KR102293505B1 - Solid electrolyte membrane comprising porous organic polymer improved in hydrogen ion conductivity, and method of preparing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 이온 전도성이 향상된 다공성 유기 고분자를 포함하는 고체 전해질막 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 양성자 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)에서 전극 전해질 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)의 고체 전해질로 활용 가능한, 수소 이온 전도성이 향상된 다공성 유기 고분자, 이를 포함하는 고체 전해질막 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 수소 이온 전도성이 향상된 다공성 유기 고분자를 포함하는 고체 전해질용 조성물, 이를 포함하는 고체 전해질막 및 이들의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따라 황산이 첨가된 다공성 유기 고분자 및 이를 포함하는 고체 전해질막은 합성이 용이할 뿐만 아니라, 현저하게 높은 수소 이온 전도성과 낮은 활성화 에너지를 가지는바, 양성자 교환막 연료전지에 유용하게 활용될 수 있다.
The present invention relates to a solid electrolyte membrane comprising a porous organic polymer having improved hydrogen ion conductivity and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an electrode electrolyte assembly in a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). , MEA), a porous organic polymer with improved hydrogen ion conductivity that can be used as a solid electrolyte, a solid electrolyte membrane comprising the same, and a method for manufacturing the same.
The present invention relates to a composition for a solid electrolyte comprising a porous organic polymer having improved hydrogen ion conductivity, a solid electrolyte membrane comprising the same, and a method for manufacturing the same. The electrolyte membrane is not only easy to synthesize, but also has remarkably high hydrogen ion conductivity and low activation energy, so it can be usefully used in a proton exchange membrane fuel cell.

Figure 112019038454334-pat00003
Figure 112019038454334-pat00003

Description

수소 이온 전도성이 향상된 다공성 유기 고분자를 포함하는 고체 전해질막 및 이의 제조방법{Solid electrolyte membrane comprising porous organic polymer improved in hydrogen ion conductivity, and method of preparing the same}Solid electrolyte membrane comprising porous organic polymer improved in hydrogen ion conductivity, and method of preparing the same

본 발명은 수소 이온 전도성이 향상된 다공성 유기 고분자를 포함하는 고체 전해질막 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 양성자 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)에서 전극 전해질 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)의 고체 전해질로 활용 가능한, 수소 이온 전도성이 향상된 다공성 유기 고분자, 이를 포함하는 고체 전해질막 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solid electrolyte membrane comprising a porous organic polymer having improved hydrogen ion conductivity and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an electrode electrolyte assembly in a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). , MEA), a porous organic polymer with improved hydrogen ion conductivity that can be used as a solid electrolyte, a solid electrolyte membrane comprising the same, and a method for manufacturing the same.

1960년대에 듀폰사에서 개발한 나피온(Nafion)은 지금까지 양성자 교환막 연료전지 분야에서 기준 물질로 활용되고 있으며, 최근에도 연구되고 있는 대표적인 물질이다. 나피온은 수분 조건에서 0.1 S/cm라는 높은 수소 이온 전도성 값을 보이지만 고온에서 성능 저하가 발생하는 등의 단점으로 인하여 이를 대체할 수 있는 소재에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.Nafion, developed by DuPont in the 1960s, has been used as a reference material in the field of proton exchange membrane fuel cells so far, and is a representative material that is being studied recently. Nafion shows a high hydrogen ion conductivity value of 0.1 S/cm under moisture conditions, but due to disadvantages such as performance degradation at high temperatures, research on alternative materials is being actively conducted.

한편, 다공성 유기 고분자는 최근 활발히 연구되고 있는 소재로 합성에 이용된 유기 단위체에 따라 넓은 비표면적을 지닌 다양한 구조가 가능하여 많은 분야에서 주목을 받고 있다. 특히 해당 소재와 여러 상용 고분자를 혼합한 막 제조 연구는 다양한 분야에 활용 가능성이 높아 활발히 연구되고 있으나 아직은 기초적인 단계에 머무르고 있는 실정이다.On the other hand, porous organic polymers are a material that has been actively studied in recent years, and various structures with a large specific surface area are possible depending on the organic unit used for synthesis, and thus attracting attention in many fields. In particular, research on membrane manufacturing by mixing the material and various commercial polymers is being actively studied due to its high potential for application in various fields, but it is still at a basic stage.

최근에는 다공성 유기 고분자를 연료전지용 전해질 물질로 활용하기 위한 연구들이 진행되고 있으나, 아직까지 분말 형태의 시료들에 대해서만 연구가 진행되었고, 막 형태로 활용하여 전해질 막으로서의 가능성을 보고한 예는 거의 없다. 실제 연료전지 구동을 위해선 막 형태의 전해질이 훨씬 활용성이 높기 때문에, 다공성 유기 고분자의 분말 형태를 전해질 막 형태로 변환하는 것은 연료전지의 적용 관점에서 매우 중요하다.Recently, studies have been conducted to utilize porous organic polymers as electrolyte materials for fuel cells, but studies have been conducted only on samples in powder form so far, and there are few examples that report their potential as electrolyte membranes by using them in the form of membranes. . In order to actually drive a fuel cell, since the electrolyte in the form of a membrane is much more useful, it is very important from the viewpoint of application of the fuel cell to convert the powder form of the porous organic polymer into the form of an electrolyte membrane.

따라서, 다공성 유기 고분자를 이용하여 높은 수소 이온 전도성을 지니면서도 수분과 온도에 안정한 새로운 전해질막 제조 기술이 요구되고 있다.Therefore, there is a demand for a new electrolyte membrane manufacturing technology that is stable to moisture and temperature while having high hydrogen ion conductivity using a porous organic polymer.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 황산이 첨가되어 높은 수소 이온 전도성과 낮은 활성화 에너지를 지니는 다공성 유기 고분자, 상기 다공성 유기 고분자 기반의 고체 전해질막 및 이들의 제조방법을 제공하고자 한다. The present invention has been devised to solve the above problems. In the present invention, sulfuric acid is added to a porous organic polymer having high hydrogen ion conductivity and low activation energy, a solid electrolyte membrane based on the porous organic polymer, and a method for manufacturing the same would like to provide

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 황산; 및 하기 [화학식 1]로 표시되는 다공성 유기 고분자 골격체:를 포함하는 고체 전해질용 조성물 및 이의 제조방법을 제공한다:The present invention, sulfuric acid; and a porous organic polymer skeleton represented by the following [Formula 1]: It provides a composition for a solid electrolyte comprising:

[화학식 1][Formula 1]

[C8H5O2·S0. 47O1 .41]n·0.5H2O [C 8 H 5 O 2 · S 0. 47 O 1 .41] n · 0.5H 2 O

상기 n은 1 내지 100의 정수이다.Wherein n is an integer from 1 to 100.

또한, 본 발명은 상기 고체 전해질용 조성물; 및 상기 고체 전해질용 조성물이 분산된 고분자 필름;을 포함하는 고체 전해질막 및 이의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention is the composition for the solid electrolyte; and a polymer film in which the composition for a solid electrolyte is dispersed.

