KR100942167B1 - Cross-linked aromatic polymer electrolytes and composite membranes using them - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가교성 방향족 고분자 전해질 및 이를 이용한 연료전지용 복합막에 관한 것으로, 연료전지 등에 사용되는 복합막에 적합한, 가교기를 갖는 프로톤산기 함유 가교성 방향족 고분자 및 이로부터 얻어지는 연료전지용 고분자 복합막(전해질막)에 관한 것이다. The present invention relates to a crosslinkable aromatic polymer electrolyte and a composite membrane for a fuel cell using the same, wherein the crosslinkable aromatic polymer containing a protonic acid group having a crosslinking group suitable for a composite membrane used in a fuel cell or the like and a polymer composite membrane for a fuel cell obtained therefrom (electrolyte Membrane).

상기 프로톤산기 함유 가교성 방향족 고분자 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 것이며, 프로톤산기로부터 유도되지 않고, 고분자 부쇄로부터 직접 가교할 수 있는 가교기를 갖는 것으로, 이를 이용한 연료전지용 복합막은 우수한 이온전도성, 내열성, 내수성, 또한 저메탄올 투과성을 발현한다. The protonic acid group-containing crosslinkable aromatic polymer electrolyte is represented by the following Chemical Formula 1, and has a crosslinkable group which is not derived from the protonic acid group and can be directly crosslinked from the polymer subchain. The composite membrane for a fuel cell using the same has excellent ion conductivity, heat resistance, It expresses water resistance and low methanol permeability.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112007091168129-pat00001
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가교성, 방향족 고분자, 전해질, 연료전지, 복합막 Crosslinkable, aromatic polymer, electrolyte, fuel cell, composite membrane

Description

가교성 방향족 고분자 전해질 및 이를 이용한 연료전지용 복합막{Cross-linked aromatic polymer electrolytes and composite membranes using them}Cross-linked aromatic polymer electrolytes and composite membranes using them}

본 발명은 가교성 방향족 고분자 전해질 및 이를 이용한 연료전지용 복합막에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 연료전지 등에 사용되는 복합막에 적합한, 가교기를 갖는 프로톤산기 함유 가교성 방향족 고분자 및 이로부터 얻어지는 연료전지용 고분자 복합막(전해질막)에 관한 것이다. The present invention relates to a crosslinkable aromatic polymer electrolyte and a composite membrane for fuel cells using the same, and more particularly, to a crosslinkable aromatic polymer containing a protonic acid group having a crosslinking group suitable for a composite membrane used in a fuel cell and the like, and a polymer for a fuel cell obtained therefrom. It relates to a composite membrane (electrolyte membrane).

프로톤산기 함유 가교성 방향족 고분자 전해질은 하기 화학식 1로 표시되는 것이며, 프로톤산기로부터 유도되지 않고, 고분자 부쇄로부터 직접 가교할 수 있는 가교기를 갖는 것으로, 이를 이용한 연료전지용 복합막은 우수한 이온전도성, 내열성, 내수성, 또한 저메탄올 투과성을 발현한다. The crosslinkable aromatic polymer electrolyte containing a protonic acid group is represented by the following Chemical Formula 1, and has a crosslinkable group which is not derived from the protonic acid group and can be crosslinked directly from the polymer subchain. The composite membrane for a fuel cell using the same has excellent ion conductivity, heat resistance, and water resistance. It also expresses low methanol permeability.

[화학식 1][Formula 1]

일반적으로 프로톤 전도성이 높은 고분자 전해질막을 얻기 위해서는, 고도로 술폰화된 고분자가 필요하지만, 그러한 고분자는 친수성이 증가하여 물에 쉽게 용해되는 문제점을 가지고 있다(일본국 특개평10-45913호 등). Generally, highly sulfonated polymers are required to obtain polymer electrolyte membranes with high proton conductivity, but such polymers have a problem of increased hydrophilicity and easy dissolution in water (Japanese Patent Laid-Open No. 10-45913, etc.).

연료전지는 연료와 산소의 반응에 의해 물을 부생하는 것이기 때문에, 수용성 고분자는 연료전지용 고분자 전해질막으로 이용될 수 없다. 또한, 수용성이 아니어도 흡습성이 높을 경우에는 막의 팽윤이나 강도의 저하, 흡수한 물을 통한 연료의 크로스오버 문제가 있었다.Since a fuel cell is a by-product of water by reaction of fuel and oxygen, a water-soluble polymer cannot be used as a polymer electrolyte membrane for fuel cells. In addition, even if it is not water-soluble, if the hygroscopicity is high, there are problems of swelling of the membrane, a decrease in strength, and crossover of fuel through absorbed water.

이러한 흡습성 또는 팽윤성을 제어하기 위해 다공성 고분자 필름에 고분자 전해질을 충진하여 고분자 전해질막의 팽윤을 억제하고 이에 따라 연료의 크로스오버를 저감시킬 수 있는 막들이 개발되어왔다 (국제공개특허 WO 2003/075385, 일본국 특개소 64-22932, 일본국 특개평 1-158051).In order to control the hygroscopicity or swelling property, membranes have been developed that can be filled with a polymer electrolyte in a porous polymer film to suppress swelling of the polymer electrolyte membrane and thereby reduce fuel crossover (International Patent Publication WO 2003/075385, Japan). Japanese Patent Laid-Open No. 64-22932, Japanese Patent Laid-Open No. 1-158051).

