KR100880092B1 - Surface modification of hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Cl계 용매에 용해(dissolution)되지 않으면서 Cl계 용매에 의해 micro-domain 크기로 팽윤(swelling) 가능한 부분을 포함하는 고분자로서, 상기 팽윤 가능한 부분에 한정하여 화학반응이 진행되어 개질된 것이 특징인 고분자; 및 이의 제조방법을 제공한다.The present invention is a polymer comprising a portion capable of swelling in a micro-domain size by a Cl solvent without dissolution in a Cl solvent, and is limited to the swellable portion, and a chemical reaction proceeds and is modified. It is characterized in that the polymer; And it provides a preparation method thereof.

또한, 본 발명은 술폰화 탄화수소계 부분화된 블록고분자(Segmented Blockcopolymer) 전해질막 중 술폰산기를 함유하지 않는 소수블록에만 표면 불소화 개질된 것이 특징인 전해질막; 이의 제조 방법; 상기 전해질막을 구비한 막-전극 접합체(MEA) 및 상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.In addition, the present invention is an electrolyte membrane characterized in that the surface fluorinated modified only in the hydrophobic block containing no sulfonic acid group in the sulfonated hydrocarbon-based segmented block copolymer polymer membrane; Its preparation method; A fuel cell including the membrane-electrode assembly (MEA) having the electrolyte membrane and the membrane-electrode assembly is provided.

본 발명에 따른 전해질막을 구비한 막-전극 접합체(MEA)는 막-전극과의 접착력이 우수해 연료전지에 적용시 전해질막과 전극 사이의 계면 저항을 줄여 연료전지의 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 구동 중 전해질막-전극 접합체의 분리가 발생하지 않아 연료전지의 성능이 유지될 수 있고, 장기적이고 안정적으로 구동시킬 수 있다.The membrane-electrode assembly (MEA) having the electrolyte membrane according to the present invention has excellent adhesion to the membrane-electrode, thereby reducing the interface resistance between the electrolyte membrane and the electrode when applied to a fuel cell, thereby improving the performance of the fuel cell as well as driving the membrane. Since the separation of the electrolyte membrane-electrode assembly does not occur, the performance of the fuel cell can be maintained and can be driven for a long time and stable.

불소화 개질, MEA, 막-전극 접합체, 전해질막, 연료전지 Fluorinated reforming, MEA, membrane-electrode assembly, electrolyte membrane, fuel cell

Description

탄화수소계 고분자 전해질막 표면 개질 {SURFACE MODIFICATION OF HYDROCARBON-BASED POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE}Surface Modification of Hydrocarbon-Based Polymer Electrolyte Membrane {SURFACE MODIFICATION OF HYDROCARBON-BASED POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE}

도 1은 본 발명에 따라 표면 불소화 개질된 전해질막의 2차원 패턴의 모식도이다.1 is a schematic diagram of a two-dimensional pattern of an electrolyte membrane surface-fluorinated modified according to the present invention.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 막( s -PEEK)-전극 접합체( MEA-a1 , MEA-a2 , MEA-a3 ) 및 막(SG- s -PEEK1, SG- s -PEEK2)-전극 접합체( MEA-b1 , MEA-b2 )를 물에 100 시간 이상 담지 후의 사진이다. Figure 2 is a film (s -PEEK) prepared according to one embodiment of the present invention-electrode assembly (MEA-a1, a2-MEA, MEA-a3) and the films (SG- s -PEEK1, SG- s -PEEK2 ) It is a photograph after immersing electrode assembly ( MEA-b1 , MEA-b2 ) in water for 100 hours or more.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 막-전극 접합체가 적용된 수소이온교환막 연료전지(PEMFC) 성능을 나타낸 결과이다.3 is a result showing the performance of the hydrogen ion exchange membrane fuel cell (PEMFC) to which the membrane-electrode assembly prepared according to one embodiment of the present invention is applied.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 막-전극 접합체가 적용된 수소이온교환막 연료전지 (PEMFC)의 일정전류모드(@ 0.6 V/cm2)에서 전압변화를 보여주는 장기 내구성 평가 결과이다.4 is a long-term durability evaluation results showing the voltage change in the constant current mode (@ 0.6 V / cm 2 ) of the hydrogen ion exchange membrane fuel cell (PEMFC) to which the membrane-electrode assembly prepared according to an embodiment of the present invention is applied.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 막-전극 접합체가 적용된 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 성능을 나타낸 결과이다.5 is a result showing the performance of the direct methanol fuel cell (DMFC) to which the membrane-electrode assembly prepared according to one embodiment of the present invention is applied.

본 발명은 연료전지에 사용가능한 고분자 전해질막에 관한 것으로, 구체적으로는 술폰화 탄화수소계 부분화된 블록고분자(Segmented Blockcopolymer) 전해질막 중 소수블록, 예컨대 술폰산기를 함유하지 않는 부분(Segment)에만 표면 불소화 개질된 것이 특징인 전해질막에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymer electrolyte membrane that can be used in a fuel cell, and more particularly, to surface fluorination only in a fraction containing no hydrophobic blocks such as sulfonic acid groups in a sulfonated hydrocarbon-based segmented block copolymer polymer membrane. The present invention relates to an electrolyte membrane characterized by being modified.

연료전지는 연료(수소 또는 메탄올)와 산화제(산소)를 전기화학적으로 반응시켜 생기는 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로써 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 차세대 에너지원으로 연구 개발되고 있다. 연료전지는 적용분야에 따라 고온용 및 저온용 연료전지를 선택하여 사용할 수 있으며, 통상적으로 전해질의 종류에 따라 분류되고 있는데, 고온용에는 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 등이 있고, 저온용에는 알칼리 전해질 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC) 및 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 등이 대표적으로 개발되고 있다.A fuel cell is a power generation system that converts chemical energy produced by electrochemical reaction between fuel (hydrogen or methanol) and oxidant (oxygen) into electrical energy. It is a next-generation energy source with eco-friendly features with high energy efficiency and low pollutant emission. Is being developed. The fuel cell can be used by selecting a fuel cell for high temperature and low temperature according to the application field, and is generally classified according to the type of electrolyte. For high temperature, a solid oxide fuel cell (SOFC) and molten carbonate are used. Fuel cell (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) and the like, Alkaline Fuel Cell (AFC) and Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) are being developed for low temperature.

이중 고분자 전해질 연료전지를 세분하면 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와 액상의 메탄올을 직접 연료로 산화극(Anode)에 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등이 있다. 고분자 전해질 연료전지는 100 ℃ 미만의 낮은 작동온도, 고체 전해질 사용으로 인한 누수문제 배제, 빠른 시동과 응답 특성, 및 우수한 내구성 등의 장점으로 휴대용, 차량용, 및 가정용 전원장치 로 각광을 받고 있다. 특히 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서 소형화가 가능하기 때문에 휴대용 연료전지로의 연구가 계속 진행되고 있다. Subdivided into a polymer electrolyte fuel cell, the direct methanol fuel used by supplying a hydrogen ion exchange membrane fuel cell (PEMFC) that uses hydrogen gas as fuel and liquid methanol directly to the anode as a fuel Batteries (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Polymer electrolyte fuel cells have been spotlighted as portable, automotive, and home power supplies for their low operating temperatures of less than 100 ° C., elimination of leaks due to the use of solid electrolytes, fast start-up and response characteristics, and excellent durability. In particular, research into a portable fuel cell has been continuously conducted since it can be miniaturized as a high output fuel cell having a larger current density than other fuel cells.

이러한 연료전지의 단위전지 구조는 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 양쪽에 산화극(Anode, 연료극) 및 환원극(Cathode, 산소극)이 도포되어 있는 구조를 이루고 있는데 이를 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)라 칭한다. 이 막-전극 접합체(MEA)는 수소와 산소의 전기화학적 반응이 일어나는 부분으로써 환원극과 산화극 그리고 전해질막, 즉 이온 전도성 전해질막(예, 수소이온 전도성 전해질막)으로 구성되어 있다. 산화극에서는 연료인 수소 또는 메탄올이 공급되어 수소의 산화 반응이 일어나 수소이온(H+)과 전자를 발생시키며, 환원극에서는 고분자 전해질막을 통과한 수소이온과 산소가 결합하여 산소의 환원 반응에 의해 물이 생성된다. 이 막-전극 접합체는 이러한 산화극과 환원극의 전극 촉매층이 이온 전도성 전해질막의 양면에 도포되어 있는 형태를 이루고, 전극 촉매층을 이루고 있는 물질은 Pt(백금)이나 Pt-Ru(백금-루테늄) 등의 촉매 물질이 카본 담체에 담지되어 있는 형태이다. 연료전지의 전기화학적 반응의 핵심부품으로 볼 수 있는 막-전극 접합체(MEA)에는 특히 가격 구성 비율이 높은 이온 전도성 전해질막과 백금 촉매 등이 사용되며, 전력 생산 효율과 직결된 부분이기 때문에 연료전지의 성능향상과 가격경쟁력을 높이는데 가장 중요한 부분으로 간주되고 있다.The unit cell structure of the fuel cell has a structure in which an anode (anode, fuel electrode) and a cathode (cathode, oxygen electrode) are coated on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer material, which is a membrane-electrode assembly (Membrane Electrode). Assembly, MEA). The membrane-electrode assembly (MEA) is an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and is composed of a cathode, an anode, and an electrolyte membrane, that is, an ion conductive electrolyte membrane (eg, a hydrogen ion conductive electrolyte membrane). In the anode, hydrogen or methanol, which is a fuel, is supplied to generate an oxidation reaction of hydrogen to generate hydrogen ions (H + ) and electrons. In the cathode, hydrogen ions and oxygen that have passed through the polymer electrolyte membrane are combined to form a reduction reaction of oxygen. Water is produced. The membrane-electrode assembly has a form in which the electrode catalyst layers of the anode and the cathode are coated on both sides of the ion conductive electrolyte membrane, and the material forming the electrode catalyst layer is Pt (platinum), Pt-Ru (platinum-ruthenium), or the like. The catalyst substance of is supported on a carbon carrier. Membrane-electrode assembly (MEA), which can be seen as a key component of the electrochemical reaction of fuel cells, is especially used for ion-conducting electrolyte membranes and platinum catalysts, which have a high price ratio, and is directly related to power production efficiency. It is considered as the most important part in improving the performance and increasing the price competitiveness.

일반적으로 사용되고 있는 MEA를 제조하는 기존의 방법은 촉매 물질과 수소 이온 전도성 바인더(binder), 즉 불소계 나피온 이미노머(Nafion Ionomer) 그리고 물 및/또는 알코올 용매를 혼합하여 반죽(paste)을 제조하고 이를 촉매층을 지지해주는 전극 지지체이면서 동시에 가스 확산층의 역할을 하는 카본 천(carbon cloth)이나 카본 페이퍼(carbon paper) 등에 코팅한 다음 건조하고 수소이온 전도성 전해질 막에 열 융착하여 전이시키는 방법을 사용한다.Conventional methods for making MEAs that are commonly used include preparing a paste by mixing a catalytic material with a hydrogen ion conductive binder, ie, a fluorine-based Nafion Ionomer, and water and / or an alcohol solvent. It is coated with a carbon cloth or carbon paper, which serves as an electrode support that supports the catalyst layer and at the same time serves as a gas diffusion layer, and then dried and thermally fused and transferred to a hydrogen ion conductive electrolyte membrane.

