KR101728839B1 - Polymer electrolyte compound and method for preparing the same, polymer electrolyte membrane using the same and electrochemical device including the membrane - Google Patents

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Abstract

본 발명의 구현예들에서는, 가교 결합 작용기와 피리딘 함유 작용기를 포함하는 고분자 전해질 화합물 및 그 제조 방법을 개시한다. 또한, 이를 이용한 고분자 전해질 막 및 전기화학소자를 개시한다. 상기 고분자 전해질 화합물로 이루어지는 고분자 전해질 막은 장기 내구성(long term durability)을 가지면서도 종래의 피리딘 함유 고분자 화합물들로 이루어지는 고분자 전해질 막과 대비하여 동등한 수준의 인산 흡수율과 이온 전도도를 나타낼 수 있다.In embodiments of the present invention, a polymer electrolyte compound comprising a crosslinking functional group and a pyridine-containing functional group and a process for producing the same are disclosed. Also disclosed are a polymer electrolyte membrane and an electrochemical device using the same. The polymer electrolyte membrane composed of the polymer electrolyte compound exhibits long-term durability and exhibits equivalent levels of phosphoric acid absorption and ion conductivity as compared with the conventional polymer electrolyte membrane comprising pyridine-containing polymer compounds.

Description

고분자 전해질 화합물 및 그 제조 방법, 상기 고분자 전해질 화합물로 이루어진 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 전기화학소자{Polymer electrolyte compound and method for preparing the same, polymer electrolyte membrane using the same and electrochemical device including the membrane}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a polymer electrolyte membrane and a method of preparing the same, a polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte compound, and an electrochemical device comprising the polymer electrolyte membrane,

본 명세서는 고분자 전해질 화합물 및 그 제조 방법, 상기 고분자 전해질 화합물을 이용한 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다.
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a polymer electrolyte compound and a method for producing the same, a polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte compound, and an electrochemical device including the polymer electrolyte membrane.

피리딘을 주쇄 또는 측쇄에 포함하는 고분자 전해질 화합물들은 잘 알려져 있다. 이러한 타입의 화합물들은 연료전지나 전기분해장치 등에서 고분자 전해질 막 물질로서 사용되며, 예컨대 인산 도핑 폴리벤지이미다졸과 같이 흔히 인산 도핑되어 사용된다.Polymer electrolyte compounds containing pyridine in the main chain or side chain are well known. These types of compounds are used as polymer electrolyte membrane materials in fuel cells, electrolytic apparatuses, and the like, and are often doped with phosphoric acid, such as phosphoric acid doped polybenzimidazole.

이러한 고분자 전해질 화합물의 예들을 살펴보면 다음과 같다.Examples of such polymer electrolyte compounds are as follows.

예컨대, 비특허 문헌 1에는 다음과 같은 화학식을 가지는 고분자 전해질 화합물들이 개시되어 있다.For example, Non-Patent Document 1 discloses polymer electrolyte compounds having the following chemical formula.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112014063841360-pat00001
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[화학식 2](2)

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또한, 비특허문헌 2 내지 4에도 예컨대 다음 화학식을 가지는 고분자 전해질 화합물들 개시되어 있다.Non-patent documents 2 to 4 also disclose, for example, polymer electrolyte compounds having the following chemical formulas.

[화학식 3](3)

Figure 112014063841360-pat00003
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[화학식 4][Chemical Formula 4]

Figure 112014063841360-pat00004
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[화학식 5][Chemical Formula 5]

Figure 112014063841360-pat00005
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그러나, 본 발명자들의 연구 결과에 의하면, 종래 고분자 전해질 화합물들은 여전히 장기 내구성(long term durability) 측면에서 만족스럽지 못하다. However, according to the study results of the present inventors, conventional polymer electrolyte compounds are still unsatisfactory in terms of long term durability.

예컨대, 상기 [화학식 3]의 화합물의 경우 알킬 체인으로 가교 결합되는데, 이 경우 활성화 산소 종(예컨대, 연료 전지에서 생성되는 OH*)의 존재 하에서 급격히 열화될 수 있다. For example, in the case of the compound of Formula 3, the alkyl chain is crosslinked, which can be rapidly degraded in the presence of activated oxygen species (e.g., OH * produced in a fuel cell).

또한, 기계적 특성(mechanical property), 열적 특성(thermal property), 산(특히 인산) 흡수율, 프로톤 전도도(proton conductivity)가 모두 우수한 고분자 전해질 막에 대하여 여전히 연구가 필요한 실정이다.
Further, it is still necessary to study a polymer electrolyte membrane having excellent mechanical properties, thermal properties, acid (particularly phosphoric acid) water absorption, and proton conductivity.

US 8026339US 8026339

Gourdoupi, N., J. K. Kallitsis, et al. (2009). J. Pow. Sour 195: 170 - 174.Gourdoupi, N., J. K. Kallitsis, et al. (2009). J. Pow. Sour 195: 170-174. Morfopoulou, C., A. K. Andreopoulou, et al. (2011). J, Polym. Sci.: Part A: Polymer Chemistry 49: 4325 - 4334.Morfopoulou, C., A. K. Andreopoulou, et al. (2011). J, Polym. Sci .: Part A: Polymer Chemistry 49: 4325-4334. Morfopoulou, C. I., A. K. Andreopoulou, et al. (2013). J. Mater. Chem. A 1: 1613 - 1622.Morfopoulou, C. I., A. K. Andreopoulou, et al. (2013). J. Mater. Chem. A 1: 1613-1622. Papadimitriou, Konstantinia D.; Geormezi, Maria; Neophytides, Stylianos G.; Kallitsis, Joannis K., Journal of Membrane Science (2013), 433, 1-9.Papadimitriou, Konstantinia D .; Geormezi, Maria; Neophytides, Stylianos G .; Kallitsis, Joannis K., Journal of Membrane Science (2013), 433, 1-9. Yang et al., Fuel Cells, 2014, 14, 7 - 15.Yang et al., Fuel Cells, 2014, 14, 7-15. ChemSusChem, 2013, 6: 275-282.ChemSus Chem, 2013, 6: 275-282.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 일 측면에서, 장기 내구성(long term durability)을 가지면서도 종래의 피리딘 함유 고분자 화합물들과 대비하여 동등 이상의 인산 흡수율과 프로톤 전도도를 나타낼 수 있으며, 기계적 특성, 열적 특성이 우수한 고분자 전해질 화합물 및 고분자 전해질 막 및 그 제조 방법, 이를 이용한 전기화학 소자를 제공하고자 한다.
In an exemplary embodiment of the present invention, in one aspect, it has a long term durability and can exhibit a phosphate absorption and proton conductivity equal to or higher than that of conventional pyridine-containing polymer compounds, Polymer electrolyte membrane and a polymer electrolyte membrane having excellent properties, a method for producing the same, and an electrochemical device using the same.

본 발명의 일 구현예들에서는, 일 측면에서, 하기 [화학식 6] 또는 [화학식 7]의 반복 단위(repeat unit)를 가지는 폴리머인 가교 화합물(crosslinked compound)을 제공한다.In one embodiment of the present invention, there is provided, in one aspect, a crosslinked compound that is a polymer having a repeating unit of the following formula (6) or (7).

[화학식 6][Chemical Formula 6]

Figure 112014063841360-pat00006
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[화학식 7](7)

Figure 112014063841360-pat00007
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상기 [화학식 6]에서, A, B, D, E는 각각 독립적으로 단일 결합, O, SO2, C=O, CH3-C-CH3, Ph(페닐)-P=O, S, N, CH3-C-알킬 (여기서, 알킬은 C1-C10인 알킬이다)일 수 있다. Wherein A, B, D and E each independently represent a single bond, O, SO 2 , C═O, CH 3 -C -CH 3 , Ph (phenyl) -P═O, S, N , CH 3 -C- alkyl may be (wherein alkyl is a C1-C10 alkyl).