한편, 고분자 전해질 자체로서도, 수용성을 갖지 않는 성분을 도입하는 것 없이, 수용성을 저하하고, 또한 용액 연료 및 전지 반응 부생물에 의한 고분자의 용출도 억제할 수 있는 방법으로서, 공유결합에 의한 가교구조가 주목 받아왔다.(대한민국 등록특허 10-0660433 참조)On the other hand, as a polymer electrolyte itself, a method of reducing water solubility and suppressing elution of a polymer by solution fuel and battery reaction by-products without introducing a component that does not have water solubility. Has been attracting attention (see Republic of Korea Patent Registration 10-0660433).

그러나 이러한 가교 결합은 프로톤산을 가교에 직접적으로 이용하여 프로톤 전도도를 저하시키는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로, 국제공개특허 WO 2003/033566에서는, 제막 시 또는 제막 후에 가교시킬 수 있고, 프로톤산 기로부터 유도되지 않으며, 탈리성분도 수반하지 않는 가교기구로서, 방향족환에 직접 결합한 탄소원자수 1 - 10의 알킬기 및 카보닐기인 가교기에 의한 광가교 방향족 고분자 전해질막을 제조하고, 메탄올에 수지가 10% 이상 용해되지 않는 막의 제조가 가능하였음을 적시하였으나, 특허에 기재된 대부분의 화학구조에서는 특허 내용과 동일한 광가교 조건에서 가교반응이 충분히 발현되지 않고 부분 가교에도 상당히 많은 에너지가 소비되는 단점이 있다.However, such crosslinking has a problem of lowering proton conductivity by directly using protonic acid for crosslinking. In order to solve this problem, WO 2003/033566 discloses a crosslinking mechanism which can be crosslinked during or after film formation, is not derived from protonic acid groups, and does not involve detachment components, and which is directly bonded to an aromatic ring. Although the photocrosslinked aromatic polymer electrolyte membrane was prepared by a crosslinking group having 1 to 10 carbon atoms and a carbonyl group, it was noted that it was possible to prepare a membrane in which at least 10% of the resin was not dissolved in methanol. There is a disadvantage in that the crosslinking reaction is not sufficiently expressed under the same photocrosslinking conditions as the patent contents, and a considerable amount of energy is consumed even in partial crosslinking.

따라서 본 발명은, 이러한 종래 기술이 갖는 문제를 해결하기 위해, 프로톤산기로부터 유도되지 않고 탈리성분이 수반되지 않으면서도 직접 가교가 발현되는 가교구조를 이용한 프로톤전도성 고분자 전해질과, 그것을 미세 다공성 탄화수소계 기재막에 충진한 후 열가교 또는 광가교하여 제조되는, 연료전지에 사용되는 프로톤전도성 고체고분자 전해질 복합막을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.Accordingly, the present invention, in order to solve the problem of the prior art, a proton conductive polymer electrolyte using a crosslinked structure that is not derived from a protonic acid group and does not involve detachment components but expresses crosslinking directly, and a microporous hydrocarbon-based substrate. An object of the present invention is to provide a proton conductive solid polymer electrolyte composite membrane for use in a fuel cell, which is prepared by filling a membrane and thermally crosslinking or photocrosslinking.

본 발명은 화학식 1로 표시되는 프로톤산기를 함유한 가교성 방향족 고분자 전해질, 지방족환 또는 방향족환에 비닐기가 결합된 모노머 및 라디칼 개시제를 극성 용매에 용해하고, 이 용액을 탄화수소계 미세 다공성 기재막의 세공에 함침하여 광가교 또는 열가교 중합하여 제조되는 연료전지용 복합막이 특징이다.The present invention dissolves a crosslinkable aromatic polymer electrolyte containing a protonic acid group represented by the formula (1), a monomer having a vinyl group bonded to an aliphatic ring or an aromatic ring, and a radical initiator in a polar solvent, and the solution is formed into pores of a hydrocarbon-based microporous substrate membrane. It is characterized by a composite membrane for a fuel cell produced by optical crosslinking or thermal crosslinking polymerization by impregnation.

본 발명의 프로톤산기 함유 가교성 방향족 고분자 전해질은 프로톤산기로부터 유도되지 않고, 고분자 부쇄로부터 직접 가교할 수 있는 가교기를 갖는 것으로, 이를 이용한 연료전지용 복합막은 우수한 이온전도성, 내열성, 내수성, 또한 저메탄올 투과성을 발현한다.The crosslinkable aromatic polymer electrolyte containing a protonic acid group of the present invention has a crosslinkable group which can be directly crosslinked from a polymer sub chain, not derived from a protonic acid group. The composite membrane for a fuel cell using the same has excellent ion conductivity, heat resistance, water resistance, and low methanol permeability. Expresses.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 탄소이중결합인 비닐기가 결합된 방향족환을 부쇄로 갖는 고분자 전해질을 직접 중합법에 의해 제조하고, 이를 이용하여 지방족환 또는 방향족환과 결합한 비닐 모노머와 함께 다공성 탄화수소계 기재막에 충진한 다음 열가교 또는 광가교하여 고체고분자 연료전지용 복합막을 제공한다.In order to achieve the above object, in the present invention, a polymer electrolyte having an aromatic ring having a vinyl group bonded to a carbon double bond as a secondary chain is prepared by a direct polymerization method, and a porous hydrocarbon together with a vinyl monomer bonded to an aliphatic ring or an aromatic ring using the polymer electrolyte. After filling the base substrate film and thermal crosslinking or photocrosslinking to provide a composite membrane for a solid polymer fuel cell.

