KR100750290B1 - Synchronous crosslinking-imidized polyelectrolyte membranes having an interpenetrating polymer network structure for fuel cell and method for preparation the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 3에서 제조된 동시 가교-이미드 고분자전해질 막을 도시한 것으로, (a) 실시예 1 ∼ 2의 상호침투 그물구조 (b) 실시예 3의 상호침투 그물구조를 나타낸 것이다.1 is a cross-linked-imide polyelectrolyte membrane prepared in Examples 1 and 3 of the present invention, wherein (a) the interpenetrating net structure of Examples 1 and 2 (b) the interpenetration of Example 3 It shows the net structure.
도 2는 본 발명의 실시예 1 ∼ 3과 상용막인 나피온(비교예 1)의 온도에 따른 수소이온 전도도 값을 그래프로 도시한 것이다.2 is a graph showing hydrogen ion conductivity values according to the temperatures of Examples 1 to 3 of the present invention and Nafion (Comparative Example 1) which are commercial membranes.
도 3은 본 발명의 실시예 1 ∼ 3과 상용막인 나피온(비교예 1)의 온도에 따른 메탄올 투과도 값을 그래프로 도시한 것이다.3 is a graph illustrating methanol permeability values according to the temperatures of Examples 1 to 3 of the present invention and Nafion (Comparative Example 1) which are commercial membranes.
도 4는 본 발명의 실시예 1 ∼ 3과 상용막인 나피온(비교예 1)의 온도에 따른 디메틸에테르 투과도 값을 그래프로 도시한 것이다.4 is a graph showing dimethyl ether permeability values according to the temperatures of Examples 1 to 3 of the present invention and Nafion (Comparative Example 1) which are commercial membranes.
본 발명은 상호침투 고분자 그물구조를 갖는 연료전지용 동시 가교-이미드 고분자 전해질막과 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 말레인산 단량체와 이중결합을 1개 이상 포함하는 중합성 단량체를 공중합한 폴리아믹산을 중합하고, 상기 폴리아믹산 단독 또는 특정의 고분자를 방향족 디아민과 이미드화 반응시키는 동시 가교 및 이미드화 과정으로, 상호침투 고분자 그물구조(interpenetrating polymer networks)를 형성하여 고온특성과 우수한 양성자 전달 기능, 수소, 메탄올, 디메틸에테르 등의 연료이용 시 낮은 투과도를 나타내는 연료전지용 동시 가교-이미드 고분자 전해질막과 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a simultaneous cross-linked-imide polymer electrolyte membrane for a fuel cell having an interpenetrating polymer network structure and a method for preparing the same, and more specifically, to a polya copolymer obtained by copolymerizing a maleic acid monomer and a polymerizable monomer including at least one double bond. Simultaneous crosslinking and imidization process to polymerize mic acid and to imidize the polyamic acid alone or a specific polymer with aromatic diamine, form interpenetrating polymer networks to form high temperature characteristics and excellent proton transfer function, The present invention relates to a simultaneous cross-linked-imide polymer electrolyte membrane for fuel cells and a method for producing the same, which exhibit low permeability when using hydrogen, methanol, dimethyl ether, and the like.
현재 연료전지용 전해질막은 미국 듀퐁(Dupont)사의 상품명 나피온(Nafion)™, 아사히 케미칼스(Asahi Chemicals)사의 아시플렉스-에스(ACIPLEX-S), 다우 케미칼스(Dow Chemicals)사의 다우(Dow), 아사히 글래스(Asahi Glass)사의 플레미온(Flemion) 등의 과불소화 고분자 주쇄에 술폰산기를 가지는 공중합체들이 많이 사용되고 있으나, 무엇보다 가격이 고가이고, 연료기체 및 액체(메탄올)에 대한 투과특성으로 인한 연료 사용률 감소 및 구동 성능 저하 등의 단점을 갖고 있어, 새로운 형태의 전해질 소재 또는 제조방법에 대해 연구되고 있다.The electrolyte membranes for fuel cells are currently available under the trade name Nafion ™ from Dupont, ASIPLEX-S from Asahi Chemicals, Dow from Dow Chemicals Although many copolymers having sulfonic acid groups are used in the perfluorinated polymer backbone, such as Asahi Glass's Flemion, the fuel is expensive due to its high price and permeability to fuel gas and liquid (methanol). There are drawbacks such as reduced utilization and deterioration of driving performance, and new types of electrolyte materials or manufacturing methods have been studied.
