KR100645233B1 - Proton-Conducting Membrane, Method For Producing The Same, And Fuel Cell Using The Same - Google Patents

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KR100645233B1
KR100645233B1 KR1020000054305A KR20000054305A KR100645233B1 KR 100645233 B1 KR100645233 B1 KR 100645233B1 KR 1020000054305 A KR1020000054305 A KR 1020000054305A KR 20000054305 A KR20000054305 A KR 20000054305A KR 100645233 B1 KR100645233 B1 KR 100645233B1
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세끼쑤이 케미컬 가부시기가이샤
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Abstract

본 발명의 목적은 고온에서 열과 지속력에 대한 내성이 우수하고 우수한 양성자 전도성을 보이는 양성자 전도막을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 이러한 전도막을 제조하는 방법과 이를 이용한 연료전지를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a proton conductive membrane having excellent resistance to heat and sustainability at high temperatures and exhibiting excellent proton conductivity. Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing such a conductive film and a fuel cell using the same.

본 발명은 유기물질(A), 특정 금속-산소 결합을 포함하는 3차원 가교 구조체(B), 양성자 전도성 부여제(C) 및 물(D)을 포함하며, 여기서 유기물질(A)은 56 내지 30,000의 수평균 분자량과 주쇄에 연속적으로 연결된 적어도 4개의 탄소원자를 가지고 있고, 유기물질(A)과 3차원 가교 구조체(B)는 공유결합에 의해 서로 결합되어 있는 양성자 전도막을 제공한다.The present invention comprises an organic material (A), a three-dimensional crosslinked structure (B) comprising a specific metal-oxygen bond, a proton conductivity granter (C) and water (D), wherein the organic material (A) is 56 to It has a number average molecular weight of 30,000 and at least four carbon atoms continuously connected to the main chain, and the organic material (A) and the three-dimensional crosslinked structure (B) provide a proton conductive membrane bonded to each other by covalent bonds.

Description

양성자 전도막, 이의 제조방법 및 이를 이용한 연료전지 {Proton-Conducting Membrane, Method For Producing The Same, And Fuel Cell Using The Same}Proton-Conducting Membrane, Method For Producing The Same, And Fuel Cell Using The Same}

도 1은 전기화학적 임피던스 미터를 사용하여 결정된, 본 발명의 양성자 전도막을 사용한 연료전지의 출력 동력 실행성을 보여주는 그래프이다.1 is a graph showing the output power performance of a fuel cell using a proton conductive membrane of the present invention, determined using an electrochemical impedance meter.

본 발명은 양성자 전도막, 그것의 제조 방법, 및 그것을 이용한 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 열(heat)과 지속력(durability)에 대한 내성(resistance)이 우수하고 고온에서 우수한 양성자 전도성을 보이는 양성자 전도막, 그것의 제조방법 및 그것을 이용한 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a proton conductive membrane, a method for manufacturing the same, and a fuel cell using the same. More particularly, the present invention provides excellent proton conductivity at high temperature and excellent resistance to heat and durability. The present invention relates to a visible proton conductive membrane, a method for manufacturing the same, and a fuel cell using the same.

최근에, 연료전지는, 현재 심각한 사회문제로 대두되고 있는 환경 및 에너지에 관한 문제점을 해결에 기여할 수 있는 차세대 동력 발생 장치로서 관심이 집중되고 있다. 그것은 연료전지가 높은 동력 발생 효율과 환경 친화적이기 때문이다.Recently, attention has been focused on fuel cells as a next generation power generation device that can contribute to solving environmental and energy problems that are currently emerging as serious social problems. This is because fuel cells are highly power efficient and environmentally friendly.

연료전지는 전해질의 유형에 따라 서너가지 카테고리로 나눠진다. 이들 중, 다른 유형에 비해 더 작고 높은 출력(output)을 발현하는 고분자 전해질 연료전지(PEFC)가 다양한 목적, 예를 들어, 작은 현장 시설(small-size on-site facilities)과, 구동성 (즉, 자동차 동력원) 및 휴대용 전지로서 미래에 선두 연료전지 유형으로 고려되고 있다.Fuel cells fall into three or four categories depending on the type of electrolyte. Of these, polyelectrolyte fuel cells (PEFCs), which are smaller and produce higher outputs than other types, serve a variety of purposes, such as small-size on-site facilities, and driveability (ie, , Automotive power sources) and portable cells are considered to be the leading fuel cell type in the future.

그러나, PEFC는 원리상으로 그것의 내재된 장점에도 불구하고, 예를 들어, 내열성, 내구성 및 양성자 전도성 등의 모든 요건을 만족시킬 수 있는 현실적인 전해질 막의 결핍으로 인하여, 아직까지는 개발 단계 또는 시험 단계에 있고 아직 상업화되고 못하고 있다. 현재의 PEFC용 전해질 막은, 주골격에 퍼플루오로알킬렌을 가지고 있고, 퍼플루오로비닐 에테르 측쇄의 말단에 이온 교환성기, 예를 들어, 술폰기, 카르복실기 등을 부분적으로 가진 불소계 막이 주로 사용되고 있다. 이들 불소계 막의 서너가지 유형으로는, 예를 들어, 나피온 막(Nafion R membran, Du Pont, 미국특허 제4,330,654호), 다우 막(Dow membrane, Dow Chemical, 일본공개특허공보 제4-366137호) 아씨플렉스 막(Aciplex membrane, Asahi Chemical, 일본공개특허공보 제6-342665호) 및 플레미온 막(Flemion membrane, Asahi Glass) 등이 제안되고 있다.However, despite its inherent advantages in principle, PEFC is still in the development or testing phase, due to the lack of a realistic electrolyte membrane that can meet all requirements, for example, heat resistance, durability and proton conductivity. And it is not yet commercialized. Currently, the electrolyte membrane for PEFC is mainly used a fluorine-based membrane having perfluoroalkylene at the main skeleton and partially having an ion-exchange group such as a sulfone group or a carboxyl group at the end of the perfluorovinyl ether side chain. . As three or four types of these fluorine-based membranes, for example, Nafion membrane (Nafion R membran, Du Pont, US Patent No. 4,330,654), Dow membrane (Dow membrane, Dow Chemical, JP-A-4-366137) Aciplex membranes (Aciplex membrane, Asahi Chemical, Japanese Patent Laid-Open No. 6-342665), Flemion membrane, Asahi Glass, and the like have been proposed.

전해질로서 상기 불소계 막을 사용하는 현재의 PEFC는 상대적으로 저온 범위, 예를 들어, 상온으로부터 80℃ 부분에서 보통 작동되는데, 그것은 불소계 막 자체가, 그 이상에서는 이온전도성에 관여하는 이온 채널 구조가 파괴되는 130℃ 부근에서 유리전이온도(Tg)를 가지고 있기 때문이다. 연료전지는 낮은 온도범위에서 작동하는 것이 바람직하지 않은데, 예를 들어, 낮은 동력 발생 효율과 일산화탄소에 의한 촉매의 현저한 독소화(poisoning)와 같은 몇몇 심각한 문제 때문이다.Current PEFCs using such fluorine-based membranes as electrolytes usually operate in a relatively low temperature range, for example in the region of 80 ° C from room temperature, whereby the fluorine-based membranes themselves, above which destroy the ion channel structure involved in ion conductivity. This is because it has a glass transition temperature (Tg) near 130 ° C. It is not desirable for fuel cells to operate at low temperature ranges, for example due to low power generation efficiency and some serious problems such as significant poisoning of the catalyst with carbon monoxide.

낮은 온도에서의 작동으로부터 초래되는 문제를 피하기 위하여, 높은 온도범 위에서 작동하는 연료전지가 계속적으로 개발되어오고 있다. 높은 온도에서의 작동 가능성은 서너가지 잇점을 가져온다. 예를 들어, 100℃ 또는 그 이상의 온도에서 작동될 때, 동력발생 효율이 증가하고, 동시에 열이 에너지 효율를 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 작동 온도가 140℃로 증가할 때, 상기 이외에, 예를 들어, 촉매 물질의 선택 범위 증가에 따른 연료전지 제작비용의 절감과 같은 또 다른 잇점이 기대될 수 있다.In order to avoid the problems resulting from operation at low temperatures, fuel cells operating over a high temperature range have been continuously developed. The possibility of operating at high temperatures has three or four benefits. For example, when operating at a temperature of 100 ° C. or higher, the power generation efficiency increases, while heat can be used to improve energy efficiency. When the operating temperature increases to 140 ° C., in addition to the above, other advantages can be expected, such as, for example, a reduction in fuel cell fabrication costs due to an increased range of catalytic materials.

PEFC의 작동 온도를 높일 수 있는 다양한 전해질 막이 지금까지 개발되어오고 있다.Various electrolyte membranes have been developed so far to increase the operating temperature of PEFC.

더욱 대표적인 것들 중에는 전통적인 불소계 막을 대체할 내열성 방향족계 고분자들이 있다. 이들은 폴리벤지미다졸 (일본특허공개공보 제9-110982호), 폴리에테르 술폰 (일본특허공개공보 제10-21943호 및 제10-45913호) 및 폴리에테르에테르케톤 (일본특허공개공보 제9-87510호) 등을 포함한다. 그러나, 이들 방향족계 고분자들 각각은 매우 경직하여 막-전극 에셈블리(MEA)가 형성될 때 손상을 야기할 가능성이 있다.Among the more representative are heat-resistant aromatic polymers that will replace traditional fluorine-based films. These include polybenzimidazole (Japanese Patent Laid-Open No. 9-110982), polyether sulfones (Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-21943 and 10-45913) and polyether ether ketones (JP-A-9- 87510). However, each of these aromatic polymers is very rigid and likely to cause damage when the membrane-electrode assembly (MEA) is formed.

이들은 다른 유형의 단점도 있다. 예를 들어, 산성기 (예를 들어, 술폰산기 또는 포스포르산기: sulfonic or phosphoric acid group)로 개질되어 전해질 막에 필요한 양성자 전도성을 가지게 되는데, 그 결과 수용성 또는 물의 존재하에서 팽윤된다. 수용성의 것은 연료전지에 적용될 수 없는데, 그것은 물이 거기서 생성되기 때문이다. 반면에, 물의 존재하에서 팽윤되는 것들은 문제점을 야기할 수도 있는데, 그것은 팽윤이 전극를 손상시키기에 충분한 응력을 막에 발생시키거나 막의 파괴가 일어날 정도로 막의 강도를 열화시킬 수 있기 때문이다.These also have other types of disadvantages. For example, it is modified with an acidic group (e.g. sulfonic or phosphoric acid group) to have the proton conductivity necessary for the electrolyte membrane, resulting in swelling in water or in the presence of water. Water-soluble ones cannot be applied to fuel cells because water is produced there. On the other hand, swelling in the presence of water may cause problems, since swelling may cause the membrane to have enough stress to damage the electrode or to deteriorate the strength of the membrane to the extent that the membrane breaks down.

반면에, 하기 무기 물질들이 양성자 전도 물질로서 제안되고 있다. 예를 들어, 미나미 등은 다양한 산을 가수분해성 시릴(hydrolysable silyl) 화합물에 합체시켜서 무기 양성자 전도성 물질을 제조하였다 (Solid State Ionics, 74 (1994), pp. 105). 그것은 고온에서 양성자 전도성을 안전하게 보였주지만, 몇가지 문제점을 내포하는바, 예를 들어, 얇은 필름으로 제조할 때 깨지는 경향이 있고, 다루기 힘들며, 이를 MEA로 만들기 힘든 경향이 있다. 이들 문제를 극복하기 위한 서너가지 방법이 제안되었다. 예를 들어, 양성자 전도 물질을 분쇄하여 탄성체와 혼합하거나 (일본특허공개공보 제8-249923호) 또는 술폰기 함유 고분자와 혼합한다 (일본특허공개공보 제10-69817호). 그러나, 이들 방법은 각자 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, 이들 방법의 각각에 있어서 결합제로서의 고분자는 무기 가교 화합물과 결합 등을 가지고 있지 않고 고분자 자체의 열적 성질과는 매우 다르지 않은 기본적인 열적 성질을 가지고 있어서, 그 결과 고온 범위에서 구조 변화를 격게되고, 양성자 전도성를 안정적으로 발현하지 못한다.On the other hand, the following inorganic materials have been proposed as proton conducting materials. For example, Minami et al. Incorporated various acids into hydrolysable silyl compounds to prepare inorganic proton conductive materials (Solid State Ionics, 74 (1994), pp. 105). It has shown proton conductivity safely at high temperatures, but it has some problems, for example, tends to break when produced in thin films, is unwieldy, and difficult to make into MEA. Several methods have been proposed to overcome these problems. For example, the proton conducting material is pulverized and mixed with an elastomer (Japanese Patent Laid-Open No. 8-249923) or mixed with a sulfone group-containing polymer (Japanese Patent Laid-Open No. 10-69817). However, these methods have their own problems. For example, in each of these methods, the polymer as a binder does not have an inorganic crosslinking compound, a bond, or the like, and has a basic thermal property that is not very different from that of the polymer itself, resulting in a structural change in the high temperature range. It does not stably express proton conductivity.

수많은 연구 투자의 노력이 전형적인 PEFC에 관련된 이들 문제점을 해결하기 위한 다양한 전해질 막에 행해졌다. 그러나, 이들 중의 어느 것도 고온(예를 들어, 100℃이나 그 이상의 온도)에서 충분한 지속력을 나타내고 기계적 요건을 만족시키는 양성자 전도막의 개발에 성공하지 못하였다.Numerous research investments have been made on various electrolyte membranes to solve these problems associated with typical PEFCs. However, none of these have succeeded in developing a proton conductive membrane that exhibits sufficient sustainability at high temperatures (eg, 100 ° C. or higher) and meets mechanical requirements.

본 발명의 목적은 열과 지속력에 대한 내성이 우수하며, 고온에서 우수한 양 성자 전도성을 보임으로써, 전통적인 PEFC에 내포된 문제점을 해결할 수 있는 양성자 전도막, 그것의 제조방법 및 그것을 이용한 연료전지를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a proton conductive membrane, a method for manufacturing the same, and a fuel cell using the same, which are excellent in resistance to heat and sustainability, and exhibit excellent proton conductivity at high temperature, thereby solving the problems inherent in traditional PEFC. will be.

본 발명의 발명자들은 상기 문제점을 해결할 수 있는 다양한 전해질 막에 대한 광범위한 연구를 행하여, 필수적인 성분으로서 특정 유기물질, 특정 금속-산소 결합을 포함하는 3차원 가교 구조체, 양성자 전도성 부여제 및 특정 양성자 전도 물질의 선택적 결합을 포함시킴으로써 혁신적인 유기/무기 혼합체막이 얻어질 수 있다는 사실을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다. 그것은, 유기물질과 3차원 가교 구조체 사이에 형성된 공유결합이 이들을 분자수준에서 매우 미세하게 분산(나노 분산)시키기 때문에, 전통적인 막보다 열에 대한 높은 저항성과 지속력, 및 높은 온도에서 양성자 전도성을 나타낸다. The inventors of the present invention have conducted extensive research on various electrolyte membranes that can solve the above problems, and as essential components, a specific organic material, a three-dimensional crosslinked structure containing a specific metal-oxygen bond, a proton conductivity providing agent, and a specific proton conducting material It has now been found that innovative organic / inorganic mixture membranes can be obtained by including selective binding of. It exhibits higher resistance to heat and persistence than conventional membranes and proton conductivity at higher temperatures, because the covalent bonds formed between the organic material and the three-dimensional crosslinked structure disperse them very finely at the molecular level (nano dispersion).

첫 번째 발명은, 유기물질(A), 특정 금속-산소 결합을 포함하는 3차원 가교 구조체(B), 양성자 전도성 부여제(C), 및 물(D)을 포함하며, 여기서 The first invention comprises an organic material (A), a three-dimensional crosslinked structure (B) comprising a specific metal-oxygen bond, a proton conductivity granter (C), and water (D), wherein

(i) 상기 유기물질(A)은 56 내지 30,000의 수평균 분자량과 주쇄에 연속적으로 연결된 적어도 4개의 탄소원자를 가지고 있으며,(i) the organic material (A) has a number average molecular weight of 56 to 30,000 and at least four carbon atoms continuously connected to the main chain,

(ii) 상기 유기물질(A)과 상기 3차원 가교 구조체(B)가 공유결합에 의해 서로 연결되어 있는 양성자 전도막이다.(ii) The organic material (A) and the three-dimensional crosslinked structure (B) are proton conductive membranes which are connected to each other by covalent bonds.

두 번째 발명은 첫 번째 발명의 양성자 전도막에서 유기물질(A)이 폴리에테르류이다.In the second invention, the organic material (A) is a polyether in the proton conductive film of the first invention.

세 번째 발명은 두 번째 발명의 양성자 전도막에서 유기물질(A)이 폴리테트 라메틸렌 옥사이드이다.In the third invention, the organic material (A) in the proton conductive film of the second invention is polytetramethylene oxide.

네 번째 발명은 첫 번째 발명의 양성자 전도막에서 유기물질(A)이 폴리메틸렌류이다.In the fourth invention, the organic material (A) is polymethylene in the proton conductive film of the first invention.

다섯 번째 발명은 네 번째 발명의 양성자 전도막에서 유기물질(A)이 옥타메틸렌이다.In the fifth invention, the organic material (A) is octamethylene in the proton conductive film of the fourth invention.