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

본 발명에 따른 고분자 전해질은 2단계의 직접 중합법에 의해 합성된 고분자로서, 주쇄 반복 구조 중 한 부분에 부쇄로서 탄소이중결합인 비닐기가 결합된 방향족환을 보유하여 라디칼 개시에 의한 가교가 발현되는 하기의 화학식 1의 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.The polymer electrolyte according to the present invention is a polymer synthesized by a two-step direct polymerization method, in which one part of the main chain repeating structure has an aromatic ring in which a vinyl group, which is a carbon double bond, is bonded as a sub chain, thereby expressing crosslinking due to radical initiation. It is characterized by having the structure of Formula 1.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112007091168129-pat00003
Figure 112007091168129-pat00003

여기에서, W, X, Y는 각각 SO2, CO2, CH3-CH2-CH3, CF3-CH2-CF3, S 중 독립적으로 하나 또는 그 이상을 나타내고, Here, W, X, Y each independently represent one or more of SO2, CO2, CH3-CH2-CH3, CF3-CH2-CF3, S,

Z는 C-CH3, C-CF3, C-H 중 하나이며,Z is one of C-CH3, C-CF3, C-H,

a + c = b + d의 비율을 만족함과 동시에,while satisfying the ratio a + c = b + d,

a와 c의 비율을 조절하여 고분자의 술폰화도가 증감되고,By adjusting the ratio of a and c the sulfonation degree of the polymer is increased or decreased,

b와 d의 비율을 조절하여 고분자의 가교도가 증감될 수 있는 합성 고분자이며, It is a synthetic polymer that can increase or decrease the degree of crosslinking of the polymer by adjusting the ratio of b and d,

이와 반응하는 지방족환 또는 방향족환과 결합한 비닐 모노머로서As a vinyl monomer combined with an aliphatic ring or aromatic ring reacting with

Figure 112007091168129-pat00004
스티렌 모노머,
Figure 112007091168129-pat00005
디비닐벤젠 모노머,
Figure 112007091168129-pat00006
비닐피롤리돈 모노머 등이 사용될 수 있으나 이에 국한되는 것은 아니다.
Figure 112007091168129-pat00004
Styrene monomer,
Figure 112007091168129-pat00005
Divinylbenzene monomer,
Figure 112007091168129-pat00006
Vinylpyrrolidone monomer and the like may be used, but are not limited thereto.

본 발명에 따라 제조된 상기 화학식 1의 구조를 갖는 가교성 방향족 고분자 전해질, 지방족환 또는 방향족환에 비닐기가 결합된 비닐모노머 중 하나 또는 그 이상의 모노머 및 라디칼 개시제를 디메틸아세트아마이드, 니트로메틸피롤리돈, 디메틸술폭시드 등의 극성 용매에 용해하고, 이 용액을 탄화수소계 미세 다공성 기재의 세공에 함침하여 PET필름 사이에 적층한 후, 광가교 또는 열가교 중합에 의해 제조되어 고체고분자 연료전지용 막으로 사용되며, 기재막의 기계적 구조 제어에 의해 친수성 고분자 전해질의 팽윤을 억제하고 연료 크로스오버를 크게 낮출 수 있다.A crosslinkable aromatic polymer electrolyte having a structure of Chemical Formula 1 prepared according to the present invention, one or more monomers and radical initiators of vinyl monomers bonded to an aliphatic ring or an aromatic ring to dimethylacetamide, nitromethylpyrrolidone Dissolved in a polar solvent such as dimethyl sulfoxide, impregnated with pores of a hydrocarbon-based microporous substrate, laminated between PET films, and prepared by photocrosslinking or thermal crosslinking polymerization to be used as a membrane for solid polymer fuel cells. By controlling the mechanical structure of the base film, swelling of the hydrophilic polymer electrolyte can be suppressed and fuel crossover can be greatly reduced.

본 발명에서 제조되는 상기 고분자 전해질 구조 중 d 항에 해당하는 탄소이중결합부는, 주쇄의 중합에 사용되는 1,1,1-tris(4-hydroxyphenyl)ethane의 OH 관능기 중 하나를 OH 1몰에 대하여 1.1 - 1.5 몰비, 바람직하기로는 1.1 - 1.25 몰비의 탄산칼슘을 이용하여 염기분위기에서 OK로 치환한 후, 할로겐메틸스티렌과 직접 중합법에 의해, 50 중량%의 극성 용매하에서 60 - 100 oC, 바람직하기로는 70 - 90 oC에서 5 - 10 시간 직접 중합하여 상기 구조의 고분자 전해질을 제조한다.Carbon double bond portion corresponding to d in the polymer electrolyte structure prepared in the present invention, one of the OH functional groups of 1,1,1-tris (4-hydroxyphenyl) ethane used for polymerization of the main chain with respect to 1 mol of OH 1.1 to 1.5 molar ratios, preferably 1.1 to 1.25 molar ratios of calcium carbonate, substituted with OK in a base atmosphere, followed by direct polymerization with halogen methyl styrene in a solvent of 60 to 100 ° C. under 50% by weight of a polar solvent, Preferably, the polymer electrolyte of the above structure is prepared by direct polymerization at 70-90 ° C. for 5-10 hours.

