KR101371796B1 - Electrloyte membrane including poly(tetra phenyl ether sulfone) containing pendant quaternary ammonium hydroxide group and alkaline fuel cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반복 단위체 내에 복수 개의 4급 수산화암모늄기가 도입된 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체 및 이의 제조방법, 상기 공중합체를 포함하는 알칼리형 연료전지용 고분자 전해질막에 관한 것이다.
본 발명에서는 공중합체 측쇄에 위치하는 방향족 환에 2~6개의 수산화암모늄기를 도입함으로써, 높은 이온 전도도, 열적 안정성을 나타낼 뿐만 아니라 구조적 특이성에 의한 친수성 모이어티 간의 클러스터링 효과로 인해 수산기 이온의 전도도를 높일 수 있다.
The present invention relates to a poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer in which a plurality of quaternary ammonium hydroxide groups are introduced into a repeating unit, a method for preparing the same, and a polymer electrolyte membrane for an alkaline fuel cell including the copolymer.
In the present invention, by introducing two to six ammonium hydroxide groups in the aromatic ring located in the side chain of the copolymer, not only exhibits high ionic conductivity and thermal stability, but also increases the conductivity of hydroxyl ions due to the clustering effect between hydrophilic moieties due to structural specificity. Can be.

Description

4급 수산화암모늄기가 도입된 폴리테트라페닐에테르 설폰 고분자 전해질막 및 이를 포함하는 알칼리 연료전지{ELECTRLOYTE MEMBRANE INCLUDING POLY(TETRA PHENYL ETHER SULFONE) CONTAINING PENDANT QUATERNARY AMMONIUM HYDROXIDE GROUP AND ALKALINE FUEL CELL COMPRISING THE SAME}TETRA PHENYL ETHER SULFONE CONTAINING PENDANT QUATERNARY AMMONIUM HYDROXIDE GROUP AND ALKALINE FUEL CELL COMPRISING THE SAME}

본 발명은 반복단위체 내에 복수 개의 4급 수산화암모늄기가 도입되는 구조적 특이성으로 인해, 높은 이온전도도, 열적 안정성 뿐만 아니라 친수성 모이어티 간의 클러스터링 효과로 인해 수산기(OH-) 이온의 전도도를 향상시킬 수 있는 신규 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체 및 이의 제조방법, 상기 공중합체의 용도에 관한 것이다.New to improve ion conductivity of-the present invention a plurality of quaternary hydroxide, ammonium groups are due to the structural specificity is introduced, because of the high ionic conductivity, the clustering effect between as well as the hydrophilic moiety thermal stability hydroxyl group (OH) in the repeating unit Poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer, a method for producing the same, and the use of the copolymer.

연료전지는 화석 연료를 대체해줄 효율적이고 청정 에너지원 중 하나이다. 이들 중에서, 알칼리 폴리머 전해질 연료전지(alkaline polymer electrolyte fuel cells, APEFCs)는 고효율, 고에너지밀도, 방음작동 및 환경 친화성 등의 많은 이점을 제공한다. 상기 알칼리 전해질 연료전지는 음이온-교환막(anion-exchange membranes, AEMs)을 고분자 전해질막으로 이용하고 있다. 그러나 현재 전형적으로 가교화된 폴리스티렌 백본을 갖는 상업적인 APEFCs는 높은 pH 환경에서 안정적이지 않다. 따라서 높은 pH와 고온 환경에서 안정적이면서, 높은 이온 전도도와 이온 선택성을 유지하는 새로운 음이온 교환막을 개발하는데 관심을 가지고 있다. 현재 Nafion®과 Flemion®과 같은 과불화설폰산(perfluorinated) 계열 고분자 전해질 막은 우수한 화학적 안정성, 물리적 안정성, 높은 프로톤 전도성 등으로 인해 고분자 전해질막의 재료로 널리 사용되고 있다. 그러나 이들은 제한된 작동 온도 (0~80℃), 고비용, 부족한 내구성, 및 높은 메탄올 투과성 등의 문제점이 있을 뿐만 아니라 백금 촉매의 의존성을 가져 고비용의 문제를 해결하기 어려웠다.Fuel cells are one of the most efficient and clean sources of energy to replace fossil fuels. Among these, alkaline polymer electrolyte fuel cells (ALPFCs) provide many advantages such as high efficiency, high energy density, soundproof operation and environmental friendliness. The alkaline electrolyte fuel cell uses anion-exchange membranes (AEMs) as polymer electrolyte membranes. However, currently commercial APEFCs with crosslinked polystyrene backbones are typically not stable in high pH environments. Therefore, there is interest in developing a new anion exchange membrane that is stable in high pH and high temperature environments and maintains high ion conductivity and ion selectivity. Currently, perfluorinated polyelectrolyte membranes such as Nafion® and Flemion® are widely used as materials for polymer electrolyte membranes due to their excellent chemical stability, physical stability and high proton conductivity. However, these have not only problems such as limited operating temperature (0 to 80 ° C.), high cost, insufficient durability, and high methanol permeability, but also dependence of platinum catalyst, making it difficult to solve the problem of high cost.

한편, 알칼리 연료전지는 양극의 반응속도와 옴 편극(ohmic polarization) 면에서 프로톤 교환 전해질막 연료전지(proton exchange membrane fuel cells) 보다 수많은 장점을 가지고 있다. 일례로, 알칼리 연료전지에서는 양(兩) 전극의 분위기가 염기성이므로, 막을 투과한 연료에 대하여 불활성 캐소드 촉매를 선택하여 전압 향상을 기대할 수 있으며, 고가의 귀금속 이외의 촉매도 사용 가능하여 촉매종류의 선택 범위가 넓어지게 된다. 또한 알칼리형 연료전지는 전기화학적 반응을 하는 동안 전해질막 내부를 수산기 이온(OH-)이 이동 및 전달하도록 디자인되었으므로, 음이온 교환 전해질막을 이용하게 된다. 따라서 높은 이온 교환 용량을 가지며 고전도성을 갖는 음이온 교환 전해질막의 연구는 중요하며, 이러한 이온 전도성 전해질막 타입들의 구조와 물성 간의 주요 연관성을 개발하는 것도 중요하다. 대체 프로톤 교환 전해질막으로서, 수산화암모늄 방향족 폴리머를 합성하기도 하였으나, 현재까지 높은 이온 전도도와 낮은 수분 흡수(water uptake) 사이에서 이상적인 밸런스를 얻기가 어려웠다. 또한 암모늄 양이온의 고밀도(ammonium cation density)는 전해질막을 물에 더 팽윤하기 쉽게 만들고, 이로 인해 연료전지의 성능을 저하시키게 된다. 따라서 물에서 낮은 용해도, 높은 이온 교환 용량과 고전도성을 갖는 음이온 교환 전해질막에 대한 연구가 절실히 필요한 실정이다. On the other hand, alkaline fuel cells have numerous advantages over proton exchange membrane fuel cells in terms of reaction rate and ohmic polarization of the anode. For example, in an alkaline fuel cell, since the atmosphere of the positive electrode is basic, the voltage can be improved by selecting an inert cathode catalyst for the fuel that has permeated the membrane, and catalysts other than expensive precious metals can also be used. The selection range becomes wider. In addition, the alkaline fuel cell is designed to move and transfer hydroxyl ions (OH ) into the electrolyte membrane during the electrochemical reaction, thereby using an anion exchange electrolyte membrane. Therefore, the study of anion exchange electrolyte membrane having high ion exchange capacity and high conductivity is important, and it is also important to develop a major relationship between the structure and the physical properties of these ion conductive electrolyte membrane types. As an alternative proton exchange electrolyte membrane, ammonium hydroxide aromatic polymers have been synthesized, but until now it has been difficult to achieve an ideal balance between high ionic conductivity and low water uptake. In addition, the ammonium cation density of the ammonium cation makes the electrolyte membrane more swellable in water, thereby lowering the performance of the fuel cell. Therefore, there is an urgent need to study anion exchange electrolyte membrane having low solubility in water, high ion exchange capacity and high conductivity.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 고분자 공중합체를 구성하는 단량체의 화학적 구조가 매우 중요하다는 것을 인식하여, 고분자의 측쇄에 암모늄 이온이 많이 치환되도록 구성하여, 친수성과 소수성 고분자 사슬이 서로 상 분리가 잘되어 이온전도도를 높일 수 있는 단량체의 신규 화학적 구조를 개발한 것이다. The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, recognizing that the chemical structure of the monomer constituting the polymer copolymer is very important, so that the ammonium ion is substituted in the side chain of the polymer, hydrophilic and hydrophobic polymer chain The new chemical structure of the monomer that can improve the ionic conductivity is well developed by the phase separation from each other.

이에, 본 발명은 중합체의 반복단위체 내에 복수 개의 4급 암모늄기를 도입함으로써, 고분자 하이드록사이드 교환막 물질로 사용될 수 있는 신규 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a novel poly (tetraphenylether) sulfone copolymer which can be used as a polymer hydroxide exchange membrane material by introducing a plurality of quaternary ammonium groups into a repeating unit of a polymer, and a method for preparing the same. .

또한 본 발명은 상기 신규 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체를 포함하여 물에서 낮은 용해도, 낮은 수분 흡수, 및 높은 전도도 특성을 가진 고분자 전해질 막 및 이를 구비하는 알칼리 연료전지를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane including the novel poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer having low solubility in water, low water absorption, and high conductivity, and an alkaline fuel cell having the same. It is done.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위체 내에 4급 수산화암모늄염기가 포함되는 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체를 제공한다.The present invention provides a poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer including a quaternary ammonium hydroxide base in a repeating unit represented by the following Formula 1.

Figure 112012066699014-pat00001
Figure 112012066699014-pat00001

상기 식에서, Where

Ar1

Figure 112012066699014-pat00002
또는
Figure 112012066699014-pat00003
이고,Ar 1 is
Figure 112012066699014-pat00002
or
Figure 112012066699014-pat00003
ego,

E는 단일결합, O, S, C(=O), S(=O), S(=O)2, C(CH3)2, C(CF3)2, Si(CH3)2, P(=O)CH3 또는 C(=O)NH이고, E is a single bond, O, S, C (= O), S (= O), S (= O) 2, C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, Si (CH 3) 2, P and (= O) CH 3 or C (= O) NH,

Z1과 Z2는 서로 같거나 다르며, 각각 독립적으로 수소 또는 C1~C6의 알킬기이고, 상기 C1~C6 알킬기는 할로겐, 시아노기, 또는 설폰기로 치환될 수 있으며, Z 1 and Z 2 are the same or different from each other and each independently represents hydrogen or a C 1 -C 6 alkyl group, and the C 1 -C 6 alkyl group may be substituted with a halogen, a cyano group, or a sulfone group,

R은 C1~C6의 알킬아미노기이며, R is an alkyl group of C 1 ~ C 6,

R1 내지 R4는 서로 같거나 다르며, 각각 독립적으로 수소 또는 방향족기로서, 이들 중 2개 이상은 방향족기이고, 상기 R1 내지 R4는 2개 이상의 암모늄기로 치환되고,R 1 to R 4 are the same as or different from each other, and each independently hydrogen or an aromatic group, two or more of them are aromatic groups, and R 1 to R 4 are substituted with two or more ammonium groups,

x는 0.01 내지 1이고,x is 0.01 to 1,

m은 0.1 내지 0.9이고, n은 0.9 내지 0.1이다. m is 0.1 to 0.9, and n is 0.9 to 0.1.

또한 본 발명에서는 전술한 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체를 포함하는 고분자 전해질막(membrane)을 제공한다. 이때 상기 전해질막은 수산기(OH-) 이온을 전도하는 음이온 교환 전해질 막인 것이 바람직하다.In another aspect, the present invention provides a polymer electrolyte membrane (membrane) comprising the above-described poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer. In this case, the electrolyte membrane is preferably an anion exchange electrolyte membrane that conducts hydroxyl (OH ) ions.

아울러, 본 발명은 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막전극 접합체(MEA), 및 이를 포함하는 연료전지를 제공한다. 이때 상기 연료전지는 알칼리형 연료전지(alkaline fuel cell, AFC)인 것이 바람직하다. In addition, the present invention provides a membrane electrode assembly (MEA) including the polymer electrolyte membrane, and a fuel cell including the same. In this case, the fuel cell is preferably an alkaline fuel cell (AFC).

나아가, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체의 제조방법을 제공한다. Furthermore, the present invention provides a method for producing a poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer represented by the formula (1).

본 발명의 바람직한 일례에 따르면, 상기 제조방법은 하기 반응식 1에 도시된 바와 같이, (i) 화학식 3로 표시되는 멀티 페닐 단량체, 화학식 4의 디하이드록시 단량체, 화학식 5의 디할라이드 단량체를 중합하여 화학식 6으로 표시되는 중합체를 합성하는 단계; (ⅱ) 화학식 6의 중합체에 클로로메틸기를 도입하여 화학식 7의 중합체를 합성하는 단계; 및 (ⅲ) 화학식 7의 중합체를 4급암모늄화(quarternization) 반응하고, 알칼리 용액으로 처리하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, as shown in the following Reaction Scheme 1, the process comprises: (i) polymerizing a polyphenyl monomer represented by the formula (3), a dihydroxy monomer represented by the formula (4) and a dihalide monomer represented by the formula Synthesizing a polymer represented by Formula (6); (Ii) synthesizing the polymer of Formula 7 by introducing a chloromethyl group into the polymer of Formula 6; And (iii) a quarternization reaction of the polymer of Formula 7 and treatment with an alkaline solution.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure 112012066699014-pat00004
Figure 112012066699014-pat00004

상기 반응식 1에서, X는 F, Cl, Br, 또는 I이고, In Scheme 1, X is F, Cl, Br, or I,

R5 내지 R8은 서로 같거나 다르며, 각각 독립적으로 수소 또는 방향족 기로서, 이들 중 적어도 2개는 방향족기이고,R 5 to R 8 are the same or different from each other and each independently represents hydrogen or an aromatic group, at least two of them are aromatic groups,

R9 내지 R12는 서로 같거나 다르며, 각각 독립적으로 수소 또는 방향족 기로서, 이들 중 적어도 2개는 방향족기이며, 상기 R9 내지 R12는 2개 이상의 클로로메틸기로 치환되고, R 9 to R 12 are the same as or different from each other, and each independently hydrogen or an aromatic group, at least two of which are aromatic groups, and R 9 to R 12 are substituted with two or more chloromethyl groups,

Y는 클로로메틸기(CH2Cl)이고, Y is a chloromethyl group (CH 2 Cl),

Ar1, R1 내지 R4, R, x, m, n은 상기 화학식 1에서 정의된 바와 같다. Ar 1 , R 1 to R 4 , R, x, m, n are as defined in the formula (1).

본 발명의 신규 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체를 포함하는 고분자 전해질막은 물에서 낮은 용해도, 낮은 수분 흡수, 높은 전도도, 열적 안정성을 나타낼 뿐만 아니라, 공중합체 측쇄에 위치하는 방향족 환에 도입된 복수 개의 4급 수산화암모늄염기로 인해 친수성 모이어티 간의 클러스터링 효과로 인해 높은 수산기 이온의 전도도 및 이온 교환능을 발휘할 수 있다. The polymer electrolyte membrane comprising the novel poly (tetraphenylether) sulfone copolymer of the present invention exhibits low solubility, low water absorption, high conductivity and thermal stability in water, as well as a plurality of introduced into the aromatic ring located in the copolymer side chain. Due to the quaternary ammonium hydroxide bases, the clustering effect between the hydrophilic moieties can exert high hydroxyl ion and conductivity.

