KR100896339B1 - Proton-conducting polymer, polymer membrane comprising the polymer, method for maufacturing the same, and fuel cell using the same - Google Patents

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Abstract

유-무기 복합 양성자 전도성 고분자 막이 제공된다. An organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane is provided.

본 발명에 따른 고분자는 하기 식 1의 반복단위를 갖는 것을 특징으로 한다.The polymer according to the present invention is characterized by having a repeating unit of the following Formula 1.

Figure 112005070679503-pat00001
(1)
Figure 112005070679503-pat00001
(One)

본 발명에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막은 종래의 불소계 막보다 수분함습량이 높기때문에 높은 전류밀도에서도 과수분 현상이 적어서 전지의 효율을 향상시킬 수 있으며, 100℃ 이상의 고온에서도 연료전지가 안정하게 작동할 수 있게 함으로써 촉매의 피독현상을 방지하여, 연료전지의 수명을 연장시킬 수 있다.  Since the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to the present invention has a higher moisture content than a conventional fluorine-based membrane, there is less overmoisture phenomenon at high current densities, thereby improving the efficiency of the battery, and the fuel cell is stable even at a high temperature of 100 ° C. or higher. It is possible to prevent the poisoning of the catalyst by extending the life of the fuel cell.

폴리(불화 방향족 에테르), 연료전지 Poly (fluorinated aromatic ether), fuel cell

Description

유-무기 복합 양성자 전도성 고분자 막, 그 제조방법 및 그 고분자막을 채용한 연료전지{Proton-conducting polymer, polymer membrane comprising the polymer, method for maufacturing the same, and fuel cell using the same}Proton-conducting polymer, polymer membrane comprising the polymer, method for maufacturing the same, and fuel cell using the same}

도 1은 일반적인 수소 이온 교환막 연료전지의 구조를 나타낸다.1 shows the structure of a typical hydrogen ion exchange membrane fuel cell.

도 2는 실시예 1 및 비교예 2에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자막에 대한 Fenton 테스트의 결과를 나타내는 도면이다.2 is a view showing the results of the Fenton test for the proton conductive polymer film prepared by Example 1 and Comparative Example 2.

도 3은 비교예 2에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자의 구조가 분해되는 온도를 TGA를 이용하여 측정한 그래프이다.3 is a graph measuring the temperature at which the structure of the proton conductive polymer prepared in Comparative Example 2 is decomposed using TGA.

도 4는 실시예 1에 의해 제조된 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자의 구조가 분해되는 온도를 TGA를 이용하여 측정한 그래프이다.Figure 4 is a graph measuring the temperature at which the structure of the organic-inorganic composite proton conductive polymer prepared in Example 1 decomposes using TGA.

도 5(a)는 실시예 1에 의해 제조된 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막의 표면 SEM사진이다.Figure 5 (a) is a SEM image of the surface of the organic-inorganic composite proton conductive polymer film prepared in Example 1.

도 5(b)는 실시예 1에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막의 표면에 대한 EDAX Zr mapping 결과이다.FIG. 5 (b) shows the EDAX Zr mapping result for the surface of the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to Example 1. FIG.

도 5(C)는 실시예 1에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막의 표면에 대한 EDAX P mapping 결과이다. FIG. 5C is a result of EDAX P mapping on the surface of the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to Example 1. FIG.

도 5(d)는 실시예 1에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막의 단면 SEM사진이다.Figure 5 (d) is a cross-sectional SEM photograph of the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to Example 1.

도 5(e)는 실시예 1에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막의 단면에 대한 EDAX Zr mapping 결과이다.Figure 5 (e) is the EDAX Zr mapping results for the cross section of the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to Example 1.

도 5(f)는 실시예 1에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막의 표면에 대한 EDAX P mapping 결과이다.5 (f) shows the EDAX P mapping result of the surface of the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to Example 1. FIG.

도 6은 실시예 1에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자막에 대한 TEM 사진이다.6 is a TEM photograph of the proton conductive polymer membrane prepared in Example 1. FIG.

도 7은 실시예 1 및 비교예 2에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자막에 대한 X-선 회절실험 결과를 나타내는 도면이다.FIG. 7 is a diagram showing the results of X-ray diffraction experiments on the proton conductive polymer membranes prepared in Example 1 and Comparative Example 2. FIG.

도 8은 실시예 1 및 비교예 2에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자막에 대한 XPS(PHI1500 ESCA 시스템) 실험 결과를 나타내는 도면이다.8 is a view showing the XPS (PHI1500 ESCA system) experimental results for the proton conductive polymer membrane prepared in Example 1 and Comparative Example 2.

도 9는 실시예 1에 의해 제조된 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막에 대한 LSV(Linear Sweep Voltametry) 측정 결과이다.FIG. 9 is a result of linear sweep voltametry (LSV) measurement of the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane prepared in Example 1. FIG.

도 10(a)는 비교예 5에 의해 제조된 연료전지셀에 대한 전류밀도-전압 곡선을 나타내며 도 10(b)는 동일한 조건에서의 전류밀도-파워밀도 곡선을 나타낸다. 10 (a) shows a current density-voltage curve for the fuel cell manufactured by Comparative Example 5, and FIG. 10 (b) shows a current density-power density curve under the same conditions.

도 11(a)는 실시예 4에 의해 제조된 연료전지셀에 대한 전류밀도-전압 곡선을 나타내며 도 11(b)는 동일한 조건에서의 전류밀도-파워밀도 곡선을 나타낸다. FIG. 11A shows a current density-voltage curve for the fuel cell manufactured in Example 4, and FIG. 11B shows a current density-power density curve under the same conditions.

도 12는 실시예 4 및 비교예 4에 의해 제조된 연료전지셀에 대한 전류밀도-전압곡선을 나타낸다.FIG. 12 shows current density-voltage curves for the fuel cell manufactured by Example 4 and Comparative Example 4. FIG.

도 13은 실시예 4에 의해 제조된 연료전지셀에 대한 성능 테스트 결과이다.FIG. 13 is a performance test result for the fuel cell manufactured in Example 4. FIG.

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

11... 수소이온교환막 12... 애노드 촉매층11 hydrogen ion exchange membrane 12 anode catalyst layer

13... 캐소드 촉매층 14... 애노드 지지층13 ... cathode catalyst layer 14 ... anode support layer

15... 캐소드 지지층 16... 카본 플레이트15 ... cathode support layer 16 ... carbon plate

본 발명은 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 과수분(water flooding) 현상이 없고 고온특성이 우수하며 제조단가가 저렴한 양성자 전도성 고분자막, 그 제조방법 및 이를 채용한 연료전지에 관한 것이다. The present invention relates to an organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane, and more particularly, to a proton conductive polymer membrane having no water flooding phenomenon, excellent high temperature characteristics, and low manufacturing cost, a method of manufacturing the same, and a fuel cell employing the same. It is about.

최근, 환경문제, 에너지원의 고갈과 더불어 연료전지 자동차의 실용화와 더불어, 높은 에너지 효율을 가지며 상온에서 작동이 가능하면서도 신뢰성이 있는 고성능 연료전지의 개발이 절실히 요구되어 있다. 이에 연료전지의 효율을 증가시킬 수 있는 고분자막의 개발 또한 요구되고 있다. In recent years, along with environmental problems, exhaustion of energy sources, and the practical use of fuel cell vehicles, development of high-performance fuel cells with high energy efficiency and operation at room temperature and reliability are urgently required. Accordingly, there is also a demand for the development of polymer membranes that can increase the efficiency of fuel cells.

연료전지는 연료 가스와 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜 생기는 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 새로운 발전시스템으로 이는 고온(500 내지 700℃)에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 200℃ 근방에서 작동하는 인산전해질형 연료전지, 상온 내지 약 100℃ 이하에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지 및 고분자 전해질형 연료전지 등이 있다. The fuel cell is a new power generation system that converts the energy generated by the electrochemical reaction between fuel gas and oxidant gas directly into electrical energy. It is a molten carbonate electrolyte fuel cell operating at high temperature (500 to 700 ℃), and it operates near 200 ℃. Phosphate electrolyte fuel cells, alkaline electrolyte fuel cells operating at room temperature to about 100 ° C. or less, and polymer electrolyte fuel cells.

한편, 상기 고분자 전해질형 연료전지로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수소 이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC)과 액상의 메탄올을 직접 연료로 애노드에 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 등이 있다. 고분자 전해질형 연료전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 미래의 청정 에너지원으로서, 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높다. 또한, 상온에서 작동가능하고 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전시스템, 이동통신장비, 의료기기, 군사용 장비, 우주사업용 장비 등의 분야에 폭넓게 사용가능하다.On the other hand, the polymer electrolyte fuel cell is a direct methanol fuel cell using a hydrogen ion exchange membrane fuel cell (Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)) and liquid methanol directly supplied to the anode as a fuel ( Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). The polymer electrolyte fuel cell is a future clean energy source that can replace fossil energy, and has high power density and energy conversion efficiency. In addition, since it can operate at room temperature and can be miniaturized and sealed, it can be widely used in fields such as pollution-free automobiles, household power generation systems, mobile communication equipment, medical equipment, military equipment, and space business equipment.

PEMFC는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로부터 직류의 전기를 생산해내는 전력생성 시스템으로서, 이러한 셀의 기본적인 구조는 도 1에 도시된 바와 같다.PEMFC is a power generation system for producing direct current electricity from the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, the basic structure of such a cell is shown in FIG.

도 1을 참조하면, 연료전지는 애노드와 캐소드사이에 수소이온교환막(11)이 개재되어 있는 구조를 갖고 있다.Referring to FIG. 1, a fuel cell has a structure in which a hydrogen ion exchange membrane 11 is interposed between an anode and a cathode.

상기 수소이온교환막(11)은 두께가 50 내지 200㎛이며 고체 고분자 전해질로 되어 있고, 애노드와 캐소드는 각각 반응기체의 공급을 위한 지지층(14), (15)과 반응기체의 산화/환원반응이 일어나는 촉매층(12), (13)으로 되어 있는 가스확산전극(이하, 캐소드와 애노드를 통칭하여 가스 확산 전극"이라고 함)으로 이루어져 있다. 도 1에서 참고번호(16)는 가스 주입용 홈을 갖고 있는 카본 시트를 나타내며, 이는 집전체 기능도 수행한다. The hydrogen ion exchange membrane 11 has a thickness of 50 to 200 μm and is made of a solid polymer electrolyte, and the anode and the cathode are respectively supported by the support layers 14 and 15 for supplying the reactor, and the oxidation / reduction reaction of the reactor. It consists of a gas diffusion electrode (hereinafter referred to collectively referred to as a gas diffusion electrode ") of the catalyst layers 12, 13, which occur. Reference numeral 16 in Fig. 1 has a groove for gas injection. A carbon sheet, which also functions as a current collector.

전술한 바와 같은 구조를 갖는 PEMFC는 반응기체인 수소가 공급되면서 애노드에서는 산화반응이 일어나 수소 분자가 수소 이온과 전자로 전환된다. 이 때 수 소 이온은 수소이온교환막(11)을 거쳐 캐소드로 전달된다. 반면, 캐소드에서는 환원반응이 일어나 산소 분자가 전자를 받아 산소 이온으로 전환되며, 산소 이온은 애노드로부터의 수소 이온과 반응하여 물분자로 전환된다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, PEMFC의 가스 확산 전극에서 촉매층(12), (13)은 지지층(14), (15) 상부에 각각 형성되어 있다. 이 때 지지층(14), (15)은 탄소천 또는 탄소종이로 이루어져 있고, 반응기체와 수소이온교환막(11)에 전달되는 물 및 반응 결과 생성된 물이 통과하기 쉽도록 표면처리 되어 있다. PEMFC에서 상기 반응기체인 수소는 천연가스 또는 메탄올 등을 개질하여 얻을 수 있는데, 이러한 개질반응에서는 일산화탄소가 발생하며 애노드의 백금 촉매를 피독시켜서 셀 성능을 크게 저하시키는 문제점이 발생한다. 따라서, 이러한 일산화탄소에 대한 피독 저항력을 높이기 위해서는 100℃ 이상의 고온에서 셀 반응이 일어나도록 할 필요가 있다.In the PEMFC having the structure as described above, an oxidation reaction occurs at the anode while hydrogen, which is a reactive gas, is converted into hydrogen ions and electrons. At this time, the hydrogen ions are transferred to the cathode via the hydrogen ion exchange membrane (11). On the other hand, in the cathode, a reduction reaction occurs and oxygen molecules receive electrons and are converted into oxygen ions, and oxygen ions react with hydrogen ions from the anode to be converted into water molecules. As shown in FIG. 1, catalyst layers 12 and 13 are formed on support layers 14 and 15, respectively, in the gas diffusion electrode of PEMFC. At this time, the support layers (14) and (15) are made of carbon cloth or carbon paper, and are surface-treated to facilitate the passage of water and the water generated as a result of the reaction between the reactant and the hydrogen ion exchange membrane (11). In the PEMFC, hydrogen, which is a reactive gas, may be obtained by reforming natural gas or methanol. In this reforming reaction, carbon monoxide is generated, and poisoning of the platinum catalyst of the anode causes a problem of significantly deteriorating cell performance. Therefore, in order to increase the poisoning resistance to the carbon monoxide, it is necessary to allow the cell reaction to occur at a high temperature of 100 ° C or higher.

