KR101353078B1 - Nano composite membranes of proton conducting polymer electrolytes by using polyhedral oligomeric silsesquioxane having phosphonic acid group - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인산기를 가지는 실세스퀴옥산을 이용한 양성자 전도성 고분자 나노 복합막에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화학적으로 결합된 인산기를 가지는 케이지 구조의 실세스퀴옥산과 불소계 양성자 전도성 폴리머가 혼합되어 있어서 양성자 전도도가 우수하고 기계적 물성이 현저하게 개선된 양성자 전도성 고분자 나노복합막에 관한 것이다.The present invention relates to a proton-conducting polymer nanocomposite membrane using silsesquioxane having a phosphate group, and more particularly, to a proton-containing proton conductive polymer having a silsesquioxane having a cage structure and a fluorine-based proton conductive polymer The present invention relates to a proton conductive polymer nanocomposite membrane having excellent conductivity and remarkably improved mechanical properties.

Description

인산기를 가지는 실세스퀴옥산을 이용한 양성자 전도성 고분자 나노복합막{Nano composite membranes of proton conducting polymer electrolytes by using polyhedral oligomeric silsesquioxane having phosphonic acid group}Nano composite membranes of proton conducting polymer electrolytes by using polyhedral oligomeric silsesquioxane having phosphonic acid group

본 발명은 인산기를 가지는 실세스퀴옥산을 이용한 양성자 전도성 고분자 나노 복합막에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화학적으로 결합된 인산기를 가지는 케이지 구조의 실세스퀴옥산과 불소계 양성자 전도성 폴리머가 혼합되어 있어서 양성자 전도도가 우수하고 기계적 물성이 현저하게 개선된 양성자 전도성 고분자 나노복합막에 관한 것이다.
The present invention relates to a proton-conducting polymer nanocomposite membrane using silsesquioxane having a phosphate group, and more particularly, to a proton-containing proton conductive polymer having a silsesquioxane having a cage structure and a fluorine-based proton conductive polymer The present invention relates to a proton conductive polymer nanocomposite membrane having excellent conductivity and remarkably improved mechanical properties.

최근 각광받고 있는 연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 발생되는 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템으로서, 환경문제, 에너지원의 고갈, 연료전지 자동차의 실용화가 가속화되면서 그 효율을 증가시키기 위하여 고온에서 사용 가능한 고분자막의 개발도 다양하게 이루어지고 있다.A fuel cell, which has recently been in the spotlight, is a power generation system that directly converts energy generated by reacting fuel and an oxidant into electric energy, and increases efficiency due to environmental problems, exhaustion of energy sources, and fuel cell vehicles. In order to make it possible to develop a polymer film that can be used at high temperature has been made in various ways.

연료전지는 크게 고온(500 내지 700℃)에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 200℃ 근방에서 작동하는 인산 전해질형 연료전지, 상온 내지 약 100℃ 에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지 및 고분자 전해질형 연료전지 등으로 구분된다.The fuel cell is mainly a molten carbonate electrolyte fuel cell operating at high temperature (500 to 700 ° C.), a phosphate electrolyte fuel cell operating at around 200 ° C., an alkaline electrolyte fuel cell and a polymer electrolyte type operating at room temperature to about 100 ° C. It is divided into a fuel cell.

이 중에서도 고분자 전해질형 연료전지는 청정 에너지원이기도 하지만 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높고 상온에서 작동가능하며 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전시스템, 이동통신장비, 의료기기, 군사용 장비, 우주사업용 장비 등의 분야에 폭넓게 사용 가능하여 그 연구가 더욱 집중되고 있다.Among these, the polymer electrolyte fuel cell is also a clean energy source, but has high power density and energy conversion efficiency, can operate at room temperature, and can be miniaturized and sealed, so that it can be used in pollution-free cars, household power generation systems, mobile communication equipment, medical devices, military equipment, space It is widely used in the field of business equipment and the research is being concentrated more.

이와 같은 고분자 전해질형 연료전지 중에서도 수소 가스를 연료로 사용하는 수소 이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로부터 직류의 전기를 생산하는 전력생성 시스템으로서 애노드와 캐소드 사이에 두께가 50 내지 200 ㎛의 양성자 전도성 고분자막이 개재되어 있는 구조를 갖고 있다. 따라서 반응기체인 수소가 공급되면서 애노드에서는 산화반응이 일어나 수소 분자가 수소 이온과 전자로 전환되며, 이 때 전환된 수소 이온은 상기 양성자 전도성 고분자막을 거쳐 캐소드로 전달되면, 캐소드에서는 산소 분자가 전자를 받아 산소 이온으로 전환되는 환원반응이 일어나며, 이 때 생성된 산소이온은 애노드로부터의 전달된 수소 이온과 반응하여 물 분자로 전환된다. Among these polymer electrolyte fuel cells, Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), which uses hydrogen gas as a fuel, is a power generation system for producing direct current electricity from an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The cathode has a structure in which a proton conductive polymer film having a thickness of 50 to 200 µm is interposed between the cathodes. Therefore, when hydrogen is supplied as a reactive gas, an oxidation reaction occurs at the anode to convert hydrogen molecules into hydrogen ions and electrons. At this time, the converted hydrogen ions are transferred to the cathode through the proton conductive polymer membrane, and the oxygen molecules receive electrons at the cathode. A reduction reaction occurs in which oxygen ions are converted, at which time the generated oxygen ions react with the delivered hydrogen ions from the anode and are converted into water molecules.

이러한 과정에서 연료전지용 양성자 전도성 고분자막은 전기적으로는 절연체이나, 전지 작동 중에 음극으로부터 양극으로 수소 이온을 전달하는 매개체로 작용하며 연료 기체 또는 액체와 산화제 기체를 분리하는 역할을 동시에 수행하므로 기계적 성질 및 전기화학적 안정성이 우수해야 하고, 작동 온도에서의 열적안정성, 저항을 줄이기 위한 얇은 막으로서의 제조 가능성 및 액체 함유시 팽창 효과가 적을 것 등의 요건을 충족해야 한다.In this process, the proton-conducting polymer membrane for the fuel cell is electrically insulated, but acts as a medium for transferring hydrogen ions from the cathode to the anode during cell operation, and simultaneously serves to separate fuel gas or liquid from oxidant gas. The chemical stability must be excellent and the requirements must be met such as thermal stability at operating temperature, manufacturability as a thin film to reduce resistance, and low expansion effect when containing liquid.

