KR100453680B1 - Crosslinked proton exchange membrane and its preparation - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가교반응을 일으킬 수 있는 구조단위와 이온 전도성기에 의해 치환된 구조단위를 포함하는 공중합체가 서로 가교된 필름 형태의 이온 교환 막 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 이온 교환 막은 수소이온의 전도도가 수분 및 메탄올의 영향을 적게 받고, 메탄올 크로스오버를 해결할 수 있어 연료전지를 포함한 다양한 전기화학적 장치에 이용될 수 있다.The present invention relates to an ion exchange membrane in the form of a film in which a copolymer including a structural unit capable of causing a crosslinking reaction and a structural unit substituted by an ion conductive group is crosslinked with each other, and a method of manufacturing the same. The conductivity of the ions is less affected by moisture and methanol, and can solve the methanol crossover can be used in a variety of electrochemical devices, including fuel cells.

Description

가교된 이온 교환 막 및 그 제조방법{CROSSLINKED PROTON EXCHANGE MEMBRANE AND ITS PREPARATION}Cross-linked ion exchange membrane and its manufacturing method {CROSSLINKED PROTON EXCHANGE MEMBRANE AND ITS PREPARATION}

본 발명은 이온 교환 막 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 연료전지용 이온 교환 막 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ion exchange membrane and a method for producing the same, and more particularly, to an ion exchange membrane for a fuel cell and a method for producing the same.

대체용 전원으로 각광을 받고 있는 연료전지는 전기 화학 장치의 하나로, 메탄올이나 천연가스등 탄화수소 계열의 연료 중에 포함되어 있는 수소와 공기중의 산소를 전기화학반응에 의해서 직접 전기에너지로 변환시키는 고효율의 청정 발전 기술로 1970년대 미국에서 우주선의 전원 공급용으로 개발된 이래 이를 일반 전원용으로 사용하고자 하는 연구가 추진되어 왔으며, 현재 미국, 일본, 유럽 등이 선진국에서 그 실용화를 위한 개발이 활발하게 진행되고 있다. 주로 수송용 및 현지 설치형 전원으로 사용하기 위하여 연구가 많이 진행되고 있다. 이중 운전온도가 낮고 시스템의 소형화, 이동 및 휴대성이 편리한 연료전지는 수소를 직접 연료로 쓰는 고분자 전해질 연료전지 (proton exchange membrane fuel cell: PEMFC)와 메탄올을 직접 연료로 쓰는 직접 메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)이다. 메탄올을 직접 연료로 사용하고 있는 DMFC는 물과 혼합된 메탄올 등의 액체를 연료로 사용하며, 연료 취급이 용이하고 운전온도가 낮기 때문에 초소형화가 가능한 장점이 있다. 이러한 연료전지는 폐기 시 환경공해 물질이 되는 1차 및 2차 배터리를 대체하기 위한 최적 동원력으로 주목을 받고 있다.The fuel cell, which has been spotlighted as an alternative power source, is an electrochemical device that is highly efficient in converting hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon fuel such as methanol and natural gas into electric energy directly by electrochemical reaction. Since the development of clean power technology for power supply of spacecraft in the United States in the 1970s, research has been conducted to use it as a general power source. Currently, the United States, Japan, and Europe are actively developing for practical use in advanced countries. have. A lot of research is being carried out mainly for use as transportation and on-site power supply. Fuel cells with low operating temperature and convenient system miniaturization, mobility and portability are proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) using hydrogen directly as fuel and direct methanol fuel cell using methanol directly as fuel. Methanol Fuel Cell (DMFC). DMFC, which uses methanol directly as a fuel, uses liquids such as methanol mixed with water as fuel, and has an advantage of miniaturization because of easy fuel handling and low operating temperature. Such fuel cells are attracting attention as an optimal motive power for replacing primary and secondary batteries, which are environmental pollutants at the time of disposal.

연료전지 본체는 고분자 이온 교환 막으로 된 전해질을 중심으로 그 양쪽 면에 연료가 들어가는 연료극(Anode)과 공기가 들어가는 공기극(Cathode)을 열간 가압(hot pressing)에 의해 부착시킴에 의해서 구성되는 단위 전지로 이루어져 있으며, 이러한 단위전지를 여러 층 적층함으로써 수 kW에서부터 수 MW에 이르는 연료전지 발전 시스템을 구성하게 된다.The main body of the fuel cell is a unit cell formed by attaching, by hot pressing, an anode into which fuel enters and a cathode into which air enters, on both sides of an electrolyte made of a polymer ion exchange membrane. The unit cells are stacked in layers to form a fuel cell power generation system ranging from several kW to several MW.

다양한 가능성과 효율의 장점을 갖고 있는 PEMFC나 DMFC는, 그러나, 아직까지 해결해야하는 기술적인 문제점들과 아울러 높은 제작비용 때문에 아직도 상업화되지 못하고 있는 실정이다. PEMFC나 DMFC의 상업화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 것은 지금까지 개발된 이온 교환 막의 성능이 본 궤도에 오르지 못한데 기인한다.PEMFCs or DMFCs, which have various advantages and efficiency advantages, are still not commercialized due to the high production cost as well as technical problems to be solved. The biggest obstacle to the commercialization of PEMFC and DMFC is due to the failure of the developed ion exchange membranes to reach this orbit.

PEMFC 또는 DMFC에 있어서 이온 교환 전해질막의 성능이 연료전지의 성능을좌우한다해도 과언이 아니다. PEMFC 및 DMFC에 사용하는 고분자 막은 연료극에서 생성된 수소이온을 공기극으로 이동해 주어야 할 뿐 아니라, 두 반응 물질 (수소나 메탄올과 같은 연료물질과 산화제인 산소)들을 분리시켜 주는 중요한 역할을 하고 있다. 따라서 연료전지용 고분자 이온 교환막의 필요조건은 수소 이온 전도성이 우수해야 하는 반면, 전자의 전도성은 낮아야 한다. 또한 이온의 이동에 비해 반응기체나 물의 이동이 적어야 하고, 가스 불침투성, 형상안정성, 기계적, 화학적 안정성이 높아야 한다. 반응물들이 막을 통과하게 되면 폭발이 일어나거나, 부가반응이 일어나게 되고 전자가 막을 통해 이동하게 되면 단락되어 연료전지의 파워 효율을 감소시키거나 효율을 발생시키지 조차 못하게 된다. DMFC에 사용하는 고분자 분리막은 PEMFC의 정해진 요구조건 외에도, 타분자(메탄올, 물)의 이동이 적어야 한다.It is no exaggeration to say that the performance of the ion exchange electrolyte membrane in PEMFC or DMFC depends on the performance of the fuel cell. The polymer membrane used for PEMFC and DMFC not only has to move hydrogen ions generated from the anode to the cathode, but also plays an important role in separating two reactants (fuel such as hydrogen or methanol and oxygen as an oxidant). Therefore, the requirements of the polymer ion exchange membrane for fuel cells should be excellent in hydrogen ion conductivity, while the conductivity of electrons should be low. In addition, the flow of the reactant or water should be less than that of ions, and the gas impermeability, shape stability, mechanical and chemical stability should be high. As the reactants pass through the membrane, there is an explosion, an addition reaction, and electrons moving through the membrane, which short-circuits, reducing the power efficiency of the fuel cell or even causing it to fail. Polymer membranes used in DMFCs must have less migration of other molecules (methanol, water) in addition to the requirements of PEMFC.

지금까지 개발되어 상업화되고 있는 연료전지용 막은 PEMFC용으로서 미국 듀퐁사의 나피온(Nafion) 외에, 다우 케미칼의 XUS, 고어 & 어소시에이트의 고어-실렉트, 캐나다의 발라드 어드밴스드 머티어리얼즈사의 BAM3G, 일본의 아사히 케미칼사의 아시플렉스, 아사히 글라스사의 플레미온, 클로린 엔지니어사의 프라덕트 C, 도꾸야마 소다사의 네오스페타-F, 독일의 훼스트 등의 불소계 양이온막, 그리고 비 불소계로는 최근에 개발된 다이드-어낼리틱사의 설폰화 폴리스티렌-블록-폴리(에틸렌-랜덤-부틸렌)-블록-폴리스티렌(sulfonated polystyrene-block-poly(ethylene-ran-butylene)-block-polystyrene)(이하, "SSEBS")(US 5,679,482 및 US 5,468,574) 외의 소수 (US 6,110,616)만이 상업화되어 있는 정도이다.Fuel cell membranes developed and commercialized so far are PEMFC's Nafion of DuPont, USA, XUS of Dow Chemical, Gore-Select of Gore & Associates, BAM3G of Ballard Advanced Materials of Canada, Japan Asahi Chemical's Aciplex, Asahi Glass's Flemion, Chlorine Engineer's Pride C, Tokuyama Soda's Neosfeta-F, Germany's Festa, etc. Sulfonated polystyrene-block-poly (ethylene-ran-butylene) -block-polystyrene (hereinafter referred to as "SSEBS") (US) Only a small number (US 6,110,616) other than 5,679,482 and US 5,468,574 are commercialized.

불소계 막의 경우 PEMFC용으로는 충분한 효율을 얻을 수는 있으나, 가격이고가이기 때문에 상업화하기에 부적당할 뿐만 아니라, PEMFC용 고분자 막을 DMFC에 사용하는 경우에는 다양한 부작용이 나타나는데, 그 이유는 DMFC는 PEMFC와는 달리 연료로 메탄올을 사용하는데 문제점을 안고 있다. 연료인 메탄올이 연료극에서 공기극으로 고분자 이온 교환막을 그대로 통과하는 "메탄올 크로스오버"(methanol crossover)의 발생은 공기극 전위의 감소 및 전지 전압의 손실을 야기한다. 뿐만 아니라, 이러한 메탄올 크로스오버는 연료 자체의 막대한 손실을 가져오며 낮은 에너지 효율을 야기한다.In the case of fluorine-based membranes, sufficient efficiency can be obtained for PEMFC, but it is not suitable for commercialization due to its high price and price, and various side effects occur when PEMFC polymer membrane is used in DMFC. Otherwise, there is a problem in using methanol as a fuel. The generation of "methanol crossover", in which methanol as a fuel passes through the polymer ion exchange membrane directly from the anode to the cathode, causes a decrease in cathode potential and a loss of battery voltage. In addition, this methanol crossover results in enormous loss of fuel itself and low energy efficiency.

따라서, DMFC를 상업화하기 위해서는 가격 경쟁력이 있는 막이어야 할 뿐 아니라 메탄올의 크로스오버를 해결할 수 있는 막이어야 한다.Therefore, in order to commercialize DMFC, it must be a film that can solve the crossover of methanol as well as a price competitive film.

일반적으로, 현재 개발된 나피온계 불소막 또는 비불소계 SSEBS막은 소수성인 주사슬과 친수성인 설폰산기가 고분자 사슬에 같이 있어 미세하게는 친수성과 소수성 사슬들간의 상 분리가 형성되어 소수성인 사슬들이 가교점(crosslinkage point)처럼 작용하게 되어 물리적인 젤(gel) 형상을 하고 있어 기계적 안정도를 유지하고 있다. 이러한 막은 물이 존재하게 되면 친수성인 사슬들이 이온 채널(ion channel)을 형성하게 되고, 따라서 막은 팽창하게 되고, 형성된 이온 채널을 통해 수소 이온이 전달되는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 PEMFC의 경우에는 물이 막 내부에 존재하여야 하기 때문에, 물에 의해 형성된 이온 채널이 긍정적인 역할을 하는 것으로 기대된다.In general, the currently developed Nafion-based fluorine or non-fluorine-based SSEBS membrane has a hydrophobic main chain and a hydrophilic sulfonic acid group in the polymer chain, so that the phase separation between the hydrophilic and hydrophobic chains is finely formed, thereby bridging the hydrophobic chains. It acts like a crosslinkage point and has a physical gel shape to maintain mechanical stability. Such membranes are known to cause hydrophilic chains to form ion channels in the presence of water, thus expanding the membrane and transferring hydrogen ions through the formed ion channels. In general, in the case of PEMFC, the ion channel formed by the water is expected to play a positive role because water must be present inside the membrane.

그러나 전력 밀도를 높이기 위해 촉매의 활성을 높이는 방법의 하나로 높은 온도에서의 연료전지의 운전이 필수적인데 이에 따라 기계적 강도를 부여하는 소수성기로 이루어진 사슬들의 온도에 따른 팽창력이 젤을 형성하는 힘보다 크게되어, 결과적으로 탈수현상이 일어나게 되고, 온도의 증가로 소수성 사슬들이 연질화되어 막의 형상이 무너지게 된다. 즉 기계적 강도가 현저히 줄어들게 된다.However, one of the ways to increase the activity of the catalyst to increase the power density is to operate the fuel cell at a high temperature is essential, so that the expansion force according to the temperature of the chain of hydrophobic groups that give mechanical strength is greater than the gel forming force As a result, dehydration occurs, and hydrophobic chains are softened due to an increase in temperature, resulting in a collapse of the membrane. In other words, the mechanical strength is significantly reduced.

막의 팽윤으로 일어나는 문제는 액체 연료를 사용하는 DMFC의 경우에 더 현저하다. 나피온 막의 팽윤제인 메탄올이 연료로 사용되는 경우, 메탄올이 이온 채널을 더 확장시키게 되어, 막의 기계적 강도가 줄어들 뿐 아니라, 연료인 메탄올이 수소이온과 물과 함께 연료극에서 공기극으로 이동하는 메탄올 크로스오버 문제를 일으키게 된다.The problem with swelling of the membrane is more pronounced in the case of DMFC using liquid fuel. When methanol, the swelling agent of a Nafion membrane, is used as fuel, methanol expands the ion channel further, reducing the mechanical strength of the membrane, as well as methanol crossover, where the fuel methanol moves from the anode to the cathode along with hydrogen ions and water. It causes a problem.

