 있다.The alkyl group, which is a substituent used in the present invention, refers to a straight or branched chain saturated monovalent hydrocarbon moiety of 1 to 20, preferably 1 to 10, more preferably 1 to 6 carbon atoms. Specific examples of the unsubstituted alkyl group which is a substituent used in the present invention include methyl, ethyl, propyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl, pentyl, iso-amyl, hexyl and the like. In addition, unless otherwise defined herein, at least one hydrogen atom included in the alkyl group may be a halogen atom, a hydroxy group, a nitro group, a cyano group, a substituted or unsubstituted amino group (-NH 2 , -NH (R), -N (R ') (R''),R' and R "are independently of each other an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms), amidino group, hydrazine, or hydrazone, group carboxyl group, sulfonic acid group, phosphoric acid group, C1- C20 alkyl group, C1-C20 halogenated alkyl group, C1-C20 alkenyl group, C1-C20 alkynyl group, C1-C20 heteroalkyl group, C6-C20 aryl group, C6-C20 arylalkyl group, C6-C20 It may be substituted with a heteroaryl group, or a C6-C20 heteroarylalkyl group.

상기 본 발명에서 사용되는 치환기인 알케닐기는 1 이상의 탄소-탄소 이중 결합을 포함하는 2 내지 20개, 바람직하게는 2 내지 10개, 보다 바람직하게는 2 내지 6개의 탄소 원자의 직쇄 또는 분지쇄 1가 탄화수소 부위를 의미한다. 알케닐기는 탄소-탄소 이중 결합을 포함하는 탄소 원자를 통해 또는 포화된 탄소 원자를 통해 결합될 수 있다. 알케닐기의 예로서 에테닐, 1-프로페닐, 2-프로페닐, 2-부테닐, 3-부테닐, 펜테닐, 5-헥세닐, 도데세닐 등을 들 수 있다. 상기 알케닐기 중 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.The alkenyl group which is a substituent used in the present invention is a straight or branched chain 1 of 2 to 20, preferably 2 to 10, more preferably 2 to 6 carbon atoms containing at least one carbon-carbon double bond. Means a hydrocarbon moiety. Alkenyl groups may be bonded through a carbon atom comprising a carbon-carbon double bond or through a saturated carbon atom. Examples of the alkenyl group include ethenyl, 1-propenyl, 2-propenyl, 2-butenyl, 3-butenyl, pentenyl, 5-hexenyl, dodecenyl, and the like. At least one hydrogen atom of the alkenyl group may be substituted with the same substituent as in the alkyl group.

상기 본 발명에서 사용되는 치환기인 알키닐은 1 이상의 탄소-탄소 삼중 결합을 포함하는 2 내지 20개, 바람직하게는 2 내지 10개, 보다 바람직하게는 2 내지 6개의 탄소 원자의 직쇄 또는 분지쇄 1가 탄화수소 부위를 의미한다. 대표적인 직쇄 및 분지형 알키닐기로는 아세틸레닐, 프로피닐, 1-부티닐, 2-부티닐, 1-펜티닐, 2-펜티닐, 3-메틸-1-부티닐, 4-펜티닐, 1-헥시닐, 2-헥시닐, 5-헥시닐, 1-헵티닐, 2-헵티닐, 6-헵티닐, 1-옥티닐, 2-옥티닐, 7-옥티닐, 1-노니닐, 2-노니닐, 8-노니닐, 1-데시닐, 2-데시닐, 9-데시닐 등이 있다. Alkynyl, which is a substituent used in the present invention, is a straight or branched chain of 2 to 20, preferably 2 to 10, more preferably 2 to 6 carbon atoms containing at least one carbon-carbon triple bond. Means a hydrocarbon moiety. Representative straight and branched alkynyl groups include acetylenyl, propynyl, 1-butynyl, 2-butynyl, 1-pentynyl, 2-pentynyl, 3-methyl-1-butynyl, 4-pentynyl, 1 -Hexynyl, 2-hexynyl, 5-hexynyl, 1-heptinyl, 2-heptinyl, 6-heptinyl, 1-octinyl, 2-octynyl, 7-octinyl, 1-noninyl, 2 -Noninyl, 8-noninyl, 1-decynyl, 2-decynyl, 9-decynyl and the like.

상기 본 발명에서 사용되는 치환기인 아릴기는 6 내지 20개, 바람직하게는 6 내지 18개의 고리 원자를 가지는 1가 모노시클릭, 바이시클릭 또는 트리시클릭 방향족 탄화수소 부위를 의미하며, 1 이상의 할로겐 치환체에 의해 임의로 치환될 수 있다. 아릴기의 방향족 부분은 탄소 원자만을 포함한다. 아릴기의 예로서 페닐, 나프탈레닐 및 플루오레닐을 들 수 있고, 상기 아릴기 중 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.The aryl group, which is a substituent used in the present invention, means a monovalent monocyclic, bicyclic or tricyclic aromatic hydrocarbon moiety having 6 to 20, preferably 6 to 18 ring atoms, and at least one halogen substituent May be optionally substituted by. The aromatic portion of the aryl group contains only carbon atoms. Examples of the aryl group include phenyl, naphthalenyl and fluorenyl, and at least one hydrogen atom in the aryl group may be substituted with the same substituent as in the alkyl group.

본 발명에서 사용되는 치환기인 헤테로아릴기는 N, O, P 또는 S 중에서 선택된 1, 2 또는 3개의 헤테로 원자를 포함하고, 나머지 고리 원자가 C인 고리원자수 5 내지 30의 고리 방향족 시스템을 의미하며, 상기 고리들은 펜던트 방법으로 함께 부착되거나 또는 융합(fused)될 수 있다. 그리고 상기 헤테로아릴기중 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.Heteroaryl group which is a substituent used in the present invention means a ring aromatic system having 5 to 30 ring atoms containing 1, 2 or 3 hetero atoms selected from N, O, P or S, and the remaining ring atoms are C, The rings may be attached or fused together in a pendant manner. At least one hydrogen atom in the heteroaryl group may be substituted with the same substituent as in the alkyl group.

본 발명에서 사용되는 치환기인 알킬아릴기는 상기 정의된 바와 같은 아릴기에서 수소 원자중 일부가 저급알킬, 예를 들어 메틸, 에틸, 프로필 등과 같은 라디칼로 치환된 것을 의미한다. 예를 들어 벤질, 페닐에틸 등이 있다. 상기 아릴알킬기중 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.Alkylaryl group, which is a substituent used in the present invention, means that some of the hydrogen atoms in the aryl group as defined above are substituted with radicals such as lower alkyl, for example methyl, ethyl, propyl and the like. For example benzyl, phenylethyl and the like. At least one hydrogen atom of the arylalkyl group may be substituted with the same substituent as in the alkyl group.

본 발명에서 사용되는 치환기인 알콕시기는 라디칼 -O-알킬을 말하고, 이때 알킬은 위에서 정의된 바와 같다. 구체적인 예로는 메톡시, 에톡시, 프로폭시, 이소부틸옥시, sec-부틸옥시, 펜틸옥시, iso-아밀옥시, 헥실옥시 등을 들 수 있고, 상기 알콕시기중 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.The alkoxy group which is a substituent used in the present invention refers to the radical -O-alkyl, wherein alkyl is as defined above. Specific examples thereof include methoxy, ethoxy, propoxy, isobutyloxy, sec-butyloxy, pentyloxy, iso-amyloxy, hexyloxy, and the like. At least one hydrogen atom of the alkoxy group is an alkyl group. Substituents similar to the above can be substituted.

본 발명에서 사용되는 사이클로알킬기는 탄소원자수 3 내지 20, 바람직하게는 3 내지 10개, 보다 바람직하게는 3 내지 6개의 1가 모노사이클릭 시스템을 의미한다. 상기 사이클로알킬기중 적어도 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다. By cycloalkyl group used in the present invention is meant a monovalent monocyclic system having 3 to 20 carbon atoms, preferably 3 to 10 carbon atoms, more preferably 3 to 6 carbon atoms. At least one hydrogen atom in the cycloalkyl group may be substituted with the same substituent as in the alkyl group.

본 발명에서 사용되는 아릴렌기는 6 내지 20개, 바람직하게는 6 내지 12개의 고리 원자를 가지는 2가 모노시클릭, 바이시클릭 또는 트리시클릭 방향족 탄화수소 부위를 의미한다. 아릴렌기의 예로는 페닐렌, 비페닐렌, 터페닐렌, 나프탈렌 등을 들 수 있으며, 마찬가지로 상기 아릴렌기 중 하나 이상의 수소 원자는 상기 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.The arylene group used in the present invention means a divalent monocyclic, bicyclic or tricyclic aromatic hydrocarbon moiety having 6 to 20, preferably 6 to 12 ring atoms. Examples of the arylene group include phenylene, biphenylene, terphenylene, naphthalene and the like, and likewise, at least one hydrogen atom in the arylene group may be substituted with the same substituent as in the alkyl group.

본 발명에서 사용되는 할로겐은 불소, 염소, 브롬, 요오드, 또는 아스타틴이며, 이들 중에서 불소가 특히 바람직하다.Halogen used in the present invention is fluorine, chlorine, bromine, iodine or asstatin, among which fluorine is particularly preferred.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면 상기 중합체가 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 추가적으로 포함하는 중합체일 수 있다:According to another embodiment of the present invention, the polymer may be a polymer additionally including a repeating unit represented by Formula 2 below:

<화학식 2><Formula 2>

Figure pat00009
Figure pat00009

상기 식에서,Where

Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며; m은 중합도로서 10 내지 10,000이다.Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms; m is 10 to 10,000 as polymerization degree.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면 상기 중합체가 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체일 수 있다:According to another embodiment of the present invention, the polymer may be a copolymer including a repeating unit represented by Formula 3 below:

<화학식 3>
<Formula 3>

Figure pat00010
Figure pat00010

상기 식에서,Where

E1, E2, R1, R2, R3, R4, R5, R6, a, b, c, 및 d는 제1항에서 정의된 대로이며,E 1 , E 2 , R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , a, b, c, and d are as defined in claim 1,

Ar1이 단일 결합 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며;Ar 1 is a single bond or a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms;

Ar2 및 Ar3은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며;Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms;

p 및 q는 몰분율이며, p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이며,p and q are mole fractions, p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,

r이 중합도로서 예를 들면, 10 내지 10,000, 15 내지 500, 20 내지 100이다.r is 10 to 10,000, 15 to 500, 20 to 100 as the degree of polymerization, for example.

