KR101773245B1 - Sulfonated hydrocarbon nanocomposite membrane comprising polyhedral oligomeric silsesquioxane with proton donor and proton acceptor and Method of preparing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)과 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)이 술폰기를 갖는 방향족 탄화수소 고분자막에 도입된 양성자 전도성 나노 복합막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 나노복합막에는 양성자 주게를 갖는 POSS와 양성자 받게를 갖는 POSS가 함께 첨가되어 있어 발생된 양성자(양이온)가 이온채널 내에서 수소결합을 통해 쉽게 호핑(hopping)되어 이온 전도도가 증가된다.
또한, 본 발명에 사용된 POSS는 그 크기가 매우 작아 고분자막 내 이온 채널에서 양성자의 이동을 거의 방해하지 않으므로 우수한 양성자 전도도를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 양성자 전도성 나노 복합막은 고분자막의 술폰화도를 높였음에도 불구하고 우수한 기계적 강도를 보여준다.
The present invention relates to a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having a proton donor and a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having a proton acceptor as an aromatic hydrocarbon having a sulfone group To a proton-conducting nanocomposite membrane introduced into a polymer membrane and a method for producing the same.
In the nanocomposite membrane of the present invention, POSS having a proton acceptor and POSS having a proton acceptor are added together, so that protons (cations) generated easily hop through hydrogen bonds in an ion channel to increase ion conductivity.
In addition, the POSS used in the present invention is very small in size, so that it does not substantially interfere with the movement of protons in the ion channel in the polymer membrane, and therefore, proton conductivity can be improved.
Also, the proton-conducting nanocomposite membrane of the present invention exhibits excellent mechanical strength despite increasing the degree of sulfonation of the polymer membrane.

Description

프로톤 주게와 프로톤 받게를 갖는 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산을 포함하는 탄화수소계 나노 복합막 및 이의 제조방법{Sulfonated hydrocarbon nanocomposite membrane comprising polyhedral oligomeric silsesquioxane with proton donor and proton acceptor and Method of preparing the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hydrocarbon-based nanocomposite membrane comprising a polyhedral oligomeric silsesquioxane having a proton acceptor and a proton acceptor, and a process for producing the same. More particularly, the present invention relates to a hydrocarbon-based nanocomposite membrane comprising a polyhedral oligomeric silsesquioxane,

본 발명은 프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)과 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)이 술폰화된 방향족 탄화수소 고분자에 도입된 양성자 전도성 나노 복합막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having a proton donor and a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having a proton acceptor and a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having a proton acceptor, A proton conducting nanocomposite membrane introduced into a polymer, and a method for producing the proton conducting nanocomposite membrane.

최근 각광받고 있는 연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응켜 발생되는 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템으로서, 환경문제, 에너지원의 고갈, 연료전지 자동차의 실용화가 가속화되면서 그 효율을 증가시키기 위하여 고온에서 사용 가능한 고분자막의 개발도 다양하게 이루어지고 있다.Recently, the fuel cell is a power generation system that converts the energy generated by electrochemically reacting fuel and oxidant directly into electric energy. As the environment problem, the depletion of energy source, and the practical use of fuel cell automobile are accelerated, the efficiency is increased A variety of polymer membranes have been developed which can be used at high temperatures.

연료전지는 크게 700℃ 이상에서 작동하는 고체산화물 연료전지, 500 내지 700℃에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 200℃ 근방에서 작동하는 인산전해질형 연료전지, 상온 내지 약 100℃ 이하에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지 및 고분자 전해질형 연료전지 등으로 구분된다. 또한, 연료전지 중 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)는 메탄올을 개질할 필요가 없어 소형화가 가능하다. Fuel cells include a solid oxide fuel cell that operates largely at 700 ° C or higher, a molten carbonate electrolyte fuel cell that operates at 500 to 700 ° C, a phosphoric acid electrolyte fuel cell that operates at or near 200 ° C, Alkaline electrolyte type fuel cells, and polymer electrolyte type fuel cells. In addition, direct methanol fuel cells among the fuel cells do not need to be reformed methanol, and miniaturization is possible.

이 중에서도 고분자 전해질형 연료전지는 청정 에너지원이기도 하지만 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높고 상온에서 작동가능하며 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전시스템, 이동통신장비, 의료기기, 군사용 장비, 우주사업용 장비 등의 분야에 폭넓게 사용 가능하여 그 연구가 더욱 집중되고 있다.Among them, the polymer electrolyte fuel cell is a clean energy source. However, since it can be operated at room temperature with high output density and energy conversion efficiency, it can be miniaturized and sealed, Business equipment, and the like, and the research is being concentrated more and more.

특히 수소 이온 교환막을 사용하는 고분자 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로부터 직류의 전기를 생산하는 전력 생성 시스템으로서 애노드와 캐소드 사이에 두께가 100 ㎛ 이내의 양성자 전도성 고분자막이 개재되어 있는 구조를 갖고 있다. 따라서 반응기체인 수소가 공급되면서 애노드에서는 산화반응이 일어나 수소 분자가 수소 이온과 전자로 전환되며, 이 때 전환된 수소 이온은 상기 양성자 전도성 고분자막을 거쳐 캐소드로 전달되면, 캐소드에서는 산소 분자가 전자를 받아 산소 이온으로 전환되는 환원반응이 일어나며, 이 때 생성된 산소이온은 애노드로부터의 전달된 수소 이온과 반응하여 물 분자로 전환된다.Particularly, a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) using a proton exchange membrane is a power generation system for producing direct current electricity from an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The proton exchange membrane fuel cell And has a structure in which a conductive polymer membrane is interposed. Therefore, as hydrogen in the reactor is supplied, an oxidation reaction occurs in the anode, and hydrogen molecules are converted into hydrogen ions and electrons. At this time, the converted hydrogen ions are transferred to the cathode through the proton conductive polymer membrane. A reduction reaction that converts to oxygen ions occurs, and the generated oxygen ions are converted into water molecules by reacting with hydrogen ions transferred from the anode.

이러한 과정에서 연료전지용 양성자 전도성 고분자막은 전기적으로는 절연체이나, 전지 작동 중에 애노드로부터 캐소드로 수소 이온을 전달하는 매개체로 작용하며 연료 기체 또는 액체와 산화제 기체를 분리하는 역할을 동시에 수행하므로 기계적 성질 및 전기화학적 안정성이 우수해야 하고, 작동 온도에서의 열적안정성, 저항을 줄이기 위한 얇은 막으로서의 제조 가능성 및 액체 함유시 팽창 효과가 적을 것 등의 요건을 충족해야 한다.In this process, the proton-conducting polymer membrane for a fuel cell functions as an insulator electrically, but acts as a mediator for transferring hydrogen ions from the anode to the cathode during the operation of the battery, and simultaneously separates the fuel gas or the liquid and the oxidant gas. The chemical stability must be excellent, the thermal stability at the operating temperature, the possibility of manufacturing as a thin film to reduce the resistance, and the effect of the expansion at the time of liquid containment should be small.