촉매층에서는 촉매에 의한 수소와 산소의 산화환원 반응; 밀착된 탄소 입자에 의한 전자의 이동; 수소, 산소 및 수분을 공급하고 반응 후 잉여 가스를 배출하기 위한 통로의 확보; 산화된 수소이온의 이동 등이 동시에 이루어져야만 한다. 더욱이 성능의 향상을 위해서는 공급연료와 촉매 및 이온 전도성 고분자 전해질막이 만나는 3상 계면영역(Triple Phase Boundary)의 면적을 증대시켜 활성분극(Activation polarization)을 줄여야 하며, 촉매층과 전해질막과의 계면 및 촉매층과 가스확산층과의 계면을 균일하게 접합하여 계면에서의 저항분극(Ohmic polarization)을 줄여야 한다.Redox reaction of hydrogen and oxygen by the catalyst in the catalyst layer; Transfer of electrons by tightly bonded carbon particles; Securing passages for supplying hydrogen, oxygen and moisture and for discharging excess gas after the reaction; The movement of oxidized hydrogen ions must be carried out at the same time. Furthermore, in order to improve performance, the area of the triple phase boundary where the feed fuel, the catalyst and the ion conductive polymer electrolyte membrane meet must be increased to reduce the activation polarization, and the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane and the catalyst layer The interface between the gas diffusion layer and the gas diffusion layer must be uniformly bonded to reduce ohmic polarization at the interface.

따라서, 촉매층과 전해질막과의 계면 저항을 최대한 감소시킴으로써 연료전지의 성능을 향상시키기 위해서는 MEA 제조시 촉매층과 전해질막의 접합력이 있어야 할 뿐만 아니라, 연료전지 구동중에도 촉매층과 전해질막 사이의 계면 접합이 계속 유지되어야 한다.Therefore, in order to improve the performance of the fuel cell by reducing the interface resistance between the catalyst layer and the electrolyte membrane as much as possible, not only the bonding force between the catalyst layer and the electrolyte membrane should be provided during MEA production, but also the interface bonding between the catalyst layer and the electrolyte membrane continues during fuel cell operation. It must be maintained.

일반적으로 연료전지용 전해질막으로 나피온 전해질막(Nafionㄾ)을 사용할 경우, 촉매층과 나피온 전해질막 사이의 계면 접착력을 향상시키고 촉매층의 효율을 증가시키기 위해 나피온 이오노머(Nafion Ionomer) 용액과 같은 액상의 전해질 을 촉매층에 함침시키는데, 실제 반응에 있어 수소 이온의 백금(Pt) 촉매로의 이동 속도는 물보다 이오노머를 통하는 것이 훨씬 빠르다. 촉매층에 이오노머를 함침시키는 방법은 촉매 슬러리를 제조할 때 나피온 이오노머 용액을 함께 첨가하여 전극 지지체인 카본 천 또는 카본 페이퍼 위에 도포하여 촉매층을 형성한 후, 그 위에 나피온 이오노머 용액을 얇게 코팅하는 방법을 사용한다. 여기서 촉매층 위의 도포층과 전해질막의 성분이 모두 나피온으로 동일하여 혼화성(miscibility)이 뛰어나 막과 촉매층 사이의 접합력이 향상되는 것이다. 따라서 전해질막과 촉매층 사이의 접합력을 높일 뿐만 아니라, 나아가 막과 전극 사이의 계면 저항을 줄여 연료전지의 성능을 향상시키기 위해서는 촉매층의 코팅층 성분을 전해질막의 성분과 동일하거나 또는 비슷한 것을 사용하는 것이 중요하다.In general, in the case of using a Nafion electrolyte membrane as a fuel cell electrolyte membrane, a liquid phase such as a Nafion Ionomer solution is used to improve the interfacial adhesion between the catalyst layer and the Nafion electrolyte membrane and to increase the efficiency of the catalyst layer. The electrolyte is impregnated into the catalyst layer. In the actual reaction, the migration rate of hydrogen ions to the platinum (Pt) catalyst is much faster through the ionomer than to the water. In the method of impregnating the ionomer into the catalyst layer, a method of preparing a catalyst slurry by adding a Nafion ionomer solution together and applying it on a carbon cloth or carbon paper as an electrode support to form a catalyst layer, and then coating the Nafion ionomer solution thinly thereon Use Here, the components of the coating layer and the electrolyte membrane on the catalyst layer are all the same as Nafion, so that the adhesion between the membrane and the catalyst layer is improved because of excellent miscibility. Therefore, in order to improve the adhesion between the electrolyte membrane and the catalyst layer and further improve the performance of the fuel cell by reducing the interface resistance between the membrane and the electrode, it is important to use the same or similar coating layer components as those of the electrolyte membrane. .

일반적으로 고분자 전해질 연료전지에서 사용되는 전해질막은 불소(perfluorinated)계 고분자 전해질과 탄화수소계(hydrocarbon) 고분자 전해질로 나눌 수 있다. 미국 듀퐁(Du Pont)사의 상품인 나피온(Nafion)은 불소계 고분자 전해질막의 대표적인 예로써, 이온전도도, 화학적 안정성, 이온 선택성 등이 우수하여 현재 가장 많이 상용화되고 있다. 그러나, 불소화계 고분자 전해질막은 우수한 성능에 반하여 높은 가격으로 인해 산업용으로서의 이용도가 낮으며, 메탄올이 고분자막을 통과하는 메탄올 투과성(methanol crossover)이 높고, 80 ℃ 이상에서의 고분자막의 효율이 감소되는 단점이 있어 가격면에서 경쟁이 가능한 탄화수소계 고분자 전해질막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 폴리에테르케톤(Polyetherketone), 폴리에테르술폰(Polyethersulfone) 계열의 폴리 아릴렌 에테 르[Poly(arylene ether)s] 고분자가 우수한 화학적 안정성과 기계적 물성으로 인해 연료전지에의 적용이 연구되고 있다.In general, an electrolyte membrane used in a polymer electrolyte fuel cell may be divided into a fluorine polymer electrolyte and a hydrocarbon polymer electrolyte. Nafion, a product of Du Pont Co., Ltd., is a representative example of a fluorine-based polymer electrolyte membrane, and is currently being most commercialized due to its excellent ion conductivity, chemical stability, and ion selectivity. However, the fluorinated polymer electrolyte membrane has a low price due to its high performance, but has low industrial utility due to its high price, high methanol crossover through methanol, and reduced efficiency of the polymer membrane at 80 ° C. or higher. Therefore, research is being actively conducted on hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes which can compete in terms of price. In particular, polyetherketone, polyethersulfone-based polyarylene ether (Poly (etherylene ethers)) polymers are being studied in fuel cells due to their excellent chemical stability and mechanical properties.

그러나, 상기 비불소계, 즉 탄화수소계 고분자 막을 연료전지의 전해질막으로 사용하고, 나피온 이오노머를 촉매층 위에 코팅하여 MEA를 제조할 경우, 연료전지 구동 중 전해질막과 촉매층의 접합력이 떨어져 접촉 계면 저항의 증가로 인해 성능이 저하되는 단점이 있었다. 이는 탄화수소계 고분자 막과 촉매층의 코팅액으로 사용되는 나피온 이오노머의 물리적, 화학적 성질이 상이하여 접합력이 떨어지기 때문이다.However, when the non-fluorine-based, or hydrocarbon-based polymer membrane is used as the electrolyte membrane of the fuel cell and the Nafion ionomer is coated on the catalyst layer to fabricate the MEA, the adhesion between the electrolyte membrane and the catalyst layer is reduced during the fuel cell operation. There was a disadvantage that the performance is reduced due to the increase. This is because the physical and chemical properties of the Nafion ionomer used as the coating liquid of the hydrocarbon-based polymer membrane and the catalyst layer are different, resulting in poor adhesion.

그러나, 지금까지 고분자 전해질 연료전지에서의 탄화수소계 고분자 전해질막과 전극과의 접합력 향상을 위한 효과적인 방법은 제시되지 못하고 있다.However, until now, no effective method for improving the bonding strength between the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane and the electrode in the polymer electrolyte fuel cell has not been proposed.

스위스의 Gubler et. al 은 그의 논문[Fuel Cells, 2004, 4(3), 196]에서 radiation-grafted FEP-g-polystyrene 을 전해질막으로 사용함으로써, 전해질막과 전극과의 접합력을 향상시키는 방법에 대해 개시하고 있다. 그러나, 전해질막으로 탄화수소계 막이 아닌 상업적으로 판매되고 있는 기존 불소화계 박막인 FEP 100A [25㎛ 두께의 poly(tetrafluoroethylene-co-hexafluoro propylene) (FEP)] 필름을 사용하고, 상기 FEP 필름의 물성 향상과 수소이온 전도성을 부여하고자 방사선 조사로 스타이렌 단량체를 FEP 필름에 그라프팅(Grafting) 시킨 후 술폰화제를 이용하여 Grafted FEP 필름에 수소이온 전도성을 부여하였다. 또한 막과 전극과의 접합력을 향상시키기 위해 술폰화 Grafted FEP 전해질막을 촉매층 바인더와 동일한 나피온 이오노머 분산액에 이머전(immersion)시킨 후 건조하여 나피온으로 코팅한 다 음, 그 막을 물로 다시 수화(swelling)시킨 후, 전극과의 열 압착을 통해 MEA를 제조하는 등의 번거로운 제조 공정과 오랜 공정 시간을 거칠야 하는 등의 단점이 있다. Gubler et. Of Switzerland. al in his paper [ Fuel Cells , 2004 , 4 (3), 196] discloses a method for improving the adhesion between an electrolyte membrane and an electrode by using radiation-grafted FEP-g-polystyrene as an electrolyte membrane. However, using an FEP 100A [25 μm-thick poly (tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene) (FEP)] film, which is a commercially available fluorinated thin film instead of a hydrocarbon-based film, as an electrolyte membrane, the physical properties of the FEP film are improved. The styrene monomer was grafted onto the FEP film by radiation to give the hydrogen ion conductivity, and then hydrogen sulfide conductivity was given to the Grafted FEP film using a sulfonating agent. In order to improve the adhesion between the membrane and the electrode, the sulfonated Grafted FEP electrolyte membrane was immersed in the same Nafion ionomer dispersion as the catalyst layer binder, dried, coated with Nafion, and then swelled again with water. After doing so, there are disadvantages such as a cumbersome manufacturing process such as manufacturing MEA through thermocompression bonding with the electrode and a long process time.