이러한 새로운 형태의 소재 및 방법 중에는 미국특허 제5,547,551호, 제5,599,614호, 제5,635,041호 및 제6,130,175호에서와 같이, 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 필름에 이온전도성 고분자를 함침 시키는 제조하는 방법과, 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 필름 양면에 서로 다른 이온전도성 고분자를 충진 하는 형태로 이온 전도도 및 기계적 물성을 향상시키는 방법들이 개시되어 있고, 미국특허 제5,091,087호, 제5,599,639호 및 제6,187,231호 등에는 폴리이미드(PI)를 폴리벤즈이미다졸(PBI)에 코팅시켜 필름을 제조한 다음, 폴리이미드(PI)를 용해-추출한 다공성 폴리벤즈이미다졸(PBI) 전해질막 제조방법이 개시되어 있으며, 유럽특허 제 0,094,679호(Asahi Glass Co. Ltd.)에서는 불소계 이온전도 고분자와 폴리테트라플루오로에틸렌 미세섬유를 혼합 후 연신하여 강화된 복합막을 제조하는 방법들이 개시되어 있다. Among these new types of materials and methods, as in U.S. Pat.Nos. 5,547,551, 5,599,614, 5,635,041 and 6,130,175, a method for preparing an impregnated ion conductive polymer in a porous polytetrafluoroethylene (PTFE) film and In the form of filling different ion conductive polymers on both sides of porous polytetrafluoroethylene (PTFE) film, methods for improving ion conductivity and mechanical properties have been disclosed. The present invention discloses a method for preparing a porous polybenzimidazole (PBI) electrolyte membrane obtained by coating polyimide (PI) on polybenzimidazole (PBI) to prepare a film, and then dissolving and extracting polyimide (PI). In European Patent No. 0,094,679 (Asahi Glass Co. Ltd.), a fluorine-based ion conductive polymer and a polytetrafluoroethylene microfiber are mixed and stretched. Methods of making reinforced composite membranes are disclosed.
이외에도, 폴리포스포겐[WO 00/77874], 폴리에테르술폰[일본특개평 11-116679호 및 11-67224호], 폴리에테르-에테르케톤 및 폴리(4-페녹시벤조일-1,4-페닐렌)과 같은 고분자를 술폰화한 후, 유기 또는 무기 이온전도체를 첨가하여 전해질 필름을 제조하는 방법들이, 연료기체 또는 액체의 크로스오버 현상을 줄이는 형태의 효율성과 필름제조단가를 줄이는 방안 등으로 제시되었다.In addition, polyphosphogen [WO 00/77874], polyether sulfone [Japanese Patent Laid-Open Nos. 11-116679 and 11-67224], polyether ether ketone and poly (4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene After sulfonating a polymer such as), methods for preparing an electrolyte film by adding an organic or inorganic ion conductor have been proposed as an efficiency in reducing the crossover phenomenon of fuel gas or liquid and a method for reducing the film manufacturing cost. .
그러나, 이들 중 다공성 PTFE 필름을 이용한 제조방법의 경우, 소수성인 폴리테트라플루오로에틸렌 필름 때문에, 이온전도 고분자를 반복적으로 함침 시켜야 하고, 제조과정에서 미세기공(pin-hole)이 형성되기 쉽기 때문에 계면활성제 이용에 따른 세척 공정이 수반되어 필름 제조시간이 상대적으로 길어지고, 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌의 가격이 고가이기 때문에 나피온과 같은 불소계 고분자에 비해 가격 경쟁력이 크지 않은 단점을 가지고 있다. However, in the case of the manufacturing method using a porous PTFE film among these, due to the hydrophobic polytetrafluoroethylene film, the ion conductive polymer has to be impregnated repeatedly, and because the micro-pores (pin-hole) is easily formed during the manufacturing process, the interface Due to the washing process accompanied by the use of the active agent, the film manufacturing time is relatively long, and the price of the porous polytetrafluoroethylene is expensive, so it has a disadvantage that the price is not competitive compared to fluorine-based polymers such as Nafion.
