KR101138871B1 - Polymer electrolyte membrane, manufacturing method thereof, and fuel cell employing the same - Google Patents

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Abstract

고온?무가습의 조건 하에서도 안정되어 높은 프로톤 전도성을 가지는 고분자 전해질막, 이러한 고분자 전해질막을 제조할 수 있고, 또한 높은 생산성을 가지는 고분자 전해질막의 제조방법 및 이러한 고분자 전해질을 사용함으로써 높은 발전 특성을 가지는 연료전지를 제공한다. 산성 관능기를 가지는 (탄화수소계)고분자 전해질과, 유리산, 유리산과 루이스염기의 혼합물 또는 유리산과 유기염의 혼합물의 어느 1종으로 이루어진 유리산원을 극성 유기용매에 용해시킨 혼합용액을 습식 제막함으로써, 고분자 전해질에 유리산이 도프된 고분자 전해질막을 얻는 고분자 전해질막의 제조방법이 제공된다.A polymer electrolyte membrane which is stable under high temperature and no humidification conditions and has a high proton conductivity, can be produced such a polymer electrolyte membrane, and has a high power generation characteristic by using a method for producing a polymer electrolyte membrane having high productivity and using such a polymer electrolyte. Provide a fuel cell. The polymer is produced by wet film formation of a mixed solution obtained by dissolving a (hydrocarbon-based) polymer electrolyte having an acidic functional group and a free acid source composed of any one of free acid, a mixture of free acid and Lewis base, or a mixture of free acid and organic salt in a polar organic solvent. A method for producing a polymer electrolyte membrane is obtained which obtains a polymer electrolyte membrane doped with free acid in an electrolyte.

Description

고분자 전해질막, 그 제조방법 및 이를 채용한 연료전지 {Polymer electrolyte membrane, manufacturing method thereof, and fuel cell employing the same}Polymer electrolyte membrane, manufacturing method and fuel cell employing the same {Polymer electrolyte membrane, manufacturing method according, and fuel cell employing the same}

고분자 전해질막의 제조방법, 고분자 전해질막 및 연료전지가 개시된다.Disclosed are a method for producing a polymer electrolyte membrane, a polymer electrolyte membrane, and a fuel cell.

전기 화학 디바이스에 응용 가능하고, 특히 차세대의 클린 에너지로서 주목받고 있는 연료전지에서는, 최근 100℃ 이상의 고온에서의 운전이 가능하게 되는 무가습 또는 저가습 하에서 프로톤이 전도 가능한 전해질막의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 이와 같이, 물에 의존하지 않는 고온 하에서 프로톤 전도가 가능한 전해질막이 제공되면, 연료전지 시스템의 간략화가 도모되는 것에서 가정용 코제너레이션 용도 또는 자동차용 용도로서 보급하는 것을 기대할 수 있다.In fuel cells, which are applicable to electrochemical devices and are particularly drawing attention as the next generation of clean energy, the development of electrolyte membranes capable of conducting protons under unhumided or low-humidity, which makes it possible to operate at high temperatures of 100 ° C. or higher recently, has been actively conducted. ought. In this way, when an electrolyte membrane capable of proton conduction at a high temperature that does not depend on water is provided, it can be expected to be used as a home cogeneration or an automobile for use in simplifying a fuel cell system.

이러한 가정용 코제너레이션(cogeneration) 용도 또는 자동차용 용도에 매우 적합한 것으로서, 고체 고분자형 연료전지 (PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)가 있는데, PEFC는 프로톤 전도성을 가지는 고분자 전해질막이 촉매와 가스 확산층 등으로 구성되는 연료극과 산소극에 의해 개재된 구조의 막전극 접합체 (MEA: Membrane Electrode Assembly)를 가지고 있고, 연료극에 수소 가스를, 산소극에 공 기 또는 산소를 공급함으로써 다음 식의 전기화학반응이 생겨 기전력을 얻는 구조이다.As a very suitable for home cogeneration or automotive use, there is a polymer polymer fuel cell (PEFC), PEFC is a polymer electrolyte membrane having a proton conductivity is composed of a catalyst and a gas diffusion layer It has a membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) interposed by a fuel electrode and an oxygen electrode, and by supplying hydrogen gas to the fuel electrode and air or oxygen to the oxygen electrode, an electrochemical reaction of the following equation takes place and thus electromotive force is generated. It is a structure to get.

(연료극) H2 → 2H+ + 2e- (Fuel electrode) H 2 → 2H + + 2e -

(산소극) 2H+ + 1/2O2 + 2e- → H2O(Oxygen Electrode) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e - → H 2 O

상술한 프로톤 전도성을 가지는 고분자 전해질막에 대해서는, 미국 듀퐁사 제품의 나피온(등록상표)이나 술폰화 폴리에테르에테르케톤 등이 종래부터 알려져 있다. 이러한 고분자 전해질의 프로톤 전도는, 술폰산 주위의 물분자가 전도에 개재되어 있기 때문에, 가습 등에 의해 일정한 습윤상태로 연료전지에 응용되는 것이 일반적이다. 그 때문에, 운전온도는 일반적으로 80℃ 이하가 되고, 이 제한에 의해 촉매의 일산화탄소 피독 등의 문제가 생기기 때문에, 선택적 일산화탄소 제거가 필요하게 되어, 연료전지 시스템은 보다 복잡하고 고비용이 되지 않을 수 없는 상황이다.As for the polymer electrolyte membrane having the above-mentioned proton conductivity, Nafion (registered trademark), sulfonated polyether ether ketone, etc., manufactured by DuPont, USA, have been known. Proton conduction of such a polymer electrolyte is generally applied to fuel cells in a constant wet state by humidification or the like because water molecules around sulfonic acid are interposed in conduction. Therefore, the operating temperature is generally 80 ° C. or lower, and this limitation causes problems such as carbon monoxide poisoning of the catalyst. Therefore, selective carbon monoxide removal is required, which makes fuel cell systems more complicated and expensive. Situation.

이러한 문제를 감안하여, 100℃ 이상에서 구동하는 PEFC에 관한 여러가지 제안이 이루어져 있다. 일반적으로, 100℃ 이상에서의 발전에 있어서는 촉매 활성이 향상되는 것에서 일산화탄소에 의한 피독의 정도가 경감될 가능성이 시사되고, 나아가서는 연료전지 수명이 향상된다고 되어 있다. 그러나, 150℃정도의 중온영역에서의 운전에서는 물분자가 안정하게 존재할 수 없어서 인산을 도프한 폴리벤즈이미다졸을 중심으로 한, 물매체에 의존하지 않는 전해질계를 이용한 연료전지가 제안 되어 있다(예를 들면, 미국특허 제5525436호 명세서를 참조). 이러한 연료전지에서는, 150℃정도의 중온영역에서도 발전이 가능하게 되어 있다.In view of such a problem, various proposals regarding the PEFC which drive at 100 degreeC or more are made | formed. In general, in the power generation above 100 ° C, it is suggested that the degree of poisoning by carbon monoxide can be reduced by improving the catalytic activity, and furthermore, the fuel cell life is improved. However, a fuel cell using an electrolyte system that does not depend on a water medium has been proposed, focusing on polybenzimidazole doped with phosphoric acid because water molecules cannot be stably present in an operation in a medium temperature region of about 150 ° C. See, for example, US Pat. No. 55,25436 specifications). In such a fuel cell, power generation is possible even in a medium temperature region of about 150 ° C.

또한, 미국특허 제5525436호 명세서1에 기재된 기술 이외에, 프로톤 이동매체로서 상온용융염을 이용한 연료전지가 고안되어 있다. 이러한 연료전지로서는, 예를 들면 일반적인 상온용융염을 프로톤의 이동매체로 하는 발명 (예를 들면, 국제공개 팜플렛 제03/083981호를 참조)을 중심으로, 상온용융염은 액체이므로 이를 고정화하는 방법으로서 폴리아릴렌과의 조합(예를 들면, 일본특허공개 2006-32213호 공보 참조)이나, 폴리벤즈이미다졸류 등과의 조합 (예를 들면, 일본특허공개 2005-166598호 공보를 참조), Zwitter ion형 용융염 및 산과의 조합 (예를 들면, 일본특허공개 2005-228588호 공보 및 일본특허공개 2004-38683호 공보 참조) 등이 검토되고 있는데, 지금까지 고안되어 있는 상온 용융염을 이용한 발전에 관한 특성 확인에서의 분극특성은 매우 낮다는 문제가 있었다. 예를 들면, 문헌 (국제공개 팜플렛 제03/083981호)에서는 분극 곡선은 나타나 있지만, 계속적으로 발전한 데이터가 나타나 있지 않고, 문헌 (일본특허공개 2006-32213호 공보)에서는 발전 가능한 근거가 되는 데이터는 나타나 있지 않다. 또한, 문헌 (일본 특허공개 2005-228588호 공보) 및 문헌 (일본 특허공개 2004-38683호 공보)에는 전기화학 측정결과로서 계속적인 통전시험의 결과가 기재되어 있지만, 그 특성은 매우 낮다.In addition to the technique described in US Patent No. 5525436, the fuel cell using a molten salt at room temperature as a proton transfer medium is devised. As such a fuel cell, for example, a method of immobilizing a room temperature molten salt is a liquid, centering on the invention of using a common room temperature molten salt as a proton transfer medium (for example, refer to International Publication No. 03/083981). As a combination with polyarylene (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-32213), a combination with polybenzimidazoles, etc. (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-166598), Zwitter Combinations with ion-type molten salts and acids (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-228588 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-38683), and the like have been studied. There was a problem in that the polarization characteristic in the characteristic identification was very low. For example, although the polarization curve is shown in the document (International Publication No. 03/083981), the data which is continuously developed is not shown, and the data which can be developed in the document (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-32213) are Not shown. In addition, although the document (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-228588) and the document (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-38683) describe the results of the continuous energization test as the result of the electrochemical measurement, the characteristics are very low.

한편, 종래의 Nafion (등록상표)으로 대표되는 퍼플루오로술폰산형 고분자 전해질에, 인산을 도프한 기술 (예를 들면, R.Savinell 등 저, J.Electrochem.Soc.141, (1994) L46을 참조), 일반적인 상온용융염을 도프한 전해 질 (예를 들면, J.Sun 등 저, Electrochemica Acta, 46, (2001) 1703-1708를 참조) 또는 술폰화 폴리술폰에 트리아졸을 도프한 강산-약염기의 조합(예를 들면, 일본특허공개 2006-32213호 공보 참조)에 관해서도 프로톤 이동의 유무를 확인은 하고 있지만, 발전특성에 관해서는 충분히 언급되어 있지 않고, 그 기술의 연료전지에의 실용화에 있어서는 충분한 검증이 이루어지지 않는 것이 실정이다.On the other hand, a technique in which phosphoric acid is doped into a perfluorosulfonic acid polymer electrolyte represented by conventional Nafion (registered trademark) (for example, R. Savinell et al., J. Electrochem. Soc. 141, (1994) L46 Electrolytics doped with common molten salt (see, eg, J. Sun et al., Electrochemica Acta, 46, (2001) 1703-1708) or strong acids with triazoles doped with sulfonated polysulfones. The presence or absence of proton transfer is also confirmed in the combination of weak bases (see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2006-32213), but the power generation characteristics are not sufficiently mentioned, and the technique is not practically used for fuel cells. In this case, it is a fact that sufficient verification is not performed.

단, 문헌 (R.Savinell 등 저, J.Electrochem.Soc.141, (1994) L46)에서의 검토에 나타나는 바와 같이, 인산 등의 산성의 프로톤 매체를 이용한 경우에는, 상술한 인산을 도프한 폴리벤즈이미다졸에 나타나는 바와 같이 발전에 필요한 프로톤의 이동은 비교적 용이하게 달성할 수 있기 때문에 발전도 가능하다고 생각된다.However, as shown in the literature (R. Savinell et al., J. Electrochem. Soc. 141, (1994) L46), in the case of using an acidic proton medium such as phosphoric acid, As shown in benzimidazole, it is thought that the transfer of protons necessary for power generation can be achieved relatively easily, so that power generation is possible.

그러나, 문헌 (R.Savinell 등 저, J.Electrochem.Soc.141, (1994) L46)에 기재된 기술과 같이, 고분자 전해질을 용해시킨 용액에서 고분자 전해질막을 습식 제막한 후에 인산을 도프하는 방법은 일반적이지만, 도프 전후에서의 막의 물리적 특성이 크게 변화하는 것, 평형상태가 되기까지의 양의 인산을 도프하기 위해 장시간을 필요로 하는 것 등의 문제가 있다. 또한, 인산을 도프한 고분자 전해질을 이용하여 직접 고분자 전해질막을 제막하는 연속공정을 생각한 경우, 인산을 도프하기 위한 용기 및 고분자 전해질막을 지지하는 지지롤 등을 내산성의 재질을 이용하여 만들어야 하고, 고분자 전해질막의 생산성을 높게 하기 위해서는 여러가지 문제를 해결해야 한다.However, as described in R. Savinell et al., J. Electrochem. Soc. 141, (1994) L46, a method of doping phosphoric acid after wet film formation of a polymer electrolyte membrane in a solution in which the polymer electrolyte is dissolved is generally used. However, there are problems such as a large change in the physical properties of the film before and after the dope, and a long time required to dope the amount of phosphoric acid until equilibrium. In addition, when considering a continuous process of directly forming a polymer electrolyte membrane by using a polymer electrolyte doped with phosphoric acid, a container for doping phosphoric acid and a supporting roll for supporting the polymer electrolyte membrane should be made of an acid resistant material. In order to increase the productivity of the membrane, various problems must be solved.

이에 대해, 문헌 (무네우치 아츠오 외, 연료전지 Vol.7 No.2(2007) 86)에 개시되어 있는 바와 같이, 고분자 전해질을 구성하는 모노머의 합성에서 인산을 도프 한 고분자 전해질막을 이용하여 막-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)를 제조하기까지의 공정을 연속적으로 행하는 기술이 제안되어 있다. On the other hand, as disclosed in the literature (Atsuo Muneuchi et al., Fuel cell Vol. 7 No. 2 (2007) 86), the membrane using a polymer electrolyte membrane doped with phosphoric acid in the synthesis of the monomer constituting the polymer electrolyte A technique for continuously carrying out the steps up to manufacturing an electrode assembly (Membrane-Electrode Assembly, MEA) has been proposed.

그러나, 이 방법에서는, 내산성의 대규모 설비가 필요하게 되는 데다가, 용매인 폴리 인산의 가수분해공정 등의 조건을 시행착오에 의해 설정하는 것이 필요하게 되는 것이 예상된다.However, in this method, it is expected that a large scale acid-resistant facility is required, and that conditions such as hydrolysis of polyphosphoric acid as a solvent need to be set by trial and error.

또한, 100℃이상 무가습에서 연료전지의 운전이 가능한 고분자 전해질로서는, 상술한 바와 같은 인산을 도프한 고분자 전해질막 이외에 용융염 등의 검토도 이루어져 있지만(예를 들면, 문헌 (Hongjun Chen, et al., Electrochem.Comm., 9(2007) 469)를 참조), 충분한 발전특성을 얻을 수 없는 것이 현상이다.In addition, as a polymer electrolyte capable of operating a fuel cell at 100 ° C. or higher without humidification, a molten salt or the like has been examined in addition to the polymer electrolyte membrane doped with phosphoric acid as described above (see, for example, Hongjun Chen, et al. ., Electrochem. Comm., 9 (2007) 469), a phenomenon in which sufficient power generation characteristics cannot be obtained.

또한, 상술한 용융염 등을 프로톤 이동매체로서 이용하는 방법으로서는, 용융염 중에서 모노머를 중합하는 방법 (예를 들면, 문헌(가미무라 도시아키 외, 제47회 전지토론회 예고집(2006) 178)을 참조)이나 고분자 전해질과 용액상태에서 상용시킨 용액을 습식 제막하는 방법 (예를 들면, 문헌(김제덕 외, 제47회 전지토론회 예고집(2006) 176)을 참조)이 제안되어 있다. 이러한 자립막을 얻는 방법은, 고분자 전해질막에 인산을 도프하는 방법과 비교하여 일반적으로 생산성이 높다고 생각된다. 그러나, 그 전해질막 자체의 특성에서는, 실용적인 발전특성을 얻는 데는 추가의 프로톤 전도기구의 조사나 개발의 필요성이 요구된다.As a method of using the above-described molten salt or the like as a proton transfer medium, a method of polymerizing monomers in the molten salt (for example, Kamimura Toshiaki et al., 47th Battery Discussion Society (2006) 178) Or a method of wet-forming a solution made compatible with a polymer electrolyte in a solution state (see, for example, Kim Je-Duk et al., 47th Korean Society for Battery Discussion (2006) 176). The method of obtaining such a self-supporting film is generally considered to be higher in productivity than the method of doping phosphoric acid in a polymer electrolyte membrane. However, in the characteristic of the electrolyte membrane itself, the necessity of investigating or developing additional proton conduction mechanisms is required to obtain practical power generation characteristics.

이와 같이 어떠한 산 도프형의 전해질이나 용융염형의 전해질에서도, 예를 들면 100℃이상의 고온이면서 무가습의 조건으로 충분한 프로톤 전도성이나 발전특성을 가지는 것이나, 산 도프형의 전해질막의 제조에 있어서 높은 생산성을 가지는 방법은 아직 제안되어 있지 않았다.In this way, any acid-doped electrolyte or a molten salt-type electrolyte has sufficient proton conductivity and power generation characteristics under high humidity and no humidification conditions, for example, 100 ° C. or higher, and high productivity in the production of acid-doped electrolyte membranes. How to have not been proposed yet.

그래서 본 발명은 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, Therefore, the present invention has been made in view of the above problems,

고온 무가습 조건하에서도 안정되어 높은 프로톤 전도성을 가지는 고분자 전해질막, 이러한 고분자 전해질막을 제조할 수 있고, 높은 생산성을 가지는 고분자 전해질막의 제조방법 및 이러한 고분자 전해질을 사용함으로써 높은 발전 특성을 가지는 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.A polymer electrolyte membrane which is stable under high temperature and no humidification conditions and has a high proton conductivity, can be produced such a polymer electrolyte membrane, a method for producing a polymer electrolyte membrane with high productivity, and a fuel cell having high power generation characteristics by using such a polymer electrolyte. It aims to provide.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 주도 면밀히 연구를 거듭한 결과, 산성 관능기를 가지는 소정의 고분자 전해질은 인산 등의 유리산과 극성 유기용매 중에서 상용할 수 있고, 이에 의해, 산 도프형의 고분자 전해질막을 습식 제막에 의해 제막할 수 있음을 발견하고, 이 발견에 기초하여 본 발명을 완성하는 데에 이르렀다.The present inventors have conducted extensive research to solve the above problems, and as a result, a predetermined polymer electrolyte having an acidic functional group can be used in a free acid such as phosphoric acid and a polar organic solvent, thereby forming an acid-doped polymer electrolyte membrane. It discovered that it could form into a film by wet film forming, and came to complete this invention based on this discovery.