상기 [화학식 6]의 R1, R2, R3, R4는 각각 독립적으로 다음 (1), (2), (3) 중 어느 하나이다. R 1, R 2, R 3 and R 4 in the above-mentioned formula (6) are each independently any one of the following (1), (2) and (3)

(1) 수소(H); (1) hydrogen (H);

(2) 가교 결합 작용기(crosslinking group); (2) a crosslinking group;

(3) 헤테로 원자 함유 작용기(hetero atom containing group), (3) a hetero atom containing group,

상기 가교 결합 작용기는 가교 결합 지점(crosslinking point)을 형성하는 것으로, -CH2-CP-CH2-이고, 여기서, CP는 이미다졸(imidazole), 벤지이미다졸(benzimidazole), 1, 2, 3-트리아졸(1, 2, 3-triazole), 1, 2, 4-트리아졸(1, 2, 4-triazole), 테트라졸(tetrazole), 2-페닐테트라졸(2-phenyltetrazole)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 것이다. The crosslinking functional group forms a crosslinking point, -CH 2 -CP-CH 2 -, where CP is an imidazole, benzimidazole, 1,2,3 A group consisting of 1, 2, 3-triazole, 1,2,4-triazole, tetrazole, and 2-phenyltetrazole .

또한, 상기 [화학식 7]의 R5는 다음 (1), (2), (3) 중 어느 하나이다.R5 in the above formula (7) is any one of the following (1), (2) and (3).

(1) 수소(H); (1) hydrogen (H);

(2) 가교 결합 작용기(crosslinking group); (2) a crosslinking group;

(3) 헤테로 원자 함유 작용기(hetero atom containing group), (3) a hetero atom containing group,

상기 가교 결합 작용기는 가교 결합 지점(crosslinking point)을 형성하는 것으로, -CP-이고, 여기서, CP는 이미다졸(imidazole), 벤지이미다졸(benzimidazole), 1, 2, 3-트리아졸(1, 2, 3-triazole), 1, 2, 4-트리아졸(1, 2, 4-triazole), 테트라졸(tetrazole), 2-페닐테트라졸(2-phenyltetrazole)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 것이다. Wherein the crosslinking functional group forms a crosslinking point, -CP-, wherein CP is selected from the group consisting of imidazole, benzimidazole, 1,2,3-triazole (1, 2, 3-triazole, 1, 2, 4-triazole, tetrazole, and 2-phenyltetrazole.

상기 [화학식 6]의 반복 단위 또는 [화학식 7]의 반복 단위를 가지는 폴리머에서 헤테로 원자 함유 작용기의 가교 결합 작용기에 대한 몰랄 비율(molar ratio of hetero atom containing group to crosslinking group)은 30:1 내지 1:10이다.The molar ratio of the hetero atom containing functional group to the crosslinking functional group in the polymer having the repeating unit of the above formula (6) or the repeating unit of the above formula (7) is from 30: 1 to 1 : 10.

또한, 본 발명의 일 구현예들에서는, 다른 일측면에서, 상기 고분자 전해질 화합물로 이루어지는 고분자 전해질 막을 제공한다.In another embodiment of the present invention, another aspect provides a polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte compound.

또한, 본 발명의 일 구현예들에서는, 다른 일측면에서, 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 전기화학 소자 예컨대 연료전지 또는 전기분해장치를 제공한다.Further, in one embodiment of the present invention, in another aspect, there is provided an electrochemical device including the polymer electrolyte membrane, such as a fuel cell or an electrolytic device.

또한, 본 발명의 일 구현예들에서는, 방향족 폴리머(aromatic polymer)의 할로메틸화(hallomethylation)을 수행하는 단계; 및 할로메틸화된 방향족 폴리머를 헤테로 원자 함유 화합물 및 이미다졸리움 가교 결합 작용기 함유 화합물과 반응하는 단계;를 포함한다. 일 구현예에서, 상기 이미다졸리움 가교 결합 작용기 함유 화합물은 이미다졸(imidazole), 벤지이미다졸(benzimidazole), 1, 2, 3-트리아졸(1, 2, 3-triazole), 1, 2, 4-트리아졸(1, 2, 4-triazole), 테트라졸(tetrazole), 2-페닐테트라졸(2-phenyltetrazole) 등이다.
Further, in one embodiment of the present invention, there is provided a method for producing a polymer electrolyte membrane, comprising: performing hallomethylation of an aromatic polymer; And reacting the halomethylated aromatic polymer with a heteroatom-containing compound and an imidazolium-crosslinking functional group-containing compound. In one embodiment, the imidazolium crosslinking functional group-containing compound is selected from the group consisting of imidazole, benzimidazole, 1,2,3-triazole, 1,2, 4-triazole, tetrazole, 2-phenyltetrazole, and the like.

본 발명의 예시적인 구현예들의 고분자 전해질 화합물 및 이를 이용한 고분자 전해질 막은, 일측면에서, 장기 내구성(long term durability)을 가지면서도 종래의 피리딘 함유 고분자 전해질 막과 대비하여 동등 이상의 인산 흡수율과 프로톤 전도도를 나타낼 수 있으며, 기계적 특성, 열적 특성이 우수하다. 해당 고분자 전해질 막은 특히 연료전지 또는 전기분해장치(electrolyser) 등과 같은 전기화학소자의 고분자 전해질 막, 특히 고온 고분자 전해질 연료전지(High Temperature PEMFC)의 고분자 전해질 막으로서 유용하게 사용될 수 있다.The polymer electrolyte compound of the exemplary embodiments of the present invention and the polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte membrane have long term durability and have a phosphoric acid absorption rate and proton conductivity equal to or higher than that of the conventional pyridine- And has excellent mechanical and thermal properties. The polymer electrolyte membrane can be usefully used as a polymer electrolyte membrane of an electrochemical device such as a fuel cell or an electrolyzer, and particularly as a polymer electrolyte membrane of a high temperature PEMFC (High Temperature PEMFC).

이하 본 발명의 예시적인 구현예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail.

본 발명의 일 구현예들에서는 하기 [화학식 6]의 반복 단위(repeat unit)를 가지는 폴리머인 가교 화합물(crosslinked compound)을 제공한다.In one embodiment of the present invention, there is provided a crosslinked compound which is a polymer having a repeating unit of the following formula (6).

[화학식 6] [Chemical Formula 6]

Figure 112014063841360-pat00008
Figure 112014063841360-pat00008

상기 [화학식 6]에서, A, B, D, E는 각각 독립적으로 단일 결합, O, SO2, C=O, CH3-C-CH3, Ph(페닐)-P=O, S, N, CH3-C-알킬 (여기서, 알킬은 C1-C10인 알킬이다)일 수 있다. Wherein A, B, D and E each independently represent a single bond, O, SO 2 , C═O, CH 3 -C -CH 3 , Ph (phenyl) -P═O, S, N , CH 3 -C- alkyl may be (wherein alkyl is a C1-C10 alkyl).

