KR100508691B1 - Sulfonated poly(aryl ether benzimidazole) electrolyte and its composite membrane for direct methanol fuel cell - Google Patents

Sulfonated poly(aryl ether benzimidazole) electrolyte and its composite membrane for direct methanol fuel cell Download PDF

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Abstract

본 발명은 직접메탄올 연료전지(DMFC)용 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 전해질 및 이를 이용한 전해질 복합막에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내열성, 기계적 물성 및 용해성 등의 우수한 성질을 가지고 있는 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸을 반복단위로 하는 신규의 고분자 전해질과, 상기한 고분자 전해질을 지지체에 코팅하여 제조된 것으로 이온전도도 및 메탄올 투과도가 현저히 감소되어 직접메탄올 연료전지(DMFC)의 전해질막으로 유용한 전해질 복합막에 관한 것이다.The present invention relates to a sulfonic acid-containing polyaryletherbenzimidazole electrolyte for a direct methanol fuel cell (DMFC) and an electrolyte composite membrane using the same, and more particularly, to a sulfonic acid-containing poly having excellent properties such as heat resistance, mechanical properties, and solubility. A novel polymer electrolyte comprising aryletherbenzimidazole and a repeating unit of the polymer electrolyte and the above-described polymer electrolyte coated on a support, which significantly reduces ion conductivity and methanol permeability, and thus is useful as an electrolyte membrane of a direct methanol fuel cell (DMFC). It relates to a composite membrane.

Description

직접메탄올 연료전지용 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 전해질 및 이를 이용한 전해질 복합막{Sulfonated poly(aryl ether benzimidazole) electrolyte and its composite membrane for direct methanol fuel cell} Sulfonated poly (aryl ether benzimidazole) electrolyte and its composite membrane for direct methanol fuel cell}

본 발명은 직접메탄올 연료전지(DMFC)용 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 전해질 및 이를 이용한 전해질 복합막에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내열성, 기계적 물성 및 용해성 등의 우수한 성질을 가지고 있는 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸을 반복단위로 하는 신규의 고분자 전해질과, 상기한 고분자 전해질을 지지체에 코팅하여 제조된 것으로 이온전도도 및 메탄올 투과도가 현저히 감소되어 직접메탄올 연료전지(DMFC)의 전해질막으로 유용한 전해질 복합막에 관한 것이다.The present invention relates to a sulfonic acid-containing polyaryletherbenzimidazole electrolyte for a direct methanol fuel cell (DMFC) and an electrolyte composite membrane using the same, and more particularly, to a sulfonic acid-containing poly having excellent properties such as heat resistance, mechanical properties, and solubility. A novel polymer electrolyte comprising aryletherbenzimidazole and a repeating unit of the polymer electrolyte and the above-described polymer electrolyte coated on a support, which significantly reduces ion conductivity and methanol permeability, and thus is useful as an electrolyte membrane of a direct methanol fuel cell (DMFC). It relates to a composite membrane.

연료전지(Fuel Cell)는 보통전지와는 달리 전지의 교환이나 충전이 불필요하고 대신에, 수소나 메탄올 등의 연료를 공급하여 연소시의 화학에너지를 전기에너지를 변환시켜주는 장치이다. 연료전지는 고효율(에너지 변환 효율 ∼60%), 무공해 에너지원으로서 다양한 연료의 사용가능, 적은 입지면적 및 짧은 건설기간 등의 장점을 가지고 있어, 휴대기기 등의 이동용 전원, 자동차 등의 수송용 전원, 가정용 및 전력사업용으로 이용 가능한 분산형 발전에 이르기까지 응용분야가 다양하다. 특히, 차세대 운송장치인 연료전지 자동차의 운영이 다양하게 실용화될 경우, 그 잠재 시장규모는 엄청날 것으로 예상된다.Unlike ordinary batteries, fuel cells do not require replacement or recharging of batteries. Instead, fuel cells supply fuel such as hydrogen or methanol to convert electrical energy from combustion to electrical energy. Fuel cells have the advantages of high efficiency (up to 60% energy conversion efficiency), the use of various fuels as a pollution-free energy source, a small footprint, and a short construction period. The range of applications ranges from distributed generation to power generation for home and power businesses. In particular, the potential market size is expected to be enormous when the operation of fuel cell vehicles, which is the next generation transportation device, is used in various ways.

연료전지는 작동되는 온도와 전해질에 따라 크게 5가지로 대별되는 바, 알칼리 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 및 직접메탄올 연료전지(DMFC)가 있다. 그 중, 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)는 1951년 Kordesh와 Marko에 의해 처음 개발된 것으로(Oesterr. Chem. Ztg., 1951, 52, 125), 메탄올을 직접 연료로 사용하기 때문에 연료개질기가 필요 없어 소형 휴대용 전자장비의 전원으로서 적합하다. There are five major types of fuel cells according to operating temperature and electrolyte: alkaline fuel cell (AFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), solid oxide fuel cell (SOFC), Polymer electrolyte fuel cells (PEMFC) and direct methanol fuel cells (DMFC). Among them, Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) was first developed by Kordesh and Marko in 1951 (Oesterr. Chem. Ztg., 1951, 52, 125), because it uses methanol as a direct fuel. It does not need a fuel reformer, making it suitable for powering small portable electronic equipment.

직접메탄올 연료전지(DMFC)는 그 구성에 있어서 심장부에 해당하는 전해질막과 전극촉매의 결합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)가 전체 연료전지 제조비용 중 수송용일 경우에는 약 45%, 휴대용일 경우에는 56%를 차지한다. 직접메탄올 연료전지의 개발에 있어, 중요한 핵심요소 중의 하나가 이온전도성 고분자 전해질막의 개발이다.Direct methanol fuel cell (DMFC) is composed of about 45% of the total fuel cell manufacturing cost of the electrolyte membrane assembly (MEA) of the electrolyte membrane and the electrode catalyst for transportation, 56 of which is portable. Occupies% In the development of a direct methanol fuel cell, one of the key elements is the development of an ion conductive polymer electrolyte membrane.