또한 상업적으로 생산되고 있는 나피온의 경우, 막의 두께가 너무 얇으면, 기계적 강도가 없기 때문에, 일반적으로 두껍게 생산되고 있다. 즉 50 ㎛ 이하의 두께는 실제 연료전지에 사용되지 못하고 있다. 이는 소형화 및 경량화, 그리고 가격면에서 불리하다. 막의 강도를 높이기 위해서는 일반적으로 구멍이 있는 고분자 지지대 속에 이온전도성 고분자 물질을 함침시켜서 제조하고 있다. (US 6,248,469, US 5,547,551) 하지만 이 방법은 지지대와 이온 전도성 물질과의 상분리에 의해 연료의 이동을 막아주지 못하는 불량률이 높은 것이 문제가 되고 있다. 즉, 현재까지도 가격 경쟁력이 있으면서 높은 이온 전도도 및 기계적 강도를 갖고, 탈수에 대한 저항성과 화학적 안정성이 높으면서도 높은 온도에서 연료의 투과가 일어나지 않는 모든 조건을 만족시키는 막은 개발되지 못한 실정이다.In the case of commercially produced Nafion, if the thickness of the film is too thin, it is generally produced thick because there is no mechanical strength. That is, a thickness of 50 μm or less is not used in actual fuel cells. This is disadvantageous in terms of miniaturization, light weight, and price. In order to increase the strength of the membrane is generally prepared by impregnating the ion conductive polymer material in the polymer support having a hole. (US 6,248,469, US 5,547,551) However, this method is problematic due to the high failure rate that does not prevent the movement of fuel by phase separation between the support and the ion conductive material. That is, up to now, a membrane that has a competitive price, high ion conductivity and mechanical strength, high resistance to dehydration and high chemical stability, and satisfies all conditions in which fuel permeation does not occur at a high temperature has not been developed.

따라서, 본 발명의 목적은 고온이나 고압 또는 팽윤제인 액체 연료를 사용하여도 저팽윤성을 나타내는 고분자 이온 교환 막을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a polymer ion exchange membrane that exhibits low swellability even when using a liquid fuel that is high temperature, high pressure or swelling agent.

본 발명의 다른 목적은 높은 이온 전도성을 갖고, 낮은 탈수 효과 (high resistance to dehydration), 높은 기계적 성질, 낮은 기체 투과도를 갖는 이온 전도성 고분자 이온 교환 막을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide an ion conductive polymer ion exchange membrane having high ion conductivity, low resistance to dehydration, high mechanical properties, and low gas permeability.

본 발명의 또 다른 목적은 전기 전도도가 거의 없고, 구조적 안정성을 갖고 있으며 마르거나 팽창되었을 때에도 쉽게 부서지지 않는 이온 전도성 고분자 막을 제조하는 것이다.Another object of the present invention is to produce an ion conductive polymer membrane which has little electrical conductivity, has structural stability, and does not easily break when dried or expanded.

본 발명의 또 다른 목적은 직접 메탄올을 연료로 사용하는 DMFC에도 사용할 수 있는 고분자 이온 교환 막을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a polymer ion exchange membrane that can also be used in DMFC using methanol directly as fuel.

본 발명의 또 다른 목적은 막을 제조하는데 비용면에 있어서 우위에 있는 물질과 방법을 사용하여 PEMFC나 DMFC의 상업화에 기여하는 고분자 이온 교환 막을 제공하는 것이다.It is yet another object of the present invention to provide polymeric ion exchange membranes that contribute to the commercialization of PEMFCs or DMFCs using materials and methods that are cost-effective in making membranes.

본 발명의 또 다른 목적은 연료전지용 이온전도성 막 뿐만 아니라, 전해조(electrolyzers), 전기분해, 전기 투석, 확산 투석, 압 투석, 클로로-알카리 분리막, 전지 등과 같은 전기 화학적 장치에 가격 경쟁력이 높은 물질을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide highly competitive materials for electrochemical devices such as electrolyzers, electrolysis, electrodialysis, diffusion dialysis, pressure dialysis, chloro-alkali separators, batteries, as well as ion conductive membranes for fuel cells. To provide.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 이온 교환 막의 제조방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 이온 교환막을 포함하는 막 전극 장치(MEA: Membrane Electrode Assemblies)를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a method for preparing the ion exchange membrane. Another object of the present invention is to provide a membrane electrode device (MEA: Membrane Electrode Assemblies) including the ion exchange membrane.

도 1은 비불소계 선형 고분자의 설폰화를 통해 얻은 가교되지 않은 이온 교환 막의 물에 대한 팽윤 특성에 대한 모식도이며(SSEBS를 모델로 선정), 1 is a schematic diagram of water swelling characteristics of an uncrosslinked ion exchange membrane obtained through sulfonation of a non-fluorine-based linear polymer (SSEBS is selected as a model).

도 2는 본 발명의 가교된 이온 교환 막의 물에 대한 팽윤 특성에 대한 모식도이다. 2 is a schematic diagram of water swelling characteristics of the crosslinked ion exchange membrane of the present invention.

* 도 1 및 2 중는 비설폰화된 사슬을 나타내고,은 설폰화된 사슬을 나타낸다.1 and 2 Represents an unsulfonated chain, Represents a sulfonated chain.

본 발명은 이온 전도성기를 갖고 있거나, 이온 전도성기로 치환될 수 있는 단위 구조를 갖고 있으며, 아울러 가교반응을 일으킬 수 있는 기능기를 포함하는 공중합체를 공유결합에 의한 가교에 의해 3차원 그물구조의 젤로 형성되고, 3차원 그물 구조의 젤 내부에 이온 전도성기가 도입된 필름 형태의 고분자 이온 교환 막에 관한 것으로서, 수소이온의 전도도가 수분 및 메탄올의 영향을 적게 받는 고분자 이온 교환 막에 관한 것이다.The present invention has a unit structure that can have an ion conductive group or can be substituted with an ion conductive group, and also a copolymer containing a functional group capable of causing a crosslinking reaction is formed into a gel of three-dimensional network structure by crosslinking by covalent bonds. The present invention relates to a polymer ion exchange membrane in the form of a film in which an ion conductive group is introduced into a gel of a three-dimensional network structure, and to a polymer ion exchange membrane in which the conductivity of hydrogen ions is less affected by moisture and methanol.

보다 구체적으로, 본 발명은 아래의 화학식 1 및 화학식 2로 구성되는 군에서 선택되는 구조단위 A로부터 가교반응에 의해 가교점이 형성되고, 화학식 3 및 화학식 4로 구성되는 군에서 선택되는 구조단위 B를 포함하는 공중합체가 서로 가교된 필름 형태의 이온 교환막에 관한 것이다.More specifically, in the present invention, a crosslinking point is formed by a crosslinking reaction from a structural unit A selected from the group consisting of Formula 1 and Formula 2 below, and the structural unit B selected from the group consisting of Formula 3 and Formula 4 The copolymer comprising an ion exchange membrane in the form of a crosslinked with each other.

-ArR7--ArR 7-

상기 화학식 1 내지 4에서, R1, R2, R3,R4및 R5는 각각 독립적으로 수소, 페닐, C1-4저급 알킬, C1-4저급 알킬렌, C1-4저급 알키닐, 니트릴 또는 독립적으로 축합 반응을 유도할 수 있는 반응기, 예를 들어 에폭시, 시아네이트, 에스테르, 할로겐을 나타낸다. R6은 수소 또는 C1-4의 저급 알킬기를 나타내며, Ar은 치환 또는 비치환된 페닐기를 나타내며, 여기서, 치환기는 페닐, C1-4저급 알킬, C1-4저급 알킬렌, C1-4저급 알키닐이고, R7은 -SO3H, -COOH 또는 -P(O)(OR8)OH기를 나타내며, 여기서 R8은 수소 또는 C1-4저급 알킬기를 나타낸다. R7이 -SO3H인 것이 바람직하다.In the above Chemical Formulas 1 to 4, R 1, R 2, R 3, R 4 and R 5 are each independently hydrogen, phenyl, C 1-4 lower alkyl, C 1-4 lower alkylene, C 1-4 lower alkynyl Nyl, nitrile or a reactor capable of independently inducing a condensation reaction, for example epoxy, cyanate, ester, halogen. R 6 represents hydrogen or a lower alkyl group of C 1-4 , and Ar represents a substituted or unsubstituted phenyl group, wherein the substituent is phenyl, C 1-4 lower alkyl, C 1-4 lower alkylene, C 1- 4 lower alkynyl, R 7 represents —SO 3 H, —COOH, or —P (O) (OR 8 ) OH group, wherein R 8 represents hydrogen or a C 1-4 lower alkyl group. It is preferred that R 7 is -SO 3 H.

상기 이온 교환막 성분 중 이온화 물질을 함유하지 않은 소수성 사슬(구조단위 A)은 가교반응에 의해 가교점을 생성하여 그 구조가 고정되며, 막의 강도를 유지시키는 역할을 한다. 막의 구조를 고정함에 의해, 본 발명의 이온 교환 막은 -SO3H, -COOH 또는 -P(O)(OR8)OH기로 구성되는 군에서 선택되는 이온 전도성기가 많이 치환되어도 젤이 어느 용매에도 녹지 않는 성질을 이용해 이온화 물질을 과량 부가할 수 있어, 높은 이온 전도도를 갖는다. 또한 막의 기계적 강도를 유지하는 소수성 부분이 가교점으로 고정되어 있으므로, 팽윤제인 메탄올이 존재해도 막의 팽윤을 저해하기 때문에, 메탄올을 비롯한 타 물질이 막을 통해 확산하는 것을 막을 수 있어 액체 연료전지용 고분자 전해질 막으로서 유용하게 사용될 수 있다.The hydrophobic chain (structural unit A) which does not contain an ionizing substance in the ion exchange membrane component forms a crosslinking point by a crosslinking reaction to fix its structure, and serves to maintain the strength of the membrane. By fixing the structure of the membrane, the ion exchange membrane of the present invention does not dissolve the gel in any solvent even if a large number of ion conductive groups selected from the group consisting of -SO 3 H, -COOH, or -P (O) (OR 8 ) OH group are substituted. It is possible to add an excessive amount of the ionizing material by using a property that does not have a high ion conductivity. In addition, since the hydrophobic portion that maintains the mechanical strength of the membrane is fixed at the crosslinking point, the presence of methanol as a swelling agent inhibits the swelling of the membrane, thereby preventing the diffusion of methanol and other substances through the membrane. It can be usefully used as.

도 1은 공유결합을 통한 화학적 가교점 없이 제조된 막의 문제점에 대한 모델을 나타낸 것으로서, 구체적으로는 종래의 이온 교환 막, 설폰화된 폴리스티렌-블록-폴리(에틸렌-랜덤-부틸렌)블록-폴리스티렌(SSEBS)(US 특허 5,679,482)의 제조과정 및 문제점을 나타내었다. 폴리스티렌-블록-폴리(에틸렌-랜덤-부틸렌)블록-폴리스티렌(SEBS)는 설폰화가 진행된 후(도 1의 A 단계), 소수성 사슬 상호간의 친화력 및 친수성 사슬 상호간의 친화력에 온도 또는 농도의 조절에 의하여 평형상태를 가역적으로 조절할 수 있는 "가역적 물리적 젤(reversible physical gel)"을 형성한다(도 1의 B단계). 즉, 한 고분자 사슬 내의 친수성과 소수성 특징에 의해 다른 고분자 사슬들과 소수성을 갖는 부분들이 모여 미세 상분리(microdomain)을 형성하고, 이 미세 상분리가 물속에서 물리적 가교점을 형성하게 된다. 그러나 이러한 "가역적 물리적 젤"은 이온 전도성기의 물에 대한 친화력 때문에 물속에서나, 특히 메탄올의 존재하에서 막의 팽윤이 심대해져서, 결과적으로 이를 DMFC에 사용할 경우, 메탄올 크로스오버가 현저하게 나타나 결과적으로 DMFC에 사용하지 못하게 된다(도 1의 C단계). 때로는, 이온 전도성기(예를 들면, 설폰기)가 과대하게 치환될 경우, 이온 교환 막 자체가 용해될 수 있는 위험성을 갖고 있다.1 shows a model for the problem of membranes prepared without chemical crosslinking points via covalent bonds, specifically a conventional ion exchange membrane, sulfonated polystyrene-block-poly (ethylene-random-butylene) block-polystyrene (SSEBS) (US Pat. No. 5,679,482) shows the manufacturing process and problems. Polystyrene-block-poly (ethylene-random-butylene) block-polystyrene (SEBS) is used to control the temperature or concentration in the affinity between hydrophobic chains and the affinity between hydrophilic chains after sulfonation progresses (step A in FIG. 1). Thereby forming a "reversible physical gel" that can be reversibly controlled equilibrium (step B of Figure 1). In other words, hydrophilicity and hydrophobicity in one polymer chain cause hydrophobic portions with other polymer chains to form a microdomain, which forms a physical crosslinking point in water. However, this "reversible physical gel" has a profound swelling of the membrane in water, especially in the presence of methanol, due to the affinity of the ion-conducting group to water, resulting in a significant methanol crossover when used in DMFC, resulting in It will not be used (step C of Figure 1). Sometimes, when an ion conductive group (for example, a sulfone group) is excessively substituted, there exists a danger that the ion exchange membrane itself may melt | dissolve.

도 2는 본 발명에 따른 가교된 이온 교환 막의 작용 모델을 도시한 것으로서, 가교점의 역할을 수행하는 구조 단위 A를 통해 공유결합으로 가교화시킨 젤, 즉 비가역적 화학적 젤(irreversible chemical gel) 상태에서는 구조 단위 A가 막의 구조를 고정하여 주위 상황에 따른 팽창과 수축의 양을 현저히 감소시킬 수 있다. 즉, 물 또는 메탄올과 같은 극성 물질이 존재하여도 막의 팽창을 현저히 저하시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한, 이온 전도성기가 과량 치환되어도, 구조적 고정에 의해 이온 교환막 자체가 용해되는 문제점을 해소할 수 있다, 본 발명의 구체적 실시예에 따르면, 설폰화가 과량 진행되어도 이온 교환막의 팽창이 크지 않았으며, 더 나아가 이온 교환막 자체가 용해되는 현상은 발견되지 아니하였다. 따라서, 이온 전도성기가 과량 도입된 높은 이온 전도도를 갖는 이온 교환 고분자 필름이 제작될 수 있다. 이러한 결과는 비가역적 화학적 젤의 형성에 의해 형상 안정성(또는 구조 안정성)이 부여되었기 때문인 것으로 믿어진다.FIG. 2 illustrates a functional model of a crosslinked ion exchange membrane according to the present invention, wherein a gel covalently crosslinked through a structural unit A serving as a crosslinking point, that is, an irreversible chemical gel state In structural unit A, the structure of the membrane can be fixed to significantly reduce the amount of expansion and contraction according to the surrounding situation. In other words, even if a polar substance such as water or methanol is present, the expansion of the membrane can be significantly reduced. In addition, even if the ion conductive group is excessively substituted, the problem of dissolving the ion exchange membrane itself by structural fixation can be solved. According to a specific embodiment of the present invention, the expansion of the ion exchange membrane was not large even when the sulfonation proceeded excessively. Furthermore, the phenomenon in which the ion exchange membrane itself was dissolved was not found. Therefore, an ion exchange polymer film having a high ion conductivity in which an ion conductive group is excessively introduced can be produced. This result is believed to be because shape stability (or structural stability) has been imparted by the formation of irreversible chemical gels.

