KR101508325B1

KR101508325B1 - 연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 화합물 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101508325B1
Application number: KR20130032275A
Authority: KR
Inventors: 이영무; 이소영; 신동원; 이강혁
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2015-04-07
Also published as: KR20140117761A

Abstract

본 발명은 연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 화합물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 화합물 및 이의 제조방법에 따라 제조된 화합물을 사용하여 연료전지를 제조하게 되면 치수 안정성, 열적 안정성, 기계적 특성, 가수분해 안정성, 화학적 안정성 및 수소이온 전도도 등이 향상된 연료전지의 제공이 가능하다. 또한 이를 통해 연료전지의 수명을 향상시키게 된다.

Description

연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 화합물 및 이의 제조방법{Compound comprising polymer electrolyte membrane and preparation method thereof}

본 발명은 연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 화합물 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 화학적 안정성 및 치수 안정성이 향상된 연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 화합물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

연료전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 시스템이다.

연료전지 시스템의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료전지, 직접 산화형 연료전지가 있다. 이중 상기 고분자 전해질형 연료전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서 출력 밀도 및 에너지 전환 효율이 높고, 상온에서 작동이 가능하며 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전기 시스템, 이동통신 장비의 휴대용 전원, 군사용 장비 등의 분야에 폭넓게 사용이 가능하다.

연료전지는 외부로부터 연료(환원제)와 산소 또는 공기(산화제)를 연속적으로 공급하고, 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 취출하는 장치이다. 이러한 연료전지는 그 작동 온도, 사용 연료의 종류, 용도 등으로 분류하는 것도 있지만, 최근에는, 주로 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고체 산화물형 연료전지(SOFC), 용융 탄산염형 연료전지(MCFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEFC), 알칼리 수용액형 연료전지(AFC)의 5종류로 분류되는 것이 일반적이다.

이들 연료전지는 메탄 등에서 생성된 수소 가스를 연료로 하는 것이지만, 최근에는 연료로서 메탄올 수용액을 직접 이용하는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC)도 알려져 있다.

이와 같은 연료전지 중에서 고체 고분자막을 2종류의 전극에 끼워 넣고, 다시 이들 부재를 세퍼레이터에 끼운 구성의 고체 고분자형 연료전지(이하, 고분자 전해질형 연료전지, 또는 PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell이라고도 한다)가 주목받고 있다.

이 PEFC는 고체 고분자막의 양측에 공기극(산소극), 연료극(수소극) 등의 전극을 배치하여 단위 셀을 구성하고, 이 단위셀의 양측을 연료전지용 세퍼레이터에 끼운 구성으로 되어 있다.

상기의 PEFC에서는, 연료(수소)와 산화제(공기)가 직접 반응하지 않도록, 이들을 격리하고, 또한 연료극에서 생성하는 수소 이온(프로톤)을 공기극측까지 운반할 필요가 있다.

상온(1O0℃ 이하)에서 작동하고，고체의 고분자막 중을 프로톤이 운동하는 연료전지에서는, 이온 교환기로서 술폰산기를 갖는 퍼-플루오로 카본 술폰산 구조를 갖는 박막(두께 50㎛ 정도)을 고체 고분자막으로서 사용할 수 있어，콤팩트한 전지를 만들 수 있다.

한편 종래 이미드 계열의 연료전지용 고분자 전해질 막은 에테르 결합으로서 술폰화 폴리이미드를 주로 채택하였으나, 이들은 산화 안정성 및 가수분해 안정성이 매우 낮아 치수 안정성 및 화학적 안정성을 유지하면서 장기적인 전지 성능을 보이기가 어렵다는 문제점이 있었다. 이에 관련된 선행기술문헌(특허문헌 1)으로서 대한민국 공개특허 제2001-0095213호는 술폰산기 또는 이의 전구체를 가진 퍼플루오로카본 중합체 및 피브릴화될 수 있는 플루오로카본 중합체의 혼합물을 막으로 형성시키고, 생성된 막의 한 면 이상을 신장용 보조 필름에 적층시키고, 가열하에서 막 및 보조 필름의 적층물을 신장하는 것으로 이루어지는 고체 고분자형 연료전지용 전해질 막의 제조방법에 관해 개시되어 있다.

