KR101750412B1 - Anion conducting body comprising anion conducting block copolymer having polyphenylene-based hydrophilic main chain, preparation method and use thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리페닐렌계 친수성 주쇄 구조를 갖는 음이온 전도성 블록공중합체를 포함하는 음이온 이온전도체, 이의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것으로, 주쇄를 이루는 친수성 도메인이 에테르 결합을 배제한 탄소-탄소 결합으로 구성되어 우수한 치수 안정성 및 화학적 안정성을 나타낼 뿐만 아니라 음이온을 선택적으로 이동시키는 음이온 전도도가 우수한 음이온 이온전도체, 이의 제조방법 및 이의 용도를 제공한다. 특히, 본 발명에 따른 음이온 이온전도체는 우수한 쿨롱 효율(columbic efficiency)을 나타내어 음이온 전도체로서 적용할 경우 소자의 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있어 전해질막 또는 연료전지용 전극 등에 다양하게 적용될 수 있다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to an anionic ion conductor comprising an anionic conductive block copolymer having a polyphenylene-based hydrophilic main chain structure, a method for producing the same, and a use thereof, wherein the hydrophilic domain constituting the main chain is composed of a carbon- Anionic ion conductors exhibiting excellent dimensional stability and chemical stability as well as anion transferring selectively anions are provided, a method for producing the same, and uses thereof. In particular, the anion ion conductor according to the present invention exhibits excellent Coulomb efficiency and can be applied to an electrolyte membrane or an electrode for a fuel cell, because it has an advantage of improving the performance of the device when it is applied as an anion conductor.

Description

폴리페닐렌계 친수성 주쇄 구조를 갖는 음이온 전도성 블록공중합체를 포함하는 음이온 이온전도체, 이의 제조방법 및 이의 용도{Anion conducting body comprising anion conducting block copolymer having polyphenylene-based hydrophilic main chain, preparation method and use thereof}TECHNICAL FIELD The present invention relates to an anionic ionic conductor comprising an anionic conductive block copolymer having a polyphenylene-based hydrophilic main chain structure, a method for producing the same,

본 발명은 폴리페닐렌계 친수성 주쇄 구조를 갖는 음이온 전도성 블록공중합체를 포함하는 음이온 이온전도체, 이의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to an anionic ion conductor comprising an anionic conductive block copolymer having a polyphenylene-based hydrophilic main chain structure, a method for producing the same, and a use thereof.

고분자전해질연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC), 직접메탄올연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC), 직접에탄올연료전지(direct ethanol fuel cell, DEFC), 역전기투석(reverse electrodialysis, RED)과 같은 신재생에너지 및 산화흐름전지(redox flow battery, RFB)와 같은 에너지저장 시스템에서 이온전도성 고분자막은 성능 및 내구성을 좌우하는 핵심 화학소재이나 현재 국내에는 관련 기술을 보유하고 있지 못해서 매우 비싼 가격에도 불구하고 전량 수입에 의존하고 있다.(PEMFC), a direct methanol fuel cell (DMFC), a direct ethanol fuel cell (DEFC), a reverse electrodialysis (RED) In an energy storage system such as a renewable energy and a redox flow battery (RFB), the ion conductive polymer membrane is a core chemical material that affects performance and durability. However, since it does not have a related technology in Korea at present, And all depend on imports.

레독스 플로우 전지(RFB; Redox Flow Battery)는 전해질의 전기화학적인 가역반응에 의한 충전과 방전을 반복하여 에너지를 장기간 저장하여 사용할 수 있는 2차전지이다. 전지의 용량과 출력 특성을 각각 좌우하는 스택과 전해질 탱크가 서로 독립적으로 구성되어 있어 전지 설계가 자유로우며 설치 공간 제약도 적다.Redox Flow Battery (RFB) is a secondary battery that can store and store energy for a long time by repeated charging and discharging by electrochemical reversible reaction of electrolyte. The stack and electrolyte tanks, which depend on the capacity and output characteristics of the battery, are independent of each other, so that the battery design is free and the installation space is limited.

또 레독스 플로우 전지는 발전소나 전력계통, 건물에 설치해 급격한 전력수요 증가에 대응할 수 있는 부하 평준화 기능, 정전이나 순간저전압을 보상하거나 억제하는 기능 등을 가지고 있으며 필요에 따라 자유롭게 조합할 수 있는 매우 유력한 에너지저장 기술이며 대규모 에너지저장에 적합한 시스템이다.The redox flow battery has a load leveling function that can cope with the sudden increase in power demand installed in a power plant, a power system, or a building, and has a function to compensate or suppress the power failure or the instantaneous undervoltage. It is an energy storage technology and suitable for large-scale energy storage.

이러한 레독스 플로우 전지는 두 개의 분리된 전해질로 구성된다. 하나는 음성 전극반응에서 전기활성 물질을 저장하며 다른 하나는 양성 전극반응에 사용된다. 실제 레독스 플로우 전지에서 전해질 반응은 양극과 음극에서 서로 상이하며 전해질액 흐름현상이 존재하므로 양극쪽과 음극쪽에서 압력차가 발생한다. 대표적인 레독스 플로우 전지인 전바나듐계 레독스 플로우 전지에서 양극 및 음극 전해질의 반응은 하기와 같다.These redox flow cells consist of two separate electrolytes. One stores the electroactive material in the negative electrode reaction and the other stores the positive electrode reaction. In an actual redox flow cell, the electrolyte reaction is different between the positive electrode and the negative electrode, and there is a flow of the electrolytic solution, so a pressure difference occurs between the positive electrode and the negative electrode. The reaction of the positive and negative electrode electrolytes in the entire vanadium-based redox flow battery, which is a typical redox flow battery, is as follows.

Figure 112015105947196-pat00001
Figure 112015105947196-pat00001

따라서, 양 전극에서의 압력차를 극복하고 충전과 방전을 반복하여도 우수한 전지성능을 나타내기 위해서는 물리적 화학적 내구성이 향상된 격리막을 필요로 한다. 레독스 플로우 전지에서 격리막(전해질막)으로는 일반적으로 양이온교환소재 혹은 음이온교환소재가 사용된다. 일반적으로 제조가 더 용이한 양이온교환소재가 사용되고 있으나, 활물질이나 전해액 내의 물의 이동을 제어하기 위해서는 음이온교환소재의 적용이 더 유리하다. 그럼에도 불구하고 소재 재조의 높은 난이도 및 소재의 비 다양성으로 인해 사용에 제한을 받고 있다.Therefore, a separation membrane with improved physical and chemical durability is required to overcome the pressure difference between both electrodes and to exhibit excellent cell performance even when charging and discharging are repeated. As a separator (electrolyte membrane) in a redox flow cell, a cation exchange material or an anion exchange material is generally used. Generally, a cation exchange material which is easier to manufacture is used, but an anion exchange material is more advantageously applied to control the movement of water in the active material or electrolyte. Nevertheless, its use is restricted due to the high difficulty of material reconstruction and non-diversity of materials.

연료전지는 연료의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 에너지 전환 장치로써 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 차세대 에너지원으로 연구 개발되고 있다.Fuel cells are energy conversion devices that convert the chemical energy of fuels directly into electrical energy. They are being developed as a next generation energy source with high energy efficiency and eco-friendly characteristics with less pollutant emissions.

일반적으로 연료전지는 수소 또는 메탄올 등의 연료로부터 수소이온과 전자를 공급하는 연료극(anode)과 산소를 공급할 수 있는 공기극(cathode)을 구비한다.Generally, a fuel cell includes an anode that supplies hydrogen ions and electrons from a fuel such as hydrogen or methanol, and a cathode that can supply oxygen.

연료전지에서의 전기를 발생시키는 원리는 연료극을 통해 연료를 공급하면 연료는 수소이온과 전자로 나눠지고, 수소이온은 전해질막을 통해 공기극에서 공급되는 산소와 결합되어 물이 되고, 상기의 연료극의 연료에서 분리되어진 전자는 외부회로를 통해 전류를 발생시킴으로써 물의 전기분해 역반응의 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 물이 발생된다.The principle of generating electricity in a fuel cell is that when fuel is supplied through a fuel electrode, the fuel is divided into hydrogen ions and electrons, hydrogen ions combine with oxygen supplied from the air electrode through the electrolyte membrane to become water, The electrons separated from the cathode generate an electric current through the external circuit, and the electrochemical reaction of the reverse reaction of electrolysis of water proceeds to generate electricity, heat, and water.

연료전지는 고분자전해질연료전지, 직접메탄올연료전지, 직접에탄올연료전지, 직접붕소수소화물연료전지(direct borohydride fuel cell, DBFC) 및 고체알칼라인연료전지(solid alkaline fuel cell, SAFC) 등이 있다.Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells, direct methanol fuel cells, direct ethanol fuel cells, direct borohydride fuel cells (DBFCs), and solid alkaline fuel cells (SAFCs).

상기의 연료전지 중에서 고분자전해질연료전지, 직접메탄올연료전지 및 직접에탄올연료전지는 전해질로 양이온 또는 수소이온 전도성 전해질막인 양이온 교환막을 채용하게 되지만, 이와 상이하게 고체알칼라인연료전지는 수산화이온 전도 전해질막인 음이온 교환막을 채용하여야 한다. 한편, 직접붕소수소화물연료전지는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 모두 사용 가능하다.Among the above fuel cells, the polymer electrolyte fuel cell, the direct methanol fuel cell, and the direct ethanol fuel cell employ a cation exchange membrane which is a cation or a proton conductive electrolyte membrane as an electrolyte. However, in contrast to the solid alkaline fuel cell, Anion exchange membrane should be employed. On the other hand, a direct boron hydride fuel cell can use both a cation exchange membrane and an anion exchange membrane.

구체적으로, 고체알칼라인연료전지는 주로 수산화칼륨 수용액을 전해질로 사용하고 수소를 연료로서 사용한다. 고체알칼라인연료전지는 발전방법이 다른 연료전지와 상당히 다르다. 구체적으로, 하기 반응식과 같이 공기에서 전지로 공급되는 산소는 공기극에서 물과 반응하여 수산화이온(OH-)을 생성시키고, 이 수산화이온은 연료극으로 이동하여 수소와 촉매 반응을 일으켜 물을 생산하고, 전자는 외부회로로 이동한다.Specifically, a solid alkaline fuel cell mainly uses an aqueous solution of potassium hydroxide as an electrolyte and uses hydrogen as a fuel. Solid alkaline fuel cells are significantly different from other fuel cells in power generation methods. Specifically, as shown in the following reaction formula, oxygen supplied from the air to the battery reacts with water in the air electrode to generate hydroxide ions (OH - ). The hydroxide ions migrate to the anode and produce a catalytic reaction with hydrogen to produce water, The former moves to the external circuit.

공기극(cathode)Cathode

O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- O 2 + 2H 2 O + 4e - ? 4OH -

연료극(anode)Anode

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e- 2H 2 + 4OH - ? 4H 2 O + 4e -

한편, 직접붕소수소화물연료전지는 연료로서 붕소수소화나트륨 또는 붕소수소화칼륨을 사용하며, 하기 반응식과 같이 공기에서 전지로 공급되는 산소는 공기극에서 물과 반응하여 수산화이온(OH-)을 생성시키고, 이 수산화이온은 연료극으로 이동하여 수소와 촉매 반응을 일으켜 물을 생산하고, 전자는 외부회로로 이동한다.On the other hand, a direct boron hydride fuel cell uses sodium borohydride or boron hydride as a fuel, and the oxygen supplied from the air to the cell reacts with water in the air electrode to generate hydroxide ions (OH < - > This hydroxide ion moves to the anode and catalyses the reaction with hydrogen to produce water, and the electrons move to an external circuit.

공기극(cathode)Cathode

2O2 + 4H2O + 8e- → 8OH- 2O 2 + 4H 2 O + 8e - ? 8OH -

연료극(anode)(붕소수소화나트륨을 연료로 사용하는 경우)Anode (when sodium boron hydride is used as fuel)

NaBH4 + 8OH- → NaBO2 + 6H2O + 8e- NaBH 4 + 8OH - - > NaBO 2 + 6H 2 O + 8e -

이에 따라 고체알칼라인연료전지와 직접붕소수소화물연료전지는 전술한 바와 같이 수산화이온 전도성 전해질막인 음이온 교환막을 채용하여 구동될 수 있다.Accordingly, the solid alkaline fuel cell and the direct boron hydride fuel cell can be driven by employing an anion exchange membrane, which is a hydroxide ion conductive electrolyte membrane, as described above.

이렇게 음이온 교환막을 채용하는 연료전지는 양이온 교환막을 채용하는 연료전지에 비해 비귀금속류 또는 비백금류 촉매를 전극에 사용할 수 특징을 가지고 있어 가격 저감이 가능하다는 특징을 가지고 있다.The fuel cell employing the anion exchange membrane is characterized in that it can use a non-precious metal or an opaque metal catalyst for the electrode as compared with the fuel cell employing the cation exchange membrane, and thus the price can be reduced.

한편, 현재 사용되는 전해질막은 Nafion으로 대변되는 과불소계 양이온교환막이다. 이는 성능 및 내구성이 매우 우수하지만 가격이 매우 비싸고 연료의 crossover가 심하다는 단점이 있다. 기존 음이온 교환막으로는 독일 퓨마테크사의 과불소계 음이온 교환막인 FAP와 탄화수소계 음이온 교환막인 VPX, 및 일본 토쿠야마사의 AMX가 있다. 그러나, 이들 음이온 교환막들도 가격이 비쌀 뿐 아니라 성능이 낮은 단점이 있다.On the other hand, the currently used electrolyte membrane is a perfluorocompound cation exchange membrane represented by Nafion. This is very good in performance and durability, but has the disadvantage that it is very expensive and the crossover of the fuel is severe. Existing anion exchange membranes include FAP, which is a perfluorinated anion exchange membrane of Puma Tech, Germany, VPX, which is a hydrocarbon-based anion exchange membrane, and AMX of Tokuyama, Japan. However, these anion exchange membranes are not only expensive but also have low performance.

본 발명의 목적은 음이온 교환막 등으로 적용가능한 우수한 물성과 음이온 전도능을 갖는 음이온 전도성 블록공중합체를 포함하는 음이온 이온전도체, 이의 제조방법 및 이의 용도를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an anionic ion conductor including an anion conductive block copolymer having excellent physical properties and anion conductivity capable of being applied to an anion exchange membrane and the like, a method for producing the same, and a use thereof.

