KR100668317B1 - Proton conducting electrolyte and fuel cell using the same - Google Patents

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Abstract

프로톤 전도도, 내열성 및 기계적 강도가 우수한 프로톤 전도막 및 그것을 이용한 연료전지를 제공한다.Provided are a proton conductive membrane having excellent proton conductivity, heat resistance, and mechanical strength, and a fuel cell using the same.

하드 세그먼트부(1)과 소프트 세그먼트부(2)를 갖는 주쇄 폴리머(3)에, 프로톤 해리기를 갖는 측쇄 폴리머(4) 또는 덴드리머로부터 이루어진 측쇄 폴리머(5) 중 어느 한쪽 또는 양쪽이 부가되어 이루어진 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 전해질을 채용한다.To which the main chain polymer (3) having the hard segment portion (1) and the soft segment portion (2) is added, either or both of the side chain polymer (4) having a proton dissociation group or the side chain polymer (5) made of a dendrimer. A proton conductive electrolyte is adopted.

Description

프로톤 전도성 전해질 및 연료전지 {Proton conducting electrolyte and fuel cell using the same}Proton conducting electrolyte and fuel cell using the same}

도 1은 본 발명의 실시형태인 프로톤 전도성 전해질의 분자 구조를 도시한 모식도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic diagram which shows the molecular structure of the proton conductive electrolyte which is embodiment of this invention.

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

1…하드 세그먼트부One… Hard segment part

2…소프트 세그먼트부2… Soft segment part

3…주쇄 폴리머3... Backbone polymer

4…프로톤 해리기를 갖는 측쇄 폴리머4… Side chain polymers with proton dissociation groups

5…덴드리머로부터 이루어진 측쇄 폴리머5... Side Chain Polymers Made from Dendrimers

본 발명은 프로톤 전도성 전해질 및 연료전지에 관한 것으로서, 특히 내열성 및 프로톤 전도성이 우수한 프로톤 전도성 전해질에 관한 것이다.The present invention relates to a proton conductive electrolyte and a fuel cell, and more particularly, to a proton conductive electrolyte having excellent heat resistance and proton conductivity.

최근 지구환경이 악화됨에 따라 클린 에너지의 보급 개발이 전세계적으로 초미의 과제가 되고 있다. 예를 들어 교통 관계에서는 교통망의 발달, 주행 대수의 증대와 함께 자동차 등 내연기관의 배기가스에 의한 도시 대기오염이 문제가 되고 있다. 이 대책으로서 전기 자동차, 하이브리드 카라고 불리우는 전기·내연기관 병용 자동차 등이 개발되어 왔는데, 경량에 취급이 용이한 자동차용의 대기를 오염시키지 않는 에너지원으로서 연료전지 등의 이용도 그 중 하나이다. 또 가정에의 연료전지 도입도 교통 분야와 동일하다.With the recent deterioration of the global environment, the development of dissemination of clean energy has become a very small task worldwide. For example, in transportation relations, urban air pollution caused by exhaust gas from internal combustion engines such as automobiles has become a problem along with the development of the transportation network and the increase in the number of vehicles. As countermeasures, electric and internal combustion engine vehicles, such as hybrid cars, have been developed. One of them is the use of fuel cells as an energy source that does not pollute the atmosphere for automobiles that are lightweight and easy to handle. In addition, the introduction of fuel cells into the home is the same as the transportation field.

연료전지에는 전해액의 종류에 따라 알카리형, 인산형, 용융 탄산염형, 고체 전해질형, 고체 고분자형 등 다양한 타입의 연료전지가 있지만 저온에서 가동할 수 있고 취급이 용이하고 또 출력 밀도가 높은 고체 고분자형이 전기 자동차, 가정 등의 에너지원으로서 주목을 받고 있다.There are various types of fuel cells, such as alkali type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, and solid polymer type, depending on the type of electrolyte, but they can operate at low temperature, are easy to handle, and have high output density. The older brother is attracting attention as an energy source for electric vehicles and homes.

고체 고분자형의 연료전지에 사용하는 프로톤 전도막에는 연료전지의 전극 반응에 관여하는 프로톤에 대해서 높은 이온 전도성이 요구된다. 이와 같은 프로톤 전도막에는 초강산기 함유 불소계 고분자로 이루어진 막이 알려져 있다. 그러나 이러한 고분자 재료는 불소계 고분자이기 때문에 매우 고가이며 또 프로톤 전도 매체가 물이기 때문에 항상 가습하여 물을 보급할 필요가 있는 등의 문제가 있다.Proton conductive membranes used in solid polymer fuel cells require high ion conductivity for protons involved in the electrode reaction of the fuel cell. As such a proton conductive film, a film made of a super acidic group-containing fluorine-based polymer is known. However, such a polymer material is very expensive because it is a fluorine-based polymer, and since the proton conductive medium is water, there is a problem that it is necessary to always supply water by humidifying.

프로톤 전도성을 갖도록 하기 위해 방향족 골격에 카르복실산기, 술폰산기, 인산기 등의 이온 해리기를 함유하는 것은 일본 특개 2002-280019호 공보 및 일본 특개 2002-358978호 공보에 기재되어 있다. 그러나 이들 이온 해리기는 특히 고온에서 탈리되기 때문에 내열성이 낮고 또 막에 유연성이 없으며 프로톤 전도도가 낮다는 등의 문제점이 있다.The inclusion of ion dissociating groups such as carboxylic acid groups, sulfonic acid groups, and phosphoric acid groups in the aromatic skeleton in order to have proton conductivity is described in Japanese Patent Laid-Open Nos. 2002-280019 and 2002-358978. However, these ion dissociating groups have problems such as low heat resistance, inflexibility in membranes, and low proton conductivity because they are detached at high temperatures.