또한, 전해질 필름의 전도성을 유지하기 위한 방안으로 제시된 유·무기형태의 첨가제의 경우, 수용성 물질일 때는 전지 작동 중에 수분의 물질전달에 의해 추 출되어 나오는 문제점과 비수용성 물질일 때는 불균일 형태로 분산되어 필름의 취성 및 물리적인 문제점들을 나타내게 된다.In addition, in the case of the additives of the organic and inorganic forms proposed as a method for maintaining the conductivity of the electrolyte film, the problem is extracted by the transfer of moisture during the operation of the battery when the water-soluble material, and dispersed in a non-uniform form when the water-insoluble material This results in brittleness and physical problems of the film.
반면에, 비불소계 고분자 전해질 필름 제조의 경우는, 이온전도성이 술폰화 정도에 비례함에 따라 임계농도 이상으로 술폰화하게 되면 분자량 저하 및 수화에 따른 기계적 물성 감소 등의 단점을 나타내기 때문에, 선택적인 술폰화 방법으로 전해질 필름을 제조하고 있으나[미국특허 제5468574호, 제5679482호, 제6110616호, 제6245881호], 이 방법 또한 고온 안정성과 장기 사용에 따른 문제점을 완전히 해결하지는 못한 실정이다.On the other hand, in the case of non-fluorine-based polymer electrolyte film production, because the ion conductivity is proportional to the degree of sulfonation, sulfonation above the critical concentration shows disadvantages such as lower molecular weight and decrease of mechanical properties due to hydration. Electrolyte films have been prepared by sulfonation methods (US Pat. Nos. 5,585,74,567,941,61,106,16,624,581). However, this method does not completely solve the problems caused by high temperature stability and long-term use.
따라서, 우수한 전기화학적 특성을 가지면서 고온 안정성이 우수하고, 박막으로의 제조가 용이한, 새로운 형태의 고분자전해질 막을 제조하는 방법의 필요성이 절실히 요구된다.Therefore, there is an urgent need for a method of preparing a new type of polymer electrolyte membrane, which has excellent electrochemical properties and excellent high temperature stability and is easy to manufacture into a thin film.
이에 본 발명자들은 기와 같이 고온 안정성과 기계적 특성이 우수하고, 메탄올 및 디메틸에테르 등의 연료에 대해 투과도가 낮으며, 제조가 용이한 형태의 비불소계 양성자 전도성 고분자 막을 제조하기 위하여 연구 노력하였다. 그 결과, 상호침투 과정으로 가교결합과 이미드 결합을 동시에 가지는 특정의 화합물을 포함하는 고분자 전해질막의 경우 고온특성과 우수한 양성자 전달 기능을 가지며, 수고, 메탄올 및 디메틸에테르 등의 연료 이용 시 낮은 투과도를 나타낸다는 것을 알게되어 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have tried to prepare a non-fluorine-type proton conductive polymer membrane having excellent high temperature stability and mechanical properties such as groups, low permeability to fuels such as methanol and dimethyl ether, and easy to manufacture. As a result, the polymer electrolyte membrane containing a specific compound having both crosslinking and imide bonds through interpenetration process has high temperature characteristics and excellent proton transfer function, and has low permeability when using fuels such as toil, methanol and dimethyl ether. It was found that the present invention was completed to complete the present invention.
따라서, 본 발명은 상호침투에 의해 동시 가교 및 이미드화된 구조를 가지는 특정의 화합물을 구성성분으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막 및 이의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising a specific compound having a structure that is simultaneously crosslinked and imidized by interpenetration, and a method for producing the same.