상기 중합도 r이 10 미만이면 전해질막 필름 형성 능력이 저하할 수 있고, 10,000 초과이면 전해질 막의 용해도에 문제가 발생할 수 있다. When the degree of polymerization r is less than 10, the electrolyte membrane film forming ability may decrease, and when the degree of polymerization r is greater than 10,000, problems may occur in the solubility of the electrolyte membrane.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면 상기 중합체에서 상기 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기가 하기 화학식들 중 하나로 표시되는 것이 바람직하다:According to another embodiment of the present invention, the substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms in the polymer is preferably represented by one of the following formulas:

Figure pat00011
Figure pat00011

상기 식들에서,In the above equations,

R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24, R25, R26, R27, R28, R29, R30, R31, R32, R33, 및 R34 가 서로 독립적으로 수소, 할로겐 원자, 탄수소 1 내지 20의 직쇄 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 탄소수 2 내지 20의 알키닐기, 탄소수 5 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 20의 아릴기, 탄소수 2 내지 20의 헤테로아릴기, 탄수소 7 내지 20의 알킬아릴기, 또는 탄소수 1 내지 20의 알콕시기이며;R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 , R 16 , R 17 , R 18 , R 19 , R 20 , R 21 , R 22 , R 23 , R 24 , R 25 , R 26 , R 27 , R 28 , R 29 , R 30 , R 31 , R 32 , R 33 , and R 34 are each independently a straight chain of hydrogen, halogen atom, carbohydrate 1-20 Or a branched alkyl group, an alkenyl group of 2 to 20 carbon atoms, an alkynyl group of 2 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group of 5 to 20 carbon atoms, an aryl group of 6 to 20 carbon atoms, a heteroaryl group of 2 to 20 carbon atoms, or 7 to 7 carbon atoms An alkylaryl group of 20 or an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms;

상기 Y1, Y2, 및 Y3이 단일 결합, O, S, S(=O)2, C(=O), P(=O)(R35), C(R36)(R37), Si(R38)(R39) 또는 C(=O)NH이며, 상기 R35, R36, R37, R38 및 R39는 서로 독립적으로 할로겐으로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 또는 할로겐으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴기이다.Y 1 , Y 2 , and Y 3 are a single bond, O, S, S (= 0) 2 , C (= 0), P (= 0) (R 35 ), C (R 36 ) (R 37 ) , Si (R 38 ) (R 39 ) or C (═O) NH, wherein R 35 , R 36 , R 37 , R 38 and R 39 are each independently substituted or unsubstituted with halogen having 1 to 20 carbon atoms. It is an alkyl group or a C6-C20 aryl group unsubstituted or substituted by halogen.

또한, 상기 R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24, R25, R26, R27, R28, R29, R30, R31, R32, R33, 및 R34 는 서로 독립적으로 수소, 또는 탄소수 1 내지 5의 직쇄형 알킬기(예를 들면, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기 등)이고, 상기 Y1, Y2, 및 Y3이 S 또는 S(=O)2 일 수 있다.In addition, the R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 , R 16 , R 17 , R 18 , R 19 , R 20 , R 21 , R 22 , R 23 , R 24 , R 25 , R 26 , R 27 , R 28 , R 29 , R 30 , R 31 , R 32 , R 33 , and R 34 are each independently hydrogen, or a straight chain having 1 to 5 carbon atoms. And a chain alkyl group (eg, methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, etc.), wherein Y 1 , Y 2 , and Y 3 may be S or S (═O) 2 .

또한, 상기 R1, R2, R3 및 R4 은 설폰산기, 설폰산염기 또는 인산기로 1개 이상 치환된 페닐기일 수 있다.In addition, R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be a phenyl group substituted with at least one sulfonic acid group, sulfonate group or phosphoric acid group.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 중합체에서 상기 화학식으로 표시되는 아릴렌기는 치환기로서 설폰산기, 설폰산염기 또는 인산기를 추가적으로 포함할 수 있다. 즉, 일반적으로 상기 아릴렌기에는 설포네이트기가 포함되지 않으나, 용도에 따라 필요한 경우에는 상기 아릴렌기에 상기 설포네이트기가 1 이상 치환될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the arylene group represented by the formula in the polymer may further include a sulfonic acid group, sulfonate group or phosphoric acid group as a substituent. That is, in general, the arylene group does not include a sulfonate group, but if necessary, one or more of the sulfonate groups may be substituted with the arylene group.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 중합체가 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체일 수 있다:According to another embodiment of the present invention, the polymer may be a copolymer including a repeating unit represented by Formula 4 below:

<화학식 4>
<Formula 4>

Figure pat00012
Figure pat00012

상기 식에서,Where

E3, E4, E5, E6, E7, 및 E8은 설폰산기, 설폰산염기 또는 인산기이고, E 3 , E 4 , E 5 , E 6 , E 7 , and E 8 are sulfonic acid groups, sulfonate groups or phosphoric acid groups,

e 및 f는 1 내지 4의 정수이고, g, h, i, 및 j는 1 내지 5의 정수이고, e and f are integers from 1 to 4, g, h, i, and j are integers from 1 to 5,

Ar4 및 Ar5는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며;Ar 4 and Ar 5 are each independently a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms;

p 및 q는 몰분율이며, p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이며,p and q are mole fractions, p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,

r이 중합도로서 10 내지 10000이다.r is 10-10000 as a degree of polymerization.

본 발명의 또 다른 일 실시에에 따르면, 상기 화학식 3 또는 4로 표시되는 공중합체에서 상기 p 및 q의 비가 1:9 내지 9:1인 것이 바람직하다. 상기 p 및 q의 비율이 1:9 내지 9:1를 만족하는 경우, 전도도가 낮아 물성이 저하되거나 물에 용해되는 문제가 개선될 수있다. According to another embodiment of the present invention, the ratio of p and q in the copolymer represented by Formula 3 or 4 is preferably 1: 9 to 9: 1. When the ratio of p and q satisfies 1: 9 to 9: 1, the conductivity may be lowered and the problem of deterioration in physical properties or dissolution in water may be improved.

또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 중합체의 구체적인 예로서 하기 화학식 5a, 5b 및 5c 중 하나로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다:Further, according to another embodiment of the present invention, a specific example of the polymer may be a copolymer including a repeating unit represented by one of the following Chemical Formulas 5a, 5b, and 5c, but is not limited thereto:

<화학식 5a><Formula 5a>

Figure pat00013
Figure pat00013

<화학식 5b><Formula 5b>

Figure pat00014
Figure pat00014

<화학식 5c><Formula 5c>

Figure pat00015
Figure pat00015

상기 식에서,Where

p 및 q는 몰분율이며, p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이며,p and q are mole fractions, p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,

r이 중합도로서 10 내지 10000이다.r is 10-10000 as a degree of polymerization.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 중합체의 중량평균분자량은 예를 들면, 1,000 내지 1,000,000, 5,000 내지 500,000, 1,000 내지 100,000이다. 상기 중량평균분자량 범위를 만족하는 경우, 중합체의 기계적 물성 및 화학적 안정성이 개선되고, 점도가 적절하게 제어되어 취급이 용이할 수 있다.The weight average molecular weight of the polymer according to another embodiment of the present invention is, for example, 1,000 to 1,000,000, 5,000 to 500,000, 1,000 to 100,000. When the weight average molecular weight range is satisfied, the mechanical properties and chemical stability of the polymer may be improved, and the viscosity may be appropriately controlled to facilitate handling.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 화학식 3, 4, 5a, 5b 및 5c로 표시되는 중합체는 랜덤공중합체 또는 블록공중합체일 수 있다. 바람직하게는 상기 중합체는 블록공중합체이다. 상기 블록공중합체가 전해질막으로서의 용도에 보다 적합하다.According to another embodiment of the present invention, the polymers represented by Formulas 3, 4, 5a, 5b, and 5c may be random copolymers or block copolymers. Preferably the polymer is a block copolymer. The block copolymer is more suitable for use as an electrolyte membrane.

상기 양성자 전도성 중합체는 하나의 방향족기 내에 2개의 양이온 교환기의 도입이 가능함에 따라 상기 화학식 1, 3 및 4의 R1 내지 R4에 적어도 2개 이상, 바람직하기로 4개 이상, 최대 8개의 양이온 교환기의 도입이 가능하여, 예를 들어, 양이온 교환기가 설폰산기인 경우 설폰화도가 약 20 내지 40%가 될 수 있다. 즉, 설폰산기를 갖는 단량체를 과도하게 사용하지 않고도 설폰산기의 도입을 위한 화합물의 몰비 제어를 통해 상기 설폰화도를 달성할 수 있다. The proton conductive polymer is capable of introducing two cation exchange groups into one aromatic group, so that at least two, preferably four or more, up to eight cations in R 1 to R 4 of Formulas 1, 3, and 4 The introduction of an exchanger is possible, for example when the cation exchanger is a sulfonic acid group, the degree of sulfonation may be about 20-40%. That is, the sulfonation degree can be achieved by controlling the molar ratio of the compound for introducing the sulfonic acid group without excessively using a monomer having a sulfonic acid group.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면According to another embodiment of the present invention

하기 화학식 6 내지 9로 표시되는 화합물을 반응시켜 하기 화학식 10으로 표시되는 화합물을 제조하는 단계; 및Preparing a compound represented by Chemical Formula 10 by reacting a compound represented by Chemical Formula 6 to 9; And

하기 화학식 10으로 표시되는 화합물에 양이온 교환기를 도입하여 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 제조하는 단계;를 포함하는 양성자 전도성 중합체의 제조방법이 제공된다:A method of preparing a proton conductive polymer is provided, including: preparing a compound represented by the following Chemical Formula 3 by introducing a cation exchange group into a compound represented by the following Chemical Formula 10:

<화학식 6><Formula 6>

Figure pat00016
Figure pat00016

<화학식 7><Formula 7>

Figure pat00017
Figure pat00017

<화학식 8><Formula 8>

Figure pat00018
Figure pat00018

<화학식 9><Formula 9>

Figure pat00019
Figure pat00019

<화학식 10><Formula 10>

Figure pat00020
Figure pat00020

<화학식 3><Formula 3>

Figure pat00021
,
Figure pat00021
,

상기 식에서,Where

R'1, R'2, R'3, R'4, R'5, 및 R'6 은 수소, 치환 또는 비치환된 탄수소 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알키닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 5 내지 20의 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄수소 7 내지 20의 알킬아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기이며,R ' 1 , R' 2 , R ' 3 , R' 4 , R ' 5 , and R' 6 are hydrogen, a substituted or unsubstituted carbohydrate having 1 to 20 alkyl groups, or a substituted or unsubstituted carbon having 2 to 20 carbon atoms. Alkenyl group, substituted or unsubstituted C2-C20 alkynyl group, substituted or unsubstituted C5-C20 cycloalkyl group, substituted or unsubstituted C6-C20 aryl group, substituted or unsubstituted C2-C20 A heteroaryl group of 20, a substituted or unsubstituted alkylaryl group having 7 to 20 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms,

E1, E2, R1, R2, R3, R4, R5, R6, a, b, c, 및 d는 상기 정의된 대로이며,E 1 , E 2 , R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , a, b, c, and d are as defined above,

Ar1이 단일 결합 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며,Ar 1 is a single bond or a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms,

Ar2 및 Ar3은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며,Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms,

X는 Cl, Br, I, 또는 F이고,X is Cl, Br, I, or F,

p 및 q는 몰분율이며, p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이며,p and q are mole fractions, p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,

r이 중합도로서 10 내지 10000이다.r is 10-10000 as a degree of polymerization.

이때, 예를 들면, 상기 X는 F이고, R1 내지 R4는 서로 같거나 다르며, H 또는 페닐기, 또는 모두 페닐기이다.In this case, for example, X is F, R 1 to R 4 are the same as or different from each other, H or a phenyl group, or both are phenyl groups.

상기 제조방법은 제조가 간단하고, 정제가 용이하고 수율이 높으므로 상기 고분자를 저렴하게 대량으로 제조할 수 있어, 경제성이 매우 높다. 또한, 설폰화도의 조절이 용이하다.The production method is simple to manufacture, easy to purify and high yield, so that the polymer can be produced in large quantities at a low cost, very economical. It is also easy to adjust the degree of sulfonation.

이하 제조방법을 각 단계별로 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method will be described in more detail at each step.

먼저, 화학식 6, 7 및 9의 디히드록시 단량체 및 화학식 8의 디할라이드 단량체를 축중합 반응을 수행하여 화학식 10으로 표시되는 공중합체를 합성한다. First, the copolymer represented by Formula 10 is synthesized by performing a condensation polymerization reaction of the dihydroxy monomers of Formulas 6, 7, and 9 and the dihalide monomer of Formula 8.

