KR100954699B1 - Photo-crosslinkable aromatic polymer composite membranes for fuel cells and its preparation method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 광가교 방향족 고분자 복합막과 그 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 프로톤산기로부터 유도되지 않고 탈리성분이 수반되지 않으면서도 직접 광가교가 발현되는 방향환에 메틸기가 결합한 특정 메틸렌과 카보닐 가교구조를 이용한 이온전도성 수지와, 그것을 사용하여 광가교를 촉진하는 표면 개질된 미세 다공성 올레핀 기재막을 사용하여 이루어지는, 연료전지에 사용되는 고분자막 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.The present invention relates to a photocrosslinked aromatic polymer composite membrane for a fuel cell and a method for manufacturing the same, and an object thereof is a specific methylene having a methyl group bonded to an aromatic ring which is not derived from a protonic acid group and does not involve desorption and direct photocrosslinking. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a polymer membrane for use in a fuel cell, and a method for producing the same, comprising an ion conductive resin using a carbonyl crosslinked structure and a surface-modified microporous olefin base membrane using the same to promote photocrosslinking.

본 발명은 연료전지용 이온전도성 광가교 방향족 고분자 복합막 제조방법에 있어서, 반복단위구조를 갖는 고분자를 염기 분위기에서 직접 중합하는 광가교성 이온전도성 고분자 전해질의 합성단계(S1);상기 광가교성 이온전도성 고분자 전해질의 합성단계(S1)에서 중합된 고분자를 극성 용매에 용해하고, 이 용액을 미세 다공성 탄화수소계 기재막의 세공에 함침하여 PET필름 사이에 적층한 후, 광가교 및 열처리하는 합성 고분자 전해질의 세공 충전 및 광가교 단계(S2);로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 광가교 방향족 고분자 복합막 제조방법 및 이로부터 제조되는 고분자 복합막을 그 기술적 사상의 특징으로 한다.The present invention provides a method for preparing an ion conductive photocrosslinked aromatic polymer composite membrane for fuel cells, comprising: synthesizing a photocrosslinkable ion conductive polymer electrolyte in which a polymer having a repeating unit structure is directly polymerized in a base atmosphere (S1); the photocrosslinkable ion conductive polymer The polymer polymerized in the synthesis step of the electrolyte (S1) is dissolved in a polar solvent, the solution is impregnated into the pores of the microporous hydrocarbon-based base film, laminated between PET films, and then filled with pores of the synthetic polymer electrolyte which is photocrosslinked and heat treated. And a photocrosslinking step (S2); and a method for manufacturing a photocrosslinkable aromatic polymer composite membrane for a fuel cell and a polymer composite membrane manufactured therefrom are characterized by technical features.

연료전지, 전해질막, 광가교, 저메탄올투과성, 프로톤 전도도 Fuel cell, electrolyte membrane, photocrosslinking, low methanol permeability, proton conductivity

Description

연료전지용 광가교 방향족 고분자 복합막과 그 제조방법 {Photo-crosslinkable aromatic polymer composite membranes for fuel cells and its preparation method}Photo-crosslinkable aromatic polymer composite membranes for fuel cells and its preparation method

본 발명은 연료전지용 광가교 방향족 고분자 복합막과 그 제조방법에 관한 것으로, 자세하게는 수소, 알코올 등을 연료로 사용하는 연료전지 등에 적용할 수 있는 이온전도성, 내용제성이 우수한 이온전도성 광가교 방향족 고분자와, 그것을 미세 다공성 폴리올레핀 기재막에 충전 및 광그래프트 가교하여 이루어지는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법 및 그 고분자 전해질막에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photocrosslinked aromatic polymer composite membrane for a fuel cell and a method of manufacturing the same. And a method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell formed by charging and photografting a microporous polyolefin base membrane to a microporous polyolefin substrate membrane and a polymer electrolyte membrane thereof.

최근, 환경문제 때문에 새로운 에너지 축전 또는 발전소자가 사회에서 강하게 요청되어오고 있다. 연료전지도 그 하나로서 주목받고 있어, 저공해, 고효율이라는 특징 때문에 가장 기대되는 발전소자이다. 연료전지는 수소나 메탄올 등의 연료를 산소 또는 공기를 이용하여 전기화학적으로 산화하는 것에 의해, 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환해서 얻는 것이다.Recently, due to environmental problems, new energy storage or power plants have been strongly requested in society. Fuel cells are also attracting attention as one of them, and they are the most expected generators due to their low pollution and high efficiency. A fuel cell converts chemical energy of a fuel into electrical energy by electrochemically oxidizing a fuel such as hydrogen or methanol using oxygen or air.

이러한 연료전지는, 이용하는 전해질의 종류에 따라 인산형, 용융 탄산염형, 고체산화물형 및 고분자전해질형으로 분류된다. Such fuel cells are classified into phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, and polymer electrolyte type according to the type of electrolyte used.

인산형 연료전지는, 이미 전력용으로 실용화되어 있다. 그러나, 인산형 연료전지는 고온(200℃ 전후)에서 작용시킬 필요가 있고, 그때문에 기동 시간이 길고, 시스템의 소형화가 곤란하며, 또한 인산의 이온전도도가 낮기 때문에 큰 전류를 얻을 수 없다는 결점을 갖고 있다.Phosphoric acid fuel cells have already been put to practical use for electric power. However, phosphoric acid fuel cells need to operate at high temperatures (around 200 ° C), which results in a long starting time, difficulty in miniaturizing the system, and inability to obtain large currents due to low ionic conductivity of phosphoric acid. Have

이에 대하여, 고분자전해질형 연료전지는 조작 온도가 최고 약 80∼100℃정도이다. 또한, 이용하는 전해질막을 얇게 하는 것에 의해 연료전지내의 내부저항을 저감할 수 있기 때문에 고전류에서 조작할 수 있고, 그때문에 소형화가 가능하다. 이러한 이점 때문에 고분자전해질형 연료전지의 연구가 활발히 행해지게 되었다.In contrast, the polymer electrolyte fuel cell has a maximum operating temperature of about 80 to 100 ° C. In addition, since the internal resistance in the fuel cell can be reduced by thinning the electrolyte membrane to be used, it can be operated at a high current, thereby miniaturizing it. Due to these advantages, research into polymer electrolyte fuel cells has been actively conducted.