본 발명의 제1양태는 하기 화학식 1로 표시되는 음이온 전도성 고분자를 포함하는 음이온의 선택적인 이동을 위한 음이온 이온전도체를 제공한다.The first aspect of the present invention provides an anionic ion conductor for selective migration of an anion including an anionic conductive polymer represented by the following general formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112015105947196-pat00002
Figure 112015105947196-pat00002

상기 식에서, In this formula,

A는 단일결합 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 또는 -(SO2)-이거나 또는 전자주게기로서 -O-, -S-, -NH- 또는 -NR25-이며, 이때 R25는 알킬기이고;A is a single bond or an electron withdrawing group which is - (C = O) -, - (P = O) -, -CF 2 -, - (C (CF 3 ) 2 ) - or - (SO 2 ) -O-, -S-, -NH- or -NR 25 -, wherein R 25 is an alkyl group;

B는 단일결합 또는 전자주게기로서 -O-, -S-, -NH- 또는 -NR25-이며, 이때 R25는 알킬기이고;B is -O-, -S-, -NH- or -NR 25 - as a single bond or electron donor group, wherein R 25 is an alkyl group;

Z는 음이온 교환성 작용기, 양쪽성 이온 교환성 작용기 또는 이의 조합이고;Z is an anion exchange functional group, an amphoteric ion exchange functional group or a combination thereof;

W는 수소이고;W is hydrogen;

a 및 b는 각각 1 내지 10에 속하는 정수이고;a and b are each an integer belonging to 1 to 10;

c는 1 내지 5에 속하는 정수이고;c is an integer belonging to 1 to 5;

l은 1 내지 10,000에 속하는 정수이고;1 is an integer belonging to 1 to 10,000;

D는 단일결합이거나, 전자주게기로서 -O-, -S-, -NH- 또는 -NR25-이거나(이때 R25는 알킬기임), 또는

Figure 112015105947196-pat00003
이며, 이때 G는 단일결합 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 또는 -(SO2)-이고, J는 전자주게기로서 -O-, -S-, -NH- 또는 -NR25-이며, 이때 R25는 알킬기이고;D is a single bond or -O-, -S-, -NH- or -NR 25 - as an electron donor, wherein R 25 is an alkyl group, or
Figure 112015105947196-pat00003
And, wherein G is an electron withdrawing group or a single bond - (C = O) -, - (P = O) -, -CF 2 -, - (C (CF 3) 2) - or - (SO 2) - And J is an electron donor group such as -O-, -S-, -NH- or -NR 25 -, wherein R 25 is an alkyl group;

Ar'은 비치환, 또는 할로겐원자(-X), 알킬기, 하나 이상의 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O-퍼플루오로아릴기로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환기로 치환된 아릴기이거나; 또는

Figure 112015105947196-pat00004
이며, 이때 P는 단일결합 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 또는 -(SO2)-이고;Wherein Ar 'is an unsubstituted or substituted group selected from the group consisting of a halogen atom (-X), an alkyl group, an alkyl group substituted with one or more halogens, an allyl group, a cyano group, An aryl group substituted with at least one substituent selected from the group consisting of a perfluoroaryl group, a perfluoroaryl group, and a -O-perfluoroaryl group; or
Figure 112015105947196-pat00004
And, where P is a bond or an electron withdrawing single group - (C = O) -, - (P = O) -, -CF 2 -, - (C (CF 3) 2) - or - (SO 2) - ego;

Ar"은 비치환, 또는 할로겐원자(-X), 알킬기, 하나 이상의 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O-퍼플루오로아릴기로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환기로 치환된 아릴기이거나; 또는

Figure 112015105947196-pat00005
이며, 이때 P'는 단일결합 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 또는 -(SO2)-이고;Ar "refers to an unsubstituted or substituted group containing one or more oxygen, nitrogen or sulfur atoms in the chain, such as a halogen atom (-X), an alkyl group, an alkyl group substituted with one or more halogens, an allyl group, An aryl group substituted with at least one substituent selected from the group consisting of a perfluoroaryl group, a perfluoroaryl group, and a -O-perfluoroaryl group;
Figure 112015105947196-pat00005
And, where P 'is an electron withdrawing group or a single bond - (C = O) -, - (P = O) -, -CF 2 -, - (C (CF 3) 2) - or - (SO 2) -ego;

이때 P와 P'는 서로 같거나 상이하고;Wherein P and P 'are the same or different from each other;

E는 전자주게기로서 -O-, -S-, -NH- 또는 -NR25-이며, 이때 R25는 알킬기이고;E is -O-, -S-, -NH- or -NR 25 - as an electron donor, wherein R 25 is an alkyl group;

R1 내지 R24는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 하나 이상의 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고;R 1 to R 24 each independently represent a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkyl group substituted with at least one halogen, an allyl group, a cyano group, an aryl group, optionally containing at least one oxygen, nitrogen or sulfur atom A perfluoroalkylaryl group, a perfluoroaryl group or an -O-perfluoroaryl group;

q는 0 또는 1의 정수이고;q is an integer of 0 or 1;

p는 0 내지 1000의 정수이고;p is an integer from 0 to 1000;

n은 1 내지 10,000에 속하는 정수이고;n is an integer from 1 to 10,000;

X 및 X'는 각각 독립적으로 할로겐원자이다.X and X 'are each independently a halogen atom.

바람직하기로, 상기 음이온 이온전도체에 포함된, 음이온 전도성 고분자에서 E가 -O-이고; p가 1 내지 50의 정수일 수 있다.Preferably, E in the anionic conducting polymer included in the anion ion conductor is -O-; and p may be an integer of 1 to 50.

본 발명의 제2양태는 상기 제1양태에 따른 음이온 이온전도체의 제조방법에 있어서, A second aspect of the present invention is the method for manufacturing the anion ion conductor according to the first aspect,

하기 화학식 2로 표시되는 친수성 단량체를 준비하는 제1단계;A first step of preparing a hydrophilic monomer represented by the following formula (2);

하기 화학식 3으로 표시되는 소수성 단량체를 준비하는 제2단계;A second step of preparing a hydrophobic monomer represented by the following formula (3);

상기 친수성 단량체 및 소수성 단량체를 혼합하여 콜론 커플링 반응에 의해 블록공중합체를 형성하는 제3단계;A third step of mixing the hydrophilic monomer and the hydrophobic monomer to form a block copolymer by a colon coupling reaction;

상기 블록공중합체를 할로메틸화시키는 제4단계; A fourth step of halomethylating the block copolymer;

상기 할로메틸화 블록공중합체를 소정의 형태로 성형하는 제5단계; 및A fifth step of molding the halomethylated block copolymer into a predetermined shape; And

상기 성형된 할로메틸화 블록공중합체의 할로겐 작용기를 음이온 교환성 작용기, 양쪽성 이온 교환성 작용기 또는 이의 조합으로 일부 또는 전부 치환시키는 제6단계를 포함하는 제조방법을 제공한다.And a sixth step of partially or completely replacing the halogen functional group of the formed halomethylated block copolymer with an anion exchangeable functional group, an amphoteric ion-exchange functional group, or a combination thereof.

[화학식 2](2)

Figure 112015105947196-pat00006
Figure 112015105947196-pat00006

[화학식 3](3)

Figure 112015105947196-pat00007
Figure 112015105947196-pat00007

상기 식에서, In this formula,

A, B, W, a, b, D, Ar', Ar", E, R1 내지 R4, q, p, X 및 X'는 상기 제1양태에서 정의된 바와 같다.A, B, W, a, b, D, Ar ', Ar ", E, R 1 to R 4, q, p, X and X' are as defined in the first aspect.

본 발명의 제3양태는 상기 제1양태에 따른 음이온 이온전도체를 포함하는 전해질막을 제공한다.A third aspect of the present invention provides an electrolyte membrane comprising an anion ion conductor according to the first aspect.

본 발명의 제4양태는 상기 제1양태에 따른 음이온 이온전도체를 전해질막 또는 전극에 포함하는 연료전지를 제공한다.A fourth aspect of the present invention provides a fuel cell including the anion ion conductor according to the first aspect in an electrolyte membrane or an electrode.

본 발명의 제5양태는 상기 제1양태에 따른 음이온 이온전도체를 전해질막에 포함하는 산화흐름전지를 제공한다.A fifth aspect of the present invention provides an oxidized flow cell comprising an anion ion conductor according to the first aspect in an electrolyte membrane.

본 발명의 제6양태는 상기 제1양태에 따른 음이온 이온전도체를 전해질막에 포함하는 수처리 장치를 제공한다.A sixth aspect of the present invention provides a water treatment apparatus comprising an anion ion conductor according to the first aspect in an electrolyte membrane.

본 발명의 제7양태는 상기 화학식 1로 표시되는 음이온 전도성 고분자를 제공한다.A seventh aspect of the present invention provides the anionic conductive polymer represented by the above formula (1).

본 발명의 제8양태는 상기 제7양태에 따른 음이온 전도성 고분자를 포함하는 전극용 바인더 조성물을 제공한다.
An eighth aspect of the present invention provides a binder composition for an electrode comprising the anionic conductive polymer according to the seventh aspect.

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

기존에는 대부분 이온전도체로서 양이온 이온전도체가 주를 이루고 있다. 그러나, 음이온 교환막을 채용하는 연료전지 등의 개발을 위하여 음이온 전도성 전해질막에 적용가능한 음이온 이온전도체에 대한 개발이 요구되고 있다. 기존 음이온교환소재로는 독일 퓨마테크의 FAP와 VPX막이 있다. 이들은 가격이 매우 비쌀 뿐 아니라 산화흐름전지용으로 특화된 특성으로 인해 이온전도도가 매우 낮아 연료전지 등의 응용분야에 적용이 어렵다.Conventionally, most ionic conductors are mainly cationic ionic conductors. However, in order to develop a fuel cell or the like employing an anion exchange membrane, development of an anion ion conductor applicable to an anion conductive electrolyte membrane is required. Existing anion exchange materials include FAP and VPX membranes from Puma Tech, Germany. They are not only very expensive, but also have very low ionic conductivity due to their specific properties for oxidation-flow cells, making them difficult to apply to applications such as fuel cells.

이와 같은 소재 개발의 어려움은 음이온전도체의 합성 난이도가 높다는 것에 있다. 음이온전도체의 경우 양이온전도체에 비해 합성 시 부반응이 많고 이온교환기의 수화수(hydration number, 하나의 이온교환기가 갖는 물분자의 수)가 커서 고분자의 합성 시 분자량의 향상이 제한적이고 반응 루트를 다양하게 하기 어렵다. 이러한 특징은 이온교환기를 갖는 모노머를 합성한 후 이들 사이에서의 고분자합성 반응을 통해 쉽게 이온교환소재를 제조할 수 있는 양이온교환소재와 달리 주쇄의 합성 후 이온교환기를 도입하는 합성과정을 거쳐야하므로 음이온교환소재의 합성 루트를 제한하고 난이도를 높이는 원인이 된다. 또한 주쇄 및 모노머에 술폰화반응을 통해서 바로 이온교환기를 도입하는 양이온소재에 비해 음이온교환소재는 클로로메틸화반응 혹은 브롬화반응을 거친 후 아민화반응을 통해서 이온교환기를 도입하므로 반응 루트가 더 길고 복잡하다. 특히 friedel-crafts acylation 반응을 통한 클로로메틸화반응은 부반응으로 가교반응이 일어나서 온도 및 반응시간 조건에 매우 민감하다. 이에 비록 주쇄의 구조가 같다고 하더라도 양이온교환소재와 음이온교환소재의 이온교환기를 도입하는 과정은 완전히 다르며, 음이온교환소재의 경우 다양한 온도 및 반응시간 등의 조건까지 고려해야 하므로 더욱 높은 수준의 합성 기술을 요한다.The difficulty in developing such materials is due to the high degree of synthesis of anion conductors. In the case of anionic conductors, there are more side reactions during synthesis than in cationic conductors, and the hydration number (number of water molecules in one ion exchanger) of the ion exchanger is so large that the improvement of the molecular weight during synthesis of the polymer is limited, It is difficult to do. Unlike the cation exchange materials, which can easily produce ion-exchange materials through the synthesis of monomers having an ion-exchange group by polymer synthesis reaction between them, the synthesis process of introducing an ion-exchange group after synthesizing the main chain is required, It restricts the synthesis route of the exchange material and increases the degree of difficulty. In addition, the anion-exchange material has a long and complicated reaction route due to introduction of an ion-exchange group through amination reaction through chloromethylation reaction or bromination reaction, compared with a cationic material in which an ion-exchange group is directly introduced into a main chain and a monomer through a sulfonation reaction . Especially, the chloromethylation reaction through the friedel-crafts acylation reaction is very sensitive to the temperature and reaction time conditions due to the crosslinking reaction due to the side reaction. Even though the structure of the main chain is the same, the process of introducing the ion exchange material of the cation exchange material and the anion exchange material is completely different. In the case of the anion exchange material, various conditions such as the temperature and the reaction time must be considered. .

제막의 측면에서도 양이온교환소재의 경우 비교적 낮은 이온교환기간의 상호작용으로 고분자 파우더로의 보관이 가능하고 이를 다시 고분자 용액으로 제조하는 것이 용이하다. 그러나 음이온교환소재의 경우 높은 이온교환기간의 상호작용으로 인해서 이온교환 후에는 용액화 공정 시 쉽게 겔화가 진행되어 제막 자체가 불가능하게 된다.On the side of the membrane, the cation exchange material can be stored in the polymer powder due to the relatively low ion exchange period interaction, and it is easy to prepare the polymer solution again. However, in the case of anion exchange material, due to the interaction of the high ion exchange period, the gelation proceeds easily in the solution process after the ion exchange, and the film formation itself becomes impossible.

