KR100535952B1 - Proton-conducting polymer, polymer membrane comprising the polymer, method for maufacturing the same, and fuel cell using the same - Google Patents

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KR100535952B1 KR10-2004-0026209A KR20040026209A KR100535952B1 KR 100535952 B1 KR100535952 B1 KR 100535952B1 KR 20040026209 A KR20040026209 A KR 20040026209A KR 100535952 B1 KR100535952 B1 KR 100535952B1
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Abstract

양성자 전도성 고분자가 개시된다. Proton conductive polymers are disclosed.

본 발명에 따른 고분자는 하기 식 1의 반복단위를 갖는 것을 특징으로 한다.The polymer according to the present invention is characterized by having a repeating unit of the following Formula 1.

(1) (One)

본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자 막은 종래의 불소계 막보다 제조가 용이하고 제조단가가 매우 저렴하기 때문에 자동차용 연료전지에 상용화가 가능하며, 수분 함습량이 높기 때문에 높은 전류밀도에서도 과수분 현상이 없어서 전지의 효율을 향상시킬 수 있고, 100℃ 이상의 고온에서도 연료전지가 안정하게 작동할 수 있게 함으로써 촉매의 피독현상을 방지하여, 연료전지의 수명을 연장시킬 수 있다. The proton conductive polymer membrane according to the present invention is easier to manufacture than the conventional fluorine-based membrane and is very cheap to manufacture, so it is commercially available for a fuel cell for automobiles, and the moisture content is high, so there is no excessive moisture at high current density. The efficiency of the catalyst can be improved, and the fuel cell can be stably operated even at a high temperature of 100 ° C. or higher, thereby preventing poisoning of the catalyst and extending the life of the fuel cell.

Description

양성자전도성 고분자, 상기 고분자를 포함하는 양성자 전도성 고분자 막, 그 제조방법 및 그 고분자막을 채용한 연료전지{Proton-conducting polymer, polymer membrane comprising the polymer, method for maufacturing the same, and fuel cell using the same}Proton-conducting polymer, polymer membrane comprising the polymer, method for maufacturing the same, and fuel cell using the same}

본 발명은 양성자 전도성 고분자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 과수분(water flooding) 현상이 없고 고온특성이 우수하며 제조단가가 저렴한 양성자 전도성 고분자, 그 제조방법, 상기 고분자를 이용한 고분자막 및 이를 채용한 연료전지에 관한 것이다. The present invention relates to a proton conductive polymer, and more particularly, to a proton conductive polymer having no water flooding phenomenon, excellent high temperature characteristics, and low manufacturing cost, a method of manufacturing the same, a polymer membrane using the polymer, and a fuel using the same. It relates to a battery.

최근, 환경문제, 에너지원의 고갈과 더불어 연료전지 자동차의 실용화와 더불어, 높은 에너지 효율을 가지며 상온에서 작동이 가능하면서도 신뢰성이 있는 고성능 연료전지의 개발이 절실히 요구되어 있다. 이에 연료전지의 효율을 증가시킬 수 있는 고분자막의 개발 또한 요구되고 있다. In recent years, along with environmental problems, exhaustion of energy sources, and the practical use of fuel cell vehicles, development of high-performance fuel cells with high energy efficiency and operation at room temperature and reliability are urgently required. Accordingly, there is also a demand for the development of polymer membranes that can increase the efficiency of fuel cells.

연료전지는 연료 가스와 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜 생기는 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 새로운 발전시스템으로 이는 고온(500 내지 700℃)에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 200℃ 근방에서 작동하는 인산전해질형 연료전지, 상온 내지 약 100℃ 이하에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지 및 고분자 전해질형 연료전지 등이 있다. The fuel cell is a new power generation system that converts the energy generated by the electrochemical reaction between fuel gas and oxidant gas directly into electrical energy. It is a molten carbonate electrolyte fuel cell operating at high temperature (500 to 700 ℃), and it operates near 200 ℃. Phosphate electrolyte fuel cells, alkaline electrolyte fuel cells operating at room temperature to about 100 ° C. or less, and polymer electrolyte fuel cells.

한편, 상기 고분자 전해질형 연료전지로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수소 이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC)과 액상의 메탄올을 직접 연료로 애노드에 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 등이 있다. 고분자 전해질형 연료전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 미래의 청정 에너지원으로서, 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높다. 또한, 상온에서 작동가능하고 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전시스템, 이동통신장비, 의료기기, 군사용 장비, 우주사업용 장비 등의 분야에 폭넓게 사용가능하다.On the other hand, the polymer electrolyte fuel cell is a direct methanol fuel cell using a hydrogen ion exchange membrane fuel cell (Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)) and liquid methanol directly supplied to the anode as a fuel ( Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). The polymer electrolyte fuel cell is a future clean energy source that can replace fossil energy, and has high power density and energy conversion efficiency. In addition, since it can operate at room temperature and can be miniaturized and sealed, it can be widely used in fields such as pollution-free automobiles, household power generation systems, mobile communication equipment, medical equipment, military equipment, and space business equipment.

PEMFC는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로부터 직류의 전기를 생산해내는 전력생성 시스템으로서, 이러한 셀의 기본적인 구조는 도 1에 도시된 바와 같다.PEMFC is a power generation system for producing direct current electricity from the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, the basic structure of such a cell is shown in FIG.

도 1을 참조하면, 연료전지는 애노드와 캐소드사이에 수소이온교환막(11)이 개재되어 있는 구조를 갖고 있다.Referring to FIG. 1, a fuel cell has a structure in which a hydrogen ion exchange membrane 11 is interposed between an anode and a cathode.

상기 수소이온교환막(11)은 두께가 50 내지 200㎛이며 고체 고분자 전해질로 되어 있고, 애노드와 캐소드는 각각 반응기체의 공급을 위한 지지층(14), (15)과 반응기체의 산화/환원반응이 일어나는 촉매층(12), (13)으로 되어 있는 가스확산전극(이하, 캐소드와 애노드를 통칭하여 가스 확산 전극"이라고 함)으로 이루어져 있다. 도 1에서 참고번호(16)는 가스 주입용 홈을 갖고 있는 카본 시트를 나타내며, 이는 집전체 기능도 수행한다. The hydrogen ion exchange membrane 11 has a thickness of 50 to 200 μm and is made of a solid polymer electrolyte, and the anode and the cathode are respectively supported by the support layers 14 and 15 for supplying the reactor, and the oxidation / reduction reaction of the reactor. It consists of a gas diffusion electrode (hereinafter referred to collectively referred to as a gas diffusion electrode ") of the catalyst layers 12, 13, which occur. Reference numeral 16 in Fig. 1 has a groove for gas injection. A carbon sheet, which also functions as a current collector.

전술한 바와 같은 구조를 갖는 PEMFC는 반응기체인 수소가 공급되면서 애노드에서는 산화반응이 일어나 수소 분자가 수소 이온과 전자로 전환된다. 이 때 수소 이온은 수소이온교환막(11)을 거쳐 캐소드로 전달된다. 반면, 캐소드에서는 환원반응이 일어나 산소 분자가 전자를 받아 산소 이온으로 전환되며, 산소 이온은 애노드로부터의 수소 이온과 반응하여 물분자로 전환된다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, PEMFC의 가스 확산 전극에서 촉매층(12), (13)은 지지층(14), (15) 상부에 각각 형성되어 있다. 이 때 지지층(14), (15)은 탄소천 또는 탄소종이로 이루어져 있고, 반응기체와 수소이온교환막(11)에 전달되는 물 및 반응 결과 생성된 물이 통과하기 쉽도록 표면처리 되어 있다. PEMFC에서 상기 반응기체인 수소는 천연가스 또는 메탄올 등을 개질하여 얻을 수 있는데, 이러한 개질반응에서는 일산화탄소가 발생하며 애노드의 백금 촉매를 피독시켜서 셀 성능을 크게 저하시키는 문제점이 발생한다. 따라서, 이러한 일산화탄소에 대한 피독 저항력을 높이기 위해서는 100℃ 이상의 고온에서 셀 반응이 일어나도록 할 필요가 있다.In the PEMFC having the structure as described above, an oxidation reaction occurs at the anode while hydrogen, which is a reactive gas, is converted into hydrogen ions and electrons. At this time, the hydrogen ions are transferred to the cathode via the hydrogen ion exchange membrane (11). On the other hand, in the cathode, a reduction reaction occurs and oxygen molecules receive electrons and are converted into oxygen ions, and oxygen ions react with hydrogen ions from the anode to be converted into water molecules. As shown in FIG. 1, catalyst layers 12 and 13 are formed on support layers 14 and 15, respectively, in the gas diffusion electrode of PEMFC. At this time, the support layers (14) and (15) are made of carbon cloth or carbon paper, and are surface-treated to facilitate the passage of water and the water generated as a result of the reaction between the reactant and the hydrogen ion exchange membrane (11). In the PEMFC, hydrogen, which is a reactive gas, may be obtained by reforming natural gas or methanol. In this reforming reaction, carbon monoxide is generated, and poisoning of the platinum catalyst of the anode causes a problem of significantly deteriorating cell performance. Therefore, in order to increase the poisoning resistance to the carbon monoxide, it is necessary to allow the cell reaction to occur at a high temperature of 100 ° C or higher.