여섯 번째 발명은 첫 번째 발명의 양성자 전도막에서 유기물질(A)이 주쇄에서 연속적으로 연결된 4개 이하의 탄소원자를 가진 수분함유 수지(E)를 포함한다.The sixth invention includes a water-containing resin (E) having up to four carbon atoms in which the organic material (A) is continuously connected in the main chain in the proton conductive film of the first invention.

일곱 번째 발명은 여섯 번째 발명의 양성자 전도막에서 수분함유 수지(E)가 폴리에틸렌 옥사이드이다.In the seventh invention, the water-containing resin (E) in the proton conductive film of the sixth invention is polyethylene oxide.

여덟 번째 발명은 첫 번째 발명의 양성자 전도막에서, 유기물질(A)이 폴리테트라메틸렌 옥사이드와 폴리에틸렌 옥사이드의 혼합물이다.In the eighth invention, in the proton conductive membrane of the first invention, the organic material (A) is a mixture of polytetramethylene oxide and polyethylene oxide.

아홉 번째 발명은 첫 번째 발명의 양성자 전도막에서, 3차원 가교 구조체(B)가 실리콘-산소 결합에 의해 형성되어 있다.In the ninth invention, in the proton conductive film of the first invention, a three-dimensional crosslinked structure (B) is formed by silicon-oxygen bonds.

열 번째 발명은 첫 번째 발명의 양성자 전도막에서, 양성자 전도성 부여제(C)가 무기 고체산이다.In the tenth invention, in the proton conductive membrane of the first invention, the proton conductivity imparting agent (C) is an inorganic solid acid.

열한 번째 발명은 열 번째 발명의 양성자 전도막에서, 무기 고체산은 텅스토포스포르산(tungstophosphoric acid)이다.In the eleventh invention, in the proton conductive membrane of the tenth invention, the inorganic solid acid is tungstophosphoric acid.

열두 번째 발명은 첫 번째 발명의 양성자 전도막이, 유기물질(A)과 3차원 가교 구조체(B) 전체 100 중량부에 대하여, 양성자 전도성 부여제(C) 5 내지 500 중량부를 포함한다.In the twelfth invention, the proton conductive film of the first invention includes 5 to 500 parts by weight of the proton conductivity-imparting agent (C) based on 100 parts by weight of the total of the organic material (A) and the three-dimensional crosslinked structure (B).

열세 번째 발명은 첫 번째 발명의 양성자 전도막이 전체 양성자 전도막에 대하여 물(D) 1 내지 60 중량%를 포함한다.In the thirteenth invention, the proton conductive membrane of the first invention comprises 1 to 60% by weight of water (D) relative to the total proton conductive membrane.

열네 번째 발명은 첫 번째 발명의 양성자 전도막이 강화제(F)를 더 포함한다.In the fourteenth invention, the proton conductive membrane of the first invention further includes a reinforcing agent (F).

열다섯 번째 발명은 열네 번째 발명의 양성자 전도막에서 강화제(F)가 유리섬유이다.In the fifteenth invention, the reinforcing agent (F) in the proton conducting film of the fourteenth invention is glass fiber.

열여섯 번째 발명은, 유기물질(A), 3차원 가교 구조체(B)를 형성하는 가수분해성 무기 화합물 및 양성자 전도성 부여제(C)의 혼합물을 포함하는 반응계를 제조하는 단계; 상기 반응계를 필름으로 형성하는 단계; 및 수증기나 액상 물(D)의 존재하에서 필름의 졸-겔 반응에 의해 필름내에서 금속-산소 결합에 의한 3차원 가교 결합 구조체(B)를 형성하는 단계를 포함한다.The sixteenth invention comprises the steps of preparing a reaction system comprising a mixture of an organic material (A), a hydrolyzable inorganic compound forming a three-dimensional crosslinked structure (B), and a proton conductivity imparting agent (C); Forming the reaction system into a film; And forming a three-dimensional crosslinked structure (B) by metal-oxygen bonds in the film by sol-gel reaction of the film in the presence of water vapor or liquid water (D).

열일곱 번째 발명은 유기물질(A), 3차원 가교 구조체(B)를 형성하는 가수분해성 무기 화합물 및 양성자 전도성 부여제(C)의 혼합물을 포함하는 반응계를 제조하는 단계; 상기 반응계를 필름으로 형성하는 단계; 수증기 또는 액상 물(D) 및 4개 또는 그이하의 탄소를 가진 알코올의 증기 또는 액상 알코올의 존재하에서 필름의 졸-겔 반응에 의해 필름내에서 금속-산소 결합에 의한 3차원 가교 구조체(B)를 형성하는 단계를 포함하는 양성자 전도막의 제조방법이다.The seventeenth invention includes preparing a reaction system comprising a mixture of an organic material (A), a hydrolyzable inorganic compound forming a three-dimensional crosslinked structure (B), and a proton conductivity imparting agent (C); Forming the reaction system into a film; Three-dimensional crosslinked structure (B) by metal-oxygen bonds in the film by sol-gel reaction of the film in the presence of vapor or liquid water (D) and vapor or liquid alcohol of an alcohol having four or less carbons Method for producing a proton conductive film comprising the step of forming a.

열여덟 번째 발명은 열여섯 번째 또는 열일곱 번째 발명의 양성자 전도막의 제조방법에서, 유기물질(A)과 3차원 가교 구조체(B)를 형성하는 가수분해성 무기 화합물이 유기용매(G)에서 서로 혼합된다.In the eighteenth invention, in the method for producing a proton conductive film of the sixteenth or seventeenth invention, the organic material (A) and the hydrolyzable inorganic compound forming the three-dimensional crosslinked structure (B) are mixed with each other in the organic solvent (G). .

열아홉 번째 발명은 열여덟 번째 발명의 양성자 전도막의 제조방법에서, 유기용매(G)에 20 또는 그 이상의 상대 유전상수와 100℃ 또는 그 이상의 비점을 가진 화합물(H)을 더 첨가한다.In the ninth invention, in the method for producing a proton conductive film of the eighteenth invention, a compound (H) having a relative dielectric constant of 20 or more and a boiling point of 100 ° C. or more is further added to the organic solvent (G).

스무 번째 발명은 열아홉 번째 발명의 양성자 전도막의 제조방법에서, 20 또는 그 이상의 상대 유전상수와 100℃ 또는 그 이상의 비점을 가진 화합물(H)이 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 및 부틸렌 카보네이트로 이루어진 군에서 선택된 것이다.In the twentieth invention, in the method for preparing a proton conductive film of the ninth invention, a compound (H) having a relative dielectric constant of 20 or more and a boiling point of 100 ° C. or more is composed of ethylene carbonate, propylene carbonate and butylene carbonate. It is selected.

스물한 번째 발명은 첫 번째 내지 일다섯 번째 발명의 어느 하나의 양성자 전도막을 사용한 연료전지이다.The twenty-first invention is a fuel cell using any one of the first to fifth invention proton conductive membranes.

1.One. 유기물질(A)Organic matter (A)

본 발명의 양성자 전도막은 유기물질(A), 특정 금속-산소 결합을 포함하는 3차원 가교 구조체(B), 양성자 전도성 부여제(C), 및 물(D)을 포함한다.The proton conductive film of the present invention includes an organic material (A), a three-dimensional crosslinked structure (B) containing a specific metal-oxygen bond, a proton conductivity providing agent (C), and water (D).

유기물질(A)은 양성자 전도막에 적절한 유연성을 부여하기 위하여 본 발명에 사용되며, MEA의 편리성을 향상시키고 제조를 용이하게 한다. 이러한 유기물질(A)이 두가지 요건, 즉, 56 내지 30,000의 수평균 분자량과 주쇄에 연속적으로 연결된 적어도 4개의 탄소원자를 가지는 것을 동시에 만족하는 것이 중요하다.The organic material (A) is used in the present invention in order to impart proper flexibility to the proton conductive film, improving the convenience of the MEA and facilitating manufacture. It is important to simultaneously satisfy that these organic materials (A) have two requirements, namely a number average molecular weight of 56 to 30,000 and at least four carbon atoms connected continuously to the main chain.

유기물질(A)은 상기 두가지 요건을 만족시키는 한 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에 함께 사용되는 양성자 전도성 부여제(C)가 산성 성분임을 감안할 때, 이들 구조는 산에 의해 파괴되지 않는 것이 바람직하다.The organic material (A) is not particularly limited as long as the two requirements are satisfied. In view of the fact that the proton conductivity imparting agent (C) used together in the present invention is an acidic component, it is preferable that these structures are not destroyed by an acid.

주쇄에서 연속적으로 결합된 적어도 4개의 탄소원자를 가진다는 요건을 만족 시키지 못하는 유기물질은 바람직하지 않은데, 이는 그것이 충분한 유연성의 막을 형성할 수 없기 때문이다. 헤테로 원자, 예를 들어, 산소, 질소 또는 황 등을 가진 유기물질은, 그것이 주쇄에서 연속적으로 결합된 적어도 4개의 탄소원자를 가지지 못할 경우조차도, 충분한 유연성 막을 제공할 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 이들은 여전히 바람직하지 못한데, 이는 3 또는 그 이하의 탄소원자를 포함하는 쇄에서 발생하는 경향이 있는 극성 상호작용이 그 내부에 존재하는 양성자 및 물에 의한 가수분해에 매우 민감한 막을 만들기 때문이다. 주쇄에 연속적으로 연결된 적어도 4개의 탄소원자를 가진 유기물질은, 그것이 구조내에 헤테로 원자, 예를 들어, 산소, 질소 또는 황 등을 가진 경우조차도 극성 상호작용을 상당히 조절할 수 있어서 본 발명에 유용하다.Organic materials that do not meet the requirement of having at least four carbon atoms in series in the backbone are undesirable, because they cannot form a film of sufficient flexibility. Organics with heteroatoms, such as oxygen, nitrogen, sulfur, or the like, may provide sufficient flexible membranes even if they do not have at least four carbon atoms bonded in series in the main chain. Nevertheless, they are still undesirable because polar interactions that tend to occur in chains containing 3 or less carbon atoms make the membrane very sensitive to hydrolysis by protons and water present therein. . Organic materials having at least four carbon atoms connected in series to the main chain are useful in the present invention because they can significantly control polar interactions even when they have heteroatoms, such as oxygen, nitrogen or sulfur, in the structure.

유기물질(A)은 주쇄에 연속적으로 결합된 적어도 4개의 탄소원자를 가지고 있는 한 특별히 제한되지 않는다. 그것은 직쇄이거나 분지형태 일 수 있고 또는 그 구조내에 헤테로 원자, 예를 들어, 산소, 질소 또는 황을 가질 수도 있다.The organic material (A) is not particularly limited as long as it has at least four carbon atoms continuously bonded to the main chain. It may be straight chain or branched or may have a heteroatom such as oxygen, nitrogen or sulfur in its structure.

연속적으로 연결된 4개의 탄소원자를 가지며 본 발명에 유용한, 구조적으로 가장 간단한 유기물질은 부틸렌이고 이것의 분자량은 56이다. 주쇄의 탄소수는 제한되지 않는다. 그러나, 유기물질은, 유기물질(A)과 3차원 가교 구조체(B)를 서로 결합시킴으로써 발생되는 내열성의 효과를 실현하기 위하여, 바람직하게는 30,000 또는 그 이하의 수평균 분자량을 가진다.The simplest structural organic material having four carbon atoms connected in series and useful in the present invention is butylene and its molecular weight is 56. The carbon number of the main chain is not limited. However, the organic material preferably has a number average molecular weight of 30,000 or less in order to realize the heat resistance effect generated by bonding the organic material (A) and the three-dimensional crosslinked structure (B) to each other.

유기물질(A)로서 본 발명에 유용한 화합물은 제한되지는 않지만, 폴리에테르, 예를 들어, 폴리테트라메틸렌 옥사이드와 폴리헥사메틸렌 옥사이드 등; 폴리아크릴 및 폴리메타아크릴 산 (이하에서는, 일반 명칭 "폴리(메타)아크릴산"이라 함), 예들 들어, n-프로필 폴리(메타)아크릴레이트, 이소프로필 폴리(메타)아크릴레이트, n-부틸 폴리(메타)아크릴레이트, 이소부틸 폴리(메타)아크릴레이트, sec-부틸 폴리(메타)아크릴레이트, tert-부틸 폴리(메타)아크릴레이트, n-헥실 폴리(메타)아크릴레이트, 시클로헥실 폴리(메타)아크릴레이트, n-옥틸 폴리(메타)아크릴레이트, 이소옥틸 폴리(메타)아크릴레이트, 2-에틸헥실 폴리(메타)아크릴레이트, 데실 폴리(메타)아크릴레이트, 라우릴 폴리(메타)아크릴레이트, 이소노닐 폴리(메타)아크릴레이트, 이소보로닐 폴리(메타)아크릴레이트, 벤질 폴리(메타)아크릴레이트 및 스테아릴 폴리(메타)아크릴레이트; 아크릴아미드, 예를 들어, 폴리아크릴아미드, 폴리 N-알킬 아크릴아미드, 및 폴리2-아크릴아미드-2-메틸프로판 술폰산; 비닐 에스테르, 예를 들어, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 포르메이트, 폴리비닐 프로피오네이트, 폴리비닐 부티레이트, 폴리비닐 n-카프로레이트, 폴리비닐 이소카프로레이트, 폴리비닐 옥토에이트, 폴리비닐 라우레이트, 폴리비닐 팔미테이트, 폴리비닐 스테아레이트, 폴리비닐 트리메틸아세테이트, 폴리비닐 클로로아세테이트, 폴리비닐 트리클로로아세테이트, 폴리비닐 트리플루오로아세테이트, 폴리비닐 벤조에이트 및 폴리비닐 피바레이트; 폴리비닐알코올; 아세탈 레진, 예들 들어, 폴리비닐 부티랄; 폴리메틸렌, 예를 들어, 테트라메틸렌, 헥사메틸렌, 옥타메틸렌, 데카메틸렌, 도데카메틸렌 및 테트라데카메틸렌; 폴리올레핀, 예를 들어, 장쇄 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리이소부틸렌; 및 불소 수지, 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플로라이드 등을 포함한다. 이들의 공중합체 및 상기 유기 고분자의 둘 또는 그 이상의 혼합물이 본 발명에 사용될 수 있다. 내산성 및 내열성 때문에, 이들 유기 물질 중에 폴리에테르류, 폴리올레핀류, 불소 수지등이 특히 바람직하다. 막에 유연성의 부여와, 3차원 가교 구조체 및 양성자 전도성 부여제와의 상용성을을 고려할 때, 예를 들어, 폴리테트라메틸렌 옥사이드, 폴리헥사메틸렌 옥사이드등의 폴리에테르가 더욱 바람직하다. 폴리에테르는 적절한 유연성을 가지고 있고, 에테르 결합의 극성으로 인하여 3차원 가교 구조체 및 양성자 전도성 부여제와 잘 상용될 수 있다. 결과적으로, 이들은 양성자 전도성 부여제의 더욱 많은 량이 첨가되는 것을 가능케 하며, 높은 양성자 전도성을 얻는데 매우 유리하다.Compounds useful in the present invention as organic material (A) include, but are not limited to, polyethers such as polytetramethylene oxide, polyhexamethylene oxide, and the like; Polyacrylic and polymethacrylic acids (hereinafter referred to as the generic name "poly (meth) acrylic acid"), for example n-propyl poly (meth) acrylate, isopropyl poly (meth) acrylate, n-butyl poly (Meth) acrylate, isobutyl poly (meth) acrylate, sec-butyl poly (meth) acrylate, tert-butyl poly (meth) acrylate, n-hexyl poly (meth) acrylate, cyclohexyl poly (meth ) Acrylate, n-octyl poly (meth) acrylate, isooctyl poly (meth) acrylate, 2-ethylhexyl poly (meth) acrylate, decyl poly (meth) acrylate, lauryl poly (meth) acrylate Isononyl poly (meth) acrylate, isoboroyl poly (meth) acrylate, benzyl poly (meth) acrylate and stearyl poly (meth) acrylate; Acrylamides such as polyacrylamide, poly N-alkyl acrylamide, and poly2-acrylamide-2-methylpropane sulfonic acid; Vinyl esters such as polyvinyl acetate, polyvinyl formate, polyvinyl propionate, polyvinyl butyrate, polyvinyl n-caprorate, polyvinyl isocarate, polyvinyl octoate, polyvinyl laurate, poly Vinyl palmitate, polyvinyl stearate, polyvinyl trimethyl acetate, polyvinyl chloroacetate, polyvinyl trichloroacetate, polyvinyl trifluoroacetate, polyvinyl benzoate and polyvinyl pibarate; Polyvinyl alcohol; Acetal resins such as polyvinyl butyral; Polymethylenes such as tetramethylene, hexamethylene, octamethylene, decamethylene, dodecamethylene and tetradecamethylene; Polyolefins such as long chain polyethylene, polypropylene and polyisobutylene; And fluorine resins such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and the like. Copolymers thereof and mixtures of two or more of the above organic polymers may be used in the present invention. Because of acid resistance and heat resistance, polyethers, polyolefins, fluororesins and the like are particularly preferable among these organic materials. In view of imparting flexibility to the membrane and compatibility with the three-dimensional crosslinked structure and the proton conductivity imparting agent, for example, polyethers such as polytetramethylene oxide and polyhexamethylene oxide are more preferable. Polyethers have adequate flexibility and are well compatible with three-dimensional crosslinked structures and proton conductivity granters due to the polarity of the ether bonds. As a result, they enable higher amounts of proton conductivity giving agents to be added, which is very advantageous for obtaining high proton conductivity.