상기한 본 발명의 이온 교환막은 바람직하게는 이온 전도성기로 작용하는 -SO3H, -COOH 또는 -P(O)(OR8)OH기가 15 % 이상, 보다 바람직하게는 15 - 80%, 더더울 바람직하게는 20 - 70%, 가장 바람직하게는 30 - 70% 치환된 막으로서, 30%의치환도를 갖는 SSEBS로부터 제작된 막보다 현저히 향상된 형상 안정도를 갖게 된다. 이러한 형상 안정도의 장점으로부터, 기존의 방법보다 더 높은 양의 설폰화를 달성하여 이온 전도도를 증가시킬 수 있다. 본 발명의 실험예에 따르면, 본 발명의 이온 교환막은 적어도 1 ×10-5이상, 바람직하게는 1 ×10-5- 5 ×10-1의 이온전도도를 나타내며, 구체적으로 스티렌 단위 유닛(unit)당 설폰화제 단위 유닛의 비율이 1: 0.1일 경우 3.4 ×10-4의 이온전도도를 나타내었으며, 그 비율이 1:4일 경우 3.4 ×10-2정도의 이온전도도를 나타내었다.The ion exchange membrane of the present invention described above preferably has a -SO 3 H, -COOH or -P (O) (OR 8 ) OH group which acts as an ion conducting group of at least 15%, more preferably 15-80%, even more It is preferably 20-70%, most preferably 30-70% substituted membrane, with significantly improved shape stability than membranes made from SSEBS having a degree of substitution of 30%. From the advantages of this shape stability, it is possible to achieve higher amounts of sulfonation than conventional methods to increase ionic conductivity. According to the experimental example of the present invention, the ion exchange membrane of the present invention exhibits an ion conductivity of at least 1 × 10 −5 or more, preferably 1 × 10 −5 -5 × 10 −1 , specifically, a styrene unit unit When the ratio of the sugar sulfonating unit unit 1: 1: 0.1 showed an ion conductivity of 3.4 × 10 -4 , when the ratio is 1: 4, the ion conductivity was about 3.4 × 10 -2 .

본 발명에 따른 이온 교환 막은 상기한 구조단위 A 및 구조단위 B'를 갖는 공중합체의 고분자 용액을 제조한 후, 고분자 용액에 가교 개시제를 첨가 한 후 또는 첨가하지 않고 필름을 제작하고, 광조사 또는 가열에 의해 필름을 가교시키고, 벤젠고리에 이온채널을 형성하는 기능기가 20% 미만으로 치환되어 있는 경우 가교된 필름을 용매에 침지하여 팽윤시킨 후, 벤젠고리에 이온채널을 형성하는 기능기인 -SO3H, -COOH 또는 -P(O)(OR8)OH기를 추가로 도입하는 단계에 의해 제조될 수 있다.In the ion exchange membrane according to the present invention, after preparing a polymer solution of a copolymer having the structural unit A and the structural unit B ', a film is prepared with or without addition of a crosslinking initiator to the polymer solution, When the film is crosslinked by heating and the functional group forming the ion channel in the benzene ring is substituted with less than 20%, the crosslinked film is swelled by dipping in the solvent, and then -SO, a functional group for forming the ion channel in the benzene ring. It can be prepared by further introducing a 3 H, -COOH or -P (O) (OR 8 ) OH group.

바람직하게는, 본 발명에 따른 이온 교환막은 다음의 단계를 거쳐 제조된다.Preferably, the ion exchange membrane according to the present invention is prepared through the following steps.

a) 아래의 화학식 1 및 화학식 2로 구성되는 군에서 선택되는 구조단위 A와아래의 화학식 3 및 화학식 4로 구성되는 군에서 선택되는 구조단위 B'의 공중합체로부터 고분자 용액을 제조하고,a) preparing a polymer solution from a copolymer of structural unit A selected from the group consisting of Formula 1 and Formula 2 below and structural unit B ′ selected from the group consisting of Formula 3 and Formula 4 below,

b) 얻어진 고분자 용액, 또는 용액에 가교 개시제를 첨가한 후 필름으로 제조하고,b) adding the crosslinking initiator to the obtained polymer solution or solution, and then preparing a film;

c) 광조사 또는 가열에 의해 필름을 가교시키고,c) crosslinking the film by light irradiation or heating,

d) 이온 전도성기의 치환도가 15% 미만인 경우, 가교된 필름을 용매에 침지하여 팽윤시킨 후, 벤젠고리에 이온채널을 형성하는 기능기인 -SO3H, -COOH 또는 -P(O)(OR8)OH기를 도입하는 단계.d) When the degree of substitution of the ion conductive group is less than 15%, the cross-linked film is swelled by dipping in a solvent, and then -SO 3 H, -COOH, or -P (O) ( OR 8 ) introducing an OH group.

화학식 1Formula 1

화학식 2Formula 2

화학식 3Formula 3

화학식 4Formula 4

-ArR7--ArR 7-

상기 화학식 1 내지 4에서, R1, R2, R3,R4및 R5는 각각 독립적으로 수소, 페닐, C1-4저급 알킬, C1-4저급 알킬렌, C1-4저급 알키닐, 니트릴 또는 독립적으로 축합 반응을 유도할 수 있는 반응기, 예를 들어 에폭시, 시아네이트, 에스테르, 할로겐을 나타낸다. R6은 수소 또는 C1-4의 저급 알킬기를 나타내며, Ar은 치환 또는 비치환된 페닐기를 나타내며, 여기서, 치환기는 페닐, C1-4저급 알킬, C1-4저급 알킬렌, C1-4저급 알키닐이고, R7은 수소, 또는 -SO3H, -COOH 및 -P(O)(OR8)OH기로 구성되는 군에서 선택되는 이온 전도성기를 나타내며, 여기서 R8은 수소 또는 C1-4저급 알킬기를 나타낸다.In the above Chemical Formulas 1 to 4, R 1, R 2, R 3, R 4 and R 5 are each independently hydrogen, phenyl, C 1-4 lower alkyl, C 1-4 lower alkylene, C 1-4 lower alkynyl Nyl, nitrile or a reactor capable of independently inducing a condensation reaction, for example epoxy, cyanate, ester, halogen. R 6 represents hydrogen or a lower alkyl group of C 1-4 , and Ar represents a substituted or unsubstituted phenyl group, wherein the substituent is phenyl, C 1-4 lower alkyl, C 1-4 lower alkylene, C 1- 4 lower alkynyl, R 7 represents hydrogen or an ionic conductive group selected from the group consisting of —SO 3 H, —COOH and —P (O) (OR 8 ) OH groups, wherein R 8 represents hydrogen or C 1 -4 lower alkyl group.

이온 전도성기를 갖는 공중합체로부터 가교를 시키는 방법이나, 가교를 시키고 나서 이온 전도성기를 추가로 도입하는 방법 모두다 나름대로의 장점이 있으나, 두 방법 모두 이온 전도성 증가와 용매 팽윤 특성 감소에 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다. 이온 전도도는 이온 전도성기의 치환된 정도, 예를 들면 설폰화된 정도에 의존한다. 따라서 이온 전도도를 증가시키기 위해서는 이온 전도성기의 치환도를 증가시키고자 한다. 그러나, 일반적인 선형 고분자의 경우, 설폰화를 일정 수준 이상 진행시키기 되면 고분자가 물에 완전히 녹아 버리게 되어서, 막을 형성하지 못한다는 단점이 있다. 즉, 이온 전도성을 높이기 위해서 설폰화 정도를 증가시키게 되면 이온 전도성이 높아지나, 이온 전도성을 높이기 위해 설폰화를 많이 하면 물에 안 녹는 고분자가 물에 녹아버리게 된다. 예를 들면, 폴리스티렌의 경우, 70% 이상 설폰화된 폴리스티렌은 물에 녹게 되고, 불안정하게 된다. 그러나, 미리 가교된 산물의 경우, 그 구조적 안정성에 의해 이온 전도성기(예를 들어, -SO3H, -P(O)(OR8)OH, -COOH)가 과량 도입되어도 물에 녹는 성질 등을 현저히 저하시켜, 과량의 이온 전도성기를 도입할 수 있게 된다. 다만, 전자의 방법을 사용할 경우, 소량(물에 녹지 않을 정도)의 이온 전도성기를 도입하고, 가교 산물에 추가로 이온 전도성기를 도입함으로써 이러한 문제점을 부분적으로 해결할 수 있음은 당연하다 하겠다.Although both methods of crosslinking from a copolymer having an ion conductive group or additionally introducing an ion conductive group after crosslinking have advantages, both methods are preferable for increasing ion conductivity and decreasing solvent swelling characteristics. Is as follows. Ionic conductivity depends on the degree of substitution of the ion conductive group, for example, the degree of sulfonation. Therefore, in order to increase the ion conductivity, it is intended to increase the substitution degree of the ion conductive group. However, in the case of a general linear polymer, if the sulfonation is advanced to a certain level or more, the polymer is completely dissolved in water, and thus has a disadvantage in that a membrane cannot be formed. In other words, if the degree of sulfonation is increased to increase the ion conductivity, the ion conductivity is increased. If the sulfonation is increased to increase the ion conductivity, insoluble polymers are dissolved in water. For example, in the case of polystyrene, at least 70% of the sulfonated polystyrene becomes soluble in water and becomes unstable. However, in the case of the cross-linked product in advance, the structural stability of the ionic conductive group (for example, -SO 3 H, -P (O) (OR 8 ) OH, -COOH) is dissolved in water even if the excess is introduced, etc. Can be significantly reduced, and an excess of an ion conductive group can be introduced. However, when using the former method, it is natural that this problem can be partially solved by introducing a small amount (not insoluble in water) of the ion conductive group and additionally introducing the ion conductive group into the crosslinking product.

이하, 본 발명의 방법을 보다 상세히 기술하도록 한다.Hereinafter, the method of the present invention will be described in more detail.

상기한 구조단위 A 및 B'를 포함하는 공중합체는 4가지의 기본 구조를 가질 수 있으며, 구체적으로는 구조단위 A 및 B'가 규칙성을 갖지 않고 배열되어 있는 랜덤 공중합체(random copolymer), 구조단위 A 및 B'가 서로 교대하여 존재하는 교대 공중합체(alternative copolymer), 구조단위 A 및 B'가 각각 블록을 형성하는 블록 공중합체(block copolymer), 그리고 구조단위 A가 주사슬을 형성하고 B'가 부사슬을 형성하는 그래프트 공중합체(graft copolymer)의 구조를 가질 수 있다(표 1 참조).The copolymer including the structural units A and B 'may have four basic structures, specifically, a random copolymer in which the structural units A and B' are arranged without having regularity, An alternating copolymer in which the structural units A and B 'are present in alternation, a block copolymer in which the structural units A and B' each form a block, and a structural unit A forms the main chain, B ′ may have a structure of a graft copolymer (see Table 1) to form a side chain.

공중합체의 종류Type of copolymer 분자 구조Molecular structure 랜덤 공중합체Random copolymer -AAB'B'AB'B'AB'AAAB'--AAB'B'AB'B'AB'AAAB'- 블록 공중합체Block copolymer -AAAAAAB'B'B'B'B'B'- (디-블록 공중합체)-AAAAAAB'B'B'B'B'B'AAAAAA- (트리-블록 공중합체)-AAAAAAB'B'B'B'B'B'- (di-block copolymer) -AAAAAAB'B'B'B'B'B'AAAAAA- (tri-block copolymer) 교대 공중합체Alternating copolymer -AB'AB'AB'AB'AB'AB'--AB'AB'AB'AB'AB'AB'- 그래프트 공중합체Graft copolymer

이들의 선택은 요구되는 물성을 고려하여 적절히 선택할 수 있으며, 그의 선택은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 공지되어 있다. 예를 들면, 보다 정밀한 물성의 제어를 요할 경우, 블록공중합체를 선택하는 것이 바람직할 것이다. 위의 네가지 기본 구조 외에도, 상기 공중합체는 상기한 기본 구조의 조합 또는 3종 이상의 단량체를 이용하여 얻어질 수도 있으며, 본 발명은 이들을 포함한다. 사용가능한 공중합체의 분자량은 특별히 제한되지 아니하나, 20,000 - 1,000,000 grams/mole의 범위가 바람직하다. 이러한 분자량을 갖는 공중합체는 널리 상용화되어 있어 용이하게 입수할 수 있다는 장점을 갖는다.These choices may be appropriately selected in consideration of required physical properties, and their choices are well known to those skilled in the art. For example, when more precise control of physical properties is required, it may be desirable to select block copolymers. In addition to the above four basic structures, the copolymer may be obtained using a combination of the above basic structures or three or more monomers, and the present invention includes them. The molecular weight of the copolymer usable is not particularly limited but is preferably in the range of 20,000-1,000,000 grams / mole. Copolymers having such a molecular weight have the advantage of being widely commercialized and readily available.