본 발명은 수소 이온 전도성이 향상된 다공성 유기 고분자를 포함하는 고체 전해질용 조성물, 이를 포함하는 고체 전해질막 및 이들의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따라 황산이 첨가된 다공성 유기 고분자 및 이를 포함하는 고체 전해질막은 합성이 용이할 뿐만 아니라, 현저하게 높은 수소 이온 전도성과 낮은 활성화 에너지를 가지는바, 양성자 교환막 연료전지에 유용하게 활용될 수 있다.The present invention relates to a composition for a solid electrolyte comprising a porous organic polymer having improved hydrogen ion conductivity, a solid electrolyte membrane comprising the same, and a method for manufacturing the same. The electrolyte membrane is not only easy to synthesize, but also has remarkably high hydrogen ion conductivity and low activation energy, so it can be usefully used in a proton exchange membrane fuel cell.

도 1은 본 발명에 따라 기공 내에 황산이 함침된 다공성 유기 고분자 골격체를 포함하는 고체 전해질용 조성물(1S1M, 1S2M, 및 1S3M), 다공성 유기 고분자 골격체가 분산된 고분자(PVDF) 필름을 포함하는 고체 전해질막(1S50P, 1S60P), 및 기공 내에 황산이 함침된 다공성 유기 고분자 골격체를 포함하는 고체 전해질용 조성물이 분산된 고분자(PVDF) 필름을 포함하는 고체 전해질막(1S1MP, 1S2MP 및 1S3MP)의 제조 과정을 도식화한 것이다.
도 2의 (a)는 본 발명에 따라 제조된 1S, 1S1M, 1S2M, 및 1S3M의 수증기 등온선(Water vapor isotherms)이고, (b)는 1S1M의 90% RH 및 다양한 온도 범위에서의의 나이퀴스트 플롯(Nyquist plots)이며,(c)는 1S1M의 활성화 에너지(Activatiovn energy)를 나타낸 것이고, (d)는 종래 보고된 고체 전해질의 활성화 에너지들과 비교 결과를 나타낸 다이어그램이다(> 0.01 S cm-1 & < 0.35 eV). (1S1M: red, BUT-8(Cr)a: black, 1ES: green, PCMOF21 /2(Pz): blue, TfOH@MIL-101: magenta, PCMOF21 /2(tz): yellow, UiO-66(SO3H)2: dark yellow, 1S: navy, HOF-GS-11: purple, H+@Ni2(dobdc)(H2O)2 (pH = 2.4): wine, H+@Ni2(dobdc)(H2O)2 (pH = 1.8): olive, PCMOF21/2: dark cyan, Nafion: royal, BUT-8(Cr): orange, MIL-101-SO3H: violet, Fe-CAT-5: pink, H3PO4@MIL-10141: gray
도 3의 (a)는 본 발명에 따라 제조된 1S60P의 광학 이미지이고, (b)는 1S50P, 1S60P의 수증기 등온선(Water vapor isotherms)이며, (c)는 1S60P의 90% RH 및 다양한 온도 범위에서의의 나이퀴스트 플롯(Nyquist plots)이고, (d)는 1S50P, 1S60P의 활성화 에너지(Activatiovn energy)를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 1S3MP의 이미지이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 1S1MP, 1S2MP, 1S3MP의 90% RH 및 다양한 온도 범위에서의의 나이퀴스트 플롯(Nyquist plots) 및 이들의 활성화 에너지를 측정한 결과를 나타낸 것이다(30 ℃:black, 40 ℃:red, 50 ℃:blue, 60 ℃:magenta, 70 ℃:navy, 및 80 ℃:purple).
도 6은 본 발명에 따라 제조된 1S3MP에 대해 80 ℃ 및 90% RH에서10일동안의 수소 이온 전도도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따라 제조된 1S1M, 1S2M, 및 1S3M의 IR 스펙트럼 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 화합물 1S, 본 발명에 따라 제조된 1S1M 및 1S2M에 대한 Solid-state 13C NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 따라 제조된 1S1M, 1S2M, 및 1S3M의 SEM 이미지이다(x 5,000, x 10,000, 및 x 25,000).
도 10은 화합물 1S, PVDF 및 본 발명에 따라 제조된 1S50P와 1S60P의 IR 스펙트럼 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명에 따라 제조된 1S50P와 1S60P의 XPS 분석 결과이다.
도 12는 본 발명에 따라 제조된 1S50P(a)와 1S60P(b)의 EDX 스펙트럼 분석 결과이다.
도 13은 본 발명에 따라 제조된 1S50P의 SEM 이미지이다.
도 14는 본 발명에 따라 제조된 1S60P의 SEM 이미지이다.
도 15는 본 발명에 따라 제조된 1S1MP, 1S2MP, 1S3MP의 IR 스펙트럼 결과를 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명에 따라 제조된 1S1MP, 1S2MP, 1S3MP의 XPS 분석 결과이다.
도 17은 본 발명에 따라 제조된 1S1MP(a), 1S2MP(b), 1S3MP(c)의 EDX 스펙트럼 분석 결과이다.
도 18은 본 발명에 따라 제조된 1S1MP(a), 1S2MP(b), 1S3MP(c)의 SEM 이미지이다.
1 is a solid electrolyte composition (1S1M, 1S2M, and 1S3M) comprising a porous organic polymer skeleton impregnated with sulfuric acid in pores according to the present invention, and a polymer (PVDF) film in which the porous organic polymer skeleton is dispersed. Preparation of electrolyte membranes (1S50P, 1S60P) and solid electrolyte membranes (1S1MP, 1S2MP and 1S3MP) comprising a polymer (PVDF) film in which a composition for a solid electrolyte including a porous organic polymer skeleton impregnated with sulfuric acid in pores is dispersed diagrammed the process.
2A is water vapor isotherms of 1S, 1S1M, 1S2M, and 1S3M prepared according to the present invention, and (b) is a Nyquist plot at 90% RH of 1S1M and various temperature ranges. (Nyquist plots), (c) shows the activation energy of 1S1M, and (d) is a diagram showing the comparison result with the previously reported activation energies of the solid electrolyte (> 0.01 S cm-1 &< 0.35 eV). (1S1M: red, BUT-8 (Cr) a: black, 1ES: green, PCMOF2 1/2 (Pz): blue, TfOH @ MIL-101: magenta, PCMOF2 1/2 (tz): yellow, UiO-66 (SO 3 H) 2 : dark yellow, 1S: navy, HOF-GS-11: purple, H + @Ni 2 (dobdc)(H 2 O) 2 (pH = 2.4): wine, H + @Ni 2 ( dobdc)(H 2 O) 2 (pH = 1.8): olive, PCMOF2 1/2 : dark cyan, Nafion: royal, BUT-8(Cr): orange, MIL-101-SO 3 H: violet, Fe-CAT -5: pink, H 3 PO4@MIL-10141: gray
3 (a) is an optical image of 1S60P prepared according to the present invention, (b) is water vapor isotherms of 1S50P, 1S60P, (c) is 1S60P at 90% RH and various temperature ranges are Nyquist plots, and (d) shows the activation energies of 1S50P and 1S60P.
4 is an image of 1S3MP manufactured according to the present invention.
Figure 5 shows the results of measuring the Nyquist plots (Nyquist plots) and their activation energy at 90% RH and various temperature ranges of 1S1MP, 1S2MP, and 1S3MP prepared according to the present invention (30 ℃: black, 40 °C:red, 50 °C:blue, 60 °C:magenta, 70 °C:navy, and 80 °C:purple).
6 is a graph showing the results of measuring the hydrogen ion conductivity for 10 days at 80 ℃ and 90% RH for 1S3MP prepared according to the present invention.
7 shows the IR spectrum results of 1S1M, 1S2M, and 1S3M prepared according to the present invention.
8 shows solid-state 13 C NMR spectra of compound 1S, 1S1M and 1S2M prepared according to the present invention.
9 is an SEM image of 1S1M, 1S2M, and 1S3M prepared according to the present invention (x 5,000, x 10,000, and x 25,000).
10 shows the IR spectrum results of compounds 1S, PVDF, and 1S50P and 1S60P prepared according to the present invention.
11 is an XPS analysis result of 1S50P and 1S60P manufactured according to the present invention.
12 is an EDX spectrum analysis result of 1S50P(a) and 1S60P(b) prepared according to the present invention.
13 is an SEM image of 1S50P manufactured according to the present invention.
14 is an SEM image of 1S60P manufactured according to the present invention.
15 shows IR spectrum results of 1S1MP, 1S2MP, and 1S3MP prepared according to the present invention.
16 is an XPS analysis result of 1S1MP, 1S2MP, and 1S3MP prepared according to the present invention.
17 is an EDX spectrum analysis result of 1S1MP(a), 1S2MP(b), and 1S3MP(c) prepared according to the present invention.
18 is an SEM image of 1S1MP(a), 1S2MP(b), and 1S3MP(c) manufactured according to the present invention.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에서는 황산; 및 하기 [화학식 1]로 표시되는 다공성 유기 고분자 골격체:를 포함하는 고체 전해질용 조성물을 제공한다.In the present invention, sulfuric acid; and a porous organic polymer skeleton represented by the following [Formula 1]: provides a composition for a solid electrolyte comprising.