종래의 대표적인 고분자 전해질 연료전지에 사용되는 전해질 막으로서 널리 사용되고 있는 대표적인 물질은 듀폰사에서 개발한 Nafion이 있다. 그러나 Nafion의 경우 양성자 전도성이 좋은 대신 (0.1 S/cm) 인장강도가 20 MPa로 낮고 water swelling이 40%로 기계적 강도가 취약하다는 단점이 있다. 현재 가장 많이 상용화 되어 쓰이는 불소계 고분자인 Nafion은 100 $/cm2의 가격 대를 형성하고 있는 반면 대표적인 탄화수소계 고분자는 6~10 $/cm2이므로 Nafion을 탄화수소계 고분자로 대체한다면 전체 PEMFC MEA 가격을 10% 이상 절감할 수 있다. 하지만 탄화수소계 고분자는 Nafion에 비해 높은 IEC에 비해 소수성 주쇄과 친수성 측쇄 사이의 상분리 정도가 불소계 고분자보다 낮으므로 ion cluster의 지름이 4~5 nm로 Nafion에 비해 대략 50% 작게 형성된다. Nafion에 비해 50% 작게 형성된 ion cluster로 인해 탄화수소계 고분자전해질 막의 이온전도도는 0.05 S/cm 수준이고, 0.1 S/cm의 이온전도도를 지닌 Nafion의 절반 정도에 불과하므로 Nafion 이상의 이온전도도 달성을 위해 탄화수소계 고분자의 술폰화도를 높이는 연구가 있다. 하지만 대표적인 탄화수소계 고분자인 sulfonated polyetheretherketone (sPEEK)의 경우 stiffness가 높은 방향족 주쇄를 통해 20% 미만의 낮은 water swelling을 갖지만 술폰화도를 75% 이상으로 높이게 되면 water swelling이 급격히 증가하여 물에 풀어져 용해되는 단점이 있다.A representative material widely used as an electrolyte membrane used in a typical typical polymer electrolyte fuel cell is Nafion developed by DuPont. However, Nafion has a drawback in that the tensile strength is low at 20 MPa and the water swelling is 40%, which is weak in mechanical strength, instead of good proton conductivity (0.1 S / cm). Nafion, which is the most commercially used fluorocarbon polymer, has a price range of 100 $ / cm2, while representative hydrocarbon polymers are 6 to 10 $ / cm2. Therefore, if Nafion is replaced with a hydrocarbon polymer, Or more. However, since the degree of phase separation between the hydrophobic main chain and the hydrophilic side chain is lower than that of the fluoropolymer, the diameter of the ion cluster is about 4 to 5 nm, which is about 50% smaller than that of Nafion. The ionic conductivity of the hydrocarbon polymer electrolyte membrane is about 0.05 S / cm due to the ion cluster formed 50% smaller than Nafion, and it is only about half of that of Nafion with 0.1 S / cm ion conductivity. Therefore, There is a study to increase the degree of sulfonation of the polymer. However, sulfonated polyetheretherketone (sPEEK), which is a typical hydrocarbon polymer, has a low water swelling of less than 20% through aromatic styrenes having high stiffness. However, when the degree of sulfonation is increased to 75% or more, water swelling rapidly increases, .

한국등록특허 제804195호에서는 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물 등 무기 나노입자에 술폰화기를 도입하여 이를 다시 고분자 전해질과 복합화한 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막이 제안되어 있다. 하지만, 이러한 복합막은 마이크로 크기 또는 수십 ~ 수백 나노 크기의 무기 입자가 이온 채널 내에서 양성자의 이동을 방해하여 양성자 전도도가 떨어진다는 문제점을 가지고 있다. 또한 무기 입자의 크기와 뭉침 현상으로 인하여 복합막 제조시 기계적 강도가 떨어진다는 문제도 함께 가지고 있다. Korean Patent No. 804195 proposes a hydrogen-ion conductive polymer electrolyte membrane in which a sulfonated group is introduced into inorganic nanoparticles such as silicon oxide and aluminum oxide, and then the polymer electrolyte is mixed with a polymer electrolyte. However, such a composite membrane has a problem in that inorganic particles having a size of several micrometers or several tens to several hundreds of nanometers interfere with the movement of protons in the ion channel, thereby deteriorating the proton conductivity. Also, there is a problem that the mechanical strength of the composite membrane is lowered due to the size and aggregation of the inorganic particles.

본 발명자의 공개특허인 10-2013-118075호 ‘술폰산기를 가지는 실세스퀴옥산을 이용한 양성자 전도성 고분자 나노복합막’에는 나피온 등의 불소계 양성자 전도성 폴리머에 술폰산기를 가진 실세스퀴옥산이 혼합된 전해질 막이 개시되어있다. 상기 공개특허에는 술폰산기가 부착된 수나노 사이즈의 실세스퀴옥산을 나피온과 복합화하여 나노복합막의 기계적 강도 및 전도성을 높였으나 나피온을 대체하기 위해 더 높은 이온전도도를 가진 나노복합막 전해질이 요구된다.The proton-conducting polymer nanocomposite membrane using sulfonic acid group-containing silsesquioxane having a sulfonic acid group is disclosed in Japanese Laid Open Patent Application No. 10-2013-118075, which discloses an electrolytic solution in which a silsesquioxane having a sulfonic acid group is mixed with a fluorine-based proton- Film is disclosed. In the above-mentioned patent, the nanosized nanofiltration membrane with a sulfonic acid group is combined with Nafion to increase the mechanical strength and conductivity of the nanocomposite membrane, but a nanocomposite membrane electrolyte having a higher ionic conductivity is required to replace Nafion do.

본 발명은 ‘80 도 이하의 저온’(low temperature)에서 우수한 양성자 전도도를 제공하며 water swelling으로 인한 기계적 강도 저하가 없고 기체투과도를 방지하는 양성자 전도성 고분자 나노복합막을 제공하는 것이다. The present invention provides a proton-conducting polymer nanocomposite membrane which provides excellent proton conductivity at a low temperature of 80 ° C or less and does not cause mechanical strength deterioration due to water swelling and prevents gas permeability.

본 발명의 하나의 양상은 One aspect of the present invention is

프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)과 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)이 술폰화된 방향족 탄화수소 고분자막에 도입된 양성자 전도성 나노 복합막에 관계한다.Polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) with a proton donor and polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) with a proton acceptor are introduced into a sulfonated aromatic hydrocarbon polymer membrane Lt; RTI ID = 0.0 > nanocomposite < / RTI >

다른 양상에서 본 발명은 In another aspect,

프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)과 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)을 술폰화된 방향족 탄화수소 고분자 용액에 혼합하는 단계 ; 및 A polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having a proton donor and oligomeric silsesquioxane (POSS) having a proton acceptor and a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having a proton acceptor were dissolved in a sulfonated aromatic hydrocarbon polymer solution Mixing; And

상기 혼합용액을 캐스팅하고 용매를 제거하는 단계를 포함하는 양성자 전도성 나노 복합막 제조방법에 관계한다.Casting the mixed solution and removing the solvent. The present invention also relates to a method for producing a proton-conducting nanocomposite membrane.

또 다른 양상에서, 본 발명은 양성자 전도성 나노 복합막을 포함하는 연료전지용 막전극 접합체에 관계한다.In another aspect, the present invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell comprising a proton-conducting nanocomposite membrane.