유럽특허 제 EP 0 572 810 Al호는 RAI Research Corp. 에서 제공하는 R1010 혹은 R1020 의 벤젠 술폰산 전해질막에 산소, 오존, 염소산화물 그리고 불소산화물 등의 산화가스로부터 발생되는 플라즈마를 조사하여 방사-그라프트(Radiation Grafted)된 양이온 전해질막을 제조하는 방법을 개시하였다. 상기 특허에서는 방사-그라프트(Radiation Grafted)된 양이온 전해질막에 나피온 이오노머 함유 전극으로 MEA를 제조하여 전해질막과 촉매층의 접합력을 향상시킴으로써 전해질막-전극의 접촉 계면 저항을 줄였다. 그러나, 상기 종래의 연구에서 사용된 플라즈마 에칭(Plasma Etching)에 의한 방사-그라프트(Radiation Grafted) 전해질막을 제조하기 위해서는 산화가스로부터 플라즈마를 발생시켜야 하는 등의 번거로운 제조 공정과 막대한 경제적 비용 등의 단점이 있다. EP 0 572 810 Al discloses RAI Research Corp. Disclosed is a method for preparing a radiation-grafted cationic electrolyte membrane by irradiating plasma generated from oxidizing gases such as oxygen, ozone, chlorine oxide and fluorine oxide to the benzene sulfonic acid electrolyte membrane of R1010 or R1020 provided by . In this patent, MEA was prepared by using Nafion ionomer-containing electrodes in a radiation-grafted cationic electrolyte membrane to improve the adhesion between the electrolyte membrane and the catalyst layer, thereby reducing the contact interface resistance of the electrolyte membrane-electrode. However, in order to manufacture a radiation-grafted electrolyte membrane by plasma etching used in the conventional research, disadvantages such as cumbersome manufacturing process such as generating plasma from oxidizing gas and enormous economic cost There is this.

본 발명자들은 전해질막과 전극 사이의 접합력은 높이고 계면 저항을 줄이기 위해, 술폰화 탄화수소계 고분자 전해질막을 Cl계 용매에서 불소화처리하는 것을 연구하던 중, Cl계 용매에 용해되지 않는 술폰화 탄화수소계 부분화된 블록고분자(Segmented Blockcopolymer) 전해질막에서 술폰산기를 함유하지 않는 부분(segment), 즉 소수블록만 Cl계 용매에 의해 팽윤되고 표면 불소화 개질된다는 것을 발견하였다. 본 발명은 상기 발명에 기초한 것이다.The present inventors studied fluorination treatment of sulfonated hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane in Cl solvent in order to increase the bonding force between the electrolyte membrane and the electrode and reduce the interfacial resistance. It has been found that only segments containing no sulfonic acid groups, i.e., minor blocks, are swelled by Cl-based solvents and surface fluorinated modified in the segmented blockcopolymer electrolyte membrane. The present invention is based on the above invention.

본 발명은 Cl계 용매에 용해(dissolution)되지 않으면서 Cl계 용매에 의해 micro-domain 크기로 팽윤(swelling) 가능한 부분을 포함하는 고분자로서, 상기 팽윤 가능한 부분에 한정하여 화학반응이 진행되어 개질된 것이 특징인 고분자를 제공한다.The present invention is a polymer comprising a portion capable of swelling in a micro-domain size by a Cl solvent without dissolution in a Cl solvent, and is limited to the swellable portion, and a chemical reaction proceeds and is modified. It provides a polymer characterized by.

또한, 본 발명은 Cl계 용매에 용해(dissolution)되지 않으면서 Cl계 용매에 의해 micro-domain 크기로 팽윤(swelling) 가능한 부분을 포함하는 고분자를 화학반응제를 함유하는 Cl계 용매에 담그는 제1단계를 포함하여, 상기 팽윤 가능한 부분에 한정하여 화학반응이 진행되어 개질 고분자를 제조하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a first method of immersing a polymer comprising a portion capable of swelling to a micro-domain size by a Cl solvent in a Cl solvent containing a chemical reagent without being dissolved in a Cl solvent. Including a step, the chemical reaction proceeds only to the swellable portion provides a method for producing a modified polymer.

게다가, 본 발명은 술폰화 탄화수소계 부분화된 블록고분자(Segmented Blockcopolymer) 전해질막 중 술폰산기를 함유하지 않는 소수블록에만 선택적으로 표면 불소화 개질된 것이 특징인 전해질막; 상기 전해질막을 구비한 막-전극 접합체(MEA); 및 상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.In addition, the present invention is an electrolyte membrane characterized in that the surface of the sulfonated hydrocarbon-based segmented block copolymer polymer (Segmented Block Copolymer) is selectively selectively fluorinated only in the minor block containing no sulfonic acid group; A membrane-electrode assembly (MEA) having the electrolyte membrane; And it provides a fuel cell comprising the membrane-electrode assembly.

나아가, 본 발명은 불소화제를 함유하는 Cl계 용액에 술폰화 탄화수소계 부분화된 블록고분자(Segmented Blockcopolymer) 막을 담그는 제1단계를 포함하여, 술폰산기를 함유하지 않는 소수블록에만 선택적으로 표면 불소화 개질된 술폰화 탄화수소계 고분자 막의 제조 방법을 제공한다.Furthermore, the present invention includes a first step of immersing a sulfonated hydrocarbon-based segmented blockcopolymer membrane in a Cl-based solution containing a fluorinating agent to selectively surface fluorinated modified only to a few blocks containing no sulfonic acid group. A method for producing a sulfonated hydrocarbon-based polymer membrane is provided.

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

특정 용매에 용해되지 않는 고분자 중 상기 특정 용매에 의해 부분적으로 팽윤되는 부분, 예컨대 소수성을 발휘하는 부분(segment), 즉 소수블록은 분자량에 따라 그 크기가 상이하나, 대략 micro 단위 수준의 크기이므로, 본 발명에서는 이를 'micro-domain 크기'로 지칭한다. Part of the polymer which is not soluble in a specific solvent is partially swelled by the specific solvent, for example, a segment exhibiting hydrophobicity, that is, a hydrophobic block is different in size depending on molecular weight, but is about the size of a micro unit, In the present invention, this is referred to as 'micro-domain size'.

특정 용매에 용해되지 않는 고분자의 일례로 부분화된 블록공중합체(Segmented Blockcopolymer)가 있으며, 상기 부분화된 블록공중합체는 용매에 팽윤되지 않는 부분과 용매에 팽윤되는 부분이 혼재되어 있다.An example of a polymer that does not dissolve in a specific solvent is a segmented block copolymer, and the segmented block copolymer includes a portion which does not swell in a solvent and a portion that swells in a solvent.

본 발명에서 술폰화 탄화수소계 부분화된 블록고분자(Segmented Blockcopolymer) 는 술폰화기로 인하여 친수성을 발휘하는 부분, 즉 친수블록과 술폰화기 부재로 인하여 소수성을 발휘하는 부분, 즉 소수블록이 화학결합으로 이어진 블록고분자를 포함한다. In the present invention, the sulfonated hydrocarbon-based segmented block copolymer (Segmented Block Copolymer) is a part that exhibits hydrophilicity due to the sulfonated group, that is, a part that exhibits hydrophobicity due to the absence of the hydrophilic block and the sulfonated group, that is, the hydrophobic block is a chemical bond Contains block polymers.

본 발명에서 고분자가 용매에 팽윤된다는 것은 고분자 내에 용매가 침투된 채 고분자 내 공유결합관계는 유지된다는 것을 의미한다. 한편, 본 발명에서 고분자가 용매에 용해된다는 것은 고분자 내 공유결합관계가 소실된다는 것을 의미한다. In the present invention, the swelling of the polymer in the solvent means that the covalent bond in the polymer is maintained while the solvent penetrates into the polymer. On the other hand, in the present invention that the polymer is dissolved in the solvent means that the covalent bond in the polymer is lost.

고분자를 이루는 기본 블록(block)과 용매가 같거나 비슷한 성질을 갖고 있으면 용매의 침투로 인해 고분자가 팽윤하게 된다. 계속 용매가 침투되면 고분자는 용매에 용해될 수 있다.If the basic block of the polymer and the solvent have the same or similar properties, the polymer swells due to the penetration of the solvent. If the solvent continues to penetrate, the polymer may be dissolved in the solvent.

고분자와 용매가 모두 같은 결합력을 가지면 서로 용해하게 된다. 예컨대 극성은 극성끼리 비극성은 비극성끼리 어울려 잘 녹아든다. 이것을 고분자에 적용하여 일종의 데이터로 만든 것이 용해도상수(Solubility Parameter, δ)이다. 용해도 상수가 거의 같으면 서로 용해된다. 예컨대, |δ1- δ2|<1(cal/cm3)1/2이면 용해가 일어난다. 고분자 용해도 상수와 용매의 용해도 상수가 비슷해지면 가교가 없는 고분자는 무조건 용해된다. 그러나, 가교된 고분자는 단지 팽윤될 뿐이다. 즉, 상기 용해도 지수 뿐만 아니라 가교의 정도가 용매가 침투할 수 있는지를 결정하는 큰 변수이다.If both polymer and solvent have the same binding force, they dissolve each other. For example, the polarity melts well with the polarity and the nonpolarity. Solubility parameter (δ) was applied to the polymer to make a kind of data. When the solubility constants are about the same, they dissolve together. For example, dissolution occurs if | δ 12 | <1 (cal / cm 3 ) 1/2 . When the solubility constants of the polymer and the solvent become similar, the polymer without crosslinking dissolves unconditionally. However, the crosslinked polymer only swells. In other words, not only the solubility index but also the degree of crosslinking is a large parameter that determines whether the solvent can penetrate.

본 발명에서 Cl계 용매 내에서 개질 대상이 되는 고분자는, Cl계 용매에 친화성이 없는 부분(예, 술폰산기가 있는 부분), 즉 친수블록은 Cl계 용매에 용해 및 팽윤되지 아니하고, Cl계 용매에 친화성이 있는 부분(예, 술폰산기가 없는 부분), 즉 소수블록은 Cl계 용매에 팽윤되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 Cl계 용매의 용해도 지수와 고분자의 용해도 지수의 관계, 및/또는 고분자의 가교도를 고려하여 이에 적합한 단위체(들)을 선택하고 이들의 위치 및 개수 등의 분포를 조절함으로써, 전반적으로 Cl계 용매에 용해되지 아니하면서 Cl계 용매에 친화성이 있는 부분은 Cl계 용매에 팽윤되는 부분화된 블록고분자(Segmented Blockcopolymer)를 설계할 수 있다.In the present invention, the polymer to be modified in the Cl solvent is a part having no affinity for the Cl solvent (eg, a part having a sulfonic acid group), that is, the hydrophilic block is not dissolved and swelled in the Cl solvent, and is not a Cl solvent. The part having affinity (for example, a part without a sulfonic acid group), that is, a hydrophobic block is characterized in that it is swollen in a Cl solvent. The present invention considers the relationship between the solubility index of the Cl-based solvent and the solubility index of the polymer, and / or the crosslinking degree of the polymer, and selects the appropriate unit (s) and adjusts the distribution of the position and number thereof. The part which is not dissolved in the solvent but has an affinity for the Cl solvent can design a segmented block copolymer that is swollen in the Cl solvent.