본 발명에서는 양이온교환소재와 달리 클로로메틸화 고분자의 비균질 이온교환법을 통해 성막 후 이온교환기를 도입하는 방법으로 음이온교환소재를 제조하였다. 본 발명에서는 저가의 탄화수소계를 기본으로 하는 음이온교환소재, 즉 음이온 이온전도체를 제공한다. 본 발명에 따른 음이온 이온전도체의 경우 Cl- 짝이온을 갖는 경우에도 경쟁 소재에 비해 매우 우수한 이온전도도를 보여 다양한 응용분야에 적용이 가능한 것을 발견하였다. 또한, 본 발명에 따른 음이온 이온전도체는 음이온만 선택적으로 이동시키기 때문에 특히 양이온 활물질을 사용하는 산화흐름전지(RFB)에서는 근본적으로 활물질의 crossover를 막을 수 있고, 연료전지에 적용 시에도 음이온의 이동 방향이 연료의 이동 방향과 반대방향이어서 연료의 crossover를 막을 수 있다. 뿐만 아니라 음이온교환막을 적용한 연료전지의 경우 고가의 백금 이외에 저가의 금속촉매를 사용할 수 있다는 장점이 있어 전체 시스템 가격의 저하에도 크게 기여할 수 있다.In the present invention, unlike the cation exchange material, anion exchange material was prepared by introducing the ion exchanger after the film formation through the heterogeneous ion exchange of the chloromethylated polymer. The present invention provides an anion exchange material based on a low-cost hydrocarbon-based material, that is, an anion ion conductor. The anion ion conductor according to the present invention exhibits a very excellent ion conductivity as compared with the competitive material even in the case of having a Cl - counter ion, so that it can be applied to various applications. In addition, since the anion ion conductor according to the present invention selectively moves only anions, crossover of the active material can be basically prevented in an oxidation flow cell (RFB) using a cationic active material, and even when applied to a fuel cell, This is the direction opposite to the direction of the movement of the fuel, thereby preventing the crossover of the fuel. In addition, a fuel cell employing an anion exchange membrane can advantageously use a low-cost metal catalyst in addition to expensive platinum, thereby contributing to a reduction in the overall system price.

구체적인 양태로서, 본 발명에서는 도 1과 같이 친수성 블록과 소수성 블록으로 구성된 블록공중합체로서, 특히 친수성 블록에 물리적/화학적 안정성이 우수한 폴리페닐렌계 주쇄구조를 도입하여 음이온 교환막의 가장 큰 단점인 내구성을 향상시킨 것을 특징으로 한다. 보다 자세하게는, 본 발명에 따른 음이온 이온전도체는 다중페닐(multiphenyl) 펜던트의 구조를 가지며, 탄소-탄소 결합으로 구성되어 보다 강직한 구조로 이루어지고, 그 말단이 음이온 교환성 작용기, 양쪽성 이온 교환성 작용기 또는 이의 조합으로 치환되어 음이온을 선택적으로 이동시키는 교환기가 조밀하고 국부적(densely and locally)으로 배치된 구조의 친수성 블록과, 에테르 결합(-O-), 설파이드 결합(-S-), 아민 결합 등의 유연한 결합 구조를 포함하는 폴리아릴렌계 소수성 블록으로 이루어진 블록공중합체를 사용하여 우수한 치수 안정성 및 화학적 안정성을 가지는 것은 물론 기존의 상용 음이온 교환막에 비해 더욱 뛰어난 음이온 전도도를 갖고 특히 쿨롱 효율(columbic efficiency)이 우수한 것을 특징으로 한다.As a specific embodiment, in the present invention, as shown in Fig. 1, a block copolymer composed of a hydrophilic block and a hydrophobic block, particularly a polyphenylene-based backbone structure having excellent physical / chemical stability, is introduced into a hydrophilic block to provide the durability . More specifically, the anionic ion conductor according to the present invention has a multiphenyl pendant structure, is composed of a carbon-carbon bond and has a more rigid structure, and its terminal is an anion exchange functional group, amphoteric ion exchange (-O-), a sulfide bond (-S-), an amine (-S-), an amine bond (-S-), an amine bond And a polyarylene-based hydrophobic block containing a flexible bonding structure such as a polyether-ether bond, a polyetherketone, and a polyether-ether bond, and has excellent dimensional stability and chemical stability, and has an anion conductivity higher than that of a conventional commercial anion- efficiency is excellent.

다시 말해, 본 발명에 따른 음이온 이온전도체는 전술한 바와 같이 주쇄를 이루는 친수성 도메인이 에테르 결합을 배제한 탄소-탄소 결합으로 구성되어 치수 안정성이 우수하고, 음이온 교환 가능한 작용기로 치환된 페닐 고리의 이웃한 site에 전술한 에테르 결합(-O-), 설파이드 결합(-S-) 및/또는 아민 결합을 포함하고 있지 않기 때문에 다양한 라디칼에 대한 화학적 안정성이 우수하다. 이러한 친수성 블록을 일부분으로 포함하는 블록 공중합체를 사용하면, 높은 이온전도도를 나타내면서 동시에 화학적 안정성이 우수한 전지용 전해질막을 제공할 수 있다. 또한, 상기 친수성 블록은 음이온을 선택적으로 이동시키는 교환기가 조밀하고 국부적으로 배치된 구조를 형성하도록 설계되어 친수성 도메인과 소수성 도메인의 효과적인 상분리를 유발할 수 있다. 한편, 소수성 블록은 에테르 결합(-O-), 설파이드 결합(-S-) 및/또는 아민 결합을 포함하는 폴리아릴렌계열을 골격으로 포함함으로써 고분자에 유연성을 부여할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 음이온 이온전도체는 뛰어난 음이온 전도도를 갖고 우수한 쿨롱 효율을 나타내어 음이온 전도체로서 적용할 경우 소자의 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있음을 발견하였다. 본 발명은 이에 기초한다.In other words, the anion ion conductor according to the present invention is characterized in that the hydrophilic domain constituting the main chain is composed of a carbon-carbon bond excluding an ether bond and is excellent in dimensional stability, and the neighboring phenyl ring substituted with an anion- (-O-), sulfide bond (-S-), and / or amine bond described above, the chemical stability against various radicals is excellent. When a block copolymer containing such a hydrophilic block as a part is used, it is possible to provide an electrolyte membrane for a battery which exhibits high ionic conductivity and at the same time has excellent chemical stability. In addition, the hydrophilic block may be designed to form a dense and locally arranged structure of the exchanger that selectively transfers the anion, thereby causing effective phase separation of the hydrophilic domain and the hydrophobic domain. On the other hand, the hydrophobic block can impart flexibility to a polymer by including a polyarylene series as a skeleton containing an ether bond (-O-), a sulfide bond (-S-) and / or an amine bond. In particular, the anion ion conductor according to the present invention has excellent anionic conductivity and exhibits excellent coulombic efficiency, and thus has an advantage that the performance of the device can be improved when applied as an anionic conductor. The present invention is based on this.

본 발명에 따르면, 친수성 블록(hydrophilic block)은 페닐렌(phenylene) 반복단위를 골격(backbone)으로 하는 다중페닐 펜던트의 구조를 가지고 그 측쇄에는 적어도 하나의 음이온 교환성 작용기 및/또는 양쪽성 이온 교환성 작용기로 치환된 하나 이상의 아릴기(aryl)를 갖는 단량체로 구성된 중합체일 수 있다.According to the present invention, a hydrophilic block has a structure of a polyphenyl pendant having a phenylene repeating unit as a backbone, and has at least one anion-exchange functional group and / or amphoteric ion exchange May be a polymer composed of a monomer having at least one aryl group substituted with a functional group.

본 발명에 따르면, "다중페닐 펜던트(multiphenyl pendant)"는 복수개의 페닐그룹을 포함하는 치환기일 수 있다. 예컨대, 하나의 페닐고리에 하나 이상의 치환 또는 비치환 페닐, 나프탈렌 또는 헤테로 원자를 포함하는 페닐고리가 추가로 치환된 벌키한 치환기일 수 있다.According to the present invention, "multiphenyl pendant" may be a substituent comprising a plurality of phenyl groups. For example, a phenyl ring containing one or more substituted or unsubstituted phenyl, naphthalene or heteroatom in one phenyl ring may be a further substituted bulky substituent.

상기 친수성 블록은 도입된 음이온 교환성 작용기 및/또는 양쪽성 이온 교환성 작용기를 통해 음이온 전도성이 부여될 수 있다.The hydrophilic block can be imparted with anionic conductivity through an introduced anion-exchangeable functional group and / or an amphoteric ion-exchangeable functional group.

상기 음이온 교환성 작용기는 -NH3T, -NR'H2T, -NR'2HT, -NR'3T, -PR'3T 또는 -SR'2T 또는 -C5H5NHT이고(R'는 알킬 또는 아릴이고, T는 히드록사이드 음이온, 비카보네이트 음이온, 클로라이드 음이온 또는 설페이트 음이온임), 양쪽성 이온 교환성 작용기는 베타인 또는 술포베타인일 수 있다. 더 자세하게는 상기 음이온 교환성 작용기는 아민기, 암모늄기, 아미노기, 이민기, 술포늄기, 포스포늄기, 피리딜기, 카바졸릴기 및 이미다졸릴기에서 선택되는 음이온 교환성 작용기 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환성 작용기일 수 있다. 음이온 교환성 작용기의 구체적인 예로는 트리메틸아민, 트리에틸아민, 디메틸아민, 디에탄올아민, 크리헥실아민, 다이헥실메틸아민, 헥실다이메틸아민, 아미노알킬포스폰화 화합물, 이미노디아세테이트 혹은 N-메틸글루카민 등이 있고 상기 이온 교환 작용기 중 하나 혹은 그 이상을 선택할 수 있다. 음이온 교환성 작용기의 선택은 또한 용도에 따라 달라지며 상기 예시 이외에도 음이온을 교환할 수 있는 작용기라면 이에 한정되지 않는다.The anion-exchange functional group is -NH 3 T, -NR'H 2 T, -NR '2 HT, -NR' 3 T, -PR '3 T or -SR' 2 T, or -C 5 H 5 NHT and ( R 'is alkyl or aryl and T is a hydroxide anion, a bicarbonate anion, a chloride anion or a sulfate anion), the amphoteric ion-exchange functional group may be betaine or sulphobetaine. More specifically, the anion exchangeable functional group may be an anion exchange functional group selected from an amine group, an ammonium group, an amino group, an imine group, a sulfonium group, a phosphonium group, a pyridyl group, a carbazolyl group and an imidazolyl group, Exchangeable functional group. Specific examples of anion-exchangeable functional groups include, but are not limited to, trimethylamine, triethylamine, dimethylamine, diethanolamine, creehexylamine, dihexylmethylamine, hexyldimethylamine, aminoalkylphosphonized compounds, iminodiacetate or N- Carmine, and the like, and one or more of the above ion exchange functional groups can be selected. The selection of the anion exchangeable functional group also depends on the application and is not limited to the above examples as long as it is a functional group capable of exchanging anions.

한편, 상기 음이온 교환성 작용기 및/또는 양쪽성 이온 교환성 작용기는 친수성이므로, 고분자 내에서 이들 친수성 블록의 비율이 높으면 이로부터 제조되는 전해질막의 내수성이 악화되고 물 함량 증가에 따른 팽윤에 의해 전해질막의 기계적 강도, 집적도 저하 등에 의하여 연료전지 등의 소자 구동시 요구되는 전해질막의 물성을 충족시키기 힘들 수 있다. 본 발명의 고분자는 소수성 블록(hydrophobic block)을 포함함으로 기계적 강도를 제공할 수 있다.On the other hand, since the anion-exchangeable functional groups and / or amphoteric ion-exchangeable functional groups are hydrophilic, if the proportion of these hydrophilic blocks in the polymer is high, the water resistance of the electrolyte membrane produced therefrom deteriorates and the swelling of the electrolyte membrane It may be difficult to satisfy the physical properties of the electrolyte membrane required for driving a device such as a fuel cell due to mechanical strength and lowered degree of integration. The polymer of the present invention can provide a mechanical strength by including a hydrophobic block.

일 구체예로서, 상기 음이온 전도성 고분자에서 E가 -O-이고; p가 1 내지 50의 정수일 수 있다. 즉, 소수성 블록 내에 에테르 결합이 포함되어 있고, 소수성 블록 내 (-Ar'-E-Ar"-E-) 단위가 1 내지 50개 결합된 형태일 수 있다. 이는 상기 범위 내에서 음이온 이온전도체의 물리적 특성을 최적화할 수 있기 때문이다.In one embodiment, E is -O- in the anion-conducting polymer; and p may be an integer of 1 to 50. That is, the hydrophobic block may contain an ether bond, and the hydrophobic block (-Ar'-E-Ar "-E-) may have 1 to 50 bonded units. This is because the physical properties can be optimized.

본 발명에서, "알킬기(alkyl)"은 1 내지 20개의 탄소원자의 포화(saturated) 직쇄(linear) 또는 분지(branched) 구조, 또는 3 내지 20개 탄소원자로 구성되는 포화 고리형 구조이다. 예를 들어, 메틸, 에틸, n-프로필, i-프로필(이소프로필), n-부틸, i-부틸, t-부틸, n-도데실(dodecyl), 시클로 프로필 또는 시클로 헥실기 등이 이에 해당한다. 또한 고리형 구조에 있어서 산소, 황 및/또는 질소로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 헤테로 원자를 포함할 수 있다.In the present invention, "alkyl" is a saturated linear or branched structure of from 1 to 20 carbon atoms, or a saturated cyclic structure consisting of from 3 to 20 carbon atoms. For example, methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl (isopropyl), n-butyl, i-butyl, t-butyl, n-dodecyl, cyclopropyl or cyclohexyl groups do. And may contain one or more heteroatoms selected from oxygen, sulfur and / or nitrogen in the cyclic structure.

본 발명에서, "아릴기(aryl)"는 방향족 고리화합물로부터 유도된 작용기 또는 치환기를 의미한다. 상기 고리화합물은 탄소원자만으로 구성될 수도 있고, 산소, 황 및/또는 질소로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 헤테로 원자를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 탄소만으로 구성된 아릴기로는 페닐(phenyl), 나프틸(naphthyl), 안트라세닐(anthracenyl) 등이 있으며, 헤테로 원자를 포함하는 아릴기로는 티에닐(thienyl), 인돌일(indolyl), 피리디닐(pyridinyl) 등이 있다. 상기 헤테로 원자를 포함하는 아릴은 헤테로 아릴이라고도 하나 본 발명에서는 아릴이 이를 포함한다.In the present invention, "aryl" means a functional group or substituent derived from an aromatic ring compound. The cyclic compound may be composed of only carbon atoms and may include one or more hetero atoms selected from oxygen, sulfur and / or nitrogen. For example, the carbon-only aryl group includes phenyl, naphthyl, anthracenyl and the like. Examples of the aryl group containing a hetero atom include thienyl, indolyl, Pyridinyl, and the like. The heteroatom-containing aryl may be heteroaryl, but in the present invention, it is aryl.