또 일본 특표평 8―504293호 공보에도 관련된 기재가 있지만 프로톤 전도도 에 관해서는 전혀 개시되어 있지 않다.Japanese Patent Laid-Open No. 8-504293 discloses related articles, but proton conductivity is not disclosed at all.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 프로톤 전도도, 내열성 및 기계적 강도가 우수한 프로톤 전도막 및 그것을 사용한 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a proton conductive membrane having excellent proton conductivity, heat resistance and mechanical strength, and a fuel cell using the same.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 이하의 구성을 채용했다.In order to achieve the above object, the present invention employs the following configurations.

본 발명의 프로톤 전도성 전해질은, 하드 세그먼트부와 소프트 세그먼트부를 갖는 주쇄 폴리머에, 프로톤 해리기를 갖는 측쇄 폴리머 또는 덴드리머로 이루어진 측쇄 폴리머 중 어느 한쪽 또는 양쪽이 부가되어 이루어진 것을 특징으로 한다.The proton conductive electrolyte of the present invention is characterized in that any one or both of side chain polymers made of side chain polymers or dendrimers having a proton dissociating group or a side chain polymer having a proton dissociation group is added to the main chain polymer having a hard segment portion and a soft segment portion.

상기 구성에 따르면 프로톤 전도도, 내열성, 기계적 강도가 우수한 프로톤 전도막을 얻을 수 있다.According to the above configuration, a proton conductive film having excellent proton conductivity, heat resistance, and mechanical strength can be obtained.

또 본 발명의 프로톤 전도성 전해질은, 앞서 기재된 프로톤 전도성 전해질로서 상기 하드 세그먼트부가 방향환, 복소환, 지방환 중 어느 하나를 갖는 폴리이소시아네이트와 산무수물, 폴리아민 화합물, 폴리올 화합물 중 어느 한 화합물과의 반응에 의해 형성되고 또한 상기 폴리이소시아네이트와 상기 화합물이 이미드기, 우레아기, 우레탄기의 군에서 선택되어 이루어진 기로 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.In the proton conductive electrolyte of the present invention, a polyisocyanate having any one of an aromatic ring, a heterocyclic ring, and an alicyclic ring as a proton conductive electrolyte described above, and an acid anhydride, a polyamine compound, and a polyol compound are reacted with each other. And the polyisocyanate and the compound are bonded by a group selected from the group of imide group, urea group and urethane group.

상기 구성에 따르면, 프로톤 전도도 및 유연성이 우수한 프로톤 전도막을 얻을 수 있다.According to the above constitution, a proton conductive film having excellent proton conductivity and flexibility can be obtained.

또 본 발명의 프로톤 전도성 전해질은 앞서 기재된 프로톤 전도성 전해질로서, 상기 소프트 세그먼트부가 폴리옥시알킬렌쇄를 가지며 우레아기, 우레탄기 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 의해 상기 하드 세그먼트부와 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the proton conductive electrolyte of the present invention is the proton conductive electrolyte described above, wherein the soft segment portion has a polyoxyalkylene chain and is bonded to the hard segment portion by either or both of a urea group and a urethane group.

상기 구성에 따르면 높은 프로톤 전도도를 갖는 프로톤 전도막을 얻을 수 있다.According to the above configuration, a proton conductive film having a high proton conductivity can be obtained.

또 본 발명의 프로톤 전도성 전해질은 앞서 기재된 프로톤 전도성 전해질로서, 상기 주쇄 폴리머의 열분해 온도가 220℃ 이상이고, 또한 200℃에서의 저장탄성율이 1×107 Pa 이상 1×109 Pa 이하의 범위인 것을 특징으로 한다.In addition, the proton conductive electrolyte of the present invention is a proton conductive electrolyte described above, wherein the thermal decomposition temperature of the main chain polymer is 220 ° C or higher, and the storage modulus at 200 ° C is in the range of 1 × 10 7 Pa or more and 1 × 10 9 Pa or less. It is characterized by.

상기 구성에 따르면 내열성이 우수한 프로톤 전도막을 얻을 수 있다.According to the said structure, the proton conductive film excellent in heat resistance can be obtained.

또 본 발명의 프로톤 전도성 전해질은 앞서 기재된 프로톤 전도성 전해질로서, 상기 프로톤 해리기가 술폰산기, 카르복실산기, 인산기 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In addition, the proton conductive electrolyte of the present invention is the proton conductive electrolyte described above, wherein the proton dissociation group is any one of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, and a phosphoric acid group.

상기 구성에 따르면 높은 프로톤 전도도를 갖는 프로톤 전도막을 얻을 수 있다According to the above configuration, a proton conductive film having a high proton conductivity can be obtained.

또 본 발명의 프로톤 전도성 전해질은 앞서 기재된 프로톤 전도성 전해질로서, 상기 덴드리머로부터 이루어진 측쇄 폴리머가 적어도 폴리에틸렌옥사이드쇄를 가지며 또한 폴리에틸렌옥사이드쇄의 말단에 아미노기, 수산기, 술폰산기 중 2개 이상을 갖는 폴리아크릴레이트인 것을 특징으로 한다.In addition, the proton conductive electrolyte of the present invention is a proton conductive electrolyte described above, wherein the side chain polymer formed from the dendrimer has at least a polyethylene oxide chain, and has a polyacrylate having at least two of an amino group, a hydroxyl group, and a sulfonic acid group at the terminal of the polyethylene oxide chain. It is characterized by that.

상기 구성에 따르면 높은 프로톤 전도도를 갖는 프로톤 전도막을 얻을 수 있다.According to the above configuration, a proton conductive film having a high proton conductivity can be obtained.

