KR100754375B1 - Proton conductive solid polymer electrolyte and fuel cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 프로톤 전도성 고체고분자 전해질 및 이를 구비한 연료전지에 관한 것으로서, 구체적으로는 산 및 상기 산을 함침하는 고분자 화합물을 포함하고, 상기 고분자 화합물이 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 갖는 폴리아조메틴류인 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 고체고분자 전해질 및 이를 구비한 연료전지에 관한 것이다:The present invention relates to a proton conductive solid polymer electrolyte and a fuel cell having the same, and specifically, an acid and a polyazo containing a polymer compound impregnated with the acid, wherein the polymer compound has a repeating unit represented by the following Chemical Formula 1 It relates to a proton conductive solid polymer electrolyte characterized in that the methine and a fuel cell having the same:

단, 하기 화학식 1에 있어서, R1 및 R2는, 서로 독립적으로, 수소 원자, 알킬기 또는 알릴기이며, X는 아릴기이고, n은 100 내지 100,000의 정수이다.However, in the following general formula (1), R 1 and R 2 are each independently a hydrogen atom, an alkyl group or an allyl group, X is an aryl group, and n is an integer of 100 to 100,000.

<화학식 1><Formula 1>

Figure 112006022528942-pat00001
Figure 112006022528942-pat00001

본 발명에 따르면, 약 100℃ 내지 200℃의 작동온도에 있어서, 무가습 혹은 상대습도 50% 이하의 작동조건에서 양호하게 작동하는 발전성능을 장기간 안정적으로 나타내는 연료전지를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell stably exhibiting long-term stable power generation performance at an operating temperature of about 100 ° C. to 200 ° C. under operating conditions of no humidification or a relative humidity of 50% or less.

폴리아조메틴, 프로톤 전도성 고체고분자 전해질, 연료전지  Polyazomethine, proton conductive solid polymer electrolyte, fuel cell

Description

프로톤 전도성 고체고분자 전해질 및 이를 구비한 연료 전지{Proton conductive solid polymer electrolyte and fuel cell comprising the same}Proton conductive solid polymer electrolyte and fuel cell comprising the same

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지의 단위 셀 구조를 나타내는 단면 모식도이다.1 is a schematic cross-sectional view showing a unit cell structure of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 2는 실시예 1에 따른 고분자 전해질막에 있어서, 프로톤 전도도의 온도 의존성을 나타내는 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing temperature dependence of proton conductivity in the polymer electrolyte membrane according to Example 1. FIG.

도 3은 실시예 6에 따른 고분자막의 적외선 스펙트럼 그래프이다.3 is an infrared spectrum graph of a polymer film according to Example 6.

도 4는 실시예 1에 따른 고분자막의 적외선 스펙트럼 그래프이다.4 is an infrared spectrum graph of a polymer film according to Example 1. FIG.

< 도면 부호의 간단한 설명><Brief description of reference numerals>

1 … 단위 셀(연료 전지)One … Unit cell (fuel cell)

2 … 산소극(전극)2 … Oxygen electrode (electrode)

3 … 연료극(전극)3…. Fuel electrode (electrode)

4 … 전해질막(프로톤 전도성 고체고분자 전해질)4 … Electrolyte Membrane (Proton Conductive Solid Polymer Electrolyte)

본 발명은 프로톤 전도성 고체고분자 전해질 및 이를 구비한 연료전지에 관 한 것으로서, 약 100℃ 내지 200℃의 작동온도에 있어서, 무가습 혹은 상대습도 50% 이하의 작동조건에서 양호하게 작동하는 발전성능을 장기간 안정적으로 나타내는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a proton conductive solid polymer electrolyte and a fuel cell having the same, and has a power generation performance that works well under operating conditions of 50% or less relative humidity or 50% relative humidity at an operating temperature of about 100 ° C to 200 ° C. The present invention relates to a fuel cell exhibiting long-term stability.

종래, 고체고분자형 연료전지용 프로톤 전도성 전해질로는 시스템 효율, 구성부재의 장기 내구성의 관점에서, 100℃ 내지 300℃정도의 작동온도에 있어서, 무가습 혹은 상대습도 50% 이하의 저가습 작동조건에서 양호한 프로톤 전도성을 장기간 안정적으로 나타내는 프로톤 전도체가 요망되고 있다. 종래의 고체고분자형 연료 전지의 개발에 있어서, 상기 요구를 감안하여 다양한 연구가 수행되어 왔지만, 퍼플루오로 카본 술폰산막을 전해질막으로 사용한 고체고분자형 연료 전지에서는 100℃ 내지 300℃의 작동온도 하에서, 상대습도 50% 이하에서는 충분한 발전 성능을 얻을 수 없다는 결함이 있었다.Conventionally, as a proton conductive electrolyte for a solid polymer fuel cell, in terms of system efficiency and long-term durability of a component, at an operating temperature of about 100 ° C. to 300 ° C., under low humidity or low humidity operation conditions of 50% or less relative humidity. There is a need for a proton conductor that exhibits good proton conductivity over a long period of time. In the development of a conventional solid polymer fuel cell, various studies have been carried out in view of the above requirements, but in a solid polymer fuel cell using a perfluoro carbon sulfonic acid membrane as an electrolyte membrane, at an operating temperature of 100 ° C to 300 ° C, There was a defect that sufficient power generation performance could not be obtained at a relative humidity of 50% or less.

또한, 프로톤 전도성 부여제를 함유시킨 것(예를 들어, 특개2001-035509호 참조)이나, 실리카 분산막을 사용한 것(예를 들어, 특개 06-111827호 참조.), 무기-유기 복합막을 사용한 것(예를 들어, 특개2000-090946호 참조.), 인산이 도핑된 그래프트막을 사용한 것(예를 들어, 특개 2001-213987호 참조.), 혹은 이온성 액체 복합막을 사용한 것(예를 들어, 특개2001-167629호 참조.)과 같은 종래기술들이 존재하지만, 모두 100℃ 내지 300℃의 작동온도 하에서, 무가습 혹은 상대습도 50% 이하의 사용 환경 하에서는 충분한 발전 성능성을 장기간 안정적으로 발휘할 수 없다는 문제점이 있었다.Furthermore, those containing a proton conductivity imparting agent (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-035509), those using a silica dispersion film (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-111827), and an inorganic-organic composite film. (See, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-090946.), Using a graft film doped with phosphoric acid (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-213987), or using an ionic liquid composite membrane (e.g. Although there exist prior arts such as 2001-167629.), All of them have a problem that sufficient power generation performance can not be stably exhibited for a long time under an operating environment of 100 ° C to 300 ° C under a humidification or a relative humidity of 50% or less. There was this.

