KR101821480B1 - 방향족 고리를 포함하는 화합물 및 이를 이용한 고분자 전해질막 - Google Patents

방향족 고리를 포함하는 화합물 및 이를 이용한 고분자 전해질막 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 방향족 고리를 포함하는 화합물, 이를 포함하는 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체, 상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료 전지 및 상기 고분자 전해질막을 포함하는 레독스 플로우 전지에 관한 것이다.

Description

방향족 고리를 포함하는 화합물 및 이를 이용한 고분자 전해질막{COMPOUND INCLUDING AROMATIC RING AND POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE USING THE SAME}
본 출원은 2015년 1월 27일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2015-0012806호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 명세서는 방향족 고리를 포함하는 화합물 및 이를 이용한 고분자 전해질막에 관한 것이다.
연료전지는 연료의 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다. 즉 연료전지는 연료가스와 산화제를 사용하고, 이들의 산화환원 반응 중에 발생하는 전자를 이용하여 전력을 생산하는 발전 방식이다. 연료전지의 막 전극 접합체(MEA)는 수소와 산소의 전기화학적 반응이 일어나는 부분으로서 캐소드와 애노드 그리고 전해질막, 즉 이온 전도성 전해질막으로 구성되어 있다.
레독스 플로우 전지(산화-환원 흐름 전지, Redox Flow Battery)란 전해액에 포함되어 있는 활성물질이 산화·환원되어 충전·방전되는 시스템으로 활성물질의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 저장시키는 전기화학적 축전 장치이다. 레독스 플로우 전지의 단위셀은 전극, 전해질 및 이온교환막(전해질막)을 포함한다.
연료전지 및 레독스 플로우 전지는 높은 에너지 효율성과 오염물의 배출이 적은 친환경적인 특징으로 인하여 차세대 에너지원으로 연구 개발되고 있다.
연료전지 및 레독스 플로우 전지에서 가장 핵심이 되는 구성요소는 양이온 교환이 가능한 고분자 전해질막으로서, 1) 우수한 양성자 전도도 2) 전해질의 크로스오버(Cross Over) 방지, 3) 강한 내화학성, 4) 기계적 물성 강화 및/또는 4) 낮은 스웰링 비(Swelling Ratio)의 특성을 갖는 것이 좋다. 고분자 전해질막은 불소계, 부분불소계, 탄화수소계 등으로 구분이 되며, 부분불소계 고분자 전해질막의 경우, 불소계 주 사슬을 가지고 있어 물리적, 화학적 안정성이 우수하며, 열적 안정성 높다는 장점이 있다. 또한, 부분불소계 고분자 전해질막은 불소계 고분자 전해질막과 마찬가지로 양이온 전달 관능기가 불소계 사슬의 말단에 붙어있어, 탄화수소계 고분자 전해질막과 불소계 고분자 전해질막의 장점을 동시에 가지고 있다.
연료전지 및/또는 레독스 플로우 전지는 저가습 조건에서 운전할 경우, 양극의 반응성이 향상되고 수막현상 및 촉매의 오염을 저감하는 등의 다양한 장점이 있다. 그러나, 일반적으로 사용되고 있는 고분자 전해질막의 경우, 저가습 조건에서 양이온 전도도 등의 물성이 감소하여 급격한 전지 성능 저하를 보인다는 문제점이 있다. 따라서, 이를 해결하기 위한 연구가 필요한 실정이다.
대한민국 공개공보 제2003-0076057호
본 명세서는 방향족 고리를 포함하는 화합물 및 이를 이용한 고분자 전해질막을 제공하고자 한다.
