KR101342598B1 - Proton conductive polymer electrolyte and fuel cell employin the same - Google Patents

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Abstract

100℃ 내지 200℃의 작동온도에서, 무가습 혹은 상대습도 50% 이하의 작동조건으로 양호하게 작동하는 발전 성능을 장기간 안정적으로 나타내는 것이 가능한 프로톤 전도성 고분자 전해질 및 이를 채용한 연료전지를 제공한다. 산성 관능기를 갖는 방향족 탄화수소계 고분자와, 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물이 적어도 함유된 조성물로 이루어진 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 고분자 전해질을 채용한다.The present invention provides a proton conductive polymer electrolyte capable of stably exhibiting power generation performance that works well under operating conditions of no humidification or relative humidity of 50% or less at an operating temperature of 100 ° C to 200 ° C, and a fuel cell employing the same. A proton conductive polymer electrolyte comprising an aromatic hydrocarbon polymer having an acidic functional group and a composition containing at least a compound having an electron donating functional group is employed.

Description

프로톤 전도성 고분자 전해질 및 이를 채용한 연료전지 {Proton conductive polymer electrolyte and fuel cell employin the same}Proton conductive polymer electrolyte and fuel cell employin the same

본 발명은 프로톤 전도성 고분자 전해질 및 이를 채용한 연료전지에 관한 것으로, 특히 100℃ 내지 200℃의 작동온도 하에서, 무가습 혹은 상대습도 50% 이하에서도 양호한 발전성능을 장기간 안정적으로 나타내는 고체 고분자형 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a proton conductive polymer electrolyte and a fuel cell employing the same, in particular, a solid polymer fuel cell stably exhibiting good power generation performance for a long time even under an operating temperature of 100 ° C. to 200 ° C. even under 50% or no relative humidity. It is about.

연료전지용의 전해질로는, 프로톤 전도성이나 화학적 안정성이 뛰어나는 등의 이유로부터, 식염 전해나 해수 담수화, 수처리 등의 용도로도 사용되고 있는 불화 폴리에틸렌 술폰산막이 널리 이용되고 있다. 예를 들면, Nafion막, Flemion막, Aciplex막, Dow막(모두 상품명) 등이 시판되고 있다. As electrolytes for fuel cells, fluorinated polyethylene sulfonic acid membranes which are also used for salt electrolysis, seawater desalination, water treatment, etc. are widely used for reasons of excellent proton conductivity and chemical stability. For example, Nafion membrane, Flemion membrane, Aciplex membrane, Dow membrane (all are brand names), etc. are marketed.

그러나, 이들 전해질막은 불소를 함유하기 때문에, 환경면에서 바람직하지 않고, 또한 가격이 비싸다는 결점이 있다.However, since these electrolyte membranes contain fluorine, they are disadvantageous in terms of environment and expensive.

불소를 함유하지 않는 전해질막으로서는, 수처리용 이온교환수지나 이온교환막 등으로서 폴리스티렌 술폰산, 연료전지용으로서 술폰산화 방향족 폴리머 등이 제안되어 있다(일본 특표평11-502245호 공보, T.Kobayashi, M. Rikukawa, K. Sanui, N. Ogata, Solid State Ionics, 106권, 1998, p.219). As an electrolyte membrane containing no fluorine, polystyrene sulfonic acid is proposed as an ion exchange resin for water treatment, an ion exchange membrane, and the like, and a sulfonated aromatic polymer for fuel cells and the like (Japanese Patent Laid-Open No. 11-502245, T. Kobayashi, M.A.). Rikukawa, K. Sanui, N. Ogata, Solid State Ionics, Vol. 106, 1998, p.219).

그러나, 이들은 내열성이나 화학적 안정성이 연료전지로서 실용화하는 데는 불충분하다.However, they have insufficient heat resistance and chemical stability for practical use as a fuel cell.

또한, 비수계 프로톤 전도성 전해질로서, 프로톤 억셉터 또는 캐리어로서 비휘발성의 상온 용융염, 인산, 이미다졸 등의 저분자 염기를 이용하여, 이들 상온 용융염, 인산, 저분자 염기를 내열성 고분자에 복합화시킨 것이 알려져 있다. 그러나, 이들 화합물은 물에 가용인 것이 많고, 연료전지의 발전 중에 계 내에 생성하는 물에 의해 계 밖으로 유출되는 문제가 있었다.In addition, as a non-aqueous proton conductive electrolyte, non-volatile low-temperature base salts such as molten salt, phosphoric acid, and imidazole such as proton acceptors or carriers are used to complex these room-temperature molten salts, phosphoric acid, and low-molecular bases with heat-resistant polymers. Known. However, these compounds are often soluble in water, and there is a problem of outflowing out of the system by water generated in the system during generation of fuel cells.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 100℃ 내지 200℃의 작동온도에서, 무가습 혹은 상대습도 50% 이하의 작동 조건으로 양호하게 작동하는 발전성능을 장기간 안정적으로 나타내는 것이 가능한 프로톤 전도성 고분자 전해질 및 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, proton conductivity capable of stably exhibiting long-term stable power generation performance at operating conditions of 100 ℃ to 200 ℃, operating conditions of 50% or less humidification or relative humidity It is an object to provide a polymer electrolyte and a fuel cell.

본 발명에서는, 종래의 상온 용융염이나 인산 등과 같이 프로톤 억셉터가 되고, 또한 물에 불용인 화합물로서, 특정의 전자 공여성기를 갖는 화합물을 발견하고, 이 전자 공여성기를 갖는 화합물과 내열성 고분자를 병용함으로써, 무가습, 고온으로 작동시키는 연료전지용의 전해질막으로서 최적의 막을 제공 가능한 것이 발견되었다. 즉, 본 발명은 이하의 구성을 채용함으로써, 상기 과제를 해결하는 것이 가능하게 되었다.In the present invention, a compound having a specific electron donating group is found as a compound that becomes a proton acceptor and is insoluble in water, such as a conventional room temperature molten salt or phosphoric acid. By using together, it was discovered that an optimum membrane can be provided as an electrolyte membrane for fuel cells operated at a high humidity without humidification. That is, this invention has become possible to solve the said subject by employ | adopting the following structures.

본 발명의 프로톤 전도성 고분자 전해질은, 산성 관능기를 갖는 방향족 탄화수소계 고분자와, 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물이 적어도 함유된 조성물로 이루어진다.The proton conductive polymer electrolyte of the present invention comprises a composition containing at least an aromatic hydrocarbon-based polymer having an acidic functional group and a compound having an electron donating functional group.

또한, 본 발명의 프로톤 전도성 고분자 전해질에 있어서는, 상기 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물이 상기 산성 관능기를 갖는 방향족 탄화수소계 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 0.01~50중량부의 범위로 함유되는 것이 바람직하다.In addition, in the proton conductive polymer electrolyte of the present invention, the compound having the electron donating functional group is preferably contained in the range of 0.01 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the aromatic hydrocarbon polymer having the acidic functional group.

또한, 본 발명의 프로톤 전도성 고분자 전해질에 있어서는, 상기 전자 공여 성 관능기를 갖는 화합물의 융점이 100℃ 이상, 특히 110 내지 130℃ 이고, 비점이 200℃ 이하, 특히 160 내지 190℃ 인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 프로톤 전도성 고분자 전해질에 있어서는, 상기 산성 관능기를 갖는 방향족 탄화수소계 고분자의 산성 관능기가 술폰산기 또는 술퍼미드산기인 것이 바람직하다.In the proton conductive polymer electrolyte of the present invention, the melting point of the compound having the electron donating functional group is preferably 100 ° C. or higher, particularly 110 to 130 ° C., and the boiling point is 200 ° C. or lower, particularly 160 to 190 ° C. Moreover, in the proton conductive polymer electrolyte of this invention, it is preferable that the acidic functional group of the aromatic hydrocarbon type polymer which has the said acidic functional group is a sulfonic acid group or a sulfamide acid group.

또한, 본 발명의 프로톤 전도성 고분자 전해질에 있어서는, 상기 산성 관능기를 갖는 방향족 탄화수소계 고분자가 하기 화학식 1로 표시되는 폴리아미드산 유도체인 것이 바람직하다. In the proton conductive polymer electrolyte of the present invention, the aromatic hydrocarbon polymer having the acidic functional group is preferably a polyamic acid derivative represented by the following general formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112007070286105-pat00001
Figure 112007070286105-pat00001

상기식중, Ar는 방향족환 또는 방향족환을 포함하는 기이고, R은 C1-C20 알킬렌기이며, 0≤a≤2, 0≤b≤2, 단 a+b=2이고, n은 평균중합도로서 100~10000의 정수이다.Wherein Ar is an aromatic ring or a group containing an aromatic ring, R is a C1-C20 alkylene group, 0 ≦ a ≦ 2, 0 ≦ b ≦ 2, provided that a + b = 2 and n is the average degree of polymerization As an integer of 100 to 10000.

