KR102300431B1 - composite for production of perfluorinated sulfonic acid ionomer, perfluorinated sulfonic acid ionomer using the same, complex electrolyte membrane for PEMFC containing the same and membrane electrode assembly for PEMFC containing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a composition for manufacturing a perfluorinated sulfonic acid ionomer, the perfluorinated sulfonic acid ionomer using the same, a complex electrolyte membrane for PEMFC containing the same, and a membrane-electrode assembly for PEMFC containing the same. More specifically, the present invention relates to a composition for manufacturing a perfluorinated sulfonic acid ionomer not only has excellent safety, but also has improved durability, the perfluorinated sulfonic acid ionomer using the same, a complex electrolyte membrane for PEMFC containing the same, and a membrane-electrode assembly for PEMFC containing the same.

Description

과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물, 이를 이용한 과불소계 술폰화 이오노머, 이를 포함하는 PEMFC용 복합 전해질막 및 이를 포함하는 PEMFC용 막-전극 접합체{composite for production of perfluorinated sulfonic acid ionomer, perfluorinated sulfonic acid ionomer using the same, complex electrolyte membrane for PEMFC containing the same and membrane electrode assembly for PEMFC containing the same}A composition for manufacturing a perfluorinated sulfonated ionomer, a perfluorinated sulfonated ionomer using the same, a composite electrolyte membrane for PEMFC including the same, and a membrane-electrode assembly for PEMFC including the same same, complex electrolyte membrane for PEMFC containing the same and membrane electrode assembly for PEMFC containing the same}

본 발명은 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물, 이를 이용한 과불소계 술폰화 이오노머, 이를 포함하는 PEMFC용 복합 전해질막 및 이를 포함하는 PEMFC용 막-전극 접합체에 관한 것으로서, 안전성이 우수할 뿐만 아니라, 내구 수명이 개선된 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물, 이를 이용한 과불소계 술폰화 이오노머, 이를 포함하는 PEMFC용 복합 전해질막 및 이를 포함하는 PEMFC용 막-전극 접합체에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer, a perfluorinated sulfonated ionomer using the same, a composite electrolyte membrane for PEMFC including the same, and a PEMFC membrane-electrode assembly including the same, which has excellent safety and durability The improved composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer, a perfluorinated sulfonated ionomer using the same, a composite electrolyte membrane for PEMFC including the same, and a PEMFC membrane-electrode assembly including the same.

연료전지는 연료(수소 또는 메탄올)와 산화제(산소)를 전기화학적으로 반응시켜 생기는 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 차세대 에너지원으로 연구 개발되고 있다. 연료전지는 적용분야에 따라 고온용 및 저온용 연료전지를 선택하여 사용할 수 있으며, 통상적으로 전해질의 종류에 따라 분류되고 있는데, 고온용에는 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 등이 있고, 저온용에는 알칼리 전해질 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC) 및 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 등이 대표적으로 개발되고 있다.A fuel cell is a power generation system that directly converts chemical energy generated by the electrochemical reaction of fuel (hydrogen or methanol) and oxidizing agent (oxygen) into electrical energy. is being researched and developed. Fuel cells can be used by selecting high-temperature and low-temperature fuel cells depending on the application field, and are generally classified according to the type of electrolyte. For high-temperature applications, solid oxide fuel cells (SOFC), molten carbonate There is a fuel cell (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), and for low-temperature applications, an alkaline electrolyte fuel cell (AFC) and a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) are being developed.

이중 고분자 전해질 연료전지를 세분하면 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와, 액상의 메탄올을 직접 연료로 산화극(Anode)에 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등이 있다. 고분자 전해질 연료전지는 100

Figure 112020023662139-pat00001
미만의 낮은 작동온도, 고체 전해질 사용으로 인한 누수문제 배제, 빠른 시동과 응답 특성, 및 우수한 내구성 등의 장점으로 휴대용, 차량용, 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다. 특히 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 소형화가 가능하기 때문에 휴대용 연료전지로의 연구가 계속 진행되고 있다.If the polymer electrolyte fuel cell is subdivided, the hydrogen ion exchange membrane fuel cell (PEMFC) uses hydrogen gas as a fuel, and direct methanol is used by supplying liquid methanol as a direct fuel to the anode. Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) and the like. Polymer electrolyte fuel cell is 100
Figure 112020023662139-pat00001
Due to its advantages such as low operating temperature, elimination of leakage problems due to the use of solid electrolyte, fast start-up and response characteristics, and excellent durability, it is in the spotlight as a portable, vehicle, and home power supply device. In particular, as a high-output fuel cell having a higher current density than other types of fuel cells, research on a portable fuel cell is ongoing because it can be miniaturized.

이러한 연료전지의 단위전지 구조는 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 양쪽에 산화극(Anode, 연료극) 및 환원극(Cathode, 산소극)이 도포되어 있는 구조를 이루고 있는데, 이를 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)라 칭한다. 이 막-전극 접합체(MEA)는 수소와 산소의 전기화학적 반응이 일어나는 부분으로서 환원극과 산화극 그리고 전해질막, 즉 이온 전도성 전해질막(예, 수소이온 전도성 전해질막)으로 구성되어 있다.The unit cell structure of such a fuel cell has a structure in which an anode (anode) and a cathode (cathode, an oxygen electrode) are coated on both sides of an electrolyte membrane composed of a polymer material, which is a membrane-electrode assembly (Membrane). Electrode Assembly (MEA). This membrane-electrode assembly (MEA) is a part where the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen occurs, and is composed of a reducing electrode, an oxide electrode, and an electrolyte membrane, that is, an ion conductive electrolyte membrane (eg, a hydrogen ion conductive electrolyte membrane).

산화극에서는 연료인 수소 또는 메탄올이 공급되어 수소의 산화 반응이 일어나 수소이온과 전자를 발생시키며, 환원극에서는 고분자 전해질막을 통과한 수소이온과 산소가 결합하여 산소의 환원 반응에 의해 물이 생성된다.At the anode, hydrogen or methanol, which is a fuel, is supplied to cause an oxidation reaction of hydrogen to generate hydrogen ions and electrons. .

이 막-전극 접합체는 이러한 산화극과 환원극의 전극 촉매층이 이온전도성 전해질막의 양면에 도포되어 있는 형태를 이루고, 전극 촉매층을 이루고 있는 물질은 Pt(백금)이나 Pt-Ru(백금-루테늄) 등의 촉매 물질이 카본담체에 담지되어 있는 형태이다. 연료전지의 전기화학적 반응의 핵심부품으로 볼 수 있는 막-전극 접합체(MEA)에는 특히 가격 구성 비율이 높은 이온 전도성 전해질막과 백금 촉매 등이 사용되며, 전력 생산 효율과 직결된 부분이기 때문에 연료전지의 성능향상과 가격경쟁력을 높이는데 가장 중요한 부분으로 간주되고 있다This membrane-electrode assembly has a form in which the electrode catalyst layers of the anode and the cathode are coated on both sides of the ion conductive electrolyte membrane, and the material constituting the electrode catalyst layer is Pt (platinum) or Pt-Ru (platinum-ruthenium), etc. of the catalyst material is supported on a carbon carrier. Membrane-electrode assembly (MEA), which can be seen as a key component of the electrochemical reaction of a fuel cell, uses an ion-conducting electrolyte membrane and a platinum catalyst, which have a high cost composition, and is directly related to power production efficiency. It is regarded as the most important part in improving the performance and price competitiveness of

일반적으로 사용되고 있는 MEA를 제조하는 기존의 방법은 촉매 물질과 수소이온 전도성 바인더(binder), 즉 불소계 나피온 이오노머(Nafion Ionomer) 그리고 물 및/또는 알코올 용매를 혼합하여 반죽(paste)을 제조하고, 이를 촉매층을 지지해주는 전극 지지체이면서 동시에 기체 확산층의 역할을 하는 카본 천(carbon cloth)이나 카본페이퍼(carbon paper) 등에 코팅한 다음, 건조하고 수소이온 전도성 전해질 막에 열 융착하는 방법을 사용한다.The conventional method for manufacturing MEA, which is generally used, is to prepare a paste by mixing a catalyst material, a hydrogen ion conductive binder, that is, a fluorine-based Nafion ionomer, and water and / or an alcohol solvent, This is coated on carbon cloth or carbon paper that serves as an electrode support for supporting the catalyst layer and a gas diffusion layer at the same time, and then dried and thermally fused to a hydrogen ion conductive electrolyte membrane.

촉매층에서는 촉매에 의한 수소와 산소의 산화환원 반응; 밀착된 탄소 입자에 의한 전자의 이동; 수소, 산소 및 수분을 공급하고 반응 후 잉여 가스를 배출하기 위한 통로의 확보; 산화된 수소이온의 이동 등이 동시에 이루어져야만 한다. 더욱이 성능의 향상을 위해서는 공급연료와 촉매 및 이온 전도성 고분자 전해질막이 만나는 3상 계면영역(Triple Phase Boundary)의 면적을 증대시켜 활성분극(Activation polarization)을 줄여야 하며, 촉매층과 전해질막과의 계면 및 촉매층과 기체확산층과의 계면을 균일하게 접합하여 계면에서의 저항 분극(Ohmic polarization)을 줄여야 한다. 따라서, 촉매층과 전해질막과의 계면 저항을 최대한 감소시킴으로써 연료전지의 성능을 향상시키기 위해서는, MEA 제조시 촉매층과 전해질막의 접합력이 있어야 할 뿐만 아니라, 연료전지 구동 중에도 촉매층과 전해질막 사이의 계면 접합이 계속 유지되어야 한다.In the catalyst layer, the oxidation-reduction reaction of hydrogen and oxygen by a catalyst; movement of electrons by the adhered carbon particles; securing a passage for supplying hydrogen, oxygen and moisture and for discharging excess gas after reaction; The movement of oxidized hydrogen ions and the like must occur simultaneously. Moreover, in order to improve the performance, it is necessary to reduce the activation polarization by increasing the area of the triple phase boundary where the feed fuel meets the catalyst and the ion conductive polymer electrolyte membrane, and the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane and the catalyst layer It is necessary to uniformly bond the interface between the gas diffusion layer and the gas diffusion layer to reduce Ohmic polarization at the interface. Therefore, in order to improve the performance of the fuel cell by maximally reducing the interfacial resistance between the catalyst layer and the electrolyte membrane, there must be bonding strength between the catalyst layer and the electrolyte membrane during MEA manufacturing, as well as the interfacial bonding between the catalyst layer and the electrolyte membrane during fuel cell operation. should be maintained

이에, 최근에는 촉매층과 전해질막과의 계면 및 촉매층과 기체확산층과의 계면을 균일하게 접합하기 위한 기술 개발이 활발히 이루어지고 있지만, 계면 균일성이 여전히 제한적인 단점이 있다.Accordingly, in recent years, technology for uniformly bonding the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane and the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer has been actively developed, but the interface uniformity is still limited.