한편, PEMFC에서는 애노드와 캐소드 사이에 개재되는 수소이온교환막으로서 양성자 전도성 고분자막을 사용하는데, 이러한 고분자막으로 사용되는 고분자는 이온 전도도가 높으며, 전기 화학적인 안전성과 더불어 전도막으로서의 기계적 물성, 작동 온도에서의 열적안정성, 저항을 줄이기 위한 얇은 막으로서의 제조 가능성 및 액체 함유시 팽창 효과가 적을 것 등의 요건을 충족해야 한다. 현재, 일반적으로 주사슬에 불소화 알킬렌을 가지고 있고, 불소화비닐 에테르 측쇄사슬의 말단에 술폰산기를 가지는 불소계 막이 사용되고 있다(예: Nafion, Dupont사 제조). 그러나, 상기 불소계 막은 불소 치환 공정이 복잡하기 때문에 제조단가가 매우 높아서 자동차용 연료전지에 적용하기에는 난점이 있으며, 수분의 함습량이 좋지 않기 때문에, 촉매의 피독을 방지하기 위해 100℃이상의 고온운전을 하는 경우에는 수분이 증발하여 이온전도도가 급격히 저하되고 전지의 운전이 정지되며, 100℃이하의 온도이하에서 작동되는 경우에도, 높은 전류밀도에서는 캐소드 측에서 과수분(water flooding) 현상이 발생하여 전극의 유효면적이 급감하고 전지의 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.        On the other hand, PEMFC uses a proton conductive polymer membrane as a hydrogen ion exchange membrane interposed between the anode and the cathode. The polymer used as the polymer membrane has high ionic conductivity, electrochemical safety, mechanical properties as a conductive membrane, and operating temperature. The requirements must be met, such as thermal stability, manufacturability as a thin film to reduce resistance, and low expansion effect when containing liquid. Currently, fluorine-based membranes having a fluorinated alkylene in the main chain and a sulfonic acid group at the terminal of the fluorinated vinyl ether side chain are generally used (for example, manufactured by Nafion and Dupont). However, the fluorine-based membrane has a high manufacturing cost due to the complicated fluorine substitution process, which is difficult to apply to a fuel cell for automobiles, and the moisture content of the fluorine-based membrane is not good. In this case, the water evaporates, the ion conductivity rapidly decreases, the operation of the battery is stopped, and even when operated at a temperature of 100 ° C. or lower, water flooding occurs on the cathode at high current density. There is a problem in that the effective area of is rapidly reduced and the efficiency of the battery is lowered.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 설폰화가 용이하기 때문에 제조단가가 저렴하고, 수분의 함습량이 높기 때문에 고온에서 작동시킬 수 있어 촉매 피독 현상을 감소시킬 수 있는 양성자 전도성 고분자를 제공하는 것이다.Therefore, the first technical problem to be achieved by the present invention is to provide a proton conductive polymer that can be operated at high temperature because the manufacturing cost is low because the sulfonation is easy, and the moisture content of the water is high to reduce the catalyst poisoning phenomenon will be.

본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기 양성자 전도성 고분자를 포함하는 양성자 전도성 고분자막을 제공하는 것이다.The second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a proton conductive polymer membrane comprising the proton conductive polymer.

본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 상기 양성자 전도성 고분자 막의 제조방법을 제공하는 것이다. The third technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for producing the proton conductive polymer membrane.

본 발명이 이루고자 하는 네 번째 기술적 과제는 상기 양성자 전도성 고분자 막을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.A fourth technical object of the present invention is to provide a fuel cell including the proton conductive polymer membrane.

상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은In order to achieve the first technical problem the present invention

하기 화학식 1의 반복단위를 갖는 양성자 전도성 고분자를 제공한다.It provides a proton conductive polymer having a repeating unit of the formula (1).

(상기 식에서 R1 및 R2는 메틸 또는 트리플루오로 메틸이며;Wherein R 1 and R 2 are methyl or trifluoro methyl;

n은 100∼100,000의 정수이다)n is an integer from 100 to 100,000)

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 고분자의 수평균분자량이 5,000∼1,000,000일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the number average molecular weight of the polymer may be 5,000 to 1,000,000.

또한 상기 고분자의 당량무게는 250∼2500인 것이 바람직하다.In addition, the equivalent weight of the polymer is preferably 250 to 2500.

본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여       The present invention to achieve the second technical problem

상기 화학 식 1의 반복단위를 갖는 고분자를 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 고분자막을 제공한다.It provides a proton conductive polymer membrane, characterized in that it is prepared using a polymer having a repeating unit of the formula (1).

본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 양성자 전도성 고분자막은 전체 조성물 기준으로 SiO2 1∼10중량%를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the proton conductive polymer membrane may include 1 to 10 wt% of SiO 2 based on the total composition.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 고분자의 수평균분자량이 5,000∼1,000,000일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the number average molecular weight of the polymer may be 5,000 to 1,000,000.

또한 상기 고분자의 당량무게는 250∼2500인 것이 바람직하다.In addition, the equivalent weight of the polymer is preferably 250 to 2500.

본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,The present invention to achieve the third technical problem,

(a) 데카플루오로비페닐과 디페놀 유도체를 유기용매에 용해시키고 포타슘 카보네이트(K2CO3)를 첨가한 후 교반하며 가열하는 단계;(a) dissolving decafluorobiphenyl and diphenol derivatives in an organic solvent, adding potassium carbonate (K 2 CO 3 ), and then stirring and heating;

(b) 상기 용액을 냉각시킨 후 아세트산 수용액에 부어 고분자를 침전시키는 단계; (b) cooling the solution and pouring it into an aqueous acetic acid solution to precipitate the polymer;

(c) 상기에서 얻어진 고분자를 비양성자성 유기용매에 용해시킨 다음 강산기 부여제를 적가하며 술폰화하는 단계; 및(c) dissolving the polymer obtained above in an aprotic organic solvent and then sulfonating with addition of a strong acid-giving agent; And

(d) 상기 고분자를 아세톤에 용해시킨 용액에 SiO2 용액 1∼10중량%를 적가한 후 균일하게 분산시키고 용매를 증발시켜 막을 형성하는 단계를 포함하는 양성자 전도성 고분자 막의 제조방법을 제공한다.(d) 1 to 10% by weight of a SiO 2 solution is added dropwise to the solution of the polymer dissolved in acetone, and then uniformly dispersed and the solvent is evaporated to form a membrane.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 비양성자성 유기용매는 클로로포름 또는 1,1,2,2-테트라클로로에탄일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the aprotic organic solvent may be chloroform or 1,1,2,2-tetrachloroethane.

또한, 상기 강산기 부여제는 클로로술폰산(chlorosulfonic acid), 아세틸술포네이트(acetyl sulfonate) 또는 발연황산(fuming H2SO4)일 수 있다.In addition, the strong acid-giving agent may be chlorosulfonic acid (chlorosulfonic acid), acetyl sulfonate (acetyl sulfonate) or fuming sulfuric acid (fuming H 2 SO 4 ).

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 술폰화단계는 반응시간 및 강산기 부여제의 양을 조절함으로써 술폰화도(Degree of sulfonation)를 조절할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the sulfonation step may adjust the degree of sulfonation (Degree of sulfonation) by controlling the reaction time and the amount of the strong acid-giving agent.

상기 술폰화단계의 반응시간은 1시간∼4시간인 것이 바람직하다. The reaction time of the sulfonation step is preferably 1 hour to 4 hours.

또한, 상기 술폰화단계에서 양성자 전도성 고분자와 강산기 부여제의 몰비는 1:10∼1:30인 것이 바람직하다.In addition, the molar ratio of the proton conductive polymer and the strong acid group imparting agent in the sulfonation step is preferably 1:10 to 1:30.