다음에 본 발명의 연료전지는, 한쌍의 전극과, 각 전극 사이에 배치된 전해질막으로 구성되며 상기 전해질막이 상기 중 어느 한 항에 기재된 프로톤 전도성 전해질이 되고 또 상기 전극의 일부에 상기 프로톤 전도성 전해질이 함유되어 있는 것을 특징으로 한다.Next, the fuel cell of the present invention comprises a pair of electrodes and an electrolyte membrane disposed between each electrode, wherein the electrolyte membrane becomes the proton conductive electrolyte according to any one of the above, and a part of the electrode is the proton conductive electrolyte. It is characterized by containing.

상기 구성에 따르면 발전특성이 우수한 고성능의 연료전지를 제공할 수 있다.According to the above configuration, it is possible to provide a high performance fuel cell having excellent power generation characteristics.

이하 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도 1에는 본 발명의 프로톤 전도성 전해질의 구조를 모식적으로 나타낸다.Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 schematically shows the structure of a proton conductive electrolyte of the present invention.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명에 관한 프로톤 전도성 전해질은, 하드 세그먼트부(1)와 소프트 세그먼트부(2)를 갖는 주쇄 폴리머(3)에, 프로톤 해리기를 갖는 측쇄 폴리머(4) 또는 덴드리머로부터 이루어진 측쇄 폴리머(5) 중 어느 한쪽 또는 양쪽이 부가되어 구성되어 있다.As shown in Fig. 1, the proton conductive electrolyte according to the present invention comprises a main chain polymer (3) having a hard segment portion (1) and a soft segment portion (2) from a side chain polymer (4) having a proton dissociation group or a dendrimer. Any one or both of the side chain polymers 5 which were formed are added and comprised.

하드 세그먼트부(1)는 폴리이소시아네이트와 산무수물, 폴리아민 화합물, 폴리올 화합물 중 어느 한 화합물과의 반응에 의해 형성되어 있다. 또 이 하드 세그먼트부(1)는 우레아기, 우레탄기 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 의해 소프트 세그먼트부(2)와 결합되어 있다. 하드 세그먼트와 소프트 세그먼트의 결합은 NCO지수 90∼110의 범위로 이루어져 있다. 이 하드 세그먼트부(1)를 구비함으로써 프로톤 전도성 전해질의 내열성이 향상된다.The hard segment part 1 is formed by reaction with a polyisocyanate, an acid anhydride, a polyamine compound, or a polyol compound. The hard segment portion 1 is coupled to the soft segment portion 2 by either or both of a urea group and a urethane group. The combination of hard and soft segments ranges from 90 to 110 NCO. By providing this hard segment part 1, the heat resistance of a proton conductive electrolyte improves.

하드 세그먼트부(1)를 구성하는 폴리이소시아네이트는 방향환, 복소환, 지방환 중 하나를 갖는 것이다. 방향환으로서는 벤젠환, 나프탈렌환, 안트라센환, 플러렌환 등을 들 수 있고 특히 벤젠환, 나프탈렌환이 바람직하다. 복소환으로는 산소, 질소, 유황을 갖는 것을 들 수 있으며 특히 산소, 질소를 갖는 것이 바람직하다.The polyisocyanate which comprises the hard segment part 1 has one of an aromatic ring, a heterocyclic ring, and an alicyclic ring. As an aromatic ring, a benzene ring, a naphthalene ring, anthracene ring, a fullerene ring, etc. are mentioned, A benzene ring and a naphthalene ring are especially preferable. Examples of the heterocycle include oxygen, nitrogen, and sulfur, and those having oxygen and nitrogen are particularly preferable.

지방환으로는 통상의 것을 들 수 있으며 특별히 한정은 없다.Examples of the alicyclic ring include conventional ones, and there is no particular limitation.

또 하드 세그먼트부(1)를 구성하는 산무수물, 폴리아민 화합물, 폴리올 화합물은 폴리이소시아네이트와 반응하여 각각 이미드기, 우레아기, 우레탄기를 형성한다. 즉 이미드기는 폴리이소시아네이트와 다가의 산무수물과의 반응에 의해 형성되며 우레아기는 폴리이소시아네이트와 폴리아민 화합물과의 반응에 의해 우레탄기는 폴리이소시아네이트와 폴리올 화합물과의 반응에 의해 형성된다.The acid anhydride, polyamine compound, and polyol compound constituting the hard segment portion 1 react with the polyisocyanate to form imide groups, urea groups, and urethane groups, respectively. That is, the imide group is formed by the reaction of polyisocyanate with polyvalent acid anhydride, and the urea group is formed by reaction of polyisocyanate with polyamine compound and the urethane group is formed by reaction of polyisocyanate with polyol compound.

폴리이소시아네이트의 예로는 다음의 것을 들 수 있다. 방향환을 갖는 화합물로서 톨릴렌 디이소시아네이트, 디페닐메탄 디이소시아네이트(이하 MDI로 약칭), 크실렌 디이소시아네이트, 나프탈렌 디이소시아네이트 등을 예시할 수 있다. 또 지방환을 갖는 화합물로서 이소포론 디이소시아네이트, 시클로헥산 디이소시아네이트 등을 예시할 수 있다. 더욱이 지방족의 화합물로서 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 리신 디이소시아네이트 등을 예시할 수 있다. 또 이들에 기재된 화합물의 유도체도 사용할 수 있다. 이들은 필요에 따라 병용해도 좋다. 폴리이소시아네이트의 NCO%는 통상 20∼48%, 바람직하게는 25∼48%이다. 이 범위 외에서는 내열성, 기계적 강도가 부족하다.Examples of the polyisocyanate include the following ones. Tolylene diisocyanate, diphenylmethane diisocyanate (hereinafter abbreviated as MDI), xylene diisocyanate, naphthalene diisocyanate, etc. can be illustrated as a compound which has an aromatic ring. Moreover, isophorone diisocyanate, cyclohexane diisocyanate, etc. can be illustrated as a compound which has an alicyclic ring. Furthermore, hexamethylene diisocyanate, lysine diisocyanate, etc. can be illustrated as an aliphatic compound. Moreover, derivatives of the compounds described in these can also be used. You may use these together as needed. The NCO% of the polyisocyanate is usually 20 to 48%, preferably 25 to 48%. Outside this range, heat resistance and mechanical strength are insufficient.