상기 바람직한 특성에 더하여 그것의 내열성을 고려할 때, 폴리테트라메틸렌 옥사이드가 또한 더욱 바람직하다. 조절된 분자량의 폴리테트라메틸렌 옥사이드가 적당한 가격으로 상업적으로 사용될 수 있다. 이것은 막에 충분한 유연성을 부여하고 160℃까지 변색되지 않으며 절단되지 않는 내열성 때문에, 본 발명의 양성자 전도막용으로 사용에 적합할 수 있다.In view of its heat resistance in addition to the above preferred properties, polytetramethylene oxide is also more preferred. Controlled molecular weight polytetramethylene oxide can be used commercially at an affordable price. It may be suitable for use for the proton conductive membrane of the present invention, because it gives the membrane sufficient flexibility and does not discolor to 160 ° C. and is not cut.

폴리테트라메틸렌 옥사이드는 분자량면에서 특별히 제한되지는 않지만, 200 내지 2000의 중량평균 분자량을 갖는 것이 적합하게 사용된다.The polytetramethylene oxide is not particularly limited in terms of molecular weight, but one having a weight average molecular weight of 200 to 2000 is suitably used.

에테르 결합을 가지지 않는 폴리메틸렌 쇄, 또는 이른바 올레핀 쇄가, 열과 산에 대한 내성을 고려할 때, 본 발명에 또한 적합하게 사용된다. 이들은 테트라메틸렌, 헥사메틸렌, 옥타메티렌, 데카메틸렌, 도데카메틸렌, 테트라데카메틸렌, 장쇄 폴리에틸렌류, 분지 이소부틸렌류, 이소프렌류, 및 이들의 혼합물 등을 포함한다. 특히 높은 전도성 때문에, 이들 중 4 내지 20의 탄소수를 가진 메틸렌쇄를 포함한 것이 적합하게 사용된다.Polymethylene chains having no ether bonds, or so-called olefin chains, are also suitably used in the present invention when considering resistance to heat and acid. These include tetramethylene, hexamethylene, octamethylene, decamethylene, dodecamethylene, tetradecamethylene, long chain polyethylenes, branched isobutylenes, isoprene, mixtures thereof, and the like. Particularly because of their high conductivity, those containing a methylene chain having 4 to 20 carbon atoms are suitably used.

본 발명의 유기물질은 극성기, 예를 들어, 카르복실키, 히드록실기, 술폰기 또는 포스포르기 등과 합체되어, 이온 전도 매체 및 무기 가교 화합물과의 상용성을 상향시킬 수도 있다. 폴리에틸렌류 및 불소 수지는 공중합 등에 의해 극성기를 가지는 것이 바람직하다.The organic material of the present invention may be combined with a polar group such as a carboxyl group, a hydroxyl group, a sulfone group or a phosphor group to enhance compatibility with an ion conductive medium and an inorganic crosslinking compound. It is preferable that polyethylenes and fluororesins have a polar group by copolymerization or the like.

내열성에 손상을 입히지 않는 한, 유기물질(A)을, 상기 유기 고분자에 더하여, 쇄상에 연속하여 결합된 4개 이하의 탄소원자를 가진 수분함유 수지(E), 예를 들어, 폴리에틸렌 옥사이드 또는 폴리프로필렌 옥사이드 등과 혼합할 수도 있다. 수분함유 수지는 5 중량% 또는 그 이상을 함유할 수 있는 수지로서 정의된다. 분자량면에서 특별히 제한되지는 않는다고 하더라도, 물에 용해되는 것이 특히 바람직하다. 그러한 수분함유 수지(E)는 양성자 전도 물질로서의 물(D)을 보지(hold)하는 기능을 함으로써, 안정한 양성자 전도 특성이 낮은 온도로부터 광범위한 온도 범위에 걸쳐 발현되도록 기여한다.As long as the heat resistance is not impaired, a water-containing resin (E) having up to 4 carbon atoms continuously bonded to the chain in addition to the organic material (A), for example, polyethylene oxide or polypropylene It may also be mixed with an oxide or the like. Water-containing resins are defined as resins that may contain 5% by weight or more. Although not particularly limited in terms of molecular weight, it is particularly preferable to be dissolved in water. Such a water-containing resin (E) functions to hold water (D) as a proton conducting material, thereby contributing to the stable proton conduction properties being expressed from a low temperature over a wide range of temperatures.

수분함유 수지(E)의 함량은, 예를 들어, 그것의 열적 안정성 및 내산성 등에 따라 변한다 할지라도, 유기물질(A) 100 중량부에 대해 보통 5 내지 95 중량부이고, 바람직하게는 10 내지 80 중량부이다. 함량이 5 중량부 이하이면 막에 대해 충분한 수분 보지력(retentivity)을 부여할 수 없고, 95 중량부 이상이면 막의 내열성이 퇴화할 수도 있다.The content of the water-containing resin (E) is usually 5 to 95 parts by weight, preferably 10 to 80, based on 100 parts by weight of the organic material (A), although it varies depending on, for example, its thermal stability and acid resistance. Parts by weight. If the content is 5 parts by weight or less, sufficient moisture retention can not be imparted to the membrane, and if it is 95 parts by weight or more, the heat resistance of the film may deteriorate.

유기물질(A)의 바람직한 실시예의 하나는 폴리테트라메틸렌 옥사이드와 폴리에틸렌 옥사이드의 조합이다. 그러한 경우에, 폴리테트라메틸렌 옥사이드는 대략 200 내지 2000 중량평균 분자량을 가지며, 폴리에틸렌 옥사이드는 대략 100 내지 1000 중량평균 분자량을 가진다. 비율은 막의 내열성을 손상시키지 않기위해 선택적으로 선택될 수 있다.One preferred embodiment of the organic material (A) is a combination of polytetramethylene oxide and polyethylene oxide. In such cases, the polytetramethylene oxide has a weight average molecular weight of about 200 to 2000, and the polyethylene oxide has a weight average molecular weight of about 100 to 1000. The ratio can be chosen selectively so as not to impair the heat resistance of the membrane.

유기물질(A)과, 금속-산소 결합을 갖는 3차원 가교 구조체(B)는, 이후 설명하는 바와 같이, 공유결합에 의해 서로 결합되어 있는 것이 본 발명에서는 필요하다. 공유결합은 하기 2 방법중의 어느 하나에 의해 도입될 수 있다:It is necessary in the present invention that the organic material (A) and the three-dimensional crosslinked structure (B) having a metal-oxygen bond are bonded to each other by covalent bonds, as described later. Covalent bonds can be introduced by either of the following two methods:

1) 3차원 가교 구조체(B)에 그 자체를 결합시킬 수 있는 치환체, 예를 들어, 가수분해성 시릴기 또는 금속 알콕사이드 등이 유기물질(A)에 미리 도입되고 공유결합을 생성하기 위해 사용되고, 1) Substituents capable of bonding themselves to the three-dimensional crosslinked structure (B), for example, hydrolyzable cyryl groups or metal alkoxides, etc., are introduced in advance into the organic material (A) and used to generate covalent bonds,

2) 유기물질(A)과 반응할 수 있는 치환체, 예를 들어, 이소시아네이트, 비닐, 아미노, 히드록실, 카르복실기 또는 에폭시기 등이 3차원 가교 구조체(B)에 미리 도입되고, 이것이 유기물질(A)과 반응하여 공유결합을 생성한다.2) Substituents capable of reacting with the organic material (A), for example, isocyanate, vinyl, amino, hydroxyl, carboxyl or epoxy groups are introduced into the three-dimensional crosslinked structure (B) in advance, and this is the organic material (A). Reacts with to form a covalent bond.

상기 두가지 방법들 중에, 전자가 더욱 바람직한데, 이는 성분(A) 및 (B)가 분자수준에서 더욱 용이하게 매우 미세하게 분산될 수 있고(나노 분산), 간단하게 사용될 수 있다. 이 경우, 유기물질(A)이 가수분해성 시릴기와 합체되는 것이 바람직하다.Of the two methods, the former is more preferred, where components (A) and (B) can be very finely dispersed (nano dispersion) more easily at the molecular level and can be used simply. In this case, it is preferable that the organic substance (A) is incorporated into the hydrolyzable silyl group.

가수분해성 시릴기는 물과 반응하여 실란올(Si-OH)을 형성하는 기로서, 하나 또는 그 이상의 알콕시기(예를 들어, 메톡시, 에톡시, n-프로폭시, 이소프로폭시 또는 n-부톡시기 등) 또는 클로라인이 결합되는 실리콘을 포함한다.Hydrolyzable silyl groups are groups that react with water to form silanol (Si-OH) and include one or more alkoxy groups (eg, methoxy, ethoxy, n-propoxy, isopropoxy or n-butoxide). Or the like) or silicone to which the chlorine is bound.

가수분해성 시릴기가 합체되는 유기물질(A)의 예는 비스(트리에톡시시릴) 부 탄, 비스(트리에톡시시릴) 헥산, 비스(트리에톡시시릴) 옥탄, 비스(트리에톡시시릴) 노난, 비스(트리에톡시시릴) 데칸, 비스(트리에톡시시릴) 도데칸, 비스(트리에톡시시릴) 테트라도데칸, 일반식 R1 3-x-R2 x-Si-(CH2) n-Si-R1 3-x-R2 x [R1 은 히드록시, 메톡시, 에톡시, 이소프로폭시, n-프로폭시, n-부톡시, 이소부톡시, t-부톡시기 또는 클로라인; R2 는 메틸, 에틸, n-프로필 또는 이소프로필기; (x)는 0 내지 2의 정수이고; (n)은 4 내지 20의 정수이다]로 표시되는 화합물, 상업적으로 사용가능한, 말단에 가수분해성 시릴기를 가진 폴리프로필렌 옥사이드 (KANEKA CORPORATION, SILYLTM), 말단 및/또는 측쇄에 가수분해성 시릴기를 가진 폴리이소부틸렌 (KANEKA CORPORATION, EPIONTM), 말단 및/또는 측쇄에 가수분해성 시릴기를 가진 폴리아크릴레이트 (KANEKA CORPORATION, GEMLACTM), 및 폴리(에틸렌-공-알콕시비닐실란) (Aldrich) 등을 포함한다. Examples of the organic material (A) in which the hydrolyzable silyl group is incorporated include bis (triethoxysilyl) butane, bis (triethoxysilyl) hexane, bis (triethoxysilyl) octane and bis (triethoxysilyl) nonane , Bis (triethoxysilyl) decane, bis (triethoxysilyl) dodecane, bis (triethoxysilyl) tetradodecane, general formula R 1 3-x -R 2 x -Si- (CH 2 ) n -Si-R 1 3-x -R 2 x [R 1 Silver hydroxy, methoxy, ethoxy, isopropoxy, n-propoxy, n-butoxy, isobutoxy, t-butoxy group or chlorine; R 2 is a methyl, ethyl, n-propyl or isopropyl group; (x) is an integer from 0 to 2; (n) is an integer from 4 to 20], a commercially available polypropylene oxide (KANEKA CORPORATION, SILYL ) having a hydrolyzable silyl group at the terminal, and having a hydrolyzable silyl group at the terminal and / or side chain Polyisobutylene (KANEKA CORPORATION, EPION TM ), polyacrylates having hydrolyzable cyryl groups at the ends and / or side chains (KANEKA CORPORATION, GEMLAC TM ), and poly (ethylene-co-alkoxyvinylsilane) (Aldrich) Include.

유기물질은, 그것이 히드록실 또는 아미노기를 가지고 있을 때에는 상업적으로 사용가능한 3-트리에톡시시릴프로필 이소시아네이트 (Shin-Etsu Silicone, KBE9007)와 반응시키거나, 또는 그것이 할로겐을 가지고 있을 때에는 3-트리에톡시시릴프로필아민과 반응시켜서 가수분해성 시릴기를 합체시킬 수 있다. 그것이 불포화 결합을 가지고 있을 때에는 촉매, 예를 들어, 클로로플라틴산(chloroplatinic acid: 이른바 하이드로실레이션 반응)의 존재하에서 시릴 하이드라이드, 예를 들어, 트리알콕시실란 또는 디알콕시모노알킬실란과 반응시켜 가수분해성 실릴기를 또한 용이하게 합체시킬 수 있다. 유기물질이 고분자일 때에는, 관능기(예를 들어, 중합가능한 불포화 결합)를 가진 가수분해성 시릴 화합물과 유기 고분자 단량체를 공중합시켜, 말단 및/또는 측쇄에 가수분해성 시릴기를 가진 유기 고분자를 용이하게 생성할 수 있다.The organic material is reacted with commercially available 3-triethoxysilylpropyl isocyanate (Shin-Etsu Silicone, KBE9007) when it has a hydroxyl or amino group, or 3-triethoxy when it has a halogen The hydrolyzable silyl group can be coalesced by reacting with silylpropylamine. When it has an unsaturated bond, it is reacted with a silyl hydride such as trialkoxysilane or dialkoxy monoalkylsilane in the presence of a catalyst such as chloroplatinic acid. Hydrolyzable silyl groups can also be easily incorporated. When the organic material is a polymer, a hydrolyzable silyl compound having a functional group (e.g., a polymerizable unsaturated bond) and an organic polymer monomer are copolymerized to easily generate an organic polymer having a hydrolyzable silyl group at the terminal and / or side chain. Can be.

상기 유기물질의 대부분은 둘 또는 그 이상의 가수분해성 시릴기를 가지고 있다. 둘 또는 그 이상의 가수분해성 시릴기를 가진 것이 바람직한데, 그것이 강인성 있는 막을 제공하기 때문이다. 그러나, 이들이 제공하는 막이 충분히 강력하기만 하다면, 하나의 가수분해성 시릴기를 가진 것도 본 발명에 또한 유용할 수 있다.Most of the organic materials have two or more hydrolyzable cyryl groups. It is desirable to have two or more hydrolyzable cyryl groups, because it provides a tough membrane. However, as long as the membranes they provide are strong enough, having one hydrolyzable silyl group can also be useful in the present invention.

하나의 가수분해성 시릴기를 가진 유기물질은 바람직하게는 적어도 하나의 산성기(예를 들어, 술폰기 또는 포스포르기 등), 히드록실기, 친수성기 (예를 들어, 암모니움 염과 같은 약염기성 염 등) 등을 가진다. 상기 친수성기는 막의 수분 보지력을 향상시키고 양성자 전도성을 촉진하는 작용을 한다. 탄소원자 수 및 분자량에 있어서 특별히 제한이 없다고 할지라도, 일반적으로 말해서, 하나의 가수분해성 시릴기를 가진 유기물질은 분자량 1000 또는 그 이하를 가진다. 1000 이상의 분자량을 가진 것은 막의 강도 또는 내열성을 열화시킬 수 있다. 그러한 유기물질의 함량은 막이 충분한 강도와 내열성을 가지는 한 특별히 제한이 없으나, 막의 전체 고체 성분에 대하여 80 중량% 또는 그 이하이고, 바람직하게는 60 중량% 또는 그 이하이다.The organic material having one hydrolyzable silyl group is preferably at least one acidic group (e.g., sulfonic or phosphoric group), hydroxyl group, hydrophilic group (e.g., weakly basic salt such as ammonium salt) Etc.). The hydrophilic group serves to enhance the water retention of the membrane and promote proton conductivity. Although there is no particular limitation on the number of carbon atoms and the molecular weight, generally speaking, an organic material having one hydrolyzable silyl group has a molecular weight of 1000 or less. Having a molecular weight of 1000 or more can degrade the strength or heat resistance of the membrane. The content of such organic materials is not particularly limited as long as the film has sufficient strength and heat resistance, but is 80% by weight or less with respect to the total solid component of the film, and preferably 60% by weight or less.

가수분해성 시릴기가 합체되어 있는 때, 유기물질은 3차원 가교 구조체(B)용 전구체와 더 합체될 필요는 없다. 왜냐하면, 시릴기 자체는 가수분해 등에 의해 그러한 구조를 생성할 수 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 그것은 그러한 전구체와 역시 합체될 수도 있다.When the hydrolyzable silyl group is incorporated, the organic material need not be further incorporated with the precursor for the three-dimensional crosslinked structure (B). This is because the silyl group itself can produce such a structure by hydrolysis or the like. Nevertheless, it may also be incorporated with such precursors.

따라서, 가수분해성 시릴기가 합체되어 있을 때, 유기물질은 공유결합을 통해 3차원 가교 구조체에 결합되어, 이른바 무기/유기 혼합체 막을 제공할 수 있는데, 여기서 이들은 금속-산소 결합을 경유하여 분자수준에서 이들이 혼성된다. 그러한 막은 고온에서 작동될 수 있는 양성자 전도막으로 매우 적합한데, 3차원 가교 구조체에서의 잠재적인 열적 안정성이 더 향상되기 때문이다. 더욱이, 가교 유기물질은 고온에서 막을 더욱 안정하게 만드는데, 그렇지 않으면 용해되거나 구조적 변화를 격게된다.Thus, when hydrolyzable silyl groups are coalesced, organic materials can be bonded to the three-dimensional crosslinked structure via covalent bonds, providing a so-called inorganic / organic mixture membrane, where they are at the molecular level via metal-oxygen bonds. Mixed. Such membranes are well suited as proton conductive membranes that can be operated at high temperatures because the potential thermal stability in three-dimensional crosslinked structures is further improved. Moreover, the crosslinked organic material makes the film more stable at high temperatures, otherwise it will dissolve or suffer structural changes.