본 발명에 따른 탄화수소계 미세 다공성 기재막은, 공극 부피가 30 - 70 %, 보다 바람직하기로는 35 - 50 %이고, 기공 사이즈가 0.05 - 0.1 마이크로미터, 보다 바람직하기로는 0.07 - 0.1 마이크로미터이며, 두께가 10 - 30 마이크로미터, 보다 바람직하기로는 20 - 30 마이크로미터인 폴리올레핀, 폴리이미드, 폴리아미드 이미드 등의 탄화수소계 막을 사용하지만 이에 국한되는 것은 아니다. 이러한 기재막을 사용하여 막의 기계적 강도를 상용 연료전지막 이상으로 높이면서도 막의 두께를 최소화하여 연료전지 성능을 향상시킬 수 있다.The hydrocarbon-based microporous substrate membrane according to the present invention has a pore volume of 30-70%, more preferably 35-50%, a pore size of 0.05-0.1 micrometer, more preferably 0.07-0.1 micrometer, and a thickness. Hydrocarbon-based membranes such as polyolefins, polyimides, polyamide imides having a value of 10 to 30 micrometers, more preferably 20 to 30 micrometers, are used, but are not limited thereto. By using such a base film, it is possible to improve fuel cell performance by minimizing the thickness of the membrane while increasing the mechanical strength of the membrane beyond the commercial fuel cell membrane.

상기 탄화수소계 미세 다공성 기재막은, 농도 98% 이상의 황산과 농도 96% 이상의 염화황산을 1 대 1 중량비로 혼합한 용액에 침지하여, 30 - 60 oC, 바람직하기로는 45 - 50 oC에서 2 - 5 시간, 바람직하기로는 3 - 4 시간 반응한 후, 2 노르말 농도의 수산화나트륨 용액으로 1일 이상 세정하여 기재막을 술폰친수화하여 고분자 전해질의 충진율을 높이고 가교 밀도를 향상 시킬 수 있다.The hydrocarbon-based microporous substrate membrane is immersed in a solution in which a sulfuric acid concentration of 98% or higher concentration and sulfuric acid chloride of 96% or higher concentration are mixed in a 1 to 1 weight ratio, and preferably 30 to 60 o C, preferably 45 to 50 o C. After reacting for 5 hours, preferably 3-4 hours, the substrate membrane can be washed with a 2 normal sodium hydroxide solution for at least 1 day to increase the filling rate of the polymer electrolyte and improve the crosslinking density.

상기에서 제조된 고분자 전해질과 열개시제 또는 광개시제를 디메틸아세트아마이드(DMAc), 니트로메틸피롤리돈(NMP), 디메틸술폭시드(DMSo) 등의 극성 용매 중 하나에 30 - 50 중량%, 바람직하게는 40 - 45 중량%가 되도록 용해하여 용액을 제조한 다음, 술폰친수화된 또는 순수한 기재를 5 - 60 초, 바람직하기로는 10 - 30 초간 침지하고, 30 - 100 마이크로미터, 바람직하게는 30 - 50 마이크로미터 두께인 두 개의 투명 PET 필름 사이에 적층한 후, 질소 분위기 하에 100 - 110 oC 에서 1 - 2 시간 열가교, 또는 2,000 - 10,000 mJ/cm2, 보다 바람직하기로는 2,000 5,000 mJ/cm2의 자외선 에너지를 조사하여 광가교하여 고분자 전해질 복합막을 제조 하며, 기재에 의한 기계적 팽윤 억제와 가교에 의해 고분자 밀도가 높아지게 되어 불소계 상용막이 가지고 있는 팽윤 문제를 해결할 수 있고, 메탄올을 포함한 연료의 막 투과 현상을 억제할 수 있어서 직접 메탄올 연료전지를 포함하는 고분자 전해질막 연료전지에 사용되어 전지의 전기적 성능을 향상시킬 수 있다.The polymer electrolyte and the thermal initiator or photoinitiator prepared above are 30-50% by weight in one of polar solvents such as dimethylacetamide (DMAc), nitromethylpyrrolidone (NMP), and dimethyl sulfoxide (DMSo), preferably The solution is prepared by dissolving to 40-45% by weight, then immersing the sulfonated or pure substrate for 5-60 seconds, preferably 10-30 seconds, and 30-100 micrometers, preferably 30-50 After lamination between two micrometer-thick transparent PET films, it is then thermally cross-linked at 100-110 o C for 1-2 hours, or 2,000-10,000 mJ / cm 2 , more preferably 2,000 5,000 mJ / cm 2 , under nitrogen atmosphere. It is possible to solve the swelling problem of the fluorine-based commercial membrane by irradiating the UV energy of the optical cross-linking to produce a polymer electrolyte composite membrane, the polymer density is increased by the inhibition of mechanical swelling and crosslinking by the substrate. The membrane permeation phenomenon of the fuel containing methanol can be suppressed, and thus, the polymer electrolyte membrane fuel cell including a direct methanol fuel cell can be used to improve the electrical performance of the battery.

이하, 본 발명을 하기 실시예 및 비교예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이것에 의해 하등 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 이온전도성 고분자막의 각종 시험 및 성능 평가는 다음과 같은 방법으로 실시하였다.Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in detail, this invention is not restrict | limited at all by this. Various tests and performance evaluations of the ion conductive polymer membranes prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention were carried out in the following manner.