또한, 전술된 구조를 갖는 MEA의 경우 통상적으로 두께가 두꺼운 전해질막을 사용하므로, 수소 이온의 전달이 지연되어 성능 저하가 발생할 수 있다.In addition, in the case of the MEA having the above-described structure, since an electrolyte membrane having a thick thickness is generally used, the transfer of hydrogen ions may be delayed, and thus performance may be deteriorated.

또한, 연료 전지 구동 시 수소 이온의 이동과 사용시간이 길어짐에 따라 촉매층과 전해질막과의 계면 및 촉매층과 기체확산층과의 계면 접합성이 약해져 서로 분리되게 된다. 이에, 연료전지에 적용됐을 때 연료전지의 성능 저하를 야기할 수 있다.In addition, as the movement of hydrogen ions and the duration of use of the fuel cell increase, the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane and the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer are weakened, resulting in separation from each other. Accordingly, when applied to a fuel cell, the performance of the fuel cell may be deteriorated.

수소 이온의 이동 시간 등의 단축을 위해서, 전해질막의 두께를 줄여야 하고 이를 위해서 전해질막을 구성하는 다공성 지지체의 두께를 얇게 하는 방법이 있는데, 지지체의 두께를 얇게 하기 위해 고연신시 지지체의 강도 등의 물성이 크게 감소할 뿐만 아니라, 지지체 제조시 불량률이 높아서 경제성, 상업성이 떨어지는 문제가 있었다.In order to shorten the movement time of hydrogen ions, etc., it is necessary to reduce the thickness of the electrolyte membrane, and for this purpose, there is a method of thinning the thickness of the porous support constituting the electrolyte membrane. In addition to this significantly reduced, there was a problem in that economical and commercial properties were lowered due to a high defect rate during the manufacture of the support.

미국 등록특허번호 US3282875호(등록일 : 1966.11.01)US Registered Patent No. US3282875 (Registration Date: 1966.11.01)

본 발명은 우수한 물성을 가지는 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물, 이를 이용한 과불소계 술폰화 이오노머를 포함함으로서, PEMFC용 복합 전해질막의 안정성 및 내구성이 향상된 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물, 이를 이용한 과불소계 술폰화 이오노머, 이를 포함하는 PEMFC용 복합 전해질막 및 이를 포함하는 PEMFC용 막-전극 접합체를 제공하고자 한다.The present invention provides a composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer having excellent physical properties, and a composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer with improved stability and durability of a composite electrolyte membrane for PEMFC by including a perfluorinated sulfonated ionomer using the same, and a perfluorinated sulfonated ionomer using the same An object of the present invention is to provide an ionomer, a composite electrolyte membrane for PEMFC including the same, and a membrane-electrode assembly for PEMFC including the same.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 테트라플루오로에틸렌(TFE), 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 및 라디칼 개시제를 포함할 수 있다.In order to solve the above problems, the composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention may include tetrafluoroethylene (TFE), a compound represented by the following Chemical Formula 1, a compound represented by the following Chemical Formula 2, and a radical initiator. .

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020023662139-pat00002
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상기 화학식 1에 있어서, n은 4 또는 5이다.In Formula 1, n is 4 or 5.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112020023662139-pat00003
Figure 112020023662139-pat00003

상기 화학식 2에 있어서, m은 4, 5 또는 6이다.In Formula 2, m is 4, 5 or 6.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 라디칼 개시제는 비스(플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 비스(클로로플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 디알킬퍼옥시디카보네이트계 화합물, 디아실퍼옥사이드계 화합물, 퍼옥시에스테르계 화합물, 아조계 화합물 및 과황산염계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the radical initiator is a bis(fluoroacyl) peroxide-based compound, a bis(chlorofluoroacyl)peroxide-based compound, a dialkyl peroxydicarbonate-based compound, a diacyl peroxide-based compound, It may include at least one selected from a peroxyester-based compound, an azo-based compound, and a persulfate-based compound.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 가수분해제 및 산형화제를 더 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention may further include a hydrolyzing agent and an acid-forming agent.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물을 1 : 0.45 ~ 1.24 중량비로 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the compound represented by the following Chemical Formula 1-1 and the compound represented by the following Chemical Formula 2-1 may be included in a weight ratio of 1:0.45 to 1.24.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112020023662139-pat00004
Figure 112020023662139-pat00004

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4이다.In Formula 1-1, n is 4.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112020023662139-pat00005
Figure 112020023662139-pat00005

상기 화학식 2-1에 있어서, m은 4이다.In Formula 2-1, m is 4.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-2로 표시되는 화합물을 1 : 0.62 ~ 1.38 중량비로 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the compound represented by the following Chemical Formula 1-1 and the compound represented by the following Chemical Formula 2-2 may be included in a weight ratio of 1:0.62 to 1.38.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112020023662139-pat00006
Figure 112020023662139-pat00006

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4이다.In Formula 1-1, n is 4.

[화학식 2-2][Formula 2-2]

Figure 112020023662139-pat00007
Figure 112020023662139-pat00007

상기 화학식 2-2에 있어서, m은 5이다.In Formula 2-2, m is 5.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-3으로 표시되는 화합물을 1 : 0.85 ~ 1.60 중량비로 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the compound represented by the following Chemical Formula 1-1 and the compound represented by the following Chemical Formula 2-3 may be included in a weight ratio of 1:0.85 to 1.60.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112020023662139-pat00008
Figure 112020023662139-pat00008

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4이다.In Formula 1-1, n is 4.

[화학식 2-3][Formula 2-3]

Figure 112020023662139-pat00009
Figure 112020023662139-pat00009

상기 화학식 2-3에 있어서, m은 6이다.In Formula 2-3, m is 6.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물을 1 : 0.47 ~ 1.21 중량비로 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the compound represented by the following Chemical Formula 1-2 and the compound represented by the following Chemical Formula 2-1 may be included in a weight ratio of 1:0.47 to 1.21.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112020023662139-pat00010
Figure 112020023662139-pat00010

상기 화학식 1-2에 있어서, n은 5이다.In Formula 1-2, n is 5.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112020023662139-pat00011
Figure 112020023662139-pat00011

상기 화학식 2-1에 있어서, m은 4이다.In Formula 2-1, m is 4.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-2로 표시되는 화합물을 1 : 0.64 ~ 1.36 중량비로 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the compound represented by the following Chemical Formula 1-2 and the compound represented by the following Chemical Formula 2-2 may be included in a weight ratio of 1:0.64 to 1.36.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112020023662139-pat00012
Figure 112020023662139-pat00012

상기 화학식 1-2에 있어서, n은 5이다.In Formula 1-2, n is 5.

[화학식 2-2][Formula 2-2]

Figure 112020023662139-pat00013
Figure 112020023662139-pat00013

상기 화학식 2-2에 있어서, m은 5이다.In Formula 2-2, m is 5.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-3으로 표시되는 화합물을 1 : 0.64 ~ 1.30 중량비로 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the compound represented by the following Chemical Formula 1-2 and the compound represented by the following Chemical Formula 2-3 may be included in a weight ratio of 1:0.64 to 1.30.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112020023662139-pat00014
Figure 112020023662139-pat00014

상기 화학식 1-2에 있어서, n은 5이다.In Formula 1-2, n is 5.

[화학식 2-3][Formula 2-3]

Figure 112020023662139-pat00015
Figure 112020023662139-pat00015

상기 화학식 2-3에 있어서, m은 6이다.In Formula 2-3, m is 6.

한편, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머는 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 포함할 수 있다.Meanwhile, the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention may include a polymer including a repeating unit represented by the following Chemical Formula 3, a repeating unit represented by the following Chemical Formula 4, and a repeating unit represented by the following Chemical Formula 5.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112020023662139-pat00016
Figure 112020023662139-pat00016

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112020023662139-pat00017
Figure 112020023662139-pat00017

상기 화학식 4에 있어서, n은 4 또는 5이다.In Formula 4, n is 4 or 5.

[화학식 5][Formula 5]

Figure 112020023662139-pat00018
Figure 112020023662139-pat00018

상기 화학식 5에 있어서, m은 4, 5 또는 6이다.In Formula 5, m is 4, 5 or 6.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 폴리머는 하기 화학식 6으로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 20,000 ~ 10,000,000 일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the polymer may include a repeating unit represented by the following Chemical Formula 6, and the polymer may have a weight average molecular weight of 20,000 to 10,000,000.

[화학식 6][Formula 6]

Figure 112020023662139-pat00019
Figure 112020023662139-pat00019

상기 화학식 6에 있어서, n는 4 또는 5이고, m은 4, 5 또는 6이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.01 ~ 1 : 0.01 ~ 1의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.In Formula 6, n is 4 or 5, m is 4, 5 or 6, x, y and z are molar ratios, 1: 0.01 to 1: 0.01 to 1, and is a rational number of x, y and z. The order of bonding of each constituent unit may be randomly modified.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 폴리머는 -SO3H기의 화학당량(EW : equivalent weight)이 500 ~ 1200일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the polymer may have an equivalent weight of -SO 3 H group (EW: equivalent weight) of 500 to 1200.

나아가, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막은 지지체층, 상기 지지체층 일면에 형성된 제1전해질층 및 상기 지지체층 타면에 형성된 제2전해질층을 포함할 수 있다.Furthermore, the composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention may include a support layer, a first electrolyte layer formed on one surface of the support layer, and a second electrolyte layer formed on the other surface of the support layer.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 제1전해질층 및 제2전해질층 중 적어도 하나의 층에는 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, at least one of the first electrolyte layer and the second electrolyte layer may include the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막은 펜톤 테스트(fenton test)로 측정된 내구성이 1.5 ~ 10μmol/hrㆍg일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention may have a durability of 1.5 to 10 μmol/hr·g as measured by the Fenton test.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막은 이온전도도가 0.07 ~ 0.2 S/cm일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention may have an ionic conductivity of 0.07 to 0.2 S/cm.

한편, 본 발명의 PEMFC용 막-전극 접합체는 애노드(산화전극), 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막 및 캐소드(환원전극)를 포함할 수 있다.Meanwhile, the membrane-electrode assembly for PEMFC of the present invention may include an anode (oxidation electrode), a composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention, and a cathode (reduction electrode).

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 본 발명의 PEMFC용 막-전극 접합체는 수소투과도가 1.0 ~ 2.6 mA/cm²일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the PEMFC membrane-electrode assembly of the present invention may have a hydrogen permeability of 1.0 to 2.6 mA/cm².

나아가, 본 발명의 고분자 전해질막 연료전지는 본 발명의 PEMFC용 막-전극 접합체 및 세퍼레이터를 포함하고, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 전기 발생부, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함할 수 있다.Furthermore, the polymer electrolyte membrane fuel cell of the present invention includes the PEMFC membrane-electrode assembly and the separator of the present invention, and an electricity generator that generates electricity through an electrochemical reaction of fuel and an oxidizer, and supplies fuel to the electricity generator It may include a fuel supply unit and an oxidizer supply unit for supplying the oxidizer to the generator.