기존 고분자 전해질 연료전지용 고분자 전해질 막은 물이 있어야만 양성자를 전도할 수 있는 술폰기를 기반으로 제조되었기 때문에 물이 없는 조건 (고온, 무가습) 에서는 사용할 수 없다. Since the polymer electrolyte membrane for the conventional polymer electrolyte fuel cell is manufactured based on a sulfone group capable of conducting protons only when there is water, it cannot be used in the absence of water (high temperature and no humidification).

또한 기존의 고분자 전해질 막은 전도도를 개선하기 위해 무기 입자들을 혼합한 복합막 형태로 제조되고 있는 데, 이러한 복합막은 마이크로 크기 또는 수십 ~ 수백 나노 크기의 무기 입자를 이용하여 복합화를 하였으며 이 때문에 복합화시 무기 입자가 이온 채널 내에서 양성자의 이동을 방해하여 양성자 전도도가 떨어진다는 문제점을 가지고 있다. In addition, the conventional polymer electrolyte membrane is manufactured in the form of a composite membrane in which inorganic particles are mixed to improve conductivity, and the composite membrane is composited using inorganic particles of micro size or several tens to hundreds of nano size. Particles interfere with the movement of protons in ion channels, leading to a problem of poor proton conductivity.

또한 무기 입자의 크기와 뭉침 현상으로 인하여 복합막 제조시 기계적 강도가 떨어진다는 문제도 함께 가지고 있다. In addition, due to the size and agglomeration of the inorganic particles also has a problem that the mechanical strength during the composite film manufacturing falls.

종래의 대표적인 고분자 전해질 연료전지에 사용되는 전해질 막으로서 널리 사용되고 있는 대표적인 물질은 듀폰사에서 개발한 Nafion이 있다. 그러나 Nafion의 경우 양성자 전도성이 좋은 대신 (0.1 S/cm) 강도가 약하고, 습도가 적은 조건, 예를 들면 100℃ 이상의 고온에서는 본래의 성능이 발현되지 않는다는 치명적인 문제점을 가지고 있다. 그 이유는 Nafion에 함유된 술폰기의 이온 전도 메커니즘 때문에 발생되는 것으로 알려져 있다.A representative material widely used as an electrolyte membrane used in a conventional representative polymer electrolyte fuel cell is Nafion developed by DuPont. However, Nafion has a fatal problem of having good proton conductivity (0.1 S / cm) but low strength and low humidity, for example, inherent performance is not exhibited at high temperatures of 100 ° C. or higher. The reason is known to arise due to the ion conduction mechanism of the sulfone groups contained in Nafion.

Nafion/ZrSPP composite membrane for high temperature operation of PEMFCs Electrochimica Acta, 50, 645 (2004)에서는 Nafion과 Zr phosphate 말단에 술폰기가 달린 Zr계 무기 입자와 복합화를 통해 고온 가습 조건에서 우수한 양성자 전도도를 가진 전해질막이 제안되어 있다.Nafion / ZrSPP composite membrane for high temperature operation of PEMFCs Electrochimica Acta, 50, 645 (2004) proposes an electrolyte membrane with excellent proton conductivity under high temperature and humidification conditions by combining with Zr-based inorganic particles with sulfone groups at the ends of Nafion and Zr phosphate. It is.

한국공개특허 제2005-0024812호에서는 그 크기가 수 나노에서 수백 나노 정도가 되며, 술폰산기를 도입하여 전도성 고분자와 유사한 정도의 전도성을 띄고, 고온에서도 술폰산기가 떨어지지 않고 높은 전도성을 유지하는 것을 특징으로 하는 수소 이온 전도성 무기 나노입자가 제안되어 있으나, 여기서는 실리콘 산화물(SiO2), 알루미늄 산화물(SiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 제올라이트, 메조포러스 물질 및 이의복합화에 의해 구성되어 크기가 수십 나노미터에서 수백 나노미터에 이르는 나노 입자를 사용하고 있어서 이온 전도도가 급감하는 문제가 있다.In Korean Patent Publication No. 2005-0024812, the size ranges from several nanometers to several hundred nanometers, and the sulfonic acid group is introduced to have a conductivity similar to that of the conductive polymer, and the sulfonic acid group does not fall even at high temperature, and maintains high conductivity. Hydrogen ion conductive inorganic nanoparticles have been proposed, but here they are composed of silicon oxide (SiO 2), aluminum oxide (SiO 2), zirconium oxide (ZrO 2), zeolites, mesoporous materials and their complexes and are several tens of nanometers in size to several hundred nanometers. There is a problem that the ionic conductivity decreases rapidly because nanoparticles reaching a meter are used.

한편, 본 발명자들에 의한 한국공개특허 제2012-010420호에서는 화학적으로 결합된 인산기를 포함하는 PhosPani 고분자 전해질 막으로서 화학적 내구성 및 기계적 강도가 향상된 양성자 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질에 대하여 기재하고 있다. 이 발명에서는 내구성이나 기계적 강도를 개선시키는 것에 주안점이 있는 것이 아니라, 인산기를 매트릭스에 직접 붙여서 고온에서 우수한 이온 전도도를 나타내는 것이다.Meanwhile, Korean Laid-Open Patent Publication No. 2012-010420 by the present inventors describes a polymer electrolyte including a proton conductive polymer having improved chemical durability and mechanical strength as a PhosPani polymer electrolyte membrane including a chemically bound phosphate group. In the present invention, there is no focus on improving durability and mechanical strength. Instead, the phosphate group is directly attached to the matrix to exhibit excellent ionic conductivity at high temperature.

한국등록특허 제1085358호에서는 양이온 교환기를 갖는 탄화수소계 고분자와 인산으로 치환된 아미노기를 갖는 실란계 화합물로서 3-아미노프로필트리에톡시실란이 결합되어 전기화학적 특성과 기계적 특성 및 열적 안정성이 뛰어나고, 상온 및 고온에서의 양성자 전도도가 우수한 양성자 전도성 고분자막이 제안되어 있다.In Korean Patent No. 1085358, a silane compound having a hydrocarbon-based polymer having a cation exchange group and an amino group substituted with phosphoric acid is combined with 3-aminopropyltriethoxysilane to have excellent electrochemical properties, mechanical properties and thermal stability, and room temperature. And proton conductive polymer membranes having excellent proton conductivity at high temperature have been proposed.

또한, 한국등록특허 제0969011호에서는 3-아미노프로필트리에틸실란과 테트라에틸오소실리케이트의 기공 구조를 양말단에 포함하고 인산이 화학적으로 결합된, 주쇄가 폴리디메틸실록산인 무기고분자로 이루어진 고분자와 측쇄에 양이온 교환기를 갖는 양성자 전도성 고분자로 이루어진 고분자 블렌드 전해질 막이 제안되어 있다.In addition, Korean Patent No. 0969011 includes a pore structure of 3-aminopropyltriethylsilane and tetraethyl orthosilicate in the sock end, and a polymer and side chain composed of an inorganic polymer whose main chain is polydimethylsiloxane in which phosphoric acid is chemically bonded. A polymer blend electrolyte membrane composed of a proton conducting polymer having a cation exchange group at is proposed.