이러한 축중합 반응은 활성화 단계와 중합단계를 거치는 친핵성 치환반응을 통해 진행된다. 이러한 반응은 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적으로 알려진 반응조건으로 수행될 수 있으므로, 본 발명에서는 특별히 제한하지는 않는다. This polycondensation reaction proceeds through a nucleophilic substitution reaction through an activation step and a polymerization step. This reaction may be carried out under reaction conditions generally known in the art to which the present invention pertains, and therefore, the present invention is not particularly limited.

이때 화학식 8의 디할라이드 단량체 1 몰에 대하여, 화학식 6의 디히이드록시 단량체 0.1 내지 0.4 몰, 화학식 7 및 9의 디하이드록시 단량체는 0.6 내지 0.9 몰의 몰비로 반응할 수 있다. 이러한 반응 단량체의 몰비 범위를 만족하는 경우 적정 수준의 수화 정도를 유지할 수 있다. In this case, with respect to 1 mol of the dihalide monomer of Formula 8, 0.1 to 0.4 mol of the dihydroxy monomer of Formula 6, the dihydroxy monomer of Formula 7 and 9 may be reacted in a molar ratio of 0.6 to 0.9 mol. When the molar ratio range of the reaction monomer is satisfied, an appropriate level of hydration can be maintained.

이때, 상기 화학식 6의 디히드록시 단량체의 구체적인 예로는 하기 화학식으로 표시되는 화합물이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다:In this case, as a specific example of the dihydroxy monomer of Chemical Formula 6, a compound represented by the following Chemical Formula may be used, but is not limited thereto.

Figure pat00022
Figure pat00022

상기 화학식 8의 디할라이드 단량체로는 하기 화학식으로 표시되는 화합물들이 가능하나, 여기에 제한되지는 않는다:The dihalide monomer of Formula 8 may be a compound represented by the following Formula, but is not limited thereto:

Figure pat00023
Figure pat00023

상기 화학식 7 및 9의 디히드록시 단량체로는 하기 화학식으로 표시되는 화합물이 가능하나, 여기에 제한되지는 않는다:The dihydroxy monomers of Formulas 7 and 9 may be a compound represented by the following Formula, but are not limited thereto:

Figure pat00024
Figure pat00024

상기 중합반응은 유기 용매 내에서 수행되는데, 반응물과 생성물을 잘 용해시킬 수 있는 것이라면 본 발명에서 특별히 제한하지 않는다. 구체적인 예로서, 톨루엔, 디메틸아세트아마이드, N-메틸피롤리돈, 디메틸술폭사이드, 자이렌, 벤젠, n-부틸아세테이트, 메틸시클로헥산, 디메틸시클로헥산 및 이들의 혼합 용매가 가능하다.The polymerization reaction is carried out in an organic solvent, so long as it can dissolve the reactants and the product is not particularly limited in the present invention. As specific examples, toluene, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethyl sulfoxide, styrene, benzene, n-butyl acetate, methylcyclohexane, dimethylcyclohexane and mixed solvents thereof are possible.

이때 축중합 반응을 용이하게 하기 위해 알칼리 금속 염기 하에서 반응이 진행될 수 있다. 상기 알칼리 금속 염기로는 탄산칼륨, 탄산나트륨, 수산화나트륨, 또는 수산화칼슘 등이 사용될 수 있다. At this time, the reaction may proceed under an alkali metal base to facilitate the polycondensation reaction. Potassium carbonate, sodium carbonate, sodium hydroxide, calcium hydroxide, or the like may be used as the alkali metal base.

다음으로, 화학식 10으로 표시되는 화합물의 측쇄에 양이온 교환기를 도입한다. Next, a cation exchange group is introduced into the side chain of the compound represented by the formula (10).

상기 양이온 교환기 도입을 위한 화합물로는 진한황산(Conc H2SO4), 클로로설폰산(ClSO3H), 발연황산(Fumming SO3), 발연황산 트리에틸포스페이트 염(SO3.TEP), 및 인산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용 가능하다. Compounds for introducing the cation exchange group include concentrated sulfuric acid (Conc H 2 SO 4 ), chlorosulfonic acid (ClSO 3 H), fuming sulfuric acid (Fumming SO 3 ), fuming sulfuric acid triethylphosphate salt (SO 3 .TEP), and At least one selected from the group consisting of phosphoric acid can be used.

이러한 양이온 교환기 도입을 위한 화합물의 함량은 화학식 10으로 표시되는 화합물 1몰에 대해 4 내지 6 몰로 첨가한다. The content of the compound for introducing the cation exchange group is added in 4 to 6 moles per mole of the compound represented by the formula (10).

상기 양이온 교환기 도입을 위한 화합물의 사용량이 4 몰 미만이면 양이온 교환기의 도입 비율이 저조하고, 이와 반대로 6 몰 초과하면 최종 수득되는 생성물이 가교되거나 분해되는 문제점이 있다. If the amount of the compound for introducing the cation exchange group is less than 4 moles, the introduction ratio of the cation exchange group is low, on the contrary, if the amount of the compound for more than 6 moles, the final product is crosslinked or decomposed.

상기 양이온 교환기 도입 반응(양이온 교환기가 설폰산인 경우는 설폰화 반응이 됨)은 화학식 10으로 표시되는 화합물과 양이온 교환기 도입을 위한 화합물을 예를 들면 0 내지 100℃, 또는 25 내지 50℃에서 0.1?2시간 동안 반응시켜 수행한다.The cation exchange group introduction reaction (if the cation exchange group is sulfonic acid, the sulfonation reaction) is a compound represented by the formula (10) and a compound for introducing a cation exchange group, for example from 0 to 100 ℃, or 25 to 50 ℃ 0.1? The reaction is carried out for 2 hours.

이때, 상기 반응온도가 0℃ 미만이면 충분히 양이온 교관기가 도입된 고분자를 얻을 수 없고, 이와 반대로 100℃ 초과하면 더 이상 도입 비율이 높아지지 않을 뿐만 아니라 경우에 따라 고분자의 주쇄가 분해될 수 있다. At this time, if the reaction temperature is less than 0 ℃ can not obtain a polymer sufficiently introduced with a cationic inductor, on the contrary, if the temperature exceeds 100 ℃, the introduction ratio does not increase any more, and in some cases, the main chain of the polymer may be decomposed.

이때 필요한 경우, 상기 축중합 단계 및 양이온 교환기 도입 반응 단계 사이에 추가의 반응을 더욱 수행할 수 있다.At this time, if necessary, an additional reaction may be further performed between the condensation polymerization step and the cation exchanger introduction reaction step.

일 예로, 상기 화학식 3의 Ar1, Ar2, 및 Ar3 중 하나 이상이 설폰(sulfone) 관능기를 가지는 경우, 이때 상기 설폰 관능기는 하기 반응식 1과 같은 설페인(sulfane) 관능기의 산화 반응의 결과로 얻어질 수 있다.For example, when at least one of Ar 1 , Ar 2 , and Ar 3 of Formula 3 has a sulfone functional group, the sulfone functional group is a result of oxidation reaction of a sulfane functional group as shown in Scheme 1 below. Can be obtained as

[반응식 1]Scheme 1

상기 반응식에 Z1 및 Z2는 독립적으로 수소, 할로겐 원자, 탄수소 1 내지 20의 직쇄 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 탄소수 2 내지 20의 알키닐기, 탄소수 5 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 20의 아릴기, 탄소수 2 내지 20의 헤테로아릴기, 탄수소 7 내지 20의 알킬아릴기, 또는 탄소수 1 내지 20의 알콕시기이다.Z 1 and Z 2 in the scheme are independently hydrogen, a halogen atom, a straight or branched alkyl group of 1 to 20 carbon atoms, an alkenyl group of 2 to 20 carbon atoms, an alkynyl group of 2 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl of 5 to 20 carbon atoms. An alkyl group, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, a heteroaryl group having 2 to 20 carbon atoms, an alkylaryl group having 7 to 20 carbon atoms, or an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms.

상기 산화 반응은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 이 분야에서 통상적으로 사용되는 방법이 가능하다.The oxidation reaction is not particularly limited in the present invention, a method commonly used in this field is possible.

예를 들면, 용매 존재 하에 화학식 3으로 표시되는 화합물과 산화제를 일정 당량비로 혼합하여 산화 반응을 수행한다. 상기 산화제로는 메타클로로퍼옥시벤조산, 과산화수소, 포타슘 퍼옥시모노설페이트(OXONEㄾ), 또는 마그네슘 모노퍼옥시프탈산 등을 사용할 수 있다. For example, the oxidation reaction is carried out by mixing the compound represented by the formula (3) and the oxidizing agent in a constant equivalent ratio in the presence of a solvent. As the oxidizing agent, metachloroperoxybenzoic acid, hydrogen peroxide, potassium peroxymonosulfate (OXONE '), magnesium monoperoxyphthalic acid, or the like can be used.

용매로는 디클로로메탄, 톨루엔, 디메틸아세트아마이드, N-메틸피롤리돈, 디메틸술폭사이드, 크실렌, 벤젠, n-부틸아세테이트, 메틸시클로헥산, 디메틸시클로헥산 및 이들의 혼합 용매가 가능하다.The solvent may be dichloromethane, toluene, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethyl sulfoxide, xylene, benzene, n-butyl acetate, methylcyclohexane, dimethylcyclohexane and mixed solvents thereof.

상기 반응은 25 내지 50℃에서 30분 내지 10시간 동안 수행한다.The reaction is carried out at 25 to 50 ° C. for 30 minutes to 10 hours.

이와 같이 제조된 본 발명의 양성자 전도성 중합체는 후공정을 통해 2개 이상, 바람직하기로 4 내지 8개의 양이온 교환기 도입이 가능하여 양이온 교환기의 도입을 위한 단량체의 사용량을 저감하는 효과를 얻을 수 있다.Proton-conducting polymer of the present invention prepared as described above is capable of introducing two or more, preferably 4 to 8 cation exchangers through a post-process, thereby obtaining an effect of reducing the amount of monomer used for introduction of a cation exchanger.

상기 양성자 전도성 중합체는 물리적 특성, 이온교환능 및 금속이온 흡착능이 우수하여 다양한 분야에 적용이 가능하다.The proton conductive polymer has excellent physical properties, ion exchange capacity, and metal ion adsorption capacity, and thus can be applied to various fields.

본 발명의 또 다른 일실시예에 다르면, 상기 양성자 전도성 중합체를 포함하는 고분자 전해질막이 제공된다. 상기 고분자 전해질막은 전술한 양성자 전도성 중합체를 포함함에 의하여 메탄올 투과도가 낮으면서도 수소이온 전도도가 높으며. 함수율 특성도 우수하다.According to another embodiment of the present invention, a polymer electrolyte membrane including the proton conductive polymer is provided. The polymer electrolyte membrane has a low methanol permeability and high hydrogen ion conductivity by including the aforementioned proton conductive polymer. The moisture content characteristics are also excellent.