상기한 공중합체에서, 구조 단위 A는 막의 신축성(flexibility)을 증가시키고, 광원의 조사 또는 가열에 의해 가교반응이 일어나는 3차원 그물 구조의 젤을 형성하는 가교점의 역할을 한다. 예를 들면, 화학식 1의 경우, 감마선의 조사에 의해 탄소에 결합되어 있는 수소가 떨어져서 알킬 라디칼을 형성하고, 이 라디칼이 다른 공중합체의 사슬과 가교 결합을 형성하고, 결과적으로 3차원 그물 구조를 형성하게 된다. 얻어진 3차원 그물 구조는 젤의 형태를 갖는다. 더 나아가, 에폭시, 시아네이트, 에스테르, 할로겐과 같이 독립적으로 축합 반응을 유도할 수 있는 반응기에 의해 치환되어 있는 경우에는 당해 분야에서 알려진 표준적 방법으로 보다 용이하게 공중합체의 가교를 성취할 수 있다. 한편, 화학식 2의 경우, 분자 구조 내에 π결합을 갖고 있으므로, UV, IR과 같은 감마선 보다 저에너지의 광을 조사하거나, 가열에 의해 가교시킬 수 있다. 광의 조사 또는 가열에 의한 가교시 광원의 선택, 가열 조건 등은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 공지되어 있는 바에 따라 행해질 수 있다. 바람직하게는, 구조 단위 A가 화학식 2의 구조를 갖는 것이다. 그 이유는 상기한 바와 같이 가교를 용이하게 성취할 수 있을 뿐만 아니라, 분자 구조 내에 π결합, 즉 고무성분을 가지고 있어 연료전지의 단위 셀을 제작할 때 금속 촉매와의 접촉력이 좋아 접촉저항(contact resistance)을 줄일 수 있는 장점이 있기 때문이다. 구조 단위 A를 갖는 화합물의 바람직한 예로는 에틸렌, 부틸렌, 부타디엔, 프로필렌을 들 수 있다. 더 나아가, 이들은 니트릴, 에폭시, 시아네이트, 에스테르, 할로겐으로 치환될 수 있다.In the above copolymer, the structural unit A increases the flexibility of the film and serves as a crosslinking point for forming a three-dimensional network gel in which the crosslinking reaction occurs by irradiation or heating of a light source. For example, in the case of Formula 1, hydrogen bound to carbon is dropped by gamma ray irradiation to form an alkyl radical, which radical forms a crosslink with a chain of another copolymer, resulting in a three-dimensional network structure. To form. The obtained three-dimensional network structure has the form of a gel. Furthermore, when substituted by a reactor capable of independently inducing condensation reactions such as epoxy, cyanate, ester, halogen, crosslinking of the copolymer can be more easily achieved by standard methods known in the art. . On the other hand, in the case of Formula 2, since it has a π bond in the molecular structure, it can be irradiated with light of lower energy than gamma rays such as UV and IR, or can be crosslinked by heating. The selection of a light source, the heating conditions, and the like at the time of crosslinking by irradiation or heating of light may be performed as is well known to those skilled in the art. Preferably, structural unit A has a structure of formula (2). The reason for this is that not only the crosslinking can be easily achieved as described above, but also the π bond in the molecular structure, that is, the rubber component, has a good contact force with the metal catalyst when producing the unit cell of the fuel cell. This is because there is an advantage that can be reduced. Preferred examples of the compound having the structural unit A include ethylene, butylene, butadiene and propylene. Furthermore, they may be substituted with nitrile, epoxy, cyanate, ester, halogen.

구조단위 B'는 -SO3H, -COOH 또는 -P(O)(OR8)OH기(설폰화, 카르복실화 또는 인산화 등에 의해)와 같은 이온 전도성기에 의해 이온 교환 막에 이온 전도성을 부여하는 기능을 한다. 구조 단위 B'를 갖는(또는 이온 전도성기의 도입에 의해 구조단위 B를 제공할 수 있는) 화합물의 예로는, 폴리스티렌, 폴리(α-메틸스틸렌), 폴리(트리페닐포스핀 옥사이드 설파이드-페닐설폰-설파이드), 폴리(2-페닐설파이드-1,4-페닐렌), 폴리-X(Maxdem), 디페닐 폴리(2,6-디페닐-1,4-페닐렌 옥사이드와 같이 이온 전도성기를 도입할 수 있는 페닐기를 주사슬에 치환되어 있는, 즉 페닐기가 주사슬에 펜덴트(pendent)해 있는 화합물을 들 수 있다. 바람직하게는 마일드한 조건에서 이온 전도성기를 도입할 수 있는 폴리스티렌 또는 폴리(α-메틸스틸렌)이다. 또 다른 예로는, 페닐기가 주사슬에 펜덴트해 있는 경우가 아니고, 주사슬에 페닐기를 갖고 있는 단위들로 이루어진 고분자를 들 수 있으며, 그러한 고분자의 예로는 폴리(비스벤조아졸-1,4-페닐렌, 폴리(벤조(비스-티아졸)-1,4-페닐렌, 폴리(벤조(비스-디아졸)-1,4-페닐렌, 폴리아라미드(Kevlar), 폴리페닐렌 설폰, 폴리설폰, 폴리에테르 설폰, 폴리에테르-에테르 설폰, 폴리아릴에테르 설폰, 폴리이미드, 폴리(2,6-디메틸 1,4-페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 설폭사이드, 폴레페닐렌 설파이드, 폴리페닐렌 설파이드 설폰, 폴리파라페닐렌, 폴리(페닐퀴노옥살린, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르 케톤, 폴리에테르케톤케톤, 폴리에테르에테르케톤케톤, 폴리에테르-에테르케톤-케톤, 폴리에테르이미드, 폴리페닐설폰, 폴리(헥사플루오로이소프로필리덴 디언하이드라이드/메타 페닐렌 디아민), 폴리(헥사플루오로이소프로필리덴 디언하이드라이드/디아미노디페닐 설폰), 폴리비닐 설폰산, 폴리(헥사플루오로이소프로필리덴 디언하이드라이드/폴리아미노디페녹시벤젠, 폴리(피롤멜리틱 디이미드-1,3-페닐렌), 폴리(디프탈이미드-1,3-페닐렌), 폴리(1,4-페닐렌 옥사이드), 폴리(벤조페논 설파이드), 폴리(벤조페논 설파이드 페닐설폰-설파이드를 들 수 있다. 바람직하게는, 공중합체에서 벤젠고리가 20% 이상, 보다 바람직하게는 20 - 60 %, 가장 바람직하게는 20 - 30 % 포함되는 것이다. 벤젠 고리의 함유량이 20%이하일 경우, 이온 교환막의 이온 전도도가 감소되어 막의 성질이 저하될 우려가 있다. 한편 이미 사슬에 이온 전도성기능을 갖고 있는 폴리비닐카르복실산, 폴리(트리풀로로스티렌 설폰산), 폴리(비닐 포스포릭산), 폴리스티렌 설포닉산과 같은 공중합체 또는 단일 중합체의 경우에는 필름형태의 막을 제조한 후, 감마선 조사와 같은 에너지를 주어 가교반응을 유도하여 기계적 강도가 높은 이온전도성 막을 제조할 수 있다. 이 경우에는 이온 전도도는 이미 사슬에 존재하고 있는 전도성기에 의지하므로, 젤의 특성에 따라 용매나 물에 대한 팽윤 저항력은 증가되어 메탄올 크로스오버는 증가되지 않지만, 이온 전도도는 변화가 없거나, 시작물질보다 작아질 수 있다. 이런 경우에는 젤로 형성된 필름을 술폰화와 같은 이온 전도성기를 추가 치환하여 높은 성능의 막을 제조할 수 있다.The structural unit B 'imparts ion conductivity to the ion exchange membrane by an ion conductive group such as -SO 3 H, -COOH or -P (O) (OR 8 ) OH group (by sulfonation, carboxylation or phosphorylation, etc.) Function. Examples of compounds having structural unit B '(or which can provide structural unit B by introduction of an ion conductive group) include polystyrene, poly (α-methylstyrene), poly (triphenylphosphine oxide sulfide-phenylsulfone -Ionic conduction groups such as sulfide), poly (2-phenylsulfide-1,4-phenylene), poly-X (Maxdem), diphenyl poly (2,6-diphenyl-1,4-phenylene oxide) And a compound in which a phenyl group capable of being substituted in the main chain, that is, a phenyl group is pendant to the main chain, preferably polystyrene or poly (α) capable of introducing an ion conductive group under mild conditions. Another example is a polymer composed of units having a phenyl group in the main chain, rather than having a phenyl group pendent in the main chain, and an example of such a polymer is poly (bisbenzo). Azole-1,4-phenylene, poly (benzo (r) -Thiazole) -1,4-phenylene, poly (benzo (bis-diazole) -1,4-phenylene, polyaramid (Kevlar), polyphenylene sulfone, polysulfone, polyether sulfone, polyether- Ether sulfone, polyarylether sulfone, polyimide, poly (2,6-dimethyl 1,4-phenylene oxide, polyphenylene sulfoxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, poly ( Phenylquinooxaline, polyether ketone, polyether ether ketone, polyether ketone ketone, polyether ether ketone ketone, polyether-ether ketone-ketone, polyetherimide, polyphenylsulfone, poly (hexafluoroisopropylidene dione Hydride / metaphenylene diamine), poly (hexafluoroisopropylidene dianhydride / diaminodiphenyl sulfone), polyvinyl sulfonic acid, poly (hexafluoroisopropylidene dianhydride / polyaminodiphenoxy Benzene, poly ( Pyrrolymetic diimide-1,3-phenylene), poly (diphthalimide-1,3-phenylene), poly (1,4-phenylene oxide), poly (benzophenone sulfide), poly (benzo And phenone sulfide phenylsulfone-sulfide, Preferably, the benzene ring is included in the copolymer at least 20%, more preferably 20-60%, most preferably 20-30%. When the content of the benzene ring is 20% or less, the ion conductivity of the ion exchange membrane is decreased, which may lower the membrane properties. On the other hand, in the case of copolymers or homopolymers such as polyvinylcarboxylic acid, poly (tripulostyrene sulphonic acid), poly (vinyl phosphoric acid), and polystyrene sulfonic acid, which already have ion conductivity in the chain, a film form After preparing the membrane, the ion conductive membrane with high mechanical strength can be prepared by inducing crosslinking reaction by giving energy such as gamma ray irradiation. In this case, since the ionic conductivity is dependent on the conductive group already present in the chain, the swelling resistance to the solvent or water is increased according to the characteristics of the gel, so that the methanol crossover is not increased, but the ionic conductivity does not change or is higher than that of the starting material. Can be small. In this case, the film formed of the gel may be further substituted with an ion conductive group such as sulfonation to prepare a high performance membrane.

상기한 구조단위 A 및 B'를 포함하는 공중합체는 우선 적절한 용매에 용해되어 공중합체의 고분자 용액을 형성한다. 고분자 용액의 형성에 사용될 수 있는 용매의 예로는 특별히 제한되지 아니하나, 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등과 같은 방향족 용매, 1,2-디클로로에탄, 트리클로로벤젠, 메틸렌 클로라이드 등과 같은 클로로화된 용매(chlorinated solvent), 시클로펜탄, 시클로헥산, 시클로헵탄 등과 같은 탄화수소 용매 또는 이들의 혼합 용매를 들 수 있다.The copolymer including the structural units A and B 'described above is first dissolved in a suitable solvent to form a polymer solution of the copolymer. Examples of the solvent that can be used to form the polymer solution are not particularly limited, but aromatic solvents such as benzene, toluene, xylene, and the like, and chlorinated solvents such as 1,2-dichloroethane, trichlorobenzene, methylene chloride, and the like solvent), a hydrocarbon solvent such as cyclopentane, cyclohexane, cycloheptane, or a mixed solvent thereof.

얻어진 고분자 용액에 가교 개시제(또는 광개시제)를 첨가한 후, 또는 첨가하지 않은 채 필름 형태로 제조된다. 본 발명의 방법에 사용될 수 있는 가교 개시제의 예로는 벤조페논(BZP from Aldrich), 2,6-비스(아지도벤질리덴)-4-메틸시클로헥사논(bisazido from Aldrich), 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논(Irgacure 651 from Ciba), 1-벤조일-1-하이드록시클로헥산(Irgacure 184 from Ciba), 2,4,6-트리메틸벤조일디페닐포스핀 옥사이드(Lucirin TPO from BASF)를 들 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며 당해 분야에서 통상 사용되는 가교 개시제가 널리 사용될 수 있다. 가교 개시제의 사용량은 고분자 중량에 대해 통상 0.001 - 10 wt% 범위 내에서 첨가된다. 바람직하게는 0.01 - 5 wt%의 양으로 사용하는 것이다. 본 발명은, 필요한 경우, 가교의 정도를 조절하기 위해 가교제를 추가로 첨가할 수 있으며, 그 예로는 1,4-시클로헥산디오비스메타크릴레이트(1,4-cyclohexanediobismethacrylate)와 같은 m- 또는 p-디비닐벤젠, 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 더 나아가, 가교 반응을 촉진시키기 위해 할라이드(halides), 일산화질소, 설퍼 모토클로라이드(sulfur monochloride), 또는 트리플렛 산소(triplet oxygen), 퍼옥사이드, 하이드로퍼옥사이드, 퍼옥시 라다칼 등을 추가로 첨가할 수 있다.After adding a crosslinking initiator (or photoinitiator) to the obtained polymer solution, it is manufactured in the form of a film with or without addition. Examples of crosslinking initiators that can be used in the process of the present invention are benzophenone (BZP from Aldrich), 2,6-bis (azidobenzylidene) -4-methylcyclohexanone (bisazido from Aldrich), 2,2-dime Oxy-2-phenylacetophenone (Irgacure 651 from Ciba), 1-benzoyl-1-hydroxycyclohexane (Irgacure 184 from Ciba), 2,4,6-trimethylbenzoyldiphenylphosphine oxide (Lucirin TPO from BASF) Although not limited thereto, a crosslinking initiator commonly used in the art may be widely used. The amount of the crosslinking initiator used is usually added within the range of 0.001-10 wt% based on the weight of the polymer. Preferably it is used in the amount of 0.01-5 wt%. In the present invention, if necessary, a crosslinking agent may be further added to control the degree of crosslinking, for example, m- or p such as 1,4-cyclohexanediobismethacrylate. -Divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, and the like, but are not limited thereto. Furthermore, additional halides, nitrogen monoxide, sulfur monochloride, or triplet oxygen, peroxides, hydroperoxides, peroxy radacal, etc. may be added to promote the crosslinking reaction. Can be.