따라서, 플라즈마 등을 사용하여 무작위적으로 고분자를 불소화시키는 종래기술과 달리, 본 발명은 고분자 내 술폰화기와 같이 Cl계 용매에 친화성이 없는 작용기의 위치, 개수, 밀집도, 분포 등을 조절하여, 이로 인한 반대급부로 고분자 내 팽윤가능한 부분의 위치, 개수, 분포를 조절함으로써, 팽윤 가능한 부분, 즉 소수블록에 한정하여 화학반응을 진행시켜 불소화와 같은 고분자 개질을 선택적으로 조 절할 수 있다. Therefore, unlike the prior art of randomly fluorinating a polymer by using a plasma or the like, the present invention controls the position, number, density, distribution, etc. of a functional group having no affinity for a Cl-based solvent, such as a sulfonated group in a polymer, As a result of this, by controlling the position, number, and distribution of the swellable portion in the polymer, the chemical reaction may be limited to the swellable portion, that is, the minor block, to selectively adjust the polymer modification such as fluorination.

또한, 플라즈마 처리에 의해서는 불소 함유 화합물을 고분자에 그라프팅시키기 위해 불소 함유 화합물이 기체 상태이어야 하는 조건을 수반하나, 본 발명의 경우 불소 함유 화합물을 함유한 용액을 사용하고 상기 용액에 팽윤된 부분에서 화학반응이 일어나므로 불소 함유 화합물은 상기와 같은 제약이 없다.In addition, the plasma treatment involves a condition in which the fluorine-containing compound must be in a gaseous state in order to graf the fluorine-containing compound to the polymer, but in the present invention, a portion containing the solution containing the fluorine-containing compound and swelled in the solution Since the chemical reaction occurs in the fluorine-containing compound does not have the above restrictions.

술폰산기와 같이 Cl계 용매에 친화성이 없는 작용기를 갖는 친수블록은 고분자 내 블록(block)으로 분포되어 있을 수 있다.A hydrophilic block having a functional group having no affinity for a Cl solvent such as a sulfonic acid group may be distributed as a block in the polymer.

본 발명에서 Cl계 용매에 의해 팽윤 불가능한 부분은 술폰산기, 인산기, 카르복실산기로 구성된 군에서 1종 이상 선택된 친수성 작용기를 포함하는 것이 바람직하다.In the present invention, the portion that is not swellable by the Cl solvent may preferably include at least one hydrophilic functional group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, phosphoric acid groups, and carboxylic acid groups.

Cl계 용매의 비제한적이 예로는 클로로포름 (CHCl3), 디클로로메탄 (CH2Cl2), 클로로메탄 (CH3Cl), 사염화탄소 (CCl4), 1-chlorobutane, 1-chloropentane, 1-chloropropane, 2-chloropropane, chlorobenzene, 1,2-dichloroethane 등이 있다.Non-limiting examples of Cl solvents include chloroform (CHCl 3 ), dichloromethane (CH 2 Cl 2 ), chloromethane (CH 3 Cl), carbon tetrachloride (CCl 4 ), 1-chlorobutane, 1-chloropentane, 1-chloropropane, 2-chloropropane, chlorobenzene and 1,2-dichloroethane.

본 발명에 따라, Cl계 용매에 의해 팽윤(swelling) 가능한 부분을 포함하여 상기 팽윤 가능한 부분에 한정하여 화학반응이 진행되어 개질되는 고분자는 막(film) 형태일 수 있다.According to the present invention, the polymer may be modified to include a swellable portion by Cl solvent and limited to the swellable portion.

아래에서는 술폰화 탄화수소계 부분화된 블록고분자(Segmented Blockcopolymer) 전해질막 중 술폰산기를 함유하지 않는 부분(소수 블록)에만 표면 불소화 개질된 전해질막을 중심으로 본 발명을 더욱 구체적으로 살펴 본다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with a focus on the surface of the sulfonated hydrocarbon-based segmented block copolymer polymer electrolyte membrane, which does not contain sulfonic acid groups (fractional blocks).

본 발명에서 표면 불소화 개질되었다는 의미는, 고분자 주쇄의 골격(backbone)이 아닌 고분자 측쇄부분에 불소화가 되었다는 의미이다.In the present invention, the surface fluorinated modified means that the polymer side chain is fluorinated, not the backbone of the polymer backbone.

상기 술폰산기를 함유하지 않는 소수블록은 Cl계 용매에 의해 팽윤(swelling) 가능한 부분으로 용액 내 불소화제와 화학반응하여 표면 불소화가 가능한 부분이다. 또, 상기 술폰화 탄화수소계 고분자 전해질막은 Cl계 용매에 용해되지 않는 것이다.The hydrophobic block which does not contain the sulfonic acid group is a swellable portion of the Cl solvent and is a portion capable of surface fluorination by chemical reaction with a fluorinating agent in the solution. The sulfonated hydrocarbon polymer electrolyte membrane is not dissolved in a Cl solvent.

술폰산기를 함유하지 않는 소수 블록 부분이 Cl계 용매에 팽윤만 하고 용해하지 않도록 하기 위해, 주로 용해도 지수 차이를 이용할 수 있다.Solubility index difference can be mainly used in order to prevent the fractional block portion containing no sulfonic acid group from swelling in the Cl solvent but not dissolving.

상기 표면 불소화 개질은 불소 치환 또는 불소 함유 화합물의 그라프팅 결합일 수 있다. The surface fluorination modification may be a grafting bond of a fluorine substituted or fluorine containing compound.

상기 표면 불소화 개질 대상인 술폰화 탄화수소계 부분화된 블록고분자(Segmented Blockcopolymer) 전해질막은 비불소 술폰화 탄화수소계 고분자 전해질막 또는 부분불소 술폰화 탄화수소계 고분자 전해질막일 수 있다.The sulfonated hydrocarbon-based segmented block copolymer electrolyte membrane that is the surface fluorinated reforming target may be a non-fluorinated sulfonated hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane or a partially fluorinated sulfonated hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane.

본 발명에 따라 표면 불소화 개질 대상인 비불소 술폰화 탄화수소계 부분화된 블록고분자(Segmented Blockcopolymer) 전해질막은 술폰화 폴리아릴렌에테르계[Sulfonated Poly(arylene ether)s], 술폰화 폴리이미드계[Sulfonated Poly(imide)s], 술폰화 폴리아미드계[Sulfonated Poly(amide)s], 술폰화 폴리포스파젠계[Sulfonated Polyphosphazene], 술폰화 폴리스타이렌계[Sulfonated Polystyrene] 등의 블록 공중합체 전해질막(Block copolymer electrolyte), 멀티블록 공중합체 전해질막(Multiblock copolymer electrolyte), 그라프트 공중합체 전 해질막(Grafting copolymer electrolyte), 이들의 혼합물일 수 있다. 또한, 부분 불소계 술폰화 고분자 전해질막도 표면 불소화 개질 대상이 될 수 있으며, 예로서 술폰화 radiation-grafted FEP-g-polystyrene 전해질막, 술폰화 radiation-grafted ETFE-g-polystyrene 전해질막, 술폰화 radiation-grafted LDPE-g-polystyrene 전해질막, 술폰화 radiation-grafted PVDF-g-polystyrene 전해질막 등이 적용 가능하다.According to the present invention, the non-fluorinated sulfonated hydrocarbon-based segmented blockcopolymer electrolyte membrane to be subjected to surface fluorination is sulfonated poly (arylene ether) s, sulfonated polyimide-based sulfonated polyimide. block copolymer electrolyte membranes such as (imide) s], sulfonated poly (amide) s, sulfonated polyphosphazenes, sulfonated polystyrenes, etc. ), A multiblock copolymer electrolyte, a graft copolymer electrolyte, and a mixture thereof. In addition, partially fluorinated sulfonated polymer electrolyte membranes may also be subject to surface fluorination modifications, such as sulfonated radiation-grafted FEP-g-polystyrene electrolyte membranes, sulfonated radiation-grafted ETFE-g-polystyrene electrolyte membranes, sulfonated radiation -grafted LDPE-g-polystyrene electrolyte membranes and sulfonated radiation-grafted PVDF-g-polystyrene electrolyte membranes are applicable.

한편, 본 발명은 Cl계 용매에 용해(dissolution)되지 않으면서 Cl계 용매에 의해 micro-domain 크기로 팽윤(swelling) 가능한 부분, 예컨대 소수블록을 포함하는 고분자를 화학반응제를 함유하는 Cl계 용매에 담그는 제1단계를 포함하여, 상기 팽윤 가능한 부분에 한정하여 화학반응이 진행되어 개질 고분자를 제조하는 방법을 제공한다. On the other hand, the present invention is a Cl-based solvent containing a chemical reactant to a polymer containing a portion capable of swelling into a micro-domain size by a Cl-based solvent, such as a hydrophobic block, without being dissolved in a Cl-based solvent. Including a first step immersed in, the chemical reaction is limited to the swellable portion to provide a method for producing a modified polymer.

특히, 술폰산기를 함유하지 않는 소수블록 부분에만 표면 불소화 개질된 술폰화 탄화수소계 고분자 전해질막의 제조 방법은 불소화제를 함유하는 Cl계 용매에 술폰화 탄화수소계 고분자 막을 담그는 제1단계를 포함한다.In particular, the method for producing a sulfonated hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane surface-fluorinated modified only to a minor block portion containing no sulfonic acid group includes a first step of dipping the sulfonated hydrocarbon-based polymer membrane in a Cl-based solvent containing a fluorinating agent.

본 발명의 고분자는 상기 제1단계에서 그라프팅(Grafting)에 의해 개질될 수 있다.The polymer of the present invention may be modified by grafting in the first step.

특히, 본 발명에서 전해질막의 표면 불소화 개질은 Friedel-Crafts 반응을 통하여 달성될 수 있다. Friedel-Crafts Alkylation 혹은 Friedel-Crafts Acylation 반응이 적용 가능하며, Friedel-Crafts Acylation 반응이 바람직하다.In particular, the surface fluorination modification of the electrolyte membrane in the present invention can be achieved through the Friedel-Crafts reaction. Friedel-Crafts Alkylation or Friedel-Crafts Acylation reaction is applicable, and Friedel-Crafts Acylation reaction is preferred.

본 발명에서 전해질막의 표면의 불소화 개질을 위한 Friedel-Crafts 반응에 서 적용 가능한 촉매는 SnCl4, FeCl3, AlCl3 등의 군에서 선택 가능하며, AlCl3 이 바람직하다.In the present invention, the catalyst applicable in the Friedel-Crafts reaction for fluorination modification of the surface of the electrolyte membrane may be selected from the group of SnCl 4 , FeCl 3 , AlCl 3 , and the like, and AlCl 3 is preferable.

본 발명에서 전해질막 표면의 불소화 개질을 위한 Friedel-Crafts 반응에서 사용 가능한 용매는 CCl4, CHCl3, CH2Cl2, 니트로벤젠, 프레온(Freon) 또는 상기 용매의 혼합물 등의 용매 군에서 선택 가능하다.In the present invention, the solvent used in the Friedel-Crafts reaction for the fluorination of the electrolyte membrane surface may be selected from a solvent group such as CCl 4 , CHCl 3 , CH 2 Cl 2 , nitrobenzene, Freon or a mixture of the above solvents. Do.