본 명세서의 일 실시상태는 하기 화학식 1로 표시되는 방향족 고리를 포함하는 화합물을 제공한다:
[화학식 1]
Figure 112016009064280-pat00001
상기 화학식 1에서,
Q는 하기 화학식 2 또는 3으로 표시되며,
[화학식 2]
Figure 112016009064280-pat00002
[화학식 3]
Figure 112016009064280-pat00003
m, n1 및 n2는 각각 0 내지 16의 정수이고,
m이 2 이상의 정수일 경우, 복수의 Q는 서로 같거나 상이하고,
R1 내지 R5 중 두 개 내지 네 개는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 히드록시기 또는 할로겐기이며, 나머지는 수소이며,
R6은 -SO3H, -SO3 -M+, -COOH, -COO-M+, -PO3H2, -PO3H-M+, -PO3 2-2M+ 및 하기 화학식 4로 표시되는 기로 이루어진 군에서 선택되고,
[화학식 4]
Figure 112016009064280-pat00004
상기 화학식 4에 있어서,
R7 내지 R11 중 적어도 하나는 -SO3H, -SO3 -M+, -COOH, -COO-M+, -PO3H2, -PO3H-M+ 및 -PO3 2-2M+으로 이루어진 군에서 선택되며, 나머지는 수소이며,
상기
Figure 112016009064280-pat00005
는 화학식 1의 Q에 결합되는 부위이고
M은 1족 원소이다.
본 명세서의 일 실시상태는 상기 화학식 1의 화합물로부터 유래되는 단량체를 포함하는 고분자를 제공한다.
본 명세서는 일 실시상태는 상기 화학식 1의 화합물로부터 유래되는 단량체를 포함하는 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막을 제공한다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는 애노드; 캐소드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 구비된 전술한 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체를 제공한다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는 2 이상의 전술한 막-전극 접합체;
상기 막-전극 접합체들 사이에 구비되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 스택;
상기 스택으로 연료를 공급하는 연료공급부; 및
상기 스택으로 산화제를 공급하는 산화제공급부를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는 또한,
양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극 셀;
음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극 셀; 및
상기 양극 셀과 상기 음극 셀 사이에 구비되는 전술한 고분자 전해질막을 포함하는 레독스 플로우 전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 화합물로부터 유래되는 단량체는 중합 반응 과정에서 높은 반응성을 제공한다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 화합물로부터 유래된 단량체를 포함하는 고분자를 이용하여 제조된 고분자 전해질막은 단위 구조 당 적어도 2개의 산단위를 가지기 때문에 높은 이온교환용량(IEC, ion exchange capacity) 값을 가지고, 그 결과, 고가습 및/또는 저가습 조건에서 이온 전도도가 향상될 수 있다.또한, 상기 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지 및/또는 레독스 플로우 전지는 내구성 및 효율이 우수하다.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 레독스 플로우 전지의 일반적인 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 연료전지의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하 본 명세서에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
일반적으로 사용되는 고분자 전해질막의 경우, 고가습 상태에서는 우수한 효율을 보이지만 저가습 조건에서는 양이온 전도도가 낮아지는 문제점이 있다. 그러나, 본 명세서에서는 전술한 화학식 1로 표시되는 화합물을 이용함으로써 상기 문제점을 개선할 수 있다.
구체적으로, 본 명세서에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 산(acid)으로 작용할 수 있는 디설폰아미드(disulfonamide, -SO2NHSO2-)를 포함하는 두개의 벤젠고리를 연결하는 링커와 상기 링커의 말단에 산(acid) 또는 적어도 1개의 산(acid)으로 치환된 벤젠고리를 포함한다. 상기 산(acid)은 이온 전달 관능기로서, -SO3H, -SO3 -M+, -COOH, -COO-M+, -PO3H2, -PO3H-M+ 및 -PO3 2-2M+으로 이루어진 군에서 선택된다. 따라서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체를 포함하는 중합체는 증가된 단위 유닛(unit)당 산의 개수를 보이며, 상기 중합체를 포함하는 고분자 전해질막의 이온교환용량(IEC)값이 증가될 수 있다. 결과적으로 상기 고분자 전해질막은 고가습 조건뿐만 아니라 저가습 조건에서도 우수한 양이온 전도도를 나타낼 수 있다.
기존에 사용되는 연료전지 및/또는 레독스 플로우 전지 고분자 전해질막용 탄화수소계 모노머는 이온전달관능기가 중합체 주쇄(main chain)의 벤젠고리에 직접 붙어 있거나, 카보닐 작용기(carbonyl group)을 통해 중합체 주쇄에서 떨어져 있는 부분이 대부분이다. 한편, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 고분자 전해질막용 모노머로 이용할 경우, 이온전달관능기가 중합체의 주쇄로부터 떨어져있어 친수성기(hydrophilic)끼리 뭉쳐 상분리가 더욱 효율적으로 일어나 결과적으로 고분자 전해질막의 기능성을 향상시킨다는 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서, 1족 원소인 M은 Li, Na 또는 K일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서, R1 내지 R5 중 두 개 내지 네 개는 할로겐기이고, 상기 할로겐기는 염소(Cl) 또는 불소(F)이다.