한편, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법은 반응기 내부에 탈이온수(deionized water), 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 투입 및 교반하는 제1단계, 테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스를 상기 반응기 내부에 투입하여 상기 반응기의 내부 분위기를 TFE 가스 분위기로 치환하는 제2단계, 상기 반응기 내부에 라디칼 개시제를 투입하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조하는 제3단계 및 상기 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액에 침지시켜 술폰산염기를 포함하는 화합물을 제조하고, 상기 술폰산염기를 포함하는 화합물을 산형화제를 포함하는 용액에 침지시켜 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조하는 제4단계를 포함할 수 있다.On the other hand, the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention is a first step of adding and stirring deionized water, a compound represented by the following formula (1) and a compound represented by the following formula (2) into the reactor, tetrafluoro A second step of introducing roethylene (TFE) gas into the reactor to replace the internal atmosphere of the reactor with a TFE gas atmosphere, adding a radical initiator into the reactor to prepare a compound containing -SO 2 F group Step 3 and immersing the compound containing the -SO 2 F group in a solution containing a hydrolyzing agent to prepare a compound containing a sulfonate group, and immersing the compound containing the sulfonate group in a solution containing an acid-forming agent A fourth step of preparing a polymer including a repeating unit represented by the following Chemical Formula 3, a repeating unit represented by the following Chemical Formula 4, and a repeating unit represented by the following Chemical Formula 5 may be included.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020023662139-pat00020
Figure 112020023662139-pat00020

상기 화학식 1에 있어서, n은 4 또는 5이다.In Formula 1, n is 4 or 5.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112020023662139-pat00021
Figure 112020023662139-pat00021

상기 화학식 2에 있어서, m은 4, 5 또는 6이다.In Formula 2, m is 4, 5 or 6.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112020023662139-pat00022
Figure 112020023662139-pat00022

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112020023662139-pat00023
Figure 112020023662139-pat00023

상기 화학식 4에 있어서, n은 4 또는 5이다.In Formula 4, n is 4 or 5.

[화학식 5][Formula 5]

Figure 112020023662139-pat00024
Figure 112020023662139-pat00024

상기 화학식 5에 있어서, m은 4, 5 또는 6이다.In Formula 5, m is 4, 5 or 6.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 폴리머는 하기 화학식 6으로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 20,000 ~ 10,000,000 일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the polymer of the method for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention includes a repeating unit represented by the following Chemical Formula 6, and the polymer may have a weight average molecular weight of 20,000 to 10,000,000.

[화학식 6][Formula 6]

Figure 112020023662139-pat00025
Figure 112020023662139-pat00025

상기 화학식 6에 있어서, n는 4 또는 5이고, m은 4, 5 또는 6이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.01 ~ 1 : 0.01 ~ 1의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.In Formula 6, n is 4 or 5, m is 4, 5 or 6, x, y and z are molar ratios, 1: 0.01 to 1: 0.01 to 1, and is a rational number of x, y and z. The order of bonding of each constituent unit may be randomly modified.

나아가, 본 발명의 다른 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법은 반응기 내부에 탈이온수(deionized water) 및 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 투입 및 교반하는 제1단계, 테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스를 상기 반응기 내부에 투입하여 상기 반응기의 내부 분위기를 TFE 가스 분위기로 치환하는 제2단계, 상기 반응기 내부에 라디칼 개시제를 투입하는 제3단계, 상기 반응기 내부에 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 투입 및 교반하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조하는 제4단계 및 상기 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액에 침지시켜 술폰산염기를 포함하는 화합물을 제조하고, 상기 술폰산염기를 포함하는 화합물을 산형화제를 포함하는 용액에 침지시켜 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조하는 제5단계를 포함할 수 있다.Furthermore, in another method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, the first step of adding and stirring deionized water and a compound represented by the following Chemical Formula 1 into the reactor, tetrafluoroethylene (TFE) gas A second step of replacing the internal atmosphere of the reactor with a TFE gas atmosphere by introducing it into the reactor, a third step of introducing a radical initiator into the reactor, and adding and stirring the compound represented by the following Chemical Formula 2 inside the reactor by the fourth step and the sulfonate base was immersed in a compound containing the group -SO 2 F to the solution containing the released hydrolytically produce a compound containing a sulfonic acid base, and to prepare a compound containing an -SO 2 F A fifth step of preparing a polymer comprising a repeating unit represented by the following Chemical Formula 3, a repeating unit represented by the following Chemical Formula 4 and a repeating unit represented by the following Chemical Formula 5 by immersing the compound containing may include

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020023662139-pat00026
Figure 112020023662139-pat00026

상기 화학식 1에 있어서, n은 4 또는 5이다.In Formula 1, n is 4 or 5.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112020023662139-pat00027
Figure 112020023662139-pat00027

상기 화학식 2에 있어서, m은 4, 5 또는 6이다.In Formula 2, m is 4, 5 or 6.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112020023662139-pat00028
Figure 112020023662139-pat00028

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112020023662139-pat00029
Figure 112020023662139-pat00029

상기 화학식 4에 있어서, n은 4 또는 5이다.In Formula 4, n is 4 or 5.

[화학식 5][Formula 5]

Figure 112020023662139-pat00030
Figure 112020023662139-pat00030

상기 화학식 5에 있어서, m은 4, 5 또는 6이다.In Formula 5, m is 4, 5 or 6.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 본 발명의 다른 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 폴리머는 하기 화학식 6으로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 20,000 ~ 10,000,000 일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the polymer of the method for preparing another perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention includes a repeating unit represented by the following Chemical Formula 6, and the polymer may have a weight average molecular weight of 20,000 to 10,000,000.

[화학식 6][Formula 6]

Figure 112020023662139-pat00031
Figure 112020023662139-pat00031

상기 화학식 6에 있어서, n는 4 또는 5이고, m은 4, 5 또는 6이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.01 ~ 1 : 0.01 ~ 1의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.In Formula 6, n is 4 or 5, m is 4, 5 or 6, x, y and z are molar ratios, 1: 0.01 to 1: 0.01 to 1, and is a rational number of x, y and z. The order of the combination of each constituent unit may be randomly modified.

본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 PEMFC용 복합 전해질막은 이온전도도가 우수하여, 이를 이용한 수소이온 교환막 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는 우수한 물성을 가질 수 있다.The composite electrolyte membrane for PEMFC containing the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention has excellent ionic conductivity, and a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) using the same can have excellent physical properties.

또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 PEMFC용 복합 전해질막은 함수율이 높아 가공이 용이할 뿐만 아니라, 수소 투과도가 개선된다.In addition, the composite electrolyte membrane for PEMFC containing the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention has a high water content and thus is easy to process and has improved hydrogen permeability.

또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 PEMFC용 복합 전해질막은 안전성이 우수할 뿐만 아니라, 내구 수명이 개선된다.In addition, the composite electrolyte membrane for PEMFC containing the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention has excellent safety and improved durability.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 PEMFC용 복합 전해질막의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 PEMFC용 막-전극 접합체의 개략도이다.
1 is a schematic diagram of a composite electrolyte membrane for PEMFC according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a membrane-electrode assembly for PEMFC according to a preferred embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are added to the same or similar elements throughout the specification.

본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머(PFSA ionomer : perfluorinated sulfonic acid ionomer)에 대하여 먼저 설명한다.The perfluorinated sulfonic acid ionomer (PFSA ionomer) of the present invention will be described first.

본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머는 후술할 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막의 전해질층에 포함되는 이오노머로서, 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 포함할 수 있고, 바람직하게는 하기 화학식 6으로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 포함할 수 있다.The perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention is an ionomer included in the electrolyte layer of the composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention to be described later, and is represented by a repeating unit represented by the following Chemical Formula 3, a repeating unit represented by the following Chemical Formula 4, and a repeating unit represented by the following Chemical Formula 5 It may include a polymer including a repeating unit, preferably a polymer including a repeating unit represented by the following formula (6).

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112020023662139-pat00032
Figure 112020023662139-pat00032

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112020023662139-pat00033
Figure 112020023662139-pat00033

상기 화학식 4에 있어서, n은 4 또는 5이다.In Formula 4, n is 4 or 5.

[화학식 5][Formula 5]

Figure 112020023662139-pat00034
Figure 112020023662139-pat00034

상기 화학식 5에 있어서, m은 4, 5 또는 6이다.In Formula 5, m is 4, 5 or 6.

[화학식 6][Formula 6]

Figure 112020023662139-pat00035
Figure 112020023662139-pat00035

상기 화학식 6에 있어서, n는 4 또는 5이고, m은 4, 5 또는 6이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.01 ~ 1 : 0.01 ~ 1의 유리수, 바람직하게는 1 : 0.05 ~ 0.5 : 0.05 ~ 0.5의 유리수, 더욱 바람직하게는 1 : 0.1 ~ 0.4 : 0.1 ~ 0.4 의 유리수, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.12 ~ 0.3 : 0.12 ~ 0.3의 유리수, 더더더욱 바람직하게는 1 : 0.15 ~ 0.25 : 0.15 ~ 0.25의 유리수일 수 있다.In Formula 6, n is 4 or 5, m is 4, 5 or 6, and x, y and z are molar ratios, and a rational number of 1: 0.01 to 1: 0.01 to 1, preferably 1: 0.05 to 0.5: a rational number of 0.05 to 0.5, more preferably 1: 0.1 to 0.4: a rational number of 0.1 to 0.4, still more preferably 1: 0.12 to 0.3: a rational number of 0.12 to 0.3, even more preferably 1: 0.15 to 0.25 : It may be a rational number of 0.15 to 0.25.

만일, x 및 y의 몰비가 1 : 0.01미만이면 이온전도도의 문제가 있을 수 있고, 1 : 1을 초과하면 상용성, 제막특성, 성형성 및 내구성 등의 문제가 있을 수 있다. 또한, x 및 z의 몰비가 1 : 0.01 미만이면 이온전도도의 문제가 있을 수 있고, 1 : 1을 초과하면 내구성의 문제가 있을 수 있다.If the molar ratio of x and y is less than 1: 0.01, there may be a problem of ionic conductivity, and if it exceeds 1:1, there may be problems such as compatibility, film forming characteristics, moldability and durability. In addition, if the molar ratio of x and z is less than 1: 0.01, there may be a problem of ionic conductivity, and if it exceeds 1:1, there may be a problem of durability.

또한, 상기 화학식 6에 있어서, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.In addition, in Formula 6, the order of bonding of each structural unit according to x, y, and z may be randomly modified.