한편, PEMFC에서는 애노드와 캐소드 사이에 개재되는 수소이온교환막으로서 양성자 전도성 고분자막을 사용하는데, 이러한 고분자막으로 사용되는 고분자는 이온 전도도가 높으며, 전기 화학적인 안전성과 더불어 전도막으로서의 기계적 물성, 작동 온도에서의 열적안정성, 저항을 줄이기 위한 얇은 막으로서의 제조 가능성 및 액체 함유시 팽창 효과가 적을 것 등의 요건을 충족해야 한다. 현재, 일반적으로 주사슬에 불소화 알킬렌을 가지고 있고, 불소화비닐 에테르 측쇄사슬의 말단에 술폰산기를 가지는 과풀루오로설폰산 고분자(perfluorosulfonic acid polymer)막이 사용되고 있다(예: Nafion, Dupont사 제조). 그러나, 상기 불소계 막은 불소 치환 공정이 복잡하기 때문에 제조단가가 매우 높아서 자동차용 연료전지에 적용하기에 는 난점이 있으며, 수분의 함습량이 좋지 않기 때문에, 촉매의 피독을 방지하기 위해 100℃이상의 고온운전을 하는 경우에는 수분이 증발하여 이온전도도가 급격히 저하되고 전지의 운전이 정지되며, 100℃이하의 온도이하에서 작동되는 경우에도, 높은 전류밀도에서는 캐소드 측에서 과수분(water flooding) 현상이 발생하여 전극의 유효면적이 급감하고 전지의 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.        On the other hand, PEMFC uses a proton conductive polymer membrane as a hydrogen ion exchange membrane interposed between the anode and the cathode. The polymer used as the polymer membrane has high ionic conductivity, electrochemical safety, mechanical properties as a conductive membrane, and operating temperature. The requirements must be met, such as thermal stability, manufacturability as a thin film to reduce resistance, and low expansion effect when containing liquid. Currently, a perfluorosulfonic acid polymer membrane having a fluorinated alkylene in the main chain and a sulfonic acid group at the terminal of the fluorinated vinyl ether side chain is used (for example, manufactured by Nafion, Dupont). However, the fluorine-based membrane has a high manufacturing cost due to the complicated fluorine substitution process, and thus is difficult to apply to a fuel cell for automobiles. Since moisture content is not good, a high temperature of 100 ° C. or more is required to prevent poisoning of the catalyst. In operation, moisture evaporates, the ion conductivity drops sharply, the operation of the battery is stopped, and even when operated at temperatures below 100 ° C, water flooding occurs at the cathode at high current densities. Therefore, there is a problem that the effective area of the electrode is drastically reduced and the efficiency of the battery is lowered.

한편, 대한민국 공개특허공보 제2004-94612호에는 폴리아릴렌이써 계열의 양성자 전도성 고분자가 개시되어 있으나, 함습량이 너무 크기 때문에 기계적 물성이 열악해지고, 전지의 작동시 상기 고분자의 팽창이 과다하여 전극과의 계면접촉효율이 떨어지며, 전지의 수명이 짧아질 우려가 있다.On the other hand, the Republic of Korea Patent Publication No. 2004-94612 discloses a proton conductive polymer of the polyarylene ether series, but because the moisture content is too large, the mechanical properties are poor, the expansion of the polymer when the operation of the battery is excessive The interfacial contact efficiency with the electrode is reduced, and there is a fear that the life of the battery is shortened.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 수분의 함습량이 적절하여 기계적 물성이 우수하면서도, 고온에서의 이온전도도가 우수하여, 촉매 피독현상을 감소시킬 수 있는 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막을 제공하는 것이다.Accordingly, the first technical problem to be achieved by the present invention is an organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane which can reduce catalyst poisoning due to excellent moisture properties and excellent ionic conductivity at high temperature. To provide.

본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막의 제조방법을 제공하는 것이다.The second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for producing the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane.

본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 상기 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.The third technical problem to be achieved by the present invention is to provide a fuel cell comprising the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane.

상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은In order to achieve the first technical problem the present invention

하기 화학식 1의 반복단위를 갖는 양성자 전도성 고분자를 제공한다.It provides a proton conductive polymer having a repeating unit of the formula (1).

Figure 112005070679503-pat00002
Figure 112005070679503-pat00002

(상기 식에서 n은 100∼100,000의 정수이며, m, m', l, l'는 0 또는 1의 정수이고, m 및 m'와 l 및 l'는 동시에 0은 아니며, l 또는 l'이 0인 경우에는 ZrP 대신 수소원자가 결합되고, ZrP는 지르코늄 포스페이트 수화물임)Wherein n is an integer of 100 to 100,000, m, m ', l, l' is an integer of 0 or 1, m and m 'and l and l' are not 0 at the same time, and l or l 'is 0 Is a hydrogen atom instead of ZrP, and ZrP is zirconium phosphate hydrate)

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 고분자의 수평균분자량이 5,000∼1,000,000일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the number average molecular weight of the polymer may be 5,000 to 1,000,000.

또한 상기 고분자의 당량무게는 250∼2,500인 것이 바람직하다.In addition, the equivalent weight of the polymer is preferably 250 to 2,500.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 상기 양성자 전도성 고분자 중 지르코늄 포스페이트의 함유량은 10∼25중량%일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the content of zirconium phosphate in the proton conductive polymer may be 10 to 25% by weight.

본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여       The present invention to achieve the second technical problem

(a) 데카플루오로비페닐과 4,4'-(헥사플루오로이소프로필리덴)디페놀을 유기용매에 용해시키고 포타슘 카보네이트(K2CO3)를 첨가한 후 교반하며 가열하는 단계; (a) dissolving decafluorobiphenyl and 4,4 '-(hexafluoroisopropylidene) diphenol in an organic solvent, adding potassium carbonate (K 2 CO 3 ), followed by stirring and heating;

(b) 상기 용액을 냉각시킨 후 아세트산 수용액에 부어 고분자를 침전시키는 단계; (b) cooling the solution and pouring it into an aqueous acetic acid solution to precipitate the polymer;

(c) 상기에서 얻어진 고분자를 비양성자성 유기용매에 용해시킨 다음 강산기 부여제를 적가하며 술폰화하는 단계;(c) dissolving the polymer obtained above in an aprotic organic solvent and then sulfonating with addition of a strong acid-giving agent;

(d) 상기 고분자를 아세톤에 용해시켜 막을 형성하는 단계; 및(d) dissolving the polymer in acetone to form a film; And

(e) 상기 고분자막을 염화지르코늄 용액에 침지시킨 다음, 다시 인산용액에 침지시키는 단계를 포함하는 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자 막의 제조방법을 제공한다.(e) immersing the polymer membrane in a zirconium chloride solution, and then again immersing in a phosphate solution provides a method for producing an organic-inorganic complex proton conductive polymer membrane.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 비양성자성 유기용매는 클로로포름 또는 1,1,2,2-테트라클로로에탄일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the aprotic organic solvent may be chloroform or 1,1,2,2-tetrachloroethane.

또한, 상기 강산기 부여제는 클로로술폰산(chlorosulfonic acid), 아세틸술포네이트(acetyl sulfonate) 또는 발연황산(fuming H2SO4)일 수 있다.In addition, the strong acid-giving agent may be chlorosulfonic acid (chlorosulfonic acid), acetyl sulfonate (acetyl sulfonate) or fuming sulfuric acid (fuming H 2 SO 4 ).

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 술폰화단계는 반응시간 및 강산기 부여제의 양을 조절함으로써 술폰화도(Degree of sulfonation)를 조절할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the sulfonation step may adjust the degree of sulfonation (Degree of sulfonation) by controlling the reaction time and the amount of the strong acid-giving agent.

상기 술폰화단계의 반응시간은 1시간∼2시간인 것이 바람직하다. The reaction time of the sulfonation step is preferably 1 hour to 2 hours.

또한, 상기 술폰화단계에서 양성자 전도성 고분자와 강산기 부여제의 몰비는 1:10∼1:30인 것이 바람직하다.In addition, the molar ratio of the proton conductive polymer and the strong acid-giving agent in the sulfonation step is preferably 1:10 to 1:30.

본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여, 상기 양성자 전도성 고분자막을 채용하여 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다. The present invention provides a fuel cell, characterized in that produced by employing the proton conductive polymer membrane in order to achieve the third technical problem.

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

본 발명에 의한 양성자 전도성 고분자 막에 사용되는 베이스 폴리머는 아릴 할라이드와 디페놀 유도체의 친핵성 치환반응에 의해 제조된 폴리(불화 방향족 에테르) (poly(fluorinated aromatic ether):PFAE) 고분자 사슬에 술폰산기가 부착되어 있으며, 상기 술폰산의 산소원자와 지르코늄 포스페이트의 Zr원자 사이에 화학결합이 형성되어 있는 구조이다. 상기 베이스 폴리머에서 고분자 주쇄는 열적 및 화학적으로 안정하고 적절한 함습시에는 기계적 강도를 유지할 수 있지만, 술폰산기의 영향으로 인해, 물을 과도하게 함습하는 때에는 기계적 강도가 열화될 염려가 있다. 따라서, 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자 막은 상기 술폰산기의 산소원자와 지르코늄 포스페이트의 지르코늄 원자간에 화학결합을 형성시키는 것에 의해 상기 함습량을 줄일 수 있음에도, 친수성 무기물인 상기 지르코늄 포스페이트의 역할로 인해 이온전도성은 오히려 향상시킬 수 있다는 것을 특징으로 한다. 상기 지르코늄 포스페이트는 무기 필러로서의 역할 뿐만 아니라, 후술하는 바와 같이 가교제로서의 역할을 하여, 베이스 폴리머를 가교시킴으로써 기계적 물성을 향상시키는 역할을 한다.The base polymer used in the proton conductive polymer membrane according to the present invention has a sulfonic acid group in a poly (fluorinated aromatic ether) polymer chain prepared by nucleophilic substitution reaction of an aryl halide and a diphenol derivative. It is attached and a chemical bond is formed between the oxygen atom of sulfonic acid and the Zr atom of zirconium phosphate. In the base polymer, the polymer backbone is thermally and chemically stable, and maintains mechanical strength when appropriately moisturized. However, due to the influence of sulfonic acid groups, there is a concern that the mechanical strength deteriorates when the water is excessively moistened. Accordingly, although the proton conductive polymer membrane according to the present invention can reduce the moisture content by forming a chemical bond between the oxygen atom of the sulfonic acid group and the zirconium atom of zirconium phosphate, it is ion conductive due to the role of the zirconium phosphate as a hydrophilic inorganic substance. Rather, it can be improved. The zirconium phosphate not only serves as an inorganic filler, but also serves as a crosslinking agent as described below, and serves to improve mechanical properties by crosslinking the base polymer.

특히 본 발명에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막은 지르코늄 포스페이트에 존재하는 지르코늄 원자들과 고분자의 주쇄에 존재하는 술폰산기들이 반응함으로써 가교결합을 형성하게 되어, 수분 흡수 및 고온에서도 기계적 물성이 매우 우수하다는 장점이 있다.In particular, the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to the present invention forms crosslinks by reacting zirconium atoms present in zirconium phosphate with sulfonic acid groups present in the main chain of the polymer, and thus excellent in water absorption and high temperature mechanical properties. Has the advantage.