본 발명의 연료전지는, 한 쌍의 전극과 각 전극의 사이에 배치된 전해질막을 구비하여 이루어지고, 상기 전해질막이 상술한 프로톤 전도성 고분자 전해질로 이루어진다.The fuel cell of the present invention comprises a pair of electrodes and an electrolyte membrane disposed between each electrode, and the electrolyte membrane is made of the above-described proton conductive polymer electrolyte.

또한, 본 발명의 연료전지에 있어서는, 상기 전극에 상술한 프로톤 전도성 고분자 전해질이 함유되어 있는 것이 바람직하다.Moreover, in the fuel cell of this invention, it is preferable that the said proton conductive polymer electrolyte is contained in the said electrode.

본 발명에 의하면, 산성 관능기를 갖는 방향족 탄화수소계 고분자와, 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물을 포함하는 조성물을 연료전지의 전해질로서 이용함으로써, 작동온도가 100℃ 내지 200℃에서 무가습 혹은 상대습도 50% 이하에서도 전류밀도가 높고, 고출력, 고수명인 고체 고분자형 연료전지를 제공할 수 있다.According to the present invention, a composition comprising an aromatic hydrocarbon-based polymer having an acidic functional group and a compound having an electron donating functional group is used as an electrolyte of a fuel cell, so that the operating temperature is 100 ° C. to 200 ° C. without humidification or relative humidity 50. It is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell having a high current density, a high output, and a high lifetime even under%.

이하, 본 발명의 프로톤 전도성 고분자 전해질 및 연료전지에 대해서 상술한다.Hereinafter, the proton conductive polymer electrolyte and the fuel cell of the present invention will be described in detail.

[프로톤 전도성 고분자 전해질][Proton Conductive Polymer Electrolyte]

본 발명에 관한 프로톤 전도성 고분자 전해질은, 산성 관능기를 갖는 방향족 탄화수소계 고분자와, 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물이 적어도 함유된 조성물로 구성되어 있다.The proton conductive polymer electrolyte according to the present invention is composed of an aromatic hydrocarbon polymer having an acidic functional group and a composition containing at least a compound having an electron donating functional group.

(방향족 탄화수소계 고분자)(Aromatic Hydrocarbon Type Polymer)

방향족 탄화수소계 고분자에서의 산성 관능기로서는, 카르복실기, 포스폰산기, 술폰산기, 술퍼미드산기 등 프로톤을 방출할 수 있는 관능기가 바람직하고, 술폰산기, 카르복실기 또는 술퍼미드산기인 것이 보다 바람직하며, 술폰산기 또는 술퍼미드산기가 특히 바람직하다.As the acidic functional group in the aromatic hydrocarbon polymer, a functional group capable of releasing protons such as a carboxyl group, a phosphonic acid group, a sulfonic acid group, and a sulfamide acid group is preferable, and a sulfonic acid group, a carboxyl group or a sulfamide acid group is more preferable, and a sulfonic acid group Or a sulfamic acid group is particularly preferred.

술퍼미드산기를 갖는 방향족 탄화수소계 고분자로서는, 하기 화학식 1로 표시되는 폴리아미드산 유도체가 바람직하다. As an aromatic hydrocarbon type polymer which has a sulfamide acid group, the polyamic-acid derivative represented by following General formula (1) is preferable.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112007070286105-pat00002
Figure 112007070286105-pat00002

하기 화학식 1에서, Ar는 방향족환 또는 방향족환을 포함하는 기이고, R은 C1-C20 알킬렌기이며, 보다 구체적으로는 R은 탄소수가 3~12의 범위의 알킬기이고, 또한 상기식중, a 및 b는 0≤a≤2, 0≤b≤2, 단 a+b=2이며, n은 평균중합도로서 100~10000의 정수이다. In the following formula (1), Ar is an aromatic ring or a group containing an aromatic ring, R is a C1-C20 alkylene group, more specifically R is an alkyl group having 3 to 12 carbon atoms, wherein And b is 0 ≦ a ≦ 2, 0 ≦ b ≦ 2, provided that a + b = 2 and n is an integer of 100 to 10000 as the average degree of polymerization.

방향족환 또는 방향족환을 포함하는 기로는, 페닐기, 나프틸기 등을 들 수 있는데, 이들에 한정되는 것은 아니다.Examples of the group containing an aromatic ring or an aromatic ring include a phenyl group and a naphthyl group, but are not limited thereto.

상기 폴리아미드산 유도체의 평균중합도는, 상술한 바와 같이 100~10000의 범위가 바람직하다. 평균중합도가 100미만에서는 막을 형성할 수 없고, 또한 평균중합도가 10000을 넘으면 용매에 용해하기가 어렵게 되며, 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물과 복합화시키는 수단으로서 매우 적합한 캐스트 성막이 불가능하게 된다.As for the average degree of polymerization of the said polyamic acid derivative, the range of 100-10000 is preferable as mentioned above. If the average degree of polymerization is less than 100, the film cannot be formed, and if the average degree of polymerization is more than 10000, it will be difficult to dissolve in a solvent, making cast film very suitable as a means of complexing with a compound having an electron donating functional group.

상기 폴리아미드산 유도체로서는, 폴리아미드산의 측쇄 카르복실기의 전부 또는 일부가 술퍼미드화되어 이루어진 화합물로 하는 것이 매우 적합하다. 이러한 폴리아미드산 유도체로서는, 폴리아미드산의 측쇄 카르복실기의 전부 또는 일부를 산클로라이드화시킨 후, 아미도황산 트리에틸 아민염과 반응시키고, 또 양이온 교환하여 얻어지는 것을 매우 적합하게 사용할 수 있다.As said polyamic acid derivative, it is very suitable to set it as the compound in which all or one part of the side chain carboxyl groups of polyamic acid are sulfidated. As such a polyamic acid derivative, all or part of the side chain carboxyl group of a polyamic acid is acid-chloride-ized, what is obtained by making it react with the amido sulfate triethyl amine salt, and carrying out cation exchange can be used suitably.

또한, 상기 화학식 1로 나타나는 폴리아미드산 유도체의 관능기의 도입률(a/b)는, 80%~100%의 범위인 것이 바람직하다. 관능기의 도입률 (a/b)이 80% 미만이면, 충분한 프로톤 전도성을 얻을 수 없다.Moreover, it is preferable that the introduction ratio (a / b) of the functional group of the polyamic-acid derivative represented by the said Formula (1) is 80%-100% of range. If the introduction ratio (a / b) of the functional group is less than 80%, sufficient proton conductivity cannot be obtained.

폴리아미드의 측쇄로서 술퍼미드산기를 높은 도입률로 도입한 경우에는, 전해질막으로서 성막했을 때의 유연성이 저하하고, 견고하지 못한 막이 될 우려가 있는 바, 본 발명에서는, 폴리아미드의 주쇄에 알킬렌기를 포함하는 구성의 폴리아미드산 유도체로 하고 있기 때문에, 폴리아미드의 측쇄로서 술퍼미드산기를 높은 도입률로 도입한 경우이어도, 전해질막으로서 성막했을 때 유연성이 우수하여 막이 물러지는 것을 억제할 수 있다.In the case where the sulfamide acid group is introduced at a high introduction rate as the side chain of the polyamide, the flexibility when forming the film as an electrolyte membrane may be reduced, resulting in an unstable membrane. In the present invention, alkylene is added to the main chain of the polyamide. Since it is set as the polyamic-acid derivative of the structure containing a group, even when the sulfamide acid group is introduce | transduced as a side chain of polyamide at a high introduction rate, it is excellent in flexibility when film-forming as an electrolyte membrane, and can suppress that a membrane falls.

상기 폴리아미드산 유도체의 합성은, 예를 들면 다음과 같은 방법으로 행할 수 있다.The synthesis of the polyamic acid derivative can be carried out by the following method, for example.

상기 폴리아미드산 유도체를 술퍼미드화된 폴리아미드 술퍼미드산으로서 합성하는 경우, 합성의 용이함의 점에서, 폴리아미드산의 측쇄 카르복실산을 술퍼미드화하는 방법에 따라 행하는 것이 바람직하다. 특히, 폴리아미드산의 측쇄 카르복실기를 산클로라이드화시킨 후, 아미도황산 트리에틸 아민염과 반응시키고, 또한 양이온 교환하여 얻는 방법으로 하는 것이 바람직하다.When synthesize | combining the said polyamic-acid derivative as a sulfamide polyamide sulfamide, it is preferable to carry out according to the method of sulfamide of the side chain carboxylic acid of a polyamic acid from the point of ease of synthesis. In particular, it is preferable to make it the method obtained by making acid-chloride of the side chain carboxyl group of polyamic acid, reacting with amido sulfate triethyl amine salt, and carrying out cation exchange.