본 발명에서, "퍼플루오로알킬기(perfluoroalkyl)", "퍼플루오로아릴기(perfluoroaryl)", "-O-퍼플루오로아릴기(-O-perfluoroaryl)", 및 퍼플루오로알킬아릴기(perfluoroalkylaryl)"는 각각 이의 수소원자가 모두 플루오린원자(F)로 치환된 알킬, 아릴 및 -O-아릴을 의미한다.In the present invention, the term "perfluoroalkyl group", "perfluoroaryl group", "-O-perfluoroaryl group", and perfluoroalkylaryl group ( perfluoroalkylaryl "means alkyl, aryl and -O-aryl in which all of the hydrogen atoms thereof are substituted by fluorine atoms (F).

본 발명에서, "할로겐원자(halogen)"은 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 및 요오드(I)로부터 선택되는 원자이다.In the present invention, "halogen" is an atom selected from fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br) and iodine (I).

본 발명의 음이온 이온전도체를 형성하는 음이온 전도성 고분자, 즉 화학식 1로 표시되는 블록공중합체에서 친수성 블록을 형성하는 단량체의 총 갯수(l) : 소수성 블록을 형성하는 단량체의 총 갯수(n) = 0.1:1 내지 100:1인 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 몰비가 0.1:1 미만인 경우에는 이온 전도도가 거의 없으며, 100:1 이상인 경우 고분자가 물에 녹아 실제 분리막으로서 작용할 수 없게 된다. 보다 바람직하게는 0.1:1 내지 50:1, 보다 바람직하게는 0.1:1 내지 30:1의 비율로 제조할 수 있다.(1): the total number of monomers forming the hydrophobic block (n) = 0.1 (1), the number of the monomers forming the hydrophobic block : 1 to 100: 1. For example, when the molar ratio is less than 0.1: 1, ionic conductivity is almost zero. When the molar ratio is 100: 1 or more, the polymer is dissolved in water and can not act as an actual separator. More preferably 0.1: 1 to 50: 1, and even more preferably 0.1: 1 to 30: 1.

바람직하게 상기 본 발명에 따른 음이온 전도성 고분자는 10,000 내지 1,000,000의 Mn(수평균 분자량; number-average molecular weight) 또는 10,000 내지 10,000,000의 Mw(중량평균 분자량; weight-average molecular weight)의 분자량을 갖는 것일 수 있다. 분자량이 낮은 경우 예컨대, 10,000 이하인 경우, 필름 형성이 어려우며, 수분 함유량이 증대되고 라디칼의 공격에 쉽게 분해되어 전도도 및 내구성이 감소할 수 있다. 반면, 분자량이 높은 경우 예컨대, 1,000,000 이상인 경우, 급격히 증대된 점도로 인해 고분자 용액의 제조 및 필름으로의 성형이 어려워져 막 제조 공정이 불가능해질 수 있다.Preferably, the anion-conducting polymer according to the present invention may have a number-average molecular weight (Mw) of 10,000 to 1,000,000 or a molecular weight of Mw (weight-average molecular weight) of 10,000 to 10,000,000. have. When the molecular weight is low, for example, when it is 10,000 or less, film formation is difficult, the moisture content is increased, and it is easily decomposed by the attack of radical, so that conductivity and durability may be decreased. On the other hand, in the case where the molecular weight is high, for example, 1,000,000 or more, the rapidly increasing viscosity may make the preparation of the polymer solution and molding into a film difficult, making the film production process impossible.

중량평균 분자량과 점도평균 분자량은 서로 비슷한 값을 나타내므로, 본 발명의 구체적인 실시예에서는 고분자의 고유점도를 측정하여 분자량을 예측하였다. GPC(gel permeation chromatography)를 이용하면 분자량을 측정할 수 있으나, 본 발명의 고분자와 같이 음이온 교환성 작용기 및/또는 양쪽성 이온 교환성 작용기가 치환된 경우 이들 작용기 사이의 상호작용에 의해 데이터를 신뢰하기 어려우므로 점도를 측정하여 분자량을 예측하였다.Since the weight average molecular weight and the viscosity average molecular weight are similar to each other, the intrinsic viscosity of the polymer is measured to predict the molecular weight in the specific examples of the present invention. The molecular weight can be measured by gel permeation chromatography (GPC). However, when anion-exchangeable functional groups and / or amphoteric ion-exchange functional groups are substituted like the polymer of the present invention, The viscosity was measured and the molecular weight was predicted.

본 발명에 따른 음이온 이온전도체는 음이온 전도성 고분자를 포함하는 수지 조성물로 형성된 성형체일 수 있다. 상기 성형체는 전해질막일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 전해질막은 산화흐름전지용 전해질막, 연료전지용 전해질막, 수전해용 전해질막, 전기투석용 전해질막 또는 역전기투석용 전해질막일 수 있다. 상기 연료전지용 전해질막은 고체알칼라인연료전지(solid alkaline fuel cell) 또는 직접붕소수소화물연료전지(direct borohydride fuel cell)에 적용되는 것일 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 음이온 이온전도체는 본 발명에 따른 음이온 전도성 고분자가 바인더로서 포함된 연료전지용 전극일 수 있다.The anion ion conductor according to the present invention may be a molded body formed from a resin composition containing an anionic conductive polymer. The molded body may be an electrolyte membrane, but is not limited thereto. Specifically, the electrolyte membrane may be an electrolyte membrane for an oxidative flow cell, an electrolyte membrane for a fuel cell, an electrolyte membrane for an electrolytic solution, an electrolyte membrane for electrodialysis, or an electrolyte membrane for a reverse electrodialysis. The electrolyte membrane for a fuel cell may be applied to a solid alkaline fuel cell or a direct borohydride fuel cell. Meanwhile, the anion ion conductor according to the present invention may be an electrode for a fuel cell including the anion conductive polymer according to the present invention as a binder.

본 발명의 용어 "전해질 막"은 음이온 교환 막(anion exchange membrane)이라고 하는 반투과성 막(semipermeable membrane)이다. 음이온 만을 선택적으로 이동 및/또는 전달하며 산소 또는 수소 등의 기체에 대해서는 불투과성이다. 주로 음이온 교환막 연료 전지(anion exchange membrane fuel cell) 또는 음이온 교환막 전해조(anion exchange membrane electrolyzer)의 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly; MEA)로 도입되어 반응물의 분리 및 음이온의 이동 및/또는 전달에 주요한 기능을 한다. 구체적으로 연료 전지에서 막-전극 접합체로 사용되었을 때, 상기 고분자 막은 음이온을 투과시키지만 양성자는 전달하지 않는다.The term "electrolyte membrane" of the present invention is a semipermeable membrane called anion exchange membrane. It selectively transports and / or transfers only anions and is impermeable to gases such as oxygen or hydrogen. Is introduced into a membrane-electrode assembly (MEA) of an anion exchange membrane fuel cell or an anion exchange membrane electrolyzer to separate the reactants and to transfer and / or transfer anions It does the main function. Specifically, when used as a membrane-electrode assembly in a fuel cell, the polymer membrane transmits anions but not proton.

이러한 전해질 막이 우선적으로 갖추어야할 특성은 이온 전도도, 연료에 대한 비침투성 및 열적 안정성이다. These electrolyte membranes should have preferential properties such as ionic conductivity, impermeability to fuel and thermal stability.

따라서, 상기 전해질 막이 연료 전지에 사용되기 위해서 높은 이온 전도도를 나타내야 함은 물론이고, 100℃ 이상의 고온에서도 구동 가능하고 고온-압착에 의한 막-전극 접합체 제조시에도 성능이 변화되지 않도록 높은 열안정성을 가져야 하며, 강산 등의 극한의 조건에서도 분해되지 않도록 높은 화학적 안정성을 가지는 동시에 음이온은 전달시키되 원료물질이 침투하지 못하도록 하는 연료에 대한 우수한 장벽성능을 나타내야 한다.Therefore, the electrolyte membrane must exhibit a high ionic conductivity to be used in a fuel cell, and it can be operated at a high temperature of 100 ° C or more. Also, when the membrane-electrode assembly is manufactured by high- And should exhibit an excellent barrier property against a fuel which has a high chemical stability so that it is not decomposed even under extreme conditions such as strong acids and at the same time anion is transferred but the raw material is prevented from penetrating.

본 발명의 용어 "레독스 플로우 전지(redox flow battery)"는 전기활성종을 포함하는 전해질(electrolyte)이, 가역적으로 화학적 에너지를 직접 전기로 전환하는 전기화학적 전지(electrochemical cell)를 통해 흐르는, 재충전 가능한 연료전지(rechargeable fuel cell)인 플로우 전지의 일종으로, 모든 전기활성 성분이 전해질에 용해되어 있는 가역적인 연료전지이다. 중력 공급 시스템(gravity feed system)이 사용되기도 하나, 주로 추가적인 전해질은 외부에, 일반적으로 별도의 탱크에, 저장되며 반응기의 전지를 통해 펌프된다. 플로우 전지는 전해질액을 교체(내연기관의 연료 탱크를 보충하는 것과 유사한 방식으로)하는 동시에 재활성화(re-energization)를 위해 소모된 물질을 회복함으로써 빠르게 재충전될 수 있다. 이러한 레독스 플로우 전지에 있어서, 전지의 에너지는 전해질 부피 예컨대, 탱크 크기에 의해, 전력은 전극면적 예컨대, 반응기 크기에 의해 결정되므로 다른 연료전지와 마찬가지로 에너지가 전력으로부터 완전히 분리(decoupled) 된다.The term "redox flow battery" of the present invention means that an electrolyte containing an electroactive species flows through an electrochemical cell, which reversibly converts chemical energy into electricity, A rechargeable fuel cell, which is a type of flow cell, is a reversible fuel cell in which all electro-active components are dissolved in an electrolyte. Gravity feed systems are used, but mainly the additional electrolyte is stored externally, typically in a separate tank, and is pumped through the cells of the reactor. Flow cells can be quickly recharged by replacing the electrolyte solution (in a manner similar to replenishing the fuel tank of an internal combustion engine) while at the same time recovering the spent material for re-energization. In such a redox flow battery, the energy of the cell is determined by the electrolyte volume, e.g., the tank size, and the power is determined by the electrode area, e.g., the reactor size, so that the energy is decoupled completely from the power as with other fuel cells.

도 2에 도시된 바와 같이, 이러한 레독스 플로우 전지는 다른 전지와는 달리 전기활성종이 고체가 아닌 수용액 상태의 이온으로 존재하며, 양극(21) 및 음극(22)에서 각각의 이온들의 산화/환원 반응에 의해 에너지를 저장하는 메커니즘을 갖는다. 전술한 반응을 일으키기 위한 양극 전해질 및 음극 전해질은 별도의 보관탱크(미도시)에 각각 보관되어 셀하우징(51)에 형성된 전해질 유입구(31 및 41)를 통해 각각 셀하우징(51) 내부로 유입되어 양극(21) 및 음극(22)과 접촉하여 반응을 일으킨 후, 각각의 전해질 유출구(32 및 42)를 통해 외부로 유출되는 순환시스템을 갖는다. 상기 전지는 전기부하를 포함하는 외부 회로에 전기적 부하를 연결하여 전류를 흐르게 함으로써 방전되며, 반대로 전지에 외부 전원을 연결하여 전류를 유입되게 함으로써 충전이 진행된다. 일반적으로 양극 전해질 용액(catholyte)은 레독스 커플이 두 가지 전자가 상태 중 높은 쪽으로 산화될 때 충전되며, 낮은 쪽으로 환원될 때 방전된다. 음극 전해질 용액에서는 반대 현상이 나타난다.As shown in FIG. 2, the redox flow battery is different from other batteries in that an electroactive species exists in the form of an aqueous solution that is not a solid, and the redox flow cells are oxidized / reduced It has a mechanism to store energy by reaction. The positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte for causing the above-described reaction are stored in separate storage tanks (not shown), respectively, and are introduced into the cell housing 51 through the electrolyte inflow ports 31 and 41 formed in the cell housing 51 And has a circulation system that contacts the anode 21 and the cathode 22 to cause a reaction and then flows out through the respective electrolyte outlets 32 and 42. The battery is discharged by connecting an electric load to an external circuit including an electric load to allow a current to flow, and conversely, an external power source is connected to the battery to allow the electric current to flow. In general, a cathodic electrolyte is charged when the redox couple is oxidized to the higher of the two states, and is discharged when the redox is reduced to the lower state. In the negative electrode electrolyte solution, the opposite phenomenon appears.

상기한 바와 같이 대부분의 레독스 플로우 전지는 두 개의 분리된 전해질로 구성된다. 하나는 음성 전극반응에서 전기활성 물질을 저장하며 다른 하나는 양성 전극반응에 사용된다. 이때 혼란을 방지하기 위하여 방전시 음성전극을 애노드로 양성전극을 캐소드로 정의한다. 충전시에는 역으로 적용될 것이다. 신선한 또는 사용된 전해질은 순환하고 단일 저장 탱크에 저장될 수 있다. 또는 전기활성 물질의 농도를 개별적으로 조절할 수 있다. 화학적 단전을 야기할 수 있는 전기활성종의 혼합을 방지하기 위하여 이온교환막을 격리막(분리막)으로 사용한다.As described above, most redox flow cells are composed of two separate electrolytes. One stores the electroactive material in the negative electrode reaction and the other stores the positive electrode reaction. At this time, the negative electrode is defined as the anode and the positive electrode is defined as the cathode in discharging to prevent confusion. The charge will be reversed. Fresh or used electrolytes can be circulated and stored in a single storage tank. Or the concentration of the electroactive material can be individually adjusted. An ion exchange membrane is used as a separation membrane (separation membrane) in order to prevent mixing of electroactive species which may cause chemical breakdown.