필름 형태로 제조하는 방법은 다양한 방법에 의해 성취될 수 있다. 예를 들면, 단순히 용매를 서서히 증발시켜 필름 형태를 제조하거나, 캐스팅, 예를 들면, 가드너 나이프를 사용한 캐스팅에 의해 필름 형태로 제조할 수도 있다.The method of manufacturing in the form of a film can be accomplished by various methods. For example, the film form may be prepared by simply evaporating the solvent slowly, or by casting, for example by casting using a Gardner knife.

공중합체의 가교반응은 전술한 바와 같이 광조사 또는 가열에 의해 일어날수 있으며, 가열 온도는 공중합체의 종류에 따라 적절히 조절할 수 있으며, 이들은 당해 분야에 널리 공지되어 있다. 가교가 광조사에 의해 성취될 경우, 광원의 예로는 마이크로 웨이브, IR, UV 또는 가시광선과 같은 빛 에너지, x-선, 감마선와 같은 비미립자 조사(nonparticulate radiation)와 알파 입자, 베타 입자, 고 에너지 전자, 프로톤, 중성자와 같은 미립자 조사(particulate radiation)을 들 수 있다. 상업화되어 있는 가장 일반적인 광원으로는60Co 과 고에너지 전자 가속기, UV, 가시광선, 적외선이며 다음 표 2에 상업화된 일반적인 광원을 나타내었다. 이 외에도 플라즈마 조사원 (plasma radiation source) 등이 사용될 수 있다.The crosslinking reaction of the copolymer may occur by light irradiation or heating as described above, and the heating temperature may be appropriately adjusted according to the type of the copolymer, and these are well known in the art. When crosslinking is achieved by light irradiation, examples of light sources include light energy such as microwave, IR, UV or visible light, nonparticulate radiation such as x-rays and gamma rays, alpha particles, beta particles and high energy electrons. And particulate radiation such as protons and neutrons. The most common light sources commercially available are 60 Co and high energy electron accelerators, UV, visible light and infrared light. In addition, a plasma radiation source may be used.

sourcesource wave length, nmwave length, nm mercury arclow pressuremedium pressurehigh pressuremercury arclow pressuremedium pressurehigh pressure 254365,436,546,580460-480254365,436,546,580 460-480 visible light sources, metalhalide lampsvisible light sources, metalhalide lamps 400-760400-760 gas-fired infrared-generatingsystems; electricallypowered infrared-generating systemsgas-fired infrared-generating systems; electricallypowered infrared-generating systems near 0.76-2.5fundamental2.5-25far 25-500near 0.76-2.5fundamental2.5-25far 25-500 laserslasers single wavelengthssingle wavelengths

이온 전도성기를 갖고 있지 않은 가교 결합된 공중합체들은 설폰화, 카르복실화 또는 인산화에 의해 -SO3H, -COOH 또는 -P(O)(OR8)OH기와 같은 이온 전도성기가 벤젠 고리 내에 도입된다. 상기, 설폰화, 카르복실화 또는 인산화 반응은 벤젠 고리를 포함하는 화합물을 적절한 용매에 용해시킨 후 설폰화제, 카르복실화제, 인산화제와 반응시킴에 의해 성취되는 것으로서, 이러한 반응은 당해분야에 통상의지식을 가진 자에게 널리 공지되어 있다. 예를 들면, 설폰화는 황산의 존재하에 고분자를 가열하거나, 황산염은(silver sulfate)을 촉매로서 소량 첨가하여 성취할 수 있다. 또한, 포스포러스 펜타옥사이드, 트리에틸 포스페이트, 트리스(2-에틸헥실)포스페이트를 촉매로서 첨가하여 SO3의 반응성을 조절할 수도 있다. 더 나아가, 황산/아세틱 언하이드라이드, 황/트리옥사이드/아세트산, SO3/아세트산, SO3/라우르산, 클로로설폰산, 트리메틸실릴설포닐클로라이드 등이 사용될 수도 있다 (미국 특허 제5,679,482호 참조). 인산화는 당해 분야에 널리 공지되어 있는 방법에 의해 수행될 수 있으며, 예를 들면, 요아침엥겔스의 방법으로 수행할 수 있다(한국공개특허공보 1986-007273 참조). 또한, 카르복실화도 여러 방법이 당해 분야에 널리 공지되어 있으며, 예를 들면, 유기 비산의 존재하에, 카르보닐 화합물을 과산화 수소수와 반응시켜 카르복실화 화합물로 제조할 수 있다.Crosslinked copolymers that do not have an ion conductive group are introduced into the benzene ring by ionization groups such as -SO 3 H, -COOH, or -P (O) (OR 8 ) OH groups by sulfonation, carboxylation or phosphorylation. . The sulfonation, carboxylation or phosphorylation reaction is accomplished by dissolving a compound comprising a benzene ring in a suitable solvent and then reacting with a sulfonating agent, a carboxylating agent, a phosphorylating agent, and such a reaction is conventionally known in the art. It is well known to those with knowledge. For example, sulfonation can be accomplished by heating the polymer in the presence of sulfuric acid, or by adding a small amount of silver sulfate as a catalyst. In addition, phosphorus pentaoxide, triethyl phosphate and tris (2-ethylhexyl) phosphate may be added as catalysts to control the reactivity of SO 3 . Furthermore, sulfuric acid / acetic anhydride, sulfur / trioxide / acetic acid, SO 3 / acetic acid, SO 3 / lauric acid, chlorosulfonic acid, trimethylsilylsulfonylchloride and the like can also be used (US Pat. No. 5,679,482). Reference). Phosphorylation can be carried out by methods well known in the art, for example, by the method of Joachim Engels (see Korean Patent Publication No. 1986-007273). In addition, various methods of carboxylation are well known in the art, and for example, the carbonyl compound may be prepared as a carboxylated compound by reacting the carbonyl compound with hydrogen peroxide in the presence of an organic arsenic acid.

상기한 반응은 통상, 클로로화된 탄화수소 용매(예를 들면, 1,2-디클로로에탄, 트리클로로벤젠, 메틸렌 클로라이드), 탄화수소 용매(예를 들면, 시클로헥산, 시클로펜탄) 또는 이들의 혼합 용매하에서 수행된다.Such reactions are usually carried out under chlorolated hydrocarbon solvents (eg 1,2-dichloroethane, trichlorobenzene, methylene chloride), hydrocarbon solvents (eg cyclohexane, cyclopentane) or mixed solvents thereof. Is performed.

이러한 고분자 막은 기계적 강도 및 이온 채널의 크기를 결정하는 소수성 사슬들을 가교 연결하여 공유결합을 통해 영구적으로 고정시킴으로써 메탄올 크로스오버가 발생할 가능성을 획기적으로 줄일 수 있다. 더 나아가, 본 발명의 고분자막은 미국 특허 제5,679,482호에 개시된 고분자막 보다 다량의 이온 전도성기를 도입할 수 있으며, 형상 안정성을 유지하면서도 20 % 이상의 이온 전도성기를 도입함으로써 이온 전도성을 향상시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다.Such polymer membranes can significantly reduce the possibility of methanol crossover by crosslinking hydrophobic chains that determine mechanical strength and size of ion channels and permanently fixing them through covalent bonds. Furthermore, the polymer membrane of the present invention can introduce a greater amount of ion conductive groups than the polymer membrane disclosed in US Pat. No. 5,679,482, and has the advantage of improving ion conductivity by introducing more than 20% of ion conductive groups while maintaining shape stability. have.

한편, 상기한 본 발명의 제조 방법은 공유결합으로 가교반응을 일으킬 수 있는 기능기를 갖고 있는 구조 단위 A와, 이온 전도성을 향상시키는 구조 단위 B'를 포함하는 공중합체를 가교하는 것을 기술하였으나, 고분자 사슬로부터 기교반응을 유도하는 것이 아니라 단량체로부터 고분자를 합성함과 동시에 가교반응을 유도할 수 있다. 따라서 본 발명이 고분자 사슬의 가교반응에만 국한되는 것은 아니다.On the other hand, the above-described production method of the present invention described a crosslinking of the copolymer comprising a structural unit A having a functional group capable of causing a crosslinking reaction by a covalent bond and a structural unit B 'which improves ionic conductivity. Instead of inducing a crosslinking reaction from the chain, a polymer can be synthesized from the monomers and at the same time a crosslinking reaction can be induced. Therefore, the present invention is not limited to the crosslinking reaction of the polymer chain.

본 발명은 또한 상기한 이온 교환 막을 포함하는 전기화학적 장치에 관한 것으로서, 상기한 이온 교환 막은 전기화학적 장치, 예를 들면 전기분해, 전기 투석, 확산 투석, 압 투석, 전해조, 클로로-알카리 분리막, 전지등의 전기 화학적 장치에 널리 사용될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명은 상기 이온 교환 막을 포함하는 연료 전지에 관한 것으로서, 상기 이온 교환 막은 음극을 포함하는 음극부, 양극을 포함하는 양극부 사이에 위치하여 전해질막으로서의 역할과 분리막으로서의 역할을 수행하게 된다. 이러한 연료 전지에 사용될 수 있는 음극부 및 양극부는 특별히 제한되지 아니하며, 연료 전지 분야에서 널리 사용되어온 것들이 응용될 수 있다. 보다 바람직하게는, 메탄올을 유기 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료 전지, 수소를 직접 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지에 상기 이온 교환 막이 사용되는 것이다.The present invention also relates to an electrochemical device comprising the ion exchange membrane described above, wherein the ion exchange membrane is an electrochemical device such as electrolysis, electrodialysis, diffusion dialysis, pressure dialysis, electrolyzer, chloro-alkali separator, battery It can be widely used in electrochemical devices such as. Preferably, the present invention relates to a fuel cell including the ion exchange membrane, wherein the ion exchange membrane is positioned between a cathode portion including a cathode and an anode portion including a cathode to serve as an electrolyte membrane and a separator. Done. The cathode and anode portions that can be used in such a fuel cell are not particularly limited, and those that have been widely used in the fuel cell field may be applied. More preferably, the ion exchange membrane is used in a direct methanol fuel cell using methanol as an organic fuel and a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a direct fuel.

다음의 실시예들은 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 것이지 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다.The following examples are intended to illustrate the invention in more detail, but the invention is not limited thereto.

실시예Example

< 실시예 1-5 ><Example 1-5>

폴리스티렌-블록-폴리부타디엔-블록-폴리스티렌(SBS; 분자량 140,000, 30 wt% 스티렌)을 알드리치사에서 구입하여, 재 침전을 통해 페놀성 항산화제를 제거하였다. 재침전된 공중합체를 톨루엔에 5 wt%로 녹인 후, 이 고분자 용액에 광개시제인 2,4,6-트리메틸벤조일디페닐포스핀 옥사이드(Lucirin TPO from BASF)을 고분자양의 1 wt%의 비율로 첨가하였다. 고분자 용액을 페트리 접시(petri dish)에 적정량 붓고 1주일 동안 실내에서 천천히 톨루엔을 날려 필름을 얻는다. 일반적으로 트리불록공중합체가 미세 상분리를 일으켜 수 nm의 스티렌의 채널이 생기는 것으로 알려져 있다. 얻어진 필름을 1시간 동안 UV 조사하여 젤을 만든 후, 디클로로에탄(DCE; Junsei)에 넣고 팽윤시켰다. 한편 무수 아세트산과 H2SO4를 DCE에 넣고 0.1N 용액을 제조하였다(이하: AASO3). 0℃에서 DCE에 팽윤된 SBS 막에 AASO3를 천천히 저어주면서 넣어주고 0℃에서 1시간 방치한 후, 35℃ 항온조에 2시간 방치하여 반응을 유도하였다. 넣어준 AASO3용액의 양에 따라, 시간이 지나면서용액의 색이 붉은 노란색에서부터 진한 자주색으로 변한다. 반응을 끝낸 후에, 1-프로판올을 첨가하여 남아있는 AASO3의 활성을 종료시키고 30분 후에 막을 꺼내 공기중에서 일정양 건조시킨 후, 증류수로 10번 이상 씻어주었다. 이 후에 에탄올로 5번 이상 씻어주고 다시 끓는 증류수로 5번 이상 씻어준다. 씻어준 막을 3차 증류수로 10번 이상 씻어 주고 이온전도도를 측정하였다. 다음 표 3에 전체 넣어준 AASO3양에 따라 얻어진 막의 이온 전도도 값 및 팽윤 특성을 나타내었다. 각각 막들의 두께는 100 μm이하이다.Polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (SBS; molecular weight 140,000, 30 wt% styrene) was purchased from Aldrich, and phenolic antioxidants were removed via reprecipitation. The reprecipitated copolymer was dissolved in toluene at 5 wt%, and then 2,4,6-trimethylbenzoyldiphenylphosphine oxide (Lucirin TPO from BASF), a photoinitiator, was dissolved in the polymer solution at a ratio of 1 wt% of high molecular weight. Added. The polymer solution is poured into a petri dish in an appropriate amount and slowly blown toluene indoors for a week to obtain a film. It is generally known that triblock copolymers cause fine phase separation resulting in channels of styrene of several nm. The resulting film was irradiated with UV for 1 hour to form a gel, and then poured into dichloroethane (DCE; Junsei) and swollen. Meanwhile, acetic anhydride and H 2 SO 4 were added to DCE to prepare a 0.1N solution (hereinafter referred to as AASO 3). ASO 3 was slowly added to the SBS membrane swollen in DCE at 0 ° C. and left at 0 ° C. for 1 hour, followed by 2 hours in a 35 ° C. thermostatic bath to induce a reaction. Depending on the amount of AASO3 solution added, the color changes from reddish yellow to dark purple over time. After the reaction was completed, 1-propanol was added to terminate the remaining activity of AASO3, and after 30 minutes, the membrane was taken out, dried in air, and washed with distilled water at least 10 times. After this, wash with ethanol at least 5 times and again with boiling distilled water at least 5 times. The washed membrane was washed 10 times or more with tertiary distilled water and ionic conductivity was measured. Table 3 shows the ion conductivity values and swelling characteristics of the membranes obtained according to the total amount of AASO 3 added in Table 3. Each film is less than 100 μm thick.