특허문헌 1. 대한민국 공개특허 제2001-0095213호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 에테르 결합으로서 술폰기를 포함하는 고분자 전해질 막에 비하여 치수 안정성 및 화학적 안정성이 우수한 연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 화합물 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 연료전지용 고분자 전해질에 포함되는 화합물은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 한다.

[화학식 1]

(다만, 상기 n은 공중합체의 친수성 단량체의 비율로 0.1 ~ 0.9 이다.)

[화학식 2]

삭제

본 발명의 또 다른 특징에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은 본 발명에 따른 상기 연료전지용 고분자 전해질에 포함되는 화합물을 포함한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 연료전지는 본 발명에 따른 상기 연료전지용 고분자 전해질막을 포함한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 고분자의 제조방법은

1) 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 4로 표시되는 화합물을 포함하는 중합체를 제조하는 단계;
2) 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 5로 표시되는 화합물을 포함하는 중합체를 제조하는 단계이거나, 또는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 38로 표시되는 화합물을 포함하는 중합체를 제조하는 단계;
3) 상기 1)단계와 2)단계에 의해 제조된 중합체를 공중합한 고분자를 제조하는 단계를 포함하며, 상기 2)단계에서 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 5로 표시되는 화합물을 포함하는 중합체를 제조한 후 공중합한 고분자인 경우에는 하기 화학식 6인 것을 특징으로 하고, 상기 2)단계에서 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 38로 표시되는 화합물을 포함하는 중합체를 제조한 후 공중합한 고분자인 경우에는 하기 화학식 7인 것을 특징으로 한다.

삭제

[화학식 3]

[화학식 4]

[화학식 5]

[화학식 38]

[화학식 6]

[화학식 7]

삭제

본 발명에 따른 연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 화합물 및 이의 제조방법에 따라 제조된 화합물을 사용하여 연료전지를 제조하게 되면 치수 안정성, 열적 안정성, 기계적 특성, 가수분해 안정성, 화학적 안정성 및 수소이온 전도도 등이 향상된 연료전지의 제공이 가능하다. 또한 이를 통해 연료전지의 수명을 향상시키게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 S-PSI 및 S-PSFI의 1H NMR 측정 결과를 보여주는 그림이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 S-PSI 및 S-PSFI의 열적 안정성을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 S-PSI 및 S-PSFI의 기계적 특성을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 S-PSI 및 S-PSFI의 수분 흡수력을 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 S-PSI 및 S-PSFI의 치수 안정성을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 S-PSI 및 S-PSFI의 화학적 안정성을 보여주는 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 S-PSI 및 S-PSFI의 수소이온 전도도를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 S-PSI 및 S-PSFI이 적용된 연료전지용 고분자 전해질막의 전기적 특성을 보여주는 그래프이다.

이에 본 발명자들은 연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 화합물 및 이의 제조방법을 개발하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 본 발명에 따른 연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 화합물 및 이의 제조방법을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

구체적으로 본 발명에 따른 연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 화합물은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 한다.

상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물에는 스페이서 그룹(Spacer group)으로서 6각 고리의 이미드 결합 및 유연한 설파이드 결합을 가지고 있다. 이러한 스페이서 그룹 및 설파이드 결합을 통해 연료전지용 고분자 전해질이 가수분해되기 어려워져 화학적 안정성이 증가하게 된다. 이러한 화학적 안정성의 증가를 통해 연료전지의 수명 향상에 기여하게 된다. 또한 상기 스페이서 그룹 및 설파이드 결합은 연료전지용 고분자 전해질막의 치수 안정성을 향상시키는 역할을 수행한다. 또한 상기 설파이드 결합에 의해 산화 안정성의 향상에도 기여하게 된다.