고분자전해질형 연료전지에는, 연료로서 봄베, 배관 등으로부터 공급되는 순수소를 쓰는 타입 외에, 개질기에 의해 휘발유나 메탄올에서 수소를 발생시켜서 이용하는 타입 등이 있다. 또한, 연료로서 메탄올 수용액을 이용하여 직접 발전(發電)을 하는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC:Direct Methanol Fuel Cel1)도 개발되어 있다. 이 DMFC는 수소를 발생시키기 위한 개질기가 불필요하기 때문에 심플해서 조밀한 시스템을 구성할 수 있고, 특히 휴대기기용 전원으로서 주목받고 있다.In the polymer electrolyte fuel cell, in addition to the type of using pure hydrogen supplied from a cylinder, a pipe, or the like as a fuel, there is a type of generating and using hydrogen from gasoline or methanol by a reformer. In addition, a direct methanol fuel cell (DMFC: Direct Methanol Fuel Cel1) that directly generates electricity by using an aqueous methanol solution as a fuel has also been developed. Since the DMFC does not require a reformer for generating hydrogen, it is simple and can form a compact system. In particular, the DMFC is drawing attention as a power source for portable equipment.

고분자전해질형 연료전지는, 이온전도성을 갖는 고분자전해질막과 이 양측에 접촉해서 배치되는 정극 및 부극으로 구성된다. 연료의 수소 또는 메탄올은 부극에서 전기 화학적으로 산화되어져서 프로톤과 전자를 생성한다. 이 프로톤은 고분자전해질막 내에서 산소가 공급되는 정극으로 이동한다. 한편, 부극에서 생성된 전자는 전지에 접속된 부하를 통해 정극으로 흘러, 정극에서 프로톤과 전자가 반응해서 물을 생성한다. 이 고분자전해질형 연료전지에 이용되는 정극, 부극이라고 하는 전극은 전기 전도성을 갖는 도전재나, 수소의 산화반응, 산소의 환원반응을 촉진하는 촉매와 같은 전극재료와, 그것을 고정하는 결착제에 의해 구성된다The polymer electrolyte fuel cell is composed of a polymer electrolyte membrane having ion conductivity and a positive electrode and a negative electrode disposed in contact with both sides thereof. Hydrogen or methanol in the fuel is electrochemically oxidized at the negative electrode to produce protons and electrons. This proton moves to the positive electrode to which oxygen is supplied in the polymer electrolyte membrane. On the other hand, electrons generated at the negative electrode flow to the positive electrode through a load connected to the battery, and protons and electrons react at the positive electrode to generate water. The positive and negative electrodes used in the polymer electrolyte fuel cell are composed of an electrically conductive material, an electrode material such as a catalyst for promoting oxidation of hydrogen and a reduction of oxygen, and a binder for fixing the electrode. do

일반적으로 포로톤 전도성이 높은 이온전도성 고분자 전해질막을 얻기 위해서는, 고도로 술폰화된 폴리머가 필요하지만, 그러한 폴리머는 친수성이 증가하여 물에 쉽게 용해되는 문제점을 가지고 있다(일본 공개특허공보 평10-45913호 등). 연료전지는 연료와 산소의 반응에 의해 물을 부생하는 것이기 때문에, 수용성 수지는 연료전지용 고분자 전해질막으로 이용될 수 없다는 문제점이 있다. Generally, highly sulfonated polymers are required to obtain ion conductive polymer electrolyte membranes with high photoconductivity, but such polymers have a problem in that they are easily dissolved in water due to increased hydrophilicity (Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-45913). Etc). Since the fuel cell is a by-product of water by the reaction of fuel and oxygen, there is a problem that the water-soluble resin cannot be used as a polymer electrolyte membrane for fuel cells.

또한, 수용성이 아니어도 흡습성이 높을 경우에는 막의 팽윤이나 강도의 저하, 흡수한 물을 통한 메탄올 크로스오버 같은 문제가 있었다.In addition, even if the water is not water-soluble, high hygroscopic properties include problems such as swelling of the membrane, a decrease in strength, and methanol crossover through absorbed water.

한편, 수용성을 갖지 않는 성분을 도입하는 것 없이, 수용성을 저하하고, 또한 수지의 용출도 억제할 수 있는 방법으로서, 공유결합에 의한 가교구조가 주목 받아왔다.(한국등록특허 10-0660433의 8-9페이지 참조)On the other hand, as a method of reducing water solubility and suppressing elution of resins without introducing a component having no water solubility, a crosslinked structure by covalent bonds has attracted attention. (8 in Korean Patent No. 10-0660433) See page 9)

상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 방법으로, 국제공개특허 WO 2003/033566에서는, 제막시 또는 제막 후에 가교시킬 수 있고, 프로톤산기로부터 유도되지 않으며, 탈리성분도 수반하지 않는 가교기구로서, 방향환에 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 않음을 확인하였다.As a method for solving the conventional problems as described above, in WO 2003/033566, a crosslinking mechanism which can be crosslinked during or after film formation, is not derived from a protonic acid group, and does not involve desorption components. Although the photocrosslinked aromatic polymer electrolyte membrane was prepared by using an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms and a carbonyl group directly bonded to the compound, it was noted that it was possible to prepare a membrane in which at least 10% of the resin was not dissolved in methanol. In the chemical structure, it was confirmed that the crosslinking reaction was not sufficiently expressed under the same photocrosslinking conditions.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 프로톤산기로부터 유도되지 않고 탈리성분이 수반되지 않으면서도 직접 광가교가 발현되는 방향환에 메틸기가 결합한 특정 메틸렌과 카보닐 가교구조를 이용한 이온전도성 수지와, 그것을 사용하여 광가교를 촉진하는 표면 개질된 미세 다공성 올레핀 기재막을 사용하여 이루어지는, 연료전지에 사용되는 이온 전도성 고분자막 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is an ion conductive resin using a specific methylene and carbonyl crosslinked structure in which a methyl group is bonded to an aromatic ring which is not derived from a protonic acid group and does not involve desorption and directly expresses photocrosslinking. And an ion-conducting polymer membrane for use in a fuel cell, and a method for producing the same, which use the surface-modified microporous olefin base membrane which promotes photocrosslinking using the same.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 연료전지용 이온전도성 광가교 방향족 고분자 복합막 제조방법에 있어서,In the present invention to achieve the object as described above and to perform the problem for eliminating the conventional drawbacks in the method for producing ion conductive photocrosslinked aromatic polymer composite membrane for fuel cells,

하기의 일반식 1로 표시되는 반복단위구조를 갖는 고분자를 염기 분위기에서 직접 중합하는 광가교성 이온전도성 고분자 전해질의 합성단계(S1);Synthesis step (S1) of the photo-crosslinkable ion conductive polymer electrolyte for directly polymerizing a polymer having a repeating unit structure represented by the general formula 1 in a base atmosphere;

상기 광가교성 이온전도성 고분자 전해질의 합성단계(S1)에서 중합된 고분자를 극성 용매에 용해하고, 이 용액을 미세 다공성 탄화수소계 기재막의 세공에 함침하여 PET필름 사이에 적층한 후, 광가교 및 열처리하는 합성 고분자 전해질의 세공 충전 및 광가교 단계(S2);로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 이온전도성 광가교 방향족 고분자 복합막 제조방법을 제공함으로써 달성된다.The polymer polymerized in the synthesis step (S1) of the photocrosslinkable ion conductive polymer electrolyte is dissolved in a polar solvent, the solution is impregnated in the pores of the microporous hydrocarbon-based base film, laminated between PET films, and then photocrosslinked and heat treated. It is achieved by providing a method for producing an ion conductive photocrosslinked aromatic polymer composite membrane for a fuel cell, characterized in that consisting of; pore filling and photocrosslinking step (S2) of the synthetic polymer electrolyte.