[화학식 1][Formula 1]

[C8H5O2·S0.47O1.41]n·0.5H2O[C 8 H 5 O 2 S 0.47 O 1.41 ]n 0.5H 2 O

상기 n은 1 내지 100의 정수이다.Wherein n is an integer from 1 to 100.

이때, 상기 [화학식 1]로 표시되는 다공성 유기 고분자 골격체는 하기 [화학식 1S]로도 표시될 수 있다:In this case, the porous organic polymer skeleton represented by the [Formula 1] may also be represented by the following [Formula 1S]:

[화학식 1S][Formula 1S]

Figure 112019038454334-pat00001
.
Figure 112019038454334-pat00001
.

본 발명에 따른 고체 전해질용 조성물은 상기 황산을 포함하는 소정 농도의 황산 용액에 상기 [화학식 1]로 표시되는 다공성 유기 고분자 골격체가 분산된 것을 특징으로 할 수 있다.The composition for a solid electrolyte according to the present invention may be characterized in that the porous organic polymer skeleton represented by the above [Formula 1] is dispersed in a sulfuric acid solution of a predetermined concentration containing the sulfuric acid.

또한, 본 발명에 따른 고체 전해질용 조성물은 상기 [화학식 1]로 표시되는 다공성 유기 고분자 골격체의 기공 내에 황산이 함침된 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the composition for a solid electrolyte according to the present invention may be characterized in that sulfuric acid is impregnated in the pores of the porous organic polymer skeleton represented by the above [Formula 1].

이때, 상기 황산 용액의 몰농도는 1 내지 5M인 것이 바람직하다.At this time, the molar concentration of the sulfuric acid solution is preferably 1 to 5M.

본 발명에 따른 고체 전해질용 조성물 시료는 90% 상대습도 하에서 30 ℃ 내지 70 ℃ 온도범위에서 1.92×10-2 S/cm 내지 2.35×10-2 S/cm의 수소 이온 전도도를 나타낼 수 있다.The sample of the composition for a solid electrolyte according to the present invention may exhibit a hydrogen ion conductivity of 1.92×10 −2 S/cm to 2.35×10 −2 S/cm in a temperature range of 30° C. to 70° C. under 90% relative humidity.

또한, 본 발명에서는 상기 고체 전해질용 조성물; 및 상기 고체 전해질용 조성물이 분산된 고분자 필름;을 포함하는 고체 전해질막을 제공한다.In addition, in the present invention, the composition for a solid electrolyte; and a polymer film in which the composition for a solid electrolyte is dispersed; provides a solid electrolyte membrane comprising.

이때, 상기 고분자 필름은 예를 들어 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 셀룰로오스, 폴리비닐클로라이드(PVC) 및 폴리비닐알콜(PVA)로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF)일 수 있다.At this time, the polymer film is, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyamide (PA), cellulose, polyvinyl chloride (PVC) And it may be selected from the group consisting of polyvinyl alcohol (PVA), preferably polyvinylidene fluoride (PVdF).

본 발명에 따른 고체 전해질막은 80 ℃ 온도 및 90% 상대습도하에서 4.48×10-3 S/cm 내지 2.13×10-2 S/cm의 수소 이온 전도도를 나타낼 수 있으며, 0.039 eV 내지 0.082 eV의 활성화 에너지를 나타낼 수 있다. The solid electrolyte membrane according to the present invention may exhibit a hydrogen ion conductivity of 4.48×10 −3 S/cm to 2.13×10 −2 S/cm at a temperature of 80° C. and 90% relative humidity, and an activation energy of 0.039 eV to 0.082 eV. can represent

또한, 본 발명에서는 소정 농도의 황산 용액에 하기 [화학식 1]로 표시되는 다공성 유기 고분자 골격체를 분산시키는 단계;를 포함하는 고체 전해질용 조성물의 제조방법을 제공한다:In addition, the present invention provides a method for preparing a composition for a solid electrolyte comprising the step of dispersing a porous organic polymer skeleton represented by the following [Formula 1] in a sulfuric acid solution of a predetermined concentration:

[화학식 1][Formula 1]

[C8H5O2·S0.47O1.41]n·0.5H2O[C 8 H 5 O 2 S 0.47 O 1.41 ]n 0.5H 2 O

상기 n은 1 내지 100의 정수이다.Wherein n is an integer from 1 to 100.

본 발명에 따르면, 상기 황산 용액에 분산된 상기 [화학식 1]로 표시되는 다공성 유기 고분자 골격체를 건조시켜 기공 내에 황산이 함침된 다공성 유기 고분자 골격체 분말을 수득하는 단계;를 더 포함할 수 있다.According to the present invention, drying the porous organic polymer skeleton represented by [Formula 1] dispersed in the sulfuric acid solution to obtain a porous organic polymer skeleton powder impregnated with sulfuric acid in the pores; may further include .

또한, 상기 황산 용액의 몰농도는 1 내지 5M일 수 있다.In addition, the molar concentration of the sulfuric acid solution may be 1 to 5M.