본 발명은 다음 화학식 1의 반복단위를 갖는 고분자(1)와, The present invention is a polymer (1) having a repeating unit of the following formula (1),
다음 화학식 2의 반복단위를 갖는 고분자(2) 또는 폴리비닐디플로라이드, 술폰화된 폴리비닐디플로라이드, 아민화된 폴리비닐디플로라이드, 카르복실화된 폴리비닐디플로라이드, 이미다졸화된 폴리비닐디플로라이드, 폴리설폰, 술폰화된 폴리설폰, 아민화된 폴리설폰, 카르복실화된 폴리설폰, 이미다졸화된 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 술폰화된 폴리에테르설폰, 아민화된 폴리에테르설폰, 카르복실화된 폴리에테르설폰, 이미다졸화된 폴리에테르설폰, 폴리이미드, 술폰화된 폴리이미드, 아민화된 폴리이미드, 카르복실화된 폴리이미드, 이미다졸화된 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 술폰화된 폴리에테르이미드, 아민화된 폴리에테르이미드, 카르복실화된 폴리에테르이미드, 이미다졸화된 폴리에테르이미드, 폴리케톤, 술폰화된 폴리케톤, 아민화된 폴리케톤, 카르복실화된 폴리케톤, 이미다졸화된 폴리케톤, 폴리에테르케톤, 술폰화된 폴리에테르케톤, 아민화된 폴리에테르케톤, 카르복실화된 폴리에테르케톤, 이미다졸화된 폴리에테르케톤, 폴리비닐술폰산, 폴리아크릴산, 폴리이미다졸, 폴리벤즈이미다졸 및 과불소계 고분자 중에서 선택된 고분자 화합물이The polymer (2) or polyvinyl difluoride, sulfonated polyvinyl difluoride, aminated polyvinyl difluoride, carboxylated polyvinyl difluoride, imidazole, Polyvinyldifluoride, polysulfone, sulfonated polysulfone, aminated polysulfone, carboxylated polysulfone, imidazole polysulfone, polyethersulfone, sulfonated polyethersulfone, aminated Polyethersulfones, carboxylated polyethersulfones, imidazoleated polyethersulfones, polyimides, sulfonated polyimides, aminated polyimides, carboxylated polyimides, imidazoleated polyimides, poly Etherimides, sulfonated polyetherimides, aminated polyetherimides, carboxylated polyetherimides, imidazoleated polyetherimides, polyketones, sulfonated polyketones, aminated Lyketone, carboxylated polyketone, imidazole polyketone, polyether ketone, sulfonated polyether ketone, aminated polyether ketone, carboxylated polyether ketone, imidazole polyether ketone , Polymer compounds selected from polyvinylsulfonic acid, polyacrylic acid, polyimidazole, polybenzimidazole and perfluorinated polymer
상호침투 그물구조 형태로 동시 가교-이미드 결합된 고분자 전해질막에 그 특징이 있다.It is characterized by the simultaneous crosslinking-imide-bonded polymer electrolyte membrane in the form of an interpenetrating network structure.
상기 화학식 1 및 2에서, In
상기 A1 및 A2는 이중결합을 1개 이상 포함하는 중합성 단량체, 구체적으로 스티렌 또는 메틸렌, 에틸렌, 프로필렌, 이소프로필렌, 부틸렌, t-부틸렌 및 이소부틸렌 등의 탄소수 1 ∼ 8의 직쇄 또는 분쇄형 알킬렌, 메틸 비닐 에테르, 부분 2-부틸/메틸 혼합 에스테르 스티렌, 부분 이소부틸 에스테르 스티렌, 부분 이소부틸/메틸 혼합 에스테르 스티렌 및 술폰산 스티렌 중에서 선택된 것이고; The A 1 and A 2 is a polymerizable monomer containing one or more double bonds, specifically, 1 to 8 carbon atoms such as styrene or methylene, ethylene, propylene, isopropylene, butylene, t-butylene and isobutylene. Linear or ground alkylene, methyl vinyl ether, partially 2-butyl / methyl mixed ester styrene, partially isobutyl ester styrene, partially isobutyl / methyl mixed ester styrene and sulfonic acid styrene;
은 술폰산기를 1개 이상 갖는 방향족 2가 고리기, 구체적으로, ,,,,,,,, 중에서 선택된 술폰산기가 1개 이상 갖는 방향족 2가기이고, Is an aromatic divalent ring group having one or more sulfonic acid groups, specifically ,, , , , , , , , An aromatic divalent group having at least one sulfonic acid group selected from
n 및 m은 0.001 ∼ 1 몰이며, n/m 0.3 ∼ 0.7 몰비를 나타낸다.n and m are 0.001-1 mol, and represent n / m 0.3-0.7 molar ratio.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 말레인산 단량체와 이중결합을 1개 이상 포함하는 중합성 단량체를 공중합한 폴리아믹산을 중합하고, 상기 폴리아믹산 단독 또는 특정의 고분자 화합물을 방향족 디아민과 이미드화 반응시키는 동시-가교 및 이미드화 과정으로, 상호침투 고분자 그물구조(interpenetrating polymer networks)를 형성하여 고온특성과 우수한 양성자 전달 기능 및 수소와, 메탄올, 디메틸에테르 등의 연로 이용 시 낮은 투과도를 가진다.The present invention is a co-crosslinking and imidization process of polymerizing a polyamic acid copolymerized with a maleic acid monomer and a polymerizable monomer including at least one double bond, and imidating the polyamic acid alone or a specific polymer compound with an aromatic diamine. By forming interpenetrating polymer networks, it has high temperature characteristics, excellent proton transfer function, and low permeability when using hydrogen, methanol, dimethyl ether, and the like.