스티렌 :AASO3 당량비Styrene: AASO3 equivalence ratio 이온 전도도Ion conductivity 물에대한 팽윤성Swelling in water 실시예 1Example 1 1:0.11: 0.1 3.4 x 10-4 3.4 x 10 -4 팽윤 안됨No swelling 실시예 2Example 2 1:0.51: 0.5 2.4 x 10-3 2.4 x 10 -3 팽윤 안됨No swelling 실시예 3Example 3 1:11: 1 5.9 x 10-3 5.9 x 10 -3 팽윤 안됨No swelling 실시예 4Example 4 1:21: 2 1.8 x 10-2 1.8 x 10 -2 3% 팽윤3% swelling 실시예 5Example 5 1:41: 4 3.4 x 10-2 3.4 x 10 -2 5% 팽윤5% swelling

< 실시예 6-9 ><Example 6-9>

위의 실시예 1과 같은 방법으로 고분자 용액을 제조하고 필름을 만든 후 UV 조사시간을 5분을 하여 젤을 만들고, 위와 같은 방법으로 하여 막을 제조하였고 그 결과를 다음 표 4에 나타내었다. 스티렌:넣어준 AASO3의 당량 비는 모두 1:2로 하였다.After preparing a polymer solution in the same manner as in Example 1 and making a film, a UV irradiation time was 5 minutes to make a gel, a film was prepared in the same manner as shown in Table 4 below. The equivalent ratio of styrene: AASO3 added was 1: 2.

두께 (㎛)Thickness (㎛) 이온 전도도Ion conductivity 물에 대한 팽윤성Swelling in water 실시예 6Example 6 5757 1.5 x 10-2 1.5 x 10 -2 2% 팽윤2% swelling 실시예 7Example 7 8282 9.7 x 10-3 9.7 x 10 -3 팽윤 안됨No swelling 실시예 8Example 8 7979 5.2 x 10-2 5.2 x 10 -2 5 % 팽윤5% swelling 실시예 9Example 9 7575 6.7 x 10-2 6.7 x 10 -2 7 % 팽윤7% swelling

< 실시예 10 ><Example 10>

폴리스티렌-블록-폴리이소프렌-블록-폴리스티렌(PIP; 알드리치, 22wt% 스티렌, 요융 색인(melt index)=3g/min, 점도=12poise)를 이용하여 위의 실시예 5과 같은 방법으로 막을 제조하였다. 이온 전도도는 기본 스티렌 단위의 2배의 AASO3의 양을 넣어 설폰화를 시켰고, 얻어진 막의 이온 전도도는 7.9 x 10-2이었다.The membrane was prepared in the same manner as in Example 5 above using polystyrene-block-polyisoprene-block-polystyrene (PIP; Aldrich, 22wt% styrene, melt index = 3g / min, viscosity = 12poise). Ion conductivity was sulfonated by adding 2 times the amount of AASO 3 of the basic styrene unit, and the obtained membrane had an ion conductivity of 7.9 × 10 −2 .

< 실시예 11 ><Example 11>

폴리스티렌-블록-폴리부타디엔(SB; 30 wt% 스티렌, 용융 색인=10g/min, 점도=8.5 poise, 알드리치)를 이용하여 위의 실시예 5과 같은 방법으로 막을 제조하였고 얻어진 이온 전도도는 5.7 x 10-2이었다.The membrane was prepared in the same manner as in Example 5 above using polystyrene-block-polybutadiene (SB; 30 wt% styrene, melt index = 10 g / min, viscosity = 8.5 poise, Aldrich) and the obtained ion conductivity was 5.7 × 10. Was -2 .

< 실시예 12 ><Example 12>

폴리스티렌-블록-폴리부타디엔-블록-폴리스티렌(SBS-branched; 21 wt% 스티렌, 용융색인 <1g/10min, 점도=2900 cps; 알드리치)를 이용하여 위의 실시예 5의방법으로 이온 전도성 고분자 막을 제조하였다. 이온 전도도는 1.3 x 10-2이었다.Preparation of ion conductive polymer membrane by the method of Example 5 above using polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (SBS-branched; 21 wt% styrene, melt index <1g / 10min, viscosity = 2900 cps; Aldrich) It was. Ionic conductivity was 1.3 × 10 −2 .

< 실시예 13 ><Example 13>

폴리스티렌-블록-(폴리에틸렌-랜덤-부틸렌)-블록-폴리스티렌(SEBS; Mw=118,000, 28 wt% 스티렌, 점도=1500cps; 알드리치)를 톨루엔에 녹여 5 wt% 용액을 제조한 후 페트리 접시에 부어 상온에서 천천히 용매를 날려버려 막을 제조한다. 얻어진 막에 감마선을 30 Mrad 조사하여 젤을 얻었다. 이하 반응은 실시예 5의 설폰화 조건으로 이온전도성 고분자 막을 얻었다. 이온 전도도는 3.5 x 10-2이었다.Polystyrene-block- (polyethylene-random-butylene) -block-polystyrene (SEBS; Mw = 118,000, 28 wt% styrene, viscosity = 1500cps; Aldrich) was dissolved in toluene to prepare a 5 wt% solution and then poured into a petri dish. The solvent is slowly blown off at room temperature to prepare a membrane. Gamma rays were irradiated to the obtained film at 30 Mrad to obtain a gel. The following reaction yielded an ion conductive polymer membrane under the sulfonation conditions of Example 5. Ionic conductivity was 3.5 × 10 −2 .

< 실시예 14 ><Example 14>

위의 실시예 13의 막을 감마선 10Mrad쏘여주고 젤을 만든 후 설폰화를 통해 이온전도성 고분자 막을 제조하였다. 이온 전도도는 6.4 x 10-2이었다.The membrane of Example 13 was gamma-ray 10 Mrad and the gel was prepared, and then an ion conductive polymer membrane was prepared through sulfonation. Ionic conductivity was 6.4 × 10 −2 .

< 실시예 15 ><Example 15>

실시예 1의 공중합체를 30wt% 용액을 만들고, (1 wt%의 광 개시제 포함) 가드너 나이프로 밀어 필름형태로 캐스팅한 후, 공기중에서 휘발하여 막을 제조하였고, 실시예 5의 조건으로 설폰화를 시켰다. 이온 전도도는 7.2 x 10-2이었다.The copolymer of Example 1 was made into a 30 wt% solution (including 1 wt% photoinitiator), pushed with a Gardner knife to cast into a film, and then volatilized in air to prepare a membrane, and sulfonation was carried out under the conditions of Example 5. I was. Ionic conductivity was 7.2 × 10 −2 .

< 실시예 16 ><Example 16>

실시예 15의 고분자 용액을 가드너 나이프로 밀어 필름형태로 캐스팅한 후, 바로 에탄올 용매에 침지시켜 상분리를 유도하여 필름형태의 막을 제조하였다. 실시예 5의 조건으로 설폰화 한 후 프로판올로 중화시킨 후, 바로 막을 꺼내 테프론 판 위에서 천천히 말리고, 얻어진 막을 증류수로 10회, 알코올로 10회, 끓는 증류수로 10회 이상 씻어주고 3차 증류수에 1일 동안 담근 후 이온전도도를 측정하였다. 이온 전도도는 6.4 x 10-2이었다.The polymer solution of Example 15 was cast in a film form by pushing with a Gardner knife, and immediately immersed in an ethanol solvent to induce phase separation to prepare a film in film form. After sulfonation under the conditions of Example 5 and neutralized with propanol, the membrane was immediately taken out and slowly dried on a teflon plate, and the obtained membrane was washed 10 times with distilled water, 10 times with alcohol and 10 times with boiling distilled water, and then washed with 3 distilled water. After soaking for 1 day, the ion conductivity was measured. Ionic conductivity was 6.4 × 10 −2 .

< 실시예 17 ><Example 17>

위의 실시예 9의 막을 10 wt% 메탄올 용액의 투과특성을 측정하였다. 투과되어 나오는 메탄올의 양을 GC로 측정하였으나, 2시간동안 투과시키는 동안 GC에 검출되지 아니하였다. 실시예 9의 막의 두께는 기존의 나피온 115막의 두께의 반 정도 밖에 안 되는 데도 불구하고 메탄올의 투과는 측정되지 않았다. 참고로 나피온 115막의 경우 10 wt% 메탄올 용액의 경우는 1.6 x 10-6cm/s이었다.The membrane of Example 9 was measured for the permeation characteristics of 10 wt% methanol solution. The amount of methanol permeated was measured by GC, but was not detected by GC during permeation for 2 hours. Although the membrane thickness of Example 9 was only about half the thickness of the conventional Nafion 115 membrane, methanol permeation was not measured. For reference, the Nafion 115 membrane was 1.6 × 10 −6 cm / s for the 10 wt% methanol solution.

< 실시예 18 > SO<Example 18> SO 33 방법으로 설폰화Sulfonation

실시예 1의 방법으로 가교시킨 SBS 젤 막 1 g을 DCE 20g에 밤새 팽윤시켰다.설폰화하기 위해, 0.34 wt%의 설퍼 트리옥사이드(SO3) 용액을 DCE에 첨가하고, 위의 SBS 겔에 SO3용액을 적가하였다. SO3의 몰수의 3.6배 만큼의 트리에틸포스페이트를 DCE에 녹이고, 온도를 0℃로 맞춘다. 트리에틸 포스페이트 용액에 위의 SBS 시료를 넣고, SO3용액을 한방울씩 떨어뜨려 반응을 유도한다. 30분 경과 후에 반응기를 상온으로 올리고 12시간 동안 반응시켰다. 색이 자주색으로 변할 때까지 온도를 80℃로 올려주었다. 반응이 끝난 후 용매를 날려버리고 프로판올을 넣어주고, 물과 에탄올로 여러번 씻었다. 얻어 진 막의 이온 전도도는 3.8 x 10-3S/cm이었다.1 g of the SBS gel film crosslinked by the method of Example 1 was swollen overnight to 20 g of DCE. To sulfonate, 0.34 wt% of sulfur trioxide (SO 3 ) solution was added to DCE, and SO was added to the SBS gel above. 3 solution was added dropwise. Triethylphosphate as much as 3.6 times the number of moles of SO 3 is dissolved in DCE and the temperature is adjusted to 0 ° C. Put the above SBS sample in triethyl phosphate solution, drop the SO 3 solution drop by drop to induce the reaction. After 30 minutes, the reactor was raised to room temperature and reacted for 12 hours. The temperature was raised to 80 ° C. until the color turned purple. After the reaction was completed, the solvent was blown out and the propanol was added and washed several times with water and ethanol. The ion conductivity of the obtained membrane was 3.8 x 10 -3 S / cm.

< 실시예 19 ><Example 19>

폴리스티렌-랜덤-폴리부타디엔-고무(SBR; 45 wt% 스티렌)을 사이언티픽 폴리머 프로덕트 (Scientific polymer products, 미국) 사에서 구입하여, 디클로로에탄(DCE; Junsei)에 녹여 1%의 용액을 제조하였다. 한편 무수 아세트산과 H2SO4를 DCE에 넣고 0.1N 용액을 제조하였다(이하: AASO3). 0℃에서 DCE에 녹은 SBR 용액에 스티렌: AASO3의 당량비를 1:3으로 해서 AASO3를 천천히 저어주면서 넣어주고 0℃에서 1시간 방치한 후, 45℃ 항온조에 2시간 방치하여 반응을 유도하였다. 시간이 지나면서 용액의 색이 붉은 노란색에서부터 진한 자주색으로 변한다. 반응을 끝낸 후에, 1-프로판올을 첨가하여 남아있는 AASO3의 활성을 종료시켰다. 이 용액에 광개시제인 2,4,6-트리메틸벤조일디페닐포스핀 옥사이드(Lucirin TPO fromBASF)을 고분자양의 1 wt%의 비율로 첨가하였다. 고분자 용액을 페트리 접시(petri dish)에 적정량 붓고 1주일 동안 실내에서 천천히 톨루엔을 날려 필름을 얻는다. 얻어진 필름을 1시간 동안 UV 조사하여 젤을 만든 후, 증류수로 10번 이상 씻어주었다. 이 후에 에탄올로 5번 이상 씻어주고 다시 끓는 증류수로 5번 이상 씻어준다. 씻어준 막을 3차 증류수로 10번 이상 씻어 주고 이온전도도를 측정하였다. 막의 두께는 100 ㎛이하이다. 제조된 막의 이온 전도도는 4.9 x 10-2S/cm이었다.Polystyrene-Random-Polybutadiene-Rubber (SBR; 45 wt% styrene) was purchased from Scientific Polymer Products (USA) and dissolved in dichloroethane (DCE; Junsei) to prepare a 1% solution. Meanwhile, acetic anhydride and H 2 SO 4 were added to DCE to prepare a 0.1N solution (hereinafter referred to as AASO 3). In a SBR solution dissolved in DCE at 0 ° C., the equivalent ratio of styrene: AASO 3 was 1: 3, and AASO 3 was slowly added while stirring, and left at 0 ° C. for 1 hour, followed by 2 hours in a 45 ° C. thermostat. Over time, the color of the solution changes from reddish yellow to dark purple. After the reaction was completed, 1-propanol was added to terminate the activity of the remaining AASO 3. To this solution was added photoinitiator 2,4,6-trimethylbenzoyldiphenylphosphine oxide (Lucirin TPO from BASF) at a rate of 1 wt% of high molecular weight. The polymer solution is poured into a petri dish in an appropriate amount and slowly blown toluene indoors for a week to obtain a film. The obtained film was UV irradiated for 1 hour to form a gel, and then washed with distilled water 10 times or more. After this, wash with ethanol at least 5 times and again with boiling distilled water at least 5 times. The washed membrane was washed 10 times or more with tertiary distilled water and ionic conductivity was measured. The thickness of the film is 100 μm or less. The ion conductivity of the prepared membrane was 4.9 × 10 −2 S / cm.