또한, 본 발명에서는 소정 농도의 황산 용액에 하기 [화학식 1]로 표시되는 다공성 유기 고분자 골격체를 분산시키는 단계; 상기 황산 용액에 분산된 상기 [화학식 1]로 표시되는 다공성 유기 고분자 골격체를 건조시켜 기공 내에 황산이 함침된 다공성 유기 고분자 골격체 분말을 수득하는 단계; 상기 수득한 다공성 유기 고분자 골격체 분말을 고분자 용액에 분산시키는 단계; 및 상기 다공성 유기 고분자 골격체 분말이 분산된 고분자 용액을 캐스팅하여 막을 형성하는 단계;를 포함하는 고체 전해질막의 제조방법을 제공한다:In addition, in the present invention, the step of dispersing the porous organic polymer skeleton represented by the following [Formula 1] in a sulfuric acid solution of a predetermined concentration; drying the porous organic polymer skeleton represented by [Formula 1] dispersed in the sulfuric acid solution to obtain a porous organic polymer skeleton powder impregnated with sulfuric acid in pores; dispersing the obtained porous organic polymer skeleton powder in a polymer solution; and forming a membrane by casting a polymer solution in which the porous organic polymer framework powder is dispersed; provides a method for manufacturing a solid electrolyte membrane comprising:

[화학식 1][Formula 1]

[C8H5O2·S0.47O1.41]n·0.5H2O[C 8 H 5 O 2 S 0.47 O 1.41 ]n 0.5H 2 O

상기 n은 1 내지 100의 정수이다.Wherein n is an integer from 1 to 100.

이때, 상기 고분자 용액은 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 셀룰로오스, 폴리비닐클로라이드(PVC) 및 폴리비닐알콜(PVA)로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF)일 수 있다.At this time, the polymer solution is polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyamide (PA), cellulose, polyvinyl chloride (PVC) and polyvinyl. It may be selected from the group consisting of alcohol (PVA), preferably polyvinylidene fluoride (PVdF).

이하, 본 발명의 이해를 위하여 구체적인 실시예를 통하여 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기의 실시예에 의해서 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, specific examples will be described for better understanding of the present invention. However, the following examples are provided for easier understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.

<< 실시예Example >>

화합물, 고체 전해질용 조성물 및 고체 전해질막 제조Preparation of compounds, compositions for solid electrolytes, and solid electrolyte membranes

제조예 1. 화합물 1([C8H5O2]n·0.45H2O)과 화합물 1S([C8H5O2·S0. 47O1 .41]n·0.5H2O)의 합성 Preparation Example 1 Compound 1 ([C 8 H 5 O 2] n · 0.45H 2 O) and the compound 1S ([C 8 H 5 O 2 · S 0. 47 O 1 .41] n · 0.5H 2 O) synthesis of

화합물 1과 화합물 1S는 종래 문헌(Angew . Chem . Int . Ed. 2016, 55, 16123)에 기재된 방법에 따라 하기와 같이 합성하였다.Compound 1 and Compound 1S were synthesized as follows according to the method described in the conventional literature (Angew . Chem . Int . Ed. 2016 , 55, 16123).

먼저, 15 mL의 1,4-디옥산에 0.5 g의 플로로글루시놀(3.96 mmol)과 0.4 g의 테레프트알데하이드(terephthaldehyde)(2.98 mmol)를 넣고 초음파분쇄기로 녹여 투명한 용액을 만들었다. 이 용액을 35 mL 마이크로파용 파이렉스 셀(pyrex cell)에 옮겨 담은 뒤, 35% HCl 1 mL를 첨가한 후 PTFE 캡으로 입구를 막았다. 이어서, 220 ℃에서 2시간 동안 마이크로파 반응기(CEM Discover)로 반응시킨 후, 생성물을 THF 150 mL에 1시간 동안 교반시키고 여과하였다. 이어서, THF와 메탄올로 세척하였고, 100 ℃ 오븐에 건조시킨 후, 120 ℃에서 진공펌프를 이용해 10시간 동안 내부 공동에 존재하는 용매분자들을 제거하여 화합물 1을 합성하였으며, 최종적인 수율은 약 94%였다. 다음으로, 100 mL 둥근바닥 플라스크에 메틸렌 클로라이드 12 mL와 100 mg의 상기 화합물 1을 넣고 1시간 동안 교반하였다. 얼음물 통에 플라스크를 위치시키고 클로로설폰산 1.2 mL를 천천히 한 방울씩 떨어뜨리며 4일간 반응시켰다. 이어서, 얼음과 물이 담긴 1000 mL 비이커에 생성물을 붓고 6시간 동안 교반시키고 여과한 후에, pH 7이 될 때까지 물과 메탄올로 세척하고 100 ℃ 오븐에서 밤새 건조시켰다. 그 다음, 120 ℃에서 10시간 동안 내부 공동에 존재하는 용매 분자들을 제거하여 화합물 1S를 합성하였다.First, 0.5 g of phloroglucinol (3.96 mmol) and 0.4 g of terephthaldehyde (2.98 mmol) were added to 15 mL of 1,4-dioxane and dissolved with a sonicator to make a transparent solution. This solution was transferred to a 35 mL pyrex cell for microwave, 1 mL of 35% HCl was added, and the inlet was closed with a PTFE cap. Then, after reacting with a microwave reactor (CEM Discover) at 220 °C for 2 hours, the product was stirred in 150 mL of THF for 1 hour and filtered. Then, it was washed with THF and methanol, dried in an oven at 100 ° C., and then the solvent molecules present in the internal cavity were removed at 120 ° C. for 10 hours using a vacuum pump to synthesize compound 1, and the final yield was about 94%. it was Next, 12 mL of methylene chloride and 100 mg of Compound 1 were added to a 100 mL round-bottom flask and stirred for 1 hour. The flask was placed in a bucket of ice water, and 1.2 mL of chlorosulfonic acid was slowly added dropwise and reacted for 4 days. Then, the product was poured into a 1000 mL beaker filled with ice and water, stirred for 6 hours, filtered, washed with water and methanol until pH 7, and dried in an oven at 100° C. overnight. Then, compound 1S was synthesized by removing solvent molecules present in the inner cavity at 120° C. for 10 hours.

제조예 2. 고체 전해질용 조성물(1S1M, 1S2M, 1S3M)의 제조 Preparation Example 2. Preparation of compositions for solid electrolytes (1S1M, 1S2M, 1S3M)

다공성 유기 고분자 화합물 1S 200 mg을 70 mL 바이알에 담겨있는 50 mL의 1M, 2M, 3M 황산 수용액에 각각 넣고 6시간 동안 초음파분쇄 및 교반을 통해 해당 고분자를 분산시켰다. 원심 분리를 통해 고체를 모은 후 질소 하에서 건조시킨 다음 100 ℃ 오븐에서 12시간 건조시켜, 고체 전해질용 조성물 1S1M(사용된 황산 수용액의 농도 1M), 1S2M(사용된 황산 수용액의 농도 2M), 1S3M(사용된 황산 수용액의 농도 3M)을 제조하였다.200 mg of porous organic polymer compound 1S was placed in 50 mL of 1M, 2M, and 3M sulfuric acid aqueous solution contained in a 70 mL vial, respectively, and the polymer was dispersed through ultrasonic grinding and stirring for 6 hours. After collecting the solids through centrifugation, they were dried under nitrogen and then dried in an oven at 100 ° C. for 12 hours. Compositions for solid electrolytes 1S1M (concentration of aqueous sulfuric acid solution used 1M), 1S2M (concentration of aqueous sulfuric acid solution used 2M), 1S3M ( A concentration of the aqueous sulfuric acid solution used was prepared (3M).

