KR101697693B1 - Porous support and polymer electrolyte membrane for fuel cell including the same - Google Patents

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Abstract

폴리아믹산으로부터 유도된 고분자 또는 폴리이미드로부터 유도된 고분자를 포함하는 다공성 지지체를 제공한다. 상기 다공성 지지체는 미세기공, 그리고 상기 폴리아믹산으로부터 유도된 고분자에 존재하는 피코기공 또는 상기 폴리이미드로부터 유도된 고분자에 존재하는 피코기공을 가지며, 상기 폴리아믹산 및 상기 폴리이미드는 아민기에 대하여 오르쏘 위치에 존재하는 적어도 하나의 작용기를 포함하는 방향족 디아민 및 디안하이드라이드로부터 제조된 반복단위를 포함한다.There is provided a porous support comprising a polymer derived from polyamic acid or a polymer derived from polyimide. The porous support has fine pores and picopores existing in the polymer derived from the polyamic acid or in a polymer derived from the polyimide, wherein the polyamic acid and the polyimide have an orthosilicate And a repeating unit prepared from an aromatic diamine and a dianhydride containing at least one functional group present in the repeating unit.

Figure R1020120095124
Figure R1020120095124

Description

다공성 지지체 및 이를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막{POROUS SUPPORT AND POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL CELL INCLUDING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a porous support and a polymer electrolyte membrane for a fuel cell including the porous support,

본 기재는 다공성 지지체 및 이를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막에 관한 것이다.The present invention relates to a porous support and a polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising the porous support.

연료 전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로 주목받고 있다.A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol, and natural gas into electrical energy. Such a fuel cell is attracting attention as a clean energy source that can replace fossil energy.

연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC), 직접 산화형 연료 전지(direct oxidation fuel cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(direct methanol fuel cell, DMFC)라 한다.Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell. When methanol is used as the fuel in the direct oxidation fuel cell, it is referred to as a direct methanol fuel cell (DMFC).

이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈브리(membrane-electrode assembly, MEA)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성을 갖는 양이온 교환수지를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드와 캐소드가 대향하여 위치하는 구조를 가진다.In such a fuel cell system, the stack which substantially generates electricity has a structure in which several to several tens of unit cells each consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator are stacked. The membrane-electrode assembly has a structure in which an anode and a cathode are opposed to each other with a polymer electrolyte membrane including a cation exchange resin having hydrogen ion conductivity interposed therebetween.

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드로 공급되어 애노드의 촉매에 흡착되고, 산화 반응에 의하여 연료가 이온화되어 전자가 발생하며, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드로 전달된다. 캐소드로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.The principle of generating electricity in the fuel cell is that the fuel is supplied to the anode, which is the anode, and adsorbed to the anode catalyst, and the fuel is ionized by the oxidation reaction to generate electrons. And the hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are transferred to the cathode. An oxidant is supplied to the cathode, and the oxidant, hydrogen ions, and electrons react with each other on the cathode catalyst to generate electricity while generating water.

현재 상기 고분자 전해질 막의 수소 이온 전도성, 기계적 물성, 치수 안정성 및 내화학성을 개선하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.At present, researches for improving hydrogen ion conductivity, mechanical properties, dimensional stability and chemical resistance of the polymer electrolyte membrane have been actively carried out.

기계적 물성, 치수 안정성 및 내화학성이 우수한 다공성 지지체, 그리고 상기 다공성 지지체를 포함하며, 수소 이온 전도성, 기계적 물성, 치수 안정성 및 내화학성이 우수하고 연료 전지의 출력 밀도를 향상시킬 수 있는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제공하며, 상기 다공성 지지체 및 상기 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조방법을 제공한다.A polymer electrolyte membrane for a fuel cell, comprising: a porous support having excellent mechanical properties, dimensional stability, and chemical resistance; and a porous support including the porous support and having excellent hydrogen ion conductivity, mechanical properties, dimensional stability and chemical resistance, And a method for producing the porous support and the polymer electrolyte membrane for a fuel cell.

상기 다공성 지지체 및 상기 연료 전지용 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 제공하고, 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.The present invention provides a membrane-electrode assembly including the porous support and the polymer electrolyte membrane for a fuel cell, and provides a fuel cell system including the membrane-electrode assembly.

본 발명의 일 측면에 따르면, 다공성 지지체는 폴리아믹산으로부터 유도된 고분자 또는 폴리이미드로부터 유도된 고분자를 포함한다. 상기 다공성 지지체는 미세기공, 그리고 상기 폴리아믹산으로부터 유도된 고분자에 존재하는 피코기공 또는 상기 폴리이미드로부터 유도된 고분자에 존재하는 피코기공을 가지며, 상기 폴리아믹산 및 상기 폴리이미드는 아민기에 대하여 오르쏘 위치에 존재하는 적어도 하나의 작용기를 포함하는 방향족 디아민 및 디안하이드라이드로부터 제조된 반복단위를 포함한다.According to one aspect of the invention, the porous support comprises a polymer derived from polyamic acid or a polymer derived from polyimide. The porous support has fine pores and picopores existing in the polymer derived from the polyamic acid or in a polymer derived from the polyimide, wherein the polyamic acid and the polyimide have an orthosilicate And a repeating unit prepared from an aromatic diamine and a dianhydride containing at least one functional group present in the repeating unit.

상기 작용기는 OH, SH 또는 NH2를 포함할 수 있다.The functional groups may include OH, SH or NH 2 .

상기 고분자는 상기 폴리아믹산 또는 상기 폴리이미드로부터 열전환되어 유도되는 것이고, 상기 폴리아믹산 또는 상기 폴리이미드에 포함되는 반복단위의 총량(100몰%)에 대하여, 열전환되는 반복단위의 비율(열전환율)은 약 10몰% 내지 약 100몰%일 수 있다.(100 mol%) of the repeating units contained in the polyamic acid or the polyimide, the ratio of the repeating units to be thermally converted (thermoelectric conversion rate ) Can be from about 10 mole% to about 100 mole%.

상기 폴리아믹산으로부터 유도되는 고분자 및 상기 폴리이미드로부터 유도되는 고분자는 약 0.18 내지 약 0.40의 자유 체적도(FFV)를 가질 수 있다.The polymer derived from the polyamic acid and the polymer derived from the polyimide may have a free volume degree (FFV) of about 0.18 to about 0.40.

또한 상기 폴리아믹산으로부터 유도되는 고분자 및 상기 폴리이미드로부터 유도되는 고분자는 XRD 측정에 의한 면간 거리가 약 550 pm 내지 약 800 pm의 범위일 수 있다.Also, the polymer derived from the polyamic acid and the polymer derived from the polyimide may have an interplanar distance by XRD measurement of about 550 pm to about 800 pm.

상기 피코기공은 2개 이상이 서로 연결되어 모래시계 모양(hourglass shaped)을 형성할 수 있다.Two or more of the picopores may be connected to each other to form an hourglass shape.

또한 상기 피코기공은 양전자 소멸시간 분광분석(positron annihilation lifetime spectroscopy, PALS) 측정에 의한 반가폭(full width at half maximum, FWHM)이 약 10 pm 내지 약 40 pm의 범위일 수 있다.
Also, the picopores may have a full width at half maximum (FWHM) measured by positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS) ranging from about 10 pm to about 40 pm.

상기 다공성 지지체는 지지체 총 부피에 대하여 약 10 부피% 내지 약 95 부피%의 기공도를 가질 수 있다. 또한 상기 다공성 지지체는 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛의 두께로 형성될 수 있다.The porous support may have a porosity of about 10% by volume to about 95% by volume based on the total volume of the support. The porous support may also be formed to a thickness of about 10 [mu] m to about 200 [mu] m.

상기 폴리아믹산은 하기 화학식 1 내지 4로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산, 하기 화학식 5 내지 8로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산 공중합체, 이들의 공중합체 및 이들의 블렌드로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, 상기 폴리이미드는 하기 화학식 19 내지 22로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드, 하기 화학식 23 내지 26으로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드 공중합체, 이들의 공중합체 및 이들의 블렌드로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The polyamic acid may be selected from the group consisting of polyamic acid containing repeating units represented by the following Chemical Formulas 1 to 4, polyamic acid copolymer containing repeating units represented by Chemical Formulas 5 to 8, copolymers thereof, and blends thereof And the polyimide may be selected from the group consisting of a polyimide including the repeating units represented by the following formulas (19) to (22), a polyimide copolymer including the repeating units represented by the following formulas (23) to ≪ / RTI > blend.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112012069762108-pat00001
Figure 112012069762108-pat00001

[화학식 2](2)

Figure 112012069762108-pat00002
Figure 112012069762108-pat00002

[화학식 3](3)

Figure 112012069762108-pat00003
Figure 112012069762108-pat00003

[화학식 4][Chemical Formula 4]

Figure 112012069762108-pat00004
Figure 112012069762108-pat00004

[화학식 5][Chemical Formula 5]

Figure 112012069762108-pat00005
Figure 112012069762108-pat00005

[화학식 6][Chemical Formula 6]

Figure 112012069762108-pat00006
Figure 112012069762108-pat00006

[화학식 7](7)

Figure 112012069762108-pat00007
Figure 112012069762108-pat00007

[화학식 8][Chemical Formula 8]

Figure 112012069762108-pat00008
Figure 112012069762108-pat00008

[화학식 19][Chemical Formula 19]

Figure 112012069762108-pat00009
Figure 112012069762108-pat00009

[화학식 20][Chemical Formula 20]

Figure 112012069762108-pat00010
Figure 112012069762108-pat00010

[화학식 21][Chemical Formula 21]

Figure 112012069762108-pat00011
Figure 112012069762108-pat00011

[화학식 22]
[Chemical Formula 22]

Figure 112012069762108-pat00012
Figure 112012069762108-pat00012

[화학식 23](23)

Figure 112012069762108-pat00013
Figure 112012069762108-pat00013

[화학식 24]≪ EMI ID =

Figure 112012069762108-pat00014
Figure 112012069762108-pat00014

[화학식 25](25)

Figure 112012069762108-pat00015
Figure 112012069762108-pat00015

[화학식 26](26)

Figure 112012069762108-pat00016
Figure 112012069762108-pat00016

상기 화학식 1 내지 8 및 화학식 19 내지 26에서,In the above Chemical Formulas 1 to 8 and Chemical Formulas 19 to 26,

Ar1은 치환 또는 비치환된 4가의 C6 내지 C24 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 C4 내지 C24 헤테로 고리기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 접합되어 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, C(=O), CH(OH), S(=O)2, Si(CH3)2, (CH2)p(여기서, 1≤p≤10), (CF2)q(여기서, 1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 C(=O)NH의 작용기에 의해 연결되어 있고,Ar 1 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent C6 to C24 arylene group and a substituted or unsubstituted quadrivalent C4 to C24 heterocyclic group, and the aromatic ring group is present alone; Two or more are bonded to each other to form a condensed ring; Two or more single bond, O, S, C (= O), CH (OH), S (= O) 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p ( where, 1≤p≤10) , (CF 2) q (where, 1≤q≤10), C (CH 3 ) 2, and connected by a C (CF 3) 2 or C (= O) NH functional group,

Ar2는 치환 또는 비치환된 2가의 C6 내지 C24 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 2가의 C4 내지 C24 헤테로 고리기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 접합되어 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, C(=O), CH(OH), S(=O)2, Si(CH3)2, (CH2)p(여기서, 1≤p≤10), (CF2)q(여기서, 1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 C(=O)NH의 작용기에 의해 연결되어 있고,Ar 2 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted divalent C6 to C24 arylene group and a substituted or unsubstituted divalent C4 to C24 heterocyclic group, and the aromatic ring group is present alone; Two or more are bonded to each other to form a condensed ring; Two or more single bond, O, S, C (= O), CH (OH), S (= O) 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p ( where, 1≤p≤10) , (CF 2) q (where, 1≤q≤10), C (CH 3 ) 2, and connected by a C (CF 3) 2 or C (= O) NH functional group,

Q는 O, S, C(=O), CH(OH), S(=O)2, Si(CH3)2, (CH2)p(여기서, 1≤p≤10), (CF2)q(여기서, 1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, C(=O)NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기(여기서 치환된 페닐렌기는 C1 내지 C6 알킬기 또는 C1 내지 C6 할로알킬기로 치환된다)이고, 이때 상기 Q는 양쪽 방향족 고리와 m-m, m-p, p-m, 또는 p-p 위치로 연결되고,Q is O, S, C (= O ), CH (OH), S (= O) 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p ( where, 1≤p≤10), (CF 2) q (where, 1≤q≤10), C (CH 3 ) 2, C (CF 3) 2, C (= O) NH, C (CH 3) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene group (Wherein the substituted phenylene group is substituted with a C1 to C6 alkyl group or a C1 to C6 haloalkyl group), wherein Q is connected to both aromatic rings at the positions of mm, mp, pm, or pp,

Y는 각각의 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 OH, SH 또는 NH2이고,Y is the same or different from each other in each repeating unit, and is independently OH, SH or NH 2 ,

n은 20≤n≤200을 만족하는 정수이고,n is an integer satisfying 20? n? 200,

m은 10≤m≤400을 만족하는 정수이고,m is an integer satisfying 10? m? 400,

l은 10≤l≤400을 만족하는 정수이다.l is an integer satisfying 10?

상기 화학식 1 내지 4로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산의 공중합체에서의 각 반복단위 사이의 몰비, 상기 화학식 5 내지 8에서 m:l의 몰비, 상기 화학식 19 내지 22로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드의 공중합체에서의 각 반복단위 사이의 몰비 또는 상기 화학식 23 내지 26에서 m:l의 몰비는 약 0.1:9.9 내지 약 9.9:0.1일 수 있다.The mole ratio of each repeating unit in the copolymer of the polyamic acid containing the repeating units represented by the above formulas 1 to 4, the molar ratio of m: 1 in the above formulas 5 to 8, and the repeating units represented by the above formulas 19 to 22 The molar ratio between the respective repeating units in the copolymer of the polyimide or the molar ratio of m: 1 in the above formulas 23 to 26 may be about 0.1: 9.9 to about 9.9: 0.1.

상기 폴리아믹산으로부터 유도되는 고분자 및 상기 폴리이미드로부터 유도되는 고분자는 하기 화학식 37 내지 50 중 어느 하나로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 또는 이들의 공중합체를 포함할 수 있다.The polymer derived from the polyamic acid and the polymer derived from the polyimide may include a polymer containing a repeating unit represented by any one of the following formulas (37) to (50), or a copolymer thereof.

[화학식 37](37)

Figure 112012069762108-pat00017
Figure 112012069762108-pat00017

[화학식 38](38)

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Figure 112012069762108-pat00018

[화학식 39][Chemical Formula 39]

Figure 112012069762108-pat00019
Figure 112012069762108-pat00019

[화학식 40](40)

Figure 112012069762108-pat00020
Figure 112012069762108-pat00020

[화학식 41](41)

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Figure 112012069762108-pat00021

[화학식 42](42)

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Figure 112012069762108-pat00022

[화학식 43](43)

Figure 112012069762108-pat00023
Figure 112012069762108-pat00023

[화학식 44](44)

Figure 112012069762108-pat00024
Figure 112012069762108-pat00024

[화학식 45][Chemical Formula 45]

Figure 112012069762108-pat00025
Figure 112012069762108-pat00025

[화학식 46](46)

Figure 112012069762108-pat00026
Figure 112012069762108-pat00026

[화학식 47](47)

Figure 112012069762108-pat00027
Figure 112012069762108-pat00027

[화학식 48](48)

Figure 112012069762108-pat00028
Figure 112012069762108-pat00028

[화학식 49](49)

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Figure 112012069762108-pat00029

[화학식 50](50)

Figure 112012069762108-pat00030
Figure 112012069762108-pat00030

상기 화학식 37 내지 50에서,In the above formulas 37 to 50,

Ar1, Ar2, Q, n, m 및 l은 각각 상기 화학식 1 내지 8 및 화학식 19 내지 26의 Ar1, Ar2, Q, n, m 및 l에서 설명된 바와 같고, Ar 1, Ar 2, Q, n, m and l are the same as described in each of the above Chemical Formulas 1 to 8 and Chemical Formulas 19 to 26, Ar 1, Ar 2, Q, n, m and l,

Ar1'는 치환 또는 비치환된 2가의 C6 내지 C24 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 2가의 C4 내지 C24 헤테로 고리기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 접합되어 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, C(=O), CH(OH), S(=O)2, Si(CH3)2, (CH2)p(여기서, 1≤p≤10), (CF2)q(여기서, 1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 C(=O)NH의 작용기에 의해 연결되어 있고,Ar 1 'is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted divalent C6 to C24 arylene group and a substituted or unsubstituted divalent C4 to C24 heterocyclic group, and the aromatic ring group is present alone; Two or more are bonded to each other to form a condensed ring; Two or more single bond, O, S, C (= O), CH (OH), S (= O) 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p ( where, 1≤p≤10) , (CF 2) q (where, 1≤q≤10), C (CH 3 ) 2, and connected by a C (CF 3) 2 or C (= O) NH functional group,

Y''는 O 또는 S 이다.Y " is O or S;

상기 화학식 1 내지 8, 화학식 19 내지 26 및 화학식 37 내지 50에서, Ar1의 예는 하기 식으로 표시된 것 중에서 선택될 수 있다.In Formulas 1 to 8, Formulas 19 to 26 and Formulas 37 to 50, examples of Ar 1 may be selected from those represented by the following formulas.

Figure 112012069762108-pat00031
Figure 112012069762108-pat00031

상기 식에서,In this formula,

X1, X2, X3 및 X4는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, C(=O), CH(OH), S(=O)2, Si(CH3)2, (CH2)p(여기서, 1≤p≤10), (CF2)q(여기서, 1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, 또는 C(=O)NH이고,X 1, X 2, X 3 and X 4 are in the same or different, each independently O, S, C (= O ), CH (OH), S (= O) 2, Si (CH 3) 2, ( CH 2) p (where, 1≤p≤10), (CF 2) q ( where, 1≤q≤10), C (CH 3 ) 2, C (CF 3) 2, or C (= O) NH ego,

W1 및 W2는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, 또는 C(=O)이고,W 1 and W 2 are the same or different and each independently O, S, or C (= O)

Z1은 O, S, CR100R101 또는 NR102이고, 여기서 R100, R101 및 R102는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이고,Z 1 is O, S, CR 100 R 101 or NR 102 wherein R 100 , R 101 and R 102 are the same or different and each independently hydrogen or a C 1 to C 5 alkyl group,

Z2 및 Z3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 N 또는 CR103(여기서, R103은 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이다)이나 동시에 CR103은 아니고,Z 2 and Z 3 are the same or the different and each is independently N or CR 103 to each other (wherein, R 103 is hydrogen or C1 to C5 alkyl group) or CR 103 at the same time is not,

R1 내지 R42는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 지방족 유기기이고,R 1 to R 42 are the same or different and are each independently hydrogen or a substituted or unsubstituted C1 to C10 aliphatic organic group,

k1 내지 k3, k8 내지 k14, k24 및 k25는 0 내지 2의 정수이고,k1 to k3, k8 to k14, k24 and k25 are integers of 0 to 2,

k5, k15, k16, k19, k21 및 k23은 0 또는 1의 정수이고, k5, k15, k16, k19, k21 and k23 are integers of 0 or 1,

k4, k6, k7, k17, k18, k20, k22, k26 내지 k29, k31, k34 내지 k36, k38, k39 및 k42는 0 내지 3의 정수이고,k32, k26, k29, k31, k34 to k36, k38, k39 and k42 are integers of 0 to 3, and k4, k6, k7, k17, k18, k20,

k30, k37, k40 및 k41은 0 내지 4의 정수이고,k30, k37, k40 and k41 are integers from 0 to 4,

k32 및 k33은 0 내지 5의 정수이다.and k32 and k33 are integers of 0 to 5.

상기 화학식 1 내지 8, 화학식 19 내지 26 및 화학식 37 내지 50에서, Ar1의 구체적인 예는 하기 식으로 표시된 것 중에서 선택될 수 있다.In Formulas 1 to 8, Formulas 19 to 26 and Formulas 37 to 50, specific examples of Ar 1 may be selected from those represented by the following formulas.

Figure 112012069762108-pat00032
Figure 112012069762108-pat00032

Figure 112012069762108-pat00033
Figure 112012069762108-pat00033

상기 화학식 1 내지 8 및 화학식 19 내지 32에서, Ar2의 예는 하기 식으로 표시된 것 중에서 선택될 수 있다.In the above Chemical Formulas 1 to 8 and Chemical Formulas 19 to 32, examples of Ar 2 may be selected from those represented by the following formulas.