또한 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물이 포함된 연료전지용 고분자 전해질막은 열전 안정성이 우수하며, 기계적 강도 또한 우수하다. 또한 연료전지용 고분자 전해질막의 성능을 좌우하는 가장 큰 요인인 수소이온 전도도를 향상시키는 효과가 있다. 또한 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 고분자를 포함하여 연료전지용 고분자 전해질막을 제조하게 되면 전류밀도 및 최대 전력밀도의 향상이 가능하다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은 본 발명에 따른 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하면서 당업계에 적용되는 공지의 제조방법으로 제조되는 모든 연료전지용 고분자 전해질막을 포함한다. 또한 본 발명의 또 다른 특징에 따른 연료전지는 본 발명에 따른 상기 연료전지용 고분자 전해질막을 포함하면서 당업계에 적용되는 공지의 제조방법으로 제조되는 모든 연료전지를 포함한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 화합물의 제조방법은
1) 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 4로 표시되는 화합물을 포함하는 중합체를 제조하는 단계;
2) 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 5로 표시되는 화합물을 포함하는 중합체를 제조하는 단계이거나, 또는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 38로 표시되는 화합물을 포함하는 중합체를 제조하는 단계;
3) 상기 1)단계와 2)단계에 의해 제조된 중합체를 공중합한 고분자를 제조하는 단계를 포함하며, 상기 2)단계에서 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 5로 표시되는 화합물을 포함하는 중합체를 제조한 후 공중합한 고분자인 경우에는 하기 화학식 6인 것을 특징으로 하고, 상기 2)단계에서 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 38로 표시되는 화합물을 포함하는 중합체를 제조한 후 공중합한 고분자인 경우에는 하기 화학식 7인 것을 특징으로 한다.

삭제

[화학식 38]

삭제

한편, 상기 화학식 4로 표시되는 화합물은 더욱 바람직하게는 친수성의 설파이드 결합을 갖는 술폰화 다이아민 단량체로서 4,4’-비스(4-아미노페닐티오)다이페닐 설폰-3,3’-다이술폰산 또는 하기 화학식 54로 표시되는 화합물일 수 있다. 이러한 친수성의 단량체들이 가지고 있는 설파이드 결합으로 인해 가수분해 안정성 및 산화 안정성이 향상되고, 이미드 결합과 술폰산기가 거리를 둔 구조로서 펜던트 형태의 술폰산기를 채택하고, 이를 통해 기존의 술폰산 폴리이미드 고분자 전해질막 보다 가수분해 안정성이 향상된다.

한편 상기 화학식 5로 표시되는 화합물은 더욱 바람직하게는 소수성의 설파이드 결합을 갖는 다이아민 단량체로서 4,4’-다이아미노다이페닐 설파이드, 4-아미노페닐 설폰, 4,4’-비스(4-아미노페닐티오)다이페닐 설파이드, 4,4’-비스(4-아미노페닐티오)다이페닐 설폰으로 이루어지는 군 중에서 선택된 어느 하나의 화합물일 수 있다. 이러한 소수성의 단량체들을 통해 치수 안정성 및 가수분해 안정성이 보다 향상될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 상기 연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 화합물의 제조방법을 통해 제조된 화합물은 연료전지용 고분자 전해질막의 열적 안정성, 기계적 안정성 및 화학적 안정성을 향상시켜 연료전지의 수명을 보다 연장할 수 있다.

한편 본 발명의 따른 연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 화합물의 제조방법은 바람직한 실시예로서 하기 반응식 1로 표시되는 반응으로 표현될 수 있다.

[반응식 1]

이하 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1; 합성 재료의 준비

1,4,5,8-나프탈렌테트라카르복실릭 다이안 하이드라이드(NTDA), 4,4’-다이아미노디페닐 설파이드(TDA), 4-아미노티오페놀, 4,4’-디클로로디페닐 설폰(DCDPS), m-cresol, 1-메틸-2-피롤리디논(NMP), 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸아세트아마이드(DMAc), 이소프로판올(IPA), 트리에틸아민(TEA), 벤조익 산, 톨루엔, 포타지움 카르보네이트는 시그마 알드리지 사로부터 구입하였다. 3,3’-디설포네이트-4,4’-디클로로디페닐 설폰(SDCDPS)은 설퓨릭 산(30% free SO3, Sigma Aldrich, WI, USA)을 사용하여 DCDPS의 설폰화에 의해 합성하였다. 상기 NTDA, SDCDPS 및 포타지움 카르보네이트는 사용 전에 24시간 동안 120℃의 진공 오븐에서 건조시켰다.