상기 폴리아미드 술퍼미드산의 합성 스킴의 예는 하기 반응식 1과 같다.An example of the synthesis scheme of the polyamide sulfamide acid is shown in Scheme 1 below.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure 112007070286105-pat00003
Figure 112007070286105-pat00003

상기 합성 스킴에 나타내는 바와 같이, 출발 폴리머로서 사용하는 폴리아미드산(5)은, 예를 들면 방향족 사초산이무수물(3)과 방향족 디아민(4)의 중축합에 의해 생성할 수 있다. 또한, 화합물 (3)~(5) 중의 Ar, R, n은 상기 화합물 (1)(목적 생성물, 화학식 1의 화합물)에서 정의된 것과 동일하다.As shown in the said synthesis scheme, the polyamic acid (5) used as a starting polymer can be produced by polycondensation of aromatic tetraacetic dianhydride (3) and aromatic diamine (4), for example. In addition, Ar, R, n in compounds (3)-(5) are the same as what was defined in the said compound (1) (objective product, a compound of General formula (1)).

상기 폴리아미드산(5) 및 염화 티오닐(SOCl2)을 아미드계 용매 중에서 실온 또는 저온 하에서 수시간~24시간 교반 혼합함으로써, 폴리아미드산(5)의 측쇄 카르복실산의 전부 또는 적어도 일부가 산클로라이드기로 변환된다(산클로라이드화). 화합물(6)에 나타내는 예에서는, 폴리아미드산(5)의 측쇄 카르복실산의 한쪽만이 산클로라이드기로 변환되고, 다른 쪽이 카르복실산인 데, 이 다른 쪽의 측쇄 카르복실산도 산클로라이드기로 변환할 수 있다. 이 때에 사용하는 아미드계 용매로서는, N,N'-디메틸아세트아미드, N,N'-디메틸포름아미드 등을 들 수 있다. 반응 종료 후, 반응용액을 메탄올에 주입하고, 침전물을 여과 및 세정함으로써 생성 폴리머(6)가 분리된다.By stirring and mixing the polyamic acid (5) and thionyl chloride (SOCl 2 ) in an amide solvent at room temperature or low temperature for several hours to 24 hours, all or at least part of the side chain carboxylic acids of the polyamic acid (5) Converted to an acid chloride group (acid chloride). In the example shown in compound (6), only one side of the side chain carboxylic acid of the polyamic acid (5) is converted into an acid chloride group, and the other side is a carboxylic acid, and this other side chain carboxylic acid is also converted into an acid chloride group. can do. Examples of the amide solvent used at this time include N, N'-dimethylacetamide, N, N'-dimethylformamide, and the like. After completion of the reaction, the reaction solution was poured into methanol, and the precipitated polymer was filtered and washed to separate the produced polymer 6.

얻어진 폴리머(6)와 아미도황산 트리에틸 아민염(NH2SO3H·N(C2H5)3)을 아미드계 용매 중에서 실온 또는 저온 하에서 수시간~24시간 교반 혼합함으로써, 일반식(7)의 폴리아미드 술퍼미드산 트리에틸 아민염이 합성된다. 화합물(7)에 나타내는 예에서는, 폴리아미드산(5)의 측쇄내, 상기 반응에서 산클로라이드화된 한쪽만이 술퍼미드산염으로 변환되어 있는데, 상술한 바와 같이 다른 쪽의 측쇄 카르복실산도 산클로라이드화시키면, 이 다른 쪽의 측쇄도 술퍼미드산염으로 변환할 수 있 다. 이 때에 사용하는 아미드계 용매로서는, 상기 산클로라이드화 반응과 동일한 것이 사용된다. 반응 종료 후, 반응용액을 메탄올 등에 주입하고, 침전물을 여과 및 세정함으로써 생성 폴리머(7)이 분리된다.The obtained polymer (6) and amido sulfate triethyl amine salt (NH 2 SO 3 H.N (C 2 H 5 ) 3 ) were mixed in an amide solvent under stirring at room temperature or low temperature for several hours to 24 hours, thereby providing a general formula ( The polyamide sulfamic acid triethyl amine salt of 7) is synthesized. In the example shown in the compound (7), only one acid chloride in the side chain of the polyamic acid (5) is converted to the sulfamide salt in the reaction. As described above, the other side chain carboxylic acid is also acid chloride. When converted, the other side chain can also be converted to sulfamide salts. As an amide solvent used at this time, the same thing as the said acid chloride reaction is used. After completion of the reaction, the reaction solution is poured into methanol or the like, and the resulting polymer 7 is separated by filtration and washing of the precipitate.

마지막으로, 얻어진 폴리아미드 술퍼미드산 트리에틸 아민염(7)의 용액(예를 들면, N,N'-디메틸아세트아미드 용액 등)을 양이온 교환수지에 통액함으로써 양이온 교환(술퍼미드산염을 술퍼미드산으로 변환)하고, 프로톤화시킨다. 처리액을 메탄올, 디클로로메탄 또는 클로로포름 등에 주입하고, 침전물을 여과 및 세정함으로써 목적물인 화학식 1로 표시되는 폴리아미드산 유도체가 얻어진다.Finally, the solution of the obtained polyamide sulfamide acid triethyl amine salt (7, for example, N, N'-dimethylacetamide solution, etc.) is passed through a cation exchange resin to cation exchange (sulfuramide acid sulfamide). Acid) and protonated. The treatment solution is poured into methanol, dichloromethane or chloroform, and the precipitate is filtered and washed to obtain a polyamic acid derivative represented by the formula (1) as a target.

또한, 본 발명의 예에 따른 화학식 1로 표시되는 폴리아미드산 유도체는, 상기 각 반응의 결과, 폴리아미드산의 측쇄의 일부에만 술퍼미드산기가 도입된 구조로 되어 있는데, 상술한 바와 같이 폴리아미드산의 측쇄의 각 반응형태는 한정되지 않기 때문에, 폴리아미드산의 측쇄의 일부뿐만 아니라, 예를 들면 측쇄 전부를 술퍼미드산기로 변환하는 것도 가능하다.In addition, the polyamic acid derivative represented by the general formula (1) according to the example of the present invention has a structure in which a sulfamide acid group is introduced into only part of the side chain of the polyamic acid as a result of each reaction. Since each reaction form of the side chain of an acid is not limited, it is also possible to convert not only a part of the side chain of a polyamic acid but a whole side chain, for example to a sulfamide acid group.

또한, 상술한 바와 같이, 상기 일반식(2)로 나타나는 폴리아미드산 유도체 중의 a, b는 0≤a≤2, 0≤b≤2, 단 a+b=2이고, 각각의 관능기가 다른 비율로 존재한다.In addition, as described above, a and b in the polyamic acid derivative represented by the general formula (2) are 0 ≦ a ≦ 2, 0 ≦ b ≦ 2, provided that a + b = 2, and each functional group has a different ratio. Exists as.

다음에, 술폰산기를 갖는 방향족 탄화수소계 고분자로서는, 하기 화학식 2로 표시되는 폴리에테르에테르케톤 유도체가 바람직하다. Next, as the aromatic hydrocarbon polymer having a sulfonic acid group, a polyether ether ketone derivative represented by the following general formula (2) is preferable.

[화학식 2](2)

Figure 112007070286105-pat00004
Figure 112007070286105-pat00004

상기식중, m은 평균중합도로서, 100~10000의 범위가 바람직하다. In said formula, m is average polymerization degree, The range of 100-10000 is preferable.

만약 평균중합도가 100 미만인 경우에는 막을 형성할 수 없고, 또한 평균중합도가 10000을 넘으면 용매에 녹기 어렵게 되며, 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물과 복합화시키는 수단으로서 매우 적합한 캐스트 성막이 불가능하게 된다.If the average degree of polymerization is less than 100, a film cannot be formed, and if the average degree of polymerization exceeds 10000, it becomes difficult to be dissolved in a solvent, and a cast film which is very suitable as a means of complexing with a compound having an electron donating functional group becomes impossible.