구체적으로, R1 내지 R5 중 두 개가 할로겐기인 경우, 2개의 할로겐기는 메타(meta) 관계일 수 있다. 이 경우, 중합 반응시 반응이 보다 효율적으로 진행되는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서, R1 및 R3은 할로겐기이고, R2, R4 및 R5는 수소이다. 이 경우, 설포닐기(-SO2-)의 전자 끌개 효과(electron withdrawing effect)로 인해, 중합 반응시 높은 반응성을 보인다는 장점이 있다. 상기 화학식 1에 있어서, R3 및 R5가 할로겐기이고, R1, R2 및 R4가 수소인 경우도 마찬가지이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서, R1 및 R5는 할로겐기이고, R2 내지 R4는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서, R1 및 R4는 할로겐기이고, R2, R3 및 R5는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서, R1 및 R4는 히드록시기이고, R2, R3 및 R5는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서, R2 및 R4는 히드록시기이고, R1, R3 및 R5는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서, R1 내지 R5 중 세 개는 할로겐기이고, 나머지는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서, R1, R2 및 R5는 할로겐기이고, R3 및 R4는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서, R1, R3 및 R5는 할로겐기이고, R2 및 R4는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서, R1 내지 R5 중 네 개는 할로겐기이고, 나머지는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서, R1, R2, R4 및 R5는 할로겐기이고, R3은 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1에 있어서, R6이 화학식 4이고, 상기 화학식 4의 R7 내지 R9가 두개의 벤젠고리를 이어주는 링커(-SO2NHSO2-)와의 관계에서 오르쏘(ortho) 및/또는 파라(para)에 위치한다. 두개의 벤젠고리를 이어주는 링커는 전자 끌개 효과(electron withdrawing effect)를 보이는 작용기 및/또는 헤테로원자를 포함하며, 이들에 대하여 오르쏘(ortho) 및/또는 파라(para)위치에 있는 이온 전달 관능기(R7 내지 R11)의 산도가 증가한다. 결과적으로, 이를 포함하는 고분자를 포함하는 고분자 전해질막은 향상된 양이온 전도도를 보일 수 있다는 장점이 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 화학식 4에 있어서, R7 내지 R11 중 적어도 하나는 이온 전달 관능기이며, 상기 이온 전달 관능기는 두개의 벤젠고리를 연결시켜주는 링커(-S02NHSO2-)와의 관계에서 오르쏘(ortho) 및/또는 파라(para)에 위치한다. 전술한 바와 같이, 이온 전달 관능기가 오르쏘(ortho) 및/또는 파라(para)에 위치함으로써, 중합 반응시 향상된 반응성을 보일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 4에 있어서, R7 내지 R11 중 적어도 하나는 -SO3H 또는 -SO3 -M+이다. 바람직하게는 상기 화학식 4에 있어서, R7, R9 및 R11 중 적어도 하나는 -SO3H 또는 -SO3 -M+이다. 술폰산기는 1 mole당 최대 약 10 mole의 물을 흡수하여, 약 0.1 Scm-1의 높은 양성자 전도율을 나타낸다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기의 구조들 중 선택되는 어느 하나일 수 있다.
Figure 112016009064280-pat00006
Figure 112016009064280-pat00007
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 후술하는 제조예를 기초로 제조될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체를 포함하는 중합체를 제공한다. 상기의 단량체는 전술한 바와 같이 중합 반응시 향상된 반응성을 보인다는 장점이 있다.
본 명세서에 있어서, "단량체"는 화합물이 중합반응에 의해서 중합체 내에서 2가기 이상의 형태로 포함되는 구조를 의미한다. 구체적으로, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체는 하기와 같은 구조를 가질 수 있다. 다만, 이에 의하여 한정되는 것은 아니다.