첨부된 도 1은 본 발명의 실시예 1 ∼ 3에서 제조된 전해질 고분자 막을 도 식화한 일 구현예로서, 구체적으로 도 1(a)는 실시예 1과 2에서 2종의 폴리아믹산을 이용하여 제조된 고분자 전해질막이고, 도 1(b)는 폴리아믹산과 폴리비닐디플로라이드를 이용하여 제조된 고분자 전해질막이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 고분자 전해질막은 상호 침투 그물구조 형태로 가교-이미드 결합되어 열적 안정성, 기계적 물성 및 산성분위기 하에서의 가수분해에 대한 안정성, 내구성 및 양성자 전도성 등이 매우 우수하다.1 is a diagram illustrating an electrolyte polymer membrane prepared in Examples 1 to 3 of the present invention. Specifically, FIG. 1 (a) is prepared using two kinds of polyamic acids in Examples 1 and 2. 1 (b) is a polymer electrolyte membrane manufactured using polyamic acid and polyvinyl difluoride. As shown in FIG. 1, the polymer electrolyte membrane of the present invention is cross-imide bonded in the form of mutual permeation net structure, and thus has excellent thermal stability, mechanical properties, stability against hydrolysis under acidic atmosphere, durability, and proton conductivity.
한편, 본 발명에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은 다음과 같은 과정으로 제조된다.On the other hand, the polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention is prepared by the following process.
말레인산 단량체와, 이중결합을 1개 이상 포함하는 중합성 단량체를 공중합하여 다음 화학식 3로 표시되는 폴리아믹산을 중합하는 과정과;Copolymerizing the maleic acid monomer and the polymerizable monomer including one or more double bonds to polymerize the polyamic acid represented by the following Formula 3;
상기 화학식 3에서, A1, n 및 m은 각각 상기 청구항 1에서 정의된 바와 같다,In Chemical Formula 3, A 1 , n and m are as defined in
상기 화학식 3로 표시되는 폴리아믹산과, 폴리비닐디플로라이드, 술폰화된 폴리비닐디플로라이드, 아민화된 폴리비닐디플로라이드, 카르복실화된 폴리비닐디플로라이드, 이미다졸화된 폴리비닐디플로라이드, 폴리설폰, 술폰화된 폴리설폰, 아민화된 폴리설폰, 카르복실화된 폴리설폰, 이미다졸화된 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 술폰화된 폴리에테르설폰, 아민화된 폴리에테르설폰, 카르복실화된 폴리에테르설폰, 이미다졸화된 폴리에테르설폰, 폴리이미드, 술폰화된 폴리이미드, 아민화된 폴리이미드, 카르복실화된 폴리이미드, 이미다졸화된 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 술폰화된 폴리에테르이미드, 아민화된 폴리에테르이미드, 카르복실화된 폴리에테르이미드, 이미다졸화된 폴리에테르이미드, 폴리케톤, 술폰화된 폴리케톤, 아민화된 폴리케톤, 카르복실화된 폴리케톤, 이미다졸화된 폴리케톤, 폴리에테르케톤, 술폰화된 폴리에테르케톤, 아민화된 폴리에테르케톤, 카르복실화된 폴리에테르케톤, 이미다졸화된 폴리에테르케톤, 폴리비닐술폰산, 폴리아크릴산, 폴리이미다졸, 폴리벤즈이미다졸 및 과불소계 고분자 중에서 선택된 고분자 화합물 및 다음 화학식 5 표시되는 방향족 디아민을 이미드화 반응시켜Polyamic acid represented by the formula (3), and polyvinyl difluoride, sulfonated polyvinyl difluoride, aminated polyvinyl difluoride, carboxylated polyvinyl difluoride, imidazole polyvinyl Difluoride, polysulfone, sulfonated polysulfone, aminated polysulfone, carboxylated polysulfone, imidazole polysulfone, polyethersulfone, sulfonated polyethersulfone, aminated polyethersulfone , Carboxylated polyethersulfone, imidazoleated polyethersulfone, polyimide, sulfonated