즉, 본 발명의 일실시예에 의하면, 산성 관능기를 가지는 (탄화수소계) 고분자 전해질과 유리산, 유리산과 루이스염기의 혼합물 또는 유리산과 유기염의 혼합물 중 어느 1종으로 이루어진 유리산원을 극성 유기용매에 용해시킨 혼합용액을 습식 제막함으로써, 상기 고분자 전해질에 상기 유리산이 도프된 고분자 전해질막을 얻는 고분자 전해질막의 제조방법이 제공된다.That is, according to one embodiment of the present invention, a free acid source composed of any one of a (hydrocarbon based) polymer electrolyte having an acidic functional group and a mixture of free acid, free acid and Lewis base, or a mixture of free acid and organic salt is added to the polar organic solvent. There is provided a method for producing a polymer electrolyte membrane in which the mixed solution dissolved is wet formed to obtain a polymer electrolyte membrane doped with the free acid in the polymer electrolyte.

여기서, 상기 고분자 전해질막의 제조방법에 있어서, 상기 고분자 전해질의 주요골격은 방향족계 엔지니어링 플라스틱인 것이 바람직하다. 상기 방향족계 엔지 니어링 플라스틱으로서는, 예를 들면 폴리에테르술폰 또는 폴리벤즈이미다졸을 들 수 있다.Here, in the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane, the main skeleton of the polymer electrolyte is preferably an aromatic engineering plastic. As said aromatic engineering plastics, polyether sulfone or polybenzimidazole is mentioned, for example.

또한, 상기 고분자 전해질막의 제조방법에 있어서, 상기 유리산은 산성 무기 인 화합물 또는 산성 유기 인 화합물인 것이 바람직하다. 상기 산성 무기 인 화합물로서는, 예를 들면 인산, 폴리인산 또는 포스폰산을 들 수 있고, 상기 산성 유기 인 화합물로서는, 예를 들면 비닐포스폰산 또는 에틸포스폰산을 들 수 있다.In the method for producing the polymer electrolyte membrane, the free acid is preferably an acidic inorganic phosphorus compound or an acidic organic phosphorus compound. As said acidic inorganic phosphorus compound, phosphoric acid, polyphosphoric acid, or phosphonic acid is mentioned, for example, As said acidic organic phosphorus compound, vinylphosphonic acid or ethylphosphonic acid is mentioned, for example.

또한, 상기 고분자 전해질막의 제조방법에 있어서, 상기 유기염은 제4급 암모늄 양이온인 것이 바람직하다.In the method for producing the polymer electrolyte membrane, the organic salt is preferably a quaternary ammonium cation.

또한, 상기 고분자 전해질막의 제조방법에 있어서, 상기 극성 유기용매는 아미드계 유기용매인 것이 바람직하다. In the method for producing the polymer electrolyte membrane, the polar organic solvent is preferably an amide organic solvent.

상기 아미드계 유기용매로서는, 예를 들면 디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈 또는 디메틸포름아미드를 들 수 있다.Examples of the amide organic solvents include dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone or dimethylformamide.

또한, 상기 고분자 전해질막의 제조방법에 있어서, 상기 고분자 전해질의 산성 관능기의 몰수(nA), 상기 유리산의 몰수(nB), 상기 루이스 염기의 몰수(nC)가 nA+nB>nC의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.Further, in the method for producing the polymer electrolyte membrane, the number of moles (nA) of the acidic functional groups of the polymer electrolyte, the number of moles of the free acid (nB) and the number of moles of the Lewis base (nC) satisfy the relationship of nA + nB> nC. It is desirable to.

또한, 상기 고분자 전해질막의 제조방법에 있어서, 상기 극성 용매 중에, 상기 고분자 전해질 100 중량부를 기준으로 하여 20 내지 80중량부의 상기 유리산을 용해시키는 것이 바람직하다.In the method for producing the polymer electrolyte membrane, it is preferable to dissolve 20 to 80 parts by weight of the free acid based on 100 parts by weight of the polymer electrolyte in the polar solvent.

또한, 상기 고분자 전해질막의 제조방법에 있어서, 상기 유리산은 비닐포스폰산이고, 상기 습식 제막 후에, 상기 고분자 전해질에 도프된 상기 비닐포스폰산 을 중합시켜도 된다. 이 경우, 상기 극성 유기용매 중에 다관능 중합성 화합물을 용해시킨 상기 혼합용액을 습식 제막하고, 해당 습식 제막 후에, 상기 다관능 중합성 화합물과 상기 비닐포스폰산을 공중합시켜도 된다. 상기 다관능 중합성 화합물로서는, 예를 들면 다관능 비닐 화합물, 디아크릴레이트 또는 디메타크릴레이트를 들 수 있다.In the method for producing a polymer electrolyte membrane, the free acid is vinyl phosphonic acid, and after the wet film formation, the vinyl phosphonic acid doped in the polymer electrolyte may be polymerized. In this case, the mixed solution in which the polyfunctional polymerizable compound is dissolved in the polar organic solvent may be wet formed, and after the wet film formation, the polyfunctional polymerizable compound and the vinylphosphonic acid may be copolymerized. As said polyfunctional polymerizable compound, a polyfunctional vinyl compound, a diacrylate, or a dimethacrylate is mentioned, for example.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 일실시예에 의하면, 산성 관능기를 가지는 방향족계 엔지니어링 플라스틱을 주요골격으로 하면서, 산성 무기 인 화합물 또는 산성 유기 인 화합물로 이루어진 유리산이 도프된 고분자 전해질막이 제공된다.In order to solve the above problems, according to another embodiment of the present invention, a polymer electrolyte membrane doped with a free acid consisting of an acidic inorganic phosphorus compound or an acidic organic phosphorus compound is provided with an aromatic engineering plastic having an acidic functional group as a main skeleton do.

여기서, 상기 고분자 전해질막에 있어서, 상기 방향족계 엔지니어링 플라스틱으로서는, 예를 들면 폴리에테르술폰 또는 폴리벤즈이미다졸을 들 수 있다.Here, in the polymer electrolyte membrane, examples of the aromatic engineering plastics include polyether sulfone or polybenzimidazole.

또한, 상기 고분자 전해질막에 있어서, 상기 산성 무기 인 화합물로서는, 예를 들면 인산, 폴리인산 또는 포스폰산을 들 수 있고, 상기 산성 유기 인 화합물로서는, 예를 들면 비닐포스폰산 또는 에틸포스폰산을 들 수 있다.Further, in the polymer electrolyte membrane, examples of the acidic inorganic phosphorus compound include phosphoric acid, polyphosphoric acid, or phosphonic acid. Examples of the acidic organic phosphorus compound include vinylphosphonic acid or ethylphosphonic acid. Can be.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상술한 고분자 전해질막을 이용한 막전극 접합체를 구비하는 연료전지가 제공된다.In order to solve the above problems, according to another embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell having a membrane electrode assembly using the above-described polymer electrolyte membrane.

본 발명의 일실시예에 의하면, 산성 관능기를 가지는 소정의 고분자 전해질과 인산 등의 유리산과 극성 유기용매 중에서 상용시키고, 산 도프형의 고분자 전해질막을 습식 제막에 의해 제막함으로써, 고온?무가습의 조건 하에서도 안정되어 높은 프로톤 전도성을 가지는 고분자 전해질막, 이러한 고분자 전해질막을 제조할 수 있고, 높은 생산성을 가지는 고분자 전해질막의 제조방법 및 이러한 고분자 전해질을 사용함으로써 높은 발전특성을 가지는 연료전지를 제공하는 것이 가능하게 된다.According to one embodiment of the present invention, a predetermined polymer electrolyte having an acidic functional group and a free acid such as phosphoric acid are mixed with a polar organic solvent, and an acid-doped polymer electrolyte membrane is formed by a wet membrane to form a high temperature and no humidification condition. It is possible to provide a polymer electrolyte membrane having a high proton conductivity, which is stable even under such conditions, a polymer electrolyte membrane can be produced, a method of producing a polymer electrolyte membrane having high productivity, and a fuel cell having high power generation characteristics by using such a polymer electrolyte. Done.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail with reference to an accompanying drawing.

(습식 제막에 의한 산 도프형의 고분자 전해질막의 제조에 대해서)(Production of Acid Doped Polymer Electrolyte Membrane by Wet Film Production)

우선, 본 발명을 설명하기 전에, 본 발명자들이 본 발명을 완성시킬 때에 얻은 지견에 대해서 설명한다.First, before describing this invention, the knowledge acquired when this inventors completed this invention is demonstrated.

<현상에 대해서><About the phenomenon>

상술한 바와 같이, 종래는 인산 등의 산을 도프한 고분자 전해질막을 습식제막에 의해 직접 얻을 수는 없었다. 이 이유로서는, 일반적인 지견으로 문헌 등에서 개시되어 있지 않지만, 일반적으로는 인산 등의 산을 도프 또는 유지할 수 있는 고분자 재료는, 문헌 (Z.Zhou 등 저, J.Am.Chem.Soc.127, (2005) 10825)이나 문헌 (Y.Aihara et al., ECS Trans., 3(2006) 123)에 기재된 고분자 구조에 나타나는 바와 같이, 고분자 골격에 질소함유 화합물을 포함하는 구조로 되어 있다. 이러한 고분자 재료는, 고분자 자체가 염기성을 가지는 경우, 이 염기성의 고분자(예를 들면, 폴리벤즈이미다졸: PBI)에 대해 도프하는 산이 상호작용을 나타내고, 일종의 염구조를 형성하기 위해 안정적으로 산을 유지할 수 있다고 생각된다. 따라서, 고분자 자체는 습식 제막시의 용매에 용해되어도, 용매 중에 고분자가 용해한 고분자 용액에 산을 혼합하면, 고분자가 염기성을 가지는 경우에는 고분자 용액 중의 염기와 혼합한 산에 의해 즉석에서 산염기 복합체를 형성한다. 이 산염기 복합체는, 용매에 불용이므로 용액 중에 침전이 생겨 버린다. 또한, 이 산염기 복합체는 성형성이 부족하여 복합체 자체를 막형상으로 하는 것은 매우 어렵다.As described above, conventionally, a polymer electrolyte membrane doped with an acid such as phosphoric acid cannot be directly obtained by a wet preparation membrane. For this reason, although it is not disclosed in the literature etc. for general knowledge, generally, the polymeric material which can dope or hold acid, such as phosphoric acid, is described by Z. Zhou et al., J. Am. Chem. Soc. 127, ( 2005) 10825) and the polymer structure described in (Y. Aihara et al., ECS Trans., 3 (2006) 123), the structure containing a nitrogen-containing compound in the polymer backbone. In the polymer material, when the polymer itself has a basic property, the acid doped to the basic polymer (for example, polybenzimidazole: PBI) shows an interaction, and the acid is stably formed to form a salt structure. I think it can be maintained. Therefore, even if the polymer itself is dissolved in a solvent at the time of wet film formation, when acid is mixed with the polymer solution in which the polymer is dissolved in the solvent, when the polymer is basic, the acid-based complex is immediately impregnated with the acid mixed with the base in the polymer solution. Form. Since this acid group complex is insoluble in a solvent, precipitation arises in a solution. In addition, the acid group-based composites are poor in moldability, and it is very difficult to form the composites themselves into a film.

또한, 한편, 인산과 고분자의 복합화는 비교적 예전부터 검토되고 있는 것이 알려져 있다. 예를 들면, 문헌 (G.Zukowska et al., Solid State Ionics, 119(1999) 289)이나 문헌 (G.Zukowska et al., Chem.Mater, 12(2000) 3578)에서는, N-N-디메틸포름아미드(DMF)와 인산의 겔이라고 칭하여 폴리비닐리덴플로라이드 또는 폴리글리시딜메타크릴레이트를 고분자 골격으로 이용하여 전해질을 형성하고, 프로톤 전도체를 제공하는 것이 가능한 기술이 개시되어 있다. 이러한 전해질은, 문헌 (G.Zukowska et al., Solid State Ionics, 119(1999) 289) 또는 문헌 (G.Zukowska et al., Chem.Mater, 12(2000) 3578)에서 개시되어 있는 재료구성 및 그 평가온도의 범위에서 보아도 명백한 바와 같이, 고온에 견딜 수 있는 전해질이 아니다. On the other hand, it is known that complexation of phosphoric acid and a polymer has been considered relatively long ago. For example, in G. Zukowska et al., Solid State Ionics, 119 (1999) 289 or in G. Zukowska et al., Chem. Mater, 12 (2000) 3578, NN-dimethylformamide Disclosed is a technique capable of forming an electrolyte by using polyvinylidene fluoride or polyglycidyl methacrylate as a polymer skeleton, referred to as a gel of (DMF) and phosphoric acid, and providing a proton conductor. Such electrolytes include the material compositions disclosed in G. Zukowska et al., Solid State Ionics, 119 (1999) 289 or G. Zukowska et al., Chem. Mater, 12 (2000) 3578; As apparent from the range of the evaluation temperature, it is not an electrolyte that can withstand high temperatures.

또한, 이러한 전해질의 고분자 구조는 모두 염기성 유닛을 포함하는 구조도 아니므로, 용매 중에서의 고분자 전해질과 산의 상용을 가능하게 한다. 그러나, 문헌 (G.Zukowska et al., Solid State Ionics, 119(1999) 289) 및 문헌 (G.Zukowska et al., Chem.Mater, 12(2000) 3578)의 기술에서의 고분자의 역할은, 폴리비닐리덴플로라이드 또는 폴리글리시딜메타크릴레이트와 같은 고분자 골격을 이용하여 DMF와 인산의 겔을 유지하는 것에 불과하고, 연료전지에 사용한 경우의 발전특성 등에 관해서는 전혀 검토되어 있지 않다.In addition, since the polymer structure of the electrolyte is not all a structure including a basic unit, it is possible to use the polymer electrolyte and the acid in the solvent. However, the role of polymers in the techniques of G. Zukowska et al., Solid State Ionics, 119 (1999) 289 and G. Zukowska et al., Chem. Mater, 12 (2000) 3578, Using only a macromolecular skeleton such as polyvinylidene fluoride or polyglycidyl methacrylate, the gel of DMF and phosphoric acid is retained, and the power generation characteristics when used in a fuel cell have not been studied at all.

이상과 같이, 어떤 산 도프형의 고분자 전해질막에서도, 습식 제막에 의해 고분자 전해질이 용해한 용액으로부터 직접 고분자 전해질막을 얻을 수 있다는 높은 생산성을 가지고, 또한 얻어진 고분자 전해질막이 고온?무가습의 조건 하에서 안정되어 높은 프로톤 전도도를 가지는 것은 제안되어 있지 않다. 또한, 이러한 산 도프형의 고분자 전해질막을 이용한 연료전지가 고온?무가습의 조건 하에서 안정되어 우수한 발전특성을 가지는 것도 제안되어 있지 않다.As described above, in any acid-doped polymer electrolyte membrane, it has a high productivity that a polymer electrolyte membrane can be directly obtained from a solution in which the polymer electrolyte is dissolved by a wet film formation, and the obtained polymer electrolyte membrane is stable under conditions of high temperature and no humidification. It is not proposed to have high proton conductivity. In addition, it has not been proposed that a fuel cell using such an acid-doped polymer electrolyte membrane is stable under high temperature and no humidification conditions and has excellent power generation characteristics.

이러한 현상에 대해, 본 발명자들은 고온?무가습의 조건 하에서 안정되어 높은 프로톤 전도도를 가지는 고분자 전해질을 습식 제막에 의해 직접 얻기 위한 방법의 검토에 대해 이하에 설명한다.For this phenomenon, the present inventors explain the examination of a method for directly obtaining a polymer electrolyte which is stable under high temperature and no humidification conditions and has a high proton conductivity by wet film formation.

<고분자 전해질막의 제작조건에 대한 검토><Review on Fabrication Conditions of Polymer Electrolyte Membrane>

우선, 고분자 전해질에 도프시키는 산의 일례로서 폴리인산을 사용하고, 염기성의 극성 유기용매에 대한 용해성을 조사한 실험에 대해서 설명한다. 이 실험에서는, N-메틸-2-피롤리돈(이하, 「NMP」라고 기재함), 디메틸아세트아미드(이하, 「DMAc」라고 기재함), 디메틸포름아미드(이하, 「DMF」라고 기재함)의 3종의 극성 유기용매에 폴리인산을 용해시켰다. 폴리인산의 극성 유기용매에의 첨가량은 10 중량%, 20 중량%, 30 중량%, 40 중량%, 50 중량%로 하였다. 이 결과를 하기의 표 1에 나타낸다. First, the experiment which investigated the solubility to basic polar organic solvent using polyphosphoric acid as an example of the acid doped to a polymer electrolyte is demonstrated. In this experiment, N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter referred to as "NMP"), dimethylacetamide (hereinafter referred to as "DMAc"), dimethylformamide (hereinafter referred to as "DMF") Polyphosphoric acid was dissolved in three polar organic solvents. The amount of polyphosphoric acid added to the polar organic solvent was 10% by weight, 20% by weight, 30% by weight, 40% by weight, or 50% by weight. The results are shown in Table 1 below.

또한, 하기 표 1에서 ○는 (실온(25℃)에서)가용, △는 60℃에서 가용, ×는 불용임을 각각 나타낸다.In addition, in Table 1 below, (circle) shows soluble (at room temperature (25 degreeC)), (triangle | delta) shows soluble at 60 degreeC, and x is insoluble, respectively.