본 발명의 양성자 전도막은 열에 대한 충분한 내성을 가지는 동시에 MEA를 사용하기에 편리한 유연성과 제조에 있어서의 용이성을 갖는데, 이것은 막에서 결합되는, 내열성 성분으로서의 3차원 가교 구조체(B)와 유연성 성분으로서의 유기물질(A)로부터 발생한다. 열에 대한 충분한 내성은 100℃ 또는 그 이상의 온도, 바람직하게는 140℃ 또는 그 이상의 온도의 아주 높은 허용가능하고 작용가능한 온도를 의미한다.The proton conductive membranes of the present invention have sufficient resistance to heat and at the same time have the flexibility and ease of manufacture that are convenient to use MEAs, which are combined in the membranes as three-dimensional crosslinked structures (B) and organic as flexible components. From substance (A). Sufficient resistance to heat means a very high acceptable and operable temperature of 100 ° C. or higher, preferably 140 ° C. or higher.

2.2. 특정 금속-산소 결합을 가진 3차원 가교 구조체(B)Three-dimensional crosslinked structure with specific metal-oxygen bonds (B)

본 발명의 양성자 전도막은, 앞서 기술한 바와 같이, 유기물질(A), 특정 금속-산소 결합을 가진 3차원 가교 구조체(B), 양성자 전도성 부여제(C) 및 물(D)을 포함한다.As described above, the proton conductive film of the present invention includes an organic material (A), a three-dimensional crosslinked structure (B) having a specific metal-oxygen bond, a proton conductivity providing agent (C), and water (D).

특정 금속-산소 결합을 가진 본 발명의 3차원 가교 구조체(B)는 두 개의 주요 기능을 책임지는바, 하나는 양성자 전도막에 높은 내열성을 부여하는 것으로서 이는 성분(A)와 (B)를 서로 강력하게 결합시키기는 공유결합으로부터 오며, 다른 하나는, 후술하는 바와 같이, 양성자 전도성 부여제(C)를 보지(hold)하고 있는 것이다. The three-dimensional crosslinked structure (B) of the present invention having a specific metal-oxygen bond is responsible for two main functions, one to impart high heat resistance to the proton conductive membrane, which is a component (A) and (B) The strong bond comes from the covalent bond, and the other is to hold the proton conductivity imparting agent (C) as described later.

특정 금속-산소 결합을 가진 3차원 가교 구조체(B)는 금속 산화물, 예를 들어, 실리콘, 티타니움 또는 지르코늄 옥사이드 등에 의해 형성된 구조체를 의미한다. 그러한 구조(B)는 보통 이른바 졸-겔 반응에 의해 용이하게 제조될 수 있는바, 여기서 가수분해성 금속 함유기를 가진 전구체로서의 금속성 화합물(예를 들어, 금속 알콕사이드 또는 금속 할라이드)은 가수분해되고 축합된다.Three-dimensional crosslinked structure (B) having a specific metal-oxygen bond means a structure formed by a metal oxide, for example, silicon, titanium, zirconium oxide, or the like. Such structures (B) can usually be readily prepared by so-called sol-gel reactions, in which metallic compounds (eg metal alkoxides or metal halides) as precursors with hydrolyzable metal containing groups are hydrolyzed and condensed .

가수분해성 금속 함유기는 전구체에 필수적으로 존재되는 것은 아니며, 유기물질(A)에 치환기로서 존재할 수도 있다. 그것이 유기물질(A)에 존재할 때, 전구체는 가수분해성 금속 함유기를 가진 유기물질(A)에 의해 치환될 수도 있다.The hydrolyzable metal-containing group is not necessarily present in the precursor, and may exist as a substituent in the organic material (A). When it is present in the organic material (A), the precursor may be replaced by the organic material (A) having a hydrolyzable metal containing group.

특정 금속-산소 결합을 가진 3차원 가교 구조체(B) 중에, 실리콘-산소 결합을 가진 것이 특히 바람직하다. 이것은 원료(stocks)로서 알콕시 실리케이트 또는 할로겐화 시릴기를 사용하는 졸-겔 공정에 의해 쉽게 제조될 수 있다. 원료 물질로서의 실리콘 화합물은 저렴하고 그것의 활성을 용이하게 조절할 수 있으며, 이는 공정을 더욱 경제적이고 공정가능하게(processable) 만든다.Of the three-dimensional crosslinked structures (B) having specific metal-oxygen bonds, those having silicon-oxygen bonds are particularly preferable. It can be readily prepared by a sol-gel process using alkoxy silicates or halogenated silyl groups as stocks. Silicone compounds as raw materials are inexpensive and can easily control their activity, which makes the process more economical and processable.

3차원 가교 구조체(B)에 대한 유기물질(A)의 비는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 3:97 내지 99:1 중량비, 더욱 바람직하게는 10:90 내지 97:3 이다. 유기물질(A)은 3 중량% 이하에서 막에 유연성을 충분히 부여하지 못하고, 3차원 가교 구조체(B)는 1 중량% 이하에서 막에 내열성을 충분히 부여하지 못한다.The ratio of the organic material (A) to the three-dimensional crosslinked structure (B) is not particularly limited, but is preferably 3:97 to 99: 1 by weight, more preferably 10:90 to 97: 3. The organic material (A) does not provide sufficient flexibility to the film at 3% by weight or less, and the three-dimensional crosslinked structure (B) does not give sufficient heat resistance to the film at 1% by weight or less.

3. 3. 양성자 전도성 부여제(C)Proton Conductor (C)

앞서의 설명과 같이, 본 발명의 양성자 전도막은, 유기물질(A)과 특정 금속-산소 결합을 포함하는 3차원 가교 구조체(B)에 더하여, 양성자 전도성 부여제(C)와 물(D)을 포함한다.As described above, the proton conductive film of the present invention, in addition to the three-dimensional crosslinked structure (B) containing the organic material (A) and a specific metal-oxygen bond, a proton conductivity providing agent (C) and water (D) Include.

본 발명의 양성자 전도성 부여제(C)는 양성자 전도막에서 양성자 농도를 높이기 위하여 사용된다. 증가된 양성자 농도는, 양성자 농도에 비례하여 늘어나는 양성자 전도도와 양성자 전도 매질 (본 발명에서의 물(D))의 농도를 고려할 때, 본 발명을 위한 높은 양성자 전도성에 필수적이다.The proton conductivity imparting agent (C) of the present invention is used to increase the proton concentration in the proton conductive membrane. Increased proton concentration is essential for high proton conductivity for the present invention, given the increased proton conductivity and the concentration of the proton conducting medium (water (D) in the present invention) which is proportional to the proton concentration.

양성자를 방출하는 이른바 산성 화합물은 양성자 전도성 부여제(C)로서 사용된다. 양성자 전도성 부여제(C)로서 유용한 산성 화합물은 인산, 황산, 아황산, 카르복실산, 붕산, 무기 고체산, 및 이들의 유도체를 포함한다. 이들 산의 둘 또는 그 이상이나 이들의 유도체가 본 발명에 사용될 수도 있다.So-called acidic compounds which release protons are used as proton conductivity imparting agents (C). Acidic compounds useful as proton conductivity imparting agents (C) include phosphoric acid, sulfuric acid, sulfurous acid, carboxylic acids, boric acid, inorganic solid acids, and derivatives thereof. Two or more of these acids or derivatives thereof may be used in the present invention.

이들 중 무기 고체산이 더욱 바람직하다. 이들은, 예들 들어, 텅스토포스포르산(tungstophosphoric acid), 텅스토실릭산(tungstosilicic acid), 및 몰리브도포스포르산(molybdophosphoric acid)과 같은 켁긴(Keggin) 구조의 산, 및 다우슨(Dawson) 구조의 폴리헤테로 산을 포함하여, 무기 옥소산(oxo acid)이다.Among these, inorganic solid acid is more preferable. These include, for example, acid with a Keggin structure such as tungstophosphoric acid, tungstosilicic acid, and molybdophosphoric acid, and Dawson. It is an inorganic oxo acid, including polyhetero acid of structure).

이들 무기 고체산은, 물 등의 존재하에서 조차, 막으로부터 상당한 정도로 산의 용출(elution)을 조절하기에 충분히 큰 분자 크기를 가지고 있다. 더욱이, 이들은 이온 극성을 가지고, 금속-산소 결합과의 상호작용에 의해 막내에 보지되며, 막으로부터의 산의 용출을 조절하는 작용을 한다. 이들은 연장된 기간동안 고온에서 작용시 양성자 전도막에 특히 바람직한 성질이다.These inorganic solid acids have a molecular size large enough to control the elution of the acid to a significant extent from the membrane, even in the presence of water and the like. Moreover, they have ionic polarity, are retained in the membrane by interaction with metal-oxygen bonds, and serve to regulate the dissolution of acids from the membrane. They are particularly desirable properties for proton conducting membranes when operating at elevated temperatures for extended periods of time.

고체 무기산 중에서 텅스토포스포르산이, 높은 산성, 큰 크기 및 금속-산소 결합과의 극성 상호작용의 크기를 고려할 때, 특히 바람직하다. 무기 고체산은 본 발명의 양성자 전도성 부여제(C)용의 또 다른 산과 함께 사용될 수도 있다. 둘 또는 그 이상의 유기 및 무기산이 상기 부여제(C)로서 또한 사용될 수 있다.Among the solid inorganic acids, tungstophosphoric acid is particularly preferred given the high acidity, large size and magnitude of polar interaction with the metal-oxygen bond. The inorganic solid acid may be used together with another acid for the proton conductivity imparting agent (C) of the present invention. Two or more organic and inorganic acids may also be used as the imparting agent (C).

양성자 전도성 부여제(C)의 함량은 유기 화합물(A)과 3차원 가교 구조체(B) 전체 100 중량부당 바람직하게는 5 중량부 또는 그 이상이다. 5 중량부 이하일 때는, 불충분한 양성자 농도 때문에 막의 우수한 양성자 전도성이 기대될 수 없다. 양성자 전도성 부여제(C)의 함량의 상한은 없고, 막 물성이 그것에 의해 손상되지 않는 한 많이 사용될 수도 있다. 성분(A)과 (B) 전체 100 중량부에 대하여 500 중량부 이상에서, 막은 고체산이 사용될 때 보통 지나치게 경직되고 부서지기 쉽고, 액체산이 사용될 때 역으로 지나치게 부드러워진다. 따라서, 함량을 500 중량부 또는 그 이하로 하는 것이 적합하다.The content of the proton conductivity imparting agent (C) is preferably 5 parts by weight or more per 100 parts by weight of the total of the organic compound (A) and the three-dimensional crosslinked structure (B). At 5 parts by weight or less, good proton conductivity of the membrane cannot be expected due to insufficient proton concentration. There is no upper limit to the content of the proton conductivity imparting agent (C), and many may be used as long as the film properties are not impaired by it. At 500 parts by weight or more relative to 100 parts by weight of the components (A) and (B) in total, the membrane is usually too rigid and brittle when a solid acid is used, and conversely too soft when a liquid acid is used. Therefore, it is suitable to make the content 500 parts by weight or less.

4.4. 물(D)Water (D)

본 발명의 양성자 전도막은, 앞서 설명한 바와 같이, 유기물질(A), 특정 금속-산소 결합을 포함하는 3차원 가교 구조체(B), 및 양성자 전도성 부여제(C)에 더하여 물(D)을 포함한다.The proton conductive film of the present invention, as described above, includes water (D) in addition to an organic material (A), a three-dimensional crosslinked structure (B) containing a specific metal-oxygen bond, and a proton conductivity providing agent (C). do.

본 발명에서, 물(D)은 양성자를 효과적으로 전도하기 위한 매체로 작용한다. 물이 양성자를 전도하는 서너가지 반응기전이 있다. 예를 들어, 물이 양성자를 받아들여 H3O+이 되고 그것 자체로서 움직인다. 또 다른 반응기전에서는, 양성자들이 물 분자위로 도약한다(hop over). 어떠한 반응기전도 본 발명에 유용하다.In the present invention, water (D) serves as a medium for effectively conducting protons. There are three or four reactors in which water conducts protons. For example, water accepts protons and becomes H 3 O + and moves on its own. In another reactor, protons hop over water molecules. Any reactor is useful in the present invention.

연료전지가 습한 대기에서 사용되거나 시험될 때, 물이 막내로 도입된다. 따라서, 물을 도입하기 위하여 막을 물내로 미리 침지할 수도 있다. 물이나 수증기의 존재하에서 형성될 때, 물은 막내로 도입될 수 있다. When fuel cells are used or tested in a humid atmosphere, water is introduced into the membrane. Thus, the membrane may be pre-soaked into water to introduce water. When formed in the presence of water or steam, water can be introduced into the membrane.

양성자 전도막내에 물을 효과적으로 도입하기 위하여, 막에 수분 보지력(retentivity)을 부여하는 것이 권장된다. 따라서, 물이나 수증기하에서 3차원 가교 구조체를 형성하여 제조단계, 특히 졸-겔 반응 동안에 물을 함유하게 하는 것이 바람직하다.In order to effectively introduce water into the proton conductive membrane, it is recommended to impart moisture retentivity to the membrane. Therefore, it is desirable to form a three-dimensional crosslinked structure under water or steam to contain water during the manufacturing step, in particular during the sol-gel reaction.

물(D)의 함량이 늘어남에 따라, 막은 더 높은 양성자 전도성을 갖는 경향이 있다. 그러나, 함량은 1 내지 60 중량%의 범위내에 있는 것이 보통이다. 1 중량%이하일 때에는, 막은 충분한 양성자 전도성을 가지지 못한다. 60 중량% 이상의 함량도 바람직하지 않은데, 그것은 막이 과도하게 다공성이거나 팽윤될 수 있기 때문이다. 연료전지용 막이 과도하게 다공성일 때, 연료로서 수소는 양극에서 누출되어(화학적 단락으로 알려진 현상), 에너지 효율이 크게 손실되는 결과를 초래한다. 반면에, 막이 물에 의해 과도하게 팽윤될 때에는, 전극 또는 막 자체에 손상을 입힐 정도로 충분한 응력을 발생시킬 수 있는 부피 변화를 겪을 수도 있다. 따라서, 수분 함량은 바람직하게는 60 중량% 또는 그 이하로 유지된다.As the water (D) content increases, the membrane tends to have higher proton conductivity. However, the content is usually in the range of 1 to 60% by weight. When less than 1% by weight, the membrane does not have sufficient proton conductivity. A content of more than 60% by weight is also undesirable because the membrane may be excessively porous or swell. When the fuel cell membrane is excessively porous, hydrogen as fuel leaks out of the anode (a phenomenon known as chemical shorting), resulting in a significant loss of energy efficiency. On the other hand, when the membrane is excessively swelled by water, it may also undergo a volume change that can generate enough stress to damage the electrode or the membrane itself. Therefore, the moisture content is preferably maintained at 60% by weight or less.

수분 함량은 3차원 가교 구조체의 유기물질 함량의 조성, 양성자 전도성 부여제의 함량, 또는 막이 형성되는 공정조건을 조절함으로써 조절될 수 있다.The moisture content can be controlled by adjusting the composition of the organic material content of the three-dimensional crosslinked structure, the content of the proton conductivity imparting agent, or the process conditions under which the film is formed.

하나 또는 그 이상의 공지된 양성자 전도 물질이 물(D)에 첨가되어, 본 발명에 사용됨으로써 양성자 전도도를 더 촉진할 수 있다. 이들 물질은 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 감마-부틸로락톤, 감마-발레로락톤, 술포란, 3-메틸술포란, 디메틸술폭사이드, 디메틸포름아미드 및 N-메틸로싸졸리디논(N-methyloxazolidinone) 등을 포함한다. 이들 양성자 전도 물질의 함량은 막의 강도가 열화되지 않는 한 특별히 제한되지 않는다. 그러나, 전체 막에 대하여 보통 50중량% 또는 그 이하이다. 물과 하나 또는 그 이상의 양성자 전도 물질의 조합은 물만의 경우보다 더 효과적으로 양성자를 전도하여, 높은 양성자 전도성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 유기물질과 양성자 전도성 부여제의 상용성(compatibility)을 증가시킨다.One or more known proton conducting materials may be added to water (D) to further promote proton conductivity by being used in the present invention. These materials include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, gamma-butylolactone, gamma-valerolactone, sulfolane, 3-methylsulolane, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and N-methylloxazolidinone ( N-methyloxazolidinone) and the like. The content of these proton conducting materials is not particularly limited as long as the strength of the membrane is not degraded. However, it is usually 50% by weight or less with respect to the whole film. The combination of water and one or more proton conducting materials conducts protons more effectively than water alone, resulting in high proton conductivity as well as increasing the compatibility of the organic material with the proton conducting agent.