본 발명의 용어 "격리막"은 상기 레독스 플로우 전지에서 전기활성종의 혼합을 방지하기 위하여 도입하는 이온교환막을 지칭하는 것으로, 상기 격리막으로 분리된 양 전극에서 공통의 상대 이온 전달체(common counter ion carrier) 만이 상기 격리막을 통과한다. 실제 레독스 플로우 전지에서 전해질 반응은 양극과 음극에서 서로 상이하며 전해질액 흐름현상이 존재하므로 양극쪽과 음극쪽에서 압력차가 발생한다. 따라서, 상기 격리막은 이러한 압력차에 의해 파괴되지 않도록 우수한 물리적 강도를 갖는 것이 바람직하다.The term "separation membrane" of the present invention refers to an ion exchange membrane introduced to prevent mixing of electroactive species in the redox flow cell, and a common counter ion carrier ) Passes through the separation film. In an actual redox flow cell, the electrolyte reaction is different between the positive electrode and the negative electrode, and there is a flow of the electrolytic solution, so a pressure difference occurs between the positive electrode and the negative electrode. Therefore, it is preferable that the separation membrane has excellent physical strength so as not to be broken by such a pressure difference.

본 발명에 따른 음이온 이온전도체의 제조방법은, 전술한 바와 같이 하기 단계를 포함할 수 있다:The method for producing an anion ion conductor according to the present invention may comprise the following steps as described above:

하기 화학식 2로 표시되는 친수성 단량체를 준비하는 제1단계;A first step of preparing a hydrophilic monomer represented by the following formula (2);

하기 화학식 3으로 표시되는 소수성 단량체를 준비하는 제2단계;A second step of preparing a hydrophobic monomer represented by the following formula (3);

상기 친수성 단량체 및 소수성 단량체를 혼합하여 콜론 커플링 반응에 의해 블록공중합체를 형성하는 제3단계;A third step of mixing the hydrophilic monomer and the hydrophobic monomer to form a block copolymer by a colon coupling reaction;

상기 블록공중합체를 할로메틸화시키는 제4단계; A fourth step of halomethylating the block copolymer;

상기 할로메틸화 블록공중합체를 소정의 형태로 성형하는 제5단계; 및A fifth step of molding the halomethylated block copolymer into a predetermined shape; And

상기 성형된 할로메틸화 블록공중합체의 할로겐 작용기를 음이온 교환성 작용기, 양쪽성 이온 교환성 작용기 또는 이의 조합으로 일부 또는 전부 치환시키는 제6단계:A sixth step of partially or completely replacing the halogen functional group of the formed halomethylated block copolymer with an anion exchangeable functional group, an amphoteric ion-exchange functional group, or a combination thereof;

[화학식 2](2)

Figure 112015105947196-pat00008
Figure 112015105947196-pat00008

[화학식 3](3)

Figure 112015105947196-pat00009
Figure 112015105947196-pat00009

상기 식에서, In this formula,

A, B, W, a, b, D, Ar', Ar", E, R1 내지 R4, q, p, X 및 X'는 상기 제1양태에서 정의된 바와 같다.A, B, W, a, b, D, Ar ', Ar ", E, R 1 to R 4, q, p, X and X' are as defined in the first aspect.

상기 제1단계는, 친수성 블록을 형성하는 상기 화학식 2로 표시되는 친수성 단량체를 준비하는 단계이다.The first step is a step of preparing a hydrophilic monomer represented by the above formula (2) to form a hydrophilic block.

상기 본 발명에 따른 이온전도성 고분자의 제조방법은 친수성 블록 및 소수성 블록을 별도로 제조하지 않는데에 특징이 있다. 일반적인 블록 공중합체의 제조방법은 각각의 블록을 형성하는 고분자들을 별도로 제조한 후 이들을 반응시켜 블록 공중합체를 제조하는 과정을 수행한다. 그러나, 상기 제조방법에 따르면 친수성 블록 및 소수성 블록 부분은 별도의 제조 공정을 거치지 않고 친수성 블록을 형성하는 단량체를 직접 소수성 블록을 형성하는 올리고머(예컨대, p가 1 내지 10의 정수인 경우) 또는 중합체(예컨대, p가 11 내지 1000의 정수인 경우)와 반응시켜 친수성 블록과 소수성 블록을 포함하는 블록 공중합체를 제조할 수 있다. 예컨대, 친수성 단량체를 소수성 블록을 형성하는 올리고머와 반응시킨다 하더라도 유사한 물성을 갖는 친수성 단량체끼리 상호작용할 확률이 높으므로 우선적으로 반응하여 친수성 고분자를 형성하고, 이와 동시에 소수성 블록을 형성하는 올리고머끼리 우선적으로 반응하여 소수성 고분자를 형성한 후, 이들 친수성 고분자와 소수성 고분자가 결합하여 블록 공중합체를 형성할 수 있다. 따라서, 상기 제조방법은 친수성 블록 및 소수성 블록을 분리된 공정으로 제조하는 과정을 배제할 수 있으므로, 이에 따른 비용절감 및 수율 향상의 효과를 얻을 수 있다.The method for producing an ion conductive polymer according to the present invention is characterized in that a hydrophilic block and a hydrophobic block are not separately prepared. The general method of producing a block copolymer is such that a polymer forming each block is separately prepared and reacted to prepare a block copolymer. However, according to the above production method, the hydrophilic block and the hydrophobic block portion may be prepared by directly mixing the monomer forming the hydrophilic block with an oligomer (for example, when p is an integer of 1 to 10) or a polymer (For example, when p is an integer of 11 to 1000), a block copolymer containing a hydrophilic block and a hydrophobic block can be prepared. For example, even if a hydrophilic monomer is reacted with an oligomer forming a hydrophobic block, hydrophilic monomers having similar physical properties are highly likely to interact with each other, so that the hydrophilic polymer is preferentially reacted to form a hydrophilic polymer. At the same time, oligomers forming a hydrophobic block preferentially react To form a hydrophobic polymer, and then the hydrophilic polymer and the hydrophobic polymer bind to each other to form a block copolymer. Accordingly, the manufacturing method can eliminate the process of manufacturing the hydrophilic block and the hydrophobic block by the separate process, thereby reducing the cost and improving the yield.

상기 제1단계의 친수성 단량체는 합성하거나 상용화하여 판매되는 것을 구입하여 사용할 수 있다.The hydrophilic monomer of the first step may be synthesized or commercially available and purchased from the market.

상기 제2단계는, 소수성 블록을 형성하는 상기 화학식 3으로 표시되는 소수성 단량체를 준비하는 단계이다.The second step is a step of preparing the hydrophobic monomer represented by the above formula (3) to form a hydrophobic block.

상기 제2단계는 하기 화학식 4로 표시되는 화합물과 하기 화학식 5로 표시되는 화합물을 K2CO3 촉매 하에 반응시키는 제2-1단계를 포함할 수 있다:The second step may include a step 2-1 of reacting a compound represented by the following formula (4) with a compound represented by the following formula (5) under a K 2 CO 3 catalyst:

[화학식 4][Chemical Formula 4]

Figure 112015105947196-pat00010
Figure 112015105947196-pat00010

[화학식 5][Chemical Formula 5]

Figure 112015105947196-pat00011
Figure 112015105947196-pat00011

상기 식에서, In this formula,

R9 내지 R24, P 및 P'는 상기 제1양태에서 정의된 바와 같고, R 9 to R 24 , P and P 'are as defined in the first aspect,

K1 내지 K4는 각각 독립적으로 할로겐, 히드록시기, 티올기, 또는 비치환 또는 알킬기로 치환된 아민기이다.K 1 to K 4 each independently represent an amino group substituted with a halogen, a hydroxyl group, a thiol group, or an unsubstituted or alkyl group.

상기 제2단계는 상기 제2-1단계 이후에 상기 제2-1단계의 생성물과 하기 화학식 6으로 표시되는 화합물을 반응시키는 제2-2단계를 추가로 포함할 수 있다:The second step may further include a step 2-2 of reacting the product of the second stage-1 and the compound represented by the following formula (6) after the stage 2-1.

[화학식 6][Chemical Formula 6]

Figure 112015105947196-pat00012
Figure 112015105947196-pat00012

상기 식에서, In this formula,

R5 내지 R8, G 및 K는 상기 제1양태에서 정의된 바와 같고, R 5 to R 8 , G and K are the same as defined in the first aspect,

K5 내지 K6은 각각 독립적으로 할로겐, 히드록시기, 티올기, 또는 비치환 또는 알킬기로 치환된 아민기이다.K 5 to K 6 are each independently an halogen group, a hydroxyl group, a thiol group, or an amine group substituted with an unsubstituted or alkyl group.

상기 제2-1단계 및 제2-2단계의 반응은 반응물에 치환된 반응성이 높은 할로겐, 히드록시기, 티올기 또는 아민기 간의 친핵성 치환(nucleophilic substitution) 반응에 의해 수행될 수 있다. 생성되는 화합물 역시 말단에 반응성이 높은 할로겐, 히드록시기, 티올기 또는 아민기를 치환기로 가지므로 온화한 반응조건 및 시간을 조절하여 지나치게 중합되지 않도록 조절할 필요가 있다.The reaction of steps 2-1 and 2-2 may be carried out by a nucleophilic substitution reaction between a highly reactive halogen, a hydroxyl group, a thiol group, or an amine group substituted in the reactant. Since the resulting compound also has a halogen, a hydroxyl group, a thiol group or an amine group having high reactivity at the terminal thereof, it is necessary to control the mild reaction conditions and time so as not to excessively polymerize.

상기 제2단계(제2-1단계 및 제2-2단계)에서 용매로는 디메틸아세트아미드, 톨루엔 또는 이의 혼합용매를 사용할 수 있으며, 반응은 100 내지 160℃에서 2 내지 24시간 동안 수행할 수 있고, 바람직하기로 비활성 기체 분위기 하에서 수행할 수 있다.In the second step (Steps 2-1 and 2-2), dimethylacetamide, toluene or a mixed solvent thereof may be used. The reaction may be carried out at 100 to 160 ° C for 2 to 24 hours And preferably in an inert gas atmosphere.

상기 제1단계 내지 제2단계는 각 단계의 생성물을 이용하여 수행되는 것이 아니라 별도의 반응물로부터 각각의 생성물을 생산하는 과정이므로 순서에 상관없이 각각 별도로 수행될 수 있다. 또한 추가적으로 침전, 여과 및/또는 세척과정을 수행할 수 있다.The first to second steps are not performed using the products of the respective steps but are performed separately from each other in order to produce the respective products from separate reactants. In addition, precipitation, filtration and / or washing procedures can be performed.

상기 제3단계는, 상기 제1단계에서 준비한 친수성 단량체 및 상기 제2단계에서 준비한 소수성 단량체를 혼합하여 콜론 커플링 반응에 의해 블록공중합체를 형성하는 단계이다.In the third step, the hydrophilic monomer prepared in the first step and the hydrophobic monomer prepared in the second step are mixed to form a block copolymer by a colon coupling reaction.

본 발명에서, "단량체(monomer)"는 다른 분자와 화학적으로 결합하여 고분자를 형성할 수 있는 분자를 의미할 수 있다. 상기 친수성 단량체는 단일 분자 형태일 수 있으며, 상기 소수성 단량체는 미리 합성되거나 입수된 트라이머(trimer)와 같은 올리고머(예컨대, p가 1 내지 10의 정수인 경우) 또는 중합체(예컨대, p가 11 내지 1000의 정수인 경우) 형태 또는 중합체 형태일 수 있다.In the present invention, "monomer" may mean a molecule capable of forming a polymer by chemically bonding with another molecule. The hydrophilic monomer may be in the form of a single molecule, and the hydrophobic monomer may be an oligomer such as a trimer previously synthesized or obtained (for example, when p is an integer of 1 to 10) or a polymer (for example, p is 11 to 1000 Lt; / RTI > may be in the form or polymer form.

상기 제3단계의 콜론 커플링 반응은 양말단에 하나 이상의 할로겐 원소를 반응기로 갖는 제1단계 내지 제2단계에서 준비한 단량체를 환원되는 금속과 촉매하에 반응시켜 탄소-탄소 결합을 형성함으로써 폴리페닐렌 중합체를 제조하는 단계이다. 상기 환원되는 금속으로는 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 또는 칼슘(Ca)을 사용할 수 있으며, 촉매로는 2,2'-바이피리딘(2,2'-bipyridine) 또는 트리페닐포스핀(PPh3, triphenylphosphine; TPP)을 NiBr2, NiCl2, Br2, (acac)2·H2O, (OOCCH3)·4H2O, I2·6H2O 또는 이외의 할라이드 염(F<Cl<Br<I)와 함께 사용할 수 있다. 바람직하게는 DMAc(dimethylacetamide)를 용매로 하여 60 내지 100℃에서 NiBr2, 트리페닐포스핀(triphenylphosphine) 및 아연과 6 내지 10시간 동안 교반하면서 반응시켜 수행될 수 있다. 또한, 블록 공중합체 형성 후 아연을 제거하는 단계, 세척하는 단계 또는 건조시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.The colon coupling reaction in the third step may be carried out by reacting the monomer prepared in the first or second step having at least one halogen element as a reactor at both ends thereof with a metal to be reduced with a catalyst to form a carbon- Thereby producing a polymer. As the metal to be reduced, zinc (Zn), magnesium (Mg), manganese (Mn), aluminum (Al) or calcium (Ca) may be used. As the catalyst, 2,2'- -bipyridine) or triphenylphosphine (PPh 3, triphenylphosphine; TPP) of NiBr 2, NiCl 2, Br 2 , (acac) 2 · H 2 O, (OOCCH 3) · 4H 2 O, I 2 · 6H 2 O Or with other halide salts (F <Cl <Br <I). Preferably dimethylacetamide (DMAc) as a solvent at 60 to 100 ° C while stirring with NiBr 2 , triphenylphosphine and zinc for 6 to 10 hours. Further, after the formation of the block copolymer, the step of removing zinc, the step of washing, or the step of drying may be further included.