본 발명에서는 Friedel-Crafts 반응에서 불소화제로 하기 화학식 1로 표시되는 불소화제를 단독 또는 혼용하여 사용할 수 있다. In the present invention, the fluorination agent represented by the following Formula 1 may be used alone or in combination as a fluorination agent in the Friedel-Crafts reaction.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112006023035812-pat00001
Figure 112006023035812-pat00001

여기서, A1

Figure 112006023035812-pat00002
,
Figure 112006023035812-pat00003
,
Figure 112006023035812-pat00004
,
Figure 112006023035812-pat00005
, 또는 할로겐 원소이고; X1은 할로겐 원소, C1~C12의 전불소 혹은 부분 불소계 알킬기, C2~C12의 전불소 혹은 부분 불소계 알케닐기, 혹은
Figure 112006023035812-pat00006
로 표시되고, 이때 R1 내지 R5 는 각각 독립적으로 수소, 할로겐 원소, C1~C12의 전불소 혹은 부분 불소계 알킬기, C2~C12의 전불소 혹은 부분 불소계 알케닐기이고; G1는 수소, 알킬기 혹은 페닐기이며;Where A 1 is
Figure 112006023035812-pat00002
,
Figure 112006023035812-pat00003
,
Figure 112006023035812-pat00004
,
Figure 112006023035812-pat00005
Or a halogen element; X 1 is a halogen element, a C1 to C12 all fluorine or partially fluorine alkyl group, C2 to C12 all fluorine or partially fluorine alkenyl group, or
Figure 112006023035812-pat00006
Wherein R 1 to R 5 are each independently hydrogen, a halogen element, a C1 to C12 all fluorine or partial fluorine-based alkyl group, C2 to C12 all fluorine or partially fluorine alkenyl group; G 1 is hydrogen, an alkyl group or a phenyl group;

B는 각각 독립적으로 -CD1D2-,

Figure 112006023035812-pat00007
, 혹은 이의 조합으로 표시되고; 이때 D1, D2 는 각각 독립적으로 수소, 할로겐 원소, 수산화기,
Figure 112006023035812-pat00008
, 혹은
Figure 112006023035812-pat00009
로 표시되며, m 은 1 내지 6 의 정수이고;Each B is independently -CD 1 D 2- ,
Figure 112006023035812-pat00007
Or a combination thereof; Where D 1 , D 2 Are each independently hydrogen, halogen, hydroxyl,
Figure 112006023035812-pat00008
, or
Figure 112006023035812-pat00009
And m is an integer from 1 to 6;

E 는 직접결합(direct bond), -O-, -S-, -CO-, -SO2-, -C(CH3)2-, 또는 -C(CF3)2- 이고, R6 내지 R9 는 각각 독립적으로 수소, 할로겐 원소, C1~C12의 전불소 혹은 부분 불소계 알킬기, C2~C12의 전불소 혹은 부분 불소계 알케닐기이고; n 은 1 내지 24 의 정수이며;E is a direct bond, -O-, -S-, -CO-, -SO 2- , -C (CH 3 ) 2- , or -C (CF 3 ) 2- , R 6 to R 9 each independently represents hydrogen, a halogen element, a C1-C12 all-fluorine or partially fluorine-based alkyl group, and C2-C12 all-fluorine or partially fluorine-alkenyl group; n is an integer from 1 to 24;

A2 는 각각 독립적으로

Figure 112006023035812-pat00010
,
Figure 112006023035812-pat00011
,
Figure 112006023035812-pat00012
,
Figure 112006023035812-pat00013
, 또는 할로겐 원소이고, X2은 할로겐 원소이고, G2는 수소, C1~C12 알킬기 혹은 페닐기임.A 2 are each independently
Figure 112006023035812-pat00010
,
Figure 112006023035812-pat00011
,
Figure 112006023035812-pat00012
,
Figure 112006023035812-pat00013
Or a halogen element, X 2 is a halogen element, and G 2 is hydrogen, a C1-C12 alkyl group or a phenyl group.

이때, 불소화제의 농도는 0.02 mmol/L 내지 2 mol/L가 바람직하며, 2 mmol/L 내외가 더욱 바람직하다. At this time, the concentration of the fluorinating agent is preferably 0.02 mmol / L to 2 mol / L, more preferably about 2 mmol / L.

또한, 표면 불소화 개질을 위한 Friedel-Crafts 반응에서 촉매의 농도는 사용되는 불소화제의 몰수대비 0.1 내지 10 의 화학적당량이 가능하며, 바람직하게는 불소화제의 몰수대비 1.0 내지 3.0 이다. In addition, the concentration of the catalyst in the Friedel-Crafts reaction for surface fluorination reforming is possible in a chemical equivalent of 0.1 to 10 to the number of moles of the fluorinating agent used, preferably 1.0 to 3.0 to the number of moles of the fluorinating agent.

또, 상기 Friedel-Crafts 반응 온도는 -80 ℃ 내지 250 ℃ 이며, 바람직하게는 0 ℃ 내지 25 ℃ 이다. In addition, the Friedel-Crafts reaction temperature is -80 ℃ to 250 ℃, preferably 0 ℃ to 25 ℃.

본 발명의 일구체예에 따라, Friedel-Crafts 반응을 통해 표면 불소화 개질된 전해질막을 제조하는 방법은 하기와 같다.According to one embodiment of the present invention, a method for producing a surface fluorinated modified electrolyte membrane through Friedel-Crafts reaction is as follows.

비불소 또는 부분불소 탄화수소계 부분화된 블록고분자(Segmented Blockcopolymer) 전해질막을 120 ℃ 내외의 온도에서 진공 건조한다. 질소 분위기의 건조된 반응조에 무수의 CHCl3 을 가한 후, 얼음물을 이용하여 반응조의 온도를 0 ℃ 내외로 유지한다. 불소화제, 촉매를 질소 분위기의 반응조에 가한 후 0 ℃ 에서 30 분 정도 반응물을 교반하여 전자친화체인 안정화된 아실 양이온(Acyl Cation)의 형성을 유도한다. 상기에서 건조된 비불소 또는 부분불소 탄화수소계 부분화된 블록고분자(Segmented Blockcopolymer) 전해질막을 반응물에 가한 후, 반응조의 온도를 서서히 실온으로 승온시키면서 교반을 유지한다. 반응조의 온도를 0 ℃ 에서 실온으로 승온시키는데는 약 30 분 정도가 소요되며, 반응물의 온도를 0 ℃ 에서 실온으로 승온시켜 표면 불소화 개질 반응을 완결시킨다. 표면 불소화 개질된 전해질막을 반응조에서 꺼내어 초순수에 2 내지 3 회 세척한 후 건조하여 표면 불소화 개질된 비불소 또는 부분불소 탄화수소계 부분화된 블록고분자(Segmented Blockcopolymer) 전해질막을 제조할 수 있다. Non-fluorine or partially fluorinated hydrocarbon-based segmented block copolymer electrolyte membrane is vacuum dried at a temperature of about 120 ℃. After anhydrous CHCl 3 was added to the dried reactor in nitrogen atmosphere, the temperature of the reactor was maintained at about 0 ° C. using ice water. A fluorinating agent and a catalyst are added to a reaction vessel in a nitrogen atmosphere, and then the reactant is stirred at 0 ° C. for about 30 minutes to induce the formation of a stabilized acyl cation, which is an electron affinity. After adding the dried non-fluorine or partially fluorinated hydrocarbon-based segmented block copolymer electrolyte membrane to the reaction product, the temperature of the reaction tank is gradually raised to room temperature, and the stirring is maintained. It takes about 30 minutes to raise the temperature of the reactor from 0 ° C. to room temperature, and the temperature of the reaction is raised from 0 ° C. to room temperature to complete the surface fluorination reforming reaction. The surface fluorinated modified electrolyte membrane may be removed from the reaction tank, washed two to three times in ultrapure water, and then dried to prepare a surface fluorinated modified non-fluorine or partially fluorinated hydrocarbon-based segmented blockcopolymer electrolyte membrane.

본 발명은 나피온 이오노머(Nafion Ionomer) 용액을 전극 지지체상에 형성된 촉매층 위에 코팅하여 환원극(cathode)과 산화극(anode)을 각각 제조하고 열 압착 을 통해 상기 환원극과 산화극 사이에 표면 불소화 개질된 고분자 전해질막을 개재시키는 단계를 포함하여 막-전극 접합체(MEA)을 제조할 수 있다. According to the present invention, a Nafion Ionomer solution is coated on a catalyst layer formed on an electrode support to prepare a cathode and an anode, respectively, and surface fluorination between the cathode and the anode through thermal compression. A membrane-electrode assembly (MEA) may be prepared by interposing a modified polymer electrolyte membrane.

이때 상기 이오노머 용액의 코팅량은 0.05 ~ 1 mL/cm2 이 바람직하며, 열 압착시 압력은 0.5 ~ 2 톤(ton), 온도는 100 ~ 150 ℃ 가 바람직하다.At this time, the coating amount of the ionomer solution is preferably 0.05 ~ 1 mL / cm 2 , the pressure at the time of thermal compression is 0.5 ~ 2 tons (ton), the temperature is preferably 100 ~ 150 ℃.

비불소 탄화수소계 고분자 전해질막 또는 부분불소 탄화수소계 고분자 전해질막은 일반적으로 촉매층 위의 코팅액이나 촉매층의 바인더로 사용되는 나피온 이오노머와의 상용성이 떨어져 연료전지 구동시 전해질막과 전극 사이의 접합력이 떨어지는 반면, 상기 본 발명에 따라 제조된 표면 불소화 개질된 비불소 탄화수소계 고분자 전해질막 혹은 표면 불소화 개질된 부분불소 탄화수소계 고분자 전해질막은 나피온 이오노머와 상용성이 향상되어 MEA 제조시 전해질막과 전극 사이의 접합력이 향상된다.Non-fluorinated hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane or partially fluorinated hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane is generally incompatible with Nafion ionomer used as coating liquid on catalyst layer or binder of catalyst layer, resulting in poor adhesion between electrolyte membrane and electrode when driving fuel cell. On the other hand, the surface fluorinated modified non-fluorinated hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane or surface fluorinated-modified partially fluorinated hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane prepared according to the present invention has improved compatibility with the Nafion ionomer between the electrolyte membrane and the electrode in the MEA manufacturing Bonding force is improved.