실시예 2; 친수성 단량체의 합성

설포네이티드(sulfonated) 다이아민 단량체로서 4,4’-비스(4-아미노페닐티오)다이페닐 설폰-3,3’-다이술폰산(BAPTPSDS)을 준비하기 위해 SDCDPS 9.83g(20mmol), 4-아미노티오페놀 5.26g(42mmol), 포타지움 카르보네이트 6.97g(50.4mmol)을 준비하였다. 그리고 여기에 NMP 18㎖를 추가하였다. 그 후 이를 교반하여 10.12g의 4,4’-비스(4-아미노페닐티오)다이페닐 설폰-3,3’-다이술폰산을 합성하였다. 또한 넌설포네이티드 다이아민 단량체로서 4,4’-비스(4-아미노페닐티오)디페닐설폰은 SDCDPS 대신에 DCDPS를 쓴 것을 제외하고는 BAPTPSDS와 유사한 절차에 의해 준비되었다. 자성 교반기와 냉각 콘덴서가 장착된 100㎖의 One neck 플라스크에 DCDPS 4.31g(15mmol), 4-아미노티오페놀 4.13g(33mmol), 포타지움 카르보네이트 4.56g(33mmol) 그리고 DMAc 56㎖를 각각 추가하였다. 반응 교반기는 환류로 4시간 동안 교반되었다. 그리고 이를 상온에서 냉각한 후에 반응 교반기에 냉각수를 투입하여 천천히 석출하였다. 그 결과로 흰색의 고체는 정제되었고, 물로 수세하였다. 그리고 이를 12시간 동안 100℃의 진공상태 오븐에서 건조시켰다. 그리하여 5.85g의 흰색 산물을 획득하였다(yield: 84%).

실시예 3: 설폰화 된 폴리이미드 코폴리머의 합성

교반기와 냉각 콘덴서가 장착된 100㎖의 three neck 플라스크에 BAPTPSDS 1.562g(2.5mmol)과 m-cresol 15㎖가 질소 분위기 아래서 투입되었다. 그리고 여기에 트리에틸아민(TEA) 2.5㎖가 투입된 후, 이렇게 혼합된 용액은 설폰산-TEA 염 형태의 좋은 상태의 용해도 때문에 투명해졌다. 그리고 여기에 4,4’-다이아미노디페닐 설파이드 0.541g(2.5mmol), NTDA 1.562g(5mmol), 벤조익 산 1.221g(10mmol) 그리고 추가적으로 m-cresol 15㎖가 투입되었다. 그리고 반응 교반기는 6시간 동안 80℃에서 가열되었다. 그리고 나서 다시 20시간 동안 180℃에서 가열되었다. 그리고 끈적거리는 갈색의 혼합물은 아세톤을 통해 석출되었다. 이러한 결과물인 섬유질의 침전물은 잔류물을 제거하기 위해 수시간 동안 아세톤으로 수세하였다. 이렇게 획득된 S-PSSI 코폴리머는 24시간 동안 80℃의 진공상태 아래에서 건조되었다. 이러한 S-PSI 코폴리머는 다양한 농도로 콘트롤링 단량체 피드 라티오(feed ratio)에 의해 설폰화하여 준비되었다. S-PSFI 또한 이와 똑 같은 경로로 합성하였다. 한편 이러한 S-PSI 및 S-PSFI의 화학식은 아래와 같다.