상기 제4단계는, 상기 블록공중합체에 이후 제6단계에서 음이온 교환성 작용기 및/또는 양쪽성 이온 교환성 작용기로 치환시키기 위한 작용기로서 할로겐 작용기를 도입하기 위하여 상기 블록공중합체를 할로메틸화시키는 단계이다.The fourth step is a step of halomethylating the block copolymer to introduce the halogen functional group as a functional group for substituting the anion-exchange functional group and / or the amphoteric ion-exchange functional group in the sixth step in the block copolymer to be.

상기 제4단계는 상기 제3단계에서 얻어진 블록공중합체를 할로메틸메틸 에테르와 반응시켜 수행될 수 있다.The fourth step may be performed by reacting the block copolymer obtained in the third step with halomethyl methyl ether.

상기 제4단계의 할로메틸화 반응은 30 내지 60℃에서 12 내지 60시간 동안 수행할 수 있고, 바람직하기로 비활성 기체 분위기 하에서 수행할 수 있다.The halomethylation reaction in the fourth step may be performed at 30 to 60 ° C for 12 to 60 hours, preferably under an inert gas atmosphere.

상기 제4단계에서 용매는 고분자를 용해시킬 수 있으며, 고분자의 클로로메틸화 반응을 저해하지 않는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 구체적으로, 용매는 1,1,2,2-테트라클로로에탄(TCE), 1,2-디클로로에탄(DCE) 또는 이의 혼합용매를 사용할 수 있다.In the fourth step, the solvent may dissolve the polymer, and any solvent may be used as long as it does not inhibit the chloromethylation reaction of the polymer. Specifically, 1,1,2,2-tetrachloroethane (TCE), 1,2-dichloroethane (DCE), or a mixed solvent thereof may be used as the solvent.

상기 제5단계는, 상기 할로메틸화 블록공중합체를 원하는 형태로 성형하여 성형체를 얻는 단계이다.The fifth step is a step of molding the halomethylated block copolymer into a desired shape to obtain a molded article.

상기 제5단계의 성형은 전 단계의 고분자를 포함하는 수지 조성물을 압출, 방사, 압연 또는 캐스트 등의 임의의 방법을 사용하여 섬유 또는 필름 등의 형태로 성형함으로써 수행할 수 있다. 상기 수지 조성물은 필요에 따라 산화방지제, 열안정제, 윤활제, 점착부여제, 가소제, 가교제, 소포제, 분산제 등 각종 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.The molding of the fifth step may be carried out by molding the resin composition containing the polymer of the previous step into a fiber or film form by any method such as extrusion, spinning, rolling or casting. The resin composition may further contain various additives such as an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a cross-linking agent, a defoaming agent, and a dispersant, if necessary.

구체적으로, 전 단계의 고분자를 용매에 녹여 일정한 크기의 실리콘 주형에 부어 주고 60 내지 100℃, 바람직하게 70 내지 90℃에서 12 내지 36시간, 바람직하게 18 내지 30시간 동안 건조하여 막을 얻을 수 있다. Specifically, the polymer of the previous step is dissolved in a solvent, poured into a silicone mold having a predetermined size, and dried at 60 to 100 ° C, preferably 70 to 90 ° C for 12 to 36 hours, preferably 18 to 30 hours to obtain a film.

예를 들어, 전 단계의 고분자를 포함하는 수지 조성물을 성형하여 전해질막을 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자를 N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone; NMP), 디메틸포름아미드, 디메틸술폭사이드 또는 디메틸아세트아미드 등과 같은 용매에 용해시키고, 상기 용액을 유리판 등의 플레이트에 부어 부착된 고분자를 건조시켜 수 내지 수백 μm, 바람직하게 10 내지 120 μm, 보다 바람직하게 50 내지 100 μm 두께의 필름을 얻은 다음 플레이트로부터 탈착하여 제조할 수 있다. 상기 제시한 용매는 예시일 뿐 본 발명의 범위가 이에 제한되지 않으며, 고분자를 용해시키고 건조조건에서 증발될 수 있는 것이면 통상의 유기용매를 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 고분자 제조시 사용된 유기용매와 동일한 것을 사용할 수 있다.For example, a resin composition containing a polymer of the previous step may be molded to produce an electrolyte membrane. Specifically, the polymer is dissolved in a solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylsulfoxide or dimethylacetamide, the solution is poured into a plate such as a glass plate, To obtain a film having a thickness of several to several hundreds of μm, preferably 10 to 120 μm, more preferably 50 to 100 μm, and then desorbing from the plate. The above-mentioned solvent is only illustrative, and the scope of the present invention is not limited thereto. Conventional organic solvents may be used as long as they dissolve the polymer and can be evaporated under the drying condition. Specifically, the same organic solvent as that used in the preparation of the polymer may be used.

상기 제6단계는, 상기 성형된 할로메틸화 블록공중합체의 할로겐 작용기를 음이온 교환성 작용기, 양쪽성 이온 교환성 작용기 또는 이의 조합으로 일부 또는 전부 치환시킴으로써 음이온 이온전도체를 얻는 단계이다.The sixth step is a step of obtaining an anion ion conductor by partially or completely replacing the halogen functional group of the formed halomethylated block copolymer with an anion exchangeable functional group, an amphoteric ion exchangeable functional group, or a combination thereof.

상기 제6단계는 상기 성형된 할로메틸화 블록공중합체를, 음이온 교환성 작용기를 도입하기 위한 NH4T, NR'H3T, NR'2H2T, NR'3HT, PR'3HT 또는 SR'2HT 또는 C5H5NH2T(R'는 알킬 또는 아릴이고, T는 히드록사이드 음이온, 비카보네이트 음이온, 클로라이드 음이온 또는 설페이트 음이온임), 양쪽성 이온 교환성 작용기로서 베타인 또는 술포베타인, 또는 이들의 조합과 반응시킴으로써 수행될 수 있다.In the sixth step, the formed halomethylated block copolymer is reacted with NH 4 T, NR'H 3 T, NR ' 2 H 2 T, NR' 3 HT, PR ' 3 HT or SR ' 2 HT or C 5 H 5 NH 2 T wherein R' is alkyl or aryl and T is a hydroxide anion, a bicarbonate anion, a chloride anion or a sulfate anion, betaine as an amphoteric ion- Sulfobetaine, or a combination thereof.

상기 본 발명의 제조방법에 따르면 유기용매를 이용하여 비균질법을 통해 이온교환이 가능하며, 이는 이온교환도를 향상시킬 뿐 아니라 이온교환 후 다시 막을 제조하는 과정에 비해 제조 과정을 간소화 할 수 있다는 장점이 있다.According to the production method of the present invention, it is possible to perform ion exchange through an inhomogeneous method using an organic solvent, which not only improves the ion exchange degree but also simplifies the manufacturing process compared to the process of producing the membrane again after ion exchange .

본 발명에 따른 음이온 이온전도체는 과불소계 양이온교환막에 비해 저가로 생산이 가능하며 적용 분야에 따라 연료 및 활물질의 crossover를 획기적으로 감소시킬 수 있어 전체 시스템의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 연료전지에 전해질막으로 적용 시 값 비싼 백금 이외에 저렴한 금속촉매의 사용이 가능하므로 시스템 가격을 획기적으로 낮출 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 음이온 이온전도체는 우수한 쿨롱 효율(columbic efficiency)을 나타내어 음이온 전도체로서 적용할 경우 소자의 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있어 전해질막 또는 연료전지용 전극 등에 다양하게 적용될 수 있다.The anion ion conductor according to the present invention can be produced at a lower cost than the perfluorocompound cation exchange membrane and can significantly reduce the crossover of the fuel and the active material depending on the field of application so that the performance and lifetime of the entire system can be improved . In addition, when used as an electrolyte membrane in a fuel cell, it is possible to use an inexpensive metal catalyst in addition to expensive platinum, thereby significantly reducing the system cost. In particular, the anion ion conductor according to the present invention exhibits excellent Coulomb efficiency and can be applied to an electrolyte membrane or an electrode for a fuel cell, because it has an advantage of improving the performance of the device when it is applied as an anion conductor.

도 1은 친수성 블록과 소수성 블록으로 구성된 본 발명에 따른 블록공중합체를 도식화하여 나타낸 도이다.
도 2는 일반적인 산화흐름전지의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3은 친수성 단량체로서 2,5-디클로로-4'-페녹시벤조페논(DCPBP)의 1H-NMR이다.
도 4는 4-클로로-4'-플루오로벤조페논(CFBP)의 1H-NMR이다.
도 5는 트리머(BCPPF)의 1H-NMR이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 블록공중합체인 PPA-102의 1H-NMR이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 아민화된 블록공중합체인 AMPPA-102의 1H-NMR이다.
도 8은 상기 아민화된 블록공중합체로 이루어진 막의 모습을 보여준다.
도 9는 본 발명의 블록공중합체로 이루어진 막의 이온 전도도를 상용 막과 비교한 결과이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 블록공중합체로 이루어진 막의 산화흐름전지용 분리막으로서의 성능을 평가한 결과이다.
1 is a diagrammatic representation of a block copolymer according to the present invention comprising a hydrophilic block and a hydrophobic block.
2 is a schematic view showing a configuration of a general oxidation-flow cell.
3 is 1 H-NMR of 2,5-dichloro-4'-phenoxybenzophenone (DCPBP) as a hydrophilic monomer.
4 is 1 H-NMR of 4-chloro-4'-fluorobenzophenone (CFBP).
5 is 1 H-NMR of trimmer (BCPPF).
6 is 1 H-NMR of PPA-102 as a block copolymer according to an embodiment of the present invention.
7 is 1 H-NMR of AMPPA-102, which is an aminated block copolymer according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 shows the appearance of the membrane consisting of the aminated block copolymer.
9 shows the ion conductivity of a membrane made of the block copolymer of the present invention in comparison with a conventional membrane.
10 and 11 are the results of evaluating the performance of the membrane made of the block copolymer of the present invention as a separation membrane for an oxidation-flow battery.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시에에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예Example 1: 친수성 단량체로서 2,5- 1: As the hydrophilic monomer, 2,5- 디클로로Dichloro -4'--4'- 페녹시벤조페논(DCPBP)의Of phenoxybenzophenone (DCPBP) 합성 synthesis

Figure 112015105947196-pat00013
Figure 112015105947196-pat00013

250ml 플라스크 내부를 Ar 분위기로 충진해준 뒤, 디페닐 에테르(28.6 mmol)와 디클로로메탄을 넣어주었다. 아이스 배쓰를 설치하고 알루미늄 클로라이드(28.6 mmol)를 넣어주었다. 30분 뒤에 2,5-디클로로벤조일 클로라이드(23.9 mmol)를 천천히 적가해주었다. 4시간 뒤에 반응을 종결하고, HCl이 조금 들어가 있는 초순수에 부어주었다. 상기 혼합물을 디클로로메탄으로 추출하여 표제 화합물을 얻었다(수율 92%). 1H-NMR을 통해 상기 화합물을 확인하였다(도 3).
The inside of the 250 ml flask was filled with Ar atmosphere, and diphenyl ether (28.6 mmol) and dichloromethane were added. An ice bath was installed and aluminum chloride (28.6 mmol) was added. After 30 minutes, 2,5-dichlorobenzoyl chloride (23.9 mmol) was added slowly. After 4 hours, the reaction was terminated and poured into ultra-pure water containing a small amount of HCl. The mixture was extracted with dichloromethane to give the title compound (yield 92%). The compound was confirmed by &lt; 1 &gt; H-NMR (Fig. 3).

실시예Example 2: 소수성 단량체의 합성 2: Synthesis of hydrophobic monomers

1) 4-클로로-4'-플루오로벤조페논(CFBP)의 합성1) Synthesis of 4-chloro-4'-fluorobenzophenone (CFBP)

Figure 112015105947196-pat00014
Figure 112015105947196-pat00014

250ml 플라스크 내부를 Ar 분위기로 충진해준 뒤, 플루오로벤젠(56.1 mmol)과 니트로메탄을 넣어주었다. 아이스 배쓰를 설치하고 알루미늄 클로라이드(27.1 mmol)를 넣어주었다. 30분 뒤에 p-클로로벤조일 클로라이드(28.6 mmol)를 천천히 적가해주었다. 4시간 뒤에 반응을 종결하고, HCl이 조금 들어가있는 초순수에 부어주었다. 상기 혼합물을 디클로로메탄으로 추출하여 표제 화합물을 얻었다(수율 90%). 1H-NMR을 통해 상기 화합물을 확인하였다(도 4).The inside of the 250 ml flask was filled with Ar atmosphere, and then fluorobenzene (56.1 mmol) and nitromethane were added. An ice bath was installed and aluminum chloride (27.1 mmol) was added. After 30 minutes, p-chlorobenzoyl chloride (28.6 mmol) was added slowly. After 4 hours, the reaction was terminated and poured into ultra-pure water containing a small amount of HCl. The mixture was extracted with dichloromethane to give the title compound (yield 90%). The compound was identified by &lt; 1 &gt; H-NMR (Fig. 4).

2) 트라이머(BCPPF)의 합성2) Synthesis of trimer (BCPPF)

Figure 112015105947196-pat00015
Figure 112015105947196-pat00015

250ml 플라스크 내부를 Ar 분위기로 충진해준 뒤, CFBP 15.3g, 4,4'-(퍼플루오로프로판-2,2-디일)디페놀 10g, 및 N,N'-디메틸아세트아미드 65ml를 넣어주었다. 단량체들이 모두 녹은 뒤에 포타슘 카보네이트(71.3 mmol)를 넣어주었다. 80℃에서 2시간 동안 유지해주고, 120℃에서 15시간 동안 반응시켰다. 반응을 종결하고 상온까지 식혀주었다. 상기 식힌 반응물을 탈이온수에 부어주었다. 얻어진 생성물을 톨루엔으로 재결정해주었다(수율 84%). 1H-NMR을 통해 상기 화합물을 확인하였다(도 5).
After filling the inside of the 250 ml flask with the Ar atmosphere, 15.3 g of CFBP, 10 g of 4,4 '- (perfluoropropane-2,2-diyl) diphenol and 65 ml of N, N'-dimethylacetamide were added. After the monomers were all dissolved, potassium carbonate (71.3 mmol) was added. Maintained at 80 ° C for 2 hours, and reacted at 120 ° C for 15 hours. The reaction was terminated and allowed to cool to room temperature. The cooled reaction product was poured into deionized water. The obtained product was recrystallized from toluene (yield: 84%). The compound was confirmed by 1 H-NMR (FIG. 5).