polyimide, aminated polyimide, carboxylated polyimide, imidazole polyimide, polyetherimide, Sulfonated polyetherimide, aminated polyetherimide, carboxylated polyetherimide, imidazoleated polyetherimide, polyketone, sulfonated polyketone, aminated polyke , Carboxylated polyketone, imidazole polyketone, polyether ketone, sulfonated polyether ketone, aminated polyether ketone, carboxylated polyether ketone, imidazole polyether ketone, poly Imidation of a polymer compound selected from vinylsulfonic acid, polyacrylic acid, polyimidazole, polybenzimidazole, and perfluorinated polymer and the aromatic diamine represented by the following formula (5)
상기 화학식 1의 반복단위를 갖는 고분자(1)와, 상기 화학식 2의 반복단위를 갖는 고분자(2) 또는 고분자 화합물이 상호침투 그물구조 형태로 동시 가교-이미드 결합된 고분자 전해질막을 제조한다.A polymer electrolyte membrane in which a polymer (1) having a repeating unit of
상기 화학식 5에서, 은 각각 상기에서 정의된 바와 같다.In Chemical Formula 5, Are each as defined above.
본 발명의 고분자 전해질막은 용액-주조방법을 사용하여 막을 형성한다. 상기 용액-주조방법은 구성 화합물을 유기용매에 용해시킨 후 캐스팅하고 건조시키는 과정을 포함하는 통상적인 제조방법으로서, 본 발명의 연료전지용 고분자 전해질막도 용액-주조방법으로 제조되는 바, 상기한 용액-주조방법으로 반응과 필름형 성이 동시에 진행되기 때문에, 제조방법이 매우 용이하며, 종래의 술폰화 폴리이미드 막을 제조함에 수반되었던 고분자 중합 후, 추출-정제-건조과정과 필름형성 단계 등이 불필요하다.The polymer electrolyte membrane of the present invention forms a membrane using a solution-casting method. The solution-casting method is a conventional manufacturing method including a process of dissolving a constituent compound in an organic solvent, followed by casting and drying, and the polymer electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention is also prepared by the solution-casting method. Since the reaction and film form are carried out simultaneously by the casting method, the manufacturing method is very easy, and after the polymer polymerization, which is involved in preparing the sulfonated polyimide membrane, the extraction-purification-drying process and the film forming step are unnecessary. Do.
이하 본 발명은 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명에 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the following examples, but the present invention is not limited thereto.
실시예 1Example 1
50 mL 플라스크에 스티렌-무수말레인산 고분자 2.065 g(1 × 10-2 mol)과 메틸비닐에테르-무수말레인산 고분자 1.5614 g(1 × 10-2 mol)을 용매 디메틸설폭사이드(DMSO)에 완전히 용해시키고, 두 용액을 실온에서 혼합-교반하여 균일한 상호침투 고분자 용액을 제조하였다. In 50 mL flask styrene-maleic anhydride polymer 2.065 g (1 × 10 -2 mol ) and methyl vinyl ether-maleic anhydride polymer 1.5614 g (1 × 10 -2 mol ) was completely dissolved in the solvent, dimethyl sulfoxide (DMSO), Both solutions were mixed-stirred at room temperature to produce a homogeneous interpenetrating polymer solution.