Figure 112016009064280-pat00008
본 명세서의 일 실시상태에 따른 상기 중합체는 전술한 바와 같이, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체를 포함한다. 이로 인하여, 중합체 내에서 이온전달관능기가 펜던트(pendant) 형태로 존재하기 때문에 중합체 내에서 이온전달관능기들끼리 잘 모여 상분리가 용이해서 이온 채널을 쉽게 형성하고, 결과적으로 상기 중합체를 포함하는 고분자 전해질막의 이온전도도가 향상되는 효과를 구현할 수 있다. 또한, 단량체 단위구조 당 적어도 2개의 산 단위(acid unit)을 포함하기 때문에 이온 전도도 향상의 효과가 더욱 우수하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중합체는 랜덤 중합체일 수 있다. 이 경우, 간단한 중합 방법으로 높은 분자량을 갖는 중합체를 얻을 수 있다.
이 때, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체는 상기 중합체를 포함하는 고분자 전해질막의 이온 전도도를 조절하는 역할을 하고, 랜덤 형태로 중합되는 나머지 비율의 공단량체는 기계적 강도를 향상시키는 역할을 한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체는 전체 중합체의 0.1 몰% 내지 100 몰%로 포함될 수 있다. 구체적으로 중합체는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체만을 포함한다. 또 다른 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체 이외의 제2 단량체를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체의 함량은 0.5 몰% 내지 65 몰%인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 5 몰% 내지 65 몰%일 수 있다. 상기 범위 내의 화합물로부터 유래되는 단량체를 포함하는 중합체는 기계적 강도와 높은 이온 전도도를 갖는다.
상기 제2 단량체는 당 기술분야에 알려져 있는 것들이 사용될 수 있다. 이때, 제2 단량체는 1종류 또는 2종류 이상이 사용될 수 있다.
상기 제2 단량체의 예로는 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 또는 이들의 염기를 구성하는 단량체가 사용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중합체 중 상기 제2 단량체인 공단량체의 함량은 0 중량% 초과 99.9 중량% 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중합체가 상기 제2 단량체를 포함하는 경우, 상기 중합체는 랜덤 중합체일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중합체는 하기 화학식 5로 표시된다.
[화학식 5]
Figure 112016009064280-pat00009
상기 화학식 5에 있어서,
상기 p 및 q는 각각 0 초과 1 미만이며, p+q=1이다.
본 명세서의 일 실시상태는 또한, 상기의 중합체를 포함하는 고분자 전해질막을 제공한다. 상기 고분자 전해질막은 전술한 효과를 나타낼 수 있다.
본 명세서에서 "전해질막"은 이온을 교환할 수 있는 막으로서, 막, 이온교환막, 이온전달막, 이온 전도성 막, 분리막, 이온교환 분리막, 이온전달 분리막, 이온 전도성 분리막, 이온 교환 전해질막, 이온전달 전해질막 또는 이온 전도성 전해질막 등을 포함한다.
본 명세서에 따른 고분자 전해질막은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체를 포함하는 것을 제외하고는 당 기술분야에 알려진 재료 및/또는 방법이 이용되어 제조될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고분자 전해질막의 이온교환용량(IEC) 값은 0.01 mmol/g 내지 7 mmol/g 이다. 상기 이온교환용량값의 범위를 갖는 경우에는 상기 고분자 전해질막에서의 이온 채널이 형성되고, 중합체가 이온 전도도를 나타낼 수 있다.
또 하나의 일 실시상태에 따르면, 상기 고분자 전해질막에 포함되는 중합체의 중량평균분자량은 500 이상 5,000,000 이하 (g/mol)일 수 있고, 구체적으로 20,000 이상 2,000,000 이하 (g/mol)일 수 있다.
상기 공중합체의 중량평균분자량이 500 이상 5,000,000 이하(g/mol)일 때, 전해질막의 기계적 물성이 저하되지 않고, 적절한 고분자의 용해도를 유지하여 전해질막의 제작을 용이하게 할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해질막의 두께는 1 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있고, 구체적으로 5 ㎛ 내지 200 ㎛일 수 있다. 전해질막의 두께가 1 ㎛ 내지 500 ㎛일 때, 전기적 쇼트(Electric Short) 및 전해질 물질의 크로스오버(Cross Over)를 저하시키고, 우수한 양이온 전도도 특성을 나타낼 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고분자 전해질막의 이온 전도도는 0.001 S/cm 이상 0.5 S/cm 이하일 수 있으며, 구체적으로, 0.01 S/cm 이상 0.5 S/cm 이하일 수 있다.