Figure 112012069762108-pat00034
Figure 112012069762108-pat00034

상기 식에서,In this formula,

X1, X2, X3 및 X4는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, C(=O), CH(OH), S(=O)2, Si(CH3)2, (CH2)p(여기서, 1≤p≤10), (CF2)q(여기서, 1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, 또는 C(=O)NH이고,X 1, X 2, X 3 and X 4 are in the same or different, each independently O, S, C (= O ), CH (OH), S (= O) 2, Si (CH 3) 2, ( CH 2) p (where, 1≤p≤10), (CF 2) q ( where, 1≤q≤10), C (CH 3 ) 2, C (CF 3) 2, or C (= O) NH ego,

W1 및 W2는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, 또는 C(=O)이고,W 1 and W 2 are the same or different and each independently O, S, or C (= O)

Z1은 O, S, CR100R101 또는 NR102이고, 여기서 R100, R101 및 R102는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이고,Z 1 is O, S, CR 100 R 101 or NR 102 wherein R 100 , R 101 and R 102 are the same or different and each independently hydrogen or a C 1 to C 5 alkyl group,

Z2 및 Z3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 N 또는 CR103(여기서, R103은 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이다)이나 동시에 CR103은 아니고,Z 2 and Z 3 are the same or the different and each is independently N or CR 103 to each other (wherein, R 103 is hydrogen or C1 to C5 alkyl group) or CR 103 at the same time is not,

R43 내지 R89는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 지방족 유기기, 또는 금속 술포네이트기이고,R 43 to R 89 are the same or different and are each independently hydrogen, a substituted or unsubstituted C1 to C10 aliphatic organic group, or a metal sulfonate group,

k43, k49, k64 내지 k68, k72 내지 k76, 및 k82 내지 k89는 0 내지 4의 정수이고,k43, k49, k64 to k68, k72 to k76, and k82 to k89 are integers of 0 to 4,

k44 내지 k46, k48, k51, k54, k55, k57, k58, k61 및 k63은 0 내지 3의 정수이고,k44 to k46, k48, k51, k54, k55, k57, k58, k61 and k63 are integers of 0 to 3,

k47, k52, k53, k56, k59, k60, k62, k70, k78, k80 및 k81은 0 내지 2의 정수이고,k57, k56, k59, k60, k62, k70, k78, k80 and k81 are integers of 0 to 2,

k50은 0 또는 1의 정수이고,k50 is an integer of 0 or 1,

k69, k71, k77 및 k79는 0 내지 5의 정수이다.k69, k71, k77, and k79 are integers from 0 to 5.

상기 화학식 1 내지 8, 화학식 19 내지 26 및 화학식 37 내지 50에서, Ar2의 구체적인 예는 하기 식으로 표시된 것 중에서 선택될 수 있다.In Formulas 1 to 8, Formulas 19 to 26 and Formulas 37 to 50, specific examples of Ar 2 may be selected from those represented by the following formulas.

Figure 112012069762108-pat00035
Figure 112012069762108-pat00035

Figure 112012069762108-pat00036
Figure 112012069762108-pat00036

Figure 112012069762108-pat00037
Figure 112012069762108-pat00037

상기 식에서, M 은 금속이고, 상기 금속은 나트륨, 칼륨, 리튬, 이들의 합금 또는 이들의 조합일 수 있다.Wherein M is a metal and the metal may be sodium, potassium, lithium, an alloy thereof, or a combination thereof.

상기 화학식 1 내지 8, 화학식 19 내지 26 및 화학식 37 내지 50에서, Q의 예는 C(CH3)2, C(CF3)2, O, S, S(=O)2 또는 C(=O) 중에서 선택될 수 있다.Examples of Q in Formulas 1 to 8, 19 to 26 and 37 to 50 are C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 , O, S, S (= O) 2 or C ). ≪ / RTI >

상기 화학식 37 내지 50에서, Ar1'의 예 및 구체적인 예는 상기 화학식 1 내지 8, 화학식 19 내지 26 및 화학식 37 내지 50의 Ar2의 예 및 구체적인 예로 언급된 것과 동일하다.Examples and specific examples of Ar 1 'in the above-mentioned formulas (37) to (50) are the same as those mentioned in the examples and specific examples of Ar 2 in the above formulas (1) to (8), (19) to (26)

상기 화학식 1 내지 8 및 화학식 19 내지 26에서, Ar1은 하기 화학식 A1 내지 A8 중 어느 하나로 표시되는 작용기일 수 있고, Ar2는 하기 화학식 B1 내지 B11 중 어느 하나로 표시되는 작용기일 수 있고, Q는 C(CF3)2일 수 있다.In the above Chemical Formulas 1 to 8 and Chemical Formulas 19 to 26, Ar 1 may be a functional group represented by any one of the following formulas A1 to A8, Ar 2 may be a functional group represented by any one of the following formulas B1 to B11, C (CF 3) may be two days.

[화학식 A1] [화학식 A2] [화학식 A3][Formula A1] [Formula A2] [Formula A3]

Figure 112012069762108-pat00038
Figure 112012069762108-pat00039
Figure 112012069762108-pat00040
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Figure 112012069762108-pat00040

[화학식 A4] [화학식 A5] [화학식 A6][Chemical Formula A4] [Chemical Formula A5] [Chemical Formula A6]

Figure 112012069762108-pat00041
Figure 112012069762108-pat00042
Figure 112012069762108-pat00043
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[화학식 A7] [화학식 A8]                  [Chemical formula A7] [Chemical formula A8]

Figure 112012069762108-pat00044
Figure 112012069762108-pat00045
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[화학식 B1] [화학식 B2] [화학식 B3][Formula B1] [Formula B2] [Formula B3]

Figure 112012069762108-pat00046
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[화학식 B4] [화학식 B5] [화학식 B6] [화학식 B7][Chemical formula B4] [Chemical formula B5] [Chemical formula B6] [Chemical formula B7]

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Figure 112012069762108-pat00050
Figure 112012069762108-pat00051
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[화학식 B8] [화학식 B9][Chemical formula B8] [Chemical formula B9]

Figure 112012069762108-pat00053
Figure 112012069762108-pat00054
Figure 112012069762108-pat00053
Figure 112012069762108-pat00054

[화학식 B10] [화학식 B11](B11)

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Figure 112012069762108-pat00055
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상기 화학식 37 내지 50에서, Ar1은 상기 화학식 A1 내지 A8 중 어느 하나로 표시되는 작용기일 수 있고, Ar1'는 하기 화학식 C1 내지 C8 중 어느 하나로 표시되는 작용기일 수 있고, Ar2는 상기 화학식 B1 내지 B11 중 어느 하나로 표시되는 작용기일 수 있고, Q는 C(CF3)2일 수 있다.In the general formula 37 to 50, Ar 1 may be a functional group represented by any of the general formula A1 to A8, Ar 1 'is to may be a functional group represented by any one of formulas C1 to C8, Ar 2 has the formula B1 to B11 and of the number of functional group represented by any one, Q may be C (CF 3) 2.

[화학식 C1] [화학식 C2] [화학식 C3]≪ RTI ID = 0.0 > (C3) < / RTI &

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[화학식 C4] [화학식 C5] [화학식 C6][Formula C4] [Formula C5] Formula [C6]

Figure 112012069762108-pat00060
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[화학식 C7] [화학식 C8](C8) < RTI ID = 0.0 > (C8)

Figure 112012069762108-pat00063
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Figure 112012069762108-pat00063
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상기 다공성 지지체는 상기 피코기공을 가지는 고분자를 포함하는 섬유를 포함하고, 상기 섬유는 랜덤하게 배열되어 있을 수 있다.The porous support may include fibers including the polymer having the picopores, and the fibers may be randomly arranged.

한편, 상기 다공성 지지체는 상기 피코기공을 가지는 고분자를 포함하는 섬유를 포함하고, 상기 섬유는 일방향으로 배열되어 있을 수 있다.Meanwhile, the porous support includes fibers including the polymer having picopores, and the fibers may be arranged in one direction.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 다공성 지지체; 및 상기 다공성 지지체의 내부, 표면, 또는 내부와 표면에 형성된 양이온 교환 수지를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제공한다.According to another aspect of the present invention, the porous support; And a cation exchange resin formed on the inside, the surface, or the inside and the surface of the porous support.

상기 양이온 교환 수지는 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 포함하는 고분자일 수 있다.The cation exchange resin may be a polymer including a cation exchanger selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, and derivatives thereof.

상기 연료 전지용 고분자 전해질 막에서, 상기 다공성 지지체와 상기 양이온 교환 수지는 약 99:1 내지 약 10:90의 중량비로 포함될 수 있다.In the polymer electrolyte membrane for a fuel cell, the porous support and the cation exchange resin may be contained in a weight ratio of about 99: 1 to about 10: 90.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 다공성 지지체를 포함하고, 상기 다공성 지지체의 내부, 표면, 또는 내부와 표면에 산이 도핑되어 형성된 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a polyelectrolyte membrane for a fuel cell comprising the porous support, wherein the porous support is formed by doping the inside, the surface, or the inside and the surface of the porous support.

상기 도핑되는 산은 술폰산, 카르복실산, 인산, 포스포닌산 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.The doped acid may be selected from the group consisting of sulfonic acid, carboxylic acid, phosphoric acid, phosphonic acid, and derivatives thereof.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 다공성 지지체를 포함하고, 상기 다공성 지지체의 표면에 불소기를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising a porous support and comprising a fluorine group on the surface of the porous support.

상기 연료 전지용 고분자 전해질 막은 약 20 ㎛ 내지 약 300 ㎛의 두께로 형성될 수 있다.The polymer electrolyte membrane for fuel cells may be formed to a thickness of about 20 탆 to about 300 탆.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 아민기에 대하여 오르쏘 위치에 존재하는 적어도 하나의 작용기를 포함하는 방향족 디아민 및 디안하이드라이드로부터 제조된 반복단위를 가지는 폴리아믹산 또는 폴리이미드; 및 유기 용매를 포함하는 다공성 지지체 형성용 조성물을 제공한다. 상기 유기 용매는 디메틸설폭사이드; N-메틸-2-피롤리돈; N-메틸피롤리돈; N,N-디메틸포름아미드; N,N-디메틸아세트아미드; γ-부티로락톤, 사이클로헥사논, 3-헥사논, 3-헵타논 및 3-옥타논으로 이루어진 군에서 선택된 케톤; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.According to another aspect of the present invention, there is provided a polyamic acid or polyimide having a repeating unit prepared from an aromatic diamine and dianhydride containing at least one functional group existing at ortho position with respect to an amine group; And a composition for forming a porous support comprising an organic solvent. The organic solvent may include dimethylsulfoxide; N-methyl-2-pyrrolidone; N-methylpyrrolidone; N, N-dimethylformamide; N, N-dimethylacetamide; ketones selected from the group consisting of? -butyrolactone, cyclohexanone, 3-hexanone, 3-heptanone and 3-octanone; And combinations thereof.

상기 다공성 지지체 형성용 조성물은 다공성 지지체 형성용 조성물 총량에 대하여, 상기 폴리아믹산 또는 상기 폴리이미드를 약 1 중량% 내지 약 40 중량%, 그리고 상기 유기 용매를 약 60 중량% 내지 약 99 중량%로 포함할 수 있다.The composition for forming a porous support contains about 1 wt% to about 40 wt% of the polyamic acid or the polyimide and about 60 wt% to about 99 wt% of the organic solvent, based on the total amount of the composition for forming a porous support can do.

상기 다공성 지지체 형성용 조성물은 물; 메탄올, 에탄올, 2-메틸-1-부탄올, 2-메틸-2-부탄올, 글리세롤, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜 및 프로필렌글리콜로 이루어진 군에서 선택된 알코올; 아세톤 및 메틸에틸 케톤으로 이루어진 군에서 선택된 케톤; 폴리비닐알코올, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아마이드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 키토산, 키틴, 덱스트란 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 고분자 화합물; 테트라하이드로퓨란; 트리클로로에탄; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 보조제를 더 포함할 수 있다. 이 경우 상기 다공성 지지체 형성용 조성물은 상기 보조제를 포함하는 다공성 지지체 형성용 조성물 총량에 대하여, 상기 폴리아믹산 또는 상기 폴리이미드를 약 1 중량% 내지 약 40 중량%, 상기 유기 용매를 약 10 중량% 내지 약 95 중량%, 그리고 상기 보조제를 약 4 중량% 내지 약 70 중량%로 포함할 수 있다.The composition for forming a porous support may be water; Alcohols selected from the group consisting of methanol, ethanol, 2-methyl-1-butanol, 2-methyl-2-butanol, glycerol, ethylene glycol, diethylene glycol and propylene glycol; Ketones selected from the group consisting of acetone and methyl ethyl ketone; A polymer compound selected from the group consisting of polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylamide, polyethylene glycol, polypropylene glycol, chitosan, chitin, dextran and polyvinylpyrrolidone; Tetrahydrofuran; Trichloroethane; And combinations thereof. ≪ Desc / Clms Page number 7 > In this case, the composition for forming a porous support may contain about 1% by weight to about 40% by weight of the polyamic acid or the polyimide, about 10% by weight to about 10% by weight, based on the total amount of the composition for forming a porous support, About 95% by weight, and about 4% to about 70% by weight of the adjuvant.

상기 폴리아믹산 및 상기 폴리이미드는 각각 약 10,000 g/mol 내지 약 500,000 g/mol의 중량평균 분자량(Mw)을 가질 수 있다.The polyamic acid and the polyimide may each have a weight average molecular weight (Mw) of from about 10,000 g / mol to about 500,000 g / mol.

상기 다공성 지지체 형성용 조성물은 약 0.01 Pa·s 내지 약 100 Pa·s의 점도를 가질 수 있다.The composition for forming a porous support may have a viscosity of about 0.01 Pa · s to about 100 Pa · s.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 다공성 지지체 형성용 조성물을 전기방사하여 부직포를 형성하는 단계; 및 상기 부직포를 열처리하여 폴리아믹산으로부터 유도된 고분자 또는 폴리이미드로부터 유도된 고분자를 포함하는 다공성 지지체를 형성하는 단계를 포함하는 다공성 지지체의 제조 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for preparing a porous support, comprising: electrospinning a composition for forming a porous support to form a nonwoven fabric; And heat treating the nonwoven fabric to form a porous support comprising a polymer derived from polyamic acid or a polymer derived from polyimide.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 다공성 지지체 형성용 조성물을 전기방사하여 부직포를 형성하는 단계; 상기 부직포를 열처리하여 폴리아믹산으로부터 유도된 고분자 또는 폴리이미드로부터 유도된 고분자를 포함하는 다공성 지지체를 형성하는 단계; 및 상기 다공성 지지체의 내부, 표면, 또는 내부와 표면에 양이온 교환 수지를 형성하는 단계를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for preparing a porous support, comprising: electrospinning a composition for forming a porous support to form a nonwoven fabric; Heat treating the nonwoven fabric to form a porous support comprising a polymer derived from polyamic acid or a polymer derived from polyimide; And forming a cation exchange resin on the inside, the surface, or the inside and the surface of the porous support, as well as a method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 다공성 지지체 형성용 조성물을 전기방사하여 부직포를 형성하는 단계; 상기 부직포를 열처리하여 폴리아믹산으로부터 유도된 고분자 또는 폴리이미드로부터 유도된 고분자를 포함하는 다공성 지지체를 형성하는 단계; 및 상기 다공성 지지체의 내부, 표면, 또는 내부와 표면에 산을 도핑하는 단계를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for preparing a porous support, comprising: electrospinning a composition for forming a porous support to form a nonwoven fabric; Heat treating the nonwoven fabric to form a porous support comprising a polymer derived from polyamic acid or a polymer derived from polyimide; And a step of doping the inside, the surface, or the inside and the surface of the porous support with an acid. The present invention also provides a method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell.

상기 산은 술폰산, 카르복실산, 인산, 포스포닌산 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.The acid may be selected from the group consisting of sulfonic acid, carboxylic acid, phosphoric acid, phosphonic acid, and derivatives thereof.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 다공성 지지체 형성용 조성물을 전기방사하여 부직포를 형성하는 단계; 상기 부직포를 열처리하여 폴리아믹산으로부터 유도된 고분자 또는 폴리이미드로부터 유도된 고분자를 포함하는 다공성 지지체를 형성하는 단계; 및 상기 다공성 지지체의 표면에 불소기를 도입하는 단계를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of preparing a porous support, comprising: electrospinning a composition for forming a porous support to form a nonwoven fabric; Heat treating the nonwoven fabric to form a porous support comprising a polymer derived from polyamic acid or a polymer derived from polyimide; And introducing a fluorine group to the surface of the porous support. The present invention also provides a method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell.

상기 전기방사는 약 1 kV 내지 약 1,000 kV의 전압을 인가하여 실시될 수 있다.The electrospinning may be performed by applying a voltage of about 1 kV to about 1,000 kV.

상기 전기방사로 형성된 부직포는 다공성 지지체 형성용 조성물을 포함하는 섬유가 랜덤하게 배열되어 있을 수 있다.The nonwoven fabric formed by the electrospinning may have fibers randomly arranged including a composition for forming a porous support.

한편, 상기 전기방사로 형성된 부직포는 다공성 지지체 형성용 조성물을 포함하는 섬유가 일방향으로 배열되어 있을 수 있다.On the other hand, the nonwoven fabric formed by the electrospinning may have the fibers including the composition for forming a porous support arranged in one direction.

상기 고분자는 상기 폴리아믹산 또는 상기 폴리이미드로부터 열전환되어 유도되는 것이고, 상기 폴리아믹산 또는 상기 폴리이미드에 포함되는 반복단위의 총량(100몰%)에 대하여, 열전환되는 반복단위의 비율(열전환율)은 약 10몰% 내지 약 100몰%일 수 있다.(100 mol%) of the repeating units contained in the polyamic acid or the polyimide, the ratio of the repeating units to be thermally converted (thermoelectric conversion rate ) Can be from about 10 mole% to about 100 mole%.

상기 열처리는 약 250℃ 내지 약 550℃의 온도에서 실시될 수 있으며, 약 10분 내지 약 5시간 동안 실시될 수 있다. 또한 상기 열처리시 승온속도는 약 1 ℃/분 내지 약 20 ℃/분일 수 있다.The heat treatment may be conducted at a temperature of about 250 ° C to about 550 ° C, and may be conducted for about 10 minutes to about 5 hours. Also, the rate of temperature rise during the heat treatment may be from about 1 占 폚 / min to about 20 占 폚 / min.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드; 그리고 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치하며, 상기 연료 전지용 고분자 전해질 막을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a plasma display panel comprising: an anode and a cathode disposed opposite to each other; And a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, the membrane-electrode assembly being disposed between the anode and the cathode.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 하나 이상 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 발생시키는 전기 발생부; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system including: an electricity generating unit including at least one of the membrane-electrode assembly and the separator and generating electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant; A fuel supply unit for supplying fuel to the electricity generation unit; And an oxidant supplier for supplying the oxidant to the electricity generator.

기타 본 발명의 측면들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other aspects of the present invention are included in the following detailed description.

상기 다공성 지지체는 기계적 물성, 치수 안정성 및 내화학성이 우수하고, 상기 연료 전지용 고분자 전해질 막은 수소 이온 전도성, 기계적 물성, 치수 안정성 및 내화학성이 우수하고, 또한 연료에 대한 차단성이 우수하며, 연료 전지의 출력 밀도를 향상시킬 수 있다.The porous support is excellent in mechanical properties, dimensional stability, and chemical resistance. The polymer electrolyte membrane for a fuel cell has excellent hydrogen ion conductivity, mechanical properties, dimensional stability, and chemical resistance, Can be improved.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예 4에서 제조한 다공성 지지체의 사진이다.
도 4는 실시예 4에서 제조한 연료 전지용 고분자 전해질 막의 사진이다.
1 is a schematic view of a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic view showing the structure of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
3 is a photograph of the porous support prepared in Example 4. Fig.
4 is a photograph of the polymer electrolyte membrane for fuel cells manufactured in Example 4. Fig.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.

도면에서는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 도면을 사용하여 설명하는 경우 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여한다.In the drawings, the thickness is enlarged in order to clearly represent layers and regions. Like reference numerals are used to designate like parts throughout the specification.

본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "피코기공"은 기공의 평균 직경이 수백 피코미터, 구체적으로는 약 100 pm 내지 약 1,000 pm인 기공을 의미하고, "미세기공"은 기공의 평균 직경이 약 2 nm 내지 약 50 ㎛, 구체적으로는 약 10 nm 내지 약 10 ㎛인 기공을 의미한다.&Quot; Pico pore "means a pore having an average diameter of several hundred picometers, specifically, about 100 pm to about 1,000 pm, unless otherwise defined herein, and" Refers to pores having a diameter of from about 2 nm to about 50 μm, specifically, from about 10 nm to about 10 μm.