또한, 산성 관능기를 갖는 방향족 탄화수소계 고분자의 다른 예로서는, 폴리에테르케톤, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌에테르, 폴리페닐렌설피드, 폴리이미드, 폴리벤조옥사졸 등의 내열성 고분자를 예시할 수 있다.Moreover, as another example of the aromatic hydrocarbon type polymer which has an acidic functional group, heat resistant polymers, such as a polyether ketone, a polyether sulfone, a polyphenylene ether, a polyphenylene sulfide, a polyimide, polybenzoxazole, can be illustrated.

(전자 공여성 관능기를 갖는 화합물)(Compound Having Electron Donating Functional Group)

전자 공여성 관능기란, 전자 공여성기라고도 불리고, 전기 음성도의 차이나 공명효과, 유기(誘起) 효과에 의해, 분자의 특정부위에 전자밀도가 증가하고, 상대에게 전자를 주는 관능기이다. 상기 이유에 의해 전자밀도가 높아져 있는 부분과 폴리머에 포함되는 산성 관능기의 해리가능한 프로톤이 작용하고, 프로톤이 시스템안에 존재하는 전자 공여성 관능기 부분을 이동함으로써 프로톤 전도도가 발현한다.An electron donating functional group is also called an electron donating group, and is a functional group which increases an electron density in the specific site of a molecule | numerator by the difference of an electronegativity, resonance effect, and organic effect, and gives an electron to a partner. For this reason, the dissociable protons of the acidic functional group contained in the polymer and the portion of which the electron density is high act, and the proton conductivity is expressed by moving the prodonating functional moiety of the electron donor functional group present in the system.

전자 공여성 관능기를 갖는 화합물로는, 적어도 연료전지 운전온도인 100℃~200℃에서 액체인 화합물이 좋다. 즉, 융점이 100℃ 이상, 특히 110 내지 130 ℃이고, 비점이 200℃ 이하, 특히 160 내지 190 ℃인 화합물이 좋다. 전자 공여성 관능기로서는, 아미드기, 에테르기, 아미노기, 하이드록시기, 티오에테르기, C1-C20 알킬기, 할로겐기 등을 예시할 수 있다.As a compound which has an electron-donating functional group, the compound which is liquid at least at 100 degreeC-200 degreeC which is a fuel cell operation temperature is preferable. That is, a compound having a melting point of 100 ° C. or higher, particularly 110 to 130 ° C., having a boiling point of 200 ° C. or lower, particularly 160 to 190 ° C. is preferable. As an electron donating functional group, an amide group, an ether group, an amino group, a hydroxyl group, a thioether group, a C1-C20 alkyl group, a halogen group, etc. can be illustrated.

이들 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물로서는, 데실아민, 운데실아민, 도데실아민, 트리데실아민, 트리도데실아민, 펜타데실아민, 데실아닐린, 4-부틸아닐린, 1-데칸올, 2-데칸올, 1-운데칸올, 1-도데칸올, 2-도데칸올, 1-트리데칸올, 1-테트라데칸올, 2-테트라데칸올, 2-헥사데칸올, 2-헥실-1-데칸올, 헵타데칸올, 1,10-데칸디올, 1,2-데칸디올, 1,12-도데칸디올, 1,2-테트라데칸디올, 1,14-테트라데칸디올, 1-데칸티올, 1-운데칸티올, 1-펜타데칸티올 등을 들 수 있다.As a compound which has these electron-donating functional groups, decylamine, undecylamine, dodecylamine, tridecylamine, tridodecylamine, pentadecylamine, decylaniline, 4-butylaniline, 1-decanol, 2-decane Ol, 1-undecanol, 1-dodecanol, 2-dodecanol, 1-tridecanol, 1-tetradecanol, 2-tetradecanol, 2-hexadecanol, 2-hexyl-1-decanol, Heptadecanol, 1,10-decanediol, 1,2-decanediol, 1,12-dodecanediol, 1,2-tetradecanediol, 1,14-tetradecanediol, 1-decanethiol, 1-unde Canthiol, 1-pentadecanthiol, and the like.

그 중에서도 효과적인 전자 공여성 관능기로서는 아미드기 또는 에테르기를 들 수 있고, 이들 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물로서는, 디에틸 도데칸산 아미드, 디에틸 옥타데칸산 아미드, 디에틸 벤즈아미드, 디에틸-4-헵틸벤즈아미드, 디페닐에테르, 에틸페닐에테르, 사이클로헥실페닐에테르 등을 들 수 있다.Among them, an effective electron donating functional group may be an amide group or an ether group. Examples of the compound having these electron donating functional groups include diethyl dodecanoic acid amide, diethyl octadecanoic acid amide, diethyl benzamide, and diethyl-4-. Heptyl benzamide, diphenyl ether, ethylphenyl ether, cyclohexylphenyl ether, etc. are mentioned.

본 발명의 프로톤 전도성 고분자 전해질에 있어서는, 방향족 탄화수소계 고분자에 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물이 함유된 상태로 되어 있고, 방향족 탄화수소계 고분자와 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물이 서로 혼합되어 균질한 상태로 되어 있다.In the proton conductive polymer electrolyte of the present invention, the aromatic hydrocarbon polymer contains a compound having an electron donating functional group, and the aromatic hydrocarbon polymer and the compound having an electron donating functional group are mixed with each other in a homogeneous state. It is.

전자 공여성 관능기를 갖는 화합물의 혼합비율은, 산성 관능기를 갖는 방향족 탄화수소계 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 0.01~50 중량부가 바람직하다. 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물의 혼합비율이 0.01 중량부 미만에서는 충분한 프로톤 전도도를 얻을 수 없고, 50 중량부를 넘으면 막의 강도가 저하되어 바람직 하지 못하다.As for the mixing ratio of the compound which has an electron donating functional group, 0.01-50 weight part is preferable based on 100 weight part of aromatic hydrocarbon type polymers which have an acidic functional group . If the mixing ratio of the compound having an electron donating functional group is less than 0.01 part by weight, sufficient proton conductivity cannot be obtained. If the content exceeds 50 parts by weight, the strength of the film is lowered, which is not preferable.

본 발명에 따른 프로톤 전도성 고분자 전해질의 제조방법으로서는, 예를 들면 방향족 탄화수소계 고분자를 용매에 용해시켜 폴리머 용액을 얻고, 이 폴리머 용액 중에 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물을 첨가하여 혼합 용액을 제조하고, 이 혼합용액을 캐스트 성막하고 나서, 가열, 감압, 가열감압 등의 수단으로 용매를 제거함으로써 제조하면 된다.As a method for producing a proton conductive polymer electrolyte according to the present invention, for example, an aromatic hydrocarbon polymer is dissolved in a solvent to obtain a polymer solution, and a mixed solution is prepared by adding a compound having an electron donating functional group to the polymer solution. What is necessary is just to manufacture, by cast-forming this mixed solution, and removing a solvent by means, such as a heating, reduced pressure, and a pressure reduction.

방향족 탄화수소계 고분자를 용해시키는 용매로서는, 예를 들면 방향족 탄화수소계 고분자가 상기 폴리아미드산 유도체의 경우에는, 디메틸포름아미드(DMF), N,N'-디메틸아세트아미드(DMAc), N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸술폭사이드(DMSO) 등을 사용할 수 있다.As a solvent for dissolving the aromatic hydrocarbon polymer, for example, when the aromatic hydrocarbon polymer is the polyamic acid derivative, dimethylformamide (DMF), N, N'-dimethylacetamide (DMAc), and N-methylpi Ralidone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), etc. can be used.

[연료전지][Fuel cell]

도 1에 본 실시형태의 연료전지의 일례를 나타내는 분해사시도를 나타내고, 도 2에는 도 1의 연료전지를 구성하는 막-전극 접합체의 단면모식도를 나타낸다.1 is an exploded perspective view showing an example of the fuel cell of the present embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional schematic diagram of the membrane-electrode assembly constituting the fuel cell of FIG. 1.

도 1에 나타내는 연료전지(1)는, 2개의 단위셀(11)이 한 쌍의 홀더(12, 12)에 협지되어 개략적으로 구성되어 있다. 단위셀(11)은, 막-전극 접합체(10)와, 막-전극 접합체(10)의 두께방향 양측에 배치된 바이폴라 플레이트(20, 20)으로 구성되고, 작동온도 100℃~200℃, 습도가 무가습 또는 상대습도 50% 이하의 조건에서 작동된다. 바이폴라 플레이트(20, 20)는, 도전성을 갖는 금속 또는 카본으로 구성되어 있고, 막-전극 접합체(10)에 각각 접합함으로써, 집전체로서 기능함과 동시에, 막-전극 접합체(10)의 촉매층에 대해 산소 및 연료를 공급한다.In the fuel cell 1 shown in FIG. 1, two unit cells 11 are sandwiched by a pair of holders 12 and 12 and are schematically configured. The unit cell 11 is composed of the membrane-electrode assembly 10 and the bipolar plates 20 and 20 disposed on both sides of the membrane-electrode assembly 10 in the thickness direction, and the operating temperature is 100 ° C. to 200 ° C. and the humidity. It operates under conditions of no humidification or relative humidity below 50%. The bipolar plates 20 and 20 are made of a conductive metal or carbon, and are bonded to the membrane-electrode assembly 10 to function as a current collector and to the catalyst layer of the membrane-electrode assembly 10. Oxygen and fuel.