한편, 미국특허 제5525436호는, 인산 등의 강산을 도핑시킨 폴리벤즈이미다 졸로 이루어지는 고분자 전해질막을 사용함으로써 200℃까지의 고온에서도 충분한 발전 성능을 나타내는 고체고분자형 연료 전지를 개시하고 있지만, 폴리머 중량의 4배나 되는 인산을 함침시켜 사용하기 때문에, 장기간 안정적으로 발전 성능을 유지하는 것은 어렵다는 문제점이 있었다.On the other hand, U.S. Patent No. 5525436 discloses a solid polymer fuel cell that exhibits sufficient power generation performance even at a high temperature up to 200 ° C by using a polymer electrolyte membrane made of polybenzimidamide sol doped with a strong acid such as phosphoric acid. Since impregnated with 4 times of phosphoric acid is used, it is difficult to maintain stable power generation performance for a long time.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 100℃ 내지 200℃ 정도의 작동온도에 있어서, 무가습 혹은 상대습도 50% 이하의 작동조건에서 양호하게 작동하는 발전 성능을 장기간 안정적으로 나타낼 수 있는 프로톤 전도성 고체고분자 전해질 및 이 전해질을 구비한 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the problems of the prior art, at an operating temperature of about 100 ℃ to 200 ℃, can exhibit a long-term stable generation performance that works well under operating conditions of less than 50% relative humidity or relative humidity. An object of the present invention is to provide a proton conductive solid polymer electrolyte and a fuel cell having the electrolyte.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 그 일 태양에서,In order to achieve the above object, the present invention in one aspect,

산 및 상기 산을 함침하는 고분자 화합물을 포함하고, 상기 고분자 화합물이 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 갖는 폴리아조메틴류인 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 고체고분자 전해질:A proton conductive solid polymer electrolyte comprising an acid and a polymer compound impregnated with the acid, wherein the polymer compound is a polyazomethine having a repeating unit represented by Formula 1 below:

(단, 하기 화학식 1에 있어서, R1 및 R2는, 서로 독립적으로, 수소 원자, 알킬기 또는 알릴기이며, X는 아릴기이고, n은 100 내지 100,000의 정수이다)(In formula (1), R 1 and R 2 are each independently a hydrogen atom, an alkyl group, or an allyl group, X is an aryl group, and n is an integer of 100 to 100,000.)

Figure 112006022528942-pat00002
Figure 112006022528942-pat00002

을 제공한다.To provide.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 다른 태양에서,In order to achieve the above object, the present invention in another aspect,

산소극, 연료극 및 양전극에 협지된 고분자 전해질막을 구비하고, 산화제 유로를 형성한 산화제 바이폴라 플레이트를 산소극 쪽에 마련하고, 연료 유로를 형성한 연료 바이폴라 플레이트를 연료극 쪽에 마련한 것을 단위셀로 하는 연료 전지에 있어서, 상기 고분자 전해질막이 상술한 프로톤 전도성 고체고분자 전해질인 것을 특징으로 하는 연료 전지를 제공한다.A fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane sandwiched between an oxygen electrode, a fuel electrode, and a positive electrode, provided with an oxidant bipolar plate on which an oxidant flow path is formed on an oxygen electrode side, and a fuel bipolar plate on which a fuel flow path is formed on a fuel electrode side. In the fuel cell, the polymer electrolyte membrane is a proton conductive solid polymer electrolyte.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described with reference to drawings.

[프로톤 전도성 고체고분자 전해질][Proton Conductive Solid Polymer Electrolyte]

본 실시 형태의 프로톤 전도성 고체고분자 전해질(이하, 고분자 전해질이라 함)은 산 및 상기 산을 함침하는 고분자 화합물을 포함한다. 고분자 화합물은 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 갖는 폴리아조메틴류이다. 본 실시 형태의 고분자 전해질에 있어서는, 폴리아조메틴류로 이루어지는 고분자 화합물에 대해 산이 함침(도핑)되어 있다. 또한, 본 실시형태의 고분자 전해질에는, 저분자 가교제에 의해 폴리아조메틴류의 주쇄끼리 가교된 가교 구조가 형성되어 있을 수도 있다.The proton conductive solid polymer electrolyte (hereinafter referred to as polymer electrolyte) of the present embodiment contains an acid and a polymer compound impregnated with the acid. The high molecular compound is polyazomethine which has a repeating unit represented by the said Formula (1). In the polymer electrolyte of the present embodiment, an acid is impregnated (doped) with a polymer compound made of polyazomethines. In the polymer electrolyte of the present embodiment, a crosslinked structure in which main chains of polyazomethines are crosslinked by a low molecular crosslinking agent may be formed.

이하, 본 실시형태의 고분자 전해질을 구성하는 성분에 대해서 설명한다.Hereinafter, the component which comprises the polymer electrolyte of this embodiment is demonstrated.

(폴리아조메틴류)(Polyazomethine)

폴리아조메틴류는 앞에서 설명한 바와 같이, 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 갖는 고분자이다. 이러한 폴리아조메틴류는 화학식 1에 나타난 바와 같이, 페닐기에 결합하는 아민기를 가지고 있고, 이 아민기와 산의 상호 작용에 의해 산이 폴리아조메틴류에 도핑되고, 이로써 프로톤 전도도가 발현되는 것으로 판단된다. 또한, 폴리아조메틴류는 페닐기에 결합하는 질소-탄소의 2중 결합을 가지고 있고, 이 질소-탄소의 2중 결합의 존재로 인해 폴리아조메틴류에 열적 안정성이 부여되고, 이로써 고분자 전해질의 내열성이 향상된다고 판단된다.As described above, polyazomethines are polymers having a repeating unit represented by Chemical Formula 1. Such polyazomethines have an amine group bonded to a phenyl group, as shown in the formula (1), and the acid is doped into the polyazomethines by the interaction of the amine group and the acid, thereby determining the expression of proton conductivity. In addition, polyazomethines have a double bond of nitrogen-carbon that binds to a phenyl group, and thermal stability is imparted to the polyazomethines due to the presence of the double bond of nitrogen-carbon, thereby providing heat resistance of the polymer electrolyte. It is judged that this is improved.

화학식 1에 있어서, R1 및 R2는, 서로 독립적으로, 수소 원자, 알킬기 또는 알릴기이며, X는 아릴기이고, 반복수를 나타내는 n은 100 내지 100,000의 정수이다. 더욱 바람직하게는, R1 및 R2는, 서로 독립적으로, 수소 원자, 탄소수 1 내지 6의 알킬기 또는 알릴기이며, X는 페닐기, 톨릴기, 자일릴기, 비페닐기, 나프틸기, 안트릴기 또는 페난트릴기이고, n은 100 내지 100,000의 정수이다. 특히 바람직하게는, R1 및 R2가 수소 원자이고, X가 페닐기이며, n은 100 내지 100,000의 정수이다.In formula (1), R 1 and R 2 are each independently a hydrogen atom, an alkyl group, or an allyl group, X is an aryl group, and n, which represents a repeating number, is an integer of 100 to 100,000. More preferably, R 1 and R 2 are each independently a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms or an allyl group, and X is a phenyl group, tolyl group, xylyl group, biphenyl group, naphthyl group, anthryl group or It is a phenanthryl group, n is an integer of 100-100,000. Especially preferably, R <1> and R <2> is a hydrogen atom, X is a phenyl group, n is an integer of 100-100,000.

R1 및 R2가 상기 이외의 치환기로 치환되는 경우에는, 페닐기에 결합하는 아미노기와의 상호 작용에 의해 폴리아조메틴류의 열적 안정성이 저하하므로 바람직하지 않다. 또한, X가 상기 이외의 치환기로 치환되는 경우에는, 폴리아조메틴류의 열적 안정성이 저하되므로 바람직하지 않다. 나아가, 반복수를 나타내는 n이 100 미만인 경우에는, 고분자 전해질의 기계적 강도가 저하되므로 바람직하지 않고, n이 100,000을 초과하는 경우에는, 폴리아조메틴류의 용매에 대한 용해성이 저하되고, 이로 인해 이른바 캐스트법에 의한 폴리아조메틴류의 성형성이 저하되며, 고분자 전해질을 원하는 형상으로 만드는 것이 어려워지므로 바람직하지 않다.When R <1> and R <2> are substituted by substituents other than the above, since the thermal stability of polyazomethines falls by interaction with the amino group couple | bonded with a phenyl group, it is unpreferable. Moreover, when X is substituted by the substituent of that excepting the above, since the thermal stability of polyazomethines falls, it is unpreferable. Furthermore, when n which represents a repeating number is less than 100, since the mechanical strength of a polymer electrolyte falls, it is unpreferable, and when n exceeds 100,000, the solubility to the solvent of polyazomethines falls, and so-called It is not preferable because the moldability of polyazomethines by the casting method is lowered and it becomes difficult to make the polymer electrolyte into a desired shape.