< 실시예 20 ><Example 20>

폴리스티렌-블록-폴리부타디엔-블록-폴리스티렌(SBS; 분자량 140,000, 30 wt% 스티렌)을 알드리치사에서 구입하여, 재 침전을 통해 페놀성 항산화제를 제거하였다. 이 고분자를 디클로로에탄(DCE; Junsei)에 녹여 1%의 용액을 제조하였다. 0℃에서 DCE에 녹은 SBR 용액에 스티렌: AASO3의 당량비를 1:3으로 해서 AASO3를 천천히 저어주면서 넣어주고 0℃에서 1시간 방치한 후, 45℃ 항온조에 2시간 방치하여 반응을 유도하였다. 시간이 지나면서 용액의 색이 붉은 노란색에서부터 진한 자주색으로 변한다. 반응을 끝낸 후에, 1-프로판올을 첨가하여 남아있는 AASO3의 활성을 종료시켰다. 이 용액에 광개시제인 2,4,6-트리메틸벤조일디페닐포스핀 옥사이드(Lucirin TPO from BASF)을 고분자양의 1 wt%의 비율로 첨가하였다. 고분자 용액을 페트리 접시(petri dish)에 적정량 붓고 1주일 동안 실내에서 천천히 톨루엔을 날려 필름을 얻는다. 얻어진 필름을 1시간 동안 UV 조사하여 젤을 만든 후, 증류수로 10번 이상 씻어주었다. 이 후에 에탄올로 5번 이상 씻어주고 다시 끓는 증류수로 5번 이상 씻어준다. 씻어준 막을 3차 증류수로 10번 이상 씻어 주고 이온전도도를 측정하였다. 막의 두께는 100 ㎛이하이다. 제조된 막의 이온 전도도는 2.5 x 10-2S/cm이었다.Polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (SBS; molecular weight 140,000, 30 wt% styrene) was purchased from Aldrich, and phenolic antioxidants were removed via reprecipitation. This polymer was dissolved in dichloroethane (DCE; Junsei) to prepare a solution of 1%. In a SBR solution dissolved in DCE at 0 ° C., the equivalent ratio of styrene: AASO 3 was 1: 3, and AASO 3 was slowly added while stirring, and left at 0 ° C. for 1 hour, followed by 2 hours in a 45 ° C. thermostat. Over time, the color of the solution changes from reddish yellow to dark purple. After the reaction was completed, 1-propanol was added to terminate the activity of the remaining AASO 3. To this solution, photoinitiator 2,4,6-trimethylbenzoyldiphenylphosphine oxide (Lucirin TPO from BASF) was added at a rate of 1 wt% of high molecular weight. The polymer solution is poured into a petri dish in an appropriate amount and slowly blown toluene indoors for a week to obtain a film. The obtained film was UV irradiated for 1 hour to form a gel, and then washed with distilled water 10 times or more. After this, wash with ethanol at least 5 times and again with boiling distilled water at least 5 times. The washed membrane was washed 10 times or more with tertiary distilled water and ionic conductivity was measured. The thickness of the film is 100 μm or less. The ion conductivity of the prepared membrane was 2.5 × 10 −2 S / cm.

< 실시예 21 ><Example 21>

폴리스티렌-랜덤-폴리부타디엔-고무(SBR; 45 wt% 스티렌)을 사이언티픽 폴리머 프로덕트 (Scientific polymer products, 미국) 사에서 구입하여, 필름 상태로 만든 후, 실시예 4의 방법으로 설폰화시켜서 이온 교환막을 제조하였다. 제조된 막의 이온 전도도는 2.9 x 10-2S/cm이었다.Polystyrene-Random-Polybutadiene-Rubber (SBR; 45 wt% styrene) was purchased from Scientific Polymer products (USA), made into a film, and then sulfonated by the method of Example 4 to ion exchange. The membrane was prepared. The ion conductivity of the prepared membrane was 2.9 × 10 −2 S / cm.

< 실시예 22 ><Example 22>

폴리(에틸렌 테레프탈레이트) (알드리치, Mv=18000)를 필름 상태로 만든 후, 감마 레이를 10Mrad를 조사하여 젤을 만든 후, 실시예 1의 방법으로 설폰화시켜서 이온 교환막을 제조하였다. 제조된 막의 이온 전도도는 5.2 x 10-3S/cm이었다.After making poly (ethylene terephthalate) (Aldrich, Mv = 18000) into a film state, gamma ray was irradiated with 10 Mrad to make a gel, and then sulfonated by the method of Example 1 to prepare an ion exchange membrane. The ionic conductivity of the prepared membrane was 5.2 x 10 -3 S / cm.

< 실시예 23 ><Example 23>

실시예 3의 조건으로 선형 SEBS 고분자를 설폰화시킨 후, 5 wt%의 고분자 용액을 DCE에 넣어 제조하였고, 이를 페트리 접시에 넣고 실온에서 용매를 천천히 휘발시켰다. 얻어지 필름을 감마선으로 10Mrad로 조사하여 젤을 만든 후, 이온 전도도는 2 x 10-2이었고, 10 wt% 메탄올의 투과도는 1 x 10-7cm/s이었다.After sulfonating the linear SEBS polymer under the conditions of Example 3, 5 wt% of the polymer solution was prepared by placing it in DCE, which was placed in a Petri dish and the solvent was slowly evaporated at room temperature. After the obtained film was irradiated with gamma rays at 10 Mrad to make a gel, the ionic conductivity was 2 x 10 -2 and the permeability of 10 wt% methanol was 1 x 10 -7 cm / s.

< 실시예 24 ><Example 24>

실시예 3의 조건으로 고분자 젤을 만들기 전에, 가교 밀도를 조절하기 위해, 디아크릴레이트 모노머(Ebecryl 150 from UCB)를 SBS:디아크릴레이트 모노머(80:20)으로 블렌드 용액을 제조하고, 이를 공기 중에서 말려 필름을 제조하고 실시예 3의 조건으로 이온 전도성 막을 제조하였다. 얻어진 이온 전도성 막의 외관 관찰한 결과, 막의 기계적 강도가 증가된 것으로 나타났다.Before making the polymer gel under the conditions of Example 3, in order to control the crosslinking density, a blend solution was prepared from a diacrylate monomer (Ebecryl 150 from UCB) with SBS: diacrylate monomer (80:20), which was then air. The film was dried to prepare a film, and an ion conductive membrane was prepared under the conditions of Example 3. Appearance observation of the obtained ion conductive membrane showed that the mechanical strength of the membrane was increased.

상기 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 이온 교환막은 적어도 1 ×10-5이상, 바람직하게는 1 ×10-5- 5 ×10-1의 이온전도도를 나타내며, 구체적으로 스티렌이 30 wt %인 경우, 스티렌과 설폰화제의 비율이 1:0.1일 경우 3.4 ×10-4의 이온전도도를 나타내었으며, 그 비율이 1:4 일 경우 3.4 ×10-2정도의 이온전도도를 나타내었다. 스티렌이 45 wt%인 경우, 스티렌과 설폰화제의 비율이 1:3일 때 0.05 S/cm를 얻었다. Nafion 115의 10% 메탄올 투과도는 2 x 10-6cm2/s 이고, 상용화되어 있는 SSEBS의 경우 비슷한 두께에서 1.7 x 10-6cm2/s이다. 본 발명에서 얻어진 이온 전도성막은 이온 전도도가 10-3S/cm 이하인 경우에는 측정할 수 있는 실험장비상의 제한에 걸려, 메탄올의 투과도를 측정할 수 없었다. 측정장비인 개스크로마토그래피의 감지능을 고려하면, 10% 메탄올의 투과도는 10-10cm2/s 이하일 것으로 추정한다. 이온전도도가 10-2S/cm 이상인 경우에는 팽장이 잘 안되어 10 wt% 메탄올의 투과도는 10-7cm2/s 이하의 값을 얻었다. 또한, 물에 대한 팽윤성이 낮아 메탄올 크로스오버를 현저히 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 기계적 강도가 높아 적은 두께로도 충분한 기계적 강도를 갖는 이온 교환 막의 제작이 가능하다는 장점을 갖는다.As can be seen from the above examples, the ion exchange membrane of the present invention exhibits an ion conductivity of at least 1 × 10 −5 or more, preferably 1 × 10 −5 -5 × 10 −1 , specifically 30 wt% of styrene In the case of%, when the ratio of styrene and sulfonating agent is 1: 0.1, the ion conductivity was 3.4 × 10 −4 , and the ratio was about 3.4 × 10 −2 when the ratio was 1: 4. When the styrene was 45 wt%, 0.05 S / cm was obtained when the ratio of styrene and sulfonating agent was 1: 3. The 10% methanol permeability of Nafion 115 is 2 x 10 -6 cm 2 / s and 1.7 x 10 -6 cm 2 / s at similar thickness for commercially available SSEBS. In the ion conductive membrane obtained in the present invention, when the ion conductivity was 10 −3 S / cm or less, the experimental equipment could be measured and the permeability of methanol could not be measured. Considering the detection capability of gas chromatography, which is a measuring device, the permeability of 10% methanol is estimated to be 10 -10 cm 2 / s or less. When the ionic conductivity was 10 −2 S / cm or more, the expansion was poor, and the permeability of 10 wt% methanol was 10 −7 cm 2 / s or less. In addition, the swelling resistance to water can not only significantly lower the methanol crossover, but also has the advantage that it is possible to manufacture an ion exchange membrane having a high mechanical strength and a sufficient mechanical strength with a small thickness.

본 발명의 이온 교환 막은, 구조단위 A 및 B'를 포함하는 고분자가 화학적으로 가교된 젤의 형태를 갖고 있으며, 설폰화 등에 의해 이온전도성이 부여된 것으로서, 기존의 물리적 젤 형태로 기계적 강도를 유지하는 일반 이온 교환막에 비해 용매 및 연료에 의한 팽창이 적어 DMFC 개발의 걸림돌이 되고 있는 연료인 메탄올 크로스오버를 현저히 낮추어 DMFC용 이온전도성 막으로서의 우수한 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 두께가 얇으면서도 높은 이온전도성을 보이면서도 기계적 강도가 높아, 기존의 PEMFC의 경량화, 소형화에도 기여할 수 있다.The ion exchange membrane of the present invention has a form in which a polymer comprising structural units A and B 'is chemically crosslinked, and has been given ionic conductivity by sulfonation or the like, and maintains mechanical strength in a conventional physical gel form. Compared to general ion exchange membranes, the membrane has a low swelling by solvents and fuels, which significantly reduces methanol crossover, which is an obstacle to DMFC development, and exhibits excellent characteristics as an ion conductive membrane for DMFCs. The high mechanical strength is visible, which can contribute to the weight and miniaturization of existing PEMFC.

또한, 본 발명으로부터 얻은 이온 교환막은, 가격 경잭력이 있는 비불소계고분자 물질을 이용하여 광 조사를 통해 화학적 가교반응을 시켜 어느 용매에도 녹지 않고 단지 팽윤만 소량 하는 3차원 그물 구조의 필름 형태의 고분자 겔의 형상을 유지하면서 설폰화를 통해 이온전도성 기를 갖는 PEMFC 및 DMFC와 같은 연료전지에 널리 이용될 수 있으며, 더 나아가, 연료전지 뿐 아니라, 전기분해, 전기 투석, 확산 투석, 압 투석, 전해조, 클로로-알카리 분리막, 전지 등과 같은 다양한 전기화학적 장치에 널리 이용될 수 있다.In addition, the ion-exchange membrane obtained from the present invention is a three-dimensional film-like polymer of a three-dimensional network structure that does not dissolve in any solvent and only a small amount of swelling by chemical crosslinking reaction through light irradiation using a non-fluorinated polymer material having a cost effective force It can be widely used in fuel cells such as PEMFC and DMFC having ion conductive groups through sulfonation while maintaining the shape of the gel. Furthermore, in addition to fuel cells, electrolysis, electrodialysis, diffusion dialysis, pressure dialysis, electrolyzer, It can be widely used in various electrochemical devices such as chloro-alkali separators, batteries and the like.

Claims (21)