5.5. 기타 선택적 성분Other optional ingredients

본 발명의 양성자 전도막은, 본 발명의 목적이 손상되지 않는 한, 상기 기술된 유기물질(A), 3차원 가교 구조체(B), 양성자 전도성 부여제(C) 및 물(D)에 더하여 선택적 성분을 포함할 수도 있다. 이들 선택적 성분은 강화제, 계면활성제, 분산제, 반응 촉진제, 안정화제, 유색제, 산화방지제, 및 무기 또는 유기 충진제 등을 포함한다.The proton conductive membrane of the present invention is an optional component in addition to the above-described organic material (A), three-dimensional crosslinked structure (B), proton conductivity providing agent (C) and water (D) as long as the object of the present invention is not impaired. It may also include. These optional ingredients include reinforcing agents, surfactants, dispersants, reaction promoters, stabilizers, colorants, antioxidants, inorganic or organic fillers, and the like.

강화제(F)를 예로 들면, 본 발명의 양성자 전도막은, 금속-산소 결합을 가진 3차원 가교 구조체에 주로 기인한 적절한 강도를 갖는다고 할지라도, 막의 조성에 따라 부서지기 쉬울 수도 있기 때문에 섬유를 보강제로서 사용하는 것이 가능하다.Taking the reinforcing agent (F) as an example, the proton conductive film of the present invention is a fiber reinforcing agent because it may be brittle depending on the composition of the film, even if it has an appropriate strength mainly due to the three-dimensional crosslinked structure having a metal-oxygen bond. It is possible to use as.

고분자(예를 들어, 아크릴, 폴리에스테르, 폴리프로필렌 및 불소 수지 등) 섬유, 천연 기재(예를 들어, 견, 면 및 종이) 및 유리를 포함하는 다양한 물질이 강화 섬유(fibers) 또는 그것의 포직(fabrics)으로 사용될 수 있다. 이들 중, 유리 섬유와 포직이, 그것의 강도와 막 조성과의 상용성의 견지에서 보았을 때, 특히 바람직하다.Various materials include polymeric fibers (eg, acrylic, polyester, polypropylene, and fluorine resins) fibers, natural substrates (eg, silk, cotton, and paper), and glass, and reinforcing fibers or fabrics thereof. Can be used as fabrics. Among them, glass fibers and fabrics are particularly preferable in view of their strength and compatibility with the film composition.

유리 섬유는 표면 처리될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 섬유 직경은 그것이 막내에 균일하게 분산되는 한 특별히 제한이 없다. 막의 두께와의 관계를 고려할 때, 바람직하게는 100㎛ 또는 그 이하, 더욱 바람직하게는 20㎛ 또는 그 이하이다. 섬유 길이는 특별히 제한되지 않는다. 다양한 크기의 유리섬유 또는 그것의 포직이 상업적으로 사용될 수 있다 (예를 들어, Nitto Boseki 제품).Glass fibers may or may not be surface treated. The fiber diameter is not particularly limited as long as it is uniformly dispersed in the membrane. When considering the relationship with the thickness of the film, it is preferably 100 µm or less, more preferably 20 µm or less. The fiber length is not particularly limited. Glass fibers of various sizes or their fabrics can be used commercially (eg from Nitto Boseki).

유리섬유는 막 형성 조성물에 분말 또는 방적사(yarn)의 형태로 첨가됨으로써 쉽게 도입될 수 있다. 유리섬유의 포직이 사용될 때는, 막 조성물에 함침시켜 졸-겔 방법에 의해 경화시키거나 또는 미리 준비된 막에 접착시킬 수 있다.Glass fibers can be easily introduced by adding to the film forming composition in the form of powder or yarn. When a fabric of glass fiber is used, it can be impregnated into the membrane composition and cured by a sol-gel method or adhered to a previously prepared membrane.

유리섬유는 그 자체가 길고 결정성인 섬유, 위스커(whiskers) 등으로 강화될 수도 있다.Glass fibers may be reinforced with long, crystalline fibers, whiskers and the like in themselves.

6.6. 양성자 전도 막과 그것의 제조Proton Conductive Membrane And Its Manufacture

본 발명의 양성자 전도막은, 앞서 설명한 바와 같이, 유기물질(A), 특정 금속-산소 결합을 가진 3차원 가교 구조체(B), 양성자 전도성 부여제(C), 물(D), 및 필요에 따라서는 하나 또는 둘 이상의 선택적 성분(예를 들어, 유리섬유)을 포함한 다. 유기물질(A)과 3차원 가교 구조체(B)가 공유 결합에 의해 서로 강력하게 결합되어있다는 것이 주요한 특징이다.As described above, the proton conductive film of the present invention includes an organic material (A), a three-dimensional crosslinked structure (B) having a specific metal-oxygen bond, a proton conductivity providing agent (C), water (D), and, if necessary, Comprises one or more optional components (eg, glass fibers). The main feature is that the organic material (A) and the three-dimensional crosslinked structure (B) are strongly bonded to each other by covalent bonds.

앞서 선행기술의 설명에 기재된 바와 같이, 금속-산소 결합에 의해 가교화된 유기물질과 구조체의 단순한 혼합은 알려져 있다. 그러나, 그러한 혼합은 막에 필요한 유기물질에 의해 유연성과 3차원 가교 구조체에 의한 내열성을 동시에 실현하기에는 부족하다. 단순한 혼합물의 경우, 유기물질의 함량은 막의 유연성을 담보할 수 있을 정도로 증가되어야 한다. 막내에 상당히 높은 함량으로 존재하는 유기물질이 양성자 전도성이 아닐 때에는, 그것이 양성자의 경로를 차단하여 막의 양성자 전도성을 떨어뜨리게 될 것이다. 반면에, 그것이 양성자 전도성일 때조차도, 내열성의 상당한 향상을 기대할 수 없고, 전형적인 불소 수지막보다 높은 내열성을 유지하기는 어렵다.As described previously in the description of the prior art, simple mixing of structures and organic materials crosslinked by metal-oxygen bonds is known. However, such mixing is insufficient to realize both flexibility and heat resistance by the three-dimensional crosslinked structure by the organic materials required for the film. In the case of simple mixtures, the content of organic matter should be increased to ensure the flexibility of the membrane. If the organic material present in the membrane in a very high content is not proton conductive, it will block the proton pathway and reduce the proton conductivity of the membrane. On the other hand, even when it is proton conductivity, a significant improvement in heat resistance cannot be expected, and it is difficult to maintain higher heat resistance than a typical fluororesin film.

유기물질과 3차원 가교 구조체은 본 발명의 양성자 전도막내에서 가교 결합에 의해 서로 결합되어 있어서, 결과적으로 이들은 분자수준(나노 분산)에서 매우 미세하게 분산되어 있다. 따라서, 막의 유연성을 보장하기 위하여 요구되는 충분한 함량으로 유기물질이 존재할 때에도, 양성자 전도 경로는 끊기지 않을 것이다. 그것이 매우 내열성의 3차원 가교 구조체에 결합되기 때문에, 가열하에서 그것의 분자의 절단(즉, 열 분해 등)은 조절된다. 결과적으로, 양성자 전도막은 유연하고 동시에 내열성을 갖는다.The organic material and the three-dimensional crosslinked structure are bonded to each other by crosslinking in the proton conductive film of the present invention, and as a result, they are very finely dispersed at the molecular level (nano dispersion). Thus, even when the organic material is present in a sufficient amount required to ensure the flexibility of the membrane, the proton conduction path will not be interrupted. Since it is bonded to a highly heat resistant three-dimensional crosslinked structure, the cleavage of its molecules (ie, thermal decomposition, etc.) under heating is controlled. As a result, the proton conductive membrane is flexible and at the same time heat resistant.

또한, 유기물질은 필수적으로 가교화되어 있어서, 가교화되어 있지 않다면 용해되어 버리거나 구조적으로 변하게 되는 고온에서 막을 안정화시킨다.In addition, the organic material is essentially crosslinked to stabilize the film at high temperatures that would otherwise dissolve or become structurally uncrosslinked.

본 발명의 양성자 전도막은 다양한 방법, 예를 들어, 하기 5가지 방법들 중의 어느 하나에 의해 제조될 수 있다.The proton conductive membrane of the present invention can be prepared by various methods, for example, any one of the following five methods.

1) 유기물질, 3차원 가교 구조체를 형성할 수 있는 가수분해성 무기 화합물 및 양성자 전도성 부여제를 포함하는 조성물의 반응계를 제조하고 이를 공지된 방법에 의해 박막으로 만든다. 졸-겔 반응은 물 또는 수증기 존재하의 이러한 박막 반응계에서 이뤄진다.1) A reaction system of a composition comprising an organic material, a hydrolyzable inorganic compound capable of forming a three-dimensional crosslinked structure, and a proton conductivity-imparting agent is prepared and made into a thin film by a known method. The sol-gel reaction takes place in this thin film reaction system in the presence of water or steam.

2) 유기물질, 3차원 가교 구조체를 형성할 수 있는 가수분해성 무기 화합물 및 양성자 전도성 부여제를 포함하는 조성물의 반응계를 제조하고 이를 공지된 방법에 의해 박막으로 만든다. 졸-겔 반응은 물 또는 수증기, 및 4 개 또는 그 이하의 탄소수를 가진 알코올 또는 그것의 증기 존재하의 이러한 박막 반응계에서 이뤄진다.2) A reaction system of a composition comprising an organic material, a hydrolyzable inorganic compound capable of forming a three-dimensional crosslinked structure, and a proton conductivity-providing agent is prepared and made into a thin film by a known method. The sol-gel reaction takes place in such thin film reaction systems in the presence of water or water vapor and alcohols having 4 or less carbon atoms or vapors thereof.

3) 유기물질과 금속-산소 결합에 의해 3차원적으로 가교화된 구조체를 포함하는 막을 제조하고, 이 막을 양성자 전도성 부여제를 포함하고 있는 액체내에 침지시켜 상기 성분을 도핑한다.3) A membrane comprising a structure three-dimensionally crosslinked by an organic material and a metal-oxygen bond is prepared, and the membrane is immersed in a liquid containing a proton conductivity imparting agent to dope the component.

4) 다공성 무기 가교 구조체를 제조하고 조성을 위하여 유기 화합물의 용액에 침지시킨다. 그런 다음, 혼성체(composite)를 양성자 전도성 부여제로 도핑한다.4) A porous inorganic crosslinked structure is prepared and immersed in a solution of organic compounds for composition. The composite is then doped with a proton conductivity imparting agent.

5) 유기 화합물의 막을 제조하고, 금속-산소 결합으로 3차원 가교화된 구조체를 형성하기 위한 전구체 용액으로 팽윤시킨다. 졸-겔 반응을 팽윤된 막에서 이룬 다음, 양성자 전도성 부여제로 도핑한다.5) A film of organic compound is prepared and swollen with a precursor solution to form a three-dimensional crosslinked structure with metal-oxygen bonds. The sol-gel reaction is carried out in the swollen film and then doped with a proton conductivity imparting agent.

방법 1) 및 2)에서, 유기물질과, 3차원 가교 구조체를 형성할 수 있는 가수분해성 무기 화합물을, 앞서 설명한 바와 같이, 개별적인 원료(stocks)로서 부가할 필요는 없다. 예를 들어, 유기 화합물이 가수분해성 시릴기 또는 가수분해성 금속 함유기(예를 들어, 금속 알콕사이드)를 가지고 있을 경우, 후자의 가수분해성 무기 화합물은 생략될 수 있다.In methods 1) and 2), organic materials and hydrolyzable inorganic compounds capable of forming a three-dimensional crosslinked structure do not need to be added as individual stocks, as described above. For example, when the organic compound has a hydrolyzable silyl group or a hydrolyzable metal containing group (eg, metal alkoxide), the latter hydrolyzable inorganic compound may be omitted.

방법 5)에서, 유기 화합물은 공유결합이나, 예를 들어, 수소결합 또는 결정화와 같은 유사 가교 구조에 의해 가교 구조를 가질 수도 있다. 졸-겔 반응 동안 가교될 수도 있고, 또는 박막으로 제조한 후 가교를 위하여 전자빔이나 자외선을 조사할 수도 있다. In method 5), the organic compound may have a crosslinked structure by covalent bonds or similar crosslinked structures such as, for example, hydrogen bonds or crystallization. It may be crosslinked during the sol-gel reaction, or may be made into a thin film and then irradiated with an electron beam or ultraviolet ray for crosslinking.

본 발명의 목적은, 앞서 기술한 바와 같이, 유기물질(A), 특정 금속-산소 결합을 가진 삼차원 가교 구조체(B), 양성자 전도성 부여제(C), 물(D), 및 필요에 따라서는 하나 또는 그 이상의 선택적 성분(예를 들어, 유리섬유)을 제공하는 것이다. 따라서 그러한 막의 제조방법은 본 목적을 만족시키는 한 특별히 제한되는 것은 아니다. 그러나, 예를 들어 그것의 취급용이성, 확실성 및 투자 비용성 때문에 상기 방법 1) 및 2)가 바람직하다.The object of the present invention is, as described above, to an organic material (A), a three-dimensional crosslinked structure (B) having a specific metal-oxygen bond, a proton conductivity imparting agent (C), water (D), and, if necessary, To provide one or more optional ingredients (eg, glass fibers). Therefore, the method for producing such a film is not particularly limited as long as the present object is satisfied. However, the methods 1) and 2) are preferred, for example, because of their ease of handling, certainty and cost of investment.

본 발명의 양성자 전도막의 제조방법의 더욱 구체적인 설명을 위하여 상기 방법 1) 및 2)를 공정순서에 따라 기술한다.The method 1) and 2) are described according to the process sequence for a more detailed description of the method for producing a proton conductive membrane of the present invention.

첫 번째 단계는 가수분해성 시릴기를 가진 유기물질과, 필요에 따라서는 3차원 가교 구조체를 형성하는, 예를 들어, 금속 알콕사이드 가수분해성 무기 화합물을 혼합한다. 가수분해성 무기 화합물은 유기 화합물에 대하여 100 중량% 이하로 따로따로 첨가하는 것이 바람직한데, 그렇지 않으면, 막이 지나치게 경직될 수 있고 유기 화합물의 유연성 효과가 완전하게 발현되지 않을 수 있다.The first step is to mix the organic material with hydrolyzable silyl groups and, for example, a metal alkoxide hydrolyzable inorganic compound to form a three-dimensional crosslinked structure as needed. The hydrolyzable inorganic compound is preferably added separately to 100% by weight or less with respect to the organic compound, otherwise the membrane may be too rigid and the flexible effect of the organic compound may not be fully expressed.

본 발명에 유용한 가수분해성 무기 화합물은 알콕시실리케이트, 예를 들어, 테트라에톡시실란, 테트라메톡시실란, 테트라이소프로폭시실란, 테트라-n-부톡시실란, 테트라-t-부톡시실란, 및 이들의 모노알킬 및 디알킬 유도체; 페닐트리에톡시실란, 할로겐화 실란, 테트라에톡시 티타네이트, 테트라이소프로폭시 티타네이트, 테트라-n-부톡시 티타네이트, 테트라-t-부톡시 티타네이트, 및 이들의 모노알킬 및 디알킬 유도체; 가교반응율을 조절하는 기로 치환된 화합물, 예를 들어, 아세틸아세톤을 포함하는 알콕시 티타네이트와 이들의 올리고머; 및 알콕시 지르코네이트를 포함한다. 상기 가수분해성 무기 화합물이 알킬기를 포함하고 있는 경우, 알킬기는 친수성기, 예를 들어, 카르복실, 술폰, 설페이트 에스테르, 포스페이트, 아민염 또는 히드록실기 등으로 치환될 수 있다. 친수성기는 막의 수분 함량을 증가시키고 또한 양성자 전도도를 촉진한다.Hydrolyzable inorganic compounds useful in the present invention include alkoxysilicates such as tetraethoxysilane, tetramethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetra-n-butoxysilane, tetra-t-butoxysilane, and these Monoalkyl and dialkyl derivatives of; Phenyltriethoxysilane, halogenated silane, tetraethoxy titanate, tetraisopropoxy titanate, tetra-n-butoxy titanate, tetra-t-butoxy titanate, and monoalkyl and dialkyl derivatives thereof; Compounds substituted with groups for controlling the rate of crosslinking reaction, for example, alkoxy titanate including acetylacetone and oligomers thereof; And alkoxy zirconates. When the hydrolyzable inorganic compound includes an alkyl group, the alkyl group may be substituted with a hydrophilic group, for example, a carboxyl, sulfone, sulfate ester, phosphate, amine salt or hydroxyl group. Hydrophilic groups increase the moisture content of the membrane and also promote proton conductivity.

첫 번째 단계에서, 성분(G)으로서 적절한 용매가 사용될 수도 있다. 본 발명에 유용한 용매는 알코올 (예를 들어, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, n-부탄올, 및 t-부탄올 등), 및 에테르 (예를 들어, 테트라하이드로퓨란 및 디옥산 등)를 포함한다. 용매는 상기 것들에 제한되지 않고, 유기물질, 금속 알콕사이드 등을 용해시키거나 혼합시키는 한 어느 것이라도 사용될 수 있다.In the first step, a suitable solvent may be used as component (G). Solvents useful in the present invention include alcohols (eg, methanol, ethanol, isopropanol, n-butanol, and t-butanol, etc.), and ethers (eg, tetrahydrofuran, dioxane, etc.). The solvent is not limited to the above, and any solvent may be used as long as it dissolves or mixes organic materials, metal alkoxides, and the like.