본 발명은 상기 네 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여, 상기 양성자 전도성 고분자막을 채용하여 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다. The present invention provides a fuel cell, characterized in that produced by employing the proton conductive polymer membrane in order to achieve the fourth technical problem.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에 의한 양성자 전도성 고분자 막에 사용되는 베이스 폴리머는 아릴 할라이드와 디페놀 유도체의 친핵성 치환반응에 의해 제조된 폴리(불화 방향족 에테르) (poly(fluorinated aromatic ether):PFAE) 고분자 사슬에 술폰산기가 부착되어 있는 구조이다. 상기 베이스 폴리머에서 고분자 주쇄는 열적 및 화학적으로 안정하고 기계적 강도를 유지하며, 술폰산기는 양성자가 이동할 수 있도록 하는 역할을 한다. 즉, 양성자는 술폰산기에 의하여 전도되며 물에 의하여 그 전도도가 더욱 증가된다. 상기 베이스 폴리머 반복단위의 n값은 100∼10,000인 것이 바람직하며 수평균분자량은 5,000∼1,000,000인 것이 바람직한데, 수평균 분자량이 5,000미만인 때에는 베이스 폴리머의 물성이 열악하고, 1,000,000을 초과하는 때에는 용매에 용해시키기 어렵기 때문에 고분자 막 캐스팅이 곤란하여 바람직하지 않다. The base polymer used in the proton conductive polymer membrane according to the present invention has a sulfonic acid group in a poly (fluorinated aromatic ether) polymer chain prepared by nucleophilic substitution reaction of an aryl halide and a diphenol derivative. It is attached structure. In the base polymer, the polymer backbone is thermally and chemically stable and maintains mechanical strength, and sulfonic acid groups serve to move protons. That is, protons are conducted by sulfonic acid groups and their conductivity is further increased by water. The n value of the base polymer repeating unit is preferably 100 to 10,000, and the number average molecular weight is preferably 5,000 to 1,000,000. When the number average molecular weight is less than 5,000, the physical properties of the base polymer are poor. Since it is difficult to dissolve, casting of a polymer film is difficult and undesirable.

한편, 본 명세서에서 당량무게(equivalent weght)란 고분자 내의 술폰화 정도를 나타내는 수치로서, 술폰기 1 당량이 치환되어 있는 고분자의 평균 분자량을 의미한다. 따라서, 이 값이 작을수록 술폰화는 많이 된 것이다. 상기 당량무게의 계산은 고분자의 건조무게를 술폰기의 농도로 나누는 것(g/eq)에 의해 구할 수 있으며, 상기 술폰기의 농도는 상기 고분자를 0.1N의 수산화나트륨 용액에 12시간 동안 침지시킨 후에 페놀프탈레인을 지시약으로 사용하며 0.1N의 염산으로 적정하여 구할 수 있다. 상기 당량무게는 250∼2500인 것이 바람직하고 더욱 바람직하게는 400∼1200인데, 만일 당량무게가 250 미만인 경우에는 고분자막의 형성이 어렵고, 당량무게가 2500을 초과하는 경우에는 이온 전도성 확보가 어렵게 되므로 바람직하지 못하다. In the present specification, the equivalent weight is a numerical value representing the degree of sulfonation in the polymer, and means the average molecular weight of the polymer in which one equivalent of the sulfone group is substituted. Therefore, the smaller this value, the more sulfonated. The equivalent weight can be calculated by dividing the dry weight of the polymer by the concentration of sulfone groups (g / eq), and the concentration of the sulfone groups is obtained by immersing the polymer in 0.1 N sodium hydroxide solution for 12 hours. After using phenolphthalein as indicator, it can be obtained by titration with 0.1 N hydrochloric acid. The equivalent weight is preferably 250 to 2500, and more preferably 400 to 1200. If the equivalent weight is less than 250, it is difficult to form a polymer membrane, and if the equivalent weight is more than 2500, it is difficult to secure ion conductivity. I can't.

상기 양성자 전도성 고분자를 캐스팅하여 제조된 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자 막은 베이스 폴리머에 대한 술폰화 단계가 매우 용이하기 때문에 제조단가가 저렴하며 대량생산이 가능하며, 술폰화도를 최적으로 설정함으로써, 기계적인 물성과 이온전도성을 최적으로 조절할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 상기 고분자막을 이루는 베이스 폴리머의 특성상 다른 고분자와 블렌딩하거나 기타 유무기 첨가물을 첨가함으로써 물성의 조절이 용이하기 때문에, 응용범위가 넓다는 것도 장점이 된다. 본 발명에 따른 고분자와 블렌딩을 할 수 있는 고분자의 예로써는, 폴리우레탄, 폴리에테르이미드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르-에테르케톤, 폴리우레아, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리에테르-에테르설폰, 폴리페닐렌설폰, 폴리아라미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리(비스벤즈옥사졸-1,4-페닐렌), 폴리(비스벤조(비스-티아졸)-1,4-페닐렌), 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리파라페닐렌, 폴리트리플루오로스티렌 설폰산, 폴리비닐포스폰산 또는 폴리스티렌설폰산 등이 있다.Proton conductive polymer membrane according to the present invention prepared by casting the proton conductive polymer is very easy to sulfonate the base polymer, the production cost is low, mass production is possible, by setting the sulfonation degree optimally, The advantage is that the physical properties and the ion conductivity can be optimally adjusted. In addition, the properties of the base polymer constituting the polymer film is easy to control the physical properties by blending with other polymers or by adding other organic and inorganic additives, it is also an advantage that the application range is wide. Examples of the polymer that can be blended with the polymer according to the present invention include polyurethane, polyetherimide, polyetherketone, polyether-ketone, polyurea, polypropylene, polystyrene, polysulfone, polyethersulfone, polyether Ethersulfone, polyphenylenesulfone, polyaramid, polybenzimidazole, poly (bisbenzoxazole-1,4-phenylene), poly (bisbenzo (bis-thiazole) -1,4-phenylene) , Polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyparaphenylene, polytrifluorostyrene sulfonic acid, polyvinylphosphonic acid or polystyrene sulfonic acid.

본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자 막은 상기 베이스 폴리머에 전체 조성물 기준으로 SiO2 1∼10중량%가 균일하게 분산되어 있는 것일 수 있는데, SiO2는 친수성 무기물로서 유기 고분자와의 혼용성이 우수하며, 베이스 폴리머 내의 친수성 채널과의 반응성이 좋기 때문에 수분의 함습량을 증가시킬 수 있다. 이를 좀 더 상세히 설명하면, SiO2는 베이스 폴리머의 친수성 부분에 결함함으로써 SiOH를 형성하는데, 이는 물과 강한 수소결합을 할 수 있기 때문에 100℃ 이상의 고온에서도 함습량을 유지할 수 있으며, 따라서, 연료전지 전극 촉매의 피독현상을 감소시킬 수 있다. 한편, 상기 SiO2의 함량이 1 중량% 미만인 때에는 그 첨가 효과가 부족하고, 10중량%를 초과하는 때에는 고분자 막의 취성이 열악해지기 때문에 바람직하지 않다.Proton conductive polymer membrane according to the present invention may be a dispersion of 1 to 10% by weight of SiO 2 uniformly based on the total composition in the base polymer, SiO 2 is a hydrophilic inorganic material excellent in compatibility with the organic polymer, the base The high reactivity with the hydrophilic channel in the polymer can increase the moisture content of the water. In more detail, SiO 2 forms SiOH by defects in the hydrophilic portion of the base polymer, which can maintain a moisture content even at a high temperature of 100 ° C. or higher due to the strong hydrogen bonding with water. Poisoning of the electrode catalyst can be reduced. On the other hand, when the content of SiO 2 is less than 1% by weight, the addition effect thereof is insufficient, and when it exceeds 10% by weight, the brittleness of the polymer film becomes poor, which is not preferable.

본 발명의 일실시예에 따른 양성자 전도성 고분자의 제조방법은 이하와 같다.Method for producing a proton conductive polymer according to an embodiment of the present invention is as follows.

우선 하기 반응식 1과 같이 데카플루오로비페닐과 디페놀 유도체를 첨가-제거 (addition-elimination) 반응에 의하여 중합시켜 폴리(불화 방향족 에테르)를 얻는다.First, decafluorobiphenyl and a diphenol derivative are polymerized by an addition-elimination reaction as in Scheme 1 below to obtain a poly (fluorinated aromatic ether).

상기 디페놀 유도체는 4,4-(헥사플루오로이소프로필리덴)디페놀 또는 4,4-이소프로필리덴 디페놀이고, 상기 포타슘 카보네이트는 과량으로 사용하며 염기로써 작용하게 된다. 우선 데카플루오로 비페닐에 결합되어 있는 불소원자 때문에 벤젠고리가 활성화되어 첨가반응이 일어날 수 있으며, 다음 단계에서 불소원자의 제거반응이 일어난다. The diphenol derivative is 4,4- (hexafluoroisopropylidene) diphenol or 4,4-isopropylidene diphenol, and the potassium carbonate is used in excess and acts as a base. First, the benzene ring may be activated due to the fluorine atom bonded to the decafluoro biphenyl, and the addition reaction may occur. In the next step, the removal reaction of the fluorine atom occurs.

다음으로, 하기 반응식 2와 같이 상기 매트릭스 고분자에 강산기 부여제를 첨가하여 술폰화된 고분자를 얻었다.Next, a strong acid group imparting agent was added to the matrix polymer as in Scheme 2 to obtain a sulfonated polymer.