또한 본 실시형태의 폴리아조메틴류는, 그 일부가 가열산화되어 변성되어 있을 수도 있다. 폴리아조메틴류는 상술한 바와 같이 질소-탄소의 2중 결합의 존재로 인해 열적 안정성이 뛰어나고, 또한 아민기와 산의 상호 작용에 의해 프로톤 전도도가 발현되지만, 그 한편으로, 특히 R1 또는 R2의 어느 하나가 수소 원자인 경우에, 산소의 존재 하에서 질소-탄소 2중 결합과 아민기 사이에 가열 산화에 의한 탈수반응이 일어나기 쉽다. 이러한 탈수반응은 질소-탄소 2중 결합의 탄소에 결합하는 R1 또는 R2(수소 원자)와, 분위기중의 산소, 아민기의 수소가 화합하여 물이 생성되는 반응이다. 이러한 반응에 의해 질소-탄소 2중 결합이 단일결합이 되고, 나아가 이 질소-탄소결합의 탄소 원자에 아민기의 질소 원자가 결합하여 질소함유 탄소환구조가 형성된다. 하기 화학식 2 및 3에는 폴리아조메틴류가 가열 산화되어 변성된 구조의 일례를 나타내었다.In addition, the polyazomethine of this embodiment may be partially denatured by heat oxidation. As described above, polyazomethines have excellent thermal stability due to the presence of a double bond of nitrogen-carbon, and also proton conductivity is expressed by the interaction of an amine group and an acid, but on the other hand, in particular, R 1 or R 2 When either is a hydrogen atom, dehydration reaction by heat oxidation easily occurs between the nitrogen-carbon double bond and the amine group in the presence of oxygen. This dehydration reaction is a reaction in which water is produced by combining R 1 or R 2 (hydrogen atoms) bonded to carbon of a nitrogen-carbon double bond with hydrogen of oxygen and amine groups in the atmosphere. By this reaction, the nitrogen-carbon double bond becomes a single bond, and furthermore, the nitrogen atom of the amine group is bonded to the carbon atom of the nitrogen-carbon bond to form a nitrogen-containing carbocyclic structure. In Formulas 2 and 3, an example of a structure in which polyazomethines are modified by heating and oxidizing them is shown.

Figure 112006022528942-pat00003
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Figure 112006022528942-pat00004
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이러한 변성은 폴리아조메틴류가 산소 존재 하에서 60℃ 정도로 가열되는 조건에서 일어나기 쉽다. 산소가 존재하지 않는 조건에서는, 가령 60℃ 정도로 가열되어도 변성은 일어나지 않는다. 또한, 산이 도핑된 폴리아조메틴류에 대해서는, 산에 의해 아민기가 보호되고 있다고 추정되며, 산소 존재 하에서 60℃ 정도로 가열되어도 변성이 일어나기 어렵다.Such modification is likely to occur under conditions in which polyazomethines are heated to about 60 ° C. in the presence of oxygen. Under conditions where oxygen is not present, no modification occurs even when heated to about 60 ° C. In addition, about the polyazomethine doped with acid, it is presumed that an amine group is protected by an acid, and even if it heats at about 60 degreeC in presence of oxygen, a modification does not occur easily.

또한, R1 및 R2가 수소 원자 이외의 경우에는, 산소 존재 하에서 60℃로 가열하는 정도로는 변성이 일어나기 어렵고, R1기 및 R2기를 빼기 위한 염화 제2철 등의 촉매의 존재가 필요하게 된다.In addition, R 1 and R 2 is a need exists in the case other than a hydrogen atom, so that heated to 60 ℃ presence of oxygen is difficult to occur degeneration, R 1 group and an R 2 group catalyst such as ferric chloride for subtraction Done.

이 변성구조는 폴리아조메틴류의 일부에 존재하는 것이 바람직하고, 폴리아조메틴류 전체가 변성되는 것은 바람직하지 않다. 폴리아조메틴류의 일부가 변성됨으로써 폴리아조메틴류의 열안정성 및 내용매성이 향상되고, 연료 전지와 같은 비교적 고온의 분위기하에서도 안정된 프로톤 전도도를 발현시킬 수 있다. 한편, 폴리아조메틴류 전체가 변성되면, 아민기가 소실되어 버리고, 산의 함침율(도핑율)이 대폭 저하하여 프로톤 전도도가 저하되어 버리므로 바람직하지 않다.It is preferable that this modified structure exists in a part of polyazomethines, and it is not preferable that the whole polyazomethines are modified. By modifying a part of the polyazomethines, the thermal stability and the solvent resistance of the polyazomethines are improved, and stable proton conductivity can be expressed even in a relatively high temperature atmosphere such as a fuel cell. On the other hand, when the entire polyazomethine is denatured, the amine group is lost, the impregnation rate (doping rate) of the acid is greatly reduced, and the proton conductivity is not preferable.

(산)(mountain)

본 실시형태에서의 산이란, 인산, 포스폰산, 황산, 트리플루오로아세트산, 트리플루오로메탄술폰산, 트리플루오로메탄술포이미드산, 인텅스텐산 등을 나타내는데, 내열성, 부식성, 휘발성, 도전성의 관점에서, 인산 및 포스폰산 또는 이들의 혼합물이 바람직하다. 이러한 산은 모두 폴리아조메틴류의 아민기와 상호 작용하여 폴리아조메틴류에 함침(도핑)되어 프로톤 전도도를 발현시킨다. 폴리아조메틴류에 대한 산의 도핑율은 산의 종류에도 따르지만, 50% 이상 400% 이하의 범위가 바람직하고, 100% 이상 300% 이하의 범위가 더욱 바람직하다. 도핑율이 너무 낮으면 프로톤 전도도가 저하되므로 바람직하지 않고, 또한 도핑율이 너무 높으면 고체고분자 전해질의 기계적 강도가 저하되므로 바람직하지 않다.The acid in the present embodiment refers to phosphoric acid, phosphonic acid, sulfuric acid, trifluoroacetic acid, trifluoromethanesulfonic acid, trifluoromethanesulfoimic acid, phosphotungstic acid, and the like. From the viewpoint, phosphoric acid and phosphonic acid or mixtures thereof are preferred. All of these acids interact with the amine groups of the polyazomethines to impregnate (dope) the polyazomethines to express proton conductivity. The acid doping ratio with respect to polyazomethines also depends on the kind of acid, but the range of 50% or more and 400% or less is preferable, and the range of 100% or more and 300% or less is more preferable. If the doping rate is too low, it is not preferable because the proton conductivity is lowered. If the doping rate is too high, the mechanical strength of the solid polymer electrolyte is lowered, which is not preferable.