또한, 본 발명에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막은 함습량이 줄어들기 때문에 지르코늄 포스페이트를 사용하지 않은 순수한 베이스 폴리머 자체보다 부피팽창이 줄어들게 되며, 상기 지르코늄 포스페이트가 무기 필러로서의 역할 을 하기 때문에 기계적 강도 역시 증가하게 된다. In addition, the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to the present invention has a reduced moisture content, thereby reducing volume expansion than the pure base polymer without using zirconium phosphate, and mechanical strength since the zirconium phosphate plays a role as an inorganic filler. It will also increase.

한편, 술폰산기 및 지르코늄 포스페이트는 양성자가 이동할 수 있도록 하는 역할을 한다. 즉, 양성자는 술폰산기에 의하여 전도되며 물에 의하여 그 전도도가 더욱 증가되는데, 이러한 양성자 전도는 상당부분 그로투스 메커니즘(Grotthuss mechanism)에 의해 일어나게 된다. 상기 메커니즘은 양성자가 H3O+이온 형태로, 이웃하는 물분자의 비공유전자쌍으로 점프하게 되는데, 지르코늄 포스페이트가 존재하는 경우에는 이러한 양성자 전도에 필요한 활성화 에너지가 감소하여 이온전도도가 증가하는 것으로 판단된다.On the other hand, sulfonic acid groups and zirconium phosphate serves to allow the proton to move. That is, protons are conducted by sulfonic acid groups, and their conductivity is further increased by water, and this proton conduction is largely caused by the Grotusus mechanism. The mechanism causes protons to jump to non-covalent electron pairs of neighboring water molecules in the form of H 3 O + ions. .

상기 지르코늄 포스페이트는 친수성 무기물로서, 수분 존재하에서는 지르코늄 포스페이트 수화물로 존재하며, 층간격 약 0.76nm의 층상구조를 가지는데, 유기 고분자와의 상용성이 우수하며, 수소이온의 전도도가 높을 뿐만 아니라 물분자와의 수소결합이 강하기 때문에 100℃ 이상의 고온에서도 함습량을 유지시킬 수 있다.The zirconium phosphate is a hydrophilic inorganic material, present in the presence of zirconium phosphate hydrate in the presence of water, has a layered structure of about 0.76nm interval layer, excellent compatibility with organic polymers, high conductivity of hydrogen ions as well as water molecules Since the hydrogen bond with is strong, the moisture content can be maintained even at a high temperature of 100 ° C or higher.

상기 지르코늄 포스페이트의 함량은 전체 양성자 전도성 고분자의 10∼25중량%인 것이 바람직한데, 상기 함량이 10중량% 미만인 때에는 그 첨가 효과가 부족하고, 25중량%를 초과하는 때에는 고분자 막의 취성이 열악해지기 때문에 바람직하지 않다.The content of the zirconium phosphate is preferably 10 to 25% by weight of the total proton conductive polymer, but when the content is less than 10% by weight, the addition effect thereof is insufficient, and when the content exceeds 25% by weight, the brittleness of the polymer membrane becomes poor. Because it is not desirable.

상기 베이스 폴리머 반복단위의 n값은 100∼10,000인 것이 바람직하며 수평균분자량은 5,000∼1,000,000인 것이 바람직한데, 수평균 분자량이 5,000미만인 때에는 베이스 폴리머의 물성이 열악하고, 1,000,000을 초과하는 때에는 용매에 용해 시키기 어렵기 때문에 고분자 막 캐스팅이 곤란하여 바람직하지 않다. The n value of the base polymer repeating unit is preferably 100 to 10,000, and the number average molecular weight is preferably 5,000 to 1,000,000. When the number average molecular weight is less than 5,000, the physical properties of the base polymer are poor. Since it is difficult to dissolve, casting of a polymer film is difficult and undesirable.

한편, 본 명세서에서 당량무게(equivalent weght)란 고분자 내의 술폰화 정도를 나타내는 수치로서, 술폰기 1 당량이 치환되어 있는 고분자의 평균 분자량을 의미한다. 따라서, 이 값이 작을수록 술폰화는 많이 된 것이다. 상기 당량무게의 계산은 고분자의 건조무게를 술폰기의 농도로 나누는 것(g/eq)에 의해 구할 수 있으며, 상기 술폰기의 농도는 상기 고분자를 0.1N의 수산화나트륨 용액에 12시간 동안 침지시킨 후에 페놀프탈레인을 지시약으로 사용하며 0.1N의 염산으로 적정하여 구할 수 있다. 상기 당량무게는 250∼2,500인 것이 바람직하고 더욱 바람직하게는 400∼1,200인데, 만일 당량무게가 250 미만인 경우에는 고분자막의 형성이 어렵고, 당량무게가 2,500을 초과하는 경우에는 이온 전도성 확보가 어렵게 되므로 바람직하지 못하다. 한편, 상기 당량무게와 수소이온교환용량(Ion Exchange Capacity)는 IEC=1/EW x 1000의 관계가 있으므로, 본 발명에 사용되는 양성자 전도성 고분자 막의 IEC는 0.4 내지 4이며, 바람직하게는 0.8 내지 2.5이다.In the present specification, the equivalent weight is a numerical value representing the degree of sulfonation in the polymer, and means the average molecular weight of the polymer in which one equivalent of the sulfone group is substituted. Therefore, the smaller this value, the more sulfonated. The equivalent weight can be calculated by dividing the dry weight of the polymer by the concentration of sulfone groups (g / eq), and the concentration of the sulfone groups is obtained by immersing the polymer in 0.1 N sodium hydroxide solution for 12 hours. After using phenolphthalein as indicator, it can be obtained by titration with 0.1 N hydrochloric acid. The equivalent weight is preferably 250 to 2,500, and more preferably 400 to 1,200. If the equivalent weight is less than 250, it is difficult to form a polymer membrane, and if the equivalent weight is more than 2,500, it is difficult to secure ion conductivity. I can't. On the other hand, since the equivalent weight and the ion exchange capacity (Ion Exchange Capacity) has a relationship of IEC = 1 / EW x 1000, the IEC of the proton conductive polymer membrane used in the present invention is 0.4 to 4, preferably 0.8 to 2.5 to be.

상기 양성자 전도성 고분자를 캐스팅하여 제조된 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자 막은 베이스 폴리머에 대한 술폰화 단계가 매우 용이하기 때문에 제조단가가 저렴하고 대량생산이 가능하며, 지르코늄 포스페이트를 더 포함함으로써 함습량과 이온전도성을 조절하여, 기계적인 물성과 이온전도성을 최적으로 설정할 수 있다는 장점이 있다. 통상적인 양성자 전도성 고분자에 지르코늄 포스페이트를 혼입하는 경우에는 상기 지르코늄 포스페이트의 역할로 인해 함습량이 증가하게 되지만, 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자에서는 상기 지르코늄 포스페이트를 혼입 함에 따라 함습량이 오히려 감소하게 되는 결과를 낳는다. 그 이유는 베이스 폴리머에 존재하는 술폰산기의 산소원자와 지르코늄 포스페이트의 지르코늄 원자간에 화학결합이 형성되는 것에 의해 산소원자의 비공유 전자쌍과 H3O+이온간의 상호작용을 할 수 있는 영역이 줄어들기 때문이다. 따라서, 본발명에 따른 양성자 전도성 고분자의 주쇄 근처에 물분자가 존재하는 영역이 줄어들게 되고 그에 따라 상기 고분자의 기계적 물성이 향상되게 된다. 정리하면, 본 발명에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막은 지르코늄 포스페이트와 술폰산기의 산소원자 간에 화학결합을 형성시키는 것에 의해 가교결합이 형성됨과 더불어, 함습량을 감소시켜 기계적 물성을 향상시키면서도, 친수성 무기물인 상기 지르코늄 포스페이트의 역할로 인해 이온전도성 역시 향상시킬 수 있다.Proton conductive polymer membrane prepared by casting the proton conductive polymer according to the present invention is very easy to sulfonate the base polymer, the production cost is low and mass production is possible, by further containing zirconium phosphate moisture content and ions By controlling the conductivity, there is an advantage that the mechanical properties and the ion conductivity can be optimally set. In the case of incorporating zirconium phosphate into a conventional proton conductive polymer, the moisture content is increased due to the role of the zirconium phosphate, but in the proton conductive polymer according to the present invention, the moisture content is rather reduced as the zirconium phosphate is incorporated. Lays. The reason for this is that chemical bonds are formed between the oxygen atom of the sulfonic acid group and the zirconium atom of zirconium phosphate in the base polymer, thereby reducing the area for interaction between the unshared electron pair of the oxygen atom and the H 3 O + ion. to be. Therefore, the area in which water molecules exist near the main chain of the proton conductive polymer according to the present invention is reduced, thereby improving the mechanical properties of the polymer. In summary, the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to the present invention forms a crosslink by forming a chemical bond between the zirconium phosphate and the oxygen atom of the sulfonic acid group, while reducing the moisture content and improving the hydrophilic property. Due to the role of the zirconium phosphate as an inorganic material, the ion conductivity may also be improved.

상기 고분자막을 이루는 베이스 폴리머의 특성상 다른 고분자와 블렌딩하거나 기타 유무기 첨가물을 첨가함으로써 물성의 조절이 용이하기 때문에, 응용범위가 넓다는 것도 장점이 된다. 본 발명에 따른 고분자와 블렌딩을 할 수 있는 고분자의 예로써는, 폴리우레탄, 폴리에테르이미드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르-에테르케톤, 폴리우레아, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리에테르-에테르설폰, 폴리페닐렌설폰, 폴리아라미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리(비스벤즈옥사졸-1,4-페닐렌), 폴리(비스벤조(비스-티아졸)-1,4-페닐렌), 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리파라페닐렌, 폴리트리플루오로스티렌 설폰산, 폴리비닐포스폰산 또는 폴리스티렌설폰산 등이 있다.Due to the characteristics of the base polymer constituting the polymer film, it is advantageous to blend the other polymers or to add other organic and inorganic additives to easily control the physical properties, so that the application range is wide. Examples of the polymer that can be blended with the polymer according to the present invention include polyurethane, polyetherimide, polyetherketone, polyether-ketone, polyurea, polypropylene, polystyrene, polysulfone, polyethersulfone, polyether Ethersulfone, polyphenylenesulfone, polyaramid, polybenzimidazole, poly (bisbenzoxazole-1,4-phenylene), poly (bisbenzo (bis-thiazole) -1,4-phenylene) , Polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyparaphenylene, polytrifluorostyrene sulfonic acid, polyvinylphosphonic acid or polystyrene sulfonic acid.

본 발명의 일실시예에 따른 양성자 전도성 고분자의 제조방법은 이하와 같다.Method for producing a proton conductive polymer according to an embodiment of the present invention is as follows.

우선 하기 반응식 1과 같이 데카플루오로비페닐과 4,4'-(헥사플루오로이소프로필리덴)디페놀을 첨가-제거 (addition-elimination) 반응에 의하여 중합시켜 폴리(불화 방향족 에테르)를 얻는다.First, decafluorobiphenyl and 4,4 '-(hexafluoroisopropylidene) diphenol are polymerized by an addition-elimination reaction as in Scheme 1 below to obtain a poly (fluorinated aromatic ether).

Figure 112005070679503-pat00003
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상기 포타슘 카보네이트는 과량으로 사용하며 염기로써 작용하게 된다. 우선 데카플루오로 비페닐에 결합되어 있는 불소원자 때문에 벤젠고리가 활성화되어 첨가반응이 일어날 수 있으며, 다음 단계에서 불소원자의 제거반응이 일어난다. The potassium carbonate is used in excess and acts as a base. First, the benzene ring may be activated due to the fluorine atom bonded to the decafluoro biphenyl, and the addition reaction may occur. In the next step, the removal reaction of the fluorine atom occurs.

다음으로, 하기 반응식 2와 같이 상기 매트릭스 고분자에 강산기 부여제를 첨가하여 술폰화된 고분자를 얻을 수 있다.Next, the sulfonated polymer may be obtained by adding a strong acid-giving agent to the matrix polymer as in Scheme 2 below.