따라서 수산기 이온이 전도되는 음이온 교환 전해질막 분야 및 이를 채용하는 연료전지 등의 응용분야에서 유용하게 사용될 수 있다. Therefore, it can be usefully used in the field of anion exchange electrolyte membrane in which hydroxyl ions are conducted and in fuel cells employing the same.

도 1은 합성예 2에서 제조된 PTPES(a), 합성예 3에서 제조된 CH2Cl-PTPES(b), 실시예 1에서 제조된 PTPES-QAH(c)의 1H NMR 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 합성예 2에서 제조된 PTPES(a), 합성예 3에서 제조된 CH2Cl-PTPES(b), 실시예 1에서 제조된 PTPES-QAH(c)의 FT-IR 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 대기 조건하에서, PTPES, CH2Cl-PTPES, 및 PTPES-QAH의 TGA 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 대기 조건하에서의 PTPES-QAHs의 TGA 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 PTPES-QAHs의 이온 교환 능력(IEC) 및 수분 흡수(30℃) 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 100% RH (습도)하에서, 40℃, 60℃, 80℃ 에서의 PTPES-QAH의 이온 전도도를 나타내는 그래프이다.
1 is a graph showing the 1 H NMR results of PTPES (a) prepared in Synthesis Example 2, CH 2 Cl-PTPES (b) prepared in Synthesis Example 3, PTPES-QAH (c) prepared in Example 1 .
Figure 2 is a graph showing the FT-IR results of PTPES (a) prepared in Synthesis Example 2, CH 2 Cl-PTPES (b) prepared in Synthesis Example 3, PTPES-QAH (c) prepared in Example 1 .
3 is a graph showing the results of TGA analysis of PTPES, CH 2 Cl-PTPES, and PTPES-QAH under atmospheric conditions.
4 is a graph showing the results of TGA analysis of PTPES-QAHs under atmospheric conditions.
5 is a graph showing the results of ion exchange capacity (IEC) and water absorption (30 ° C.) of PTPES-QAHs.
6 is a graph showing the ionic conductivity of PTPES-QAH at 40 ° C., 60 ° C., 80 ° C. under 100% RH (humidity).

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

본 발명에서는 알칼리 연료전지에서 요구되는 제반 물성을 보유할 뿐만 아니라, 수산기 이온(예, OH-) 전도성이 높은 고분자 전해질막을 제공하고자 한다. The present invention not only retains all the physical properties required in an alkaline fuel cell, but also provides a polymer electrolyte membrane having high hydroxyl ion (eg, OH ) conductivity.

이를 위해, 본 발명에서는 폴리머 백본(backbone)에 멀티 페닐기를 함유하는 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체(PTPES)를 합성하고, 이러한 공중합체의 멀티-페닐 유니트(multi-phenyl pendant unit)가 존재하는 측쇄에 4급 수산화암모늄염기를 2개 이상, 바람직하게는 4개 이상, 최대 6개까지 4급 수산화암모늄기를 도입하는 것을 특징으로 한다. To this end, in the present invention, a poly (tetraphenylether) sulfone copolymer (PTPES) containing a multiphenyl group in the polymer backbone is synthesized, and a multi-phenyl pendant unit of such a copolymer exists. At least two quaternary ammonium hydroxide bases, preferably at least four, up to six quaternary ammonium hydroxide groups are introduced into the side chain.

여기서, 본원 공중합체의 측쇄에 위치하는 4급 수산화암모늄염기는 음이온 전도성이 뛰어난 강염기성기이다. 본 발명에서는 전술한 4급 수산화암모늄염기를 2개 이상, 바람직하게는 4~6개 정도 포함하므로, 친수성 모이어티들 간의 클러스터링(clustering) 효과 및 친수성/소수성 분리로 인해, 보다 더 우수한 수산기(OH-) 이온 전도도를 발휘할 수 있다. 따라서 음이온 교환 전해질막의 효율 및 이를 구비하는 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다. Here, the quaternary ammonium hydroxide base group located in the side chain of the copolymer of the present application is a strong basic group having excellent anion conductivity. In the present invention, since the aforementioned quaternary ammonium hydroxide base contains two or more, preferably about 4 to 6, the hydroxyl group (OH −-) is superior due to the clustering effect and hydrophilic / hydrophobic separation between the hydrophilic moieties. ) Can exhibit ionic conductivity. Therefore, the efficiency of the anion exchange electrolyte membrane and the performance of the fuel cell having the same can be improved.

또한 고분자 전해질 막의 강성 구조(rigid structure)로 인해 물에서 낮은 용해도, 낮은 수분 흡수, 높은 전도도 특성, 및 열적 안정성을 나타낼 수 있다.
In addition, due to the rigid structure of the polymer electrolyte membrane, it may exhibit low solubility in water, low water absorption, high conductivity characteristics, and thermal stability.

<폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체><Poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer>

보다 구체적으로, 본 발명의 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체는 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.More specifically, the poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer of the present invention may be represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112012066699014-pat00005
Figure 112012066699014-pat00005

상기 식에서, Where

Ar1

Figure 112012066699014-pat00006
또는
Figure 112012066699014-pat00007
이고,Ar 1 is
Figure 112012066699014-pat00006
or
Figure 112012066699014-pat00007
ego,

E는 단일결합, O, S, C(=O), S(=O), S(=O)2, C(CH3)2, C(CF3)2, Si(CH3)2, P(=O)CH3 또는 C(=O)NH이고, E is a single bond, O, S, C (= O), S (= O), S (= O) 2, C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, Si (CH 3) 2, P and (= O) CH 3 or C (= O) NH,

Z1과 Z2는 서로 같거나 다르며, 각각 독립적으로 수소 또는 C1~C6의 알킬기이고, 상기 C1~C6 알킬기는 할로겐, 시아노기, 또는 설폰기로 치환될 수 있으며, Z 1 and Z 2 are the same or different from each other and each independently represents hydrogen or a C 1 -C 6 alkyl group, and the C 1 -C 6 alkyl group may be substituted with a halogen, a cyano group, or a sulfone group,

R은 C1~C6의 알킬아미노기이며, R is an alkyl group of C 1 ~ C 6,

R1 내지 R4는 서로 같거나 다르며, 각각 독립적으로 수소 또는 방향족기이며, 이들 중 2개 이상은 방향족기이고, 이때 2개 이상의 방향족기는 2개 이상의 4급 암모늄기로 치환되고,R 1 to R 4 are the same as or different from each other, and each independently hydrogen or an aromatic group, at least two of them are aromatic groups, wherein at least two aromatic groups are substituted with two or more quaternary ammonium groups,

x는 0.01 내지 1이고,x is 0.01 to 1,

m은 0.1 내지 0.9이고, n은 0.9 내지 0.1이다. m is 0.1 to 0.9, and n is 0.9 to 0.1.

여기서, 상기 방향족기는 C1~C6의 알킬기로 치환 또는 비치환된 페닐기, C1~C6의 알킬기로 치환 또는 비치환된 아릴기, C1~C6의 알킬기로 치환 또는 비치환된 헤테로아릴기, 또는 C1~C6의 알킬기로 치환 또는 비치환된 나프틸기가 가능하며, 바람직하기로 페닐기일 수 있다.Here, the aromatic group is C 1 ~ C a substituted or unsubstituted with an alkyl group of 6-substituted phenyl group, C 1 ~ C substituted with an alkyl group of 6 or unsubstituted aryl group, C 1 ~ substituted or unsubstituted heteroaryl with an alkyl group of C 6 An aryl group or a naphthyl group unsubstituted or substituted with a C 1 to C 6 alkyl group is possible, and preferably may be a phenyl group.

상기 화학식 1에서, 상기 R1 내지 R4는 음이온 교환기로서, 4개 모두가 방향족기이며, 이러한 4개의 방향족기가 4개 이상의 4급 암모늄기로 치환되는 것이 바람직하다. 특히, R1 내지 R4는 각각 독립적으로 4개 이상의 4급 수산화암모늄기로 치환된 페닐기인 것이 더욱 바람직하다. In Formula 1, R 1 to R 4 are anion exchange groups, and all four are aromatic groups, and these four aromatic groups are preferably substituted with four or more quaternary ammonium groups. In particular, it is more preferable that R 1 to R 4 are each independently a phenyl group substituted with four or more quaternary ammonium hydroxide groups.

가장 바람직하게는, E가 S(=O2)이고, Z1 및 Z2는 수소 원자이고, R은 CH2N(CH3)3이고, R1 내지 R4는 4~8 개의 4급 수산화암모늄기로 치환된 페닐기이고, x는 0.5이며, m은 0.5이고, n은 0.5이다. Most preferably, E is S (= O 2), Z 1 and Z 2 is a hydrogen atom, R is CH 2 N (CH 3) 3, and, R 1 to R 4 is 4 to 8 quaternary hydroxide A phenyl group substituted with an ammonium group, x is 0.5, m is 0.5 and n is 0.5.

또한, 4급 암모늄염기가 도입된 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체는 측쇄에 4~6개까지 도입될 수 있어, 4급 암모늄염기 도입을 위한 단량체를 과도하게 사용하지 않고도 단량체의 몰비 제어를 통해 달성할 수 있다.In addition, the poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer in which the quaternary ammonium base is introduced may be introduced into the side chain of 4 to 6, thereby controlling the molar ratio of the monomer without excessively using the monomer for introducing the quaternary ammonium base. Can be achieved.

본 발명에 따른 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체는 랜덤(random) 또는 블록(block) 공중합체일 수 있다. The poly (tetraphenylether) sulfone copolymer according to the present invention may be a random or block copolymer.

상기 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체는 제조단계에서 적절한 분자량을 갖도록 설계하며, 바람직하게는 중량평균 분자량(Mw)이 10,000~1,000,000 범위일 수 있다. 만약 상기 범위 미만이면 기계적 물성 및 화학적 안정성이 불충분하고 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 점도가 너무 높아져 취급이 곤란한 문제점이 있다.The poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer is designed to have an appropriate molecular weight in the manufacturing step, preferably the weight average molecular weight (Mw) may be in the range of 10,000 ~ 1,000,000. If the amount is less than the above range, the mechanical properties and the chemical stability are insufficient. On the other hand, if the amount is in excess of the above range, the viscosity becomes too high, which makes handling difficult.

본 발명에 따른 상기 화학식 1의 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물로 보다 구체화될 수 있다. 그러나 하기 화학식으로만 한정되는 것은 아니다. The compound of formula (1) according to the present invention may be further represented by the following formula (2). However, it is not limited to the following formulas.

Figure 112012066699014-pat00008
Figure 112012066699014-pat00008

상기 식에서, Where

m은 0.1 내지 0.9이고, n은 0.9 내지 0.1이다.
m is 0.1 to 0.9, and n is 0.9 to 0.1.

<폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체의 제조방법><Method for producing poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer>

본 발명에 따른 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체(PTPES)는 상기 반응식 1에 도시된 바와 같이, 폴리머 백본(backbone)에 멀티-페닐기를 함유하는 PTPES를 중축합 중합한 후, 클로로메틸화제와 루이스산 촉매를 사용하여 클로로메틸레이션 반응을 수행하여 테트라-클로로메틸화된(tetra-chloromethylated) PTPES를 제조하고, 4급 암모늄화(quaternization) 반응 및 알칼리 용액 처리에 의해 제조될 수 있다. 그러나 이에 의해서만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 공정의 단계가 변형되거나 선택적으로 혼용되어 수행될 수 있다.Poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer (PTPES) according to the present invention, as shown in Scheme 1, after the polycondensation polymerization of PTPES containing a multi-phenyl group in the polymer backbone, and the chloromethylating agent Tetra-chloromethylated PTPES can be prepared by carrying out a chloromethylation reaction using a Lewis acid catalyst, and prepared by quaternization reaction and alkaline solution treatment. However, the present invention is not limited thereto, and the steps of each process may be modified or selectively mixed if necessary.

상기 제조방법의 바람직한 일 실시예를 들면, (i) 화학식 3로 표시되는 멀티 페닐 단량체, 화학식 4의 디하이드록시 단량체, 화학식 5의 디할라이드 단량체를 중합하여 화학식 6으로 표시되는 중합체를 합성하는 단계; (ⅱ) 화학식 6의 중합체에 클로로메틸기를 도입하여 화학식 7의 중합체를 합성하는 단계; 및 (ⅲ) 화학식 7의 중합체를 4급 암모늄화(quarternization) 반응하고, 알칼리 용액으로 처리하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다. In one preferred embodiment of the above-described production method, there is provided a process for preparing a polymer represented by the formula (6) by polymerizing (i) a polyphenyl monomer represented by the formula (3), a dihydroxy monomer represented by the formula (4) and a dihalide monomer represented by the formula ; (Ii) synthesizing the polymer of Formula 7 by introducing a chloromethyl group into the polymer of Formula 6; And (iii) quaternary ammonization of the polymer of Formula 7 and treatment with alkaline solution.

상기 반응식 1을 참조하여, 본 발명의 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체 제조방법을 각 단계별로 나누어 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
Referring to Scheme 1, the poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer manufacturing method of the present invention will be described in more detail by dividing each step as follows.

(i) 폴리(테트라페닐에테르 설폰) [poly(tetra phenyl ether sulfone)s, PTPES]의 제조단계(i) preparing poly (tetra phenyl ether sulfone) s, PTPES]

상기 반응식 1에 도시된 바와 같이, 본 단계는 화학식 3로 표시되는 멀티 페닐 단량체, 화학식 4의 디하이드록시 단량체, 화학식 5의 디할라이드 단량체를 화학양론비를 고려하여 혼합한 후, 축중합 반응을 수행하여 화학식 6으로 표시되는 중합체를 합성하는 것이다. As shown in Reaction Scheme 1, this step can be carried out by mixing the polyphenyl monomers represented by the formula (3), the dihydroxy monomers represented by the formula (4) and the dihalide monomers represented by the formula (5) in consideration of the stoichiometric ratio, To synthesize the polymer represented by the formula (6).

상기 축중합 반응은 활성화 단계와 중합단계를 거치는 친핵성 치환반응을 통해 진행된다. 이러한 반응은 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적으로 알려진 반응조건으로 수행될 수 있으므로, 본 발명에서는 특별히 제한하지는 않는다.The condensation polymerization proceeds through a nucleophilic substitution reaction through an activation step and a polymerization step. Such a reaction can be carried out under reaction conditions generally known in the art to which the present invention belongs, and therefore, the present invention is not particularly limited thereto.

상기 화학식 3의 멀티 페닐 단량체는 멀티 페닐기를 포함하는 구조를 가진 화합물이라면 특별히 제한되지 않으나, 1,2-비스(4-히드록시벤젠)-3,4,5,6-테트라페닐벤젠 (BHPTPB)이 바람직하다. The polyphenyl monomer of Formula 3 is not particularly limited as long as it is a compound having a structure including a polyphenyl group, but 1,2-bis (4-hydroxybenzene) -3,4,5,6-tetraphenylbenzene (BHPTPB) .

상기 1,2-비스(4-히드록시벤젠)-3,4,5,6-테트라페닐벤젠 (BHPTPB)의 합성 과정은 하기 반응식 2에 도시된 바와 같이 제조될 수 있다. The synthesis of 1,2-bis (4-hydroxybenzene) -3,4,5,6-tetraphenylbenzene (BHPTPB) can be carried out as shown in Scheme 2 below.