또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 폴리머는 중량평균분자량 20,000 ~ 10,000,000, 바람직하게는 중량평균분자량 50,000 ~ 5,000,000, 더욱 바람직하게는 중량평균분자량 80,000 ~ 1,000,000, 더더욱 바람직하게는 중량평균분자량 100,000 ~ 500,000, 더더더욱 바람직하게는 중량평균분자량 140,000 ~ 160,000일 수 있으며, 폴리머의 중량평균분자량이 20,000 미만이면 내구성, 기계적 물성에 문제가 있을 수 있고, 중량평균분자량이 10,000,000을 초과하면 성형성의 문제가 있을 수 있다.In addition, the polymer of the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention has a weight average molecular weight of 20,000 to 10,000,000, preferably a weight average molecular weight of 50,000 to 5,000,000, more preferably a weight average molecular weight of 80,000 to 1,000,000, still more preferably a weight average molecular weight of 100,000 to 500,000, even more preferably, the weight average molecular weight may be 140,000 to 160,000, and if the weight average molecular weight of the polymer is less than 20,000, there may be problems with durability and mechanical properties, and if the weight average molecular weight exceeds 10,000,000, there may be problems with moldability. can

또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머는 -SO3H기의 화학당량(EW : equivalent weight)이 500 ~ 1200, 바람직하게는 500 ~ 1000, 더욱 바람직하게는 550 ~ 900, 더더욱 바람직하게는 600 ~ 800, 더더더욱 바람직하게는 650 ~ 750일 수 있으며, 만일 -SO3H기의 화학당량이 500 미만이면 내구성, 기계적 물성에 문제가 있을 수 있고, 1200을 초과하면 이온전도도의 문제가 있을 수 있다.In addition, the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention has a chemical equivalent of -SO 3 H group (EW: equivalent weight) of 500 to 1200, preferably 500 to 1000, more preferably 550 to 900, still more preferably 600 ~ 800, even more preferably may be 650 ~ 750, if the chemical equivalent of -SO 3 H group is less than 500, there may be a problem in durability and mechanical properties, and if it exceeds 1200, there may be a problem of ionic conductivity have.

한편, 앞서 언급한 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머는 테트라플루오로에틸렌(TFE), 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 및 라디칼 개시제를 포함하는 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물을 이용하여 제조할 수 있다.On the other hand, the above-mentioned perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention is a composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer comprising tetrafluoroethylene (TFE), a compound represented by the following Chemical Formula 1, a compound represented by the following Chemical Formula 2, and a radical initiator It can be manufactured using

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020023662139-pat00036
Figure 112020023662139-pat00036

상기 화학식 1에 있어서, n은 4 또는 5이다.In Formula 1, n is 4 or 5.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112020023662139-pat00037
Figure 112020023662139-pat00037

상기 화학식 2에 있어서, m은 4, 5 또는 6이다.In Formula 2, m is 4, 5 or 6.

또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 1 : 0.45 ~ 1.60 중량비로 포함할 수 있으며, 만일, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물이 0.45 중량비 미만으로 포함하면 이온전도도의 문제가 있을 수 있고, 1.60 중량비를 초과하면 내구성 저하의 문제가 있을 수 있다.In addition, the composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention may include the compound represented by Formula 1 and the compound represented by Formula 2 in a weight ratio of 1:0.45 to 1.60, and if, the compound represented by Formula 2 If it contains less than 0.45 weight ratio, there may be a problem of ionic conductivity, and if it exceeds 1.60 weight ratio, there may be a problem of reduced durability.

구체적으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물을 1 : 0.45 ~ 1.24 중량비, 바람직하게는 1 : 0.6 ~ 1.1 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 0.75 ~ 0.95 중량비, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.75 ~ 0.82 중량비로 포함할 수 있다.Specifically, the composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention contains the compound represented by the following Chemical Formula 1-1 and the compound represented by the following Chemical Formula 2-1 in a weight ratio of 1: 0.45 to 1.24, preferably 1: 0.6 to 1.1 by weight. , more preferably 1: 0.75 to 0.95 weight ratio, even more preferably 1: 0.75 to 0.82 weight ratio.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112020023662139-pat00038
Figure 112020023662139-pat00038

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4 이다.In Formula 1-1, n is 4.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112020023662139-pat00039
Figure 112020023662139-pat00039

상기 화학식 2-1에 있어서, m은 4이다.In Formula 2-1, m is 4.

또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-2로 표시되는 화합물을 1 : 0.62 ~ 1.38 중량비, 바람직하게는 1 : 0.8 ~ 1.2 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 0.9 ~ 1.1 중량비, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.9 ~ 0.98 중량비로 포함할 수 있다.In addition, the composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention comprises a compound represented by the following Chemical Formula 1-1 and a compound represented by the following Chemical Formula 2-2 in a weight ratio of 1: 0.62 to 1.38, preferably 1: 0.8 to 1.2 by weight, More preferably, it may be included in a weight ratio of 1: 0.9 to 1.1, even more preferably 1: 0.9 to 0.98 by weight.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112020023662139-pat00040
Figure 112020023662139-pat00040

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4 이다.In Formula 1-1, n is 4.

[화학식 2-2][Formula 2-2]

Figure 112020023662139-pat00041
Figure 112020023662139-pat00041

상기 화학식 2-2에 있어서, m은 5이다.In Formula 2-2, m is 5.

또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-3으로 표시되는 화합물을 1 : 0.85 ~ 1.60 중량비, 바람직하게는 1 : 1.0 ~ 1.45 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 1.15 ~ 1.32 중량비, 더더욱 바람직하게는 1 : 1.15 ~ 1.2 중량비로 포함할 수 있다.In addition, the composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention comprises a compound represented by the following Chemical Formula 1-1 and a compound represented by the following Chemical Formula 2-3 in a weight ratio of 1: 0.85 to 1.60, preferably 1: 1.0 to 1.45 by weight, More preferably, it may be included in a weight ratio of 1:15 to 1.32, still more preferably 1:15 to 1.2 by weight.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112020023662139-pat00042
Figure 112020023662139-pat00042

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4 이다.In Formula 1-1, n is 4.

[화학식 2-3][Formula 2-3]

Figure 112020023662139-pat00043
Figure 112020023662139-pat00043

상기 화학식 2-3에 있어서, m은 6이다.In Formula 2-3, m is 6.

또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물을 1 : 0.47 ~ 1.21 중량비, 바람직하게는 1 : 0.6 ~ 1.1 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 0.75 ~ 0.92 중량비, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.75 ~ 0.82 중량비로 포함할 수 있다.In addition, the composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention comprises a compound represented by the following Chemical Formula 1-2 and a compound represented by the following Chemical Formula 2-1 in a weight ratio of 1: 0.47 to 1.21, preferably 1: 0.6 to 1.1 by weight, More preferably 1: 0.75 to 0.92 weight ratio, even more preferably 1: 0.75 to 0.82 weight ratio.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112020023662139-pat00044
Figure 112020023662139-pat00044

상기 화학식 1-2에 있어서, n은 5 이다.In Formula 1-2, n is 5.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112020023662139-pat00045
Figure 112020023662139-pat00045

상기 화학식 2-1에 있어서, m은 4이다.In Formula 2-1, m is 4.

또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-2로 표시되는 화합물을 1 : 0.64 ~ 1.36 중량비, 바람직하게는 1 : 0.8 ~ 1.2 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 0.91 ~ 1.1 중량비, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.91 ~ 0.98 중량비로 포함할 수 있다.In addition, the composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention contains the compound represented by the following Chemical Formula 1-2 and the compound represented by the following Chemical Formula 2-2 in a weight ratio of 1: 0.64 to 1.36, preferably 1: 0.8 to 1.2 by weight, More preferably, it may be included in a weight ratio of 1: 0.91 to 1.1, still more preferably 1: 0.91 to 0.98 by weight.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112020023662139-pat00046
Figure 112020023662139-pat00046

상기 화학식 1-2에 있어서, n은 5 이다.In Formula 1-2, n is 5.

[화학식 2-2][Formula 2-2]

Figure 112020023662139-pat00047
Figure 112020023662139-pat00047

상기 화학식 2-2에 있어서, m은 5이다.In Formula 2-2, m is 5.

또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-3으로 표시되는 화합물을 1 : 0.64 ~ 1.30 중량비, 바람직하게는 1 : 0.8 ~ 1.2 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 0.9 ~ 1.04 중량비, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.9 ~ 0.95 중량비로 포함할 수 있다.In addition, the composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention comprises a compound represented by the following Chemical Formula 1-2 and a compound represented by the following Chemical Formula 2-3 in a weight ratio of 1: 0.64 to 1.30, preferably 1: 0.8 to 1.2 by weight, More preferably, it may be included in a weight ratio of 1: 0.9 to 1.04, still more preferably 1: 0.9 to 0.95 by weight.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112020023662139-pat00048
Figure 112020023662139-pat00048

상기 화학식 1-2에 있어서, n은 5 이다.In Formula 1-2, n is 5.

[화학식 2-3][Formula 2-3]

Figure 112020023662139-pat00049
Figure 112020023662139-pat00049

상기 화학식 2-3에 있어서, m은 6이다.In Formula 2-3, m is 6.

본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물의 라디칼 개시제는 라디칼을 생성시켜 라디칼 연쇄 중합을 일으키는 역할을 하는 것으로서, 으로서, 비스(플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 비스(클로로플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 디알킬퍼옥시디카보네이트계 화합물, 디아실퍼옥사이드계 화합물, 퍼옥시에스테르계 화합물, 퍼플루오로퍼옥사이드계 화합물, 아조계 화합물 및 과황산염계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 퍼플루오로퍼옥사이드계 화합물 및 과황산염계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The radical initiator of the composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention serves to generate radicals to cause radical chain polymerization, and as It may include at least one selected from compound, dialkyl peroxydicarbonate-based compound, diacyl peroxide-based compound, peroxyester-based compound, perfluoroperoxide-based compound, azo-based compound, and persulfate-based compound, preferably For example, it may include at least one selected from a perfluoroperoxide-based compound and a persulfate-based compound.

디알킬퍼옥시디카보네이트계 화합물로서 디메틸 퍼옥시디카보네이트(dimethyl peroxydicarbonate), 디에틸 퍼옥시디카보네이트(diethyl peroxydicarbonate) 및 디프로필 퍼옥시디카보네이트(dipropyl peroxydicarbonate) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 디아실퍼옥사이드계 화합물로서 디아세틸 퍼옥사이드(diacetyl peroxide)을 포함할 수 있으며, 퍼옥시에스테르계 화합물로서 비스(펜타플루오로 프로피오닐)퍼옥사이드(Bis(Pentafluoro propionyl)peroxide), 비스(트리플루오로메틸)퍼옥시안하이드라이드(Bis(trifluoromethyl)peroxyanhydride)중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 퍼플루오로퍼옥사이드계 화합물로서 비스(퍼플루오로-t-부틸)퍼옥사이드(Bis(perfluoro-t-butyl) peroxide), 비스(트리플루오로메틸)퍼옥사이드(Bis(trifluoromethyl) Peroxide)중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 아조계 화합물로서 아조비스-2-메틸프로페인나이트릴(Azobisisobutyronitrile, AIBN)을 포함할 수 있고, 과황산염계 화합물로서 과황산칼륨(KPS : Potassium persulfate), 과황산암모늄 (APS : Ammonium persulfate) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.As a dialkyl peroxydicarbonate-based compound, it may include at least one selected from dimethyl peroxydicarbonate, diethyl peroxydicarbonate, and dipropyl peroxydicarbonate, and diacyl peroxide It may include diacetyl peroxide as a compound, and as a peroxyester compound, Bis(Pentafluoro propionyl)peroxide, Bis(trifluoromethyl)peroxide It may include at least one selected from oxyanhydride (Bis (trifluoromethyl) peroxyanhydride), and as a perfluoro peroxide-based compound, bis (perfluoro-t-butyl) peroxide (Bis (perfluoro-t-butyl) peroxide), bis (trifluoromethyl) peroxide (Bis (trifluoromethyl) Peroxide) may include at least one selected from, and azobis-2-methylpropanenitrile (Azobisisobutyronitrile, AIBN) and may include at least one selected from potassium persulfate (KPS: Potassium persulfate) and ammonium persulfate (APS: Ammonium persulfate) as the persulfate-based compound.