본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "치환" 또는 "치환된"이란 화합물 또는 작용기 중의 수소 원자가 C1 내지 C10 알킬기, C1 내지 C10 알콕시기, C1 내지 C10 할로알킬기 및 C1 내지 C10 할로알콕시기로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 치환기로 치환된 것을 의미하고, "헤테로 고리기"란 O, S, N, P, Si 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 헤테로 원자를 하나의 고리 내에 1 내지 3 개 함유하는, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30의 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30의 사이클로알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30의 사이클로알키닐기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30의 사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30의 사이클로알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30의 사이클로알키닐렌기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴렌기를 의미한다.Unless defined otherwise herein, "substituted" or "substituted" means that the hydrogen or the hydrogen in the compound or functional group is comprised of a C1 to C10 alkyl group, a C1 to C10 alkoxy group, a C1 to C10 haloalkyl group, and a C1 to C10 haloalkoxy group Quot; heterocyclic group "means a heteroatom selected from the group consisting of O, S, N, P, Si, and combinations thereof, in which one to three A substituted or unsubstituted C2 to C30 cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted C2 to C30 cycloalkenyl group, a substituted or unsubstituted C2 to C30 cycloalkynyl group, a substituted or unsubstituted C2 to C30 hetero An aryl group, a substituted or unsubstituted C2 to C30 cycloalkylene group, a substituted or unsubstituted C2 to C30 cycloalkenylene group, a substituted or unsubstituted C2 to C30 cyclo Kinil means group, or a substituted or unsubstituted C2 to C30 heteroarylene group ring.

본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "지방족 유기기"란 C1 내지 C30 알킬기, C2 내지 C30 알케닐기, 또는 C2 내지 C30 알키닐기이고, 구체적으로는 C1 내지 C15 알킬기, C2 내지 C15 알케닐기, 또는 C2 내지 C15 알키닐기이고, 더욱 구체적으로는 C1 내지 C10 알킬기, C2 내지 C10 알케닐기, 또는 C2 내지 C10 알키닐기이다.Unless defined otherwise herein, the term "aliphatic organic group" means a C1 to C30 alkyl group, a C2 to C30 alkenyl group, or a C2 to C30 alkynyl group, specifically a C1 to C15 alkyl group, a C2 to C15 alkenyl group, More preferably a C1 to C10 alkyl group, a C2 to C10 alkenyl group, or a C2 to C10 alkynyl group.

본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "조합"이란 혼합 또는 공중합을 의미한다. 또한 "공중합"이란 블록 공중합 내지 랜덤 공중합을 의미하고, "공중합체"란 블록 공중합체 내지 랜덤 공중합체를 의미한다.As used herein, unless otherwise defined, "combination" means mixing or copolymerization. "Copolymerization" means block copolymerization or random copolymerization, and "copolymer" means block copolymer or random copolymer.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a schematic view of a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 연료 전지용 막-전극 어셈블리(20)는 애노드(22), 고분자 전해질 막(24) 및 캐소드(26)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a fuel cell membrane-electrode assembly 20 includes an anode 22, a polymer electrolyte membrane 24, and a cathode 26.

상기 애노드(22) 및 캐소드(26)는 전극 기재와 상기 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함한다.The anode 22 and the cathode 26 include an electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate.

상기 촉매층이 존재함으로써, 애노드에서는 연료의 산화 반응을 촉진시킬 수 있고, 캐소드에서는 캐소드로 공급되는 산화제, 수소 이온 및 전자의 반응을 촉진시킬 수 있어, 연료 전지의 효율을 개선할 수 있다.By the presence of the catalyst layer, the oxidation reaction of the fuel can be promoted at the anode, and the reaction of the oxidant, the hydrogen ion and the electron supplied to the cathode at the cathode can be promoted, and the efficiency of the fuel cell can be improved.

상기 촉매층에 포함되는 촉매의 예로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(여기서, M은 갈륨(Ga), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 로듐(Rh), 루테늄(Ru) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속이다) 및 이들의 조합을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 촉매의 더욱 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다.Examples of the catalyst included in the catalyst layer include platinum, ruthenium, osmium, a platinum-ruthenium alloy, a platinum-osmium alloy, a platinum-palladium alloy, a platinum-M alloy wherein M is gallium (Ga), titanium (Ti) (V), Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, (W), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), and combinations thereof, and combinations thereof, but are not limited thereto. More specific examples of the catalyst include Pt, Ru, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Mo, Pt / Pd, Pt / Fe, Pt / , At least one selected from the group consisting of Pt / Ru / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni and Pt / Ru / Sn / W.

상기 촉매는 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 상기 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The catalyst may be used as a catalyst itself or may be supported on a carrier. The carrier may be a carbonaceous material such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs or activated carbon, or may be alumina, silica, zirconia, Inorganic fine particles such as titania may be used, but the present invention is not limited thereto.

상기 연료 전지용 고분자 전해질 막(24)은 상기 애노드(22)와 상기 캐소드(26) 사이에 위치하며, 다공성 지지체(244) 및 상기 다공성 지지체 내부, 표면, 또는 내부와 표면에 존재하는 양이온 교환수지(242)를 포함한다. 상기 양이온 교환수지(242)는 양이온 전도성, 예컨대 수소 이온 전도성을 가지는 것일 수 있다.The polymer electrolyte membrane 24 for a fuel cell is positioned between the anode 22 and the cathode 26 and includes a porous support 244 and a cation exchange resin 244 disposed on the inside, 242). The cation exchange resin 242 may be one having cation conductivity, for example, hydrogen ion conductivity.

상기 고분자 전해질 막(24)은 애노드(22) 및 캐소드(26)를 전기적으로 분리하는 절연체이나, 전지 작동 중에는 애노드(22)로부터 캐소드(26)로 수소 이온을 전달하는 매개체로 작용하며, 동시에 반응 기체 또는 액체를 분리하는 역할을 수행한다.The polymer electrolyte membrane 24 functions as an insulator for electrically separating the anode 22 and the cathode 26 or as an agent for transferring hydrogen ions from the anode 22 to the cathode 26 during the operation of the battery, Gas or liquid.

상기 고분자 전해질 막(24)은 상기 다공성 지지체(244)를 포함함으로써, 애노드(22)와 캐소드(26)를 전기적으로 분리할 수 있으며, 우수한 기계적 물성 및 치수 안정성을 가질 수 있다. 이로써 이를 포함하는 막-전극 어셈블리는 스택 구성을 용이하게 할 수 있다.Since the polymer electrolyte membrane 24 includes the porous support 244, the anode 22 and the cathode 26 can be electrically separated from each other, and the polymer electrolyte membrane 24 can have excellent mechanical properties and dimensional stability. Whereby the membrane-electrode assembly comprising the same can facilitate stacking.

상기 다공성 지지체(244)는 폴리아믹산으로부터 유도된 고분자 또는 폴리이미드로부터 유도된 고분자를 포함한다. 상기 폴리아믹산, 상기 폴리이미드 및 이들로부터 유도된 고분자에 대하여는 후술한다. 상기 다공성 지지체(244)는 미세기공, 그리고 상기 폴리아믹산으로부터 유도된 고분자에 존재하는 피코기공 또는 상기 폴리이미드로부터 유도된 고분자에 존재하는 피코기공을 가지며, 상기 폴리아믹산 및 상기 폴리이미드는 아민기에 대하여 오르쏘 위치에 존재하는 적어도 하나의 작용기를 포함하는 방향족 디아민 및 디안하이드라이드로부터 제조된 반복단위를 포함한다. 이로 인해 상기 다공성 지지체(244)는 공극률이 높아져 효율적으로 양이온 교환수지를 공극 내에 포함할 수 있고, 이로써 양이온, 예컨대 수소 이온이 애노드(22)로부터 캐소드(26)로 용이하게 전달되도록 할 수 있어 연료 전지의 효율을 개선할 수 있다. 특히 상기 다공성 지지체(244)의 피코기공에 양이온 교환수지가 흡착되거나 산이 도핑되는 경우, 흡착된 양이온 교환수지, 그리고 도핑된 산이 상기 다공성 지제체로부터 잘 분리되지 않는다. 이로 인해 양이온, 예컨대 수소 이온을 더욱 안정적으로 애노드(22)로부터 캐소드(26)로 전달할 수 있어, 연료 전지의 효율 및 수명 특성을 개선할 수 있다.The porous support 244 comprises a polymer derived from polyamic acid or a polymer derived from polyimide. The polyamic acid, the polyimide and the polymer derived therefrom will be described later. The porous support 244 has fine pores and picopores existing in the polymer derived from the polyamic acid or picopores present in the polymer derived from the polyimide. The polyamic acid and the polyimide have a And repeating units prepared from an aromatic diamine and dianhydride containing at least one functional group present in ortho position. This allows the porous support 244 to have a high porosity to efficiently contain the cation exchange resin within the pores, thereby allowing positive ions, such as hydrogen ions, to be easily transferred from the anode 22 to the cathode 26, The efficiency of the battery can be improved. In particular, when the cation exchange resin is adsorbed to the picopores of the porous support 244 or the acid is doped, the adsorbed cation exchange resin and the doped acid are not separated from the porous support well. As a result, positive ions such as hydrogen ions can be more stably transferred from the anode 22 to the cathode 26, thereby improving the efficiency and lifetime characteristics of the fuel cell.

상기 아민기에 대하여 오르쏘 위치에 존재하는 작용기는 OH, SH 또는 NH2를 포함할 수 있다.The functional group present at the ortho position with respect to the amine group may include OH, SH or NH 2 .

상기 폴리아믹산 및 상기 폴리이미드는 일반적인 방법에 따라 제조할 수 있다.The polyamic acid and the polyimide can be prepared by a general method.

일 예로, 상기 폴리아믹산은 아민기에 대하여 오르쏘 위치에 존재하는 OH, SH 또는 NH2기를 포함하는 방향족 디아민과 테트라카르복실산 무수물을 반응시켜 제조할 수 있고, 상기 폴리이미드는 상기 폴리아믹산을 이미드화, 예컨대 열적 용액 이미드화 또는 화학적 이미드화함으로써 제조할 수 있다.For example, the polyamic acid may be prepared by reacting an aromatic diamine containing an OH, SH, or NH2 group at an ortho position with respect to an amine group, and a tetracarboxylic acid anhydride. The polyimide may be prepared by imidizing the polyamic acid , For example, by thermal solution imidization or chemical imidization.

예컨대, 상기 열적 용액 이미드화는 N-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 유기 용매에, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 크레졸 등의 벤젠류, 헥산, 시클로헥산 등의 지방족 유기 용매류 등을 더 첨가하여 이루어진 공비혼합물을 이용하여 이루어질 수 있다.For example, the thermal solution imidization may be carried out by adding an organic solvent such as benzene, toluene, xylene, cresol or the like, an aliphatic organic solvent such as hexane or cyclohexane to the organic solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) And the like.

상기 폴리아믹산 및 상기 폴리이미드는 소정의 열처리에 의해 열전환되어, 피코기공을 가지며 기계적 강도가 우수하고 높은 자유 체적도를 갖는 폴리벤조옥사졸, 폴리벤조티아졸, 폴리피롤론과 같은 고분자로 전환될 수 있다.The polyamic acid and the polyimide are thermally converted by a predetermined heat treatment to be converted into a polymer such as polybenzoxazole, polybenzothiazole, or polypyrrolone having picopores and excellent mechanical strength and high free volume .

구체적으로는 상기 폴리아믹산 또는 상기 폴리이미드에 포함되는 반복단위의 총량에 대하여, 열전환되는 반복단위의 비율(열전환율)은 약 10몰% 내지 약 100몰% 일 수 있다. 이 경우, 다공성 지지체의 내열성 및 기계적 강도가 효과적으로 개선될 수 있고, 양이온 교환 수지에 대한 젖음성(wettability)이 좋아져 상기 다공성 지지체와 양이온 교환 수지와의 호환성(compatibility)이 효과적으로 개선될 수 있다. 또한, 다공성 지지체와 양이온 교환 수지 간의 박리(delamination)를 방지할 수 있고, 상기 다공성 지지체를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막의 내구성을 효과적으로 개선할 수 있다. 구체적으로는 상기 폴리아믹산 또는 상기 폴리이미드에 포함되는 반복단위의 총량에 대하여, 열전환되는 반복단위의 비율(열전환율)은 약 40몰% 내지 약 100몰%일 수 있다.Specifically, the ratio (thermoelectric conversion rate) of the repeating units to be thermally converted with respect to the total amount of the repeating units contained in the polyamic acid or the polyimide may be about 10 mol% to about 100 mol%. In this case, the heat resistance and the mechanical strength of the porous support can be effectively improved, and the wettability with respect to the cation exchange resin is improved, so that the compatibility between the porous support and the cation exchange resin can be effectively improved. In addition, delamination between the porous support and the cation exchange resin can be prevented, and the durability of the polymer electrolyte membrane for a fuel cell including the porous support can be effectively improved. Specifically, the ratio of the repeating units to be thermally converted (thermoelectric conversion rate) relative to the total amount of the repeating units contained in the polyamic acid or the polyimide may be about 40 mol% to about 100 mol%.

상기 폴리아믹산으로부터 유도되는 고분자 및 상기 폴리이미드로부터 유도되는 고분자는 약 0.18 내지 약 0.40의 자유 체적도(FFV)를 가질 수 있고, XRD 측정에 의한 면간 거리(d-spacing)가 약 550 pm 내지 약 800 pm의 범위에 있을 수 있다. 이로써 상기 폴리아믹산으로부터 유도되는 고분자 및 상기 폴리이미드로부터 유도되는 고분자는 저분자를 용이하게 투과 내지 분리할 수 있다. The polymer derived from the polyamic acid and the polymer derived from the polyimide may have a free volume degree (FFV) of about 0.18 to about 0.40 and a d-spacing by XRD measurement of about 550 pm to about 800 < / RTI > As a result, the polymer derived from the polyamic acid and the polymer derived from the polyimide can easily transmit or separate low molecular weight molecules.

상기 폴리아믹산으로부터 유도되는 고분자 및 상기 폴리이미드로부터 유도되는 고분자는 피코기공을 포함하고,상기 피코기공은 2개 이상이 서로 연결되어 모래시계 모양(hourglass shaped)을 형성할 수 있다. 이로써 상기 고분자는 공극률이 높아져 저분자를 효율적으로 투과시키거나 선택적으로 분리할 수 있다.The polymer derived from the polyamic acid and the polymer derived from the polyimide include picopores, and two or more of the picopores may be connected to form an hourglass shape. As a result, the polymer has a high porosity, so that the low molecular weight can be efficiently transmitted or selectively separated.

또한 상기 피코기공의 평균 직경은 약 600 pm 내지 약 800 pm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 피코기공은 양전자 소멸시간 분광분석(positron annihilation lifetime spectroscopy, PALS) 측정에 의한 반가폭(full width at half maximum, FWHM)이 약 10 pm 내지 약 40 pm의 범위에 있을 수 있다. 이는 생성되는 피코기공의 크기가 상당히 균일함을 나타내는 것이다. 상기 PALS 데이터는 22Na 동위원소로부터 발생되는 양전자를 조사하여 생성시에 발생되는 1.27MeV의 γ0와 소멸시에 생성되는 0.511MeV의 γ1, γ2의 시간차이 τ1, τ2, τ3 등을 이용하여 얻을 수 있다.Also, the average diameter of the picopores may be from about 600 pm to about 800 pm, but is not limited thereto. The picopores may have a full width at half maximum (FWHM) of from about 10 pm to about 40 pm as measured by positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS). This indicates that the size of the generated picopores is fairly uniform. The PALS data show that the time difference τ 1 , τ 2 , τ 3 between γ 0 of 1.27 MeV generated at the time of generation and positron generated from the 22Na isotope and γ 1 and γ 2 of 0.511 MeV generated at the time of extinction . ≪ / RTI >

상기 다공성 지지체(244)는 미세기공 및 피코기공을 전체적으로 균일하게 포함함으로써, 지지체 총 부피에 대하여 약 10 부피% 내지 약 95 부피%의 기공도를 가질 수 있고, 상기 기공에 양이온 교환수지를 포함할 수 있으므로, 양이온 전도도, 예컨대 수소 이온 전도도를 향상시켜 연료 전지의 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.The porous support 244 may include micropores and picopores as a whole to thereby have a porosity of from about 10% to about 95% by volume based on the total volume of the support, wherein the pores include a cation exchange resin It is possible to effectively improve the efficiency of the fuel cell by improving the cation conductivity, for example, the hydrogen ion conductivity.

상기 다공성 지지체(244)는 전기방사를 통해서 형성할 수 있으며, 상기 전기방사의 방법 내지 공정 조건을 조절함으로써, 상기 피코기공을 가지는 고분자를 포함하는 섬유가 상기 다공성 지지체(244)에서 랜덤하게 배열되도록 형성할 수 있다.The porous support 244 may be formed by electrospinning so that the fibers including the polymer having the picopores are randomly arranged in the porous support 244 by adjusting the electrospinning process or the process conditions. .

한편, 상기 다공성 지지체(244)를 형성할 때, 상기 전기방사의 방법 내지 공정 조건을 조절함으로써, 상기 피코기공을 가지는 고분자를 포함하는 섬유가 상기 다공성 지지체(244)에서 일방향으로 배열되도록 형성할 수도 있다. 이 경우, 섬유가 배열된 방향으로의 강도를 효과적으로 개선할 수 있다. 또한 상기 다공성 지지체(244)를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막에서 수소 이온이 섬유가 배열된 방향을 따라 빠르게 전달되도록 할 수 있어 수소 이온 전도도를 효과적으로 개선할 수 있다.Meanwhile, when the porous support 244 is formed, the fibers including the polymer having the picopores may be formed in one direction in the porous support 244 by adjusting the method of electrospinning or the process conditions have. In this case, the strength in the direction in which the fibers are arranged can be effectively improved. Also, in the polymer electrolyte membrane for a fuel cell including the porous support 244, the hydrogen ions can be rapidly transferred along the direction in which the fibers are arranged, and the hydrogen ion conductivity can be effectively improved.

상기 다공성 지지체(244)는 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛의 두께를 가지도록 형성할 수 있다. 다공성 지지체(244)의 두께가 상기 범위 내인 경우, 이를 포함하는 고분자 전해질 막(24)의 기계적 물성, 내화학성 및 치수안정성을 개선할 수 있다. 구체적으로는 상기 다공성 지지체(244)는 약 20 ㎛ 내지 약 180 ㎛의 두께를 가지도록 형성할 수 있다.The porous support 244 may be formed to have a thickness of about 10 [mu] m to about 200 [mu] m. When the thickness of the porous support 244 is within the above range, the mechanical properties, chemical resistance and dimensional stability of the polymer electrolyte membrane 24 including the porous support 24 can be improved. Specifically, the porous support 244 may be formed to have a thickness of about 20 μm to about 180 μm.

또한 상기 연료 전지용 고분자 전해질 막(24)은 양이온 교환수지(242)를 포함함으로써, 양이온 전도도, 예컨대 수소 이온 전도도를 향상시키고, 연료의 크로스 오버를 억제할 수 있다.Further, the polymer electrolyte membrane 24 for a fuel cell includes the cation exchange resin 242, thereby improving the cation conductivity, for example, the hydrogen ion conductivity and suppressing the crossover of the fuel.

상기 양이온 교환수지(242)는 상기 다공성 지지체(244)의 내부, 표면, 또는 내부와 표면에 존재한다. 상기 양이온 교환수지가 상기 다공성 지지체의 내부에 존재하는 경우, 이는 상기 다공성 지지체의 미세기공 및 피코기공에 채워져 존재할 수 있다.The cation exchange resin 242 is present on the inside, on the surface, or inside and on the surface of the porous support 244. If the cation exchange resin is present in the interior of the porous support, it may be present in the micropores and picopores of the porous support.

이로써, 기계적 강도 및 치수 안정성이 우수하면서, 동시에 양이온 전도도, 예컨대 수소 이온 전도도도 우수한 연료 전지용 고분자 전해질 막(24)을 제공할 수 있다.Thereby, it is possible to provide the polymer electrolyte membrane 24 for a fuel cell which is excellent in mechanical strength and dimensional stability, and at the same time, has excellent cation conductivity, for example, hydrogen ion conductivity.

상기 양이온 교환수지는 연료 전지용 고분자 전해질 막(24)의 양이온 전도도, 예컨대 수소 이온 전도도를 향상시킬 수 있고, 연료 전지의 효율을 개선할 수 있다.The cation exchange resin can improve the cation conductivity (e.g., proton conductivity) of the polymer electrolyte membrane 24 for a fuel cell and improve the efficiency of the fuel cell.

상기 양이온 교환수지는 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 포함하는 고분자로서, 예를 들면 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 또는 이들의 조합을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The cation exchange resin is a polymer comprising a cation-exchange group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group and derivatives thereof, and examples thereof include fluorine-based polymers, benzimidazole-based polymers, polyimide Based polymer, polyetherimide-based polymer, polyetherimide-based polymer, polyphenylene sulfide-based polymer, polysulfone-based polymer, polyether sulfone-based polymer, polyether ketone-based polymer, polyether-ether ketone-based polymer, polyphenylquinoxaline- Combinations thereof, but are not limited thereto.