일례로, 맥머리 커플링 반응(McMurry coupling reaction)에 의해 합성된 1,2-비스(4-메톡시벤젠)-에틸렌을 브롬화 반응하여 1,2-비스(4-메톡시벤젠)-1,2-디브로모에틸렌을 얻은 후, 이를 아세톤에서 트리에틸아민과의 처리에 의해 고수율의 1,2-비스(4-메톡시벤젠)-아세틸렌이 얻어질 수 있다. 이후 환류 온도에서 설포란에서 1,2-비스(4-메톡시벤젠)-아세틸렌과 테트라페닐시클로펜타디에논과의 딜스-알더(Diels-Alder) 반응을 통해 1,2-비스(4-메톡시벤젠)-3,4,5,6-테트라페닐벤젠(수율: 95%)을 수득한 후 이를 실온 디클로로메탄에서의 BBr3와의 히드록실화 반응을 수행함으로써, 1,2-비스(4-히드록시벤젠)-3,4,5,6-테트라-페닐벤젠을 얻을 수 있다. 그러나 상기 제조방법에 한정되지 않으며, 그 외 당 업계에 알려진 제조방법에 의해 제조될 수 있다.For example, bromination of 1,2-bis (4-methoxybenzene) -ethylene synthesized by a McMurry coupling reaction produces 1,2-bis (4-methoxybenzene) -1, After 2-dibromoethylene is obtained, a high yield of 1,2-bis (4-methoxybenzene) -acetylene can be obtained by treatment with acetone in the presence of triethylamine. (4-methoxybenzene) -acetylene and tetraphenylcyclopentadienone in a sulfolane at a reflux temperature, followed by a Diels-Alder reaction with 1,2-bis (4-methoxybenzene) Benzene) -3,4,5,6-tetraphenylbenzene (yield: 95%), which was then subjected to a hydroxylation reaction with BBr 3 in dichloromethane at room temperature to give 1,2- Roxybenzene) -3,4,5,6-tetra-phenylbenzene. However, it is not limited to the above-mentioned production method, but may be produced by other manufacturing methods known in the art.

또한 상기 화학식 4의 디하이드록시 단량체는 하기 예시된 화합물이 바람직하나, 이에 의해서만 한정되는 것은 아니다.The dihydroxy monomers of formula (4) are preferably exemplified by the following compounds, but are not limited thereto.

Figure 112012066699014-pat00009
Figure 112012066699014-pat00009

또한 상기 화학식 5의 디할라이드 단량체는 하기 예시된 화합물이 바람직하나, 이에 의해서만 한정되는 것은 아니다. The dihalide monomer of Formula 5 is preferably, but not limited to, the following compounds.

Figure 112012066699014-pat00010
Figure 112012066699014-pat00010

이때 화학식 3의 멀티페닐 단량체 1몰에 대하여 화학식 4의 디하이드록시 단량체 및 화학식 5의 디할라이드 단량체는 각각 0~1 몰 및 1~2몰로 반응할 수 있다. The dihydroxy monomer of formula (4) and the dihalide monomer of formula (5) may react with 0 to 1 mole and 1 to 2 mole, respectively, per mole of the polyphenyl monomer of formula (3).

상기 중합반응은 유기 용매 내에서 수행되는데, 반응물과 생성물을 잘 용해시킬 수 있는 것이라면 본 발명에서 특별히 제한하지 않는다. 일례로, 톨루엔, 디메틸아세트아마이드, N-메틸피롤리돈, 디메틸술폭사이드, 자이렌, 벤젠, n-부틸아세테이트, 메틸시클로헥산, 디메틸시클로헥산 및 이들의 혼합 용매가 가능하다.The polymerization reaction is carried out in an organic solvent and is not particularly limited in the present invention as long as it can dissolve reactants and products well. For example, toluene, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethylsulfoxide, xylene, benzene, n-butyl acetate, methylcyclohexane, dimethylcyclohexane and mixed solvents thereof are possible.

이때 축중합 반응을 용이하게 하기 위해 알칼리금속 염기하에서 반응이 진행될 수 있다. 상기 알칼리금속 염기로는 탄산칼륨, 탄산나트륨, 수산화나트륨, 또는 수산화칼슘이 바람직하다.
At this time, the reaction may proceed under an alkali metal base to facilitate the condensation polymerization reaction. The alkali metal base is preferably potassium carbonate, sodium carbonate, sodium hydroxide, or calcium hydroxide.

(ⅱ) 클로로메틸화(chloromethylation) 반응단계(Ii) chloromethylation reaction step

본 단계에서 중합체를 클로로메틸화시키는 이유는, 모노아민 또는 디아민에 의한 4급 암모늄화가 고분자 주쇄에 직접 일어나지 않고 클로로메틸 그룹과 모노아민과 디아민이 반응하여 음이온을 이동시킬 수 있는 4급 암모늄 그룹을 생성시키기 위해서이다. 이때 클로로메틸레이션 반응을 수행하면, 테트라-클로로메틸화된 PTPES 공중합체(tetra-chloromethylated PTPES)가 형성되는데, PTPES의 측쇄에 위치하는 테트라페닐 환들은 선택적으로 클로로메틸화되는 반면, 주쇄에서 설폰기들에 인접하는 페닐기들은 강한 전자끄는기(electron-withdrawing group)에 의해서 클로로메틸화 반응에 비활성화된다. The reason for the chloromethylation of the polymer in this step is that quaternary ammoniumation with monoamines or diamines does not occur directly in the polymer backbone, but the chloromethyl groups react with monoamines and diamines to produce quaternary ammonium groups that can transport anions. To do that. When the chloromethylation reaction is carried out, tetra-chloromethylated PTPES copolymer is formed. Tetraphenyl rings located in the side chain of PTPES are selectively chloromethylated, while adjacent to sulfone groups in the main chain. The phenyl groups are inactivated in the chloromethylation reaction by a strong electron-withdrawing group.

상기 단계에서는 전 단계에서 얻어진 PTPES 중합체가 함유된 고분자 용액에 클로로메틸화제를 첨가하여 프리델-크래프트 클로로메틸화 반응(Friedel-Crafts chloromethylation reaction)을 실시한다. 이때 클로로메틸화제 이외에 루이스산 촉매를 추가로 첨가하는 것이 바람직하다.In this step, a Friedel-Crafts chloromethylation reaction is performed by adding a chloromethylating agent to the polymer solution containing the PTPES polymer obtained in the previous step. At this time, it is preferable to further add a Lewis acid catalyst in addition to the chloromethylating agent.

상기 용매는 본 발명에서 합성된 고분자를 용해시킬 수 있으며, 이러한 고분자의 클로로메틸화 반응을 저해하지 않는 것을 사용할 수 있다. 사용 가능한 용매의 비제한적인 예로는, 1,1,2,2-테트라클로로에탄(TCE), 1,2-디클로로에탄(DCE), 또는 이들의 혼합물 등이 있다.The solvent may dissolve the polymer synthesized in the present invention, and may be used that does not inhibit the chloromethylation reaction of the polymer. Non-limiting examples of solvents that can be used include 1,1,2,2-tetrachloroethane (TCE), 1,2-dichloroethane (DCE), or mixtures thereof.

전술한 클로로메틸화 반응은 루이스산 촉매 존재 하에서, PTPES 화합물과 클로로메틸화제를 반응시키는 것이 바람직하다.In the aforementioned chloromethylation reaction, it is preferable to react the PTPES compound with the chloromethylating agent in the presence of a Lewis acid catalyst.

사용 가능한 클로로메틸화제의 비제한적인 예로는 클로로메틸메틸에테르, 클로로메틸에테르, 클로로메틸옥틸에트로 또는 이들의 1종 이상 혼합물 등이 있다.Non-limiting examples of chloromethylating agents that can be used include chloromethylmethyl ether, chloromethyl ether, chloromethyl octyl ether or mixtures of one or more thereof.

또한 사용 가능한 루이스산 촉매로는 ZnCl2 및 SOCl2로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 반응속도 및 클로로메틸화 반응의 수율을 고려하여 이들 모두를 혼용하는 것이 바람직하다.In addition, the Lewis acid catalyst may be one or more selected from the group consisting of ZnCl 2 and SOCl 2 , and it is preferable to use both of them in consideration of the reaction rate and the yield of the chloromethylation reaction.

고분자들의 프리델-크래프트 클로로메틸레이션 반응은 고분자의 농도, 클로로메틸메틸에테르, 루이스산 촉매의 종류 및 함량, 반응 시간 및 온도 등의 다양한 변수들에 의존한다. 본 발명에서는 반응 온도, 클로로메틸화제의 사용 비율 및 PTPES에 대한 루이스산 촉매의 양이 중요한 것이라는 것을 인식하였다. 이에 따라, 본 발명에서 ZnCl2 : SOCl2의 몰 비율은 1 : 3.6~4.0 범위가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1 : 3.6 이다. 또한 클로로메틸화제 : 화학식 6의 화합물의 몰 비율은 38~42 : 1 범위가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 40 : 1 이다. The Friedel-Craft chloromethylation reaction of the polymers depends on various variables such as the concentration of the polymer, chloromethylmethyl ether, type and content of Lewis acid catalyst, reaction time and temperature. The present invention has recognized that the reaction temperature, the rate of use of the chloromethylating agent and the amount of Lewis acid catalyst for PTPES are important. Accordingly, in the present invention, the molar ratio of ZnCl 2 : SOCl 2 is preferably in the range of 1: 3.6 to 4.0, more preferably 1: 3.6. In addition, the molar ratio of the chloromethylating agent: compound of formula 6 is preferably in the range of 38 to 42: 1, more preferably 40: 1.

또한 반응 온도는 30 내지 90℃ 범위인 것이 바람직하다. 반응 온도가 30℃ 미만인 경우 반응이 일어나지 않으며 90℃를 초과하는 경우 고분자의 자체 가교현상이 발생하여 반응이 불가능해진다. 또한 클로로메틸화 반응 시간은 1~6시간이 바람직하다. 1시간 이내에서는 클로로메틸화 반응이 미미하게 일어나며 6시간을 초과하는 경우 고분자의 자체 가교 현상이 현저해지기 때문이다.Moreover, it is preferable that reaction temperature is 30-90 degreeC range. If the reaction temperature is less than 30 ℃ does not occur the reaction, if it exceeds 90 ℃ self crosslinking of the polymer occurs and the reaction becomes impossible. In addition, the chloromethylation reaction time is preferably 1 to 6 hours. Chloromethylation reaction occurs in less than 1 hour and self-crosslinking of the polymer becomes remarkable when it exceeds 6 hours.

한편 상기에서 클로로메틸화 반응이 종료되면 클로로메틸화된 PTPES (CH2Cl-PTPES)를 탄소수 1~10개인 알코올 용매에 침지시켜 1회 이상의 수회로 세척한 다음 진공 하에서 건조하여 클로로메틸화된-PTPES (CH2Cl-PTPES)를 얻을 수 있다. 상기에서 탄소수 1 내지 10개인 알코올 용매의 일례로는 메탄올을 사용할 수 있다.On the other hand, when the chloromethylation reaction is completed, chloromethylated PTPES (CH 2 Cl-PTPES) is immersed in an alcohol solvent having 1 to 10 carbon atoms, washed one or more times, and then dried under vacuum to give chloromethylated-PTPES (CH 2 Cl-PTPES) can be obtained. As an example of the alcohol solvent having 1 to 10 carbon atoms, methanol may be used.

전술한 클로로메틸화 반응을 통해 제조된 클로로메틸화된 PTPES 공중합체는 상기 반응식 1에 도시된 화학식 7로 표시될 수 있다. The chloromethylated PTPES copolymer prepared through the chloromethylation reaction described above may be represented by Chemical Formula 7 shown in Scheme 1.

상기 화학식 7에서, R9 내지 R12는 서로 같거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 수소 또는 방향족기이며, 이들 중 적어도 2개는 방향족기이며, 적어도 2개의 방향족기는 2개 이상의 클로로메틸기로 치환된다. 바람직하게는 4개 모두가 방향족기이며, 이러한 4개의 방향족기(예컨대, 페닐기)가 4개 이상의 클로로메틸기로 치환되는 것이다.
In Formula 7, R 9 to R 12 are the same as or different from each other, and each independently hydrogen or an aromatic group, at least two of them are aromatic groups, and at least two aromatic groups are substituted with two or more chloromethyl groups. . Preferably all four are aromatic groups, and these four aromatic groups (eg, phenyl groups) are substituted with four or more chloromethyl groups.

(ⅲ) 4급 암모늄화(quarternization) 반응단계(Iii) quaternary ammoniumation reaction step

본 단계에서는 전 단계에서 클로로메틸화된 PTPES 공중합체를 용매에 용해시킨 후 아민을 첨가하여 아민화 반응을 실시한다.In this step, the chloromethylated PTPES copolymer is dissolved in a solvent in the previous step and then amine is added to carry out the amination reaction.

상기 단계에서 클로로메틸화된 PTPES 공중합체에 아민화 반응을 하는 이유는 고분자의 클로로메틸 그룹과 모노아민 또는 디아민이 반응하여 음이온을 이동시킬 수 있는 4급 암모늄기를 생성시키기 위해서이다. The reason for the amination reaction in the chloromethylated PTPES copolymer in this step is to produce a quaternary ammonium group capable of reacting the chloromethyl group of the polymer and monoamine or diamine to move anion.

전 단계에서 클로로메틸화된 PTPES 공중합체는 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO), N-메틸피롤리돈(NMP) 중에서 선택된 어느 하나의 용매에 첨가하여 클로로메틸화된 고분자가 1~40 wt%의 농도가 되도록 용해시킨다. In the previous step, the chloromethylated PTPES copolymer was added to any one solvent selected from dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO) and N-methylpyrrolidone (NMP). The methylated polymer is dissolved to a concentration of 1 to 40 wt%.

상기에서 클로로메틸화된 PTPES 공중합체의 아민화 반응은 클로로메틸화된 고분자가 용해된 용액에 디아민, 3급 모노아민 또는 디아민과 3급 모노아민의 혼합물을 첨가하여 아민화 반응을 실시할 수 있다.In the amination reaction of the chloromethylated PTPES copolymer, the amination reaction may be performed by adding diamine, tertiary monoamine or a mixture of diamine and tertiary monoamine to a solution in which chloromethylated polymer is dissolved.

사용 가능한 디아민의 비제한적인 예로는, 테트라메틸메탄디아민(N,N,N',N'-tetramethyl metanediamine), 테트라메틸에틸렌디아민(N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine), 테트라메틸-1,3-프로판디아민(N,N,N',N'-tetramethyl-1,3-propanediamine), 테트라메틸-1,4-부탄디아민(N,N,N',N'-tetramethyl-1,4-butanediamine), 테트라메틸-1,6-헥산디아민(N,N,N',N'- tetramethyl-1,6-hexanediamine) 또는 이들의 1종 이상 혼합물 등이 있다.Non-limiting examples of diamines that can be used include tetramethylmethanediamine (N, N, N ', N'-tetramethyl metanediamine), tetramethylethylenediamine (N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine), tetramethyl- 1,3-propanediamine (N, N, N ', N'-tetramethyl-1,3-propanediamine), tetramethyl-1,4-butanediamine (N, N, N', N'-tetramethyl-1, 4-butanediamine), tetramethyl-1,6-hexanediamine (N, N, N ', N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine) or mixtures of one or more thereof.

또한 사용 가능한 3급 모노아민의 비제한적인 예로는 트리메틸아민(Trimethylamine, TMA), 트리에틸아민(Triethylamine, TEA), 디에틸페닐아민(Diethylphenylamine), 또는 이들의 1종 이상의 혼합물 등이 있다.Non-limiting examples of tertiary monoamines that may be used also include trimethylamine (TMA), triethylamine (TEA), diethylphenylamine, or mixtures of one or more thereof.