<일반식 1><Formula 1>

Figure 112007091936256-pat00001
Figure 112007091936256-pat00001

상기에서, x와 y는 0보다 크며, x + y = 1, n = 1 이상의 정수 In the above, x and y are greater than 0, x + y = 1, n = 1 or more integer

상기 일반식에서 x = 0.5 내지 0.8, y = 0.5 내지 0.2인 구조로 합성되는 것을 특징으로 한다.In the general formula, x = 0.5 to 0.8, it is characterized in that it is synthesized in a structure of y = 0.5 to 0.2.

상기에서 합성 고분자 전해질의 세공 충전 및 광가교 단계(S2)의 미세 다공성 폴리올레핀 기재막은, 미세 다공성 기재로서 공극 부피가 30 ~ 70 %, 기공 사이즈가 0.05 ~ 0.1 마이크로미터, 두께가 10 ~ 50 마이크로미터인 폴리올레핀 막을 사용하는 것을 특징으로 한다.In the pore filling and photocrosslinking step (S2) of the synthetic polymer electrolyte, the microporous polyolefin substrate membrane has a pore volume of 30 to 70%, a pore size of 0.05 to 0.1 micrometers, and a thickness of 10 to 50 micrometers. It is characterized by using a phosphorus polyolefin membrane.

상기에서 폴리올레핀 미세 다공성 기재막을, 농도 98% 이상의 황산과 농도 96% 이상의 염화황산을 1 : 1 ~ 3:1중량비로 혼합한 용액에 침지하여 반응한 후, 1~3 노르말 농도의 수산화나트륨 용액으로 1일 이상 세정하여 기재막을 술폰친수화하는 단계를 거쳐 제조하는 것을 특징으로 한다.The polyolefin microporous substrate membrane is immersed in a solution in which a concentration of 98% or more sulfuric acid and a concentration of 96% or more sulfuric acid chloride are mixed at a weight ratio of 1: 1 to 3: 1, followed by reaction with a sodium hydroxide solution having a normal concentration of 1-3. It is characterized in that it is prepared through a step of washing the substrate film by sulfonation and hydrophilization for at least one day.

상기에서 합성 고분자 전해질의 세공 충전 및 광가교 단계(S2)는, 광가교성 이온전도성 고분자 전해질의 합성단계(S1)에서 제조된 일반식 1로 표시되는 반복단 위구조를 갖는 고분자 물질을 합성 고분자 전해질의 세공 충전 및 광가교 단계(S2)의 극성 용매 중 하나에 30 ~ 50 중량%가 되도록 용해하여 용액을 제조하는 것을 특징으로 한다.In the pore filling and photocrosslinking step (S2) of the synthetic polymer electrolyte, the polymer material having a repeating unit structure represented by Formula 1 prepared in the synthesis step (S1) of the photocrosslinkable ion conductive polymer electrolyte It is characterized in that the solution is prepared by dissolving to 30 to 50% by weight in one of the polar solvent of the pore filling and photocrosslinking step (S2).

상기에서 제조된 용액에 폴리올레핀 미세 다공성 기재막을 침지하고, 두 개의 투명 PET 필름 사이에 적층한 후, 질소 분위기 하에 15,000 ~ 30,000 mJ/cm2의 자외선 에너지를 조사하여 술폰친수화 기재 내에서 광가교하여 막을 형성하는 것을 특징으로 한다.The polyolefin microporous substrate membrane was immersed in the solution prepared above, laminated between two transparent PET films, and then irradiated with ultraviolet energy of 15,000 to 30,000 mJ / cm 2 under nitrogen atmosphere to photocrosslink in a sulfonated hydrophilized substrate. It is characterized by forming a film.

상기 제조된 가교막을 투명 PET 필름을 제거하지 않은 상태에서 110~120℃에서 1시간 이상 열처리하여 용매 제거 및 가교 밀도를 증가시켜 고분자막의 팽윤도를 억제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The prepared crosslinked film is heat-treated at 110 to 120 ° C. for at least 1 hour in a state where the transparent PET film is not removed, further comprising the step of inhibiting the swelling degree of the polymer film by increasing solvent removal and crosslinking density.

상기에서 극성용매는 디메틸아세트아마이드(DMAc), 니트로메틸피롤리돈(NMP), 디메틸술폭시드(DMSo), 디메틸플로라이드(DMF) 중에서 선택된 하나의 극성용매인 것을 특징으로 한다.The polar solvent is one polar solvent selected from dimethyl acetamide (DMAc), nitromethylpyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSo), dimethyl fluoride (DMF).

본 발명은 연료전지용 이온전도성 광가교 방향족 고분자 복합막에 있어서,The present invention is an ion conductive optical crosslinked aromatic polymer composite membrane for fuel cells,

상기 방법으로 제조되어 프로톤 전도도가 0.03 S/cm 이상이며, 메탄올 투과도가 0.28 kg/m2·h 이하인 고분자 복합막을 특징으로 하는 연료전지용 이온전도성 광가교 방향족 고분자 복합막을 제공함으로써 달성된다.It is achieved by providing an ion conductive photocrosslinkable aromatic polymer composite membrane for a fuel cell, which is prepared by the above method and has a polymer composite membrane having a proton conductivity of 0.03 S / cm or more and methanol permeability of 0.28 kg / m 2 · h or less.

프로톤산기로부터 유도되지 않고 탈리성분이 수반되지 않으면서도 직접 광가교가 발현되는 방향환에 메틸기가 결합한 특정 메틸렌과 카보닐 가교구조를 이용한 이온전도성 수지와, 그것을 사용하여 광가교를 촉진하는 표면 개질된 미세 다공성 올레핀 기재막을 사용하여 제조된 본 발명의 광가교 고분자 전해질 복합막은 상용화되고 있는 막에 비해 프로톤 전도도는 아직 상용막 수준에는 미치지 못하고 있으나, 인장강도가 매우 우수하였고, 메탄올 투과도가 상용막에 비해 1/2 수준으로 안정하여 프로톤 전도도를 보다 향상시킨다면 저가의 환경친화적 탄화수소계 연료전지용 막으로서 상용막을 대체할 수 있다는 장점과,Ionic conductive resin using a specific methylene and carbonyl crosslinked structure in which a methyl group is bonded to an aromatic ring that is not derived from a protonic acid group and does not involve detachment but directly expresses photocrosslinking, and a surface-modified surface that promotes photocrosslinking using the same The photocrosslinked polymer electrolyte composite membrane of the present invention prepared using a microporous olefin substrate membrane has a proton conductivity that is not yet at the level of commercial membrane, but has excellent tensile strength and methanol permeability compared to the commercial membrane. If it is stable to 1/2 level to improve the proton conductivity, it can replace the commercial membrane as a low-cost eco-friendly hydrocarbon fuel cell membrane.