그러나 이러한 종래의 고분자 전해질 막은 기계적 물성이 어느 정도 개선되기는 하였으나, 아직도 기계적 강도와 성능 개선의 여지가 많았다. 이것은 인사기를 도입한다고 하더라도 인산기를 가지는 고분자의 영향으로 인해 강도 등 물성의 개선 여지가 있는 것으로 생각되었다.
However, although the mechanical properties of the conventional polymer electrolyte membrane were improved to some extent, there was still much room for improvement in mechanical strength and performance. It is thought that there is room for improvement of physical properties such as strength due to the influence of the polymer having a phosphate group even when introducing an insulator.

위와 같은 종래 기술에서 나타나는 문제점과 더욱 향상된 물성을 가진 고분자 전해질 막을 제조하기 위해 오랫동안 꾸준히 연구한 결과, 본 발명자들은 종래의 불소계 고분자 전해질 막에 기능기로 인산기를 도입한 실세스퀴옥산(polyhedral oligomeric silsesquioxane; POSS)을 사용하여 전해질 복합막을 제조하게 되면 연료전지에 적용 시 전도도가 우수하면서도 강도가 크게 개선된다는 사실을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.As a result of steadily researching for a long time to prepare a polymer electrolyte membrane having the problems and the improved properties in the prior art as described above, the present inventors have introduced a polyhedral oligomeric silsesquioxane; When the electrolyte composite membrane is manufactured using POSS), the present invention has been found to be excellent in conductivity and greatly improved in strength when applied to a fuel cell.

따라서 본 발명은 화학적으로 결합된 인산기를 갖는 실세스퀴옥산을 포함하는 양성자 전도성 고분자 나노 복합막을 제공하는데 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a proton conductive polymer nanocomposite membrane comprising silsesquioxane having a chemically bonded phosphoric acid group.

또한 본 발명은 양성자 전도도가 우수하고 기계적 물성이 현저하게 개선된 양성자 전도성 고분자 나노복합막을 제공하는데 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a proton conductive polymer nanocomposite membrane having excellent proton conductivity and remarkably improved mechanical properties.

이러한 과제 해결을 위해, 본 발명은 불소계 양성자 전도성 폴리머 기재에 인산기가 도입된 실세스퀴옥산이 혼합된 양성자 전도성 고분자 나노 복합막을 제공한다.
In order to solve this problem, the present invention provides a proton conductive polymer nanocomposite membrane in which silsesquioxane in which a phosphate group is introduced into a fluorine-based proton conductive polymer substrate is mixed.

상기와 같은 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자 나노 복합막은 고온 무가습 조건에서도 우수한 양성자 전도도를 가지는 효과가 있으며, 기존 PEMFC용 불소계 고분자막에 비해 우수한 기계적 강도를 나타내는 효과가 있다.The proton-conducting polymer nanocomposite membrane according to the present invention as described above has an effect of having excellent proton conductivity even under high temperature and no humidification conditions, and has an effect of exhibiting excellent mechanical strength compared to a fluorine-based polymer membrane for PEMFC.

또한, 고온 무가습 조건뿐만 아니라 저온(<90 oC), 가습 조건에서도 연료전지용 전해질 막으로 사용 가능하다. In addition, it can be used as an electrolyte membrane for fuel cells under low temperature (<90 ° C) and humidification conditions as well as high temperature and no humidification conditions.

그 뿐만 아니라, 기존 막에 비해 두께를 반으로 줄여도 강도가 유지되기 때문에 저렴한 비용으로 제조가 가능한 효과가 있다.In addition, since the strength is maintained even by reducing the thickness in half compared to the conventional film, it is possible to manufacture at low cost.

따라서 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자 나노 복합막은 연료전지용 전해질 막으로 매우 유용하다.
Therefore, the proton conductive polymer nanocomposite membrane according to the present invention is very useful as an electrolyte membrane for fuel cells.

도 1은 본 발명의 실험예 1에서 실시예와 비교에에서 제조된 고분자 나노 복합막과 전해질 막에 대한 양성자 전도도 측정결과를 비교하여 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실험예 2에서 실시예와 비교에서 제조된 고분자 나노 복합막과 전해질 막에 대한 무가습 조건(120℃)에서의 양성자 전도도 측정결과를 비교하여 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예 3에서 실시예와 비교에에서 제조된 고분자 나노 복합막과 전해질 막에 대한 기계적 강도의 측정결과를 비교하여 도시한 그래프이다.
1 is a graph illustrating a comparison of proton conductivity measurement results for the polymer nanocomposite membrane and the electrolyte membrane prepared in Example 1 and Comparative Example of the present invention.
FIG. 2 is a graph illustrating a comparison of proton conductivity measurement results in a humidified condition (120 ° C.) for a polymer nanocomposite membrane and an electrolyte membrane prepared in Example 2 and Comparative Example of the present invention.
Figure 3 is a graph showing the comparison of the measurement results of the mechanical strength for the polymer nanocomposite membrane and the electrolyte membrane prepared in Example and Comparative Example 3 of the present invention.

이하 본 발명은 하나의 구현예로서 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail as an embodiment.

본 발명은 연료전지용으로 유용한 양성자 전도성 고분자 나노 복합막에 관한 것으로서, 기존의 통상적인 전해질막용 불소계 양성자 전도성 폴리머를 기재로 사용하고 인산기가 도입된 실세스퀴옥산이 혼합된 양성자 전도성 고분자 나노 복합막에 관한 것이다.The present invention relates to a proton-conducting polymer nanocomposite membrane useful for a fuel cell, comprising a conventional fluorine-based proton-conducting polymer for electrolyte membranes as a base material and a proton-conducting polymer nanocomposite membrane mixed with silsesquioxane having a phosphate group introduced therein. It is about.

본 발명에서 사용되는 불소계 양성자 전도성 폴리머 기재로서는 예컨대 말단기에 술폰기, 인산기 또는 카르복실기 중에서 선택된 기능기를 가진 불소계 폴리머를 사용할 수 있는바, 대표적으로는 나피온 (Nafion), 하이프론 (Hyflon), 플레미온 (Flemion), 다우 (Dow), 아퀴비온 (Aquivion), 고어 (Gore) 또는 에이씨아이플렉스 (Aciplex)가 사용될 수 있다. As the fluorine-based proton conductive polymer substrate used in the present invention, for example, a fluorine-based polymer having a functional group selected from a sulfone group, a phosphate group, or a carboxyl group can be used. Typically, Nafion, Hyflon, and Fle. Flemion, Dow, Aquivion, Gore or ACplex can be used.