또한, 도 1에 나타내는 연료전지(1)는, 단위셀(11)의 수가 2개이지만, 수는 2개에 한정되지 않고, 연료전지에 요구되는 특성에 따라 수십~수백정도까지 증가시켜도 된다.In addition, although the number of unit cells 11 is two, the fuel cell 1 shown in FIG. 1 is not limited to two, You may increase to several tens-hundreds according to the characteristic requested | required of a fuel cell.

막-전극 접합체(10)는, 도 2에 나타난 바와 같이, 전해질막(100)과, 전해질막(100)의 두께방향 양측에 배치된 촉매층(110, 110')과, 촉매층(110, 110')에 각각 적층된 제1 기체 확산층(121, 121')과, 제1 기체 확산층(121, 121')에 각각 적층된 제2 기체 확산층(120, 120')으로 구성되어 있다.As shown in FIG. 2, the membrane-electrode assembly 10 includes the electrolyte membrane 100, the catalyst layers 110 and 110 ′ disposed on both sides in the thickness direction of the electrolyte membrane 100, and the catalyst layers 110 and 110 ′. ) And first gas diffusion layers 121 and 121 'respectively stacked on the top surface, and second gas diffusion layers 120 and 120' stacked on the first gas diffusion layers 121 and 121 ', respectively.

전해질막(100)은, 상술한 프로톤 전도성 고분자 전해질로 이루어진 것으로, 산성 관능기를 갖는 방향족 탄화수소계 고분자와, 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물이 적어도 함유된 조성물로 구성되어 있다. 전해질막(100)의 막두께는, 20㎛~200㎛정도의 범위가 바람직하다.The electrolyte membrane 100 is composed of the above-described proton conductive polymer electrolyte, and is composed of a composition containing at least an aromatic hydrocarbon polymer having an acidic functional group and a compound having an electron donating functional group. As for the film thickness of the electrolyte membrane 100, the range of about 20 micrometers-about 200 micrometers is preferable.

촉매층(110, 110')은, 연료극 및 산소극으로서 기능하는 것으로서, 활성탄 등을 주체로 하는 촉매재료와, 이 촉매재료를 고화 성형하는 바인더가 포함되어 각각 구성되어 있다. 촉매 재료는, 촉매물질이 활성탄 등에 담지되어 구성되어 있다. 촉매물질은, 수소의 산화반응 및 산소의 환원반응을 촉진하는 금속이면, 특히 한정되지 않지만, 예를 들면 납, 철, 망간, 코발트, 크롬, 갈륨, 바나듐, 텅스텐, 루테늄, 이리듐, 팔라듐, 백금, 로듐 또는 그들의 합금을 들 수 있다. 이러한 금속 또는 합금을 활성탄에 담지시킴으로써 촉매재료를 구성할 수 있다.The catalyst layers 110 and 110 'function as a fuel electrode and an oxygen electrode, and each includes a catalyst material mainly composed of activated carbon or the like and a binder for solidifying the catalyst material. The catalyst material is composed of a catalyst material supported on activated carbon or the like. The catalytic material is not particularly limited as long as it is a metal that promotes the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen, for example, lead, iron, manganese, cobalt, chromium, gallium, vanadium, tungsten, ruthenium, iridium, palladium, platinum , Rhodium or their alloys. The catalyst material can be constituted by supporting such a metal or alloy on activated carbon.

바인더는, 내열성이 우수한 불소 수지를 사용해도 되고, 본 발명의 프로톤 전도성 고분자 전해질을 사용해도 된다. 바인더로서 프로톤 전도성 고분자 전해질 을 사용함으로써, 촉매층(110, 110') 내부의 프로톤 확산이 효율적으로 이루어지고, 촉매층(110, 110')의 임피던스가 저하되어 연료전지의 출력이 향상된다.As the binder, a fluororesin excellent in heat resistance may be used, or the proton conductive polymer electrolyte of the present invention may be used. By using a proton conductive polymer electrolyte as the binder, proton diffusion in the catalyst layers 110 and 110 'is efficiently performed, and impedances of the catalyst layers 110 and 110' are lowered to improve the output of the fuel cell.

또한, 바인더로서 불소 수지를 사용하는 경우는, 융점이 400℃이하의 불소 수지가 바람직하고, 이러한 불소 수지로서 폴리테트라플루오로에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 폴리불화 비닐리덴, 테트라플루오로에틸렌·헥사플루오로에틸렌 공중합체, 퍼플루오로에틸렌 등의 소수성 및 내열성이 우수한 수지를 사용할 수 있다. 소수성 결착제를 첨가함으로써, 발전 반응에 동반하여 생성한 물에 의해 촉매층(110, 110')이 과잉으로 젖는 것을 방지할 수 있고, 연료극 및 산소극 내부에서의 연료가스 및 산소의 확산저해를 방지할 수 있다.In the case of using a fluororesin as a binder, a fluorine resin having a melting point of 400 ° C. or less is preferable, and as such a fluororesin, a polytetrafluoroethylene, a tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, and a polyfluorinated compound are used. Resin excellent in hydrophobicity and heat resistance, such as vinylidene, a tetrafluoroethylene hexafluoroethylene copolymer, and a perfluoroethylene, can be used. By adding a hydrophobic binder, it is possible to prevent the catalyst layers 110 and 110 'from excessively getting wet by the water generated in conjunction with the power generation reaction, and to prevent the diffusion of fuel gas and oxygen inside the fuel electrode and the oxygen electrode. can do.

또한, 촉매층(110, 110')에는, 도전재를 첨가해도 된다. 도전재로서는, 전기 전도성 물질이면 어떠한 것이어도 되고, 각종 금속이나 탄소재료 등을 들 수 있다. 예를 들면, 아세틸렌 블랙 등의 카본 블랙, 활성탄 및 흑연 등을 들 수 있고, 이들을 단독 혹은 혼합하여 사용된다.In addition, a conductive material may be added to the catalyst layers 110 and 110 '. As an electrically conductive material, what kind of thing may be sufficient as it is an electrically conductive substance, and various metals, a carbon material, etc. are mentioned. For example, carbon black, such as acetylene black, activated carbon, graphite, etc. are mentioned, These are used individually or in mixture.

제1 기체 확산층(121, 121') 및 제2 기체 확산층(120, 120')은 각각, 예를 들면 카본 시트 등으로 형성되어 있고, 바이폴라 플레이트(20, 20)를 개재하여 공급된 산소 및 연료를 촉매층(110, 110')의 전면에 확산시킨다.The first gas diffusion layers 121 and 121 'and the second gas diffusion layers 120 and 120' are each formed of, for example, carbon sheets and the like, and oxygen and fuel supplied via the bipolar plates 20 and 20 are respectively. Is diffused to the entire surface of the catalyst layers (110, 110 ').

이 막-전극 접합체(10)를 포함하는 연료전지(1)는, 100℃~200℃의 온도에서 작동하고, 한쪽의 촉매층측에 바이폴라 플레이트(20)를 개재하여 연료로서 예를 들면 수소가 공급되며, 다른 쪽의 촉매층측에는 바이폴라 플레이트(20)를 개재하여 산화제로서 예를 들면 산소가 공급된다. 그리고, 한쪽의 촉매층에서 수소가 산화되 어 프로톤이 생기고, 이 프로톤이 전해질막(4)을 전도하여 다른 쪽의 촉매층에 도달하며, 다른 쪽의 촉매층에서 프로톤과 산소가 전기 화학적으로 반응하여 물을 생성함과 동시에, 전기 에너지를 발생시킨다.The fuel cell 1 including the membrane-electrode assembly 10 operates at a temperature of 100 ° C. to 200 ° C., and is supplied with hydrogen, for example, as fuel through the bipolar plate 20 on one side of the catalyst layer. On the other side of the catalyst layer, for example, oxygen is supplied as an oxidant via the bipolar plate 20. Hydrogen is oxidized in one catalyst layer to produce protons, and the protons conduct the electrolyte membrane 4 to reach the other catalyst layer. In the other catalyst layer, protons and oxygen react electrochemically to produce water. At the same time, it generates electrical energy.