또한 자외선 조사량이 15,000 mJ/cm2 이상이 되면 광개시제 없이 자발적인 가교반응이 진행되어 대부분 완전한 가교가 이루어져 유기 용매에 용해되지 않는다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.In addition, when the amount of UV irradiation is 15,000 mJ / cm 2 or more, spontaneous crosslinking reaction proceeds without the photoinitiator, and most of the complete crosslinking is a useful invention with the advantage that it is not dissolved in an organic solvent is an invention that is expected to be used industrially greatly.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설 명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and the operation of the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에서는, 방향환에 메틸기가 결합한 특정 메틸렌과 카보닐 가교구조를 이용한 광가교성 이온전도성 수지 또는 표면 개질된 미세 다공성 폴리올레핀 기재막과의 광가교 중합에 의한 가교 이온전도성 고분자막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 광가교 고분자 전해질은 광개시제를 사용하지 않는 고분자 구조 내의 자발 개시 반응에 의해 탈리성분이 수반되지 않으면서도 직접 광가교가 발현되는 하기의 일반식과 같은 구조를 가짐을 특징으로 한다.The present invention relates to a crosslinked ion conductive polymer membrane by photocrosslinking polymerization of a specific methylene having a methyl group bonded to an aromatic ring with a carbonyl crosslinked structure or a surface-modified microporous polyolefin substrate membrane and a method for producing the same. The photocrosslinked polymer electrolyte according to the present invention is characterized by having a structure such as the following general formula in which photocrosslinking is directly expressed without detachment component by spontaneous initiation reaction in a polymer structure that does not use a photoinitiator.

Figure 112007091936256-pat00002
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본 발명에서 제조되는 상기 구조의 고분자에서, x + y = 1, n = 1 이상의 정수다. 여기서 x 부분이 존재하지 않으면 프로톤전도도를 얻을 수 없고, y가 없으면 자발적 광가교를 이룰 수 없다. 바람직하기로는 x = 0.5 내지 0.8, y = 0.5 내지 0.2인 구조로 합성되어야 한다. 이와 같이 한정한 이유는 x가 0.5보다 작으면(y가 0.5보다 크면) 술폰산이 적어 특정하는 프로톤전도도를 얻을 수 없고, 0.8보다 크면(y가 0.2보다 작으면) 가교밀도가 작아서 유기 용매에 쉽게 용해되어 막물성이 저하되기 때문이다. 광개시제 없이 자발적 광가교 반응은 고분자 구조 내의 케톤이 자외선 조사에 의해 전자를 여기시킴에 따라 라디칼이 발생되고, 발생된 라디칼은 메틸벤젠을 공격하여 연쇄 라디칼 반응이 유되 되는 것으로 추정된다. In the polymer of the above structure produced in the present invention, x + y = 1, n = 1 or more integer. If x is not present, proton conductivity cannot be obtained, and without y, spontaneous photocrosslinking cannot be achieved. Preferably it should be synthesized in a structure of x = 0.5 to 0.8, y = 0.5 to 0.2. The reason for this limitation is that if x is less than 0.5 (y is greater than 0.5), there is less sulfonic acid and thus no specific proton conductivity can be obtained. If it is greater than 0.8 (y is less than 0.2), the crosslinking density is small so that it is easy to be used in an organic solvent. It is because it melt | dissolves and a film property falls. In spontaneous photocrosslinking reaction without photoinitiator, radicals are generated as ketones in the polymer structure excite electrons by ultraviolet irradiation, and the generated radicals attack methylbenzene, resulting in a chain radical reaction.

본 발명에서 제조되는 상기 구조의 고분자는, 염기 분위기에서 직접 중합하는 것으로, 중합된 고분자를 디메틸아세트아마이드(DMAc), 니트로메틸피롤리돈(NMP), 디메틸술폭시드(DMSo) 디메틸플로라이드(DMF)와 같은 극성 용매에 용해한다. 이후 용해된 용액을 미세 다공성 탄화수소계 기재막의 세공에 함침하여 PET필름 사이에 적층한 후, 광가교 및 열처리하여 복합막으로 제조한다. 상기 본 발명에 사용되는 극성용매는 상기 언급한 4개의 용매로 한정되는 것은 아니며 합성된 고분자의 용해도가 높은 것을 기준으로 예를 든것으로, 용해성이 충분하면 극성용매 모두 사용될 수 있다.The polymer of the structure prepared in the present invention is directly polymerized in a base atmosphere, the polymerized polymer is dimethyl acetamide (DMAc), nitromethylpyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSo) dimethyl fluoride (DMF Soluble in a polar solvent such as). Thereafter, the dissolved solution is impregnated in the pores of the microporous hydrocarbon-based base film, laminated between PET films, and then crosslinked and heat treated to prepare a composite film. The polar solvent used in the present invention is not limited to the four solvents mentioned above, and is based on the high solubility of the synthesized polymer, and if the solubility is sufficient, both polar solvents may be used.

본 발명에 따른 미세 다공성 폴리올레핀 기재막은, 공극 부피가 30 ~ 70 %, (공극부피가 30% 미만이면 연료전지막으로 사용되기에는 프로톤전도도가 매우 낮고, 70% 보다크면 복합막의 기계적 강도가 저하되어 팽윤억제 효과를 기대하기 어렵다) 보다 바람직하기로는 35 ~ 50 %이고, 기공 사이즈가 0.05 ~ 0.1 마이크로미터(기공크기가 0.05 보다 작으면 전해질의 충진이 어렵고, 0.1보다 크면 복합막의 팽윤 억제 효과를 발현하기 어렵다.), 보다 바람직하기로는 0.07 ~ 0.1 마이크로미터이며, 두께가 10 ~ 50 마이크로미터, 보다 바람직하기로는 15 ~ 30 마이크로미터인 폴리올레핀 막을 사용하는 것을 특징으로 하는 것으로 기계적 강도를 상용 연료전지막 이상으로 높이면서도 막의 두께를 최소화하여 연료전지 성능을 향상시킬 수 있다.The microporous polyolefin substrate membrane according to the present invention has a pore volume of 30 to 70%, (proton conductivity is very low to be used as a fuel cell membrane when the pore volume is less than 30%, and the mechanical strength of the composite membrane is lowered when it is greater than 70%. More preferably, it is 35 to 50%, and the pore size is 0.05 to 0.1 micrometers (the pore size is less than 0.05, it is difficult to fill the electrolyte. If the pore size is larger than 0.1, the swelling inhibiting effect of the composite membrane is expressed.) More preferably, 0.07 to 0.1 micrometers, polyolefin membranes having a thickness of 10 to 50 micrometers, and more preferably 15 to 30 micrometers. It is possible to improve fuel cell performance by minimizing the thickness of the membrane while increasing the above.