이온전도성 고분자 전해질막으로서는, 최초로 폴리스티렌-디비닐벤젠 술폰산과 술폰화된 페놀 포름알데히드의 탄화수소 형태의 고분자가 연구되었으나, 산화제에 의해 하이드로퍼옥사이드 라디칼을 형성하며 C-H 결합이 끊어지는 것으로 보고됨으로써 불소 치환된 스티렌계 고분자로 대체되었다. 1960년대 초 미국 듀폰사는 과불소계 수소이온교환막인 Nafion을 개발하였고, 현재까지 연료전지용 이온교환막으로 사용되어 오고 있다. 일본의 아사히 글라스사에서는 양이온교환기로 술폰산기 대신 카르복실기를 갖는 Flemion을 개발하였고 100%에 가까운 높은 이온선택도를 나타내었으나, 전도도면에서는 Nafion 보다 낮은 값을 나타내었다. 상기한 바와 같이, 과불소계 고분자 전해질막은 내화학성, 내산화성, 우수한 이온전도성을 가지고 있으며 이미 상업화된 재료로서의 장점을 가지고 있으나 높은 가격과 제조 시 발생하는 독성의 중간생성물로 인한 환경오염의 문제가 지적되고 있다. 특히, 직접메탄올 연료전지(DMFC)용으로 적용 시 높은 메탄올 투과도 및 100 ℃ 이상에서 함수율 감소로 인한 이온전도도의 급격한 감소 및 막의 연화 등의 문제로 인하여 상용화의 걸림돌로 작용하고 있다.As an ion conductive polymer electrolyte membrane, a hydrocarbon polymer of polystyrene-divinylbenzene sulfonic acid and sulfonated phenol formaldehyde has been studied for the first time. Styrene-based polymers. In the early 1960s, DuPont developed Nafion, a perfluorinated hydrogen ion exchange membrane, and has been used as an ion exchange membrane for fuel cells. Asahi Glass Co., Ltd. developed Flemion with carboxyl group instead of sulfonic acid group as cation exchanger and showed high ion selectivity close to 100%, but lower than Nafion in conductivity. As described above, the perfluorinated polymer electrolyte membrane has chemical resistance, oxidation resistance, excellent ion conductivity, and has advantages as a commercialized material, but it is pointed out that there is a problem of environmental pollution due to high cost and toxic intermediate products generated during manufacturing. It is becoming. In particular, high methanol permeability and 100 when applied for direct methanol fuel cell (DMFC) Due to the sudden decrease in ion conductivity and softening of the membrane due to the decrease in moisture content above ℃ it is acting as an obstacle to commercialization.

연료전지에 적용되는 고분자 전해질막은 수소이온 전달막으로서의 역할이외에도 연료의 양극에서 음극으로 이동을 막는 역할을 해야 한다. 따라서 연료전지에 사용되는 고분자막은 양이온 교환막으로서 수소이온 전도성과 동시에 화학적, 열적, 기계적 및 전기화학적 안정성을 가지고 있어야 한다.The polymer electrolyte membrane applied to the fuel cell should play a role in preventing the migration of the fuel from the anode to the cathode in addition to serving as a hydrogen ion transport membrane. Therefore, the polymer membrane used in the fuel cell should have chemical, thermal, mechanical and electrochemical stability as well as hydrogen ion conductivity as a cation exchange membrane.

과불소계 고분자막의 결점을 보완하기 위하여 방향족환 고분자에 카르복실기, 술폰산기 등을 도입한 고분자 전해질막이 연구되고 있다. 그 예로서, 술폰화 폴리아릴에테르 술폰(Journal of Membrane Science, 83, 211, 1993), 술폰화 폴리에테르에테르 케톤(특개평 6-93114, USP 5,438,082), 술폰화 폴리이미드(USP 6,245,881) 등이 있다. 그러나, 방향족 환상에 술폰산기를 도입하는 과정에서 산 또는 열에 의한 탈수반응이 일어나기 쉽고, 수소이온전도성은 물분자에 크게 영향을 받는다. 고분자막의 메탄올 투과성을 감소시키는 것은 대체로 물의 투과성이나 친수성을 낮추는 결과를 초래한다. 따라서, 연료의 투과성을 낮추기 위해서는 이온전도성을 희생하여야 하는 상황이 발생하며 현재까지 뚜렷한 대안이 마련되지 못하고 있는 실정이다. 또한 이들은 연료전지용 막으로 사용하기에는 내구성이 충분하지 못하다.In order to make up for the shortcomings of perfluorinated polymer membranes, polymer electrolyte membranes in which carboxyl groups and sulfonic acid groups have been introduced into aromatic ring polymers have been studied. Examples include sulfonated polyarylether sulfones (Journal of Membrane Science, 83, 211, 1993), sulfonated polyetherether ketones (JP-A 6-93114, USP 5,438,082), sulfonated polyimides (USP 6,245,881), and the like. have. However, dehydration reaction by acid or heat is liable to occur in the process of introducing sulfonic acid group into aromatic ring, and hydrogen ion conductivity is greatly influenced by water molecules. Reducing methanol permeability of the polymer membrane generally results in lowering water permeability or hydrophilicity. Therefore, in order to lower fuel permeability, a situation arises where sacrifice of ion conductivity occurs, and no clear alternative has been prepared. Also, they are not durable enough for use as fuel cell membranes.

한편, 고내열 및 고내구성 재료로서 방향족 폴리벤즈이미다졸 또는 술폰산 함유 폴리벤즈이미다졸이 알려져 있다. 그 대표적인 예로서 Keikichi Uno 등이 발표한 것으로, 3,3'-디아미노벤지딘(diaminobenzidine)과 3,5-디카르복시벤젠술폰산 혹은 4,6-디카르복실산-1,3-벤젠 디술폰산으로부터 합성하는 것이 보고되어 있다(Journal Polymer Science, Polymer Chemistry Edition 15, 1309, 1977). 또한 미국특허 제5,312,895호에서는 1,2,4,5-벤젠테트라민과 2,5-디카르복시벤젠술폰산으로부터 합성하는 것이 보고되어 있다. 그러나 이들 보고에서는 전기화학적 특성이 발표되지 않았으며, 동시에 내열성, 기계적 특성, 이온전도성과 가공성이 고려된 분자설계가 되지 않아 고분자 전해질막으로서 사용하기에는 이러한 특성이 뒤떨어지는 것이다. On the other hand, aromatic polybenzimidazole or sulfonic acid-containing polybenzimidazole is known as a high heat resistant and highly durable material. As a representative example, published by Keikichi Uno et al., It is known that 3,3'-diaminobenzidine and 3,5-dicarboxybenzenesulfonic acid or 4,6-dicarboxylic acid-1,3-benzene disulfonic acid. Synthesis has been reported (Journal Polymer Science, Polymer Chemistry Edition 15, 1309, 1977). U.S. Patent 5,312,895 also reports synthesis from 1,2,4,5-benzenetetramine and 2,5-dicarboxybenzenesulfonic acid. However, these reports do not disclose electrochemical properties, and at the same time, the molecular design considering heat resistance, mechanical properties, ion conductivity and processability is not available, and these characteristics are inferior to those used as polymer electrolyte membranes.