본 발명의 나노복합막에는 양성자 주게를 갖는 POSS와 양성자 받게를 갖는 POSS가 함께 첨가되어 있어 발생된 양성자(양이온)가 이온채널 내에서 쉽게 호핑(hopping)되어 이온 전도도가 증가된다. In the nanocomposite membrane of the present invention, POSS having a proton acceptor and POSS having a proton acceptor are added together, so that the generated protons (positive ions) easily hop in the ion channel and the ion conductivity is increased.

또한, 본 발명에 사용된 POSS는 그 크기가 매우 작아 고분자막 내 이온 채널에서 양성자의 이동을 거의 방해하지 않으므로 우수한 양성자 전도도를 구현할 수 있다.In addition, the POSS used in the present invention is very small in size, so that it does not substantially interfere with the movement of protons in the ion channel in the polymer membrane, and therefore, proton conductivity can be improved.

또한, 본 발명에 의한 양성자 전도성 나노 복합막은 고분자막의 술폰화도를 DS=70까지 높였음에도 불구하고 우수한 기계적 강도를 보여준다.In addition, the proton conducting nanocomposite membrane of the present invention exhibits excellent mechanical strength despite increasing the degree of sulfonation of the polymer membrane to DS = 70.

본 발명의 양성자 전도성 나노복합막은 고분자 전해질 연료전지뿐만 아니라 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)의 고분자 전해질막이나 분리막으로 사용될 수 있다. The proton-conducting nanocomposite membrane of the present invention can be used not only as a polymer electrolyte fuel cell but also as a polymer electrolyte membrane or separation membrane of a direct methanol fuel cell.

도 1은 실시예 1에서 제조된 전도성 나노 복합막의 이온전도도를 측정하여 나타낸 것이다.
도 2는 POSS-N의 함량이 0.5wt%로 고정하고, POSS-SA 함량을 10wt%까지 높였을 때의 응력(stress)을 나타낸다.
도 3은 실시예 1과 비교예 1에서 제조된 나노복합막을 활용하여 제조된 셀의 성능을 비교한 것이다.
1 is a graph showing the ionic conductivity of the conductive nanocomposite membrane prepared in Example 1. FIG.
2 shows the stress when the content of POSS-N is fixed at 0.5 wt% and the content of POSS-SA is increased up to 10 wt%.
FIG. 3 compares the performance of a cell fabricated using the nanocomposite membrane prepared in Example 1 and Comparative Example 1. FIG.

이하 본 발명에 대해 상술한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 연료전지용 양성자 전도성 고분자 나노 복합막에 관한 것이다. 본 발명의 양성자 전도성 나노복합막은 프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)과 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)이 술폰기를 갖는 방향족 탄화수소 고분자막에 도입되어 형성된다.The present invention relates to a proton-conducting polymer nanocomposite membrane for a fuel cell. The proton-conducting nanocomposite membrane of the present invention comprises a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having a proton donor and a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having a proton acceptor Is introduced into an aromatic hydrocarbon polymer membrane having a sulfone group.

본 발명의 고분자막은 양성자 소스인 술폰기가 결합한 방향족 탄화수소 고분자를 사용할 수 있다. The polymer membrane of the present invention can use an aromatic hydrocarbon polymer having a sulfone group bonded thereto as a proton source.

상기 술폰화된 방향족 탄화수소 고분자막(술폰화 방향족 탄화수소 고분자막)은 술폰화 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyetheretherketone (sPEEK)) 고분자막, 술폰화 폴리에테르케톤(sulfonated polyetherketone (sPEK)), 술폰화 폴리에테르술폰(sulfonated polyethersulfone (sPES)) 및술폰화 폴리아릴렌에테르술폰(sulfonated polyarylethersulfone (sPAES))의 군에서 선택되며 나노채널을 갖는 술폰화된 방향족 탄화수소일 수 있다.The sulfonated aromatic hydrocarbon polymer membrane (sulphonated aromatic hydrocarbon polymer membrane) may be formed by using a sulfonated polyetheretherketone (sPEEK) polymer membrane, a sulfonated polyetherketone (sPEK), a sulfonated polyetheretherketone polyethersulfone (sPES) and sulfonated polyarylethersulfone (sPAES) and may be a sulfonated aromatic hydrocarbon having a nanochannel.

상기 술폰화된 방향족 탄화수소 고분자막, 바람직하게는, 폴리에테르에테르케톤과 폴리에테르술폰은 나피온의 50% 정도의 양이온 전도성, 우수한 열적 화학적 특성을 가지며, 또한 5000h의 긴 수명을 가질 정도로 내구성이 좋다. The sulfonated aromatic hydrocarbon polymer membrane, preferably polyetheretherketone and polyethersulfone, has a cation conductivity of about 50% of Nafion, excellent thermal and chemical properties, and is durable enough to have a long lifetime of 5000h.

상기 술폰화된 방향족 탄화수소 고분자는 술폰화도(degree of sulfonation (DS)) 증가에 따라 우수한 양성자 전도성을 가지지만, 수팽창(water swelling) 현상이 높아져 기계적 강도가 낮아지는 문제가 있었다. 본 발명에서의 나노복합막은 강도가 보강되어 술폰화도가 높은 방향족 탄화수소 고분자를 사용하여도 water swelling으로 인해 기계적 강도가 급격히 감소하는 현상을 방지할 수 있다. The sulfonated aromatic hydrocarbon polymer has excellent proton conductivity as the degree of sulfonation (DS) increases, but has a problem in that the mechanical strength is lowered due to a higher water swelling phenomenon. The nanocomposite membrane of the present invention can prevent the mechanical strength from being drastically reduced due to water swelling even when an aromatic hydrocarbon polymer having a high degree of sulfonation is used.

상기 술폰화 방향족 탄화수소 고분자막은 술폰화도가 55~80%, 바람직하게는 60~75%, 가장 바람직하게는 65~75% 일 수 있다.The sulfonated aromatic hydrocarbon polymer membrane may have a degree of sulfonation of 55 to 80%, preferably 60 to 75%, and most preferably 65 to 75%.

본 발명에서는 술폰화 방향족 탄화수소 고분자막의 필러로서 두 가지 종류의 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)을 사용한다. 좀 더 구체적으로는, 본 발명에서는 프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)과 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)을 함께 사용한다.In the present invention, polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) is used as a filler of a sulfonated aromatic hydrocarbon polymer membrane. More specifically, in the present invention, a proton donor, Polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having a proton acceptor and polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having a proton acceptor are used together.

상기 프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)는 하기 화학식 1로 표시될 수 있다. The polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton donor may be represented by the following formula (1).

Figure 112015022701709-pat00001
Figure 112015022701709-pat00001

상기 화학식 1에서, R이 프로톤 주게(proton donor)이다. In the above formula (1), R is a proton donor.

상기 R은 R1R2이고,Wherein R is < RTI ID = 0.0 >

R1은 (CH2)n(이때, n은 1 내지 6의 정수) 또는 페닐렌이고,R1 is (CH2) n, wherein n is an integer from 1 to 6, or phenylene,

R2는 아세트산, 질산, 인산, 술폰산, 과염소산, 염산, 탄산 이들의 염 또는 이들을 포함하는 화합물이다.  R2 is acetic acid, nitric acid, phosphoric acid, sulfonic acid, perchloric acid, hydrochloric acid, salts thereof, or a compound containing them.