또 다가의 산무수물의 예로는 무수피로메리트산, 무수트리메트산 벤젠 테트 라 카르복실산 이(二)무수물, 나프탈렌테트라카르복실산 이무수물 등을 들 수 있다.Moreover, as an example of a polyhydric acid anhydride, a pyromellitic anhydride, a trimethic anhydride benzene tetra carboxylic dianhydride, a naphthalene tetracarboxylic dianhydride, etc. are mentioned.

폴리아민 화합물로는 지방족 디아민(에틸렌 디아민, 프로필렌 디아민 등), 지방환족 디아민(이소포론 디아민 등), 방향족 디아민[(폴리테트라메틸렌옥사이드- 디- P-아미노벤조에이트), (4,4'-디아미노-3,3'-디에틸아미노-5,5'-디아미노디페닐메탄), (2,2',3,3'-테트라클로로-4,4'-디아미노디페닐메탄), (3,3'-디클로로-4,4'-디아미노디페닐메탄), (트리메틸렌-비스(4-아미노벤조에이트)), (3,5-디메틸티오톨루엔디아민) 등]을 들 수 있다. 이들은 혼합해서 사용해도 좋다. 폴리아민 화합물 중 지방환족 디아민 및 방향족 디아민이 특히 바람직하다. 아민가는 통상 250∼500, 바람직하게는 300∼500이다. 이 범위 외에서는 내열성이나 기계적 강도가 떨어진다.Examples of the polyamine compound include aliphatic diamines (such as ethylene diamine and propylene diamine), alicyclic diamines (such as isophorone diamine), aromatic diamines ((polytetramethylene oxide-di-P-aminobenzoate), and (4,4'-dia). Mino-3,3'-diethylamino-5,5'-diaminodiphenylmethane), (2,2 ', 3,3'-tetrachloro-4,4'-diaminodiphenylmethane), ( 3,3'-dichloro-4,4'-diaminodiphenylmethane), (trimethylene-bis (4-aminobenzoate)), (3,5-dimethylthiotoluenediamine), etc.] are mentioned. You may mix and use these. Particular preference is given to alicyclic diamines and aromatic diamines among the polyamine compounds. The amine number is usually 250 to 500, preferably 300 to 500. Outside this range, heat resistance and mechanical strength are inferior.

폴리올 화합물로는 지방족 디올(에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 등), 방향족 디올(하이드로퀴논, 비스페놀A 등)을 들 수 있다. 수산가는 통상 250∼500, 바람직하게는 300∼500이다. 이 범위 외에서는 내열성이나 기계적 강도가 떨어진다.Examples of the polyol compound include aliphatic diols (ethylene glycol, propylene glycol, etc.) and aromatic diols (hydroquinone, bisphenol A, etc.). A hydroxyl value is 250-500 normally, Preferably it is 300-500. Outside this range, heat resistance and mechanical strength are inferior.

다음으로 소프트 세그먼트부(2)는 폴리옥시알킬렌쇄를 가지며 우레아기, 우레탄기 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 의해 하드 세그먼트부(1)과 결합되어 있다. 이 소프트 세그먼트부(2)를 구비함으로써 주쇄 폴리머(3)에 유연성이 부여되어 프로톤의 전도성이 향상된다.Next, the soft segment part 2 has a polyoxyalkylene chain, and is couple | bonded with the hard segment part 1 by either or both of a urea group and a urethane group. By providing this soft segment part 2, flexibility is provided to the main chain polymer 3, and the conductivity of a proton improves.

소프트 세그먼트부(2)를 구성하는 폴리옥시알킬렌쇄의 예로는 폴리에틸렌옥사이드쇄, 폴리프로필렌옥사이드쇄, 폴리테트라하이드로퓨란옥사이드쇄를 들 수 있 으며 특히 폴리에틸렌옥사이드쇄 및 폴리테트라하이드로퓨란옥사이드쇄가 프로톤 전도도, 기계적 성질의 관점에서 바람직하다.Examples of the polyoxyalkylene chain constituting the soft segment portion 2 include a polyethylene oxide chain, a polypropylene oxide chain, and a polytetrahydrofuran oxide chain, and in particular, the polyethylene oxide chain and the polytetrahydrofuran oxide chain are proton conductivity. It is preferable from a viewpoint of a mechanical property.

소프트 세그먼트부(2)는 분자 중에 폴리옥시알킬렌쇄를 가지며 말단에 수산기 또는 아미노기를 갖는 것으로서, 구체적으로는 폴리옥시알킬렌글리콜이나 폴리알킬렌옥사이드-디-P-아미노벤조에이트에 수산기가(價) 또는 아민가(價)가 통상 28∼200이고 바람직하게는 28∼150이다. 이 범위 외에서는 기계적 강도가 떨어진다.The soft segment part 2 has a polyoxyalkylene chain in a molecule | numerator, and has a hydroxyl group or an amino group at the terminal, specifically, a hydroxyl value is represented by polyoxyalkylene glycol or polyalkylene oxide-di-P-aminobenzoate. Or amine value is 28-200 normally, Preferably it is 28-150. Outside this range, mechanical strength falls.