이외에 폴리벤즈이미다졸을 황산과 직접 반응시켜 합성하는 것이 보고되어 있으나(Solid state Ionics 106, 219, 1998), 이 방법에 의하면 술폰산기 도입율이 낮고 취성이 약한 막이 얻어진다. 그러나, 폴리벤즈이미다졸은 치환활성을 가지고 있는 NH 결합을 가지고 있으므로 염기성 분위기(LiH) 하에서 설폰이나 브로모벤질설포네이트와 반응하여 C-N 결합을 형성할 수가 있다. 이 방법에 의하여 측쇄에 프로필 술폰산, 벤질 술폰산 등의 유도체를 가진 폴리벤즈이미다졸을 합성할 수 있다(Solid State Ionics, 97, 323, 1997). 그러나, 이 방법으로는 저온에서 이온전도성이 크지 못하고 내구성이 크지 못한 단점이 있다.In addition, the synthesis of polybenzimidazole by direct reaction with sulfuric acid has been reported (Solid state Ionics 106, 219, 1998). However, this method yields a low sulfonic acid group introduction rate and a weak brittle membrane. However, since polybenzimidazole has a NH bond having substitution activity, it can react with sulfone or bromobenzylsulfonate under basic atmosphere (LiH) to form a CN bond. By this method, polybenzimidazole having derivatives such as propyl sulfonic acid and benzyl sulfonic acid in the side chain can be synthesized (Solid State Ionics, 97, 323, 1997). However, this method has a disadvantage in that the ion conductivity is not large and the durability is low at low temperatures.

그밖에도 폴리벤즈이미다졸 본연의 우수한 내열성 및 기계적 특성에 주목하여 고분자 전해질로 응용하기 위하여, 황산 혹은 인산을 함침하여 고온에서 높은 수소이온전도도를 나타낼 수 있다고 보고된 바도 있다(USP 5,529,436). 이 방법으로는 100 ℃ 이하의 저온에서는 이온전도도가 크지 않아 저온용 연료전지용 전해질막으로 응용이 어렵고, 용해성이 좋지 않아 막 제조가 용이하지 않으며 저분자 이온전도체가 막 밖으로 확산되어 이온전도도가 감소되는 문제점이 있다.In addition, it has been reported that impregnated sulfuric acid or phosphoric acid may exhibit high hydrogen ion conductivity at high temperature in order to pay attention to the excellent heat resistance and mechanical properties of polybenzimidazole in nature (USP 5,529,436). 100 in this way It is difficult to apply the electrolyte membrane for low temperature fuel cell at low temperature below ℃, it is difficult to apply the electrolyte membrane for low temperature fuel cell, so it is not easy to manufacture the membrane due to poor solubility, and the low molecular ion conductor diffuses out of the membrane, thereby reducing the ion conductivity.

본 발명은 상기 종래 직접메탄올 연료전지(DMFC)용 고분자 전해질이 가지는 문제점을 해결하고 고분자 전해질에 수소이온전도성은 유지하면서 연료(메탄올)의 투과도가 현저히 낮추어진 직접메탄올 연료전지(DMFC)용 고분자 전해질을 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.The present invention solves the problems of the conventional direct methanol fuel cell (DMFC) polymer electrolyte, while maintaining the hydrogen ion conductivity in the polymer electrolyte while significantly lowering the permeability of the fuel (methanol) polymer electrolyte for direct methanol fuel cell (DMFC) The present invention has been completed by the development.

따라서 본 발명은 용해성이 우수하며 이온전도성을 가지고 있는 신규 술폰산 폴리아릴에테르벤즈이미다졸의 고분자 전해질을 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte of a novel sulfonic acid polyaryletherbenzimidazole having excellent solubility and ion conductivity.

또한, 본 발명은 상기한 술폰산 폴리아릴에테르벤즈이미다졸을 지지체에 얇게 코팅하여 이온전도도 감소를 최소화하면서 동시에 메탄올의 투과도를 현저히 감소시키고 증류수 혹은 메탄올에서 박리가 일어나지 않는 직접메탄올 연료전지(DMFC)용 전해질 복합막을 제공하는데 다른 목적이 있다. In addition, the present invention is a thin coating of the sulfonic acid polyaryletherbenzimidazole to the support to minimize the reduction in ion conductivity, while at the same time significantly reducing the permeability of methanol, and does not occur in distilled water or methanol for direct methanol fuel cell (DMFC) Another object is to provide an electrolyte composite membrane.

본 발명은 다음 화학식 1로 표시되는 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸을 반복단위로 하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 :The present invention is a polymer electrolyte comprising a sulfonic acid-containing polyaryletherbenzimidazole represented by Formula 1 as a repeating unit:

상기 화학식 1에서, Y는 -S-, -SO2-, -C=O- 및 -P(O)(C6H5)-에서 선택되거나 그들의 조합으로 이루어지고, Z는 직접결합(a bond), -O-, -SO2-, -C=O- 및 -C(CF3)2 로부터 선택되고, n+m=k 이고, n/n+m은 0.001 내지 1 사이(바람직하기로는 0.2 내지 0.6 사이)의 영역에 있다.In Formula 1, Y is selected from -S-, -SO 2- , -C = O- and -P (O) (C 6 H 5 )-or a combination thereof, and Z is a bond ), -O-, -SO 2- , -C = O- and -C (CF 3 ) 2 , n + m = k and n / n + m is between 0.001 and 1 (preferably 0.2 To 0.6).

또한, 본 발명은 지지체의 단면 또는 양면에, 상기한 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 전해질이 코팅되어 있는 전해질 복합막을 포함한다.The present invention also includes an electrolyte composite membrane in which the sulfonic acid-containing polyaryletherbenzimidazole electrolyte is coated on one or both surfaces of the support.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the present invention in more detail as follows.

본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸을 반복단위하고 있는 고분자 전해질과 이를 코팅막으로 하는 전해질 복합막에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte repeating a sulfonic acid-containing polyaryletherbenzimidazole represented by Chemical Formula 1 and an electrolyte composite membrane using the same as a coating film.

본 발명에 따른 고분자 전해질의 제조방법을 간략히 나타내면 다음 반응식 1과 같다.Briefly illustrating a method for preparing a polymer electrolyte according to the present invention is shown in Scheme 1.