상기 양이온 교환수지는 본래 고분자 내에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 작용기를 가지고 있는 고분자를 포함할 수 있다. 또한 상기 양이온 교환수지는 본래 상기와 같은 작용기를 가지고 있지 않은 고분자에 상기와 같은 작용기를 치환시킨 고분자를 포함할 수도 있고, 본래 상기와 같은 작용기를 가지고 있지 않은 고분자에 상기와 같은 작용기를 가지는 산을 도핑한 고분자를 포함할 수도 있다.The cation exchange resin may include a polymer having a functional group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, and derivatives thereof in the polymer. In addition, the cation exchange resin may include a polymer in which the functional group is substituted for the polymer having no functional group, and an acid having the functional group may be added to the polymer having no functional group. And may include a doped polymer.

상기 본래 고분자 내에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 작용기를 가지고 있는 고분자의 예로는 나피온(Nafion, Dupont사), 술폰화된 폴리(페닐렌 설파이드 술폰 나이트릴)(sulfonated-poly(phenylene sulfide sulfone nitrile: s-PSSN)), 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르 술폰)(sulfonated-poly(arylene ether sulfone: s-PAES)), 술폰화된 폴리(에테르 에테르 케톤)(sulfonated-poly(ether ether ketone: s-PEEK)) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the polymer having a functional group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group and derivatives thereof in the original polymer include Nafion (Dupont), sulfonated poly Sulfonated-poly (phenylene sulfide sulfone nitrile: s-PSSN), sulfonated-poly (arylene ether sulfone: s-PAES), sulfonated poly (Ether ether ketone: s-PEEK)), but the present invention is not limited thereto.

술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 작용기를 치환시키거나, 또는 상기와 같은 작용기를 가지는 산을 도핑하여, 양이온 교환수지를 만들 수 있는 고분자의 예로는 폴리벤즈이미다졸, 폴리이미드, 폴리페닐렌 술파이드, 폴리술폰, 폴리술폰 유도체, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 술파이드, 폴리포스파젠 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the polymer capable of forming a cation exchange resin by substituting a functional group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group and derivatives thereof, or an acid having the above- Include, but are not limited to, polybenzimidazole, polyimide, polyphenylene sulfide, polysulfone, polysulfone derivatives, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, and polyphosphazene.

상기 연료 전지용 고분자 전해질 막(24)은 상기 다공성 지지체와 상기 양이온 교환수지를 약 99:1 내지 약 10:90의 중량비로 포함할 수 있다. 다공성 지지체와 양이온 교환수지의 함량비가 상기 범위 내인 경우, 이를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막은 우수한 기계적 강도와 치수안정성을 가질 수 있다. 구체적으로는 상기 다공성 지지체와 양이온 교환수지는 약 95:5 내지 약 30:70의 중량비로 포함될 수 있다.The polymer electrolyte membrane (24) for a fuel cell may contain the porous support and the cation exchange resin at a weight ratio of about 99: 1 to about 10:90. When the content ratio of the porous support to the cation exchange resin is within the above range, the polymer electrolyte membrane for a fuel cell having the porous support and the cation exchange resin may have excellent mechanical strength and dimensional stability. Specifically, the porous support and the cation exchange resin may be contained in a weight ratio of about 95: 5 to about 30: 70.

한편, 도 1에 도시하지는 않았지만, 상기 애노드(22)와 상기 캐소드(26) 사이에 위치하며, 다공성 지지체(244)를 포함하나, 별도의 양이온 교환수지(242)를 포함하지 않는 연료 전지용 고분자 전해질 막(24)이 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 연료 전지용 고분자 전해질 막(24)은 그 내부, 표면, 또는 내부와 표면에 산이 도핑되어 형성되어 있다. 상기 산은 술폰산, 카르복실산, 인산, 포스포닌산 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 다공성 지지체(244)에 도핑된 산은 상기 양이온 교환수지(242)와 유사한 역할을 수행한다. 따라서, 상기 다공성 지지체(244)에 도핑된 산은 연료 전지용 고분자 전해질 막(24)의 양이온 전도도, 예컨대 수소 이온 전도도를 향상시킬 수 있고, 연료 전지의 효율을 개선할 수 있다.Although not shown in FIG. 1, a polymer electrolyte for a fuel cell, which is located between the anode 22 and the cathode 26 and contains a porous support 244 but does not include a separate cation exchange resin 242, Membrane 24 may be used. In this case, the polymer electrolyte membrane 24 for a fuel cell is formed by doping the inside, the surface, or the inside and the surface with acid. The acid may be selected from the group consisting of sulfonic acid, carboxylic acid, phosphoric acid, phosphonic acid, and derivatives thereof, but is not limited thereto. The acid doped in the porous support 244 plays a role similar to that of the cation exchange resin 242. Therefore, the acid doped in the porous support 244 can improve the cation conductivity, for example, the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane 24 for the fuel cell, and improve the efficiency of the fuel cell.

상기 연료 전지용 고분자 전해질 막(24)은 약 20 ㎛ 내지 약 300 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 연료 전지용 고분자 전해질 막(24)의 두께가 상기 범위 내인 경우 우수한 양이온 전도성, 예컨대 수소 이온 전도성을 달성할 수 있고, 연료의 크로스 오버를 억제할 수 있으며, 또한 우수한 기계적 강도, 치수 안정성, 내열성 및 내화학성을 효과적으로 달성할 수 있다. 구체적으로는 상기 연료 전지용 고분자 전해질 막(24)은 약 20 ㎛ 내지 약 250 ㎛의 두께를 가질 수 있다.The polymer electrolyte membrane (24) for a fuel cell may have a thickness of about 20 [mu] m to about 300 [mu] m. When the thickness of the polymer electrolyte membrane 24 for a fuel cell is within the above range, excellent cation conductivity, for example, hydrogen ion conductivity can be achieved, fuel crossover can be suppressed, and excellent mechanical strength, dimensional stability, Chemical properties can be effectively achieved. Specifically, the polymer electrolyte membrane 24 for a fuel cell may have a thickness of about 20 μm to about 250 μm.

이하 다공성 지지체를 형성하는 고분자에 대하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the polymer forming the porous support will be specifically described.

상기 다공성 지지체를 형성하는데 사용되는 폴리아믹산은 하기 화학식 1 내지 4로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산, 하기 화학식 5 내지 8로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산 공중합체, 이들의 공중합체 및 이들의 블렌드로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The polyamic acid used to form the porous support is a polyamic acid containing repeating units represented by the following Chemical Formulas 1 to 4, a polyamic acid copolymer containing repeating units represented by Chemical Formulas 5 to 8, And blends thereof.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112012069762108-pat00065
Figure 112012069762108-pat00065

[화학식 2](2)

Figure 112012069762108-pat00066
Figure 112012069762108-pat00066

[화학식 3](3)

Figure 112012069762108-pat00067
Figure 112012069762108-pat00067

[화학식 4][Chemical Formula 4]

Figure 112012069762108-pat00068
Figure 112012069762108-pat00068

[화학식 5][Chemical Formula 5]

Figure 112012069762108-pat00069
Figure 112012069762108-pat00069

[화학식 6][Chemical Formula 6]

Figure 112012069762108-pat00070
Figure 112012069762108-pat00070

[화학식 7](7)

Figure 112012069762108-pat00071
Figure 112012069762108-pat00071

[화학식 8][Chemical Formula 8]

Figure 112012069762108-pat00072
Figure 112012069762108-pat00072

상기 화학식 1 내지 8에서,In the above Chemical Formulas 1 to 8,

Ar1은 치환 또는 비치환된 4가의 C6 내지 C24 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 C4 내지 C24 헤테로 고리기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 접합되어 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, C(=O), CH(OH), S(=O)2, Si(CH3)2, (CH2)p(여기서, 1≤p≤10), (CF2)q(여기서, 1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 C(=O)NH의 작용기에 의해 연결되어 있고,Ar 1 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent C6 to C24 arylene group and a substituted or unsubstituted quadrivalent C4 to C24 heterocyclic group, and the aromatic ring group is present alone; Two or more are bonded to each other to form a condensed ring; Two or more single bond, O, S, C (= O), CH (OH), S (= O) 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p ( where, 1≤p≤10) , (CF 2) q (where, 1≤q≤10), C (CH 3 ) 2, and connected by a C (CF 3) 2 or C (= O) NH functional group,

Ar2는 치환 또는 비치환된 2가의 C6 내지 C24 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 2가의 C4 내지 C24 헤테로 고리기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 접합되어 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, C(=O), CH(OH), S(=O)2, Si(CH3)2, (CH2)p(여기서, 1≤p≤10), (CF2)q(여기서, 1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 C(=O)NH의 작용기에 의해 연결되어 있고,Ar 2 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted divalent C6 to C24 arylene group and a substituted or unsubstituted divalent C4 to C24 heterocyclic group, and the aromatic ring group is present alone; Two or more are bonded to each other to form a condensed ring; Two or more single bond, O, S, C (= O), CH (OH), S (= O) 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p ( where, 1≤p≤10) , (CF 2) q (where, 1≤q≤10), C (CH 3 ) 2, and connected by a C (CF 3) 2 or C (= O) NH functional group,

Q는 O, S, C(=O), CH(OH), S(=O)2, Si(CH3)2, (CH2)p(여기서, 1≤p≤10), (CF2)q(여기서, 1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, C(=O)NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기(여기서 치환된 페닐렌기는 C1 내지 C6 알킬기 또는 C1 내지 C6 할로알킬기로 치환된다)이고, 이때 상기 Q는 양쪽 방향족 고리와 m-m, m-p, p-m, 또는 p-p 위치로 연결되고,Q is O, S, C (= O ), CH (OH), S (= O) 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p ( where, 1≤p≤10), (CF 2) q (where, 1≤q≤10), C (CH 3 ) 2, C (CF 3) 2, C (= O) NH, C (CH 3) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene group (Wherein the substituted phenylene group is substituted with a C1 to C6 alkyl group or a C1 to C6 haloalkyl group), wherein Q is connected to both aromatic rings at the positions of mm, mp, pm, or pp,

Y는 각각의 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 OH, SH 또는 NH2이고,Y is the same or different from each other in each repeating unit, and is independently OH, SH or NH 2 ,

n은 20≤n≤200을 만족하는 정수이고,n is an integer satisfying 20? n? 200,

m은 10≤m≤400을 만족하는 정수이고,m is an integer satisfying 10? m? 400,

l은 10≤l≤400을 만족하는 정수이다.l is an integer satisfying 10?

상기 화학식 1 내지 4로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산의 공중합체의 예로는 하기 화학식 9 내지 18로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산 공중합체를 들 수 있다.Examples of the polyamic acid copolymer containing the repeating units represented by the above formulas (1) to (4) include polyamic acid copolymers containing the repeating units represented by the following formulas (9) to (18).

[화학식 9][Chemical Formula 9]

Figure 112012069762108-pat00073
Figure 112012069762108-pat00073

[화학식 10][Chemical formula 10]

Figure 112012069762108-pat00074
Figure 112012069762108-pat00074

[화학식 11](11)

Figure 112012069762108-pat00075
Figure 112012069762108-pat00075

[화학식 12][Chemical Formula 12]

Figure 112012069762108-pat00076
Figure 112012069762108-pat00076

[화학식 13][Chemical Formula 13]

Figure 112012069762108-pat00077
Figure 112012069762108-pat00077

[화학식 14][Chemical Formula 14]

Figure 112012069762108-pat00078
Figure 112012069762108-pat00078

[화학식 15][Chemical Formula 15]

Figure 112012069762108-pat00079
Figure 112012069762108-pat00079

[화학식 16][Chemical Formula 16]

Figure 112012069762108-pat00080
Figure 112012069762108-pat00080

[화학식 17][Chemical Formula 17]

Figure 112012069762108-pat00081
Figure 112012069762108-pat00081

[화학식 18][Chemical Formula 18]

Figure 112012069762108-pat00082
Figure 112012069762108-pat00082

상기 화학식 9 내지 화학식 18에서,In the above Chemical Formulas 9 to 18,

Ar1, Q, n, m 및 l은 상기 화학식 1 내지 화학식 8에서 정의한 바와 같고,Ar 1 , Q, n, m and l are as defined in the above Chemical Formulas 1 to 8,

Y 및 Y' 는 서로 상이하며, 각각 독립적으로 OH, SH 또는 NH2이다.Y and Y 'are different from each other, and each independently is OH, SH or NH 2 .

상기 다공성 지지체를 형성하는데 사용되는 폴리이미드는 하기 화학식 19 내지 22로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드, 하기 화학식 23 내지 26으로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드 공중합체, 이들의 공중합체 및 이들의 블렌드로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The polyimide used to form the porous support is a polyimide including the repeating units represented by the following formulas (19) to (22), a polyimide copolymer containing repeating units represented by the following formulas (23) to And blends thereof. However, the present invention is not limited thereto.

[화학식 19][Chemical Formula 19]

Figure 112012069762108-pat00083
Figure 112012069762108-pat00083

[화학식 20][Chemical Formula 20]

Figure 112012069762108-pat00084
Figure 112012069762108-pat00084

[화학식 21][Chemical Formula 21]

Figure 112012069762108-pat00085
Figure 112012069762108-pat00085

[화학식 22][Chemical Formula 22]

Figure 112012069762108-pat00086
Figure 112012069762108-pat00086

[화학식 23](23)

Figure 112012069762108-pat00087
Figure 112012069762108-pat00087

[화학식 24]≪ EMI ID =

Figure 112012069762108-pat00088
Figure 112012069762108-pat00088

[화학식 25](25)

Figure 112012069762108-pat00089
Figure 112012069762108-pat00089

[화학식 26](26)

Figure 112012069762108-pat00090
Figure 112012069762108-pat00090

상기 화학식 19 내지 26에서,In the above Formulas 19 to 26,

Ar1, Ar2, Q, Y, n, m 및 l은 상기 화학식 1 내지 8에서 정의한 바와 같다.Ar 1 , Ar 2 , Q, Y, n, m and l are as defined in the above formulas 1 to 8.

상기 화학식 19 내지 22로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드의 공중합체의 예로는 하기 화학식 27 내지 36으로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드 공중합체를 들 수 있다.Examples of the polyimide copolymer containing the repeating units represented by the above formulas (19) to (22) include polyimide copolymers including repeating units represented by the following formulas (27) to (36).

[화학식 27](27)

Figure 112012069762108-pat00091
Figure 112012069762108-pat00091

[화학식 28](28)

Figure 112012069762108-pat00092
Figure 112012069762108-pat00092

[화학식 29][Chemical Formula 29]

Figure 112012069762108-pat00093
Figure 112012069762108-pat00093

[화학식 30](30)

Figure 112012069762108-pat00094
Figure 112012069762108-pat00094

[화학식 31](31)

Figure 112012069762108-pat00095
Figure 112012069762108-pat00095

[화학식 32](32)

Figure 112012069762108-pat00096
Figure 112012069762108-pat00096

[화학식 33](33)

Figure 112012069762108-pat00097
Figure 112012069762108-pat00097

[화학식 34](34)

Figure 112012069762108-pat00098
Figure 112012069762108-pat00098

[화학식 35](35)

Figure 112012069762108-pat00099
Figure 112012069762108-pat00099

[화학식 36](36)

Figure 112012069762108-pat00100
Figure 112012069762108-pat00100

상기 화학식 27 내지 36에서,In the above formulas 27 to 36,

Ar1, Q, m 및 l은 상기 화학식 1 내지 8에서 정의한 바와 같고,Ar 1 , Q, m and l are as defined in the above formulas (1) to (8)

Y 및 Y'는 각각의 반복단위에서 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 OH, SH 또는 NH2이다.Y and Y 'are the same or different from each other in each repeating unit, and are each independently OH, SH or NH 2 .

상기 화학식 1 내지 36에서, Ar1의 예는 하기 식으로 표시된 것 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the above formulas (1) to (36), examples of Ar 1 may be selected from the following formulas, but are not limited thereto.

Figure 112012069762108-pat00101
Figure 112012069762108-pat00101

상기 식에서,In this formula,

X1, X2, X3 및 X4는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, C(=O), CH(OH), S(=O)2, Si(CH3)2, (CH2)p(여기서, 1≤p≤10), (CF2)q(여기서, 1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, 또는 C(=O)NH이고,X 1, X 2, X 3 and X 4 are in the same or different, each independently O, S, C (= O ), CH (OH), S (= O) 2, Si (CH 3) 2, ( CH 2) p (where, 1≤p≤10), (CF 2) q ( where, 1≤q≤10), C (CH 3 ) 2, C (CF 3) 2, or C (= O) NH ego,

W1 및 W2는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, 또는 C(=O)이고,W 1 and W 2 are the same or different and each independently O, S, or C (= O)

Z1은 O, S, CR100R101 또는 NR102이고, 여기서 R100, R101 및 R102는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이고,Z 1 is O, S, CR 100 R 101 or NR 102 wherein R 100 , R 101 and R 102 are the same or different and each independently hydrogen or a C 1 to C 5 alkyl group,

Z2 및 Z3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 N 또는 CR103(여기서, R103은 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이다)이나 동시에 CR103은 아니고,Z 2 and Z 3 are the same or the different and each is independently N or CR 103 to each other (wherein, R 103 is hydrogen or C1 to C5 alkyl group) or CR 103 at the same time is not,

R1 내지 R42는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 지방족 유기기이고,R 1 to R 42 are the same or different and are each independently hydrogen or a substituted or unsubstituted C1 to C10 aliphatic organic group,

k1 내지 k3, k8 내지 k14, k24 및 k25는 0 내지 2의 정수이고,k1 to k3, k8 to k14, k24 and k25 are integers of 0 to 2,

k5, k15, k16, k19, k21 및 k23은 0 또는 1의 정수이고, k5, k15, k16, k19, k21 and k23 are integers of 0 or 1,

k4, k6, k7, k17, k18, k20, k22, k26 내지 k29, k31, k34 내지 k36, k38, k39 및 k42는 0 내지 3의 정수이고,k32, k26, k29, k31, k34 to k36, k38, k39 and k42 are integers of 0 to 3, and k4, k6, k7, k17, k18, k20,

k30, k37, k40 및 k41은 0 내지 4의 정수이고,k30, k37, k40 and k41 are integers from 0 to 4,

k32 및 k33은 0 내지 5의 정수이다.and k32 and k33 are integers of 0 to 5.

상기 화학식 1 내지 36에서, Ar1의 구체적인 예는 하기 식으로 표시된 것 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the above Formulas 1 to 36, specific examples of Ar 1 may be selected from the following formulas, but are not limited thereto.

Figure 112012069762108-pat00102
Figure 112012069762108-pat00102

Figure 112012069762108-pat00103
Figure 112012069762108-pat00103

상기 화학식 1 내지 36에서, Ar2는 하기 식으로 표시된 것 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the above formulas (1) to (36), Ar 2 may be selected from the following formulas, but is not limited thereto.

Figure 112012069762108-pat00104
Figure 112012069762108-pat00104

상기 식에서,In this formula,

X1, X2, X3 및 X4는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, C(=O), CH(OH), S(=O)2, Si(CH3)2, (CH2)p(여기서, 1≤p≤10), (CF2)q(여기서, 1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, 또는 C(=O)NH이고,X 1, X 2, X 3 and X 4 are in the same or different, each independently O, S, C (= O ), CH (OH), S (= O) 2, Si (CH 3) 2, ( CH 2) p (where, 1≤p≤10), (CF 2) q ( where, 1≤q≤10), C (CH 3 ) 2, C (CF 3) 2, or C (= O) NH ego,

W1 및 W2는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, 또는 C(=O)이고,W 1 and W 2 are the same or different and each independently O, S, or C (= O)

Z1은 O, S, CR100R101 또는 NR102이고, 여기서 R100, R101 및 R102는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이고,Z 1 is O, S, CR 100 R 101 or NR 102 wherein R 100 , R 101 and R 102 are the same or different and each independently hydrogen or a C 1 to C 5 alkyl group,

Z2 및 Z3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 N 또는 CR103(여기서, R103은 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이다)이나 동시에 CR103은 아니고,Z 2 and Z 3 are the same or the different and each is independently N or CR 103 to each other (wherein, R 103 is hydrogen or C1 to C5 alkyl group) or CR 103 at the same time is not,

R43 내지 R89는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 지방족 유기기, 또는 금속 술포네이트기이고,R 43 to R 89 are the same or different and are each independently hydrogen, a substituted or unsubstituted C1 to C10 aliphatic organic group, or a metal sulfonate group,

k43, k49, k64 내지 k68, k72 내지 k76, 및 k82 내지 k89는 0 내지 4의 정수이고,k43, k49, k64 to k68, k72 to k76, and k82 to k89 are integers of 0 to 4,

k44 내지 k46, k48, k51, k54, k55, k57, k58, k61 및 k63은 0 내지 3의 정수이고,k44 to k46, k48, k51, k54, k55, k57, k58, k61 and k63 are integers of 0 to 3,

k47, k52, k53, k56, k59, k60, k62, k70, k78, k80 및 k81은 0 내지 2의 정수이고,k57, k56, k59, k60, k62, k70, k78, k80 and k81 are integers of 0 to 2,

k50은 0 또는 1의 정수이고,k50 is an integer of 0 or 1,

k69, k71, k77 및 k79는 0 내지 5의 정수이다.k69, k71, k77, and k79 are integers from 0 to 5.