또한, 상기 중합체를 포함하는 고분자 전해질 막은 일반적으로 폴리(아릴렌 에테르)계 중합체가 가지는 열적 안정성, 화학적 안정성을 가질 수 있으며 가공이 쉽고 흡습율 또한 적어 열가소성 고분자, 막 탄성체등으로 이용될 수 있으며, 설폰산기 함유로 낮은 수분함량에서도 높은 수소이온전도도를 가질 수 있고, 수분에 장시간 노출되어도 전해질 막의 특성의 변화가 없어 높은 치수안정성을 나타낼 수 있으므로, 고분자 전해질 막으로서의 성능의 우수하여 연료전지 또는 2차 전지등에 사용하기에 적합하다.In addition, the polymer electrolyte membrane including the polymer may generally have thermal stability and chemical stability of the poly (arylene ether) polymer, and may be used as a thermoplastic polymer, a membrane elastomer, and the like because it is easy to process and has a low moisture absorption rate. Since it contains sulfonic acid group, it can have high hydrogen ion conductivity even at low moisture content, and it can show high dimensional stability even if it is exposed to moisture for a long time, so it can show high dimensional stability. Suitable for use in batteries, etc.

상기 고분자 전해질막은 본 발명에 따른 상기 양성자 전도성 중합체를 이용하는 것을 제외하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 방법으로 제조할 수 있다.The polymer electrolyte membrane may be prepared by a conventional method in the art, except for using the proton conductive polymer according to the present invention.

즉, 상기 양성자 전도성 중합체를 디메틸아크릴릭에시드(DMAc), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아마이드(DMF) 등의 유기용매에 용해시킨 후, 유리판에 캐스팅하고 80 내지 160 ℃에서 건조하는 방법으로 제조할 수 있다.That is, the proton conductive polymer is dissolved in an organic solvent such as dimethylacrylic acid (DMAc), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), and then cast on a glass plate, and then cast at 80 to 160 ° C. It can be prepared by the method of drying in.

이때, 고분자 전해질막 제조시 본 발명에 따른 양성자 전도성 중합체 이외에, 본 발명이 속하는 기술분야에서 고분자 전해질막 제조시 사용 가능한 성분을 더욱 첨가할 수 있다.At this time, in addition to the proton conductive polymer according to the present invention in the production of the polymer electrolyte membrane, the components usable in the production of the polymer electrolyte membrane in the art to which the present invention belongs may be further added.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 전해질막은 양성자 전도성 중합체 이외에 폴리이미드, 폴리에테르케톤, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리에테르에테르설폰, 폴리벤즈이미다졸, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리스티렌, 폴리트리풀루오로스티렌 설폰산, 폴리스티렌 설폰산, 폴리우레탄 및 분지형 설폰화 폴리설폰케톤 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자를 더욱 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the polymer electrolyte membrane is polyimide, polyether ketone, polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polybenzimidazole, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide in addition to the proton conductive polymer It may further comprise one or more polymers selected from the group consisting of polystyrene, polytrifluorourostyrene sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyurethane and branched sulfonated polysulfone ketone copolymer.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 전해질막은 실리콘 산화물(SiO2), 티타늄 산화물(TiO2), 무기인산, 설폰화된 실리콘 산화물(Sulfonated SiO2), 설폰화된 지르코늄 산화물(sufonated ZrO) 및 설폰화된 지르코늄 인산염(sulfonated ZrP)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 무기물을 더욱 포함할 수 있다. 이러한 무기물을 포함함에 의하여 상기 무기물이 수소이온 및 메탄올이 투과되는 채널의 장벽 역할을 하여 상기 고분자 전해질막의 연료투과도가 감소될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the polymer electrolyte membrane is silicon oxide (SiO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), inorganic phosphoric acid, sulfonated SiO 2 , sulfonated zirconium oxide (sufonated ZrO) ) And sulfonated zirconium phosphate (sulfonated ZrP) may further comprise at least one inorganic material selected from the group consisting of. By including such an inorganic material, the inorganic material may act as a barrier of a channel through which hydrogen ions and methanol are permeated, thereby reducing fuel permeability of the polymer electrolyte membrane.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 고분자 전해질막은 다공성 지지체를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 다공성 지지체를 포함함에 의하여 고분자 전해질막의 인장강도를 향상시킬 수 있다. 상기 다공성 지지체는 예를 들어, 다공성 폴리에틸렌과 같은 다공성 폴리올레핀, 다공성 테프론, 다공성폴리이미드 등이다.According to another embodiment of the present invention, the polymer electrolyte membrane may further include a porous support. By including the porous support, it is possible to improve the tensile strength of the polymer electrolyte membrane. The porous support is, for example, a porous polyolefin such as porous polyethylene, porous teflon, porous polyimide and the like.

상기 고분자 전해질막은 본 발명에 따른 양성자 전도성 중합체를 이용하여 제조됨에 따라 열적 및 화학적 안정성, 가공성이 우수하며, 치환된 설폰산기에 의해 높은 수소이온 전도도를 가질 뿐 아니라, 수분에 장시간 노출되어도 전해질막 특성의 변화가 적어 높은 치수안정성을 나타내는 등 고분자 전해질막으로 성능이 우수하여 연료전지 또는 2차 전지 등의 전지화학분야에서 그 효과가 기대된다.The polymer electrolyte membrane has excellent thermal and chemical stability and processability as it is prepared using the proton conductive polymer according to the present invention, and not only has high hydrogen ion conductivity by a substituted sulfonic acid group, but also when exposed to moisture for a long time. The polymer electrolyte membrane is excellent in performance, such as a small change in the high dimensional stability is expected to be effective in the field of battery chemistry, such as fuel cells or secondary batteries.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체 및 연료전지가 제공된다.According to another embodiment of the present invention, a membrane-electrode assembly and a fuel cell including the polymer electrolyte membrane are provided.

상기 막-전극 접합체는 애노드(연료극, anode), 캐소드(산소극, cathode) 및 두 전극 사이에 배치되는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질막(electrolyte membrane)을 포함한다. 상기 애노드 및 캐소드는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 것을 사용할 수 있으므로 이를 특별히 제한하지 않는다. The membrane-electrode assembly includes an anode (fuel anode), a cathode (oxygen cathode) and a polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention disposed between two electrodes. The anode and cathode are not particularly limited because they may be used in the art to which the present invention pertains.

또한, 상기 연료전지는 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체의 양면에 각각 부착된 분리판을 추가적으로 포함한다. 상기 분리판에 개질기, 연료탱크, 연료펌프 등이 필요에 따라 선택적으로 부가될 수 있다. 또한, 상기 연료전지는 상기 막전극 접합체를 복수개 포함할 수 있다.In addition, the fuel cell further includes a separator plate attached to both surfaces of the membrane-electrode assembly including the polymer electrolyte membrane according to the embodiment of the present invention. A reformer, a fuel tank, a fuel pump, etc. may be selectively added to the separator as needed. In addition, the fuel cell may include a plurality of membrane electrode assemblies.

상기 캐소드 및 애노드는 가스확산층과 촉매층으로 구성된다. 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 cathode and anode consist of a gas diffusion layer and a catalyst layer. The catalyst layer includes a metal catalyst for promoting 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 preferable to include platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloys, platinum-osmium alloys, platinum-palladium alloys, platinum-cobalt alloys, platinum-nickel alloys 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 표면적인 150㎡/g이상, 특히 500 내지 1200㎡/g이고, 평균 입경이 10 내지 300nm, 특히 20 내지 100nm일 수 있다.The metal catalyst is generally used while supported on a carrier. The carrier may be a carbon-based material such as acetylene black or black salt; Or inorganic fine particles such as alumina and silica; For example, the carrier supporting the catalyst may have a porosity and a surface area of 150 m 2 / g or more, particularly 500 to 1200 m 2 / g, and an average particle diameter of 10 to 300 nm, particularly 20 to 100 nm.

상기 가스확산층은 탄소 페이퍼 또는 탄소천(cloth)가 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 구동시 발생하는 물에 의하여 가스 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.The gas diffusion layer may be carbon paper or carbon cloth, but is not limited thereto. The gas diffusion layer serves to support the fuel cell electrode and serves to make the reaction gas easily accessible to the catalyst layer by diffusing the reaction gas into the catalyst layer. As the gas diffusion layer, it is preferable to use a water repellent treatment of carbon paper or carbon cloth with a fluorine 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 전극은 상기 가스확산층과 상기 촉매층 사이에 가스 확산 효과를 더욱 증진시키기 위하여 미세다공층(microporous layer)를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 미세다공층은 탄소 분말, 카본 블랙, 활성 탄소, 아세틸렌 블랙 등의 전도성 물질, 폴리테트라플루로로에틸렌과 같은 바인더 및 필용에 따라 이오노머를 포함하는 조성물을 도포하여 제조될 수 있다.The electrode may further include a microporous layer to further enhance the gas diffusion effect between the gas diffusion layer and the catalyst layer. The microporous layer may be prepared by applying a composition including an ionomer according to a filler and a filler such as carbon powder, carbon black, activated carbon, acetylene black, a conductive material such as polytetrafluoroethylene, and the like.

상기 캐소드 및/또는 애노드는 예를 들어 다음과 같이 제조될 수 있다. 먼저, 촉매 분말, 바인더 및 혼합용매를 혼합하여 촉매 슬러리를 제조한다. 상기 촉매 분말은 상술한 바와 같으며, 탄소계 지지체에 담지된 금속 입자, 또는 탄소계 지지체에 담지되지 않은 상태의 금속 입자 상태일 수 있으며, 백금이 특히 바람직하다. 상기 혼합용매 및 바인더는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용될 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 다음으로, 상기 촉매 슬러리를 코터를 사용하여 가스확산층 상에 코팅하고 건조시켜 촉매층 및 가스확산층으로 이루어진 캐소드 및/또는 애노드를 제조한다.The cathode and / or anode can be prepared, for example, as follows. First, a catalyst slurry is prepared by mixing a catalyst powder, a binder, and a mixed solvent. The catalyst powder is as described above, may be a metal particle supported on the carbon-based support, or a metal particle state not supported on the carbon-based support, and platinum is particularly preferable. The mixed solvent and binder are not particularly limited as long as they can be generally used in the art. Next, the catalyst slurry is coated on a gas diffusion layer using a coater and dried to prepare a cathode and / or an anode composed of a catalyst layer and a gas diffusion layer.

상기 캐소드 및 애노드 사이에 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질막이 삽입하고 열간압착 방법으로 압착하면 막-전극 접합체가 얻어진다. 상기 열간압착 방법에서 사용되는 조건은 예를 들어 가해지는 압력 500 내지 2000psi, 온도 50 내지 300℃, 가압 시간 1 내지 60 분이다.When the polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention is inserted between the cathode and the anode and compressed by a hot pressing method, a membrane-electrode assembly is obtained. The conditions used in the hot pressing method are, for example, a pressure of 500 to 2000 psi, a temperature of 50 to 300 ° C, and a pressurization time of 1 to 60 minutes.

상기 막/전극 접합체에 분리판이 부가되어 발전부가 얻어진다. 상기 분리판은 막/전극 접합체의 양면에 각각 부착되며 애노드에 부착되는 분리판이 애노드 분리판 및 캐소드에 부착되는 분리판이 캐소드 분리판이다. 애노드 분리판은 애노드에 연료를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 애노드에서 발생한 전자를 외부 회로 또는 인접하는 단위전지로 전달하기 위한 전자전도체의 역할을 한다. 캐소드 분리판은 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 회부회로 또는 인접하는 단위전지로부터 공급된 전자를 캐소드로 전달하기 위한 전자전도체의 역할을 한다. 다음으로, 상기 발전부에 적어도 하나의 개질기, 연료탱크, 연료펌프 등을 선택적으로 부가하여 연료전지가 완성된다.A separator is added to the membrane / electrode assembly to obtain a power generation section. The separator is attached to both sides of the membrane / electrode assembly, and the separator attached to the anode is an anode separator and a separator attached to the cathode is a cathode separator. The anode separator has a flow path for supplying fuel to the anode, and serves as an electron conductor for transferring electrons generated from the anode to an external circuit or an adjacent unit cell. The cathode separator has a flow path for supplying an oxidant to the cathode, and serves as an electron conductor for transferring electrons supplied from an auxiliary circuit or an adjacent unit cell to the cathode. Next, the fuel cell is completed by selectively adding at least one reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like to the power generation unit.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면 상기 연료전지는 직접 메탄올 연료전지일 수 있다. 상기 직접 메탄올 연료전지의 개략도가 도 1에 보여진다.According to another embodiment of the present invention, the fuel cell may be a direct methanol fuel cell. A schematic of the direct methanol fuel cell is shown in FIG. 1.