상기 폴리올레핀 미세 다공성 기재막은, 농도 98% 이상의 황산과 농도 96% 이상의 염화황산을 1:1 ~ 3:1 중량비(이와 같은 수치한정한 이유는 기재의 술폰친수화는 염화황산에 의해 진행되며 황산은 용매로 사용되는데, 1:1 ~ 3:1 비율은 용매 내에서 염화황산의 황산이온 이동도를 높임과 동시에 기재막의 술폰친수화를 빠르게 진행하기 위한 최적의 조건이다.)로 혼합한 용액에 침지하여, 30 ~ 60 ℃(이와 같은 수치한정한 이유는 상온에서는 술폰친수화의 속도가 현저히 느리고 60도 보다 높은 온도에서는 기재막이 손상되어 원하는 술폰친수화를 얻을 수 없기 때문이다.), 바람직하기로는 45 ~ 50 ℃에서 2 ~ 5 시간, 바람직하기로는 3 ~4 시간 반응한 후, 1~3 노르말 농도(이와 같은 수치한정한 이유는 농도가 3보다 크면 막의 가수분해를 촉진시키는 문제점이 있고, 1보다 낮으면 남아있는 잔존 염화물질의 제거가 용이하지 않는 문제점이 있다)의 수산화나트륨 용액으로 1일 이상(1일보다 적은 경우에는 충분한 술폰친수화를 이룰 수 없고, 상기보다 긴 시간은 충분히 술폰친수화가 진행된 후이기 때문에 술폰친수화의 큰 의미는 없고 단지 너무 길면 오히려 기재막의 장시간 황산용매에 의한 손상의 문제가 발생할 수 있다.) 세정하여 기재막을 술폰친수화하여 고분자 전해질의 충전율을 높이고 광가교 반응을 촉진시킨다.The polyolefin microporous substrate membrane is a 1: 1 to 3: 1 weight ratio of sulfuric acid with a concentration of 98% or more and sulfuric acid with a concentration of 96% or more. (The reason for the numerical limitation is that the sulfonic hydrophilization of the substrate is performed by sulfuric acid chloride. It is used as a solvent, and the ratio of 1: 1 to 3: 1 is an optimal condition for increasing the sulfate ion mobility of sulfuric acid chloride in the solvent and at the same time to accelerate the sulfonation of the substrate membrane.) 30-60 ° C. (The reason for such numerical limitation is that the rate of sulfone hydrophilization is significantly slower at room temperature and the base film is damaged at a temperature higher than 60 degrees, so that the desired sulfone hydrophilization cannot be obtained.), After reacting at 45 to 50 ℃ for 2 to 5 hours, preferably 3 to 4 hours, 1 to 3 normal concentration (the reason for such numerical limitation is that when the concentration is greater than 3, there is a problem of promoting hydrolysis of the membrane, 1 If it is low, there is a problem that it is not easy to remove the remaining chloride, so that more than 1 day (if less than 1 day, sufficient sulfone hydrophilization can not be achieved, longer time than that Since the sulfonation is progressed, there is no significant meaning of sulfonated hydrophilicity, and if it is too long, it may cause problems of damage caused by sulfuric acid solvent for a long time.) Cleaning and sulfonated hydrophilic substrate to increase the filling rate of the polymer electrolyte and photocrosslinking reaction. To promote.

상기에서 제조된 고분자 전해질을 디메틸아세트아마이드(DMAc), 니트로메틸피롤리돈(NMP), 디메틸술폭시드(DMSo), 디메틸플로라이드(DMF)등의 극성 용매 중 하나에 30 ~ 50 중량%,(이와 같은 수치한정한 이유는 30% 보다 작으면 기재막에 전 해질이 충분히 충진되지 못하며, 50% 보다 크면 전해질 용액의 점도가 너무 높아 기재막에 전해질을 충저하기 어렵기 때문이다.)바람직하게는 40 ~ 45 중량%가 되도록 용해하여 용액을 제조한 다음, 술폰친수화된 기재를 5 ~ 60 초(이와 같은 수치한정한 이유는 5초 미만에서는 충분히 기재막에 전해질이 충진되지 못하며, 60초 이후는 세공 충진이 완료된 후이기 때문에 큰 의미가 없다.), 바람직하기로는 10 ~ 30 초간 침지하고, 30 ~ 100 마이크로미터(이와 같은 수치한정한 이유는 30 미만의 두께로는 광가교 시 발생되는 주변 열에 견디지 못하며, 100 보다 크면 복합막을 PET필름 사이를 완전히 밀착시키기 어려워 반응성이 떨어지기 때문이다.), 바람직하게는 30 ~ 50 마이크로미터 두께인 두 개의 투명 PET 필름 사이에 적층한 후, 질소 분위기 하에 15,000 ~ 30,000 mJ/cm2(이와 같은 수치한정한 이유는 15000 미만의 조사량에서는 거의 가교가 이루어지지 않고, 30000보다 높은 조사량은 이미 가교 반응이 종료된 후이므로 큰 의미가 없기 때문이다.)의 자외선 에너지를 조사하면 술폰친수화 기재 내에서 광가교 반응이 진행되며, 가교에 의해 고분자 밀도가 높아지고 메탄올의 막 투과 현상을 억제할 수 있어서 직접 메탄올 연료전지를 포함하는 고분자 전해질막 연료전지에 사용되어 전지의 전기적 성능을 향상시킬 수 있다. The polymer electrolyte prepared above is 30 to 50% by weight in one of polar solvents such as dimethylacetamide (DMAc), nitromethylpyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSo) and dimethyl fluoride (DMF), ( The reason for this limitation is that if the amount is less than 30%, the electrolyte is not sufficiently filled in the base film, and if it is more than 50%, the viscosity of the electrolyte solution is so high that it is difficult to fill the electrolyte in the base film.) After dissolving to 40 to 45% by weight to prepare a solution, the sulfonated hydrophilized substrate was prepared for 5 to 60 seconds (the reason for this limitation is less than 5 seconds. Is not significant since the pore filling is completed), preferably immersed for 10 to 30 seconds, and 30 to 100 micrometers. In heat If it is larger than 100, the composite film is difficult to adhere completely between the PET films, and thus the reactivity is poor.), 15,000 under a nitrogen atmosphere after lamination between two transparent PET films, preferably 30 to 50 micrometers thick. Ultraviolet energy of ˜30,000 mJ / cm 2 (the reason for the numerical limitation is that the crosslinking is hardly achieved at a dose of less than 15000, and a dose higher than 30000 is not significant since the crosslinking reaction is already completed.) The photocrosslinking reaction proceeds in the sulfonated hydrophilic substrate, the polymer density increases due to the crosslinking, and the membrane permeation phenomenon of methanol can be suppressed. Therefore, it is used in the polymer electrolyte membrane fuel cell including the methanol fuel cell directly. Can improve electrical performance.