Figure 112005070679503-pat00004
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상기 폴리(불화 방향족 에테르)는 소수성이므로 이를 용해시키기 위해서는 비양성자성 용매인 클로로포름 또는 1,1,2,2-테트라클로로에탄을 용매로서 사용한다. 강산기 부여제는 고분자 주쇄사슬의 방향족 화합물에 결합하여 산기를 부여하는 역할을 하여, 결과적으로는 최종적인 고분자막에 이온전도성을 부여한다. 상기 강산기 부여제로는 클로로술폰산(chlorosulfonic acid), 아세틸술포네이트 (acetyl sulfonate) 또는 발연황산(fuming H2SO4) 등을 사용할 수 있으며, 술폰화 반응은 방향족 화합물의 활성된 반응자리에 SO3H가 친핵성 치환반응으로 치환되어 이루어진다. 상기 친핵성 치환반응이 일어나는 자리는 페닐 링(phenyl ring)에 붙어있는 치환체의 종류에 영향을 받는다. 치환체가 페닐 에테르와 이소 프로필 그룹인 경우에는 이들이 전자주게(electron donating group)이기 때문에 페닐 링의의 오르소와 파라 위치를 활성화 시키는 반면, 헥사플루오로기가 치환된 이소프로필기의 경우에는 전자끌게(electron withdrawing group)이므로 페닐링의 메타 위치를 활성화시킨다. 따라서, 전자의 경우에는 동일한 술폰화 조건하에서 술폰화가 더 많이 되는 경향이 있으며, 이에 따라 고분자 주쇄의 주변에 함습량이 과도하게 되는 반면, 후자의 경우에는 술폰화가 덜 용이하기 때문에 술폰화 시간 및 반응조건에 따라 술폰화도를 적절히 조절할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 4,4'-이소프로필리덴 디페놀을 사용하여 제조된 폴리(불화 방향족 에테르)의 경우와 달리, 4,4'-(헥사플루오로이소프로필리덴)디페놀을 사용하여 제조된 폴리(불화 방향족 에테르)의 경우에는 플루오로기가 많기 때문에, 막전극어셈블리의 제조시 통상적으로 전극과 양성자 전도성고분자의 계면에 사용하는 나피온과의 상용성이 좋으며, 따라서, 계면특성이 우수해진다는 장점이 있다. Since the poly (fluorinated aromatic ether) is hydrophobic, an aprotic solvent, chloroform or 1,1,2,2-tetrachloroethane, is used as a solvent to dissolve it. The strong acid group imparting agent binds to the aromatic compound of the polymer main chain and imparts an acid group, and consequently, imparts ionic conductivity to the final polymer membrane. As the strong acid-giving agent, chlorosulfonic acid, acetyl sulfonate, fuming H 2 SO 4 , etc. may be used, and the sulfonation reaction may be performed using SO 3 in the active site of the aromatic compound. H is substituted by a nucleophilic substitution reaction. The site of the nucleophilic substitution reaction is affected by the kind of substituents attached to the phenyl ring. If the substituents are phenyl ethers and isopropyl groups, they are electron donating groups, which activates the ortho and para positions of the phenyl ring, while in the case of isopropyl groups substituted with hexafluoro groups, electron withdrawing group), thus activating the meta position of the phenyl ring. Therefore, the former tends to have more sulfonation under the same sulfonation conditions, so that the moisture content in the vicinity of the polymer backbone is excessive, while in the latter, sulfonation time and reaction are less easy. There is an advantage that the degree of sulfonation can be properly adjusted according to the conditions. Also, unlike the case of poly (fluorinated aromatic ether) prepared using 4,4'-isopropylidene diphenol, poly (manufactured using 4,4 '-(hexafluoroisopropylidene) diphenol) In the case of fluorinated aromatic ethers), since there are many fluoro groups, the compatibility between the electrode and Nafion, which is usually used at the interface between the electrode and the proton conductive polymer, is good in the preparation of the membrane electrode assembly, and thus, the interface property is excellent. have.

또한, 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자 막은 헥사플루오로 이소프로필렌기가 고분자의 주쇄에 존재하기 때문에 주쇄 부분의 소수성을 적절히 유지함으로써, 함습량이 과도하지 않도록 하고, 주쇄의 분해를 억제시킬 수 있다.Further, in the proton conductive polymer membrane according to the present invention, since the hexafluoro isopropylene group is present in the main chain of the polymer, by maintaining the hydrophobicity of the main chain portion appropriately, the moisture content is not excessive and the decomposition of the main chain can be suppressed.

한편, 나피온의 경우에는 술폰화 공정이 매우 복잡하며 제조비용이 고가인데 반하여 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자막은 술폰화 단계가 매우 간단하기 때문에 제조단가가 절감되며 대량생산이 용이하다는 장점이 있다.On the other hand, in the case of Nafion, the sulfonation process is very complicated and the manufacturing cost is high, whereas the proton conductive polymer membrane according to the present invention has the advantage that the manufacturing cost is reduced and mass production is easy because the sulfonation step is very simple.

상기 술폰화 단계에서 술폰화도(Degree of Sulponation)는 반응시간, 강산기 부여제의 농도, 반응 고분자의 농도, 반응온도 또는 용매 등에 의해서 변화시킬 수 있으며, 본 발명에서는 반응시간과 강산기 부여제의 농도를 변화시키는 것에 의해 술폰화도를 조절하였다. 술폰화도가 증가할수록 고분자의 함습량이 증가하기 때문에 이온교환용량(Ion Exchange Capacity:IEC)도 증가하지만 고분자가 물을 과도하게 함습하는 때에는 고분자 사슬의 붕괴 위험이 있기 때문에 바람직하지 않다. 상기 이온교환용량은 앞서 언급한 당량무게의 역수와 비례한다.In the sulfonation step, the degree of sulfonation may be changed by reaction time, concentration of a strong acid imparting agent, concentration of a reaction polymer, reaction temperature or solvent, and the like in the present invention. The sulfonation degree was adjusted by changing the concentration. As the degree of sulfonation increases, the ion-exchange capacity (IEC) increases because the moisture content of the polymer increases, but it is not preferable because the polymer chain is excessively moistened due to the risk of collapse of the polymer chain. The ion exchange capacity is proportional to the inverse of the aforementioned equivalent weight.

상기 술폰화 단계의 반응시간은 1시간∼2시간인 것이 바람직한데, 1시간 미만이면 술폰화가 충분하지 않기 때문에 이온전도도가 부족하고 2시간을 초과하는 때에는 공정효율이 떨어지기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 상기 고분자와 발연황산의 몰비는 1:10∼1:30인 것이 바람직한데, 1:10 미만인 때에는 술폰화도가 충분하지 않기 때문에 이온전도도가 높지 않고, 1:30을 초과하는 때에는 고분자의 물성이 열악해질 염려가 있기 때문에 바람직하지 않다.It is preferable that the reaction time of the sulfonation step is 1 hour to 2 hours. If the sulfonation is less than 1 hour, the ionization is insufficient because the sulfonation is insufficient, and the process efficiency is lowered when the reaction time exceeds 2 hours. On the other hand, the molar ratio of the polymer and fuming sulfuric acid is preferably from 1:10 to 1:30. When the molecular weight is less than 1:10, since the sulfonation degree is not sufficient, the ionic conductivity is not high. It is not preferable because there is a risk of becoming poor.

상기에서 제조된 양성자 전도성 고분자막(베이스 폴리머막)에 지르코늄 포스페이트를 반응시키는 단계는 상기 고분자막을 0.5∼2M의 염화지르코늄 용액에 침지시킨 다음, 다시 0.5∼2M의 인산용액에 침지시키는 단계에 의해 수행된다. 상기 지르코늄 포스페이트를 반응시키는 단계에서 반응량은 상기 염화지르코늄 용액 및 인산용액의 농도, 반응시간 및 반응온도에 의해 조절 가능하다. The step of reacting zirconium phosphate on the proton conductive polymer membrane (base polymer membrane) prepared above is performed by immersing the polymer membrane in 0.5-2 M zirconium chloride solution and then immersing in 0.5-2 M phosphate solution. . The reaction amount in the step of reacting the zirconium phosphate can be controlled by the concentration of the zirconium chloride solution and phosphate solution, the reaction time and the reaction temperature.

상기 염화지르코늄 용액 및 인산용액의 농도는 특별히 제한되는 것은 아니며, 농도가 높을수록 반응이 용이하게 진행된다. The concentration of the zirconium chloride solution and the phosphoric acid solution is not particularly limited, the higher the concentration, the easier the reaction proceeds.

한편, 상기 염화지르코늄 용액 및 인산용액에 상기 고분자막을 침지시키는 시간은 각각 4∼10시간인 것이 바람직한데, 반응시간이 4시간 미만인 때에는 술폰산기와 결합하는 지르코늄 포스페이트의 양이 너무 적고, 10시간을 초과하는 때에 는 공정효율에 바람직하지 않다. 본 발명에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막에 함유된 지르코늄 포스페이트의 함량은 상기 반응시간과 비례하는 경향이 있다.On the other hand, the time for immersing the polymer membrane in the zirconium chloride solution and the phosphate solution is preferably 4 to 10 hours, respectively, when the reaction time is less than 4 hours, the amount of zirconium phosphate to combine with sulfonic acid groups is too small, more than 10 hours In this case, the process efficiency is not preferable. The content of zirconium phosphate contained in the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to the present invention tends to be proportional to the reaction time.

또한, 반응온도 역시 상기 지르코늄 포스페이트의 함량에 영향을 미치는 변수인데, 염화지르코늄용액에 침지시키는 단계의 반응온도는 20∼50℃인 것이 바람직하고, 인산용액에 침지시키는 단계의 반응온도는 20∼80℃인 것이 바람직하다. 상기 반응온도가 20℃ 미만인 때에는 반응이 제대로 진행되지 않고, 염화지르코늄용액에 침지시키는 경우에 반응온도가 50℃를 초과하는 때에는 고분자막의 기계적 물성이 열악해질 염려가 있다. 한편, 인산용액에 침지시키는 경우에는 반응온도가 80℃까지라도 무방한데, 이는 상기 고분자 내에 지르코늄이 무기 필러로 작용함으로써 기계적 물성이 향상되었기 때문이다. In addition, the reaction temperature is also a variable that affects the content of the zirconium phosphate, the reaction temperature of the step of dipping in a zirconium chloride solution is preferably 20 to 50 ℃, the reaction temperature of the step of dipping in a phosphoric acid solution is 20 to 80 It is preferable that it is ° C. When the reaction temperature is less than 20 ℃, the reaction does not proceed properly, when immersed in the zirconium chloride solution, when the reaction temperature exceeds 50 ℃ there is a possibility that the mechanical properties of the polymer membrane is poor. On the other hand, when immersed in a phosphoric acid solution, the reaction temperature may be up to 80 ° C., because the mechanical properties of zirconium act as an inorganic filler in the polymer.

본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자막에서 지르코늄 포스페이트는 단순히 균일하게 혼입되어 있는 상태가 아니라, 이미 형성되어 있는 고분자막을 염화지르코늄 용액 및 인산용액에 차례로 침지시키는 것에 의해 상기 고분자막의 주쇄에 존재하는 술폰산기의 산소원자와 지르코늄 원자간에 화학적 결합이 형성되도록 함으로써 상기 고분자막 내에서 가교제로서의 역할을 하여 영구적으로 존재하게 된다. 따라서, 전지의 작동시에도 상기 지르코늄 포스페이트가 상기 고분자막에서 용출될 우려가 없다.In the proton conductive polymer membrane according to the present invention, the zirconium phosphate is not simply uniformly mixed, but the oxygen of the sulfonic acid group present in the main chain of the polymer membrane is sequentially immersed in the zirconium chloride solution and the phosphate solution. By allowing chemical bonds to be formed between atoms and zirconium atoms, they serve as a crosslinking agent in the polymer membrane and are present permanently. Therefore, there is no fear that the zirconium phosphate will elute from the polymer membrane even during operation of the battery.

본 발명에 따른 연료전지는 상기에서 제조된 양성자 전도성 고분자 막을 캐소드와 애노드 사이에 위치시켜 단일셀을 형성하는 통상의 제조방법으로 제조가능 하다. The fuel cell according to the present invention can be manufactured by a conventional manufacturing method of forming a single cell by placing the proton conductive polymer membrane prepared above between the cathode and the anode.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하나, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited thereto.