상기 프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)이 바람직하게는 하기 화학식 2로 표시되는 술폰화된 옥타페닐 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산일 수 있다.The polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton donor may preferably be a sulfonated octaphenyl polyhedral oligomeric silsesquioxane represented by the following formula (2).

Figure 112015022701709-pat00002
Figure 112015022701709-pat00002

상기 식에서 R 중 적어도 하나는 SO3H이다.Wherein at least one of R is SO3H.

상기 식에서 R은 16개까지 관능화될 수 있다.In the above formula, R can be functionalized up to 16.

상기 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)이 하기 화학식 3으로 표시될 수 있다. The polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton acceptor may be represented by the following formula (3).

Figure 112015022701709-pat00003
Figure 112015022701709-pat00003

상기 화학식 1에서, 상기 A는 비공유 전자쌍을 갖는 질소, 산소, 인 황, 불소, 염소 원자를 함유하는 화합물이다.In Formula 1, A is a compound containing nitrogen, oxygen, phosphorus, fluorine and chlorine atoms having a non-covalent electron pair.

또는 상기 A는 -A1A2이고, 여기서, A1은 (CH2)n(이때, n은 1 내지 6의 정수) 또는 페닐렌이고, A2는 NH2, NO3-, NH3, PH3, NH2-, Cl-, O2-, S2-, F-, 이들의 염 또는 이들을 포함하는 화합물이고,Or A is -A1A2 wherein A1 is (CH2) n wherein n is an integer from 1 to 6 or phenylene and A2 is NH2, NO3-, NH3, PH3, NH2-, Cl-, -, S2-, F-, a salt thereof, or a compound containing them,

상기 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)이 하기 화학식 4로 표시될 수 있다.The polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton acceptor may be represented by the following formula (4).

Figure 112015022701709-pat00004
Figure 112015022701709-pat00004

상기 식에서 A 중 적어도 하나는 NH2이다.Wherein at least one of A is NH2.

상기 식에서 A는 R은 16개까지 관능화될 수 있다.Where A can be functionalized with up to 16 Rs.

상기 프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(이하, POSS-SA으로 표현)과 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(이하, POSS-N으로 표현)은 그 입자 사이즈가 1~5nm, 바람직하게는 1~3nm, 더욱 바람직하게는 1~2nm일 수 있다. 상기 POSS는 사이즈가 작아 술폰기를 갖는 방향족 탄화수소 고분자막의 이온 채널에서 이온의 이동을 방해하지 않아 복합막의 가장 큰 문제인 이온 전도도 저하 문제를 해결할 수 있다. A polyhedral oligomeric silsesquioxane (hereinafter referred to as POSS-SA) having a polyhedral oligomeric silsesquioxane (hereinafter referred to as POSS-SA) and a proton acceptor having the proton donor N) may have a particle size of 1 to 5 nm, preferably 1 to 3 nm, more preferably 1 to 2 nm. Since the POSS has a small size, it does not interfere with the movement of ions in the ion channel of the aromatic hydrocarbon polymer membrane having a sulfone group, thereby solving the problem of lowering the ion conductivity, which is the biggest problem of the composite membrane.

상기 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)는 입자 사이즈가 작고, 안정적인 실리카 케이지 구조에 페닐기와 술폰산기(또는 아민기)가 결합한 매우 컴팩트한 화학구조식을 가지고 있어 분산에 매우 용이하다. The polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) has a very small particle size and has a very compact chemical structure in which a phenyl group and a sulfonic acid group (or an amine group) are bonded to a stable silica cage structure, which is very easy to disperse.

본 발명에서는 아민기와 같은 브뢴스테드 염기로 작용하는 양성자 받게를 보유하고 있으므로 나노 채널 내 추가적으로 도입된 과량의 양성자와 강력한 수소결합을 형성하고 이를 통해 양성자의 호핑 (hopping)에 의한 Grotthuss 메카니즘으로 이온 전도도가 향상 된다.In the present invention, since a proton acceptor acts as a Bronsted base such as an amine group, it forms a strong hydrogen bond with an excess amount of protons additionally introduced into the nanochannel, and through the Grotthuss mechanism by the hopping of protons, .

본 발명의 나노복합막은 POSS-N이 5 wt% 미만, 바람직하게는 1wt%미만으로 조절되어 복합화되므로 채널 내에서 양성자의 이동을 방해하거나 전체 이온교환능을 떨어뜨리는 작용은 없다. 또한, 상기 양성자 받게는 양성자 주게에 의해 생성된 추가적인 양성자 소스가 수소결합을 매개로 한 그로투스 메카니즘(Grotthuss mechanism)을 가질 수 있다. The nanocomposite membrane of the present invention is complexed with less than 5 wt% of POSS-N, preferably less than 1 wt%, so that it does not interfere with proton transfer in the channel or lower the overall ion exchange capacity. In addition, the proton acceptor may have a Grotthuss mechanism through which a further proton source generated by the proton donor mediates hydrogen bonding.

좀 더 구체적으로는, 호핑 메키니즘(또는 Grotthuss mechanism)은 수소결합 네트워크를 통해 양성자가 호핑되어 전도되는 메카니즘인데 이온 교환능을 떨어뜨리지 않는 범위에서 강한 브뢴스테드 염기(아민기)로 작용할 수 있는 양이온 받게를 도입하면 수소결합 매개체가 증가하여 브뢴스테드 산-염기 간 호핑 거리가 줄어들므로 Grotthuss 메카니즘이 더욱 활성화되어 양성자 전도도가 획기적으로 상승될 수 있다.More specifically, the hopping mechanism (or Grotthuss mechanism) is a mechanism in which a proton is hopped and conducted through a hydrogen bonding network, and a cation capable of acting as a strong Bronsted base (amine group) When the acceptor is introduced, the hydrogen bond medium is increased and the Bronsted acid - base hopping distance is reduced. Therefore, the Grotthuss mechanism can be further activated and the proton conductivity can be drastically increased.

본 발명의 나노 복합막은 상기 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)의 중량 범위를 최대 20 wt%까지 늘려도 채널 내에 뭉침현상이 적고, 이온전도도를 현저히 증가시킬 수 있으며, 기계적 강도(인장율과 강도)가 동시에 증가될 수 있다. 본 발명의 나노 복합막은 상기 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)의 첨가에 따라 연성의 손실없이 인장 강도가 증가하므로 30 마이크론 이하의 더 얇은 박막을 제조할 수 있다. 즉, 본 발명의 나노 복합막은 초박막으로 제조될 수 있다. The nanocomposite membrane of the present invention is capable of remarkably increasing the ionic conductivity and significantly increasing the ionic conductivity in the channel even when the weight range of the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) is increased up to 20 wt% And strength) can be increased at the same time. The nanocomposite membrane of the present invention can produce a thinner film of 30 microns or less since tensile strength is increased without loss of ductility by the addition of polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS). That is, the nanocomposite film of the present invention can be produced as an ultra-thin film.

상기 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)는 나노 복합막의 기계적 강도를 증가시킬 수 있어 수분에 의한 막의 swelling 현상을 억제할 수 있다. 또한, 상기 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)이 첨가된 나노복합막은 80도 이하에서 높은 이온전도능력을 유지할 수 있다. The polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) can increase the mechanical strength of the nanocomposite membrane and inhibit swelling of the membrane due to moisture. In addition, the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) added nanocomposite membrane can maintain a high ion conduction capability at 80 degrees or less.