실시예Example 3: 음이온 전도성  3: Negative ion conductivity 블록공중합체의Block copolymer 합성 및 이를 이용한 고분자 막의 제조 Synthesis and Fabrication of Polymeric Membrane Using It

1) 블록공중합체(PPA-102)의 합성1) Synthesis of block copolymer (PPA-102)

Figure 112015105947196-pat00016
Figure 112015105947196-pat00016

3구 플라스크 두 개를 준비하였다. 준비된 두 개의 플라스크 내부를 Ar 분위기로 바꾸어 주었다. 제1 플라스크에는 BCPPF 5g, DCPBP(13.1 mmol), 및 N,N'-디메틸아세트아미드 12ml를 넣고, 제2 플라스크에는 니켈 브로마이드(1.4 mmol), 트리페닐포스페이트(9.6 mmol), 아연 분말(zinc dust)(82.3 mmol) 및 N,N'-디메틸아세트아미드 20ml를 넣었다. 각각의 플라스크 내용물을 80℃까지 천천히 승온시켰다. 각각의 플라스크 내용물을 80℃에서 1시간 동안 반응시켜준 뒤, 제1 플라스크 내용물을 제2 플라스크 내용물에 부어 넣고 80℃에서 하룻밤 동안 반응시켰다. 반응을 종결하고 10 vol% HCl을 포함하는 메탄올에 상기 반응물을 넣어 침전시키고 상기 얻어진 침전물을 메탄올을 이용하여 세척하였다. 세척해준 생성물을 80℃의 진공 오븐에서 하루 동안 건조시켰다. 1H-NMR을 통해 상기 화합물을 확인하였다(도 6).Two three-necked flasks were prepared. The inside of the two prepared flasks was changed to Ar atmosphere. To the first flask was added 5 g of BCPPF, 13.1 mmol of DCPBP and 12 ml of N, N'-dimethylacetamide. To the second flask was added nickel bromide (1.4 mmol), triphenylphosphate (9.6 mmol), zinc dust ) (82.3 mmol) and 20 ml of N, N'-dimethylacetamide. The contents of each flask were slowly warmed to 80 &lt; 0 &gt; C. Each flask contents were reacted at 80 DEG C for 1 hour, then the contents of the first flask were poured into the contents of the second flask and reacted at 80 DEG C overnight. After completion of the reaction, the reaction product was precipitated by adding methanol to methanol containing 10 vol% HCl, and the obtained precipitate was washed with methanol. The washed product was dried in a vacuum oven at &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 80 C &lt; / RTI & The compound was identified by &lt; 1 &gt; H-NMR (Fig. 6).

2) 클로로메틸화 PPA-102(CMPPA-102)의 합성2) Synthesis of chloromethylated PPA-102 (CMPPA-102)

Figure 112015105947196-pat00017
Figure 112015105947196-pat00017

4구 플라스크를 준비하여 Ar 분위기로 치환해주었다. PPA-102 고분자 1g과 1,1,2,2,-테트라클로로에탄 15ml를 넣어주었다. 깔끔하게 다 녹으면, 징크 클로라이드(0.8 mmol)를 넣고 약 30분 정도 교반시켜 주었다. 그 뒤 클로로메틸메틸 에테르(64.24 mmol)를 천천히 적가해주고 적가가 모두 끝나면 40℃까지 천천히 올려주었다. 40℃에서 48시간 동안 반응시켜 주었다. 반응을 종료하고 메탄올로 여러 번 씻어준 후에 하루 동안 80℃ 오븐에서 건조시켰다. 1H-NMR을 통해 상기 화합물을 확인하였다(도 7).A four-necked flask was prepared and replaced with an Ar atmosphere. 1 g of PPA-102 polymer and 15 ml of 1,1,2,2-tetrachloroethane were added. When the mixture was neatly dissolved, zinc chloride (0.8 mmol) was added thereto and stirred for about 30 minutes. Then, chloromethyl methyl ether (64.24 mmol) was slowly added dropwise and slowly dropped to 40 ° C when the dropping was completed. The reaction was allowed to proceed at 40 占 폚 for 48 hours. The reaction was terminated and washed several times with methanol and then dried in an oven at 80 ° C for one day. The compound was confirmed by &lt; 1 &gt; H-NMR (Fig. 7).

3) 음이온 교환기로 치환된 블록공중합체 PPA-102(AMPPA-102)의 합성/성막3) Synthesis / Deposition of Block Copolymer PPA-102 (AMPPA-102) Substituted with Anion Exchanger

Figure 112015105947196-pat00018
Figure 112015105947196-pat00018

CMPPA-102 고분자 0.7g을 DMAc 10 ml에 깔끔하게 녹였다. 녹인 고분자 용액을 0.5 ㎛ 시린지 필터를 이용해 필터시킨 후, 몰드 캐스팅을 통해 막(membrane)을 만들었다. 구체적으로, 상기 고분자 용액을 일정한 크기의 실리콘 주형에 부어 주고 80℃에서 24시간 동안 건조하여 막을 얻을 수 있다. 얻어진 막을 아세톤, 45 wt% 트리메틸아민 용액을 1M 농도로 섞어 24h 동안 막을 침지시켜 주어 4급 아민화시켜 주었다. 아민화된 막을 탈이온수로 깨끗이 씻어준 후 1M NaOH 용액에 하루 동안 넣어주어 OH- 형으로 바꿔 주었다.0.7 g of CMPPA-102 polymer was dissolved neat in 10 ml of DMAc. The dissolved polymer solution was filtered using a 0.5 탆 syringe filter, and a membrane was formed through mold casting. Specifically, the polymer solution is poured into a silicon mold of a predetermined size and dried at 80 DEG C for 24 hours to obtain a membrane. The resulting membrane was mixed with acetone and a 45 wt% trimethylamine solution at a concentration of 1 M, and the membrane was immersed for 24 hours to quaternize it. The aminated membrane was cleaned with deionized water and then put into a 1M NaOH solution for one day to convert it to OH - form.

상기 아민화된 고분자(AMPPA-102)로 이루어진 막의 모습을 도 8에 나타내었다.
A film made of the aminated polymer (AMPPA-102) is shown in FIG.

실험예Experimental Example 1: 본 발명의 음이온 전도성  1: Anion conductivity of the present invention 블록공중합체의Block copolymer 이온 전도도 측정 Ionic conductivity measurement

상기 실시예 3에 기재된 방법으로 제조된 아민화된 고분자(AMPPA-102)로 이루어진 막의 이온전도도를 상용 막의 이온전도도와 비교하였다.The ionic conductivity of a film composed of an aminated polymer (AMPPA-102) prepared by the method described in Example 3 above was compared with the ionic conductivity of the compatibilizing film.

상용 막으로는 토쿠야마(Tokuyama, JP) 사의 AMX와 푸마테크(Fumatech, DE) 사의 VPX를 사용하였다.AMX of Tokuyama, Japan and VPX of Fumatech (DE) were used as commercial membranes.

구체적으로, 이온전도도는 하기와 같이 측정하였다.Specifically, the ionic conductivity was measured as follows.

AC 임피던스 분석기(Solatron 1280, Impedance/gain phase analyzer)를 이용하여 25℃ 및 80℃ 온도의 100% 상대습도 하에서 hydroxyl ion 전도도를 측정하였다. Four prove conductivity cell을 이용하여 0.1 내지 20 kHz 범위에서 동일한 위상(in-phase) 방향으로 측정하였다. 측정 전 항온항습 챔버에서 30분간 온도를 유지시켰으며 하기의 식으로 전도도를 계산하였다.The hydroxyl ion conductivities were measured at 25 ° C and 80 ° C at 100% relative humidity using an AC impedance analyzer (Solatron 1280, Impedance / gain phase analyzer). Four prove conductivity cells were measured in the in-phase direction in the range of 0.1 to 20 kHz. The temperature was maintained for 30 minutes in the thermo-hygrostat chamber before measurement, and the conductivity was calculated by the following equation.

Figure 112015105947196-pat00019
Figure 112015105947196-pat00019

이때, I는 전극사이의 거리, R은 막의 임피던스, S는 양성자가 이동하는 표면적을 나타낸다.Where I is the distance between the electrodes, R is the impedance of the film, and S is the surface area over which the protons move.

그 결과를 하기 도 9에 나타내었다.The results are shown in Fig.

도 9를 통해, 본 발명의 블록공중합체가 상용 막에 비해 월등히 우수한 음이온 전도도를 나타내는 것을 알 수 있다.
It can be seen from FIG. 9 that the block copolymer of the present invention exhibits far superior anion conductivity than the commercial membrane.

실험예 2: 본 발명의 음이온 전도성 블록공중합체로 제조된 막의 산화흐름전지용 Experimental Example 2: Oxidation of Membrane Prepared by Anionic Conductive Block Copolymer of the Present Invention [ 격리막으로서의As a separator 성능 평가 Performance evaluation

상기 실시예 3에 기재된 방법으로 제조된 아민화된 고분자(AMPPA-102)로 이루어진 막의 산화흐름전지용 격리막으로서의 성능 평가를 하기와 같이 수행하였다.A performance evaluation of a film composed of an aminated polymer (AMPPA-102) prepared by the method described in Example 3 above as a separation membrane for an oxidative flow battery was performed as follows.

VRFB 성능테스트는 WonATech battery test system을 통해서 실시하였고, 전해액은 V 3.5+ 1.65M을 100ml씩 사용하였다. 전극으로는 carbon felt를 500℃에서 열처리 하여 사용 하였다. 막의 크기는 100㎠, 두께는 50㎛, 전류밀도는 50mA/㎠, flow rate는 60ml/min으로 설정하여 cell performance를 test했다. The VRFB performance test was performed using a WonATech battery test system, and 100 ml of V 3.5 + 1.65 M was used as the electrolytic solution. The electrodes were annealed at 500 ℃ for carbon felt. The cell performance was tested by setting the film size to 100 cm 2, the thickness to 50 μm, the current density to 50 mA / cm 2, and the flow rate to 60 ml / min.

그 결과를 도 10 및 도 11에 나타내었다.The results are shown in Fig. 10 and Fig.

도 10 및 도 11을 통해, AMPPA-102가 상용화 된 Nafion115 membrane에 비해서 voltage efficiency가 조금 낮은 수준을 보였지만, columbic efficiency가 굉장히 좋았고, energy efficiency면에서도 좋은 효율을 나타냄을 알 수 있다.10 and 11, although the voltage efficiency of the AMPPA-102 was slightly lower than that of the commercially available Nafion 115 membrane, the columbic efficiency was very good and the efficiency was good in terms of energy efficiency.

Nafion보다 높은 columbic efficiency를 가져 capacity 역시 AMPPA-102가 더욱 우수한 것으로 나타났다.It has higher columbic efficiency than Nafion and its capacity is also better than AMPPA-102.

Claims (19)

하기 화학식 1로 표시되는 음이온 전도성 고분자를 포함하는 음이온의 선택적인 이동을 위한 음이온 이온전도체:
[화학식 1]
Figure 112017052519633-pat00020

상기 식에서,
A는 단일결합 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 또는 -(SO2)-이거나 또는 전자주게기로서 -O-, -S-, -NH- 또는 -NR25-이며, 이때 R25는 알킬기이고;
B는 단일결합 또는 전자주게기로서 -O-, -S-, -NH- 또는 -NR25-이며, 이때 R25는 알킬기이고;
Z는 음이온 교환성 작용기, 양쪽성 이온 교환성 작용기 또는 이의 조합이고;
W는 수소이고;
a 및 b는 각각 1 내지 10에 속하는 정수이고;
c는 1 내지 5에 속하는 정수이고;
l은 1 내지 10,000에 속하는 정수이고;
D는 단일결합이거나, 전자주게기로서 -O-, -S-, -NH- 또는 -NR25-이거나(이때 R25는 알킬기임), 또는
Figure 112017052519633-pat00021
이며, 이때 G는 단일결합 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 또는 -(SO2)-이고, J는 전자주게기로서 -O-, -S-, -NH- 또는 -NR25-이며, 이때 R25는 알킬기이고;
Ar'은 비치환, 또는 할로겐원자(-X), 알킬기, 하나 이상의 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O-퍼플루오로아릴기로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환기로 치환된 아릴기이거나; 또는
Figure 112017052519633-pat00022
이며, 이때 P는 단일결합 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 또는 -(SO2)-이고;
Ar"은 비치환, 또는 할로겐원자(-X), 알킬기, 하나 이상의 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O-퍼플루오로아릴기로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환기로 치환된 아릴기이거나; 또는
Figure 112017052519633-pat00023
이며, 이때 P'는 단일결합 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 또는 -(SO2)-이고;
이때 P와 P'는 서로 같거나 상이하고;
E는 전자주게기로서 -O-, -S-, -NH- 또는 -NR25-이며, 이때 R25는 알킬기이고;
R1 내지 R24는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 하나 이상의 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고;
q는 0 또는 1의 정수이고;
p는 1 내지 1000의 정수이고;
n은 1 내지 10,000에 속하는 정수이고;
X 및 X'는 각각 독립적으로 할로겐원자이다.
Anionic ion conductors for selective migration of anions comprising anionic conductive polymers represented by the following formula (1)
[Chemical Formula 1]
Figure 112017052519633-pat00020