상기 [화학식 6]의 R1, R2, R3, R4는 각각 독립적으로 다음 (1), (2), (3) 중 어느 하나이다. R 1, R 2, R 3 and R 4 in the above-mentioned formula (6) are each independently any one of the following (1), (2) and (3)

(1) 수소(H); (1) hydrogen (H);

(2) 가교 결합 작용기(crosslinking group); (2) a crosslinking group;

(3) 헤테로 원자 함유 작용기(hetero atom containing group), (3) a hetero atom containing group,

상기 가교 결합 작용기는 가교 결합 지점(crosslinking point)을 형성하는 것으로, -CH2-CP-CH2-이고, 여기서, CP는 이미다졸(imidazole), 벤지이미다졸(benzimidazole), 1, 2, 3-트리아졸(1, 2, 3-triazole), 1, 2, 4-트리아졸(1, 2, 4-triazole), 테트라졸(tetrazole), 2-페닐테트라졸(2-phenyltetrazole)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 것이다. The crosslinking functional group forms a crosslinking point, -CH 2 -CP-CH 2 -, where CP is an imidazole, benzimidazole, 1,2,3 A group consisting of 1, 2, 3-triazole, 1,2,4-triazole, tetrazole, and 2-phenyltetrazole .

상기 [화학식 6]의 반복 단위 또는 [화학식 7]의 반복 단위를 가지는 폴리머에서 헤테로 원자 함유 작용기의 가교 결합 작용기에 대한 몰랄 비율(molar ratio of hetero atom containing group to crosslinking group)은 30:1 내지 1:10이다.The molar ratio of the hetero atom containing functional group to the crosslinking functional group in the polymer having the repeating unit of the above formula (6) or the repeating unit of the above formula (7) is from 30: 1 to 1 : 10.

또한, 본 발명의 일 구현예들에서는 하기 [화학식 7]의 반복 단위(repeat unit)를 가지는 폴리머인 가교 화합물(crosslinked compound)을 제공한다.Also, in one embodiment of the present invention, there is provided a crosslinked compound which is a polymer having a repeating unit represented by the following formula (7).

[화학식 7] (7)

Figure 112014063841360-pat00009
Figure 112014063841360-pat00009

상기 [화학식 7]의 R5는 다음 (1), (2), (3) 중 어느 하나이다.R5 in the above formula (7) is any one of the following (1), (2) and (3).

(1) 수소(H); (1) hydrogen (H);

(2) 가교 결합 작용기(crosslinking group); (2) a crosslinking group;

(3) 헤테로 원자 함유 작용기(hetero atom containing group), (3) a hetero atom containing group,

상기 가교 결합 작용기는 가교 결합 지점(crosslinking point)을 형성하는 것으로, -CP-이고, 여기서, CP는 이미다졸(imidazole), 벤지이미다졸(benzimidazole), 1, 2, 3-트리아졸(1, 2, 3-triazole), 1, 2, 4-트리아졸(1, 2, 4-triazole), 테트라졸(tetrazole), 2-페닐테트라졸(2-phenyltetrazole)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 것이다. Wherein the crosslinking functional group forms a crosslinking point, -CP-, wherein CP is selected from the group consisting of imidazole, benzimidazole, 1,2,3-triazole (1, 2, 3-triazole, 1, 2, 4-triazole, tetrazole, and 2-phenyltetrazole.

상기 [화학식 7]의 반복 단위를 가지는 폴리머에서 헤테로 원자 함유 작용기의 가교 결합 작용기에 대한 몰랄 비율(molar ratio of hetero atom containing group to crosslinking group)은 30:1 내지 1:10이다.In the polymer having the repeating unit represented by the above formula (7), the molar ratio of the hetero atom-containing functional group to the crosslinking functional group is from 30: 1 to 1:10.

이하 더욱 상술한다. 이미다졸은 가수분해(hydrolysis) 되는 경우 주 사슬(main chain)의 절단(scission)을 가져오고, 이에 따라 분자량 저하와 막의 안정성(열적, 기계적 안정성)을 저하하게 된다. 참고로, 상기 가수 분해는 염기성 조건 뿐만 아니라 산성 조건에서도 일어날 수 있다. The details will be described in detail below. Imidazole leads to scission of the main chain when hydrolyzed, thereby lowering the molecular weight and reducing the stability (thermal and mechanical stability) of the film. For reference, the hydrolysis can take place not only in basic conditions but also in acidic conditions.

본 발명의 예시적인 구현예들의 경우 이미다졸리움을 가교 결합 작용기로 측쇄(side chain)에 포함시킴과 동시에 또한 피리딘 작용 그룹과 같은 헤테로 원자 작용 그룹을 측쇄(side chain)에 포함시킨다. 이에 따라 열화(degradation)를 방지하고 열화가 있더라도 전체적인 안정성(stability)에 큰 영향을 주지 않으며, 수명(life time)을 향상할 수 있다. In exemplary embodiments of the present invention imidazolium is included in the side chain as a crosslinking functional group and also includes a heteroatomic functional group such as a pyridine functional group in the side chain. Accordingly, degradation is prevented, deterioration does not greatly affect the overall stability, and life time can be improved.

한편, 상기 이미다졸리움을 함유하는 가교 결합 작용기가 피리딘과 같은 헤테로 원자 함유 작용기를 도입함으로써 산(특히 인산) 흡수율을 높일 수 있고 프로톤 전도도를 높일 수 있으며, 막의 기계적, 열적 특성을 향상시킬 수 있다. On the other hand, by introducing heteroatom-containing functional groups such as pyridine, the crosslinking functional group containing imidazolium can increase the acid (particularly phosphoric acid) absorption rate, increase the proton conductivity, and improve the mechanical and thermal properties of the membrane .

상기 가교 결합 작용기를 도입하여 가교 결합하는 경우 크립(creep) 등을 감소시켜 기계적 안정성을 증가시킬 수 있다. When the crosslinking functional group is introduced and cross-linked, the mechanical stability can be increased by reducing the creep and the like.

참고로, 산 흡수율(이는 프로톤 전도도와 관련됨)은 일반적으로 열적 기계적 안정성과는 트레이트 오프(trade-off) 관계에 있다. 즉, 산 흡수율이 증가할수록 열적 기계적 안정성은 저하되고, 산 흡수율이 감소할수록 열적 기계적 안정성은 증가되는 경향이 있는데, 본 발명의 구현예들에 의하면 산 흡수율과 열적 기계적 안정성이 모두 우수하도록 최적화(optimized)할 수 있다. For reference, the acid uptake (which is related to proton conductivity) is generally in a trade-off relationship to thermal mechanical stability. That is, as the acid absorption rate increases, the thermal mechanical stability decreases. As the acid absorption rate decreases, the thermal mechanical stability tends to increase. According to the embodiments of the present invention, the acid absorption rate and the thermal mechanical stability are optimized. )can do.

예시적인 구현예들의 폴리머([화학식 6] 또는 [화학식 7]의 반복 단위를 가지는 폴리머)에서 헤테로 원자 함유 작용기의 가교 결합 작용기에 대한 몰랄 비율(molar ratio of hetero atom containing group to crosslinking group)은 30:1 내지 1:10이다. 즉, 해당 폴리머 중 어느 반복 유닛 중에는 헤테로 원자 함유 작용기 및/또는 가교 결합 작용기가 적어도 포함되며, 폴리머 전체적으로 상기와 같은 몰랄 비율을 가지게 된다. The molar ratio of hetero atom containing group to the crosslinking group of the heteroatom-containing functional group in the polymer of the exemplary embodiments (polymer having repeating units of formula [6] or [7]) is 30 : 1 to 1:10. That is, any repeating unit of the polymer contains at least a hetero atom-containing functional group and / or a crosslinking functional group, and the polymer has the above-mentioned molar ratio as a whole.