상기 단계 (ⅲ)의 아민화 반응의 바람직한 일례를 들면, 클로로메틸화된 PTPES 공중합체가 용해된 용액에 클로로메틸화된 고분자 1몰에 대하여 디아민, 3급 모노아민 또는 디아민과 3급 모노아민의 혼합물 1~4몰을 첨가하고 35℃~90℃에서 1~100시간 동안 교반하거나 또는 침지하여 아민화 반응을 실시할 수 있다.
As a preferable example of the amination reaction of step (iii), diamine, tertiary monoamine or mixture of diamine and tertiary monoamine with respect to 1 mole of chloromethylated polymer in a solution in which chloromethylated PTPES copolymer is dissolved 1 An amination reaction may be performed by adding ˜4 mol and stirring or immersing at 35 ° C. to 90 ° C. for 1 to 100 hours.

(iv) 알칼리 용액 처리단계(iv) alkaline solution treatment step

본 단계에서는 상기 4급 암모늄화 반응된 PTPES 공중합체(PTPES-QAC)를 증류수로 세척한 후 알칼리 용액으로 처리하여 Cl- 음이온을 OH-로 이온 교환한 후 건조한다. After this step, the quaternary ammonium-forming reaction of PTPES copolymer (PTPES-QAC) was washed with distilled water and treated with an alkali solution Cl-dried after ion exchange with-an anion OH.

상기 단계에서 알칼리 용액으로 처리하는 이유는 아민화된 고분자 내의 4급 암모늄 그룹의 말단기를 수산기 이온으로 치환하여 향후 수산화 이온 전도도를 향상시키기 위해서이다. The reason for the treatment with the alkaline solution in this step is to replace the end group of the quaternary ammonium group in the aminated polymer with hydroxyl ions to improve the hydroxide ion conductivity in the future.

사용 가능한 알칼리 용액의 비제한적인 예로는, 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화리튬(LiOH) 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. 이때 알칼리 용액의 양은 특별히 제한되지 아니하나, 일례로 고분자 100 중량부에 대하여 0.1~1몰 알칼리 용액 5000~10000 중량부 범위일 수 있다. As a non-limiting example of the alkaline solution that can be used, any one selected from potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), and lithium hydroxide (LiOH) can be used. At this time, the amount of the alkali solution is not particularly limited, but may be, for example, in the range of 5000 to 10000 parts by weight of 0.1 to 1 molar alkali solution based on 100 parts by weight of the polymer.

상기 단계의 바람직한 일례를 들면, 전 단계에서 4급 암모늄화 반응된 PTPES 공중합체(PTPES-QAC)를 증류수에 침지시켜 1회 이상의 수회 동안 세척한 다음 진공 하에서 건조하고, 이후 알칼리 용액에서 20~70℃에서 0.1~200 시간 동안 침지 처리한 후 건조하여 상기 화학식 1로 표시되는 PTPES-QAH가 얻어지는 것이다. As a preferred example of the above step, the quaternary ammonium-reacted PTPES copolymer (PTPES-QAC) in the previous step is immersed in distilled water, washed one or more times several times and then dried under vacuum, and then in an alkaline solution 20 to 70 After immersion treatment at 0.1 ℃ for 200 hours and dried to obtain the PTPES-QAH represented by the formula (1).

필요에 따라, 전술한 PTPES-QAC를 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 글래스 기재 상에 성막한 후 이를 알칼리 용액에 침지처리할 수 있다. 이때 4급 암모늄염기가 막 내부로 도입하기 위해서, 성막된 막의 두께는 50 ㎛ 이하로 조절하는 것이 바람직하다.
If necessary, the above-described PTPES-QAC may be deposited on a glass substrate according to a conventional method known in the art, and then immersed in an alkaline solution. At this time, in order for the quaternary ammonium base to be introduced into the membrane, the thickness of the formed membrane is preferably adjusted to 50 μm or less.

<고분자 전해질막>Polymer electrolyte membrane

본 발명은 전술한 방법에 의해 제조된 4급 수산화암모늄염기가 포함되는 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체(PEPES-QAH)를 포함하는 고분자 전해질막을 포함한다. 여기서 상기 고분자 전해질막은 수산기(OH-) 이온을 선택적으로 투과시키는 역할을 하면서, 알칼리 수용액 또는 -OH기를 가져 OH- 이온을 이동 및 전달할 수 있는 음이온 교환 전해질 막인 것을 특징으로 한다. The present invention includes a polymer electrolyte membrane comprising a poly (tetraphenylether) sulfone copolymer (PEPES-QAH) containing a quaternary ammonium hydroxide base prepared by the method described above. Wherein said polymer electrolyte membrane hydroxyl (OH -) - to move the ions, and wherein the anion exchange membrane electrolyte that can pass and serves to selectively transmit ions, OH bring an alkali aqueous solution or -OH.

상기 고분자 전해질 막은 본 발명에 따른 상기 4급 수산화암모늄염기가 포함되는 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체(PTPES-QAH)를 이용하는 것을 제외하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 알려진 통상적인 방법으로 제조할 수 있다.The polymer electrolyte membrane may be prepared by a conventional method known in the art, except for using the poly (tetraphenylether) sulfone copolymer (PTPES-QAH) including the quaternary ammonium hydroxide base according to the present invention. Can be.

본 발명에 따른 고분자 전해질 막의 바람직한 제조방법의 일례를 들면, 상기 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체(PTPES-QAH)를 디메틸아크릴릭에시드(DMAc), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아마이드(DMF) 등의 유기용매에 용해시킨 후, 유리판에 캐스팅하고 80~160℃에서 12~36 시간 동안 건조하여 제조될 수 있다.As an example of a preferred method for producing a polymer electrolyte membrane according to the present invention, the poly (tetraphenylether) sulfone copolymer (PTPES-QAH) may be selected from dimethylacrylic acid (DMAc) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). After dissolving in an organic solvent, such as dimethylformamide (DMF), it can be produced by casting on a glass plate and dried for 12 to 36 hours at 80 ~ 160 ℃.

이때 본 발명에서는 전술한 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체(PTPES-QAH) 이외에, 본 발명이 속하는 기술분야에서 고분자 전해질 막 제조시 사용 가능한 통상적인 성분, 일례로 고분자, 무기물 또는 그 외 첨가제 등을 더욱 첨가할 수 있다.At this time, in the present invention, in addition to the poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer (PTPES-QAH) described above, conventional components that can be used in the preparation of a polymer electrolyte membrane in the technical field to which the present invention pertains, for example, polymers, inorganic materials or other additives, etc. Can be further added.

사용 가능한 고분자의 비제한적인 예로는, 폴리술폰, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리벤즈이미다졸계 폴리머 또는 이들의 1종 이상 혼합 형태 등이 있다. Non-limiting examples of polymers that can be used include polysulfones, polyetherketones, polyetheretherketones, polybenzimidazole-based polymers, or mixtures of one or more thereof.

또한 사용 가능한 무기물의 비제한적인 예로는, 실리카(SiO2), 티타니아(TiO2), 무기인산, 설폰화된 실리카, 설폰화된 지르코늄 산화물(ZrO), 설폰화된 지르코늄인산염(ZrP) 또는 이들이 1종 이상 혼용된 형태일 수 있다.Further non-limiting examples of inorganic materials usable are silica (SiO 2), titania (TiO 2), an inorganic acid, sulfonic silica, sulfonated zirconium oxide sulfonate (ZrO), sulfonated zirconium phosphate (ZrP), or they And may be in the form of a mixture of one or more species.

본 발명에서, 상기 고분자 전해질막은 다공성 지지체를 추가로 포함할 수 있으며, 이들의 성분은 당 분야에 알려진 통상적인 고분자 성분을 제한없이 사용할 수 있다. 일례로, 수지제의 직포, 부직포, 다공질 필름 등이 사용될 수 있으며, 보다 구체적인 예로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸펜텐 등의 폴리올레핀수지, 폴리테트라플로오르에틸렌, 폴리(테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌), 폴리불화비닐리덴 등의 불소계 수지 등의 열가소성 수지제 다공질 필름으로 이루어진 것을 사용할 수 있다. 필요에 따라, 상기 고분자 전해질막은 당업계에 알려진 음이온 교환기, 일례로 1~3급 아미노기, 피리딜기, 이미다졸기, 4급 피리디늄염기, 4급 이미다졸리움염기 등을 더 포함할 수도 있다.In the present invention, the polymer electrolyte membrane may further include a porous support, and these components may be used without limitation in a conventional polymer component known in the art. For example, a resin woven fabric, a nonwoven fabric, a porous film, or the like can be used. More specific examples thereof include polyolefin resins such as polyethylene, polypropylene, and polymethylpentene, polytetrafluoroethylene, poly (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene ), A fluorine resin such as polyvinylidene fluoride, or the like can be used. If necessary, the polymer electrolyte membrane may further include an anion exchange group known in the art, for example, 1 to 3 amino groups, pyridyl groups, imidazole groups, quaternary pyridinium bases, and quaternary imidazolium bases.

이때 전기 저항을 낮게 억제할 수 있고 지지막으로서 필요한 기계적 강도를 부여하는 관점에서, 상기 고분자 전해질막의 두께는 통상 5~200 ㎛의 범위가 바람직하고, 보다 바람직하게는 10~50 ㎛ 범위이다. The thickness of the polymer electrolyte membrane is usually in the range of 5 to 200 mu m, more preferably in the range of 10 to 50 mu m, from the viewpoint that the electrical resistance can be suppressed to a low level at this time and the mechanical strength required as the support film is given.

본 발명에 따른 고분자 전해질막은 1.31 ~ 2.00 meq./g 범위의 높은 이온 교환 능력(IEC), 실온에서 25.3-87.82%의 수분함량(WU) 범위와 높은 열적 안정성을 보여주었다. 프로톤 전도도는 종래 전형적인 하이드로카본 전해질막과 유사한 양상을 보여주었다. 이는 프로톤 전도도와 전해질막 함침이 모노머와 폴리머 매트릭스의 화학 구조에 현저히 의존한다는 것을 보여주는 것으로서, 본 발명에서는 우수한 음이온 전도성 용도로서 멀티-페닐 부착된 유니트(multi-phenyl pendant unit)를 함유하는 고분자 전해질막의 가능성을 검증한 것이다.The polymer electrolyte membrane according to the present invention showed a high ion exchange capacity (IEC) in the range of 1.31 to 2.00 meq./g, a water content (WU) range of 25.3-87.82% at room temperature, and high thermal stability. Proton conductivity was similar to that of conventional hydrocarbon electrolyte membranes. This shows that the proton conductivity and the electrolyte membrane impregnation are significantly dependent on the chemical structure of the monomer and the polymer matrix. In the present invention, the polymer electrolyte membrane containing the multi-phenyl pendant unit is used as an excellent anion conductivity. The possibility is verified.

한편, 본 발명에서는 전술한 고분자 전해질막을 알칼리형 연료전지의 음이온 고분자 전해질막으로 사용하는 것을 주로 설명하고 있으나, 그 외 당 업계에 알려진 통상적인 음이온 교환 수지, 음이온 교환막 등으로 제한없이 사용될 수 있다.
Meanwhile, the present invention mainly describes the use of the above-described polymer electrolyte membrane as an anionic polymer electrolyte membrane of an alkaline fuel cell, but can be used without limitation to conventional anion exchange resins and anion exchange membranes known in the art.

<막전극 접합체 (MEA)>Membrane Electrode Assembly (MEA)

본 발명은 애노드 전극(anode, 연료극), 캐소드 전극(cathode, 산소극), 및 양(兩) 전극 사이에 배치되며, 전술한 PTPES-QAH를 포함하는 고분자 전해질막을 포함하는 막전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly)을 제공한다.The present invention is disposed between an anode (anode), a cathode (cathode), and a positive electrode, the membrane electrode assembly (Membrane-) comprising a polymer electrolyte membrane containing the above-described PTPES-QAH Electrode Assembly).

상기 막전극 접합체는 고분자 전해질막 및 상기 고분자 전해질막의 양면에 각각 배치되는 양(兩) 전극을 포함하는데, 이때 양(兩) 전극은 각각 전극기재 및 상기 전극기재 표면에 형성된 촉매층을 포함한다.The membrane electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane. The both electrodes each include an electrode substrate and a catalyst layer formed on the surface of the electrode substrate.

캐소드 전극은 전극기재를 지나 캐소드 촉매층으로 전달된 산화제 및 애노드 전극으로부터 전달되는 전자를 수용하여 수산기(OH-) 이온을 생성시키는 환원반응을 일으키며, 애노드 전극은 전극기재를 통해 전달되는 연료와 음이온 고분자 전해질막을 통해 전달되는 수산기(OH-) 이온과 산화반응을 통해 전자를 방출하는 과정을 통해 전기 에너지가 발생한다.The cathode electrode receives a oxidant transferred from the electrode substrate to the cathode catalyst layer and electrons transferred from the anode electrode to cause a reduction reaction to generate hydroxyl (OH ) ions. The anode electrode is a fuel and anionic polymer delivered through the electrode substrate. the electric energy generated by the ions and the oxidation reaction in a process for emitting an electron-hydroxyl (OH) which is passed through an electrolyte membrane.

상기 촉매층은 일반적으로 연료 전지에서 애노드 촉매나 캐소드 촉매로 사용될 수 있는 전극 또는 금속 촉매를 제한없이 사용할 수 있다. 일례로, 상기 애노드 전극은 은(Ag), 은 합금, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금 (M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함할 수 있다. The catalyst layer can generally be an electrode or a metal catalyst which can be used as an anode catalyst or a cathode catalyst in a fuel cell. For example, the anode electrode may be formed of a material selected from the group consisting of Ag, silver alloy, platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or platinum- , At least one transition metal selected from Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn).

또한 음이온 교환막을 이용하기 때문에, 종래의 강산성의 양이온 교환막에서는 사용될 수 없었던 각종 금속 산화물을 전극촉매로서 이용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 산화 활성이 뛰어난 ABO3로 표현되는 페로브스카이트형 산화물 등도 바람직하게 사용될 수 있다. 일례로, LaMnO3, LaFeO3, LaCrO3, LaCoO3, LaNiO3 등 혹은 상기 A 위치의 일부를 Sr, Ca, Ba, Ce, Ag 등으로 부분 치환한 것, 또한, B 위치의 일부를 Pd, Pt, Ru, Ag 등으로 부분 치환한 페로브스카이트형 산화물 등도 전해 촉매로서 바람직하게 사용될 수 있다. 이때 전술한 금속 촉매들은 당 업계에 알려진 통상적인 담체에 담지된 형태로 사용될 수도 있다. In addition, since an anion exchange membrane is used, it is possible to use various metal oxides which could not be used in conventional strongly acidic cation exchange membranes as electrode catalysts. For example, a perovskite oxide represented by ABO 3 having excellent oxidation activity and the like can also be preferably used. For example, a partial substitution of LaMnO 3 , LaFeO 3 , LaCrO 3 , LaCoO 3 , LaNiO 3, etc. or a part of the A position with Sr, Ca, Ba, Ce, Ag, etc., and a part of the B position is Pd, Perovskite oxides partially substituted with Pt, Ru, Ag or the like can also be preferably used as the electrolytic catalyst. In this case, the above-described metal catalysts may be used in a form supported on a conventional carrier known in the art.