상기 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)이 상기 양성자 전도성 나노 복합막 전체 중량 대비 1~20중량%, 바람직하게는 1~10중량%, 더욱 바람직하게는 1~2 중량% 포함될 수 있다.The polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) may be contained in an amount of 1 to 20% by weight, preferably 1 to 10% by weight, more preferably 1 to 2% by weight based on the total weight of the proton-conducting nanocomposite membrane .

상기 프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)과 상기 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)이 중량비로 1 : 0.05~1, 바람직하게는 1 ; 0.05~0.3, 더욱 바람직하게는 1 : 0.1·~0.25로 함유될 수 있다. Wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton donor and the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton acceptor are mixed at a weight ratio of 1: 1, preferably 1; 0.05 to 0.3, and more preferably 1: 0.1 to 0.25.

상기 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)은 나노 복합막 대비 5wt% 이하, 바람직하게는 1wt% 이하로 포함될 수 있다.The polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton acceptor may be contained in an amount of 5 wt% or less, preferably 1 wt% or less, based on the nanocomposite membrane.

상기 프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)이 나노 복합막 대비 1 ~ 10중량%, 바람직하게는 1~5중량%, 더욱 바람직하게는 1~2중량% 함유될 수 있다. The polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton donor is added to the nanocomposite membrane in an amount of 1 to 10 wt%, preferably 1 to 5 wt%, more preferably 1 to 2 wt% .

상기 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산의 함량이 상기 범위인 경우, 80℃/100% RH에서 현재 상용화된 나피온 막 (0.1 S/cm)보다 우수한 전도도를 가진다. When the content of the polyhedral oligomeric silsesquioxane is within the above range, it has a conductivity higher than that of the Nafion membrane (0.1 S / cm) currently commercialized at 80 ° C / 100% RH.

본 발명에서는 술폰화도가 55~70%로 높은 고분자막을 사용하지만, 상기 POSS-SA가 고분자막 내부에서 분자 수준의 복합체(molecular composite)를 형성함으로써 기계적 강도가 강하다.In the present invention, a polymer membrane having a high degree of sulfonation of 55 to 70% is used, but the POSS-SA has a strong mechanical strength because it forms a molecular composite within the polymer membrane.

즉, 본 발명에서는 양성자 전도성 복합막의 전도도와 기계적 강도를 동시에 높일 수 있다. That is, in the present invention, the conductivity and the mechanical strength of the proton-conducting composite membrane can be simultaneously increased.

다른 양상에서 본 발명은 양성자 전도성 나노 복합막 제조방법에 관계한다.In another aspect, the invention relates to a method of making a proton conducting nanocomposite membrane.

상기 방법은 프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)과 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)을 술폰기를 갖는 방향족 탄화수소 고분자 용액에 혼합하는 단계 ; 및 The method comprises reacting a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having a proton donor with a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having a proton donor and a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having a proton acceptor with an aromatic hydrocarbon having a sulfone group Mixing with the polymer solution; And

상기 혼합용액을 캐스팅하고 용매를 제거하는 단계를 포함한다.Casting the mixed solution and removing the solvent.

상기 술폰기를 갖는 방향족 탄화수소 고분자막은 술폰화 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyetheretherketone (sPEEK)) 고분자막, 술폰화 폴리에테르케톤(sulfonated polyetherketone (sPEK)), 술폰화 폴리에테르술폰(sulfonated polyethersulfone (sPES)) 또는 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰(sulfonated polyarylethersulfone (sPAES)일 수 있다.The sulfone group-containing aromatic hydrocarbon polymer membrane may be formed of a sulfonated polyetheretherketone (sPEEK) polymer membrane, a sulfonated polyetherketone (sPEK), a sulfonated polyether sulfone (sPES) Which may be sulfonated polyarylethersulfone (sPAES).

상기 방법은 상기 술폰기를 갖는 방향족 탄화수소 고분자의 술폰화도를 55~80%로 조절하고, 상기 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)의 함량을 상기 방향족 탄화수소 고분자와 POSS 합계 중량 대비 1 ~ 5 중량% 로 조절할 수 있다.The method comprises controlling the degree of sulfonation of the aromatic hydrocarbon polymer having sulfone groups to 55 to 80% and adjusting the content of the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) to 1 to 5, based on the total weight of the aromatic hydrocarbon polymer and POSS Weight%.

상기 방법은 상기 프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)과 상기 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)을 중량비로 1 : 0.05~1, 바람직하게는 1 ; 0.05~0.3, 더욱 바람직하게는 1 : 0.1·~0.25로 첨가할 수 있다. The method comprises reacting a polyhedrin oligomeric silsesquioxane (POSS) having a proton donor with a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having a proton acceptor at a weight ratio of 1 : 0.05 to 1, preferably 1; 0.05 to 0.3, and more preferably 1: 0.1 to 0.25.

상기 술폰화도를 가지는 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyetheretherketone (sPEEK))은 공지된 방법으로 제조할 수 있는데, 예를 들면, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 용액에 황산을 투입하고, 이를 상온에서 반응함으로써, 제조할 수 있다. The sulfonated polyetheretherketone (sPEEK) having the above degree of sulfonation can be produced by a known method. For example, sulfuric acid is fed into a polyether ether ketone (PEEK) solution and reacted at room temperature, Can be manufactured.

상기 술폰화제는 술폰산 등의 이 분야에 공지된 화합물을 사용할 수 있다. 상기 PEEK의 술폰화는 60~150℃에서 1~30시간 반응하여 술폰화율을 조절가능하다. 더욱 구체적으로는, PEEK를 12시간동안 100℃에서 건조 후, 황산 200 ml에 10g의 PEEK를 넣고 60℃에서 24 시간동안 교반할 수 있다.As the sulfonating agent, compounds known in the field such as sulfonic acid and the like can be used. The sulfonation of the PEEK can be controlled by reacting at 60 to 150 ° C. for 1 to 30 hours. More specifically, after PEEK is dried at 100 ° C for 12 hours, 10 g of PEEK may be added to 200 ml of sulfuric acid and stirred at 60 ° C for 24 hours.

다른 양상에서 본 발명은 연료극, 산소극 및 상기 연료극과 산소극 사이에 위치하는 상기 양성자 전도성 나노 복합막을 포함하는 연료전지용 막전극 접합체에 관계한다. 상기 연료극과 산소극 등에 대해서는 공지된 내용을 참고할 수 있다. 상기 양성자 전도성 나노 복합막은 연료극에서 생성된 양성자와 전자를 산소극으로 전달하는 매개체의 역할과 수소와 산소를 분리하는 분리막의 기능을 한다. In another aspect, the present invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell comprising a fuel electrode, an oxygen electrode, and the proton-conducting nanocomposite membrane positioned between the fuel electrode and the oxygen electrode. For the fuel electrode, the oxygen electrode, and the like, well-known contents can be referred to. The proton conducting nanocomposite membrane functions as a mediator for transferring protons generated from the fuel electrode and electrons to the oxygen electrode, and functions as a separation membrane for separating hydrogen and oxygen.