상기 화학식 1 내지 36에서, Ar2의 구체적인 예는 하기 식으로 표시된 것 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the above Formulas 1 to 36, specific examples of Ar 2 may be selected from the following formulas, but are not limited thereto.

Figure 112012069762108-pat00105
Figure 112012069762108-pat00105

Figure 112012069762108-pat00106
Figure 112012069762108-pat00106

Figure 112012069762108-pat00107
Figure 112012069762108-pat00107

상기 식에서, M은 금속이고, 상기 금속은 나트륨, 칼륨, 리튬, 이들의 합금 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Wherein M is a metal and the metal may be sodium, potassium, lithium, an alloy thereof, or combinations thereof, but is not limited thereto.

상기 화학식 1 내지 36에서, Q의 예는 C(CH3)2, C(CF3)2, O, S, S(=O)2 또는 C(=O) 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of Q in the above Chemical Formulas 1 to 36 may be selected from C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 , O, S, S (= O) 2 or C It is not.

상기 화학식 1 내지 36에서, Ar1은 하기 화학식 A1 내지 A8 중 어느 하나로 표시되는 작용기일 수 있고, Ar2는 하기 화학식 B1 내지 B11 중 어느 하나로 표시되는 작용기일 수 있고, Q는 C(CF3)2일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the above Chemical Formulas 1 to 36, Ar 1 may be a functional group represented by any one of the following formulas A1 to A8, Ar 2 may be a functional group represented by any one of the following formulas B1 to B11, Q is C (CF 3 ) 2 , but is not limited thereto.

[화학식 A1] [화학식 A2] [화학식 A3][Formula A1] [Formula A2] [Formula A3]

Figure 112012069762108-pat00108
Figure 112012069762108-pat00109
Figure 112012069762108-pat00110
Figure 112012069762108-pat00108
Figure 112012069762108-pat00109
Figure 112012069762108-pat00110

[화학식 A4] [화학식 A5] [화학식 A6][Chemical Formula A4] [Chemical Formula A5] [Chemical Formula A6]

Figure 112012069762108-pat00111
Figure 112012069762108-pat00112
Figure 112012069762108-pat00113
Figure 112012069762108-pat00111
Figure 112012069762108-pat00112
Figure 112012069762108-pat00113

[화학식 A7] [화학식 A8]                  [Chemical formula A7] [Chemical formula A8]

Figure 112012069762108-pat00114
Figure 112012069762108-pat00115
Figure 112012069762108-pat00114
Figure 112012069762108-pat00115

[화학식 B1] [화학식 B2] [화학식 B3][Formula B1] [Formula B2] [Formula B3]

Figure 112012069762108-pat00116
Figure 112012069762108-pat00117
Figure 112012069762108-pat00118
Figure 112012069762108-pat00116
Figure 112012069762108-pat00117
Figure 112012069762108-pat00118

[화학식 B4] [화학식 B5] [화학식 B6] [화학식 B7][Chemical formula B4] [Chemical formula B5] [Chemical formula B6] [Chemical formula B7]

Figure 112012069762108-pat00119
Figure 112012069762108-pat00120
Figure 112012069762108-pat00121
Figure 112012069762108-pat00122
Figure 112012069762108-pat00119
Figure 112012069762108-pat00120
Figure 112012069762108-pat00121
Figure 112012069762108-pat00122

[화학식 B8] [화학식 B9][Chemical formula B8] [Chemical formula B9]

Figure 112012069762108-pat00123
Figure 112012069762108-pat00124
Figure 112012069762108-pat00123
Figure 112012069762108-pat00124

[화학식 B10] [화학식 B11](B11)

Figure 112012069762108-pat00125
Figure 112012069762108-pat00126
Figure 112012069762108-pat00125
Figure 112012069762108-pat00126

상기 화학식 1 내지 화학식 4로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산 및 상기 화학식 19 내지 화학식 22로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드는 일반적인 제조방법을 통해 제조가 가능하다. 일 예로, 단량체로 테트라카르복시산 무수물과 OH, SH 또는 NH2기를 포함하는 방향족 디아민을 반응시켜 제조한다.The polyamic acid including the repeating units represented by the above formulas (1) to (4) and the polyimide including the repeating units represented by the above formulas (19) to (22) can be produced through a general production method. As an example, a monomer is prepared by reacting an aromatic diamine containing a tetracarboxylic acid anhydride with an OH, SH or NH 2 group.

상기 화학식 1 내지 화학식 4로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산은 소정의 열처리에 의해 이미드화 및 열전환되고, 상기 화학식 19 내지 화학식 22로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드는 소정의 열처리에 의해 열전환되어, 피코기공을 가지며 우수한 기계적 물성 및 높은 자유 체적도를 갖는 폴리벤조옥사졸, 폴리벤조티아졸, 폴리피롤론과 같은 고분자로 전환된다. 이때 상기 화학식 1 내지 화학식 4의 Y가 OH인 폴리하이드록시아믹산 또는 상기 화학식 19 내지 화학식 22의 Y가 OH인 폴리하이드록시이미드로부터 유도된 폴리벤조옥사졸, Y가 SH인 폴리티올아믹산 또는 폴리티올이미드로부터 유도된 폴리벤조티아졸, Y가 NH2인 폴리아미노아믹산 또는 폴리아미노이미드로부터 유도된 폴리피롤론을 포함하는 다공성 지지체가 제조된다.The polyamic acid containing the repeating units represented by the above Chemical Formulas 1 to 4 is imidized and thermally converted by a predetermined heat treatment and the polyimide containing the repeating units represented by Chemical Formulas 19 to 22 is subjected to a predetermined heat treatment And converted into polymers such as polybenzoxazole, polybenzothiazole, and polypyrrolone having picopores and excellent mechanical properties and high free volume. Here, the polyhydroxyamic acid represented by the general formulas (1) to (4) is OH or the polybenzoxazole derived from the polyhydroxyimide wherein Y is OH in the general formulas (19) to (22), polythiol amic acid wherein Y is SH A porous support comprising polypyrrolone derived from polybenzothiazole derived from polythiol imide, polyaminoamic acid with Y = NH 2 or polyaminoimide is prepared.

또한 상기 화학식 1 내지 화학식 4로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산의 공중합체에서의 각 반복단위 사이의 몰비; 또는 상기 화학식 19 내지 화학식 22로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드의 공중합체에서의 각 반복단위 사이의 몰비를 조절하여, 제조된 다공성 지지체의 물성 제어가 가능하다.A molar ratio between repeating units in a copolymer of a polyamic acid containing repeating units represented by the above Chemical Formulas 1 to 4; Or by adjusting the molar ratio between the respective repeating units in the copolymer of polyimide containing the repeating units represented by the above-mentioned chemical formulas (19) to (22), the physical properties of the prepared porous substrate can be controlled.

상기 화학식 5 내지 화학식 8로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산 공중합체는 소정의 열처리에 의해 이미드화 및 열전환될 수 있다. 또한 상기 화학식 23 내지 화학식 26으로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드 공중합체는 소정의 열처리에 의해 열전환될 수 있다. 이로써, 상기 화학식 5 내지 화학식 8로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산 공중합체 및 상기 화학식 23 내지 화학식 26으로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드 공중합체는 피코기공을 가지며 우수한 기계적 물성 및 높은 자유 체적도를 갖는 폴리(벤조옥사졸-이미드) 공중합체, 폴리(벤조티아졸-이미드) 공중합체 또는 폴리(피롤론-이미드) 공중합체로 전환되고, 이를 이용하면 상기와 같은 공중합체를 포함하는 다공성 지지체를 형성할 수 있다. 이때 분자내 및 분자간 재배열에 의해 폴리벤조옥사졸, 폴리벤조티아졸 또는 폴리피롤론으로 열전환되는 블럭과 폴리이미드로 되는 블럭간의 공중합비(몰비)를 조절하여, 제조되는 다공성 지지체의 물성 제어가 가능하다.The polyamic acid copolymer containing the repeating units represented by Chemical Formulas 5 to 8 may be imidized and thermally converted by a predetermined heat treatment. The polyimide copolymer containing the repeating units represented by the above Chemical Formulas 23 to 26 may be thermally converted by a predetermined heat treatment. Thus, the polyimide copolymer containing the repeating units represented by the above Chemical Formulas 5 to 8 and the repeating units represented by the above Chemical Formulas 23 to 26 has pico pores and has excellent mechanical properties and high freedom (Benzooxazole-imide) copolymer, poly (benzothiazole-imide) copolymer or poly (pyrrolone-imide) copolymer having a volumetric degree, To form a porous support. At this time, it is possible to control the physical properties of the prepared porous support by controlling the copolymerization ratio (molar ratio) between the block which is thermally converted into polybenzoxazole, polybenzothiazole or polypyrrolone and the block of polyimide by intramolecular and intermolecular rearrangement Do.

상기 화학식 9 내지 화학식 18로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산의 공중합체는 소정의 열처리에 의해 이미드화 및 열전환될 수 있다. 또한 상기 화학식 27 내지 화학식 36으로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드의 공중합체는 소정의 열처리에 의해 열전환될 수 있다. 이로써, 상기 화학식 9 내지 화학식 18로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산의 공중합체 및 상기 화학식 27 내지 화학식 36으로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드의 공중합체는 피코기공을 가지며 우수한 기계적 물성 및 높은 자유 체적도를 갖는 폴리벤조옥사졸, 폴리벤조티아졸 및 폴리피롤론의 공중합체로 전환되고, 이를 이용하면 상기와 같은 공중합체를 포함하는 다공성 지지체를 형성할 수 있다. 이때 각각 폴리벤조옥사졸, 폴리벤조티아졸 및 폴리피롤론으로 열전환되는 블럭간의 공중합비(몰비)를 조절하여, 제조되는 다공성 지지체의 물성 제어가 가능하다.The polyamic acid copolymer containing the repeating units represented by Chemical Formulas 9 to 18 may be imidized and thermally converted by a predetermined heat treatment. The polyimide copolymer containing the repeating units represented by the above formulas (27) to (36) may be thermally converted by a predetermined heat treatment. Thus, the copolymer of the polyamic acid containing the repeating units represented by the above formulas (9) to (18) and the repeating unit represented by the above formulas (27) to (36) has pico pores and excellent mechanical properties A polybenzoxazole, a polybenzothiazole and a polypyrrolone having a high degree of free volume can be converted into a copolymer to form a porous support comprising the copolymer. At this time, the physical properties of the prepared porous support can be controlled by controlling the copolymerization ratio (molar ratio) between the blocks converted into polybenzoxazole, polybenzothiazole and polypyrrolone, respectively.

상기 화학식 1 내지 화학식 4로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산의 공중합체에서의 각 반복단위 사이의 몰비; 또는 상기 화학식 5 내지 화학식 8로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산 공중합체의 블럭간 공중합비(몰비) m:l은 약 0.1:9.9 내지 약 9.9:0.1, 구체적으로는 약 2:8 내지 약 8:2, 더욱 구체적으로는 약 5:5로 조절할 수 있다.A molar ratio between repeating units in a copolymer of a polyamic acid containing repeating units represented by the above Chemical Formulas 1 to 4; Or the polyamic acid copolymer containing the repeating units represented by the above formulas (5) to (8) has a block copolymerization ratio m: 1 of about 0.1: 9.9 to about 9.9: 0.1, specifically about 2: 8 to about 8: 2, more specifically about 5: 5.

또한 상기 화학식 19 내지 화학식 22로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드의 공중합체에서의 각 반복단위 사이의 몰비; 또는 상기 화학식 23 내지 화학식 26으로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드 공중합체의 블럭간 공중합비(몰비) m:l은 약 0.1:9.9 내지 약 9.9:0.1, 구체적으로는 약 2:8 내지 약 8:2, 더욱 구체적으로는 약 5:5로 조절할 수 있다.The molar ratio between the respective repeating units in the copolymer of polyimide including the repeating units represented by the above Chemical Formulas 19 to 22; Or the copolymerization ratio (molar ratio) m: l of the polyimide copolymer containing the repeating units represented by the above Chemical Formulas 23 to 26 is about 0.1: 9.9 to about 9.9: 0.1, specifically about 2: 8 to about 8: 2, more specifically about 5: 5.

이러한 몰비 내지 공중합비는 제조되는 다공성 지지체의 모폴로지에 영향을 주는데, 이러한 모폴로지 변화는 기공 특성, 내열성, 표면 경도 등과 관련되어 있다. 상기 몰비 내지 공중합비가 상기 범위 내인 경우, 제조되는 다공성 지지체는 우수한 기계적 물성 및 치수 안정성을 가질 수 있고, 우수한 기공도를 가질 수 있으며, 또한 우수한 가공성을 가져 공정시간 단축 및 비용 절감 효과를 가질 수 있다.Such molar ratio to copolymerization ratio affects the morphology of the porous support to be produced. Such morphological changes are related to pore characteristics, heat resistance, surface hardness and the like. When the molar ratio or the copolymerization ratio is within the above range, the porous support to be produced can have excellent mechanical properties and dimensional stability, can have excellent porosity, and can have excellent processability and shorten the process time and cost. .

상기 다공성 지지체에서, 상기 폴리아믹산으로부터 유도되는 고분자 및 상기 폴리이미드로부터 유도되는 고분자는 하기 화학식 37 내지 50 중 어느 하나로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 또는 이들의 공중합체를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the porous support, the polymer derived from the polyamic acid and the polymer derived from the polyimide may include a polymer containing a repeating unit represented by any one of the following formulas (37) to (50), or a copolymer thereof, It is not.

[화학식 37](37)

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Figure 112012069762108-pat00127

[화학식 38](38)

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[화학식 39][Chemical Formula 39]

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Figure 112012069762108-pat00129

[화학식 40](40)

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[화학식 41](41)

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Figure 112012069762108-pat00131

[화학식 42](42)

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Figure 112012069762108-pat00132

[화학식 43](43)

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Figure 112012069762108-pat00133

[화학식 44](44)

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Figure 112012069762108-pat00134

[화학식 45][Chemical Formula 45]

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Figure 112012069762108-pat00135

[화학식 46](46)

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Figure 112012069762108-pat00136

[화학식 47](47)

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Figure 112012069762108-pat00137

[화학식 48](48)

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[화학식 49](49)

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[화학식 50](50)

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Figure 112012069762108-pat00140

상기 화학식 37 내지 50에서,In the above formulas 37 to 50,

Ar1, Ar2, Q, n, m 및 l은 각각 상기 화학식 1 내지 8의 Ar1, Ar2, Q, n, m 및 l에서 설명된 바와 같고,Ar 1 , Ar 2 , Q, n, m and l are as described in Ar 1 , Ar 2 , Q, n,

Ar1'는 치환 또는 비치환된 2가의 C6 내지 C24 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 2가의 C4 내지 C24 헤테로 고리기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 접합되어 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, C(=O), CH(OH), S(=O)2, Si(CH3)2, (CH2)p(여기서, 1≤p≤10), (CF2)q(여기서, 1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 C(=O)NH의 작용기에 의해 연결되어 있고,Ar 1 'is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted divalent C6 to C24 arylene group and a substituted or unsubstituted divalent C4 to C24 heterocyclic group, and the aromatic ring group is present alone; Two or more are bonded to each other to form a condensed ring; Two or more single bond, O, S, C (= O), CH (OH), S (= O) 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p ( where, 1≤p≤10) , (CF 2) q (where, 1≤q≤10), C (CH 3 ) 2, and connected by a C (CF 3) 2 or C (= O) NH functional group,

Y''는 O 또는 S 이다.Y " is O or S;

상기 화학식 37 내지 50에서, Ar1, Ar2 및 Q의 예 및 구체적인 예는 각각 상기 화학식 1 내지 36의 Ar1, Ar2 및 Q의 예 및 구체적인 예로 언급된 것과 동일하다.Examples and specific examples of Ar 1 , Ar 2 and Q in the above formulas (37) to (50) are the same as the examples and specific examples of Ar 1 , Ar 2 and Q in the above formulas (1) to (36), respectively.

또한 상기 화학식 37 내지 50에서, Ar1'의 예 및 구체적인 예는 상기 화학식 1 내지 36의 Ar2의 예 및 구체적인 예로 언급된 것과 동일하다.In the above formulas (37) to (50), examples of Ar 1 ' and specific examples thereof are the same as those mentioned in the examples and specific examples of Ar 2 in the above formulas (1) to (36).

상기 화학식 37 내지 50에서, Ar1은 상기 화학식 A1 내지 A8 중 어느 하나로 표시되는 작용기일 수 있고, Ar1'는 하기 화학식 C1 내지 C8 중 어느 하나로 표시되는 작용기일 수 있고, Ar2는 상기 화학식 B1 내지 B11 중 어느 하나로 표시되는 작용기일 수 있고, Q는 C(CF3)2일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In the general formula 37 to 50, Ar 1 may be a functional group represented by any of the general formula A1 to A8, Ar 1 'is to may be a functional group represented by any one of formulas C1 to C8, Ar 2 has the formula B1 be an action to B11 represented by any one of, and, Q is C (CF 3) may be a 2, and the like.

[화학식 C1] [화학식 C2] [화학식 C3]≪ RTI ID = 0.0 > (C3) < / RTI &

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[화학식 C4] [화학식 C5] [화학식 C6][Formula C4] [Formula C5] Formula [C6]

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[화학식 C7] [화학식 C8](C8) < RTI ID = 0.0 > (C8)

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한편, 상기 연료 전지용 고분자 전해질 막에서, 상기 다공성 지지체는 표면에 불소기를 포함하는 것일 수 있다. 이 경우, 이온 전도체와의 접착성이 향상될 수 있고, 다공성 지지체의 젖음성(wettability), 삼투성(permeation), 전기 전도도(electrical conductivity), 그래프팅(grafting) 특성 및 기계적 특성(mechanical behavior)을 개선할 수 있다. On the other hand, in the polymer electrolyte membrane for a fuel cell, the porous support may include a fluorine group on its surface. In this case, the adhesion to the ionic conductor can be improved, and the wettability, permeation, electrical conductivity, grafting property, and mechanical behavior of the porous support can be improved Can be improved.

상기 불소기는 예컨대, 플루오린, 플루오르화물(fluoride)을 사용하여 직접 불소화법, 플라즈마 증착법 등의 방법으로 도입할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The fluorine group may be introduced by a direct fluorination method, a plasma deposition method, or the like using, for example, fluorine or fluoride, but is not limited thereto.

상기 다공성 지지체는 열처리 이후에도 수축율이 약 10% 미만으로 우수한 치수 안정성을 가진다.The porous support has an excellent dimensional stability with less than about 10% shrinkage even after the heat treatment.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 아민기에 대하여 오르쏘 위치에 존재하는 적어도 하나의 작용기를 포함하는 방향족 디아민 및 디안하이드라이드로부터 제조된 반복단위를 가지는 폴리아믹산 또는 폴리이미드; 및 유기 용매를 포함하는 다공성 지지체 형성용 조성물을 제공한다. 상기 유기 용매는 디메틸설폭사이드; N-메틸-2-피롤리돈; N-메틸피롤리돈; N,N-디메틸포름아미드; N,N-디메틸아세트아미드; γ-부티로락톤, 사이클로헥사논, 3-헥사논, 3-헵타논 및 3-옥타논으로 이루어진 군에서 선택된 케톤; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a polyamic acid or polyimide having a repeating unit prepared from an aromatic diamine and a dianhydride containing at least one functional group existing ortho to an amine group; And a composition for forming a porous support comprising an organic solvent. The organic solvent may include dimethylsulfoxide; N-methyl-2-pyrrolidone; N-methylpyrrolidone; N, N-dimethylformamide; N, N-dimethylacetamide; ketones selected from the group consisting of? -butyrolactone, cyclohexanone, 3-hexanone, 3-heptanone and 3-octanone; And combinations thereof.

상기 유기 용매를 사용하면 상기 폴리아믹산 또는 상기 폴리이미드와 같은 고분자를 쉽게 용해시킬 수 있다. 또한, 후술하는 보조제와 잘 섞임으로써 다공성 지지체 형성용 조성물을 불안정한(meta-stable) 상태로 형성할 수 있고, 이로 인해 다공성 지지체를 용이하게 형성할 수 있다.When the organic solvent is used, the polymer such as the polyamic acid or the polyimide can be easily dissolved. In addition, the composition for forming a porous support can be formed in a meta-stable state by mixing well with an adjuvant described later, thereby easily forming a porous support.