한편, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 탈이온수(deionized water)를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention may further include deionized water.

또한, 본 발명의 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물은 가수분해제 및 산형화제를 더 포함할 수 있다.In addition, the composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention may further include a hydrolyzing agent and an acid-forming agent.

가수분해제는 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물에 포함되는 테트라플루오로에틸렌(TFE), 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물이 중합하여 제조된 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해하여 술폰산염기를 포함하는 화합물로 전환해주는 역할을 하는 것으로서, 염기성 화합물을 포함할 수 있다. 이 때, 염기성 화합물로서 수산화리튬, 수산화나트륨 및 수산화칼륨 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 수산화리튬을 포함할 수 있다. The hydrolyzing agent is a -SO 2 F group prepared by polymerization of tetrafluoroethylene (TFE), a compound represented by Formula 1 and a compound represented by Formula 2, included in the composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention. It serves to hydrolyze the compound containing the compound to be converted into a compound containing a sulfonate group, and may include a basic compound. In this case, the basic compound may include at least one selected from lithium hydroxide, sodium hydroxide and potassium hydroxide, and preferably lithium hydroxide.

산형화제는 앞서, 가수분해제를 통해 제조된 술폰산염기를 포함하는 화합물을 -SO3H기를 포함하는 화합물로 전환해주는 역할을 하는 것으로서, 염산 및 황산 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The acid-forming agent serves to convert a compound containing a sulfonate group prepared through a hydrolyzing agent into a compound containing a -SO 3 H group, and may include at least one selected from hydrochloric acid and sulfuric acid.

한편, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 바람직한 일실시예로서, 제1단계 내지 제4단계를 포함한다.On the other hand, as a preferred embodiment of the method for preparing the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, the first to fourth steps are included.

먼저, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제1단계로서, 반응기 내부에 탈이온수(deionized water), 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 투입 및 교반할 수 있다.First, as the first step of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, deionized water, a compound represented by the following formula (1) and a compound represented by the following formula (2) may be added and stirred into the reactor. have.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020023662139-pat00050
Figure 112020023662139-pat00050

상기 화학식 1에 있어서, n은 4 또는 5이다.In Formula 1, n is 4 or 5.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112020023662139-pat00051
Figure 112020023662139-pat00051

상기 화학식 2에 있어서, m은 4, 5 또는 6이다.In Formula 2, m is 4, 5 or 6.

이 때, 반응기로서 바람직하게는 오토클레이브(autoclave)가 사용될 수 있으며, 교반은 150 ~ 450 rpm, 바람직하게는 200 ~ 400 rpm, 더욱 바람직하게는 250 ~ 350rpm으로 15분 ~ 45분, 바람직하게는 20분 ~ 40분, 더욱 바람직하게는 25 ~ 35분 동안 수행할 수 있다.At this time, preferably an autoclave may be used as the reactor, and the agitation is 150 to 450 rpm, preferably 200 to 400 rpm, more preferably 250 to 350 rpm for 15 minutes to 45 minutes, preferably It may be carried out for 20 minutes to 40 minutes, more preferably 25 to 35 minutes.

또한, 반응기 내부에 투입되는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 1 : 0.45 ~ 1.60 중량비로 투입될 수 있다In addition, the compound represented by Formula 1 and the compound represented by Formula 2 are introduced into the reactor in a weight ratio of 1: 0.45 to 1.60.

구체적으로, 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물을 1 : 0.45 ~ 1.24 중량비, 바람직하게는 1 : 0.6 ~ 1.1 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 0.75 ~ 0.95 중량비, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.75 ~ 0.82 중량비로 투입될 수 있다.Specifically, the compound represented by the following Chemical Formula 1-1 and the compound represented by the following Chemical Formula 2-1 are in a weight ratio of 1: 0.45 to 1.24, preferably 1: 0.6 to 1.1 by weight, more preferably 1: 0.75 to 0.95 by weight. , more preferably 1: 0.75 to 0.82 may be added in a weight ratio.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112020023662139-pat00052
Figure 112020023662139-pat00052

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4 이다.In Formula 1-1, n is 4.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112020023662139-pat00053
Figure 112020023662139-pat00053

상기 화학식 2-1에 있어서, m은 4이다.In Formula 2-1, m is 4.

또한, 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-2로 표시되는 화합물을 1 : 0.62 ~ 1.38 중량비, 바람직하게는 1 : 0.8 ~ 1.2 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 0.9 ~ 1.1 중량비, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.9 ~ 0.98 중량비로 투입될 수 있다.In addition, the compound represented by the following formula 1-1 and the compound represented by the following formula 2-2 are in a weight ratio of 1: 0.62 to 1.38, preferably 1: 0.8 to 1.2 by weight, more preferably 1: 0.9 to 1.1 by weight, Even more preferably, it may be added in a weight ratio of 1: 0.9 to 0.98.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112020023662139-pat00054
Figure 112020023662139-pat00054

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4 이다.In Formula 1-1, n is 4.

[화학식 2-2][Formula 2-2]

Figure 112020023662139-pat00055
Figure 112020023662139-pat00055

상기 화학식 2-2에 있어서, m은 5이다.In Formula 2-2, m is 5.

또한, 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-3으로 표시되는 화합물을 1 : 0.85 ~ 1.60 중량비, 바람직하게는 1 : 1.0 ~ 1.45 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 1.15 ~ 1.32 중량비, 더더욱 바람직하게는 1 : 1.15 ~ 1.2 중량비로 투입될 수 있다.In addition, the compound represented by the following formula 1-1 and the compound represented by the following formula 2-3 are in a weight ratio of 1: 0.85 to 1.60, preferably 1: 1.0 to 1.45 by weight, more preferably 1: 1.15 to 1.32 by weight, Even more preferably, it may be added in a weight ratio of 1:15 to 1.2.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112020023662139-pat00056
Figure 112020023662139-pat00056

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4 이다.In Formula 1-1, n is 4.

[화학식 2-3][Formula 2-3]

Figure 112020023662139-pat00057
Figure 112020023662139-pat00057

상기 화학식 2-3에 있어서, m은 6이다.In Formula 2-3, m is 6.

또한, 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물을 1 : 0.47 ~ 1.21 중량비, 바람직하게는 1 : 0.6 ~ 1.1 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 0.75 ~ 0.92 중량비, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.75 ~ 0.82 중량비로 투입될 수 있다.In addition, the compound represented by the following formula 1-2 and the compound represented by the following formula 2-1 are in a weight ratio of 1: 0.47 to 1.21, preferably 1: 0.6 to 1.1 by weight, more preferably 1: 0.75 to 0.92 by weight, Even more preferably, it may be added in a weight ratio of 1: 0.75 to 0.82.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112020023662139-pat00058
Figure 112020023662139-pat00058

상기 화학식 1-2에 있어서, n은 5 이다.In Formula 1-2, n is 5.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112020023662139-pat00059
Figure 112020023662139-pat00059

상기 화학식 2-1에 있어서, m은 4이다.In Formula 2-1, m is 4.

또한, 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-2로 표시되는 화합물을 1 : 0.64 ~ 1.36 중량비, 바람직하게는 1 : 0.8 ~ 1.2 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 0.91 ~ 1.1 중량비, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.91 ~ 0.98 중량비로 투입될 수 있다.In addition, the compound represented by Formula 1-2 and the compound represented by Formula 2-2 are in a weight ratio of 1: 0.64 to 1.36, preferably 1: 0.8 to 1.2 by weight, more preferably 1: 0.91 to 1.1 by weight, Even more preferably, it may be added in a weight ratio of 1: 0.91 to 0.98.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112020023662139-pat00060
Figure 112020023662139-pat00060

상기 화학식 1-2에 있어서, n은 5 이다.In Formula 1-2, n is 5.

[화학식 2-2][Formula 2-2]

Figure 112020023662139-pat00061
Figure 112020023662139-pat00061

상기 화학식 2-2에 있어서, m은 5이다.In Formula 2-2, m is 5.

또한, 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-3으로 표시되는 화합물을 1 : 0.64 ~ 1.30 중량비, 바람직하게는 1 : 0.8 ~ 1.2 중량비, 더욱 바람직하게는 1 : 0.9 ~ 1.04 중량비, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.9 ~ 0.95 중량비로 투입될 수 있다.In addition, the compound represented by the following formula 1-2 and the compound represented by the following formula 2-3 are in a weight ratio of 1: 0.64 to 1.30, preferably 1: 0.8 to 1.2 by weight, more preferably 1: 0.9 to 1.04 by weight, Even more preferably, it may be added in a weight ratio of 1: 0.9 to 0.95.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112020023662139-pat00062
Figure 112020023662139-pat00062

상기 화학식 1-2에 있어서, n은 5 이다.In Formula 1-2, n is 5.

[화학식 2-3][Formula 2-3]

Figure 112020023662139-pat00063
Figure 112020023662139-pat00063

상기 화학식 2-3에 있어서, m은 6이다.In Formula 2-3, m is 6.

본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제1단계를 수행한 후, 반응기 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거할 수 있으며, 다시 질소가스로 퍼징(purging)할 수 있다.(이와 같은 과정은 2 ~ 5회 반복하여 수행될 수 있다.)After performing the first step of the method for producing the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, the inside of the reactor may be vacuumed to remove moisture, and then purged with nitrogen gas again. (Such a process can be repeated 2 to 5 times.)

다음으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제2단계로서, 테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스(gas)를 상기 반응기 내부에 투입하여 상기 반응기의 내부 분위기를 TFE 가스 분위기로 치환할 수 있다.Next, as a second step of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, tetrafluoroethylene (TFE) gas is introduced into the reactor to replace the internal atmosphere of the reactor with a TFE gas atmosphere. can

구체적으로, 제2단계는 먼저, TFE 가스를 반응기 내부로 투입하여, 반응기 내부의 압력을 0.005 ~ 0.1MPa, 바람직하게는 0.007 ~ 0.05MPa, 더욱 바람직하게는 0.008 ~ 0.03MPa의 TFE 가스 분위기로 치환할 수 있다. Specifically, in the second step, TFE gas is first introduced into the reactor, and the pressure inside the reactor is 0.005 to 0.1 MPa, preferably 0.007 to 0.05 MPa, more preferably 0.008 to 0.03 MPa. can do.