(저분자 가교제)(Low molecular weight crosslinking agent)

또한, 본 실시형태의 고체고분자 전해질에 있어서는, 저분자 가교제에 의한 가교 구조가 형성되어 있을 수도 있다. 저분자 가교제로는, 이산무수물, 디에폭시 화합물, 디이소시아네이트에서 선택되는 화합물이 바람직하다. 이들 저분자 가교제에 의해 폴리아조메틴류의 주쇄끼리 가교된 가교 구조가 형성되고, 고분자 전해질의 기계적 강도가 더욱 향상한다. 가교반응은 주로 폴리아조메틴류의 아민기에 대해 일어나고, 인접하는 분자쇄의 아민기끼리 가교되어 폴리아조메틴류 전체의 분자 구조가 안정화된다.Moreover, in the solid polymer electrolyte of this embodiment, the crosslinked structure by the low molecular crosslinking agent may be formed. As a low molecular crosslinking agent, the compound chosen from diacid anhydride, a diepoxy compound, and a diisocyanate is preferable. These low molecular weight crosslinking agents form a crosslinked structure in which main chains of polyazomethines are crosslinked, and the mechanical strength of the polymer electrolyte is further improved. The crosslinking reaction mainly occurs for amine groups of polyazomethines, and amine groups of adjacent molecular chains are crosslinked to stabilize the molecular structure of the entire polyazomethines.

이산무수물로는, 이무수피로메리트산, 사이클로부텐이카본산무수물, 혹은 이들의 유도체 등을 들 수 있다.Examples of the diacid anhydride include dianhydride pyromellitic acid, cyclobutene dicarboxylic acid anhydride, and derivatives thereof.

또한 디에폭시 화합물로는, 에틸렌글리콜디글리시딜에테르, 2,2-비스(4-글리 시딜옥시페닐)-프로판 등을 들 수 있다.Moreover, an ethylene glycol diglycidyl ether, 2, 2-bis (4-glycidyl oxyphenyl) propane etc. are mentioned as a diepoxy compound.

나아가, 디이소시아네이트로는, 디페닐메탄디이소시아네이트(이하, MDI라고 함), 4,4.-디페닐에테르디이소시아네이트(ODI), 트릴렌디이소시아네이트, 자일렌디이소시아네이트, 나프탈렌디이소시아네이트, 헥사플루오로비페닐디이소시아네이트, 헥사메틸렌디이소시아네이트, 리딘디이소시아네이트, 이소포론디이소시아네이트, 사이클로헥산디이소시아네이트 등을 들 수 있다. 나아가 이들의 유도체도 사용할 수 있다.Furthermore, as diisocyanate, diphenylmethane diisocyanate (henceforth MDI), 4, 4- diphenyl ether diisocyanate (ODI), triylene diisocyanate, xylene diisocyanate, naphthalene diisocyanate, hexafluoro biphenyl Diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, lidin diisocyanate, isophorone diisocyanate, cyclohexane diisocyanate, etc. are mentioned. Furthermore, these derivatives can also be used.

또한, 이들 저분자 가교제와 폴리아조메틴류의 혼합비(저분자 가교제/폴리아조메틴류)는 1/5(mol/mol)∼1/3(mol/mol)의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다. 저분자 가교제가 이보다 많아지면 겔화가 진행하여 고분자 전해질을 막형태로 성형하는 것이 어려워진다.In addition, it is preferable that the mixing ratio (low molecular crosslinking agent / polyazomethine) of these low molecular weight crosslinking agents and polyazomethines is mixed in 1/5 (mol / mol)-1/3 (mol / mol) ratio. If the low molecular weight crosslinking agent is more than this, gelation advances and it becomes difficult to shape a polymer electrolyte into a film form.

(고분자 전해질의 제조 방법)(Method for Producing Polymer Electrolyte)

고분자 전해질의 제조 방법은 폴리아조메틴류를 합성하는 공정과, 합성된 폴리아조메틴류를, 예를 들어 막형태로 성형함과 동시에 폴리아조메틴류에 산을 함침시키는 공정으로 이루어진다.The method for producing a polymer electrolyte comprises a step of synthesizing polyazomethines and a step of molding the synthesized polyazomethines into, for example, a film, and impregnating polyazomethines with acid.

폴리아조메틴류의 합성 방법은, 예를 들어 문헌(Macromolecules, vol.16, No.1(1983) 128-136)에 있는 바와 같이, 3,3.-디아미노벤지딘 등의 디아민과, 이소프탈알데히드 등의 디알데히드를 반응시킴으로써 얻어진다.반응 개요를 하기의 반응식 1에 나타내었다.The method for synthesizing polyazomethines is, for example, diamines such as 3,3.-diaminobenzidine and isophthal, as described in, for example, Macromolecules, vol. 16, No. 1 (1983) 128-136. It is obtained by reacting dialdehydes, such as an aldehyde. A summary of the reaction is shown in Scheme 1 below.

Figure 112006022528942-pat00005
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또한, 화학식 1에서의 R1 혹은 R2가 메틸기 등의 알킬기의 경우에는 하기 반응식 2에 나타내는 바와 같이, 3,3'-디아미노벤지딘 등의 디아민과, 1,4-디아세틸벤젠 등의 디케톤을 반응시킴으로써 얻어진다. 하기 반응식 2는 R1 및 R2가 메틸기의 경우인데, 다른 알킬기를 도입하는 경우에는, 하기 반응식 2에 있어서 디케톤의 카보닐기에 결합되어 있는 메틸기를 다른 알킬기로 하면 된다.In addition, in the case where R 1 or R 2 in the general formula (1) is an alkyl group such as a methyl group, as shown in the following Scheme 2, diamines such as 3,3'-diaminobenzidine and dike such as 1,4-diacetylbenzene Obtained by reacting tones. In the following scheme 2, R 1 and R 2 are methyl groups. When introducing another alkyl group, the methyl group bonded to the carbonyl group of the diketone in the following scheme 2 may be another alkyl group.

Figure 112006022528942-pat00006
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상기 반응식 1 및 2에서의 디아민으로는, 3,3'-디아미노벤지딘이 바람직하다. 또한, 디알데히드로는, 이소프탈알데히드 외에, 테레프탈알데히드, 9,10-디포르밀안트라센, 4,4.-디포르밀비페닐 등을 사용할 수 있다. 나아가, 디케톤으로는, 1,4-디아세틸벤젠 외에 1,3-디아세틸벤젠 등을 사용할 수 있다.As the diamine in Schemes 1 and 2, 3,3'-diaminobenzidine is preferable. As the dialdehyde, in addition to isophthalaldehyde, terephthalaldehyde, 9,10-diformylanthracene, 4,4.-diformylbiphenyl and the like can be used. Furthermore, in addition to 1, 4- diacetyl benzene, 1, 3- diacetyl benzene etc. can be used as a diketone.

이어서, 합성된 폴리아조메틴류를 용매에 용해하고, 유리 기판 등의 기판 상에 용액을 도포하고, 그 후에 가열하여 용매를 제거함으로써 폴리아조메틴류로 이루어지는 고분자막을 형성한다. 폴리아조메틴류를 녹이는 용매로는, 예를 들어 디메틸아세트아미드를 예시할 수 있다. 가열하여 용매를 제거할 때에는, 폴리아조메틴류가 가열 산화되어 변성되기 쉬우므로, 가열 온도 및 가열 분위기를 조절하는 것이 바람직하다.Next, the synthesized polyazomethine is dissolved in a solvent, a solution is applied onto a substrate such as a glass substrate, and then heated to remove the solvent to form a polymer film made of polyazomethine. As a solvent which melt | dissolves polyazomethines, dimethylacetamide can be illustrated, for example. When removing a solvent by heating, since polyazomethines are easily heat-oxidized and denatured, it is preferable to adjust heating temperature and a heating atmosphere.