상기 양성자 전도성 나노 복합막은 앞에서 상술한 본 발명의 나노복합막을 사용할 수 있다.The proton-conducting nanocomposite membrane may be the nanocomposite membrane of the present invention described above.

본 발명은 상기 막-전극 접합체를 구비하는 연료전지에 관계한다. The present invention relates to a fuel cell having the membrane-electrode assembly.

일구현예에 따른 연료전지는 상술한 바와 같이 하여 얻은 막-전극 접합체를 이용하여 공지의 방법에 의해 제조할 수 있다. 즉, 상술한 막-전극 접합체의 양측을 그래파이트로 개재하여 단위 셀을 구성하고, 이 단위 셀을 복수 나열함으로써 연료전지 스택을 제조할 수 있다.The fuel cell according to one embodiment can be manufactured by a known method using the membrane-electrode assembly obtained as described above. That is, the fuel cell stack can be manufactured by constructing the unit cells by interposing the both sides of the membrane-electrode assembly described above with graphite, and arranging a plurality of unit cells.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이들 예로만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples, but the present invention is not limited thereto.

실시예Example 1 One

1. 술폰산기를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS-SO3H(POSS-SA)) 합성1. Synthesis of Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane (POSS-SO3H (POSS-SA)) having a sulfonic acid group

Figure 112015022701709-pat00005
Figure 112015022701709-pat00005

먼저 1 g의 octaphenyl poss 를 5 ml의 chlorosulfonic acid에 섞어주고, 상온에서 밤새 저어 주었다. 상기 용액을 THF 200 ml에 부어주고 생기는 가루를 필터링한 후 pH가 중성이 될 때까지 반복하였다. 감압 및 건조하여 갈색의 고체를 얻었다. First, 1 g of octaphenyl poss was mixed with 5 ml of chlorosulfonic acid and stirred overnight at room temperature. The solution was poured into 200 ml of THF and the resulting powder was filtered and repeated until the pH was neutral. Lt; / RTI > and dried under reduced pressure to give a brown solid.

H-NMR(D2O)-7.54(dd;ArHmeta to POSS), 7.81-7.83(2dd; ArH para to SO3H,ArHpara to POSS), 8.03(dd; ArH ortho to SO3HandPOSS).H-NMR (D2O) -7.54 (dd; ArHmeta to POSS), 7.81-7.83 (2dd; ArH para to SO3H, ArHpara to POSS), 8.03 (dd; ArH ortho to SO3HandPOSS).

FT-IR: 3070 (OH of SO3H), 2330 (SO3H-H2O), 1718, 1590, 1470, 1446, 1395, 1298, 1132 (SO3 asymm), 1081 (SO3 symm), 1023 (SiOSi asymm), 991, 806 (SiOSi symm)FT-IR: 3070 (OH of SO3H), 2330 (SO3H-H2O), 1718,1590,1470,1446,1395,1298,1132 (SO3 asymm), 1081 (SO3 symm), 1023 (SiOSi asymm) 806 (SiOSi symm)

2. 아민기를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS-NH2 (POSS-N)) 합성2. Synthesis of Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane (POSS-NH2 (POSS-N)) having an amine group

Figure 112015022701709-pat00006
Figure 112015022701709-pat00006

< ONP(Octaphenyl POSS) 만들기><Create ONP (Octaphenyl POSS)>

얼음물에 5 g의 OPS 와 30 ml 의 fuming nitric acid 를 비이커에 넣어 30 min 정도 혼합하였다. 상온에서 20 hour 정도 반응시켰다. 상기 용액을 얼음물에 풀어주어 가루가 생기게 한 후에 필터링 하였다. 이어서, 필터링하여 수득한 고체 잔류물을 물로 세척한 후에 에탄올 100 ml로 2번 정도 더 세척하였다(ONP 수득). 5 g of OPS and 30 ml of fuming nitric acid were added to ice water and mixed for 30 min. The reaction was carried out at room temperature for about 20 hours. The solution was poured into ice water to give a flour and then filtered. Subsequently, the solid residue obtained by filtration was washed with water and further washed twice with 100 ml of ethanol (ONP obtained).

<OAPS 만들기><Create OAPS>

앞에서 수득한 ONP 0.5 g을 0.06 g의 10 wt% Pd/C 와 혼합 및 분쇄하였다. 여기에 THF 20ml와 triethylamine 20ml를 넣었다. 혼합물에 formic acid를 소량 첨가한 후 5 hour 동안 반응시킨다. 반응에 의해, 두 개의 층으로 분리되는데, 위의 투명한 층은 버리고 아래의 검은 층을 모은 다음, 여기에 50 ml의 THF와 50 ml의 water을 섞었다. 섞어준 solution을 celite로 column 크로마토그래피를 하여 Octa nitrophenyl POSS (ONPS)를 수득하였다. 이어서, 50 ml의 ethyl acetate 를 filterate 에 가하고 순수한 물 100 ml를 부어 흔들어 주었다.0.5 g of the ONP obtained above was mixed with 0.06 g of 10 wt% Pd / C and pulverized. 20 ml of THF and 20 ml of triethylamine were added thereto. Add a small amount of formic acid to the mixture and allow to react for 5 hours. By reaction, it was separated into two layers. The transparent layer above was discarded and the black layer below was collected, and then 50 ml of THF and 50 ml of water were mixed. The mixed solution was subjected to column chromatography using celite to obtain Octa nitrophenyl POSS (ONPS). Then, 50 ml of ethyl acetate was added to the filterate and 100 ml of pure water was poured into the solution.

EA층(위층)을 덜어내어 갈색의 결정(합성물)을 필터링하여 얻은 후 다시 500ml의 hexane에 섞어 Octa aminophenyl POSS (OAPS)를 제조하였다.The EA layer (upper layer) was taken out and the brown crystals were filtered, and then mixed with 500 ml of hexane to prepare Octa aminophenyl POSS (OAPS).

3. 나노복합막 만들기3. Making Nanocomposite Membrane

sulfonated polyetheretherketone(sPEEK, 술폰화도(DS) 65, fumatech 사에서 DS 60짜리 sPEEK를 구입하였고, 70, 75는 이를 통해 제조) 5g을 N, N-dimethylacetamide (DMAc) 95g에 녹여서 5 wt% 용액을 만들었다. A 5 wt% solution was made by dissolving 5 g of sulfonated polyetheretherketone (sPEEK, sulphonation degree (DS) 65, purchased from fumatech, DS 60 sPEEK, and 70 and 75 through this) in 95 g of N, N-dimethylacetamide .

상기 5wt%용액 11.76g (sPEEK는 0.588g)을 4 개의 바이알에 각각 담아 두었다. sPEEK 0.588g 대비 POSS-SA 함량을 2wt%로 고정하고, sPEEK 대비 POSS-N 함량을 0 ~ 1wt%로 조절하여, sPEEK/POSS-SA/POSS-N 나노복합막을 제조하였다. 11.76 g of the 5 wt% solution (0.588 g of sPEEK) was placed in each of the four vials. The sPEEK / POSS-SA / POSS-N nanocomposite membrane was prepared by fixing the POSS-SA content to 2 wt% and the POSS-N content to sPEEK to 0 to 1 wt%.