또한, 제조된 광가교 고분자 전해질 복합막을 투명 PET 필름을 제거하지 않은 상태에서 110~120℃(이와 같은 수치한정한 이유는 120℃ 이상이면 막이 열적으로 손상을 받고, 110℃ 보다 낮으면 잔존 유기용매에 휘발이 용이하지 않기 때문이 다)에서 1시간 이상 열처리하여 용매 제거 및 가교 밀도를 증가시켜 고분자막의 팽윤도를 최대한 억제함으로써 불소계 상용막이 가지고 있는 팽윤 문제를 해결할 수 있다.In addition, the prepared optical cross-linked polymer electrolyte composite membrane is 110 ~ 120 ℃ without removing the transparent PET film (the reason for the numerical limitation is that the film is thermally damaged if it is 120 ℃ or more, if the lower than 110 ℃ remaining organic solvent In this case, the swelling problem of the fluorine-based commercial membrane can be solved by suppressing the swelling degree of the polymer membrane to the maximum by removing the solvent and increasing the crosslinking density by heat treatment for 1 hour or more.

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

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

2.프로톤 전도도2.proton conductivity

- 실시예 및 비교에에서 제조된 막을 25 ℃의 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 membrane surface to fix the glass substrate. Hz to 4 MHz AC impedance measurements were performed to measure the proton conductivity of the membrane.

3. 메탄올 투과율3. Methanol transmittance

- 전해질막 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 조건에서2시간이 경과한 증류수 측 용액을 일부 채취하여 가스크로마토그래피 측정을 통해 막의 메탄올 투과도(kg/m2·h)를 계산하였다.An electrolyte 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. Methanol is the membrane through the sample, so go to distilled direction with the lapse of time, has elapsed, a distilled water-side solution to gas chromatography measurement through membrane methanol permeability by some collected 2 hours at room temperature conditions (kg / m 2 · h) Was calculated.

(실시예)(Example)

1)광가교성 이온전도성 고분자 전해질의 합성단계1) Synthesis step of photocrosslinkable ion conductive polymer electrolyte

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술폰화된 dichlorodiphenylsulfone sodium염 6.8775g(0.014 mol), dichlorobenzophenone 1.5067g(0.006 mol), 3, 3',5, 5'-tetramethyl-4, 4'-methylenediphenol 5.1268g(0.02 mol)을 20 ml의 NMP에 완전히 용해 후, 무수탄산칼륨 3.455g(0.025 mol)과 함께 질소 충전 및 용매 환류를 위한 Dean-stark 트랩이 장착된 200ml 부피의 3구 플라스크에 넣고 충분히 분산시키며 20 ml의 톨루엔을 추가로 넣어 용액을 상온에서 1시간 교반하였다. 6.8775 g (0.014 mol) of sulfonated dichlorodiphenylsulfone sodium salt, 1.5067 g (0.006 mol) of dichlorobenzophenone, 5.1268 g (0.02 mol) of 3, 3 ', 5, 5'-tetramethyl-4, 4'-methylenediphenol, 20 ml of NMP After complete dissolution in a 200 ml volume three-necked flask equipped with Dean-stark trap for nitrogen filling and solvent reflux with 3.455 g (0.025 mol) of anhydrous potassium carbonate, fully dispersed and further added 20 ml of toluene It was stirred at room temperature for 1 hour.

이후 질소 분위기 하에서 145 ℃ 까지 온도를 상승하면서, 중합반응에 의해 생성된 물은 공비점으로 함께 기화되는 톨루엔의 환류를 이용하여 제거하였다. Then, while raising the temperature to 145 ℃ under a nitrogen atmosphere, the water produced by the polymerization reaction was removed using the reflux of toluene vaporized together at the azeotropic point.

이후 같은 온도에서 5시간 동안 반응을 유지한 후, 185℃로 온도를 상승하여 20시간 동안 반응물을 고분자화하였다.After maintaining the reaction for 5 hours at the same temperature, the reaction was polymerized for 20 hours by increasing the temperature to 185 ℃.

반응이 완료된 고분자 용액을 상온으로 냉각한 후 40 ml의 NMP를 추가로 적가하여 고분자 용액을 희석시킨 후, 멤브레인 필터를 이용하여 미반응 탄산칼륨 및 염화칼륨 부생물을 제거하고, 고분자 용액을 적당량의 이소프로필알콜에 부어 미반 응 모노머 제거와 동시에 합성고분자 전해질을 침전시켰다. 침전된 고분자 전해질은 120 ℃에서 12시간 진공 건조 후, 전해질의 충전을 위해 40 wt% 농도로 NMP에 다시 용해되었다.After the reaction was completed, the polymer solution was cooled to room temperature, and then 40 ml of NMP was added dropwise to dilute the polymer solution. A membrane filter was used to remove unreacted potassium carbonate and potassium chloride by-products, and the polymer solution was removed in an appropriate amount. Poured into propyl alcohol to remove unreacted monomer and precipitate the synthetic polymer electrolyte. The precipitated polymer electrolyte was vacuum dried at 120 ° C. for 12 hours, and then dissolved again in NMP at a concentration of 40 wt% to fill the electrolyte.

2)미세 다공성 폴리올레핀 기재의 친수처리 단계2) Hydrophilic treatment step based on microporous polyolefin

공극부피 30%, 평균공극크기 0.1 마이크로미터, 두께 30 마이크로미터인 미세 다공성 폴리에틸렌 기재(아사히화성케미칼즈, 일본)를 적당한 크기로 자른 후, 농도 98% 이상의 황산과 농도 96% 이상의 염화황산을 1 대 1 중량비로 혼합한 용액에 침지하여, 40 ℃에서 3시간 반응하여 기재를 친수화 하였다. 친수화된 기재에 남아 있는 염화물을 제거하기 위해 2 노르말 농도의 수산화나트륨 용액으로 1일 이상 세정한 후, 70 ℃ 오븐에서 2시간 이상 건조하여 술폰친수화 기재를 제조하였다.After cutting the microporous polyethylene substrate (Asahi Kasei Chemicals, Japan) having a pore volume of 30%, an average pore size of 0.1 micrometer, and a thickness of 30 micrometers to an appropriate size, sulfuric acid having a concentration of 98% or more and sulfuric acid chloride of 96% or more The substrate was immersed in a mixed solution 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 chlorides remaining on the hydrophilized substrate, the solution was washed with a sodium hydroxide solution of 2 normal concentrations for at least 1 day, and then dried in an oven at 70 ° C. for 2 hours or more to prepare a sulfonated hydrophilic substrate.