[표 1][Table 1]

NMPNMP DMAcDMAc DMFDMF 10 중량%10 wt% ×× 20 중량%20 wt% ×× 30 중량%30 wt% ×× 40 중량%40 wt% ×× ×× ×× 50 중량%50 wt% ×× ×× ××

표 1에 나타내는 바와 같이, NMP 및 DMF는, 실온에서는 폴리인산을 20중량%까지는 용해시킬 수 있고, 60℃에서는 폴리인산을 30중량%까지 용해시킬 수 있었다. 한편, DMAc는 폴리인산이 10중량%에서도 용해시킬 수 없었다. 이 결과로부터, 폴리인산을 용해시키는 데는 극성 유기용매로서 NMP 및 DMF를 사용하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.As shown in Table 1, NMP and DMF were able to dissolve polyphosphoric acid up to 20 weight% at room temperature, and were able to dissolve polyphosphoric acid up to 30 weight% at 60 degreeC. On the other hand, DMAc could not be dissolved even in 10% by weight of polyphosphoric acid. This result shows that it is preferable to use NMP and DMF as a polar organic solvent in dissolving polyphosphoric acid.

다음에, 산성 관능기를 가지는 고분자 전해질의 일례로서 술폰산기를 가지는 고분자를 사용하고, 염기성의 극성 유기용매에 대한 용해성을 조사한 실험에 대해서 설명한다. 이 실험에서는, 사용한 극성 유기용매는 폴리인산의 경우와 같이 3종의 용매를 사용하고, 이러한 극성 유기용매에 각각 술폰산기를 가지는 고분자의 일례로서 술폰화 폴리에테르에테르케톤을 용해시켰다. 술폰산기를 가지는 고분자의 극성 유기용매에의 첨가량은 10중량%, 20중량%, 30중량%, 40중량%, 50중량%로 하였다. 이 결과를 하기의 표 2에 나타낸다. 또, 하기 표 1에서 ○는 가용, ×는 불용임을 각각 나타낸다. 또한, △는 가용이지만 점성이 매우 높아 교반이 어려운 상태를 나타낸다.Next, the experiment which investigated the solubility with respect to a basic polar organic solvent using the polymer which has a sulfonic acid group as an example of the polymer electrolyte which has an acidic functional group is demonstrated. In this experiment, as the polar organic solvent used, three kinds of solvents were used as in the case of polyphosphoric acid, and sulfonated polyether ether ketone was dissolved as one example of a polymer having sulfonic acid groups in each of these polar organic solvents. The amount of the polymer having a sulfonic acid group added to the polar organic solvent was 10% by weight, 20% by weight, 30% by weight, 40% by weight, or 50% by weight. The results are shown in Table 2 below. In Table 1 below, ○ represents soluble and x represents insoluble. In addition, (triangle | delta) is a soluble but very high viscosity and shows a state in which stirring is difficult.

[표 2]TABLE 2

NMPNMP DMAcDMAc DMFDMF 10 중량%10 wt% 20 중량%20 wt% 30 중량%30 wt% 40 중량%40 wt% ×× 50 중량%50 wt% ×× ×× ××

표 2에 나타내는 바와 같이, NMP는 10~40중량%에서 가용이지만, 30~40중량%에서 점성이 높아졌다. 또한, DMAc는 10~40중량%에서 가용이지만, 40중량%에서 점성이 높아졌다. 또한, DMF는 10~30중량%에서 가용이지만, 30중량%에서 점성이 높아졌다. 이 결과로부터, 고분자 전해질을 용해시키는 데는 극성 유기용매로서 DMAc, NMP를 사용하는 것이 바람직하고, DMAc가 특히 바람직한 것을 알 수 있다.As shown in Table 2, although NMP is soluble at 10-40 weight%, the viscosity became high at 30-40 weight%. In addition, while DMAc is soluble at 10 to 40% by weight, the viscosity increased at 40% by weight. In addition, DMF was soluble at 10 to 30% by weight, but increased in viscosity at 30% by weight. From this result, it is preferable to use DMAc and NMP as a polar organic solvent in dissolving a polymer electrolyte, and DMAc is especially preferable.

그런데, 습식 제막에 의해 직접 산이 도프된 고분자 전해질막을 제막하기 위해서는, 고분자 전해질과 그것에 도프시키는 산의 쌍방이 극성 유기용매 중에 용해되어 있을 필요가 있다. 그러나, DMAc는 상기 표 1에서 나타낸 바와 같이 폴리인산을 용해시킬 수 없기 때문에, 폴리인산 및 술폰산기를 가지는 고분자 전해질의 쌍방을 용해시키기 위해서는 NMP가 가장 바람직한 용매라고 할 수 있다.By the way, in order to form a polymer electrolyte membrane directly doped with an acid by wet film formation, both the polymer electrolyte and the acid doped with it need to be dissolved in a polar organic solvent. However, since DMAc cannot dissolve polyphosphoric acid as shown in Table 1 above, it can be said that NMP is the most preferable solvent in order to dissolve both polyphosphoric acid and a polyelectrolyte having a sulfonic acid group.

이상과 같은 검토 결과를 얻은 후에, 본 발명자들이 더욱 검토를 진행한 바, 술폰산기를 가지는 고분자 전해질을 용해시킨 DMAc는 폴리인산을 용해시킬 수 있다는 지견을 얻을 수 있고, 이 지견에 기초하여 본 발명자들은 본 발명을 완성시켰다. 이하, 본 발명에 관한 고분자 전해질막의 제조방법 및 이 제조방법에 의해 얻어진 고분자 전해질막과 이를 이용한 연료전지에 대해서 상세하게 설명한다.After obtaining the above examination results, the present inventors further examined, and the knowledge that DMAc which melt | dissolved the polyelectrolyte which has a sulfonic acid group can dissolve polyphosphoric acid can be acquired, and based on this knowledge, the present inventors The present invention has been completed. Hereinafter, a method for producing a polymer electrolyte membrane according to the present invention, a polymer electrolyte membrane obtained by the production method and a fuel cell using the same will be described in detail.

[본 발명에 관한 고분자 전해질막의 제조방법에 대해서][Production method of polymer electrolyte membrane according to the present invention]

본 발명에 관한 고분자 전해질막의 제조방법은, 산성 관능기를 가지는 고분자 전해질과 유리산원을 극성 유기용매에 용해시킨 혼합용액을 습식 제막함으로써, 고분자 전해질에 유리산이 도프된 고분자 전해질막을 얻는 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명에 관한 고분자 전해질막의 제조방법은 크게 나누어 이하의 4개의 공정으로 이루어진다.A method for producing a polymer electrolyte membrane according to the present invention is to obtain a polymer electrolyte membrane doped with a free acid in a polymer electrolyte by wet forming a polymer electrolyte having an acidic functional group and a mixed solution in which a free acid source is dissolved in a polar organic solvent. In more detail, the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane which concerns on this invention is divided roughly into the following four processes.

(1) 용액제조 공정(1) Solution manufacturing process

(2) 제막 공정(2) film forming process

(3) 예비건조 공정(3) predrying process

(4) 건조 공정(4) drying process

(용액 제조 공정에 대해서)(About a solution manufacturing process)

우선, (1) 용액제조공정에 대해서 설명한다. 용액제조공정에서는, 산성 관능기를 가지는 고분자 전해질(예를 들면, 술폰산기를 가지는 고분자 화합물) 및 유리산(예를 들면, 폴리인산) 등을 극성 유기용매에 용해시킨 혼합용액을 제조한다. 이 혼합용액은, 산성 관능기를 가지는 고분자와 유리산을 극성 유기용매에 첨가하고, 메커니컬 스터러나 마그네틱 스터러 등을 이용하여 교반함으로써 제조한다. 물론, 교반에 이용하는 기구는 메커니컬 스터러나 마그네틱 스터러에는 한정되지 않고, 고분자 및 유리산을 극성 용매 중에서 충분히 혼합하여 용해할 수 있는 것이면 다른 기구를 이용해도 된다. 또한, 혼합용액의 제조시, 교반에 의해 기포가 발생할 수도 있으므로, 진공 탈포나 원심 탈포 등에 의해 교반 중의 혼합용액을 탈포하는 것이 바람직하다. 이하에 혼합용액의 제조에 사용하는 원료에 대해서 상세하게 설명한다.First, the (1) solution manufacturing process is demonstrated. In the solution preparation step, a mixed solution in which a polymer electrolyte having an acidic functional group (for example, a polymer compound having a sulfonic acid group), a free acid (for example, polyphosphoric acid), and the like are dissolved in a polar organic solvent is prepared. This mixed solution is prepared by adding a polymer having an acidic functional group and a free acid to a polar organic solvent and stirring using a mechanical stirrer, a magnetic stirrer, or the like. Of course, the mechanism used for stirring is not limited to a mechanical stirrer or a magnetic stirrer, If another polymer and free acid can be mixed and dissolved in a polar solvent, you may use another mechanism. In addition, since bubbles may be generated by stirring during the preparation of the mixed solution, it is preferable to deflate the mixed solution during stirring by vacuum defoaming, centrifugal defoaming or the like. Below, the raw material used for manufacture of a mixed solution is demonstrated in detail.

<산성 관능기를 가지는 고분자 전해질에 대해서><About a polymer electrolyte having an acidic functional group>

본 발명의 일실시예에 따른 용액 제조 공정에 사용되는 산성 관능기를 가지는 고분자 전해질로서는, 특별히 한정되지 않지만, 이 고분자 전해질에 도프시키는 산과의 극성 용매에의 상용성이나 제막시의 가공성, 내열성 등을 고려하면, 주요골격이 방향족계 엔지니어링 플라스틱인 것이 바람직하다. 이 방향족계 엔지니어링 플라스틱으로서는, 방향속성을 가지는 엔지니어링 플라스틱이면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 산성 관능기로서 술폰산기를 가지는 것으로서 폴리에테르술폰, 술폰화 폴리벤즈이미다졸, 술폰화 폴리에테르에테르케톤, 술폰화 폴리술폰, 술폰화 폴리페닐렌옥사이드, 술폰화 폴리술폰, 술폰화 방향족 폴리이미드, 술폰화 방향족 폴리아미드, 술폰화 폴리카보네이트, 술폰화 폴리에틸렌테레프탈레이트, 술폰화 폴리아릴레이트, 술폰화 폴리에테르이미드 등을 들 수 있다.The polymer electrolyte having an acidic functional group used in the solution preparation process according to one embodiment of the present invention is not particularly limited, but the compatibility with an acid to be dope in the polymer electrolyte, compatibility with a polar solvent, processability at the time of film forming, heat resistance, etc. In consideration, it is preferable that the main skeleton is an aromatic engineering plastic. The aromatic engineering plastic is not particularly limited as long as it is an engineering plastic having aromatic properties. For example, polyether sulfone, sulfonated polybenzimidazole, sulfonated polyether ether ketone, sulfonated as having an acid functional group as a sulfonic acid group. Polysulfone, sulfonated polyphenylene oxide, sulfonated polysulfone, sulfonated aromatic polyimide, sulfonated aromatic polyamide, sulfonated polycarbonate, sulfonated polyethylene terephthalate, sulfonated polyarylate, sulfonated polyetherimide, etc. Can be mentioned.

또한, 산성 관능기로서 상기 술폰산기 이외에, 예를 들면 인산기, 포스폰산기, 카르본산기, 술포닐아미드기 등을 들 수 있는데, 특히 술폰산기, 인산기, 포스폰산기가 바람직하다.Moreover, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, a carboxylic acid group, a sulfonylamide group etc. are mentioned besides the said sulfonic acid group as an acidic functional group, Especially a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, and a phosphonic acid group are preferable.

<유리산원에 대해서><About Yuriyama Garden>

본 발명에 있어서, 「유리산원」이란, 유리산, 유리산과 루이스염기의 혼합물 또는 유리산과 유기염의 혼합물 중 어느 1종으로 이루어진 것을 말한다. 본 발명에서 사용되는 유리산으로서는 특별히 한정되지 않고, 인산, 포스폰산, 포스핀 산, 황산, 메틸술폰산, 트리플루오로메틸술폰산, 트리플루오로메탄술포닐아미드술폰산 등 여러가지 산을 들 수 있는데, 이 중에서도 특히 열안정성의 관점에서 산성 무기 인 화합물 또는 산성 유기 인 화합물인 것이 바람직하다. 이러한 산성 무기 인 화합물로서는, 예를 들면 인산, 폴리인산, 포스폰산, 포스핀산 등을 들 수 있고, 이 중에서도 특히 인산, 폴리인산 또는 포스폰산이 바람직하다. In this invention, a "free acid source" means what consists of any one of a free acid, a mixture of a free acid, and a Lewis base, or a mixture of a free acid and an organic salt. The free acid used in the present invention is not particularly limited, and various acids such as phosphoric acid, phosphonic acid, phosphinic acid, sulfuric acid, methylsulfonic acid, trifluoromethylsulfonic acid, and trifluoromethanesulfonylamidesulfonic acid may be mentioned. Especially, it is preferable that it is an acidic inorganic phosphorus compound or an acidic organic phosphorus compound from a thermal stability viewpoint. As such an acidic inorganic phosphorus compound, phosphoric acid, polyphosphoric acid, phosphonic acid, phosphinic acid, etc. are mentioned, For example, phosphoric acid, polyphosphoric acid, or phosphonic acid is especially preferable.

또한, 산성 유기 인 화합물로서는, 예를 들면 비닐포스폰산으로 대표되는 알릴포스폰산, 메틸포스폰산, 에틸포스폰산 등으로 대표되는 알킬포스폰산 또는 메틸인산 에스테르, 에틸인산 에스테르, 부틸인산 에스테르 등으로 대표되는 산성 인산 에스테르 등을 들 수 있고, 이 중에서도 특히 비닐포스폰산 또는 에틸포스폰산이 바람직하다.Moreover, as an acidic organophosphorus compound, it is represented by alkyl phosphonic acid or methyl phosphate ester, ethyl phosphate ester, butyl phosphate ester, etc. which are represented, for example by allyl phosphonic acid, methyl phosphonic acid, ethyl phosphonic acid, etc. which are represented by vinyl phosphonic acid. The acidic phosphoric acid ester etc. which are mentioned are mentioned, Among these, vinyl phosphonic acid or ethyl phosphonic acid is especially preferable.

또한, 본 발명에 있어서, 유리산과 혼합하여 사용 가능한 루이스염기로서는, 예를 들면 이미다졸, 트리아졸, 벤즈이미다졸, 벤조트리아졸과 같은 아졸계 화합물, 피리딘, 피리다진, 피리미딘, 피라딘진, 트리아진 등의 질소함유 복소 6원환 화합물, 퀴놀린, 퀴녹사린(quinoxaline), 인돌, 페나진 등의 질소함유 축합 다환 복소환 화합물, 푸린, 우라실, 티민, 시토신, 아데닌구아닌 등의 핵산 염기 등을 들 수 있다.In addition, in the present invention, as the Lewis base which can be used in admixture with the free acid, for example, an azole compound such as imidazole, triazole, benzimidazole, benzotriazole, pyridine, pyridazine, pyrimidine, pyridazine, Nitrogen-containing heterohexacyclic compounds such as triazine, nitrogen-containing condensed polycyclic heterocyclic compounds such as quinoline, quinoxaline, indole, and phenazine, and nucleic acid bases such as purine, uracil, thymine, cytosine, and adeninguanine Can be mentioned.

또한, 본 발명에 있어서, 유리산과 혼합하여 사용 가능한 유기염으로서는, 유기화합물 양이온 및 옥소산 음이온으로 이루어진 중성염을 들 수 있다. 유기화합물 양이온으로서는 통상 헤테로환식 화합물의 양이온류, 특히 1~5개의 헤테로 원자를 포함하는 3~6원환의 헤테로환식 화합물의 양이온류, 특히 헤테로 원자로서 1~5 개의 질소원자를 포함하는 3~6원환 화합물의 양이온류 등을 들 수 있고, 이 중에서도 이미다졸륨 양이온, 피롤리디늄 양이온, 피페리디늄 양이온, 피리디늄 양이온 등이 바람직하다. 또한, 쇄형상의 제4급 암모늄 양이온, 제4급 포스포늄 양이온 등도 이용할 수 있다.In addition, in this invention, the organic salt which can be mixed and used with a free acid is a neutral salt which consists of an organic compound cation and an oxo acid anion. The organic compound cation is usually a cation of a heterocyclic compound, especially a cation of a 3 to 6 membered heterocyclic compound containing 1 to 5 hetero atoms, particularly 3 to 6 containing 1 to 5 nitrogen atoms as a hetero atom. Cations of the ring compound, and the like, and among these, imidazolium cation, pyrrolidinium cation, piperidinium cation, pyridinium cation and the like are preferable. Moreover, a linear quaternary ammonium cation, quaternary phosphonium cation, etc. can also be used.

상기 양이온 중에서도 이미다졸륨 양이온이나 쇄형상의 제4급 암모늄 양이온이 특히 바람직하고, 그 중에서도 1,3-치환 이미다졸륨 양이온, 더욱 하기 화학식 1로 표시되는 이미다졸륨 양이온인 것이 바람직하다.Among the above cations, imidazolium cation and linear quaternary ammonium cation are particularly preferable, and among these cations, 1,3-substituted imidazolium cation and imidazolium cation represented by the following general formula (1) are preferable.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112008091129699-pat00001
Figure 112008091129699-pat00001

상기 화학식 1에서, R1은 탄소수 1~6의 알킬기, R2는 탄소수 1~30의 알킬기이다. R2는 보다 바람직하게는 탄소수 1~25, 더 바람직하게는 탄소수 1~20, 가장 바람직하게는 탄소수 1~16의 알킬기이다.In Formula 1, R 1 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, R 2 is an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms. R 2 is more preferably 1 to 25 carbon atoms, still more preferably 1 to 20 carbon atoms, and most preferably an alkyl group having 1 to 16 carbon atoms.

상기 화학식 1에서 나타나는 이미다졸륨 양이온으로서는, 예를 들면 1,3-디메틸이미다졸륨 양이온, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 양이온, 1-메틸-3-프로필이미다졸륨 양이온, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 양이온, 1-메틸-3-펜틸이미다졸륨 양이온, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 양이온, 1-헵틸-3-메틸이미다졸륨 양이온, 1-메틸-3-옥틸이미다졸륨 양이온, 1-데실-3-메틸이미다졸륨 양이온, 1-도데실-3-메틸이미다졸륨 양이온, 1-에틸-3-프로필이미다졸륨 양이온, 1-부틸-3-에틸이미다졸륨 양이온 등을 들 수 있다.Examples of the imidazolium cation represented by the general formula (1) include 1,3-dimethylimidazolium cation, 1-ethyl-3-methylimidazolium cation, 1-methyl-3-propylimidazolium cation, and 1-. Butyl-3-methylimidazolium cation, 1-methyl-3-pentylimidazolium cation, 1-hexyl-3-methylimidazolium cation, 1-heptyl-3-methylimidazolium cation, 1-methyl- 3-octylimidazolium cation, 1-decyl-3-methylimidazolium cation, 1-dodecyl-3-methylimidazolium cation, 1-ethyl-3-propylimidazolium cation, 1-butyl-3 -Ethyl imidazolium cation, etc. are mentioned.