실시예 1Example 1

1-(1) 1- (1) 폴리(불화 방향족 에테르)의Of poly (fluorinated aromatic ethers) 제조 Produce

질소가 흐르는 3구 둥근 바닥 플라스크에 데카플로오로비페닐(Aldrich사 제조) 17.05g, 4,4-(헥사플루오로이소프로필리덴)디페놀(Aldrich사 제조) 17.16g 및 무수 N,N-디메틸아세트아미드 (Aldrich사 제조) 350mL를 넣고 교반하여 투명한 용액을 얻었다. 다음으로, 포타슘 카보네이트(Junsei 화학 제조)를 과량으로 첨가한 다음, 상기 혼합용액의 온도를 120℃까지 높이고 2시간동안 반응시켰다. 반응 후 상기 용액을 1% 아세트산 수용액에 넣어 백색 침전물을 얻었으며, 상기에서 얻어진 침전물을 증류수로 수회 세척한 다음 진공오븐에서 24시간 동안 건조시켜 백색 고분자 분말(Base Polymer: BP)을 얻었다. 17.05 g of decafloobiphenyl (made by Aldrich), 17.16 g of 4,4- (hexafluoroisopropylidene) diphenol (manufactured by Aldrich) and anhydrous N, N-dimethyl in a three-necked round bottom flask containing nitrogen 350 mL of acetamide (manufactured by Aldrich) was added and stirred to obtain a clear solution. Next, potassium carbonate (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) was added in excess, and then the temperature of the mixed solution was raised to 120 ° C. and reacted for 2 hours. After the reaction, the solution was put in a 1% acetic acid aqueous solution to obtain a white precipitate. The precipitate obtained above was washed several times with distilled water and dried in a vacuum oven for 24 hours to obtain a white polymer powder (Base Polymer: BP).

1-(2) 1- (2) 술폰산기를Sulfonic acid groups 갖는  Having 폴리(불화 방향족 에테르)의Of poly (fluorinated aromatic ethers) 제조 Produce

상기에서 얻어진 고분자 분말 2.0g 을 클로로포름 198mL를 포함하는 플라스크에 넣은 다음, 용액을 교반하여 투명한 용액을 얻었다. 상기 용액에 98% 발연황산을 시린지를 통해 몰비 1:20(고분자:발연황산)의 비율로 서서히 적가하며 교반하여 2시간 동안 반응시켰다. 상기 용액을 과량의 증류수에 서서히 가하여 흰색 침전물을 얻은 다음 클로로포름을 증발시키고 pH가 7에 도달할 때까지 증류수로 여러번 세척한 후, 진공오븐에서 24시간 동안 건조시켜 술폰화된 폴리(불화 방향족 에테 르:Sulfonated Base Polymer,이하 SBP-F라고 함)를 얻었다. 하기의 NMR 데이터는 술폰화 이전의 폴리(불화 방향족 에테르)에 대한 데이터인데, 술폰화를 시키고 난 후에는 피크가 매우 복잡해지며 피크 어싸인이 어려워지기 때문에 술폰화 이전의 데이터만을 첨부하였다. 다만, 술폰화를 시키게 되면 술폰화 이전의 피크보다 다운필드 쪽으로 쉬프트된다.2.0 g of the polymer powder obtained above was placed in a flask containing 198 mL of chloroform, and then the solution was stirred to obtain a clear solution. 98% fuming sulfuric acid was slowly added dropwise to the solution at a ratio of 1:20 (polymer: fuel sulfuric acid) by molar ratio, followed by stirring for 2 hours. The solution was slowly added to excess distilled water to give a white precipitate, which was then evaporated chloroform and washed several times with distilled water until the pH reached 7, followed by drying in a vacuum oven for 24 hours to give a sulfonated poly (fluorinated aromatic ether). (Sulfonated Base Polymer, hereinafter referred to as SBP-F). The following NMR data is for poly (fluorinated aromatic ether) before sulfonation, but only the data before sulfonation are attached since the peak becomes very complex and the peak assignment becomes difficult after sulfonation. However, when sulfonation is performed, it shifts toward the downfield from the peak before sulfonation.

중량평균 분자량: 4.33 x 105 , 수평균 분자량: 1.83 x 104 Weight average molecular weight: 4.33 x 10 5 , Number average molecular weight: 1.83 x 10 4

1H-NMR (CD3COCD3):δ 7.337 ~ 7.367(d, 4H, Ar-H), 7.483 ~ 7.510(d, 4H, Ar-H) 1 H-NMR (CD 3 COCD 3 ): δ 7.337 to 7.367 (d, 4H, Ar- H ), 7.483 to 7.510 (d, 4H, Ar- H )

19F-NMR (CD3COCD3):δ-150.618 ~ -150.569, -135.157 ~ -135.080, -60.30 19 F-NMR (CD 3 COCD 3 ): δ-150.618 to -150.569, -135.157 to -135.080, -60.30

1-(3) 1- (3) 침지단계에서의In the immersion stage 반응온도의 결정 Determination of reaction temperature

상기 1-(2)에서 제조된 술폰화된 베이스 폴리머 1.0g을 아세톤에 용해시켜 175㎛ 두께의 양성자 전도성 고분자막을 제조하였다. 다음으로, 상기 양성자 전도성 고분자막을 1M의 염화지르코늄 용액 및 1M의 인산용액에 침지시키는 단계의 최적온도를 결정하기 위하여 각 용액의 반응온도를 20℃에서 60℃까지 변화시키며 각각 4시간씩 상기 고분자막을 침지시킨 다음, 저항, 이온전도도 및 함습량을 체크하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. Zr20/P20은 염화지르코늄 용액에 침지시키는 단계의 온도가 20℃이고, 인산용액에 침지시키는 단계의 온도가 20℃라는 것을 의미한다.1.0 g of the sulfonated base polymer prepared in 1- (2) was dissolved in acetone to prepare a proton conductive polymer membrane having a thickness of 175 μm. Next, in order to determine the optimum temperature of the step of immersing the proton conductive polymer membrane in 1M zirconium chloride solution and 1M phosphoric acid solution, the reaction temperature of each solution was changed from 20 ° C. to 60 ° C., and the polymer membranes were changed for 4 hours. After immersion, the resistance, ion conductivity and moisture content were checked and the results are shown in Table 1 below. Zr20 / P20 means that the temperature of the step of dipping in a zirconium chloride solution is 20 ℃, the temperature of the step of dipping in a phosphoric acid solution is 20 ℃.

저항(ohm/cm2)Resistance (ohm / cm 2 ) 이온전도도(Scm-1)Ion Conductivity (Scm -1 ) 함습량(%)Moisture Content (%) SBP-FSBP-F 5.745.74 2.12x10-3 2.12 x 10 -3 120120 Zr20/P20Zr20 / P20 4.144.14 4.10x10-3 4.10 x 10 -3 101101 Zr40/P40Zr40 / P40 2.802.80 8.93x10-3 8.93 x 10 -3 9191 Zr60/P60Zr60 / P60 3.213.21 4.65x10-3 4.65 x 10 -3 8686

상기 표 1을 참조하면, 염화지르코늄 용액 및 인산용액과의 반응온도는 각각 40℃ 일 때가 최적이라는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, it can be seen that the reaction temperature of the zirconium chloride solution and the phosphate solution is optimal at 40 ° C, respectively.

1-(4) 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막의 제조Preparation of 1- (4) Organic-Inorganic Composite Proton Conductive Polymer Membrane

상기 실시예 1-(2)에서 얻어진 흰색 분말 1.0g을 아세톤에 용해시켜 얻어진 투명한 용액을 필름 캐스팅한 다음 70℃의 진공오븐에서 건조하여 125㎛ 두께의 양성자 전도성 고분자 막을 제조하였다. 다음으로, 상기 고분자 막을 정제수에 침지시킨 후, 40℃에서 염화지르코늄(Junsei사 제조) 1M 용액에 4시간 동안 침지시켰다. 상기 막을 정제수로 세척하여 과잉의 용액을 제거한 다음 40℃에서 1M의 인산용액에 4시간 동안 침지시킨 다음 증류수로 수회 세척하여 과잉의 산을 제거함으로써 지르코늄 포스페이트의 함량이 전체 양성자 전도성 고분자막의 10중량%인 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자 막을 제조하였다. 상기 지르코늄 포스페이트의 함량은 상기 SBP-F 막의 침지 반응 전후의 질량을 비교하여 측정하였다.A transparent solution obtained by dissolving 1.0 g of the white powder obtained in Example 1- (2) in acetone was film cast and dried in a vacuum oven at 70 ° C. to prepare a 125 μm thick proton conductive polymer membrane. Next, the polymer membrane was immersed in purified water and then immersed in zirconium chloride (manufactured by Junsei) 1M solution at 40 ° C. for 4 hours. The membrane was washed with purified water to remove excess solution, and then immersed in 1M phosphate solution at 40 ° C. for 4 hours, and then washed several times with distilled water to remove excess acid, thereby reducing the amount of zirconium phosphate by 10% by weight of the total proton conductive polymer membrane. A phosphorus-inorganic composite proton conductive polymer membrane was prepared. The content of the zirconium phosphate was measured by comparing the mass before and after the immersion reaction of the SBP-F membrane.

실시예 2Example 2

염화지르코늄 용액에 침지시키는 시간을 각각 8시간으로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로,지르코늄 포스페이트의 함량이 전체 양성자 전도성 고분자막의 20중량%인 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자 막을 제조하였다.An organic-inorganic hybrid proton conductive polymer membrane having a zirconium phosphate content of 20% by weight of the total proton conductive polymer membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that the time for immersion in the zirconium chloride solution was 8 hours. .

실시예 3Example 3

염화지르코늄 용액에 침지시키는 시간을 각각 10시간으로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로, 지르코늄 포스페이트의 함량이 전체 양성자 전도성 고분자막의 25중량%인 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자 막을 제조하였다.An organic-inorganic hybrid proton conductive polymer membrane having a zirconium phosphate content of 25% by weight of the total proton conductive polymer membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that the time for immersion in the zirconium chloride solution was 10 hours. .

비교예 1Comparative Example 1

나피온 115(듀폰사 제조)을 30부피% H2O2용액에 넣고 가열하여 표면의 유기물질을 제거한 다음, 0.5M 황산에 넣고 1시간 동안 가열하여 Na+를 H+로 치환하고 물로 세척하여 양성자 전도성 고분자막을 제조하였다.Nafion 115 (manufactured by DuPont) was added to a 30 vol.% H 2 O 2 solution and heated to remove organic substances from the surface, and then placed in 0.5 M sulfuric acid and heated for 1 hour to replace Na + with H + and washed with water. A proton conductive polymer membrane was prepared.

비교예 2Comparative Example 2

지르코늄 포스페이트를 첨가하는 단계를 수행하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양성자 전도성 고분자 막을 제조하였다.A proton conductive polymer membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that the addition of zirconium phosphate was not performed.

비교예 3Comparative Example 3

4,4'-(헥사플루오로이소프로필리덴)디페놀 대신에 4,4'-이소프로필리덴 디페놀 2.0g을 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 2와 동일한 방법으로 양성자 전도성 고분자막을 제조하였다.A proton conductive polymer membrane was prepared in the same manner as in Comparative Example 2, except that 2.0 g of 4,4'-isopropylidene diphenol was used instead of 4,4 '-(hexafluoroisopropylidene) diphenol.

실시예 4 및 비교예 4∼5Example 4 and Comparative Examples 4-5

연료전지의 제조Manufacture of Fuel Cells

카본에 백금촉매 20%가 도핑되어 있는 전극(Bon Enterprises Inc 사 제조)사이에 상기 실시예 1 및 비교예 1∼2에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자 막을 게재시키고 , 100℃, 15atm에서 핫프레싱 방법을 사용하여 접합시킴으로써 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)를 제조하였다.Between the electrode doped with carbon catalyst 20% of platinum (manufactured by Bon Enterprises Inc.), a proton conductive polymer membrane prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 was placed, and a hot pressing method was performed at 100 ° C and 15 atm. Membrane electrode assembly (MEA) was prepared by bonding together.

시험예 1Test Example 1

함습량Moisture content , 이온전도도 및 길이팽창률의 측정, Ion conductivity and length expansion

상기 실시예 1∼3 및 비교예 1∼3에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자를 물에 침지시킨 다음 중량변화를 체크하여 흡습도를 측정하였으며, 이온전도도는 임피던스 분석기(impedance analyzer: Zahner elektrik사 제조: IM6)에 의한 Nyquist plot으로 벌크의 저항을 구한 후에, 하기 수학식 1을 이용하여 측정하였고, 길이팽창율은 함습전과 함습후의 길이변화율을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The proton conductive polymers prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were immersed in water, and then the hygroscopicity was measured by checking the weight change, and the ion conductivity was measured by an impedance analyzer: manufactured by Zahner elektrik. After obtaining the bulk resistance by Nyquist plot according to IM6), it was measured using Equation 1 below, and the length expansion rate was measured by the length change rate before and after the damping and the results are shown in Table 1 below.