전극 기재는 연료 전지용 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 반응 가스를 확산시켜 촉매층으로 반응 기체가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 함과 더불어, 반응에 필요하거나, 반응 중 생성된 전자를 도전하는 기능을 한다. 상기 전극기재의 비제한적인 예로는, 탄소 페이퍼, 탄소 천(cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속 천 등이 있다. 또한 상기 전극 기재는 탄소 페이퍼나 탄소 천을 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 기체 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다. The electrode substrate plays a role of supporting the electrode for the fuel cell and diffusion of the reaction gas into the catalyst layer so that the reaction gas can be easily accessed to the catalyst layer and the function of conducting electrons generated in the reaction do. Non-limiting examples of the electrode substrate include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth. In addition, the use of the carbon fiber paper or the carbon cloth which is subjected to water repellency treatment with a fluorine-based resin can prevent the gas diffusion efficiency from being lowered by the water generated when the fuel cell is driven.

또한, 상기 애노드, 캐소드 전극은 전극 기재와 촉매층 사이에 기체 확산 효과를 더욱 증진시키기 위하여, 미세 기공층을 더욱 포함할 수도 있다. 상기 미세 기공층은 도전성 분말 물질, 바인더 및 필요에 따라 이온 전도성 물질을 도포하여 형성된다.
In addition, the anode and the cathode may further include a microporous layer for further enhancing the gas diffusion effect between the electrode substrate and the catalyst layer. The microporous layer is formed by applying a conductive powder material, a binder and, if necessary, an ion conductive material.

<알칼리형 연료전지><Alkali fuel cell>

본 발명에서는 전술한 막전극 접합체를 포함하는 연료전지, 바람직하게는 알칼리형 연료전지를 제공한다.The present invention provides a fuel cell, preferably an alkaline fuel cell, comprising the membrane electrode assembly described above.

여기서, 상기 연료전지는 당 업계에 알려진 통상적인 구성을 가질 수 있으며, 일례로 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통하여 전기를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 상기 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 상기 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부 및 세퍼레이터를 포함할 수 있다.Here, the fuel cell may have a conventional configuration known in the art, and may include at least one electricity generating unit that generates electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant. A fuel supply unit for supplying the fuel to the electricity generation unit; An oxidant supply unit for supplying the oxidant to the electricity generating unit, and a separator.

또한 상기 알칼리형 연료전지에 이용되는 각종 재료나 당해 접합체나 연료전지의 제조방법에는 제한이 없고, 종래 알칼리형 연료 전지에서 채택되고 있는 재료나 제조 방법이 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.
In addition, there are no limitations on the various materials used for the alkaline fuel cell, the manufacturing method of the assembly or the fuel cell, and the materials and manufacturing methods conventionally employed in the alkaline fuel cell can be used without particular limitation.

이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 보다 구체적으로 설명하겠는바,이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. It should be understood that these examples are for the purpose of illustrating the present invention more specifically, and the scope of the present invention is not limited to these examples. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited thereto.

<재료><Material>

본 발명의 합성예 및 실시예에서 사용되는 화학물질, 일례로 아연 분말, TiCl4, 피리딘, 4-메톡시벤즈알데히드, 브롬, 트리에틸아민(TEA), 탄산칼륨, 테트라페닐 시클로페닐디에논, 4,4'-디플루오로페닐설폰, 염화아연, 삼브롬화붕소, 비스(4-히드록시페닐)설폰[Bis(4-hydroxypenyl)sulfone], 티오닐 클로라이드(thionyl chloride), 수산화칼륨, 30% 트리메틸아민 용액(TMA), 1,1'2,2'-테트라클로로에탄, 소듐 설페이트, 페놀프탈레인, 클로로메틸메틸에테르, 염화나트륨, 설포란(sulfolane), 수산화칼륨, 수산화나트륨, 염산, 및 진한 황산은 알드리치 케미컬社(Aldrich Chemical)에서 구매하여 사용하였다. Chemicals used in the synthesis examples and examples of the present invention, for example zinc powder, TiCl 4 , pyridine, 4-methoxybenzaldehyde, bromine, triethylamine (TEA), potassium carbonate, tetraphenyl cyclophenyldienone, 4 , 4'-difluorophenylsulfone, zinc chloride, boron tribromide, bis (4-hydroxyphenylylsulfone), thionyl chloride, potassium hydroxide, 30% trimethyl Amine solution (TMA), 1,1'2,2'-tetrachloroethane, sodium sulfate, phenolphthalein, chloromethylmethylether, sodium chloride, sulfolane, potassium hydroxide, sodium hydroxide, hydrochloric acid, and concentrated sulfuric acid It was purchased from Chemical Company (Aldrich Chemical).

상용 등급의 NMP와 톨루엔은 칼슘하이드라이드 하에서 건조하였으며, 사용 전에 증류하였다. Commercial grade NMP and toluene were dried under calcium hydride and distilled before use.

또한 테트라하이드로퓨란(THF), 디클로로메탄, 헥산, 아세톤, 에탄올, 메탄올, 톨루엔, 에틸아세테이트, 디메틸설폭사이드, 물 등의 다른 상용 용매는 추가적인 정제 없이 사용하였다.
In addition, other commercial solvents such as tetrahydrofuran (THF), dichloromethane, hexane, acetone, ethanol, methanol, toluene, ethyl acetate, dimethylsulfoxide and water were used without further purification.

<합성예 1. 1,2-비스(4-히드록시벤젠)-3,4,5,6-테트라페닐벤젠 [1,2-bis(4-hydroxybenzene)-3,4,5,6-tetraphenylbenzene, BHPTPB]의 합성Synthesis Example 1. 1,2-bis (4-hydroxybenzene) -3,4,5,6-tetraphenylbenzene [1,2-bis (4-hydroxybenzene) -3,4,5,6-tetraphenylbenzene , BHPTPB] Synthesis

BHPTPB의 합성과정은 하기 반응식 2와 같다. The synthesis procedure of BHPTPB is shown in Reaction Scheme 2 below.

질소 분위기 하에서, 자석 교반기가 준비된 삼구 플라스크에 디클로로메탄 50mL에 함유된 1,2-비스(4-디메톡시벤젠)-3,4,5,6-테트라페닐벤젠 (18.6 mmol, 11.06.g)을 투입하였다. 여기에 BBr3 (44.64 mmol, 4.23mL)이 함유된 디클로로메탄 10 mL을 0℃에서 첨가하였다. 상기 용액을 아이스배스에서 냉각시키고 물로 quenching하였다. 그리고 에틸아세테이트와 1M 염산을 사용하여 층 분리하였으며, 수층은 에틸아세테이트로 추출하였다. 복합 유기 추출물은 소금물(brine)로 세척하였으며, Na2SO4를 이용하여 건조하고 농축하였다. In a nitrogen atmosphere, 1,2-bis (4-dimethoxybenzene) -3,4,5,6-tetraphenylbenzene (18.6 mmol, 11.06.g) contained in 50 mL of dichloromethane was added to a three-necked flask equipped with a magnetic stirrer. Input. To this was added 10 mL of dichloromethane containing BBr 3 (44.64 mmol, 4.23 mL) at 0 ° C. The solution was cooled in an ice bath and quenched with water. The layers were separated using ethyl acetate and 1M hydrochloric acid, and the aqueous layer was extracted with ethyl acetate. The combined organic extracts were washed with brine, dried over Na 2 SO 4 and concentrated.

이때 필요에 따라, 일반적인 워크업 작업이 진행될 수 있다. quenched 반응은 디클로로메탄으로 희석되었으며 1N NaOH로 2회 추출되었다. 수층은 진한 염산으로 산성화되었으며, 에틸아세테이트로 2회 추출되었다. 복합 유기층은 소금물로 세척되었으며, Na2SO4를 이용하여 건조된 후 농축되었다. At this time, if necessary, a general walk-up work can be performed. The quenched reaction was diluted with dichloromethane and extracted twice with 1N NaOH. The aqueous layer was acidified with concentrated hydrochloric acid and extracted twice with ethyl acetate. The composite organic layer was washed with brine, dried over Na 2 SO 4 and concentrated.

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure 112012066699014-pat00011

Figure 112012066699014-pat00011

<합성예 2. 폴리(테트라 페닐 에테르 설폰) [poly(tetra phenyl ether sulfone)s, PTPES]의 합성>Synthesis Example 2. Synthesis of poly (tetra phenyl ether sulfones), PTPES

전형적인 중축합 과정은 반응식 3과 같다.A typical polycondensation process is shown in Scheme 3.

딘-스타크 트랩(Dean-Stark trap), 응축기, 질소 주입구/출구 및 자석 교반기가 장착된 100mL의 삼구 플라스크에, 상기 합성예 1에서 제조된 모노머 1,2-비스(4-히드록시페닐)-3,4,5,6-테트라페닐-벤젠(BHPTPB) (0.73g, 1.28 mmol), 4,4'-디플루오로페닐설폰 (1.63g, 6.40 mmol), 비스(4-히드록시페닐)설폰 (1.28g, 5.12 mmol), K2CO3 (1.06g, 7.68 mmol), NMP (11mL)과 톨루엔 (6 mL)을 투입하였다. 상기 혼합물을 160-180℃에서 3시간 동안 환류시켰다. 얻어진 물이 클로로벤젠과 함께 공비혼합물이 된 후 상기 혼합물은 고점성 용액이 얻어질 때까지 210℃에서 약 1시간 동안 가열하였다. 이후 결과 혼합물을 냉각한 후 메탄올(100 mL)/물(100mL)/HCl(10mL) 혼합물에 부어 흰색 섬유상 고분자(white fibrous polymer)를 침전시켰다. 그 이후 필터링하여 고분자를 수집한 후 물로 세척하였다. 필터링에 의해 수집된 폴리머는 80℃에서 24시간 동안 진공오븐에서 건조되었다.Monomer 1,2-bis (4-hydroxyphenyl)-prepared in Synthesis Example 1 in a 100 mL three-necked flask equipped with a Dean-Stark trap, a condenser, a nitrogen inlet / outlet and a magnetic stirrer. 3,4,5,6-tetraphenyl-benzene (BHPTPB) (0.73 g, 1.28 mmol), 4,4'-difluorophenylsulfone (1.63 g, 6.40 mmol), bis (4-hydroxyphenyl) sulfone (1.28 g, 5.12 mmol), K 2 CO 3 (1.06 g, 7.68 mmol), NMP (11 mL) and toluene (6 mL) were added thereto. The mixture was refluxed at 160-180 [deg.] C for 3 hours. After the obtained water became an azeotrope with chlorobenzene, the mixture was heated at 210 ° C. for about 1 hour until a high viscosity solution was obtained. After cooling the resulting mixture was poured into a methanol (100 mL) / water (100 mL) / HCl (10 mL) mixture to precipitate a white fibrous polymer. After that, the polymer was collected by filtration and washed with water. The polymer collected by filtration was dried in a vacuum oven at 80 ° C. for 24 hours.

1H NMR (400 MHz, DMSO-d6), δ=ppm: 7.79-8.09 (d, 12 H, 3 ortho C6H2SO2C6H2), 7.17-7.31, 6.80-7.00 (d, 12 H, 3 meta C6H2SO2C6H2), 6.66-7.00 (m, 28 H, 4 C6H5 and 2 C6H4O), FT-IR : 1249 cm-1, 1026 cm-1, 690 cm-1 (stretching (O-S-O).
1 H NMR (400 MHz, DMSO-d 6 ), δ = ppm: 7.79-8.09 (d, 12 H, 3 ortho C 6 H 2 SO 2 C 6 H 2 ), 7.17-7.31, 6.80-7.00 (d, 12 H, 3 meta C 6 H 2 SO 2 C 6 H 2 ), 6.66-7.00 (m, 28 H, 4 C 6 H 5 and 2 C 6 H 4 O), FT-IR: 1249 cm -1 , 1026 cm -1 , 690 cm -1 (stretching (OSO).

<합성예 3. 클로로메틸레이티드 폴리(테트라 페닐 에테르 설폰)의 합성> (CHSynthesis Example 3 Synthesis of Chloromethylated Poly (Tetraphenyl Ether Sulfone) (CH 22 Cl-PTPES)Cl-PTPES)

PTPES의 클로로메틸레이션(chloromethylation) 과정은 응축기, 질소 주입구/출구 및 자석 교반기가 각각 장착된 100 mL의 삼구 둥근 바닥 플라스크에서 수행되었다. 상기 합성예 2에서 제조된 PTPES (1.00g, 1.89 mmol)이 함유된 1,1',2,2'-테트라클로로에탄 (20mL)에 염화아연 (0.51g, 3.78 mmol) 및 티오닐 클로라이드 (1.00mL, 13.70 mmol)을 실온에서 첨가하였다. 첨가 후, 클로로메틸에테르 (6.00 mL, 78.99 mmol)을 적가하면서 첨가하였으며, 이후 용액을 실온에서 12시간 동안 교반하였다. 클로로메틸레이티드된 PTPES (CH2Cl-PTPES)는 메탄올에서 침전되었으며, 탈이온수와 메탄올로 수 회 세척한 후 진공 오븐에서 80℃에서 24시간 동안 건조되었다. Chloromethylation of PTPES was carried out in a 100 mL three-neck round bottom flask equipped with a condenser, nitrogen inlet / outlet and magnetic stirrer, respectively. Zinc chloride (0.51 g, 3.78 mmol) and thionyl chloride (1.00) in 1,1 ', 2,2'-tetrachloroethane (20 mL) containing PTPES (1.00 g, 1.89 mmol) prepared in Synthesis Example 2 mL, 13.70 mmol) was added at room temperature. After addition, chloromethyl ether (6.00 mL, 78.99 mmol) was added dropwise, after which the solution was stirred at room temperature for 12 hours. Chloromethylated PTPES (CH 2 Cl-PTPES) was precipitated in methanol, washed several times with deionized water and methanol and dried in a vacuum oven at 80 ° C. for 24 hours.

1H NMR (400 MHz, DMSO-d6), δ=ppm: 7.79-8.09 (d, 12 H, 3 ortho C6H2SO2C6H2), 7.17-7.31, 6.80-7.00 (d, 12 H, 3 meta C6H2SO2C6H2), 6.64-7.02 (m, 24 H, 4 C6H4 and 2 C6H4O), 4.28-4.60 (d, 8 H, 4 -CH2Cl), FT-IR : 1249 cm-1, 1026 cm-1, 690 cm-1 (stretching (O-S-O). 1 H NMR (400 MHz, DMSO-d 6 ), δ = ppm: 7.79-8.09 (d, 12 H, 3 ortho C 6 H 2 SO 2 C 6 H 2 ), 7.17-7.31, 6.80-7.00 (d, 12 H, 3 meta C 6 H 2 SO 2 C 6 H 2 ), 6.64-7.02 (m, 24 H, 4 C 6 H 4 and 2 C 6 H 4 O), 4.28-4.60 (d, 8 H, 4 -CH 2 Cl), FT-IR: 1249 cm -1 , 1026 cm -1 , 690 cm -1 (stretching (OSO).

[반응식 3] Scheme 3

Figure 112012066699014-pat00012
Figure 112012066699014-pat00012

<실시예 1. 폴리(테트라 페닐 에테르 설폰)-(4급 암모늄 하이드록사이드) [PTPES-QAH 20]의 제조> Example 1.Preparation of Poly (tetra phenyl ether sulfone)-(quaternary ammonium hydroxide) [PTPES-QAH 20]>

상기 합성예 3에서 제조된 CH2Cl-PTPES를 4차 암모늄화(quarternization) 반응과 Cl-를 OH-로 이온 교환하여 PTPES-QAH 공중합체를 제조하였다. CH 2 Cl-PTPES prepared in Synthesis Example 3 was subjected to quaternary ammonization (quarternization) reaction and Cl was exchanged with OH to prepare a PTPES-QAH copolymer.