또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 고분자 전해질막의 이온 전도도는 가습 조건에서 측정될 수 있다. 가습조건이란 풀(full) 가습 조건을 의미할 수도 있고, 상대 습도(RH) 10% 내지 100% 를 의미할 수도 있으며, 상대 습도(RH) 30% 내지 100%를 의미할 수도 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고분자 전해질막의 이온 전도도는 0.001 S/cm 이상 0.5 S/cm 이하일 수 있으며, 상대 습도(RH) 10% 내지 100% 에서 측정될 수 있다. 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 고분자 전해질막의 이온 전도도는 0.01 S/cm 이상 0.5 S/cm 이하일 수 있으며, 상대 습도(RH) 30% 내지 100% 에서 측정될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고분자 중의 적어도 일부가 금속염의 형태일 수 있다. 또한, 상기 금속염은 산의 형태로 치환될 수 있다.
구체적으로, 상기 화학식 1에서 R8이 -SO3 -M+, -COO-M+, -PO3H-M+, 또는 -PO3 2-2M+인 고분자에 산 용액을 가하여 금속 M 대신 H(수소)로 치환된 고분자를 포함하는 전해질막을 형성할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 산 처리에 사용되는 일반적인 산 용액일 수 있으며, 구체적으로 염산 또는 황산일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 산 용액의 농도는 0.1M 이상 10M 이하일 수 있고, 구체적으로 1M 이상 2M 이하일 수 있다. 상기 산 용액의 농도가 0.1M 이상 10M 이하일 때, 전해질막의 손상 없이 M 대신 수소로 용이하게 치환할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태는 또한, 애노드; 캐소드; 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 구비된 전술한 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체를 제공한다.
막-전극 접합체(MEA)는 연료와 공기의 전기화학 촉매 반응이 일어나는 전극(캐소드와 애노드)과 수소 이온의 전달이 일어나는 고분자 막의 접합체를 의미하는 것으로서, 전극(캐소드와 애노드)과 전해질막이 접착된 단일의 일체형 유니트(unit)이다.
본 명세서의 상기 막-전극 접합체는 애노드의 촉매층과 캐소드의 촉매층이 전해질막에 접촉하도록 하는 형태로서, 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 일례로, 상기 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 밀착시킨 상태에서 100℃ 내지 400℃로 열압착하여 제조될 수 있다.
애노드 전극은 애노드 촉매층과 애노드 기체확산층을 포함할 수 있다. 애노드 기체확산층은 다시 애노드 미세 기공층과 애노드 전극 기재를 포함할 수 있다.
캐소드 전극은 캐소드 촉매층과 캐소드 기체확산층을 포함할 수 있다. 캐소드 기체확산층은 다시 캐소드 미세 기공층과 캐소드 전극 기재를 포함할 수 있다.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막 전극 접합체(MEA)인데, 이는 전해질막(100)과 이 전해질막(100)의 양면에 형성되는 애노드(200a) 및 캐소드(200b) 전극으로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 애노드(200a)에서는 수소 또는 메탄올, 부탄과 같은 탄화수소 등의 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생하고, 수소 이온은 전해질막(100)을 통해 캐소드(200b)로 이동한다. 캐소드(200b)에서는 전해질막(100)을 통해 전달된 수소 이온과, 산소와 같은 산화제 및 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.
상기 애노드 전극의 촉매층은 연료의 산화 반응이 일어나는 곳으로, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 캐소드 전극의 촉매층은 산화제의 환원 반응이 일어나는 곳으로, 백금 또는 백금-전이금속 합금이 촉매로 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 촉매들은 그 자체로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다.
촉매층을 도입하는 과정은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 수행할 수 있는데, 예를 들면 촉매 잉크를 전해질막에 직접적으로 코팅하거나 기체확산층에 코팅하여 촉매층을 형성할 수 있다. 이때 촉매 잉크의 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 블레이드 코팅, 다이 코팅 또는 스핀 코팅 방법 등을 사용할 수 있다. 촉매 잉크는 대표적으로 촉매, 폴리머 이오노머(polymer ionomer) 및 용매로 이루어질 수 있다.