제조예 3. 고체 전해질막의 제조 Preparation Example 3. Preparation of Solid Electrolyte Membrane

(1) 1S50P, 1S60P(50, 60은 고체 전해질막에서 화합물 1S의 질량 백분율을 의미)(1) 1S50P, 1S60P (50, 60 means the mass percentage of compound 1S in the solid electrolyte membrane)

다공성 유기 고분자 화합물 1S 250 mg(1S50P의 경우) 또는 300 mg(1S60P의 경우)을 PVDF 250 mg(1S50P의 경우) 또는 200 mg(1S60P의 경우)이 녹아있는 DMF 5 mL에 넣고 교반을 통해 균일하게 분산되도록 하였다. 직경 8 cm의 원형 유리 판에 분산 용액을 붓고 40 ℃에서 48시간 동안 DMF가 최대한 증발 되도록 한 후 형성된 막을 떼어내어 고체 전해질막 1S50P, 1S60P를 제조하였다.Add 250 mg (for 1S50P) or 300 mg (for 1S60P) of porous organic polymer 1S to 5 mL of DMF in which 250 mg (for 1S50P) or 200 mg (for 1S60P) of PVDF is dissolved, and uniformly through stirring. to be dispersed. The dispersion solution was poured on a circular glass plate having a diameter of 8 cm, and DMF was allowed to evaporate as much as possible at 40 °C for 48 hours, and then the formed membrane was removed to prepare solid electrolyte membranes 1S50P and 1S60P.

(2) 1S1MP, 1S2MP, 1S3MP(이때, 1S1M, 1S2M 및 1S3M의 고체 전해질막에 대한 질량 백분율은 60%로 설정)(2) 1S1MP, 1S2MP, 1S3MP (At this time, the mass percentage for the solid electrolyte membrane of 1S1M, 1S2M and 1S3M is set to 60%)

황산이 혼합된 다공성 유기 고분자(본 발명에 따른 고체 전해질용 조성물) 1S1M, 1S2M 또는 1S3M 300 mg을 PVDF 200 mg이 녹아있는 DMF 5 mL에 넣고 교반을 통해 균일하게 분산되도록 하였다. 직경 8 cm의 원형 유리 판에 분산 용액을 붓고 40 ℃에서 48시간 동안 DMF가 최대한 증발 되도록 한 후 형성된 막을 떼어내어 고체 전해질막 1S1MP, 1S2MP, 1S3MP를 제조하였다.300 mg of 1S1M, 1S2M, or 1S3M of the porous organic polymer mixed with sulfuric acid (composition for a solid electrolyte according to the present invention) was placed in 5 mL of DMF in which 200 mg of PVDF was dissolved and uniformly dispersed through stirring. The dispersion solution was poured on a circular glass plate with a diameter of 8 cm, and DMF was allowed to evaporate as much as possible at 40 °C for 48 hours, and then the formed membrane was removed to prepare solid electrolyte membranes 1S1MP, 1S2MP, and 1S3MP.

시험예test example

시험예 1. 고체 전해질용 조성물, 고체 전해질막의 구조 및 특성 확인 Test Example 1. Confirmation of the structure and characteristics of a composition for a solid electrolyte and a solid electrolyte membrane

(1) 화합물 1S를 비휘발성 무기산(1M, 2M, 3M H2SO4 수용액)으로 처리하여 H2SO4가 함침된 고체 전해질용 조성물 1S1M, 1S2M 및 1S3M을 제조하였다. 이들의 황산의 함침을 확인하기 위해, 해당 시료의 원소 분석(element analysis, EA)을 수행하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.(1) Compound 1S was treated with a non-volatile inorganic acid (1M, 2M, 3M H 2 SO 4 aqueous solution) to prepare compositions 1S1M, 1S2M and 1S3M for solid electrolyte impregnated with H 2 SO 4 . In order to confirm the impregnation of sulfuric acid, element analysis (EA) of the sample was performed, and the results are shown in Table 1 below.

Figure 112019038454334-pat00002
Figure 112019038454334-pat00002

상기 표 1에 나타난 바와 같이, H2SO4의 농도가 증가함에 따라 시료 내의 황 함량이 증가하는 것으로 나타났다. 적외선 (IR) 데이터에서 H2SO4가 함침된 샘플은 3300-2800 cm-1의 범위에서 화합물 1S보다 더 넓은 피크를 보였는데, 이것은 골격 내의 양성자 소스와 물 분자 사이의 추가 수소 결합으로 인한 것이다(도 7). 황산이 첨가된 시료 (1S2M과 1S3M)에서는 S=O 비대칭 및 대칭 스트레칭 피크가 1121 및 1020 cm-1에서 관찰되었으며, S-O 스트레칭 피크가 875 cm-1에서 관찰되었다. 함침 후 구조적 완전성은 고상 13C NMR로 확인하였다 (도 8). 화합물 1S의 스펙트럼에서 관찰된 모든 피크는 황산이 함침된 샘플에서 그대로 유지되었다. 또한, H2SO4 함침 전후에 시료 간의 형태학적 차이는 거의 무시할 수 있을 정도였다(도 9).As shown in Table 1, it was found that the sulfur content in the sample increased as the concentration of H 2 SO 4 increased. In the infrared (IR) data, the sample impregnated with H 2 SO 4 showed a broader peak than compound 1S in the range of 3300-2800 cm -1 , which is due to the additional hydrogen bonding between the proton source and the water molecule in the backbone. (Fig. 7). In the samples to which sulfuric acid was added (1S2M and 1S3M), S=O asymmetric and symmetric stretching peaks were observed at 1121 and 1020 cm -1 , and SO stretching peaks were observed at 875 cm -1 . Structural integrity after impregnation was confirmed by solid-state 13 C NMR (Fig. 8). All peaks observed in the spectrum of Compound 1S were maintained in the sample impregnated with sulfuric acid. In addition, the morphological difference between the samples before and after H 2 SO 4 impregnation was almost negligible ( FIG. 9 ).

샘플의 친수성을 조사하기 위해 25 ℃에서 수분 흡착 등온선을 측정하여 그 결과를 도 2a에 나타내었다. 측정 결과, 1S(P/P0=0.87에서 468 cm3 g- 1)에서 1S3M (P/P0=0.87에서 1125 cm3 g- 1)로 갈수록 물 흡수가 점차 증가하였다. 특히, 1S3M은 낮은 압력에서 가장 높은 초기 수분 흡착을 나타내어 가장 강한 친수성을 나타내었으며, 수분 흡착 능력의 이러한 경항은 골격체 상에 존재하는 술폰산기의 양과 일치하였다. 높은 양성자 전도도는 전도 채널에서 많은 수분 분자의 존재에 의해 달성될 수 있는바, 이러한 수분 흡착 능력으로 인해 높은 양성자 전도도를 가질 것으로 기대된다.To investigate the hydrophilicity of the sample, the moisture adsorption isotherm was measured at 25 °C, and the result is shown in FIG. 2A. As a result of the measurement, water absorption gradually increased from 1S (P/P 0 =0.87 to 468 cm 3 g - 1 ) to 1S3M (P/P 0 =0.87 to 1125 cm 3 g - 1 ). In particular, 1S3M exhibited the highest initial moisture adsorption at low pressure and the strongest hydrophilicity, and this tendency of moisture adsorption capacity was consistent with the amount of sulfonic acid groups present on the scaffold. High proton conductivity can be achieved by the presence of many water molecules in the conduction channel, and it is expected to have high proton conductivity due to this water adsorption ability.