보다 구체적으로, CH2Cl-PTPES를 디메틸설폭사이드(DMSO)에 용해하여 10 wt% 용액을 제조하였다. 상기 용액을 유리 플레이트에 약 50 ㎛ 이하의 두께로 캐스트법으로 도포한 후 100℃에서 24시간 동안 건조하였다. 이때 두께가 50 ㎛를 초과하는 필름은 4급 염화암모늄염기가 막 내부로 침투하지 못한다. 캐스팅된 전해질막은 30 wt% 트리메틸아민 (TMA) 용액에 실온에서 48시간 동안 침지하여 4급 염화암모늄염기가 전해질막 내부로 투입되도록 하였다. 이때 전해질막 두께는 50 ㎛ 이하가 되도록 조절하였다 (< 50 ㎛). 이러한 고분자 전해질막은 강하고 소량 함침된 형태가 된다. 폴리머 내의 Cl- 음이온을 OH-으로 교환하기 위해서, PTPES-QAC 전해질막을 1M KOH 용액에 48 시간 동안 담가둔 후, 잔류하는 물의 pH가 중성이 될 때까지 증류수로 수 회 세척하였다(PTPES-QAH 20). More specifically, CH 2 Cl-PTPES was dissolved in dimethylsulfoxide (DMSO) to prepare a 10 wt% solution. The solution was cast on a glass plate with a thickness of about 50 μm or less and then dried at 100 ° C. for 24 hours. In this case, the film having a thickness greater than 50 μm may not penetrate into the membrane. The cast electrolyte membrane was immersed in 30 wt% trimethylamine (TMA) solution at room temperature for 48 hours to allow quaternary ammonium chloride base to be introduced into the electrolyte membrane. At this time, the electrolyte membrane thickness was adjusted to be 50 μm or less (<50 μm). The polymer electrolyte membrane is in a strong and small amount impregnated form. To exchange Cl anions in the polymer with OH , the PTPES-QAC electrolyte membrane was immersed in 1M KOH solution for 48 hours and then washed several times with distilled water until the pH of the remaining water became neutral (PTPES-QAH 20 ).

1H NMR (400 MHz, DMSO-d6), δ=ppm: 7.75-8.15 (d, 12 H, 3 ortho C6H2SO2C6H2), 6.70-7.31 (b, 12 H, 3 meta C6H2SO2C6H2), 6.70-7.31 (b, 24 H, 4 C6H4 and 2 C6H4O), 5.98-6.08 (b, 4 H, 4 OH-), 4.18-4.59 (b, 8 H, 4 -CH2-N(CH3)3), 2.58-3.08 (b, 36 H, 4 -CH2-N(CH3)3), FT-IR : 1249 cm-1, 1026 cm-1, 690 cm-1 (stretching (O-S-O), (b, -OH near +N(CH3)3).
1 H NMR (400 MHz, DMSO-d 6 ), δ = ppm: 7.75-8.15 (d, 12 H, 3 ortho C 6 H 2 SO 2 C 6 H 2 ), 6.70-7.31 (b, 12 H, 3 meta C 6 H 2 SO 2 C 6 H 2 ), 6.70-7.31 (b, 24 H, 4 C 6 H 4 and 2 C 6 H 4 O), 5.98-6.08 (b, 4 H, 4 OH ), 4.18-4.59 (b, 8H, 4 -CH 2 -N (CH 3 ) 3 ), 2.58-3.08 (b, 36H, 4 -CH 2 -N (CH 3 ) 3 ), FT-IR: 1249 cm -1 , 1026 cm -1 , 690 cm -1 (stretching (OSO), (b, -OH near + N (CH 3 ) 3 ).

<실시예 2. 폴리(테트라 페닐 에테르 설폰)-(4급 암모늄 하이드록사이드) [PTPES-QAH 15]의 제조> Example 2. Preparation of poly (tetra phenyl ether sulfone)-(quaternary ammonium hydroxide) [PTPES-QAH 15]

폴리(테트라 페닐 에테르 설폰) (PTPES) 제조시, 합성예 1에서 제조된 모노머 1,2-비스(4-히드록시페닐)-3,4,5,6-테트라페닐-벤젠(BHPTPB) (0.54g, 0.96 mmol), 4,4'-디플루오로페닐설폰 (1.63g, 6.40 mmol), 비스(4-히드록시페닐)설폰 (1.36g, 5.45 mmol), K2CO3 (1.06g, 7.68 mmol), NMP (11mL)과 톨루엔 (6 mL)을 투입하고, 상기 혼합물을 160-180℃에서 3시간 동안 환류시켜 제조한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 상기 표제 공중합체(PTPES-QAH 15)를 제조하였다.
Monomer 1,2-bis (4-hydroxyphenyl) -3,4,5,6-tetraphenyl-benzene (BHPTPB) (0.54) prepared in Synthesis Example 1 in the preparation of poly (tetra phenyl ether sulfone) (PTPES) g, 0.96 mmol), 4,4'-difluorophenylsulfone (1.63g, 6.40 mmol), bis (4-hydroxyphenyl) sulfone (1.36g, 5.45 mmol), K 2 CO 3 (1.06g, 7.68 mmol), NMP (11 mL) and toluene (6 mL) were added, and the title aerial was carried out in the same manner as in Example 1, except that the mixture was prepared by refluxing at 160-180 ° C. for 3 hours. Copolymer (PTPES-QAH 15) was prepared.

<실시예 3. 폴리(테트라 페닐 에테르 설폰)-(4급 암모늄 하이드록사이드) [PTPES-QAH 25]의 제조> Example 3. Preparation of Poly (tetra phenyl ether sulfone)-(quaternary ammonium hydroxide) [PTPES-QAH 25]>

폴리(테트라 페닐 에테르 설폰) (PTPES) 제조시, 합성예 1에서 제조된 모노머 1,2-비스(4-히드록시페닐)-3,4,5,6-테트라페닐-벤젠(BHPTPB) (0.90g, 1.60 mmol), 4,4'-디플루오로페닐설폰 (1.63g, 6.40 mmol), 비스(4-히드록시페닐)설폰 (1.20g, 4.80 mmol), K2CO3 (1.06g, 7.68 mmol), NMP (11mL)과 톨루엔 (6 mL)을 투입하고, 상기 혼합물을 160-180℃에서 3시간 동안 환류시켜 제조한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 상기 표제 공중합체(PTPTES-QAH 25)를 제조하였다.
Monomer 1,2-bis (4-hydroxyphenyl) -3,4,5,6-tetraphenyl-benzene (BHPTPB) (0.90) prepared in Synthesis Example 1 when preparing poly (tetra phenyl ether sulfone) (PTPES) g, 1.60 mmol), 4,4'-difluorophenylsulfone (1.63g, 6.40 mmol), bis (4-hydroxyphenyl) sulfone (1.20g, 4.80 mmol), K 2 CO 3 (1.06g, 7.68 mmol), NMP (11 mL) and toluene (6 mL) were added, and the title aerial was carried out in the same manner as in Example 1, except that the mixture was prepared by refluxing at 160-180 ° C. for 3 hours. Copolymer (PTPTES-QAH 25) was prepared.

<전해질막의 물성 측정방법 및 측정 기기><Measurement method and measuring device of electrolyte membrane>

본 발명에서 합성된 공중합체의 물성은 각각 FT-IR, 1H-NMR 분광학, 열무게분석(TGA), 프로톤 전도도, 수분 흡수, 및 이온 교환 능력(IEC)으로 평가 및 측정되었다. The physical properties of the copolymers synthesized in the present invention were evaluated and measured by FT-IR, 1 H-NMR spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA), proton conductivity, water absorption, and ion exchange ability (IEC), respectively.

참고로, 클로로메틸화된 PTPES 및 PTPES-QAH에서 CH2Cl기의 존재는 1H-NMR에 의해 입증되었다. 또한 PTPES-QAH (15, 20, 25 mol% of BHPTPB)에서 다른 함량의 암모늄 유니트는 FT-IR, 1H-NMR 분광학, 열무게분석(TGA)에 의해 측정되었다. 흡수 실험들은 PTPES-QAH와 물 간의 상호작용을 관찰하였다. 아울러, PTPES-QAH의 이온 교환 능력과 프로톤 전도도는 서로 다른 4급 암모늄화(quaternization) 레벨로 평가되었다.
For reference, the presence of CH 2 Cl groups in chloromethylated PTPES and PTPES-QAH was demonstrated by 1 H-NMR. In addition, different amounts of ammonium units in PTPES-QAH (15, 20, 25 mol% of BHPTPB) were determined by FT-IR, 1 H-NMR spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA). Absorption experiments observed the interaction between PTPES-QAH and water. In addition, the ion exchange capacity and proton conductivity of PTPES-QAH were evaluated at different quaternization levels.

1) 폴리머의 구조는 Fourier Transform infrared (FT-IR) 분광학으로 검증하였다. 측정은 얇은 균일 캐스트 필름(thin homogeneous cast films)을 가진 MIDAC FT-IR 분광기를 사용하여 기록되었다.
1) The structure of the polymer was verified by Fourier Transform infrared (FT-IR) spectroscopy. Measurements were recorded using a MIDAC FT-IR spectrometer with thin homogeneous cast films.

2) 1 H NMR 스펙트럼은 Bruker DRX (400 MHz) 분광기로 측정되었으며, 용매와 내부 표준물질로서 DMSO-d6 와 테트라메틸실란 (TMS)를 각각 사용하였다.
2) 1 H NMR spectra were measured with a Bruker DRX (400 MHz) spectrometer, using DMSO-d6 and tetramethylsilane (TMS) as solvents and internal standards.

3) 열무게 측정분석(TGA)은 Perkin-Elmer TGA7 분석기로 수행되었다. 전해질막은 100℃, 24시간 동안 진공 건조되었으며, 무게를 측정하고 실온의 탈이온수에 담가두고 80℃에서 24 시간 동안 방치하였다. 함침된 상태의 전해질막을 건조하기 위해 세척한 후 신속히 무게를 다시 측정하였다. 전해질막의 수분 흡수는 다음과 같이 중량 퍼센트(weight percent)로 기록되었다. 3) Thermogravimetric analysis (TGA) was performed with a Perkin-Elmer TGA7 analyzer. The electrolyte membrane was vacuum dried for 24 hours at 100 ° C., weighed, soaked in deionized water at room temperature, and left at 80 ° C. for 24 hours. The electrolyte membrane in the impregnated state was washed to dry and then quickly weighed again. Water absorption of the electrolyte membrane was recorded as weight percent as follows.

수분 흡수 (water uptake) = {(Wwet - Wdry) / Wdry} × 100% Water uptake = {(W wet - W dry ) / W dry } × 100%

여기서, Wwet and Wdry는 각각 젖은 상태와 마른 상태의 전해질막의 중량을 의미한다.
Here, W wet and W dry mean the weight of the electrolyte membrane in a wet state and a dry state, respectively.

4) 이온 교환 능력(ion exchange capacity, IEC): 폴리전해질(polyelectrolyte)의 IEC는 적정(titration)에 의해서 결정되었다. PTPES-QAH 전해질막 (in OH- form)을 표준 염산 용액 (0.10M, 25 mL)에 48 시간 동안 담가두었으며, 상기 용액을 페놀프탈레인(PP) 지시약이 포함된 수산화칼륨(0.10M) 표준용액으로 적정하였다. 상기 전해질막은 세척되었으며, 탈이온수에 24시간 동안 담가 잔류하는 HCl을 제거하였다. 이후 진공상태에서 50℃, 24 시간 동안 건조한 후 무게를 측정하여 건조질량 (dry mass, in Cl- form)를 결정하였다. 전해질막의 IEC는 하기와 같이 계산되었다: 4) ion exchange capacity (IEC): The IEC of polyelectrolytes was determined by titration. The PTPES-QAH electrolyte membrane (in OH - form) was immersed in a standard hydrochloric acid solution (0.10M, 25 mL) for 48 hours, and the solution was prepared with potassium hydroxide (0.10M) standard solution containing phenolphthalein (PP) indicator. Titration. The electrolyte membrane was washed and soaked in deionized water for 24 hours to remove residual HCl. After drying in a vacuum at 50 ℃ for 24 hours, the weight was measured to determine the dry mass (dry mass, in Cl - form). The IEC of the electrolyte membrane was calculated as follows:

IEC (meq./g) = (표준 염산 용액 농도) - (적정된 KOH 용액 농도) / 건조된 전해질막의 질량
IEC (meq./g) = (standard hydrochloric acid solution concentration)-(qualified KOH solution concentration) / mass of dried electrolyte membrane

5) 프로톤 전도도: 전해질막의 프로톤 전도도는 Bekktech membrane & single-cell test systems (BT-512)를 사용하는 전기화학적 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)으로 측정된 전해질막 저항도로부터 결정되었다. 이때 100% 습도 조건하에서 40℃, 60℃, 80℃에서 진행되었다. EIS는 개방회로 조건에서 작은 교류전압 (10mV)를 인가하여 진행되었으며, 교류전압의 주파수(the frequency of the alternating voltage)를 1×105 부터 1Hz까지 변화시켰다.
5) Proton Conductivity: The proton conductivity of the electrolyte membrane was determined from the electrolyte membrane resistance measured by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) using Bekktech membrane & single-cell test systems (BT-512). At this time, it proceeded at 40 ℃, 60 ℃, 80 ℃ under 100% humidity conditions. EIS proceeded by applying small AC voltage (10mV) under open circuit condition, and changed the frequency of the alternating voltage from 1 × 10 5 to 1Hz.

<실험예 1. PTPES-QAH 전해질막의 구조 및 물성 평가>Experimental Example 1. Evaluation of Structure and Physical Properties of PTPES-QAH Electrolyte Membrane>

1. 구조 검증 (1. Structure verification ( 1One H NMR)H NMR)

(1) PTPES의 구조 ((1) structure of PTPES ( 1One H NMR)H NMR)

폴리(테트라 페닐 에테르 설폰)의 시리즈인 PTPES 15, 20 및 25는 K2CO3-촉매화된 방향족 친핵성 치환반응(K2CO3-catalyzed aromatic nucleophilic substitution reaction)을 통해 성공적으로 합성되었으며, 멀티-페닐모노머인 BHPTPB와 4,4'-디플루오로페닐설폰 및 비스(4-히드록시페닐)설폰을 NMP/톨루엔에서 145℃에서 6시간 동안 가열하여 물을 제거한 후 200℃에서 2시간 동안 가열하여 고점성의 반응 혼합물을 얻었다. BHPTPB의 feed mole ratio (공급 몰 분율)는 4급 암모늄화(quaternization)가 다른 정도를 가진 폴리머를 제조하기 위해서 다양화되었다. PTPES의 구조는 1H NMR에 의해서 결정되었다. Poly (tetramethylene ether sulfone) series PTPES 15, 20 and 25 K 2 CO 3 in - was successfully synthesized by using a catalyzed aromatic nucleophilic substitution reaction (K 2 CO 3 -catalyzed nucleophilic aromatic substitution reaction), multi- -Phenylmonomer BHPTPB and 4,4'-difluorophenylsulfone and bis (4-hydroxyphenyl) sulfone were heated in NMP / toluene at 145 ° C. for 6 hours to remove water and then heated at 200 ° C. for 2 hours. To obtain a highly viscous reaction mixture. The feed mole ratio (feed mole fraction) of BHPTPB was varied to produce polymers with different degrees of quaternization. The structure of PTPES was determined by 1 H NMR.