폴리아조메틴류를 변성시키고자 하지 않는 경우에는, 가열 분위기를 감압 분위기 또는 불활성 가스 분위기 등의 비산화 분위기로 만드는 것이 바람직하다. 또한, 폴리아조메틴류의 일부를 변성시키는 경우에는, 가열 분위기를 공기 등의 산화성 분위기로 하면 된다.When not modifying polyazomethines, it is preferable to make heating atmosphere into non-oxidizing atmosphere, such as a reduced pressure atmosphere or an inert gas atmosphere. In addition, what is necessary is just to make heating atmosphere into oxidative atmospheres, such as air, when modifying a part of polyazomethines.

이어서, 폴리아조메틴류로 이루어지는 고분자막을 산의 수용액에 담금으로써 폴리아조메틴류에 산을 함침시킨다. 이렇게 하여 막형태의 고분자 전해질을 얻을 수 있다.Next, the polyazomethine is impregnated with an acid by dipping the polymer membrane made of polyazomethine into an aqueous solution of acid. In this way, a polymer electrolyte in the form of a membrane can be obtained.

또한, 폴리아조메틴류를 용매에 용해하여 유리 기판 상에 도포할 때, 폴리아조메틴류와 함께 용매에 산을 미리 혼합하고, 이 혼합 용액을 유리 기판 상에 도포할 수도 있다. 도포 후에는 상기와 마찬가지로 하여, 가열하여 용매를 제거한다. 이렇게 하여 고분자 전해질이 얻어진다. 이런 방법에 의하면, 폴리아조메틴류로 이루어지는 고분자막을 성막함과 동시에 산을 함침시킬 수 있고, 제조 공정을 간략화할 수 있다.In addition, when dissolving polyazomethines in a solvent and apply | coating on a glass substrate, an acid is mixed with a solvent in advance with a polyazomethine, and this mixed solution can also be apply | coated on a glass substrate. After coating, the solvent is heated in the same manner as above to remove the solvent. In this way, a polymer electrolyte is obtained. According to this method, a polymer film made of polyazomethines can be formed, and an acid can be impregnated, thereby simplifying the manufacturing process.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 고분자 전해질에 의하면, 우수한 열안정성과 높은 프로톤 전도도를 나타낼 수 있다.As described above, the polymer electrolyte of the present embodiment can exhibit excellent thermal stability and high proton conductivity.

「연료 전지」`` Fuel battery ''

도 1에는 본 실시형태의 연료 전지를 구성하는 단위 셀의 모식도를 나타낸다. 도 1에 도시된 단위 셀(1)은 산소극(2)과, 연료극(3)과, 산소극(2) 및 연료극(3) 사이에 협지된 고분자 전해질(4)(이하, 전해질막(4)으로 표기하는 경우가 있다)과, 산소극(2)의 바깥쪽에 배치된 산화제 유로(5a)를 가진 산화제 바이폴라 플레이트(5)와, 연료극(3)의 바깥쪽에 배치된 연료 유로(6a)를 가진 연료 바이폴라 플레이트(6)로 구성되고, 작동온도 100℃∼200℃, 온도가 무가습 또는 상대습도 50% 이하의 조건에서 작동하는 것이다.1, the schematic diagram of the unit cell which comprises the fuel cell of this embodiment is shown. The unit cell 1 shown in FIG. 1 includes a polymer electrolyte 4 (hereinafter, referred to as an electrolyte membrane 4) sandwiched between an oxygen electrode 2, a fuel electrode 3, and an oxygen electrode 2 and a fuel electrode 3. ), The oxidant bipolar plate 5 having the oxidant flow path 5a disposed outside the oxygen electrode 2, and the fuel flow path 6a disposed outside the fuel electrode 3, respectively. It consists of the excitation fuel bipolar plate 6, and it operates on the conditions of 100 degreeC-200 degreeC of operating temperature, and a temperature of 50 degrees or less of humidification or relative humidity.

연료극(3) 및 산소극(2)은 각각 다공질성 촉매층(2a, 3a)과, 각 촉매층(2a, 3a)을 유지하는 다공질 카본시트(카본 다공질체)(2b, 3b)로 거의 구성되어 있다. 촉매층(2a, 3a)에는 전극 촉매(촉매)와, 이 전극 촉매를 고화성형하기 위한 소수성 결착제와, 도전재가 포함되어 있다. The fuel electrode 3 and the oxygen electrode 2 are each composed of porous catalyst layers 2a and 3a and porous carbon sheets (carbon porous bodies) 2b and 3b holding the catalyst layers 2a and 3a, respectively. . The catalyst layers 2a and 3a contain an electrode catalyst (catalyst), a hydrophobic binder for solidifying the electrode catalyst, and a conductive material.

촉매는 수소의 산화반응 및 산소의 환원반응을 촉진하는 금속이면, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 납, 철, 망간, 코발트, 크롬, 갈륨, 바나듐, 텅스텐, 루테늄, 이리듐, 팔라듐, 백금, 로듐 또는 그들의 합금을 들 수 있다. 이러한 금속 또는 합금을 활성탄에 담지시킴으로써 전극촉매를 구성할 수 있다.The catalyst is not particularly limited as long as it is a metal that 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. The electrocatalyst can be constituted by supporting such a metal or alloy on activated carbon.

또한, 소수성 결착제로는 예를 들어, 불소 수지를 사용할 수 있다. 불소 수지 중에서도 융점이 400℃ 이하인 것이 바람직하고, 그와 같은 불소 수지로 폴리- 4-불화에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 폴리불화비닐리덴, 테트라플루오로에틸렌. 헥사플루오로에틸렌 공중합체, 퍼플루오로에틸렌 등의 소수성 및 내열성이 뛰어난 수지를 사용할 수 있다. 소수성 결착제를 첨가함으로써 발전 반응에 수반하여 생성한 물에 의해 촉매층(2a, 3a)이 너무 많이 흘러넘치는 것을 방지할 수 있고, 연료극(3) 및 산소극(2) 내부에서의 연료 가스 및 산소의 확산 저해를 방지할 수 있다.As the hydrophobic binder, for example, a fluororesin can be used. It is preferable that melting | fusing point is 400 degrees C or less among fluororesins, and, as such a fluororesin, a poly-4- fluoride, a tetrafluoroethylene- perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, a polyvinylidene fluoride, and tetrafluoroethylene. Resin excellent in hydrophobicity and heat resistance, such as a hexafluoroethylene copolymer and a perfluoroethylene, can be used. By adding a hydrophobic binder, it is possible to prevent the catalyst layers 2a and 3a from overflowing too much by the water generated along with the power generation reaction, and the fuel gas and oxygen inside the fuel electrode 3 and the oxygen electrode 2 can be prevented. Can inhibit the diffusion of

나아가, 도전재로는 전기전도성 물질이면 어떤 것이든 좋고, 각종 금속이나 탄소 재료 등을 들 수 있다. 예를 들어 아세틸렌 블랙 등의 카본블랙, 활성탄 및 흑연 등을 들 수 있고, 이들은 단독 혹은 혼합하여 사용된다.Furthermore, as an electrically conductive material, any electrically conductive material may be sufficient, and various metals, carbon materials, etc. are mentioned. For example, carbon black, such as acetylene black, activated carbon, graphite, etc. are mentioned, These are used individually or in mixture.

또한 촉매층(2a, 3a)에는 소수성 결착체를 대신하여, 또는 소수성 결착제와 함께, 본 발명에 의한 고분자 전해질을 함유시킬 수도 있다. 본 발명에 의한 고분자 전해질을 첨가함으로써 연료극(3) 및 산소극(2)에서의 프로톤 전도도를 향상할 수 있고, 연료극(3) 및 산소극(2)의 내부저항을 저감할 수 있다.The catalyst layers 2a and 3a may contain the polymer electrolyte according to the present invention instead of the hydrophobic binder or together with the hydrophobic binder. By adding the polymer electrolyte according to the present invention, the proton conductivity in the fuel electrode 3 and the oxygen electrode 2 can be improved, and the internal resistance of the fuel electrode 3 and the oxygen electrode 2 can be reduced.