아래의 화학식 1 및 화학식 2로 구성되는 군에서 선택되는 구조단위 A로부터 가교반응에 의해 가교점이 형성되고, 화학식 3 및 화학식 4로 구성되는 군에서 선택되는 구조단위 B를 포함하는 공중합체가 공유결합을 통해 가교된 비가역적 화학적 젤 필름 형태의 이온 교환 막.A crosslinking point is formed by a crosslinking reaction from a structural unit A selected from the group consisting of Formula 1 and Formula 2 below, and a copolymer comprising a structural unit B selected from the group consisting of Formula 3 and Formula 4 is covalently bonded. Ion exchange membrane in the form of an irreversible chemical gel film crosslinked through. 화학식 1Formula 1 화학식 2Formula 2 화학식 3Formula 3 화학식 4Formula 4 -ArR7--ArR 7- 상기 화학식 1 내지 4에서, R1, R2, R3,R4및 R5는 각각 독립적으로 수소, 페닐, C1-4저급 알킬, C1-4저급 알킬렌, C1-4저급 알키닐, 니트릴 또는 독립적으로 축합 반응을 유도할 수 있는 반응기, 예를 들어 에폭시, 시아네이트, 에스테르, 할로겐을 나타낸다. R6은 수소 또는 C1-4의 저급 알킬기를 나타내며, Ar은 치환 또는 비치환된 페닐기를 나타내며, 여기서, 치환기는 페닐, C1-4저급 알킬, C1-4저급 알킬렌 또는 C1-4저급 알키닐이고, R7은 -SO3H, -COOH 또는 -P(O)(OR8)OH기를 나타내며, 여기서 R8은 수소 또는 C1-4저급 알킬기를 나타낸다.In the above Chemical Formulas 1 to 4, R 1, R 2, R 3, R 4 and R 5 are each independently hydrogen, phenyl, C 1-4 lower alkyl, C 1-4 lower alkylene, C 1-4 lower alkynyl Nyl, nitrile or a reactor capable of independently inducing a condensation reaction, for example epoxy, cyanate, ester, halogen. R 6 represents hydrogen or a lower alkyl group of C 1-4 , Ar represents a substituted or unsubstituted phenyl group wherein the substituent is phenyl, C 1-4 lower alkyl, C 1-4 lower alkylene or C 1- 4 lower alkynyl, R 7 represents —SO 3 H, —COOH, or —P (O) (OR 8 ) OH group, wherein R 8 represents hydrogen or a C 1-4 lower alkyl group. 제1항에 있어서, 상기 공중합체가 랜덤 공중합체, 교대 공중합체, 블록 공중합체, 그래프트 공중합체 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 이온 교환 막.The ion exchange membrane of claim 1, wherein the copolymer is selected from the group consisting of random copolymers, alternating copolymers, block copolymers, graft copolymers, and combinations thereof. 제1항에 있어서, 상기 -SO3H, -COOH 및 -P(O)(OR8)OH기로 구성되는 군에서 선택되는 이온 전도성기의 치환도가 15 - 80%인 이온 교환 막.The ion exchange membrane of claim 1, wherein a degree of substitution of an ion conductive group selected from the group consisting of -SO 3 H, -COOH, and -P (O) (OR 8 ) OH groups is 15 to 80%. 제 1항에 있어서, 상기 R7이 -SO3H인 이온 교환 막.The ion exchange membrane of claim 1, wherein R 7 is —SO 3 H. 3 . 제1항에 있어서, 상기 이온 교환막의 이온 전도도가 1.0 ×10-4이상인 이온교환 막.The ion exchange membrane of claim 1, wherein the ion conductivity of the ion exchange membrane is 1.0 × 10 −4 or more. a) 아래의 화학식 1 및 화학식 2로 구성되는 군에서 선택되는 구조단위 A와 아래의 화학식 3 및 화학식 4으로 구성되는 군에서 선택되는 구조단위 B'의 공중합체의 고분자 용액을 제조하는 단계;a) preparing a polymer solution of a copolymer of structural unit A selected from the group consisting of Formula 1 and Formula 2 below and structural unit B ′ selected from the group consisting of Formula 3 and Formula 4 below; b) 가교 개시제를 첨가한 후 또는 첨가하지 않고, 얻어진 고분자 용액을 필름으로 제조하는 단계;b) preparing the obtained polymer solution into a film after or without adding a crosslinking initiator; c) 광조사 또는 가열에 의해 필름을 가교시키는 단계; 및c) crosslinking the film by light irradiation or heating; And d) 이온 전도성기의 치환도가 15% 미만인 경우, 가교된 필름을 용매에 침지하여 팽윤시킨 후, 벤젠고리에 이온채널을 형성하는 기능기인 -SO3H, -COOH 또는 -P(O)(OR8)OH기를 도입하는 단계를 포함하는 제 1항의 이온 교환 막의 제조방법.d) When the degree of substitution of the ion conductive group is less than 15%, the cross-linked film is swelled by dipping in a solvent, and then -SO 3 H, -COOH, or -P (O) ( OR 8 ) A process for preparing the ion exchange membrane of claim 1 comprising introducing an OH group. 화학식 1Formula 1 화학식 2Formula 2 화학식 3Formula 3 화학식 4Formula 4 -ArR7--ArR 7- 상기 화학식 1 내지 4에서, R1, R2, R3,R4및 R5는 각각 독립적으로 수소, 페닐, C1-4저급 알킬, C1-4저급 알킬렌, C1-4저급 알키닐, 니트릴 또는 독립적으로 축합 반응을 유도할 수 있는 반응기, 예를 들어 에폭시, 시아네이트, 에스테르, 할로겐을 나타낸다. R6은 수소 또는 C1-4의 저급 알킬기를 나타내며, Ar은 치환 또는 비치환된 페닐기를 나타내며, 여기서, 치환기는 페닐, C1-4저급 알킬, C1-4저급 알킬렌, C1-4저급 알키닐이고, R7은 수소, 또는 -SO3H, -COOH 및 -P(O)(OR8)OH기로 구성되는 군에서 선택되는 이온 전도성기를 나타내며, 여기서 R8은 수소 또는 C1-4저급 알킬기를 나타낸다.In the above Chemical Formulas 1 to 4, R 1, R 2, R 3, R 4 and R 5 are each independently hydrogen, phenyl, C 1-4 lower alkyl, C 1-4 lower alkylene, C 1-4 lower alkynyl Nyl, nitrile or a reactor capable of independently inducing a condensation reaction, for example epoxy, cyanate, ester, halogen. R 6 represents hydrogen or a lower alkyl group of C 1-4 , and Ar represents a substituted or unsubstituted phenyl group, wherein the substituent is phenyl, C 1-4 lower alkyl, C 1-4 lower alkylene, C 1- 4 lower alkynyl, R 7 represents hydrogen or an ionic conductive group selected from the group consisting of —SO 3 H, —COOH and —P (O) (OR 8 ) OH groups, wherein R 8 represents hydrogen or C 1 -4 lower alkyl group. 제6항에 있어서, 상기 공중합체가 랜덤 공중합체, 교대 공중합체, 블록 공중합체, 그래프트 공중합체 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 방법.The method of claim 6, wherein the copolymer is selected from the group consisting of random copolymers, alternating copolymers, block copolymers, graft copolymers, and combinations thereof. 제6항에 있어서, 상기 구조 단위 A를 갖는 화합물이 니트릴, 에폭시, 시아네이트, 에스테르, 할로겐으로 구성되는 군에서 선택된 치환체에 의해 치환되거나 또는 에틸렌, 부틸렌, 부타디엔 및 프로필렌 중에서 선택되는 방법.The method of claim 6, wherein the compound having structural unit A is substituted by a substituent selected from the group consisting of nitrile, epoxy, cyanate, ester, halogen or selected from ethylene, butylene, butadiene and propylene. 제6항에 있어서, 상기 구조 단위 B'를 갖는 화합물이 폴리스티렌, 폴리(α-메틸스틸렌), 폴리(트리페닐포스핀 옥사이드 설파이드-페닐설폰-설파이드), 폴리(2-페닐설파이드-1,4-페닐렌), 폴리-X(Maxdem), 디페닐 폴리(2,6-디페닐-1,4-페닐렌 옥사이드, 폴리(비스벤조아졸-1,4-페닐렌, 폴리(벤조(비스-티아졸)-1,4-페닐렌, 폴리(벤조(비스-디아졸)-1,4-페닐렌, 폴리아라미드(Kevlar), 폴리페닐렌 설폰, 폴리설폰, 폴리에테르 설폰, 폴리에테르-에테르 설폰, 폴리아릴에테르 설폰, 폴리이미드, 폴리(2,6-디메틸 1,4-페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 설폭사이드, 폴레페닐렌 설파이드, 폴리페닐렌 설파이드 설폰, 폴리파라페닐렌, 폴리(페닐뷔노옥살린, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르 케톤, 폴리에테르케톤케톤, 폴리에테르에테르케톤케톤, 폴리에테르-에테르케톤-케톤, 폴리에테르이미드, 폴리페닐설폰, 폴리(헥사플루오로이소프로필리덴 디언하이드라이드/메타 페닐렌 디아민), 폴리(헥사플루오로이소프로필리덴 디언하이드라이드/디아미노디페닐 설폰), 폴리비닐 설폰산, 폴리(헥사플루오로이소프로필리덴 디언하이드라이드/폴리아미노디페녹시벤젠, 폴리(피롤멜리틱 디이미드-1,3-페닐렌), 폴리(디프탈이미드-1,3-페닐렌), 폴리(1,4-페닐렌 옥사이드), 폴리(벤조페논 설파이드) 및 폴리(벤조페논 설파이드 페닐설폰-설파이드)또는 폴리비닐카르복실산, 폴리(트리풀로로스티렌 설폰산), 폴리(비닐 포스포릭산), 폴리스티렌 설포닉산 중에서 선택되는 방법.The compound of claim 6, wherein the compound having structural unit B 'is polystyrene, poly (α-methylstyrene), poly (triphenylphosphine oxide sulfide-phenylsulfone-sulfide), poly (2-phenylsulfide-1,4 -Phenylene), poly-X (Maxdem), diphenyl poly (2,6-diphenyl-1,4-phenylene oxide, poly (bisbenzoazole-1,4-phenylene, poly (benzo (bis- Thiazole) -1,4-phenylene, poly (benzo (bis-diazole) -1,4-phenylene, polyaramid (Kevlar), polyphenylene sulfone, polysulfone, polyether sulfone, polyether-ether Sulfone, polyarylether sulfone, polyimide, poly (2,6-dimethyl 1,4-phenylene oxide, polyphenylene sulfoxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, poly (phenyl Vinooxaline, polyether ketone, polyether ether ketone, polyether ketone ketone, polyether ether ketone ketone, polyether ether ketone ketone, poly Polyimide, polyphenylsulfone, poly (hexafluoroisopropylidene dianhydride / metaphenylene diamine), poly (hexafluoroisopropylidene dianhydride / diaminodiphenyl sulfone), polyvinyl sulfonic acid, poly (Hexafluoroisopropylidene dianhydride / polyaminodiphenoxybenzene, poly (pyrromeltic diimide-1,3-phenylene), poly (diphthalimide-1,3-phenylene), poly (1,4-phenylene oxide), poly (benzophenone sulfide) and poly (benzophenone sulfide phenylsulfone-sulfide) or polyvinylcarboxylic acid, poly (tripoolostyrene sulfonic acid), poly (vinyl phospho) Lactic acid), polystyrene sulfonic acid. 제6항에 있어서, 상기 공중합체가 20% 이상의 벤젠고리를 포함하는 방법.7. The method of claim 6, wherein said copolymer comprises at least 20% benzene rings. 제6항에 있어서, 상기 가교 개시제가 벤조페논, 2,6-비스(아지도벤질리덴)-4-메틸시클로헥사논, 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논, 1-벤조일-1-하이드록시클로헥산 및 2,4,6-트리메틸벤조일디페닐포스핀 옥사이드로 구성되는 군에서 선택되는 방법.The method of claim 6, wherein the crosslinking initiator is benzophenone, 2,6-bis (azidobenzylidene) -4-methylcyclohexanone, 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone, 1-benzoyl-1 -Hydroxycyclohexane and 2,4,6-trimethylbenzoyldiphenylphosphine oxide. 제6항에 있어서, 상기 b) 단계의 필름 형성이 용매의 증발 또는 캐스팅에 의해 성취되는 방법.The method of claim 6, wherein the film formation of step b) is achieved by evaporation or casting of a solvent. 제6항에 있어서, 상기 d) 단계의 용매가 클로로화된 탄화수소 용매, 탄화수소 용매, 또는 이들의 혼합 용매인 방법.The method of claim 6, wherein the solvent of step d) is a chlorolated hydrocarbon solvent, a hydrocarbon solvent, or a mixed solvent thereof. 제6항에 있어서, 상기 c) 단계의 필름의 가교가 마이크로 웨이브, IR, UV, 가시광선, x-선 및 감마선으로 구성되는 비미립자 조사 또는 알파 입자, 베타 입자, 고 에너지 전자, 프로톤 및 중성자로 구성되는 미립자 조사에 의해 성취되는 방법.The non-particulate irradiation or alpha particles, beta particles, high energy electrons, protons and neutrons according to claim 6, wherein the crosslinking of the film of step c) is composed of microwave, IR, UV, visible light, x-ray and gamma ray. A method accomplished by irradiation of particulates. 제6항에 있어서, 상기 d) 단계의 이온 전도성기가 -SO3H이고, 설폰기의 도입이 황산/아세틱 언하이드라이드, 황/트리옥사이드/아세트산, 황산/황산염은, SO3/포스포러스 펜타옥사이드, SO3/트리에틸 포스페이트, SO3/트리스(2-에틸헥실)포스페이트, SO3/아세트산, SO3/라우르산, 클로로설폰산 및 트리메틸실릴설포닐클로라이드로 구성되는 군에서 선택되는 설폰화제에 의해 성취되는 방법.The method according to claim 6, wherein the ion conductive group of step d) is -SO 3 H, and the introduction of sulfone group is sulfuric acid / acetic anhydride, sulfur / trioxide / acetic acid, sulfuric acid / sulfate, SO 3 / phosphorus Pentaoxide, SO 3 / triethyl phosphate, SO 3 / tris (2-ethylhexyl) phosphate, SO 3 / acetic acid, SO 3 / lauric acid, chlorosulfonic acid and trimethylsilylsulfonylchloride Method achieved by a sulfonating agent. 제6항에 있어서, 상기 d) 단계의 용매가 클로로화된 탄화수소 용매, 탄화수소 용매 또는 이들의 혼합 용매인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 6, wherein the solvent of step d) is a chlorolated hydrocarbon solvent, a hydrocarbon solvent or a mixed solvent thereof. 제6항에 있어서, 상기 방법이The method of claim 6 wherein the method is a) 구조단위 A 및 구조단위 B'를 갖는 공중합체의 고분자 용액을 제조하고,a) preparing a polymer solution of a copolymer having structural unit A and structural unit B ', b) 얻어진 고분자 용액에 가교 개시제를 첨가한 후 필름으로 제조하고,b) adding a crosslinking initiator to the obtained polymer solution and then preparing a film; c) 광조사 또는 가교에 의해 필름을 가교시키고,c) crosslinking the film by light irradiation or crosslinking, d) 이온전도성기의 치환도가 30% 미만인 경우, 가교된 필름을 용매에 침지하여 팽윤시킨 후, 벤젠고리에 이온채널을 형성하는 기능기인 -SO3H, -COOH 또는 -P(O)(OR8)OH기를 추가로 도입하는 단계를 포함하는 방법.d) When the degree of substitution of the ion conductive group is less than 30%, the cross-linked film is swelled by dipping in a solvent, and then -SO 3 H, -COOH or -P (O) ( OR 8 ) further introducing the OH group. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 이온 교환막을 포함하는 전기화학적장치.An electrochemical device comprising the ion exchange membrane according to any one of claims 1 to 5. 제18항에 있어서, 상기 전기화학적 장치가 a) 음극을 포함하는 음극부, b) 양극을 포함하는 양극부, 및 c) 상기 음극부 및 양극부의 사이에 위치하여 절연막 및 전해질막으로 작용하는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 이온 교환 막을 포함하는 연료 전지인 장치.19. The method of claim 18, wherein the electrochemical device comprises: a) a cathode portion comprising a cathode, b) an anode portion comprising an anode, and c) a cathode disposed between the cathode portion and the anode portion to act as an insulating film and an electrolyte membrane. An apparatus which is a fuel cell comprising the ion exchange membrane according to any one of claims 1 to 5. 제19항에 있어서, 상기 연료전지가 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지인 것을 특징으로 하는 장치.20. The apparatus of claim 19, wherein the fuel cell is a direct methanol fuel cell using methanol as fuel. 제19항에 있어서, 상기 연료전지가 수소를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지인 것을 특징으로 하는 장치.20. The apparatus of claim 19, wherein the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as fuel.
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