도 1(a)에서, 설폰의 ortho protons의 Ha 피크들은 7.95-8.09 ppm에서 나타났으며, hepta 페닐 모이어티에 인접하는 설폰의 ortho protons의 Hb, Hc 피크들은 7.79-7.95ppm 에서 나타났는데, 이는 페닐환의 전자 공여 효과(electron donating effect) 때문이다. 설폰의 metha protons의 Hd 피크들은 7.17-7.31 ppm에서 나타났으며, 헵타-페닐 모이어티에 인접하는 설폰의 ortho protons의 He 피크들은 6.80-7.00 ppm 에서 나타났다. 헵타 페닐 프로폰들의 Hf 피크들은 6.66-7.00 ppm에서 각각 나타났다. Ha, Hb, Hc 및 Hd의 통합 비율(the integration ratios)들은 공중합체의 각 구성성분의 몰 비율로 검증되었다. FT-IR 연구에서, O-S-O stretching 피크는 1249 cm-1, 1026 cm-1, 690 cm-1에서 관찰되었다 (도 2 참조).
In FIG. 1 (a), the H a peaks of ortho protons of sulfone were found at 7.95-8.09 ppm, and the H b and H c peaks of ortho protons of sulfone adjacent to the hepta phenyl moiety were found at 7.79-7.95 ppm. This is because of the electron donating effect of the phenyl ring. H d peaks of metha protons of sulfone were found at 7.17-7.31 ppm and H e peaks of ortho protons of sulfone adjacent to the hepta-phenyl moiety were found at 6.80-7.00 ppm. H f peaks of hepta phenyl propones were found at 6.66-7.00 ppm, respectively. H a, H b, H c, and H d integration ratio of (the integration ratios) have been verified in a molar ratio of constituent components of the copolymer. In the FT-IR study, OSO stretching peaks were observed at 1249 cm −1 , 1026 cm −1 , and 690 cm −1 (see FIG. 2).

(2) CH(2) CH 22 Cl-PTPES의 구조 검증 (Structure Verification of Cl-PTPES ( 1One H NMR)H NMR)

클로로메틸화된 폴리(테트라 페닐 에테르 설폰) 공중합체(CH2Cl-PTPES)는 프리델-크래프트 클로로메틸레이션 반응(Friedel-Crafts chloromethylation reaction)에 의해 제조되었다. 고분자들의 프리델-크래프트 클로로메틸레이션 반응은 고분자의 농도, 클로로메틸메틸에테르, 루이스산 촉매(염화아연 및 염화티오닐)의 종류 및 함량, 반응 시간 및 온도 등의 다양한 변수들로부터 주의깊게 검증되어야 한다. 우리는 반응온도와 클로로메틸메틸에테르의 비율 및 PTPES에 대한 루이스산 촉매의 양이 중요한 것이라는 것을 알았다. 30℃, 염화아연과 염화티오닐의 혼합물 (mole ratio of 1 : 3.6), 클로로메틸메틸에테르: PTPES의 40:1 몰 비율이 젤(gelation) 형성이 없는 가장 효과적인 조건이라는 것으로 반응은 종료되었다. 단일 루이스산 촉매 조건하에서, 반응은 느렸으며 클로로메틸레이션이 미흡하였다. Chloromethylated poly (tetra phenyl ether sulfone) copolymer (CH 2 Cl-PTPES) was prepared by Friedel-Crafts chloromethylation reaction. The Friedel-Craft chloromethylation reaction of polymers should be carefully validated from various variables such as the concentration of the polymer, the type and content of chloromethylmethyl ether, Lewis acid catalysts (zinc chloride and thionyl chloride), reaction time and temperature, etc. . We found that the reaction temperature, the ratio of chloromethylmethyl ether and the amount of Lewis acid catalyst for PTPES were important. The reaction was terminated with 30 ° C., a mixture of zinc chloride and thionyl chloride (mole ratio of 1: 3.6), and a 40: 1 molar ratio of chloromethylmethylether: PTPES being the most effective condition without gelation. Under single Lewis acid catalyst conditions, the reaction was slow and lacked chloromethylation.

CH2Cl-PTPES의 구조는 1H NMR에 의해 검증하였다. The structure of CH 2 Cl-PTPES was verified by 1 H NMR.

하기 도 1(b)에서, 설폰의 ortho protons의 Ha 피크들은 7.93-8.09 ppm에 나타났으며, 클로로메틸화된 hepta phenyl 모이어티에 인접하는 설폰의 ortho protons의 Hb, Hc 피크들은 7.75-7.93 ppm에서 나타났는데, 이는 페닐환이 전자 공여효과 때문이다. 설폰의 metha protons의 Hd 피크들은 7.20-7.31 ppm에서 나타났으며, 클로로메틸화된 hepta-phenyl 모이어티에 인접하는 설폰의 ortho protons의 He 피크들은 6.60-7.10 ppm에서 나타났다. 클로로메틸화된 hepta-phenyl protons의 Hf 피크들은 7.10-7.20과 6.60-7.10 ppm에서 각각 나타났다. 클로로메틸기의 메틸렌 프로톤의 Hg 피크들은 4.28-4.60 ppm에서 새롭게 나타났다. 클로로메틸레이션 수율은, 최적화된 반응 조건하에서 헵타 페닐기에서의 5-positional 프로톤들로 선정되는, (6.60-8.09 ppm)에서의 전체 페닐의 프로톤 대비 (4.28-4.60 ppm)에서의 클로로메틸기의 메틸렌 프로톤의 전체 비율(integral ratio)로부터 예측되었다. FT-IR 연구에서, O-S-O 스트레칭 피크는 1249 cm-1, 1026 cm-1, 690 cm-1에서 관찰되었다(도 2 참조).
In Figure 1 (b) below, the H a peaks of ortho protons of sulfone are found at 7.93-8.09 ppm, and the H b and H c peaks of ortho protons of sulfone adjacent to the chloromethylated hepta phenyl moiety are 7.75-7.93 It was found in ppm because of the electron donating effect of the phenyl ring. The H d peaks of the metha protons of sulfone were found at 7.20-7.31 ppm and the H e peaks of the ortho protons of sulfone adjacent to the chloromethylated hepta-phenyl moiety were found at 6.60-7.10 ppm. H f peaks of chloromethylated hepta-phenyl protons were found at 7.10-7.20 and 6.60-7.10 ppm, respectively. The Hg peaks of the methylene protons of the chloromethyl group appeared new at 4.28-4.60 ppm. Chloromethylation yield is selected from 5-positional protons in hepta phenyl group under optimized reaction conditions, methylene protons of chloromethyl group at (4.28-4.60 ppm) versus protons of total phenyl at (6.60-8.09 ppm) It was predicted from the integral ratio of. In the FT-IR study, OSO stretching peaks were observed at 1249 cm −1 , 1026 cm −1 , 690 cm −1 (see FIG. 2).

(3) PTPES-QAH의 구조 검증 ((3) Verification of the structure of PTPES-QAH ( 1One H NMR)H NMR)

실시예 1에서 제조된 PTPES-QAH의 구조는 1H NMR에서 검증되었다. The structure of PTPES-QAH prepared in Example 1 was verified by 1 H NMR.

도 1(c)에서, CH2Cl-PTPES의 프로톤들의 Ha~Hf 피크들은 같은 위치에서 브로드하게 나타났다. 이때, 피크 (Hh, 2.58-3.08 ppm, 36 H, 4 N(CH3)3)의 출현은 클로로메틸기가 4급 암모늄기로 변형되었음을 의미한다. 피크 (Hg, 4.18-4.59 ppm, 8 H, 4 -CH2-N(CH3)3) 대비 피크 (Hh, 2.58-3.08 ppm, 36 H, 4 N(CH3)3)의 크기 비 (intensity ratio)는 2 : 9에 가까운 경향을 보였는데, 이러한 수는 최초 메틸렌기에서의 수소 원자와 새롭게 결합된 4급 암모늄기의 수소원자의 비율과 잘 맞는다. 보다 상세하게, 기능기의 손실을 초래하는 Hoffmann degradation reaction을 회피하기 위한 가장 중요한 특징인, 4급 암모니아기 주위에 지방족 beta 수소 원자가 없다는 것이다. 또한 이러한 결과는 클로로메틸기가 4급 암모늄기로 변환이 거의 완료되었음을 의미한다. 그리고 하이드록사이드 음이온(OH-)의 Hi 피크들은 5.98-6.08 ppm에서 관찰될 수 있다. In FIG. 1 (c), the H a to H f peaks of the protons of CH 2 Cl-PTPES appeared broad at the same location. At this time, the appearance of a peak (H h , 2.58-3.08 ppm, 36 H, 4 N (CH 3 ) 3 ) means that the chloromethyl group was modified to a quaternary ammonium group. Size ratio of peak (H h , 2.58-3.08 ppm, 36 H, 4 N (CH 3 ) 3 ) to peak (H g , 4.18-4.59 ppm, 8 H, 4 -CH 2 -N (CH 3 ) 3 ) (intensity ratio) tended to be close to 2: 9, which is in good agreement with the ratio of the hydrogen atoms of the first methylene group to the hydrogen atoms of the newly bonded quaternary ammonium group. More specifically, there is no aliphatic beta hydrogen atom around the quaternary ammonia group, which is the most important feature for avoiding the Hoffmann degradation reaction leading to loss of functional groups. These results also indicate that the conversion of chloromethyl groups to quaternary ammonium groups is nearly complete. And H i peaks of the hydroxide anion (OH ) can be observed at 5.98-6.08 ppm.

FT-IR 연구에서, 1249 cm-1, 1026 cm-1, 및 690 cm-1 에서의 흡수 특성은 stretching vibration (O-S-O) 인 것으로 보여지며, C=O stretching peak는 1710 cm-1에서 관찰될 수 있었다. 3500 cm-1에서 브로드한 피크는 황산과 황산 기를 둘러싼 물 분자의 -OH로 보여진다(하기 도 2 참조). 이러한 결과들은 PTPES-QAH의 구조로 이해된다.
In the FT-IR study, the absorption characteristics at 1249 cm -1 , 1026 cm -1 , and 690 cm -1 are shown to be stretching vibration (OSO), and C = O stretching peaks can be observed at 1710 cm -1 . there was. The broad peak at 3500 cm −1 is shown as —OH of the water molecule surrounding sulfuric acid and sulfuric acid groups (see FIG. 2 below). These results are understood as the structure of PTPES-QAH.

2. PTPES-QAH의 열무게 분석 평가2. Evaluation of Thermogravimetric Analysis of PTPES-QAH

합성예 2 및 실시예 1에서 각각 제조된 PTPES 및 PTPES-QAH의 열적-산화 안정성을 열무게 분석(TGA)을 사용하여 평가하였다. 이들의 결과는 하기 도 3 및 도 4에 도시되었다. Thermal-oxidation stability of PTPES and PTPES-QAH prepared in Synthesis Example 2 and Example 1, respectively, was evaluated using thermogravimetric analysis (TGA). Their results are shown in Figures 3 and 4 below.

PTPES 공중합체는 450℃ 까지 열적으로 안정하였으며, 결과 알칼리 폴리머들은 대기 조건하에서 우수한 고온 열적 안정성을 보여주었다. 50-160℃ 범위의 초기 중량 손실은 PTPES-QAH로부터 잔류 용매(DMSO) 및 수분 방출로 기인된다. 180℃ 이상에서의 2차 중량 손실은 메틸 4급 암모늄염기와 클로로메틸기의 분해로 기인된다. 450℃에서의 3차 중량 손실은 폴리머 주쇄의 분해로 기인된다.
The PTPES copolymer was thermally stable up to 450 ° C. and the resulting alkali polymers showed good high temperature thermal stability under atmospheric conditions. Initial weight loss in the 50-160 ° C. range is due to residual solvent (DMSO) and water release from PTPES-QAH. Secondary weight loss above 180 ° C. is due to decomposition of the methyl quaternary ammonium base and chloromethyl groups. The third weight loss at 450 ° C. is due to the decomposition of the polymer backbone.

3. PTPES-QAH의 이온 교환 능력(IEC) 평가3. Ion Exchange Capability (IEC) Evaluation of PTPES-QAH

PTPES-QAH 공중합체는 DMSO, DMAc, 및 NMP 등의 반양성자성 극성 용매에 용해되며, DMSO 용액을 캐스팅하여 연황색 투명 필름을 형성한다. 4급 수산화암모늄염기를 서로 다른 정도로 포함하는 PTPES-QAH는 프로톤 전도도에 영향을 주는 이온 교환 능력(IEC)를 결정하는 주쇄 내에 투입되는 모노머 BHPTPB의 함량으로서 제조되었다. 4급화(Quaternization) 정도는 이온 교환 능력의 형태로 표현된다 (IEC: meq./g). The PTPES-QAH copolymer is dissolved in semiprotic polar solvents such as DMSO, DMAc, and NMP, and the DMSO solution is cast to form a pale yellow transparent film. PTPES-QAH containing quaternary ammonium hydroxide bases to different degrees was prepared as the amount of monomer BHPTPB introduced into the backbone to determine the ion exchange capacity (IEC) affecting proton conductivity. The degree of quaternization is expressed in the form of ion exchange capacity (IEC: meq./g).

폴리머에 도입되는 4급 수산화암모늄 기의 수적 증가는 그들의 이온 전도도를 향상시킬 뿐만 아니라 폴리머를 보다 친수성으로 만든다. 알칼리 연료전지(AFC)에 적합한 전해질막을 얻기 위해서는, 기계적 형태를 유지하면서 적합한 프로톤 전도도를 제공하기 위해 충분한 4급 암모늄 하이드록사이드기를 가져야 한다. The increase in the number of quaternary ammonium hydroxide groups introduced into the polymer not only improves their ionic conductivity but also makes the polymer more hydrophilic. In order to obtain an electrolyte membrane suitable for an alkaline fuel cell (AFC), it must have sufficient quaternary ammonium hydroxide groups to provide suitable proton conductivity while maintaining the mechanical form.

하기 도 5에 도시된 바와 같이, PTPES-QAH의 이온 교환 능력(IEC)은 각각 1.31, 1.57, 2.00 meq./g. 이었다. 또한 4급 수산화암모늄기의 퍼센트를 증가시키기 위해서, PTPES-QAH 전해질막의 IEC는 증가되었다. 이론적 IECs 및 적정된 IECs는 이상적으로 일치하는 형태를 보여주었다 (표 1 참조).As shown in FIG. 5 below, the ion exchange capacity (IEC) of PTPES-QAH was 1.31, 1.57, 2.00 meq./g. . Also, to increase the percentage of quaternary ammonium hydroxide groups, the IEC of the PTPES-QAH electrolyte membrane was increased. Theoretical and titrated IECs ideally matched the form (see Table 1).

폴리머Polymer PTPES-QAH 15PTPES-QAH 15
(실시예2)(Example 2)
PTPES-QAH 20PTPES-QAH 20
(실시예1)(Example 1)
PTPES-QAH 25PTPES-QAH 25
(실시예3)(Example 3)
이론 IEC (meq./g)Theory IEC (meq./g) 1.301.30 1.621.62 1.911.91 적정 IEC (meq./g)Proper IEC (meq./g) 1.311.31 1.571.57 2.002.00 수분 함량(WU)
at 30℃ (%)
Moisture Content (WU)
at 30 ℃ (%)
25.3025.30 45.4745.47 87.8287.82
수분 함량 (WU)
at 80℃ (%)
Moisture Content (WU)
at 80 ℃ (%)
38.6538.65 53.9053.90 116.45116.45
Δt (%)Δ t (%) 24.2524.25 33.0533.05 62.6862.68 Δl (%)Δ 1 (%) 28.8528.85 39.2539.25 73.5473.54 이온 전도도 (mS/cm)Ion conductivity (mS / cm) 9.119.11 13.3013.30 19.5519.55 ※프로톤 전도도는 100% RH, 80℃에서 측정됨. ※ Proton conductivity is measured at 100% RH, 80 ℃.