또 주쇄 폴리머(3)는 열분해 온도가 220℃ 이상이고 200℃에서의 저장 탄성율이 1×107 Pa 이상 1×109 Pa 이하인 범위가 바람직하다. 이 범위 외에서는 바람직한 내열성 및 기계적 성질은 얻을 수 없다.The main chain polymer 3 preferably has a thermal decomposition temperature of 220 ° C. or higher and a storage modulus at 200 ° C. of 1 × 10 7 Pa or more and 1 × 10 9 Pa or less. Outside of this range, desirable heat resistance and mechanical properties cannot be obtained.

다음으로 측쇄 폴리머(4)는 말단에 프로톤 해리기를 갖고 있는 것이다. 프로톤 해리기로는 술폰산기, 카르복실산기, 인산기의 군에서 선택되어 이루어진 1 이상의 것을 예시할 수 있다. 이들 중 바람직한 것은 술폰산기 및 인산기이다. 측쇄 폴리머(4)의 종류로는 특별히 한정은 없지만 폴리(메타)아크릴레이트가 바람직하다.Next, the side chain polymer 4 has a proton dissociation group at its terminal. As a proton dissociation group, one or more things chosen from the group of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, and a phosphoric acid group can be illustrated. Preferred of these are sulfonic acid groups and phosphoric acid groups. Although there is no limitation in particular as a kind of side chain polymer 4, Poly (meth) acrylate is preferable.

측쇄 폴리머(4)의 구체적인 사례로는 이하의 것을 예시할 수 있다. 프로톤 해리기가 술폰산기인 예로서, 폴리(2-아크릴아미드-2-메틸프로판술폰산(이하 TBAS로 약칭한다), 폴리스티렌술폰산 등을 예시할 수 있다.As a specific example of the side chain polymer 4, the following can be illustrated. As an example in which a proton dissociation group is a sulfonic acid group, poly (2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid (it abbreviates to TBAS hereafter), polystyrene sulfonic acid, etc. can be illustrated.

또 프로톤 해리기가 카르복실산기인 예로서 폴리아크릴산, 폴리(β-메타크로일옥시에틸하이드로겐숙시네이트), 폴리(β- 메타크로일옥시에틸하이드로겐프탈레 이트) 등을 예시할 수 있다.Moreover, polyacrylic acid, poly ((beta) -methacryloyloxyethylhydrogen succinate), poly ((beta)-methacroyloxy ethylhydrogen phthalate), etc. can be illustrated as an example in which a proton dissociation group is a carboxylic acid group.

더욱이 프로톤 해리기가 인산기인 예로서 폴리[모노(2-아크릴로일옥시에틸)산포스페이트], 폴리[모노(2- 메타크로일옥시에틸)산포스페이트] 등을 들 수 있다.Furthermore, examples of the proton dissociation group are phosphoric acid groups include poly [mono (2-acryloyloxyethyl) acid phosphate], poly [mono (2-methacryloyloxyethyl) acid phosphate], and the like.

이들은 각 모노머로부터 래디컬 중합이나 광중합에 의해 기지(旣知)의 방법으로 얻을 수 있다.These can be obtained by known methods by radical polymerization or photopolymerization from each monomer.

다음으로 덴드리머로부터 이루어진 측쇄 폴리머(5)는 적어도 폴리에틸렌옥사이드쇄를 가지며 말단에 아미노기, 수산기, 술폰산기 중 2개 이상 갖는 폴리(메타)아크릴레이트이다. 구체적으로는 분자 내에 3개 이상의 수산기를 가진 화합물(트리메틸올프로판, 펜타에리트리톨 등)에 에틸렌옥사이드를 포함하는 알킬렌옥사이드를 부가하여 메타아크릴이소시아네이트와 반응시키고 래디컬 중합이나 광중합에 의해 기지의 방법으로 얻은 물질을 사용할 수 있다.Next, the side chain polymer (5) made from a dendrimer is a poly (meth) acrylate having at least a polyethylene oxide chain and having at least two of an amino group, a hydroxyl group and a sulfonic acid group. Specifically, an alkylene oxide containing ethylene oxide is added to a compound having three or more hydroxyl groups in a molecule (trimethylolpropane, pentaerythritol, etc.), reacted with methacryl isocyanate, and known by radical polymerization or photopolymerization. The material obtained can be used.

더욱이 상기 측쇄 폴리머(4), 측쇄 폴리머(5)는 주쇄 폴리머(5) 중에서 각각의 모노머로부터 중합시켜도 좋다.Furthermore, the side chain polymer 4 and the side chain polymer 5 may be polymerized from each monomer in the main chain polymer 5.

주쇄 폴리머(3), 측쇄 폴리머(4), 측쇄 폴리머(5)의 비는 특별히 한정은 없지만 통상 1중량부의 주쇄 폴리머(3)에 대해 측쇄 폴리머(4)를 0.1∼1중량부, 측쇄 폴리머(5)를 0.01∼1중량부로 하는 것이 좋다. 보다 바람직하게는 1중량부의 주쇄 폴리머(3)에 대해 측쇄 폴리머(4)는 0.3∼1중량부, 측쇄 폴리머(5)는 0.01∼0.5중량부이다.Although the ratio of the main chain polymer (3), the side chain polymer (4), and the side chain polymer (5) is not particularly limited, it is usually 0.1 to 1 part by weight of the side chain polymer (4) and the side chain polymer ( It is good to make 5) 0.01-1 weight part. More preferably, the side chain polymer 4 is 0.3 to 1 part by weight and the side chain polymer 5 is 0.01 to 0.5 part by weight based on 1 part by weight of the main chain polymer 3.