또한 본 발명에서는 인산기가 도입된 실세스퀴옥산으로서 예컨대 하기 화학식 1로 표시되는 1~16개의 인산기가 도입된 실세스퀴옥산이 혼합 사용된다.In addition, in this invention, the silsesquioxane which introduce | transduced 1-16 phosphate groups represented by following formula (1) as a silsesquioxane which introduce | transduced a phosphate group is used, for example.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112012031214503-pat00001
Figure 112012031214503-pat00001

상기 화학식 1에서, R은 할로겐기, 아민기, 히드록시기, 페닐기, 알킬기, 페놀기, 에스터기, 니트릴기, 에테르기, 에스테르기, 알데히드기, 포르밀기, 카르보닐기 또는 케톤기 중에서 선택된 것이거나, R 중에서 적어도 하나는 -PO3H2, -R1-PO3H2, 하기 화학식 2, 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 치환기이며, 여기서 R1은 O, NH, NH-CH2 또는 (CH2)n(이때, n은 1 내지 6의 정수)이다.In Formula 1, R is a halogen group, amine group, hydroxy group, phenyl group, alkyl group, phenol group, ester group, nitrile group, ether group, ester group, aldehyde group, formyl group, carbonyl group or ketone group Or at least one of R is -PO 3 H 2 , -R 1 -PO 3 H 2 , and a substituent represented by the following Chemical Formula 2, Chemical Formula 3 or Chemical Formula 4, wherein R 1 is O, NH, NH- CH 2 or (CH 2 ) n where n is an integer from 1 to 6.

[화학식 2](2)

Figure 112012031214503-pat00002
Figure 112012031214503-pat00002

[화학식 3](3)

Figure 112012031214503-pat00003
Figure 112012031214503-pat00003

[화학식 4][Chemical Formula 4]

Figure 112012031214503-pat00004

Figure 112012031214503-pat00004

즉, 상기 치환기 R이 인산기가 2개인 상기 화학식 2 또는 4의 치환기로 최대 8개 치환될 수 있어서 실세스퀴옥산에 치환되는 인산기는 1~16개로 치환된 것이 사용가능한 것이다.
That is, the substituent R may be substituted with up to eight substituents of the formula (2) or (4) having two phosphate groups, so that the phosphoric acid group substituted with silsesquioxane may be substituted with 1 to 16.

본 발명에서는 상기 불소계 양성자 전도성 폴리머 기재와 인산기가 도입된 실세스퀴옥산을 2~35 : 1의 중량비율로, 더욱 바람직하기로는 2~10 : 1의 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다. 만일 실세스퀴옥산의 사용량이 너무 적으면 고온 전도도와 기계적 강도의 개선 효과를 기대할 수 없으며, 너무 과량 사용되면 실세스퀴옥산 상호간에 뭉쳐서 성능이 저하되는 문제와, 막이 형성되지 않는 문제가 있다.In the present invention, the fluorine-based proton conductive polymer substrate and the silsesquioxane in which the phosphate group is introduced may be mixed in a weight ratio of 2 to 35: 1, more preferably in a weight ratio of 2 to 10: 1. If the amount of silsesquioxane used is too small, the effect of improving the high temperature conductivity and mechanical strength cannot be expected. If the amount of the silsesquioxane is used too much, the silsesquioxane may be agglomerated with each other to deteriorate the performance and may not form a film.

본 발명에서는 고분자 전해질 막에 인산기가 도입된 실세스퀴옥산을 사용함으로서 물성을 크게 개선한 것이다. In the present invention, the physical properties are greatly improved by using silsesquioxane having a phosphoric acid group introduced into the polymer electrolyte membrane.

본 발명에서는 인산기 도입 모핵으로 실세스퀴옥산(POSS)을 사용한 것에 특징이 있는 바, POSS는 기본적으로 실리카 케이지 구조로, 안정적인 구조로 인해 열적, 물리적 특성이 매우 뛰어나다. 기본 구조는 소수성의 실리카 구조로 되어 있으며 말단은 8개의 기능기를 가지고 있어 1개 이상의 기능기를 달수 있다. 기존의 연료전지에 쓰이는 입자의 경우 1~2개의 인산기를 연결해서 사용하는데 반해 POSS는 쉽게 8개 이상의 기능기를 달 수 있기 때문에 자체 이온 전도 능력을 높일 수 있다는 장점을 가지고 있다. In the present invention, it is characterized by using silsesquioxane (POSS) as the phosphate group introduction nucleus. POSS is basically a silica cage structure, and has excellent thermal and physical properties due to its stable structure. The basic structure is hydrophobic silica structure, and the terminal has 8 functional groups, so that more than one functional group can be attached. In the case of particles used in conventional fuel cells, one or two phosphate groups are connected and used, while POSS can easily attach eight or more functional groups, thereby increasing its own ion conduction ability.

또한, POSS는 기본 구조가 1.5 nm로 실제 수나노 크기로 존재하여 기존 다른 무기 물질에 비해 현저하게 작은 크기를 나타내고 있다. 이는 연료전지에 도입하여 복합막을 제조할 경우, 이온 채널안에서 이온의 이동을 최대한 덜 방해하여 복합막의 가장 큰 문제인 이온 전도도 저하 문제를 해결할 수 있다. In addition, the POSS has a fundamental structure of 1.5 nm in actual nanoscale size, which is significantly smaller than other inorganic materials. When the composite membrane is manufactured by introducing into the fuel cell, it is possible to solve the problem of lowering ion conductivity, which is the biggest problem of the composite membrane, by preventing the movement of ions in the ion channel as little as possible.

그 뿐만 아니라 실리카 구조로 인한 소수성 구조로 인하여 swelling 현상을 낮출 수 있으며, 말단에 친수성 기능기를 연결할 경우 명확한 상분리로 인하여 이온전도도 향상에 도움을 줄 수 있다. 또한 실리카의 특성으로 인하여 water retention이 높아 고온에서의 보습능력 또한 가지고 있다. POSS는 산소원자에 대한 내성이 높기 때문에 radical 에 영향을 덜 받아서 degradation을 줄일 수 있다는 장점도 가지고 있다In addition, the swelling phenomenon can be lowered due to the hydrophobic structure due to the silica structure, and when the hydrophilic functional group is connected to the terminal, the ionic conductivity can be improved due to the clear phase separation. In addition, due to the nature of silica, water retention is high, so it has a moisturizing ability at high temperatures. POSS also has the advantage of reducing degradation due to its high resistance to oxygen atoms, which is less affected by radicals.