상기 도 1에 보여지는 바와 같이 직접 메탄올 연료전지는 연료가 공급되는 애노드(32), 산화제가 공급되는 캐소드(30), 및 애노드(32)와 캐소드(30) 사이에 위치하는 전해질막(41)을 포함한다. 상기 애노드(32)는 애노드 확산층(22)과 애노드 촉매층(33)으로 이루어지며, 캐소드(30)는 캐소드 확산층(32)과 캐소드 촉매층(31)으로 이루어진다.As shown in FIG. 1, the direct methanol fuel cell includes an anode 32 supplied with fuel, a cathode 30 supplied with an oxidant, and an electrolyte membrane 41 positioned between the anode 32 and the cathode 30. It includes. The anode 32 is composed of an anode diffusion layer 22 and an anode catalyst layer 33, and the cathode 30 is composed of a cathode diffusion layer 32 and a cathode catalyst layer 31.

애노드 확산층(22)을 통하여 애노드 촉매층(33)에 전달된 메탄올 수용액은 촉매에 의하여 전자, 수소이온, 이산화탄소 등으로 분해된다. 수소이온은 전해질막(41)을 통하여 캐소드 촉매층(31)으로 전달되고, 전자는 외부회로로 전달되며, 이상화탄소는 외부로 배출된다. 캐소드 촉매층(31)에서는 전해질막을 통하여 전달된 수소이온, 외부회로에서 공급되는 전자 및 캐소드 확산층(32)을 통하여 공급되는 공기 중의 산소가 반응하여 물이 생성된다. 그러나, 상기 본 발명의 일실시예에 따른 중합체를 포함하는 고분자 전해질막은 다른 모든 형태의 연료전지에도 사용될 수 있음은 자명하다.The aqueous methanol solution transferred to the anode catalyst layer 33 through the anode diffusion layer 22 is decomposed into electrons, hydrogen ions, carbon dioxide, and the like by the catalyst. Hydrogen ions are transferred to the cathode catalyst layer 31 through the electrolyte membrane 41, electrons are transferred to an external circuit, and idealized carbon is discharged to the outside. In the cathode catalyst layer 31, water is generated by reaction of hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane, electrons supplied from an external circuit, and oxygen in the air supplied through the cathode diffusion layer 32. However, it is apparent that the polymer electrolyte membrane including the polymer according to the embodiment of the present invention may be used in all other types of fuel cells.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면 상기 연료전지는 차량용(vehicle) 연료전지일 수 있다. 따라서, 상기 차량은 자동차, 트럭 등의 운반용 차량, 굴삭기, 지게차 등의 기타 다른 용도의 차량 등 모든 용도의 차량을 포함한다. 상기 연료전지의 구성 및 출력 등은 용도에 따라 적절히 수정될 수 있다. 예를 들어, 자동차의 시동, 급발진 등에는 단시간에 많은 양의 전류가 요구되므로, 출력밀도가 높은 연료전지가 적합하다.According to another embodiment of the present invention, the fuel cell may be a vehicle fuel cell. Accordingly, the vehicle includes all kinds of vehicles, such as vehicles for transportation, such as automobiles and trucks, and vehicles for other purposes such as excavators and forklifts. The configuration and output of the fuel cell may be appropriately modified according to the use. For example, a large amount of current is required in a short time for starting, sudden start and the like of a vehicle, so a fuel cell having a high output density is suitable.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 중합체는 다양한 기술 분야에 사용될 수 있으며 그 분야가 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 중합체는 태양전지, 2차 전지, 수퍼커패시커 등과 같은 모든 에너지 저장 및 생산 장치에 사용될 수 있다. 또한, 유기전계발광소자에도 사용될 수 있다. 또한 상기 중합체의 프로톤 전도성을 이용하는 모든 기술 분야에 사용될 수 있다.The polymer according to another embodiment of the present invention can be used in various technical fields, and the field is not limited. For example, the polymer can be used in all energy storage and production devices such as solar cells, secondary cells, supercapacitors and the like. It can also be used in organic electroluminescent devices. It can also be used in any technical field that utilizes the proton conductivity of the polymer.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면 상기 양성자 전도성 중합체를 포함하는 양이온 교환수지가 제공된다.According to another embodiment of the present invention there is provided a cation exchange resin comprising the proton conductive polymer.

상기 양성자 전도성 중합체는 상온에서 다양한 용매에 대한 용해도가 우수하기 때문에 다양한 형태로 성형이 가능하다. 일 예로 양이온 교환수지로 적용하기 위해 겔, 다공성의 구형비드, 입상 등의 형태로 제조할 수 있다. 이와 같이 성형된 본 발명의 일 실시예에 따른 양이온 교환수지는 양이온 교환수지를 포함하는 크로마토그래피 칼럼, 양이온 교환수지를 포함하는 복합재료, 양이온 교환수지를 포함하는 여과부재 등으로 적용될 수 있다. The proton conductive polymer may be molded in various forms because of its excellent solubility in various solvents at room temperature. For example, it may be prepared in the form of gel, porous spherical beads, granules, etc. to be applied as a cation exchange resin. The cation exchange resin according to an embodiment of the present invention thus formed may be applied as a chromatography column including a cation exchange resin, a composite material including a cation exchange resin, a filtration member including a cation exchange resin, and the like.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면 상기 양성자 전도성 중합체를 포함하는 양이온 교환막이 제공된다.According to another embodiment of the present invention there is provided a cation exchange membrane comprising the proton conductive polymer.

상기 양성자 전도성 중합체를 이용하여 성막하는 방법은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다. 일 예로, 유기 용매에 양성자 전도성 중합체를 용해시킨 후 유리 기판 위에 캐스팅한 후 용매를 제거하여 막으로 제조할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 전도성 중합체는 가공성이 우수하므로 성막하기 편리하다. Since the film forming method using the proton conductive polymer is well known in the art, a detailed description thereof will be omitted. For example, the proton conductive polymer may be dissolved in an organic solvent, cast on a glass substrate, and then the solvent may be removed to prepare a film. In particular, the proton conductive polymer according to an embodiment of the present invention has excellent processability and thus is convenient for film formation.

구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 양이온 교환막은, 용도에 따라 탈염용막, 농축용막, 특수선택 투과성막, 전해질막으로 적용되어 전기투석, 확산투석, 역삼투공정, 전해투석, 연료전지 등의 분야에서 널리 사용될 수 있다. 또한, 포지티브 및 네가티브 포토레지스트 제조에서, 금속 이온 오염물 제거에도 사용될 수 있다. Specifically, the cation exchange membrane according to one embodiment of the present invention is applied as a desalting membrane, a concentrated membrane, a specially selected permeable membrane, and an electrolyte membrane according to the use, such as electrodialysis, diffusion dialysis, reverse osmosis process, electrodialysis, fuel cell, etc. It can be widely used in the field. It can also be used to remove metal ion contaminants in positive and negative photoresist fabrication.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 실험예를 기재한다. 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 보다 명확히 표현하기 위한 목적으로 기재될 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 비교예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred examples and experimental examples of the present invention are described. The following examples and experimental examples are described for the purpose of more clearly expressing the present invention, but the contents of the present invention are not limited to the following examples and comparative examples.

실시예 1: 양성자 전도성 중합체의 제조Example 1 Preparation of Proton Conductive Polymer

(단계 1) 축중합 단계(Step 1) Condensation polymerization step

콘덴서, 딘스탁 트랩 및 마그네틱 스터바가 장착된 장치에 질소분위기 상태에서 2구 둥근바닥 플라스크에 세개의 단량체 4,4'-디히드록시페닐설폰, (4,4-Dihydroxyphenylsulfone: 8.8mmol), 1,2-비스(4-하이드록시페닐)-3,4,5,6-테트라페닐 벤젠,(1,2-bis(4-hydroxyphenyl)-3,4,5,6-tetraphenylbenzene : 1.7mmol), 4,4'-디플루디페닐설폰(4,4'-difluorodiphenylsulfone: 10mmol)을 넣고, 탄산칼륨 (24mmol)을 첨가하였다. 이때 반응용매로는 디메틸아세트아마이드 (70mL)와 톨루엔 (50mL)을 사용하였다.Three monomers 4,4'-dihydroxyphenylsulfone, (4,4-Dihydroxyphenylsulfone: 8.8 mmol), 1, in a two-necked round bottom flask in a nitrogen atmosphere on a device equipped with a condenser, Deanstock trap and magnetic stub. 2-bis (4-hydroxyphenyl) -3,4,5,6-tetraphenyl benzene, (1,2-bis (4-hydroxyphenyl) -3,4,5,6-tetraphenylbenzene: 1.7 mmol), 4 , 4'-difluorodiphenylsulfone (4,4'-difluorodiphenylsulfone: 10 mmol) was added thereto, and potassium carbonate (24 mmol) was added thereto. Dimethyl acetamide (70 mL) and toluene (50 mL) were used as the reaction solvent.

반응기의 온도를 140℃로 올려 4시간 동안 중합을 위한 활성화 단계를 수행하였고, 이어 반응온도를 165℃까지 점진적으로 올려 24시간 동안 축중합 반응을 수행하였다. 이때 반응 중 발생하는 부산물을 제거하였으며, 반응 종료 후 얻어진 반응물을 메탄올/물 (1:1,v/v)에 수회 세척하였다. 이어 60℃에서 1 일간 진공 건조하여 흰색 고체의 공중합체를 제조하였으며, 구조 확인은 1H-NMR을 통해 확인하였다.
The temperature of the reactor was raised to 140 ° C., and an activation step for polymerization was performed for 4 hours, and then the reaction temperature was gradually raised to 165 ° C. to carry out a condensation polymerization reaction for 24 hours. At this time, by-products generated during the reaction were removed, and the reaction product obtained after the completion of the reaction was washed several times with methanol / water (1: 1, v / v). Then, vacuum dried at 60 ℃ for 1 day to prepare a copolymer of a white solid, the structure was confirmed by 1 H-NMR.

(단계 2) 양이온 교환기 도입 단계(후설폰화 단계)(Step 2) cation exchanger introduction step (postsulfonation step)

상기 얻어진 산화 반응된 공중합체 5g을 100mL의 플라스크에 주입하였다. 이때 상기 플라스크는 콘덴서 마그네틱 바가 장착된 것을 사용하였으며, 여기에 진한황산 60mL를 주입하여 45℃에서 12시간 동안 교반시켜 설폰화 반응을 진행하였다. 5 g of the obtained oxidized copolymer was injected into a 100 mL flask. In this case, the flask was equipped with a condenser magnetic bar, and 60 mL of concentrated sulfuric acid was added thereto, followed by stirring at 45 ° C. for 12 hours to proceed with sulfonation reaction.