상기 반응식 1에서, Y, Z, n, m 및 k는 각각 상기에서 정의한 바와 같고, X는 이탈기로서 Cl, F, Br를 포함하는 할로겐원자 또는 니트로기이다.In Reaction Scheme 1, Y, Z, n, m and k are as defined above, respectively, and X is a halogen atom or a nitro group including Cl, F, Br as leaving group.

상기 반응식 1에 따른 제조방법에 의하면, 본 발명의 고분자 전해질은 상기 화학식 2로 표시되는 술폰화된 방향족 단량체, 상기 화학식 3으로 표시되는 비술폰화된 방향족 단량체 및 상기 화학식 4로 표시되는 비스(하이드록시벤즈이미다졸)로부터 직접 중합법에 의하여 얻어진다. According to the preparation method according to Scheme 1, the polymer electrolyte of the present invention is a sulfonated aromatic monomer represented by Formula 2, an unsulfonated aromatic monomer represented by Formula 3, and bis (hydroxy) represented by Formula 4 It is obtained by the direct polymerization method from benzimidazole).

상기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표시되는 단량체는 공지 화합물로서 일반적 제조방법으로 제조하여 사용할 수 있으며, 활성화기(Y)으로서 -S-, -SO2-, -C=O- 및 -P(O)(C6H5)-가 결합되어 있고, 이탈기(X)로서 할로겐원자 또는 니트로기가 결합된 형태를 가진다. 상기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표시되는 단량체의 활성화기(Y) 또는 이탈기(X)는 서로 같거나 다를 수 있다. 또한, 상기 화학식 2로 표시되는 술폰산을 함유하는 방향족 단량체는, 상기 화학식 3으로 표시되는 비술폰화된 방향족 단량체를 공지된 술폰화 방법에 의하여 제조할 수 있다. 또한, 방향족 환으로서 페닐기로 표시되어 나타내고 있으나 다른 방향족 구조 예를 들면, 페닐기, 나프틸, 테르페닐 및 그들의 조합을 포함할 수도 있다.The monomer represented by the formula (2) or (3) can be prepared and used by a general production method as a known compound, as the activator (Y) -S-, -SO 2- , -C = O- and -P (O) (C 6 H 5 ) — is bonded and has a form in which a halogen atom or a nitro group is bonded as the leaving group (X). The activator (Y) or leaving group (X) of the monomer represented by Formula 2 or Formula 3 may be the same as or different from each other. In addition, the aromatic monomer containing the sulfonic acid represented by the formula (2) can be prepared by the known sulfonation method of the unsulfonated aromatic monomer represented by the formula (3). Moreover, although represented by the phenyl group as an aromatic ring, other aromatic structures, for example, may include a phenyl group, naphthyl, terphenyl, and combinations thereof.

상기 화학식 2로 표시되는 술폰화된 방향족 단량체, 상기 화학식 3으로 표시되는 비술폰화된 방향족 단량체 및 상기 화학식 4로 표시되는 비스(하이드록시벤즈이미다졸)의 반응 몰비는 n/n+m= 0.001 ∼ 1 영역에 있고 n+m=k를 만족시키는 범위 내에서 정량적으로 사용된다. The reaction molar ratio of the sulfonated aromatic monomer represented by the formula (2), the unsulfonated aromatic monomer represented by the formula (3) and the bis (hydroxybenzimidazole) represented by the formula (4) is n / n + m = 0.001 to It is quantitatively used within the range of 1 and satisfying n + m = k.

상기한 바와 같은 방법으로 제조된 상기 화학식 1로 표시되는 중합체는 1-메틸-2-피롤리디논(NMP) 용매 중에서 측정한 고유점도가 0.1 이상(바람직하기로는 0.3 ∼ 2.0)이며, 물 또는 메탄올에 용해되지 않는 특성이 있다. 또한, 상기 화학식 1로 표시되는 중합체는 용해성 및 이온전도성이 우수하여 필름상, 막상으로 성형하여 그대로 연료전지용 이온교환막으로 사용하는데도 적합하다. The polymer represented by Chemical Formula 1 prepared by the method as described above has an intrinsic viscosity measured in 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) solvent of 0.1 or more (preferably 0.3 to 2.0), and water or methanol It is insoluble in properties. In addition, the polymer represented by the formula (1) is excellent in solubility and ion conductivity, it is also suitable for use as an ion exchange membrane for fuel cells by molding into a film or film form.

한편, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 중합체를 지지체 표면에 코팅하여 제조된 전해질 복합막을 포함한다.On the other hand, the present invention includes an electrolyte composite membrane prepared by coating the polymer represented by the formula (1) on the surface of the support.

즉, 상기 화학식 1로 표시되는 중합체는 염의 형태로 복합막 제조에 사용되는 바, 고분자 전해질을 극성용매에 용해시킨 뒤 멤브레인 필터를 이용하여 여과하여 사용한다. 여과된 염 형태의 중합체는 극성용매에서 1 ∼ 24시간동안 팽윤시키고, Nafion 지지체 표면에 스핀코팅 또는 캐스팅한 후에, 용매를 제거하고 0.5 M H2SO4 등을 이용하여 실온 혹은 고온(100 ℃)에서 술폰산 형태로 전환하여 전해질 복합막을 얻는다. 용매의 제거는 건조에 의하여 행하는 것이 막의 균일성 측면에서 바람직하며 용매의 분해 및 변질을 피하기 위하여 감압 하로 가능한 한 낮은 온도로 건조하는 것이 바람직하다. 또한, 공기 중 혹은 불활성 가스 중에서 적당한 시간 방치하는 방법을 이용할 수도 있다. 상기 극성용매로는 1-메틸-2-피롤리디논(NMP), N,N-디메틸아세트아마이드(DMAc), N,N-디에틸아세트아마이드, N,N-디메틸포름아마이드(DMF), 헥사메틸포스포트리아마이드(HMPTA), 메탄설폰산 및 H2SO4 등 중에서 선택 사용할 수 있다.That is, the polymer represented by Chemical Formula 1 is used in the preparation of the composite membrane in the form of a salt. The polymer electrolyte is dissolved in a polar solvent and then filtered using a membrane filter. The polymers of the filtered salt forms and swollen for 1 to 24 hours in a polar solvent, and then spin coating or casting to Nafion the support surface, removing the solvent, 0.5 MH 2 SO 4, such as room temperature or elevated temperatures (100, using the In the form of sulfonic acid to obtain an electrolyte composite membrane. The removal of the solvent is preferably carried out by drying in view of the uniformity of the membrane, and is preferably dried at a temperature as low as possible under reduced pressure in order to avoid decomposition and deterioration of the solvent. Moreover, the method of leaving it to stand in air or inert gas for a suitable time can also be used. As the polar solvent, 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), N, N-dimethylacetamide (DMAc), N, N-diethylacetamide, N, N-dimethylformamide (DMF), hexa Methylphosphoramide (HMPTA), methanesulfonic acid, H 2 SO 4 and the like can be selected and used.