즉, 본 발명에서의 유기염으로서는, 예를 들면 1,3-디메틸이미다졸륨 디하이드로젠포스파이트(DMIP), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 디하이드로젠포스파이트(BMIP), 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 디하이드로젠포스파이트(HMIP), 1-메틸-3-옥틸이미다졸륨 디하이드로젠포스파이트(MOIP), 1-도데실-3-메틸이미다졸륨 디하이드로젠포스파이트(C12MIP), 1-헥사데실-3-메틸이미다졸륨 디하이드로젠포스파이트(C16MIP), 1-도데실-3-메틸이미다졸륨 하이드로젠설파이트(C12MIS) 등을 들 수 있다.Namely, as the organic salt in the present invention, for example, 1,3-dimethylimidazolium dihydrogen phosphite (DMIP), 1-butyl-3-methylimidazolium dihydrogen phosphite (BMIP), 1 Hexyl-3-methylimidazolium dihydrogen phosphite (HMIP), 1-methyl-3-octylimidazolium dihydrogen phosphite (MOIP), 1-dodecyl-3-methylimidazolium dihydro Rosen phosphite (C12MIP), 1-hexadecyl-3-methylimidazolium dihydrogen phosphite (C16MIP), 1-dodecyl-3-methylimidazolium hydrogensulfite (C12MIS), etc. are mentioned. .

<극성 유기용매에 대해서><About polar organic solvent>

본 발명의 일실시예에 따른 용액 제조 공정에 사용되는 극성 유기용매로서는, 산성 관능기를 가지는 고분자 전해질과 이에 도프시키는 산의 상용성을 고려하면, 예를 들어 질소 함유 화합물인 아미드계 유기용매인 것이 바람직하다. 이러한 아미드계 유기용매로서는, 예를 들면 포름아미드, N-메틸포름아미드, N,N-디메틸포름아미드, N-메틸아세트아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸프로피오아미드, 2-피롤리디논, N-메틸피롤리돈 등을 들 수 있고, 이 중에서도 특히 디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈 또는 디메틸포름아미드가 바람직하다.As the polar organic solvent used in the solution preparation process according to the embodiment of the present invention, considering the compatibility between the polymer electrolyte having an acidic functional group and the acid doped therein, for example, the amide organic solvent is a nitrogen-containing compound. desirable. As such an amide organic solvent, for example, formamide, N-methylformamide, N, N-dimethylformamide, N-methylacetamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpropioamide, 2- Pyrrolidinone, N-methylpyrrolidone, etc. are mentioned, Especially, a dimethylacetamide, N-methyl- 2-pyrrolidone, or a dimethylformamide is preferable.

<루이스 염기의 혼합량에 대해서><About the amount of Lewis base mixed>

극성 유기용매 중에 고분자 전해질과 유리산 및 루이스염기의 혼합물을 첨가하는 경우에는, 고분자 전해질 중의 산성 관능기의 몰수(nA), 유리산의 몰수(nB), 루이스염기의 몰수(nC)가 nA+nB>nC의 관계를 만족하도록 하는 것이 바람직하다. 이는, 혼합용액의 pH를 산성쪽으로 치우치게 함으로써, 전하의 캐리어가 되는 프로톤 을 생성하기 위해서이다.When a mixture of the polymer electrolyte and the free acid and the Lewis base is added to the polar organic solvent, the number of moles of acidic functional groups (nA), the number of moles of free acid (nB) and the number of moles of Lewis base (nC) are nA + nB. It is desirable to satisfy the relationship of> nC. This is to produce a proton that becomes a carrier of charge by shifting the pH of the mixed solution toward the acidic side.

<고분자 전해질과 유리산의 배합비에 대해서><The mixing ratio of polymer electrolyte and free acid>

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 용액 제조 공정에서는, 극성 용매 중에 용해시키는 고분자 전해질과 유리산의 배합비는 고분자 전해질 100중량부를 기준으로 하여 유리산이 20 내지 80중량부인 것이 바람직하다. 이 배합비로 한 이유에 대해서는, 후술하는 실시예에 기초하여 규정한 것이므로, 실시예에서 설명한다.In addition, in the solution preparation process according to an embodiment of the present invention, the mixing ratio of the polymer electrolyte and the free acid dissolved in the polar solvent is preferably 20 to 80 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer electrolyte. The reason for this blending ratio is defined based on the examples described later, and therefore, the examples will be described.

(제막 공정에 대해서)(About a film forming process)

다음에, (2) 제막 공정에 대해서 설명한다. Next, (2) the film forming step will be described.

제막공정에서는, 용액제조공정에서 제조된 혼합용액을 이용하여 습식 제막에 의해 유리산이 도프된 고분자 전해질막을 직접 제막한다. 보다 상세하게는, 본 발명의 일실시예에 따른 제막 공정에서는, 용액 제조 공정에서 제조된 혼합용액을 주지의 코팅방법을 이용하여 기재 상에 캐스팅함으로써 고분자 전해질막을 제막한다. 코팅방법으로서는, 예를 들면 다이코터, 콤마코터(등록상표), 닥터블레이드, 어플리케이션 롤 등을 사용하여 기재에 캐스팅하는 방법을 들 수 있다. 또한, 혼합용액을 캐스팅하는 기재로서는, 예를 들면 PET(poly(ethylene terephthalate))나 폴리이미드(유리) 등을 사용할 수 있다.In the film forming step, the polymer electrolyte membrane doped with the free acid is directly formed by wet film forming using the mixed solution prepared in the solution manufacturing step. More specifically, in the film forming process according to an embodiment of the present invention, the polymer electrolyte membrane is formed by casting the mixed solution prepared in the solution manufacturing process on the substrate using a known coating method. As a coating method, the method of casting to a base material using a die coater, a comma coater (trademark), a doctor blade, an application roll, etc. is mentioned, for example. As the base material for casting the mixed solution, for example, PET (poly (ethylene terephthalate)), polyimide (glass), or the like can be used.

(예비 건조 공정에 대해서)(About a predrying process)

이어서, (3) 예비 건조 공정에 대해서 설명한다. 예비건조공정에서는, 제막공정에서 기재 상에 캐스팅된 고분자 전해질막을 40~80℃, 바람직하게는 60℃ 정도에서 적어도 10분 이상 (블로어 없는 경우), 바람직하게는 20분 이상, 더욱 바람직 하게는 40분 정도 건조시킨다. 이 예비건조공정은, 고분자 전해질막의 표면을 형성시킴과 동시에 고분자 전해질막 중에 포함되는 극성 유기용매의 찌꺼기 제거를 목적으로 한다. 본 발명자들이 행한 검토(후술하는 실시예를 참조)에 의하면, 건조수단으로서 핫 플레이트를 이용하고, 블로어 없는 무풍상태의 경우, 예비건조를 60℃에서 10분 정도 실시하면 막의 표면이 형성되고, 20분 정도 실시하면 막을 기재 상에서 박리시키는 것이 가능하게 되며, 40분 정도 실시하면 극성 유기용매를 80중량% 이상 휘발시키는 것이 가능하게 된다. 여기서, 건조온도가 높아 예비건조가 너무 빠르면, 표면 형성이 먼저 진행되어 벌크 중의 용매가 쉽게 빠지지 않아 결함이 생기거나 혹은 주름이나 응력 완화 등의 원인이 되기 때문에 바람직하지 않다. 반대로, 건조온도가 너무 낮으면, 건조에 시간을 필요로 하여 생산성이 현저하게 저하된다. 이러한 이유로부터, 본 발명에서는 예비건조공정의 조건을 40~80℃ (바람직하게는 60℃정도)에서 적어도 10분 이상 (블로어 없는 경우), 바람직하게는 20분 이상 더 바람직하게는 40분 정도로 규정하였다.Next, (3) a predrying process is demonstrated. In the preliminary drying step, the polymer electrolyte membrane cast on the substrate in the film forming step is at least 10 minutes (if no blower), preferably at least 20 minutes, more preferably at 40 to 80 ° C, preferably at about 60 ° C. Allow to dry for about a minute. This preliminary drying step is intended to form the surface of the polymer electrolyte membrane and to remove the residue of the polar organic solvent contained in the polymer electrolyte membrane. According to a study conducted by the inventors (see Examples described later), when the hot plate is used as a drying means and in a non-blowing state without a blower, preliminary drying is performed at 60 ° C. for about 10 minutes to form a film surface. If it is carried out for about minutes, the film can be peeled off on the substrate, and if it is carried out for about 40 minutes, it becomes possible to volatilize at least 80% by weight of the polar organic solvent. Here, if the drying temperature is too high, preliminary drying is too fast, it is not preferable because the surface formation proceeds first, so that the solvent in the bulk does not easily fall out to cause defects or wrinkles or stress relaxation. On the contrary, if the drying temperature is too low, it takes time for drying and the productivity is remarkably lowered. For this reason, in the present invention, the conditions of the pre-drying step are defined at 40 to 80 ° C. (preferably around 60 ° C.) for at least 10 minutes or more (when there is no blower), preferably for 20 minutes or more, preferably for about 40 minutes. It was.

(건조공정에 대해서)(About drying process)

이어서, (4) 건조공정에 대해서 설명한다. 건조공정(이하, 「본 건조」라고 하는 경우가 있음)에서는, 예비건조공정에서 막 표면이 형성된 고분자 전해질막을 110℃ 내지 150℃ (바람직하게는 130℃ 이하)에서 적어도 20분 이상 (블로어 없는 경우) 건조시킨다. 이 건조공정은, 고분자 전해질막 중에 포함되는 수분이나 극성 유기용매의 제거를 목적으로 한다. 본 발명자들이 행한 검토 (후술하는 실시예를 참조)에 의하면, 건조수단으로서 오븐을 이용하고, 블로어 없는 무풍상태의 경우, 110℃이상 150℃이하에서 20분 이상 건조시키면, 고분자 전해질막 중에 포함되는 수분이나 극성 유기용매가 휘발하여 충분히 건조시키는 것이 가능하게 된다. 이러한 결과로부터, 본 발명에서는 건조공정의 조건을 110℃ 내지 150℃에서 적어도 20분 이상으로 규정하였다.Next, (4) a drying process is demonstrated. In the drying step (hereinafter sometimes referred to as "main drying"), the polymer electrolyte membrane having the membrane surface formed in the predrying step is at least 20 minutes at 110 ° C to 150 ° C (preferably 130 ° C or less) (when there is no blower). ) To dry. This drying process aims at removing the water | moisture content and polar organic solvent contained in a polymer electrolyte membrane. According to a study conducted by the inventors (see Examples described later), when the oven is used as a drying means, and in a non-blowing state without a blower, drying is performed at 110 ° C. to 150 ° C. for 20 minutes or more, it is included in the polymer electrolyte membrane. Moisture or polar organic solvent is volatilized and it becomes possible to dry sufficiently. From these results, in this invention, the conditions of a drying process were prescribed | regulated at least 20 minutes at 110 degreeC-150 degreeC.

(작용 효과에 대해서)(About an effect)

필름형상의 고분자 전해질막을 성형한 후에, 이 막에 유리산을 도프하는 프로세스는, 종래에는 배치 프로세스로서, 고분자 전해질막이 다량의 유리산을 흡수하기 때문에, 산이 전해질막의 표면에 유리되어 버리는 문제가 있었다. 또한, 고분자 전해질막이 팽윤하는 산이 평형상태가 되는 평형팽윤까지 다량으로 산을 도프하지 않으면, 프로톤 전도도가 불충분하게 된다. 따라서, 고분자 전해질막을 장시간 산에 침지시켜야 하므로 생산성이 저하됨과 동시에 막의 기계적 강도도 저하되는 문제가 있었다.After the film-shaped polymer electrolyte membrane is formed, the process of doping the free acid into the membrane is conventionally a batch process, and since the polymer electrolyte membrane absorbs a large amount of free acid, there is a problem that the acid is liberated on the surface of the electrolyte membrane. . In addition, unless the acid is dope in a large amount until the equilibrium swelling in which the acid swells in the polymer electrolyte membrane becomes equilibrium, the proton conductivity becomes insufficient. Therefore, since the polymer electrolyte membrane has to be immersed in an acid for a long time, there is a problem that the productivity decreases and the mechanical strength of the membrane also decreases.

한편, 본 발명에 관한 고분자 전해질막의 제조방법에 의하면, 고분자 및 유리산을 극성 유기용매 중에 상용시키고, 캐스트법에 의해 필름을 제막하는 것이 가능하게 된다. 그 때문에, 균일한 도프막(산이 도프된 고분자 전해질막)을 필름 제막 후 직접 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명에 관한 고분자 전해질막의 제조방법에 의하면, 산이 도프된 고분자 전해질막의 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에서는, 고분자로서 산성 관능기(예를 들면, 술폰산기)를 가지는 고분자를 사용하고, 이 산성 관능기가 프로톤 전도에 기여한다. 또한, 도프하는 산과 고분자 중의 산성 관능기의 상호작용이 약하기 때문에, 낮은 산의 도프율에서도 높은 프로톤 전도도를 가지는 고분자 전해질막이 얻어진다. 이와 같이 산의 도프율을 낮게 할 수 있는 점에서, 고분자의 평형팽윤까지 산을 도프할 필요가 없으므로, 본 발명의 방법에 의해 제조된 고분자 전해질막은 높은 기계적 강도를 가질 수 있다.On the other hand, according to the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane which concerns on this invention, it becomes possible to make a polymer and free acid compatible in polar organic solvent, and to form a film by the casting method. Therefore, a uniform dope film (acid-doped polymer electrolyte membrane) can be obtained directly after film forming. Therefore, according to the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane which concerns on this invention, productivity of the acid-doped polymer electrolyte membrane can be improved. In the present invention, a polymer having an acidic functional group (for example, a sulfonic acid group) is used as the polymer, and the acidic functional group contributes to proton conduction. In addition, since the interaction between the acid to be dope and the acidic functional group in the polymer is weak, a polymer electrolyte membrane having high proton conductivity even at a low acid dope rate is obtained. In this way, since the acid doping rate can be lowered, it is not necessary to dope the acid until the equilibrium swelling of the polymer, so that the polymer electrolyte membrane prepared by the method of the present invention can have high mechanical strength.

(2차 가공에 대해서)(About secondary processing)

본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질막의 제조방법에 있어서는, 유리산으로서 비닐포스폰산을 사용한 경우에는, 제막 후의 고분자 전해질막을 2차 가공에 의해 반고체화시켜도 된다. 즉, 제막공정 후에 고분자 전해질에 도프된 비닐포스폰산을 중합시킴으로써, 막의 강도를 향상시켜도 된다. 이에 의해, 제막된 고분자 전해질막의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 비닐포스폰산을 중합시키는 방법으로서는, 예를 들면 제막된 필름형상의 고분자 전해질막에 자외광, β선, γ선, 전자선 또는 이들의 조합을 조사하는 방법 혹은 중합개시제를 이용하는 방법 등을 사용할 수 있지만, 특별히 한정되지 않는다. 중합개시제로서는, 예를 들면 아조비스이소부티로니트릴, 디메틸 2,2'-아조이소부틸레이트로 대표되는 아조계 중합개시제, 벤조일퍼옥사이드, 디-t-부틸퍼옥사이드로 대표되는 과산화물계 중합개시제, 2,2,6,6-테트라피페리디닐옥실에 대용되는 라디칼 리빙 중합개시제, 자외광에 의한 중합에서는 Irgacure651, 184, 369로 대표되는 광중합개시제 등을 사용할 수 있다.In the method for producing a polymer electrolyte membrane according to one embodiment of the present invention, when vinyl phosphonic acid is used as the free acid, the polymer electrolyte membrane after film formation may be semisolidified by secondary processing. That is, you may improve the intensity | strength of a film | membrane by superposing | polymerizing the vinyl phosphonic acid doped in the polymer electrolyte after a film forming process. Thereby, the mechanical strength of the film-formed polymer electrolyte membrane can be improved. As a method of polymerizing vinylphosphonic acid, for example, a method of irradiating a film-like polymer electrolyte membrane with ultraviolet light, β-rays, γ-rays, electron beams, or a combination thereof, or a method using a polymerization initiator can be used. It does not specifically limit. As the polymerization initiator, for example, an azo-based polymerization initiator represented by azobisisobutyronitrile, dimethyl 2,2'-azoisobutyrate, a peroxide-based polymerization initiator represented by benzoyl peroxide, or di-t-butyl peroxide And radical living polymerization initiators substituted for 2,2,6,6-tetrapiperidinyloxyl, and photopolymerization initiators such as Irgacure651, 184, 369 can be used in polymerization by ultraviolet light.

또한, 상술한 용액 제조 공정에서, 극성 유기용매 중에 고분자 전해질, 유리산원에 덧붙여 다관능 중합성 화합물을 용해시킨 혼합용액을 제조하고, 이 혼합용액을 습식 제막에 의해 제막한 후에, 다관능 중합성 화합물과 비닐포스폰산을 공중합시켜도 된다. 이와 같이 다관능 중합성 화합물과 비닐포스폰산을 공중합시킴으로 써, 비닐포스폰산의 수용성 성분을 저하시킬 수 있음과 동시에, 제막된 고분자 전해질막의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 이에 의해, 발전 중에서의 생성수로의 산성분의 유출이 원인이 되는 전지 내부저항의 증가가 억제되어 장기 운전이 가능하게 된다. 비닐포스폰산을 중합시키는 방법으로서는, 예를 들면 제막된 필름형상의 고분자 전해질막에 자외광, β선, γ선, 전자선 또는 이들의 조합을 조사하는 방법 혹은 중합개시제를 이용하는 방법 등을 이용할 수 있다. 또한, 다관능 중합성 화합물로서는, 예를 들면 디비닐벤젠, 디비닐페닐포스핀, 디비닐실록산 등과 같은 다관능 비닐화합물, 트리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 펜타에리스리톨 테트라아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트 등과 같은 다관능 아크릴레이트 화합물 등을 사용할 수 있다.In addition, in the above-mentioned solution preparation process, a mixed solution in which a polyfunctional polymerizable compound is dissolved in a polar organic solvent in addition to a polymer electrolyte and a free acid source is prepared, and the mixed solution is formed into a film by wet film formation. You may copolymerize a compound and vinylphosphonic acid. By copolymerizing the polyfunctional polymerizable compound with vinyl phosphonic acid in this manner, the water-soluble component of vinyl phosphonic acid can be reduced, and the mechanical strength of the formed polymer electrolyte membrane can be improved. As a result, an increase in battery internal resistance caused by the outflow of acid components into the generated water during power generation is suppressed, thereby enabling long-term operation. As a method of polymerizing vinylphosphonic acid, the method of irradiating an ultraviolet-ray, (beta) ray, (gamma) ray, an electron beam, or a combination thereof to the film-form polymer electrolyte membrane formed into a film, for example, the method of using a polymerization initiator, etc. can be used. . As the polyfunctional polymerizable compound, for example, polyfunctional vinyl compounds such as divinylbenzene, divinylphenylphosphine, divinylsiloxane, triethylene glycol diacrylate, trimethylolpropane triacrylate, pentaerythritol tetraacrylic And polyfunctional acrylate compounds such as triethylene glycol dimethacrylate and the like can be used.