3)합성 고분자 전해질의 세공 충전 및 광가교 단계3) Pore filling and photocrosslinking step of synthetic polymer electrolyte

상기 1)의 광가교성 이온전도성 고분자 전해질의 합성 단계에서 제조된 고분자 전해질 용액에 상기 2)의 미세 다공성 폴리올레핀 기재의 친수처리단계에서 제조된 기재를 30초간 침지하여 미세공 내에 고분자 전해질이 완전히 충전되도록 하였다. 고분자 전해질이 충전된 기재를 50마이크로미터 두께인 두 개의 PET필름 사이에 놓은 후, PET필름을 완전히 밀착하여 여분의 고분자 전해질 용액을 제거하고 340 nm 파장의 경화용 자외선(UV) 장치에 넣고 질소 분위기 하에서 분당 500 mJ/cm2 조사량으로 30분에서 1시간 광개시제 추가 없이 광가교를 실시하였다. 광가교 반응이 완료된 막은 PET 필름을 제거하지 않은 상태에서 110 ℃에서 1시간 열처리하여 서서히 잔존 용매를 제거하고, 가교 밀도를 증가시켰다. PET필름을 제거한 후, 물로 표면의 고분자를 제거하고 2노르말 농도의 염산에 넣어 고분자 전해질을 완전히 산으로 치환하였다. 산으로 치환된 고분자 전해질 복합막의 인장강도, 프로톤전도도 및 메탄올 투과도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 또한 광조사 시간에 따른 가교 여부를 확인하기 위해 광가교에 의해 제조된 고분자 전해질 복합막의 건조 후 무게를 측정하고, 디메틸아세테이트 용매에 넣어 상온에서 1시간, 이어서 100% 메탄올 용액에 넣어 1일 이상 유지한 다음 물로 세정 및 건조하여 무게를 측정하여 잔존 고분자 전해질을 비교한 결과를 도 1에 나타내었다.The substrate prepared in the hydrophilic treatment step of the microporous polyolefin substrate of 2) was immersed in the polymer electrolyte solution prepared in the synthesis step of the photocrosslinkable ion conductive polymer electrolyte of 1) for 30 seconds to completely fill the polymer electrolyte in the micropores. It was. Substrate filled with a polymer electrolyte was placed between two PET films 50 micrometers thick, and the PET film was completely adhered to remove the excess polymer electrolyte solution and placed in a 340 nm wavelength curing UV (UV) device. The photocrosslinking was carried out at 30 minutes at 1 hour at 500 mJ / cm 2 dose without adding photoinitiator. After the photocrosslinking reaction was completed, the film was heat-treated at 110 ° C. for 1 hour without removing the PET film, thereby slowly removing the remaining solvent and increasing the crosslinking density. 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 it in hydrochloric acid at 2 normal concentration. Tensile strength, proton conductivity, and methanol permeability of the polymer electrolyte composite membrane substituted with acid were measured, and the results are shown in Table 1 below. In addition, the weight after drying of the polymer electrolyte composite membrane prepared by photocrosslinking in order to check the cross-linking according to the light irradiation time, and put in a dimethyl acetate solvent for 1 hour at room temperature, followed by 100% methanol solution for at least 1 day After washing and drying with water, the weight was measured, and the results of comparing the remaining polymer electrolyte are shown in FIG. 1.

비교예)Comparative example)

시판 중인 이온교환막인 나피온117막(듀퐁, 미국)의 인장강도, 프로톤 전도도, 메탄올 투과도를 하기 표 1에 나타내어 실시예와 비교하였다.Tensile strength, proton conductivity, and methanol permeability of a commercial Nafion 117 membrane (Dupont, USA), which are commercially available ion exchange membranes, are shown in Table 1 and compared with Examples.

[표 1]TABLE 1

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상기 표 1로부터 본 발명에서 제조된 실시예의 광가교 고분자 전해질 복합막은 상용화되고 있는 비교예의 막에 비해 프로톤 전도도는 아직 상용막 수준에는 미치지 못하고 있으나, 인장강도가 매우 우수하였고, 메탄올 투과도가 비교예의 막에 비해 1/2 수준으로 안정하여 프로톤 전도도를 보다 향상시킨다면 저가의 환경친화적 탄화수소계 연료전지용 막으로서 비교예의 상용막을 대체할 수 있을 것이다.The photocrosslinked polymer electrolyte composite membrane of Examples prepared in the present invention from Table 1 has a proton conductivity that is not yet at the level of a commercial membrane, but has excellent tensile strength and a methanol permeability of the membrane of the Comparative Example, compared to the membrane of the Comparative Example. If it is stable to 1/2 level and improves the proton conductivity further, it can replace the commercial membrane of the comparative example as a low cost environmentally friendly hydrocarbon fuel cell membrane.

또한 도 2로부터, 본 발명에 따라 제조된 광가교 고분자 전해질 복합막은 자외선 조사량이 15,000 mJ/cm2 이상이 되면 광개시제 없이 자발적인 가교반응이 진행되어 대부분 완전한 가교가 이루어져 유기 용매에 용해되지 않는다는 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen from FIG. 2 that the photocrosslinked polymer electrolyte composite membrane prepared according to the present invention is spontaneous crosslinking reaction without photoinitiator when the UV irradiation amount is 15,000 mJ / cm 2 or more, so that most of the crosslinking is completely dissolved and not dissolved in an organic solvent. have.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위 에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다. The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.

도 1은 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자 전해질막의 메탄올 투과도를 측정하기 위한 장치의 개략도이고,1 is a schematic diagram of a device for measuring the methanol permeability of the polymer electrolyte membrane prepared in Examples and Comparative Examples,

도 2는 실시예에서 제조된 광가교 고분자 전해질 복합막의 광조사 시간에 따른 가교밀도 여부를 확인하기 위해 유기 용매 세정 후의 잔존 고분자 전해질 변화량을 나타낸 결과이다.Figure 2 is a result showing the change amount of the residual polymer electrolyte after washing the organic solvent in order to confirm the crosslinking density according to the light irradiation time of the optical crosslinked polymer electrolyte composite membrane prepared in Example.