이와 같은 전해질막의 형성 작업을 반복하여 단면 또는 양면 복합막을 제조 할 수 있다. 최종 제조된 전해질 복합막의 코팅막 두께는 이온 전도성 면에서는 가능한 얇은 막이 바람직하나, 보다 바람직하기로는 0.1 ㎛ 내지 1000 ㎛, 특히 바람직하기로는 1 ㎛ 내지 200 ㎛ 정도가 유지되도록 한다.By repeating the operation of forming the electrolyte membrane, a single-sided or double-sided composite membrane can be manufactured. The thickness of the coating film of the finally prepared electrolyte composite membrane is preferably as thin as possible in terms of ion conductivity, but more preferably 0.1 μm to 1000 μm, particularly preferably 1 μm to 200 μm.

이상에서 제조된 본 발명의 전해질 복합막은 100 ℃ 증류수 혹은 끓는 메탄올에서도 박리가 일어나지 않고 내열성과 기계적 특성이 뛰어난 동시에 이온전도도가 0.03 S/cm 이상(바람직하기로는 0.05 ∼ 1.50 S/cm)으로 높은 이온전도성과 지지체인 Nafion 대비 복합막의 메탄올 투과도가 50% 이하로 현저히 감소된 결과를 얻을 수 있다. 이러한 결과는, 상기 화학식 1로 표시되는 고분자 전해질내의 이미다졸의 NH 그룹과 술폰산 그룹이 염을 형성하므로써 수소이온전도성은 다소 감소하더라도 박리가 되는 것을 방지할 수 있고, 우수한 기계적 물성을 나타내며 메탄올 투과를 억제하는 특성에 의한 것이다. The electrolyte composite membrane of the present invention prepared in the above is excellent in heat resistance and mechanical properties without peeling even in distilled water or boiling methanol at 100 ° C., and also has high ion conductivity of 0.03 S / cm or more (preferably 0.05 to 1.50 S / cm). The methanol permeability of the composite membrane was significantly reduced to 50% or less compared to that of Nafion, which is a conductive material and a support. These results indicate that the NH group and the sulfonic acid group of the imidazole in the polymer electrolyte represented by Chemical Formula 1 form a salt to prevent peeling even though the hydrogen ion conductivity is slightly reduced, and exhibits excellent mechanical properties and shows methanol permeation. It is because of the characteristic to suppress.

또한, 제조된 전해질막 및 복합막에 대한 물 흡수율 측정을 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다 : 산 처리된 막을 증류수로 여러 번 세척한 다음, 실온에서 비이커에 정제된 증류수에 24시간동안 침지시키고 꺼내어 표면의 물을 제거하고 무게를 잰다(Wwet). 이어서 120 ℃의 감압 건조기에서 24시간 동안 건조한 후 무게를 잰다(Wdry). 그리고, 다음 수학식 1에 의하여 물 흡수율을 계산하였다.In addition, the following experiment was performed to measure the water absorption rate of the prepared electrolyte membrane and composite membrane: The acid treated membrane was washed several times with distilled water, and then immersed in distilled water purified in a beaker at room temperature for 24 hours and then taken out. Remove water from the surface and weigh it (W wet ). It is then dried in a reduced pressure dryer at 120 ° C. for 24 hours and weighed (W dry ). And water absorption was calculated by the following equation (1).

또한, 제조된 전해질막 및 복합막에 대한 이온전도도를 측정하기 위하여 도 6에 도시된 바와 같은 측정 셀을 제작하여 Solatron 1260 Impedance/Gain-Phase analyzer를 이용하여 측정하였다. 임피던스 스펙트럼(impedance spectrum)은 10 MHz부터 10Hz 까지 기록되었다. 이온전도도는 다음 수학식 2에 의해 계산하였다.In addition, in order to measure the ion conductivity of the prepared electrolyte membrane and composite membrane, a measurement cell as shown in Figure 6 was prepared and measured using a Solatron 1260 Impedance / Gain-Phase analyzer. Impedance spectrum was recorded from 10 MHz to 10 Hz. Ion conductivity was calculated by the following equation.

상기 수학식 2에서, R은 저항(ohm)이고, L은 전극사이의 거리(cm)이고, A는 막의 단면적(cm2)이다.In Equation 2, R is the resistance (ohm), L is the distance between the electrodes (cm), A is the cross-sectional area (cm 2 ) of the film.

또한, 메탄올 투과도는 일정한 농도의 메탄올과 물 사이에 전해질 막을 장착하고 시간에 따라 투과된 메탄올의 양을 가스크로마토그라피(GC)로 측정하여 메탄올의 투과계수를 다음 수학식 3에 의해 계산하였다. In addition, methanol permeability was measured by gas chromatograph (GC) by mounting an electrolyte membrane between a constant concentration of methanol and water, and the amount of methanol permeated over time was calculated by the following equation (3).

상기 수학식 3에서, a는 시간-농도 그래프에서의 기울기이고, VB는 투과된 쪽의 부피(cm3)이고, L은 막의 두께(cm)이고, A는 막의 면적(cm2)이고, CA 사용된 메탄올의 농도이다.In Equation 3, a is the slope in the time-concentration graph, V B is the volume of the permeate side (cm 3 ), L is the thickness of the membrane (cm), A is the membrane area (cm 2 ), C A is The concentration of methanol used.

상기한 바와 같은 본 발명은 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. The present invention as described above will be described in more detail based on the following examples, but the present invention is not limited thereto.