4. 4. PTPESPTPES -- QAHQAH 의 수분 함량(Water content ( WUWU ) 평가) evaluation

도 5는 실온 및 80℃에서 4급 암모늄화(quaternization) 정도를 함수화한 것으로서, PTPES-QAH 전해질막의 수분 흡수(WU)를 보여준다. IEC가 1.31에서 2.00 meq./g으로 증가하는 PTPES-QAH 전해질막에서, 수분 함량은 실온에서 25.3%로부터 87.82%로 증가되었으며, 80℃에서 38.65%에서 116.45%로 증가되었다. FIG. 5 shows the water absorption (WU) of the PTPES-QAH electrolyte membrane as a function of the degree of quaternization at room temperature and 80 ° C. FIG. In PTPES-QAH electrolyte membranes where the IEC increased from 1.31 to 2.00 meq./g, the water content increased from 25.3% to 87.82% at room temperature and from 38.65% to 116.45% at 80 ° C.

수분 함량(WU)은 이온 교환 능력(IEC)에 크게 의존하고 있으며, 따라서 암모늄기 당 흡수된 물 분자들의 수 (the number of sorbed water molecules per ammonium group, λ)는 폴리머 구조 및 WU 사이의 연관관계를 평가할 수 있도록 사용된다. λ는 하기 수학식 1로부터 계산될 수 있다. The water content (WU) is highly dependent on the ion exchange capacity (IEC), so the number of sorbed water molecules per ammonium group (λ) is related to the polymer structure and WU. It is used for evaluation. λ can be calculated from Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

λ = (10 × WU)/(IEC × 18)λ = (10 × WU) / (IEC × 18)

PTPES 물에서, λ는 80℃에서 16.4~32.3 범위이다. 높은 정도의 DH (degree of hydroxide)는 전해질막을 보다 친수성으로 이끌고, 가소제 역할을 하는 물로 수화시킨다. 높은 IEC를 가진 PTPES-QAH 전해질막은 주로 전해질막들의 높은 수분 함량을 야기하며, 나아가 전해질막에서의 큰 치수 변화로 인해 기계적 물성 저하를 초래한다. PTPES-QAH 전해질막들의 치수 변화들은 그들의 수화 상태와 건조 상태를 비교함으로써 평가될 수 있다. In PTPES water, λ ranges from 16.4 to 3.33 at 80 ° C. A high degree of degree of hydroxide (DH) makes the electrolyte membrane more hydrophilic and hydrates it with water, which acts as a plasticizer. PTPES-QAH electrolyte membranes with high IEC mainly result in high moisture content of the electrolyte membranes, and furthermore, mechanical properties decrease due to large dimensional change in the electrolyte membranes. Dimensional changes of PTPES-QAH electrolyte membranes can be evaluated by comparing their hydration and dry conditions.

80℃의 물에서 전해질막 함침의 through-plane과 in-plane (Δt 및 Δl, 각각)은 표 1에서 요약될 수 있다. 이때 주목할 사항은, 모든 PTPES-QAH 전해질막들은 Δt 보다 Δl이 더 큰 전해질막 함침 형태를 보여준다는 것이다. 높은 프로톤 전도성을 가진 through-plane의 작은 변화는 PEMFC 스택이 작동되는 동안 치수 안정성을 유지하는 데 바람직한 양상이다. 측쇄 설포네이트된 폴리머 전해질막들은 보고되었으며, 이들은 in plane 보다 두께 방향에서 더 큰 치수 변화를 갖는 비등방성 전해질막 함침(anisotropic membrane swelling)을 보여주었다. 이는 그들의 유연한 측쇄와 견고한 주쇄 구조 때문이다. 그리고 또한 주쇄에서 유연한 에테르 결합은 고분자 사슬의 정렬을 방해하기 쉽기 때문에, 견고한 체인 전해질막 보다 더 큰 비등방성 전해질막의 함침도를 나타낸다.
The through-plane and in-plane (Δt and Δl, respectively) of electrolyte membrane impregnation in water at 80 ° C. can be summarized in Table 1. It should be noted that all PTPES-QAH electrolyte membranes show an electrolyte membrane impregnation pattern with Δl larger than Δt. Small changes in through-plane with high proton conductivity are desirable aspects to maintain dimensional stability while the PEMFC stack is operating. Side chain sulfonated polymer electrolyte membranes have been reported, showing anisotropic membrane swelling with larger dimensional changes in thickness direction than in plane. This is due to their flexible side chains and solid backbone structure. And also flexible ether bonds in the main chain tend to interfere with the alignment of the polymer chains, resulting in a greater degree of impregnation of the anisotropic electrolyte membrane than the rigid chain electrolyte membrane.

5. PTPES-QAH의 이온 전도도 평가5. Evaluation of Ionic Conductivity of PTPES-QAH

PTPES-QAH 시리즈의 이온 전도도는 수산화암모늄 유니트의 몰 분율 함수로서 측정되었다(도 6 참조). Ionic conductivity of the PTPES-QAH series was measured as a mole fraction function of ammonium hydroxide units (see FIG. 6).

예상한 바와 같이, 수산화암모늄의 함량이 15%에서 25%가 증가됨에 따라 폴리머들의 이온 전도도 역시 증가하였다. 결과적으로, PTPES-QAH 전해질막들은 100% 습도 하에서 80℃에서 9.10-19.55 mS/cm 범위를 나타냈으며, 수산화암모늄의 정도가 증가함에 따라 이온 교환 능력(IEC)이 증가하였다. PTPES-QAH의 전도도 값과 다른 물성들은 종래 보고된 APEFCs와 비교하여 볼 때, 연료 전지의 성능면을 고려할 때 유용하게 사용될 것으로 인정된다. As expected, the ionic conductivity of the polymers also increased as the ammonium hydroxide content increased from 15% to 25%. As a result, the PTPES-QAH electrolyte membranes showed a range of 9.10-19.55 mS / cm at 80 ° C under 100% humidity, and the ion exchange capacity (IEC) increased as the degree of ammonium hydroxide increased. The conductivity values and other properties of PTPES-QAH are considered to be useful when considering the performance aspects of fuel cells compared to previously reported APEFCs.

Claims (16)

하기 화학식 1로 표시되는 반복단위체 내에 4급 수산화암모늄기가 포함되는 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체:
[화학식 1]
Figure 112012066699014-pat00013

상기 식에서,
Ar1
Figure 112012066699014-pat00014
또는
Figure 112012066699014-pat00015
이고,
E는 단일결합, O, S, C(=O), S(=O), S(=O)2, C(CH3)2, C(CF3)2, Si(CH3)2, P(=O)CH3 또는 C(=O)NH이고,
Z1과 Z2는 서로 같거나 다르며, 각각 독립적으로 수소 또는 C1~C6의 알킬기이고, 상기 C1~C6 알킬기는 할로겐, 시아노기 또는 설폰기로 치환될 수 있으며,
R은 C1~C6의 알킬아미노기이며,
R1 내지 R4는 서로 같거나 다르며, 각각 독립적으로 수소 또는 방향족기로서, 이들 중 2개 이상은 방향족기이고, 상기 R1 내지 R4는 2개 이상의 4급 수산화암모늄기로 치환되고,
x는 0.01 내지 1이고,
m은 0.1 내지 0.9이고, n은 0.9 내지 0.1이다.
Poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer containing a quaternary ammonium hydroxide group in the repeating unit represented by the following formula (1):
[Chemical Formula 1]
Figure 112012066699014-pat00013

In this formula,
Ar 1 is
Figure 112012066699014-pat00014
or
Figure 112012066699014-pat00015
ego,
E is a single bond, O, S, C (= O), S (= O), S (= O) 2, C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, Si (CH 3) 2, P and (= O) CH 3 or C (= O) NH,
Z 1 and Z 2 are different from or equal to each other, and each independently hydrogen or an alkyl group of C 1 ~ C 6, said C 1 ~ C 6 alkyl group may be substituted with a halogen, a cyano group or a sulfone,
R is an alkyl group of C 1 ~ C 6,
R 1 to R 4 are the same as or different from each other, and each independently hydrogen or an aromatic group, two or more of them are aromatic groups, and R 1 to R 4 are substituted with two or more quaternary ammonium hydroxide groups,
x is 0.01 to 1,
m is 0.1 to 0.9, and n is 0.9 to 0.1.
제1항에 있어서, 상기 R1 내지 R4는 4개 이상의 4급 수산화암모늄기로 치환된 페닐기인 것을 특징으로 하는 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체.The poly (tetraphenylether) sulfone copolymer according to claim 1, wherein R 1 to R 4 are phenyl groups substituted with four or more quaternary ammonium hydroxide groups. 제1항에 있어서, 상기 E는 S(=O2)이고, Z1 및 Z2는 수소 원자이고, R은 CH2N(CH3)3이고, R1 내지 R4는 4~8 개의 4급 수산화암모늄기로 치환된 페닐기이고, x는 0.5이며, m은 0.1~0.9이고, n은 0.9~0.1인 것을 특징으로 하는 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체.2. The method of claim 1, wherein E is S (= O 2), and, Z 1 and Z 2 is a hydrogen atom, R is CH 2 N (CH 3) 3, and, R 1 to R 4 is 4 to 8 4 A poly (tetraphenylether) sulfone copolymer, wherein phenyl is substituted with a class ammonium hydroxide group, x is 0.5, m is from 0.1 to 0.9, and n is from 0.9 to 0.1. 제1항에 있어서, 상기 공중합체는 하기 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 하는 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체.
[화학식 2]
Figure 112012066699014-pat00016

상기 식에서,
m은 0.1 내지 0.9이며, n은 0.9 내지 0.1이다.
The poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer according to claim 1, wherein the copolymer is represented by the following Chemical Formula 2.
(2)
Figure 112012066699014-pat00016

In this formula,
m is 0.1 to 0.9, and n is 0.9 to 0.1.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체를 포함하는 고분자 전해질막.A polymer electrolyte membrane comprising the poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer according to any one of claims 1 to 4. 제5항에 있어서, 수산기(OH-) 이온을 전도하는 음이온 교환 전해질 막인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막. According to claim 5, wherein the hydroxyl group (OH -) anion exchange electrolyte membrane for conducting the ionic polymer electrolyte membrane according to claim. 제5항에 있어서, 상기 전해질막은 폴리술폰, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 및 폴리벤즈이미다졸계 폴리머로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.The polymer electrolyte membrane of Claim 5, wherein the electrolyte membrane further comprises at least one polymer selected from the group consisting of polysulfone, polyether ketone, polyether ether ketone, and polybenzimidazole-based polymer. 제5항에 있어서, 상기 전해질막은 실리카(SiO2), 티타니아(TiO2), 무기인산, 설폰화된 실리카, 설폰화된 지르코늄 산화물(ZrO), 및 설폰화된 지르코늄인산염(ZrP)으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 무기물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막. 6. The method of claim 5, the group consisting of the electrolyte membrane of silica (SiO 2), titania (TiO 2), an inorganic acid, sulfonated silica, sulfonated zirconium oxide (ZrO), and set the zirconium phosphate (ZrP) sulfonate Wherein the polymer electrolyte membrane further comprises at least one inorganic substance selected from the group consisting of an alkali metal salt and an alkali metal salt. 제5항에 있어서, 상기 전해질막은 다공성 지지체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막. The polymer electrolyte membrane according to claim 5, wherein the electrolyte membrane further comprises a porous support. 제5항의 고분자 전해질막을 포함하는 막전극 접합체(MEA).A membrane electrode assembly (MEA) comprising the polymer electrolyte membrane of claim 5. 제5항의 고분자 전해질막을 구비하는 연료전지.A fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 5. 제11항에 있어서, 상기 연료전지는 알칼리형 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료전지.12. The fuel cell of claim 11, wherein the fuel cell is an alkaline fuel cell. (i) 화학식 3로 표시되는 멀티 페닐 단량체, 화학식 4의 디하이드록시 단량체, 화학식 5의 디할라이드 단량체를 중합하여 화학식 6으로 표시되는 중합체를 합성하는 단계;
(ⅱ) 화학식 6의 중합체를 클로로메틸화 반응하여 화학식 7의 중합체를 합성하는 단계; 및
(ⅲ) 화학식 7의 중합체를 4급 암모늄화(quarternization) 반응하고, 알칼리 용액으로 처리하는 단계
를 포함하는 화학식 1로 표시되는 폴리(테트라페닐에테르)설폰 공중합체의 제조방법:
[반응식 1]
Figure 112012066699014-pat00017

상기 반응식 1에서,
X는 F, Cl, Br, 또는 I이고,
R5 내지 R8은 서로 같거나 다르며, 각각 독립적으로 수소 또는 방향족 기로서, 이들 중 적어도 2개는 방향족기이고,
R9 내지 R12는 서로 같거나 다르며, 각각 독립적으로 수소 또는 방향족 기로서, 이들 중 적어도 2개는 방향족기이며, 상기 R9 내지 R12는 2개 이상의 클로로메틸기로 치환되고,
Y는 클로로메틸기(CH2Cl)이고,
Ar1, R1 내지 R4, R, x, m, n은 제1항에서 정의된 바와 같다.
(i) polymerizing a polymer represented by Formula 6 by polymerizing a multiphenyl monomer represented by Formula 3, a dihydroxy monomer of Formula 4, and a dihalide monomer of Formula 5;
(Ii) chloromethylating the polymer of Formula 6 to synthesize a polymer of Formula 7; And
(Iii) quaternary ammoniumation of the polymer of formula (7) and treatment with alkaline solution
Method for producing a poly (tetraphenyl ether) sulfone copolymer represented by the formula (1) comprising:
[Reaction Scheme 1]
Figure 112012066699014-pat00017

In the above Reaction Scheme 1,
X is F, Cl, Br, or I,
R 5 to R 8 are the same or different from each other and each independently represents hydrogen or an aromatic group, at least two of them are aromatic groups,
R 9 to R 12 are the same as or different from each other, and each independently hydrogen or an aromatic group, at least two of which are aromatic groups, and R 9 to R 12 are substituted with two or more chloromethyl groups,
Y is a chloromethyl group (CH 2 Cl),
Ar 1 , R 1 to R 4 , R, x, m, n are as defined in claim 1.
제13항에 있어서, 상기 R5 내지 R8은 모두 페닐기인 것을 특징으로 하는 제조방법. The method according to claim 13, wherein all of R 5 to R 8 are phenyl groups. 제13항에 있어서, 상기 단계 (ⅱ)는 ZnCl2 및 SOCl2로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 루이스산 촉매 존재하에서, 화학식 6의 화합물과 클로로메틸화제를 30 내지 90℃ 에서 클로로메틸화 반응하는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 13, wherein step (ii) is carried out in the presence of at least one Lewis acid catalyst selected from the group consisting of ZnCl 2 and SOCl 2 , chloromethylating the compound of formula 6 with a chloromethylating agent at 30 to 90 ° C. Characterized in the manufacturing method. 제15항에 있어서, ZnCl2 : SOCl2의 몰 비율은 1 : 3.6~4.0 범위이며, 클로로메틸화제 : 화학식 6의 화합물의 몰 비율은 38~42 : 1 범위인 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 15, wherein the molar ratio of ZnCl 2 : SOCl 2 is in the range of 1: 3.6 to 4.0, and the molar ratio of the chloromethylating agent to the compound of formula 6 is in the range of 38 to 42: 1.
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논문2: ELECTROCHIMICA ACTA *
논문3: PROGRESS IN POLYMER SCIENCE *
논문4: JOURNAL OF MEMBRANE SCIENCE *

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KR20140025008A (en) 2014-03-04

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