[본 발명에 관한 고분자 전해질막의 구조에 대해서][Structure of Polymer Electrolyte Membrane According to the Present Invention]

이상, 본 발명에 관한 고분자 전해질막의 제조방법에 대해서 상세하게 설명하였는데, 이어서 이러한 방법으로 제조된 본 발명에 관한 고분자 전해질막의 구조에 대해서 설명한다.In the above, the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane which concerns on this invention was demonstrated in detail, Next, the structure of the polymer electrolyte membrane which concerns on this invention manufactured by such a method is demonstrated.

본 발명에 관한 고분자 전해질막은, 산성 관능기를 가지는 방향족계 엔지니어링 플라스틱을 주요골격으로 하면서, 산성 무기 인 화합물 또는 산성 유기 인 화합물로 이루어진 유리산이 도프된 것이다. 여기서, 방향족계 엔지니어링 플라스틱으로서, 예를 들면 폴리에테르술폰, 폴리벤즈이미다졸 등을 사용할 수 있는 점, 산성 무기 인 화합물로서, 예를 들면 인산, 폴리인산, 포스폰산 등을 사용할 수 있는 점, 산성 유기 인 화합물로서, 예를 들면 비닐포스폰산, 에틸포스폰산 등을 사용할 수 있는 점에 대해서는 상술하였으므로 상세한 설명을 생략한다.The polymer electrolyte membrane according to the present invention is doped with a free acid composed of an acidic inorganic phosphorus compound or an acidic organic phosphorus compound, with an aromatic engineering plastic having an acidic functional group as a main skeleton. Here, for example, polyethersulfone, polybenzimidazole, etc. can be used as the aromatic engineering plastics, and for example, phosphoric acid, polyphosphoric acid, phosphonic acid, etc. can be used as the acidic inorganic phosphorus compound, acidic As the organophosphorus compound, for example, vinylphosphonic acid, ethylphosphonic acid and the like can be used, detailed description thereof will be omitted.

(작용 효과에 대해서)(About an effect)

이상과 같은 본 발명에 관한 고분자 전해질막에 의하면, 상술한 바와 같이, 고분자 전해질막의 주요골격이 되는 고분자로서 산성 관능기(예를 들면, 술폰산기)를 가지는 고분자를 사용하고, 이 산성 관능기가 프로톤 전도에 기여한다. 또한, 도프하는 산과 고분자 중의 산성 관능기의 인터랙션이 약하기 때문에, 본 발명에 관한 고분자 전해질막은 낮은 산의 도프율에서도 높은 프로톤 전도도를 가질 수 있다. 또한, 이와 같이 산의 도프율을 낮게 할 수 있는 점에서, 고분자의 평형팽윤까지 산을 도프할 필요가 없으므로, 본 발명에 관한 고분자 전해질막은 높은 기계적 강도를 가질 수 있다.According to the polymer electrolyte membrane according to the present invention as described above, as described above, a polymer having an acidic functional group (for example, a sulfonic acid group) is used as the polymer which becomes the main skeleton of the polymer electrolyte membrane, and the acidic functional group is proton conductive. Contribute to. In addition, since the interaction between the acid to be dope and the acidic functional group in the polymer is weak, the polymer electrolyte membrane according to the present invention can have high proton conductivity even at a low acid dope rate. In addition, since the doping ratio of the acid can be reduced in this way, it is not necessary to dope the acid until the equilibrium swelling of the polymer, so that the polymer electrolyte membrane according to the present invention can have high mechanical strength.

또한, 유리산으로서 비닐포스폰산을 이용하고, 제막 후에 비닐포스폰산을 중합시킨 경우에는, 방향족계 엔지니어링 플라스틱을 주요골격으로 하는 고분자 전해질에 도프된 비닐포스폰산이 중합되어 막의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 또, 다관능 중합성 화합물을 이용하여 비닐포스폰산과 공중합시킨 경우에는, 막의 기계적 강도가 향상될 뿐만 아니라, 비닐포스폰산의 수용성 성분을 저하시킬 수 있고, 이에 의해 발전 중에서의 생성수에 의한 산성분의 유출이 회피 가능하게 되어 장기 운전이 가능하게 된다.In addition, when vinyl phosphonic acid is used as the free acid and vinyl phosphonic acid is polymerized after film formation, vinyl phosphonic acid doped in a polymer electrolyte mainly composed of aromatic engineering plastics is polymerized to improve the mechanical strength of the film. have. Moreover, when copolymerizing with vinyl phosphonic acid using a polyfunctional polymerizable compound, not only the mechanical strength of a film | membrane improves but also the water-soluble component of vinyl phosphonic acid can be reduced, and the acid by the produced | generated water in power generation by this is made. The outflow of minutes becomes avoidable and long-term operation becomes possible.

[본 발명에 관한 연료전지에 대해서][Fuel cell according to the present invention]

본 발명에 관한 연료전지는, 상술한 고분자 전해질막을 이용한 막전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 구비한다. 본 발명에 관한 고분자 전해질 막은, 고온(예를 들면, 150℃정도)?무가습의 조건 하에서 안정되어 높은 프로톤 전도성 및 기계적 강도를 가지므로, 이를 이용한 본 발명에 관한 연료전지는 기전력 특성, 전류-전압특성, 전지수명 등의 발전특성이 뛰어난 것이 된다.A fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) using the above-described polymer electrolyte membrane. Since the polymer electrolyte membrane according to the present invention is stable under conditions of high temperature (for example, about 150 ° C.) and no humidification and has high proton conductivity and mechanical strength, the fuel cell according to the present invention using the same has electromotive force characteristics, current- It is excellent in power generation characteristics such as voltage characteristics and battery life.

이러한 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지는, 상술한 바와 같이 하여 얻은 고분자 전해질막을 이용하여 주지의 방법에 의해 제조할 수 있다.The fuel cell according to one embodiment of the present invention can be manufactured by a known method using the polymer electrolyte membrane obtained as described above.

즉, 예를 들면 PEFC의 경우에는, 상술한 바와 같이 하여 얻은 고분자 전해질막의 양측을 전극으로서의 촉매층으로 개재하고, 또 가스 확산층을 설치하며, 이들을 일체화하여 MEA를 제조한다. 다음에, 이 MEA의 양측을 금속 세퍼레이터 등의 세퍼레이트로 개재하여 단위 셀을 구성하고, 이 단위 셀을 복수 나열함으로써 연료전지 스택을 제조할 수 있다.That is, in the case of PEFC, for example, both sides of the polymer electrolyte membrane obtained as described above are interposed with a catalyst layer as an electrode, a gas diffusion layer is provided, and these are integrated to manufacture an MEA. Next, a unit cell is formed by interposing both sides of the MEA with a separator such as a metal separator, and a plurality of unit cells can be arranged to manufacture a fuel cell stack.

다음에, 실시예를 이용하여 본 발명을 더 구체적으로 설명한다.Next, the present invention will be described in more detail using examples.

(고분자 전해질과 유리산의 배합비에 관한 검토)(Review on the Mixing Ratio of Polymer Electrolyte and Free Acid)

우선, 고분자 전해질과 유리산의 배합비에 대해서 본 발명자들이 검토한 결과에 대해 설명한다.First, the result examined by the present inventors about the compounding ratio of a polymer electrolyte and a free acid is demonstrated.

<실험예 1>Experimental Example 1

우선, 고분자 전해질로서 술폰화한 고분자의 일례로서 술폰화 폴리에테르에테르케톤을, 유리산으로서 폴리인산(이하, 「PPA」라고 기재함)을, 극성 유기용매로서 DMAc를 사용하고, 고분자 100 중량부에 대한 PPA의 양을 20~160 중량부로 했을 때, 균일한 혼합용액을 제조할 수 있는 PPA의 양의 범위에 대해 검토하였다. 그 결과를 하기 표 3에 나타낸다. First, as an example of a sulfonated polymer as a polymer electrolyte, sulfonated polyether ether ketone is used, polyphosphoric acid (hereinafter referred to as "PPA") as a free acid, DMAc as a polar organic solvent, and 100 parts by weight of polymer When the amount of PPA to 20 to 160 parts by weight, the range of the amount of PPA that can produce a uniform mixed solution was examined. The results are shown in Table 3 below.

또한, 상술한 바와 같이, 통상 PPA는 DMAc에 대해 불용이지만, 술폰화한 고분자를 용해시킨 DMAc에 대해서는 용해 가능하게 된다.In addition, as mentioned above, although PPA is insoluble in DMAc normally, it becomes soluble in DMAc which melt | dissolved the sulfonated polymer.

[표 3][Table 3]

Figure 112008091129699-pat00002
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상기 표 3에는, 고분자에 대한 PPA의 배합비(중량부), DMAc 및 PPA의 양(g) 및 제조 후의 혼합용액의 상태를 나타내었다. 균일한 고분자 전해질막을 얻기 위해서는 균일한 혼합용액을 얻을 필요가 있는데, 표 3에 나타내는 바와 같이 균일한 혼합용액을 얻기 위해서는, 술폰화한 고분자에 대한 PPA의 양을 20 내지 80 중량부로 하는 것이 바람직하고, 80 중량부인 경우가 특히 바람직한 것을 알 수 있다.Table 3 shows the compounding ratio (parts by weight) of PPA to polymers, the amount of DMAc and PPA (g), and the state of the mixed solution after preparation. In order to obtain a uniform polymer electrolyte membrane, it is necessary to obtain a uniform mixed solution. As shown in Table 3, in order to obtain a uniform mixed solution, the amount of PPA for the sulfonated polymer is preferably 20 to 80 parts by weight. , 80 parts by weight can be seen that particularly preferred.

또한, 상기와 같이 하여 제조한 혼합 용액을 캐스트법에 의해 제막한 결과를 하기의 표 4에 나타낸다. 본 실험예에서의 고분자 전해질막은, 제조한 혼합용액을 약 0.5cm3 사용하고, 기판 상에 갭 500㎛로 캐스트하며, 건조시켜 제막하였다. 또한, 건조는 핫 플레이트 상에서 60℃에서 1시간의 예비건조 후, 오븐 내에서 120℃에서 30분간 행하였다.In addition, the result of forming into a film the mixed solution manufactured as mentioned above by the casting method is shown in Table 4 below. In the polymer electrolyte membrane according to the present experimental example, about 0.5 cm 3 of the prepared mixed solution was used, cast with a gap of 500 µm on a substrate, and dried to form a film. In addition, drying was performed for 30 minutes in 120 degreeC in oven after preliminary drying at 60 degreeC on a hotplate for 1 hour.

[표 4][Table 4]

Figure 112008091129699-pat00003
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상기 표 4에는, 고분자에 대한 PPA의 배합비(중량부), 얻어진 고분자 전해질막의 막 두께 및 막의 상태를 나타내었다. 표 4에 나타내는 바와 같이, 술폰화한 고분자에 대한 PPA의 양을 20 내지 80 중량부에서 인산의 외부로의 침출이 없고, 특히 PPA의 양이 80 중량부에서 균일한 막이 얻어지는 것을 알 수 있다.Table 4 shows the compounding ratio (part by weight) of PPA to the polymer, the film thickness of the obtained polymer electrolyte membrane, and the state of the membrane. As shown in Table 4, it can be seen that the amount of PPA for the sulfonated polymer is not leached out of phosphoric acid at 20 to 80 parts by weight, and in particular, it is understood that a film having a uniform amount of PPA at 80 parts by weight is obtained.

<실험예 2>Experimental Example 2

실험예 2에서는, 극성 유기 용매로서 NMP를 이용하는 것 이외에는, 실험예 1과 같이 하여 균일한 혼합 용액을 제조할 수 있는 PPA의 양의 범위에 대해 검토하였다. 그 결과를 하기 표 5에 나타낸다.In Experimental Example 2, except for using NMP as a polar organic solvent, the range of the amount of PPA which can produce a uniform mixed solution like Example 1 was examined. The results are shown in Table 5 below.

[표 5]TABLE 5

Figure 112008091129699-pat00004
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상기 표 5에는, 고분자에 대한 PPA의 배합비(중량부), NMP 및 PPA의 양(g) 및 제조 후의 혼합용액의 상태를 나타내었다. Table 5 shows the compounding ratio (part by weight) of PPA to polymer, the amount of NMP and PPA (g), and the state of the mixed solution after preparation.

상기 표 5에 나타내는 바와 같이, 균일한 혼합용액을 얻기 위해서는, 술폰화한 고분자에 대한 PPA의 양을 20 내지 80중량부로 하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다. As shown in Table 5, in order to obtain a uniform mixed solution, it can be seen that the amount of PPA to the sulfonated polymer is preferably 20 to 80 parts by weight.

또한, PPA의 양이 100 중량부인 경우에서도 균일한 혼합용액을 얻을 수 있었지만, 점도가 매우 높아 거의 유동성이 없기 때문에 기판에의 캐스트가 어려웠다. 따라서, 균일한 고분자 전해질막을 얻는다는 관점에서는, 술폰화한 고분자에 대한 PPA의 양을 80 중량부 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 프로톤 전도도의 관점에서는 PPA의 양이 많을수록 유리하지만, PPA가 120 중량부를 넘으면 기판에의 캐스트가 불가능해지기 때문에 고분자 전해질막을 얻을 수 없다.In addition, even when the amount of PPA was 100 parts by weight, it was possible to obtain a uniform mixed solution, but it was difficult to cast to the substrate because the viscosity was very high and there was almost no fluidity. Therefore, from the viewpoint of obtaining a uniform polymer electrolyte membrane, the amount of PPA for the sulfonated polymer is preferably 80 parts by weight or less. In addition, from the viewpoint of proton conductivity, the larger the amount of PPA, the more advantageous. However, if PPA exceeds 120 parts by weight, casting to a substrate becomes impossible, and thus a polymer electrolyte membrane cannot be obtained.

상기 표 3 및 표 5에 나타낸 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, PPA에 대한 용해성이 다른 DMAc와 NMP의 어느 것을 이용한 경우에서도, 술폰화한 고분자에 대한 PPA의 배합비에 대해서는 거의 같은 결과가 얻어졌다.As can be seen from the results shown in Tables 3 and 5 above, even when either DMAc or NMP having different solubility in PPA was used, the same results were obtained for the blending ratio of PPA to the sulfonated polymer.

또한, 상기와 같이 하여 제조한 혼합용액을 실험예 1과 같이 캐스트법에 의해 제막한 결과, 표 6에 나타낸 바와 같이, 술폰화한 고분자에 대한 PPA의 양을 20 내지 80 중량부에서 인산의 외부로의 침출이 없고, 특히 PPA의 양이 80 중량부에서 균일한 막이 얻어지는 것을 알 수 있다.In addition, as a result of forming the mixed solution prepared as described above by the casting method as in Experimental Example 1, as shown in Table 6, the amount of PPA for the sulfonated polymer was 20 to 80 parts by weight of the outside of phosphoric acid. It can be seen that there is no leaching of the furnace, and in particular, a uniform film is obtained at an amount of 80 parts by weight of PPA.

[표 6]TABLE 6

Figure 112008091129699-pat00005
Figure 112008091129699-pat00005

(예비건조시간에 관한 검토)(Review on preliminary drying time)

다음에, 예비건조공정에서의 건조시간에 대해서 본 발명자들이 검토한 결과에 대해 설명한다.Next, the result which the present inventors examined about the drying time in a predrying process is demonstrated.

<실험예 3><Experimental Example 3>

본 실험예에서는, 폴리이미드 유리기판에 캐스트한 혼합용액(여기서는, 고분자로서 술폰화 폴리에테르에테르케톤(S-PEEK) 20중량%를 DMAc에 용해시킨 DMAc 용액에 고분자 중량에 대해 60 중량%가 되도록 PPA를 배합한 용액)을 핫 스터러 상에서 건조시켜 용매의 휘발량을 조사하였다. 용매의 휘발량은 건조시간 10분, 20분, 30분, 40분, 50분 및 60분의 시점에서의 막의 중량의 변화량(감소량)을 측정하고, 건조 전의 막의 중량에 대한 막의 중량의 변화량의 비율을 휘발한 용매의 비율로서 나타내었다. 또한, 본 실험은 블로어가 없는 무풍상태에서 행하였다. 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다.In this Experimental Example, a mixed solution cast on a polyimide glass substrate (here, 20 wt% of sulfonated polyether ether ketone (S-PEEK) as a polymer was dissolved in DMAc so as to be 60 wt% based on the polymer weight). Solution with PPA) was dried on a hot stirrer to check the volatilization amount of the solvent. The volatilization amount of the solvent measures the change amount (reduction amount) of the weight of the membrane at the time of drying time 10 minutes, 20 minutes, 30 minutes, 40 minutes, 50 minutes, and 60 minutes, and the amount of change in the weight of the membrane to the weight of the membrane before drying. The ratio is shown as the ratio of the volatilized solvent. In addition, this experiment was performed in the airless state without a blower. The results are shown in Table 7 below.