첫 번째 단계에서, 20 또는 그 이상의 상대 유전상수와 100℃ 또는 그 이상의 비점을 가진 화합물이 용매로서 상기 성분(G)에 부가되어 사용될 수 있다. 20 또는 그 이상의 상대 유전상수를 가진 화합물이 바람직한데, 그것은 이들이 적절한 표면활성 기능을 가지고 있고 유기물질과 무기 화합물을 분산시키는 것을 도울 수 있기 때문이다. 반면에, 100℃ 또는 그 이상의 비점을 가진 화합물이 바람직한데, 그것은 이들이 가열/경화 단계 후에 막에 남아 있고 물로 세척할 때 물에 의해 치환되어 막의 수분 함량을 높이기 때문이다. 더욱이, 상대적으로 낮은 분자량(예를 들어, 100 또는 그 이하)을 가진 화합물이 유기물질로서 사용되어 막을 유연하게 만들때에는 잔류 화합물은 가소제로서 작용할 수 있다.In the first step, a compound having a relative dielectric constant of 20 or more and a boiling point of 100 ° C. or more may be used in addition to the component (G) as a solvent. Compounds with a relative dielectric constant of 20 or more are preferred because they have adequate surface-active functions and can help disperse organic and inorganic compounds. On the other hand, compounds having a boiling point of 100 ° C. or higher are preferred because they remain in the membrane after the heating / curing step and are replaced by water when washed with water to increase the moisture content of the membrane. Moreover, when a compound having a relatively low molecular weight (eg, 100 or less) is used as the organic material to make the film soft, the residual compound can act as a plasticizer.

상기 두 물성을 만족시키는 화합물은 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 감마-부틸로락톤, 감마-발레로락톤, 술포란, 3-메틸술포란, 디메틸술폭사이드, 디메틸포름아미드 및 N-메틸실옥사졸리디논 등을 포함한다.Compounds satisfying these two properties include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, gamma-butylolactone, gamma-valerolactone, sulfolane, 3-methylsulfolane, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and N-methyl Siloxane oxazolidinones and the like.

두 번째 단계는 첫 번째 단계에서 얻어진 용액에 양성자 전도성 부여제를 첨가하여 전구체 용액, 즉, 막 형성을 위한 원료 혼합물을 함유하는 반응계를 제조한다. 첫 번째 및 두 번째 단계는 상기 원료를 동시에 혼합함으로써 제조공정을 단순화시키기 위하여 합체될 수도 있다.In the second step, a proton conductivity imparting agent is added to the solution obtained in the first step to prepare a reaction system containing a precursor solution, i.e., a raw material mixture for film formation. The first and second steps may be incorporated to simplify the manufacturing process by simultaneously mixing the raw materials.

세 번째 단계는 공지된 방법, 예를 들어, 캐스팅이나 코팅 등에 의해 상기 전구체 용액의 막을 제조한다. 네 번째 단계는 이른바 졸-겔 공정인데, 여기서 상기 필름은 물 또는 수증기 존재하에서와 상온 내지 300℃의 범위의 선택적 온도에서 처리되어 목적 필름을 제조한다. 필름은 공지의 방법, 예를 들어, 가압하에서의 오븐이나 고압 반응용기에 의한 가열과 같은 방법으로 네 번째 단계에서 가열될 수도 있다.The third step produces a film of the precursor solution by known methods, for example casting or coating. The fourth step is a so-called sol-gel process wherein the film is treated in the presence of water or steam and at a selective temperature in the range from room temperature to 300 ° C. to produce the desired film. The film may be heated in the fourth step by known methods, for example by heating in an oven or under a high pressure reaction vessel under pressure.

방법 1)에서, 물이나 수증기는 세 번째 단계에서 얻어진 반응계, 즉, 전구체 필름내로 도입되고, 수증기 대기에서나, 또는 물에 용해되지 않는 정도로 경화된 후 물에서 그것을 가열함으로써 전구체를 물과 접촉시키기 때문이다. 상기 조건의 물 또는 수증기의 존재하에서 가열될 때, 전구체 필름의 가수분해와 축합이 효과적으로 이루어져서, 더 높은 내열성의 막을 생성한다. 더욱이, 가수분해의 결과로서 형성된 실란올기는 막의 수분 보지력을 향상시켜, 양성자 전도성을 촉진하게 된다.In the method 1), water or water vapor is introduced into the reaction system obtained in the third step, i.e., the precursor film, and the precursor is brought into contact with water by heating it in water after being cured in the water vapor atmosphere or to the extent that it is not soluble in water. to be. When heated in the presence of water or steam at these conditions, hydrolysis and condensation of the precursor film are effectively effected, resulting in a higher heat resistant film. Moreover, the silanol groups formed as a result of hydrolysis will enhance the water holding capacity of the membrane and promote proton conductivity.

물을 함유하고 있는 필름은 물이나 수증기의 존재하에서 더욱 효과적으로 축합되고 경화되어 그것의 수분 함량을 증가시킨다.Films containing water condense and cure more effectively in the presence of water or water vapor to increase its water content.

수증기 대기는 10 내지 100%의 상대습도를 가진 대기를 의미한다. 수증기의 증가는 가수분해를 촉진한다.Water vapor atmosphere means an atmosphere having a relative humidity of 10 to 100%. The increase in water vapor promotes hydrolysis.

방법 2)에서, 유기물질, 3차원 가교 구조체를 형성하는 가수분해성 무기 화합물 및 양성자 전도성 부여제의 혼합물을 포함하는 반응계(즉, 상기 기술된 세 번째 단계에서 얻어진 전구체 필름)는, 물이나 수증기와 함께 탄소수 4 또는 그 이하의 알코올 또는 그것의 증기와 합체된다. 이 경우에, 방법 1)에서와 같이, 전구체 필름은 용액에 용해되지 않을 정도로 경화된 후에 물/알코올 증기 대기에서 가열될 수 있다. 전구체 필름의 가수분해와 축합은 그것이 팽윤되어 있는 동안 물/알코올 용액이나 증기의 존재하에서 가열될 때 효과적으로 이뤄져서, 적절한 유연성과 더 높은 내열성의 막을 생성한다.In method 2), a reaction system (i.e., the precursor film obtained in the third step described above) comprising a mixture of an organic material, a hydrolyzable inorganic compound forming a three-dimensional crosslinked structure and a proton conductivity imparting agent, Together with alcohol having 4 or less carbon atoms or vapor thereof. In this case, as in method 1), the precursor film may be heated in a water / alcohol vapor atmosphere after it is cured to such an extent that it does not dissolve in solution. Hydrolysis and condensation of the precursor film are effectively effected when heated in the presence of water / alcohol solution or vapor while it is swollen, creating a film with adequate flexibility and higher heat resistance.

방법 2)에 유용한 알코올 화합물은 탄소수 4 또는 그 이하의 알코올 화합물이고, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, n-프로판올, n-부탄올, t-부탄올, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜 및 글리세린 등을 포함한다. 바람직한 알코올/물 비는 1/99 내지 90/10이다.Alcohol compounds useful for method 2) are alcohol compounds having 4 or less carbon atoms and include methanol, ethanol, isopropanol, n-propanol, n-butanol, t-butanol, ethylene glycol, propylene glycol, glycerin and the like. Preferred alcohol / water ratios are 1/99 to 90/10.

물/알코올 혼합 증기 대기는 10 내지 100%의 상대 습도를 가진 대기를 의미한다. 습도를 높이는 것이 바람직한데, 그것은 상대 습도가 100%에 접근함에 따라 막이 더욱 적절하게 패윤되고 더욱 효과적으로 가수분해되기 때문이다.A water / alcohol mixed vapor atmosphere means an atmosphere with a relative humidity of 10 to 100%. It is desirable to increase the humidity, because as the relative humidity approaches 100%, the membrane swells more adequately and hydrolyzes more effectively.

네 번째 단계의 온도 수준은 3차원 가교 구조체가 졸-겔 반응에 의해 형성될 수 있고 유기물질이 그 온도수준에서 분해되지 않는 한 특별히 제한되지 않는다. 막의 두께는 특별히 제한되지는 않지만, 보통 10㎛ 내지 1㎜의 범위에 있다.The temperature level of the fourth step is not particularly limited as long as the three-dimensional crosslinked structure can be formed by the sol-gel reaction and the organic material is decomposed at that temperature level. The thickness of the film is not particularly limited, but is usually in the range of 10 μm to 1 mm.

3차원 가교 구조체의 형성을 촉진하기 위하여, 반응계에 미리 촉매, 예를 들어, 염산, 황산 또는 인산을 합체시킬수 있다. 3차원 가교 구조체의 형성은 알카리의 존재하에서 또한 촉진될 수 있으므로, 염기성 촉매의 사용, 예를 들어, 암모니아가 사용될 수도 있다. 그러나, 산 촉매가 더욱 바람직한데, 그것은 염기성 촉매가 양성자 전도성 부여제와 반응할 수도 있기 때문이다.In order to promote the formation of the three-dimensional crosslinked structure, a catalyst such as hydrochloric acid, sulfuric acid or phosphoric acid may be previously incorporated into the reaction system. The formation of the three-dimensional crosslinked structure can also be promoted in the presence of alkali, so that the use of a basic catalyst, for example ammonia, may be used. However, acid catalysts are more preferred because the basic catalyst may react with the proton conductivity imparting agent.

따라서, 생성된 양성자 전도막은 전혀 예기치 못한 높은 내열성과 지속력 및 고온에서조차 높은 양성자 전도성을 가진 혁신적인 유기/무기 복합체 막으로서, 연료전지용 막으로 적절하게 사용될 수 있다. 본 발명의 양성자 전도막이 연료전지에 사용될 때, 촉매 담지 전극에 결합된 막을 포함하는 이른바 막/전극 어셈블리가 형성된다. 막/전극 어셈블리의 제조방법은 특별히 제한되지 않으며; 적절한 방법, 예를 들어, 양성자 전도 조합체로 막이나 전극을 가열 압축하거나 코팅함으로써 생성될 수 있다.Thus, the resulting proton conductive membrane is an innovative organic / inorganic composite membrane having absolutely high unexpected heat resistance and sustainability and high proton conductivity even at high temperatures, and can be suitably used as a fuel cell membrane. When the proton conductive membrane of the present invention is used in a fuel cell, a so-called membrane / electrode assembly is formed that includes a membrane bonded to a catalyst carrying electrode. The method for producing the membrane / electrode assembly is not particularly limited; It can be produced by any suitable method, for example by heating or compressing or coating a membrane or electrode with a proton conducting combination.

본 발명의 양성자 전도막은 PEFC 뿐만 아니라 화학 센서 또는 이온교환막에 적용될 수 있다.The proton conductive membrane of the present invention can be applied not only to PEFC but also to chemical sensors or ion exchange membranes.

[실시예]EXAMPLE

본 발명을 실시예를 통해 더욱 상세히 설명하지만 그것이 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 하기 실시예와 비교예에 사용된 모든 화합물과 용매는 상업적인 것이다. 이들은 직접 사용되었는바, 즉, 이들 실시예를 위하여 처리되지 않았다.The present invention will be described in more detail by way of examples, which do not limit the invention. All compounds and solvents used in the examples and comparative examples below are commercial. They were used directly, i.e. not processed for these examples.

분석 방법: Analytical Method :

(1) 막내에서의 수분 함량 결정(1) Determination of moisture content in the film

양성자 전도막의 단면은 열중량 분석기(Seiko Instruments, TG/DTA320)에 의해 측정되었다. 막은 일반적으로 90 내지 130℃에서 중량 손실을 보였는데, 그러한 현상이 완전히 물이 없는 막에서는 관찰되지 않았기 때문에 물의 증발에 의한 결과로 사료된다. 따라서, 본 명세서에서 막의 수분 함량은 전체 막의 무게로 중량 손실분을 나눈 것을 의미한다.The cross section of the proton conductive membrane was measured by a thermogravimetric analyzer (Seiko Instruments, TG / DTA320). Membranes generally showed weight loss at 90 to 130 ° C., which is believed to be the result of water evaporation since such phenomena were not observed in membranes without water completely. Thus, the moisture content of the membrane herein means the weight loss divided by the weight of the entire membrane.

평가 방법: Evaluation method :

(1) 내열성 평가(1) heat resistance evaluation

양성자 전도막을 질소 대기하의 오븐에서 140℃로 24시간동안 가열하였다. 처리막은 가시적 및 구부러짐 기능 테스트에 의해 그것의 내열성이 평가되었고, 하기와 같이 등급을 나누었다.The proton conductive membrane was heated to 140 ° C. for 24 hours in an oven under a nitrogen atmosphere. The treated film was evaluated for its heat resistance by visual and bending function tests, and was classified as follows.

o : 유연성 필름, 접었을 때 구부러지지 않음o: Flexible film, does not bend when folded

× : 접었을 때 쉽게 부서지거나 분해되거나 용융됨×: easily collapses, disintegrates or melts when folded

(2) 양성자 전도성의 평가(2) Evaluation of Proton Conductivity

본 발명의 양성자 전도막을 그 양편에 실버 페이스트로 코팅하고, 전극 형성 을 위해 건조하여, 막/전극 어셈블리(MEA)를 생성하였다. 0.1 ㎐ 내지 2 ㎒의 진동수에서 전기화학적 임피던스 미터(Solartron, 모델 1260)에 의해 4-단자 임피던스를 테스트하여, 양성자 전도성을 결정하였다.The proton conductive film of the present invention was coated on both sides with silver paste and dried to form an electrode, thereby producing a membrane / electrode assembly (MEA). The proton conductivity was determined by testing the 4-terminal impedance with an electrochemical impedance meter (Solartron, Model 1260) at a frequency of 0.1 Hz to 2 MHz.

상기 분석에서, MEA 샘플을 전기적으로 절연된 밀폐 용기내에 지지하고, 수증기 대기하의 변동 온도에서 그것의 양성자 전도성을 측정하였으며, 여기서 전지의 온도는 온도 조절기에 의해 상온에서 160℃로 증가시켰다. 140℃에서 측정된 값을 본 명세서에 대표적인 값으로 나타낸다. 140℃에서 양성자 전도성을 결정하기 위하여 측정 탱크를 5 기압으로 가압하였다.In this analysis, the MEA sample was supported in an electrically insulated closed container and its proton conductivity was measured at varying temperatures under a steam atmosphere, where the temperature of the cell was increased from room temperature to 160 ° C. by a thermostat. The values measured at 140 ° C. are shown as representative values herein. The measuring tank was pressurized to 5 atmospheres at 140 ° C. to determine proton conductivity.

[실시예 1]Example 1

(말단에 트리에톡시시릴기를 가진 폴리테트라메틸렌 옥사이드의 합성)(Synthesis of Polytetramethylene Oxide with Triethoxysilyl Group at the End)

폴리테트라메틸렌 글리콜 #650 (Wako Pure Chemical Industries, 중량평균 분자량: 650) 75.0g을 건조한 유리 용기에 담고, 여기에 3-트리에톡시시릴프로필 이소시아네이트 (Shin-Etsu Silicone, KBE-9007) 57.1g을 첨가한 뒤, 다음 공정을 위하여 혼합물을 질소 대기하에서 60℃로 120시간동안 천천히 교반하였다. 얻어진 점성 액체를 H1-NMR (BRUKER, 일본, DRX-300)로 테스트하였다. 말단에 트리에톡시시릴기는 가진 폴리테트라메틸렌 옥사이드에 관련이 있는 것으로 사료되는 스펙트럼 패턴(spectral pattern)이 관찰되었다. 생산물은 거의 순수한 것으로 사료되고, 아무런 불순물 시그널이 NMR의 검지가능한 감도에서 관찰되지 않았다. 따라서, 생성된 화합물은 가수분해성 시릴기(트리에톡시시릴기)로부터 유도된 실리콘 원자를 전체 조성물에 대해 4.9 중량%로 가지고 있었다.75.0 g of polytetramethylene glycol # 650 (Wako Pure Chemical Industries, weight average molecular weight: 650) was placed in a dry glass container and 57.1 g of 3-triethoxysilylpropyl isocyanate (Shin-Etsu Silicone, KBE-9007) After addition, the mixture was slowly stirred for 120 h at 60 ° C. under a nitrogen atmosphere for the next process. The viscous liquid obtained was tested by H 1 -NMR (BRUKER, Japan, DRX-300). A spectral pattern was thought to be related to the polytetramethylene oxide with the triethoxysilyl group at the end. The product was considered to be nearly pure and no impurity signal was observed at the detectable sensitivity of NMR. Thus, the resulting compound had 4.9% by weight of silicon atoms derived from the hydrolyzable silyl group (triethoxysilyl group) relative to the total composition.