또한, 본 발명의 표면 불소화 개질된 비불소 탄화수소계 고분자 전해질막 혹은 표면 불소화 개질된 부분불소 탄화수소계 고분자 전해질막이 적용된 MEA는 향상된 성능과 우수한 내구성을 갖는 고분자 전해질 연료전지를 제공한다.In addition, the MEA to which the surface fluorinated modified non-fluorinated hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane or surface fluorinated-modified partially fluorinated hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane is applied provides a polymer electrolyte fuel cell having improved performance and excellent durability.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to help understanding of the present invention, but the following examples are merely to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

[실시예]EXAMPLE

실시예Example 1.  One. 술폰화Sulfonation 탄화수소계  Hydrocarbon 부분화된Partial 폴리에테르케톤Polyether ketone [[ SulfonatedSulfonated and Segmented Poly(ether ketone)s] 블록고분자 전해질막,  and Segmented Poly (ether ketone) s] block polymer electrolyte membrane, ss -PEEK-PEEK , 의 표면 불소화 개질 1Surface fluorination modification of, 1

10 cm × 10 cm 크기이고 두께가 50 ㎛인 친수블록 및 소수블록으로 구성된 술폰화 탄화수소계 부분화된 폴리에테르케톤[Sulfonated and Segmented Poly(ether ketone)s] 블록고분자 전해질막을 120 ℃ 온도에서 6 시간이상 진공 건조하여 전해질막이 함유하는 수분을 제거하였다. 2 L 규모의 건조된 반응조에 질소분위기 하에서 1 L 무수의 CHCl3 을 가한 후, 얼음물을 이용하여 반응조의 온도를 0 ℃ 내외로 유지하였다. 1.00 g (2.31 mmol)의 불소화제: Pentadecafluorooctanoyl chloride, 0.37 g (2.77 mmol)의 촉매-AlCl3 를 질소 분위기의 반응조에 가한 후 0 ℃ 에서 30분 정도 반응물을 교반한 후, 건조된 술폰화 탄화수소계 부분화된 폴리에테르케톤[Sulfonated and Segmented Poly(ether ketone)s] 블록고분자 전해질막을 반응물에 담근 후 , 반응조의 온도를 서서히 실온으로 승온시키면서 교반을 유지하였다. 반응조의 온도를 서서히 실온으로 승온시켜 표면 불소화 개질 반응을 완결시켰다. 표면 불소화 개질된 전해질막을 반응조에서 꺼내어 초순수에 2 내지 3 회 세척한 후 건조하여 표면 불소화 개질된 술폰화/그라프트 탄화수소계 부분화된 폴리에테르케톤[Sulfonated and Segmented Poly(ether ketone)s] 블록고분자 전해질막, SG- s -PEEK1, 을 제조하였다.Sulfonated and segmented polyether ketones (Sulfonated and Segmented Poly (ether ketones)) block polymer electrolyte membrane consisting of hydrophilic and hydrophobic blocks having a size of 10 cm × 10 cm and having a thickness of 50 µm were subjected to 6 hours at 120 ° C. The above-mentioned vacuum drying was carried out to remove the water contained in the electrolyte membrane. After adding 1 L of anhydrous CHCl 3 to a 2 L scale dried reactor under nitrogen atmosphere, the temperature of the reactor was maintained at about 0 ° C. using ice water. 1.00 g (2.31 mmol) of fluorinating agent: Pentadecafluorooctanoyl chloride, 0.37 g (2.77 mmol) of catalyst-AlCl 3 was added to a reactor in a nitrogen atmosphere, the reaction was stirred at 0 ° C. for about 30 minutes, and then dried sulfonated hydrocarbon system. Sulfurated and Segmented Poly (ether ketones) block polymer electrolyte membranes were immersed in the reactants, and the temperature of the reactor was gradually raised to room temperature while stirring was maintained. The temperature of the reactor was gradually raised to room temperature to complete the surface fluorination reforming reaction. The surface fluorinated modified electrolyte membrane was removed from the reaction tank, washed two to three times in ultrapure water, and then dried to dry the surface fluorinated sulfonated / segmented polyether ketone block polymer. the electrolyte membrane, SG- s -PEEK1, Was prepared.

실시예Example 2.  2. 술폰화Sulfonation 탄화수소계  Hydrocarbon 부분화된Partial 폴리에테르케톤Polyether ketone [[ SulfonatedSulfonated and Segmented Poly(ether ketone)s] 블록고분자 전해질막,  and Segmented Poly (ether ketone) s] block polymer electrolyte membrane, ss -PEEK-PEEK , 의 표면 불소화 개 질 2, Surface fluorination modification 2

불소화제로 Perfluoro-1,10-decanedianoly chloride를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 동일한 전해질막, 즉 친수블록 및 소수블록으로 구성된 술폰화 탄화수소계 부분화된 폴리에테르케톤[Sulfonated and Segmented Poly(ether ketone)s] 블록고분자 전해질막을 사용하여 표면 불소화 개질된 술폰화/그라프트 탄화수소계 부분화된 폴리에테르케톤[Sulfonated and Segmented Poly(ether ketone)s] 블록고분자 전해질막, SG- s -PEEK2을 제조하였다. Sulfonated and segmented polyether ketones composed of the same electrolyte membrane, that is, a hydrophilic block and a hydrophobic block, in the same manner as in Example 1 except that Perfluoro-1,10-decanedianoly chloride was used as the fluorinating agent. (ether ketone) s] the surface-modified using a fluorinated polymer electrolyte membrane blocks sulfonated / graft hydrocarbon-based part poly ether ketone [sulfonated and Segmented poly (ether ketone ) s] block polymer electrolyte membrane, SG- s -PEEK2 Was prepared.

실시예 3. 술폰화 탄화수소계 폴리에테르케톤[Sulfonated Poly(ether ketone)s] 고분자 전해질막, Example 3 Sulfonated Poly (ether ketones) Polymer Electrolyte Membrane, hshs -PEEK-PEEK , 의 표면 불소화 개질 3, Surface fluorination modification 3

친수블록으로만 구성된 술폰화 탄화수소계 폴리에테르케톤[Sulfonated Poly(ether ketone)s] 고분자 전해질막을 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 표면 불소화 개질을 하고자 하였으며, 그 결과물로 술폰화 탄화수소계 폴리에테르케톤[Sulfonated Poly(ether ketone)s] 고분자 전해질막, SG- hs -PEEK2, 을 수득하였다. The sulfonated hydrocarbon polyether ketones composed of hydrophilic blocks were used for the surface fluorination modification in the same manner as in Example 1, and the sulfonated hydrocarbon polyether ketone was used as the result. [Sulfonated Poly (ether ketone) s ] a polymer electrolyte membrane, SG- hs -PEEK2, Obtained.

실시예 4. 탄화수소계 폴리에테르케톤[Sulfonated Poly(ether ketone)s] 고분자막, Example 4 Sulfurated Poly (ether ketones) Polymer Membrane, hh -PEEK-PEEK , 의 표면 불소화 개질 4, Surface fluorination modification 4

소수블록으로만 구성된 탄화수소계 폴리에테르케톤[Sulfonated Poly(ether ketone)s] 고분자막을 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 표면 불소화 개질을 하고자 하였다. 상기 고분자막을 불소화제 및 AlCl3 함유 CHCl3 용액에 가하였으나, 교반시 고분자막이 용매에 용해되었다. 이로부터 소수블록으로만 구성된 탄화수소계 폴리에테르케톤[Sulfonated Poly(ether ketone)s] 고분자막은 Cl계 용매에 용해되어 막 형태를 유지할 수 없음을 확인하였다. The surface fluorination was modified in the same manner as in Example 1 using a hydrocarbon-based polyether ketone polymer membrane composed of only a few blocks. The polymer membrane was added to a fluorinating agent and an AlCl 3 -containing CHCl 3 solution, but upon stirring, the polymer membrane was dissolved in a solvent. From this, it was confirmed that the hydrocarbon-based polyether ketone polymer membrane composed of only hydrophobic blocks could not be dissolved in the Cl solvent to maintain the membrane form.

실시예Example 5. 막-전극 접합체(MEA)의 제조 5. Preparation of membrane-electrode assembly (MEA)

6 cm × 6 cm 크기의 술폰화 탄화수소계 부분화된 폴리에테르케톤[Sulfonated and Segmented Poly(ether ketone)s] 블록고분자 전해질막( s -PEEK), 표면 불소화 개질된 술폰화/그라프트 탄화수소계 부분화된 폴리에테르케톤[Sulfonated and Segmented Poly(ether ketone)s] 블록고분자 전해질막(SG- s -PEEK1, SG- s -PEEK2), 술폰화 탄화수소계 폴리에테르케톤[Sulfonated Poly(ether ketone)s] 고분자 전해질막(hs-PEEK), 불소화 개질 반응을 겪은 결과물인 술폰화 탄화수소계 폴리에테르케톤[Sulfonated Poly(ether ketone)s] 고분자 전해질막 (SG - hs - PEEK2)과, 3 cm × 3 cm 크기의 카본 페이퍼 위에 촉매층이 나피온 이오노머(Nafion Ionomer)와 함께 도포되어 있는 산화극과 환원극을 준비하였다. 상기 두 전극을 산화극-전해질막-환원극의 순서로 적층한 후, 이것을 140 ℃, 고온 압착기(Hot press)의 플레이트(plates) 사이에 끼우고, 1 톤의 압력으로 5 분간 압착한 후, 접합체를 꺼내어 공기 중에서 식혀 MEA를 제작하였다.Sulfonated and Segmented Poly (ether ketones) Block Polymer Electrolyte Membranes ( s -PEEK ), Surface Fluorinated Modified Sulfonated / Graft Hydrocarbon Part Sulfurated and Segmented Poly (ether ketones) Block Polymer Electrolyte Membranes ( SG- s -PEEK1, SG- s -PEEK2) , Sulfonated Poly (ether ketones) Polymer Electrolyte Membrane (hs-PEEK), Sulfonated Poly (ether ketones) polymer electrolyte membrane ( SG - hs - PEEK2 ) as a result of the fluorination reforming reaction, and a catalyst layer on a 3 cm × 3 cm carbon paper, the Nafion ionomer An anode and a cathode coated with (Nafion Ionomer) were prepared. After stacking the two electrodes in the order of the anode-electrolyte-film-reduction electrode, the two electrodes were sandwiched between the plates of a hot press at 140 ° C., and pressed for 5 minutes at a pressure of 1 ton. The conjugate was taken out and cooled in air to produce a MEA.

제작한 MEA를 이용하여 하기와 같은 방법으로 막과 전극 사이의 접착력 테스트, 수소이온 교환막 연료전지 (PEMFC)와 직접 메탄올 연료전지(DMFC)의 성능을 측정하였다.Using the prepared MEA, the adhesion test between the membrane and the electrode, and the performance of the hydrogen ion exchange membrane fuel cell (PEMFC) and direct methanol fuel cell (DMFC) were measured in the following manner.

실험예Experimental Example 1. MEA의 막과 전극 사이의 접착력 테스트 1.Adhesion test between membrane and electrode of MEA

상기 실시예 5에서 제조한 각 MEA를 100 mL의 증류수와 100 mL의 메탄올에 각각 담지한 채 시간이 지남에 따라 막과 전극이 분리되는지 확인하였다. 그 결과, 전해질막 s -PEEK, hs -PEEK, 그리고 SG- hs -PEEK2로부터 제조된 각각의 MEA-a1, MEA-a2, MEA-a3 는 증류수 및 메탄올에 담지했을 경우 막과 전극이 분리가 바로 관찰된 반면, 전해질막 SG- s -PEEK1 SG- s -PEEK2 로부터 제조된 각각의 MEA-b1, MEA-b2 는 100 시간 이상이 지나도 막과 전극이 분리되지 않음을 확인하였다(도 2). Each MEA prepared in Example 5 was supported in 100 mL of distilled water and 100 mL of methanol, respectively, to determine whether the membrane and the electrode were separated over time. As a result, the electrolyte membrane s -PEEK , hs -PEEK , And each made from SG- hs -PEEK2 MEA-a1, a2-MEA, MEA-a3, on the other hand when carrying in distilled water and methanol, the membrane and the electrode is separated immediately observed, the electrolyte membrane SG- s -PEEK1 and SG - s each MEA-b1, b2-MEA produced from -PEEK2 was checked for 100 hours is not a film and the electrodes even after separation (Figure 2).