이와 같이 실세스퀴옥산은 수 nm 크기의 입자들로서, 이는 기존의 무기 입자들의 수십 ~ 수백 nm 크기에 비해서 매우 작은 크기이다. 따라서 바람직하게도 양성자 전도성 고분자 복합막 에 적용하는 경우 양성자의 이동을 방해하지 않아 우수한 양성자 전도도를 구현할 수 있다. 또한 실세스퀴옥산 분자 수준의 복합체(molecular composite)를 형성함으로써 강도가 강하여 양성자 전도성 고분자막의 기계적 물성을 현저히 향상시켜 준다. As such, the silsesquioxanes are particles of several nm size, which are very small compared to tens to hundreds of nm of the existing inorganic particles. Therefore, when applied to the proton conductive polymer composite membrane, it is possible to implement excellent proton conductivity without disturbing the proton movement. In addition, by forming a molecular composite of the silsesquioxane molecule (molecular composite), the strength is strong, thereby significantly improving the mechanical properties of the proton conductive polymer membrane.

또한, 본 발명에서 실세스퀴옥산에 인산기를 도입하여 사용함으로써 전해질 막으로서의 물성을 향상시킬 수 있는데, 상기 인산은 거의 이상적 양성자 전도체로서 녹는점(Tm)은 42℃이고, 순수한 인산은 확장된 분자 간 수소결합을 가진 높은 점성액의 성질을 가지며, 물과 대조적으로 전도성이 수화 정도에 따른 영향을 받지 않는다. 순수한 인산의 경우, 첨가물의 양성자 전도성이 구조의 확산에 의해 용이하게 이동되도록 하고, 매우 높은 자가-해리도를 보여주는 특성을 나타낸다.In addition, in the present invention, by introducing and using a phosphate group in silsesquioxane, the physical properties of the electrolyte membrane can be improved. The phosphoric acid is an ideal proton conductor, and the melting point (Tm) is 42 ° C., and pure phosphoric acid is an expanded molecule. It has the property of a high viscous liquid with hepatic hydrogen bonding, and in contrast to water, its conductivity is not affected by the degree of hydration. In the case of pure phosphoric acid, the proton conductivity of the additive is easily shifted by the diffusion of the structure and exhibits a property showing very high self-dissociation.

본 발명에 따르면 실세스퀴옥산 중에서도 인산기를 도입하기에 용이한 치환기를 가지는 것을 선택하고, 여기에 인삼염을 용해시켜 환류시키면 인산기가 도입된 실세스퀴옥산을 용이하게 얻을 수 있다. 예컨대 할로겐기, 아민기, 히드록시기, 페닐기, 알킬기, 페놀기, 에스터기, 니트릴기 또는 포말데하이드 중에서 선택된 말단기를 가진 실세스퀴옥산이 바람직하게 사용될 수 있다. 이렇게 인산기가 도입된 실세스퀴옥산은 전형적으로는 상기 화학식 1로 표시되는 구조를 가지는 것이 바람직하게 사용될 수 있다.According to the present invention, a silsesquioxane having a phosphoric acid group introduced therein can be easily obtained by selecting one of the silsesquioxanes having a substituent which is easy to introduce a phosphate group, and dissolving the phosphoric acid salt to reflux therein. For example, halogen, amine, hydroxy, phenyl, alkyl, phenol, ester, nitrile or formaldehyde Silsesquioxanes having a terminal group selected from among them can be preferably used. The silsesquioxane in which the phosphate group is introduced may be preferably used having a structure represented by Chemical Formula 1.

본 발명은 The present invention

불소계 양성자 전도성 폴리머 기재를 용매에 용해시키는 단계; Dissolving the fluorine-based proton conductive polymer substrate in a solvent;

인산기가 도입된 실세스퀴옥산을 상기 용매와 동일한 용매에 용해시키는 단계;Dissolving silsesquioxane into which the phosphoric acid group is introduced in the same solvent as the solvent;

상기 제조된 불소계 양성자 전도성 폴리머 기재 용액과 실세스퀴옥산 용액을 혼합하는 단계; Mixing the prepared fluorine-based proton conductive polymer-based solution with a silsesquioxane solution;

상기 혼합 용액을 초음파처리하여 불소계 폴리머 내에 실세스퀴옥산을 분산시키는 단계;Sonicating the mixed solution to disperse silsesquioxane in the fluorine-based polymer;

진공오븐 내에서 캐스팅하고 잔류물을 제거하는 단계;Casting in a vacuum oven and removing residue;

를 포함하는 양성자 전도성 고분자 나노 복합막을 제조하는 방법을 포함한다.It includes a method for producing a proton conductive polymer nanocomposite membrane comprising a.

또한 본 발명은 상기와 같은 양성자 전도성 고분자 나노 복합막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 포함한다.The present invention also includes a membrane-electrode assembly including the proton-conducting polymer nanocomposite membrane as described above.

또한 본 발명은 상기와 같은 양성자 전도성 고분자 나노 복합막을 포함하는 연료전지를 포함한다.The present invention also includes a fuel cell including the proton conductive polymer nanocomposite membrane as described above.

또한 본 발명은 상기와 같은 양성자 전도성 고분자 나노 복합막을 포함하는 전극 바인더를 포함한다.In another aspect, the present invention includes an electrode binder comprising a proton conductive polymer nanocomposite membrane as described above.