[S-PSI]

[S-PSFI]

삭제

실시예 4; 전해질 막의 준비

트리에틸아민 염 형태인 SPIs는 12중량% 농도로 DMSO에 분해되었다. 이러한 용액은 0.45㎛ PTFE 흡입기 필터로 정제되었다. SPI 막의 두 가지 시리즈는 12시간 동안 80℃로 가열되어 형성된 깨끗한 유리 플레이트에 중합체 용액을 캐스팅하여 제작되었다. 그 후 이를 2시간 동안 100℃의 진공상태에서 건조하였다. 또한 이를 2시간 동안 120℃에서 건조하였다. 다시 이를 용질을 제거하고 막을 강화시키기 위해 2시간 동안 200℃에서 건조하였다. 이렇게 획득된 막은 2일 동안 상온에서 1.0 N에 산성화되었다. 그리고 이러한 막은 탈이온수로 pH가 7이 될 때까지 세척되었다. 이러한 결과에 따른 양성자 form 막은 12시간 동안 100℃의 진공상태에서 건조되었다. 이러한 막의 두께는 대략 60㎛ 정도이다.

실험예

< 실험예 1: S- PSI 및 S- PSFI 의 1H NMR 측정>

상기 합성된 S-PSI 및 S-PSFI의 1H NMR을 측정하는 실험을 진행하였다. 이의 결과는 하기 도 1에 나타내었으며, S-PSI 및 S-PSFI에 존재하는 스페이서 그룹(Spacer group) 등에서 특징적인 피크가 관찰됨을 확인할 수 있었다.

< 실험예 2: S- PSI 및 S- PSFI 를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질 막의 특성 측정>

상기 S-PSI 및 S-PSFI를 연료전지용 고분자 전해질 막에 적용하고 이의 다양한 특성을 조사하는 실험을 진행하였다. 이의 결과는 하기 표 1에 나타냈다. 한편 하기 표 1에서 S-PSI50은 S-PSI의 술폰화도 즉 다이아민 단량체 중 친수성 단량체의 비율 50%를 의미하며, S-PSI60은 S-PSI의 60%를 의미하고, S-PSI70은 S-PSI의 70%를 의미한다. 또한 S-PSFI60은 S-PSFI의 60%를 의미하며, S-PSFI70은 S-PSFI의 70%를 의미하고, S-PSFI70은 S-PSFI의 80%를 의미한다.

< 실험예 3: 열적 안정성( Thermal stability ) 측정 실험>

상기 S-PSI 및 S-PSFI를 연료전지용 고분자 전해질 막에 적용하고 이의 열적 안정성을 측정하는 실험을 진행하였다. 본 실험의 조건은 질소(N2) 분위기 아래에서 10℃/min의 속도로 850℃까지 승온하여 화합물의 분해 여부를 측정하였다. 이의 결과는 하기 표 2 및 도 2에 나타냈다.

< 실험예 4: 기계적 특성 측정 실험>

상기 S-PSI 및 S-PSFI를 연료전지용 고분자 전해질 막에 적용하고 인장강도(Tensile strength) 및 연신률(Elongation) 등의 기계적 특성을 측정하는 실험을 진행하였다. 이때 건조한 경우(Dry)와 습기를 머금은 경우(Wet)로 나누어 측정하였다. 이의 결과는 하기 표 3 및 도 3에 나타냈다.

< 실험예 5: 수분흡수력( Water uptake ) 측정 실험>

상기 S-PSI 및 S-PSFI를 연료전지용 고분자 전해질 막에 적용하고 이의 수분 흡수력을 측정하는 실험을 진행하였다. 본 실험은 각 전해질 막 샘플을 잘 건조한 후 25 ㎠의 정사각형으로 잘라내어 무게를 측정하고 30℃ 및 100℃의 물에 24시간 담가놓은 샘플을 꺼내어 표면의 물을 닦아낸 후 무게를 측정하여 각 샘플의 무게 변화량(wt, %)을 구하였고 또한 각 샘플의 밀도를 측정하여 부피 변화량(vol, %)을 측정하였다. 이의 결과는 하기 표 4 및 도 4에 나타냈다.