(2) 화합물 1S와 PVDF 폴리머 매트릭스를 혼합하여 고체 전해질막을 제조하였으며(도 1), 그 이미지를 도 3a에 나타내었다. 1S의 질량 비율은 1S50P의 경우 50% 였고 1S60P의 경우 60%였다. 두 가지 성분의 성공적인 혼합을 확인하기 위해 IR 분광학 데이터를 수집하였으며(도 10), 이를 통해 화합물 1S와 PVDF에 상응하는 IR 피크가 명확하게 관찰되어 이들 성분이 고체 전해질막에 공존하고 있음을 확인하였다. 또한, X-ray 광전자 분광법 (XPS)과 에너지 분산 X-ray 분광법 (EDX)을 수행하여 막 표면의 원소 함량을 확인한 결과, 고체 전해질막의 표면상에 술폰산과 황산의 황 및 PVDF 매트릭스의 F가 존재함을 확인하였으며(도 11, 12), SEM 이미지를 통해 화합물 1S의 입자 형태가 고체 전해질막에서 유지되고 있음을 확인하였다(도 13, 도 14). 물 흡수 등온선에서 1S50P와 1S60P의 물 흡수 용량은 각각 P/P0 = 0.87에서 208과 330 cm3 g-1에 해당하였는데, 이를 통해 화합물 1S와 PVDF의 혼합으로 인해 고체 전해질막의 친수성이 감소된 것을 확인하였다(도 3b).(2) A solid electrolyte membrane was prepared by mixing Compound 1S and a PVDF polymer matrix (FIG. 1), and the image is shown in FIG. 3A. The mass fraction of 1S was 50% for 1S50P and 60% for 1S60P. In order to confirm the successful mixing of the two components, IR spectroscopy data were collected (FIG. 10), through which IR peaks corresponding to compound 1S and PVDF were clearly observed, confirming that these components coexist in the solid electrolyte membrane. . In addition, as a result of confirming the element content of the membrane surface by performing X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), sulfur of sulfonic acid and sulfuric acid and F in the PVDF matrix were present on the surface of the solid electrolyte membrane. It was confirmed ( FIGS. 11 and 12 ), and it was confirmed that the particle shape of Compound 1S was maintained in the solid electrolyte membrane through the SEM image ( FIGS. 13 and 14 ). In the water absorption isotherm, the water absorption capacities of 1S50P and 1S60P corresponded to 208 and 330 cm 3 g -1 at P/P 0 = 0.87, respectively. was confirmed (Fig. 3b).

(3) 고체 전해질용 조성물 화합물 1S1M, 1S2M 및 1S3M을 각각 PVDF 폴리머 매트릭스와 혼합하여 고체 전해질막 1S1MP, 1S2MP 및 1S3MP을 제조하였으며, 그 중 1S3MP 이미지를 도 4에 나타내었다. 또한, IR 스펙트럼(도 15), XPS(도 16) 및 EDX(도 17) 분석을 통해 혼합된 성분들의 존재를 확인하였으며, SEM 이미지(도 18)를 통해 1S1M, 1S2M, 1S3M의 입자 형태가 고체 전해질막에 유지되고 있음을 확인하였다.(3) Composition for Solid Electrolyte Compounds 1S1M, 1S2M, and 1S3M were mixed with a PVDF polymer matrix to prepare solid electrolyte membranes 1S1MP, 1S2MP and 1S3MP, of which 1S3MP images are shown in FIG. 4 . In addition, the presence of the mixed components was confirmed through IR spectrum (FIG. 15), XPS (FIG. 16) and EDX (FIG. 17) analysis, and the particle shapes of 1S1M, 1S2M, and 1S3M were solid through the SEM image (FIG. 18). It was confirmed that the electrolyte membrane was maintained.

시험예 2. 임피던스 장비를 이용한 온도 증가에 따른 수소 이온 전도도 및 활성화 에너지 평가 Test Example 2. Evaluation of hydrogen ion conductivity and activation energy according to temperature increase using impedance equipment

(1) 분말화된 1S1M 시료를 압축기를 이용하여 펠렛의 형태로 변형하였다. 이어서, 자체 제작한 백금 전극에 상기 펠렛을 놓고, 상대습도가 90%로 고정된 항온항습기에서 온도를 변화시키면서 임피던스 장비(Solartron SI 1260) 장비를 이용해 수소 이온 전도성 및 활성화 에너지 값을 평가하였다.(1) The powdered 1S1M sample was transformed into pellets using a press. Next, the pellet was placed on a self-made platinum electrode, and the hydrogen ion conductivity and activation energy values were evaluated using an impedance device (Solartron SI 1260) while changing the temperature in a thermo-hygrostat with a fixed relative humidity of 90%.

구체적으로, 하기 도 2의 (b)는 1S1M의 90% RH 및 다양한 온도 범위에서의의 나이퀴스트 플롯(Nyquist plots)이며,(c)는 1S1M의 활성화 에너지(Activatiovn energy)를 나타낸 것이고, (d)는 종래 보고된 고체 전해질의 활성화 에너지들과 비교 결과를 나타낸 다이어그램이다(> 0.01 S cm-1 & < 0.35 eV). (1S1M: red, BUT-8(Cr)a: black, 1ES: green, PCMOF21 /2(Pz): blue, TfOH@MIL-101: magenta, PCMOF21 /2(tz): yellow, UiO-66(SO3H)2: dark yellow, 1S: navy, HOF-GS-11: purple, H+@Ni2(dobdc)(H2O)2 (pH = 2.4): wine, H+@Ni2(dobdc)(H2O)2 (pH = 1.8): olive, PCMOF21 /2: dark cyan, Nafion: royal, BUT-8(Cr): orange, MIL-101-SO3H: violet, Fe-CAT-5: pink, H3PO4@MIL-10141: graySpecifically, (b) of Figure 2 below is a Nyquist plot (Nyquist plots) at 90% RH and various temperature ranges of 1S1M, (c) is an activation energy (Activation energy) of 1S1M, (d) ) is a diagram showing the results of comparison with the previously reported activation energies of the solid electrolyte (> 0.01 S cm-1 &< 0.35 eV). (1S1M: red, BUT-8 (Cr) a: black, 1ES: green, PCMOF2 1/2 (Pz): blue, TfOH @ MIL-101: magenta, PCMOF2 1/2 (tz): yellow, UiO-66 (SO 3 H) 2 : dark yellow, 1S: navy, HOF-GS-11: purple, H + @Ni 2 (dobdc)(H 2 O) 2 (pH = 2.4): wine, H + @Ni 2 ( dobdc) (H 2 O) 2 (pH = 1.8): olive, PCMOF2 1/2: dark cyan, Nafion: royal, BUT-8 (Cr): orange, MIL-101-SO 3 H: violet, Fe-CAT -5: pink, H 3 PO4@MIL-10141: gray