Figure 112005070679503-pat00005
Figure 112005070679503-pat00005

(a: 필름의 두께. d: 전극의 반경                (a: thickness of film d: radius of electrode

σ: 이온전도도, Rb: 벌크의 저항)σ: ion conductivity, R b : bulk resistance)

함습량(%)Moisture Content (%) 이온전도도(Scm-1)Ion Conductivity (Scm -1 ) 길이팽창률(%)Length expansion rate (%) 실시예 1Example 1 90.690.6 8.5x10-3 8.5 x 10 -3 20.120.1 실시예 2Example 2 84.484.4 1.63x10-2 1.63 x 10 -2 18.418.4 실시예 3Example 3 79.879.8 1.72x10-2 1.72 x 10 -2 17.617.6 비교예 1Comparative Example 1 26.426.4 1.73x10-2 1.73 x 10 -2 14.014.0 비교예 2Comparative Example 2 130.0130.0 2.54x10-3 2.54 x 10 -3 22.722.7 비교예 3Comparative Example 3 434.68434.68 1.33x10-2 1.33 x 10 -2 52.352.3

상기 표 2에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막은 종래의 불소계 양성자 전도성 고분자막과 비교할 때, 함습량이 약 3배 정도로서 높은 전류밀도에서도 과수분 현상을 저감시킬 수 있기 때문에 전지의 효율 및 파워밀도를 향상시킬 수 있고, 나피온의 Tg는 120∼130℃임에 비해, 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자의 경우에는 Tg가 276℃이고, 함습량이 줄어듦에 따라, 고분자 내에서 물이 통과하는 영역이 줄어들기 때문에 고온에서의 기계적 강도가 우수하다. 따라서, 고온에서 작동이 가능하며 촉매의 피독현상을 방지함으로써 전지의 수명을 연장시킬 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자는 종래의 술폰화된 폴리(불화 방향족 에테르)와 비교할 때에 함습량이 60%미만이면서도 이온전도도가 우수하다는 장점이 있다. 특히 4,4,-이소프로필리덴 디페놀을 사용하여 제조된 비교예 3의 경우에는 함습량이 너무 과도하기 때문에 고분자의 주쇄근처에 수분이 과량으로 존재하여 기계적 물성이 매우 열악해지며, 길이팽창률도 매우 크기 때문에 함습시 고분자의 팽창이 과도하여, MEA제조시 양성자 전도성 고분자막과 촉매층과의 계면접촉이 불량해지고, 저항이 증가하며, 전지의 수명이 짧아진다는 단점이 있다. 그러나, 본 발명에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막은 4,4'-(헥사플루오로이소프로필리덴)디페놀을 사용하여 제조되었기 때문에 고분자 주쇄에 소수성을 부여할 수 있고, 지르코늄 포스페이트를 첨가하기 이전의 술폰화된 폴리(불화 방향족 에테르) 자체의 함습량이 비교예 3에 따른 전도성 고분자와 비교할 때에 약 2/3 수준이며, 지르코늄 포스페이트를 첨가함에 따라 이온전도도는 더 향상시키면서도 함습량을 더욱 적절히 감소시키는 것에 의해 전도성 고분자 자체의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다. 나피온에 지르코늄 포스페이트를 첨가하는 때에는 함습량이 증가하지만, 본 발명의 경우에는 지르코늄 포스페이트를 첨가함에 따라 오히려 함습량이 감소하는 경향을 보이는데, 이는 상기 지르코늄 포스페이트의 Zr4 +이온이 술포닐기의 산소원자와 화학결합을 하고 있다는 증거가 된다. 즉, 화학식 1에 도시된 바와 같이, 화학결합을 형성함으로써, 술포닐기 주변에 존재하는 물의 양을 감소시킬 수 있다고 판단된다. 만일, 상기 지르코늄 포스페이트가 술포닐기의 산소원자와 화학결합을 하고 있지 않다면 지르코늄 포스페이트를 사용함에 따라 함습량은 오히려 증가하는 결과가 나올 것이다.As can be seen in Table 2, the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to the present invention has a moisture content of about three times as compared to the conventional fluorine-based proton conductive polymer membrane, so that the excessive moisture content can be reduced even at high current density. The efficiency and power density of the battery can be improved, and the Tg of Nafion is 120-130 ° C, whereas in the case of the proton conductive polymer according to the present invention, the Tg is 276 ° C and the moisture content decreases, so that The mechanical strength at high temperatures is excellent because the area through which water passes is reduced. Therefore, it is possible to operate at high temperatures and to prolong the life of the battery by preventing the poisoning of the catalyst. On the other hand, the organic-inorganic composite proton conductive polymer according to the present invention has an advantage that the moisture content is less than 60% and excellent in ionic conductivity as compared with the conventional sulfonated poly (fluorinated aromatic ether). Especially in the case of Comparative Example 3 prepared using 4,4, -isopropylidene diphenol, the moisture content is too excessive, the excess moisture near the main chain of the polymer, the mechanical properties are very poor, length expansion rate Since the polymer is too large, the expansion of the polymer during humidification results in poor interfacial contact between the proton-conducting polymer membrane and the catalyst layer during MEA production, an increase in resistance, and a short battery life. However, since the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to the present invention was prepared using 4,4 '-(hexafluoroisopropylidene) diphenol, hydrophobicity can be imparted to the polymer backbone, and zirconium phosphate may be added. The moisture content of the former sulfonated poly (fluorinated aromatic ether) itself is about 2/3 of that of the conductive polymer according to Comparative Example 3, and the addition of zirconium phosphate further improves the moisture content while further improving the ionic conductivity. By reducing the mechanical properties of the conductive polymer itself can be improved. The moisture content increases when zirconium phosphate is added to Nafion, but in the present invention, the moisture content tends to decrease with the addition of zirconium phosphate, which indicates that the Zr 4 + ion of the zirconium phosphate is the oxygen of the sulfonyl group. This is evidence of chemical bonding with atoms. That is, as shown in the formula (1), by forming a chemical bond, it is determined that the amount of water present around the sulfonyl group can be reduced. If the zirconium phosphate is not chemically bonded to the oxygen atom of the sulfonyl group, the moisture content will increase rather than using the zirconium phosphate.

시험예 2Test Example 2

인장강도의Tensile strength 측정 Measure

인장강도는 ASTM-1708에 따라 인장강도 측정장치(Instron사 제조, INSTRON-4465)를 이용하여 측정하였으며, 구체적으로 실시예 1 및 비교예 1∼3에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자막을 직사각형의 스트립으로 절단한 후, 두개의 홀더에 고정시키고, 2mm/min의 속도로 인장시키면서 파단되기 직전의 최대 인장력을 측정하여 그 결과를 하기 표 3에 도시하였다. 상기 인장강도는 건조시와 함습시로 나누어 측정하였다.Tensile strength was measured using a tensile strength measuring device (INSTRON-4465, manufactured by Instron, Inc.) according to ASTM-1708. Specifically, the proton conductive polymer membranes prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were formed into rectangular strips. After cutting, the plate was fixed to two holders and the maximum tensile force immediately before fracture was measured while pulling at a speed of 2 mm / min, and the results are shown in Table 3 below. The tensile strength was measured by dividing the drying and the moisture.

건조시의 강도(MPa)Strength at drying (MPa) 함습시의 강도(MPa)Strength at the time of humidity (MPa) 모듈러스Modulus 실시예 1Example 1 36.2536.25 20.020.0 14941494 비교예 1Comparative Example 1 26.926.9 19.419.4 14271427 비교예 2Comparative Example 2 32.5832.58 15.315.3 10241024 비교예 3Comparative Example 3 30.0330.03 9.89.8 629629

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자는 함습시에도 기계적인 강도가 매우 우수하다는 것을 확인할 수 있다. 특히, 비교예 3의 경우에는 함습량이 과도하기 때문에 기계적 강도가 현저히 떨어진다는 것을 알 수 있다.As can be seen in Table 2, it can be seen that the organic-inorganic composite proton conductive polymer according to the present invention has excellent mechanical strength even when wet. In particular, in the case of Comparative Example 3, since the moisture content is excessive, it can be seen that the mechanical strength is significantly reduced.

시험예 3Test Example 3

화학적 안정성 테스트Chemical stability test

화학적 안정성은 Fenton 테스트에 의해 실시하였다. 구체적으로는 상기 실시예 1 및 비교예 2에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자막을 65℃, 3%의 H2O2 및 FeSO4용액에 침지시킨 후 상기 전도성 고분자막이 히드록시 라디칼에 의해 산화되도록 하면서, 상기 고분자막이 어느 정도의 시간동안 화학적으로 안정성을 유지할 수 있는지 측정하고 그 결과를 도 2에 도시하였다. 도 2를 참조하면, 비교예 2의 경우에는 7시간이 경과하기 이전에 거의 질량손실이 거의 100%에 달하지만 실시예 1의 경우에는 20시간 이상까지도 10% 미만의 질량손실률을 보이기 때문에 화학적으로 매우 안정하다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 화학적인 안정성은 이미 언급한 바와 같이, 고분자 주쇄 주위에 적절한 함습량을 유지하도록 할 수 있기 때문이다.Chemical stability was performed by Fenton test. Specifically, the proton conductive polymer membranes prepared by Examples 1 and 2 are immersed in 65 ° C., 3% H 2 O 2 and FeSO 4 solution, and the conductive polymer membrane is oxidized by hydroxy radicals. It was measured how long the polymer membrane can be chemically stable and the results are shown in FIG. Referring to FIG. 2, in the case of Comparative Example 2, the mass loss reached almost 100% before 7 hours had elapsed, but in Example 1, since the mass loss ratio was less than 10% even up to 20 hours or more, chemically You can see that it is very stable. This chemical stability is because, as already mentioned, it is possible to maintain an appropriate moisture content around the polymer backbone.

시험예 4Test Example 4

열안정성Thermal stability 테스트 Test

Dupont TGA(thermogravimetric analyzer) 2050을 사용하여 온도를 올리면서 실시예 1 및 비교예 2에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자 막의 구조가 분해되는 온도를 질량의 감소로 확인하였으며 그 결과를 도 3 및 4에 나타내었다. 도 3은 비교예 2에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자 막에 대한 결과이며, 약 320℃에서 -SO3H기가 분해되며 약 530℃에서 고분자 주쇄가 급격히 분해되는 반면, 실시예 1에 따라 제조된 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막에 대한 결과인 도 4를 살펴보면, -SO3H기가 분해되는 온도는 약 330℃이고, 고분자 주쇄가 분해되는 온도는 약 650℃에 달할 때까지 서서히 분해되기 때문에 열적 안정성이 더욱 증가하였음을 알 수 있다. 이는 열적안정성이 우수한 무기물인 지르코늄 포스페이트가 상기 고분자와 화학적 결합을 하고 있기 때문이라고 판단된다. The temperature at which the structures of the proton-conducting polymer membranes prepared in Examples 1 and 2 were decomposed while the temperature was raised using a Dupont thermogravimetric analyzer (TGA) 2050 was confirmed by a decrease in mass. The results are shown in FIGS. 3 and 4. It was. 3 is a result of the proton conductive polymer membrane prepared by Comparative Example 2, the -SO 3 H group is decomposed at about 320 ℃ and the polymer backbone is rapidly decomposed at about 530 ℃, while the oil prepared according to Example 1 Referring to FIG. 4, which is a result of the inorganic composite proton conductive polymer membrane, the temperature at which the SO 3 H group is decomposed is about 330 ° C., and the temperature at which the polymer main chain is decomposed is slowly decomposed until it reaches about 650 ° C. It can be seen that further increased. This is because zirconium phosphate, an inorganic material having excellent thermal stability, is chemically bonded to the polymer.