다음으로 본 발명에 관한 연료전지에 대해서 구체적으로 설명한다. 본 발명에 관한 연료전지는 한쌍의 전극과, 각 전극의 사이에 배치된 전해질막으로 구성되 고, 상기 전해질막이 본 발명에 관한 프로톤 전도성 전해질로 이루어지며 또한 상기 전극의 일부에 상기 프로톤 전도성 전해질이 함유되어 구성되어 있다.Next, a fuel cell according to the present invention will be described in detail. The fuel cell according to the present invention comprises a pair of electrodes and an electrolyte membrane disposed between each electrode, the electrolyte membrane comprising the proton conductive electrolyte according to the present invention, and the proton conductive electrolyte is formed on a part of the electrode. It is comprised.

즉 연료전지는 프로톤 전도성 전해질로부터 이루어진 전해질막과, 이 전해질막의 양쪽에 접촉되어 배치되는 공기극(전극) 및 연료극(전극)으로부터 구성된다.That is, the fuel cell is composed of an electrolyte membrane made of a proton conductive electrolyte, and an air electrode (electrode) and a fuel electrode (electrode) disposed in contact with both sides of the electrolyte membrane.

연료극에서는, 연료의 수소가 전기 화학적으로 산화되어 프로톤과 전자가 생성된다. 생성된 프로톤은 전해질막에 의해 수송되어 공기극으로 이동한다. 또 연료극에 생성된 전자는 연료전지에 접속된 부하를 통해 공기극에 흐른다. 공기극에는 산소가 공급되고 있으며 이 공기극에서 프로톤과 산소와 전자가 반응하여 물을 생성한다.In the anode, hydrogen of the fuel is electrochemically oxidized to produce protons and electrons. The produced protons are transported by the electrolyte membrane and move to the air electrode. In addition, electrons generated in the anode flow through the cathode connected to the fuel cell. Oxygen is supplied to the air electrode, and protons, oxygen, and electrons react to produce water.

연료전지를 구성하는 연료극 및 공기극은 도전재, 바인더 및 촉매로 구성되어 있다. 도전재로는 전기 전도성 물질이라면 어떠한 것이라도 상관 없으며 각종 금속이나 탄소재료 등을 들 수 있다. 예를 들면 아세틸렌 블랙 등의 카본 블랙, 활성탄 및 흑연 등을 들 수 있으며 이들은 단독 혹은 혼합하여 사용된다.The fuel electrode and the air electrode constituting the fuel cell are composed of a conductive material, a binder, and a catalyst. Any conductive material may be used as the conductive material, and various metals and carbon materials may be mentioned. For example, carbon black, such as acetylene black, activated carbon, graphite, etc. are mentioned, These are used individually or in mixture.

촉매로는 수소의 산화 반응 및 산소의 환원 반응을 촉진하는 금속이라면 특별히 한정되지는 않지만 예를 들면 납, 철, 망간, 코발트, 크롬, 갈륨, 바나듐, 텅스텐, 루테늄, 이리듐, 팔라듐, 백금, 로듐 또는 그들의 합금을 들 수 있다.The catalyst is not particularly limited as long as it promotes the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen. For example, lead, iron, manganese, cobalt, chromium, gallium, vanadium, tungsten, ruthenium, iridium, palladium, platinum, rhodium Or their alloys.

또 바인더로는 상기 프로톤 전도성 전해질을 사용하는 것이 바람직하다. 또 바인더에는 프로톤 전도성 전해질 이외에 다른 수지를 병용할 수도 있다. 그 경우 다른 수지는 발수성을 갖는 불소 수지가 바람직하다. 불소 수지 중에서도 융점이 400℃ 이하인 것이 더욱 바람직하며 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌, 테트라 플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체 등을 들 수 있다.Moreover, it is preferable to use the said proton conductive electrolyte as a binder. In addition to the proton conductive electrolyte, a binder may be used in combination with another resin. In that case, the other resin is preferably a fluorine resin having water repellency. Among the fluororesins, the melting point is more preferably 400 ° C. or lower, and examples thereof include polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, and the like.

[실시예]EXAMPLE

이하 실시예에 의해 본 발명을 설명하겠지만 본 발명은 이에 한정되지는 않는다. 또한 실시예에서 평가한 물성의 측정 조건은 이하와 같다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto. In addition, the measurement conditions of the physical property evaluated in the Example are as follows.

프로톤 전도도: 길고 두꺼운 종이 모양으로 성형한 시료의 표면에 5mm 간격으로 2개의 백금선(직경 0.2mm)을 눌러서 접촉하도록 하여 전극으로 하고, 이 전극에 교류(1kHz)를 인가했을 때의 저항을 임피던스 애널라이저로 측정했다. 전극 간격과 저항의 기울기(R), 시료 두께(t), 시료 폭(D)으로부터, 1/(R×t×D)에 의해 프로톤 전도도를 구했다. 측정은 80℃, 습도 95%에서 실시했다.Proton Conductivity: An electrode is made by pressing two platinum wires (diameter 0.2 mm) in contact with the surface of a sample formed into a long, thick paper shape at an interval of 5 mm. The resistance when an alternating current (1 kHz) is applied to this electrode is measured by an impedance analyzer. Measured. Proton conductivity was calculated | required by 1 / (R * t * D) from the slope (R) of an electrode space | interval, resistance, sample thickness (t), and sample width (D). The measurement was performed at 80 degreeC and 95% of humidity.

저장 탄성율: 점탄성 측정장치(UBM사제 Rheogel- E4000)을 사용하여 승온속도 2℃/분, 온도범위 20℃∼230℃, 주파수 100Hz, 변위 5μm에서 실시했다.Storage elastic modulus: It carried out using the viscoelasticity measuring apparatus (Rheogel-E4000 by the UMB company) at the temperature increase rate of 2 degree-C / min, the temperature range of 20-230 degreeC, the frequency 100 Hz, and the displacement of 5 micrometers.