앞에서 제조된 POSS-SA와 POSS-N을 4개의 sPEEK 바이알에 각각 섞어 하루 동안 교반하였다. 교반을 마친 sPEEK/POSS-SA 2wt%/POSS-N 0~1 wt% solution을 각각 샬렛에 부어준 후, 100℃ 오븐에서 밤새 casting하였다. casting을 마친 후, 샬렛에 증류수를 부어주어서, 샬렛에서 나노복합막을 조심스럽게 떼어내었다. POSS-SA and POSS-N prepared previously were mixed in four sPEEK vials, respectively, and stirred for one day. The stirred solution of sPEEK / POSS-SA 2 wt% / POSS-N 0 to 1 wt% solution was poured into each of the chalets, and then cast in an oven at 100 ° C. overnight. After casting, distilled water was poured into the chalette and the nanocomposite membrane was carefully removed from the chalette.

비교예Comparative Example 1 One

POSS-SA를 사용하지 않고 POSS-N을 sulfonated polyetheretherketone(sPEEK, 술폰화도(DS) 65)에 첨가하여 실시예 1과 같이 나노 복합막을 제조하였다. POSS-N was added to sulfonated polyetheretherketone (sPEEK, sulfonation degree (DS) 65) without using POSS-SA to prepare a nanocomposite membrane as in Example 1.

실험 : 이온전도도 측정Experiment: Ion conductivity measurement

비교예 1과 실시예 1에서 각각 수득한 복합막 샘플들의 두께를 측정한 후 Bekktech 사의 4 probe conductivity cell을 AC impedance와 연결한 후, 80℃/100% RH 조건에서 이온전도도를 측정하였다. 측정된 이온전도도를 도 1에 나타내었다.After measuring the thickness of the composite membrane samples obtained in Comparative Example 1 and Example 1, the ion conductivity was measured at 80 ° C / 100% RH after connecting 4 probe conductivity cells of Bekktech Co. with AC impedance. The measured ionic conductivity is shown in Fig.

실험 2 : 인장강도 측정Experiment 2: Measurement of tensile strength

실시예 1과 비교예 1의 막을 건조한 후, 상온에서 universal testing machine (UTM) 장비를 이용해, ASTM d882의 표준실험 방법에 따라 나노복합막의 기계적 강도를 측정하였다. 실시예 1과 비교예 1에서 수득한 나노복합막에 대한 인장강도를 측정한 후 도 2에 나타내었다.After drying the membrane of Example 1 and Comparative Example 1, the mechanical strength of the nanocomposite membrane was measured at room temperature using a universal testing machine (UTM) according to the standard method of ASTM d882. The tensile strength of the nanocomposite membrane obtained in Example 1 and Comparative Example 1 was measured and shown in FIG.

실험 3 : 연료전지 셀의 성능 비교Experiment 3: Performance comparison of fuel cell

상기 실시예 1 및 비교예 1 에서 제조된 나노복합막의 양면에 상업용 촉매전극 층을 핫-프레스 법으로 코팅하여 막-전극 어셈블리(Membrane-electrode assembly, MEA)를 각각 제조하였다.A commercial catalyst electrode layer was coated on both sides of the nanocomposite membrane prepared in Example 1 and Comparative Example 1 by a hot-press method to prepare a membrane-electrode assembly (MEA).

사용된 전극은 E-TEK Inc.로부터 입수가능한 단일면의 ELAT®전극으로, 음극에는 백금-루비듐 블랙(Pt-Ru black) 촉매를 사용하였고, 양극에는 백금 블랙 촉매를 사용하였다. 상기 핫-프레스에 사용된 조건은 140 ℃에서 5분동안 약 60kgf/㎠의 압력을 인가하는 것으로 고정하였다. 실리콘이 코팅된 유리섬유 가스켓을 막-전극 어셈블리 위, 아래에 위치시키고, 탄소 소재로 만든 집전판으로 압착 밀봉하여 단위 전지를 조립하였다.The electrode used was a single-sided ELAT (R) electrode available from E-TEK Inc., with a platinum-rubidium black catalyst on the anode and a platinum black catalyst on the anode. The conditions used for the hot-press were fixed by applying a pressure of about 60 kgf / cm &lt; 2 &gt; at 140 DEG C for 5 minutes. A silicon-coated glass fiber gasket was placed above and below the membrane-electrode assembly, and a unit cell was assembled by compression-sealing with a collector plate made of carbon material.

단위 전지 실험시 음극과 양극으로 유입되는 순수한 수소와 산소의 화학 양론비는 각각 2.0, 3.0으로 고정하였으며 유입되는 공급압은 30 psi하에서 실험하였으며, 전지의 성능을 80 ℃, 100% 가습조건에서 각각 측정하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. The stoichiometric ratios of pure hydrogen and oxygen introduced into the anode and cathode were fixed at 2.0 and 3.0, respectively. The inlet pressure was 30 psi and the performance of the cell was measured at 80 ℃ and 100% And the results are shown in Fig.

도 1을 참고하면, POSS-SA의 함량을 2 wt%로 고정하고 POSS-N의 함량을 0~1wt%로 변화시킬 때, POSS-N의 함량이 0.5wt%일 때 이온전도도가 0.12 S/cm로 가장 높았다.1, when the content of POSS-N is fixed to 2 wt% and the content of POSS-N is changed from 0 to 1 wt%, when the content of POSS-N is 0.5 wt%, the ion conductivity is 0.12 S / cm.

도 2는 POSS-N의 함량이 0.5wt%로 고정하고, POSS-SA 함량을 10wt%까지 높였을 때의 응력(stress)을 나타낸다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 실시예에서는 변형율(strain)이 80% 이상 120%까지 증가하여도 응력이 유지됨을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 나노 복합막은 상기 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)의 첨가에 따라 연성의 손실없이 인장 강도가 증가함을 보여준다.2 shows the stress when the content of POSS-N is fixed at 0.5 wt% and the content of POSS-SA is increased up to 10 wt%. Referring to FIG. 2, in the embodiment of the present invention, it is confirmed that the stress is maintained even when the strain is increased from 80% to 120%. That is, the nanocomposite membrane of the present invention shows that the addition of the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) increases the tensile strength without loss of ductility.

도 3은 실시예 1과 비교예 1에서 제조된 나노복합막을 활용하여 제조된 셀의 성능을 비교한 것이다. 도 3을 참고하면, 실시예 1에서 제조된 복합막을 이용한 경우 0.6V에서 120 A/cm2로 비교예 1(sPEEK 복합막)의 셀 성능 40 A/cm2에 비해 3배 이상 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 양이온 주게-받게를 통해 향상된 수소결합을 통해 쉽게 호핑되어 이온전도도가 크게 증가하기 때문이다FIG. 3 compares the performance of a cell fabricated using the nanocomposite membrane prepared in Example 1 and Comparative Example 1. FIG. Referring to FIG. 3, it can be seen that the cell performance of Comparative Example 1 (sPEEK composite membrane) was 3 times higher than that of 40 A / cm 2 when the composite membrane prepared in Example 1 was used at 0.6 V and 120 A / cm 2. This is because the ions are easily hopped through the hydrogen bond through the cation-acceptor and the ionic conductivity is greatly increased

지금까지 본 발명의 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본질적인 특성에 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention have been described. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

Claims (14)