시험예 5Test Example 5

SEMSEM  And EDAXEDAX 관찰 observe

실시예 1에 의해 제조된 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막에 대하여 FE-SEM 실험을 하였으며, SEM을 결합시킨 에너지 분산 스펙트로스코피(Horiba사 제조, EX-200)를 이용하여 원소 mapping을 하였다. 지르코늄 및 인의 분포도를 확인하기 위하여 EDAX를 이용하였으며, 그 결과를 도 5에 도시하였다. 도 5(a)는 상기 실시예 1에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막의 표면 SEM사진이고, 도 5(b)는 표면에 대한 EDAX Zr mapping 결과이며, 도 5(C)는 표면에 대한 EDAX P mapping 결과이다. 한편, 도 5(d)는 상기 실시예 1에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막의 단면 SEM사진이고, 도 5(e)는 단면에 대한 EDAX Zr mapping 결과이며, 도 5(f)는 표면에 대한 EDAX P mapping 결과이다. 도 5를 참조하면 본 발명에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막은 지르코늄 포스페이트가 균일하게 분포하고 있다는 것을 알 수 있으며, 상기 함침법에 의해 제조하였음에도 지르코늄 포스페이트가 고분자막의 내부까지 균일하게 분포하고 있다는 것을 확인할 수 있다. The organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane prepared in Example 1 was subjected to FE-SEM experiments, and elemental mapping was performed using energy-dispersive spectroscopy (EX-200, manufactured by Horiba, Inc.) combined with SEM. EDAX was used to confirm the distribution of zirconium and phosphorus, and the results are shown in FIG. 5. Figure 5 (a) is a SEM image of the surface of the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to Example 1, Figure 5 (b) is the EDAX Zr mapping results for the surface, Figure 5 (C) EDAX for the surface P mapping result. On the other hand, Figure 5 (d) is a cross-sectional SEM photograph of the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to Example 1, Figure 5 (e) is the EDAX Zr mapping results for the cross section, Figure 5 (f) is a surface The result of EDAX P mapping for. Referring to FIG. 5, it can be seen that the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to the present invention has a uniform distribution of zirconium phosphate. You can check it.

시험예 6Test Example 6

TEMTEM 관찰 observe

실시예 1에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자막을 아세톤에 침지시키고 50시간 동안 교반시킨 다음 상기 아세톤 용액을 채취하고 1시간 동안 울트라 소니피케이션 시킨 후, JEOL 1200EX를 이용하여 TEM 분석을 하고 그 결과를 도 6에 도시하였다. 본 발명에 따라 제조된 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자의 경우에는 지르코늄 포스페이트에 의해 가교가 되어 있기 때문에 아세톤에 거의 녹지 않음을 확인할 수 있었다. 다만, 도 6은 상기에서 채취된 용액에 극미량 존재하는 미세한 고분자 파편을 TEM으로 관찰한 것이다. 도 6(a)를 참조하면 용해되지 않은 고분자를 관찰할 수 있으며, 도 6(b)는 이를 더 확대한 사진이다. 도 6(b)를 참조하면 지르코늄 포스페이트의 결정 크기는 평균적으로 20nm 정도임을 확인할 수 있는데, 이는 XRD로 예측한 결과와 일치한다. 또한, 고분자의 사슬의 중간 중간에 지르코늄 포스페이트가 여전히 존재하고 있다는 것을 확인할 수 있는데, 이는 상기 지르코늄 포스페이트가 단순히 고분자막의 내부에 균일하게 분산되어 있는 것이 아니라, 화학결합을 통해 고분자 사슬과 사슬간에 가교를 이루고 있다는 증거가 된다. 만일, 상기 지르코늄 포스페이트가 단순히 분산되어 있었다면, 베이스 폴리머가 아세톤에 모두 용해되었을 것이고, 또한 울트라 소니피케이션에 의해 상기 지르코늄 포스페이트는 모두 빠져나왔을 것이다. 따라서, 상기 지르코늄 포스페이트의 지르코늄 원자와 고분자의 술폰산기의 산소원자간에 화학적 결합이 존재하고, 이에 의해 본 발명에 따른 유-무기 복합 양성자성 고분자막은 가교되어 있다는 것을 확인할 수 있다.The proton conductive polymer membrane prepared in Example 1 was immersed in acetone and stirred for 50 hours, the acetone solution was collected and ultra sonicated for 1 hour, followed by TEM analysis using JEOL 1200EX. 6 is shown. In the case of the organic-inorganic composite proton conductive polymer prepared according to the present invention, since it is crosslinked by zirconium phosphate, it was confirmed that it is almost insoluble in acetone. However, FIG. 6 is a fine polymer fragment present in a trace amount present in the solution collected above was observed by TEM. Referring to Figure 6 (a) it can be observed that the polymer is not dissolved, Figure 6 (b) is an enlarged picture of this. Referring to Figure 6 (b) it can be seen that the average crystal size of zirconium phosphate is about 20nm, which is consistent with the results predicted by XRD. In addition, it can be seen that zirconium phosphate is still present in the middle of the polymer chain, which is not simply uniformly dispersed inside the polymer membrane, but rather crosslinks between the polymer chain and the chain through chemical bonds. It is a proof of accomplishment. If the zirconium phosphate was simply dispersed, the base polymer would have been completely dissolved in acetone, and the zirconium phosphate would have been pulled out by ultra sonication. Accordingly, it can be seen that a chemical bond exists between the zirconium atom of the zirconium phosphate and the oxygen atom of the sulfonic acid group of the polymer, whereby the organic-inorganic composite protic polymer membrane according to the present invention is crosslinked.

시험예 7Test Example 7

XRDXRD 측정Measure

실시예 1 및 비교예 2에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자막에 대하여 X-선 회절실험(Rigaku사 제조, DMAX-III, Cu Kα radiation(30kV, 20mA))을 하고 그 결과를 도 7에 도시하였다. 도 7을 참조하면, 2θ값이 16∼22°및 40∼45°브로드 피크가 나타나는데, 첫 번째 피크는 무정형 또는 결정형 폴리플루오로카본에서 유래하는 스캐터링에 해당하며, 두 번째 피크는 유사-테프론 도메인(Teflon-like domain)에서 유래하는 피크로서, 기본골격에 CF-기들이 있기 때문에 나타나는 피크이다. 실시예 1에 따른 도 7(a)를 참조하면 지르코늄 포스페이트에서 유래하는 4개의 피크가 나타남을 확인할 수 있으며, 따라서, 지르코늄 포스페이트가 상기 실시예 1에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막 내에 존재하고 있다는 것을 확인할 수 있다. X-ray diffraction experiments (DMAX-III, manufactured by Rigaku, Cu Kα radiation (30 kV, 20 mA)) were performed on the proton conductive polymer films prepared in Example 1 and Comparative Example 2, and the results are shown in FIG. 7. Referring to FIG. 7, 2θ values of 16-22 ° and 40-45 ° broad peaks appear, the first peak corresponding to scattering derived from amorphous or crystalline polyfluorocarbons, and the second peak is pseudo-teflon. It is a peak derived from the Teflon-like domain, and is a peak appearing because CF-groups exist in the basic skeleton. Referring to FIG. 7 (a) according to Example 1, it can be seen that four peaks derived from zirconium phosphate are present. Therefore, zirconium phosphate is present in the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to Example 1. You can see that.

시험예 8Test Example 8

XPSXPS 측정 Measure

실시예 1 및 비교예 2에 의해 제조된 양성자 전도성 고분자막에 대하여 XPS(PHI1500 ESCA 시스템) 실험을 하고 Zr3d에 대한 결과를 도 8에 도시하였다. 도 8을 참조하면, 3d3 /2 피크가 185.5eV에서 나타나고, 3d5 /2 피크가 183.5eV에서 나타나는데 상기 3d5 /2 피크는 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자막에서 지르코늄 포스페이트가 술폰산기의 산소원자와 화학적 결합을 하고 있다는 증거가 된다. 즉, ZrP의 경우에는 원래 3d5 /2 피크가 182.5eV에서 나타나는데, 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자막에 존재하는 ZrP의 경우에는 183.5eV로 좀 더 높은 쪽으로 쉬프트되었고, 이는 술폰산기의 산소원자와 지르코늄 원자간의 화학적 결합이 존재한다는 증거가 될 수 있다.XPS (PHI1500 ESCA system) experiments were performed on the proton conductive polymer membranes prepared by Example 1 and Comparative Example 2, and the results for Zr3d are shown in FIG. 8. Referring to Figure 8, 3d 3/2 peak appears at 185.5eV, 3d 5/2 peak appears in the 183.5eV 3d 5/2 peak of the oxygen group of the zirconium phosphate in the acid proton-conducting polymer membrane according to the invention atom There is evidence of chemical bonding with. That is, in the case of ZrP there appear in originally 3d 5/2 peak of 182.5eV, in the case of ZrP present in the proton-conducting polymer membrane according to the present invention has been shifted towards a higher to 183.5eV, which zirconium and oxygen atom of the sulfonic acid group There may be evidence that a chemical bond exists between atoms.

시험예 9Test Example 9

LSVLSV 측정 Measure

실시예 1에 의해 제조된 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막에 대하여 수소 투과율(hydrogen crossover rate) 및 단락여부를 체크하기 위해 LSV(Linear Sweep Voltametry) 측정을 하였다. 즉, 애노드에는 200cm3/min의 수소를 주입하고, 캐소드에는 200cm3/min의 질소를 주입하며 포텐쇼스태트(potentiostat)/갈바노스태트(galvanostat)(Zahner사 제조)를 이용하여, 4mV/s의 스캔율로 0∼800mV의 영역에서 LSV를 측정하고 그 결과를 도 9에 도시하였다. 한편, 상기 LSV측정은 셀의 작동온도를 25℃, 80℃, 100℃, 120℃ 및 130℃로 변화시키며 수행하였다. 도 9를 참조하면, 모든 온도 범위에서 제한전류(limiting current)가 매우 작으며, 수소 투과율이 1.0mA/cm2 미만으로서 낮기 때문에 본 발명에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막은 수소의 투과도가 매우 낮으며, 지르코늄 포스페이트를 첨가하더라도 상기 복합막에 여하한 투과공극이 존재하지 않는다는 것을 확인할 수 있다.The organic sweep-produced polymer membrane prepared in Example 1 was subjected to LSV (Linear Sweep Voltametry) measurement to check hydrogen crossover rate and short circuit. That is, 200 m 3 / min of hydrogen is injected into the anode, 200 cm 3 / min of nitrogen is injected into the cathode, and 4 mV / s using a potentiostat / galvanostat (manufactured by Zahner) The LSV was measured in the range of 0 to 800 mV at a scan rate of and the results are shown in FIG. On the other hand, the LSV measurement was performed by changing the operating temperature of the cell to 25 ℃, 80 ℃, 100 ℃, 120 ℃ and 130 ℃. 9, the limiting current (limiting current) is very small in all the temperature range, because the hydrogen permeability is low as less than 1.0mA / cm 2 The organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to the present invention has a very high permeability of hydrogen It is low and it can be seen that no perforation is present in the composite membrane even when zirconium phosphate is added.

시험예 10Test Example 10

연료전지 셀 테스트Fuel cell test

실시예 4 및 비교예 4∼5에 의해 제조된 연료전지에 대하여 셀테스트를 하였으며, 애노드 쪽에는 수소가스를 주입하고 캐소드 쪽에는 산소가스를 주입하였고 주입속도는 300cc/min이었다. 이때 상기 각각의 가스들이 가습기를 통과하게 함으로써 연료가 건조되지 않게 하며 캐소드, 애노드 및 셀의 온도는 전력제어기(Thyristor Power Regulator: TPR)을 이용하여 각각 별개로 조절할 수 있도록 하였다. 전류 및 전압에 대한 데이터를 얻기 위한 방법으로는 O.C.V(Open Circuit Voltage)에서 일정 저항을 얻기 위해 반대 전류를 걸어 주며 그 때마다의 전류밀도 대 전압, 전류밀도 대 파워밀도를 측정하였으며 그 결과를 도 10 내지 12에 도시하였다. The fuel cells prepared in Example 4 and Comparative Examples 4 to 5 were subjected to a cell test, hydrogen gas was injected to the anode side, oxygen gas was injected to the cathode side, and the injection speed was 300 cc / min. At this time, the respective gases are passed through the humidifier so that the fuel is not dried and the temperature of the cathode, anode, and cell can be individually controlled using a thyristor power regulator (TPR). As a method for obtaining data about current and voltage, an opposite current is applied to obtain a constant resistance in OCV (Open Circuit Voltage), and the current density vs. voltage, current density vs. power density are measured for each time. 10 to 12 are shown.