Claims (9)

연료전지용 이온전도성 광가교 방향족 고분자 복합막 제조방법에 있어서,In the method for producing an ion conductive photocrosslinked aromatic polymer composite membrane for a fuel cell, 하기의 일반식 1로 표시되는 반복단위구조를 갖는 고분자를 염기 분위기에서 직접 중합하는 광가교성 이온전도성 고분자 전해질의 합성단계(S1);Synthesis step (S1) of the photo-crosslinkable ion conductive polymer electrolyte for directly polymerizing a polymer having a repeating unit structure represented by the general formula 1 in a base atmosphere; 상기 광가교성 이온전도성 고분자 전해질의 합성단계(S1)에서 중합된 고분자를 극성 용매에 용해하고, 이 용액을 미세 다공성 탄화수소계 기재막의 세공에 함침하여 PET필름 사이에 적층한 후, 광가교 및 열처리하는 합성 고분자 전해질의 세공 충전 및 광가교 단계(S2);로 이루어지고,The polymer polymerized in the synthesis step (S1) of the photocrosslinkable ion conductive polymer electrolyte is dissolved in a polar solvent, the solution is impregnated in the pores of the microporous hydrocarbon-based base film, laminated between PET films, and then photocrosslinked and heat treated. Pore filling and photo-crosslinking step of the synthetic polymer electrolyte (S2); 상기 합성 고분자 전해질의 세공 충전 및 광가교 단계(S2)의 미세 다공성 폴리올레핀 기재막은, 미세 다공성 기재로서 공극 부피가 30 ~ 70 %, 기공 사이즈가 0.05 ~ 0.1 마이크로미터, 두께가 10 ~ 50 마이크로미터인 폴리올레핀 막을 사용하며, 이 폴리올레핀 미세 다공성 기재막은, 농도 98% 이상의 황산과 농도 96% 이상의 염화황산을 1 : 1 ~ 3:1중량비로 혼합한 용액에 침지하여 반응한 후, 1 ~ 3 노르말 농도의 수산화나트륨 용액으로 1일 이상 세정하여 기재막을 술폰친수화하는 단계를 거쳐 제조하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 광가교 방향족 고분자 복합막 제조방법.The microporous polyolefin substrate membrane of the pore filling and photocrosslinking step (S2) of the synthetic polymer electrolyte has a pore volume of 30 to 70%, a pore size of 0.05 to 0.1 micrometers, and a thickness of 10 to 50 micrometers. A polyolefin membrane is used, and the polyolefin microporous substrate membrane is immersed in a solution mixed with a sulfuric acid concentration of 98% or more and sulfuric acid chloride of 96% or more in a ratio of 1: 1 to 3: 1 by weight, and then reacted with a concentration of 1 to 3 normal. A method for producing a photocrosslinked aromatic polymer composite membrane for a fuel cell, which comprises manufacturing the substrate membrane by washing with a sodium hydroxide solution for at least one day and then sulfonating the substrate membrane. <일반식 1><Formula 1>
Figure 112009079160039-pat00005
Figure 112009079160039-pat00005
상기에서, x와 y는 0보다 크며, x + y = 1, n = 1 이상의 정수 In the above, x and y are greater than 0, x + y = 1, n = 1 or more integer
제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 일반식에서 x = 0.5 내지 0.8, y = 0.5 내지 0.2인 구조로 합성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 광가교 방향족 고분자 복합막 제조방법.In the general formula x = 0.5 to 0.8, y = 0.5 to 0.2, characterized in that the synthesis method for producing a light-crosslinked aromatic polymer composite membrane for a fuel cell. 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 합성 고분자 전해질의 세공 충전 및 광가교 단계(S2)는, 광가교성 이온전도성 고분자 전해질의 합성단계(S1)에서 제조된 일반식 1로 표시되는 반복단위구조를 갖는 고분자 물질을 합성 고분자 전해질의 세공 충전 및 광가교 단계(S2)의 극성 용매 중 하나에 30 ~ 50 중량%가 되도록 용해하여 용액을 제조하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 광가교 방향족 고분자 복합막 제조방법.In the pore filling and photocrosslinking step (S2) of the synthetic polymer electrolyte, the polymer material having a repeating unit structure represented by the general formula (1) prepared in the synthesis step (S1) of the photocrosslinkable ion conductive polymer electrolyte is a pore of the synthetic polymer electrolyte. Method for producing a light-crosslinked aromatic polymer composite membrane for a fuel cell, characterized in that the solution is prepared by dissolving so that 30 to 50% by weight in one of the polar solvent of the filling and photocrosslinking step (S2). 제 5 항에 있어서, The method of claim 5, 상기 제조된 용액에 폴리올레핀 미세 다공성 기재막을 침지하고, 두 개의 투명 PET 필름 사이에 적층한 후, 질소 분위기 하에 15,000 ~ 30,000 mJ/cm2의 자외선 에너지를 조사하여 술폰친수화 기재 내에서 광가교하여 막을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 광가교 방향족 고분자 복합막 제조방법.The polyolefin microporous substrate membrane was immersed in the prepared solution, laminated between two transparent PET films, and then irradiated with ultraviolet energy of 15,000 to 30,000 mJ / cm 2 under a nitrogen atmosphere to photocrosslink in a sulfonated hydrophilized substrate to form a membrane. A method for producing a photocrosslinked aromatic polymer composite membrane for a fuel cell, characterized in that it is formed. 제 6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 제조된 가교막을 투명 PET 필름을 제거하지 않은 상태에서 110~120℃에서 1시간 이상 열처리하여 용매 제거 및 가교 밀도를 증가시켜 고분자막의 팽윤도를 억제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 광가교 방향족 고분자 복합막 제조방법.The prepared cross-linked film is heat-treated at 110 to 120 ° C. for at least 1 hour in a state where the transparent PET film is not removed, further comprising the step of inhibiting the swelling degree of the polymer film by increasing solvent removal and cross-linking density. Method for producing a crosslinked aromatic polymer composite membrane. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 극성용매는 디메틸아세트아마이드(DMAc), 니트로메틸피롤리돈(NMP), 디메틸술폭시드(DMSo), 디메틸플로라이드(DMF) 중에서 선택된 하나의 극성용매인 것을 특징으로 하는 연료전지용 광가교 방향족 고분자 복합막 제조방법.The polar solvent is a photocrosslinked aromatic polymer for a fuel cell, characterized in that one polar solvent selected from dimethyl acetamide (DMAc), nitromethylpyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSo), dimethyl fluoride (DMF) Composite membrane manufacturing method. 연료전지용 이온전도성 광가교 방향족 고분자 복합막에 있어서,In the ion conductive optical crosslinked aromatic polymer composite membrane for fuel cell, 상기 제 1항, 제 2항, 제 5항, 제 6항, 제 7항, 제 8항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조되어 프로톤 전도도가 0.03 S/cm 이상이며, 메탄올 투과도가 0.28 kg/m2·h 이하인 고분자 복합막을 특징으로 하는 연료전지용 광가교 방향족 고분자 복합막.Prepared by the method according to any one of claims 1, 2, 5, 6, 7, 8, proton conductivity is 0.03 S / cm or more, methanol permeability 0.28 kg / A photocrosslinkable aromatic polymer composite membrane for a fuel cell, characterized by a polymer composite membrane of m 2 · h or less.
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