상기 범위보다 헤테로 원자(예컨대, 질소) 함유 작용기(예컨대 피리딘)가 많이 함유되는 경우에는 인산 등의 산 도핑 시 산 흡수량(acid uptake)이 너무 커지게 되며 이에 따라 기계적, 열적 특성이 불안정하게 될 수 있다. 반면, 상기 가교 결합 작용기의 함량이 상기 범위보다 많아지게 되면, 제조 과정이 복잡하게 되고, 산 흡수량(acid uptake)을 떨어뜨리게 되므로 고분자 전해질 막 (특히 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 고분자 전해질 막)으로서의 적용성을 제한하게 될 수 있다. When a hetero atom (e.g., nitrogen) -containing functional group (for example, pyridine) is contained in a larger amount than the above range, the acid uptake becomes too large during acid-doping such as phosphoric acid and the mechanical and thermal characteristics become unstable have. On the other hand, if the content of the crosslinking functional group is larger than the above range, the manufacturing process becomes complicated and the acid uptake is lowered, so that the polymer electrolyte membrane (particularly, the polymer electrolyte membrane of the high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell) The applicability may be limited.

한편, 예시적인 일 구현예들에서, 상기 폴리머([화학식 6] 또는 [화학식 7]의 반복 단위를 가지는 폴리머)는 CH2-헤테로 원자 결합(CH2-Hetero atom bond)을 포함하게 되는데, 여기서 반복 단위당 CH2-헤테로 원자 결합(CH2-Hetero atom bond)의 평균 수[average number of CH2-Hetero atom bond per repeat unit]는 0.05 내지 3이 바람직하다.On the other hand, in the illustrative embodiment, the polymer ([Chemical Formula 6] or a polymer having a repeating unit of Formula 7]) is CH 2 - there is to include hetero atom bond (CH 2 -Hetero atom bond), wherein per repeating unit CH 2 - the hetero atom to which the average number of (CH 2 -Hetero atom bond) [ average number of CH 2 -Hetero atom bond per repeat unit] is from 0.05 to 3 is preferred.

0.05 보다 작은 경우에는 작용기 치환 효과가 미미하고, 3 보다 큰 경우에는 합성이 매우 어려워지고 기계적 열적 안정성이 크게 저하될 수 있다. 참고로, 전술한 바와 같이 헤테로 원자 함유 작용기를 너무 많이 도입하는 경우 기계적 열적 안정성을 저하할 수 있다. If it is smaller than 0.05, the substitution effect of the functional group is insignificant. If it is larger than 3, the synthesis becomes very difficult and the mechanical thermal stability may be greatly deteriorated. For reference, as described above, too much heteroatom-containing functional groups may lower the mechanical and thermal stability.

예시적인 일 구현예들에서, 가교 결합 작용기(crosslinker, or crosslinking agent)는 [화학식 6]의 경우 -CH2-CP-CH2-이고, [화학식 7]의 경우 -CP-이다.In one exemplary embodiment, the crosslinker or crosslinking agent is -CH 2 -CP-CH 2 - for Formula 6 and -CP- for Formula 7.

여기서, CP는 이미다졸(imidazole), 벤지이미다졸(benzimidazole), 1, 2, 3-트리아졸(1, 2, 3-triazole), 1, 2, 4-트리아졸(1, 2, 4-triazole), 테트라졸(tetrazole), 2-페닐테트라졸(2-phenyltetrazole)일 수 있다. Wherein CP is selected from the group consisting of imidazole, benzimidazole, 1,2,3-triazole, 1,2,4-triazole, 1,2,4- triazole, tetrazole, and 2-phenyltetrazole.

예시적인 일 구현예들에서, 상기 가교 결합 작용기 CP는 질소 원자의 위치에서 가교 결합이 이루어지고, 질소 외의 원자에서 치환될 수 있다. 치환기는 예컨대, 수소, 메틸기, 에틸기 등이거나, 다음 중 어느 하나일 수 있다.In one exemplary embodiment, the cross-linking functional group CP is cross-linked at the position of the nitrogen atom and may be substituted at an atom other than nitrogen. The substituent may be, for example, hydrogen, a methyl group, an ethyl group or the like, or may be any one of the following.

Figure 112014063841360-pat00010
Figure 112014063841360-pat00010

예시적인 일 구현예들에서, 상기 가교 결합 작용기는 2-치환 이미다졸(2-substituted imidazole), 또는 2-치환 벤지이미다졸(2-substituted benzimidazole)일 수 있고, 여기서 치환기(2-substitutent)는 C1-C10의 알킬기, 피리딘(pyridine), 페닐기(Phenyl) 또는 치환된 페닐기(substituted phenyl)일 수 있다.In one exemplary embodiment, the cross-linking functional group may be a 2-substituted imidazole, or a 2-substituted benzimidazole, wherein the 2-substitutent is A C1-C10 alkyl group, a pyridine, a phenyl group, or a substituted phenyl group.

예시적인 일 구현예들에서, 헤테로 원자 함유 작용기는 CH2-NH2-4-피리딘(pyridine), CH2-O-R5, CH2-S-R6일 수 있고, R5 및 R6은 다음 작용기 중 어느 하나일 수 있다.In one exemplary embodiment, the heteroatom-containing functional group may be CH 2 -NH 2 -4-pyridine, CH 2 -O-R 5, CH 2 -S-R 6, and R 5 and R 6 are It can be either.

Figure 112014063841360-pat00011
Figure 112014063841360-pat00011

비제한적인 하나의 예시에서, 상기 [화학식 6]의 화합물에서 A는 CH3-C-CH3 또는 단일 결합이고, B는 O이고, D는 SO2이고, E는 O일 수 있으며, 또한 헤테로 원자 함유 작용기는 CH2-NH2-4-피리딘(pyridine) 또는 CH2-O-피리딘(pyridine)이고, 가교 결합 그룹은 -CH2-CP-CH2-이고[여기서, CP는 이미다졸(imidazole)], R1 및 R2 중 어느 하나는 피리딘 함유 작용기이고 나머지 하나는 가교 결합 그룹이고, R3, R4는 수소일 수 있다. In a non-limiting example of one, and in the compound of [Chemical Formula 6] A is CH 3 -C-CH 3, or a single bond, B is O, D is SO 2, E may be a O, and also hetero The atom containing functional group is CH 2 -NH 2 -4-pyridine or CH 2 -O-pyridine and the cross-linking group is -CH 2 -CP-CH 2 - wherein CP is imidazole ( imidazole), either R1 or R2 is a pyridine-containing functional group and the other is a crosslinking group, and R3, R4 may be hydrogen.

바람직하게는, 피리딘 함유 작용기는 4-아미노피리딘일 수 있다.Preferably, the pyridine containing functional group may be 4-aminopyridine.

비제한적인 하나의 예시에서, 본 발명의 구현예들에 따른 고분자 전해질 화합물은 예컨대 다음 화학식의 화합물일 수 있다.In one non-limiting example, the polyelectrolyte compound according to embodiments of the present invention may be, for example, a compound of the following formula:

[화학식 8][Chemical Formula 8]

Figure 112016010734095-pat00018
Figure 112016010734095-pat00018

한편, 본 발명의 다른 구현예들에서는 상기 고분자 전해질 화합물로 이루어지는 고분자 전해질 막을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte compound.

일 구현예에서, 상기 고분자 전해질 막은 인산 흡수율이 50~500%일 수 있다. 또한, 상기 고분자 전해질 막의 프로톤 전도도는 20℃ 내지 200℃에서 1 내지 70mS/cm일 수 있다.In one embodiment, the polyelectrolyte membrane may have a phosphate absorption of 50 to 500%. The proton conductivity of the polyelectrolyte membrane may be 1 to 70 mS / cm at 20 to 200 캜.