상기와 같은 본 발명에 따른 양성자 전도성 고분자 나노 복합막은 인산기가 도입된 실세스퀴옥산를 사용하면 기존 복합막에 비해서 실세스퀴옥산의 크기가 수 나노 크기로 매우 작기 때문에 양성자 전도를 방해하지 않아 기존 복합막에 비해 양성자 전도성이 높으며, 기계적 강도가 증가하는 효과도 있다. 또한, 실세스퀴옥산의 기능기가 기본적으로 8개에 응용할 수 있기 때문에 기존 물질에 비해서 응용할 수 있는 기능기가 많다는 장점을 가지고 있다. 특히, 인산기 치환 실세스퀴옥산의 경우 1~8개의 기능기에 인산기을 2~16개 까지 결합시킬 수가 있기 때문에 고온에서의 양성자 전도성이 현저히 증가한다는 장점을 가지고 있다. 따라서 고온 무가습 조건에서 우수한 양성자 전도도를 나타내며, 기존의 PEMFC용 불소계 고분자막에 비해 우수한 기계적 강도를 나타내므로 기존 막 두께 대비 1/2 이하로도 동일 또는 유사한 효과를 기대할 수 있다. 또한 고온 무가습 조건 뿐만 아니라 저온 (<90 oC), 가습 조건에서도 사용이 가능한 개선된 특징을 가진다.
Proton-conducting polymer nanocomposite membrane according to the present invention does not interfere with proton conduction because silsesquioxane is very small in size of several nanosized membrane compared to the conventional composite membrane when silsesquioxane having a phosphate group is introduced. Compared to the membrane, the proton conductivity is higher, and the mechanical strength is also increased. In addition, since the functional groups of silsesquioxane can be basically applied to eight, it has the advantage that there are many functional groups that can be applied compared to the existing materials. In particular, in the case of phosphate-substituted silsesquioxane, the proton conductivity at a high temperature is remarkably increased because the phosphate group can bind 2 to 16 phosphate groups to 1 to 8 functional groups. Therefore, it exhibits excellent proton conductivity at high temperature and no humidification conditions, and shows excellent mechanical strength compared to the conventional fluorine-based polymer film for PEMFC, so that the same or similar effect can be expected even with a thickness of 1/2 or less of the existing film thickness. It also has improved features that can be used in low temperature (<90 ° C), humid conditions as well as high temperature and no humidification conditions.

이하 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의거 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to Examples.

제조예 : 인산기를 가진 실세스퀴옥산(PA-POSS)의 제조Preparation Example: Preparation of Silsesquioxane (PA-POSS) with Phosphoric Acid Group

OctaKis(dibromoethyl) POSS 1 g과 trimethyl phosphite 16 g를 tetrahydrofuran(THF) 200 ml에 녹인 후, 120 oC에서 6시간 동안 reflux 시킨다. Dissolve 1 g of OctaKis (dibromoethyl) POSS and 16 g of trimethyl phosphite in 200 ml of tetrahydrofuran (THF) and reflux at 120 o C for 6 hours.

반응 후, 미반응된 trimethyl phosphite와 용매인 THF를 진공 건조를 통해 제거한다. 진공 건조 후, hydrochloric acid 2 M 수용액 200 ml를 넣은 후, 70 oC에서 12시간 교반시킨다. 그리고 나서 필터를 통해서 PA-POSS를 제외한 물질을 모두 제거하고, methanol에 수차례 세척을 하여 잔여물을 제거한다. 최종적으로 진공 오븐에 100 oC에서 건조시켜 인산기가 달린 PA-POSS를 제조하였다.
After the reaction, unreacted trimethyl phosphite and solvent THF are removed by vacuum drying. After vacuum drying, 200 ml of hydrochloric acid 2M aqueous solution was added, followed by stirring at 70 ° C for 12 hours. Then remove all material except PA-POSS through the filter, and wash several times with methanol to remove the residue. Finally it was dried in a vacuum oven at 100 ° C to prepare a PA-POSS with a phosphate group.

실시예 1 : Nafion/PA-POSS 분자 복합막의 제조Example 1 Preparation of Nafion / PA-POSS Molecular Composite Membrane

Dupont사에서 제조된 Nafion solution을 진공 건조를 하여 용매를 제거하고, 디메틸아세트아미드 (DMAc)에 1:19 중량비율로 용해시킨다.Nafion solution manufactured by Dupont is dried under vacuum to remove the solvent, and dissolved in dimethylacetamide (DMAc) in a 1:19 weight ratio.

상기 제조예에서 제조된 PA-POSS 0.05 g을 DMAc 0.95 g에 용해시킨다. 이렇게 얻어진 Nafion/DMAc solution 9 g (Nafion 함량 0.45 g)과 PA-POSS/DMAc 1 g (PA-POSS 함량 0.05 g)을 혼합한 후, 12시간 동안 상온에서 교반한다. 이때, 중간 초음파 처리를 통해 Nafion 내에 PA-POSS가 잘 분산되도록 한다. 0.05 g of PA-POSS prepared in the above preparation is dissolved in 0.95 g of DMAc. 9 g of Nafion / DMAc solution thus obtained (0.45 g of Nafion) and 1 g of PA-POSS / DMAc (0.05 g of PA-POSS) were mixed, followed by stirring at room temperature for 12 hours. At this time, PA-POSS is well dispersed in Nafion through intermediate ultrasonication.

상기 분산된 용액을 24시간 동안 120 oC 진공 오븐 내에서 테프론 기판 위에 캐스팅한다. 캐스팅하여 제조된 Nafion/PA-POSS 복합막을 탈이온수에 1시간 끓여서 잔유물을 제거하고 Nafion/PA-POSS 분자 복합막을 제조하였다.
The dispersed solution is cast on a Teflon substrate in a 120 ° C. vacuum oven for 24 hours. The Nafion / PA-POSS composite membrane prepared by casting was boiled in deionized water for 1 hour to remove the residue, thereby preparing a Nafion / PA-POSS molecular composite membrane.

실시예 2 : Nafion/PA-POSS 분자 복합막의 제조Example 2 Preparation of Nafion / PA-POSS Molecular Composite Membrane

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되 Nafion/DMAc solution 8 g (Nafion 함량 0.40 g)과 PA-POSS/DMAc 2 g (PA-POSS 함량 0.10 g)을 혼합하는 것을 제외하고 나머지는 동일하게 실시하여 Nafion/PA-POSS 분자 복합막을 제조하였다.
The same procedure as in Example 1 except that Nafion / DMAc solution 8 g (Nafion content 0.40 g) and PA-POSS / DMAc 2 g (PA-POSS content 0.10 g) were mixed in the same manner. / PA-POSS molecular composite membrane was prepared.

비교예 : Nafion 전해질 막의 제조Comparative Example: Preparation of Nafion Electrolyte Membrane

기재로 Nafion 만을 사용하여 상기 실시예 1과 동일 사양의 캐스팅된 전해질 막을 제조하였다.
Using only Nafion as a substrate, a cast electrolyte membrane having the same specifications as in Example 1 was prepared.

실험예 1 : 양성자 전도도 실험Experimental Example 1 Proton Conductivity Experiment

양성자 전도도는 크기가 0.5 x 2 cm 인 시편을 온도 및 습도가 조절된 실내에서 일정한 교류 전류를 시편의 양단에 인가하면서 시편의 중앙에서 발생하는 교류 전위의 차를 확인하는 정전류 4단자법으로 측정하였다. Proton conductivity was measured by constant current four-terminal method to check the difference of alternating potential occurring in the center of the specimen while applying a constant alternating current to both ends of the specimen in a room of 0.5 x 2 cm size controlled temperature and humidity. .