In this formula,
A is a single bond or an electron withdrawing group which is - (C = O) -, - (P = O) -, -CF 2 -, - (C (CF 3 ) 2 ) - or - (SO 2 ) -O-, -S-, -NH- or -NR 25 -, wherein R 25 is an alkyl group;
B is -O-, -S-, -NH- or -NR 25 - as a single bond or electron donor group, wherein R 25 is an alkyl group;
Z is an anion exchange functional group, an amphoteric ion exchange functional group or a combination thereof;
W is hydrogen;
a and b are each an integer belonging to 1 to 10;
c is an integer belonging to 1 to 5;
1 is an integer belonging to 1 to 10,000;
D is a single bond or -O-, -S-, -NH- or -NR 25 - as an electron donor, wherein R 25 is an alkyl group, or
Figure 112017052519633-pat00021
And, wherein G is an electron withdrawing group or a single bond - (C = O) -, - (P = O) -, -CF 2 -, - (C (CF 3) 2) - or - (SO 2) - And J is an electron donor group such as -O-, -S-, -NH- or -NR 25 -, wherein R 25 is an alkyl group;
Wherein Ar 'is an unsubstituted or substituted group selected from the group consisting of a halogen atom (-X), an alkyl group, an alkyl group substituted with one or more halogens, an allyl group, a cyano group, An aryl group substituted with at least one substituent selected from the group consisting of a perfluoroaryl group, a perfluoroaryl group, and a -O-perfluoroaryl group; or
Figure 112017052519633-pat00022
And, where P is a bond or an electron withdrawing single group - (C = O) -, - (P = O) -, -CF 2 -, - (C (CF 3) 2) - or - (SO 2) - ego;
Ar "refers to an unsubstituted or substituted group containing one or more oxygen, nitrogen or sulfur atoms in the chain, such as a halogen atom (-X), an alkyl group, an alkyl group substituted with one or more halogens, an allyl group, An aryl group substituted with at least one substituent selected from the group consisting of a perfluoroaryl group, a perfluoroaryl group, and a -O-perfluoroaryl group;
Figure 112017052519633-pat00023
And, where P 'is an electron withdrawing group or a single bond - (C = O) -, - (P = O) -, -CF 2 -, - (C (CF 3) 2) - or - (SO 2) -ego;
Wherein P and P 'are the same or different from each other;
E is -O-, -S-, -NH- or -NR 25 - as an electron donor, wherein R 25 is an alkyl group;
R 1 to R 24 each independently represent a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkyl group substituted with at least one halogen, an allyl group, a cyano group, an aryl group, optionally containing at least one oxygen, nitrogen or sulfur atom A perfluoroalkylaryl group, a perfluoroaryl group or an -O-perfluoroaryl group;
q is an integer of 0 or 1;
p is an integer from 1 to 1000;
n is an integer from 1 to 10,000;
X and X 'are each independently a halogen atom.
제1항에 있어서, 상기 음이온 교환성 작용기는 -NH3T, -NR'H2T, -NR'2HT, -NR'3T, -PR'3T 또는 -SR'2T 또는 -C5H5NHT이고(R'는 알킬 또는 아릴이고, T는 히드록사이드 음이온, 비카보네이트 음이온, 클로라이드 음이온 또는 설페이트 음이온임), 양쪽성 이온 교환성 작용기는 베타인 또는 술포베타인 인 것이 특징인 음이온 이온전도체.
The method of claim 1, wherein the anion-exchange functional group is -NH 3 T, -NR'H 2 T, -NR '2 HT, -NR' 3 T, -PR '3 T or -SR' 2 T, or -C 5 H 5 NHT and in that (R 'is alkyl or aryl, T is the hydroxide anion, bicarbonate anion, a chloride anion or a sulfate anion Im), an amphoteric ion-exchange functional group is a betaine or alcohol Phoebe other features Anion ion conductor.
제1항에 있어서, 상기 음이온 전도성 고분자에서 E가 -O-이고; p가 1 내지 50의 정수인 것이 특징인 음이온 이온전도체.
The positive electrode of claim 1, wherein E in the anionic conductive polymer is -O-; and p is an integer from 1 to 50.
제1항에 있어서, 상기 음이온 전도성 고분자는 블록 공중합체인 것이 특징인 음이온 이온전도체.
The anion ion conductor according to claim 1, wherein the anion-conducting polymer is a block copolymer.
제1항에 있어서, 상기 음이온 전도성 고분자는 10,000 내지 1,000,000의 수평균 분자량(Mn; number-average molecular weight) 또는 10,000 내지 10,000,000의 중량평균 분자량(Mw; weight-average molecular weight)을 갖는 것이 특징인 음이온 이온전도체.
The anion-conducting polymer of claim 1, wherein the anion-conducting polymer has a number-average molecular weight (Mn) of 10,000 to 1,000,000 or an average molecular weight (Mw) of 10,000 to 10,000,000. Ion conductor.
제1항에 있어서, 상기 음이온 전도성 고분자를 포함하는 수지 조성물로 형성된 성형체인 것이 특징인 음이온 이온전도체.
The anion ion conductor according to claim 1, which is a molding formed of a resin composition containing the anionic conductive polymer.
제6항에 있어서, 상기 성형체는 전해질막인 것이 특징인 음이온 이온전도체.
The anion ion conductor according to claim 6, wherein the molded body is an electrolyte membrane.
제7항에 있어서, 상기 전해질막은 산화흐름전지용 전해질막, 연료전지용 전해질막, 수전해용 전해질막, 전기투석용 전해질막 또는 역전기투석용 전해질막인 것이 특징인 음이온 이온전도체.
The anion ion conductor according to claim 7, wherein the electrolyte membrane is an electrolyte membrane for an oxidative flow cell, an electrolyte membrane for a fuel cell, an electrolyte membrane for an electrolysis solution, an electrolyte membrane for electrodialysis or an electrolyte membrane for a reverse electrodialysis.
제8항에 있어서, 상기 연료전지용 전해질막은 고체알칼라인연료전지(solid alkaline fuel cell) 또는 직접붕소수소화물연료전지(direct borohydride fuel cell)에 적용되는 것이 특징인 음이온 이온전도체.
The anion ion conductor according to claim 8, wherein the electrolyte membrane for a fuel cell is applied to a solid alkaline fuel cell or a direct borohydride fuel cell.
제1항에 있어서, 상기 음이온 전도성 고분자가 바인더로서 포함된 연료전지용 전극인 것이 특징인 음이온 이온전도체.
The anion ion conductor according to claim 1, wherein the anion conductive polymer is an electrode for a fuel cell including a binder.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 음이온 이온전도체의 제조방법에 있어서,
하기 화학식 2로 표시되는 친수성 단량체를 준비하는 제1단계;
하기 화학식 3으로 표시되는 소수성 단량체를 준비하는 제2단계;
상기 친수성 단량체 및 소수성 단량체를 혼합하여 콜론 커플링 반응에 의해 블록공중합체를 형성하는 제3단계;
상기 블록공중합체를 할로메틸화시키는 제4단계;
상기 할로메틸화 블록공중합체를 소정의 형태로 성형하는 제5단계; 및
상기 성형된 할로메틸화 블록공중합체의 할로겐 작용기를 음이온 교환성 작용기, 양쪽성 이온 교환성 작용기 또는 이의 조합으로 일부 또는 전부 치환시키는 제6단계를 포함하는 제조방법:
[화학식 2]
Figure 112015105947196-pat00024

[화학식 3]
Figure 112015105947196-pat00025

상기 식에서,
A, B, W, a, b, D, Ar', Ar", E, R1 내지 R4, q, p, X 및 X'는 상기 제1항에서 정의된 바와 같다.
The method for producing an anion ion conductor according to any one of claims 1 to 10,
A first step of preparing a hydrophilic monomer represented by the following formula (2);
A second step of preparing a hydrophobic monomer represented by the following formula (3);
A third step of mixing the hydrophilic monomer and the hydrophobic monomer to form a block copolymer by a colon coupling reaction;
A fourth step of halomethylating the block copolymer;
A fifth step of molding the halomethylated block copolymer into a predetermined shape; And
A sixth step of partially or completely replacing the halogen functional group of the formed halomethylated block copolymer with an anion exchangeable functional group, an amphoteric ion-exchange functional group, or a combination thereof;
(2)
Figure 112015105947196-pat00024

(3)
Figure 112015105947196-pat00025

In this formula,
A, B, W, a, b, D, Ar ', Ar ", E, R 1 to R 4, q, p, X and X' are as defined in paragraph 1 above.
제11항에 있어서, 상기 제3단계는 환원되는 금속과 촉매하에 수행되는 것이 특징인 제조방법.
12. The method according to claim 11, wherein the third step is performed under a reducing metal and a catalyst.
제11항에 있어서, 상기 제4단계는 상기 제3단계에서 얻어진 블록공중합체를 할로메틸메틸 에테르와 반응시켜 수행되는 것이 특징인 제조방법.
12. The method according to claim 11, wherein the fourth step is performed by reacting the block copolymer obtained in the third step with halomethyl methyl ether.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 음이온 이온전도체를 포함하는 전해질막.
An electrolyte membrane comprising the anion ion conductor according to any one of claims 1 to 10.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 음이온 이온전도체를 전해질막 또는 전극에 포함하는 연료전지.
A fuel cell comprising the anion ion conductor according to any one of claims 1 to 10 in an electrolyte membrane or an electrode.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 음이온 이온전도체를 전해질막에 포함하는 산화흐름전지.
An oxidized flow cell comprising the anion ion conductor according to any one of claims 1 to 10 in an electrolyte membrane.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 음이온 이온전도체를 전해질막에 포함하는 수처리 장치.
A water treatment apparatus comprising the anion ion conductor according to any one of claims 1 to 10 in an electrolyte membrane.
하기 화학식 1로 표시되는 음이온 전도성 고분자:
[화학식 1]
Figure 112017052519633-pat00026

상기 식에서,
A는 단일결합 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 또는 -(SO2)-이거나 또는 전자주게기로서 -O-, -S-, -NH- 또는 -NR25-이며, 이때 R25는 알킬기이고;
B는 단일결합 또는 전자주게기로서 -O-, -S-, -NH- 또는 -NR25-이며, 이때 R25는 알킬기이고;
Z는 음이온 교환성 작용기, 양쪽성 이온 교환성 작용기 또는 이의 조합이고;
W는 수소이고;
a 및 b는 각각 1 내지 10에 속하는 정수이고;
c는 1 내지 5에 속하는 정수이고;
l은 1 내지 10,000에 속하는 정수이고;
D는 단일결합이거나, 전자주게기로서 -O-, -S-, -NH- 또는 -NR25-이거나(이때 R25는 알킬기임), 또는
Figure 112017052519633-pat00027
이며, 이때 G는 단일결합 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 또는 -(SO2)-이고, J는 전자주게기로서 -O-, -S-, -NH- 또는 -NR25-이며, 이때 R25는 알킬기이고;
Ar'은 비치환, 또는 할로겐원자(-X), 알킬기, 하나 이상의 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O-퍼플루오로아릴기로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환기로 치환된 아릴기이거나; 또는
Figure 112017052519633-pat00028
이며, 이때 P는 단일결합 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 또는 -(SO2)-이고;
Ar"은 비치환, 또는 할로겐원자(-X), 알킬기, 하나 이상의 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O-퍼플루오로아릴기로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환기로 치환된 아릴기이거나; 또는
Figure 112017052519633-pat00029
이며, 이때 P'는 단일결합 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 또는 -(SO2)-이고;
이때 P와 P'는 서로 같거나 상이하고;
E는 전자주게기로서 -O-, -S-, -NH- 또는 -NR25-이며, 이때 R25는 알킬기이고;
R1 내지 R24는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 알킬기, 하나 이상의 할로겐으로 치환된 알킬기, 알릴기, 시안기, 아릴기, 선택적으로 그 쇄에 하나 이상의 산소, 질소 또는 황 원자를 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 또는 -O-퍼플루오로아릴기이고;
q는 0 또는 1의 정수이고;
p는 1 내지 1000의 정수이고;
n은 1 내지 10,000에 속하는 정수이고;
X 및 X'는 각각 독립적으로 할로겐원자이다.
An anionic conductive polymer represented by the following Formula 1:
[Chemical Formula 1]
Figure 112017052519633-pat00026

In this formula,
A is a single bond or an electron withdrawing group which is - (C = O) -, - (P = O) -, -CF 2 -, - (C (CF 3 ) 2 ) - or - (SO 2 ) -O-, -S-, -NH- or -NR 25 -, wherein R 25 is an alkyl group;
B is -O-, -S-, -NH- or -NR 25 - as a single bond or electron donor group, wherein R 25 is an alkyl group;
Z is an anion exchange functional group, an amphoteric ion exchange functional group or a combination thereof;
W is hydrogen;
a and b are each an integer belonging to 1 to 10;
c is an integer belonging to 1 to 5;
1 is an integer belonging to 1 to 10,000;
D is a single bond or -O-, -S-, -NH- or -NR 25 - as an electron donor, wherein R 25 is an alkyl group, or
Figure 112017052519633-pat00027
And, wherein G is an electron withdrawing group or a single bond - (C = O) -, - (P = O) -, -CF 2 -, - (C (CF 3) 2) - or - (SO 2) - And J is an electron donor group such as -O-, -S-, -NH- or -NR 25 -, wherein R 25 is an alkyl group;
Wherein Ar 'is an unsubstituted or substituted group selected from the group consisting of a halogen atom (-X), an alkyl group, an alkyl group substituted with one or more halogens, an allyl group, a cyano group, An aryl group substituted with at least one substituent selected from the group consisting of a perfluoroaryl group, a perfluoroaryl group, and a -O-perfluoroaryl group; or
Figure 112017052519633-pat00028
And, where P is a bond or an electron withdrawing single group - (C = O) -, - (P = O) -, -CF 2 -, - (C (CF 3) 2) - or - (SO 2) - ego;
Ar "refers to an unsubstituted or substituted group containing one or more oxygen, nitrogen or sulfur atoms in the chain, such as a halogen atom (-X), an alkyl group, an alkyl group substituted with one or more halogens, an allyl group, An aryl group substituted with at least one substituent selected from the group consisting of a perfluoroaryl group, a perfluoroaryl group, and a -O-perfluoroaryl group;
Figure 112017052519633-pat00029
And, where P 'is an electron withdrawing group or a single bond - (C = O) -, - (P = O) -, -CF 2 -, - (C (CF 3) 2) - or - (SO 2) -ego;
Wherein P and P 'are the same or different from each other;
E is -O-, -S-, -NH- or -NR 25 - as an electron donor, wherein R 25 is an alkyl group;
R 1 to R 24 each independently represent a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an alkyl group substituted with at least one halogen, an allyl group, a cyano group, an aryl group, optionally containing at least one oxygen, nitrogen or sulfur atom A perfluoroalkylaryl group, a perfluoroaryl group or an -O-perfluoroaryl group;
q is an integer of 0 or 1;
p is an integer from 1 to 1000;
n is an integer from 1 to 10,000;
X and X 'are each independently a halogen atom.
제18항의 음이온 전도성 고분자를 포함하는 전극용 바인더 조성물.A binder composition for an electrode comprising the anionic conductive polymer of claim 18.
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