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측정 결과, 본 발명에 따른 1S1M은 30 ℃에서 1.92×10-1 S cm-1의 값을 보였으며 70 ℃에서는 2.35×10-2 S cm-1의 값을 보였다. 이 값은 현재까지 개발된 다공성 유기물질 중 최상위 값이며 다공성 물질 전반에 관하여도 매우 상위의 값으로 확인되었다. 또한, 종래 양성자 전도성 물질에 대해 보고된 값 중 가장 낮은 활성화 에너지 값(0.075 eV)을 가지는 것으로 확인되었다. 이러한 예외적으로 낮은 활성화 에너지는 온도에 따른 최소 전도도 변화를 제공하며 이를 통해 연료 전지 애플리케이션에 이상적인 성능을 제공할 수 있다. 이처럼, 높은 양성자 전도도와 낮은 활성화 에너지를 얻기 위해서는 양성자 공여자가 중요한 역할을 하게 되는데, 본 발명에 따라 제조된 고체 전해질용 조성물 1S1M 내지 1S3M은 골격에 공유 결합된 술폰산기 뿐만 아니라, 기공에 함침된 황산기가 양성자 공여체로 역할을 수행하여 효과적인 수-중재(water-mediated) 전도 경로를 구성하여 낮은 활성화 에너지를 유도할 수 있다. As a result of the measurement, 1S1M according to the present invention showed a value of 1.92×10 -1 S cm -1 at 30 °C and 2.35×10 -2 S cm -1 at 70 °C. This value is the highest value among the porous organic materials developed so far, and it was confirmed as a very high value for the overall porous material. In addition, it was confirmed to have the lowest activation energy value (0.075 eV) among values reported for conventional proton-conducting materials. This exceptionally low activation energy provides a minimal change in conductivity with temperature, which can provide ideal performance for fuel cell applications. As such, in order to obtain high proton conductivity and low activation energy, the proton donor plays an important role. In the compositions 1S1M to 1S3M for a solid electrolyte prepared according to the present invention, not only the sulfonic acid groups covalently bonded to the skeleton but also the sulfate groups impregnated in the pores can act as a proton donor, constituting an effective water-mediated conduction pathway, leading to low activation energy.

(2) 고체 전해질막 1S50P, 1S60P를 자체 제작한 백금 전극에 높고, 상대습도가 90%로 고정된 항온항습기에서 온도를 변화시키면서 임피던스 장비(Solartron SI 1260) 장비를 이용해 수소 이온 전도성 및 활성화 에너지 값을 평가하였으며, 그 결과를 하기 도 3의 (c) 및 (d)에 나타내었다. 측정 결과, 1S50P 및 1S60P는 각각 30 ℃ 및 90% RH의 조건하에서 1.82×10-3 및 5.54×10-3 S cm-1의 전도도 값을 나타내었으며, 80 ℃ 및 90% RH의 조건하에서 4.06×10-3 및 8.83×10-3 S cm-1로 증가하는 것으로 나타났는바, 화합물 1S의 질량 백분율이 증가할수록 전도도가 증가하는 것을 확인하였다. 이를 통해, 1S50P와 1S60P의 성능이 전도성 화합물 1S에 의해 생성된 고체 전해질막의 퍼콜레이션 경로(percolation pathway)와 관련되어 있음을 확인하였다.(2) Hydrogen ion conductivity and activation energy values using impedance equipment (Solartron SI 1260) while changing the temperature in a thermo-hygrostat with high, fixed relative humidity of 90% on a platinum electrode manufactured by the solid electrolyte membrane 1S50P, 1S60P was evaluated, and the results are shown in (c) and (d) of FIG. 3 below. As a result of the measurement, 1S50P and 1S60P showed conductivity values of 1.82×10 -3 and 5.54×10 -3 S cm -1 under the conditions of 30 ℃ and 90% RH, respectively, and 4.06× under the conditions of 80 ℃ and 90% RH. 10 -3 and 8.83×10 -3 S cm -1 As it was shown to increase, it was confirmed that the conductivity increased as the mass percentage of Compound 1S increased. Through this, it was confirmed that the performance of 1S50P and 1S60P is related to the percolation pathway of the solid electrolyte membrane produced by the conductive compound 1S.

(3) 고체 전해질막 1S1MP, 1S2MP, 1S3MP를 자체 제작한 백금 전극에 높고, 상대습도가 90%로 고정된 항온항습기에서 온도를 변화시키면서 임피던스 장비(Solartron SI 1260) 장비를 이용해 수소 이온 전도성 및 활성화 에너지 값을 평가하였으며, 그 결과를 하기 도 5에 나타내었다. 측정 결과, 1S1MP는 80 ℃에서 4.48×10-3 S cm-1의 값을 보였으며, 1S2MP는 6.26×10-3 S cm-1의 값을 보였으며, 1S3MP는 2.13×10-2 S cm-1의 값을 보였는바, 양성자 전도도가 매우 높은 것으로 나타났다. 또한, 각각의 활성화 에너지는 각각 0.082, 0.047, 0.039 eV로 매우 낮은 것으로 확인되었다.(3) Hydrogen ion conductivity and activation using impedance equipment (Solartron SI 1260) while changing the temperature in a thermo-hygrostat with high relative humidity fixed at 90% and high on a self-manufactured platinum electrode with solid electrolyte membranes 1S1MP, 1S2MP, and 1S3MP Energy values were evaluated, and the results are shown in FIG. 5 below. Measurement results, is 1S1MP showed a value of 4.48 × 10 -3 S cm -1 at 80 ℃, 1S2MP is showed a value of 6.26 × 10 -3 S cm -1, 1S3MP is 2.13 × 10 -2 S cm - A value of 1 indicates that the proton conductivity is very high. In addition, the respective activation energies were found to be very low as 0.082, 0.047, and 0.039 eV, respectively.

시험예 3. 장시간 수소 이온 전도도 유지 평가 Test Example 3. Evaluation of maintaining hydrogen ion conductivity for a long time

고체 전해질막 1S3MP의 장기간의 안정적인 성능 유지가 가능한지를 평개하기 위해, 80 ℃, 상도습도 90%의 조건에 노출시킨 후 일주일이 될 때마다 수소 이온 전도성을 평가하였다. In order to evaluate whether the solid electrolyte membrane 1S3MP can maintain stable performance for a long period of time, hydrogen ion conductivity was evaluated every week after exposure to 80 °C and 90% normal humidity.

측정 결과, 도 6에 나타낸 바와 같이, 최초의 성능을 최소 10일 이상 유지하였으며, 이를 통해 본 발명에 따른 고체 전해질막의 성능 안정성으로 인해 연료전지에 유용하게 활용될 수 있음을 확인하였다.As a result of the measurement, as shown in FIG. 6 , the initial performance was maintained for at least 10 days, and through this, it was confirmed that the solid electrolyte membrane according to the present invention could be usefully used in a fuel cell due to the stability of the performance.