상기 실시예와 비교예에서 제조된 복합막과 전해질 막에 대하여온도에 따른 양성자 전도도를 측정하였다. 여기서는 가습기의 온도를 95℃로 고정하였기 때문에 120℃에서 <40 RH% 정도의 가습상태를 나타낸다. 그 측정결과는 도 1에 나타내었다.Proton conductivity according to temperature was measured for the composite membrane and the electrolyte membrane prepared in Examples and Comparative Examples. Here, since the temperature of the humidifier is fixed at 95 ° C, a humidification state of about <40 RH% is shown at 120 ° C. The measurement results are shown in FIG.

도 1에서 보면 실시예 1, 2의 경우는 온도가 100~120℃에서도 양성자 전도도가 다소 저하되는데 불과하였지만, 이에 비해 비교예의 경우 현격하게 저하됨이 확인되었으며 120℃에서는 실질적으로 전도도가 0으로 나타났다. 즉 100℃ 이하의 조건에서는 비교예가 더 우수한 양성자 전도성을 가지고 있지만, 100℃ 이상에서 물이 증발하게 되면 비교예의 경우는 양성자 전도성이 급감하는데 비해 실시예는 양성자 전도성이 유지되며 우수한 성능을 보인다.
In FIG. 1, in the case of Examples 1 and 2, the proton conductivity was slightly decreased even at a temperature of 100 to 120 ° C., but in the comparative example, it was confirmed that the proton conductivity was significantly lowered, and the conductivity was substantially 0 at 120 ° C. That is, although the comparative example has a better proton conductivity at the condition of 100 ° C. or lower, when the water evaporates at 100 ° C. or higher, the proton conductivity decreases rapidly in the comparative example, whereas the example shows the proton conductivity and excellent performance.

실험예 2 : 무가습 조건의 양성자 전도도 실험Experimental Example 2 Proton Conductivity Experiment Under No Humidification Conditions

상기 실시예와 비교예에서 제조된 복합막과 전해질 막에 대하여 정전류 4단자법으로 측정하였다. 크기가 0.5 x 2 cm 인 시편을 온도 및 습도가 조절된 실내에서 일정한 교류 전류를 시편의 양단에 인가하면서 시편의 중앙에서 발생하는 교류 전위의 차를 확인하는 방법으로 가습기를 작동시키지 않아서 120℃의 무가습 조건에서 양성자 전도도를 측정하였다. 그 측정결과는 도 2에 나타내었다.The composite membrane and the electrolyte membrane prepared in Examples and Comparative Examples were measured by the constant current four-terminal method. The specimen of size 0.5 x 2 cm is applied to both ends of the specimen in a room where temperature and humidity are controlled, and the humidifier is not operated by checking the difference of alternating potential occurring at the center of the specimen. Proton conductivity was measured under no humid conditions. The measurement results are shown in FIG.

도 2에서 보면 실시예 1, 2의 경우는 온도가 120℃, 무가습 조건에서도 양성자 전도도가 높게 나타났지만, 이에 비해 비교예의 경우 전도도가 0으로 나타났다. 즉, 비교예의 경우 10-7 S/cm의 낮은 양성자 전도성을 보이는데 반면 실시예는 0.021, 0.029 S/cm의 높은 양성자 전도성을 보였다. 이는 POSS가 가지고 있는 인산기의 효과로 볼 수 있다.
In FIG. 2, in the case of Examples 1 and 2, the proton conductivity was high even at 120 ° C. and the non-humidified condition, but the conductivity was 0 in the comparative example. That is, the comparative example shows a low proton conductivity of 10-7 S / cm while the example showed a high proton conductivity of 0.021, 0.029 S / cm. This can be seen as the effect of the phosphate group in POSS.

실험예 3 : 기계적 강도 측정 실험Experimental Example 3 Mechanical Strength Measurement Experiment

상기 실시예와 비교예에서 제조된 복합막과 전해질 막에 대하여 Instron 4201/ASTM D882 방법으로 측정하였다, 시편을 0.5 cm x 5 cm로 준비하여 5 mm/min의 속도로 늘어나는 정도와 기계적 강도를 측정하였다. 그 측정결과는 도 3에 나타내었다.The composite membrane and the electrolyte membrane prepared in Examples and Comparative Examples were measured by the Instron 4201 / ASTM D882 method, and the specimen was prepared at 0.5 cm x 5 cm to measure the extent of stretching and mechanical strength at a rate of 5 mm / min. It was. The measurement results are shown in FIG. 3.

도 3에서 보면 실시예 1, 2의 경우가 비교예에 비해 훨씬 우수한 기계적 강도를 나타내는 것으로 확인되었다.
3, it was confirmed that Examples 1 and 2 exhibited much better mechanical strength than Comparative Examples.

실험예 4 : PA-POSS 물성 비교실험Experimental Example 4 Comparative Experiment of PA-POSS Physical Properties

PA-POSS의 효과를 확인하기 위해서 현재 상용되고 있는 Nafion과 Zr계 무기입자의 말단기에 인산기를 붙인 형태 Zr3P (Zr phosphophenyl phosphate)와 Nafion와의 복합막 (10 wt%), 그리고 인산기가 달린 POSS와 Nafion과의 복합막 (10 wt%)에 대해서 물성을 비교하였다. 그 결과는 다음 표1과 같다.In order to confirm the effect of PA-POSS, a composite membrane of Zr 3 P (Zr phosphophenyl phosphate) and Nafion (10 wt%) having a phosphate group attached to the terminal of the currently available Nafion and Zr-based inorganic particles, The properties of the composite membranes (10 wt%) of POSS and Nafion were compared. The results are shown in Table 1 below.

Figure 112012031214503-pat00005
Figure 112012031214503-pat00005

상기 표 1에서 보면, Zr3P에 대비하여 80도에서의 이온 전도도도 변화가 적으며, 120도에 훨씬 효과가 좋음을 확인할 수 있었다. 특히 기계적 강도가 Zr3P 막은 거의 변함 없는데 반해, PA-POSS막은 1.5배 증가하였다. In Table 1, the change in ion conductivity at 80 degrees is less than that of Zr 3 P, and it was confirmed that the effect is much better at 120 degrees. In particular, the mechanical strength of the Zr 3 P film was almost unchanged, whereas the PA-POSS film was increased 1.5 times.

이는 Zr3P의 입자 크기가 200 ~ 400 nm 인데 반해, PA-POSS는 수 나노 크기 이기 때문에, POSS의 작은 입자가 기계적 강도 보강 및 이온 전도도에 도움을 주었음을 확인할 수 있다This is because the particle size of Zr 3 P is 200 ~ 400 nm, while PA-POSS is several nano size, it can be confirmed that the small particles of POSS helped strengthen mechanical strength and ionic conductivity.