1. 인장강도1. Tensile strength

복합막(전해질막)의 인장력(kpsi)을 ASTM 882에 기재된 방법에 따라 측정하였다.The tensile force (kpsi) of the composite membrane (electrolyte membrane) was measured according to the method described in ASTM 882.

2. 프로톤 전도도2. Proton Conductivity

실시예 및 비교에에서 제조된 막을 25 oC의 증류수에 1시간 침지한 다음, 막 표면의 물을 제거하지 않고 직사각형 백금 전극을 고정시킨 유리기판 2매 사이에 넣어 유리기판을 고정시킨 후, 100 Hz - 4 MHz 교류 임피던스 측정을 실시하여 막의 프로톤 전도도를 측정하였다.The membrane prepared in Examples and Comparative Examples was immersed in distilled water at 25 ° C. for 1 hour, and then placed between two glass substrates on which a rectangular platinum electrode was fixed without removing water from the surface of the membrane to fix the glass substrate. Hz-4 MHz alternating current impedance measurement was performed to measure the proton conductivity of the membrane.

3. 메탄올 투과율3. Methanol transmittance

복합막 시료를 도 1에 나타낸 메탄올 투과도 측정장치에 장착한 다음, 막 좌측 용기에 10 wt% 메탄올 용액을 담고, 막 우측에는 증류수를 담았다. 시간이 경과함에 따라 메탄올이 막 시료를 통과하여 증류수 방향으로 이동하므로, 상온 조건에서 2시간이 경과한 증류수 측 용액을 일부 채취하여 가스크로마토그래피 측정을 통해 막의 메탄올 투과도 (kg/m2·h)를 계산하였다.The composite membrane sample was mounted in the methanol permeability measuring apparatus shown in FIG. 1, and then 10 wt% methanol solution was placed in a container on the left side of the membrane, and distilled water was placed on the right side of the membrane. As time passes, methanol passes through the membrane sample and moves toward the distilled water. Thus, the methanol permeability of the membrane is measured through gas chromatography after collecting a part of the distilled water side solution after 2 hours at room temperature (kg / m 2 · h). Was calculated.

실시예Example

1) 가교성 프로톤전도성 고분자 전해질의 합성 1) Synthesis of Crosslinkable Proton Conductive Polymer Electrolyte

Figure 112007091168129-pat00007
Figure 112007091168129-pat00007

1단계 중합으로써, 술폰화된 dichlorodiphenylsulfone sodium 염 9.825 g (0.02 mol), 4,4'-dihydroxydiphenylsulfone 2.5027 g (0.01 mol), 1,1,1-tris(4-hydroxyphenyl)ethane 3.0636 g (0.01 mol)을 20 ml의 니트로메틸피롤리돈에 완전히 용해 후, 무수탄산칼륨 2.764 g (0.02 mol)과 함께 질소 충진 및 용매 환류를 위한 Dean-stark 트랩이 장착된 200 ml 부피의 3구 플라스크에 넣고 충분히 분산시 키며 20 ml의 톨루엔을 추가로 넣어 용액을 상온에서 1시간 교반하였다.As a one-step polymerization, sulfonated dichlorodiphenylsulfone sodium salt 9.825 g (0.02 mol), 4,4'-dihydroxydiphenylsulfone 2.5027 g (0.01 mol), 1,1,1-tris (4-hydroxyphenyl) ethane 3.0636 g (0.01 mol) Was dissolved completely in 20 ml of nitromethylpyrrolidone and then dispersed in a 200 ml volume three-necked flask equipped with a Dean-stark trap for nitrogen filling and solvent reflux with 2.764 g (0.02 mol) of anhydrous potassium carbonate. 20 ml of toluene was added thereto, and the solution was stirred at room temperature for 1 hour.

질소 분위기 하에서 145 oC 까지 온도를 상승하면서, 중합반응에 의해 생성된 물은 공비점으로 함께 기화되는 톨루엔의 환류를 이용하여 제거하였다. 같은 온도에서 5시간 동안 반응을 유지한 후, 185 oC 로 온도를 상승하여 20시간 동안 중합하였다.While raising the temperature to 145 ° C. under a nitrogen atmosphere, the water produced by the polymerization reaction was removed using reflux of toluene vaporized together at the azeotropic point. After maintaining the reaction at the same temperature for 5 hours, the temperature was increased to 185 ° C. and polymerized for 20 hours.

중합이 완료된 후, 미반응된 1,1,1-tris(4-hydroxyphenyl)ethane의 OH 관능기를 다시 OK로 치환하기 위해 적당량의 무수탄산칼륨과 20 ml의 톨루엔을 추가로 넣은 후, 상기와 같이 질소 분위기 하에서 145 oC 까지 온도를 상승하면서, OK로 치환을 유도하였다. After the polymerization is completed, an appropriate amount of anhydrous potassium carbonate and 20 ml of toluene are further added to replace the OH functional group of unreacted 1,1,1-tris (4-hydroxyphenyl) ethane with OK again. While raising the temperature to 145 ° C. under a nitrogen atmosphere, substitutions were induced with OK.