얻어진 반응액을 증류수에 부어 침전물을 얻고, 이를 증류수로 수회 세척하여 잔류황산을 제거하였다. 이어 여과 후 얻어진 침전물을 120℃에서 진공 건조하여 양성자 전도성 중합체를 얻었다. 수율은 94%로 높았다.The obtained reaction solution was poured into distilled water to obtain a precipitate, which was washed several times with distilled water to remove residual sulfuric acid. The precipitate obtained after filtration was then vacuum dried at 120 ° C. to obtain a proton conductive polymer. The yield was as high as 94%.

최종생성물의 구조분석은 1H-NMR을 수행하여 합성이 되었음을 확인하였다. 설폰화 후 1H-NMR의 7.3ppm부근에 설폰산기의 알파수소가 생성되는 것을 확인하였고 설폰산기 알파수소와 그 외의 벤젠의 수소의 면적비교를 통하여 원하는 설폰화도의 합성이 이루어졌음을 확인하였다.
Structural analysis of the final product confirmed that the synthesis was performed by 1 H-NMR. After sulfonation, it was confirmed that alpha hydrogen of sulfonic acid group was generated near 7.3 ppm of 1 H-NMR, and the desired sulfonation degree was synthesized by comparing area of sulfonic acid alpha hydrogen and hydrogen of other benzene.

실시예 2 양성자 전도성 중합체의 제조Example 2 Preparation of Proton Conductive Polymer

4,4'-디히드록시페닐설폰, (4,4-Dihydroxyphenylsulfone: 8.0mmol), 1,2-비스(4-하이드록시페닐)-3,4,5,6-테트라페닐 벤젠,(1,2-bis(4-hydroxyphenyl)-3,4,5,6-tetraphenylbenzene: 2.0mmol), 4,4'-디플루디페닐설폰(4,4'-difluorodiphenylsulfone: 10mmol)을 사용한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 합성을 진행하였다. 이때, 수율은 93%였다.
4,4'-dihydroxyphenylsulfone, (4,4-Dihydroxyphenylsulfone: 8.0 mmol), 1,2-bis (4-hydroxyphenyl) -3,4,5,6-tetraphenyl benzene, (1, Example 1 except that 2-bis (4-hydroxyphenyl) -3,4,5,6-tetraphenylbenzene: 2.0 mmol) and 4,4'-difluorodiphenylsulfone (10 mmol) were used. The synthesis was carried out in the same manner. At this time, the yield was 93%.

실시예 3 양성자 전도성 중합체의 제조Example 3 Preparation of Proton Conductive Polymer

4,4'-디히드록시페닐설폰, (4,4-Dihydroxyphenylsulfone: 7.7mmol), 1,2-비스(4-하이드록시페닐)-3,4,5,6-테트라페닐 벤젠,(1,2-bis(4-hydroxyphenyl)-3,4,5,6-tetraphenylbenzene: 2.3mmol), 4,4'-디플루디페닐설폰(4,4'-difluorodiphenylsulfone: 10mmol)을 사용한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 합성을 진행하였다. 이때, 수율은 97%였다.
4,4'-dihydroxyphenylsulfone, (4,4-Dihydroxyphenylsulfone: 7.7 mmol), 1,2-bis (4-hydroxyphenyl) -3,4,5,6-tetraphenyl benzene, (1, Example 1 except that 2-bis (4-hydroxyphenyl) -3,4,5,6-tetraphenylbenzene: 2.3 mmol) and 4,4'-difluorodiphenylsulfone (10 mmol) were used. The synthesis was carried out in the same manner. At this time, the yield was 97%.

실험예 1: 설폰화도, 분자량 및 다분산지수 측정Experimental Example 1: Measurement of sulfonation degree, molecular weight and polydispersity index

설폰화도는 수소이온 적정을 통해 예측하였다Sulfonation degree was predicted by hydrogen ion titration

크로마토그래피를 사용하여 상기 실시예 1 및 3에서 제조된 설폰화된 폴리(아릴렌 에테르) 공중합체의 중량평균분자량 및 다분산지수(PolyDispersity Index: PDI)를 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 측정에 사용된 기기 및 조건은 다음과 같다:The weight average molecular weight and polydispersity index (PDI) of the sulfonated poly (arylene ether) copolymers prepared in Examples 1 and 3 were measured using chromatography, and the results are shown in Table 1 below. Indicated. The instruments and conditions used for the measurements are as follows:

GPC 장치: Waters사, 모델명 2414GPC unit: Waters, model 2424

사용 컬럼: Waters사, 모델명 HR3,4,5 컬럼 온도 : 80℃Column: Waters, model HR3,4,5 Column temperature: 80 ℃

용출 용매 : 디메틸포름아마이드Elution solvent: dimethylformamide

용출 속도: 1 ml/min.Elution rate: 1 ml / min.

기준 물질: 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA)Reference Material: Polymethylmethacrylate (PMMA)

구분division 설폰화도(%)Sulfonation degree (%) 중량평균분자량 (X 103)Weight average molecular weight (X 10 3 ) 다분산지수(PDI)Polydispersity Index (PDI) 실시예 1Example 1 1717 193193 2.272.27 실시예 2Example 2 2020 215215 2.112.11 실시예 3Example 3 2323 178178 2.042.04

실험예Experimental Example 2: 유기용매에 대한 용해도 측정 2: Solubility Measurement in Organic Solvents

상기 실시예 1 및 3에서 제조된 양성자 전도성 중합체의 상온에서의 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸설폰사이드(DMSO), 메탄올(MeOH) 및 물에 대한 용해도를 하기 표 2에 정리하였다.N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfonide (DMSO), methanol (MeOH) at room temperature of the proton conductive polymers prepared in Examples 1 and 3 ) And solubility in water are summarized in Table 2 below.

구분division NMPNMP DMAcDMAc DMFDMF DMSODMSO MeOHMeOH water 실시예 1Example 1 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 불용해Insoluble 불용해Insoluble 실시예 2Example 2 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 불용해Insoluble 불용해Insoluble 실시예 3Example 3 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 용해Dissolution 불용해Insoluble 불용해Insoluble

상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 양성자 전도성 중합체는 다양한 종류의 용매에 상온에서의 용해도가 우수하여 여러 가지 용도로 가공시 매우 큰 장점이 있다.
As shown in Table 2, the proton-conducting polymer according to the present invention has excellent solubility at room temperature in various kinds of solvents, and has a great advantage in processing for various uses.

실험예 3: 기계적 강도의 측정Experimental Example 3: Measurement of Mechanical Strength

상기의 실시예 1 내지 3에서 수득한 양성자 전도성 중합체 및 듀폰사의 Nafion 211을 N-메틸피롤리돈(NMP)에 용해 후 유리판에 캐스팅한 후 120℃에서 건조하여 양이온 교환막을 제조하고, 제조된 막의 인장강도를 ASTM D882에 의거하여 Instron mechanical testing machine(모델명 5540)을 사용하여 측정하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. The proton conductive polymers obtained in Examples 1 to 3 and Nafion 211 from DuPont were dissolved in N-methylpyrrolidone (NMP), cast on a glass plate, and dried at 120 ° C. to prepare a cation exchange membrane. Tensile strength was measured using an Instron mechanical testing machine (model name 5540) according to ASTM D882, and the results are shown in Table 3 below.

Nafion 211Nafion 211 실시예1Example 1 실시예2Example 2 실시예3Example 3 인장강도 (Mpa)Tensile Strength (Mpa) 2020 4242 3636 2727

상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 양성자 전도성 중합체는 높은 분자량으로 인한 물리적 기계적 특성이 우수하며 유기용매의 용해도 또한 우수하여 양이온 교환수지 또는 양이온 교환막으로서 사용이 용이할 것으로 기대된다.
As shown in Table 3, the proton conductive polymer of the present invention is expected to be easy to use as a cation exchange resin or a cation exchange membrane because of excellent physical and mechanical properties due to high molecular weight and excellent solubility of an organic solvent.

실시예 4: 고분자 전해질막의 제조Example 4 Preparation of Polymer Electrolyte Membrane

실시예 1에서 제조된 양성자 전도성 중합체 5g을 각각 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 100ml에 유리판에 캐스팅하고 120℃에서 건조하여 3㎛ 두께의 막을 제조하였다
5 g of the proton conductive polymer prepared in Example 1 was cast on a glass plate in 100 ml of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), respectively, and dried at 120 ° C. to prepare a 3 μm thick membrane.

실시예 5: 고분자 전해질막의 제조Example 5: Preparation of Polymer Electrolyte Membrane

실시예 2에서 제조된 양성자 전도성 중합체 5g을 각각 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 100ml에 유리판에 캐스팅하고 120℃에서 건조하여 3㎛ 두께의 막을 제조하였다
5 g of the proton conductive polymer prepared in Example 2 was cast on a glass plate in 100 ml of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), respectively, and dried at 120 ° C. to prepare a 3 μm thick membrane.

실시예 6: 고분자 전해질막의 제조Example 6: Preparation of Polymer Electrolyte Membrane

실시예 3에서 제조된 양성자 전도성 중합체 5g을 각각 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 100ml에 유리판에 캐스팅하고 120℃에서 건조하여 3㎛ 두께의 막을 제조하였다
5 g of the proton conductive polymer prepared in Example 3 was cast on a glass plate in 100 ml of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), respectively, and dried at 120 ° C. to prepare a 3 μm thick membrane.

비교예 1: 고분자 전해질막의 제조Comparative Example 1: Preparation of Polymer Electrolyte Membrane

나피온 112(Nafion 112, DuPont)를 고분자 전해질막으로 사용하였다. 나피온 112를 100℃의 1M 농도 황산 용액에 24시간 동안 침전시켜 술포네이트기의 양이온을 소듐에서 수소이온으로 교환시켰다. 이어서, 상기 수소화된 공중합체를 탈이온수로 세척하였다.
Nafion 112 (DuPont) was used as the polymer electrolyte membrane. Nafion 112 was precipitated in a 1 M concentration sulfuric acid solution at 100 ° C. for 24 hours to exchange the cation of the sulfonate group from sodium to hydrogen ions. The hydrogenated copolymer was then washed with deionized water.

실험예 4: 수소이온 전도도 측정Experimental Example 4: Hydrogen ion conductivity measurement

임피던스 스펙트로스코피(Impedance Spectroscopy, 제조사: 솔라트론)를 이용하여 실시예 4 내지 6 및 비교예 1에 따른 고분자 전해질막에 대하여 수소이온 전도도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.Hydrogen ion conductivity of the polymer electrolyte membranes according to Examples 4 to 6 and Comparative Example 1 was measured using impedance spectroscopy (manufactured by Solartron), and the results are shown in Table 4 below.

이때, 임피던스 측정 조건은 주파수를 1 Hz에서 1 MHz까지 설정하여 측정하였고, 인플레인(in-plane) 방식으로 측정하며, 모든 시험은 시료가 완전히 함습된 상태에서 진행하였다.
At this time, the impedance measurement conditions were measured by setting the frequency from 1 Hz to 1 MHz, measured in-plane (in-plane) method, all the tests were carried out while the sample is completely wet.

실험예 5: 메탄올 투과도 측정Experimental Example 5: Methanol Permeability Measurement

두 개의 셀 사이에 실시예 4 내지 6 및 비교예 1에 따른 고분자 전해질막을 각각 개재한 후, 하나의 셀에 1M의 메탄올 수용액 15 mL를 주입하고, 다른 셀에 증류수 15 mL를 주입한 후, 증류수가 들어간 셀에서 10 분당 10㎕씩 분취한 후, 다시 10㎕의 증류수로 채웠다. 분취한 시료에 대하여 가스크로마토그래피로 메탄올 농도를 측정하였다. After interposing the polymer electrolyte membranes according to Examples 4 to 6 and Comparative Example 1 between the two cells, 15 mL of 1M aqueous methanol solution was injected into one cell, and 15 mL of distilled water was injected into the other cell, followed by distilled water. 10 μl was aliquoted per 10 minutes in a cell containing 10 μl, followed by filling with 10 μl of distilled water. The methanol concentration was measured by gas chromatography on the sample collected.