또한, 동일한 플라스크에 2,2-벤지딘 디술폰산-착염 2.7236 g(5 × 10-3 mol)을 DMSO에 완전히 용해시키고, 상기의 혼합 고분자용액과 실온에서 상호 반응시켜 아믹산 가교 고분자 용액을 제조한 다음, 미리 준비된 유리판에 주조하고 수평이 잘 맞추어진 60 ℃ 진공오븐에서 24시간동안 반응을 진행하였다. 잔유용매를 완전히 제거하기 위해 반응 후, 80 ℃에서 24시간동안 진공-건조하여, 20 ∼ 100 ㎛ 두께의 그물상 술폰산-착염 가교-아믹산 고분자 필름을 제조하였다.Also, 2.7236 g (5 × 10 −3 mol) of 2,2-benzidine disulfonic acid-complex salt was completely dissolved in DMSO in the same flask, and reacted with the mixed polymer solution at room temperature to prepare an amic acid crosslinked polymer solution. Next, the reaction was carried out for 24 hours in a 60 ℃ vacuum oven well cast on a glass plate prepared in advance. After the reaction to completely remove the residual solvent, vacuum-drying at 80 ℃ for 24 hours to prepare a network sulfonic acid-complex salt cross-amic acid polymer film of 20 to 100 ㎛ thickness.
상기의 제조된 고분자 필름을 100 ℃ 12시간, 120 ℃ 6시간, 150 ℃ 3시간, 180 ℃ 1시간 및 240 ℃ 30분 동안 단계적으로 온도를 상승시키면서 이미드화하여 갈색의 고분자 필름을 제조하였다. The prepared polymer film was imidized while increasing the temperature stepwise at 100 ° C. for 12 hours, 120 ° C. for 6 hours, 150 ° C. for 3 hours, 180 ° C. for 1 hour, and 240 ° C. for 30 minutes to prepare a brown polymer film.
이후에, 1M 황산을 이용하여 술폰산-착염을 산기형태로 전환시킨 후, 순수로 여러 차례 세정하여 상호침투 그물구조의 술폰화 가교-이미드 고분자막을 제조하였다. Subsequently, the sulfonic acid-complex salt was converted into an acidic form using 1M sulfuric acid, and then washed several times with pure water to prepare a sulfonated crosslinked-imide polymer membrane having an interpenetrating network structure.
상기 제조된 연료전지용 고분자 전해질막은 적외선 분광기 분석에 의거하여 상기 화학시 1로 표시되는 화합물임을 확인하였다.The prepared polymer electrolyte membrane for a fuel cell was confirmed to be a compound represented by Chemical Formula 1 based on an infrared spectroscopy analysis.
실시예 2Example 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 메틸비닐에테르-무수말레인산 고분자 대신 이소부틸렌-무수말레인산 1.5416 g(1 × 10-2 mol)을 사용하여 고분자 전해질막을 제조하였다.The polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1, using 1.5416 g (1 × 10 −2 mol) of isobutylene-maleic anhydride instead of the methyl vinyl ether-maleic anhydride polymer.
실시예 3Example 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 메틸비닐에테르-무수말레인산 고분자 대신 폴리비닐디플로라이드(PVDF) 0.64 g(1 × 10-2 mol)을 사용하여 고분자 전해질막을 제조하였다. The polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1, using 0.64 g (1 × 10 −2 mol) of polyvinyl difluoride (PVDF) instead of the methyl vinyl ether-maleic anhydride polymer.
비교예 1Comparative Example 1
종래에 연료전지용 고분자 전해질 막으로 널리 사용되고 있는 나피온(Nafion) 112를 비교예 1로 두었다.Nafion 112, which is widely used as a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, is set as Comparative Example 1.
실험예 1 : 수소이온전도도Experimental Example 1: Hydrogen ion conductivity
상기 실시예 1 ∼ 3 및 비교예 1에서 얻어진 고분자막의 온도에 따른 수소이온 전도도를 교류임피던스 측정형태의 2 극자 방법으로 측정하여 도 2에 나타내었다. Hydrogen ion conductivity according to the temperature of the polymer membrane obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was measured by the dipole method in the AC impedance measurement form and is shown in FIG. 2.