실시예 1 : 단량체의 제조Example 1 Preparation of Monomer

(1) 5,5-비스[2-4(하이드록시페닐)벤즈이미다졸] (BHPB)의 합성(1) Synthesis of 5,5-bis [2-4 (hydroxyphenyl) benzimidazole] (BHPB)

25.80 g의 3,3'4,4'-테트라아미노바이페닐, 52.62 g의 페닐-4-하이드록시벤조에이트, 95.30 g의 디페닐설폰, 100 mL의 톨루엔을 첨가하여 150 ℃에서 2.5시간 반응시켜 톨루엔을 제거한 뒤 250 ℃로 승온하여 1.5시간동안 반응하였다. 냉각하여 아세톤 및 톨루엔으로 침전시키고 110 ℃의 감압 증발기에서 건조하여 BHPB를 얻었다. 제조된 단량체에 대한 1H-NMR 스펙트럼은 도 1로서 첨부하였다.25.80 g of 3,3'4,4'-tetraaminobiphenyl, 52.62 g of phenyl-4-hydroxybenzoate, 95.30 g of diphenylsulfone, 100 mL of toluene were added to add 150 2.5 hours of reaction at room temperature to remove toluene and 250 The reaction was heated for 1.5 hours for 1.5 hours. Cooled to precipitate with acetone and toluene and 110 It dried on the vacuum evaporator of degreeC, and obtained BHPB. 1 H-NMR spectra for the prepared monomers are attached as FIG. 1.

(2) 5,5-비스[2-4(하이드록시페닐설폰)벤즈이미다졸] (BHPSB)의 합성(2) Synthesis of 5,5-bis [2-4 (hydroxyphenylsulfon) benzimidazole] (BHPSB)

상기 (1)과 동일한 방법으로 제조하되, 3,3'4,4'-테트라아미노바이페닐 대신에 3,3'4,4'-테트라아미노디페닐설폰을 사용하여 5,5-비스[2-4(하이드록시페닐설폰)벤즈이미다졸]을 제조하였다. Prepared in the same manner as in (1), except that 5,5-bis [2 using 3,3'4,4'-tetraaminodiphenylsulfone instead of 3,3'4,4'-tetraaminobiphenyl. -4 (hydroxyphenylsulfone) benzimidazole] was prepared.

(3) 디설포네이티드 디플루오로디페닐설폰(SDFDPS)의 합성(3) Synthesis of Disulfonated Difluorodiphenylsulfone (SDFDPS)

7.5 g의 4,4'-디플루오로디페닐설폰(DFDPS)과 15 mL의 발연황산을 100 mL의 플라스크에 넣고 120 ℃에서 6시간 반응시킨 후 얼음물 중탕에 쏟아 붓고 NaCl를 첨가하여 침전을 형성시켰다. 이어서 여과 및 세척, 건조한 뒤 다시 증류수에 용해시켜 2N NaOH로 중화시켰다. 형성된 침전물을 여과한 뒤 감압 건조기에서 건조하였다.Add 7.5 g of 4,4'-difluorodiphenylsulfone (DFDPS) and 15 mL of fuming sulfuric acid to a 100 mL flask and add 120 After reacting at 6 ° C. for 6 hours, it was poured into iced water bath and precipitated by addition of NaCl. Then filtered, washed, dried and dissolved in distilled water and neutralized with 2N NaOH. The precipitate formed was filtered and dried in a reduced pressure drier.

이와 동일한 방법으로 술폰화된 디할라이드 유도체를 합성하였다.In the same manner, sulfonated dihalide derivatives were synthesized.

실시예 2 : 중합체의 제조 Example 2 Preparation of Polymer

술폰화된 폴리아릴벤즈이미다졸 중합체 제조를 위하여, 디플루오로디페닐설폰 (DFDPS), 디설포네이티드 디플루오로디페닐설폰 (SDFDPS) 및 5,5-비스[2-4(하이드록시페닐)벤즈이미다졸] (BHPB)의 몰비를 조절하여 중합반응하였다. 디할라이드 단량체 총량에 대하여 술폰화된 디할라이드의 함량이 0, 10, 20, 30, 40, 50 및 60 mo% 되도록 조절하여 친핵 방향족 치환반응하여 합성하였다. 사용된 용매는 공비유도체로서 톨루엔이 첨가된 DMAc 혹은 NMP를 이용하였고, 무수 탄산칼륨 존재 하에 160 ℃ 에서 190 ℃에서 약 6∼12시간 동안 반응시켰다. 치환기를 갖고 있는 술폰화된 디할라이드는 일반적으로 반응성이 떨어지기 때문에 고분자량의 중합체를 얻기 위하여 일반적인 반응온도보다 높은 190 ℃ 까지 요구되었으며 반응 후 물에 침전시켜 중합체를 얻었다. 제조된 단량체 및 중합체는 1H-NMR 및 FT-IR 등으로 구조를 확인하였다. 그리고, 제조된 중합체의 합성 및 분석 결과는 다음 표 1에 나타내었다.For the preparation of sulfonated polyarylbenzimidazole polymers, difluorodiphenylsulfone (DFDPS), disulfonated difluorodiphenylsulfone (SDFDPS) and 5,5-bis [2-4 (hydroxyphenyl) benz Imidazole] (BHPB) by controlling the molar ratio. The amount of sulfonated dihalide was adjusted to 0, 10, 20, 30, 40, 50 and 60 mo% based on the total amount of dihalide monomers, and synthesized by nucleophilic aromatic substitution. The solvent used was DMAc or NMP with toluene added as an azeotropic derivative, and in the presence of anhydrous potassium carbonate 160 ℃ 190 The reaction was carried out at < RTI ID = 0.0 > Sulfonated dihalides with substituents are generally less reactive and therefore have a higher reaction temperature than 190 to obtain a high molecular weight polymer. It was required up to C and precipitated in water after the reaction to give a polymer. The monomers and polymers producedOneThe structure was confirmed by H-NMR and FT-IR. In addition, the synthesis and analysis results of the prepared polymer are shown in Table 1 below.

실시예 3 : 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 전해질막의 제조Example 3: Preparation of sulfonic acid containing polyaryletherbenzimidazole electrolyte membrane

상기 실시예 2에서 제조한 중합체는 NMP에 용해하고, 0.45 ㎛의 PTFE 멤브레인 필터를 이용하여 여과한 뒤 깨끗한 판유리 지지체에 캐스팅하는 방법으로 막을 제조하였다. 용매는 감압 오븐에서 50 ℃ 이하에서 제거하였다. 막 제조 후 100 ℃의 0.5M H2SO4을 이용하여 4시간 동안 산 처리하여 산 형태로 전환하여 이용하였다. 이때 최종 제조된 막의 두께는 120 ㎛ 전후가 되도록 하였다. 제조된 전해질막의 물성 평가 결과는 다음 표 2에 나타내었다.The polymer prepared in Example 2 was dissolved in NMP, filtered using a 0.45 μm PTFE membrane filter, and then cast on a clean plate glass support. Solvent 50 in a reduced pressure oven Removal was carried out at or below. 100 after membrane manufacturing Acid treatment was carried out using 0.5 MH 2 SO 4 at 4 ° C. for 4 hours to convert to acid form. At this time, the thickness of the final film was about 120 ㎛. Physical properties evaluation results of the prepared electrolyte membrane are shown in Table 2 below.