HO(CH2CH2CH2CH2O)nH + 2OCNCH2CH2 CH2Si(OC2H5)3HO (CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 O) n H + 2OCNCH 2 CH 2 CH 2 Si (OC 2 H 5 ) 3

(OC2H5)3SiCH2CH2CH2NHCOO(CH2 CH2CH2CH2O)nCONHCH2CH2CH2 Si(OC2H5)3 (OC 2 H 5 ) 3 SiCH 2 CH 2 CH 2 NHCOO (CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 O) n CONHCH 2 CH 2 CH 2 Si (OC 2 H 5 ) 3

말단에 가수분해성 시릴기를 가진 다른 화합물의 합성Synthesis of Other Compounds with Hydrolysable Cyryl Group at the Terminal

폴리테트라메틸렌 글리콜 #650 대신에 폴리테트라메틸렌 글리콜 #1000 (Wako Pure Chemical Industries, 중량평균 분자량: 1000) 또는 폴리에틸렌 글리콜 (Wako Pure Chemical Industries, 중량평균 분자량: 600)을 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1에 사용된 것과 동일한 공정을 반복하여, 말단에 가수분해성 시릴기를 가진 화합물을 제조하였다.Except for using polytetramethylene glycol # 1000 (Wako Pure Chemical Industries, weight average molecular weight: 1000) or polyethylene glycol (Wako Pure Chemical Industries, weight average molecular weight: 600) instead of polytetramethylene glycol # 650 , The same process as used in Example 1 was repeated, to prepare a compound having a hydrolyzable silyl group at its terminal.

혼합 용액의 제조와 필름의 제조Preparation of Mixed Solution and Preparation of Film

말단에 트리에톡시시릴기를 가진 폴리테트라메틸렌 옥사이드 1.0g을 이소프로판올 1.0g에 혼합하였다. 이 용액과는 별도로 텅스토포스포르산 (Wako Pure Chemical Industries) 1.0g을 이소프로판올 1.0g에 용해시켜 용액을 제조하였다. 이들 용액을 격렬하게 교반하며 1분 동안 서로 혼합하고, 혼합 용액을 내부 직경 9㎝의 폴리스티렌 페트리 접시(Yamamoto MFG)에 담았다. 이 접시를 60℃로 유지된 용기에 놓고, 여기에 70℃에서 발생된 수증기를 도입하여 12 시간동안 내용물을 가열하였다. 이것은 무색, 투명한 유연성 막을 생성하였다.1.0 g of polytetramethylene oxide having a triethoxysilyl group at the end was mixed with 1.0 g of isopropanol. Separately from this solution, 1.0 g of tungstophosphoric acid (Wako Pure Chemical Industries) was dissolved in 1.0 g of isopropanol to prepare a solution. These solutions were mixed with each other for 1 minute with vigorous stirring, and the mixed solution was placed in a polystyrene petri dish (Yamamoto MFG) having an inner diameter of 9 cm. The dish was placed in a container maintained at 60 ° C., and the contents were heated for 12 hours by introducing steam generated at 70 ° C. This produced a colorless, transparent flexible film.

[실시예 2]Example 2

텅스토포스포르산 0.5g을 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1에서 사용 된 것과 동일한 공정을 반복하여 막을 제조하였다.The membrane was prepared by repeating the same process as used in Example 1, except that 0.5 g of tungstophosphoric acid was used.

[실시예 3]Example 3

폴리테트라메틸렌 글리콜 #650 대신에 폴리테트라메틸렌 글리콜 #250 (Aldrich)을 사용하였고 텅스토포스포르산 1.17g을 사용하였으며 가열시에 수증기가 도입되지는 않았다는 점을 제외하고는, 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 공정을 반복하여 막을 제조하였다.Polytetramethylene glycol # 250 (Aldrich) was used in place of Polytetramethylene glycol # 650 and 1.17 g of tungstophosphoric acid was used and was used in Example 1 except that no water vapor was introduced upon heating. The same process was repeated to prepare a membrane.

[실시예 4]Example 4

텅스토포스포르산 0.5g을 사용하였고 에틸렌 카보네이트 (Wako Pure Chemical Industries) 0.5g을 첨가하였으며 가열을 위하여 수증기가 도입되지는 않았다는 점을 제외하고는, 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 공정을 반복하여 막을 제조하였다. The membrane was repeated in the same process as used in Example 1, except that 0.5 g of tungstophosphoric acid was used, 0.5 g of ethylene carbonate (Wako Pure Chemical Industries) was added, and no water vapor was introduced for heating. Prepared.

[실시예 5]Example 5

텅스토포스포르산 0.75g을 사용하였고 에틸렌 카보네이트 0.5g을 첨가하였으며 가열을 위하여 수증기가 도입되지는 않았다는 점을 제외하고는, 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 공정을 반복하여 막을 제조하였다.  The membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.75 g of tungstophosphoric acid was used, 0.5 g of ethylene carbonate was added and no water vapor was introduced for heating.

[실시예 6]Example 6

에틸렌 카보네이트 0.5g이 첨가되었다는 점을 제외하고는 실시예 2에서 사용된 방법과 동일한 공정을 사용하여 막을 제조하였다.The membrane was prepared using the same process as used in Example 2 except that 0.5 g of ethylene carbonate was added.

[실시예 7]Example 7

실시예 1에서와 유사한 방법으로 제조된, 말단에 트리에톡시시릴기를 가진 폴리테트라메틸렌 0.67g과 페닐트리에톡시실란 (Toshiba Silicone) 0.33g을 이소프로판올 1.0g에 용해시켰다. 이 용액과는 별도로 텅스토포스포르산 0.57g과 프로필렌 카보네이트 (Wako Pure Chemical Industries) 0.28g을 이소프로판올 1.0g에 각각 용해시켜 용액을 제조하였다. 이들 용액을 격렬히 교반하며 1 분 동안 서로 혼합하고, 혼합된 용액을 내부 반경 9㎝의 폴리스티렌 페트리 접시에 담았다. 이 접시를 오븐에서 12 시간동안 60℃로 가열하였다. 이것은 무색, 투명한 유연성 막을 제조하였다.0.67 g of polytetramethylene having a triethoxysilyl group and 0.33 g of phenyltriethoxysilane (Toshiba Silicone) prepared in a similar manner as in Example 1 were dissolved in 1.0 g of isopropanol. Apart from this solution, 0.57 g of tungstophosphoric acid and 0.28 g of propylene carbonate (Wako Pure Chemical Industries) were dissolved in 1.0 g of isopropanol, respectively, to prepare a solution. These solutions were mixed with each other for 1 minute with vigorous stirring, and the mixed solutions were placed in a polystyrene petri dish having an inner radius of 9 cm. This dish was heated to 60 ° C. in an oven for 12 hours. This produced a colorless, transparent flexible membrane.

[실시예 8]Example 8

70℃에서 생성된 수증기 대신에 80℃에서 생성된 수증기와 n-부탄올 증기의 90/10 혼합물을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 공정을 반복하여 막을 제조하였다.The membrane was prepared by repeating the same process as used in Example 1, except that a 90/10 mixture of steam produced at 80 ° C. and n-butanol vapor was used instead of steam produced at 70 ° C.

[실시예 9]Example 9

유리섬유 (Nitto Boseki, PF70E-001, 섬유 주요축: 70㎛, 섬유 직경: 10㎛) 0.1g을 막 조성물에 첨가하였다는 점을 제외하고는 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 공정을 반복하여 막을 제조하였다.The membrane was repeated by the same process as used in Example 1 except that 0.1 g of glass fiber (Nitto Boseki, PF70E-001, fiber major axis: 70 μm, fiber diameter: 10 μm) was added to the membrane composition. Prepared.

제조된 막은 실시예 1에서 제조된 것만큼 양성자 전도성이며 높은 강도를 가졌다.The membrane produced was proton conductive and had a high strength as that prepared in Example 1.

[실시예 10]Example 10

폴리테트라메틸렌 글리콜 #650 대신에 폴리테트라메틸렌 글리콜 #1000 (Wako Pure Chemical Industries)을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 공정을 반복하여 막을 제조하였다.The membrane was prepared in the same manner as used in Example 1 except that polytetramethylene glycol # 1000 (Wako Pure Chemical Industries) was used instead of polytetramethylene glycol # 650.

바 코터(bar coater)에 의해 상기 막을 폴리테트라메틸렌 글리콜 #1000으로 3㎛ 두께로 코팅하고, 양 측면에 가스 확산 전극 (E-TEK, 플라티늄 함량: 0.30㎎/㎠, 직경 20㎜)을 코팅하였다. 이 막을 테스트 전지에 조립하고 연료전지의 출력 실행을 평가하였다. 여기서, 60㎖/분으로 흐르는 수소와 산소를 전지 온도 100℃와 가스 압력 3기압에서 서로 반응하였다. 수소를 물 버블러(water bubbler)에 미리 통과시켜 습하게 하였다.The membrane was coated 3 μm thick with polytetramethylene glycol # 1000 by a bar coater, and gas diffusion electrodes (E-TEK, platinum content: 0.30 mg / cm 2, diameter 20 mm) were coated on both sides. . This membrane was assembled into a test cell and the output performance of the fuel cell was evaluated. Here, hydrogen and oxygen flowing at 60 ml / min were reacted with each other at a battery temperature of 100 ° C. and a gas pressure of 3 atmospheres. Hydrogen was wetted by passing it through a water bubbler in advance.

전지 출력 실행을 전기화학적 임피던스 미터 (Solartron, 모델 1260)로 테스트하였다. 그 결과를 도 1에 개시한다.Cell output runs were tested with an electrochemical impedance meter (Solartron, model 1260). The result is shown in FIG.

[비교예 1]Comparative Example 1

듀퐁의 나피온117(Nafion117)을 직접 사용하였다.Dupont's Nafion 117 was used directly.

[비교예 2]Comparative Example 2

폴리테르라메틸렌 글리콜 #650 대신에 폴리테트라메틸렌 글리콜 #600 (Wako Pure Chemical Industries)을 사용하였고, 필름 제조단계에서 프로필렌 카보네이트 0.5g과 텅스토포스포르산 0.5g을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 7에서 사용된 방법과 동일한 공정을 반복하여 막을 제조하였다.Polytetramethylene glycol # 600 (Wako Pure Chemical Industries) was used instead of polyterramethylene glycol # 650, except that 0.5 g of propylene carbonate and 0.5 g of tungstophosphoric acid were used in the film preparation step. The membrane was prepared by repeating the same process as used in Example 7.

비교예 2는 2개의 탄소원자의 쇄로 주로 특징지워지는 유기물질을 사용하였다.Comparative Example 2 used an organic material mainly characterized by a chain of two carbon atoms.

[비교예 3]Comparative Example 3

텅스토포스포르산 0.25g을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 공정을 반복하여 막을 제조하였다. 제조된 막을 건조 질소 대기하 에서 3 시간동안 140℃로 가열하여 막으로부터 수분을 제거하였다. 습하지 않을 동안에 양성자 전도성을 측정하였다.The membrane was prepared by repeating the same process as used in Example 1 except that 0.25 g of tungstophosphoric acid was used. The membrane thus prepared was heated to 140 ° C. for 3 hours under a dry nitrogen atmosphere to remove moisture from the membrane. Proton conductivity was measured while not wet.

200℃까지 열중량 분석(Seiko Instruments, TG/DTA320)에서 아무런 중량 손실도 나타나지 않았는바, 이는 막이 본질적으로 수분을 함유하고 있지 않다는 것을 가르킨다.Thermogravimetric analysis (Seiko Instruments, TG / DTA320) up to 200 ° C. showed no weight loss, indicating that the membrane is essentially water free.

[비교예 4][Comparative Example 4]

양성자 전도성 부여제로서의 텅스토포스포르산 대신에 경화 촉매로서 1N의 염산 0.5g을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1에서 사용된 방법과 동일한 공정을 반복하여 막을 제조하였다. 경화를 위한 열처리 동안에 염산은 완전히 증발되었고 아무런 잔류 산도 관찰되지 않았다.The membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.5 g of 1N hydrochloric acid was used as the curing catalyst instead of tungstophosphoric acid as the proton conductivity imparting agent. During the heat treatment for curing hydrochloric acid was completely evaporated and no residual acid was observed.

[실시예 11]Example 11

(말단에 트리에톡시시릴기를 가진 도데칸디올의 합성)(Synthesis of dodecanediol having a triethoxysilyl group at the end)

폴리테트라메틸렌 글리콜 #650 대신에 1,12-도데칸디올 (Nacalai tesque) 20.2g(100 mmol)과 3-트리에톡시시릴프로필 이소시아네이트 (양은 히드록실기의 양과 동일함) 49.5g(200 mmol)을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 공정을 사용하였고, 목적 화합물을 정량적으로 제조하였다. 그것의 화학적 구조를 NMR 분석에 의해 결정하였다.20.2 g (100 mmol) of 1,12-dodecanediol (100 mmol) and 3-triethoxysilylpropyl isocyanate (amount equal to the amount of hydroxyl groups) instead of polytetramethylene glycol # 650 49.5 g (200 mmol) The same process as used in Example 1 was used except that was used, and the target compound was prepared quantitatively. Its chemical structure was determined by NMR analysis.

제조된 화합물은, 폴리테트라메틸렌 글리콜을 사용하여 제조된 것과는 달리, 에테르 결합을 가지지 않은 올레핀 유기물질이다.The compound produced is an olefin organic material that does not have an ether bond, unlike that made using polytetramethylene glycol.

도데칸올에 더하여, 다른 디올 (예를 들어, 데칸디올, 옥탄디올, 헥산디올 및 부탄디올 등)을 사용하여, 이들이 말단에 트리에톡시시릴기를 가진 화합물을 제공할 수 있다는 것을 확인하였다. 동일한 사실은 도데칸디아민과 헥산디아민에서 확인된다. 아민이 사용될 때, 트리에톡시시릴기는 우레탄이 아닌 우레아 결합을 경유하여 결합되었다.In addition to dodecanol, other diols (eg, decandiol, octanediol, hexanediol and butanediol, etc.) have been used to confirm that they can provide compounds with triethoxysilyl groups at their ends. The same is true for dodecanediamine and hexanediamine. When amines were used, the triethoxysilyl groups were bound via urea bonds, not urethanes.

혼합 용액의 제조와 필름의 제조Preparation of Mixed Solution and Preparation of Film

말단에 트리에톡시시릴기를 가진 폴리테트라메틸렌 옥사이드 대신에 말단에 트리에톡시시릴기를 가진 상기 도데칸디올 1.0g을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 2에서 사용된 것과 동일한 공정을 반복하여, 막을 제조하였다. 제조된 막은 무색, 투명하고 실시예 1에서 제조된 것보다 경직하였다. The same process as used in Example 2 was repeated except that 1.0 g of the dodecanediol having a triethoxysilyl group at the end was used instead of the polytetramethylene oxide having the triethoxysilyl group at the end. The membrane was prepared. The film produced was colorless, transparent and stiffer than that prepared in Example 1.

[실시예 12]Example 12

혼합 용액의 제조와 필름의 제조Preparation of Mixed Solution and Preparation of Film

말단에 트리에톡시시릴기를 가진 폴리테트라메틸렌 옥사이드 대신에 상업적인 비스(트리에톡시시릴) 옥탄 (AZmax)을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 2에서 사용된 것과 동일한 방법을 반복하여 막을 제조하였다. 생성된 막은 무색, 투명하고 실시예 2에서 제조된 것보다 경직하였다.The membrane was prepared in the same manner as used in Example 2 except that commercial bis (triethoxysilyl) octane (AZmax) was used instead of polytetramethylene oxide having a triethoxysilyl group at the end. . The resulting film was colorless, transparent and stiffer than that prepared in Example 2.

비스(트리에톡시시릴) 옥탄은 에테르나 우레탄 결합을 가지고 있지 않으며, 말단 트리에톡시시릴기들 사이에 8개의 탄소원자를 가진 메틸렌 쇄의 올레핀 본체를 가지고 있다.Bis (triethoxysilyl) octane has no ether or urethane bonds and has a methylene chain olefin body having eight carbon atoms between the terminal triethoxysilyl groups.

[실시예 13]Example 13

텅스토포스포르산 0.78g을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 12에서 사 용된 것과 동일한 공정을 사용하여 막을 제조하였다. 얻어진 막은 실시예 12에서 제조된 것과 같이 상대적으로 경직하였다.The membrane was prepared using the same process as used in Example 12 except that 0.78 g of tungstophosphoric acid was used. The resulting membrane was relatively rigid as prepared in Example 12.

[실시예 14]Example 14

비스(트리에톡시시릴) 옥탄 대신에 비스(트리에톡시시릴) 헥산 (AZmax)을 사용하였고 텅스토포르포르산 1.04g을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 12에서 사용된 것과 동일한 공정을 사용하여 막을 제조하였다. 제조된 막은 실시예 12에서 제조된 것과 같이 상대적으로 경직하였다.The same process as used in Example 12 was used except that bis (triethoxysilyl) hexane (AZmax) was used in place of bis (triethoxysilyl) octane and 1.04 g of tungstophoric acid was used. To prepare the membrane. The membrane produced was relatively rigid as prepared in Example 12.

[실시예 15]Example 15

혼합 용액의 제조와 필름의 제조Preparation of Mixed Solution and Preparation of Film

텅스토포스포르산 대신에 몰리브도포스포르산 (Wako Pure Chemical Industries)을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 2에서 사용된 것과 동일한 공정을 사용하여 막을 제조하였다. 제조된 막은 노란색을 띄면서 투명하였고, 실시예 2에서 제조된 것만큼 유연하였다.The membrane was prepared using the same process as used in Example 2 except that molybdophosphoric acid (Wako Pure Chemical Industries) was used instead of tungstophosphoric acid. The film prepared was yellowish and transparent, and as flexible as that prepared in Example 2.