시간에 따른 메탄올 농도의 변화를 그래프로 작성하고 그 기울기로부터 하기 수학식 1에 따라 메탄올 투과도를 계산하여, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
The change in methanol concentration over time was plotted and the methanol permeability was calculated from the slope according to Equation 1 below, and the results are shown in Table 4 below.

Figure pat00026
Figure pat00026

고분자 전해질막Polymer electrolyte membrane 수소이온전도도(x10-3 S/cm)Hydrogen ion conductivity (x10 -3 S / cm) 메탄올투과도(x10-6 cm2/sec)Methanol permeability (x10 -6 cm 2 / sec) 실시예 4Example 4 2.742.74 0.590.59 실시예 5Example 5 3.753.75 0.790.79 실시예 6Example 6 3.953.95 1.041.04 비교예 1Comparative Example 1 3.373.37 2.12.1

상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 양이온 교환기로 설폰산기를 갖는 양성자 전도성 중합체로 이루어진 고분자 전해질막(실시예 4 내지 6)은 설폰화도가 높으면서도 중량평균분자량이 높아 종래의 고분자 전해질막인 Nafion 112를 이용하여 제조된 비교예 1의 고분자 전해질막과 비교하여 동등 이상의 수소이온 전도도 및 낮은 메탄올 투과도를 나타내어 연료전지용 고분자 전해질막으로서의 성능이 우수함을 확인할 수 있었다.
As shown in Table 4, the polymer electrolyte membrane (Examples 4 to 6) made of a proton conductive polymer having a sulfonic acid group as a cation exchanger prepared according to the present invention has a high sulfonation degree and a high weight average molecular weight of a conventional polymer. Compared with the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 1 prepared using Nafion 112, which is an electrolyte membrane, hydrogen ionic conductivity and low methanol permeability were shown to be equivalent to that of the polymer electrolyte membrane for fuel cells.

실시예 7: 막-전극 접합체 제조Example 7: Preparation of membrane-electrode assembly

연료극 및 공기극 형성용 조성물을 제조하기 위하여 물, 1-프로판올, 이소프로필알코올(IPA)의 혼합 용매 50g에, 나피온 10 wt% 용액(Dupont, Nafion Dispersion) 19g, 다나카 촉매(45 wt% Pt/C) 5g을 첨가하고, 초음파기 및 혼합기를 사용하여 균일하게 분산시켰다. To prepare a composition for forming the anode and the cathode, in 50 g of a mixed solvent of water, 1-propanol, and isopropyl alcohol (IPA), 19 g of Nafion 10 wt% solution (Dupont, Nafion Dispersion), Tanaka catalyst (45 wt% Pt / C) 5 g was added and uniformly dispersed using an ultrasonicator and mixer.

코터(coater)를 사용하여 백금 촉매 기준으로 0.2mgPt/㎠로 전사지에 상기 제조된 연료극 형성용 조성물, 0.4mgPt/㎠로 전사지에 상기 제조된 공기극 형성용 조성물을 도포하여, 제1, 제2 전사필름을 얻었다. Using a coater to coat the prepared anode forming composition on the transfer paper at 0.2 mgPt / cm 2 based on the platinum catalyst, and the prepared cathode forming composition on the transfer paper at 0.4 mgPt / cm 2, thereby transferring the first and second transfers. A film was obtained.

이어서, 실시예 4에서 제조된 고분자 전해질막의 일면 및 타면 각각에 상기에서 제조한 제1 및 제2 전사필름을 인접되게 동시에 배치하고 이를 고온 및 고압 조건하에서 전사시켜 막전극 접합체를 제조하였다. 전사조건은 130℃, 120kgf/㎠, 5분이었다.
Subsequently, the first and second transfer films prepared above were simultaneously disposed adjacent to one side and the other side of the polymer electrolyte membrane prepared in Example 4, and transferred under high temperature and high pressure to prepare a membrane electrode assembly. Transfer conditions were 130 ℃, 120kgf / ㎠, 5 minutes.

실시예 8: 막-전극 접합체 제조Example 8: Membrane-electrode Assembly Preparation

실시예 5에서 제조된 고분자 전해질막을 사용한 점을 제외하고, 실시예 7과 동일한 방법으로 막전극 접합체를 제조하였다.
A membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 7, except that the polymer electrolyte membrane prepared in Example 5 was used.

실시예 9: 막-전극 접합체 제조Example 9: Preparation of membrane-electrode assembly

실시예 6에서 제조된 고분자 전해질막을 사용한 점을 제외하고, 실시예 7과 동일한 방법으로 막전극 접합체를 제조하였다.
A membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 7, except that the polymer electrolyte membrane prepared in Example 6 was used.

비교예 2: 막-전극 접합체 제조Comparative Example 2: Preparation of the membrane-electrode assembly

고분자 전해질 막으로 NRE 211(Dupont, 두께 25um)막을 사용한 점을 제외하고, 실시예 7과 동일한 방법으로 막전극 접합체를 제조하였다.
A membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 7, except that an NRE 211 (Dupont, thickness 25um) membrane was used as the polymer electrolyte membrane.

실시예 10 내지 12: 단위전지의 제조Examples 10 to 12: Production of unit cell

상기 실시예 7 내지 9에서 제조한 막전극 접합체의 양면 각각에 가스확산층(GDL) (SGL사 10BB)을 인접하게 배치하여 실시예 10 내지 12의 단위전지를 각각 제조하였다.
The unit cells of Examples 10 to 12 were prepared by arranging gas diffusion layers (GDLs) (SBB 10BB) adjacent to both surfaces of the membrane electrode assemblies prepared in Examples 7 to 9, respectively.

비교예 3: 단위전지의 제조Comparative Example 3: Fabrication of Unit Cell

상기 비교예 2에서 제조한 막전극 접합체의 양면 각각에 가스확산층(GDL) (SGL사 10BB)을 인접하게 배치하여 비교예 3의 단위전지를 제조하였다.
A unit cell of Comparative Example 3 was prepared by arranging a gas diffusion layer (GDL) (SBB 10BB) adjacent to each of both surfaces of the membrane electrode assembly prepared in Comparative Example 2.

실험예 6: 단위전지 성능 테스트Experimental Example 6: unit cell performance test

상기 실시예 10 내지 12 및 비교예 3에서 제조한 단위전지 성능을 시험하기 위하여, 연료극 입구/셀/공기극 입구의 온도를 각각 65/65/65℃, 대기압과 압력차이를 (0 psig)으로 유지하도록 압력을 조절하고 화학 당량 기준으로 수소:공기=1.5:2.0의 비율로 하여 단위전지를 운전하였다.In order to test the performance of the unit cells prepared in Examples 10 to 12 and Comparative Example 3, the temperature of the anode inlet / cell / air electrode inlet was maintained at 65/65/65 ° C., respectively, and the atmospheric pressure and pressure difference were (0 psig). The pressure was adjusted so that the unit cell was operated at a ratio of hydrogen: air = 1.5: 2.0 based on the chemical equivalent.

상기 실시예 10 내지 12 및 비교예 3에서 제조한 단위전지를 운전하여, 전류밀도에 따른 셀 전압을 조사하여, 그 결과를 도 2에 나타내었고, 이때 0.6V의 셀 전압에서의 전류 밀도 값을 표 5에 나타내었다.Operating the unit cells manufactured in Examples 10 to 12 and Comparative Example 3, and investigated the cell voltage according to the current density, the results are shown in Figure 2, wherein the current density value at the cell voltage of 0.6V Table 5 shows.

단위전지Unit cell 실시예 10Example 10 실시예 11Example 11 실시예 12Example 12 비교예 3Comparative Example 3 단위전지 성능
(mA/cm2),0.6V
Unit cell performance
(mA / cm 2 ), 0.6V
10201020 10501050 10801080 960960

도 2를 참조하면, 실시예 10 내지 12 에서 제조한 단위전지는 비교예 3에서 제조한 단위전지의 경우에 비해 셀 전압 특성이 개선되었으며, 또한 양성자 전도성 중합체의 설폰화도(DS)가 증가할수록 전압 특성이 개선되는 사실을 알 수 있었다. Referring to FIG. 2, the cell voltage characteristics of the unit cells prepared in Examples 10 to 12 were improved compared to the unit cells prepared in Comparative Example 3, and the voltage was increased as the degree of sulfonation of the proton conductive polymer (DS) increased. It can be seen that the characteristics are improved.

Claims (21)

하기 화학식 1로 표시되는 양성자 전도성 중합체:
<화학식 1>
Figure pat00027

상기 식에서,
Ar1이 단일 결합 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며;
E1 및 E2가 서로 독립적으로 수소, 설폰산기, 설폰산염기, 및 인산기에서 선택된 어느 하나이며,
R1, R2, R3, R4, R5 및 R6이 서로 독립적으로 수소, 설폰산기, 설폰산염기, 인산기, 치환 또는 비치환된 탄수소 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알키닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 5 내지 20의 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄수소 7 내지 20의 알킬아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기이며,
단, E1, E2, R1, R2, R3, R4, R5 및 R6 중 하나 이상은 설폰산기, 설폰산염기, 또는 인산기이거나, 설폰산기, 설폰산염기, 또는 인산기로 치환된 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 시클로알킬기, 아릴기, 헤테로아릴기, 알킬아릴기, 또는 알콕시기이고,
a+b=4, c+d=4 이며, a 및 c는 서로 독립적으로 1 내지 4의 정수이며;
n은 중합도로서 10 내지 10,000이다.
Proton conductive polymer represented by the following formula (1):
<Formula 1>
Figure pat00027

Where
Ar 1 is a single bond or a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms;
E 1 and E 2 are each independently selected from hydrogen, sulfonic acid group, sulfonate group, and phosphoric acid group,
R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are independently of each other hydrogen, sulfonic acid group, sulfonate group, phosphoric acid group, substituted or unsubstituted alkyl group of 1-20, substituted or unsubstituted Alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, substituted or unsubstituted alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms, substituted or unsubstituted cycloalkyl group having 5 to 20 carbon atoms, substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms, substituted or unsubstituted A substituted heteroaryl group having 2 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkylaryl group having 7 to 20 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms,
Provided that at least one of E 1 , E 2 , R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5, and R 6 is a sulfonic acid group, a sulfonate group, or a phosphoric acid group, or a sulfonic acid group, a sulfonate group, or a phosphoric acid group Substituted alkyl, alkenyl, alkynyl, cycloalkyl, aryl, heteroaryl, alkylaryl, or alkoxy groups,
a + b = 4, c + d = 4, and a and c are each independently an integer of 1 to 4;
n is 10 to 10,000 as polymerization degree.
제1항에 있어서, 상기 중합체가 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 추가적으로 포함하는 양성자 전도성 중합체:
<화학식 2>
Figure pat00028

상기 식에서,
Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며;
m은 중합도로서 10 내지 10,000이다.
The proton conductive polymer of claim 1, wherein the polymer further comprises a repeating unit represented by Formula 2 below:
<Formula 2>
Figure pat00028

Where
Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms;
m is 10 to 10,000 as polymerization degree.
제1항에 있어서, 상기 중합체가 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위를 포함하는 양성자 전도성 중합체:
<화학식 3>
Figure pat00029