반응이 완료된 고분자 용액을 상온으로 냉각한 후 40 ml의 니트로메틸피롤리돈을 추가로 적가하여 고분자 용액을 희석시킨 후, 멤브레인 필터를 이용하여 미반응 탄산칼륨 및 염화칼륨 부생물을 제거하고, 고분자 용액을 적당량의 이소프로필알콜에 부어 미반응 모노머 제거와 동시에 고분자 전해질을 침전시켰다. After the reaction was completed, the polymer solution was cooled to room temperature, and 40 ml of nitromethylpyrrolidone was further added dropwise to dilute the polymer solution. A membrane filter was used to remove unreacted potassium carbonate and potassium chloride by-products. Was poured into an appropriate amount of isopropyl alcohol to precipitate the polymer electrolyte at the same time as removing the unreacted monomer.

침전된 고분자 전해질은 120 oC에서 12시간 진공 건조 후, 무게를 재어 수율을 확인하고 고분자 전해질 당량을 계산한 다음, 2단계 중합으로써 OK로 치환된 관능기 1 당량에 대해 2 내지 3배의 클로로메틸스티렌과 함께 200 ml 플라스크에 넣고 50 wt% 농도로 NMP에 다시 용해되었다. The precipitated polymer electrolyte was vacuum dried at 120 ° C. for 12 hours, weighed to confirm the yield, the polymer electrolyte equivalent was calculated, and then 2- to 3-fold chloromethyl relative to 1 equivalent of functional groups substituted by OK by two-step polymerization. Into a 200 ml flask with styrene was dissolved again in NMP at a concentration of 50 wt%.

용액을 70 - 90 oC에서 5 - 10 시간 직접 중합하여 상기 구조의 고분자 전해 질을 제조하였다.The polymer was directly polymerized at 70-90 o C for 5-10 hours to prepare a polymer electrolyte of the above structure.

상기 1단계와 동일한 방법을 이용하여 최종적으로 제조된 고분자 전해질을 침전 및 건조 후, 다공성 기재에 충진을 위해 고분자 전해질과 지방족환 또는 방향족환에 비닐기가 결합된 비닐모노머를 극성 용매에 용해하되, 상기 고분자 전해질은 40 wt% 농도로, 비닐모노머는 상기 고분자 전해질 100 중량부에 대해 3 - 10 중량부의 농도로 디메틸아세테이트에 용해한다.After precipitating and drying the finally prepared polymer electrolyte using the same method as in step 1, to dissolve the vinyl monomer having a vinyl group bonded to the polymer electrolyte and an aliphatic ring or aromatic ring in a polar solvent to fill the porous substrate, The polymer electrolyte is dissolved in dimethyl acetate at a concentration of 40 wt% and the vinyl monomer at a concentration of 3-10 parts by weight relative to 100 parts by weight of the polymer electrolyte.

2) 미세 다공성 탄화수소계 기재막의 친수처리2) Hydrophilic Treatment of Microporous Hydrocarbon Base Membrane

공극부피 30%, 평균 공극크기 0.1 마이크로미터, 두께 30 마이크로미터인 미세 다공성 폴리에틸렌 기재막(아사히화성케미칼즈, 일본)을 적당한 크기로 자른 후, 농도 98% 이상의 황산과 농도 96% 이상의 염화황산을 1 대 1 중량비로 혼합한 용액에 침지하여, 40 oC에서 3시간 반응하여 기재를 친수화 하였다. 친수화된 기재막에 남아 있는 염화물을 제거하기 위해 2 노르말 농도의 수산화나트륨 용액으로 1일 이상 세정한 후, 70 oC 오븐에서 2시간 이상 건조하여 술폰친수화 기재막을 제조하였다.After cutting the microporous polyethylene base film (Asahi Kasei Chemicals, Japan) having a pore volume of 30%, an average pore size of 0.1 micrometer, and a thickness of 30 micrometer (Asahi Kasei Chemicals, Japan) into a suitable size, sulfuric acid having a concentration of 98% or more and sulfuric acid chloride of 96% or more The substrate was immersed in a solution mixed at a weight ratio of 1 to 1, and reacted at 40 ° C. for 3 hours to hydrophilize the substrate. In order to remove the chloride remaining in the hydrophilized substrate membrane was washed with a sodium hydroxide solution of 2 normal concentration for at least 1 day, and then dried in a 70 ° C oven for 2 hours or more to prepare a sulfonated hydrophilic substrate membrane.

3) 합성 고분자 전해질의 세공 충진 및 열가교 또는 광가교3) Pore filling and thermal crosslinking or optical crosslinking of synthetic polymer electrolyte

1)에서 제조된 고분자 전해질 및 비닐모노머 용해 용액에 적당량의 라디칼 개시제(열개시제 또는 광개시제)를 용해한 다음, 2)에서 제조된 기재막을 30초간 침지하여 미세공 내에 고분자 전해질이 완전히 충진되도록 하였다. After dissolving an appropriate amount of radical initiator (thermal initiator or photoinitiator) in the polymer electrolyte and vinyl monomer dissolution solution prepared in 1), the substrate membrane prepared in 2) was immersed for 30 seconds to completely fill the polymer electrolyte in the micropores.