상기 폴리(불화 방향족 에테르)는 소수성이므로 이를 용해시키기 위해서는 비양성자성 용매인 클로로포름 또는 1,1,2,2-테트라클로로에탄을 용매로서 사용한다. 강산기 부여제는 고분자 주쇄사슬의 방향족 화합물에 결합하여 산기를 부여하는 역할을 하여, 결과적으로는 최종적인 고분자막에 이온전도성을 부여한다. 상기 강산기 부여제로는 클로로술폰산(chlorosulfonic acid), 아세틸술포네이트 (acetyl sulfonate) 또는 발연황산(fuming H2SO4) 등을 사용할 수 있으며, 술폰화 반응은 방향족 화합물의 활성된 반응자리에 SO3H가 친핵성 치환반응으로 치환되어 이루어진다. 상기 친핵성 치환반응이 일어나는 자리는 페닐 링(phenyl ring)에 붙어있는 치환체의 종류에 영향을 받는다. 치환체가 페닐 에테르와 메틸 그룹인 경우에는 전자주게(electron donating group)이기 때문에 페닐 링의의 오르소와 파라 위치를 활성화 시키는 반면, 트리플루오로메틸의 경우에는 전자끌게(electron withdrawing group)이므로 페닐 링의 메타 위치를 활성화 시킨다. 따라서, 디페놀 유도체로서 4,4-(헥사플루오로이소프로필리덴)디페놀을 사용하는 경우보다 4,4-이소프로필리덴 디페놀을 사용하는 경우에 술폰화가 더 용이하게 이루어진다.Since the poly (fluorinated aromatic ether) is hydrophobic, an aprotic solvent, chloroform or 1,1,2,2-tetrachloroethane, is used as a solvent to dissolve it. The strong acid group imparting agent binds to the aromatic compound of the polymer main chain and imparts an acid group, and consequently, imparts ionic conductivity to the final polymer membrane. As the strong acid-giving agent, chlorosulfonic acid, acetyl sulfonate, fuming H 2 SO 4 , etc. may be used, and the sulfonation reaction may be performed using SO 3 H is substituted by a nucleophilic substitution reaction. The site of the nucleophilic substitution reaction is affected by the kind of substituents attached to the phenyl ring. When the substituents are phenyl ether and methyl groups, they are electron donating groups, which activate the ortho and para positions of the phenyl ring, whereas in the case of trifluoromethyl, they are electron withdrawing groups. Activate meta position of. Thus, sulfonation is made easier when 4,4-isopropylidene diphenol is used than when 4,4- (hexafluoroisopropylidene) diphenol is used as the diphenol derivative.

나피온의 경우에는 술폰화 공정이 매우 복잡하며 제조비용이 고가인데 반하여 본 발명에서는 상기 술폰화 단계가 매우 간단하기 때문에 제조단가가 절감되며 대량생산이 용이하다.In the case of Nafion, the sulfonation process is very complicated and the manufacturing cost is high, whereas in the present invention, the sulfonation step is very simple, so the manufacturing cost is reduced and mass production is easy.

상기 술폰화 단계에서 술폰화도(Degree of Sulponation)는 반응시간, 강산기 부여제의 농도, 반응 고분자의 농도, 반응온도 또는 용매 등에 의해서 변화시킬 수 있으며, 본 발명에서는 반응시간과 강산기 부여제의 농도를 변화시키는 것에 의해 술폰화도를 조절하였다. 술폰화도가 증가할수록 고분자의 함습량이 증가하기 때문에 이온교환용량(Ion Exchange Capacity:IEC)도 증가하지만 고분자가 물을 과도하게 함습하는 때에는 고분자 사슬의 붕괴 위험이 있기 때문에 바람직하지 않다. 상기 이온교환용량은 앞서 언급한 당량무게의 역수와 비례한다.In the sulfonation step, the degree of sulfonation may be changed by reaction time, concentration of a strong acid imparting agent, concentration of a reaction polymer, reaction temperature or solvent, and the like in the present invention. The sulfonation degree was adjusted by changing the concentration. As the degree of sulfonation increases, the ion-exchange capacity (IEC) increases because the moisture content of the polymer increases, but it is not preferable because the polymer chain is excessively moistened due to the risk of collapse of the polymer chain. The ion exchange capacity is proportional to the inverse of the aforementioned equivalent weight.

상기 술폰화 단계의 반응시간은 1시간∼4시간인 것이 바람직한데, 1시간 미만이면 술폰화가 충분하지 않기 때문에 이온전도도가 부족하고 4시간을 초과하는 때에는 공정효율이 떨어지기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 상기 고분자와 발연황산의 몰비는 1:10∼1:30인 것이 바람직한데, 1:10 미만인 때에는 술폰화도가 충분하지 않기 때문에 이온전도도가 높지 않고, 1:30을 초과하는 때에는 고분자의 물성이 열악해질 염려가 있기 때문에 바람직하지 않다.It is preferable that the reaction time of the sulfonation step is 1 hour to 4 hours. If the sulfonation is less than 1 hour, since the sulfonation is not sufficient, the ion conductivity is insufficient and the process efficiency is lowered when it exceeds 4 hours. On the other hand, the molar ratio of the polymer and fuming sulfuric acid is preferably from 1:10 to 1:30. When the molecular weight is less than 1:10, since the sulfonation degree is not sufficient, the ionic conductivity is not high. It is not preferable because there is a risk of becoming poor.

본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자 막은 상기에서 얻어진 고분자 또는 상기 고분자를 함유하는 고분자 블렌드를 용매에 용해시킨 후, SiO2 용액과 혼합한 다음 용액 캐스팅법이나 가열압축법을 이용하여 원하는 두께의 막으로 제조할 수 있으며, 고분자막의 두께는 5 내지 200㎛ 범위인 것이 바람직하다.The proton conductive polymer membrane according to the present invention is prepared by dissolving the polymer obtained above or the polymer blend containing the polymer in a solvent, mixing with a SiO 2 solution, and then forming a membrane having a desired thickness using a solution casting method or a heat compression method. The thickness of the polymer film is preferably in the range of 5 to 200 µm.

본 발명에 따른 연료전지는 상기에서 제조된 양성자 전도성 고분자 막을 캐소드와 애노드 사이에 위치시켜 단일셀을 형성하는 통상의 제조방법으로 제조가능하다. The fuel cell according to the present invention can be manufactured by a conventional manufacturing method of forming a single cell by placing the proton conductive polymer membrane prepared above between the cathode and the anode.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하나, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited thereto.

실시예 1Example 1

술폰산기를 갖는 폴리(불화 방향족 에테르)의 제조Preparation of Poly (Fluorinated Aromatic Ether) Having Sulphonic Acid Groups

질소가 흐르는 3구 둥근 바닥 플라스크에 데카플로오로비페닐 17.05g, 4,4-(헥사플루오로이소프로필리덴)디페놀 17.16g 및 무수 N,N-디메틸아세트아미드 (Aldrich사 제조) 350mL를 넣고 교반하여 투명한 용액을 얻었다. 다음으로, 포타슘 카보네이트(Junsei 화학 제조)를 과량으로 첨가한 다음, 상기 혼합용액의 온도를 120℃까지 높이고 2시간동안 반응시켰다. 반응 후 상기 용액을 1% 아세트산 수용액에 넣어 백색 침전물을 얻었으며, 상기에서 얻어진 침전물을 증류수로 수회 세척한 다음 진공오븐에서 24시간 동안 건조시켜 백색 고분자 분말을 얻었다. 상기에서 얻어진 고분자 분말 2.0g 을 클로로포름 198mL를 포함하는 플라스크에 넣은 다음, 용액을 교반하여 투명한 용액을 얻었다. 상기 용액에 98% 발연황산을 시린지를 통해 몰비 1:10(고분자:발연황산)의 비율로 서서히 적가하며 교반하여 2시간 동안 반응시켰다. 상기 용액을 과량의 증류수에 서서히 가하여 흰색 침전물을 얻은 다음 클로로포름을 증발시키고 pH가 7에 도달할 때까지 증류수로 여러번 세척한 후, 진공오븐에서 24시간 동안 건조시켜 술폰화된 폴리(불화 방향족 에테르:SDF-F)를 얻었다. 하기의 NMR 데이터는 술폰화 이전의 폴리(불화 방향족 에테르)에 대한 데이터인데, 술폰화를 시키고 난 후에는 피크가 매우 복잡해지며 피크 어싸인이 어려워지기 때문에 술폰화 이전의 데이터만을 첨부하였다. 다만, 술폰화를 시키게 되면 술폰화 이전의 피크보다 다운필드 쪽으로 쉬프트된다.17.05 g of decafloobiphenyl, 17.16 g of 4,4- (hexafluoroisopropylidene) diphenol and 350 mL of anhydrous N, N-dimethylacetamide (manufactured by Aldrich) were added to a three-necked round bottom flask equipped with nitrogen. Stirring gave a clear solution. Next, potassium carbonate (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) was added in excess, and then the temperature of the mixed solution was raised to 120 ° C. and reacted for 2 hours. After the reaction, the solution was put in 1% acetic acid aqueous solution to obtain a white precipitate. The precipitate obtained above was washed several times with distilled water and then dried in a vacuum oven for 24 hours to obtain a white polymer powder. 2.0 g of the polymer powder obtained above was placed in a flask containing 198 mL of chloroform, and then the solution was stirred to obtain a clear solution. 98% fuming sulfuric acid was slowly added dropwise to the solution at a ratio of 1:10 (polymer: fuel sulfuric acid) by molar ratio, followed by stirring for 2 hours. The solution was slowly added to excess distilled water to give a white precipitate which was then evaporated chloroform and washed several times with distilled water until the pH reached 7, followed by drying in a vacuum oven for 24 hours to give a sulfonated poly (fluorinated aromatic ether: SDF-F). The following NMR data is for poly (fluorinated aromatic ether) before sulfonation, but only the data before sulfonation are attached since the peak becomes very complex and the peak assignment becomes difficult after sulfonation. However, when sulfonation is performed, it shifts toward the downfield from the peak before sulfonation.