또한, 연료로서 공급되는 수소는, 탄화수소 또는 알코올의 개질에 의해 발생된 수소이어도 되고, 또한 산화제로서 공급되는 산소는, 공기에 포함되는 상태로 공급되어도 된다.In addition, hydrogen supplied as a fuel may be hydrogen generated by the reforming of a hydrocarbon or alcohol, and oxygen supplied as an oxidant may be supplied in a state contained in air.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 프로톤 전도성 고분자 전해질에 의하면, 방향족 탄화수소계 고분자에 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물이 함유됨으로써, 방향족 탄화수소계 고분자에 포함되는 프로톤 공여성의 산성기와 전자 공여성 관능기가 상호 작용하고, 이에 의해 프로톤 전도성이 발현되므로, 연료전지의 전해질로서 매우 적합하게 사용할 수 있다.As described above, according to the proton conductive polymer electrolyte according to the present invention, when the aromatic hydrocarbon polymer contains a compound having an electron donating functional group, the acid and electron donating functional groups of the proton donor included in the aromatic hydrocarbon polymer Since it interacts with each other and proton conductivity is expressed, it can be used suitably as electrolyte of a fuel cell.

또한, 본 발명에 관한 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물은, 물에 대해 불용성을 나타내므로, 연료전지의 발전반응에 의해 생성하는 물에 용해될 우려가 없고, 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물이 전해질로부터 유출될 우려가 없다.In addition, since the compound having an electron donating functional group according to the present invention exhibits insolubility in water, there is no fear that it will be dissolved in water generated by the power generation reaction of the fuel cell, and the compound having an electron donating functional group is removed from the electrolyte. There is no fear of leakage.

또한, 방향족 탄화수소계 고분자로서 상기 폴리아미드산 유도체를 사용함으로써, 폴리아미드산 유도체의 술퍼미드산기와, 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물의 전자 공여성 관능기의 상호 작용에 의해 프로톤 전도성을 발현할 수 있음과 동시에, 폴리아미드산 유도체에 포함되는 알킬기에 의해 전해질막에 성막한 경우의 유연성을 높일 수 있다.In addition, by using the polyamic acid derivative as an aromatic hydrocarbon-based polymer, proton conductivity can be expressed by the interaction of the sulfamic acid group of the polyamic acid derivative with the electron donating functional group of the compound having the electron donating functional group. At the same time, flexibility in forming a film on the electrolyte membrane by the alkyl group included in the polyamic acid derivative can be enhanced.

또한, 상기 연료전지에 의하면, 100℃ 내지 200℃의 작동온도범위에서 무가 습 혹은 상대습도 50%이하의 작동조건에서도, 전류밀도가 높고, 고출력, 장수명이며, 양호한 발전성능을 장기간 안정적으로 나타내는 고체 고분자형의 연료전지를 얻을 수 있고, 자동차용, 가정 발전용 또는 휴대기기용으로서 매우 적합하게 사용할 수 있다.In addition, according to the fuel cell, even in the operating conditions of 100 ° C to 200 ° C operating temperature or less humidity or less than 50% of the relative humidity, a solid current exhibiting a high current density, high output, long life, good power generation performance stably for a long time A polymer fuel cell can be obtained and can be used suitably for automobiles, household power generation, or portable devices.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 더 상세하게 설명하는데, 본 발명은 하기 예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited by the following example.

(실시예 1)(Example 1)

「폴리아미드산의 합성」Synthesis of Polyamic Acid

폴리아미드산 유도체의 전구체인 폴리아미드산으로서, 상기 화학식 1의 화합물(치환기 Ar이 페닐기로, 치환기 R을 (CH2)10기임)을 제조목적으로 하고, 다음과 같이 전구체를 합성하였다.As a polyamic acid that is a precursor of a polyamic acid derivative, a compound of Formula 1 (substituent Ar is a phenyl group, substituent R is a (CH 2 ) 10 group) was produced, and a precursor was synthesized as follows.

1,10-디아미노데칸 3.45g(20mmol)을 무수 N,N'-디메틸포름아미드(DMF) 170mL에 용해시키고, 아세톤/헥산으로부터 재결정한 피로멜리트산 무수물4.36g(20mmol)을 서서히 가하며, 15℃에서 1시간, 25℃에서 60시간, 700rpm에서 교반하고, 반응시켰다. 반응용액을 4L의 아세톤/염산(1/4)중에 침전시키고, 여과에 의해 회수하며, 1mol/L 염산수용액, 아세톤으로 세정하고, 60℃에서 36시간 가열 진공 건조시킴으로써, 하기 화학식 3으로 표시되는 폴리아미드산 (폴리아미드산 1)을 7.65g(수율 98%)의 백색 분말로서 얻었다.3.45 g (20 mmol) of 1,10-diaminodecane was dissolved in 170 mL of anhydrous N, N'-dimethylformamide (DMF), and 4.36 g (20 mmol) of pyromellitic anhydride recrystallized from acetone / hexane was added slowly, 15 It stirred at 700 degreeC for 1 hour at 60 degreeC, 60 hours at 25 degreeC, and made it react. The reaction solution was precipitated in 4 L of acetone / hydrochloric acid (1/4), recovered by filtration, washed with 1 mol / L aqueous hydrochloric acid solution, acetone, and dried under vacuum at 60 ° C. for 36 hours to obtain the following formula (3). Polyamic acid (polyamic acid 1) was obtained as a white powder of 7.65 g (98% yield).

얻어진 백색 분말의 1H-NMR 스펙트럼(DMSO-d6, 500MHz)은 1.20-1.38(br, -CH2-), 1.43-1.57(br, -CH2-), 3.13-3.24(br, -CH2-), 7.34, 7.68, 8.08(s, Ph), 8.39, 8.44(m, NH)의 스펙트럼을 나타내고, 또한 IR 스펙트럼에서의 카르보닐기 유래의 흡수(1719cm-1, 1655cm-1(vc=o))를 나타냈다.The 1 H-NMR spectrum (DMSO-d 6 , 500 MHz) of the obtained white powder was 1.20-1.38 (br, -CH 2- ), 1.43-1.57 (br, -CH 2- ), 3.13-3.24 (br, -CH 2- ), 7.34, 7.68, 8.08 (s, Ph), 8.39, 8.44 (m, NH), and also the absorption from carbonyl group in the IR spectrum (1719 cm -1 , 1655 cm -1 (vc = o) ).

또한, 상기 폴리머는, DMF, N, N'-디메틸아세트아미드(DMAc), N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸술폭사이드(DMSO) 등에 가용이고, 물, 메탄올, 클로로포름, 헥산, 벤젠 및 톨루엔에 불용이었다.In addition, the polymer is soluble in DMF, N, N'-dimethylacetamide (DMAc), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO) and the like, and water, methanol, chloroform, hexane, benzene and It was insoluble in toluene.

[화학식 3](3)

Figure 112007070286105-pat00005
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「폴리아미드산 유도체의 합성」Synthesis of Polyamic Acid Derivatives

상술한 제조과정에 따라 합성한 폴리아미드산 1의 1.17g(3 unit mmol)을 무수 DMF 100mL에 용해시키고, 여기에 질소 분위기 하에서 염화티오닐 1.78g(15mmol)을 서서히 적하하며, 실온에서 6시간 교반하여 폴리머 용액을 조제하였다. 1.17 g (3 unit mmol) of the polyamic acid 1 synthesized according to the above-described manufacturing process was dissolved in 100 mL of anhydrous DMF, and 1.78 g (15 mmol) of thionyl chloride was slowly added dropwise under a nitrogen atmosphere, and 6 hours at room temperature. The mixture was stirred to prepare a polymer solution.

다음에, 무수 디클로로메탄 15mL에 아미도황산(기시다화학사 제품) 2.91g(30mmol) 및 트리에틸아민 3.03g(30mmol)을 혼합하고, 아미도황산 트리에틸아민염을 생성시킨 후, 질소 분위기 하에서 상기 폴리머 용액에 서서히 적하하여 실온에서 16시간 교반하였다.Next, 2.91 g (30 mmol) of amido sulfate (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) and 3.03 g (30 mmol) of triethylamine were mixed with 15 mL of anhydrous dichloromethane to form amido sulfate triethylamine salt, and then, under nitrogen atmosphere. It was dripped gradually to the said polymer solution, and it stirred at room temperature for 16 hours.