고분자 전해질이 충진된 기재막을 50마이크로미터 두께인 두 개의 PET 필름 사이에 놓은 후, PET 필름을 완전히 밀착하여 여분의 고분자 전해질 용액을 제거하고 질소 분위기 하에 100 - 110 oC 오븐을 이용하여 1 - 2 시간 열가교, 또는 340 nm 파장의 경화용 자외선(UV)조사 장치에 넣고 2,000 - 5,000 mJ/cm2의 자외선 에너지를 조사하여 광가교하여 고분자 전해질 복합막을 제조하였다.Substrate filled with a polymer electrolyte was placed between two PET films 50 micrometers thick, and then the PET film was completely adhered to remove the excess polymer electrolyte solution, using a 100-110 o C oven under a nitrogen atmosphere. The polymer electrolyte composite membrane was prepared by time cross-linking or UV-curing at 2,000-5,000 mJ / cm 2 into a curing ultraviolet (UV) irradiation apparatus having a wavelength of 340 nm.

PET 필름을 제거한 후, 물로 표면의 고분자를 제거하고 2노르말 농도의 염산에 넣어 고분자 전해질을 완전히 산으로 치환하였다. After the PET film was removed, the polymer on the surface was removed with water, and the polymer electrolyte was completely replaced with acid by putting in 2 normal hydrochloric acid.

산으로 치환된 고분자 전해질 복합막의 인장강도, 프로톤 전도도, 메탄올 투과도, 증류수 및 메탄올에 대한 막면적 증가율(팽윤도)를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. Tensile strength, proton conductivity, methanol permeability, membrane area increase rate (swelling degree) for distilled water and methanol were measured and the results are shown in Table 1 below.

또한, 제조된 가교 고분자 전해질 복합막의 극성 용매에 대한 용해도를 확인하기 위해, 상온(1) 및 70 oC(2)의 증류수에서 1일, 100 oC(3) 증류수에서 1 시간, 상온의 디메틸아세테이트 용매(4)에 1일 침지한 후, 물로 세정 및 건조하여 무게를 측정하여 잔존 고분자 전해질을 비교한 결과를 도 2에 나타내었다.In addition, in order to confirm the solubility in the polar solvent of the prepared cross-linked polymer electrolyte composite membrane, 1 day in distilled water at room temperature (1) and 70 ° C (2), 1 hour in distilled water at 100 ° C (3), room temperature dimethyl After immersing in an acetate solvent (4) for 1 day, washing and drying with water were measured to weigh the result, and the result of comparing the remaining polymer electrolyte is shown in FIG. 2.

비교예Comparative example

시판 중인 이온교환막인 나피온117막(듀퐁, 미국)의 인장강도, 프로톤 전도 도, 메탄올 투과도, 증류수 및 메탄올에 1시간 침지 후의 막면적 팽윤도를 하기 표 1에 나타내어 실시예와 비교하였다.Tensile strength, proton conductivity, methanol permeability, membrane area swelling degree after 1 hour immersion in distilled water and methanol of a commercially available ion exchange membrane, Nafion 117 membrane (Dupont, USA) are shown in Table 1 below and compared with Examples.

실시예Example 비교예Comparative example 인장강도 (kpsi)Tensile strength (kpsi) 23.0(MD), 20.0(TD)23.0 (MD), 20.0 (TD) 6.3(MD), 4.7(TD)6.3 (MD), 4.7 (TD) 프로톤 전도도 (S/cm)Proton Conductivity (S / cm) 0.080.08 0.080.08 메탄올 투과도 (kg/m2·h)Methanol Permeability (kg / m 2 · h) 0.100.10 0.280.28 단위면적 팽윤도%Unit Area Swelling% 상온증류수Room temperature distilled water 99 3030 70 oC 증류수70 o C distilled water 1212 5555 메탄올Methanol 1010 5050 MD: 기계 진행방향 (machine direction) TD: 횡방향 (transverse direction)MD: machine direction TD: transverse direction

상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 제조된 실시예의 광가교 고분자 전해질 복합막은 상용화되고 있는 비교예의 막에 비해 인장강도가 매우 우수하였고, 메탄올 투과도가 비교예의 막에 비해 1/3 수준으로 안정하여 저가의 환경친화적 탄화수소계 연료전지용 막으로서 비교예의 상용막을 대체할 수 있을 것으로 예상된다.As can be seen from Table 1, the optical cross-linked polymer electrolyte composite membrane of the embodiment prepared in the present invention was very excellent in tensile strength compared to the membrane of the comparative example commercialized, methanol permeability 1/3 level compared to the membrane of the comparative example It is expected to be able to replace the commercial membrane of the comparative example as a low cost and environmentally friendly hydrocarbon fuel cell membrane.

또한 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 가교 고분자 전해질 복합막은 충분한 가교가 이루어져 높은 프로톤산기를 함유함에도 불구하고 고온의 증류수는 물론 유기 용매에 거의 용해되지 않는다는 것을 확인할 수 있다.As can be seen from FIG. 2, it can be seen that the crosslinked polymer electrolyte composite membrane prepared according to the present invention is hardly soluble in hot distilled water as well as an organic solvent, despite having sufficient crosslinking to contain a high protonic acid group.

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자 복합막의 메탄올 투과도를 측정하기 위한 장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a device for measuring the methanol permeability of the polymer composite membrane prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에서 제조된 가교 고분자 전해질 복합막의 극성 용매에 대한 용해도를 확인하기 위해, 상온(1) 및 70 oC(2)의 증류수에서 1일, 100 oC(3) 증류수에서 1 시간, 상온의 디메틸아세테이트 용매(4)에 1일 침지 후, 잔존 고분자 전해질 변화량을 나타낸 그래프이다.Figure 2 is a day, 100 o C (3) distilled water at room temperature (1) and 70 o C (2) distilled water in order to confirm the solubility in the polar solvent of the cross-linked polymer electrolyte composite membrane prepared in an embodiment of the present invention It is a graph showing the amount of residual polymer electrolyte change after immersion in dimethyl acetate solvent (4) at room temperature for 1 hour at 1 hour.