중량평균 분자량: 4.33 x 105 , 수평균 분자량: 1.83 x 104 Weight average molecular weight: 4.33 x 10 5 , Number average molecular weight: 1.83 x 10 4

1H-NMR (CD3COCD3):δ 7.337 ~ 7.367(d, 4H, Ar-H), 7.483 ~ 7.510(d, 4H, Ar-H) 1 H-NMR (CD 3 COCD 3 ): δ 7.337 to 7.367 (d, 4H, Ar- H ), 7.483 to 7.510 (d, 4H, Ar- H )

19F-NMR (CD3COCD3):δ-150.618 ~ -150.569, -135.157 ~ -135.080, -60.30 19 F-NMR (CD 3 COCD 3 ): δ-150.618 to -150.569, -135.157 to -135.080, -60.30

실시예 2Example 2

술폰산기를 갖는 폴리(불화 방향족 에테르)의 제조Preparation of Poly (Fluorinated Aromatic Ether) Having Sulphonic Acid Groups

상기 고분자와 발연황산의 몰비가 1:20인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 술폰화된 폴리(불화 방향족 에테르:SDF-F)를 제조하였다. Sulfonated poly (fluorinated aromatic ether: SDF-F) was prepared in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of the polymer and fuming sulfuric acid was 1:20.

실시예 3Example 3

술폰산기를 갖는 폴리(불화 방향족 에테르)의 제조Preparation of Poly (Fluorinated Aromatic Ether) Having Sulphonic Acid Groups

상기 고분자와 발연황산의 몰비가 1:30인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 술폰화된 폴리(불화 방향족 에테르:SDF-F)를 제조하였다.Sulfonated poly (fluorinated aromatic ether: SDF-F) was prepared in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of the polymer and fuming sulfuric acid was 1:30.

실시예 4Example 4

술폰산기를 갖는 폴리(불화 방향족 에테르)의 제조Preparation of Poly (Fluorinated Aromatic Ether) Having Sulphonic Acid Groups

상기 고분자와 발연황산의 반응시간을 1시간으로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 술폰화된 폴리(불화 방향족 에테르:SDF-F)를 제조하였다.A sulfonated poly (fluorinated aromatic ether: SDF-F) was prepared in the same manner as in Example 2, except that the reaction time of the polymer and fuming sulfuric acid was 1 hour.

실시예 5Example 5

술폰산기를 갖는 폴리(불화 방향족 에테르)의 제조Preparation of Poly (Fluorinated Aromatic Ether) Having Sulphonic Acid Groups

상기 고분자와 발연황산의 반응시간을 1시간 30분으로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 술폰화된 폴리(불화 방향족 에테르:SDF-F)를 제조하였다.A sulfonated poly (fluorinated aromatic ether: SDF-F) was prepared in the same manner as in Example 2, except that the reaction time of the polymer and the fuming sulfuric acid was 1 hour 30 minutes.

실시예 6Example 6

술폰산기를 갖는 폴리(불화 방향족 에테르)의 제조Preparation of Poly (Fluorinated Aromatic Ether) Having Sulphonic Acid Groups

상기 고분자와 발연황산의 반응시간을 3시간으로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 술폰화된 폴리(불화 방향족 에테르:SDF-F)를 제조하였다.A sulfonated poly (fluorinated aromatic ether: SDF-F) was prepared in the same manner as in Example 2, except that the reaction time of the polymer and fuming sulfuric acid was 3 hours.

실시예 7Example 7

술폰산기를 갖는 폴리(불화 방향족 에테르)의 제조Preparation of Poly (Fluorinated Aromatic Ether) Having Sulphonic Acid Groups

상기 고분자와 발연황산의 반응시간을 4시간으로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 술폰화된 폴리(불화 방향족 에테르:SDF-F)를 제조하였다.A sulfonated poly (fluorinated aromatic ether: SDF-F) was prepared in the same manner as in Example 2, except that the reaction time of the polymer and fuming sulfuric acid was 4 hours.

실시예 8Example 8

술폰산기를 갖는 폴리(불화 방향족 에테르)의 제조Preparation of Poly (Fluorinated Aromatic Ether) Having Sulphonic Acid Groups

4,4-(헥사플루오로이소프로필리덴)디페놀 대신에 4,4-이소프로필리덴 디페놀 2.0g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 술폰화된 폴리(불화 방향족 에테르:SDF-H)를 얻었으며, 하기에는 술폰화 이전의 폴리(불화 방향족 에테르)에 대한 NMR데이터를 첨부하였다.Poly (fluorinated aromatic ether) sulfonated in the same manner as in Example 2, except that 2.0 g of 4,4-isopropylidene diphenol was used instead of 4,4- (hexafluoroisopropylidene) diphenol: SDF-H) was obtained, followed by NMR data for poly (fluorinated aromatic ether) prior to sulfonation.

중량평균 분자량: 1.25 x 105 , 수평균 분자량: 1.82 x 104 Weight average molecular weight: 1.25 x 10 5 , Number average molecular weight: 1.82 x 10 4

1H-NMR (CDCl2CDCl2): δ 1.572(s, 6H, CH 3 ), 6.850 ~ 6.878(d, 4H, Ar-H), 7.103~7.131 (d, 4H, Ar-H) 1 H-NMR (CDCl 2 CDCl 2 ): δ 1.572 (s, 6H, C H 3 ), 6.850-6.878 (d, 4H, Ar- H ), 7.103-7.131 (d, 4H, Ar- H )

19F-NMR (CDCl2CDCl2): δ -150.988 ~ -150.939, -135.634 ~ -135.547 19 F-NMR (CDCl 2 CDCl 2 ): δ -150.988 to -150.939, -135.634 to -135.547

실시예 9Example 9

양성자 전도성 고분자 막의 제조Preparation of Proton Conductive Polymer Membrane

상기 실시예 2에서 얻어진 흰색 분말 1.0g을 아세톤에 용해시켜 얻어진 투명한 용액을 필름 캐스팅한 다음 70℃의 진공오븐에서 건조하여 양성자 전도성 고분자 막을 제조하였다.A transparent solution obtained by dissolving 1.0 g of the white powder obtained in Example 2 in acetone was film cast and then dried in a vacuum oven at 70 ° C. to prepare a proton conductive polymer membrane.

실시예 10∼16Examples 10-16

양성자 전도성 고분자 막의 제조Preparation of Proton Conductive Polymer Membrane

우선, SiO2 용액을 만들기 위해서 2 ml의 TEOS(tetraethyl orthosilicate)용액, 4.7ml의 증류수 및 0.1M HCl 100ml를 삼각 플라스크에 넣고 실내 온도에서 3시간 동안 교반하였다. 한편, 상기 실시예 1 내지 7에서 제조된 술폰화된 베이스 폴리머 1g을 24시간 진공오븐에 말린 후 아세톤 20g에 넣고 용해시켰다. 이렇게 제조된 고분자 용액에 상기 SiO2 용액을 질량대비 4%에 해당하는 양을 적가하며 교반하여 혼합용액을 제조하였다. 이처럼 제조된 용액을 테프론 접시에 넣고 24시간 동안 실내 온도에서 건조시켜 SiO2 4중량%가 혼합된 양성자 전도성 고분자 막을 제조하였다.First, 2 ml of TEOS (tetraethyl orthosilicate) solution, 4.7 ml of distilled water and 100 ml of 0.1 M HCl were added to a Erlenmeyer flask and stirred at room temperature for 3 hours to prepare a SiO 2 solution. Meanwhile, 1 g of the sulfonated base polymer prepared in Examples 1 to 7 was dried in a vacuum oven for 24 hours, and then dissolved in 20 g of acetone. The mixed solution was prepared by dropwise adding the SiO 2 solution in an amount corresponding to 4% by mass to the prepared polymer solution. The solution thus prepared was placed in a Teflon dish and dried at room temperature for 24 hours to prepare a proton conductive polymer membrane mixed with 4 wt% of SiO 2 .