상기 다공성 지지체 형성용 조성물은 다공성 지지체 형성용 조성물 총량에 대하여, 상기 폴리아믹산 또는 상기 폴리이미드를 약 1 중량% 내지 약 40중량%, 상기 유기 용매를 약 60 중량% 내지 약 99 중량%로 포함할 수 있다. 다공성 지지체 형성용 조성물의 각 성분의 함량이 상기 범위 내인 경우, 다공성 지지체 형성용 조성물의 점도를 적절히 유지하여 다공성 지지체의 제조를 용이하게 할 수 있고, 형성되는 다공성 지지체의 표면 및 내부 기공의 크기를 적절히 조절할 수 있다. 또한 다공성 지지체의 강도를 우수하게 유지할 수 있고, 이로써 기계적 강도 및 치수 안정성이 우수한 다공성 지지체 및 이를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 용이하게 형성할 수 있다.The composition for forming a porous support contains about 1 wt% to about 40 wt% of the polyamic acid or the polyimide and about 60 wt% to about 99 wt% of the organic solvent, based on the total amount of the composition for forming a porous support . When the content of each component of the composition for forming a porous support is within the above range, the viscosity of the composition for forming a porous support can be appropriately maintained to facilitate the production of the porous support, and the surface of the formed porous support and the size of the inner pore It can be adjusted appropriately. In addition, it is possible to maintain the strength of the porous support to be excellent, thereby easily forming a porous support having excellent mechanical strength and dimensional stability and a polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising the porous support.

상기 다공성 지지체 형성용 조성물은 물; 메탄올, 에탄올, 2-메틸-1-부탄올, 2-메틸-2-부탄올, 글리세롤, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜 및 프로필렌글리콜로 이루어진 군에서 선택된 알코올; 아세톤 및 메틸에틸 케톤으로 이루어진 군에서 선택된 케톤; 폴리비닐알코올, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아마이드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 키토산, 키틴, 덱스트란 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 고분자 화합물; 테트라하이드로퓨란; 트리클로로에탄; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 보조제를 더 포함할 수 있다.The composition for forming a porous support may be water; Alcohols selected from the group consisting of methanol, ethanol, 2-methyl-1-butanol, 2-methyl-2-butanol, glycerol, ethylene glycol, diethylene glycol and propylene glycol; Ketones selected from the group consisting of acetone and methyl ethyl ketone; A polymer compound selected from the group consisting of polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylamide, polyethylene glycol, polypropylene glycol, chitosan, chitin, dextran and polyvinylpyrrolidone; Tetrahydrofuran; Trichloroethane; And combinations thereof. ≪ Desc / Clms Page number 7 >

상기 보조제는 폴리아믹산 또는 폴리이미드와의 용해도가 우수한 것은 아니므로 홀로 사용될 수 없지만, 유기 용매와 적절히 혼합되면 불안정한(meta-stable) 다공성 지지체 형성용 조성물을 제조할 수 있으며, 다공성 지지체 형성용 조성물을 전기방사할 때 적절한 기공 크기, 기공 분포 및 기공도를 가지는 부직포를 효과적으로 형성할 수 있다.Since the adjuvant is not excellent in solubility with polyamic acid or polyimide, it can not be used alone, but when mixed with an organic solvent, it is possible to prepare a composition for forming a meta-stable porous support, and a composition for forming a porous support When electrospun, it is possible to effectively form a nonwoven fabric having appropriate pore size, pore distribution and porosity.

상기 보조제는 다공성 지지체 형성 시에 확산, 증발 등에 의해서 제거되면서, 상기 다공성 지지체 내부에 미세기공을 형성할 수 있으며, 이로써 상기 다공성 지지체의 기공도를 높일 수 있다. 구체적으로는 상기 고분자 화합물은 공극 조절제로 사용할 수 있다. 또한 상기 보조제는 상분리 온도 또는 다공성 지지체 형성용 조성물의 점성 조절을 위해 사용될 수도 있다.The auxiliary agent may be removed by diffusion, evaporation, or the like at the time of forming the porous support, and micropores may be formed in the porous support, thereby increasing the porosity of the porous support. Specifically, the polymer compound may be used as a porosity regulator. The adjuvant may also be used for phase separation temperature or for viscosity control of the composition for forming a porous support.

상기 다공성 지지체 형성용 조성물은 상기 보조제를 포함하는 다공성 지지체 형성용 조성물 총량에 대하여, 상기 폴리아믹산 또는 상기 폴리이미드를 약 1 중량% 내지 약 40중량%, 상기 유기 용매를 약 10 중량% 내지 약 95 중량%, 그리고 상기 보조제를 약 4 중량% 내지 약 70 중량%로 포함할 수 있다. 다공성 지지체 형성용 조성물의 각 성분의 함량이 상기 범위 내인 경우, 다공성 지지체 형성용 조성물의 점도를 적절히 유지하여 다공성 지지체의 제조를 용이하게 할 수 있고, 형성되는 다공성 지지체의 표면 및 내부 기공의 크기를 적절히 조절할 수 있다. 또한 다공성 지지체의 강도를 우수하게 유지할 수 있고, 이로써 기계적 강도 및 치수 안정성이 우수한 다공성 지지체 및 이를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 용이하게 형성할 수 있다.Wherein the composition for forming a porous support comprises about 1 wt% to about 40 wt% of the polyamic acid or the polyimide and about 10 wt% to about 95 wt% of the organic solvent, based on the total amount of the composition for forming a porous support, By weight, and from about 4% to about 70% by weight of the adjuvant. When the content of each component in the composition for forming a porous support is within the above range, the viscosity of the composition for forming a porous support can be appropriately maintained to facilitate the production of the porous support, and the surface of the formed porous support and the size of the internal pore It can be adjusted appropriately. In addition, it is possible to maintain the strength of the porous support to be excellent, thereby easily forming a porous support having excellent mechanical strength and dimensional stability and a polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising the porous support.

상기 다공성 지지체 형성용 조성물은 약 0.01 Pa·s 내지 약 100 Pa·s의 점도를 가질 수 있다. 다공성 지지체 형성용 조성물의 점도가 상기 범위 내이면 다공성 지지체 형성용 조성물을 용이하게 전기방사할 수 있고, 다공성 지지체를 상전이 현상을 통해 용이하게 고형으로 응고시킬 수 있다. The composition for forming a porous support may have a viscosity of about 0.01 Pa · s to about 100 Pa · s. If the viscosity of the composition for forming a porous support is within the above range, the composition for forming a porous support can be easily electrospun and the porous support can be solidified easily through solid phase transition.

상기 다공성 지지체 형성용 조성물에서, 상기 폴리아믹산 및 상기 폴리이미드는 각각 약 10,000 g/mol 내지 약 500,000 g/mol의 중량평균 분자량(Mw)을 가질 수 있다. 폴리아믹산 및 폴리이미드의 중량평균 분자량이 상기 범위 내이면 이의 합성이 용이하고, 이를 포함하는 다공성 지지체 형성용 조성물의 점도가 적절하게 유지되어 가공성이 우수하며, 상기 폴리아믹산으로부터 유도되는 고분자 및 상기 폴리이미드로부터 유도되는 고분자는 기계적 강도 및 치수 안정성이 우수하게 유지될 수 있다.In the composition for forming a porous support, the polyamic acid and the polyimide may have a weight average molecular weight (Mw) of about 10,000 g / mol to about 500,000 g / mol, respectively. When the weight average molecular weight of the polyamic acid and the polyimide is within the above range, its synthesis is easy, the viscosity of the composition for forming a porous support containing the polyamic acid and the polyimide is appropriately maintained, and the processability is excellent, and the polymer derived from the polyamic acid and the poly The polymer derived from the mid-chain can maintain excellent mechanical strength and dimensional stability.

상기 다공성 지지체 형성용 조성물에서, 상기 폴리아믹산은 상기 화학식 1 내지 4로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산, 상기 화학식 5 내지 8로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리아믹산 공중합체, 이들의 공중합체 및 이들의 블렌드로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 또한 상기 폴리이미드는 상기 화학식 19 내지 22로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드, 상기 화학식 23 내지 26으로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드 공중합체, 이들의 공중합체 및 이들의 블렌드로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.In the composition for forming a porous support, the polyamic acid may be at least one selected from the group consisting of a polyamic acid including the repeating units represented by the above formulas (1) to (4), a polyamic acid copolymer containing the repeating units represented by the above formulas And blends thereof. The polyimide may be a polyimide including the repeating units represented by the above formulas 19 to 22, a polyimide copolymer containing the repeating units represented by the above formulas 23 to 26, a copolymer thereof, and a blend thereof Lt; / RTI >

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 지지체 형성용 조성물을 전기방사하여 부직포를 형성하는 단계; 및 상기 부직포를 열처리하여 폴리아믹산으로부터 유도되는 고분자 또는 폴리이미드로부터 유도된 고분자를 포함하는 다공성 지지체를 형성하는 단계를 포함하는 다공성 지지체의 제조 방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for preparing a porous support, comprising: electrospinning a composition for forming a porous support to form a nonwoven fabric; And heat treating the nonwoven fabric to form a porous support comprising a polymer derived from polyamic acid or a polymer derived from polyimide.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 지지체 형성용 조성물을 전기방사하여 부직포를 형성하는 단계; 상기 부직포를 열처리하여 폴리아믹산으로부터 유도된 고분자 또는 폴리이미드로부터 유도된 고분자를 포함하는 다공성 지지체를 형성하는 단계; 및 상기 다공성 지지체의 내부, 표면, 또는 내부와 표면에 양이온 교환 수지를 형성하는 단계를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for preparing a porous support, comprising: electrospinning a composition for forming a porous support to form a nonwoven fabric; Heat treating the nonwoven fabric to form a porous support comprising a polymer derived from polyamic acid or a polymer derived from polyimide; And forming a cation exchange resin on the inside, the surface, or the inside and the surface of the porous support, as well as a method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell.

상기 다공성 지지체 형성용 조성물을 전기방사함으로써, 수 nm 내지 수십 ㎛의 직경을 가지는 섬유를 포함하는 부직포를 형성할 수 있다. 상기 섬유를 포함하는 부직포는 넓은 비표면적을 가질 수 있고, 상당한 표면 거칠기를 가질 수 있다. 또한 이때 상기 형성되는 부직포는 미세기공을 포함한다.A nonwoven fabric containing fibers having a diameter of several nanometers to several tens of micrometers can be formed by electrospinning the composition for forming a porous support. The nonwoven fabric containing the fibers may have a large specific surface area and may have a considerable surface roughness. Also, the formed nonwoven fabric may include micropores.

상기 부직포는 상기 전기방사의 방법 및 공정 조건을 조절함으로써, 상기 다공성 지지체 형성용 조성물을 포함하는 섬유가 랜덤하게 배열되어 형성될 수 있다. The nonwoven fabric may be formed by randomly arranging fibers including the composition for forming a porous support by adjusting the method of electrospinning and the process conditions.

한편, 상기 부직포는 상기 전기방사의 방법 및 공정 조건을 조절함으로써, 다공성 지지체 형성용 조성물을 포함하는 섬유가 일방향으로 배열되어 형성될 수도 있다. 이에 따른 장점은 상술한 바와 같다.On the other hand, the nonwoven fabric may be formed by arranging the fibers including the composition for forming a porous support in one direction by controlling the electrospinning method and the process conditions. Advantages of this are as described above.

상기 전기방사는 약 1 kV 내지 약 1,000 kV의 고전압을 인가하여 실시될 수 있다. 전기방사는 일반적인 방법에 따라 수행될 수 있으므로, 자세한 내용은 생략하기로 한다.The electrospinning may be performed by applying a high voltage of about 1 kV to about 1,000 kV. Since electrospinning can be performed according to a general method, detailed description will be omitted.

이어서, 상기 부직포를 열처리한다. 상기 열처리에 의해 상기 부직포에 포함된 폴리아믹산 또는 폴리이미드가 열전환에 의해 기계적 강도 및 치수 안정성이 우수하고 높은 자유 체적도를 갖는 고분자, 예컨대 폴리벤조옥사졸, 폴리벤조티아졸, 폴리피롤론과 같은 고분자로 전환된다. 이로써 기계적 강도, 치수 안정성 등 물성이 우수한 다공성 지지체를 형성할 수 있다.Then, the nonwoven fabric is heat-treated. The polyamic acid or polyimide contained in the nonwoven fabric by the heat treatment is a polymer having excellent mechanical strength and dimensional stability due to thermal conversion and high free volume, such as polybenzoxazole, polybenzothiazole, polypyrrolone And is converted into a polymer. As a result, a porous support excellent in physical properties such as mechanical strength and dimensional stability can be formed.

구체적으로는 상기 폴리아믹산 또는 상기 폴리이미드에 포함되는 반복단위의 총량에 대하여, 열전환되는 반복단위의 비율(열전환율)은 약 10몰% 내지 약 100몰%일 수 있으며, 구체적으로는 약 40몰% 내지 약 100몰%일 수 있다. 열전환율이 상기 범위 내인 경우 가질 수 있는 장점은 상술한 바와 같다.Specifically, the ratio (thermal transfer rate) of the repeating units to be thermally converted relative to the total amount of the repeating units contained in the polyamic acid or the polyimide may be about 10 mol% to about 100 mol%, and specifically about 40 mol% Mol% to about 100 mol%. Advantages that the thermal exchange rate may have in the above range are as described above.

상기 열처리는 약 250 ℃ 내지 약 550 ℃의 온도로 수행될 수 있고, 약 10분 내지 약 5시간 동안 수행될 수 있으며, 열처리시 승온 속도는 약 1 ℃/분 내지 약 20 ℃/분일 수 있다. 열처리가 상기 조건 하에서 이루어지는 경우, 상기 폴리아믹산 및 폴리이미드의 열전환을 효과적으로 이루어지게 할 수 있다. 즉, 상기 폴리아믹산 및 상기 폴리이미드를 피코기공을 가지며 우수한 기계적 물성 및 높은 자유 체적도를 가지는 폴리벤조옥사졸, 폴리벤조티아졸, 폴리피롤론과 같은 고분자로 용이하게 전환시킴으로써, 기계적 물성, 치수안정성, 내화학성 및 내열성이 우수하고 양이온 교환수지를 효과적으로 함유할 수 있으며 다공성 지지체를 형성할 수 있다. 구체적으로는 상기 열처리는 약 350℃ 내지 약 450℃의 온도로 수행될 수 있고, 약 1시간 내지 약 3시간 동안 수행될 수 있으며, 열처리시 승온 속도는 약 5 ℃/분 내지 약 10 ℃/분일 수 있다.The heat treatment may be performed at a temperature of from about 250 ° C to about 550 ° C, and may be performed from about 10 minutes to about 5 hours, and the rate of temperature rise during the heat treatment may be from about 1 ° C / minute to about 20 ° C / minute. When the heat treatment is performed under the above conditions, heat conversion of the polyamic acid and the polyimide can be effectively performed. That is, by easily converting the polyamic acid and the polyimide into a polymer such as polybenzoxazole, polybenzothiazole or polypyrrolone having pico porosity and excellent mechanical properties and high free volume, mechanical properties and dimensional stability , Has excellent chemical resistance and heat resistance, can effectively contain a cation exchange resin, and can form a porous support. Specifically, the heat treatment may be performed at a temperature of from about 350 ° C. to about 450 ° C., and may be performed for from about 1 hour to about 3 hours, and the rate of temperature rise during the heat treatment may be from about 5 ° C./min to about 10 ° C./min .

이어서, 상기 다공성 지지체의 내부, 표면, 또는 내부와 표면에 양이온 교환수지를 형성한다. 상기 다공성 지지체의 내부, 표면, 또는 내부와 표면에 양이온 교환수지를 형성하는 방법으로는 본래 고분자 내에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 작용기를 가지고 있는 고분자를 포함하는 용액에 상기 다공성 지지체를 침지시키는 방법; 및 본래 상기와 같은 작용기를 가지고 있지 않은 고분자를 포함하는 용액에 상기 다공성 지지체를 침지시키고 건조한 후, 상기와 같은 작용기를 포함하는 산 수용액에 다시 침지시켜 상기와 같은 작용기로 치환시키거나 또는 상기와 같은 작용기를 가지는 산으로 도핑하는 방법을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Subsequently, a cation exchange resin is formed on the inside, the surface, or the inside and the surface of the porous support. As a method for forming a cation exchange resin on the inside, the surface, or the inside and the surface of the porous support, it is possible to employ a method in which a functional group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, A method of immersing the porous support in a solution containing the polymer; And the porous support is immersed in a solution containing the polymer having no functional group as described above, dried, and then immersed again in an acid aqueous solution containing the functional groups as described above to replace with the functional groups as described above, A method of doping with an acid having a functional group, but the present invention is not limited thereto.

상기 양이온 교환수지를 형성하기 위한 고분자를 포함하는 용액은 상기 고분자를 N,N-디메틸아세트아미드(N,N-dimethylacetamide, DMAc), N-메틸피롤리돈(N-Methyl pyrrolidone, NMP) 등의 유기 용매에 용해시켜 제조할 수 있다. 구체적으로는 상기 고분자를 포함하는 용액은 상기 고분자가 약 1 중량% 내지 약 40 중량%가 되도록 N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈 등의 유기 용매에 용해시켜 제조할 수 있다.The solution containing the polymer for forming the cation exchange resin may be prepared by dissolving the polymer in a solvent such as N, N-dimethylacetamide (DMAc), N-methyl pyrrolidone (NMP) In an organic solvent. Specifically, the solution containing the polymer may be prepared by dissolving the polymer in an organic solvent such as N, N-dimethylacetamide or N-methylpyrrolidone so that the polymer is about 1% by weight to about 40% by weight.

상온 내지 약 200℃의 온도, 구체적으로는 약 80℃ 내지 약 200℃의 온도에서, 상기 제조한 고분자를 포함하는 용액에 상기 다공성 지지체를 침지시킨 후, 약 1시간 내지 약 20시간 동안 방치한다.The porous support is immersed in a solution containing the prepared polymer at a temperature of from room temperature to about 200 DEG C, specifically, at a temperature of from about 80 DEG C to about 200 DEG C, and then the porous support is allowed to stand for about 1 hour to about 20 hours.

예를 들어, 본래 고분자 내에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 작용기를 가지고 있는 고분자를 포함하는 용액에 상기 다공성 지지체를 침지시킨 경우는, 이를 진공 오븐에서 건조함으로써 연료 전지용 고분자 전해질 막을 형성할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고, 상기 건조 후에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 작용기를 가지는 산 수용액에 다시 침지하고 건조함으로써 연료 전지용 고분자 전해질 막을 형성할 수도 있다.For example, when the porous support is immersed in a solution containing a polymer having a functional group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group and derivatives thereof, The polymer electrolyte membrane for a fuel cell can be formed by drying in an oven. However, the present invention is not limited thereto. After drying, the polymer electrolyte membrane for a fuel cell may be formed by immersing it in an acid aqueous solution having a functional group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, have.

본래 고분자 내에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 작용기를 가지고 있지 않은 고분자를 포함하는 용액에 상기 다공성 지지체를 침지시킨 경우는, 이를 진공 오븐에서 건조하고, 이어서 상기 술폰산, 카르복실산, 인산, 포스포닌산 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 산을 포함하는 수용액에 침지하고 방치한 후, 꺼내어 증류수(탈이온수)로 세척 및 건조함으로써 연료 전지용 고분자 전해질 막을 형성할 수 있다.When the porous support is immersed in a solution containing a polymer which does not have a functional group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonous acid group and derivatives thereof, it is dried in a vacuum oven , Followed by immersion in an aqueous solution containing an acid selected from the group consisting of sulfonic acid, carboxylic acid, phosphoric acid, phosphonic acid and derivatives thereof, followed by removal, washing with distilled water (deionized water) and drying, A polymer electrolyte membrane can be formed.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 지지체 형성용 조성물을 전기방사하여 부직포를 형성하는 단계; 상기 부직포를 열처리하여 상기 폴리이미드로부터 유도된 고분자를 포함하는 다공성 지지체를 형성하는 단계; 및 상기 다공성 지지체의 내부, 표면, 또는 내부와 표면에 산을 도핑하는 단계를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for preparing a porous support, comprising: electrospinning a composition for forming a porous support to form a nonwoven fabric; Heat treating the nonwoven fabric to form a porous support comprising a polymer derived from the polyimide; And a step of doping the inside, the surface, or the inside and the surface of the porous support with an acid. The present invention also provides a method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell.

상기 산은 술폰산, 카르복실산, 인산, 포스포닌산 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The acid may be selected from the group consisting of sulfonic acid, carboxylic acid, phosphoric acid, phosphonic acid, and derivatives thereof, but is not limited thereto.

이 경우는 상기 다공성 지지체의 내부, 표면, 또는 내부와 표면에 별도의 양이온 교환수지를 형성하지 않고, 직접 상기 다공성 지지체의 내부, 표면, 또는 내부와 표면에 산을 도핑함으로써 연료 전지용 고분자 전해질 막을 형성하는 방법이다.In this case, a polymer electrolyte membrane for a fuel cell is formed by directly dipping the inside, the surface, or the inside and the surface of the porous support without forming a separate cation exchange resin on the inside, the surface, or the inside and the surface of the porous support .

구체적으로는 상기 다공성 지지체를 술폰산, 카르복실산, 인산, 포스포닌산 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 산을 포함하는 수용액에 침지시키고, 약 25℃ 내지 약 200℃를 유지하면서, 약 1시간 내지 약 24시간 정도 방치한 후, 건조함으로써 연료 전지용 고분자 전해질 막을 형성할 수 있다. 상기 산 수용액으로는 약 1 M 내지 약 30 M의 농도를 가지는 산 수용액을 사용할 수 있다. 전기방사 및 열처리에 대한 설명은 상술한 바와 같다.Specifically, the porous support is immersed in an aqueous solution containing an acid selected from the group consisting of a sulfonic acid, a carboxylic acid, a phosphoric acid, a phosphonic acid, and derivatives thereof, and a solution containing about 1 For about 24 hours, and then dried to form a polymer electrolyte membrane for a fuel cell. As the acid aqueous solution, an aqueous acid solution having a concentration of about 1 M to about 30 M can be used. The description of the electrospinning and the heat treatment is as described above.