[표 7]TABLE 7

Figure 112008091129699-pat00006
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상기 표 7에 나타내는 바와 같이, 건조시간이 10분을 경과하면 고분자 전해질막의 표면이 형성되고, 20분을 경과하면 유리기판 상에서 필름을 박리시키는 것이 가능하게 되었다. 즉, 적어도 10분을 60℃에서 건조하고, 후공정의 본 건조에 보낼 필요가 있음을 알 수 있다. 또한, 예비건조 후에 캐스트에 이용한 기재를 박리하여 본 건조에서 양면에서 블로어로부터의 바람을 맞아 건조시키는 것이면, 예비건조는 적어도 20분 이상 필요하다고 할 수 있다. 반대로, 기재(백 필름)를 부착시킨 채로 후공정의 본 건조에 보내는 것이면, 예비건조는 10분 정도로 충분한 것을 알 수 있다.As shown in Table 7, the surface of the polymer electrolyte membrane was formed when the drying time had elapsed for 10 minutes, and it was possible to peel off the film on the glass substrate after 20 minutes had elapsed. That is, it turns out that it is necessary to dry at least 10 minutes at 60 degreeC, and to send it to this drying of a post process. In addition, it can be said that preliminary drying is necessary for at least 20 minutes if the substrate used for casting is peeled off after preliminary drying and subjected to wind from the blower on both sides in this drying. On the contrary, if it is sent to this drying of a post process with a base material (back film) affixed, it turns out that predrying is enough about 10 minutes.

(본 건조 온도에 관한 검토)(Review about this drying temperature)

다음에, 예비건조 후의 건조(본 건조)공정에서의 건조온도에 대해서 본 발명 자들이 검토한 결과에 대해 설명한다.Next, the result which the present inventors examined about the drying temperature in the drying (main drying) process after preliminary drying is demonstrated.

<실험예 4>Experimental Example 4

본 실험예에서는, 폴리이미드 유리기판에 캐스트한 혼합용액(여기서는, 고분자로서 술폰화 폴리에테르에테르케톤(S-PEEK) 20중량%를 DMAc에 용해시킨 DMAc용액에 고분자 중량에 대해 60중량%가 되도록 PPA를 배합한 용액)을 이용하여 건조온도의 영향을 조사하였다. 또한, 작성한 고분자 전해질막에 대해 예비건조시간의 영향을 받지 않도록 예비건조를 60℃에서 1시간 행한 후, 20분간의 본 건조를 110℃, 130℃, 150℃ 및 170℃에서 각각 행하였다. 본 실험예의 결과를 하기 표 8에 나타낸다.In this experimental example, a mixed solution cast on a polyimide glass substrate (here, 20 wt% of sulfonated polyether ether ketone (S-PEEK) as a polymer was dissolved in DMAc so as to be 60 wt% based on the polymer weight). The effect of drying temperature was investigated using PPA blended solution). In addition, after performing preliminary drying at 60 degreeC for 1 hour so that the produced polymer electrolyte membrane might not be influenced by the preliminary drying time, 20 minutes of main drying were performed at 110 degreeC, 130 degreeC, 150 degreeC, and 170 degreeC, respectively. The results of this experimental example are shown in Table 8 below.

[표 8][Table 8]

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표 8에 나타내는 바와 같이, 건조온도 110℃에서는 막의 표면이 도프한 인산 및 극성 유기용매의 영향으로 매우 약간 습윤상태에 있지만, 130℃보다 높은 건조온도에서는 충분한 건조가 이루어져 있다고 생각된다. 또한, 150℃를 넘으면 인산의 탈수에 따른 중량변화가 나타난다고 생각되는 점에서, 110℃이상 150℃미만의 건조온도가 바람직하다고 생각된다. 또한, 130℃이상에서 약간 다색으로 막이 변색하는 현상이 관찰되었다. 이는 술폰산 주위의 흡착수의 탈수에 따른 색의 변화라고 생각되는데, 프로톤 전도는 인산의 기여가 지배적이기 때문에, 고분자 전해질막의 프로톤 전도성 등의 성능에 미치는 문제는 거의 없다고 할 수 있다.As shown in Table 8, at the drying temperature of 110 ° C., the surface of the film is in a slightly wet state under the influence of the doped phosphoric acid and the polar organic solvent, but it is considered that sufficient drying occurs at a drying temperature higher than 130 ° C. In addition, when it exceeds 150 degreeC, it is thought that the weight change according to dehydration of phosphoric acid appears, and the drying temperature of 110 degreeC or more and less than 150 degreeC is considered preferable. In addition, the phenomenon that the film discolored slightly multicolored at 130 degreeC or more was observed. This is thought to be a change in color due to dehydration of the adsorbed water around sulfonic acid. Since proton conduction is dominant in the contribution of phosphoric acid, there is almost no problem on the performance of proton conductivity of the polymer electrolyte membrane.

(본 건조의 온도 및 시간에 관한 검토)(Review about temperature and time of this drying)

다음에, 예비건조 후의 건조(본 건조)공정에서의 건조온도 및 건조시간에 대해서 본 발명자들이 검토한 결과에 대해 설명한다.Next, the result which the present inventors examined about the drying temperature and drying time in the drying (main drying) process after preliminary drying is demonstrated.

<실험예 5>Experimental Example 5

본 실험예에서는, 폴리이미드 유리기판에 캐스트한 혼합용액(여기서는, 고분자로서 술폰화 폴리에테르에테르케톤(S-PEEK) 20중량%를 DMAc에 용해시킨 DMAc용액에 고분자 중량에 대해 60중량%가 되도록 PPA를 배합한 용액)을 이용하여 건조온도 및 건조시간의 영향을 조사하였다. 또한, 작성한 고분자 전해질막에 대해 60℃의 예비건조를 20분간 행한 후, 본 건조를 건조온도 110℃, 130℃, 150℃ 및 170℃에서 건조시간 20분, 40분, 60분 및 80분간 각각 행하였다. 본 실험예의 결과를 하기 표 9에 나타낸다.In this experimental example, a mixed solution cast on a polyimide glass substrate (here, 20 wt% of sulfonated polyether ether ketone (S-PEEK) as a polymer was dissolved in DMAc so as to be 60 wt% based on the polymer weight). The effect of drying temperature and drying time were investigated using PPA blended solution). After the preliminary drying at 60 ° C. for 20 minutes on the prepared polymer electrolyte membrane, the main drying was carried out at drying temperatures of 110 ° C., 130 ° C., 150 ° C. and 170 ° C. for 20 minutes, 40 minutes, 60 minutes and 80 minutes, respectively. It was done. The results of this experimental example are shown in Table 9 below.

[표 9]TABLE 9

Figure 112008091129699-pat00008
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표 9에 나타내는 바와 같이, 어떤 온도에서도 20분간의 건조에서 약 10% 정도의 고분자 전해질막의 중량의 저하가 나타났다. 즉, 예비건조와 본 건조의 합계로 80% 이상의 용매를 제거할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 표 9에 나타낸 결과로부터, 건조온도에 의한 용매 제거량의 영향은 비교적 작고, 오히려 건조 시간에 따른 용매 제거량의 변화가 크다는 것을 알 수 있다. 또, 실기(實機)로 제조하는 경우에는, PET 등을 기재로서 롤 사이에 인쇄(캐스트) 및 건조를 행하는 것을 생각하면, 150℃이하에서의 건조온도가 바람직하다고 할 수 있고, 건조시간에 대해서도 20분 이상 건조해도 고분자 전해질막의 중량의 변화량도 그다지 변화가 없기 때문에 20분 정도로 충분하다고 할 수 있다. 물론 장시간 건조하면, 그만큼 수분이나 용매의 제거량도 증가하므로, 생산성 등과의 균형에서 건조시간을 20분 초과로 해도 문제는 없다.As shown in Table 9, the weight loss of the polymer electrolyte membrane was about 10% at 20 minutes of drying at any temperature. That is, it can be seen that more than 80% of the solvent can be removed by the sum of the predrying and the main drying. In addition, it can be seen from the results shown in Table 9 that the influence of the solvent removal amount by the drying temperature is relatively small, but the change of the solvent removal amount with the drying time is large. Moreover, when manufacturing with a real machine, considering that printing (cast) and drying are carried out between rolls using PET etc. as a base material, it can be said that the drying temperature below 150 degreeC is preferable, and at drying time, Even if it is dried for 20 minutes or more, since the amount of change in the weight of the polymer electrolyte membrane does not change so much, it can be said that it is enough for about 20 minutes. Of course, if it dries for a long time, the removal amount of water and a solvent will increase by that much, and even if it is 20 minutes or more in balance with productivity, there is no problem.

(유리산 배합량의 이온 전도도에 대한 영향)(Influence on Ionic Conductivity of Free Acid Blend)

다음에, 유리산 배합량의 이온 전도도에 대한 영향에 대해서 본 발명자들이 검토한 결과에 대해 설명한다.Next, the result which the present inventors examined about the influence on the ion conductivity of a free acid compounding quantity is demonstrated.

<실험예 6><Experimental Example 6>

본 실험예에서는, 산성 관능기를 가지는 고분자로서 술폰화 폴리에테르에테르케톤(S-PEEK)을 사용하고, 유리산으로서 PPA를 사용하며, 극성 유기용매로서 DMAc 및 NMP의 각각에 용해시킨 혼합용액을 이용하여 제막한 고분자 전해질막의 130℃에서의 이온 전도도를 측정하였다. 이온 전도도의 측정방법은 이하와 같다. 각 전해질막을 13mmΦ의 원형으로 뚫고, 테프론(등록상표)의 하우징을 가지는 2극의 백금 블로킹 전극 셀에 끼워 넣어 항온조에 고정하여 150℃로 승온하여 하룻동안 방치한 후, 150℃에서 강온하면서 저항을 측정하였다. 저항 측정에는 영국 솔라트론사 제품 SI1287 Electrochemical Interface and SI1260 Impedance/gain phase Analyzer을 이용하였다. 얻어진 벌크 저항과 셀 상수로부터 이온 전도도를 산출하였다. 그 결과를 하기 표 10에 나타낸다. 또, 하기 표 10에서, 「PPA20」 등은 고분자에 대한 PPA의 배합량을 나타내고, 예를 들어 PPA20이면, 고분자 100중량부에 대해 20중량부의 PPA가 고분자 전해질막 중에 존재하는 것을 의미한다.In this experimental example, sulfonated polyether ether ketone (S-PEEK) was used as a polymer having an acidic functional group, PPA was used as a free acid, and a mixed solution dissolved in each of DMAc and NMP was used as a polar organic solvent. Ion conductivity at 130 ° C. of the polymer electrolyte membrane thus formed was measured. The measuring method of ion conductivity is as follows. Each electrolyte membrane was drilled in a circle of 13 mm Φ and inserted into a bipolar platinum blocking electrode cell having a Teflon (registered trademark) housing, fixed in a thermostat, heated to 150 ° C, and left for one day. Measured. The resistance measurement was performed using SI1287 Electrochemical Interface and SI1260 Impedance / gain phase analyzer from Solartron, UK. Ionic conductivity was computed from the obtained bulk resistance and cell constant. The results are shown in Table 10 below. In addition, in Table 10 below, "PPA20" etc. represent the compounding quantity of PPA with respect to a polymer, For example, if it is PPA20, it means that 20 weight part of PPA exists in a polymer electrolyte membrane with respect to 100 weight part of polymers.

[표 10]TABLE 10

Figure 112008091129699-pat00009
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표 10에 나타내는 바와 같이, PPA의 배합량이 고분자 100 중량부에 대해 20 내지 80중량부의 범위에서는 모두 양호한 프로톤 전도도를 나타내었다. 또한, 프로톤 전도도는 극성 유기용매의 종류에 따르지 않고 PAA의 배합량이 20 내지 60중량부까지는 상승하고, 60중량부를 피크로서 80중량부에서는 약간 저하되는 것을 알 수 있다. 이 결과로부터, PPA 등의 유리산의 배합량으로서는 고분자 전해질 100중량부에 대해 20중량부 이상 80중량부 이하인 것이 바람직하고, 40 내지 80중량부가 더 바람직하며, 60중량부가 가장 바람직하다는 것을 알 수 있었다.As shown in Table 10, when the compounding quantity of PPA was 20-80 weight part with respect to 100 weight part of polymers, all showed favorable proton conductivity. In addition, it is understood that the proton conductivity does not depend on the kind of the polar organic solvent, but the amount of PAA increases up to 20 to 60 parts by weight, and slightly decreases at 80 parts by weight as 60 parts by weight as a peak. From these results, it is understood that the blending amount of free acid such as PPA is preferably 20 parts by weight or more and 80 parts by weight or less, more preferably 40 to 80 parts by weight, and most preferably 60 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polymer electrolyte. .

(고분자 전해질막의 물성평가)Evaluation of Physical Properties of Polymer Electrolyte Membrane

후술하는 방법으로 합성한 3종류의 고분자 전해질을 이용하여 고분자 전해질막을 제작하고, 제작한 고분자 전해질막의 프로톤 전도도 및 얻어진 고분자 전해질막을 이용하여 제작한 연료전지의 발전특성을 평가하였다. 프로톤 전도도 및 발전특성의 시험방법은 이하와 같다.A polymer electrolyte membrane was prepared using three types of polymer electrolytes synthesized by the method described below, and the proton conductivity of the produced polymer electrolyte membrane and the power generation characteristics of the fuel cell produced using the obtained polymer electrolyte membrane were evaluated. The test method of proton conductivity and power generation characteristics is as follows.

<이온 전도도 측정의 시험방법><Test method of ion conductivity measurement>

각 전해질막을 13mmΦ의 원형으로 뚫고, 테프론(등록상표)의 하우징을 가지는 2극의 백금 블로킹 전극 셀에 끼워 넣어 항온조에 고정하여 150℃로 승온하여 하룻동안 방치한 후, 150℃에서 강온하면서 저항을 측정하였다. 저항 측정에는 영국 솔라트론사 제품 SI1287 Electrochemical Interface and SI1260 Impedance/gain phase Analyzer을 이용하였다. 얻어진 벌크 저항과 셀 상수로부터 이온 전도도를 산출하였다.Each electrolyte membrane was drilled in a circle of 13 mm Φ and inserted into a bipolar platinum blocking electrode cell having a Teflon (registered trademark) housing, fixed in a thermostat, heated to 150 ° C, and left for one day. Measured. The resistance measurement was performed using SI1287 Electrochemical Interface and SI1260 Impedance / gain phase analyzer from Solartron, UK. Ionic conductivity was computed from the obtained bulk resistance and cell constant.

<연료전지의 발전특성의 시험방법><Test Method of Power Generation Characteristics of Fuel Cell>

제작한 전해질막을 2.8cm각으로 잘라낸 시판의 가스확산전극(미 Electrochem 사 제품 촉매부착 전극; 카본 페이퍼에 촉매 Pt 1mg/cm2를 부착시킨 전극; EC-20-10-7)으로 끼워 넣어 간이적인 막-전극 접합체(MEA)를 제작하였다. 다음에, 테프론(등록상표)의 가스켓과 당해 MEA를 가스유로가 형성되어 있는 카본 세퍼레이터로 끼워 넣은 후, 집전판과 엔드 플레이트를 양극 외측에 배치하여 볼트로 단단히 죄어 테스트 셀이라고 하였다. 이 테스트 셀을 질소 퍼지하면서 150℃로 승온하고, 수소 및 산소를 봄베로부터 유량을 콘트롤하는 매스 플로우를 개재하여 직접(가습기를 통하지 않고) 셀에 도입하였다. 발전의 분극특성 및 연속발전특성의 조사에는 호쿠토전공회사 제품 전기화학 측정장치 HZ-3000을 이용하였다.The produced electrolyte membrane was cut into 2.8 cm angles by inserting it into a commercial gas diffusion electrode (electrode with a catalyst from US Electrochem; electrode with a catalyst Pt 1mg / cm 2 attached to carbon paper; EC-20-10-7). A membrane-electrode assembly (MEA) was produced. Next, the gasket of the Teflon (registered trademark) and the MEA were sandwiched by a carbon separator in which a gas flow path was formed, and then, the current collector plate and the end plate were disposed outside the anode, and fastened with bolts to form a test cell. The test cell was heated to 150 ° C. while purging with nitrogen, and hydrogen and oxygen were introduced into the cell directly (via a humidifier) via a mass flow that controls the flow rate from the bomb. HZ-3000, an electrochemical measuring device manufactured by Hokuto Electric Industries, was used to investigate the polarization and continuous power generation characteristics of power generation.

<고분자 전해질의 합성>Synthesis of Polymer Electrolyte

다음에, 고분자 전해질의 합성방법에 대해 설명한다.Next, a method for synthesizing the polymer electrolyte will be described.

(A)『J. Kerres et al., Electrochem. Syst. 3(2000) 129』에 기재된 내용에 기초하여, 폴리에테르에테르케톤을 술폰화하여 하기 화학식 2에 나타내는 바와 같은 술폰화 폴리에테르에테르케톤 (이하,「S-PEEK」라고 기재함. Ew(equivalent weight)=570)을 얻었다. 구체적으로는, 폴리에테르에테르케톤 (PEEK450P, 미츠이 토아츠 화학회사 제품) 50g를 98% 황산에 분산하여 35℃에서 24시간 반응 후, 반응액을 냉각수 중에 조금씩 따르고 pH가 중성이 될 때까지 수세를 반복하였다. 얻어진 술폰화 폴리에테르에테르케톤을 연소-이온크로마토법으로 Ew가 570인 것을 결정하였다.(A) "J. Kerres et al., Electrochem. Syst. 3 (2000) 129 ', sulfonated polyetheretherketone (hereinafter referred to as "S-PEEK") as shown in the following formula (2) by sulfonating polyetheretherketone. Ew (equivalent weight) ) = 570). Specifically, 50 g of polyether ether ketone (PEEK450P, manufactured by Mitsui Toatsu Chemical Co., Ltd.) was dispersed in 98% sulfuric acid and reacted at 35 ° C. for 24 hours, followed by rinsing the reaction solution in cooling water little by little and washing with water until the pH became neutral. Repeated. The sulfonated polyether ether ketone obtained was determined to have an Ew of 570 by the combustion-ion chromatography method.