Claims (14)

황산; 및
하기 [화학식 1]로 표시되는 다공성 유기 고분자 골격체:를 포함하고,
상기 황산을 포함하는 황산 용액의 몰농도는 1 내지 3M인 것을 특징으로 하는 고체 전해질용 조성물:
[화학식 1]
[C8H5O2·S0.47O1.41]n·0.5H2O
상기 n은 1 내지 100의 정수이다.
sulfuric acid; and
Including the porous organic polymer skeleton represented by the following [Formula 1]:
The composition for a solid electrolyte, characterized in that the molar concentration of the sulfuric acid solution containing the sulfuric acid is 1 to 3M:
[Formula 1]
[C 8 H 5 O 2 S 0.47 O 1.41 ]n 0.5H 2 O
Wherein n is an integer from 1 to 100.
제1항에 있어서,
상기 황산 용액에 상기 [화학식 1]로 표시되는 다공성 유기 고분자 골격체가 분산된 것을 특징으로 하는 고체 전해질용 조성물.
According to claim 1,
The composition for a solid electrolyte, characterized in that the porous organic polymer skeleton represented by the [Formula 1] is dispersed in the sulfuric acid solution.
제1항에 있어서,
상기 [화학식 1]로 표시되는 다공성 유기 고분자 골격체의 기공 내에 황산이 함침된 것을 특징으로 하는 고체 전해질용 조성물.
According to claim 1,
A composition for a solid electrolyte, characterized in that sulfuric acid is impregnated in the pores of the porous organic polymer skeleton represented by the [Formula 1].
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 고체 전해질용 조성물은 90% 상대습도 하에서 30 ℃ 내지 70 ℃ 온도범위에서 수소 이온 전도도가 1.92×10-2 S/cm 내지 2.35×10-2 S/cm인 것을 특징으로 하는 고체 전해질용 조성물.
According to claim 1,
The composition for a solid electrolyte has a hydrogen ion conductivity of 1.92×10 -2 S/cm to 2.35×10 -2 S/cm in a temperature range of 30° C. to 70° C. under 90% relative humidity.
제1항에 따른 고체 전해질용 조성물; 및
상기 고체 전해질용 조성물이 분산된 고분자 필름;을 포함하는 고체 전해질막.
The composition for a solid electrolyte according to claim 1; and
A solid electrolyte membrane comprising a; a polymer film in which the composition for a solid electrolyte is dispersed.
제6항에 있어서,
상기 고분자 필름은 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 셀룰로오스, 폴리비닐클로라이드(PVC) 및 폴리비닐알콜(PVA)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 고체 전해질막.
7. The method of claim 6,
The polymer film is polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyamide (PA), cellulose, polyvinyl chloride (PVC) and polyvinyl alcohol ( A solid electrolyte membrane, characterized in that it is selected from the group consisting of PVA).
제6항에 있어서,
상기 고체 전해질막은 80 ℃ 온도 및 90% 상대습도하에서 수소 이온 전도도가 4.48×10-3 S/cm 내지 2.13×10-2 S/cm인 것을 특징으로 하는 고체 전해질막.
7. The method of claim 6,
The solid electrolyte membrane has a hydrogen ion conductivity of 4.48×10 -3 S/cm to 2.13×10 -2 S/cm at a temperature of 80° C. and 90% relative humidity.
제6항에 있어서,
상기 고체 전해질막의 활성화 에너지는 0.039 eV 내지 0.082 eV인 것을 특징으로 하는 고체 전해질막.
7. The method of claim 6,
The solid electrolyte membrane has an activation energy of 0.039 eV to 0.082 eV.
소정 농도의 황산 용액에 하기 [화학식 1]로 표시되는 다공성 유기 고분자 골격체를 분산시키는 단계;를 포함하고,
상기 황산 용액의 몰농도는 1 내지 3M인 것을 특징으로 하는 고체 전해질용 조성물의 제조방법:
[화학식 1]
[C8H5O2·S0.47O1.41]n·0.5H2O
상기 n은 1 내지 100의 정수이다.
Dispersing the porous organic polymer skeleton represented by the following [Formula 1] in a sulfuric acid solution of a predetermined concentration;
The method for preparing a composition for a solid electrolyte, characterized in that the molar concentration of the sulfuric acid solution is 1 to 3M:
[Formula 1]
[C 8 H 5 O 2 S 0.47 O 1.41 ]n 0.5H 2 O
Wherein n is an integer from 1 to 100.
제10항에 있어서,
상기 황산 용액에 분산된 상기 [화학식 1]로 표시되는 다공성 유기 고분자 골격체를 건조시켜 기공 내에 황산이 함침된 다공성 유기 고분자 골격체 분말을 수득하는 단계;를 포함하는 고체 전해질용 조성물의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Drying the porous organic polymer skeleton represented by [Formula 1] dispersed in the sulfuric acid solution to obtain a porous organic polymer skeleton powder impregnated with sulfuric acid in the pores;
삭제delete 소정 농도의 황산 용액에 하기 [화학식 1]로 표시되는 다공성 유기 고분자 골격체를 분산시키는 단계;
상기 황산 용액에 분산된 상기 [화학식 1]로 표시되는 다공성 유기 고분자 골격체를 건조시켜 기공 내에 황산이 함침된 다공성 유기 고분자 골격체 분말을 수득하는 단계;
상기 수득한 다공성 유기 고분자 골격체 분말을 고분자 용액에 분산시키는 단계; 및
상기 다공성 유기 고분자 골격체 분말이 분산된 고분자 용액을 캐스팅하여 막을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 황산 용액의 몰농도는 1 내지 3M인 것을 특징으로 하는 고체 전해질막의 제조방법:
[화학식 1]
[C8H5O2·S0.47O1.41]n·0.5H2O
상기 n은 1 내지 100의 정수이다.
Dispersing a porous organic polymer skeleton represented by the following [Formula 1] in a sulfuric acid solution of a predetermined concentration;
drying the porous organic polymer skeleton represented by [Formula 1] dispersed in the sulfuric acid solution to obtain a porous organic polymer skeleton powder impregnated with sulfuric acid in the pores;
dispersing the obtained porous organic polymer skeleton powder in a polymer solution; and
forming a film by casting a polymer solution in which the porous organic polymer skeleton powder is dispersed;
The method for producing a solid electrolyte membrane, characterized in that the molar concentration of the sulfuric acid solution is 1 to 3M:
[Formula 1]
[C 8 H 5 O 2 S 0.47 O 1.41 ]n 0.5H 2 O
Wherein n is an integer from 1 to 100.
제13항에 있어서,
상기 고분자 용액은 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 셀룰로오스, 폴리비닐클로라이드(PVC) 및 폴리비닐알콜(PVA)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 고체 전해질막의 제조방법.
14. The method of claim 13,
The polymer solution is polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyamide (PA), cellulose, polyvinyl chloride (PVC) and polyvinyl alcohol ( PVA), a method of manufacturing a solid electrolyte membrane, characterized in that selected from the group consisting of.
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