반응용액 중의 용매를 50℃에서 감압 증발하여 제거한 후, 점조체에 순수 10OmL을 가하고, 실온에서 1시간 교반하였다. 그 후, 용액을 4000rpm으로 10분 원심분리에 걸쳐, 상등액을 제거 후, 남은 고형분을 여과하였다. 회수물을 DMF 100mL에 용해시키고, 양이온 교환수지(올가노사 제품 앰버리스트 15JWET) 250mL 중에 통액하여 프로톤 교환을 실시하였다.After evaporating the solvent in the reaction solution at 50 ° C. under reduced pressure, 100 mL of pure water was added to the viscous body, and the mixture was stirred at room temperature for 1 hour. Thereafter, the solution was centrifuged at 4000 rpm for 10 minutes, after which the supernatant was removed, and the remaining solids were filtered out. The recovered product was dissolved in 100 mL of DMF, passed through 250 mL of a cation exchange resin (Amberlyst 15JWET manufactured by Organo), and proton exchange was performed.

그리고, 처리액을 1OmL로 농축하고, 순수 20OmL 중에 적하하여 침전물을 여과하며, 하루동안 70℃에서 가열 진공 건조하고, 엷은 갈색 분말로서 하기 화학식 4로 표시되는 폴리아미드산 유도체 2를 0.68g(수율 42%) 얻었다. 또, a와 b의 비율은, 유황의 원소분석으로부터 a:b=9:1이었다. 또한, 평균중합도는 약 200이었다.The solution was concentrated to 10 mL, added dropwise into 20 mL of pure water, the precipitate was filtered off, dried under vacuum at 70 ° C. for one day, and 0.68 g of a polyamic acid derivative 2 represented by the following formula (4) as a pale brown powder (yield). 42%). Moreover, the ratio of a and b was a: b = 9: 1 from the elemental analysis of sulfur. In addition, the average degree of polymerization was about 200.

얻어진 엷은 갈색 분말의 1H-NMR 스펙트럼(DMSO-d6, 500MHz)은 1.20-1.35(br, -CH2-), 1.49-1.65(br, -CH2-), 3.20-3.30(m, -CH2-), 3.52-3.64(m, -CH2-)의 스펙트럼을 나타내고, 또한 IR 스펙트럼에서의 카르보닐기 유래의 흡수(1716cm-1, 1635cm-1(vc=o))와 술퍼미드산기 유래의 흡수(1192cm-1, 1055cm-1(vs=o))를 나타냈다.The 1 H-NMR spectrum (DMSO-d 6 , 500 MHz) of the obtained pale brown powder was 1.20-1.35 (br, -CH 2- ), 1.49-1.65 (br, -CH 2- ), 3.20-3.30 (m,- The spectrum of CH 2- ), 3.52-3.64 (m, -CH 2- ), and absorption from carbonyl group in the IR spectrum (1716cm -1 , 1635cm -1 (vc = o)) and sulfamide acid groups It showed an absorption (1192cm -1, 1055cm -1 (vs = o)).

또한, 상기 폴리머는, DMF, DNAc, NMP, DMSO 등에 가용이고, 물, 메탄올, 클로로포름, 헥산, 벤젠 및 톨루엔에 불용이었다.The polymer was soluble in DMF, DNAc, NMP, DMSO and the like and insoluble in water, methanol, chloroform, hexane, benzene and toluene.

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112007070286105-pat00006
Figure 112007070286105-pat00006

상기 과정에 따라 얻은 폴리아미드산 유도체 0.95g과 디에틸도데칸산 아미드 0.05g을 디메틸포름아미드 9g에 용해시키고, 이를 60℃에서 캐스트 성막함으로써, 막두께 50㎛의 엷은 갈색의 막을 얻었다. 이와 같이 하여, 실시예 1의 프로톤 전도성 고분자 전해질막을 제조하였다.0.95 g of the polyamic acid derivative and 0.05 g of diethyldodecanoic acid amide obtained according to the above procedure were dissolved in 9 g of dimethylformamide, and cast film was formed at 60 ° C. to obtain a light brown film having a thickness of 50 μm. In this way, the proton conductive polymer electrolyte membrane of Example 1 was prepared.

「프로톤 전도도 측정」`` Proton conductivity measurement ''

실시예 1의 프로톤 전도성 고분자 전해질막을 직경 13mm의 원판 형상의 백금전극에 끼워 넣고, 복소 임피던스 측정으로부터 이온 전도도를 결정하였다. 프로톤 전도도의 온도 의존성을 도 3에 나타낸다. 150℃의 이온 전도도는 5.8×10-3Scm-1이었다.The proton conductive polymer electrolyte membrane of Example 1 was inserted into a disk-shaped platinum electrode having a diameter of 13 mm, and ion conductivity was determined from the complex impedance measurement. The temperature dependence of proton conductivity is shown in FIG. 3. Ionic conductivity at 150 ° C. was 5.8 × 10 −3 Scm −1 .

「연료전지 평가」`` Fuel cell evaluation ''

다음에, 실시예 1에서 제작한 전해질막의 DMAc 용액에 백금이 50 중량% 담지된 카본 분말을 부가하고, 이를 충분히 교반하여 현탁액을 얻었다. 이 때, 고형분의 중량비로 백금담지 카본분말과 프로톤 전도성 전해질의 중량비가 2:1이 되도록 조정하였다. 이 현탁액을 카본 다공질체(기공률 75%) 상에 도포하고, 이를 건조하여 연료전지용의 다공질 전극을 형성하였다.Next, carbon powder loaded with 50% by weight of platinum was added to the DMAc solution of the electrolyte membrane prepared in Example 1, which was sufficiently stirred to obtain a suspension. At this time, the weight ratio of the platinum-carrying carbon powder and the proton conductive electrolyte was adjusted to be 2: 1 by weight ratio of the solid content. This suspension was applied onto a carbon porous body (porosity 75%) and dried to form a porous electrode for a fuel cell.

그리고, 한 쌍의 상기 다공질 전극의 사이에 상기 실시예 1에서 얻어진 전해질막을 끼워 넣어 단위셀을 형성하였다. 연료로서 수소, 산화제로서 공기를 각각 공급하여 150℃에서 발전시험을 행한 바, 개로전압 0.99V로 100mA/cm2의 전류밀도에서 0.589V의 전압이 얻어졌다.Then, the unit cell was formed by sandwiching the electrolyte membrane obtained in Example 1 between the pair of porous electrodes. A power generation test was conducted at 150 ° C. by supplying hydrogen as a fuel and air as an oxidant, respectively, and a voltage of 0.589 V was obtained at a current density of 100 mA / cm 2 at a 0.99 V opening voltage.

(실시예 2~7)(Examples 2 to 7)

「전해질막의 다른 예」`` Another example of electrolyte membrane ''

실시예 1에서의 폴리아미드산 유도체에 대신하여, 표 1에 나타내는 방향족 탄화수소계 고분자(고분자)를 사용하고, 또한 실시예 1에서의 디에틸도데칸산 아미드 대신, 하기 표 1에 나타내는 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물(제2 성분)을 사용하며, 이들을 표 1에 나타내는 비율로 혼합한 것 이외에는, 실시예 1과 같이 하여 실시예 1~7의 전해질막을 제조하였다.Instead of the polyamic acid derivative in Example 1, the aromatic hydrocarbon polymer (polymer) shown in Table 1 was used, and instead of the diethyldodecanoic acid amide in Example 1, electron donating shown in Table 1 below The electrolyte membrane of Examples 1-7 was produced like Example 1 except having used the compound (second component) which has a functional group, and mixing these at the ratio shown in Table 1.

얻어진 전해질막에 대해서, 실시예 1과 같이 하여 프로톤 전도도를 측정함과 동시에, 연료전지의 평가를 행하였다.With respect to the obtained electrolyte membrane, the proton conductivity was measured in the same manner as in Example 1, and the fuel cell was evaluated.

또한, 실시예 2 및 4~7에서의 고분자는, 실시예 1에서의 고분자와 동일하다. 또한, 실시예 3에서의 고분자는, 황색분말로서 얻어진 것으로, 이 분말의 1H-NMR 스펙트럼(DMSO-d6, 500MHz)은 7.02, 7.16, 7.55, 7.66(s, Ph)의 스펙트럼을 나타내고, 또 IR 스펙트럼에서의 카르보닐기 유래의 흡수(1644cm-1(vc=o))와 술폰산기 유래의 흡수(1222cm-1(vs=o))를 나타냈다. 또한, 평균중합도는 약 250이었다.In addition, the polymer in Example 2 and 4-7 is the same as that of the polymer in Example 1. The polymer in Example 3 was obtained as a yellow powder, and the 1 H-NMR spectrum (DMSO-d 6 , 500 MHz) of this powder showed the spectrum of 7.02, 7.16, 7.55, 7.66 (s, Ph), Moreover, the absorption (1644 cm <-1> (vc = o)) derived from the carbonyl group and the absorption (1222 cm <-1> (vs = o)) derived from a sulfonic acid group were shown in IR spectrum. In addition, the average degree of polymerization was about 250.