실시예 17Example 17

양성자 전도성 고분자 막의 제조Preparation of Proton Conductive Polymer Membrane

상기 실시예 8에서 제조된 술폰화된 베이스 폴리머 1g을 클로로포름:에탄올(3:7) 혼합용매에 용해시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 10과 동일한 방법으로 양성자 전도성 고분자 막을 제조하였다.A proton conductive polymer membrane was prepared in the same manner as in Example 10, except that 1 g of the sulfonated base polymer prepared in Example 8 was dissolved in a chloroform: ethanol (3: 7) mixed solvent.

비교예 1Comparative Example 1

나피온 117(듀폰사 제조)을 30부피% H2O2용액에 넣고 가열하여 표면의 유기물질을 제거한 다음, 0.5M 황산에 넣고 1시간 동안 가열하여 Na+를 H+로 치환하고 물로 세척하여 양성자 전도성 고분자막을 제조하였다.Nafion 117 (manufactured by DuPont) was added to a 30 vol.% H 2 O 2 solution and heated to remove organic substances from the surface. Then, it was added to 0.5 M sulfuric acid and heated for 1 hour to replace Na + with H + and washed with water. A proton conductive polymer membrane was prepared.

실시예 18∼19 및 비교예 2Examples 18-19 and Comparative Example 2

연료전지의 제조Manufacture of Fuel Cells

카본에 백금촉매 20%가 도핑되어 있는 전극(Bon Enterprises Inc 사 제조)사이에 상기 실시예 9, 11, 비교예 1에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자 막을 게재시키고 , 100℃, 15atm에서 핫프레싱 방법을 사용하여 접합시킴으로써 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)를 제조하였다.Between the electrodes doped with carbon catalyst 20% of platinum (manufactured by Bon Enterprises Inc.), the proton conductive polymer membranes prepared in Examples 9, 11 and Comparative Example 1 were placed, and hot pressing was performed at 100 ° C and 15 atm. A membrane electrode assembly (MEA) was prepared by bonding using.

시험예 1Test Example 1

양성자 전도성 고분자 막의 흡습도 및 이온전도도의 측정Measurement of Hygroscopicity and Ionic Conductivity of Proton Conductive Polymer Membranes

상기 실시예 9∼17 및 비교예 1에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자를 물에 침지시킨 다음 중량변화를 체크하여 흡습도를 측정하였으며, 이온전도도는 임피던스 분석기(impedance analyzer: Zahner elektrik사 제조: IM6)에 의한 Nyquist plot으로 벌크의 저항을 구한 후에, 하기 수학식 1을 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The proton conductive polymers prepared in Examples 9 to 17 and Comparative Example 1 were immersed in water, and then the hygroscopicity was measured by checking the weight change, and the ion conductivity was measured by impedance analyzer (impedance analyzer: Zahner elektrik: IM6). After obtaining the bulk resistance by the Nyquist plot by was measured using the following equation 1, the results are shown in Table 1 below.

(a: 필름의 두께. d: 전극의 반경                (a: thickness of film d: radius of electrode

σ: 이온전도도, Rb: 벌크의 저항)σ: ion conductivity, R b : bulk resistance)

흡습도(%)Hygroscopicity (%) 이온전도도(Scm-1)Ion Conductivity (Scm -1 ) 실시예 9Example 9 89.1689.16 1.05x10-3 1.05 x 10 -3 실시예 10Example 10 193.18193.18 2.12x10-3 2.12 x 10 -3 실시예 11Example 11 201.33201.33 3.94x10-3 3.94 x 10 -3 실시예 12Example 12 210.29210.29 4.03x10-3 4.03 x 10 -3 실시예 13Example 13 30.0830.08 1.22x10-4 1.22 x 10 -4 실시예 14Example 14 56.3456.34 6.92x10-4 6.92 x 10 -4 실시예 15Example 15 94.2394.23 1.13x10-3 1.13 x 10 -3 실시예 16Example 16 98.6998.69 1.17x10-3 1.17 x 10 -3 실시예 17Example 17 834.68834.68 1.33x10-2 1.33 x 10 -2 비교예 1Comparative Example 1 28.5128.51 2.95x10-2 2.95 x 10 -2

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자는 종래의 불소계 양성자 전도성 고분자와 비교할 때, 자체의 이온전도도는 약간 낮거나 비슷하지만 흡습성이 매우 우수하다. 따라서 높은 전류밀도에서도 과수분 현상이 없기 때문에 전지의 효율 및 파워밀도를 향상시킬 수 있고, 특히 고온에서 작동이 가능하기 때문에 촉매의 피독현상을 방지함으로써 전지의 수명을 연장시킬 수 있다. As can be seen in Table 1, the proton-conducting polymer according to the present invention has a slightly lower or similar ionic conductivity than the conventional fluorine-based proton-conducting polymer, but has excellent hygroscopicity. Therefore, even at high current densities, there is no overwater phenomenon, thereby improving efficiency and power density of the battery, and in particular, since it can be operated at a high temperature, it is possible to extend the life of the battery by preventing poisoning of the catalyst.

시험예 2Test Example 2

EPMA에 의한 관찰Observation by EPMA

전자탐침 마이크로 분석기(Electron Probe Micro Analyser:EPMA, JEOL사 제조 JXA-8600)-Si mapping을 통해 실시예 9 및 11에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자 막의 원소의 분포도를 확인하고 도 2에 나타내었다. 도 2(b)에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 SiO2가 혼입된 양성자 전도성 고분자 막은 SiO2가 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있으며, 본 발명에 따른 고분자는 SiO2의 상용성이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.Electron probe microanalyzer (EPMA, JXA-8600 manufactured by JEOL, Inc.)-Si mapping to confirm the distribution of the elements of the proton conductive polymer membranes prepared in Examples 9 and 11 and shown in FIG. As shown in Fig. 2 (b), it can be seen that in accordance with the present invention the film is SiO 2 SiO 2 is incorporated proton conductive polymer are uniformly distributed, the polymer according to the present invention is excellent in compatibility of SiO 2 You can see that.

시험예 3Test Example 3

양성자 전도성 고분자 막의 열안정성 측정Thermal Stability Measurement of Proton Conductive Polymer Membranes

Dupont TGA(thermogravimetric analyzer) 2050을 사용하여 온도를 올리면서 실시예 9 및 11에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자 막의 구조가 분해되는 온도를 질량의 감소로 확인하였으며 그 결과를 도 3 및 4에 나타내었다. 도 3은 실시예 9에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자 막에 대한 결과이며, 324.5℃에서 -SO3H기가 분해되며 573.2℃에서 고분자 주쇄가 분해되기 때문에 고온에서도 안정하다는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 11에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자 막에 대한 결과인 도 4를 살펴보면, -SO3H기가 분해되는 온도는 343.7℃이고, 고분자 주쇄가 분해되는 온도는 641℃로서 열적 안정성이 더욱 증가하였음을 알 수 있다. 이는 SiO2를 혼입한 경우에는 양성자 전도성 고분자의 친수성 부분에 상기 SiO2가 결합함으로써 SiOH를 형성하며 이는 물과 강한 수소결합을 하고, 이로 인해 열적 안정성이 증가하게 되기 때문이라고 생각된다.The temperature at which the structures of the proton conductive polymer membranes prepared in Examples 9 and 11 were decomposed while raising the temperature using a Dupont thermogravimetric analyzer (TGA) 2050 was confirmed as a decrease in mass, and the results are shown in FIGS. 3 and 4. 3 is a result of the proton conductive polymer membrane prepared in Example 9, it can be seen that the -SO 3 H group is decomposed at 324.5 ℃ and the polymer main chain is decomposed at 573.2 ℃ is stable even at high temperatures. In addition, referring to FIG. 4, which is a result of the proton conductive polymer membrane prepared in Example 11, the temperature at which the -SO 3 H group is decomposed is 343.7 ° C., and the temperature at which the polymer main chain is decomposed is 641 ° C., which further increases thermal stability. It can be seen that. It is thought that this is because when SiO 2 is mixed, the SiO 2 is bonded to the hydrophilic portion of the proton conductive polymer to form SiOH, which causes strong hydrogen bonding with water, thereby increasing thermal stability.