실시예 4 : 복합막의 제조Example 4 Preparation of Composite Membrane

상기 실시예 2에서 제조한 중합체는 헥사메틸포스포트리아마이드(HMPTA)에 용해하고, 0.45 ㎛의 PTFE 멤브레인 필터를 이용하여 여과하였다. 헥사메틸포스포트리아마이드(HMPTA)에서 24시간동안 팽윤시키고 일정한 틀에 고정된 Nafion 117 지지체 위에 캐스팅한 뒤 용매를 제거하고 100 ℃의 0.5 M H2SO4을 이용하여 술폰산 형태로 전환된 복합막을 얻었다. 이때 최종 코팅된 부분의 두께는 5 ㎛ 내지 20 ㎛로 조절하였다. 또한 같은 작업을 반복하여 양면을 캐스팅하여 양면 복합막을 제조하였다. 제조된 복합막의 물성 평가 결과는 다음 표 3에 나타내었다.The polymer prepared in Example 2 was dissolved in hexamethylphosphoramide (HMPTA) and filtered using a 0.45 μm PTFE membrane filter. Swell for 24 hours in hexamethylphosphoramide (HMPTA), cast on a fixed Nafion 117 scaffold, remove solvent and remove 100 A composite membrane converted to the sulfonic acid form was obtained using 0.5 MH 2 SO 4 at ° C. At this time, the thickness of the final coated portion was adjusted to 5 ㎛ to 20 ㎛. In addition, the same operation was repeated to cast both sides to prepare a double-sided composite membrane. Physical property evaluation results of the prepared composite membrane are shown in Table 3 below.

실시예 5 : 중합체, 전해질막 및 복합막의 제조Example 5 Preparation of Polymers, Electrolyte Membranes, and Composite Membranes

상기 실시예 2와 동일한 방법으로 중합체를 제조함에 있어서, 비스(하이드록시페닐벤즈이미드)와 헥사플루오로비스페놀 A(HFBA)를 동일한 몰비로 첨가하여 중합체를 제조하였고, 상기 실시예 3과 같은 방법으로 전해질막을 제조하였다. 이어서 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 복합막을 제조하는데 있어서는 코팅 및 팽윤 용매를 NMP를 이용하였고 스핀코팅방법을 이용하였다. 제조된 중합체의 합성 및 분석 결과 및 전해질막의 물성평가를 다음 표 4에 나타내었고, 복합막의 물성 평가 결과는 다음 표 5에 나타내었다. In preparing the polymer in the same manner as in Example 2, bis (hydroxyphenylbenzimide) and hexafluorobisphenol A (HFBA) were added at the same molar ratio to prepare a polymer, and in the same manner as in Example 3 An electrolyte membrane was prepared. Subsequently, in preparing the composite film in the same manner as in Example 4, NMP was used as the coating and swelling solvent, and spin coating was used. Synthesis and analysis results of the prepared polymers and the evaluation of the properties of the electrolyte membrane are shown in Table 4, and the results of the evaluation of the properties of the composite membrane are shown in Table 5 below.

실시예 6 : 중합체 및 복합막의 제조Example 6 Preparation of Polymers and Composite Membranes

상기 실시예 2와 동일한 방법으로 중합체를 제조함에 있어서, BHPB 대신에 BHPSB를 첨가하여 중합체를 제조하였고, 이어서 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 스핀코팅하여 복합막을 제조하였다. 제조된 복합막의 물성 평가 결과는 다음 표 6에 나타내었다. In preparing the polymer in the same manner as in Example 2, the polymer was prepared by adding BHPSB instead of BHPB, followed by spin coating in the same manner as in Example 5 to prepare a composite membrane. Physical property evaluation results of the prepared composite membrane are shown in Table 6 below.

비교예 1Comparative Example 1

상기 실시예 2와 동일한 방법으로 중합체를 제조하되, 비스(하이드록시페닐렌벤즈이미다졸)을 첨가하지 않고 헥사플루오로비스페놀 A(HFBA)를 단독으로 사용하였고, 술폰산 디할라이드 40 몰%와 비술폰화 디할라이드 60 몰%를 사용하여 중합체를 제조였다. 이어서 실시예 5와 동일한 방법으로 Nafion 117에 코팅하여 복합막을 제조하였다. A polymer was prepared in the same manner as in Example 2, except that hexafluorobisphenol A (HFBA) was used alone without adding bis (hydroxyphenylenebenzimidazole), and 40 mol% of sulfonic acid dihalide and bisulfonated. The polymer was prepared using 60 mol% dihalide. Subsequently, Nafion 117 was coated in the same manner as in Example 5 to prepare a composite membrane.

비교예 2Comparative Example 2

상기 실시예 2와 동일한 방법으로 중합체를 제조하되, 비스(하이드록시페닐렌벤즈이미다졸)을 첨가하지 않고 4,4-디하이드록시바이페닐을 단독으로 사용하였고, 술폰산 디할라이드 40 몰%와 비술폰화 디할라이드 60 몰%를 사용하여 중합체를 제조였다. 이어서 실시예 5와 동일한 방법으로 Nafion 117에 코팅하여 복합막을 제조하였다. A polymer was prepared in the same manner as in Example 2, except that 4,4-dihydroxybiphenyl was used alone without adding bis (hydroxyphenylenebenzimidazole), and 40 mole% of sulfonic acid dihalide was used. The polymer was prepared using 60 mol% of fonned dihalide. Subsequently, Nafion 117 was coated in the same manner as in Example 5 to prepare a composite membrane.

비교예 3Comparative Example 3

듀폰사에서 제조된 상용 Nafion 117(EW-1100, 두께 180 ㎛) 막을 100 ℃의 0.5M 황산에서 4시간동안 처리하여 Nafion 막 표면 오염물질을 제거한 뒤 탈이온수에 보관하였다. 고분자 전해질 막 성능은 모두 동일한 방법으로 평가하였다.100 commercially available Nafion 117 (EW-1100, 180 μm thick) membranes manufactured by DuPont Treatment with 0.5 M sulfuric acid at 4 ° C. for 4 hours to remove Nafion membrane surface contaminants and stored in deionized water. The polymer electrolyte membrane performances were all evaluated by the same method.