Claims (8)

하기 화학식 1로 표시되는 프로톤산기를 함유한 가교성 방향족 고분자 전해질Crosslinkable aromatic polymer electrolyte containing a protonic acid group represented by the following formula (1) [화학식 1][Formula 1]
Figure 112007091168129-pat00008
Figure 112007091168129-pat00008
상기 식에서,Where W, X, Y는 각각 SO2, CO2, CH3-CH2-CH3, CF3-CF2-CF3, S 중 독립적으로 하나 또는 그 이상을 나타내고, W, X, Y each independently represent one or more of SO 2 , CO 2 , CH 3 -CH 2 -CH 3 , CF 3 -CF 2 -CF 3 , S, Z는 C-CH3, C-CF3, C-H 중 어느 하나이며,Z is any one of C-CH 3 , C-CF 3 , CH, a + c = b + d의 비율을 만족함과 동시에,while satisfying the ratio a + c = b + d, a와 c의 비율을 조절하여 고분자의 술폰화도가 증감되고,By adjusting the ratio of a and c the sulfonation degree of the polymer is increased or decreased, b와 d의 비율을 조절하여 고분자의 가교도가 증감될 수 있다.The degree of crosslinking of the polymer may be increased or decreased by adjusting the ratio of b and d.
제1항의 화학식 1의 구조를 갖는 가교성 방향족 고분자 전해질, 지방족환 또는 방향족환에 비닐기가 결합된 모노머, 및 라디칼 개시제를 극성 용매에 용해한 용해액을 탄화수소계 미세 다공성 기재막의 세공에 함침하여 광가교 또는 열가교 중합하여 제조되는 연료전지용 복합막Photocrosslinking by impregnating the pores of the hydrocarbon-based microporous substrate membrane with a crosslinkable aromatic polymer electrolyte having a structure of Formula 1, a monomer having a vinyl group bonded to an aliphatic ring or an aromatic ring, and a solution in which a radical initiator is dissolved in a polar solvent Or composite membrane for fuel cell prepared by thermal crosslinking polymerization 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 미세 다공성 기재로는, 공극 부피가 30 - 70 %, 기공 사이즈가 0.05 - 0.1 마이크로미터, 두께가 10 - 30 마이크로미터인 다공성 탄화수소계 막을 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합막As the microporous substrate, a composite membrane for a fuel cell, characterized in that a porous hydrocarbon membrane having a pore volume of 30 to 70%, a pore size of 0.05 to 0.1 micrometers, and a thickness of 10 to 30 micrometers is used. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 탄화수소계 미세 다공성 기재막을, 농도 98% 이상의 황산과 농도 96% 이상의 염화황산을 1 대 1 중량비로 혼합한 용액에 침지하여 술폰친수화하여 고분자 전해질의 충진율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합막The hydrocarbon-based microporous substrate membrane is immersed in a solution in which a sulfuric acid concentration of 98% or more and a sulfuric acid chloride of 96% or more are mixed in a one-to-one weight ratio to sulfonate to improve the filling rate of the polymer electrolyte. membrane 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 탄화수소계 미세 다공성 기재막을 고분자 전해질 용액에 10 - 30 초간 침지하고, 30 - 50 마이크로미터 두께인 두 개의 투명 PET 필름 사이에 적층한 후, 질소 분위기 하에 100 - 110 oC 에서 1 - 2 시간 열가교 하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합막The hydrocarbon-based microporous substrate membrane was immersed in a polymer electrolyte solution for 10-30 seconds, laminated between two transparent PET films having a thickness of 30-50 micrometers, and then heated at 100-110 o C for 1-2 hours under a nitrogen atmosphere. Composite membrane for fuel cell, characterized in that crosslinking 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 탄화수소계 미세 다공성 기재막을 고분자 전해질 용액에 10 - 30 초간 침지하고, 30 - 50 마이크로미터 두께인 두 개의 투명 PET 필름 사이에 적층한 후, 질소 분위기 하에 2,000 - 10,000 mJ/cm2의 자외선 에너지를 조사하여 광가교하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합막The hydrocarbon-based microporous substrate membrane was immersed in a polymer electrolyte solution for 10-30 seconds, laminated between two transparent PET films 30-50 micrometers thick, and then subjected to ultraviolet energy of 2,000-10,000 mJ / cm 2 under a nitrogen atmosphere. Composite membrane for fuel cell, characterized in that light irradiated by cross-linking 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 2 to 6, 상기 복합막은 물에 팽윤시킨 상태의 상온에서 프로톤 전도도가 0.05 S/cm 이상의 값을 갖는 것을 특징으로 연료전지용 복합막The composite membrane has a proton conductivity of 0.05 S / cm or more at room temperature in a state of being swollen in water. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 2 to 6, 상기 복합막은 70 oC 이하의 물 또는 메탄올에 1시간 이상 팽윤시킨 상태에서 면적 증가율이 20 % 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합막The composite membrane is a fuel cell composite membrane, characterized in that the area increase rate of 20% or less in a state of swelling in water or methanol of 70 ° C or less for 1 hour or more.
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