< 실험예 6: 치수 안정성( dimensional stability ) 측정 실험>

상기 S-PSI 및 S-PSFI를 연료전지용 고분자 전해질 막에 적용하고 이의 치수 안정성을 측정하는 실험을 진행하였다. 본 실험은 각 전해질 막 샘플을 잘 건조한 후 25㎠의 정사각형으로 잘라내어 샘플의 면적 및 두께를 측정한 후 30℃ 및 100℃ 의 물에 24시간 담가놓은 샘플을 꺼내어 면적 및 두께의 변화량을 측정하여 진행하였으며, 조건 및 측정에 관련된 식은 아래와 같다. 또한 이의 결과는 하기 도 5에 나타냈다.

< 실험예 7: 화학적 안정성 측정 실험>

상기 S-PSI 및 S-PSFI를 연료전지용 고분자 전해질 막에 적용하고 가수분해 안정성(Hydrolytic Stability) 및 산화 안정성(Oxidative Stability)에 관한 화학적 안정성을 측정하는 실험을 진행하였다. 하기 표 5 및 도 6에 나타냈다. 한편 하기 도 6은 각 전해질막 샘플을 대략 0.02g 에 맞추어 준비 후 Fenton 시약 (2 ppm FeSO4 가 함유된 3 wt % H2O2)에 담구어 시간이 지남에 따라 산화되며 변화하는 양상을 관찰한 사진이다.

< 실험예 8: 수소이온 전도도( Proton Conductivity ) 측정 실험>

상기 S-PSI 및 S-PSFI를 연료전지용 고분자 전해질 막에 적용하고 이의 수소이온 전도도를 측정하는 실험을 진행하였다. 본 실험의 조건 및 식은 아래와 같으며, 이의 결과는 하기 표 6 및 도 7에 나타냈다.

< 실험예 9: 연료전지용 고분자 전해질막의 전기적 특성 측정 실험>

상기 S-PSI 및 S-PSFI를 연료전지용 고분자 전해질 막에 적용하고 전기적 특성을 측정하는 실험을 진행하였다. 본 실험의 조건은 아래와 같으며, 이의 결과는 표 7 및 도 8에 나타냈다.

상기 실험예 1 내지 실험예 9에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 화합물 및 이의 제조방법을 이용하여 연료전지용 고분자 전해질막을 제조하게 되면 치수 안정성, 가수분해 안정성, 기계적 특성, 열적 안정성, 화학적 안정성 및 수소이온 전도도가 향상된 연료전지용 고분자 전해질막의 제공이 가능하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims

하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질에 포함되는 화합물.
[화학식 1]

(다만, 상기 n은 공중합체의 친수성 단량체의 비율로 0.1 ~ 0.9이다.)
[화학식 2]

(다만, 상기 n은 공중합체의 친수성 단량체의 비율로 0.1 ~ 0.9이다)
제 1항에 따른 연료전지용 고분자 전해질에 포함되는 화합물을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막.
제 2항에 따른 연료전지용 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지.
1) 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 4로 표시되는 화합물을 포함하는 중합체를 제조하는 단계;
2) 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 5로 표시되는 화합물을 포함하는 중합체를 제조하는 단계이거나, 또는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 38로 표시되는 화합물을 포함하는 중합체를 제조하는 단계;
3) 상기 1)단계와 2)단계에 의해 제조된 중합체를 공중합한 고분자를 제조하는 단계를 포함하며, 상기 2)단계에서 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 5로 표시되는 화합물을 포함하는 중합체를 제조한 후 공중합한 고분자인 경우에는 하기 화학식 6인 것을 특징으로 하고, 상기 2)단계에서 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 38로 표시되는 화합물을 포함하는 중합체를 제조한 후 공중합한 고분자인 경우에는 하기 화학식 7인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막에 포함되는 고분자의 제조방법.
[화학식 3]

[화학식 4]

[화학식 5]

[화학식 38]

[화학식 6]

(다만, 상기 n은 공중합체의 친수성단량체의 비율로 0.1 ~ 0.9이다.)
[화학식 7]

(다만, 상기 n은 공중합체의 친수성단량체의 비율로 0.1 ~ 0.9이다.)
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