다음으로, 반응기 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거하고, 이 후, 반응기 내부의 압력이 0.4 ~ 1.2MPa, 바람직하게는 0.6 ~ 1.0MPa, 더욱 바람직하게는 0.7 ~ 0.9MPa가 될 때까지 TFE 가스를 반응기 내부로 투입할 수 있다.Next, the inside of the reactor is vacuumed to remove moisture, and then, the pressure inside the reactor is 0.4 to 1.2 MPa, preferably 0.6 to 1.0 MPa, more preferably 0.7 to 0.9 MPa until the TFE gas may be introduced into the reactor.

마지막으로, 반응기 내부에 3℃/min ~ 7℃/min, 바람직하게는 4℃/min ~ 6℃/min의 속도로 열을 가하여, 반응기 내부 온도가 30 ~ 40℃, 바람직하게는 33 ~ 37℃가 될 때까지 승온할 수 있다.Finally, heat is applied to the inside of the reactor at a rate of 3° C./min to 7° C./min, preferably 4° C./min to 6° C./min, so that the temperature inside the reactor is 30 to 40° C., preferably 33 to 37 It can be heated up until it becomes °C.

다음으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제3단계로서, 상기 반응기 내부에 라디칼 개시제를 투입하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조할 수 있다. Next, as the third step of the method for preparing the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, a radical initiator is introduced into the reactor to prepare a compound including -SO 2 F group.

상기 라디칼 개시제는 앞서 언급했듯이 비스(플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 비스(클로로플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 디알킬퍼옥시디카보네이트계 화합물, 디아실퍼옥사이드계 화합물, 퍼옥시에스테르계 화합물, 퍼플루오로퍼옥사이드계 화합물, 아조계 화합물 및 과황산염계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 퍼플루오로퍼옥사이드계 화합물 및 과황산염계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 라디칼 개시제는 탈이온수(deionized water)에 혼합하여 라디칼 개시제 용액으로 사용할 수 있다. 이 때, 라디칼 개시제 용액은 라디칼 개시제가 0.1 ~ 2 중량%, 바람직하게는 0.5 ~ 1.5 중량%로 포함할 수 있다.As mentioned above, the radical initiator is a bis (fluoroacyl) peroxide compound, a bis (chlorofluoroacyl) peroxide compound, a dialkyl peroxydicarbonate compound, a diacyl peroxide compound, a peroxyester compound, It may include at least one selected from perfluoroperoxide-based compounds, azo-based compounds and persulfate-based compounds, and preferably include at least one selected from perfluoroperoxide-based compounds and persulfate-based compounds, , The radical initiator may be mixed with deionized water and used as a radical initiator solution. In this case, the radical initiator solution may contain 0.1 to 2% by weight of the radical initiator, preferably 0.5 to 1.5% by weight.

한편, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제3단계를 통하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조할 시, 반응기 내부에는 3℃/min ~ 7℃/min, 바람직하게는 4℃/min ~ 6℃/min의 속도로 열을 가하여, 반응기 내부 온도를 40 ~ 60℃, 바람직하게는 45 ~ 55℃가 될 때까지 승온하여, 제조 반응이 종결될 때까지 유지될 수 있으며, 제조 반응은 1 ~ 5시간, 바람직하게는 2 ~ 4시간동안 수행될 수 있다. On the other hand, when preparing a compound containing a -SO 2 F group through the third step of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, the inside of the reactor is 3° C./min to 7° C./min, preferably 4° C. By applying heat at a rate of /min ~ 6 ℃ / min, the temperature inside the reactor is raised to 40 ~ 60 ℃, preferably 45 ~ 55 ℃, it can be maintained until the completion of the production reaction, The reaction may be carried out for 1 to 5 hours, preferably 2 to 4 hours.

추가적으로, 제3단계에서 제조된 -SO2F기를 포함하는 화합물은 증류수를 이용하여 반복적으로 수세하여 이물질 및 미반응물을 제거할 수 있다. Additionally, the compound containing -SO 2 F group prepared in the third step may be repeatedly washed with distilled water to remove foreign substances and unreacted substances.

마지막으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제4단계로서, 제3단계에서 제조된 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액에 침지시켜 술폰산염기를 포함하는 화합물을 제조하고, 상기 술폰산염기를 포함하는 화합물을 산형화제를 포함하는 용액에 침지시켜 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조할 수 있고, 바람직하게는 하기 화학식 6으로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조할 수 있다.Finally, as the fourth step of the method for preparing the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, the compound containing the -SO 2 F group prepared in the third step is immersed in a solution containing a hydrolyzing agent to include a sulfonate group. A compound is prepared, and the compound containing the sulfonate group is immersed in a solution containing an acid-forming agent to include a repeating unit represented by the following Chemical Formula 3, a repeating unit represented by the following Chemical Formula 4, and a repeating unit represented by the following Chemical Formula 5 A polymer can be prepared, and preferably a polymer including a repeating unit represented by the following formula (6) can be prepared.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112020023662139-pat00064
Figure 112020023662139-pat00064

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112020023662139-pat00065
Figure 112020023662139-pat00065

상기 화학식 4에 있어서, n은 4 또는 5이다.In Formula 4, n is 4 or 5.

[화학식 5][Formula 5]

Figure 112020023662139-pat00066
Figure 112020023662139-pat00066

상기 화학식 5에 있어서, m은 4, 5 또는 6이다.In Formula 5, m is 4, 5 or 6.

[화학식 6][Formula 6]

Figure 112020023662139-pat00067
Figure 112020023662139-pat00067

상기 화학식 6에 있어서, n는 4 또는 5이고, m은 4, 5 또는 6이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.01 ~ 1 : 0.01 ~ 1의 유리수, 바람직하게는 1 : 0.05 ~ 0.5 : 0.05 ~ 0.5의 유리수, 더욱 바람직하게는 1 : 0.1 ~ 0.4 : 0.1 ~ 0.4 의 유리수, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.12 ~ 0.3 : 0.12 ~ 0.3의 유리수, 더더더욱 바람직하게는 1 : 0.15 ~ 0.25 : 0.15 ~ 0.25의 유리수일 수 있고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.In Formula 6, n is 4 or 5, m is 4, 5 or 6, and x, y and z are molar ratios, a rational number of 1: 0.01 to 1: 0.01 to 1, preferably 1: 0.05 to 0.5: a rational number of 0.05 to 0.5, more preferably 1: 0.1 to 0.4: a rational number of 0.1 to 0.4, still more preferably 1: 0.12 to 0.3: a rational number of 0.12 to 0.3, even more preferably 1: 0.15 to 0.25 : It may be a rational number of 0.15 to 0.25, and the order of bonding of each constituent unit according to x, y, and z may be randomly modified.

또한, 폴리머는 중량평균분자량 20,000 ~ 10,000,000, 바람직하게는 중량평균분자량 50,000 ~ 5,000,000, 더욱 바람직하게는 중량평균분자량 80,000 ~ 1,000,000, 더더욱 바람직하게는 중량평균분자량 100,000 ~ 500,000, 더더더욱 바람직하게는 중량평균분자량 140,000 ~ 160,000일 수 있다.In addition, the polymer has a weight average molecular weight of 20,000 to 10,000,000, preferably a weight average molecular weight of 50,000 to 5,000,000, more preferably a weight average molecular weight of 80,000 to 1,000,000, still more preferably a weight average molecular weight of 100,000 to 500,000, even more preferably a weight average The molecular weight may be 140,000 to 160,000.

구체적으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제4단계는 제3단계에서 제조된 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 통해 가수분해하여 -SO2F기를 술폰산염기로 치환하고, 산형화제를 통해 술폰산염기를 -SO3H기로 치환하는 과정이다.Specifically, in the fourth step of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, the compound containing the -SO 2 F group prepared in the third step is hydrolyzed through a hydrolyzing agent to convert the -SO 2 F group into a sulfonate group. It is a process of substituting a sulfonate group with a -SO 3 H group through an acid-forming agent.

가수분해제를 포함하는 용액은 앞서 언급한 가수분해제가 용매에 혼합된 물질이고, 산형화제를 포함하는 용액은 앞서 언급한 산형화제가 용매에 혼합된 물질로서 용매로는 물 또는 물과 극성 용매의 혼합 용매일 수 있다. 극성 용매로는, 알코올류 (메탄올, 에탄올 등) 또는 디메틸술폭사이드일 수 있다.A solution containing a hydrolyzing agent is a material in which the aforementioned hydrolyzing agent is mixed with a solvent, and a solution containing an acid-forming agent is a material in which the aforementioned acid-forming agent is mixed in a solvent, and the solvent is water or a mixture of water and a polar solvent. It may be a mixed solvent. The polar solvent may be alcohol (methanol, ethanol, etc.) or dimethyl sulfoxide.

나아가, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 바람직한 다른 일실시예로서, 제1단계 내지 제 5단계를 포함한다.Furthermore, as another preferred embodiment of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, the first to fifth steps are included.

먼저, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제1단계로서, 반응기 내부에 탈이온수(deionized water) 및 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 투입 및 교반할 수 있다.First, as a first step of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, deionized water and a compound represented by the following Chemical Formula 1 may be added and stirred into the reactor.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020023662139-pat00068
Figure 112020023662139-pat00068

상기 화학식 1에 있어서, n은 4 또는 5이다.In Formula 1, n is 4 or 5.

이 때, 반응기로서 바람직하게는 오토클레이브(autoclave)가 사용될 수 있으며, 교반은 150 ~ 450 rpm, 바람직하게는 200 ~ 400 rpm, 더욱 바람직하게는 250 ~ 350rpm으로 15분 ~ 45분, 바람직하게는 20분 ~ 40분, 더욱 바람직하게는 25 ~ 35분 동안 수행할 수 있다.At this time, preferably an autoclave may be used as the reactor, and the agitation is 150 to 450 rpm, preferably 200 to 400 rpm, more preferably 250 to 350 rpm for 15 minutes to 45 minutes, preferably It may be carried out for 20 minutes to 40 minutes, more preferably 25 to 35 minutes.

본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제1단계를 수행한 후, 반응기 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거할 수 있으며, 다시 질소가스로 퍼징(purging)할 수 있다.(이와 같은 과정은 2 ~ 5회 반복하여 수행될 수 있다.)After performing the first step of the method for producing the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, the inside of the reactor may be vacuumed to remove moisture, and then purged with nitrogen gas again. (Such a process can be repeated 2 to 5 times.)