(실시예 1)(Example 1)

20.8중량부의 MDI와, 100중량부의 폴리테트라메틸렌옥사이드-디-P-아미노벤조에이트(아민가 89)를 혼합하고 이들을 테트라하이드로퓨란 400부에 용해하고 용액을 불소수지제의 샤레에 주입하여 테트라하이드로퓨란을 제거함으로써 실시예 1의 주쇄 폴리머를 얻었다.20.8 parts by weight of MDI and 100 parts by weight of polytetramethylene oxide-di-P-aminobenzoate (amine value 89) were mixed, dissolved in 400 parts of tetrahydrofuran, the solution was poured into a fluorine resin chare and tetrahydrofuran By removing the backbone polymer of Example 1 was obtained.

얻어진 주쇄 폴리머에 대해서 점탄성 측정을 한 결과 200℃에서의 저장 탄성율이 4×107 Pa, 열분해 온도가 250℃였다.The viscoelasticity measurement was performed on the obtained main chain polymer, and the storage elastic modulus in 200 degreeC was 4 * 10 <7> Pa, and the thermal decomposition temperature was 250 degreeC.

(실시예 2)(Example 2)

25.7중량부의 MDI와, 50중량부의 폴리테트라메틸렌옥사이드-디-P-아미노벤조에이트(아민가 89)와, 50중량부의 폴리테트라메틸렌옥사이드-디-P-아미노벤조에이트(아민가 132)를 혼합하여 이들을 테트라하이드로퓨란 400부에 용해하고 용액을 불소수지제의 샤레에 주입하여 테트라하이드로퓨란을 제거함으로써 실시예 2의 주쇄 폴리머를 얻었다.25.7 parts by weight of MDI, 50 parts by weight of polytetramethylene oxide-di-P-aminobenzoate (amine number 89), and 50 parts by weight of polytetramethylene oxide-di-P-aminobenzoate (amine value 132) were mixed and The main chain polymer of Example 2 was obtained by dissolving in 400 parts of tetrahydrofuran, inject | pouring the solution into the fluorine resin share, and removing the tetrahydrofuran.

얻어진 주쇄 폴리머에 대해서 점탄성 측정을 한 결과 200℃에서의 저장 탄성율이 8×107 Pa이고 열분해 온도가 270℃였다.As a result of measuring viscoelasticity with respect to the obtained main chain polymer, the storage elastic modulus in 200 degreeC was 8 * 10 <7> Pa, and the thermal decomposition temperature was 270 degreeC.

(실시예 3)(Example 3)

상기 실시예 1에서 제조한 주쇄 폴리머 1중량부와, 측쇄 폴리머(4)로서 TBAS(50% 수용액) 1중량부와, 중합개시제로서 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논 0.01부와, 테트라하이드로퓨란 6부를 혼합하여 탈기한 후 자외선(400W 수은램프)을 7분 조사했다. 그 후 생성물을 뜨거운 물(80℃)에 1시간 세정하고 나서 건조시켰다. 이와 같이 하여 실시예 3의 프로톤 전도성 전해질을 제조했다.1 part by weight of the main chain polymer prepared in Example 1, 1 part by weight of TBAS (50% aqueous solution) as the side chain polymer (4), 0.01 part of 2-hydroxy-2-methylpropiophenone as a polymerization initiator, tetra 6 parts of hydrofuran was mixed and degassed, and then irradiated with ultraviolet (400W mercury lamp) for 7 minutes. The product was then washed with hot water (80 ° C.) for 1 hour and then dried. In this way, the proton conductive electrolyte of Example 3 was prepared.

얻어진 프로톤 전도성 전해질의 프로톤 전도도는 6.1×10-3 S/cm였다.The proton conductivity of the obtained proton conductive electrolyte was 6.1 × 10 −3 S / cm.

더욱이 실시예 1의 주쇄 폴리머의 프로톤 전도도는 3×10-6 S/cm였다. 따라서 측쇄 폴리머(4)를 주쇄 폴리머에 부가함으로써 프로톤 전도도를 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.Furthermore, the proton conductivity of the main chain polymer of Example 1 was 3 × 10 -6 S / cm. Therefore, it can be seen that the proton conductivity can be improved by adding the side chain polymer 4 to the main chain polymer.

(실시예 4)(Example 4)

상기 실시예 2에 제조한 주쇄 폴리머 1중량부와, 측쇄 폴리머(4)로서 TBAS(50% 수용액) 2중량부와, 중합개시제로서 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논 0.01부와, 측쇄 폴리머(5)로서 펜다에리트리톨에 에틸렌옥사이드를 부가하여 수산기가(價) 545로 한 것 10부와 2-메타아크로일옥시에틸이소시아네이트 3.7부와의 반응물 0.3부와, 테트라하이드로퓨란 6부를 혼합한 것 이외에는 상기 실시예 3과 동일하게 하여 실시예 4의 프로톤 전도성 전해질을 제조했다.1 part by weight of the main chain polymer prepared in Example 2, 2 parts by weight of TBAS (50% aqueous solution) as the side chain polymer (4), 0.01 part of 2-hydroxy-2-methylpropiophenone as the polymerization initiator, and side chains. Ethylene oxide was added to pendaerythritol as polymer (5), and the hydroxyl value was 545. 10 parts of reactant with 3.7 parts of 2-methacroyloxyethyl isocyanate and 6 parts of tetrahydrofuran were mixed. A proton conductive electrolyte of Example 4 was prepared in the same manner as in Example 3 except for the above.