상기 기체확산층은 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물의 이동 통로가 되는 것으로, 다공성의 구조를 가진다. 따라서, 상기 기체확산층은 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다. 도전성 기재로는 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천공(carbon cloth) 또는 탄소 펠트(carbon felt)가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 기체확산층은 촉매층 및 도전성 기재 사이에 미세기공층을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 미세기공층은 저가습 조건에서의 연료전지의 성능을 향상시키기 위하여 사용될 수 있으며, 기체확산층 밖으로 빠져나가는 물의 양을 적게하여 전해질막이 충분한 습윤상태에 있도록 하는 역할을 한다.
본 명세서의 일 실시상태는 2 이상의 전술한 막-전극 접합체; 상기 막-전극 접합체들 사이에 구비되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 스택; 상기 스택으로 연료를 공급하는 연료공급부; 및 상기 스택으로 산화제를 공급하는 산화제공급부를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 전해질막을 연료전지의 이온교환막으로 사용하였을 때 전술한 효과를 나타낼 수 있다.
연료전지는 연료의 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다. 즉 연료전지는 연료가스와 산화제를 사용하고, 이들의 산화환원 반응 중에 발생하는 전자를 이용하여 전력을 생산하는 발전 방식이다.
연료전지는 전술한 막-전극 접합체(MEA)를 사용하여 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기에서 제조된 막-전극 접합체(MEA)와 바이폴라 플레이트(bipolar plate)로 구성하여 제조될 수 있다.
본 명세서의 연료전지는 스택, 연료공급부 및 산화제공급부를 포함하여 이루어진다.
도 3은 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지는 스택(60), 산화제 공급부(70) 및 연료 공급부(80)를 포함하여 이루어진다.
스택(60)은 상술한 막 전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막 전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는 막 전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막 전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.
산화제 공급부(70)는 산화제를 스택(60)으로 공급하는 역할을 한다. 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 산화제 공급부(70)로 주입하여 사용할 수 있다.
연료 공급부(80)는 연료를 스택(60)으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료 탱크(81)에 저장된 연료를 스택(60)으로 공급하는 펌프(82)로 구성될 수 있다. 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있다. 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.
상기 연료전지는 고분자 전해질 연료전지, 직접 액체 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 직접 개미산 연료전지, 직접 에탄올 연료전지, 또는 직접 디메틸에테르 연료전지 등이 가능하다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는 양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극 셀; 음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극 셀; 및 상기 양극 셀과 상기 음극 셀 사이에 구비되는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고분자 전해질막을 포함하는 레독스 플로우 전지를 제공한다.
레독스 플로우 전지(산화-환원 흐름 전지, Redox Flow Battery)는 전해액에 포함되어 있는 활성물질이 산화·환원되어 충전·방전되는 시스템으로 활성물질의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 저장시키는 전기화학적 축전 장치이다. 레독스 플로우 전지는 산화상태가 다른 활성물질을 포함하는 전해액이 이온교환막을 사이에 두고 만날 때 전자를 주고받아 충전과 방전이 되는 원리를 이용한다. 일반적으로 레독스 플로우 전지는 전해액이 담겨있는 탱크와 충전과 방전이 일어나는 전지 셀, 그리고 전해액을 탱크와 전지 셀 사이에 순환시키기 위한 순환펌프로 구성되고, 전지 셀의 단위셀은 전극, 전해질 및 이온교환막을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 전해질막을 레독스 플로우 전지의 이온교환막으로 사용하였을 때 전술한 효과를 나타낼 수 있다.
본 명세서의 레독스 플로우 전지는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고분자 전해질막을 포함하는 것을 제외하고는, 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 레독스 플로우 전지는 전해질막(31)에 의해 양극 셀(32)과 음극 셀(33)로 나뉘어진다. 양극 셀(32)과 음극 셀(33)은 각각 양극과 음극을 포함한다. 양극 셀(32)은 파이프를 통해 양극 전해액(41)을 공급 및 방출하기 위한 양극 탱크(10)에 연결되어 있다. 음극 셀(33) 또한, 파이프를 통해 음극 전해액(42)을 공급 및 방출하기 위한 음극 탱크(20)에 연결되어 있다. 전해액은 펌프(11, 21)를 통해 순환되고, 이온의 산화수가 변화되는 산화/환원 반응(즉, 레독스 반응)이 일어남으로써 양극과 음극에서 충전 및 방전이 일어난다.