다음으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제2단계로서, 테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스(gas)를 상기 반응기 내부에 투입하여 상기 반응기의 내부 분위기를 TFE 가스 분위기로 치환할 수 있다.Next, as a second step of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, tetrafluoroethylene (TFE) gas is introduced into the reactor to replace the internal atmosphere of the reactor with a TFE gas atmosphere. can

구체적으로, 제2단계는 먼저, TFE 가스를 반응기 내부로 투입하여, 반응기 내부의 압력을 0.005 ~ 0.1MPa, 바람직하게는 0.007 ~ 0.05MPa, 더욱 바람직하게는 0.008 ~ 0.03MPa의 TFE 가스 분위기로 치환할 수 있다. Specifically, in the second step, TFE gas is first introduced into the reactor, and the pressure inside the reactor is 0.005 to 0.1 MPa, preferably 0.007 to 0.05 MPa, more preferably 0.008 to 0.03 MPa. can do.

다음으로, 반응기 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거하고, 이 후, 반응기 내부의 압력이 0.4 ~ 1.2MPa, 바람직하게는 0.6 ~ 1.0MPa, 더욱 바람직하게는 0.7 ~ 0.9MPa가 될 때까지 TFE 가스를 반응기 내부로 투입할 수 있다.Next, the inside of the reactor is vacuumed to remove moisture, and then, the pressure inside the reactor is 0.4 to 1.2 MPa, preferably 0.6 to 1.0 MPa, more preferably 0.7 to 0.9 MPa until the TFE gas may be introduced into the reactor.

마지막으로, 반응기 내부에 3℃/min ~ 7℃/min, 바람직하게는 4℃/min ~ 6℃/min의 속도로 열을 가하여, 반응기 내부 온도가 30 ~ 40℃, 바람직하게는 33 ~ 37℃가 될 때까지 승온할 수 있다.Finally, heat is applied to the inside of the reactor at a rate of 3° C./min to 7° C./min, preferably 4° C./min to 6° C./min, so that the temperature inside the reactor is 30 to 40° C., preferably 33 to 37 It can be heated up until it becomes °C.

다음으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제3단계로서, 상기 반응기 내부에 라디칼 개시제를 투입할 수 있다.Next, as the third step of the method for preparing the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, a radical initiator may be introduced into the reactor.

상기 라디칼 개시제는 앞서 언급했듯이 비스(플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 비스(클로로플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 디알킬퍼옥시디카보네이트계 화합물, 디아실퍼옥사이드계 화합물, 퍼옥시에스테르계 화합물, 퍼플루오로퍼옥사이드계 화합물, 아조계 화합물 및 과황산염계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 퍼플루오로퍼옥사이드계 화합물 및 과황산염계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 라디칼 개시제는 탈이온수(deionized water)에 혼합하여 라디칼 개시제 용액으로 사용할 수 있다. 이 때, 라디칼 개시제 용액은 라디칼 개시제가 0.1 ~ 2 중량%, 바람직하게는 0.5 ~ 1.5 중량%로 포함할 수 있다.As mentioned above, the radical initiator is a bis (fluoroacyl) peroxide compound, a bis (chlorofluoroacyl) peroxide compound, a dialkyl peroxydicarbonate compound, a diacyl peroxide compound, a peroxyester compound, It may include at least one selected from perfluoroperoxide-based compounds, azo-based compounds and persulfate-based compounds, and preferably include at least one selected from perfluoroperoxide-based compounds and persulfate-based compounds, , The radical initiator may be mixed with deionized water and used as a radical initiator solution. In this case, the radical initiator solution may contain 0.1 to 2% by weight of the radical initiator, preferably 0.5 to 1.5% by weight.

제3단계에서 상기 반응기 내부에 라디칼 개시제를 투입 후, 반응기 내부에 3℃/min ~ 7℃/min, 바람직하게는 4℃/min ~ 6℃/min의 속도로 열을 가하여, 반응기 내부 온도를 40 ~ 60℃, 바람직하게는 45 ~ 55℃가 될 때까지 승온하여, 30 ~ 90분, 바람직하게는 45 ~ 75분동안 유지할 수 있다.After adding the radical initiator to the inside of the reactor in the third step, heat is applied to the inside of the reactor at a rate of 3° C./min to 7° C./min, preferably 4° C./min to 6° C./min to increase the temperature inside the reactor. The temperature may be increased to 40 to 60° C., preferably 45 to 55° C., and maintained for 30 to 90 minutes, preferably 45 to 75 minutes.

다음으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제4단계로서, 상기 반응기 내부에 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 투입 및 교반하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조할 수 있다.Next, as a fourth step of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, a compound represented by the following Chemical Formula 2 is added into the reactor and stirred to prepare a compound including a —SO 2 F group.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112020023662139-pat00069
Figure 112020023662139-pat00069

상기 화학식 2에 있어서, m은 4, 5 또는 6이다.In Formula 2, m is 4, 5 or 6.

이 때, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 앞서 제1단계에서 투입된 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 1중량 대비, 0.45 ~ 1.60 중량비로 투입될 수 있다.In this case, the compound represented by Formula 2 may be added in an amount of 0.45 to 1.60 by weight based on 1 weight of the compound represented by Formula 1 added in the first step.

구체적으로, 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 1 중량 대비, 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물을 0.45 ~ 1.24 중량비, 바람직하게는 0.6 ~ 1.1 중량비, 더욱 바람직하게는 0.75 ~ 0.95 중량비, 더더욱 바람직하게는 0.75 ~ 0.82 중량비로 투입될 수 있다.Specifically, the compound represented by the following Chemical Formula 1-1 is in a weight ratio of 0.45 to 1.24, preferably in a weight ratio of 0.6 to 1.1, more preferably in a weight ratio of 0.75 to 0.95, and still more preferably in a weight ratio of the compound represented by the following Chemical Formula 2-1 to 1 by weight of the compound represented by the following Chemical Formula 1-1. For example, it may be added in a weight ratio of 0.75 to 0.82.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112020023662139-pat00070
Figure 112020023662139-pat00070

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4 이다.In Formula 1-1, n is 4.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112020023662139-pat00071
Figure 112020023662139-pat00071

상기 화학식 2-1에 있어서, m은 4이다.In Formula 2-1, m is 4.

또한, 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 1 중량 대비, 하기 화학식 2-2로 표시되는 화합물을 0.62 ~ 1.38 중량비, 바람직하게는 0.8 ~ 1.2 중량비, 더욱 바람직하게는 0.9 ~ 1.1 중량비, 더더욱 바람직하게는 0.9 ~ 0.98 중량비로 투입될 수 있다.In addition, with respect to 1 weight of the compound represented by the following formula 1-1, 0.62 to 1.38 weight ratio of the compound represented by the following formula 2-2, preferably 0.8 to 1.2 weight ratio, more preferably 0.9 to 1.1 weight ratio, even more preferably may be added in a weight ratio of 0.9 to 0.98.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112020023662139-pat00072
Figure 112020023662139-pat00072

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4 이다.In Formula 1-1, n is 4.

[화학식 2-2][Formula 2-2]

Figure 112020023662139-pat00073
Figure 112020023662139-pat00073

상기 화학식 2-2에 있어서, m은 5이다.In Formula 2-2, m is 5.

또한, 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 1 중량 대비, 하기 화학식 2-3으로 표시되는 화합물을 0.85 ~ 1.60 중량비, 바람직하게는 1.0 ~ 1.45 중량비, 더욱 바람직하게는 1.15 ~ 1.32 중량비, 더더욱 바람직하게는 1.15 ~ 1.2 중량비로 투입될 수 있다.In addition, with respect to 1 weight of the compound represented by the following formula 1-1, 0.85 to 1.60 weight ratio of the compound represented by the following formula 2-3, preferably 1.0 to 1.45 weight ratio, more preferably 1.15 to 1.32 weight ratio, even more preferably may be added in a weight ratio of 1.15 to 1.2.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112020023662139-pat00074
Figure 112020023662139-pat00074

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4 이다.In Formula 1-1, n is 4.

[화학식 2-3][Formula 2-3]

Figure 112020023662139-pat00075
Figure 112020023662139-pat00075

상기 화학식 2-3에 있어서, m은 6이다.In Formula 2-3, m is 6.

또한, 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 1중량 대비, 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물을 0.47 ~ 1.21 중량비, 바람직하게는 0.6 ~ 1.1 중량비, 더욱 바람직하게는 0.75 ~ 0.92 중량비, 더더욱 바람직하게는 0.75 ~ 0.82 중량비로 투입될 수 있다.In addition, with respect to 1 weight of the compound represented by the following formula 1-2, the compound represented by the following formula 2-1 is in a weight ratio of 0.47 to 1.21, preferably 0.6 to 1.1, more preferably 0.75 to 0.92, even more preferably may be added in a weight ratio of 0.75 to 0.82.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112020023662139-pat00076
Figure 112020023662139-pat00076

상기 화학식 1-2에 있어서, n은 5이다.In Formula 1-2, n is 5.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112020023662139-pat00077
Figure 112020023662139-pat00077

상기 화학식 2-1에 있어서, m은 4이다.In Formula 2-1, m is 4.

또한, 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 1중량 대비, 하기 화학식 2-2로 표시되는 화합물을 0.64 ~ 1.36 중량비, 바람직하게는 0.8 ~ 1.2 중량비, 더욱 바람직하게는 0.91 ~ 1.1 중량비, 더더욱 바람직하게는 0.91 ~ 0.98 중량비로 투입될 수 있다.In addition, with respect to 1 weight of the compound represented by the following formula 1-2, 0.64 to 1.36 weight ratio of the compound represented by the following formula 2-2, preferably 0.8 to 1.2 weight ratio, more preferably 0.91 to 1.1 weight ratio, even more preferably may be added in a weight ratio of 0.91 to 0.98.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112020023662139-pat00078
Figure 112020023662139-pat00078

상기 화학식 1-2에 있어서, n은 5이다.In Formula 1-2, n is 5.

[화학식 2-2][Formula 2-2]

Figure 112020023662139-pat00079
Figure 112020023662139-pat00079

상기 화학식 2-2에 있어서, m은 5이다.In Formula 2-2, m is 5.

또한, 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 1중량 대비, 하기 화학식 2-3으로 표시되는 화합물을 0.64 ~ 1.30 중량비, 바람직하게는 0.8 ~ 1.2 중량비, 더욱 바람직하게는 0.9 ~ 1.04 중량비, 더더욱 바람직하게는 0.9 ~ 0.95 중량비 로 투입될 수 있다.In addition, with respect to 1 weight of the compound represented by the following formula 1-2, 0.64 to 1.30 weight ratio of the compound represented by the following formula 2-3, preferably 0.8 to 1.2 weight ratio, more preferably 0.9 to 1.04 weight ratio, even more preferably may be added in a weight ratio of 0.9 to 0.95.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112020023662139-pat00080
Figure 112020023662139-pat00080

상기 화학식 1-2에 있어서, n은 5이다.In Formula 1-2, n is 5.

[화학식 2-3][Formula 2-3]

Figure 112020023662139-pat00081
Figure 112020023662139-pat00081

상기 화학식 2-3에 있어서, m은 6이다.In Formula 2-3, m is 6.