시험예 4Test Example 4

연료전지 셀 테스트Fuel cell test

실시예 18, 19 및 비교예 2에 의해 제조된 연료전지에 대하여 셀테스트를 하였으며, 애노드 쪽에는 산소가스를 주입하고 캐소드 쪽에는 수소가스를 주입하였고 주입속도는 300cc/min이었다. 이때 상기 각각의 가스들이 가습기를 통과하게 함으로써 연료가 건조되지 않게 하며 캐소드, 애노드 및 셀의 온도는 전력제어기(Thyristor Power Regulator: TPR)을 이용하여 각각 별개로 조절할 수 있도록 하였다. 전류 및 전압에 대한 데이터를 얻기 위한 방법으로는 O.C.V(Open Circuit Voltage)에서 일정 저항을 얻기 위해 반대 전류를 걸어 주며 그 때마다의 전류밀도 대 파워밀도, 전류밀도 대 전압, 전류 대 파워밀도 값을 측정하였으며, 그 결과를 도 5 내지 9에 나타내었다. Cell tests were carried out on the fuel cells prepared in Examples 18, 19 and Comparative Example 2, and oxygen gas was injected to the anode side, and hydrogen gas was injected to the cathode side, and the injection speed was 300 cc / min. At this time, the respective gases are passed through the humidifier so that the fuel is not dried and the temperature of the cathode, anode, and cell can be individually controlled using a thyristor power regulator (TPR). In order to obtain data about current and voltage, an opposite current is applied to obtain a constant resistance in OCV (Open Circuit Voltage), and each value of current density vs. power density, current density vs. voltage, current vs. power density is measured. It measured, and the result is shown to FIGS.

도 5는 실시예 18 및 비교예 2에 의해 제조된 연료전지셀을 80℃에서 작동시키는 경우의 전류밀도-파워밀도 곡선을 나타내며 그 작동온도는 라인히터 및 가습기 모두 캐소드/셀/애노드=85℃/80℃/90℃이고 압력은 1 기압이었다. 도면을 참조하면, 낮은 전류밀도에서는 본원발명에 따른 연료전지가 비교예의 경우보다 파워밀도가 비슷하거나 약간 떨어지지만 1000mA/cm2 이상의 높은 전류밀도 영역에서는 본 발명에 따른 연료전지가 비교예의 경우보다 높은 파워밀도를 나타내며 성능이 우수하다는 것을 알 수 있다.FIG. 5 shows a current density-power density curve when the fuel cell prepared in Example 18 and Comparative Example 2 is operated at 80 ° C., and its operating temperature is cathode / cell / anode for both line heater and humidifier = 85 ° C. FIG. / 80 ° C / 90 ° C and the pressure was 1 atmosphere. Referring to the drawings, the fuel cell according to the present invention has a similar or slightly lower power density than the case of the comparative example at a low current density, but the fuel cell according to the present invention is higher than the case of the comparative example at a high current density region of 1000 mA / cm 2 or more. It shows the power density and the performance is excellent.

도 6은 실시예 19 및 비교예 2에 의해 제조된 연료전지 셀을 80℃에서 작동시키는 경우의 전류밀도-전압 곡선을 나타내며, 그 작동온도는 라인히터 및 가습기 모두 캐소드/셀/애노드=85℃/80℃/90℃이고 압력은 1 기압이었다. 1000mA/cm2 이상의 높은 전류밀도 영역에서는 본 발명에 따른 연료전지가 비교예의 경우보다 높은 전압을 나타내며 성능이 우수하다는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자의 경우 흡습성이 좋기 때문에 높은 전류밀도에서도 과수분 현상이 발생하지 않기 때문이다.FIG. 6 shows a current density-voltage curve when operating the fuel cell prepared in Example 19 and Comparative Example 2 at 80 ° C, and the operating temperature is cathode / cell / anode of line heater and humidifier = 85 ° C. / 80 ° C / 90 ° C and the pressure was 1 atmosphere. In the high current density region of 1000 mA / cm 2 or more, it can be seen that the fuel cell according to the present invention exhibits a higher voltage than the comparative example and has excellent performance. This is because the proton-conducting polymer according to the present invention has good hygroscopicity, so that no excessive moisture occurs even at high current density.

도 7에는 본 발명의 실시예 19 및 비교예 2에 의해 제조된 연료전지 셀을 110℃ 온도에서 작동시키는 경우에 초기의 전류-파워밀도 곡선을 나타내었으며, 그 작동온도는 라인히터 및 가습기 모두 캐소드/셀/애노드=108℃/110℃/108℃이고 압력은 2 기압이었다. 비교예 2의 경우에는 1.5A 이상에서는 파워밀도에 대한 데이터가 나타나 있지 않은데 그 이유는 상기 전류 이상에서는 전압이 0.4V 이하로 매우 낮은데 비해 측정오차가 크기 때문에 그 값의 측정이 곤란했기 때문이다. 한편, 도 8에는 상기 실시예 19 및 비교예 2에 의해 제조된 연료전지 셀을 110℃ 온도에서 16시간 동안 작동시킨 후의 전류-파워밀도 곡선을 나타내었다. 도 8에서도 비교예 2의 경우는 1.0A 이상의 전류에서는 파워밀도에 대한 테이터가 나타나 있지 않은데, 그 이유 역시 상기 전류 이상에서는 전압이 기준치 이하의 매우 낮은 값을 보이기 때문에 측정이 곤란했기 때문이다. 상기 도 7 및 8을 참조하면 110℃에서 작동시키는 경우 초기에는 본 발명에 따른 연료전지의 성능이 비교예 2에 의해 제조된 연료전지와 거의 비슷한 수준이었으나, 16시간이 경과한 후에는 본 발명에 따른 연료전지의 파워밀도 및 성능이 비교예의 경우보다 월등히 우수하다는 것을 알 수 있다. 특히 도 8에서 비교예 2의 경우에는 파워밀도가 0.40W를 넘지 못하는데 반해, 실시예 19의 경우에는 높은 전류에서 0.70W 이상의 파워밀도를 낼 수 있는데, 이는 본 발명에 따른 고분자막의 흡습도가 우수하기 때문이다.7 shows an initial current-power density curve when the fuel cell manufactured by Example 19 and Comparative Example 2 of the present invention is operated at a temperature of 110 ° C., and the operating temperature is a cathode of both the line heater and the humidifier. / Cell / anode = 108 占 폚 / 110 占 폚 / 108 占 폚 and pressure was 2 atm. In the case of Comparative Example 2, the data on the power density is not shown at 1.5A or more because the voltage is very low as 0.4V or less above the current, but the measurement error is large, and thus the measurement of the value is difficult. 8 shows a current-power density curve after operating the fuel cell manufactured in Example 19 and Comparative Example 2 at 110 ° C. for 16 hours. In FIG. 8, in the case of Comparative Example 2, the data for the power density is not shown at a current of 1.0 A or more, because the measurement was difficult because the voltage showed a very low value below the reference value. Referring to FIGS. 7 and 8, when operating at 110 ° C., the performance of the fuel cell according to the present invention was initially about the same as that of the fuel cell manufactured by Comparative Example 2, but after 16 hours, It can be seen that the power density and performance of the fuel cell according to the present invention are much better than those of the comparative example. In particular, in the case of Comparative Example 2 in FIG. 8, the power density does not exceed 0.40W, while in Example 19, the power density may be 0.70W or more at high current, which is excellent in the hygroscopicity of the polymer membrane according to the present invention. Because.

도 9는 실시예 19 및 비교예 2에 의해 제조된 고분자막을 이용한 연료전지 셀을 120℃에서 작동시키는 경우, 전류밀도-전압 곡선을 나타내며, 이 경우 작동온도는 라인히터 및 가습기 모두 캐소드/셀/애노드=113℃/120℃/1130℃이고, 압력은 2.5기압이었다. 비교예 2의 경우에는 전압이 급격이 감소하여 500mA/cm2 이상에서는 전지가 작동하지 않게 되는데 비해, 본 발명에 따르면 120℃의 작동온도에서도 1000mA/cm2 이상의 높은 전류밀도 영역까지 우수한 성능을 유지하며, 따라서, 고온성능이 매우 우수하고, 촉매의 피독현상을 억제할 수 있어, 전지의 수명을 연장시킬 수 있다.9 shows a current density-voltage curve when the fuel cell using the polymer membranes prepared by Example 19 and Comparative Example 2 at 120 ° C., in which case the operating temperature is the cathode / cell / Anode = 113 ° C./120° C./1130° C., and the pressure was 2.5 atmospheres. In the case of Comparative Example 2, the voltage suddenly decreases, so that the battery does not operate at 500 mA / cm 2 or more. However, according to the present invention, excellent performance is maintained up to a high current density region of 1000 mA / cm 2 or more even at an operating temperature of 120 ° C. Therefore, the high temperature performance is very excellent, the poisoning phenomenon of the catalyst can be suppressed, and the battery life can be extended.