이 실시예 3에서의 고분자는, DMF, DNAc, NMP, DMSO 등에 가용이고, 물, 메탄올, 클로로포름, 헥산, 벤젠 및 톨루엔에 불용이었다.The polymer in this Example 3 was soluble in DMF, DNAc, NMP, DMSO and the like and was insoluble in water, methanol, chloroform, hexane, benzene, and toluene.

또, 실시예 7에서의 제2 성분으로는, 동경화성주식회사 제품의 Polyethylene Glycol #600(Mw=600)을 사용하였다.As the second component in Example 7, Polyethylene Glycol # 600 (Mw = 600) manufactured by Tokyo Chemical Co., Ltd. was used.

(비교예)(Comparative Example)

디에틸도데칸산 아미드 대신 비페닐을 사용하고, 이 비페닐을 식(10)에 나타내는 폴리아미드산 유도체와 함께 DMF에 가하여 DMF용액을 조제하며, 이를 유리판 상에 캐스트하여 60℃에서 가열 건조한 것 이외에는, 실시예 1과 같이 하여 비교예 1의 전해질막을 제조하였다. 비교예 1의 전해질막은, 엷은 갈색의 막이었다.Biphenyl is used instead of diethyldodecanoic acid amide, and this biphenyl is added to DMF together with the polyamic acid derivative represented by formula (10) to prepare a DMF solution, which is cast on a glass plate and dried by heating at 60 ° C. In the same manner as in Example 1, except for preparing the electrolyte membrane of Comparative Example 1. The electrolyte membrane of Comparative Example 1 was a light brown membrane.

[표 1][Table 1]

Figure 112007070286105-pat00007
Figure 112007070286105-pat00007

상기 표 1에서 "개회로전압"은 "개방회로전압"을 나타낸다.In Table 1, "open circuit voltage" represents "open circuit voltage."

상기 표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 2~7의 전해질막에 의하면, 막 단독의 프로톤 전도도와 연료전지에 구성한 경우의 개방회로전압이 모두 우수한 값을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 이들 전해질막에 있어서는, 제2 성분으로서 첨가한 화합물에 에테르기 또는 아미드기의 어느 한쪽이 전자 공여성 관능기로서 포함되어 있고, 이들 전자 공여성 관능기와 방향족 탄화수소계 고분자에 포함되는 술퍼미드기 또는 술폰기의 상호작용에 의해 높은 프로톤 전도도가 발현된다.As shown in Table 1, the electrolyte membranes of Examples 2 to 7 show excellent values of both the proton conductivity of the membrane alone and the open circuit voltage in the case of the fuel cell. In these electrolyte membranes, either one of an ether group or an amide group is included as an electron donating functional group in the compound added as the second component, and the sulfamide group or sulfide contained in these electron donating functional groups and an aromatic hydrocarbon-based polymer. High proton conductivity is expressed by the interaction of the phone groups.

한편, 비교예 1에 대해서는, 막 단독의 프로톤 전도도가 검출 불가능할 정 도로 낮고, 또한 연료전지에 구성한 경우의 개방회로전압이 안정한 값으로서 얻어지지 않으며, 매우 높은 저항을 나타냈다.On the other hand, in Comparative Example 1, the proton conductivity of the membrane alone was low enough to be undetectable, and the open circuit voltage in the case of the fuel cell was not obtained as a stable value, and showed very high resistance.

비교예 1에서는, 제2 성분으로서 첨가한 화합물에 에테르기나 아미드기라는 전자 공여성 관능기가 포함되어 있지 않으므로, 방향족 탄화수소계 고분자에 포함되는 산성 관능기와의 상호작용이 발현되지 않고, 충분한 프로톤 전도도가 발현된다.In Comparative Example 1, since the compound added as the second component does not contain an electron donating functional group such as an ether group or an amide group, the interaction with the acidic functional group contained in the aromatic hydrocarbon polymer does not occur, and sufficient proton conductivity is achieved. Expressed.

도 1은 본 발명의 실시 형태인 연료전지의 주요부를 나타내는 사시 분해도이고,1 is a perspective exploded view showing a main part of a fuel cell according to an embodiment of the present invention;

도 2는 도 1의 연료전지에 구비된 막-전극 접합체를 나타내는 단면모식도이고,FIG. 2 is a cross-sectional schematic diagram illustrating a membrane-electrode assembly provided in the fuel cell of FIG. 1.

도 3은 실시예 1의 전해질막의 프로톤 전도도의 온도의존성을 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing the temperature dependence of proton conductivity of the electrolyte membrane of Example 1. FIG.

[도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명]BRIEF DESCRIPTION OF THE MAIN SIGNS IN THE FIGURE

1... 연료전지 10... 막-전극 접합체1 ... fuel cell 10 ... membrane-electrode assembly

20... 바이폴라 플레이트 20 ... Bipolar Plate

100... 전해질막(프로톤 전도성 고분자 전해질)100. Electrolyte Membrane (Proton Conductive Polymer Electrolyte)

110, 110'... 촉매층 110, 110 '... catalyst bed

120, 120', 121, 121'... 기체 확산층 120, 120 ', 121, 121' ... gas diffusion layer

Claims (7)

산성 관능기를 갖는 방향족 탄화수소계 고분자와, 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물이 적어도 함유된 조성물을 포함하며,An aromatic hydrocarbon polymer having an acidic functional group and a composition containing at least a compound having an electron donating functional group; 상기 산성 관능기를 갖는 방향족 탄화수소계 고분자가 하기 화학식 1로 표시되는 폴리아미드산 유도체인 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 고분자 전해질:A proton conductive polymer electrolyte, wherein the aromatic hydrocarbon-based polymer having an acidic functional group is a polyamic acid derivative represented by Formula 1 below: [화학식 1][Formula 1]
Figure 112013102021880-pat00012
Figure 112013102021880-pat00012
상기식중, Ar는 방향족환 또는 방향족환을 포함하는 기이고, R은 C1-C20 알킬렌기이며, Wherein Ar is a group containing an aromatic ring or an aromatic ring, R is a C1-C20 alkylene group, 0≤a≤2, 0≤b≤2, 단 a+b=2이고, 0 ≦ a ≦ 2, 0 ≦ b ≦ 2, provided that a + b = 2, n은 평균중합도로서 100~10000의 정수이다.n is an integer of 100-10000 as average degree of polymerization.
제1항에 있어서, 상기 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물이, The compound according to claim 1, wherein the compound having an electron donating functional group is 상기 산성 관능기를 갖는 방향족 탄화수소계 고분자에 대해 0.01~50 중량%의 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 고분자 전해질.Proton conductive polymer electrolyte, characterized in that contained in the range of 0.01 to 50% by weight relative to the aromatic hydrocarbon polymer having an acidic functional group. 제1항에 있어서, 상기 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물의 융점이 100℃ 이상이고, 비점이 200℃ 이하인 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 고분자 전해질.The proton conductive polymer electrolyte according to claim 1, wherein the compound having an electron donating functional group has a melting point of 100 ° C or higher and a boiling point of 200 ° C or lower. 제1항에 있어서, 상기 산성 관능기가 술폰산기 또는 술퍼미드산기인 것을 특징으로 하는 프로톤 전도성 고분자 전해질.The proton conductive polymer electrolyte according to claim 1, wherein the acidic functional group is a sulfonic acid group or a sulfamide acid group. 삭제delete 한 쌍의 전극과 각 전극의 사이에 배치된 전해질막을 구비하고,A pair of electrodes and an electrolyte membrane disposed between the electrodes, 상기 전해질막이 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 프로톤 전도성 고분자 전해질인 것을 특징으로 하는 연료전지.A fuel cell, wherein the electrolyte membrane is the proton conductive polymer electrolyte of any one of claims 1 to 4. 제6항에 있어서, 상기 전극의 일부에 산성 관능기를 갖는 방향족 탄화수소계 고분자와, 전자 공여성 관능기를 갖는 화합물이 적어도 함유된 조성물을 포함하는 프로톤 전도성 고분자 전해질이 함유되는 것을 특징으로 하는 연료전지.The fuel cell according to claim 6, wherein a part of the electrode contains a proton conductive polymer electrolyte comprising an aromatic hydrocarbon polymer having an acidic functional group and a composition containing at least a compound having an electron donating functional group.
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