(B)『R. Guan et at., Euro Polym. J., 41(2005) 1554』에 기재된 내용에 기 초하여, 폴리에테르술폰을 술폰화하여 하기 화학식 3에 나타내는 바와 같은 술폰화 폴리에테르술폰 (이하, 「S-PES」라고 기재함. Ew=550)을 얻었다. 구체적으로는, 폴리에테르술폰(폴리 1,4-페닐렌에테르술폰, 알드리치사 제품) 20g를 100mL의 98% 황산에 분산시켜 실온에서 2시간 반응 후, 천천히 클로로술폰산 80mL을 적하하였다. 반응용액이 10℃가 되도록 약 1시간 유지한 후, (A)와 같이 반응액을 냉각수 중에 조금씩 따르고 pH가 중성이 될 때까지 수세를 반복하였다. 얻어진 술폰화 폴리에테르술폰을 역적정법을 이용하여 Ew가 550인 것을 결정하였다. 단, 클로로술폰산의 적하량을 60mL 혹은 70mL로 했을 때, 얻어진 고분자의 Ew는 논문과 달리 기대한 술폰화도는 얻을 수 없었다. 여기서는, Ew가 550으로 명확한 샘플로서 클로로술폰산 적하량을 80mL로 한 것을 이용하였다.(B) "R. Guan et at., Euro Polym. Based on the contents described in J., 41 (2005) 1554, sulfonated polyethersulfone as described in the following formula (3) by sulfonating polyethersulfone (hereinafter referred to as "S-PES"). 550). Specifically, 20 g of polyether sulfone (poly 1,4-phenylene ether sulfone, manufactured by Aldrich Co., Ltd.) was dispersed in 100 mL of 98% sulfuric acid, followed by reaction at room temperature for 2 hours, and then 80 mL of chlorosulfonic acid was slowly added dropwise. After holding the reaction solution at about 10 ° C. for about 1 hour, the reaction solution was poured into the cooling water little by little as in (A), and water washing was repeated until the pH became neutral. The sulfonated polyether sulfone thus obtained was determined to have an Ew of 550 using a reverse titration method. However, when the dropwise amount of chlorosulfonic acid was set to 60 mL or 70 mL, the sulfonation degree expected of the obtained polymer Ew was not obtained unlike the paper. Here, the sample with 80 mL of chlorosulfonic acid dropping quantity was used as a sample with a clear Ew of 550.

(C)『X. Glipa et al., Solid State Ionics 97(1997) 323』에 기재된 내용에 기초하여, 폴리벤즈이미다졸을 술폰화하여 하기 화학식 4에 나타내는 바와 같은 술폰화 폴리벤즈이미다졸 (이하, 「S-PBI」라고 기재함. Ew=770)을 얻었다. 구체적으로는, 이하와 같이 폴리벤즈이미다졸을 먼저 합성하고, 이를 이온화 후에 술폰화하였다. 35g의 폴리인산 (키시다 화학회사 제품) 중에 3,4-디아미노 안식향산(2.60g, 도쿄화성회사 제품)과 1.83g의 3,3'-디아미노벤지딘(알드리치사 제품)과 1.42g의 이소프탈산(도쿄화성회사 제품)을 투입하여 200℃에서 5시간 반응시켰다. (C) 『X. Based on the contents described in Glipa et al., Solid State Ionics 97 (1997) 323, sulfonated polybenzimidazoles as shown in the following formula (4) by sulfonating polybenzimidazole (hereinafter referred to as "S-PBI" Ew = 770). Specifically, polybenzimidazole was first synthesized as follows, and then sulfonated after ionization. In 35 g of polyphosphoric acid (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.), 3,4-diamino benzoic acid (2.60 g, manufactured by Tokyo Chemical Co., Ltd.), 1.83 g of 3,3'-diaminobenzidine (Aldrich) and 1.42 g of iso Phthalic acid (manufactured by Tokyo Chemical Co., Ltd.) was added thereto and reacted at 200 ° C for 5 hours.

반응 용액을 대량의 냉수 중에 부어 넣고, 반응액을 냉각수 중에 조금씩 따르고 pH가 중성이 될 때까지 수세를 반복하였다. The reaction solution was poured into a large amount of cold water, the reaction solution was poured into the cooling water little by little, and water washing was repeated until the pH became neutral.

60℃에서 진공건조를 24시간 행하여 얻어진 폴리벤즈이미다졸을 디메틸아세 트아미드(키시다 화학회사 제품)에 용해한 후, 리튬하이드라이드(알드리치사 제품)를 이용하여 리틸레이트화를 행하였다. 여기에서 몰비로서 논문에서 기재되어 있는 비율 PBI:LiH는 불순물의 수분과 반응하여 활성을 잃어버리는 것이 기술되어 있기 때문에, 몰비 2.5로서 리틸레이트화를 행하였다. Polybenzimidazole obtained by performing vacuum drying at 60 ° C. for 24 hours was dissolved in dimethylacetamide (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.), and then subjected to retylation using lithium hydride (manufactured by Aldrich). Here, the ratio PBI: LiH described in the paper as the molar ratio is described to lose activity by reacting with moisture of the impurity.

그 후, 합성한 4-브로모메틸벤젠술폰산을 과잉으로 투입하고, 질소분위기 하에서 75℃에서 24시간 교반 후, 과잉의 테트라히드로퓨란에 투입하여 재침전시켰다. Thereafter, the synthesized 4-bromomethylbenzenesulfonic acid was added in excess, stirred at 75 ° C. for 24 hours under a nitrogen atmosphere, and then charged in excess tetrahydrofuran to reprecipitate.

그 후, 디메틸아세트아미드에 한 번 용해하여 불용부를 여과한 후, 초순수 중에 다시 투입하였다. 침전물을 여과 후, 60℃에서 진공건조를 24시간 행하여 술폰화 폴리벤즈이미다졸을 얻었다. Ew는 (A)와 같이 연소-이온 크로마토그래프법에 의한 유황의 정량으로부터 770인 것을 결정하였다.Thereafter, the solution was dissolved once in dimethylacetamide, the insoluble portion was filtered off, and then charged again in ultrapure water. The precipitate was filtered and then vacuum dried at 60 ° C. for 24 hours to obtain sulfonated polybenzimidazole. Ew was determined to be 770 from the quantification of sulfur by combustion-ion chromatography as in (A).

다음에, 제조된 고분자 용액을 수중에 침전시켜 상기 폴리벤즈이미다졸계 고분자를 얻었다.Next, the prepared polymer solution was precipitated in water to obtain the polybenzimidazole-based polymer.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112008091129699-pat00010
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[화학식 3](3)

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[화학식 4][Formula 4]

Figure 112008091129699-pat00012
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또한, 각각 술폰화한 고분자의 원료가 되는 술폰화하지 않은 고분자와 술폰화한 고분자의 극성 유기용매에 대한 용해성 및 인산을 용해한 N-메틸피롤리돈(NMP)에 대한 상용성을 조사하였다. 또, 인산을 용해한 NMP는 폴리인산(116% 인산) 2.00g를 NMP 12.00g에 용해한 것으로 하였다. 또한, 용해성의 판단으로서는, 20중량%의 고분자를 극성 유기용매에 가하여 교반함으로써 투명한 용액을 제조할 수 있는지의 여부에 의해 판단하였다. 그 결과를 하기 표 11에 나타낸다.In addition, the solubility of the non-sulfonated polymer and the sulfonated polymer, which are the raw materials of the sulfonated polymer, and the polar organic solvent and the compatibility of N-methylpyrrolidone (NMP) containing phosphoric acid, respectively, were investigated. The NMP in which phosphoric acid was dissolved was assumed to have dissolved 2.00 g of polyphosphoric acid (116% phosphoric acid) in 12.00 g of NMP. In addition, as a judgment of solubility, it judged whether 20% by weight of the polymer was added to the polar organic solvent and stirred to prepare a transparent solution. The results are shown in Table 11 below.

[표 11]TABLE 11

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Figure 112008091129699-pat00013

표 11에 나타내는 바와 같이, 술폰화하지 않은 S-PEEK와 S-PES는 DMAc 및 NMP의 어느 것에도 용해되지 않고, 술폰화함으로써 동 용매에 용해되는 것을 알 수 있다. 한편, S-PBI는 DMAc 및 NMP의 어느 것에도 가용이지만, 인산이 혼재하면 침전물을 생성한다. 그러나, 술폰화함으로써 인산 혼재 하에서도 동 용매에 가용이 되는 것이 확인되었다. 이러한 재료를 이용하여, 본 발명의 일실시예에 의한 고분자 전해질막을 다음과 같이 제조하였다.As shown in Table 11, it can be seen that the sulfonated S-PEEK and S-PES are not dissolved in any of DMAc and NMP, but are dissolved in the same solvent by sulfonation. On the other hand, S-PBI is soluble in both DMAc and NMP, but when phosphoric acid is mixed, it forms a precipitate. However, it was confirmed that sulphonation makes it soluble in the same solvent even in the mixture of phosphoric acid. Using this material, a polymer electrolyte membrane according to one embodiment of the present invention was prepared as follows.

[실시예 1]Example 1

상기 과정에 따라 합성한 술폰화 폴리벤즈이미다졸(S-PBI) 2.50g을 취하고, 폴리인산 2.50g을 N-메틸피롤리돈(NMP) 12.00g에 부가하여 이를 하루 상온에서 교반하였다.2.50 g of sulfonated polybenzimidazole (S-PBI) synthesized according to the above procedure was taken, and 2.50 g of polyphosphoric acid was added to 12.00 g of N-methylpyrrolidone (NMP), which was stirred at room temperature per day.

다음에, S-PBI와 폴리인산의 NMP 용액을 균일한 인산-NMP용액에 부가하고 상온에서 3시간 교반하여 균일한 혼합용액을 얻었다. 이를 유리기판 상에 닥터 블레 이드를 이용하여 캐스트법에 의해 제막하였다. 얻어진 고분자 전해질막의 건조는 80℃에서 3시간의 예비건조 후, 120℃에서 2시간동안 건조하여 용매인 NMP를 제거하고, 유리기판 상으로부터 박리하여 자립성의 막을 얻었다. 얻어진 막의 두께는 130㎛이었다.Next, an NMP solution of S-PBI and polyphosphoric acid was added to a uniform phosphoric acid-NMP solution and stirred at room temperature for 3 hours to obtain a uniform mixed solution. This was formed on a glass substrate by a cast method using a doctor blade. After drying the obtained polymer electrolyte membrane at 80 ° C. for 3 hours, the polymer electrolyte membrane was dried at 120 ° C. for 2 hours to remove NMP as a solvent, and was peeled off from a glass substrate to obtain a self-supporting membrane. The thickness of the obtained film was 130 micrometers.

[실시예 2][Example 2]

상기 과정에 따라 합성한 술폰화 폴리에테르에테르케톤(S-PEEK) 3.00g을 취하고, 폴리인산 2.00g을 NMP 12.00g에 부가하여 하루 상온에서 교반하였다. 3.00 g of sulfonated polyether ether ketone (S-PEEK) synthesized according to the above procedure was taken, and 2.00 g of polyphosphoric acid was added to NMP 12.00 g and stirred at room temperature per day.

다음에, S-PEEK와 폴리인산의 NMP 용액을 균일한 인산-NMP용액에 부가하고 상온에서 3시간 교반하여 균일한 혼합용액을 얻었다. 이를 유리기판 상에 닥터 블레이드를 이용하여 캐스트법에 의해 제막하였다. 얻어진 고분자 전해질막의 건조는 80℃에서 3시간의 예비건조 후, 120℃에서 2시간의 건조를 하여 용매인 NMP를 제거하고, 유리기판 상으로부터 박리하여 자립성의 막을 얻었다. 얻어진 막의 두께는 138㎛이었다.Next, an NMP solution of S-PEEK and polyphosphoric acid was added to a uniform phosphoric acid-NMP solution and stirred at room temperature for 3 hours to obtain a uniform mixed solution. This was formed into a film by the cast method using the doctor blade on the glass substrate. After drying the obtained polymer electrolyte membrane at 80 ° C. for 3 hours, the resultant was dried at 120 ° C. for 2 hours to remove NMP as a solvent, and peeled from a glass substrate to obtain a self-supporting membrane. The thickness of the obtained film was 138 micrometers.

[실시예 3]Example 3

상기 과정에 따라 합성한 술폰화 폴리에테르술폰(S-PES)을 3.00g 취하고, 폴리인산 2.00g을 NMP 12.00g에 부가하여 하루 상온에서 교반하였다. 3.00 g of sulfonated polyether sulfone (S-PES) synthesized according to the above procedure was taken, and 2.00 g of polyphosphoric acid was added to NMP 12.00 g and stirred at room temperature per day.

다음에, S-PES와 폴리인산의 NMP 용액을 균일한 인산-NMP용액에 부가하고 상온에서 3시간 교반하여 균일한 용액을 얻었다. 이를 유리기판 상에 닥터 블레이드를 이용하여 캐스트법에 의해 제막하였다. 얻어진 고분자 전해질막의 건조는 80℃에서 3시간의 예비건조 후, 120℃에서 2시간동안 건조하여 용매인 NMP를 제거하고, 유리기판 상으로부터 박리하여 자립성의 막을 얻었다. 얻어진 막의 두께는 135㎛이었다.Next, an NMP solution of S-PES and polyphosphoric acid was added to a uniform phosphoric acid-NMP solution and stirred at room temperature for 3 hours to obtain a uniform solution. This was formed into a film by the cast method using the doctor blade on the glass substrate. After drying the obtained polymer electrolyte membrane at 80 ° C. for 3 hours, the polymer electrolyte membrane was dried at 120 ° C. for 2 hours to remove NMP as a solvent, and was peeled off from a glass substrate to obtain a self-supporting membrane. The thickness of the obtained film was 135 micrometers.

[실시예 4]Example 4

상기과정에 따라 합성한 술폰화 폴리에테르에테르케톤(S-PEEK)을 3.00g 취하고, 폴리인산 2.00g과 벤즈이미다졸 1.00g을 NMP 12.00g에 부가하여 하루 상온에서 교반하였다. 3.00 g of sulfonated polyether ether ketone (S-PEEK) synthesized according to the above procedure was taken, and 2.00 g of polyphosphoric acid and 1.00 g of benzimidazole were added to NMP 12.00 g and stirred at room temperature per day.

다음에, S-PEEK, 폴리인산 및 벤즈이미다졸의 NMP 용액을 균일한 인산-NMP 용액에 부가하고 상온에서 3시간 교반하여 균일한 용액을 얻었다. 이를 유리기판 상에 닥터 블레이드를 이용하여 캐스트법에 의해 제막하였다. 얻어진 고분자 전해질막의 건조는 80℃에서 3시간의 예비건조 후, 120℃에서 2시간의 건조를 하여 용매인 NMP를 제거하고, 유리기판 상으로부터 박리하여 자립성의 막을 얻었다. 얻어진 막의 두께는 134㎛이었다.Next, an NMP solution of S-PEEK, polyphosphoric acid and benzimidazole was added to a uniform phosphoric acid-NMP solution and stirred at room temperature for 3 hours to obtain a uniform solution. This was formed into a film by the casting method using the doctor blade on the glass substrate. After drying the obtained polymer electrolyte membrane at 80 ° C. for 3 hours, the resultant was dried at 120 ° C. for 2 hours to remove NMP as a solvent, and peeled from a glass substrate to obtain a self-supporting membrane. The thickness of the obtained film was 134 micrometers.

[실시예 5]Example 5

상기 과정에 따라 합성한 술폰화 폴리에테르에테르케톤(S-PEEK)을 3.00g 취하고, 폴리인산 2.00g과 1-메틸-3-부틸트리플루오로술포이미드(EMITFSI) 1.00g을 NMP 12.00g에 부가하여 하루 상온에서 교반하였다. 3.00 g of sulfonated polyether ether ketone (S-PEEK) synthesized according to the above procedure was taken, and 2.00 g of polyphosphoric acid and 1.00 g of 1-methyl-3-butyltrifluorosulfoimide (EMITFSI) were added to NMP 12.00 g. In addition, the mixture was stirred at room temperature for one day.

다음에, S-PEEK, 폴리인산 및 EMITFSI의 NMP용액을 균일한 인산-NMP용액에 가하고 상온에서 3시간 교반하여 균일한 용액을 얻었다. 이를 유리기판 상에 닥터 블레이드를 이용하여 캐스트법에 의해 제막하였다. 얻어진 고분자 전해질막의 건조는 80℃에서 3시간의 예비건조 후, 120℃에서 2시간의 건조를 하여 용매인 NMP를 제거하고, 유리기판 상으로부터 박리하여 자립성의 막을 얻었다. 얻어진 막의 두께는 125㎛이었다.Next, an NMP solution of S-PEEK, polyphosphoric acid and EMITFSI was added to a uniform phosphoric acid-NMP solution and stirred at room temperature for 3 hours to obtain a uniform solution. This was formed into a film by the cast method using the doctor blade on the glass substrate. After drying the obtained polymer electrolyte membrane at 80 ° C. for 3 hours, the resultant was dried at 120 ° C. for 2 hours to remove NMP as a solvent, and peeled from a glass substrate to obtain a self-supporting membrane. The thickness of the obtained film was 125 µm.

[실시예 6][Example 6]

상기 과정에 따라 합성한 술폰화 폴리에테르에테르케톤(S-PEEK)을 3.00g 취하고, 비닐포스폰산 1.00g을 NMP 12.00g에 부가하여 하루 상온에서 교반하였다. 3.00 g of sulfonated polyether ether ketone (S-PEEK) synthesized according to the above procedure was taken, and 1.00 g of vinylphosphonic acid was added to NMP 12.00 g and stirred at room temperature per day.

다음에, S-PEEK와 비닐포스폰산의 NMP용액을 균일하게 된 인산-NMP 용액에 부가하고 상온에서 3시간 교반하여 균일한 용액을 얻었다. 이를 유리기판 상에 닥터 블레이드를 이용하여 캐스트법에 의해 제막하였다. 얻어진 고분자 전해질막의 건조는 80℃에서 3시간의 예비건조 후, 120℃에서 2시간의 건조를 하여 용매인 NMP를 제거하고, 유리기판 상으로부터 박리하여 자립성의 막을 얻었다. 얻어진 막의 두께는 125㎛이었다.Next, an NMP solution of S-PEEK and vinylphosphonic acid was added to the homogenized phosphoric acid-NMP solution and stirred at room temperature for 3 hours to obtain a uniform solution. This was formed into a film by the cast method using the doctor blade on the glass substrate. After drying the obtained polymer electrolyte membrane at 80 ° C. for 3 hours, the resultant was dried at 120 ° C. for 2 hours to remove NMP as a solvent, and peeled from a glass substrate to obtain a self-supporting membrane. The thickness of the obtained film was 125 µm.