본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자 막은 종래의 불소계 막보다 제조가 용이하고 제조단가가 매우 저렴하기 때문에 자동차용 연료전지에 상용화가 가능하며, 수분 함습량이 높기 때문에 높은 전류밀도에서도 과수분 현상이 없어서 전지의 효율을 향상시킬 수 있고, 100℃ 이상의 고온에서도 연료전지가 안정하게 작동할 수 있게 함으로써 촉매의 피독현상을 방지하여, 연료전지의 수명을 연장시킬 수 있다. The proton conductive polymer membrane according to the present invention is easier to manufacture than the conventional fluorine-based membrane and is very cheap to manufacture, so it is commercially available for a fuel cell for automobiles, and the moisture content is high, so there is no excessive moisture at high current density. The efficiency of the catalyst can be improved, and the fuel cell can be stably operated even at a high temperature of 100 ° C. or higher, thereby preventing poisoning of the catalyst and extending the life of the fuel cell.

도 1은 일반적인 수소 이온 교환막 연료전지의 구조를 나타낸다.1 shows the structure of a typical hydrogen ion exchange membrane fuel cell.

도 2(a)는 실시예 9에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자 막의 원소의 분포를 EPMA-Si mapping을 통해 관찰한 도면이다.FIG. 2 (a) is a diagram illustrating the distribution of elements of the proton conductive polymer membrane prepared in Example 9 through EPMA-Si mapping.

도 2(b)는 실시예 11에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자 막의 원소의 분포를 EPMA-Si mapping을 통해 관찰한 도면이다.FIG. 2 (b) is a diagram illustrating the distribution of elements of the proton conductive polymer membrane prepared in Example 11 through EPMA-Si mapping.

도 3은 실시예 9에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자의 구조가 분해되는 온도를 TGA를 이용하여 측정한 그래프이다.3 is a graph measuring the temperature at which the structure of the proton conductive polymer prepared in Example 9 is degraded using TGA.

도 4는 실시예 11에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자의 구조가 분해되는 온도를 TGA를 이용하여 측정한 그래프이다.Figure 4 is a graph measuring the temperature at which the structure of the proton conductive polymer prepared in Example 11 decomposes using TGA.

도 5는 실시예 18 및 비교예 2에 의해 제조된 연료전지 셀을 80℃에서 작동시키는 경우의 전류-파워밀도 곡선을 나타낸다.FIG. 5 shows current-power density curves when the fuel cell produced by Example 18 and Comparative Example 2 is operated at 80 ° C.

도 6은 실시예 19 및 비교예 2에 의해 제조된 연료전지 셀을 80℃에서 작동시키는 경우의 전류밀도-전압 곡선을 나타낸다.FIG. 6 shows current density-voltage curves when the fuel cell produced by Example 19 and Comparative Example 2 is operated at 80 ° C.

도 7은 실시예 19 및 비교예 2에 의해 제조된 연료전지 셀을 110℃에서 작동시키는 경우, 초기의 전류-파워밀도 곡선을 나타낸다.FIG. 7 shows an initial current-power density curve when the fuel cell manufactured by Example 19 and Comparative Example 2 is operated at 110 ° C.

도 8은 실시예 19 및 비교예 2에 의해 제조된 연료전지 셀을 110℃에서 16시간 작동시킨 후의 전류-파워밀도 곡선을 나타낸다.FIG. 8 shows a current-power density curve after operating the fuel cell prepared in Example 19 and Comparative Example 2 at 110 ° C. for 16 hours.

도 9는 실시예 19 및 비교예 2에 의해 제조된 연료전지 셀을 120℃에서 작동시키는 경우의 전류밀도-전압 곡선을 나타낸다.FIG. 9 shows current density-voltage curves when the fuel cell cells prepared in Example 19 and Comparative Example 2 were operated at 120 ° C.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>

11... 수소이온교환막 12... 애노드 촉매층11 hydrogen ion exchange membrane 12 anode catalyst layer

13... 캐소드 촉매층 14... 애노드 지지층13 ... cathode catalyst layer 14 ... anode support layer

15... 캐소드 지지층 16... 카본 플레이트15 ... cathode support layer 16 ... carbon plate

Claims (14)

하기 식 1의 반복단위를 갖는 양성자 전도성 고분자.Proton conductive polymer having a repeating unit of the following formula 1. (1) (One) (상기 식에서 R1 및 R2는 메틸 또는 트리플루오로 메틸이며;Wherein R 1 and R 2 are methyl or trifluoro methyl; n은 100∼100,000의 정수이다)n is an integer from 100 to 100,000) 제 1항에 있어서, 상기 고분자의 수평균분자량이 5,000∼1,000,000인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 고분자.The proton conductive polymer according to claim 1, wherein the polymer has a number average molecular weight of 5,000 to 1,000,000. 제 1항에 있어서, 상기 고분자의 당량무게 250∼2500인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 고분자.The proton conductive polymer according to claim 1, wherein the equivalent weight of the polymer is 250 to 2500. 제 1항에 따른 양성자 전도성 고분자를 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 고분자 막. Proton conductive polymer membrane, characterized in that produced using the proton conductive polymer according to claim 1. 제 4항에 있어서, 전체 조성물 기준으로 SiO2 1∼10중량%를 더 포함하여 제조된 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 고분자 막.5. The proton conductive polymer membrane according to claim 4, further comprising 1 to 10% by weight of SiO 2 based on the total composition. 제 4항에 있어서, 상기 고분자의 수평균분자량이 5,000∼1,000,000인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 고분자 막.The proton conductive polymer membrane according to claim 4, wherein the polymer has a number average molecular weight of 5,000 to 1,000,000. 제 4항에 있어서, 상기 고분자의 당량무게가 250∼2500인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 고분자 막.5. The proton conductive polymer membrane according to claim 4, wherein the equivalent weight of the polymer is 250 to 2500. (a) 데카플루오로비페닐과 디페놀 유도체를 유기용매에 용해시키고 포타슘 카보네이트(K2CO3)를 첨가한 후 교반하며 가열하는 단계;(a) dissolving decafluorobiphenyl and diphenol derivatives in an organic solvent, adding potassium carbonate (K 2 CO 3 ), and then stirring and heating; (b) 상기 용액을 냉각시킨 후 아세트산 수용액에 부어 고분자를 침전시키는 단계; (b) cooling the solution and pouring it into an aqueous acetic acid solution to precipitate the polymer; (c) 상기에서 얻어진 고분자를 비양성자성 유기용매에 용해시킨 다음 강산기 부여제를 적가하며 술폰화하는 단계; 및(c) dissolving the polymer obtained above in an aprotic organic solvent and then sulfonating with addition of a strong acid-giving agent; And (d) 상기 고분자를 아세톤에 용해시킨 용액에 SiO2 용액 1∼10중량%를 적가한 후 균일하게 분산시키고 용매를 증발시켜 막을 형성하는 단계를 포함하는 양성자 전도성 고분자 막의 제조방법.(d) adding 1-10% by weight of a solution of SiO 2 to a solution in which the polymer is dissolved in acetone, and then uniformly dispersing and evaporating the solvent to form a membrane. 제 8항에 있어서, 상기 비양성자성 유기용매는 클로로포름 또는 1,1,2,2-테트라클로로에탄인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 고분자 막의 제조방법.The method of claim 8, wherein the aprotic organic solvent is chloroform or 1,1,2,2-tetrachloroethane. 제 8항에 있어서, 상기 강산기 부여제는 클로로술폰산(chlorosulfonic acid), 아세틸술포네이트(acetyl sulfonate) 또는 발연황산(fuming H2SO4)인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 고분자 막의 제조방법.The method of claim 8, wherein the strong acid-providing agent is chlorosulfonic acid, acetyl sulfonate, or fuming H 2 SO 4 . 제 8항에 있어서, 상기 술폰화단계는 반응시간 및 강산기 부여제의 양을 조절함으로써 술폰화도(Degree of sulfonation)를 조절하는 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 고분자 막의 제조방법.The method of claim 8, wherein the sulfonation step controls a degree of sulfonation by controlling a reaction time and an amount of a strong acid-giving agent. 제 8항에 있어서, 상기 술폰화단계의 반응시간은 1시간∼4시간인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 고분자 막의 제조방법.       The method according to claim 8, wherein the reaction time of the sulfonation step is 1 hour to 4 hours. 제 8항에 있어서, 상기 술폰화단계에서 양성자 전도성 고분자와 강산기 부여제의 몰비는 1:10∼1:30인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 고분자 막의 제조방법.      The method of claim 8, wherein the molar ratio of the proton-conducting polymer and the strong acid-giving agent in the sulfonation step is 1:10 to 1:30. 제 4항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 의한 양성자 전도성 고분자막을 채용하여 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지. A fuel cell manufactured by employing the proton conductive polymer membrane according to any one of claims 4 to 7.
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