상기 식에서,
E1, E2, R1, R2, R3, R4, R5, R6, a, b, c, 및 d는 제1항에서 정의된 대로이며,
Ar1이 단일 결합 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며;
Ar2 및 Ar3은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며;
p 및 q는 몰분율이며, p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이며,
r이 중합도로서 10 내지 10000이다.
The proton conductive polymer of claim 1, wherein the polymer comprises a repeating unit represented by Formula 3 below:
<Formula 3>
Figure pat00029

Where
E 1 , E 2 , R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , a, b, c, and d are as defined in claim 1,
Ar 1 is a single bond or a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms;
Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms;
p and q are mole fractions, p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,
r is 10-10000 as a degree of polymerization.
제3항에 있어서, 상기 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기가 하기 화학식들 중 하나로 표시되는 양성자 전도성 중합체:
Figure pat00030

상기 식들에서,
R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24, R25, R26, R27, R28, R29, R30, R31, R32, R33, 및 R34 가 서로 독립적으로 수소, 할로겐 원자, 탄수소 1 내지 20의 직쇄 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 탄소수 2 내지 20의 알키닐기, 탄소수 5 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 20의 아릴기, 탄소수 2 내지 20의 헤테로아릴기, 탄수소 7 내지 20의 알킬아릴기, 또는 탄소수 1 내지 20의 알콕시기이며;
상기 Y1, Y2, 및 Y3이 단일 결합, O, S, S(=O)2, C(=O), P(=O)(R35), C(R36)(R37), Si(R38)(R39) 또는 C(=O)NH이며, 상기 R35, R36, R37, R38 및 R39는 서로 독립적으로 할로겐으로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 또는 할로겐으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴기이다.
The proton conductive polymer of claim 3, wherein the substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms is represented by one of the following formulas:
Figure pat00030

In the above equations,
R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 , R 16 , R 17 , R 18 , R 19 , R 20 , R 21 , R 22 , R 23 , R 24 , R 25 , R 26 , R 27 , R 28 , R 29 , R 30 , R 31 , R 32 , R 33 , and R 34 are each independently a straight chain of hydrogen, halogen atom, carbohydrate 1-20 Or a branched alkyl group, an alkenyl group of 2 to 20 carbon atoms, an alkynyl group of 2 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group of 5 to 20 carbon atoms, an aryl group of 6 to 20 carbon atoms, a heteroaryl group of 2 to 20 carbon atoms, or 7 to 7 carbon atoms An alkylaryl group of 20 or an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms;
Y 1 , Y 2 , and Y 3 are a single bond, O, S, S (= 0) 2 , C (= 0), P (= 0) (R 35 ), C (R 36 ) (R 37 ) , Si (R 38 ) (R 39 ) or C (═O) NH, wherein R 35 , R 36 , R 37 , R 38 and R 39 are each independently substituted or unsubstituted with halogen having 1 to 20 carbon atoms. It is an alkyl group or a C6-C20 aryl group unsubstituted or substituted by halogen.
제4항에 있어서, 상기 R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24, R25, R26, R27, R28, R29, R30, R31, R32, R33, 및 R34 가 서로 독립적으로 수소, 또는 탄수소 1 내지 5의 직쇄형 알킬기이고, 상기 Y1, Y2, 및 Y3이 S 또는 S(=O)2 인 양성자 전도성 중합체.The method according to claim 4, wherein R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 , R 16 , R 17 , R 18 , R 19 , R 20 , R 21 , R 22 , R 23 , R 24 , R 25 , R 26 , R 27 , R 28 , R 29 , R 30 , R 31 , R 32 , R 33 , and R 34 are independently of each other hydrogen or carbohydrate A proton conductive polymer of 1 to 5 straight alkyl groups, wherein Y 1 , Y 2 , and Y 3 are S or S (═O) 2 . 제3항에 있어서, 상기 R1, R2, R3 및 R4가 설폰산기, 설폰산염기 또는 인산기로 1개 이상 치환된 페닐기인 양성자 전도성 중합체.The proton conductive polymer of claim 3, wherein R 1 , R 2 , R 3, and R 4 are phenyl groups substituted with at least one sulfonic acid group, sulfonate group, or phosphoric acid group. 제3항에 있어서, 상기 중합체가 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위를 포함하는 양성자 전도성 중합체:
<화학식 4>
Figure pat00031

상기 식에서,
E3, E4, E5, E6, E7, 및 E8은 설폰산기, 설폰산염기 또는 인산기이고,
e 및 f는 1 내지 4의 정수이고, g, h, i, 및 j는 1 내지 5의 정수이고,
Ar4 및 Ar5는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며;
p 및 q는 몰분율이며, p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이며,
r이 중합도로서 10 내지 10000이다.
The proton conductive polymer of claim 3, wherein the polymer comprises a repeating unit represented by Formula 4 below:
<Formula 4>
Figure pat00031

Where
E 3 , E 4 , E 5 , E 6 , E 7 , and E 8 are sulfonic acid groups, sulfonate groups or phosphoric acid groups,
e and f are integers from 1 to 4, g, h, i, and j are integers from 1 to 5,
Ar 4 and Ar 5 are each independently a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms;
p and q are mole fractions, p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,
r is 10-10000 as a degree of polymerization.
제3항에 있어서, 상기 중합체가 하기 화학식 5a, 5b 및 5c 중 하나로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체인 양성자 전도성 중합체:
<화학식 5a>
Figure pat00032


<화학식 5b>
Figure pat00033


<화학식 5c>
Figure pat00034

상기 식에서,
p 및 q는 몰분율이며, p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이며,
r이 중합도로서 10 내지 10000이다.
The proton conductive polymer of claim 3, wherein the polymer is a copolymer including a repeating unit represented by one of Formulas 5a, 5b, and 5c:
<Formula 5a>
Figure pat00032


<Formula 5b>
Figure pat00033


<Formula 5c>
Figure pat00034

Where
p and q are mole fractions, p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,
r is 10-10000 as a degree of polymerization.
제3항에 있어서, 상기 중합체가 랜덤 공중합체 또는 블록 공중합체인 양성자 전도성 중합체.The proton conductive polymer of claim 3, wherein the polymer is a random copolymer or a block copolymer. 제1항에 있어서, 상기 중합체의 중량평균 분자량이 10,000 내지 1,000,000인 양성자 전도성 중합체.The proton conductive polymer of claim 1, wherein the polymer has a weight average molecular weight of 10,000 to 1,000,000. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 양성자 전도성 중합체를 포함하는 고분자 전해질막.A polymer electrolyte membrane comprising the proton conductive polymer according to any one of claims 1 to 10. 제11항에 있어서, 상기 고분자 전해질막이 폴리이미드, 폴리에테르케톤, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리에테르에테르설폰, 폴리벤즈이미다졸, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리스티렌, 폴리트리풀루오로스티렌 설폰산, 폴리스티렌 설폰산, 폴리우레탄 및 분지형 설폰화 폴리설폰케톤 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 고분자를 더 포함하는 고분자 전해질막.The method according to claim 11, wherein the polymer electrolyte membrane is polyimide, polyetherketone, polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polybenzimidazole, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polystyrene, polytrifluoro A polymer electrolyte membrane further comprising one polymer selected from the group consisting of rostyrene sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyurethane, and branched sulfonated polysulfone ketone copolymers. 제11항에 있어서, 상기 고분자 전해질막이 실리콘 산화물(SiO2), 티타늄 산화물(TiO2), 무기인산, 설폰화된 실리콘 산화물(Sulfonated SiO2), 설폰화된 지르코늄 산화물(sufonated ZrO) 및 설폰화된 지르코늄 인산염(sulfonated ZrP)로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 무기물을 더 포함하는 고분자 전해질막.12. The method of claim 11, wherein the polymer electrolyte membrane is silicon oxide (SiO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), inorganic phosphoric acid, sulfonated SiO 2 , sulfonated ZrO and sulfonated Zirconium phosphate (sulfonated ZrP) polymer electrolyte membrane further comprising one inorganic material selected from the group consisting of. 제11항에 있어서, 상기 전해질막이 다공성 지지체를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.The polymer electrolyte membrane of Claim 11, wherein the electrolyte membrane further comprises a porous support. 제11항의 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체.A membrane-electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane of claim 11. 제11항의 고분자 전해질막을 채용한 연료전지.A fuel cell employing the polymer electrolyte membrane of claim 11. 제16에 있어서, 상기 연료전지가 직접 메탄올 연료전지인 연료전지.17. The fuel cell of claim 16, wherein the fuel cell is a direct methanol fuel cell. 제16항에 있어서, 상기 연료전지가 차량용 연료전지인 연료전지.17. The fuel cell of claim 16, wherein the fuel cell is a vehicle fuel cell. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 양성자 전도성 중합체를 포함하는 양이온 교환 수지.A cation exchange resin comprising the proton conductive polymer according to any one of claims 1 to 10. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 중합체를 포함하는 양이온 교환막. A cation exchange membrane comprising the polymer according to any one of claims 1 to 10. 하기 화학식 6 내지 9로 표시되는 화합물을 반응시켜 하기 화학식 10으로 표시되는 화합물을 제조하는 단계; 및
하기 화학식 10으로 표시되는 화합물에 양이온 교환기를 도입하여 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 제조하는 단계;를 포함하는 양성자 전도성 중합체의 제조방법:
<화학식 6>
Figure pat00035

<화학식 7>
Figure pat00036

<화학식 8>
Figure pat00037

<화학식 9>
Figure pat00038

<화학식 10>
Figure pat00039

<화학식 3>
Figure pat00040
,
상기 식에서,
R'1, R'2, R'3, R'4, R'5, 및 R'6 은 수소, 치환 또는 비치환된 탄수소 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알키닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 5 내지 20의 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄수소 7 내지 20의 알킬아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기이며,
E1, E2, R1, R2, R3, R4, R5, R6, a, b, c, 및 d는 제1항에서 정의된 대로이며,
Ar1이 단일 결합 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며,
Ar2 및 Ar3은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이며,
X는 Cl, Br, I, 또는 F이고,
p 및 q는 몰분율이며, p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이며,
r이 중합도로서 10 내지 10000이다.
Preparing a compound represented by Chemical Formula 10 by reacting a compound represented by Chemical Formula 6 to 9; And
A method of preparing a proton conductive polymer comprising: introducing a cation exchange group into a compound represented by Formula 10 to prepare a compound represented by Formula 3 below:
<Formula 6>
Figure pat00035

<Formula 7>
Figure pat00036

(8)
Figure pat00037

&Lt; Formula 9 >
Figure pat00038

<Formula 10>
Figure pat00039

<Formula 3>
Figure pat00040
,
Where
R ' 1 , R' 2 , R ' 3 , R' 4 , R ' 5 , and R' 6 are hydrogen, a substituted or unsubstituted carbohydrate having 1 to 20 alkyl groups, or a substituted or unsubstituted carbon having 2 to 20 carbon atoms. Alkenyl group, substituted or unsubstituted C2-C20 alkynyl group, substituted or unsubstituted C5-C20 cycloalkyl group, substituted or unsubstituted C6-C20 aryl group, substituted or unsubstituted C2-C20 A heteroaryl group of 20, a substituted or unsubstituted alkylaryl group having 7 to 20 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms,
E 1 , E 2 , R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , a, b, c, and d are as defined in claim 1,
Ar 1 is a single bond or a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms,
Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted arylene group having 6 to 20 carbon atoms,
X is Cl, Br, I, or F,
p and q are mole fractions, p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,
r is 10-10000 as a degree of polymerization.
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