[실시예 7]Example 7

상기 과정에 따라 합성한 술폰화 폴리에테르에테르케톤(S-PEEK) 3.00g, 비닐포스폰산 4.00g, 폴리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트 2.00g, 아조비스이소부티로니트릴 0.3g을 디메틸아세트아미드 10.00g에 용해하고 25℃에서 3시간 교반하여 균일한 용액으로 준비하였다. 이 용액을 유리기판 상에 닥터 블레이드를 이용하여 캐스트하고, 80℃에서 3시간 건조하여 디메틸아세트아미드를 제거한 후, 100℃, 진공에서 19시간, 150℃에서 0.5시간의 열처리를 하고, 그 후, 유리기판 상으로부터 박리시켜 자립성의 막을 얻었다. 얻어진 막의 두께는 175㎛이었다. 또한, 얻어진 고분자 전해질막을 80℃의 열수에 30분 침지하고, 침지액 중에 용출한 산 및 가교제 성분의 양에서 침지 전의 막 중에 있던 산 및 가교제 성분의 용출률을 산출한 바 50%이었다. 또한, 교류 임피던스법에 의해 고분자 전해질막의 150℃에서의 전도도를 측정한 바 0.61mS/cm이었다.3.00 g of sulfonated polyether ether ketone (S-PEEK) synthesized according to the above procedure, 4.00 g of vinylphosphonic acid, 2.00 g of polyethylene glycol dimethacrylate, and 0.3 g of azobisisobutyronitrile were added to 10.00 g of dimethylacetamide. It was dissolved and stirred at 25 ° C. for 3 hours to prepare a uniform solution. The solution was cast on a glass substrate using a doctor blade, dried at 80 ° C. for 3 hours to remove dimethylacetamide, and then heat treated at 100 ° C. for 19 hours in vacuum and 0.5 ° C. for 0.5 hours. It peeled from the glass substrate and obtained the self-supporting film | membrane. The thickness of the obtained film was 175 mu m. Further, the obtained polymer electrolyte membrane was immersed in hot water at 80 ° C. for 30 minutes, and the dissolution rate of the acid and the crosslinking agent component in the membrane before dipping was calculated from the amount of the acid and the crosslinking agent component eluted in the immersion liquid. The conductivity of the polymer electrolyte membrane at 150 ° C. was measured by the alternating current impedance method and found to be 0.61 mS / cm.

또, 용출률의 측정방법의 상세에 대해서는 이하와 같다. 즉, 막 샘플 0.07g을, 2g의 순수에 침지하여 80℃ 오븐 중에서 30분 정치시켰다. 그 후, 막을 순수 중에서 꺼내고 침지액 1g을 채취하여 유리병에 넣어 150℃에서 30분 가열하였다. 병 중에 남은 잔사의 중량을 측정하고, 다음의 식으로부터 용출률을 산출하였다.In addition, the detail of the measuring method of a dissolution rate is as follows. That is, 0.07 g of the membrane sample was immersed in 2 g of pure water and allowed to stand for 30 minutes in an 80 ° C oven. Thereafter, the membrane was taken out of pure water, 1 g of immersion liquid was taken, and placed in a glass bottle, and heated at 150 ° C. for 30 minutes. The weight of the residue remaining in the bottle was measured, and the dissolution rate was calculated from the following equation.

용출률(%)=[1-(막 샘플 중에서 용출한 잔사의 중량)Dissolution rate (%) = [1- (weight of residue eluted in membrane sample)

/(샘플막 중의 산성분과 가교제 성분의 합계중량)]×100/ (Total weight of acid component and crosslinking agent component in the sample film)] × 100

[실시예 8]Example 8

비닐포스폰산 2.30g, 폴리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트 2.30g, 아조비스이소부티로니트릴 0.2g으로 사용한 것 이외에는, 실시예 7과 같이 하여 자립성의 막을 얻었다. 이 막의 산 및 가교제 성분의 용출률은 5%, 150℃에서의 전도도는 0.02mS/cm이었다.A self-supporting film was obtained in the same manner as in Example 7, except that 2.30 g of vinylphosphonic acid, 2.30 g of polyethylene glycol dimethacrylate, and 0.2 g of azobisisobutyronitrile were used. The dissolution rate of the acid and the crosslinking agent component of the membrane was 5%, and the conductivity at 150 ° C. was 0.02 mS / cm.

[비교예 1]Comparative Example 1

상기 과정에 따라 합성한 술폰화 폴리에테르에테르케톤(S-PEEK)을 3.00g 취하고, NMP 12.00g에 부가하여 상온에서 3시간 교반하여 균일한 용액을 얻었다. 이를 유리기판 상에 닥터 블레이드를 이용하여 캐스트법에 의해 제막하였다. 얻어진 고분자 전해질막의 건조는 80℃에서 3시간의 예비건조 후, 120℃에서 2시간의 건조를 하여 용매인 NMP를 제거하고, 유리기판 상으로부터 박리하여 자립성의 막을 얻 었다. 얻어진 막의 두께는 80㎛이었다.3.00 g of sulfonated polyether ether ketone (S-PEEK) synthesized according to the above procedure was taken and added to NMP 12.00 g, followed by stirring at room temperature for 3 hours to obtain a uniform solution. This was formed into a film by the cast method using the doctor blade on the glass substrate. After drying the obtained polymer electrolyte membrane at 80 ° C. for 3 hours, the resultant was dried at 120 ° C. for 2 hours to remove NMP as a solvent, and peeled from a glass substrate to obtain a self-supporting membrane. The thickness of the obtained film was 80 µm.

[비교예 2]Comparative Example 2

상기와 같이 하여 합성한 술폰화 폴리에테르에테르케톤(S-PEEK)을 3.00g 재고, 벤즈이미다졸 1.00g을 용해한 NMP 12.00g에 가하여 상온에서 3시간 교반하여 균일한 용액을 얻었다. 이를 유리기판 상에 닥터 블레이드를 이용하여 캐스트법에 의해 제막하였다. 얻어진 고분자 전해질막의 건조는 80℃에서 3시간의 예비건조 후, 120℃에서 2시간의 건조를 하여 용매인 NMP를 제거하고, 유리기판 상으로부터 박리하여 자립성의 막을 얻었다. 얻어진 막의 두께는 85㎛이었다.3.00 g of the sulfonated polyether ether ketone (S-PEEK) synthesized as described above was added to NMP 12.00 g in which 1.00 g of benzimidazole was dissolved, and stirred at room temperature for 3 hours to obtain a uniform solution. This was formed into a film by the cast method using the doctor blade on the glass substrate. After drying the obtained polymer electrolyte membrane at 80 ° C. for 3 hours, the resultant was dried at 120 ° C. for 2 hours to remove NMP as a solvent, and peeled from a glass substrate to obtain a self-supporting membrane. The thickness of the obtained film was 85 µm.

(이온 전도도의 평가결과에 대해서)(About evaluation result of ion conductivity)

이상과 같이 하여 얻은 고분자 전해질막 중에서 실시예 1~5의 막의 프로톤 전도도를 측정한 결과를 도 1에, 실시예 8의 막의 프로톤 전도도를 측정한 결과를 도 2에 나타낸다. 또, 도 1은 본 발명의 실시예 1~5의 이온 전도도의 아레니우스 플롯으로서, 종축이 이온 전도도[Scm-1], 횡축이 온도(1000/T)[K-1]를 나타낸다. 또한, 도 2는 본 발명의 실시예 8의 이온 전도도의 아레니우스 플롯으로서, 종축이 이온 전도도[Scm-1], 횡축이 온도(1/T)[K-1]를 나타낸다.The result of measuring the proton conductivity of the membrane of Examples 1-5 in the polymer electrolyte membrane obtained as mentioned above is shown in FIG. 1, and the result of measuring the proton conductivity of the membrane of Example 8 is shown in FIG. 1 is an Arrhenius plot of the ion conductivity of Examples 1 to 5 of the present invention, wherein the vertical axis represents ion conductivity [Scm −1 ] and the horizontal axis represents temperature (1000 / T) [K −1 ]. 2 is an Arenius plot of ion conductivity of Example 8 of the present invention, where the vertical axis represents ion conductivity [Scm −1 ] and the horizontal axis represents temperature (1 / T) [K −1 ].

도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1~5 및 실시예 8의 고분자 전해질막은 고온(~150℃정도)?무가습의 조건 하에서도 충분히 발전 가능한 정도의 프로톤 전도도를 가지는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the polymer electrolyte membranes of Examples 1 to 5 and Example 8 of the present invention have a proton conductivity that can be sufficiently developed even under conditions of high temperature (about 150 ° C) and no humidification. Able to know.

(발전특성의 평가결과에 대해서)(Evaluation result of development characteristic)

다음에, 상기와 같이 하여 얻은 고분자 전해질막 중에서 실시예 2 및 실시예 3의 고분자 전해질을 이용하여 상술한 바와 같이 하여 연료전지의 테스트 셀을 제작하고, 발전특성(분극특성)의 평가를 행한 결과를 도 3 및 도 4에 나타낸다. 또, 도 3은 본 발명의 실시예 2의 고분자 전해질막을 이용하여 제작한 연료전지 테스트 셀의 분극곡선을 나타내는 그래프로서, 종축이 전압[V], 횡축이 전류[mA]를 나타낸다. 또한, 도 4는 본 발명의 실시예 3의 고분자 전해질막을 이용하여 제작한 연료전지 테스트 셀의 분극곡선을 나타내는 그래프로서, 종축이 전압[V], 횡축이 전류[mA]를 나타낸다.Next, a test cell of a fuel cell was fabricated as described above using the polymer electrolytes of Examples 2 and 3 among the polymer electrolyte membranes obtained as described above, and the power generation characteristics (polarization characteristics) were evaluated. 3 and 4 are shown. 3 is a graph showing the polarization curve of the fuel cell test cell fabricated using the polymer electrolyte membrane of Example 2 of the present invention, wherein the vertical axis represents voltage [V] and the horizontal axis represents current [mA]. 4 is a graph showing the polarization curve of the fuel cell test cell fabricated using the polymer electrolyte membrane of Example 3 of the present invention, wherein the vertical axis represents voltage [V] and the horizontal axis represents current [mA].

도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시예 2 및 실시예 3의 고분자 전해질을 이용하여 제작한 테스트 셀은 고온(~150℃정도)?무가습의 조건 하에서도 우수한 분극특성을 가지는 것을 알 수 있다. 또, 실시예 2의 개방전압(OCV)은 0.987[V]이고, 실시예 3의 OCV는 0.872[V]이며, 모두 높은 값을 나타내었다.As shown in Figs. 3 and 4, the test cells prepared using the polymer electrolytes of Examples 2 and 3 of the present invention have excellent polarization characteristics even under the conditions of high temperature (˜150 ° C.) and no humidification. It can be seen that. Moreover, the open circuit voltage (OCV) of Example 2 was 0.987 [V], and the OCV of Example 3 was 0.872 [V], and all showed high values.

이상, 첨부도면을 참조하면서 매우 적합한 일실시예를 들어 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는 것은 물론이다. 당업자라면 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 각종의 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있음은 명백하고, 이들에 대해서도 당연히 본 발명의 일실시예에 따른 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.As mentioned above, although one Example which was very suitable was described, referring an accompanying drawing, Of course, this invention is not limited to this example. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or changes can be made within the scope of the claims, and naturally, they also belong to the technical scope according to the embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예 1~5의 이온 전도도를 나타내는 아레니우스 플롯이고,1 is an Arrhenius plot showing the ionic conductivity of Examples 1 to 5 of the present invention,

도 2는 본 발명의 실시예 8의 이온 전도도를 나타내는 아레니우스 플롯이고,2 is an Arrhenius plot showing the ionic conductivity of Example 8 of the present invention,

도 3은 본 발명의 실시예 2의 고분자 전해질막을 이용하여 제작한 연료전지 테스트 셀의 분극곡선을 나타내는 그래프이고,3 is a graph showing a polarization curve of a fuel cell test cell fabricated using the polymer electrolyte membrane of Example 2 of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예 3의 고분자 전해질막을 이용하여 제작한 연료전지 테스트 셀의 분극곡선을 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing a polarization curve of a fuel cell test cell manufactured using the polymer electrolyte membrane of Example 3 of the present invention.

Claims (20)

산성 관능기를 가지는 고분자 전해질과, A polymer electrolyte having an acidic functional group, 유리산과 제4급 암모늄 양이온을 함유하는 유기염의 혼합물을 극성 유기용매에 용해시킨 혼합 용액을 습식 제막하여 상기 고분자 전해질에 유리산과 제4급 암모늄 양이온을 함유하는 유기염의 혼합물이 도프된 고분자 전해질막을 얻는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법.Wet forming a mixed solution in which a mixture of a free acid and an organic salt containing a quaternary ammonium cation is dissolved in a polar organic solvent to obtain a polymer electrolyte membrane doped with a mixture of free acid and an organic salt containing a quaternary ammonium cation in the polymer electrolyte. Method for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that. 제1항에 있어서, 상기 고분자 전해질의 주요 골격은 방향족계 엔지니어링 플라스틱인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법.The method of claim 1, wherein the main skeleton of the polymer electrolyte is an aromatic engineering plastic. 제2항에 있어서, 상기 방향족계 엔지니어링 플라스틱은 폴리에테르술폰 또는 폴리벤즈이미다졸인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법.The method of claim 2, wherein the aromatic engineering plastic is polyether sulfone or polybenzimidazole. 제1항에 있어서, 상기 유리산은 산성 무기 인 화합물 또는 산성 유기 인 화합물인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법.The method of claim 1, wherein the free acid is an acidic inorganic phosphorus compound or an acidic organic phosphorus compound. 제4항에 있어서, 상기 산성 무기 인 화합물은 인산, 폴리인산 또는 포스폰산인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법.The method of claim 4, wherein the acidic inorganic phosphorus compound is phosphoric acid, polyphosphoric acid or phosphonic acid. 제4항에 있어서, 상기 산성 유기 인 화합물은 비닐포스폰산 또는 에틸포스폰산인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법.The method of claim 4, wherein the acidic organic phosphorus compound is vinylphosphonic acid or ethylphosphonic acid. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 극성 유기용매는 아미드계 유기용매인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법.The method of claim 1, wherein the polar organic solvent is an amide organic solvent. 제8항에 있어서, 상기 아미드계 유기용매는 디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈 또는 디메틸포름아미드인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법.The method of claim 8, wherein the amide organic solvent is dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone or dimethylformamide. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 극성 용매 중에 상기 고분자 전해질 100 중량부를 기준으로 하여 20 내지 80중량부의 상기 유리산을 용해시키는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법.The method of claim 1, wherein 20 to 80 parts by weight of the free acid is dissolved in the polar solvent based on 100 parts by weight of the polymer electrolyte. 제1항에 있어서, 상기 유리산은 비닐포스폰산이고,The method of claim 1, wherein the free acid is vinyl phosphonic acid, 상기 습식 제막 후에, 상기 고분자 전해질에 도프된 상기 비닐포스폰산을 중합시키는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법.After the wet film formation, polymerizing the vinyl phosphonic acid doped in the polymer electrolyte. 제12항에 있어서, 상기 극성 유기용매 중에 다관능 중합성 화합물을 더 용해시킨 상기 혼합용액을 습식 제막하고, The method according to claim 12, wherein the mixed solution in which the polyfunctional polymerizable compound is further dissolved in the polar organic solvent is wet formed into a film. 상기 습식 제막 후에, 상기 다관능 중합성 화합물과 상기 비닐포스폰산을 공중합시키는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법.The method for producing a polymer electrolyte membrane, wherein the polyfunctional polymerizable compound and the vinyl phosphonic acid are copolymerized after the wet film formation. 제13항에 있어서, 상기 다관능 중합성 화합물은 다관능 비닐 화합물, 디아크릴레이트 또는 디메타크릴레이트인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막의 제조방법.The method of claim 13, wherein the polyfunctional polymerizable compound is a polyfunctional vinyl compound, diacrylate or dimethacrylate. 산성 관능기를 가지는 방향족계 엔지니어링 플라스틱을 주요 골격으로 하고, 산성 무기 인 화합물 및 산성 유기 인 화합물중에서 선택된 유리산과 제4급 암모늄 양이온을 함유하는 유기염의 혼합물이 도프된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.A polymer electrolyte membrane comprising an aromatic engineering plastic having an acidic functional group as a main skeleton and a mixture of a free acid selected from an acidic inorganic phosphorus compound and an acidic organic phosphorus compound and an organic salt containing a quaternary ammonium cation. 제15항에 있어서, 상기 방향족계 엔지니어링 플라스틱은 폴리에테르술폰 또는 폴리벤즈이미다졸인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.The polymer electrolyte membrane according to claim 15, wherein the aromatic engineering plastic is polyethersulfone or polybenzimidazole. 제15항에 있어서, 상기 산성 무기 인 화합물은 인산, 폴리인산 또는 포스폰산인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.The polymer electrolyte membrane of Claim 15, wherein the acidic inorganic phosphorus compound is phosphoric acid, polyphosphoric acid, or phosphonic acid. 제15항에 있어서, 상기 산성 유기 인 화합물은 비닐포스폰산 또는 에틸포스폰산인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.The polymer electrolyte membrane of Claim 15, wherein the acidic organophosphorus compound is vinylphosphonic acid or ethylphosphonic acid. 제15항 내지 제18항중 어느 한 항에 기재된 고분자 전해질막을 이용한 막전극 접합체를 구비하는 연료전지.A fuel cell comprising the membrane electrode assembly using the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 15 to 18. 제15항에 있어서, 상기 유기염이, The method according to claim 15, wherein the organic salt, 1,3-디메틸이미다졸륨 디하이드로젠포스파이트(DMIP), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 디하이드로젠포스파이트(BMIP), 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 디하이드로젠포스파이트(HMIP), 1-메틸-3-옥틸이미다졸륨 디하이드로젠포스파이트(MOIP), 1-도데실-3-메틸이미다졸륨 디하이드로젠포스파이트(C12MIP), 1-헥사데실-3-메틸이미다졸륨 디하이드로젠포스파이트(C16MIP) 또는 1-도데실-3-메틸이미다졸륨 하이드로젠설파이트(C12MIS)인 고분자 전해질막.1,3-dimethylimidazolium dihydrogenphosphite (DMIP), 1-butyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphite (BMIP), 1-hexyl-3-methylimidazolium dihydrogenforce Hite (HMIP), 1-methyl-3-octylimidazolium dihydrogenphosphite (MOIP), 1-dodecyl-3-methylimidazolium dihydrogenphosphite (C12MIP), 1-hexadecyl-3 -Polymer electrolyte membrane which is methyl imidazolium dihydrogen phosphite (C16MIP) or 1-dodecyl-3-methyl imidazolium hydrogensulfite (C12MIS).
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