산화제 바이폴라 플레이트(5) 및 연료 바이폴라 플레이트(6)는 도전성을 지닌 금속 등으로 구성되어 있고, 산소극(2) 및 연료극(3)에 각각 접합함으로써 집전체로서 기능함과 동시에, 산소극(2) 및 연료극(3)에 대해 산소 및 연료 가스를 공급한다. 즉, 연료극(3)에는 연료 바이폴라 플레이트(6)의 연료 유로(6a)를 매개하여 수소를 주성분으로 하는 연료 가스가 공급되고, 또한 산소극(2)에는 산화제 바이폴라 플레이트(5)의 산화제 유로(5a)를 매개하여 산화제로서의 산소가 공급된다. 또한, 연료로서 공급되는 수소는 탄화수소 또는 알콜의 개질에 의해 발생된 수소가 공급되는 것일 수도 있고, 또한 산화제로서 공급되는 산소는 공기에 포함되는 상태에서 공급될 수도 있다.The oxidant bipolar plate 5 and the fuel bipolar plate 6 are made of a conductive metal or the like, and function as a current collector by being bonded to the oxygen electrode 2 and the fuel electrode 3, respectively, and at the same time, the oxygen electrode 2 ) And the fuel electrode 3 are supplied with oxygen and fuel gas. That is, a fuel gas mainly composed of hydrogen is supplied to the fuel electrode 3 through the fuel flow path 6a of the fuel bipolar plate 6, and the oxidant flow path of the oxidant bipolar plate 5 is supplied to the oxygen electrode 2. Oxygen as oxidant is supplied via 5a). In addition, the hydrogen supplied as a fuel may be one supplied with hydrogen generated by the reforming of a hydrocarbon or an alcohol, and the oxygen supplied as an oxidant may be supplied while being contained in air.

이러한 단위 셀(1)에 있어서는, 연료극(3) 쪽에서 수소가 산화되어 프로톤이 생기고, 이 프로톤이 전해질막(4)을 전도하여 산소극(2)에 도달하고, 산소극(2)에 있어서 프로톤과 산소가 전기화학적으로 반응하여 물을 생성함과 동시에, 전기에너지를 발생시킨다.In such a unit cell 1, hydrogen is oxidized on the fuel electrode 3 side to produce protons, which proton conducts the electrolyte membrane 4 to reach the oxygen electrode 2, and protons in the oxygen electrode 2 And oxygen react electrochemically to generate water and generate electrical energy.

상기 연료 전지에 의하면, 작동온도가 100℃이상 200℃ 이하에서, 무가습 혹은 상대습도 50% 이하라도 양호한 발전성능을 장기간 안정적으로 나타내는 연료 전지를 얻을 수 있고, 자동차용, 가정발전용 또는 휴대기기용으로 효과적으로 사용할 수 있다.According to the fuel cell, it is possible to obtain a fuel cell stably exhibiting good power generation performance for a long time even when the operating temperature is 100 ° C or more and 200 ° C or less, even when no humidification or relative humidity is 50% or less. It can be used effectively.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

또한, 연료 전지의 특성은 전해질막을 시판하는 연료전지용 전극(Electrochem사)으로 협지하여 막전극접합으로 하고, 150℃, 무가습 조건하, 수소/공기에서 연료전지 운전을 수행함으로써 평가했다.In addition, the characteristics of the fuel cell were evaluated by sandwiching the electrolyte membrane with a commercially available fuel cell electrode (Electrochem Co., Ltd.) to form a membrane electrode junction, and performing fuel cell operation in hydrogen / air under 150 ° C and a non-humidity condition.

(실시예 1)(Example 1)

3,3'-디아미노벤지딘과 이소프탈알데히드를 원료로 하여, 상기 반응식 1의 반응 개요에 따르고, 하기 화학식 4를 갖는 폴리아조메틴을 합성하였다.Using 3,3'-diaminobenzidine and isophthalaldehyde as raw materials, polyazomethine having the following formula (4) was synthesized according to the reaction scheme of Scheme 1.

얻어진 폴리아조메틴을 디메틸아세트아미드(DMAc)에 용해하고, 이 용액을 유리 기판 상에 캐스트하고, 감압하, 60℃에서 3시간 건조함으로써 두께 30μm의 주황색 고분자막을 얻었다. 이어서, 20%의 인산에 침지하여 1시간에 걸쳐 인산을 도 핑함으로써 실시예 1의 고분자 전해질막을 제조했다.The obtained polyazomethine was dissolved in dimethylacetamide (DMAc), the solution was cast on a glass substrate, and dried under reduced pressure at 60 ° C. for 3 hours to obtain an orange polymer film having a thickness of 30 μm. Subsequently, the polymer electrolyte membrane of Example 1 was prepared by immersing in 20% phosphoric acid and doping phosphoric acid over 1 hour.

실시예 1의 고분자 전해질막의 인산의 도핑율은 150 질량%였다.The doping rate of phosphoric acid in the polymer electrolyte membrane of Example 1 was 150 mass%.

또한, 얻어진 고분자 전해질막을 원형의 백금 전극(직경 13mm)으로 끼우고, 복소 임피던스 측정으로 얻어진 용액 저항으로부터 이온전도도의 온도 의존성을 평가하였으며, 결과를 도 2 및 표 1에 나타내었다.In addition, the obtained polymer electrolyte membrane was sandwiched by a circular platinum electrode (diameter 13 mm), and the temperature dependence of the ion conductivity was evaluated from the solution resistance obtained by the complex impedance measurement, and the results are shown in FIG. 2 and Table 1. FIG.

나아가, 얻어진 고분자 전해질막을 상기한 바와 같이 연료 전지에 포함시켜 발전특성의 평가를 수행했다. 연료로서 수소, 산화제로서 공기를 각각 연료 전지에 공급하고, 150℃에서 발전시험을 수행하였다. 표 1에 연료 전지의 발전 개시전의 개로전압을 나타냄과 동시에, 전류 밀도 0.3A/cm2에서의 출력 전압을 나타내었다.Further, the obtained polymer electrolyte membrane was included in the fuel cell as described above to evaluate the power generation characteristics. Hydrogen as a fuel and air as an oxidant were respectively supplied to the fuel cell, and a power generation test was conducted at 150 ° C. In Table 1, the open circuit voltage before the start of power generation of the fuel cell is shown, and the output voltage at the current density of 0.3 A / cm 2 is shown.

Figure 112006022528942-pat00007
Figure 112006022528942-pat00007

(실시예 2)(Example 2)

실시예 1과 똑같은 방법에 의해 얻어진 폴리아조메틴 1.25g과, 에틸렌글리콜디글리시딜에테르(저분자 가교제) 0.174g을 DMAc 15ml에 용해하고, 이 용액을 유리 기판 상에 캐스트하고, 감압하 60℃에서 3시간 건조함으로써, 두께 30μm의 주황색 필름을 얻었다. 이어서, 20%의 인산에 침지하여 1시간에 걸쳐 인산을 도핑함 으로써 실시예 2의 고분자 전해질막을 제조했다.1.25 g of polyazomethine obtained by the same method as in Example 1 and 0.174 g of ethylene glycol diglycidyl ether (low molecular weight crosslinking agent) were dissolved in 15 ml of DMAc, and this solution was cast on a glass substrate, which was then subjected to 60 ° C under reduced pressure. By drying for 3 hours, an orange film having a thickness of 30 μm was obtained. Subsequently, the polymer electrolyte membrane of Example 2 was prepared by immersing in 20% phosphoric acid and doping phosphoric acid over 1 hour.