상기 고분자 전해질 막은 전기 화학 소자 등에 이용될 수 있으며, 특히 연료전지 또는 전기분해장치(electrolyser)의 고분자 전해질 막, 특히 고온 고분자 전해질 연료전지(High Temperature PEMFC)의 고분자 전해질 막으로서 유용하게 사용될 수 있다.The polymer electrolyte membrane can be used as an electrochemical device or the like, and can be particularly useful as a polymer electrolyte membrane of a fuel cell or an electrolyzer, and particularly as a polymer electrolyte membrane of a high temperature PEMFC.

한편, 본 발명의 일 구현예들에서는, 방향족 폴리머(aromatic polymer)의 할로메틸화(hallomethylation)를 수행하는 단계; 및 할로메틸화된 방향족 폴리머를 헤테로 원자 함유 화합물 및 이미다졸리움 가교 결합 작용기 함유 화합물과 반응하는 단계;를 포함한다. 여기서, 상기 이미다졸리움 가교 결합 작용기는 예컨대 이미다졸(imidazole), 벤지이미다졸(benzimidazole), 1, 2, 3-트리아졸(1, 2, 3-triazole), 1, 2, 4-트리아졸(1, 2, 4-triazole), 테트라졸(tetrazole), 2-페닐테트라졸(2-phenyltetrazole)로 이루어지는 그룹에서 선택될 수 있다. 상기 헤테로 원자 함유 화합물은 예컨대 피리딘 화합물 등일 수 있다.Meanwhile, in one embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: performing hallomethylation of an aromatic polymer; And reacting the halomethylated aromatic polymer with a heteroatom-containing compound and an imidazolium-crosslinking functional group-containing compound. Herein, the imidazolium crosslinking functional group is, for example, imidazole, benzimidazole, 1,2,3-triazole, 1,2,4-triazole, (1, 2, 4-triazole), tetrazole, and 2-phenyltetrazole. The hetero atom-containing compound may be, for example, a pyridine compound.

예시적인 일 구현예들에서, 상기 [화학식 6]의 반복 단위를 가지는 폴리머의 경우 클로로메틸레이션을 수행하고, [화학식 7]의 반복 단위를 가지는 폴리머의 경우 브로모메틸레이션을 수행한다.
In one exemplary embodiment, the polymer having repeating units of formula (6) is subjected to chloromethylation, and the polymer having repeating units of formula (7) is subjected to bromomethylation.

이하, 실시예 및 실험을 통하여 그 제조 과정과 결과를 더욱 상세히 설명하지만, 이하에 기재된 내용에 본 발명이 한정되지 않는다.
Hereinafter, the manufacturing process and results will be described in detail by way of examples and experiments, but the present invention is not limited to the following description.

폴리술폰 고분자의 Of polysulfone polymer 클로로메틸화Chloromethylation

폴리술폰 고분자(Polysulfone polymer) (솔베이, Udel P-3500) (10.00 g, 22.6 mmol)를 0℃에서 CHCl3 500 ml에 녹였다. Polysulfone polymer (Solvay, Udel P-3500) (10.00 g, 22.6 mmol) was dissolved in CHCl 3 500 ml.

트리메틸클로로실란(Trimethylchlorosilane) (24.55 g, 225.60 mmol), 파라포름알데히드(paraformaldehyde) (6.785 g, 226.0 mmol) 및 0.5 몰랄 농도를 가지는 메틸렌클로라이드 중의 염화주석(stannic chloride) 용액 (9.4 ml, 4.52 mmol)이 첨가되었다. A solution of stannic chloride (9.4 ml, 4.52 mmol) in methylene chloride with trimethylchlorosilane (24.55 g, 225.60 mmol), paraformaldehyde (6.785 g, 226.0 mmol) Was added.

온도를 50℃로 증가시켰고, 내부 온도계 (internal thermometer)로 조절하였다. 반응 혼합물을 50℃에서 72시간 동안 교반하였다. The temperature was increased to 50 < 0 > C and controlled with an internal thermometer. The reaction mixture was stirred at 50 < 0 > C for 72 hours.

얻어진 고분자를 1200ml 에탄올에서 침전시키고 적어도 2 시간 동안 교반하였다. 이어서, 해당 고분자를 1200ml 에탄올에서 적어도 4.5 시간 동안 세척하고, 마지막으로 60℃에서 진공 건조하였다. 고분자 수득률은 88-96 % 이었고, 클로로메틸화도(degree of chloromethylation)는 90-95 %이었다[프로톤 핵자기공명 스펙트로스코피로(proton nuclear magnetic resonance spectroscopy)로 측정함].
The resulting polymer was precipitated in 1200 ml of ethanol and stirred for at least 2 hours. The polymer was then washed with 1200 ml ethanol for at least 4.5 hours and finally vacuum dried at 60 < 0 > C. The polymer yield was 88-96% and the degree of chloromethylation was 90-95% (measured by proton nuclear magnetic resonance spectroscopy).

비교예Comparative Example 1 One

상기 클로로메틸화된 폴리술폰(3.00 g, 6.110 mmol, 클로로메틸화도 90 %)과 4-아미노피리딘(4-aminoppyridine) (0.58 g, 6.049 mmol)을 클로로포름(chloroforme) (2.4 ml) 및 N,N-디메틸포름아미드(N,N-dimethylformamide) (34.0 ml)와 혼합하고, 40℃에서 20시간 동안 교반하였다. 용매를 60℃에서 2 시간 및 60℃ 진공에서 14시간 동안 증발시켰다. 4-Aminopyridine (0.58 g, 6.049 mmol) and chloromethylated polysulfone (3.00 g, 6.110 mmol, chloromethylation degree 90%) were dissolved in chloroform (2.4 ml) and N, N- Was mixed with N, N-dimethylformamide (34.0 ml) and stirred at 40 ° C for 20 hours. The solvent was evaporated at 60 < 0 > C for 2 hours and at 60 [deg.] C under vacuum for 14 hours.

얻어진 고분자를 디메틸술폭사이드에 녹여서 15 wt. % 용액을 형성하였다. 해당 용액을 주사기 필터(syringe filter) (포어 사이즈 45㎛)로 필터링하고, 400㎛ 닥터 블래이드를 사용하여 유리 플레이트에 캐스팅하였다. 멤브레인을 80 ℃에서 2 시간 동안 건조하였고, 마지막으로 80℃ 진공에서 20시간 동안 건조하였다. 얻어진 멤브레인을 탈 이온 수(deionized water)로 12시간 동안 세척하고, 60℃ 진공에서 24시간 동안 건조하였다.
The obtained polymer was dissolved in dimethylsulfoxide to prepare a 15 wt. % Solution. The solution was filtered with a syringe filter (pore size 45 mu m) and cast on a glass plate using a 400 mu m doctor blade. The membrane was dried at 80 ° C for 2 hours and finally dried at 80 ° C under vacuum for 20 hours. The resulting membrane was washed with deionized water for 12 hours and dried at 60 DEG C under vacuum for 24 hours.

실시예Example 1 One

상기 클로로메틸화된 폴리술폰(3.00 g, 6.110 mmol, 클로로메틸화도 90 %)과 4-아미노피리딘(4-aminoppyridine)(0.499g, 5.196mmol) 및 이미다졸 (imidazole)(0.040 g, 0.577 mmol)을 클로로포름(chloroforme) (2.7ml) 및 N,N-디메틸포름아미드(N,N-dimethylformamide) (38.7 ml)와 혼합하고, 40℃에서 20시간 동안 교반하였다. 4-Aminopyridine (0.499 g, 5.196 mmol) and imidazole (0.040 g, 0.577 mmol) were added to the above chloromethylated polysulfone (3.00 g, 6.110 mmol, chloromethylation degree 90% Was mixed with chloroform (2.7 ml) and N, N-dimethylformamide (38.7 ml), and the mixture was stirred at 40 ° C for 20 hours.