상기와 같은 실험예의 결과로부터 본 발명에 따른 Nafion/PA-POSS 분자 복합막은 기존의 Nafion 전해질 막에 비해 동일 조건에서 양성자 전도도가 우수한 것으로 확인되었고, 특히 무가습 조건에서도 전도도가 우수하게 유지되는 것으로 확인되었다. 또한 기계적 강도 역시 본 발명의 복합막이 우수한 것으로 확인되었다.The Nafion / PA-POSS molecular composite membrane according to the present invention was confirmed to have excellent proton conductivity under the same conditions as the Nafion electrolyte membrane, and in particular, even in a non-humidified condition, the conductivity was confirmed to be excellent. It became. In addition, the mechanical strength was also confirmed that the composite membrane of the present invention is excellent.

Claims (9)

불소계 양성자 전도성 폴리머 기재에, 하기 화학식 1로 표시되는 1~16개의 인산기가 도입된 실세스퀴옥산이 혼합된 양성자 전도성 고분자 나노 복합막.
[화학식 1]
Figure 112013075513986-pat00014

상기 식에서, R은 할로겐기, 아민기, 히드록시기, 페닐기, 알킬기, 페놀기, 에스터기, 니트릴기, 에테르기, 에스테르기, 알데히드기, 포르밀기, 카르보닐기 또는 케톤기 중에서 선택된 것이거나, R 중에서 적어도 하나는 -PO3H2, -R1-PO3H2, 하기 화학식 2, 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 치환기이며, 여기서 R1은 O, NH, NH-CH2 또는 (CH2)n(이때, n은 1 내지 6의 정수)이다.
[화학식 2]
Figure 112013075513986-pat00015

[화학식 3]
Figure 112013075513986-pat00016

[화학식 4]
Figure 112013075513986-pat00017
.
A proton conductive polymer nanocomposite membrane in which a silsesquioxane in which 1 to 16 phosphoric acid groups represented by the following Chemical Formula 1 is introduced is mixed on a fluorine-based proton conductive polymer substrate.
[Chemical Formula 1]
Figure 112013075513986-pat00014

Wherein R is a halogen group, amine group, hydroxy group, phenyl group, alkyl group, phenol group, ester group, nitrile group, ether group, ester group, aldehyde group, formyl group, carbonyl group or ketone group Or at least one of R is -PO 3 H 2 , -R 1 -PO 3 H 2 , and a substituent represented by the following Chemical Formula 2, Chemical Formula 3 or Chemical Formula 4, wherein R 1 is O, NH, NH- CH 2 or (CH 2 ) n where n is an integer from 1 to 6.
(2)
Figure 112013075513986-pat00015

(3)
Figure 112013075513986-pat00016

[Chemical Formula 4]
Figure 112013075513986-pat00017
.
청구항 1에 있어서, 불소계 양성자 전도성 폴리머 기재는 말단기에 술폰기, 인산기 또는 카르복실기 중에서 선택된 기능기를 가진 불소계 폴리머인 것을 특징으로 하는 고분자 나노 복합막.
The polymer nanocomposite membrane of claim 1, wherein the fluorine-based proton conductive polymer substrate is a fluorine-based polymer having a functional group selected from a sulfone group, a phosphoric acid group, or a carboxyl group in an end group.
청구항 1에 있어서, 불소계 폴리머 기재는 나피온 (Nafion), 하이프론 (Hyflon), 플레미온 (Flemion), 다우 (Dow), 아퀴비온 (Aquivion), 고어 (Gore) 또는 에이씨아이플렉스 (Aciplex)인 것을 특징으로 하는 고분자 나노 복합막.
The method of claim 1, wherein the fluorine-based polymer substrate is Nafion, Hyflon, Flemion, Dow, Aquivion, Gore or ACiplex. Polymer nanocomposite membrane, characterized in that.
삭제delete 청구항 1에 있어서, 불소계 폴리머 기재와 인산기가 도입된 실세스퀴옥산은 2~35 : 1의 중량비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 고분자 나노 복합막.
The polymer nanocomposite membrane of claim 1, wherein the silsesquioxane in which the fluorine-based polymer substrate and the phosphate group are introduced is mixed at a weight ratio of 2 to 35: 1.
불소계 양성자 전도성 폴리머 기재를 용매에 용해시키는 단계;
하기 화학식 1로 표시되는 1~16개의 인산기가 도입된 실세스퀴옥산을 상기 용매와 동일한 용매에 용해시키는 단계;
상기 제조된 불소계 양성자 전도성 폴리머 기재 용액과 실세스퀴옥산 용액을 혼합하는 단계;
상기 혼합 용액을 초음파 처리하여 불소계 폴리머 내에 실세스퀴옥산을 분산시키는 단계; 및
진공오븐 내에서 캐스팅하고 잔류물을 제거하는 단계;
를 포함하는 양성자 전도성 고분자 나노 복합막의 제조방법.
[화학식 1]
Figure 112013075513986-pat00018

(상기 식에서, R은 상기 청구항 1에서 정의한 바와 같다).
Dissolving the fluorine-based proton conductive polymer substrate in a solvent;
Dissolving silsesquioxane having 1 to 16 phosphoric acid groups represented by Formula 1 in the same solvent as the solvent;
Mixing the prepared fluorine-based proton conductive polymer-based solution with a silsesquioxane solution;
Sonicating the mixed solution to disperse silsesquioxane in the fluorine-based polymer; And
Casting in a vacuum oven and removing residue;
Method for producing a proton conductive polymer nanocomposite membrane comprising a.
[Chemical Formula 1]
Figure 112013075513986-pat00018

Wherein R is as defined in claim 1 above.
청구항 1 내지 3 및 청구항 5 중에서 선택된 어느 하나의 항에 따른 양성자 전도성 고분자 나노 복합막을 포함하는 막-전극 어셈블리.
A membrane-electrode assembly comprising a proton conductive polymer nanocomposite membrane according to any one of claims 1 to 3 and 5.
청구항 1 내지 3 및 청구항 5 중에서 선택된 어느 하나의 항에 따른 양성자 전도성 고분자 나노 복합막을 포함하는 연료전지.
A fuel cell comprising a proton conductive polymer nanocomposite membrane according to any one of claims 1 to 3 and 5.
청구항 1 내지 3 및 청구항 5 중에서 선택된 어느 하나의 항에 따른 양성자 전도성 고분자 나노 복합막을 포함하는 전극 바인더.An electrode binder comprising a proton conductive polymer nanocomposite membrane according to any one of claims 1 to 3 and 5.
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