친수블록으로만 구성된 술폰화 탄화수소계 폴리에테르케톤[Sulfonated Poly(ether ketone)s] 고분자 전해질막, hs -PEEK, 의 표면 불소화 개질 반응으로부터(실시예 3) 제조된 MEA-a3 가 증류수 및 메탄올에 담지했을 경우 막과 전극 분리가 바로 관찰됨으로써, 친수블록으로만 구성된 술폰화 탄화수소계 폴리에테르케톤[Sulfonated Poly(ether ketone)s] 고분자 전해질막, hs -PEEK, 의 표면 불소화 개질 반응은 진행되지 않음을 확인할 수 있었다. MEA-a3 prepared from the surface fluorination reforming reaction of sulfonated poly (ether ketones) polymer electrolyte membrane composed only of hydrophilic block, hs- PEEK , (Example 3) was prepared in distilled water and methanol. When supported, membrane and electrode separation were immediately observed, so that the surface fluorination reforming reaction of sulfonated poly (ketone) polyether ketones composed of hydrophilic blocks only, hs- PEEK , did not proceed. Could confirm.

반면에 친수블록 및 소수블록으로 구성된 술폰화 탄화수소계 부분화된 폴리에테르케톤[Sulfonated and Segmented Poly(ether ketone)s] 블록고분자 전해질막의 표면 불소화 개질 반응은 실험예 1로부터 제조된 각각의 MEA-b1, MEA-b2 가 증류수 및 메탄올에 담지했을 경우 100 시간 이상이 지나도 막과 전극이 분리되지 않음을 확인함으로써 표면 불소화 개질 반응이 성공적으로 진행됨을 확인할 수 있었다. On the other hand, the surface fluorination modification reaction of sulfonated and segmented poly (ketone) s block polymer electrolyte membrane composed of hydrophilic block and hydrophobic block was performed in each MEA-b1 prepared from Experimental Example 1. , When MEA-b2 was supported in distilled water and methanol, it was confirmed that the surface fluorination reforming reaction was successful by confirming that the membrane and the electrode were not separated even after more than 100 hours.

실험예Experimental Example 2.  2. 수소이온Hydrogen ion 교환막Exchange membrane 연료전지 ( Fuel cell PEMFCPEMFC ) 성능 및 내구성 평가A) performance and durability evaluation

상기 실시예 5에서 제조된 각 MEA를 수소이온 교환막 연료전지의 단일 셀(single cell)에 조립하여 단위 전지 온도 70 ℃ 이고, H2와 공기의 유량이 각각 300 sccm, 1200 ccm이고, 환원극과 산화극의 bubbler line의 온도를 각각 80 ℃, 85 ℃ 유지하고, 100 % 가습 조건에서 수소이온 교환막 연료전지 성능을 평가하였다. 전해질막 s - PEEK 로부터 제조된 MEA가 적용된 연료전지는 전해질막 SG- s -PEEK1, SG- s -PEEK2 로부터 제조된 MEA 가 적용된 연료전지에 비하여 낮은 성능을 나타냄을 확인(도 3)할 수 있었으며, 일정전류모드(@ 0.6 V/cm2)에서 장기 내구성 평가시 전해질막 s -PEEK 가 적용된 연료전지의 전압강하는 큰 반면에 전해질막 SG- s -PEEK1, SG- s -PEEK2 가 적용된 연료전지는 안정한 성능을 보였다(도 4).Each MEA prepared in Example 5 was assembled into a single cell of a hydrogen ion exchange membrane fuel cell, and the unit cell temperature was 70 ° C., and the flow rates of H 2 and air were 300 sccm and 1200 ccm, respectively. The temperature of the bubbler line of the anode was maintained at 80 ° C. and 85 ° C., respectively, and the performance of the hydrogen ion exchange membrane fuel cell was evaluated under 100% humidification conditions. The fuel cell to which MEA prepared from electrolyte membrane s - PEEK was applied showed lower performance than the fuel cell to which MEA prepared from electrolyte membranes SG- s -PEEK1 and SG- s -PEEK2 was applied (FIG. 3). , the constant current mode (@ 0.6 V / cm 2) in long-term durability evaluation when the electrolyte membrane of the fuel cell -PEEK s voltage drop is applied is large, while the electrolyte membrane SG- s -PEEK1, SG- -PEEK2 s is applied to the fuel cell Showed stable performance (FIG. 4).

실험예Experimental Example 3. 직접 메탄올 연료전지 성능 3. Direct methanol fuel cell performance

상기 실시예 5에서 제조된 MEA를 직접 메탄올 연료전지의 단위 셀(single cell)에 조립하여 하기 표 1과 같은 조건에서 성능을 측정하였으며, 그 출력밀도는 하기와 같은 조건하에서 평가하였다. 전해질막 s -PEEK 로부터 제조된 MEA 가 적용된 연료전지는 전해질막 SG- s -PEEK1, SG- s -PEEK2 로부터 제조된 MEA 가 적용된 연료전지에 비하여 낮은 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다(도 5).The MEA prepared in Example 5 was directly assembled to a unit cell of a methanol fuel cell, and performance was measured under the conditions shown in Table 1 below, and the output density was evaluated under the following conditions. The fuel cell to which the MEA prepared from the electrolyte membrane s -PEEK was applied showed lower performance than the fuel cell to which the MEA prepared from the electrolyte membranes SG- s -PEEK1 and SG- s -PEEK2 was applied (FIG. 5).

작동온도Working temperature 80 ℃80 ℃ 촉매 사용량Catalyst usage 2 ㎎/㎠2 mg / cm 2 연료fuel 2 M CH3OH2 M CH 3 OH 산소Oxygen 1000 ㏄/min 1kfg 가압1000 kPa / min 1kfg Pressurized

본 발명에 따라 표면이 불소화 개질된 술폰화 비불소 또는 부분불소 탄화수 소계 부분화된 블록고분자(Segmented Blockcopolymer) 전해질막 및 상기 개질된 전해질막이 적용된 연료전지는 표면 불소화 개질 처리가 안된 탄화수소계 전해질막에 비하여 막-전극의 접착력이 우수해 연료전지에 적용시 전해질막과 전극 사이의 계면 저항을 줄여 연료전지의 성능을 향상시킬 뿐만 아니라, 구동 중 막-전극 접합체(MEA)의 분리가 발생하지 않아 연료전지의 성능이 유지되며 장기적이고 안정적인 구동에 효과가 있다. According to the present invention, a sulfonated non-fluorine or partially fluorinated hydrocarbon-based segmented blockcopolymer electrolyte membrane having a fluorinated surface and a fuel cell to which the modified electrolyte membrane is applied are hydrocarbon-based electrolyte membranes which are not subjected to surface fluorination modification. Compared to the membrane, the adhesion between membrane and electrode is better than that of fuel cell, which improves the performance of fuel cell by reducing the interface resistance between electrolyte membrane and electrode. The performance of the fuel cell is maintained and effective for long-term and stable operation.

이상에서 본 발명의 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although only described in detail with respect to the described embodiments of the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the technical spirit of the present invention, it is natural that such variations and modifications belong to the appended claims. .

Claims (24)