해당 용액을 주사기 필터(syringe filter) (포어 사이즈 45 ㎛)로 필터링하고, 페트리 접시(petri dishes)를 사용하여 캐스팅하였다. 용매를 60℃에서 3 시간 및 마지막으로 60℃ 진공에서 20시간 동안 증발시켰다. 얻어진 멤브레인을 탈 이온 수(deionized water)로 12시간 동안 세척하고, 60℃ 진공에서 24시간 동안 건조하였다.
The solution was filtered with a syringe filter (pore size 45 mu m) and cast using petri dishes. The solvent was evaporated at 60 < 0 > C for 3 hours and finally at 60 [deg.] C in vacuo for 20 hours. The resulting membrane was washed with deionized water for 12 hours and dried at 60 DEG C under vacuum for 24 hours.

실시예Example 2 2

상기 클로로메틸화된 폴리술폰(3.50 g, 7.128 mmol, 클로로메틸화도 95 %)과 4-아미노피리딘(4-aminoppyridine) (0.569 g, 5.925 mmol) 및 이미다졸 (imidazole)(0.081 g, 1.185 mmol)을 클로로포름(chloroforme) (3.2 ml) 및 N,N-디메틸포름아미드(N,N-dimethylformamide) (45.4 ml)와 혼합하고, 40℃에서 24시간 동안 교반하였다. 해당 용액을 주사기 필터(syringe filter) (포어 사이즈 45 ㎛)로 필터링하고, 페트리 접시(petri dishes)를 사용하여 캐스팅하였다. 용매는 60 ℃에서 1 시간 및 마지막으로 60℃ 진공에서 24시간 동안 증발시켰다. 얻어진 멤브레인을 탈 이온 수(deionized water)로 12시간 동안 세척하고, 60℃ 진공에서 17시간 동안 건조하였다.
4-aminopyridine (0.569 g, 5.925 mmol) and imidazole (0.081 g, 1.185 mmol) were added to the above chloromethylated polysulfone (3.50 g, 7.128 mmol, chloromethylation degree 95% Was mixed with chloroform (3.2 ml) and N, N-dimethylformamide (45.4 ml), and the mixture was stirred at 40 ° C for 24 hours. The solution was filtered with a syringe filter (pore size 45 mu m) and cast using petri dishes. The solvent was evaporated at 60 < 0 > C for 1 hour and finally at 60 [deg.] C in vacuo for 24 hours. The obtained membrane was washed with deionized water for 12 hours and dried at 60 캜 under vacuum for 17 hours.

실시예Example 3 3

상기 클로로메틸화된 폴리술폰(3.00 g, 6.110 mmol, 클로로메틸화도 95 %)과 4-아미노피리딘(4-aminoppyridine) (0.293 g, 3.047 mmol) 및 이미다졸 (imidazole)(0.110g, 1.596 mmol)을 N,N-디메틸아세트아미드(N,N-dimethylacetamide) (41.5 ml)와 혼합하고, 40℃에서 24시간 동안 교반하였다. 해당 용액을 주사기 필터(syringe filter) (포어 사이즈 45㎛)로 필터링하고, 페트리 접시(petri dishes)를 사용하여 캐스팅하였다. 용매를 40℃에서 2 시간 및 마지막으로 40℃ 진공에서 14시간 동안 증발시켰다. 얻어진 멤브레인을 탈 이온 수(deionized water)로 12시간 동안 세척하고, 60℃ 진공에서 24시간 동안 건조하였다.
4-aminopyridine (0.293 g, 3.047 mmol) and imidazole (0.110 g, 1.596 mmol) were added to the above chloromethylated polysulfone (3.00 g, 6.110 mmol, chloromethylation degree 95% Was mixed with N, N-dimethylacetamide (41.5 ml) and stirred at 40 ° C for 24 hours. The solution was filtered with a syringe filter (pore size 45 mu m) and cast using petri dishes. The solvent was evaporated at 40 < 0 > C for 2 hours and finally at 40 [deg.] C in vacuo for 14 hours. The resulting membrane was washed with deionized water for 12 hours and dried at 60 DEG C under vacuum for 24 hours.

하기 표에 각 실시예들의 반응 용매[클로로메틸화된 폴리술폰(클로로메틸화도90-95 %)과 4-아미노피리딘/이미다졸의 반응 용매], 4-아미노피리딘 : 이미다졸의 몰랄 비율(molar ratio)(reagent feed에 따름), 겔 함량(gel content)(DMSO, RT)를 기재하였다. The following table shows the molar ratio (molar ratio) of 4-aminopyridine: imidazole to the reaction solvent of each of the examples [reaction solvent of chloromethylated polysulfone (chloromethylated degree 90-95%) and 4-aminopyridine / imidazole] ) (according to the reagent feed), and the gel content (DMSO, RT).

또한, 해당 표에 30℃ 및 80℃에서의 인산 흡수율(PA uptake), 실시예 2, 4의 160℃에서의 프로톤 전도도를 함께 표시하였다. In addition, the table shows phosphoric acid uptake (PA uptake) at 30 ° C and 80 ° C, and proton conductivity at 160 ° C in Examples 2 and 4.

비교예 1
(Comparative example 1)
Comparative Example 1
(Comparative example 1)
실시예 1
(Example 1)
Example 1
(Example 1)
실시예 2
(Example 2)
Example 2
(Example 2)
실시예 3
(Example 3)
Example 3
(Example 3)
반응 용매Reaction solvent DMF:CHCl3 DMF: CHCl 3 DMF:CHCl3 DMF: CHCl 3 DMF:CHCl3 DMF: CHCl 3 DMAcDMAc 4-아미노피리딘
: 이미다졸 (molar ratio)
4-aminopyridine
: Molar ratio
1:01: 0 9:19: 1 5:15: 1 2:12: 1
겔 함량
(DMSO, RT)
Gel content
(DMSO, RT)
0 %0 % 56%56% 100 %100% 100 %100%
PA 흡수율(30℃)
[160℃에서의 프로톤 전도도]
PA absorption rate (30 DEG C)
[Proton conductivity at 160 占 폚]
285%285% 215%
[50 mS/cm]
215%
[50 mS / cm]
231%
[55 mS/cm]
231%
[55 mS / cm]
105%
[20 mS/cm]
105%
[20 mS / cm]
PA 흡수율(80℃)
[160℃에서의 프로톤 전도도]
PA absorption rate (80 DEG C)
[Proton conductivity at 160 占 폚]
457%457% 295%
[64 mS/cm]
295%
[64 mS / cm]
283%
[N//A]
283%
[N // A]
127%
[39 mS/cm]
127%
[39 mS / cm]

이상으로부터 알 수 있듯이, 이미다졸을 첨가하는 경우 실시예들은 가교 결합(crosslinked) 막이 되었다. 이는 겔 함량으로부터 알 수 있다. As can be seen from the above, when imidazole was added, the examples became crosslinked membranes. This is known from the gel content.

참고로, 겔 함량은 가급적 높아야 한다. 겔 함량이 높을수록 용해도(solubility)가 낮으며 겔 함량이 100%인 경우 용해되지 않는다(insoluble). 관련하여, 가교 량이 증가할수록 겔 함량은 증가하게 된다. For reference, the gel content should be as high as possible. The higher the gel content, the lower the solubility and insoluble when the gel content is 100%. In relation to this, the gel content increases as the crosslinking amount increases.