실시예 2의 고분자 전해질막의 도프율은 184 질량%였다.The doping rate of the polymer electrolyte membrane of Example 2 was 184 mass%.

이 고분자 전해질막을 사용하여 실시예 1과 마찬가지로 연료 전지로서 발전특성의 측정을 수행했다. 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에 나타내는 바와 같이 150℃의 이온 전도도는 2.6×10-4Scm-1였다. 또한, 표 1에는 개회로전압 및 전류 밀도 0.3A/cm2에서의 출력전압을 나타내었다.Using this polymer electrolyte membrane, power generation characteristics were measured as a fuel cell in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1. As shown in Table 1, the ion conductivity at 150 ° C. was 2.6 × 10 −4 Scm −1 . Table 1 also shows the open circuit voltage and the output voltage at a current density of 0.3 A / cm 2 .

(실시예 3)(Example 3)

실시예 1과 똑같은 방법에 의해 얻어진 폴리아조메틴 1.25g과, 4,4'-옥시비스(페닐이소시아나트)(저분자 가교제) 0.252g을 DMAc 15ml에 용해하고, 이 용액을 유리 기판 상에 캐스트하고, 감압하 60℃에서 3시간 건조함으로써, 두께 30μm의 주황색 필름을 얻었다. 이어서, 20%의 인산에 침지하여 1시간에 걸쳐 인산을 도핑함으로써 실시예 3의 고분자 전해질막을 제조했다.1.25 g of polyazomethine obtained by the same method as in Example 1 and 0.252 g of 4,4'-oxybis (phenylisocyanat) (low molecular weight crosslinking agent) are dissolved in 15 ml of DMAc, and the solution is cast on a glass substrate. And it dried under reduced pressure at 60 degreeC for 3 hours, and obtained the orange film of 30 micrometers in thickness. Subsequently, the polymer electrolyte membrane of Example 3 was prepared by immersing in 20% phosphoric acid and doping phosphoric acid over 1 hour.

실시예 3의 고분자 전해질막의 인산의 도핑율은 263 질량%였다.The doping rate of phosphoric acid in the polymer electrolyte membrane of Example 3 was 263 mass%.

또한, 이 고분자 전해질막을 사용하여 실시예 1과 마찬가지로 연료 전지로서 발전 특성의 측정을 수행했다. 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에 나타내는 바와 같이, 150℃의 이온 전도도는 3.1×10-3Scm-1이었다. 또한 표 1에는 개회로 전압및 전류 밀도 0.3A/cm2에서의 출력전압을 나타내었다.In addition, power generation characteristics were measured as a fuel cell in the same manner as in Example 1 using this polymer electrolyte membrane. The results are shown in Table 1. As shown in Table 1, the ion conductivity at 150 ° C. was 3.1 × 10 −3 Scm −1 . Table 1 also shows the open circuit voltage and the output voltage at a current density of 0.3 A / cm 2 .

(실시예 4)(Example 4)

실시예 1과 똑같은 방법에 의해 얻어진 폴리아조메틴 1.25g과, 이무수피로메리트산(저분자 가교제) 0.218g을 DMAc 15ml에 용해하고, 이 용액을 유리 기판 상에 캐스트하고, 감압하 60℃에서 3시간 건조함으로써 두께 30μm의 주황색 필름을 얻었다. 이어서, 20%의 인산에 침지하여 1시간에 걸쳐 인산을 도핑함으로써 실시예 4의 고분자 전해질막을 제조했다. 실시예 4의 고분자 전해질막의 인산의 도핑율은 235 질량%였다.1.25 g of polyazomethine obtained by the same method as in Example 1 and 0.218 g of dianhydrous pyromellitic acid (low molecular weight crosslinking agent) were dissolved in 15 ml of DMAc, and the solution was cast on a glass substrate, and the solution was dried at 60 ° C. under reduced pressure for 3 hours. By drying, an orange film having a thickness of 30 μm was obtained. Subsequently, the polymer electrolyte membrane of Example 4 was prepared by immersing in 20% phosphoric acid and doping phosphoric acid over 1 hour. The doping rate of phosphoric acid in the polymer electrolyte membrane of Example 4 was 235 mass%.

또한 이 고분자 전해질막을 사용하여 실시예 1과 마찬가지로 연료 전지로서 발전특성의 측정을 수행했다. 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에 나타내는 바와 같이 150℃의 이온 전도도는 7.5×10-4Scm-1였다. 또한 표 1에는 개회로 전압 및 전류 밀도 0.3A/cm2에서의 출력전압을 나타내었다.Using this polymer electrolyte membrane, power generation characteristics were measured as a fuel cell in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1. As shown in Table 1, the ion conductivity at 150 ° C. was 7.5 × 10 −4 Scm −1 . Table 1 also shows the open circuit voltage and the output voltage at a current density of 0.3 A / cm 2 .

(비교예 1)(Comparative Example 1)

미국특허 제5,525,436호 공보에 개시되어 있는 기술에 기초하여, 폴리-2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-비벤즈이미다졸을 20%의 인산에 침지하고, 1시간에 걸쳐 인산을 도핑함으로써 비교예 1의 고분자 전해질막을 제조하였다.Based on the technique disclosed in U.S. Patent 5,525,436, poly-2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole is immersed in 20% phosphoric acid and in 1 hour The polymer electrolyte membrane of Comparative Example 1 was prepared by doping phosphoric acid over.

비교예 1의 인산의 도핑율은 200 질량%였다.The doping rate of phosphoric acid of Comparative Example 1 was 200 mass%.

또한, 이 비교예 1의 고분자 전해질막을 실시예 1과 마찬가지로 하여 이온 전도도를 결정한 바, 8.0×10-6Scm-1였다. 나아가, 실시예 1과 똑같은 방법에 의해 연료 전지로서 발전특성의 측정을 시험해 보았지만, 셀 저항이 높아 발전은 불가능하였다.Further, the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 1 was determined in the same manner as in Example 1 to determine ion conductivity, which was 8.0 × 10 −6 Scm −1 . Furthermore, although the measurement of the power generation characteristics was tested as a fuel cell by the same method as in Example 1, power generation was impossible due to the high cell resistance.

도핑율 (질량%)Doping Rate (mass%) 150℃의 이온전도도(Scm-1)Ion Conductivity at 150 ℃ (Scm -1 ) 개회로 전압(V)Open circuit voltage (V) 0.3Acm-2출력시 전압(V)Voltage at 0.3Acm -2 output (V) 실시예 1Example 1 150150 3.7×10-4 3.7 × 10 -4 0.8150.815 0.180.18 실시예 2Example 2 184184 2.6×10-4 2.6 × 10 -4 0.8250.825 0.190.19 실시예 3Example 3 263263 3.1×10-8 3.1 × 10 -8 0.9320.932 0.190.19 실시예 4Example 4 235235 7.5×10-4 7.5 × 10 -4 0.8440.844 0.190.19 비교예 1Comparative Example 1 200200 8.0×10-6 8.0 × 10 -6 0.9810.981 발전하지 않음Not developing

(실시예 6)(Example 6)

폴리아조메틴이 DMAc에 용해된 용액을 유리 기판 상에 캐스트할 때,대기 중에서 60℃에서 3시간 건조한 것 이외에는 실시예 1과 똑같이 하여 두께 30μm의 주황색 고분자막을 얻었다.When casting the solution which polyazomethine melt | dissolved in DMAc on the glass substrate, it carried out similarly to Example 1 except having dried for 3 hours at 60 degreeC in air, and obtained the orange polymer membrane of 30 micrometers in thickness.