상기 도 2에서 알 수 있듯이 본 발명에 따른 고분자 막의 수소이온 전도도가 월등히 우수함을 확인 할 수 있다.As can be seen in Figure 2 it can be seen that the excellent hydrogen ion conductivity of the polymer membrane according to the present invention.
실험예 2 : 연료 크로스오버 측정Experimental Example 2 Fuel Crossover Measurement
실시예 1 ∼ 3 및 비교예 1에서 얻어진 고분자막의 직접메탄올 크로스오버를 연료 공급부와 검출부 사이의 전해질 격리막으로 구성된 투과셀을 이용하여 일정시간마다 검출부의 농도를 굴절률 검출기로 확인하는 방법으로 단위면적당, 단위시간당 메탄올의 농도를 측정하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. 비교예 1인 상용막인 나피온에 비해 매우 낮은 메탄올 투과도를 나타냄을 확인할 수 있다.The direct methanol crossover of the polymer membranes obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was used to check the concentration of the detection unit with a refractive index detector at regular intervals using a transmission cell composed of an electrolyte separator between the fuel supply unit and the detection unit. The concentration of methanol per unit time was measured and the results are shown in FIG. 3. It can be seen that it shows a very low methanol permeability compared to Nafion which is a commercial membrane of Comparative Example 1.
또한 실시예 1, 2, 3 및 비교예 1에서 얻어진 고분자막의 디메틸에테르 크로스오버 결과를 도 4에 나타내었다. 상용막인 나피온의 경우, 온도에 따라 크로스오버 현상이 점차 증가하지만, 본 발명의 경우, 크로스오버 현상이 없음을 확인할 수 있다.4 shows the dimethyl ether crossover results of the polymer membranes obtained in Examples 1, 2, 3 and Comparative Example 1. FIG. In the case of Nafion which is a commercial film, the crossover phenomenon gradually increases with temperature, but in the case of the present invention, it can be seen that there is no crossover phenomenon.
본 발명에 따른 상호침투 그물구조의 동시가교-이미드 고분자 전해질막은 종래의 최고의 성능을 나타내는 상용막 나피온(Nafion) 과불소계 막보다 제조비용이 저렴하고, 종래의 술폰화 폴리이미드막에 비해 제조가 용이하며, 가교-이미드 구조로부터 그물구조가 구성되기 때문에 열적, 기계적 및 화학적 안정성과 막의 내구성이 우수하다. 또한, 고온에서도 높은 수소이온 전도도와 메탄올 및 디메틸에테르 등의 연료에 대해 매우 낮은 메탄올 투과도를 나타내므로, 연료전지용 고분자 전해질막으로의 응용이 충분히 가능하다.The co-crosslinked-imide polymer electrolyte membrane of the interpenetrating net structure according to the present invention has a lower manufacturing cost than a commercial membrane Nafion perfluorine membrane which exhibits the best performance of the prior art, and is prepared in comparison with the conventional sulfonated polyimide membrane. It is easy to use and has excellent thermal, mechanical and chemical stability and film durability because the net structure is constructed from the cross-imide structure. In addition, high hydrogen ion conductivity and very low methanol permeability are shown for fuels such as methanol and dimethyl ether even at high temperatures, so that application to a fuel cell polymer electrolyte membrane is sufficiently possible.
본 발명에 따른 상호침투 그물구조의 동시가교-이미드 고분자 전해질막은 제조가 매우 용이하기 때문에 산업적인 규모에서의 대량생산도 용이하다. Since the co-crosslinking-imide polymer electrolyte membrane of the interpenetrating net structure according to the present invention is very easy to manufacture, mass production on an industrial scale is also easy.
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Citations (2)
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JP2003528420A (en) * | 1998-08-28 | 2003-09-24 | フオスター・ミラー・インコーポレイテツド | Composite solid polymer electrolyte membrane |
JP2006100241A (en) * | 2004-09-06 | 2006-04-13 | Mitsubishi Gas Chem Co Inc | Solid polyelectrolyte membrane |
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2006
- 2006-07-11 KR KR1020060065116A patent/KR100750290B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
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Non-Patent Citations (2)
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일본 특개2003-528420호 |
일본 특개2006-100241호 |
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