그런데, 가교 량이 증가하게 되면(즉, 가교 결합 그룹 치환이 증가하게 되면) 피리딘 그룹으로 치환되는 경우와 대비할 때 염기 사이트(basic sites)가 감소하게 되고 산 도핑 시 고분자 전해질 막의 스웰링도 제한되어 인산 흡수율이 감소할 수 있다(인산의 흡수율은 높을수록 바람직하다). 실시예들의 막들의 경우 겔 함량이 증가할수록 인산 흡수율은 감소하였다.However, when the crosslinking amount is increased (that is, when the crosslinking group substitution is increased), the basic sites are reduced and the swelling of the polymer electrolyte membrane is limited when the acid is doped, The absorption rate can be reduced (the higher the absorption rate of phosphoric acid is, the better). In the membranes of the examples, the absorption rate of phosphoric acid decreased as the gel content increased.

그러므로, 피리딘 그룹도 가급적 많이 함유하면서 겔 함량이 높도록 할 수 있는, 피리딘 그룹 및 가교 결합 그룹의 적절한 비율을 정하도록 하는 것이 바람직하다. Therefore, it is preferable to determine the proper proportions of the pyridine group and the crosslinking group, which can contain the pyridine group as much as possible and have a high gel content.

한편, 위 실시예들의 막에 대한 대비예로서, 종래 고분자 전해질 화합물의 도핑 레벨 또는 프로톤 전도도는 다음과 같다.As a comparative example of the membrane of the above embodiments, the doping level or proton conductivity of the conventional polymer electrolyte compound is as follows.

(1) 85% 인산(phosphoric acid; PA) 도핑된 폴리벤지이미다졸은 PA 흡수율이 345% (고분자량 PBI: 78,000g/mol) 및 411% (중간 분자량 PBI: 37,000g/mol)이다. (비특허문헌 5)(1) 85% phosphoric acid (PA) doped polybenzimidazole has a PA absorption ratio of 345% (high molecular weight PBI: 78,000 g / mol) and 411% (intermediate molecular weight PBI: 37,000 g / mol). (Non-Patent Document 5)

(2) 피리딘 함유 블랜드 막(PPyPO/PPy(50)coPSF 50/50)은 도핑 레벨이 80℃에서 200%이다(비특허문헌 1)(2) The pyridine-containing blend film (PPyPO / PPy (50) coPSF 50/50) has a doping level of 200% at 80 캜 (Non-Patent Document 1)

(3) 피리딘 함유 고분자 터프(Terp.IX)[193% PA 및 170% PA 도핑]의 프로톤 전도도는 160℃에서 약 65-70 mS/cm이다(비특허문헌 3).(3) The proton conductivity of pyridine-containing polymer tough (Terp.IX) [193% PA and 170% PA doping] is about 65-70 mS / cm at 160 占 폚.

(4) 알리파틱 아민 또는 프로필 링킹(linking)된 이미다졸을 사이드 체인에 가지는 PA 도핑 폴리술폰계 막은 150℃에서 프로톤 전도도가 약 4-25 mS/cm 이다(특허문헌 1)(4) A PA-doped polysulfone-based membrane having aliphatic amine or propylated imidazole in its side chain has a proton conductivity of about 4-25 mS / cm at 150 ° C (Patent Document 1)

(5) 산 도핑 SO2PBI 및 그 가교 결합 대응물(crosslinked counterparts)의 무수 프로톤 전도도(Anhydrous proton conductivity)는 다양한 물질에 대하여 160 ℃에서 약 60-95 mS/cm이다(비특허 문헌 6 ) (5) The anhydrous proton conductivity of acid-doped SO 2 PBI and its crosslinked counterparts is about 60-95 mS / cm at 160 ° C for various materials (Non-Patent Document 6)

(6) PA 도핑 meta-PBI (가교 되지 않음)은 160℃에서 프로톤 전도도가 약 140 mS/cm에 이른다 (비특허 문헌 5).
(6) PA doping meta-PBI (not crosslinked) has a proton conductivity of about 140 mS / cm at 160 캜 (Non-Patent Document 5).

참고로, Daposy 로부터 입수한 상용의 meta-PBI 막 (가교 되지 않음)과 상기 실시예 3의 막의 160℃에서의 프로톤 전도도(proton conductivity), 도핑 시 질량 증가(weight gain during doping), 인장 강도(tensile strength), 영 모듈러스(Young modulus)를 측정하였다. 표 2는 해당 측정 결과를 나타낸다.
For reference, the proton conductivity at 160 ° C of the membrane of Example 3, the weight gain during doping, and the tensile strength (not crosslinked) of a commercially available meta-PBI membrane (not crosslinked) obtained from Daposy tensile strength, and Young modulus were measured. Table 2 shows the measurement results.

가교 여부
(Crosslinked)
Whether it is cross-linked
(Crosslinked)
프로톤 전도도
(proton conductivity)
Proton conductivity
(proton conductivity)
도핑 시 질량 증가(weight gain during doping) (%)Weight gain during doping (%) 인장 강도
(tensile strength)
The tensile strength
(tensile strength)
영 모듈러스
(Young modulus)
Young Modulus
(Young modulus)
실시예 3Example 3 가교(Yes)Bridging (Yes) 39 mS/cm39 mS / cm 122±5122 ± 5 11.9±2.711.9 ± 2.7 222±41222 ± 41 Meta-PBI (Daposy)Meta-PBI (Daposy) 가교 없음(No)No bridging (No) 13 mS/cm13 mS / cm 150150 6.8±1.16.8 ± 1.1 134±16134 ± 16

표 2의 결과로부터 알 수 있듯이, 실시예 3의 막은 상용의 meta-PBI 막에 비하여 높은 전도도를 가지며 또한 낮은 인산 흡수율을 가지고 이에 따라 향상된 인장 강도와 영 모듈러스를 나타낸다. As can be seen from the results in Table 2, the membrane of Example 3 has higher conductivity than the conventional meta-PBI membrane and has a lower phosphoric acid uptake rate, thus exhibiting improved tensile strength and Young's modulus.

이상으로부터 본 발명의 구현예들의 가교 결합(crosslinked) 고분자 전해질 화합물로 이루어진 막은 종래의 고분자 전해질 막에 대비하여도 동등 이상의 도핑 레벨과 이온 전도도를 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 막은 기계적, 열적 특성에서도 우수하고, 장기 내구성을 나타낸다.From the above, it can be seen that the membrane made of the crosslinked polymer electrolyte compound of the embodiments of the present invention exhibits a doping level and ion conductivity equal to or higher than that of the conventional polymer electrolyte membrane. In addition, the film is excellent in mechanical and thermal properties and exhibits long-term durability.