도 10(a)는 비교예 5에 의해 제조된 연료전지셀을 80℃/1기압, 80℃/3기압, 90℃/3기압, 100℃/3기압, 110℃/3기압 및 120℃/3기압에서 작동시키는 경우의 전류밀도-전압 곡선을 나타내며 도 10(b)는 동일한 조건에서의 전류밀도-파워밀도 곡선을 나타낸다. 10 (a) shows the fuel cell prepared in Comparative Example 5 at 80 ° C./1 atm, 80 ° C./3 atm, 90 ° C./3 atm, 100 ° C./3 atm, 110 ° C./3 atm and 120 ° C. / The current density-voltage curve when operating at 3 atmospheres is shown, and FIG. 10 (b) shows the current density-power density curve under the same conditions.

한편, 도 11(a)는 실시예 4에 의해 제조된 연료전지셀을 80℃/1기압, 80℃/3기압, 110℃/3기압, 120℃/3기압, 130℃/3기압 및 140℃/3기압에서 작동시키는 경우의 전류밀도-전압 곡선을 나타내며 도 11(b)는 동일한 조건에서의 전류밀도-파워밀도 곡선을 나타낸다. 도 10 및 도 11를 비교하면, 100℃ 미만에서는 양 전지의 성능이 비슷하지만, 100℃를 초과하는 고온에서는 실시예 4의 경우가 전압 강하가 적고 높은 전류밀도 영역에서 높은 파워밀도를 나타내며 성능이 우수하다는 것을 알 수 있다. 한편, 비교예 5의 경우에는 120℃에서 작동하는 경우 전압이 급격이 강하하며, 전류밀도가 300mA/cm2이상에서는 전압 및 파워밀도에 대한 데이터가 나타나 있지 않은데, 이는 전압이 0.4V 이하로 매우 낮은데 비해 측정오차가 크기 때문에 그 값의 측정이 곤란했기 때문이다. 따라서, 비교예 5의 경우에는 120℃ 이상의 온도에서는 전지의 성능이 매우 열악하다는 것을 알 수 있다. On the other hand, Figure 11 (a) shows the fuel cell produced in Example 4 80 ℃ / 1 atm, 80 ℃ / 3 atm, 110 ℃ / 3 atm, 120 ℃ / 3 atm, 130 ℃ / 3 atm and 140 The current density-voltage curve when operating at 占 폚 / 3 atmospheres is shown, and Fig. 11 (b) shows the current density-power density curve under the same conditions. Comparing FIGS. 10 and 11, the performance of both batteries is similar at less than 100 ° C., but at a high temperature exceeding 100 ° C., the case of Example 4 shows a small voltage drop and high power density in a high current density region. It can be seen that it is excellent. On the other hand, in the case of Comparative Example 5, the voltage drops sharply when operating at 120 ° C, and data on voltage and power density is not shown at a current density of 300 mA / cm 2 or more, which is very low at 0.4 V or less. It is because the measurement was difficult because of the large measurement error. Therefore, in the case of the comparative example 5, it turns out that the performance of a battery is very bad at the temperature of 120 degreeC or more.

한편, 도 12에는 실시예 4 및 비교예 4에 의해 제조된 연료전지셀을 80∼130℃에서 작동시키는 경우의 전류밀도-전압곡선을 도시하였으며, 0.6V, 120℃ 및 130℃에서의 전류밀도, 최대 파워밀도가 나타나는 전류밀도, 그 때의 최대 파워밀도를 하기 표 4에 나타내었다. On the other hand, Figure 12 shows the current density-voltage curve when operating the fuel cell cells prepared in Example 4 and Comparative Example 4 at 80 ~ 130 ℃, current density at 0.6V, 120 ℃ and 130 ℃ , The current density at which the maximum power density appears, and the maximum power density at that time are shown in Table 4 below.

작동온도; 120℃ 전압: 0.6VOperating temperature; 120 ℃ Voltage: 0.6V 작동온도; 130℃ 전압: 0.6VOperating temperature; 130 ℃ voltage: 0.6V 실시예 4Example 4 전류밀도Current density 760mA/cm2 760 mA / cm 2 전류밀도Current density 470mA/cm2 470 mA / cm 2 최대 파워밀도Power density 481mW/cm2 481mW / cm 2 최대 파워밀도Power density 300mW/cm2 300 mW / cm 2 비교예 4 Comparative Example 4 전류밀도Current density 620mA/cm2 620 mA / cm 2 전류밀도Current density 270mA/cm2 270mA / cm 2 최대 파워밀도Power density 373mW/cm2 373mW / cm 2 최대 파워밀도Power density 160mW/cm2 160 mW / cm 2

도 12 및 상기 표 4를 참조하면, 실시예 4에 따른 연료전지셀이 비교예 4에 의한 연료전지셀의 경우보다 높은 전류밀도 영역에서 높은 전압을 보이며, 파워밀도 역시 높다는 것을 알 수 있다. 이는 지르코늄 포스페이트가 고온에서도 다량의 수분을 보유할 수 있기 때문이라고 판단된다. 특히 높은 전류밀도에서 실시예 4에 따른 연료전지셀의 전압이 높고 성능이 우수한 이유는 본 발명에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막의 경우 흡습성이 좋기 때문에 높은 전류밀도에서도 과수분 현상이 발생하지 않기 때문이라고 할 수 있다. 130℃에서 본 발명에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막은 상기 비교예 4(나피온)의 174%의 전류밀도를 나타내며, 188%의 최대 파워밀도를 나타낸다.12 and Table 4, it can be seen that the fuel cell according to Example 4 shows a higher voltage in the higher current density region than the fuel cell according to Comparative Example 4, and the power density is also high. This is because zirconium phosphate can retain a large amount of water even at high temperatures. Particularly, the reason why the fuel cell according to the fourth embodiment has high voltage and high performance at high current density is that the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to the present invention has good hygroscopicity, so that no excessive moisture occurs even at high current density. It can be said that. The organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to the present invention at 130 ° C. shows a current density of 174% of Comparative Example 4 (Nafion) and a maximum power density of 188%.

도 13에는 실시예 4에 의해 제조된 연료전지셀에 대하여 전압 0.6 및 0.65V에서 시간의 경과에 따른 전지의 성능 테스트 결과를 도시하였다. 도 13을 참조하면, 실시예 4의 연료전지셀의 경우에는 전지의 성능이 40시간 이상 거의 동일하게 유지되는 것을 확인할 수 있다. FIG. 13 shows a performance test result of a battery over time at voltages of 0.6 and 0.65V for the fuel cell manufactured in Example 4. FIG. Referring to FIG. 13, in the case of the fuel cell of Example 4, it can be seen that the performance of the battery is maintained almost the same for more than 40 hours.

결론적으로, 본 발명에 따른 연료전지는 고온성능이 매우 우수하고, 촉매의 피독현상을 억제할 수 있어, 전지의 수명을 연장시킬 수 있음을 알 수 있다. In conclusion, it can be seen that the fuel cell according to the present invention has excellent high temperature performance and can suppress poisoning of the catalyst, thereby extending the life of the battery.

본 발명에 따른 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막은 종래의 불소계 막보 다 수분함습량이 높기때문에 높은 전류밀도에서도 과수분 현상이 적어서 전지의 효율을 향상시킬 수 있으며, 100℃ 이상의 고온에서도 연료전지가 안정하게 작동할 수 있게 함으로써 촉매의 피독현상을 방지하여, 연료전지의 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 종래의 불소계 막보다 제조가 용이하고 제조단가가 저렴함에도 우수한 전지특성을 보이므로 상기 불소계 막을 대체할 수 있다.Since the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to the present invention has a higher moisture content than a conventional fluorine-based membrane, there is less overmoisture phenomenon at high current densities, thereby improving the efficiency of the battery. It is possible to prevent the poisoning of the catalyst by extending the life of the fuel cell. In addition, it is easier to manufacture than the conventional fluorine-based film, and even though the manufacturing cost is low, because it shows excellent battery characteristics can replace the fluorine-based film.

Claims (9)

하기 식 1의 반복단위를 갖는 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막. An organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane having a repeating unit of Formula 1 below.
Figure 112008089440018-pat00006
(1)
Figure 112008089440018-pat00006
(One)
(상기 식에서 n은 100∼100,000의 정수이며, m, m', l, l'는 0 또는 1의 정수이고, m 및 m'와 l 및 l'는 동시에 0은 아니며, l 또는 l'이 0인 경우에는 ZrP 대신 수소원자가 결합되고, ZrP는 지르코늄 포스페이트 수화물임)Wherein n is an integer of 100 to 100,000, m, m ', l, l' is an integer of 0 or 1, m and m 'and l and l' are not 0 at the same time, and l or l 'is 0 Is a hydrogen atom instead of ZrP, and ZrP is zirconium phosphate hydrate)
제 1항에 있어서, 상기 고분자의 수평균분자량이 5,000∼1,000,000인 것을 특징으로 하는 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막. The organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to claim 1, wherein the polymer has a number average molecular weight of 5,000 to 1,000,000. 제 1항에 있어서, 상기 고분자의 당량무게 250∼2,500인 것을 특징으로 하는 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막. The organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane according to claim 1, wherein the equivalent weight of the polymer is 250 to 2,500. 제 1항에 있어서, 상기 지르코늄 포스페이트의 함량은 상기 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막의 10∼25중량%인 것을 특징으로 하는 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막. The organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane of claim 1, wherein the content of zirconium phosphate is 10 to 25% by weight of the organic-inorganic composite proton conductive polymer membrane. (a) 데카플루오로비페닐과 4,4'-(헥사플루오로이소프로필리덴)디페놀을 유기용매에 용해시키고 포타슘 카보네이트(K2CO3)를 첨가한 후 교반하며 가열하는 단계; (a) dissolving decafluorobiphenyl and 4,4 '-(hexafluoroisopropylidene) diphenol in an organic solvent, adding potassium carbonate (K 2 CO 3 ), followed by stirring and heating; (b) 상기 용액을 냉각시킨 후 아세트산 수용액에 부어 고분자를 침전시키는 단계; (b) cooling the solution and pouring it into an aqueous acetic acid solution to precipitate the polymer; (c) 상기에서 얻어진 고분자를 비양성자성 유기용매에 용해시킨 다음 강산기 부여제를 적가하며 술폰화하는 단계;(c) dissolving the polymer obtained above in an aprotic organic solvent and then sulfonating with addition of a strong acid-giving agent; (d) 상기 고분자를 아세톤에 용해시켜 막을 형성하는 단계; 및(d) dissolving the polymer in acetone to form a film; And (e) 상기 고분자막을 염화지르코늄 용액에 침지시킨 다음, 다시 인산용액에 침지시키는 단계를 포함하는 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자 막의 제조방법.(e) immersing the polymer membrane in a zirconium chloride solution, and then immersing it again in a phosphate solution. 제 5항에 있어서, 상기 비양성자성 유기용매는 클로로포름 또는 1,1,2,2-테트라클로로에탄인 것을 특징으로 하는 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자 막의 제조방법.The method of claim 5, wherein the aprotic organic solvent is chloroform or 1,1,2,2-tetrachloroethane. 제 5항에 있어서, 상기 강산기 부여제는 클로로술폰산(chlorosulfonic acid), 아세틸술포네이트(acetyl sulfonate) 또는 발연황산(fuming H2SO4)인 것을 특징으로 하는 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자 막의 제조방법.The method of claim 5, wherein the strong acid-providing agent is chlorosulfonic acid (chlorosulfonic acid), acetyl sulfonate (acetyl sulfonate) or fuming sulfuric acid (fuming H 2 SO 4 ) Preparation of organic-inorganic complex proton conductive polymer membrane Way. 제 5항에 있어서, 상기 (e)단계에서 지르코늄 포스페이트의 함량은 반응시간 또는 반응온도로 조절하는 것을 특징으로 하는 유-무기 복합 양성자 전도성 고분자막의 제조방법.The method of claim 5, wherein the content of zirconium phosphate in step (e) is controlled by reaction time or reaction temperature. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 의한 양성자 전도성 고분자막을 채용하여 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지.       A fuel cell produced by employing the proton conductive polymer membrane according to any one of claims 1 to 4.
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