프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)과 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)이 술폰화된 방향족 탄화수소 고분자막에 도입된 양성자 전도성 나노 복합막. Polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) with a proton donor and polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) with a proton acceptor are introduced into a sulfonated aromatic hydrocarbon polymer membrane Of proton conducting nanocomposite membrane. 제 1항에 있어서, 상기 탄화수소 고분자막은 술폰화 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyetheretherketone (sPEEK)), 술폰화 폴리에테르케톤(sulfonated polyetherketone (sPEK)), 술폰화 폴리에테르술폰(sulfonated polyethersulfone (sPES)) 및 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰(sulfonated polyarylethersulfone (sPAES))의 군에서 선택되며 나노채널을 갖는 술폰화된 방향족 탄화수소인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 나노 복합막.The method of claim 1, wherein the hydrocarbon polymer membrane is selected from the group consisting of a sulfonated polyetheretherketone (sPEEK), a sulfonated polyetherketone (sPEK), a sulfonated polyethersulfone (sPES) Wherein the proton conducting nanocomposite membrane is selected from the group of sulfonated polyarylethersulfone (sPAES) and is a sulfonated aromatic hydrocarbon having a nano channel. 제 1항에 있어서, 상기 술폰화된 방향족 탄화수소 고분자막은 술폰화도가 55~70%인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 나노 복합막.The proton-conducting nanocomposite membrane according to claim 1, wherein the sulfonated aromatic hydrocarbon polymer membrane has a sulfonation degree of 55 to 70%. 제 1항에 있어서, 상기 프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)과 상기 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)이 상기 나노 복합막에 1 ~ 5중량%로 함유되는 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 나노 복합막.The method of claim 1, wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton donor and the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton acceptor are Wherein the nanocomposite membrane comprises 1 to 5% by weight of the nanocomposite membrane. 제 4항에 있어서, 상기 프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)과 상기 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)이 중량비로 1 : 0.05~1로 함유되는 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 나노 복합막.The method according to claim 4, wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton donor and the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton acceptor are Wherein the proton conducting nanocomposite membrane is contained in a weight ratio of 1: 0.05 to 1. 제 1항에 있어서, 상기 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS) 입자의 사이즈가 1~3nm인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 나노 복합막.The proton-conducting nanocomposite membrane according to claim 1, wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) particles have a size of 1 to 3 nm. 제 1항에 있어서, 상기 프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)은 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 나노 복합막.
[화학식 1]
Figure 112015022701709-pat00007

상기 화학식 1에서, R이 프로톤 주게(proton donor)이고,
상기 R은 아세트산, 질산, 인산, 술폰산, 과염소산, 염산, 탄산 이들의 염 또는 이들을 포함하는 화합물이다.
The proton-conducting nanocomposite membrane according to claim 1, wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton donor is represented by the following formula (1).
[Chemical Formula 1]
Figure 112015022701709-pat00007

In the above formula (1), R is a proton donor,
The R is at least one selected from the group consisting of acetic acid, nitric acid, phosphoric acid, sulfonic acid, perchloric acid, hydrochloric acid,
제 7항에 있어서, 상기 R은 -R1-R2이고,
상기 R1은 (CH2)n(이때, n은 1 내지 6의 정수) 또는 페닐렌이고,
여기서, R2는 아세트산, 질산, 인산, 술폰산, 과염소산, 염산, 탄산 이들의 염 또는 이들을 포함하는 화합물인 양성자 전도성 나노 복합막.
8. The compound according to claim 7, wherein R is-R1-R2,
Wherein R1 is (CH2) n, wherein n is an integer from 1 to 6, or phenylene,
Herein, R 2 is a compound containing acetic acid, nitric acid, phosphoric acid, sulfonic acid, perchloric acid, hydrochloric acid, carbonic acid salt thereof, or a compound thereof.
제 7항에 있어서, 상기 프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)이 하기 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 나노 복합막.
[화학식 2]
Figure 112015022701709-pat00008

상기 식에서 R 중 적어도 하나는 SO3H이고, 상기 R은 16개까지 관능화될 수 있다.
The proton-conducting nanocomposite membrane according to claim 7, wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton donor is represented by the following formula (2).
(2)
Figure 112015022701709-pat00008

Wherein at least one of R is SO3H and the R can be functionalized up to 16.
제 1항에 있어서, 상기 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)이 하기 화학식 3으로 표시되는 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 나노 복합막.
[화학식 3]
Figure 112017032237559-pat00009

상기 화학식 3에서, 상기 A는 비공유 전자쌍을 갖는 질소, 산소, 인 황, 불소, 염소 원자를 함유하는 화합물이다.
The proton-conducting nanocomposite membrane according to claim 1, wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton acceptor is represented by the following formula (3).
(3)
Figure 112017032237559-pat00009

In Formula 3, A is a compound containing nitrogen, oxygen, phosphorus, fluorine and chlorine atoms having a non-covalent electron pair.
제 10항에 있어서, 상기 A는 -A1A2이고,
상기 A1은 (CH2)n(이때, n은 1 내지 6의 정수) 또는 페닐렌이고, A2는 NH2, NO3-, NH3, PH3, NH2-, Cl-, O2-, S2-, F- 이들의 염 또는 이들을 포함하는 화합물인 양성자 전도성 나노 복합막.
11. The compound according to claim 10, wherein A is -A1A2,
Wherein A1 is (CH2) n wherein n is an integer from 1 to 6 or phenylene and A2 is NH2, NO3-, NH3, PH3, NH2-, Cl-, O2-, S2-, Salt or a compound containing them.
제 1항에 있어서, 상기 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)이 하기 화학식 4로 표시되는 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 나노 복합막.
[화학식 4]
Figure 112017032237559-pat00010

상기 식에서 A 중 적어도 하나는 NH2이고, 상기 A는 16개까지 관능화될 수 있다.
The proton-conducting nanocomposite membrane according to claim 1, wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton acceptor is represented by the following formula (4).
[Chemical Formula 4]
Figure 112017032237559-pat00010

Wherein at least one of A is NH2 and A can be functionalized up to 16.
프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)과 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)을 술폰기를 갖는 방향족 탄화수소 고분자 용액에 혼합하는 단계 ; 및
상기 혼합용액을 캐스팅하고 용매를 제거하는 단계를 포함하는 양성자 전도성 나노 복합막 제조방법.
Polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) with a proton donor and polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) with a proton acceptor were synthesized in an aromatic hydrocarbon polymer solution having sulfone groups Mixing; And
Casting the mixed solution and removing the solvent.
제 13항에 있어서, 상기 프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)과 상기 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)을 상기 나노 복합막에 1 ~ 20중량%로 첨가시키되, 상기 프로톤 주게(proton donor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)과 상기 프로톤 받게(proton acceptor)를 갖는 폴리헤드럴 올리고메릭 실세스퀴옥산(POSS)을 중량비로 1 : 0.05~1로 첨가하는 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 나노 복합막 제조방법.The method according to claim 13, wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton donor and the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton acceptor are Wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having the proton donor and the polyhedral oligomeric oligomer having the proton acceptor are added to the nanocomposite membrane in an amount of 1 to 20 wt% Wherein the weight ratio of silsesquioxane (POSS) is 1: 0.05 to 1.
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