Claims (12)

하기 [화학식 6] 또는 [화학식 7]의 반복 단위(repeat unit)를 가지는 가교 결합 폴리머인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 화합물.
[화학식 6]
Figure 112016110950647-pat00022

[화학식 7]
Figure 112016110950647-pat00023

상기 [화학식 6]에서, A, B, D, E는 각각 독립적으로 단일 결합, O, SO2, C=O, CH3-C-CH3, Ph(페닐)-P=O, S, N, CH3-C-알킬 (여기서, 알킬은 C1-C10인 알킬)이다.
상기 [화학식 6]의 R1, R2, R3, R4는 각각 독립적으로 다음 (1), (2), (3) 중 어느 하나이다.
(1) 수소(H);
(2) 가교 결합 지점(crosslinking point);
(3) CH2-NH2-4-피리딘(pyridine) 또는 CH2-O-피리딘(pyridine)인 헤테로 원자 함유 작용기(hetero atom containing group),
상기 가교 결합 지점은, [화학식 6]의 반복 단위로 표시되는 폴리머 체인을 연결하는 가교 결합 지점(crosslinking point)인 -CH2-CP-CH2-이고, 여기서, CP는 이미다졸(imidazole), 벤지이미다졸(benzimidazole), 1, 2, 3-트리아졸(1, 2, 3-triazole), 1, 2, 4-트리아졸(1, 2, 4-triazole), 테트라졸(tetrazole), 2-페닐테트라졸(2-phenyltetrazole)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 것이며, R1, R2, R3, R4가 가교 결합 지점일 때, R1, R2, R3, R4는 1가의 기가 아니다.
또한, 상기 [화학식 7]의 R5는 다음 (1), (2), (3) 중 어느 하나이다.
(1) 수소(H);
(2) 가교 결합 지점(crosslinking point);
(3) CH2-NH2-4-피리딘(pyridine) 또는 CH2-O-피리딘(pyridine)인 헤테로 원자 함유 작용기(hetero atom containing group),
상기 가교 결합 지점은, [화학식 7]의 반복 단위로 표시되는 폴리머 체인을 연결하는 가교 결합 지점(crosslinking point)인 -CP-이고, 여기서, CP는 이미다졸(imidazole), 벤지이미다졸(benzimidazole), 1, 2, 3-트리아졸(1, 2, 3-triazole), 1, 2, 4-트리아졸(1, 2, 4-triazole), 테트라졸(tetrazole), 2-페닐테트라졸(2-phenyltetrazole)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 것이며, R5가 가교 결합 지점일 때, R5는 1가의 기가 아니다.
상기 [화학식 6]의 반복 단위 또는 [화학식 7]의 반복 단위를 가지는 폴리머에서 헤테로 원자 함유 작용기의 가교 결합 지점에 대한 몰랄 비율(molar ratio of hetero atom containing group to crosslinking group)은 30:1 내지 1:10이다.
Is a crosslinking polymer having a repeating unit of the following formula (6) or (7).
[Chemical Formula 6]
Figure 112016110950647-pat00022

(7)
Figure 112016110950647-pat00023

Wherein A, B, D and E each independently represent a single bond, O, SO 2 , C═O, CH 3 -C -CH 3 , Ph (phenyl) -P═O, S, N , it is CH 3 -C- alkyl (wherein alkyl is an alkyl C1-C10).
R 1, R 2, R 3 and R 4 in the above-mentioned formula (6) are each independently any one of the following (1), (2) and (3)
(1) hydrogen (H);
(2) a crosslinking point;
(3) a hetero atom containing group which is CH 2 -NH 2 -4-pyridine or CH 2 -O-pyridine,
The crosslinking point is -CH 2 -CP-CH 2 -, which is a crosslinking point connecting the polymer chain represented by the repeating unit of formula (6), wherein CP is imidazole, Benzimidazole, 1, 2, 3-triazole, 1,2,4-triazole, tetrazole, 2, R2, R3 and R4 are not a monovalent group when R1, R2, R3 and R4 are cross-linking points.
R5 in the above formula (7) is any one of the following (1), (2) and (3).
(1) hydrogen (H);
(2) a crosslinking point;
(3) a hetero atom containing group which is CH 2 -NH 2 -4-pyridine or CH 2 -O-pyridine,
Wherein the crosslinking point is -CP-, a crosslinking point connecting the polymer chain represented by the repeating unit of formula (7), wherein CP is imidazole, benzimidazole, , 1,2,3-triazole, 1,2,4-triazole, tetrazole, 2-phenyltetrazole (2, 3, -phenyltetrazole), and when R5 is a point of crosslinking, R5 is not a monovalent group.
The molar ratio of hetero atom containing group to the crosslinking point of the heteroatom-containing functional group in the polymer having the repeating unit of the above formula (6) or the repeating unit of the formula (7) is from 30: 1 to 1 : 10.
제 1 항에 있어서,
상기 폴리머는 CH2-헤테로 원자 결합(CH2-Hetero atom bond)을 포함하고, 반복 단위 당 CH2-헤테로 원자 결합(CH2-Hetero atom bond)의 평균 수 [average number of CH2-Hetero atom bond per repeat unit]는 0.05 내지 3인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 화합물.
The method according to claim 1,
The polymer CH 2 - hetero atom bond (CH 2 -Hetero atom bond) and including a repeating CH 2 per unit - the average number of hetero atom (CH 2 -Hetero atom bond) [ average number of CH 2 -Hetero atom bond per repeat unit] is from 0.05 to 3.
제 1 항에 있어서,
상기 CP는 질소 외의 원자 위치에서 치환되는 것이고, 치환기는 수소, 메틸기, 에틸기, 또는 다음 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 화합물.
Figure 112016110950647-pat00015

The method according to claim 1,
Wherein the CP is substituted at an atomic position other than nitrogen, and the substituent is hydrogen, a methyl group, an ethyl group, or any one of the following.
Figure 112016110950647-pat00015

제 1 항에 있어서,
상기 CP는 2-치환 이미다졸(2-substituted imidazole), 또는 2-치환 벤지이미다졸(2-substituted benzimidazole)이고, 여기서 치환기(2-substitutent)는 C1-C10의 알킬기, 피리딘(pyridine), 페닐기(phenyl) 또는 치환된 페닐기(substituted phenyl)인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 화합물.
The method according to claim 1,
The CP is a 2-substituted imidazole or a 2-substituted benzimidazole wherein the 2-substitutent is a C1-C10 alkyl group, a pyridine, a phenyl group, (phenyl) or a substituted phenyl group.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
A는 CH3-C-CH3 또는 단일 결합이고,
B는 O이고,
D는 SO2이고,
E는 O이고,
가교 결합 지점은 -CH2-CP-CH2-이고, 여기서, CP는 이미다졸(imidazole)인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 화합물.
The method according to claim 1,
A is CH 3 -C-CH 3, or a single bond,
B is O,
D is SO 2 ,
E is O,
Wherein the point of crosslinking is -CH 2 -CP-CH 2 -, wherein CP is imidazole.
삭제delete 제 1 항 내지 제 4 항 및 제 6항 중 어느 한 항의 고분자 전해질 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막.
A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte compound according to any one of claims 1 to 4.
제 8 항에 있어서,
상기 고분자 전해질 막의 인산 흡수율이 50~500%인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막.
9. The method of claim 8,
Wherein the polyelectrolyte membrane has a phosphoric acid absorption rate of 50 to 500%.
제 8 항에 따른 고분자 전해질 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
An electrochemical device comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 8.
제 10 항에 있어서,
상기 전기화학소자는 연료전지 또는 전기분해장치(electrolyser)인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
11. The method of claim 10,
Wherein the electrochemical device is a fuel cell or an electrolyser.
제 1 항 내지 제 4 항 및 제 6항 중 어느 한 항의 고분자 전해질 화합물의 제조 방법으로서,
방향족 폴리머(aromatic polymer)의 할로메틸화(hallomethylation)을 수행하는 단계; 및
할로메틸화된 방향족 폴리머를 CH2-NH2-4-피리딘(pyridine) 또는 CH2-O-피리딘(pyridine)인 헤테로 원자 함유 화합물 및 이미다졸리움 가교 결합 작용기 함유 화합물과 반응하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 화합물의 제조 방법.
A process for producing a polymer electrolyte compound according to any one of claims 1 to 4,
Performing a hallomethylation of an aromatic polymer; And
Reacting the halomethylated aromatic polymer with a heteroatom-containing compound which is CH 2 -NH 2 -4-pyridine or CH 2 -O-pyridine and an imidazolium crosslinking functional group-containing compound ≪ / RTI >
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