[비교예 5][Comparative Example 5]

말단에 트리에톡시시릴기를 가진 폴리테트라메틸렌 옥사이드 대신에 말단에 트리에톡시시릴기를 가진 폴리에틸렌 옥사이드 (평균 분자량: 600)가 사용되었다는 점을 제외하고는 실시예 2에서 사용된 것과 동일한 공정을 반복하여 막을 제조하였다. 제조된 막은 실시예 2에서 제조된 막만큼 유연하였다.The same process as that used in Example 2 was repeated except that polyethylene oxide having a triethoxysilyl group at the terminal (average molecular weight: 600) was used instead of polytetramethylene oxide having a triethoxysilyl group at the terminal. The membrane was prepared. The membrane produced was as flexible as the membrane prepared in Example 2.

[실시예 16]Example 16

실시예 1에서 제조된 두가지인, 말단에 가수분해성 시릴기를 가진 폴리테트라메틸렌 글리콜 #650 0.30g과, 말단에 가수분해성 시릴기를 가진 폴리에틸렌 글리콜 #600 0.70g을 이소프로판올 1.0g에 용해시켰다. 이 용액과는 별도로 텅스토포스포르산 (Wako Pure Chemical Industries) 0.25g과 에틸렌 카보네이트 0.25g을 이소프로판올 1.0g에 용해시켰다. 이들 용액을 격렬한 교반에 의해 1분 동안 서로 혼합하였고, 혼합된 용액을 내부 직경 9㎝의 폴리스티렌 페트리 접시에 담았다. 이 접시를 포화 수증기 대기에서 12 시간동안 60℃로 가열하였다. 이것은 100㎛의 두꺼운 막을 생성하였다.0.30 g of polytetramethylene glycol # 650 having a hydrolyzable silyl group at the end and 0.70 g of polyethylene glycol # 600 having a hydrolyzable silyl group at the end were dissolved in 1.0 g of isopropanol. Apart from this solution, 0.25 g of tungstophosphoric acid (Wako Pure Chemical Industries) and 0.25 g of ethylene carbonate were dissolved in 1.0 g of isopropanol. These solutions were mixed with each other for 1 minute by vigorous stirring, and the mixed solutions were placed in a polystyrene petri dish having an inner diameter of 9 cm. This dish was heated to 60 ° C. for 12 h in a saturated steam atmosphere. This produced a thick film of 100 μm.

[실시예 17]Example 17

실시예 1에서 제조된 두가지인, 말단에 가수분해성 시릴기를 가진 폴리테트라메틸렌 글리콜 #1000 0.30g과, 말단에 가수분해성 시릴기를 가진 폴리에틸렌 글리콜 #600 0.70g을 이소프로판올 1.0g에 용해시켰다는 점을 제외하고는 실시예 16에서와 사용된 것과 동일한 공정을 반복하여 막을 제조하였다.0.30 g of polytetramethylene glycol # 1000 having a hydrolyzable silyl group at the end and 0.70 g of polyethylene glycol # 600 having a hydrolyzable silyl group at the end were dissolved in 1.0 g of isopropanol, which were prepared in Example 1 Membrane was prepared by repeating the same process as used in Example 16.

[실시예 18]Example 18

실시예 1에서 제조된 두가지인, 말단에 가수분해성 시릴기를 가진 폴리테트라메틸렌 글리콜 #1000 0.50g과, 말단에 가수분해성 시릴기를 가진 폴리에틸렌 글리콜 #600 0.50g을 이소프로판올 1.0g에 용해시켰다는 점을 제외하고는 실시예 16에서 사용된 방법과 동일한 공정을 반복하여 막을 제조하였다.0.50 g of polytetramethylene glycol # 1000 having two hydrolyzable silyl groups at the end and 0.50 g of polyethylene glycol # 600 having hydrolyzable silyl groups at the end were dissolved in 1.0 g of isopropanol. Membrane was prepared by repeating the same process as that used in Example 16.

[실시예 19]Example 19

실시예 1에서 제조된 두가지인, 말단에 가수분해성 시릴기를 가진 폴리테트라메틸렌 글리콜 #1000 0.70g과, 말단에 가수분해성 시릴기를 가진 폴리에틸렌 글 리콜 #600 0.30g을 이소프로판올 1.0g에 용해시켰다는 점을 제외하고는 실시예 16에서 사용된 방법과 동일한 공정을 반복하여 막을 제조하였다.0.70 g of polytetramethylene glycol # 1000 having two hydrolyzable cyryl groups at the end and 0.30 g of polyethylene glycol # 600 having hydrolyzable cyril groups at the end were dissolved in 1.0 g of isopropanol. Then, the same process as in Example 16 was repeated to prepare a membrane.

[실시예 20]Example 20

테트라이소프로폭시 티타네이트 (Wako Pure Chemical Industries) 0.1g이 3차원 가교 구조체의 전구체로서 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 2에서 사용된 것과 동일한 공정을 사용하여 막을 제조하였다. 제조된 막은 실시예 2에서 제조된 것과 거의 동일한 물성을 가졌다.The membrane was prepared using the same process as used in Example 2, except that 0.1 g of tetraisopropoxy titanate (Wako Pure Chemical Industries) was used as the precursor of the three-dimensional crosslinked structure. The prepared membrane had almost the same physical properties as those prepared in Example 2.

표 1 내지 3에는 실시예에 사용된 조성물, 가열 조건 및 이들 실시예에서 제조된 막의 물성이 정리되어 있다. 표 4에는 비교예들에 관한 것이 정리되어 있다.Tables 1 to 3 summarize the compositions used in the examples, the heating conditions and the physical properties of the membranes produced in these examples. Table 4 summarizes the comparative examples.

표 1 내지 4에서 보는바와 같이, 유기물질(A), 특정 금속-산소 결합을 포함하는 3차원 가교 구조체(B), 양성자 전도성 부여제(C) 및 물(D)을 포함하는 본 발명의 양성자 전도막의 각각은 140℃에서 높은 내열성과 양성자 전도성을 보이는 것이 명백하다. 반대로, 대표적인 전해막의 하나로서 사용된 불소계 수지(비교예 1)는 열화된 물성을 보인다. 성분 (A) 내지 (D) (비교예 1)에 대해 본 발명의 요건을 만족시키지 못하는 것들의 각각은 양성자 전도성, 내열성 또는 기계적 물성에서 전해질막으로서의 본 발명보다 분명히 열등하다. 유기물질이 주쇄에서 연속적으로 결합된 4개의 탄소원자를 가진 수분함유 수지와 합체될 때(실시예 16 내지 19), 막은 열에 대한 향상된 저항성과 향상된 수분 함량을 가져 양성자 전도성을 강화시킨다는 것이 발견되었다,As shown in Tables 1 to 4, the proton of the present invention comprises an organic material (A), a three-dimensional crosslinked structure (B) containing a specific metal-oxygen bond, a proton conductivity imparting agent (C) and water (D) It is apparent that each of the conductive films exhibits high heat resistance and proton conductivity at 140 ° C. On the contrary, the fluorine-based resin (Comparative Example 1) used as one of the typical electrolytic membranes exhibits deteriorated physical properties. Each of the components (A) to (D) (Comparative Example 1) which do not satisfy the requirements of the present invention are clearly inferior to the present invention as electrolyte membrane in proton conductivity, heat resistance or mechanical properties. When the organic material is incorporated with a water-containing resin having four carbon atoms continuously bonded in the main chain (Examples 16 to 19), it has been found that the membrane has improved resistance to heat and enhanced water content to enhance proton conductivity.

실시예 1의 결과를 실시예 3의 결과와 비교할 때, 제조공정에서 경화를 위한 수증기의 사용은 졸-겔 반응의 효율성을 높이고 또한 막내의 수분 함량을 증가시켜, 강화된 양성자 전도성을 이끈다. 본 발명의 양성자 전도막을 사용하는 연료전지의 동력 발생이 또한 확인된다 (실시예 10).Comparing the results of Example 1 with the results of Example 3, the use of water vapor for curing in the manufacturing process increases the efficiency of the sol-gel reaction and also increases the water content in the membrane, leading to enhanced proton conductivity. Power generation of the fuel cell using the proton conductive membrane of the present invention is also confirmed (Example 10).

(표 1)Table 1

Figure 112000019388913-pat00001
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(표 2)Table 2

Figure 112000019388913-pat00002
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(표 3)Table 3

Figure 112000019388913-pat00003
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(표 4)Table 4

Figure 112000019388913-pat00004
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본 발명의 양성자 전도막은 무기 가교 구조체와 유기물질의 혼성에 의해 충분한 내열성을 가진다. 양성자 전도성 부여제와 물을 합체시켰을 때, 이것은 고온에서 높은 양성자 전도성을 보이는 우수한 양성자 전도막을 만든다.The proton conductive film of the present invention has sufficient heat resistance by hybridization of an inorganic crosslinked structure and an organic material. When combined with a proton conductivity imparting agent and water, this results in an excellent proton conductive membrane that exhibits high proton conductivity at high temperatures.

본 발명의 양성자 전도막은 PEFC의 작동온도를, 현재 관심을 끌고 있는, 100℃ 또는 그 이상으로 올릴 수 있어서, 향상된 동력 발생 효율과 줄어든 CO 독성을 이끌 수 있다. 높아진 작동 온도는 PEFC를 폐열을 이용하는 공발생(cogeneration) 시스템에 적용할 수 있게 만들 것이고, 이는 에너지 효율을 현식적으로 증가시키도 록 이끌 것이다.The proton conductive membrane of the present invention can raise the operating temperature of PEFC to 100 ° C. or higher, which is currently of interest, leading to improved power generation efficiency and reduced CO toxicity. Elevated operating temperatures will make PEFCs applicable to cogeneration systems using waste heat, which will lead to a significant increase in energy efficiency.

Claims (21)

유기물질(A), 특정 금속-산소 결합을 가진 3차원 가교 구조체(B), 양성자 전도성 부여제(C) 및 물(D)을 포함하고, Organic material (A), three-dimensional crosslinked structure (B) having a specific metal-oxygen bond, proton conductivity providing agent (C) and water (D), (ⅰ) 상기 유기물질(A)은 56 내지 30,000 수평균 분자량과 주쇄에 연속적으로 연결된 적어도 4개의 탄소원자를 가지고 있고, (Iii) the organic material (A) has a number average molecular weight of 56 to 30,000 and at least four carbon atoms continuously connected to the main chain, (ⅱ) 상기 유기물질(A)과 3차원 가교 구조체(B)는 공유결합에 의해 서로 결합되어 있는, 양성자 전도막.(Ii) The organic material (A) and the three-dimensional crosslinked structure (B) are bonded to each other by covalent bonds. 제 1항에 있어서, 상기 유기물질(A)이 폴리에테르류인 양성자 전도막.The proton conductive film according to claim 1, wherein the organic material (A) is polyether. 제 2항에 있어서, 상기 유기물질(A)이 폴리테트라메틸렌 옥사이드인 양성자 전도막.The proton conductive film according to claim 2, wherein the organic material (A) is polytetramethylene oxide. 제 1항에 있어서, 상기 유기물질(A)이 폴리메틸렌인 양성자 전도막.The proton conductive film according to claim 1, wherein the organic material (A) is polymethylene. 제 4항에 있어서, 상기 유기물질(A)이 옥타메틸렌인 양성자 전도막.The proton conductive film according to claim 4, wherein the organic material (A) is octamethylene. 제 1항에 있어서, 상기 유기물질(A)이 쇄에서 연속적으로 연결된 4개 이하의 탄소원자를 가진 수분함유 수지(E)를 포함하는 양성자 전도막.The proton conductive film according to claim 1, wherein the organic material (A) comprises a water-containing resin (E) having four or less carbon atoms connected in series in a chain. 제 6항에 있어서, 상기 수분함유 수지(E)가 폴리에틸렌 옥사이드인 양성자 전도막.The proton conductive film according to claim 6, wherein the water-containing resin (E) is polyethylene oxide. 제 1항에 있어서, 상기 유기물질(A)이 폴리테트라메틸렌 옥사이드와 폴리에틸렌 옥사이드의 혼합물인 양성자 전도막.The proton conductive film according to claim 1, wherein the organic material (A) is a mixture of polytetramethylene oxide and polyethylene oxide. 제 1항에 있어서, 상기 3차원 가교 구조체(B)가 실리콘-산소 결합에 의해 형성되는 양성자 전도막.The proton conductive film according to claim 1, wherein the three-dimensional crosslinked structure (B) is formed by silicon-oxygen bonds. 제 1항에 있어서, 상기 양성자 전도성 부여제(C)가 무기 고체산인 양성자 전도막.The proton conductive film according to claim 1, wherein the proton conductivity providing agent (C) is an inorganic solid acid. 제 10항에 있어서, 상기 무기 고체산이 텅스토포스포르산인 양성자 전도막.The proton conductive membrane according to claim 10, wherein the inorganic solid acid is tungstophosphoric acid. 제 1항에 있어서, 상기 유기물질(A)과 3차원 가교 구조체(B) 전체 100 중량부에 대하여 양성자 전도성 부여제(C)를 5 내지 500 중량부로 포함하는 양성자 전도막.The proton conductive film according to claim 1, comprising 5 to 500 parts by weight of a proton conductivity-imparting agent (C) based on 100 parts by weight of the organic material (A) and 100 parts by weight of the three-dimensional crosslinked structure (B). 제 1항에 있어서, 전체 양성자 전도막에 대하여 물(D)을 1 내지 60 중량%로 포함하는 양성자 전도막.The proton conductive membrane according to claim 1, comprising 1 to 60% by weight of water (D) based on the total proton conductive membrane. 제 1항에 있어서, 강화제(F)를 더 포함하는 양성자 전도막.The proton conductive membrane according to claim 1, further comprising a reinforcing agent (F). 제 14항에 있어서, 상기 강화제(F)가 유리섬유인 양성자 전도막.The proton conductive film according to claim 14, wherein the reinforcing agent (F) is glass fiber. 유기물질(A), 3차원 가교 구조체(B)를 형성하는 가수분해성 무기 화합물 및 양성자 전도성 부여제(C)의 혼합물을 포함하는 반응계를 제조하는 단계; 반응계를 필름으로 형성하는 단계; 및 수증기 또는 액상 물(D)의 존재하에서 필름의 졸-겔 반응에 의해, 필름내에서 금속-산소 결합에 의한 3차원 가교 구조체(B)를 형성하는 단계를 포함하는, 양성자 전도막의 제조방법. Preparing a reaction system comprising a mixture of an organic material (A), a hydrolyzable inorganic compound forming a three-dimensional crosslinked structure (B), and a proton conductivity providing agent (C); Forming a reaction system into a film; And forming a three-dimensional crosslinked structure (B) by metal-oxygen bonds in the film by a sol-gel reaction of the film in the presence of water vapor or liquid water (D). 유기물질(A), 3차원 가교 구조체(B)를 형성하는 가수분해성 무기 화합물 및 양성자 전도성 부여제(C)의 혼합물을 포함하는 반응계를 제조하는 단계; 반응계를 필름으로 형성하는 단계; 및 수증기 또는 액상 물(D) 및 4 또는 그 이하의 탄소수를 갖는 알코올의 증기 또는 액체의 존재하에서 필름의 졸-겔 반응에 의해, 필름내에서 금속-산소 결합에 의한 3차원 가교 구조체(B)를 형성하는 단계를 포함하는, 양성자 전도막의 제조방법.Preparing a reaction system comprising a mixture of an organic material (A), a hydrolyzable inorganic compound forming a three-dimensional crosslinked structure (B), and a proton conductivity providing agent (C); Forming a reaction system into a film; And a three-dimensional crosslinked structure (B) by metal-oxygen bonds in the film, by sol-gel reaction of the film in the presence of vapor or liquid water (D) and vapor or liquid of an alcohol having 4 or less carbon atoms. Comprising the step of forming a, proton conductive film manufacturing method. 제 16항 또는 제 17항에 있어서, 상기 유기물질(A)과, 3차원 가교 구조체(B) 를 형성하는 가수분해성 무기 화합물을 유기용매(G)에서 서로 혼합하는, 양성자 전도막의 제조방법.The method for producing a proton conductive film according to claim 16 or 17, wherein the organic material (A) and the hydrolyzable inorganic compound forming the three-dimensional crosslinked structure (B) are mixed with each other in an organic solvent (G). 제 18항에 있어서, 상기 유기용매(G)에, 20 또는 그 이상의 상대 유전상수와 100℃ 또는 그 이상의 비점을 가진 화합물(H)을 더 합체시키는, 양성자 전도막의 제조방법.The method for producing a proton conductive film according to claim 18, wherein the organic solvent (G) is further incorporated with a compound (H) having a relative boiling point of 20 or more and a boiling point of 100 ° C or more. 제 19항에 있어서, 20 또는 그 이상의 상대 유전상수와 100℃ 또는 그 이상의 비점을 가진 상기 화합물(H)이 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 및 부틸렌 카보네이트로 구성된 군에서 선택되는, 양성자 전도막의 제조방법.20. The method of claim 19, wherein the compound (H) having a relative dielectric constant of 20 or more and a boiling point of 100 ° C or more is selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate and butylene carbonate. 제 1항에 따른 양성자 전도막을 사용하는 연료전지.A fuel cell using the proton conducting membrane according to claim 1.
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