Cl계 용매에 용해(dissolution)되지 않으면서 고분자 내에 Cl계 용매가 침투된 채 고분자 내 공유결합관계는 유지되어 Cl계 용매에 의해 micro-domain 크기로 팽윤(swelling)되는 부분을 포함하는 고분자로서, 상기 팽윤 부분에 한정하여 불소화 화학반응이 진행되어 개질된 것이 특징인 고분자. A polymer comprising a portion in which a covalent bond in a polymer is maintained while the Cl solvent is infiltrated into the polymer without dissolution in the Cl solvent, and thus includes a portion swelled to a micro-domain size by the Cl solvent. The polymer is characterized in that the fluorination chemistry is modified to be limited to the swelling portion. 삭제delete 제1항에 있어서, Cl계 용매에 의해 팽윤되는 부분은 술폰산기, 인산기, 카르복실산기로 구성된 군에서 1종 이상 선택된 친수성 작용기를 포함하지 않는 것이 특징인 고분자. The polymer according to claim 1, wherein the portion swelled by Cl solvent does not include at least one hydrophilic functional group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, phosphoric acid groups and carboxylic acid groups. 제1항에 있어서, Cl계 용매에 용해(dissolution)되지 않으면서 고분자 내에 Cl계 용매가 침투된 채 고분자 내 공유결합관계는 유지되어 Cl계 용매에 의해 micro-domain 크기로 팽윤(swelling)되는 부분을 포함하는 상기 고분자는 술폰산기 함유 부분화된 탄화수소계 블록 고분자이고, 상기 술폰산기 함유 부분화된 탄화수소계 블록 고분자는 상기 팽윤 부분이 불소화 화학반응에 의해 개질된 것이 특징인 고분자.The part of claim 1, wherein the covalent bond in the polymer is maintained while the Cl solvent is infiltrated into the polymer without dissolution in the Cl solvent, thereby swelling to a micro-domain size by the Cl solvent. The polymer comprising a sulfonic acid group-containing partially hydrocarbon-based block polymer, wherein the sulfonic acid group-containing partially hydrocarbon-based block polymer is characterized in that the swelling portion is modified by a fluorination chemical reaction. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 막(film) 형태인 것이 특징인 고분자. The polymer according to any one of claims 1, 3 and 4, characterized in that it is in the form of a film. 술폰산기를 함유하는 친수 블록과 술폰산기를 함유하지 않는 소수블록을 포함하는, 술폰화 탄화수소계 부분화된 블록고분자(Segmented Blockcopolymer) 전해질막으로서, 상기 술폰산기를 함유하지 않는 소수블록만이 Cl계 용매에 의해 팽윤(swelling)되어 불소화 화학반응에 의해 표면 불소화 개질된 것이 특징인 전해질막.A sulfonated hydrocarbon-based segmented blockcopolymer electrolyte membrane comprising a hydrophilic block containing a sulfonic acid group and a hydrophobic block containing no sulfonic acid group, wherein only a hydrophobic block containing no sulfonic acid group is contained by a Cl solvent. An electrolyte membrane characterized by swelling and surface fluorination modification by fluorination chemical reaction. 삭제delete 제6항에 있어서, 상기 표면 불소화 개질은 불소 치환 또는 불소 함유 화합물의 그라프팅 결합인 것이 특징인 전해질막.7. The electrolyte membrane according to claim 6, wherein the surface fluorination modification is a grafting bond of a fluorine-substituted or fluorine-containing compound. 제6항에 있어서, 상기 술폰화 탄화수소계 부분화된 블록고분자 전해질막은 Cl계 용매에 용해되지 않는 것이 특징인 전해질막.7. The electrolyte membrane according to claim 6, wherein the sulfonated hydrocarbon-based partially blocked polymer electrolyte membrane is not dissolved in a Cl solvent. 제6항에 있어서, 상기 표면 불소화 개질 대상인 술폰화 탄화수소계 부분화된 블록고분자 전해질막은 비불소 술폰화 탄화수소계 고분자 전해질막 또는 부분불소 술폰화 탄화수소계 고분자 전해질막인 것이 특징인 전해질막.The electrolyte membrane of claim 6, wherein the sulfonated hydrocarbon-based partially blocked polymer electrolyte membrane to be subjected to surface fluorination is a non-fluorinated sulfonated hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane or a partially fluorinated sulfonated hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane. 제6항에 있어서, 표면 불소화 대상이 되는 술폰화 탄화수소계 부분화된 블록고분자 전해질막의 고분자 재료는 술폰화 폴리아릴렌에테르, 술폰화 폴리이미드, 술폰화 폴리아미드, 술폰화 폴리포스파젠, 술폰화 폴리스타이렌, 술폰화 radiation-grafted FEP-g-polystyrene, 술폰화 radiation-grafted ETFE-g- polystyrene, 술폰화 radiation-grafted LDPE-g-polystyrene, 술폰화 radiation-grafted PVDF-g-polystyrene로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 고분자를 포함하는 블록 공중합체 (Block copolymer), 멀티블록 공중합체(Multiblock copolymer), 그라프트 공중합체(Grafting copolymer)인 것이 특징인 전해질막.The polymer material of the sulfonated hydrocarbon-based partial block polymer electrolyte membrane to be subjected to surface fluorination is sulfonated polyarylene ether, sulfonated polyimide, sulfonated polyamide, sulfonated polyphosphazene, sulfonated Selected from the group consisting of polystyrene, sulfonated radiation-grafted FEP-g-polystyrene, sulfonated radiation-grafted ETFE-g-polystyrene, sulfonated radiation-grafted LDPE-g-polystyrene, sulfonated radiation-grafted PVDF-g-polystyrene Electrolyte membrane, characterized in that the block copolymer (Block copolymer), multiblock copolymer (Grafting copolymer) comprising at least one polymer. 제6항에 있어서, 표면 불소화 대상이 되는 술폰화 탄화수소계 부분화된 블록고분자 전해질막의 고분자 재료는 술폰화 radiation-grafted FEP-g-polystyrene 전해질막, 술폰화 radiation-grafted ETFE-g-polystyrene 전해질막, 술폰화 radiation-grafted LDPE-g-polystyrene 전해질막, 술폰화 radiation-grafted PVDF-g-polystyrene 인 것이 특징인 전해질막.The polymer material of the sulfonated hydrocarbon-based partially blocked polymer electrolyte membrane to be subjected to surface fluorination is sulfonated radiation-grafted FEP-g-polystyrene electrolyte membrane, sulfonated radiation-grafted ETFE-g-polystyrene electrolyte membrane An electrolyte membrane characterized by being a sulfonated radiation-grafted LDPE-g-polystyrene electrolyte membrane and a sulfonated radiation-grafted PVDF-g-polystyrene electrolyte. Cl계 용매에 용해(dissolution)되지 않으면서 고분자 내에 Cl계 용매가 침투된 채 고분자 내 공유결합관계는 유지되어 Cl계 용매에 의해 micro-domain 크기로 팽윤(swelling)되는 부분을 포함하는 고분자를 화학반응제를 함유하는 Cl계 용매에 담그는 제1단계를 포함하여, 상기 팽윤 부분에 한정하여 화학반응이 진행되어 개질 고분자를 제조하는 방법.Chemically polymerizes a polymer containing a portion swelled to a micro-domain size by Cl solvent while maintaining the covalent relationship in the polymer while the Cl solvent penetrates into the polymer without dissolution in the Cl solvent. A first step of immersing in a Cl-based solvent containing a reactant, wherein the chemical reaction is limited to the swelling portion to produce a modified polymer. 제13항에 있어서, 불소화제를 함유하는 Cl계 용매에 술폰화 탄화수소계 부분화된 블록고분자(Segmented Blockcopolymer) 막을 담그는 제1단계를 포함하여, 술폰산기를 함유하지 않는 소수블록에만 표면 불소화 개질된 술폰화 탄화수소계 고분자 막의 제조 방법.15. The method of claim 13, comprising a first step of immersing a sulfonated hydrocarbon-based segmented blockcopolymer membrane in a Cl-based solvent containing a fluorinating agent, wherein the surface fluorinated modified sulfide only contains a minor block that does not contain sulfonic acid groups. Method for producing a phonated hydrocarbon-based polymer membrane. 제13항 또는 제14항에 있어서, 그라프팅(Grafting)에 의해 개질된 것이 특징인 제법. The method according to claim 13 or 14, characterized in that it is modified by grafting. 제14항에 있어서, 상기 제1단계에서 Friedel-Crafts 반응이 일어나는 것이 특징인 제법.The method of claim 14, wherein the Friedel-Crafts reaction occurs in the first step. 제16항에 있어서, Friedel-Crafts 반응의 촉매로 SnCl4, FeCl3, AlCl3 로 구성된 군에서 1종 이상 선택된 것을 사용하는 것이 특징인 제법. The method of claim 16, wherein at least one selected from the group consisting of SnCl 4 , FeCl 3 , and AlCl 3 is used as a catalyst for the Friedel-Crafts reaction. 제14항에 있어서, 상기 제1단계에서 CCl4, CHCl3, CH2Cl2, 니트로벤젠, 프레온(Freon)으로 구성된 군에서 선택된 1종이상을 함유하는 용매를 사용하는 것이 특징인 제법.The method according to claim 14, wherein in the first step, a solvent containing at least one selected from the group consisting of CCl 4 , CHCl 3 , CH 2 Cl 2 , nitrobenzene, and Freon is used. 제14항에 있어서, 불소화제는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 군으로부터 1종 이상 선택된 것이 특징인 제법. The method according to claim 14, wherein the fluorinating agent is selected from at least one compound group represented by the following formula (1). [화학식 1][Formula 1]
Figure 112006023035812-pat00014
Figure 112006023035812-pat00014
여기서, A1
Figure 112006023035812-pat00015
,
Figure 112006023035812-pat00016
,
Figure 112006023035812-pat00017
,
Figure 112006023035812-pat00018
, 또는 할로겐 원소이고; X1은 할로겐 원소, C1~C12의 전불소 혹은 부분 불소계 알킬기, C2~C12의 전불소 혹은 부분 불소계 알케닐기, 혹은
Figure 112006023035812-pat00019
로 표시되고, 이때 R1 내지 R5 는 각각 독립적으로 수소, 할로겐 원소, C1~C12의 전불소 혹은 부분 불소계 알킬기, C2~C12의 전불소 혹은 부분 불소계 알케닐기이고; G1는 수소, 알킬기 혹은 페닐기이며;
Where A 1 is
Figure 112006023035812-pat00015
,
Figure 112006023035812-pat00016
,
Figure 112006023035812-pat00017
,
Figure 112006023035812-pat00018
Or a halogen element; X 1 is a halogen element, a C1 to C12 all fluorine or partially fluorine alkyl group, C2 to C12 all fluorine or partially fluorine alkenyl group, or
Figure 112006023035812-pat00019
Wherein R 1 to R 5 are each independently hydrogen, a halogen element, a C1 to C12 all fluorine or partial fluorine-based alkyl group, C2 to C12 all fluorine or partially fluorine alkenyl group; G 1 is hydrogen, an alkyl group or a phenyl group;
B는 각각 독립적으로 -CD1D2-,
Figure 112006023035812-pat00020
, 혹은 이의 조합으로 표시되고; 이때 D1, D2 는 각각 독립적으로 수소, 할로겐 원소, 수산화기,
Figure 112006023035812-pat00021
, 혹은
Figure 112006023035812-pat00022
로 표시되며, m 은 1 내지 6 의 정수이고;
Each B is independently -CD 1 D 2- ,
Figure 112006023035812-pat00020
Or a combination thereof; Where D 1 , D 2 Are each independently hydrogen, halogen, hydroxyl,
Figure 112006023035812-pat00021
, or
Figure 112006023035812-pat00022
And m is an integer from 1 to 6;
E 는 직접결합(direct bond), -O-, -S-, -CO-, -SO2-, -C(CH3)2-, 또는 -C(CF3)2- 이고, R6 내지 R9 는 각각 독립적으로 수소, 할로겐 원소, C1~C12의 전불소 혹은 부분 불소계 알킬기, C2~C12의 전불소 혹은 부분 불소계 알케닐기이고; n 은 1 내지 24 의 정수이며;E is a direct bond, -O-, -S-, -CO-, -SO 2- , -C (CH 3 ) 2- , or -C (CF 3 ) 2- , R 6 to R 9 each independently represents hydrogen, a halogen element, a C1-C12 all-fluorine or partially fluorine-based alkyl group, and C2-C12 all-fluorine or partially fluorine-alkenyl group; n is an integer from 1 to 24; A2 는 각각 독립적으로
Figure 112006023035812-pat00023
,
Figure 112006023035812-pat00024
,
Figure 112006023035812-pat00025
,
Figure 112006023035812-pat00026
, 또는 할로겐 원소이고, X2은 할로겐 원소이고, G2는 수소, C1~C12 알킬기 혹은 페닐기임.
A 2 are each independently
Figure 112006023035812-pat00023
,
Figure 112006023035812-pat00024
,
Figure 112006023035812-pat00025
,
Figure 112006023035812-pat00026
Or a halogen element, X 2 is a halogen element, and G 2 is hydrogen, a C1-C12 alkyl group or a phenyl group.
제14항에 있어서, 불소화제의 농도는 0.02 mmol/L 내지 2 mol/L인 것이 특징인 제법. The method of claim 14, wherein the concentration of the fluorinating agent is from 0.02 mmol / L to 2 mol / L. 제16항에 있어서, Friedel-Crafts 반응의 촉매 농도는 사용되는 불소화제의 몰수대비 0.1 내지 10 의 화학적당량인 것이 특징인 제법. The method of claim 16, wherein the catalyst concentration of the Friedel-Crafts reaction is a chemical equivalent of 0.1 to 10 relative to the number of moles of the fluorinating agent used. 제16항에 있어서, Friedel-Crafts 반응 온도는 -80 ℃ 내지 250 ℃ 인 것이 특징인 제법. The method of claim 16, wherein the Friedel-Crafts reaction temperature is -80 ℃ to 250 ℃. 환원극(cathode); 산화극(anode); 상기 환원극과 산화극 사이에 개재된 제6항 및 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 표면 불소화 개질된 고분자 전해질막을 구비한 막-전극 접합체(MEA).Cathode; An anode; A membrane-electrode assembly (MEA) comprising the surface fluorinated modified polymer electrolyte membrane according to any one of claims 6 and 8 to 12 interposed between the cathode and the anode. 제23항의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly of claim 23.
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