본 명세서의 일 실시상태는 또한, 상기 전해질막의 제조방법을 제공한다. 상기 전해질막의 제조방법은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체를 포함하는 중합체를 포함하는 것을 제외하고는 당 기술분야의 재료 및/또는 방법이 이용되어 제조될 수 있다. 예컨대, 상기 중합체를 용매에 가하여 중합체 용액을 만든 후, 용매 캐스팅 방법을 이용하여 제막함으로서 고분자 전해질막을 제조할 수 있다.
<제조예 1> 4-(N-((2,4-difluorophenyl)sulfonyl)sulfamoyl)benzenesulfonyl chloride의 제조
Figure 112016009064280-pat00010
2,4-difluorobenzenesulfonamide 12.28g (63.6 mmol)을 Acetonitrile 180ml에 녹인 후 1,4-benzenedisulfonyl chloride 20.99g (76.3 mmol)을 첨가하고 반응물을 0 ℃로 냉각 시켰다. 0 ℃에서 반응물에 Et3N 26.6ml (0.19 mol)을 천천히 적가한 후 서서히 실온으로 승온하여 1 내지 2시간 가량 교반하였다. 감압 증류하여 용매를 제거하여 얻은 crude 화합물을 에틸아세테이트에 녹인 후 1N HCl로 수차례 세척하여 Et3N을 제거하였다. 유기층을 분리하여 MgSO4로 건조하고 증류시킨 후 메텔렌 클로라이드 : 아세톤 = 2 : 1 을 이용하여 컬럼크로마토그래피로 분리 정제하여 상기의 화합물 24.98g (91%)을 얻었다.
1H NMR (500MHz,DMSO-D6) δ 8.05 (4H,m), 7.76 (1H,m), 7.17 (2H,m), 6.93 (1H,m)
Mass 432 (M+H)
<제조예 2> 4-(N-((2,4-difluorophenyl)sulfonyl)sulfamoyl)benzenesulfonic acid의 제조
Figure 112016009064280-pat00011
제조예 1에서 얻어진 4-(N-((2,4-difluorophenyl)sulfonyl)sulfamoyl)benzene sulfonyl chloride 24.98g (57.8 mmol)을 1,4-Dioxane 200ml에 녹인 후 10% HCl 200ml을 첨가하고 100℃로 가열하였다. 반응물을 100℃ 에서 16시간 동안 교반한 후 실온으로 냉각하고 감압 증류로 모든 용매를 제거 하였다. 이때 얻어진 crude 화합물을 H2O에 녹인 후 불순물을 제거하기 위해 CH2Cl2로 수차례 세척하고 남은 물층을 다시 감압 증류 하였다. CH2Cl2에 화합물을 녹인 후 n-Hexane에 서서히 적가하여 얻은 고체상의 화합물을 여과하고 N2 gas하에서 건조하여 상기의 화합물 20.14g (84.2%)을 얻었다.
1H NMR (500MHz,DMSO-D6) δ 8.50 (1H,br), 8.15 (2H,m), 8.05 (2H,m), 7.76 (1H,m), 7.17 (2H,m), 6.93 (1H,m)
Mass 414 (M+H)
<실시예 1> 랜덤 중합체의 합성
Figure 112016009064280-pat00012
각각의 모노머 및 탄산칼륨 (K2CO3: 몰 비 4)를 NMP 20 wt % 비율과 벤젠 20 wt % 비율로 혼합하여, 140 ℃에서 4시간, 180 ℃에서 16시간 중합하여 상기 중합체를 제조하였다.
상기 p 및 q는 각각 0 초과 1 미만이며, p+q=1이다.
얻어진 중합체를 이용하여 전해질막을 제조하고 GPC를 통해 분자량을 측정하고 순수막의 양이온 전도도 및 이온교환용량 (IEC)를 측정한 결과를 기재하였다.