상기 비교예 1 내지 3에서 제조한 막의 물성 평가 결과는 다음 표 7에 나타내었다.   Evaluation results of the properties of the membranes prepared in Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 7 below.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 중합체를 사용하여 제조한 전해질 복합막은 우수한 이온전도성을 가짐과 동시에 메탄올 투과도를 현저히 감소시켜 직접메탄올 연료전지(DMFC)용 고분자 전해질막의 성능을 크게 개선할 수 있다. As described above, the electrolyte composite membrane prepared using the sulfonic acid-containing polyaryletherbenzimidazole polymer according to the present invention has excellent ion conductivity and significantly reduces methanol permeability, thereby increasing the polymer electrolyte for direct methanol fuel cell (DMFC). The performance of the membrane can be greatly improved.

도 1은 실시예 1에서 제조한 5,5-비스[2-4(하이드록시페닐)벤즈이미다졸] (BHPB) 단량체의 1H-NMR 스펙트럼이다.1 is a 1 H-NMR spectrum of a 5,5-bis [2-4 (hydroxyphenyl) benzimidazole] (BHPB) monomer prepared in Example 1. FIG.

도 2는 실시예 2에서 제조한 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 (BDFS)의 1H-NMR 스펙트럼이다.2 is a 1 H-NMR spectrum of the sulfonic acid-containing polyaryletherbenzimidazole (BDFS) prepared in Example 2. FIG.

도 3은 실시예 5에서 제조한 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 (HBDFH)의 TGA 분석 결과이다.3 is a result of TGA analysis of sulfonic acid-containing polyaryletherbenzimidazole (HBDFH) prepared in Example 5. FIG.

도 4는 실시예 5에서 제조한 술폰산 소디움 염 형태와 술폰산 형태의 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 (HBDFH)을 TGA로 비교 분석 결과이다. 4 shows the results of comparative analysis of sulfonic acid sodium salt form prepared in Example 5 with polyaryletherbenzimidazole (HBDFH) in sulfonic acid form by TGA.

도 5는 실시예 5에 의해서 제조한 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 (HBDFH)의 술폰화도에 따른 FT-IR 스펙트럼이다. FIG. 5 is an FT-IR spectrum according to sulfonation degree of sulfonic acid-containing polyaryletherbenzimidazole (HBDFH) prepared in Example 5. FIG.

도 6은 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 전해질막 및 복합막의 전도도를 측정하기 위한 전지(cell)의 구조에 대한 개요도이다.6 is a schematic diagram of the structure of a cell for measuring the conductivity of a sulfonic acid-containing polyaryletherbenzimidazole electrolyte membrane and a composite membrane.

도 7은 실시예 4에서 제조한 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 (BDFS) 복합막에 대한 전자주사현미경(SEM) 사진이다. 7 is an electron scanning microscope (SEM) photograph of the sulfonic acid-containing polyaryletherbenzimidazole (BDFS) composite membrane prepared in Example 4. FIG.

[도면의 주요 부호에 대한 설명][Description of Major Symbols in Drawing]

1. 테프론 블럭(Teflon block) 2. 나비형 나사(Thumbscrew)1. Teflon block 2. Thumbscrew

3. 주위환경과 평형을 유지하기 위한 빈 공간3. Empty space to maintain equilibrium with the surroundings

4. 막 샘플(Membrane sample) 5. 검정색 백금(Pt) 전극4. Membrane sample 5. Black platinum (Pt) electrode

Claims (7)

다음 화학식 1로 표시되는 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸을 반복단위로 하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 :A polymer electrolyte comprising a sulfonic acid-containing polyaryletherbenzimidazole represented by the following Formula 1 as a repeating unit: [화학식 1][Formula 1] 상기 화학식 1에서, Y는 -S-, -SO2-, -C=O- 및 -P(O)(C6H5)-에서 선택되거나 그들의 조합으로 이루어지고, Z는 직접결합(a bond), -O-, -SO2-, -C=O- 및 -C(CF3)2 로부터 선택되고, n+m=k 이고, n/n+m은 0.001 내지 1 사이의 영역에 있다.In Formula 1, Y is selected from -S-, -SO 2- , -C = O- and -P (O) (C 6 H 5 )-or a combination thereof, and Z is a bond ), -O-, -SO 2- , -C = O- and -C (CF 3 ) 2 , n + m = k and n / n + m are in the region between 0.001 and 1. 제 1 항에 있어서, 상기 n/n+m 이 0.2 ∼ 0.6 영역에 있는 것임을 특징으로 하는 고분자 전해질.2. The polymer electrolyte according to claim 1, wherein n / n + m is in a 0.2 to 0.6 region. 제 1 항에 있어서, 1-메틸-2-피롤리디논(NMP) 중에서 측정한 고유점도가 0.1 이상이고, 물과 메탄올에 불용성인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질.The polymer electrolyte according to claim 1, wherein the intrinsic viscosity measured in 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) is 0.1 or more and insoluble in water and methanol. 상기 청구항 1 내지 3 중에서 선택된 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 전해질로 이루어진 것임을 특징으로 하는 전해질막.Electrolyte membrane, characterized in that consisting of the sulfonic acid-containing polyaryletherbenzimidazole electrolyte selected from claim 1 to 3. Nafion 지지체의 단면 또는 양면에, 상기 청구항 1 내지 3 중에서 선택된 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 전해질이 코팅되어 있는 것임을 특징으로 하는 전해질 복합막.An electrolyte composite membrane, wherein a sulfonic acid-containing polyaryletherbenzimidazole electrolyte selected from claims 1 to 3 is coated on one or both surfaces of a Nafion support. 제 5 항에 있어서, 상기 이온전도성 전해질 코팅막의 두께가 1 ㎛ 내지 200 ㎛인 것임을 특징으로 하는 전해질 복합막.6. The electrolyte composite membrane according to claim 5, wherein the ion conductive electrolyte coating membrane has a thickness of 1 µm to 200 µm. 제 5 항에 있어서, 상기 복합막의 이온전도도가 0.03 S/cm 이상이고, 메탄올 투과도가 Nafion 대비 50% 이하로 감소되고, 100 ℃의 증류수 또는 끓은 메탄올 속에서 박리가 일어나지 않는 것임을 특징으로 하는 전해질 복합막.The method of claim 5, wherein the ion conductivity of the composite membrane is 0.03 S / cm or more, methanol permeability is reduced to 50% or less than Nafion, 100 Electrolyte composite membrane, characterized in that the peeling does not occur in distilled water or boiled methanol at ℃.
KR10-2003-0076466A 2003-10-30 2003-10-30 Sulfonated poly(aryl ether benzimidazole) electrolyte and its composite membrane for direct methanol fuel cell KR100508691B1 (en)

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