얻어진 프로톤 전도성 전해질의 프로톤 전도도는 1×l0-3 S/cm였다.The proton conductivity of the obtained proton conductive electrolyte was 1 × 10 −3 S / cm.

더욱이 실시예 1의 주쇄 폴리머의 프로톤 전도도는 3×10-6 S/cm였다. 따라서 측쇄 폴리머(4) 및 측쇄 폴리머(5)를 주쇄 폴리머에 부가함으로써 프로톤 전도도를 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.Furthermore, the proton conductivity of the main chain polymer of Example 1 was 3 × 10 -6 S / cm. Therefore, it can be seen that the proton conductivity can be improved by adding the side chain polymer 4 and the side chain polymer 5 to the main chain polymer.

(실시예 5)(Example 5)

실시예 3에서의 프로톤 전도성 전해질을 사용하여 연료전지를 구성했다. 전극에는, 백금을 30% 담지시킨 Pt/C 촉매를 사용하고 이 촉매와 테트라하이드로퓨란의 폴리머 용액(실시예 3에서의 용액)에 분산시키고 용액을 제거하여 촉매층을 형성한 것을 사용했다. 또 전극 간에 실시예 3의 프로톤 전도성 전해질로부터 이루어진 전해질막을 배치했다. 공기와 수소를 사용하여 80℃에서 발전시켰을 때 전류 밀도 0.3A/cm2에서 0.66V의 셀전압을 얻었다.A fuel cell was constructed using the proton conductive electrolyte in Example 3. As the electrode, a Pt / C catalyst carrying 30% of platinum was used, dispersed in a polymer solution of the catalyst and tetrahydrofuran (solution in Example 3), and the solution was removed to form a catalyst layer. Further, an electrolyte membrane made of the proton conductive electrolyte of Example 3 was disposed between the electrodes. The cell voltage of 0.66 V was obtained at a current density of 0.3 A / cm 2 when power was generated at 80 ° C. using air and hydrogen.

본 발명의 프로톤 전도성 전해질에 따르면 프로톤 전도도, 내열성, 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 또 본 발명의 연료전지에 따르면 발전 특성이 우수한 고 성능의 연료전지를 제공할 수 있다.According to the proton conductive electrolyte of the present invention, it is possible to improve proton conductivity, heat resistance, and mechanical strength. In addition, according to the fuel cell of the present invention, it is possible to provide a high performance fuel cell having excellent power generation characteristics.

Claims (7)

하드 세그먼트부와 소프트 세그먼트부를 갖는 주쇄 폴리머에, 술폰산기를 갖는 측쇄 폴리머 또는 덴드리머로부터 이루어진 측쇄 폴리머 중 어느 한쪽 또는 양쪽이 부가되어 이루어지고, 상기 하드 세그먼트부는 방향환을 갖는 폴리이소시아네이트와 폴리아민 화합물과의 반응에 의해 형성되고, 상기 소프트 세그먼트부는 폴리옥시알킬렌쇄를 가지고, 상기 덴드리머로부터 이루어진 측쇄 폴리머는 분자 내에 3개 이상의 수산기를 가진 화합물에 알킬렌옥사이드를 부가하여 메타아크릴이소시아네이트와 반응시켜 중합시킨 폴리머인 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 전해질.One or both of side chain polymers made of side chain polymers or dendrimers having sulfonic acid groups or dendrimers are added to the main chain polymer having a hard segment portion and a soft segment portion, and the hard segment portion is reacted with a polyisocyanate having an aromatic ring and a polyamine compound. And the soft segment portion has a polyoxyalkylene chain, and the side chain polymer formed from the dendrimer is a polymer polymerized by adding an alkylene oxide to a compound having three or more hydroxyl groups in a molecule and reacting with methacrylic isocyanate to polymerize it. A proton conductive electrolyte. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리이소시아네이트와 상기 화합물이 우레아기로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 전해질.The proton conductive electrolyte of claim 1, wherein the polyisocyanate and the compound are bonded to a urea group. 제 1 항에 있어서, 상기 소프트 세그먼트부가 우레아기, 우레탄기 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 의해 상기 하드 세그먼트부와 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 전해질.The proton conductive electrolyte according to claim 1, wherein the soft segment portion is bonded to the hard segment portion by one or both of a urea group and a urethane group. 제 1 항에 있어서, 상기 주쇄 폴리머의 열분해 온도가 220℃ 이상이고, 또한 200℃에서의 저장탄성율이 1×107 Pa 이상 1×109 Pa 이하의 범위인 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 전해질.The proton conductive electrolyte according to claim 1, wherein the pyrolysis temperature of the main chain polymer is 220 ° C or higher, and the storage modulus at 200 ° C is 1 × 10 7 Pa or more and 1 × 10 9 Pa or less. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 덴드리머로부터 이루어진 측쇄 폴리머가 말단에 아미노기, 수산기, 술폰산기 중 2개 이상을 갖는 폴리아크릴레이트인 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 전해질.The proton conductive electrolyte according to claim 1, wherein the side chain polymer formed from the dendrimer is a polyacrylate having at least two of an amino group, a hydroxyl group, and a sulfonic acid group at its terminal. 한 쌍의 전극과, 각 전극 사이에 배치된 전해질막으로 구성되며 상기 전해질막이 제 1 항 내지 제 4 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 프로톤 전도성 전해질로 되고 또 상기 전극의 일부에 상기 프로톤 전도성 전해질이 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지.It consists of a pair of electrodes and the electrolyte membrane arrange | positioned between each electrode, Comprising: The said electrolyte membrane becomes the proton conductive electrolyte in any one of Claims 1-4, and 6, The part of the said electrode is a said proton A fuel cell comprising a conductive electrolyte.
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