Mn (g/mol) Mw (g/mol) Mw/Mn 이온전도도 (S/m) IEC
실시예 1 42,000 312,000 7.43 0.137 2.04
<비교예 1>
실시예 1과 같은 방법으로 술폰산의 위치가 디설폰아미드(disulfonamide, -SO2NHSO2-) linker를 기준으로 메타위치에 있는 모노머를 이용하여 중합체를 제조하였다. 중합체를 이용하여 전해질막을 제조하고 순수막의 양이온 전도도 및 이온교환용량 (IEC)를 측정한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
전해질막 이온전도도(S/m) IEC
실시예 1 0.137 2.04
비교예 1 0.096 2.02
상기 표 2의 결과로 보아, 벤젠 고리에 있는 술폰산의 위치가 디설폰아미드(disulfonamide, -SO2NHSO2-) linker를 기준으로 메타위치에 있는 것보다 파라위치에 있는 고분자를 이용한 순수막의 양이온 전도도가 같은 조건에서 훨씬 높아 전해질막의 성능이 향상됨을 알 수 있었다.
100: 전해질 막
200a: 애노드
200b: 캐소드
10, 20: 탱크
11, 21: 펌프
31: 전해질막
32: 양극 셀
33: 음극 셀
41: 양극 전해액
42: 음극 전해액
60: 스택
70: 산화제 공급부
80: 연료 공급부
81: 연료 탱크
82: 펌프

Claims (16)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 방향족 고리를 포함하는 화합물:
    [화학식 1]
    Figure 112017072577459-pat00013

    상기 화학식 1에서,
    Q는 하기 화학식 2 또는 3으로 표시되며,
    [화학식 2]
    Figure 112017072577459-pat00014

    [화학식 3]
    Figure 112017072577459-pat00015

    m은 0이고,
    R1 내지 R5 중 두 개 내지 네 개는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 F 또는 Cl이며, 나머지는 수소이고,
    R6은 하기 화학식 4로 표시되고,
    [화학식 4]
    Figure 112017072577459-pat00016

    상기 화학식 4에 있어서,
    R7 내지 R11 중 적어도 하나는 -SO3H이며, 나머지는 수소이고,
    상기
    Figure 112017072577459-pat00017
    는 화학식 1의 Q에 결합되는 부위이다.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 R1 내지 R5 중 두 개는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 F 또는 Cl이고, 나머지는 수소인 것인 화합물.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 R1 내지 R5 중 세 개는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 F 또는 Cl이고, 나머지는 수소인 것인 화합물.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 R1 내지 R5 중 네 개는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 F 또는 Cl이고, 나머지는 수소인 것인 화합물.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물이 하기의 구조들 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 화합물:
    Figure 112017072577459-pat00018

    Figure 112017072577459-pat00019

    Figure 112017072577459-pat00020
  7. 청구항 1 내지 4 및 6 중 어느 하나의 화합물로부터 유래되는 단량체를 포함하는 중합체.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 중합체는 하기 화학식 5로 표시되는 것인 중합체:
    [화학식 5]
    Figure 112016009064280-pat00028

    상기 화학식 5에 있어서,
    상기 p 및 q는 각각 0 초과 1 미만이며, p+q=1이다.
  9. 청구항 7의 중합체를 포함하는 고분자 전해질막.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 이온교환용량(IEC) 값이 0.01 mmol/g 내지 7 mmol/g인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 중합체의 중량평균분자량이 500 이상 5,000,000 이하 (g/mol)인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 두께가 1㎛ 이상 500㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.
  13. 청구항 9에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 이온 전도도가 0.01 S/m 이상 0.5 S/m 이하인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.
  14. 애노드; 캐소드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 구비된 청구항 9의 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체.
  15. 2 이상의 청구항 14에 따른 막-전극 접합체;
    상기 막-전극 접합체들 사이에 구비되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 스택;
    상기 스택으로 연료를 공급하는 연료공급부; 및
    상기 스택으로 산화제를 공급하는 산화제공급부를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지.
  16. 양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극 셀;
    음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극 셀; 및
    상기 양극 셀과 상기 음극 셀 사이에 구비되는 청구항 9의 고분자 전해질막을 포함하는 레독스 플로우 전지.
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