또한 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 지지체 형성용 조성물을 전기방사하여 부직포를 형성하는 단계; 상기 부직포를 열처리하여 폴리아믹산으로부터 유도된 고분자 또는 폴리이미드로부터 유도된 고분자를 포함하는 다공성 지지체를 형성하는 단계; 및 상기 다공성 지지체의 표면에 불소기를 도입하는 단계를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법을 제공한다. 이 경우, 다공성 지지체와 예컨대 양이온 교환 수지와의 접착성이 향상될 수 있고, 다공성 지지체의 양이온 교환 수지에 대한 젖음성(wettability)이 향상될 수 있다. 또한, 상기 다공성 지지체를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막의 삼투성(permeation), 전기 전도도(electrical conductivity), 그래프팅(grafting) 특성 및 기계적 특성(mechanical behavior)을 개선할 수 있다. 상기 불소기는 예컨대, 플루오린, 플루오르화물을 사용하여 다공성 지지체에 직접 불소화법, 플라즈마 증착법 등의 방법으로 도입할 수 있고, 이로써 표면 불소화된 다공성 지지체를 제조할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for preparing a porous support, comprising: electrospinning a composition for forming a porous support to form a nonwoven fabric; Heat treating the nonwoven fabric to form a porous support comprising a polymer derived from polyamic acid or a polymer derived from polyimide; And introducing a fluorine group to the surface of the porous support. The present invention also provides a method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell. In this case, the adhesion between the porous support and the cation exchange resin, for example, can be improved, and the wettability of the porous support to the cation exchange resin can be improved. In addition, the permeation, electrical conductivity, grafting, and mechanical behavior of the polymer electrolyte membrane for a fuel cell including the porous support can be improved. The fluorine group can be introduced directly to the porous support by using fluorine or fluoride, for example, by a fluorination method, a plasma deposition method, or the like, whereby a surface-fluorinated porous support can be produced.

이어서, 상술한 바에 따라 상기 다공성 지지체를 양이온 교환 수지에 함침하여 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제조할 수 있다.Then, the porous support may be impregnated with a cation exchange resin to prepare a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, as described above.

전기방사 및 열처리에 대한 설명은 상술한 바와 같다.The description of the electrospinning and the heat treatment is as described above.

본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 2에 나타낸다. 도 2를 참조하면, 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있다.A schematic structure of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention is shown in Fig. Referring to FIG. 2, a system for supplying fuel and an oxidant to a generator using a pump is shown. However, the present invention is not limited thereto and may be used in a fuel cell system structure using a pump-free diffusion system .

본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지 시스템(1)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(3), 연료를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 연료 공급부(5), 산화제를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 산화제 공급부(7)를 포함한다.The fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention includes at least one electricity generating unit 3 for generating electric energy through an oxidation reaction of a fuel and an oxidizing agent reduction reaction, And an oxidant supply part 7 for supplying an oxidant to the electricity generation part 3. The oxidant supply part 5 supplies the oxidant to the electricity generation part 3,

상기 연료를 공급하는 연료 공급부(5)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9), 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비할 수 있다. 상기 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 한다.The fuel supply unit 5 for supplying the fuel may include a fuel tank 9 for storing the fuel and a fuel pump 11 connected to the fuel tank 9. The fuel pump 11 functions to discharge the fuel stored in the fuel tank 9 by a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.The oxidant supply part (7) for supplying the oxidant to the electricity generating part (3) is provided with at least one oxidant pump (13) for sucking the oxidant with a predetermined pumping power.

상기 전기 발생부(3)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(17)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(19, 19')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(17)가 적어도 하나 모여 스택(15)을 구성한다.The electricity generating portion 3 is composed of a membrane-electrode assembly 17 for oxidizing and reducing the fuel and oxidizing agent, and a separator 19, 19 'for supplying fuel and oxidant to both sides of the membrane- , And at least one such electricity generating portion 17 is gathered to constitute the stack 15.

실시예Example

이하에서 본 발명을 실시예 및 비교예를 통하여 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예 및 비교예는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples. However, the following examples and comparative examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the present invention.

실시예Example 1: 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 1: Preparation of Polymer Electrolyte Membrane for Fuel Cell

하기 반응식 1로 표시되는 바에 따라 폴리하이드록시이미드로부터 하기 화학식 51로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리벤조옥사졸을 포함하는 고분자를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제조하였다.A polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising a polybenzoxazole-containing polymer containing a repeating unit represented by the following formula (51) was prepared from a polyhydroxyimide as shown in the following Reaction Scheme 1.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure 112012069762108-pat00149
Figure 112012069762108-pat00149

(1) 폴리하이드록시이미드의 제조(1) Production of polyhydroxyimide

2,2-비스(3-아미노-4-하이드록시페닐)헥사플루오로프로판 3.66 g(10 mmol)과 4,4'-(헥사플루오로이소프로필리덴)디프탈릭 안하이드라이드 4.44 g(10 mmol)을 N-메틸피롤리돈(NMP) 32.4 g에 넣고, 4시간 동안 격렬하게 교반하였다. 이어서, 공비혼합물로써 자일렌 32 ml를 첨가하고, 180℃에서 12시간 동안 열적 용액 이미드화하면서 물과 자일렌의 혼합물을 제거함으로써 폴리하이드록시이미드를 제조하였다.3.66 g (10 mmol) of 2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane and 4.44 g of 4,4 '- (hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride ) Was added to 32.4 g of N-methylpyrrolidone (NMP), and stirred vigorously for 4 hours. The polyhydroxyimide was then prepared by adding 32 ml of xylene as the azeotropic mixture and removing the mixture of water and xylene with imidization of the thermal solution at 180 占 폚 for 12 hours.

(2) 폴리벤조옥사졸을 포함하는 다공성 지지체의 제조(2) Preparation of Porous Support Containing Polybenzoxazole

상기 제조된 폴리하이드록시이미드를 포함하는 용액에 디메틸포름아미드(DMF)를 첨가하여, 상기 폴리하이드록시이미드가 25 중량%로 포함된 다공성 지지체 형성용 조성물을 제조하였다.Dimethylformamide (DMF) was added to the solution containing the polyhydroxyimide to prepare a composition for forming a porous support containing 25 wt% of the polyhydroxyimide.

상기 다공성 지지체 형성용 조성물을 드럼타입의 전기방사 장비 ESR200RD(나노엔씨(NanoNC)사제)를 사용하여 실린더 부분에 +10kV, 드럼부분에 -4kV의 전기를 걸어주고, 방사간격 15 ㎝, flow rate 0.1㎕/min, 및 드럼 속도 50rpm의 조건으로 전기방사하여 섬유를 포함하는 부직포를 제조하였다.The composition for forming a porous support was applied with a voltage of +10 kV to the cylinder portion and a voltage of -4 kV to the drum portion using a drum-type electrospinning equipment ESR200RD (manufactured by NanoNC), and a spinning rate of 15 cm and a flow rate of 0.1 Mu] l / min, and a drum speed of 50 rpm to prepare a nonwoven fabric containing fibers.

이어서, 상기 제조한 부직포를 300℃에서 1시간 동안 열처리한 후, 다시 400℃에서 1시간 열처리 후에, 서서히 상온으로 냉각시켜 폴리벤조옥사졸을 포함하는 다공성 지지체를 제조하였다. 상기 열처리시의 승온 속도는 5 ℃/분이었다.Then, the nonwoven fabric was heat-treated at 300 ° C for 1 hour, and further heat-treated at 400 ° C for 1 hour. Then, the nonwoven fabric was slowly cooled to room temperature to prepare a porous support containing polybenzoxazole. The rate of temperature rise during the heat treatment was 5 ° C / min.

capillary flow porometer 장비 CFP-1500-AE(Porous Materials사제)를 이용하여 측정한 상기 다공성 지지체의 기공도는 91%이었다. 또한 상기 다공성 지지체의 두께는 40 ㎛이었다.The porosity of the porous support measured using a capillary flow porometer instrument CFP-1500-AE (manufactured by Porous Materials) was 91%. The thickness of the porous support was 40 mu m.

(3) 폴리벤조옥사졸을 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조(3) Preparation of polyelectrolyte membrane for fuel cell including polybenzoxazole

상기 다공성 지지체를 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르 술폰)(sulfonated-poly(arylene ether sulfone: s-PAES)) 10 g을 N,N-디메틸아세트아미드(DMAc) 90 g에 용해한 용액에 1 시간 동안 침지한 후, 오븐에서 천천히 건조함으로써, 폴리벤조옥사졸을 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제조하였다. 열전환율은 46몰%였다.The porous support was immersed in a solution of 10 g of sulfonated poly (arylene ether sulfone: s-PAES) in 90 g of N, N-dimethylacetamide (DMAc) for 1 hour After immersion, the membrane was slowly dried in an oven to prepare a polyelectrolyte membrane for fuel cells containing polybenzoxazole. The thermoelectric conversion rate was 46 mol%.

FT-IR 분석결과 폴리하이드록시이미드에서는 존재하지 않았던 폴리벤조옥사졸 특성밴드인 1,553 cm-1, 1,480 cm-1(C=N) 및 1,058 cm-1(C-O)의 밴드가 확인되었다. 또한 제조된 고분자의 자유체적도는 0.193, 면간 거리는 558 pm였다.As a result of FT-IR analysis of the mid-poly hydroxyimino polybenzoxazole characteristic band, which did not exist 1,553 cm - the band of 1, 1,480 cm -1 (C = N) and 1,058 cm -1 (CO) it was observed. The free volume of the prepared polymer was 0.193 and interplanar distance was 558 pm.

고분자의 밀도는 자유 체적도와 관련이 있다.The density of the polymer is related to the free volume.

먼저 막의 밀도를 하기 수학식 1에 따라 사르토리우스 LA 310S 정밀저울(Sartorius LA 310S analytical balance)을 이용하여 부력법(buoyancy method)으로 측정하였다.First, the density of the film was measured by a buoyancy method using a Sartorius LA 310S analytical balance according to Equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112012069762108-pat00150
Figure 112012069762108-pat00150

상기 수학식 1에서,In the above equation (1)

Figure 112012069762108-pat00151
는 고분자의 밀도이고,
Figure 112012069762108-pat00151
Is the density of the polymer,

Figure 112012069762108-pat00152
는 탈이온수의 밀도이고,
Figure 112012069762108-pat00152
Is the density of deionized water,

Figure 112012069762108-pat00153
는 공기 중에서 측정한 고분자의 무게이고,
Figure 112012069762108-pat00153
Is the weight of the polymer measured in air,

Figure 112012069762108-pat00154
는 탈이온수에서 측정한 고분자의 무게이다.
Figure 112012069762108-pat00154
Is the weight of the polymer measured in deionized water.

자유 체적도(FFV, V f )는 상기 데이터로부터 하기 수학식 2에 따라 계산했다.The free volume diagrams (FFV, V f ) were calculated from the above data according to the following equation (2).

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112012069762108-pat00155
Figure 112012069762108-pat00155

상기 수학식 2에서,In Equation (2)

V는 고분자의 비부피(specific volume)이고,V is the specific volume of the polymer,

Vw는 반데르발스 비부피(specific Van der Waals volume)이다.Vw is a specific Van der Waals volume.

면간 거리는 X-선 회절 패턴 결과로부터 브래그 식(Bragg's equation)에 따라 계산하였다.The interplanar distance was calculated according to the Bragg's equation from the results of the X-ray diffraction pattern.

또한 상기 폴리벤조옥사졸을 포함하는 다공성 지지체에서, 양전자 소멸시간 분광분석(positron annihilation lifetime spectroscopy, PALS) 측정에 의한 반가폭(full width at half maximum, FWHM)은 16.1 pm였다.Also, the full width at half maximum (FWHM) measured by positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS) was 16.1 pm in the porous support containing the polybenzoxazole.

PALS 측정은 automated EG&G Ortec fast-fast coincidence spectrometer를 이용하여 대기 온도에서 질소에 대하여 실시하였다. 상기 시스템의 시간 해상도는 240 ㎰이었다.PALS measurements were performed on nitrogen at ambient temperature using an automated EG & G Ortec fast-fast coincidence spectrometer. The time resolution of the system was 240..

고분자막을 22Na-Ti 포일 소스(22Na-Ti foil source)의 양쪽에 1 ㎜ 두께로 설치하였다. Ti 포일(두께 2.5㎛)에 대한 소스 보정은 없었다. 각각의 스펙트럼은 약 1천만 통합 카운트로 이루어졌고, 세 개의 감쇠지수(decaying exponential)의 합으로 또는 연속분포(continuous distribution)로 만들어졌다. 상기 PALS 데이터는 22Na 동위원소로부터 발생되는 양전자를 조사하여 생성시에 발생되는 1.27MeV의 γ0와 소멸시에 발생되는 0.511MeV의 γ1, γ2의 시간차이 τ1, τ2, τ3 등을 이용하여 얻을 수 있었다.Polymer membranes were installed on both sides of the 22 Na-Ti foil source ( 22 Na-Ti foil source) to a thickness of 1 mm. There was no source correction for the Ti foil (thickness 2.5 占 퐉). Each spectrum was made up of about 10 million unified counts and was made up of the sum of three decaying exponentials or a continuous distribution. The PALS data show that the time difference τ 1 , τ 2 , τ 3 between γ 0 of 1.27 MeV and γ 1 and γ 2 of 0.511 MeV generated at the time of extinction by irradiating positron generated from 22 Na isotopes And so on.

기공의 크기는 0.511MeV의 두 개의 γ 신호의 소멸시간을 사용하여 하기 수학식 3을 통해 계산하였다.The pore size was calculated by the following equation (3) using the disappearance time of two? Signals of 0.511 MeV.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112012069762108-pat00156
Figure 112012069762108-pat00156

상기 수학식 3에서,In Equation (3)

τo- Ps는 양전자의 소멸시간이고,τ o- Ps is the decay time of the positron,

R은 기공 크기이고,R is the pore size,

ΔR은 기공이 구형이라는 가정의 실험 파라미터(emipirical parameter)이다.ΔR is the empirical parameter of the assumption that the pore is spherical.

실시예Example 2: 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 2: Preparation of Polymer Electrolyte Membrane for Fuel Cell

부직포를 400℃에서 2시간 동안 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 51로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리벤조옥사졸을 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제조하였다. 열전환율은 61%였다.Polybenzoxazole-containing polymer electrolyte membrane containing the repeating unit represented by Chemical Formula 51 was prepared in the same manner as in Example 1, except that the non-woven fabric was heat-treated at 400 ° C for 2 hours. The heat exchange rate was 61%.

FT-IR 분석결과 폴리하이드록시이미드에서는 존재하지 않았던 폴리벤조옥사졸 특성밴드인 1,553 cm-1, 1,480 cm-1(C=N) 및 1,058 cm-1(C-O)의 밴드가 확인되었다. 또한 제조된 고분자의 자유체적도는 0.200, 면간 거리는 564.4 pm였다.FT-IR analysis showed that polybenzoxazole characteristic bands of 1,553 cm -1 , 1,480 cm -1 (C = N) and 1,058 cm -1 (CO) were not present in the polyhydroxyimide. The free volume of the prepared polymer was 0.200 and the interplanar distance was 564.4 pm.

또한 양전자 소멸시간 분광분석(positron annihilation lifetime spectroscopy, PALS) 측정에 의한 반가폭(full width at half maximum, FWHM)은 19.4 pm였다.The full width at half maximum (FWHM) measured by positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS) was 19.4 pm.

실시예Example 3: 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 3: Preparation of Polymer Electrolyte Membrane for Fuel Cell

부직포를 400℃에서 3시간 동안 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 51로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리벤조옥사졸을 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제조하였다. 열전환율은 69%였다.Polybenzoxazole-containing polybenzoxazole-containing polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that the non-woven fabric was heat-treated at 400 ° C for 3 hours. The thermal exchange rate was 69%.

FT-IR 분석결과 폴리하이드록시이미드에서는 존재하지 않았던 폴리벤조옥사졸 특성밴드인 1,553 cm-1, 1,480 cm-1(C=N) 및 1,058 cm-1(C-O)의 밴드가 확인되었다. 또한 제조된 고분자의 자유체적도는 0.204, 면간 거리는 567.6 pm였다.FT-IR analysis showed that polybenzoxazole characteristic bands of 1,553 cm -1 , 1,480 cm -1 (C = N) and 1,058 cm -1 (CO) were not present in the polyhydroxyimide. The free volume of the prepared polymer was 0.204 and the interplanar distance was 567.6 pm.

또한 양전자 소멸시간 분광분석(positron annihilation lifetime spectroscopy, PALS) 측정에 의한 반가폭(full width at half maximum, FWHM)은 21.1 pm였다.The full width at half maximum (FWHM) measured by positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS) was 21.1 pm.

실시예Example 4: 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 4: Preparation of polymer electrolyte membrane for fuel cell

부직포를 425℃에서 1시간 동안 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 51로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리벤조옥사졸을 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제조하였다. 열전환율은 80%였다.The polymer electrolyte membrane for fuel cells including polybenzoxazole containing the repeating unit represented by Chemical Formula 51 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the nonwoven fabric was heat-treated at 425 ° C for 1 hour. The thermal exchange rate was 80%.

FT-IR 분석결과 폴리하이드록시이미드에서는 존재하지 않았던 폴리벤조옥사졸 특성밴드인 1,553 cm-1, 1,480 cm-1(C=N) 및 1,058 cm-1(C-O)의 밴드가 확인되었다. 또한 제조된 고분자의 자유체적도는 0.210, 면간 거리는 572 pm였다.FT-IR analysis showed that polybenzoxazole characteristic bands of 1,553 cm -1 , 1,480 cm -1 (C = N) and 1,058 cm -1 (CO) were not present in the polyhydroxyimide. The free volume of the prepared polymer was 0.210 and the interplanar distance was 572 pm.

또한 양전자 소멸시간 분광분석(positron annihilation lifetime spectroscopy, PALS) 측정에 의한 반가폭(full width at half maximum, FWHM)은 23.6 pm였다.The full width at half maximum (FWHM) measured by positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS) was 23.6 pm.

실시예Example 5: 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 5: Preparation of polymer electrolyte membrane for fuel cell

부직포를 425℃에서 2시간 동안 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 51로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리벤조옥사졸을 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제조하였다. 열전환율은 88%였다.A polyelectrolyte membrane for a fuel cell comprising a polybenzoxazole containing a repeating unit represented by the formula (51) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the nonwoven fabric was heat-treated at 425 ° C for 2 hours. The thermal exchange rate was 88%.

FT-IR 분석결과 폴리하이드록시이미드에서는 존재하지 않았던 폴리벤조옥사졸 특성밴드인 1,553 cm-1, 1,480 cm-1(C=N) 및 1,058 cm-1(C-O)의 밴드가 확인되었다. 또한 제조된 고분자의 자유체적도는 0.214, 면간 거리는 575.2 pm였다.FT-IR analysis showed that polybenzoxazole characteristic bands of 1,553 cm -1 , 1,480 cm -1 (C = N) and 1,058 cm -1 (CO) were not present in the polyhydroxyimide. The free volume of the prepared polymer was 0.214 and the interplanar distance was 575.2 pm.

또한 양전자 소멸시간 분광분석(positron annihilation lifetime spectroscopy, PALS) 측정에 의한 반가폭(full width at half maximum, FWHM)은 25.3 pm였다.The full width at half maximum (FWHM) measured by positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS) was 25.3 pm.

실시예Example 6: 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 6: Preparation of Polymer Electrolyte Membrane for Fuel Cell

부직포를 425℃에서 3시간 동안 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 51로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리벤조옥사졸을 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제조하였다. 열전환율은 91%였다.Polybenzoxazole-containing polybenzoxazole-containing polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that the non-woven fabric was heat-treated at 425 ° C for 3 hours. The thermal exchange rate was 91%.

FT-IR 분석결과 폴리하이드록시이미드에서는 존재하지 않았던 폴리벤조옥사졸 특성밴드인 1,553 cm-1, 1,480 cm-1(C=N) 및 1,058 cm-1(C-O)의 밴드가 확인되었다. 또한 제조된 고분자의 자유체적도는 0.215, 면간 거리는 576.4 pm였다.FT-IR analysis showed that polybenzoxazole characteristic bands of 1,553 cm -1 , 1,480 cm -1 (C = N) and 1,058 cm -1 (CO) were not present in the polyhydroxyimide. The free volume of the prepared polymer was 0.215 and interplanar distance was 576.4 pm.