얻어진 고분자막에 대해 적외분광광도법에 의해 적외선 스펙트럼을 측정하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다. 또한, 도 4에는 실시예 1에서의 고분자막 적외선 스펙트럼을 나타내었다.The infrared spectrum of the obtained polymer film was measured by infrared spectrophotometry. The results are shown in FIG. In addition, FIG. 4 shows the infrared spectrum of the polymer film in Example 1. FIG.

도 3 및 4에 나타내는 바와 같이, 폴리아조메틴을 포함하는 용액을 유리 기판 상에 캐스트 할 때, 대기 중에서 건조하느냐 진공 중에서 건조하느냐에 따라 적외선 스펙트럼에 큰 차가 생긴다는 것을 알 수 있다. 구체적으로는, 공기산화되어 있지 않은 실시예 1의 적외선 스펙트럼(도 4)에 있어서는,벤젠 고리에 결합한 NH2기에서 유래하는 1489cm-1 부근의 흡수피크를 확인할 수 있다. 또는, 도 4에서는 NH2기에서 유래하는 3300cm-1∼3460cm-1 부근의 흡수피크도 확인할 수 있다. 한편, 공기산화된 실시예 6의 적외선 스펙트럼(도 3)에 있어서는, 1489cm-1 부근의 흡수피크나, 3300cm-1∼3460cm-1 부근의 흡수피크는 확인할 수 없다. 이것은 공기산화에 의해 벤젠고리에 결합한 NH2기가 반응하여 질소함유 탄소환 구조가 형성되었기 때문이라고 추정된다. 이상의 결과로부터, 대기 중에서 건조함으로써 폴리아조메틴류의 변성이 일어나고 있는 것을 알 수 있다.As shown to FIG. 3 and 4, when casting the solution containing a polyazomethine on a glass substrate, it turns out that a big difference arises in an infrared spectrum according to whether it dries in air | atmosphere or in vacuum. Specifically, in the infrared spectrum (FIG. 4) of Example 1 which is not air oxidized, the absorption peak near 1489 cm <-1> derived from NH2 group couple | bonded with the benzene ring can be confirmed. Alternatively, in Figure 4 it can also be found the absorption peak of 3300cm -1 ~3460cm -1 vicinity derived from the group NH 2. On the other hand, in the air-IR spectrum (FIG. 3) of the oxide Example 6, the absorption peak of 1489cm -1, or near, the absorption peak of 3300cm -1 -1 ~3460cm vicinity can not identify. This is presumably due to the formation of a nitrogen-containing carbocyclic structure by reaction of NH 2 groups bound to the benzene ring by air oxidation. From the above result, it turns out that the denaturation of polyazomethines occurs by drying in air | atmosphere.

본 발명에 의하면, 작동온도가 100℃이상 200℃이하에서 무가습, 혹은 상대습도 50% 이하라도, 소량의 산이 도핑되어 이루어지는 프로톤 전도성 고체고분자 전해질을 사용함으로써, 양호한 발전 성능을 장기간 안정적으로 나타내는 고체고분자형 연료 전지를 얻을 수 있다.According to the present invention, even when the operating temperature is 100 DEG C or higher and 200 DEG C or lower, no humidification or a relative humidity of 50% or less, by using a proton conductive solid polymer electrolyte in which a small amount of acid is doped, a solid exhibiting good power generation performance stably for a long time A polymer fuel cell can be obtained.

Claims (8)

산 및 상기 산을 함침하는 고분자 화합물을 포함하고, 상기 고분자 화합물이 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 갖는 폴리아조메틴류인 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 고체고분자 전해질:A proton conductive solid polymer electrolyte comprising an acid and a polymer compound impregnated with the acid, wherein the polymer compound is a polyazomethine having a repeating unit represented by Formula 1 below: 단, 하기 화학식 1에 있어서, R1 및 R2는, 서로 독립적으로, 수소 원자, 알킬기 또는 알릴기이며, X는 아릴기이고, n은 100 내지 100,000의 정수이다.However, in the following general formula (1), R 1 and R 2 are each independently a hydrogen atom, an alkyl group or an allyl group, X is an aryl group, and n is an integer of 100 to 100,000. <화학식 1><Formula 1>
Figure 112006022528942-pat00008
Figure 112006022528942-pat00008
제1항에 있어서, 상기 R1 및 R2는, 서로 독립적으로, 수소 원자, 탄소수 1 내지 6의 알킬기 또는 알릴기이며, 상기 X는 페닐기, 톨릴기, 자일릴기, 비페닐기, 나프틸기, 안트릴기 또는 페난트릴기이고, 상기 n은 100 내지 100,000의 정수인 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 고체고분자 전해질.The R 1 and R 2 are each independently a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms or an allyl group, and wherein X is a phenyl group, tolyl group, xylyl group, biphenyl group, naphthyl group, and Proton conductive solid polymer electrolyte, characterized in that the trin or phenanthryl group, n is an integer of 100 to 100,000. 제1항에 있어서, 상기 폴리아조메틴류의 일부는 산화되어 변성된 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 고체고분자 전해질.The proton conductive solid polymer electrolyte of claim 1, wherein a part of the polyazomethines is oxidized and denatured. 제1항에 있어서, 상기 고분자 화합물은 저분자 가교제에 의한 가교 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 고체고분자 전해질.The proton conductive solid polymer electrolyte of claim 1, wherein the polymer compound has a crosslinked structure formed by a low molecular crosslinker. 제4항에 있어서, 상기 저분자 가교제가, 이산무수물, 디에폭시 화합물 및 디이소시아네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물인 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 고체고분자 전해질.The proton conductive solid polymer electrolyte according to claim 4, wherein the low molecular crosslinking agent is a compound selected from the group consisting of diacid anhydride, diepoxy compound and diisocyanate. 제1항에 있어서, 상기 산이 인산, 포스폰산 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 고체고분자 전해질.The proton conductive solid polymer electrolyte of claim 1, wherein the acid is phosphoric acid, phosphonic acid or a mixture thereof. 산소극, 연료극 및 양전극에 협지된 고분자 전해질막을 구비하고, 산화제 유로를 형성한 산화제 바이폴라 플레이트를 산소극 쪽에 마련하고, 연료 유로를 형성한 연료 바이폴라 플레이트를 연료극 쪽에 마련한 것을 단위셀로 하는 연료 전지에 있어서, 상기 고분자 전해질막이 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 따른 프로톤 전도성 고체고분자 전해질인 것을 특징으로 하는 연료 전지.A fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane sandwiched between an oxygen electrode, a fuel electrode, and a positive electrode, provided with an oxidant bipolar plate on which an oxidant flow path is formed on an oxygen electrode side, and a fuel bipolar plate on which a fuel flow path is formed on a fuel electrode side. The fuel cell according to claim 1, wherein the polymer electrolyte membrane is a proton conductive solid polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 6. 제7항에 있어서, 상기 프로톤 전도성 고체고분자 전해질은 상기 산소극 또는 상기 연료극의 어느 한쪽 또는 양쪽에 포함된 것을 특징으로 하는 연료 전지.The fuel cell according to claim 7, wherein the proton conductive solid polymer electrolyte is contained in one or both of the oxygen electrode and the fuel electrode.
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