또한 양전자 소멸시간 분광분석(positron annihilation lifetime spectroscopy, PALS) 측정에 의한 반가폭(full width at half maximum, FWHM)은 26.2 pm였다.The full width at half maximum (FWHM) measured by positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS) was 26.2 pm.

실시예Example 7: 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 7: Preparation of polymer electrolyte membrane for fuel cell

부직포를 450℃에서 1시간 동안 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 상기 화학식 51로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리벤조옥사졸을 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제조하였다. 열전환율은 95%였다.A polyelectrolyte membrane for a fuel cell comprising a polybenzoxazole containing the repeating unit represented by the formula (51) was prepared in the same manner as in Example 1, except that the nonwoven fabric was heat-treated at 450 ° C for 1 hour. The thermal exchange rate was 95%.

FT-IR 분석결과 폴리하이드록시이미드에서는 존재하지 않았던 폴리벤조옥사졸 특성밴드인 1,553 cm-1, 1,480 cm-1(C=N) 및 1,058 cm-1(C-O)의 밴드가 확인되었다. 또한 제조된 고분자의 자유체적도는 0.217, 면간 거리는 578 pm였다.FT-IR analysis showed that polybenzoxazole characteristic bands of 1,553 cm -1 , 1,480 cm -1 (C = N) and 1,058 cm -1 (CO) were not present in the polyhydroxyimide. The free volume of the prepared polymer was 0.217 and the interplanar distance was 578 pm.

또한 양전자 소멸시간 분광분석(positron annihilation lifetime spectroscopy, PALS) 측정에 의한 반가폭(full width at half maximum, FWHM)은 26.9 pm였다.The full width at half maximum (FWHM) measured by positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS) was 26.9 pm.

비교예Comparative Example 1: 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 1: Preparation of Polymer Electrolyte Membrane for Fuel Cell

하기 반응식 2로 표시되는 바에 따라 폴리아믹산으로부터 하기 화학식 52로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리이미드를 포함하는 고분자를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제조하였다.A polymer electrolyte membrane for a fuel cell including a polyimide-containing polymer comprising a repeating unit represented by the following Chemical Formula 52 was prepared from polyamic acid as shown in Reaction Scheme 2 below.

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure 112012069762108-pat00157
Figure 112012069762108-pat00157

(1) 폴리아믹산의 제조(1) Preparation of polyamic acid

3,3',4,4'-비페닐 테트라카프복실릭 디안하드라이드(3,3',4,4'-biphenyl tetracarboxylic dianhydride) 2.94 g(10 mmol)과 4,4'-디아미노디페닐 에테르(4,4'-diaminodiphenyl ether) 2.00 g(10 mmol)을 디메틸아세트아마이드(DMAc) 20 ml에 넣고 15℃에서 4시간 반응시켜 연노란색의 점도가 있는 폴리아믹산 용액을 제조하였다. 상기 폴리아믹산의 중량 평균 분자량은 120,000이었다.2.94 g (10 mmol) of 3,3 ', 4,4'-biphenyl tetracarboxylic dianhydride (3,3', 4,4'-biphenyl tetracarboxylic dianhydride) and 4,4'-diaminodiphenyl 2.00 g (10 mmol) of ether (4,4'-diaminodiphenyl ether) was added to 20 ml of dimethylacetamide (DMAc) and reacted at 15 ° C for 4 hours to prepare a pale yellow viscous polyamic acid solution. The weight average molecular weight of the polyamic acid was 120,000.

(2) 폴리이미드를 포함하는 다공성 지지체의 제조(2) Preparation of a porous support containing polyimide

상기 제조된 점도가 있는 폴리아믹산 용액에 디메틸포름아미드(DMF)를 첨가하여, 상기 폴리아믹산이 25 중량%로 포함된 다공성 지지체 형성용 조성물을 제조하였다.Dimethylformamide (DMF) was added to the prepared polyamic acid solution having a viscosity to prepare a composition for forming a porous support containing 25 wt% of the polyamic acid.

상기 다공성 지지체 형성용 드럼타입의 전기방사 장비를 사용하여 실린더 부분에 +12kV, 드럼부분에 -4kV의 전기를 걸어주고, 방사간격은 15 ㎝, flow rate 0.1㎕/min, 및 드럼 속도 50rpm의 조건으로 전기방사하여 섬유를 포함하는 부직포를 제조하였다.Using the drum-type electrospinning apparatus for forming a porous support, electricity of +12 kV was applied to the cylinder portion and -4 kV to the drum portion. The spinning rate was set to 15 cm, the flow rate was 0.1 μL / min, and the drum speed was 50 rpm To prepare a nonwoven fabric containing fibers.

이어서, 상기 제조한 부직포를 350 ℃에서 1시간 동안 열처리한 후, 서서히 상온으로 냉각시켜 폴리이미드를 포함하는 다공성 지지체를 제조하였다. 상기 열처리시의 승온 속도는 5℃/분이었다.Then, the nonwoven fabric was heat-treated at 350 ° C. for 1 hour and slowly cooled to room temperature to prepare a porous support containing polyimide. The rate of temperature rise during the heat treatment was 5 ° C / min.

capillary flow porometer 장비를 이용하여 측정한 상기 다공성 지지체의 기공도는 65%이었다. 또한 상기 다공성 지지체의 두께는 43 ㎛이었다.The porosity of the porous support measured using a capillary flow porometer was 65%. The thickness of the porous support was 43 탆.

(4) 폴리이미드를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조(4) Production of polyelectrolyte membrane for fuel cell containing polyimide

상기 다공성 지지체를 술폰화된 폴리(아릴렌 에테르 술폰)(sulfonated-poly(arylene ether sulfone: s-PAES)) 10 g을 디메틸포름아미드(DMF) 90 g에 용해한 용액에 1 시간 동안 침지한 후, 오븐에서 천천히 건조함으로써, 폴리이미드를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제조하였다.The porous support was immersed in a solution of 10 g of sulfonated poly (arylene ether sulfone: s-PAES) in 90 g of dimethylformamide (DMF) for 1 hour, By slowly drying in an oven, a polymer electrolyte membrane for a fuel cell including polyimide was produced.

FT-IR 분석결과 폴리이미드 특성밴드인 1787 cm-1, 1731cm-1, 1360 cm-1 및 724 cm-1의 밴드가 확인되었다. 또한 제조된 고분자의 자유체적도는 0.12, 면간 거리는 520 pm였다.A result of FT-IR analysis, it was confirmed that a polyimide characteristic band of 1787 cm -1, a band of 1731cm -1, 1360 cm -1 and 724 cm -1. The free volume of the prepared polymer was 0.12 and the interplanar distance was 520 pm.

시험예Test Example 1: 사진 1: Photos

상기 실시예 1 내지 7 및 상기 비교예 1에서 제조한 다공성 지지체에 대하여 일반 카메라를 사용하여 사진을 촬영하였다. 이 중, 실시예 4에서 제조한 다공성 지지체의 사진을 도 3에 나타내었다.The porous support prepared in Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 was photographed using a general camera. Among them, the photograph of the porous support prepared in Example 4 is shown in Fig.

상기 실시예 1 내지 7 및 상기 비교예 1에서 제조한 연료 전지용 고분자 전해질 막에 대하여 일반 카메라를 사용하여 사진을 촬영하였다. 이 중, 실시예 4에서 제조한 연료 전지용 고분자 전해질 막의 사진을 도 4에 나타내었다.The polymer electrolyte membrane for fuel cells prepared in Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 was photographed using a general camera. 4 shows a photograph of the polymer electrolyte membrane for a fuel cell manufactured in Example 4. FIG.

도 3 및 도 4에 나타난 바와 같이, 실시예 4에서 제조한 다공성 지지체는 양이온 교환 수지에 효과적으로 젖어서 투명하게 변화됨을 확인할 수 있다. 결과적으로 실시예 4에서 제조한 다공성 지지체는 양이온 교환 수지에 대한 젖음성이 우수하여 양이온 교환 수지가 잘 함침됨을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 3 and FIG. 4, it can be confirmed that the porous support prepared in Example 4 is effectively wetted on the cation exchange resin and changed transparently. As a result, it can be confirmed that the porous support prepared in Example 4 is excellent in wettability with respect to the cation exchange resin, so that the cation exchange resin is well impregnated.

시험예Test Example 2: 프로톤 전도성 평가 2: Proton conductivity evaluation

상기 실시예 1 내지 7 및 상기 비교예 1에서 제조한 연료 전지용 고분자 전해질 막을 1 cm × 4 cm의 크기로 자른 후, impedance/gainphase analyzer (Solartron 1260)과 electrochemical interface(Solartron 1287, Farnborough, Hampshire, UK) 장비에 상기 각각의 연료 전지용 고분자 전해질 막을 고정하여, R 값을 측정하였고, 하기 수학식 4를 통해 프로톤 전도성을 계산하였다. 그 중, 실시예 4에 대한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The polymer electrolyte membrane for fuel cells prepared in Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 was cut into a size of 1 cm x 4 cm and then analyzed with an impedance / gainphase analyzer (Solartron 1260) and an electrochemical interface (Solartron 1287, Farnborough, Hampshire, UK The polymer electrolyte membrane for each fuel cell was fixed to the equipment and the R value was measured. The proton conductivity was calculated by the following equation (4). Among them, the results of Example 4 are shown in Table 1 below.

[수학식 4]&Quot; (4) "

프로톤 전도성 = d/(LsⅹWsⅹR)Proton conductivity = d / (L s x W s x R)

d: 전극 사이의 거리d: distance between electrodes

Ls: 연료 전지용 고분자 전해질 막의 두께L s : thickness of polymer electrolyte membrane for fuel cell

Ws: 연료 전지용 고분자 전해질 막의 폭(1 cm)W s : width of polymer electrolyte membrane for fuel cell (1 cm)

R: 저항R: Resistance

시험예Test Example 3: 수분 흡수율( 3: Water Absorption Rate ( waterwater uptakeuptake ) 특성 평가) Characteristic evaluation

상기 실시예 1 내지 7 및 상기 비교예 1에서 제조한 연료 전지용 고분자 전해질 막을 4 cm × 4 cm의 크기로 잘랐다.The polymer electrolyte membrane for fuel cells prepared in Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 was cut into a size of 4 cm x 4 cm.

이어서, 각각의 연료 전지용 고분자 전해질 막의 건조 상태의 중량(Wd)을 측정하였다.Then, the dry weight (W d ) of each of the polymer electrolyte membranes for fuel cells was measured.

이어서, 상기 각각의 연료 전지용 고분자 전해질 막을 80℃에서 증류수(탈이온수)에 24시간 동안 담가두었다. 이어서, 상기 각각의 연료 전지용 고분자 전해질 막을 꺼내어 연료 전지용 고분자 전해질 막의 중량(Ww)을 측정하였다.Each of the polymer electrolyte membranes for fuel cells was immersed in distilled water (deionized water) at 80 ° C for 24 hours. Then, each of the polymer electrolyte membranes for fuel cells was taken out, and the weight (W w ) of the polymer electrolyte membrane for a fuel cell was measured.

상기 측정한 중량값을 하기 수학식 5에 대입하여 수분 흡수율을 계산하였다.The water absorption rate was calculated by substituting the measured weight value into the following equation (5).

[수학식 5]&Quot; (5) "

수분흡수율(%) = ((Ww-Wd)/Wd)ⅹ100Water absorption (%) = ((W w -W d) / W d) ⅹ100

Wd: 연료 전지용 고분자 전해질 막의 건조 상태의 중량W d : weight of dried polymer electrolyte membrane for fuel cell

Ww: 연료 전지용 고분자 전해질 막의 수화된 후의 중량W w : weight of polymer electrolyte membrane for fuel cell after hydration

시험예Test Example 4: 치수안정성 평가 4: Evaluation of dimensional stability

상기 실시예 1 내지 7 및 상기 비교예 1에서 제조한 연료 전지용 고분자 전해질 막을 4 cm × 4 cm의 크기로 잘랐다. 이어서, 각각의 연료 전지용 고분자 전해질 막을 100℃의 진공 오븐에서 24 시간 동안 건조하였다. 건조한 상태에서, 상기 각각의 연료 전지용 고분자 전해질 막의 길이 및 폭을 측정하였다.The polymer electrolyte membrane for fuel cells prepared in Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 was cut into a size of 4 cm x 4 cm. Then, each of the polymer electrolyte membranes for fuel cells was dried in a vacuum oven at 100 캜 for 24 hours. In the dried state, the length and width of each of the polymer electrolyte membranes for fuel cells were measured.

이어서, 상기 각각의 연료 전지용 고분자 전해질 막을 80℃의 증류수(탈이온수)에 담근 후, 하루 동안 방치하였다. 상기 각각의 수화된 연료 전지용 고분자 전해질 막을 꺼내어 연료 전지용 고분자 전해질 막의 길이 및 폭을 측정하였다.Subsequently, each of the polymer electrolyte membranes for fuel cells was immersed in distilled water (deionized water) at 80 DEG C, and left for one day. Each of the hydrated polymer electrolyte membranes for fuel cells was taken out and the length and width of the polymer electrolyte membrane for a fuel cell were measured.

상기 연료 전지용 고분자 전해질 막의 길이 및 폭은, 수화된 연료 전지용 고분자 전해질 막에서의 물 분자의 빠른 탈착으로 인한 오차를 줄이기 위해, 비디오 현미경 시스템(video microscope system) ICS-305B(Sometech사제)를 사용하여 측정하였다.The length and width of the polymer electrolyte membrane for a fuel cell were measured using a video microscope system ICS-305B (manufactured by Sometech) in order to reduce errors due to rapid desorption of water molecules in the polymer electrolyte membrane for a fuel cell Respectively.

상기 측정한 연료 전지용 고분자 전해질 막의 길이 및 폭을 하기 수학식 6에 대입하여 치수안정성을 평가하였다. 여기서는 연료 전지용 고분자 전해질 막의 길이를 사용하여 치수안정성을 평가하였다.The measured length and width of the polymer electrolyte membrane for fuel cells were substituted into the following equation (6) to evaluate the dimensional stability. Here, the dimensional stability was evaluated using the length of the polymer electrolyte membrane for a fuel cell.

[수학식 6]&Quot; (6) "

치수안정성(dimensional change, %)= ((Dwet-Ddry)/Ddry)ⅹ100Dimensional stability (% change) = ((D wet - D dry ) / D dry )

Ddry: 건조한 연료 전지용 고분자 전해질 막의 치수(길이 또는 폭)D dry : Dimensions (length or width) of a polymer electrolyte membrane for a dry fuel cell

Dwet: 수화된 연료 전지용 고분자 전해질 막의 치수(길이 또는 폭)D wet : Dimensions (length or width) of the polymer electrolyte membrane for hydrated fuel cells

프로톤 전도성
(S/cm, 80℃)
Proton conductivity
(S / cm, 80 DEG C)
수분 흡수율
(%, 80℃)
Water absorption rate
(%, 80 DEG C)
치수안정성
(%, 80℃)
Dimensional stability
(%, 80 DEG C)
실시예 4Example 4 0.0950.095 39.2839.28 23.5723.57 비교예 1Comparative Example 1 0.080.08 >100> 100 3030

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 4에서 제조한 연료 전지용 고분자 전해질 막이 비교예 1에서 제조한 연료 전지용 고분자 전해질 막보다 우수한 프로톤 전도성을 가지면서 동시에 낮은 수분 흡수율 및 높은 치수안정성을 나타냄을 확인할 수 있다.As shown in Table 1, it was confirmed that the polymer electrolyte membrane for fuel cell manufactured in Example 4 exhibited a proton conductivity superior to that of the polymer electrolyte membrane for fuel cell manufactured in Comparative Example 1, and exhibited a low moisture absorption rate and a high dimensional stability have.

이상을 통해 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.

20: 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 22: 애노드,
24: 고분자 전해질 막, 26: 캐소드,
244: 다공성 지지체, 242: 양이온 교환 수지,
1: 연료 전지 시스템, 3: 전기 발생부,
5: 연료 공급부, 7: 산화제 공급부,
9: 연료 탱크, 11: 연료 펌프,
13: 산화제 펌프, 17: 막-전극 어셈블리,
19, 19': 세퍼레이터, 15: 스택
20: membrane-electrode assembly for a fuel cell, 22: anode,
24: polymer electrolyte membrane, 26: cathode,
244: porous support, 242: cation exchange resin,
1: fuel cell system, 3: electricity generating unit,
5: fuel supply unit, 7: oxidant supply unit,
9: fuel tank, 11: fuel pump,
13: oxidant pump, 17: membrane-electrode assembly,
19, 19 ': separator, 15: stack

Claims (7)

아민기에 대하여 오르쏘 위치에 존재하는 적어도 하나의 작용기를 포함하는 방향족 디아민 및 디안하이드라이드로부터 제조된 반복단위를 가지는 폴리아믹산 또는 폴리이미드; 및
유기 용매를 포함하는 다공성 지지체 형성용 조성물로서,
상기 유기 용매는 디메틸설폭사이드; N-메틸-2-피롤리돈; N-메틸피롤리돈; N,N-디메틸포름아미드; N,N-디메틸아세트아미드; γ-부티로락톤, 사이클로헥사논, 3-헥사논, 3-헵타논 및 3-옥타논으로 이루어진 군에서 선택된 케톤; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고
상기 조성물은 전기 방사를 위한 것인 다공성 지지체 형성용 조성물.
Polyamic acid or polyimide having repeating units prepared from an aromatic diamine and dianhydride containing at least one functional group present in ortho position with respect to the amine group; And
1. A composition for forming a porous support comprising an organic solvent,
The organic solvent may include dimethylsulfoxide; N-methyl-2-pyrrolidone; N-methylpyrrolidone; N, N-dimethylformamide; N, N-dimethylacetamide; ketones selected from the group consisting of? -butyrolactone, cyclohexanone, 3-hexanone, 3-heptanone and 3-octanone; And combinations thereof. ≪ RTI ID = 0.0 >
Wherein the composition is for electrospinning.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지체 형성용 조성물 총량에 대하여, 상기 폴리아믹산 또는 상기 폴리이미드를 1 내지 40 중량%, 그리고 상기 유기 용매를 60 내지 99 중량%로 포함하는 것인 다공성 지지체 형성용 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the polyamic acid or the polyimide is contained in an amount of 1 to 40% by weight and the organic solvent is contained in an amount of 60 to 99% by weight based on the total amount of the composition for forming a porous support.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지체 형성용 조성물은
물; 메탄올, 에탄올, 2-메틸-1-부탄올, 2-메틸-2-부탄올, 글리세롤, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜 및 프로필렌글리콜로 이루어진 군에서 선택된 알코올; 아세톤 및 메틸에틸 케톤으로 이루어진 군에서 선택된 케톤; 폴리비닐알코올, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아마이드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 키토산, 키틴, 덱스트란 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 고분자 화합물; 테트라하이드로퓨란; 트리클로로에탄; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 보조제를 더 포함하는 것인 다공성 지지체 형성용 조성물.
The method according to claim 1,
The composition for forming a porous support
water; Alcohols selected from the group consisting of methanol, ethanol, 2-methyl-1-butanol, 2-methyl-2-butanol, glycerol, ethylene glycol, diethylene glycol and propylene glycol; Ketones selected from the group consisting of acetone and methyl ethyl ketone; A polymer compound selected from the group consisting of polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylamide, polyethylene glycol, polypropylene glycol, chitosan, chitin, dextran and polyvinylpyrrolidone; Tetrahydrofuran; Trichloroethane; And a combination thereof. ≪ Desc / Clms Page number 24 >
제3항에 있어서,
상기 보조제를 포함하는 다공성 지지체 형성용 조성물 총량에 대하여, 상기 폴리아믹산 또는 상기 폴리이미드를 1 내지 40 중량%, 상기 유기 용매를 10 내지 95 중량% 및 상기 보조제를 4 내지 70 중량%로 포함하는 것인 다공성 지지체 형성용 조성물.
The method of claim 3,
1 to 40% by weight of the polyamic acid or the polyimide, 10 to 95% by weight of the organic solvent and 4 to 70% by weight of the auxiliary agent, based on the total amount of the composition for forming a porous support including the auxiliary agent / RTI > wherein the composition is a porous support.
제1항에 있어서,
상기 폴리아믹산 및 상기 폴리이미드는 각각 10,000 g/mol 내지 500,000 g/mol의 중량평균 분자량(Mw)을 가지는 것인 다공성 지지체 형성용 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the polyamic acid and the polyimide each have a weight average molecular weight (Mw) of 10,000 g / mol to 500,000 g / mol.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지체 형성용 조성물은 0.01 Pa·s 내지 100 Pa·s의 점도를 가지는 것인 다공성 지지체 형성용 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the composition for forming a porous support has a viscosity of 0.01 Pa · s to 100 Pa · s.
제1항에 있어서,
상기 유기 용매는, N-메틸-2-피롤리돈 및 N-메틸피롤리돈 중 적어도 하나와 N,N-디메틸포름아미드를 포함하는 다공성 지지체 형성용 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the organic solvent comprises at least one of N-methyl-2-pyrrolidone and N-methylpyrrolidone and N, N-dimethylformamide.
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