한편, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제4단계를 통하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조할 시, 반응기 내부는 0.4 ~ 1.2MPa, 바람직하게는 0.6 ~ 1.0MPa, 더욱 바람직하게는 0.7 ~ 0.9MPa의 압력, 40 ~ 60℃, 바람직하게는 45 ~ 55℃의 온도, 150 ~ 450 rpm, 바람직하게는 200 ~ 400 rpm, 더욱 바람직하게는 250 ~ 350rpm의 교반 속도로 1 ~ 5시간, 바람직하게는 2 ~ 4시간동안 수행될 수 있다. On the other hand, when preparing a compound containing a -SO 2 F group through the fourth step of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, the inside of the reactor is 0.4 to 1.2 MPa, preferably 0.6 to 1.0 MPa, more preferably preferably at a pressure of 0.7 to 0.9 MPa, 40 to 60 ° C, preferably at a temperature of 45 to 55 ° C, 150 to 450 rpm, preferably 200 to 400 rpm, more preferably at a stirring rate of 250 to 350 rpm. It may be carried out for 5 hours, preferably 2 to 4 hours.

마지막으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제5단계로서, 제4단계에서 제조된 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액에 침지시켜 술폰산염기를 포함하는 화합물을 제조하고, 상기 술폰산염기를 포함하는 화합물을 산형화제를 포함하는 용액에 침지시켜 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조할 수 있고, 바람직하게는 하기 화학식 6으로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조할 수 있다.Finally, as the fifth step of the method for preparing the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, the compound containing the -SO 2 F group prepared in the fourth step is immersed in a solution containing a hydrolyzing agent to include a sulfonate group A compound is prepared, and the compound containing the sulfonate group is immersed in a solution containing an acid-forming agent to include a repeating unit represented by the following Chemical Formula 3, a repeating unit represented by the following Chemical Formula 4, and a repeating unit represented by the following Chemical Formula 5 A polymer can be prepared, and preferably a polymer including a repeating unit represented by the following formula (6) can be prepared.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112020023662139-pat00082
Figure 112020023662139-pat00082

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112020023662139-pat00083
Figure 112020023662139-pat00083

상기 화학식 4에 있어서, n은 4 또는 5이다.In Formula 4, n is 4 or 5.

[화학식 5][Formula 5]

Figure 112020023662139-pat00084
Figure 112020023662139-pat00084

상기 화학식 5에 있어서, m은 4, 5 또는 6이다.In Formula 5, m is 4, 5 or 6.

[화학식 6][Formula 6]

Figure 112020023662139-pat00085
Figure 112020023662139-pat00085

상기 화학식 6에 있어서, n는 4 또는 5이고, m은 4, 5 또는 6이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.01 ~ 1 : 0.01 ~ 1의 유리수, 바람직하게는 1 : 0.05 ~ 0.5 : 0.05 ~ 0.5의 유리수, 더욱 바람직하게는 1 : 0.1 ~ 0.4 : 0.1 ~ 0.4 의 유리수, 더더욱 바람직하게는 1 : 0.12 ~ 0.3 : 0.12 ~ 0.3의 유리수, 더더더욱 바람직하게는 1 : 0.15 ~ 0.25 : 0.15 ~ 0.25의 유리수일 수 있고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.In Formula 6, n is 4 or 5, m is 4, 5 or 6, and x, y and z are molar ratios, and a rational number of 1: 0.01 to 1: 0.01 to 1, preferably 1: 0.05 to 0.5: a rational number of 0.05 to 0.5, more preferably 1: 0.1 to 0.4: a rational number of 0.1 to 0.4, still more preferably 1: 0.12 to 0.3: a rational number of 0.12 to 0.3, even more preferably 1: 0.15 to 0.25 : It may be a rational number of 0.15 to 0.25, and the order of bonding of each constituent unit according to x, y, and z may be randomly modified.

또한, 폴리머는 중량평균분자량 20,000 ~ 10,000,000, 바람직하게는 중량평균분자량 50,000 ~ 5,000,000, 더욱 바람직하게는 중량평균분자량 80,000 ~ 1,000,000, 더더욱 바람직하게는 중량평균분자량 100,000 ~ 500,000, 더더더욱 바람직하게는 중량평균분자량 140,000 ~ 160,000일 수 있다.In addition, the polymer has a weight average molecular weight of 20,000 to 10,000,000, preferably a weight average molecular weight of 50,000 to 5,000,000, more preferably a weight average molecular weight of 80,000 to 1,000,000, still more preferably a weight average molecular weight of 100,000 to 500,000, even more preferably a weight average The molecular weight may be 140,000 to 160,000.

구체적으로, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법의 제5단계는 제4단계에서 제조된 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 통해 가수분해하여 -SO2F기를 술폰산염기로 치환하고, 산형화제를 통해 술폰산염기를 -SO3H기로 치환하는 과정이다.Specifically, in the fifth step of the method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, the compound containing the -SO 2 F group prepared in the fourth step is hydrolyzed through a hydrolyzing agent to convert the -SO 2 F group into a sulfonate group. It is a process of substituting a sulfonate group with a -SO 3 H group through an acid-forming agent.

가수분해제를 포함하는 용액은 앞서 언급한 가수분해제가 용매에 혼합된 물질이고, 산형화제를 포함하는 용액은 앞서 언급한 산형화제가 용매에 혼합된 물질로서 용매로는 물 또는 물과 극성 용매의 혼합 용매일 수 있다. 극성 용매로는, 알코올류 (메탄올, 에탄올 등) 또는 디메틸술폭사이드일 수 있다A solution containing a hydrolyzing agent is a material in which the aforementioned hydrolyzing agent is mixed with a solvent, and a solution containing an acid-forming agent is a material in which the aforementioned acid-forming agent is mixed in a solvent, and the solvent is water or a mixture of water and a polar solvent. It may be a mixed solvent. As the polar solvent, alcohols (methanol, ethanol, etc.) or dimethyl sulfoxide may be used.

한편, 도 1을 참조하면, 본 발명의 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)용 복합 전해질막은 지지체층(10), 상기 지지체층(10) 일면에 형성된 제1전해질층(20) 및 상기 지지체층(10) 타면에 형성된 제2전해질층(30)을 포함할 수 있다. On the other hand, referring to Figure 1, the PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) composite electrolyte membrane of the present invention is a support layer 10, the first electrolyte layer formed on one surface of the support layer 10, 20 and the support layer ( 10) It may include a second electrolyte layer 30 formed on the other surface.

구체적으로, 제1전해질층(20)은 애노드(anode) 방향으로 배치될 수 있고, 제2전해질층(30)은 캐소드(cathode) 방향으로 배치될 수 있다.Specifically, the first electrolyte layer 20 may be disposed in an anode direction, and the second electrolyte layer 30 may be disposed in a cathode direction.

이 때, 제1전해질층(20) 및 제2전해질층(30) 중 적어도 하나의 층에는 앞서 언급한 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1전해질층(20) 또는 제2전해질층(30)에 앞서 언급한 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하거나, 제1전해질층(20) 및 제2전해질층(30)에 앞서 언급한 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함할 수 있다.At this time, at least one of the first electrolyte layer 20 and the second electrolyte layer 30 may include the above-mentioned perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention. Specifically, the first electrolyte layer 20 or the second electrolyte layer 30 includes the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, or the first electrolyte layer 20 and the second electrolyte layer 30 The above-mentioned perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention may be included.

또한, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머는 제1전해질층(20) 및/또는 제2전해질층(30)을 구성할 뿐만 아니라, 지지체층(10)의 기공 내에 포함될 수 있다.In addition, the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention may be included in the pores of the support layer 10 as well as constituting the first electrolyte layer 20 and/or the second electrolyte layer 30 .

한편, 본 발명의 제1전해질층(20) 및/또는 제2전해질층(30)에는 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머 외에도PEMFC용 라디칼 스캐빈져(radical scavenger)를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the first electrolyte layer 20 and/or the second electrolyte layer 30 of the present invention may further include a radical scavenger for PEMFC in addition to the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention.

본 발명의 PEMFC용 라디칼 스캐빈져(radical scavenger)는 [Zn(OH)4]2- 함유 용액에 Ce 전구체 수용액을 혼합 및 환원반응을 수행하여 세륨 이온이 도핑된 ZnO 결정구조를 가지는 CeZnO 금속산화물 입자를 형성시켜서 제조할 수 있다. 여기서, "Ce 이온이 도핑된 ZnO 결정구조"는 우르츠광형(Wurtzite) 등의 결정 구조를 가지는 ZnO 결정 구조에서 Zn원자 중 일부가 Ce원자로 치환된 형태의 결정 구조가 새롭게 형성되는 것을 의미한다.The radical scavenger for PEMFC of the present invention is a CeZnO metal oxide having a cerium ion-doped ZnO crystal structure by mixing and reducing a Ce precursor aqueous solution in a [Zn(OH) 4 ] 2-containing solution. It can be prepared by forming particles. Here, the "Ce ion-doped ZnO crystal structure" means that a crystal structure in which some of Zn atoms are substituted with Ce atoms in a ZnO crystal structure having a crystal structure such as wurtzite is newly formed.

이를 좀 더 구체적으로 설명하면, Zn 전구체를 알코올에 용해시켜서 Zn 전구체 용액을 제조한 후, Zn 전구체 용액을 승온시키는 제1단계; [Zn(OH)4]2- 함유 용액을 제조하는 제2단계; [Zn(OH)4]2- 함유 용액에 Ce 전구체 수용액을 혼합 및 환원반응을 수행하여 Ce 이온이 도핑된 ZnO 결정구조를 가지는 CeZnO 금속산화물 입자를 형성시키는 제3단계; 상기 CeZnO 금속산화물 입자를 회수 및 세척하는 제4단계; 및 세척한 CeZnO 금속산화물 입자를 건조시키는 제5단계;를 포함하는 공정을 수행하여 PEMFC용 라디칼 스캐빈져를 제조할 수 있다. 이에 대한 더욱 자세한 설명은 동일 출원인에 의한 대한민국 특허등록 제10-1860870호가 참조로 삽입될 수 있다.To explain this in more detail, a first step of dissolving a Zn precursor in alcohol to prepare a Zn precursor solution, and then heating the Zn precursor solution; [Zn(OH) 4 ] A second step of preparing a 2-containing solution; [Zn(OH) 4 ] A third step of forming CeZnO metal oxide particles having a ZnO crystal structure doped with Ce ions by mixing and reducing a Ce precursor aqueous solution in a 2-containing solution; a fourth step of recovering and washing the CeZnO metal oxide particles; and a fifth step of drying the washed CeZnO metal oxide particles; a radical scavenger for PEMFC can be manufactured. For a more detailed description of this, Korean Patent Registration No. 10-1860870 by the same applicant may be inserted as a reference.

본 발명의 PEMFC용 라디칼 스캐빈져는 세륨(Ce)원자, 아연(Zn)원자 및 산소(O)원자로 구성된 결정구조를 가지는 금속산화물 입자로서, 바람직한 일례로, 우르츠광형(Wurtzite) 등의 결정 구조를 가지는 ZnO 결정 구조에서 Zn원자 중 일부가 Ce원자로 치환되어 있는 형태의 결정구조를 가질 수 있다.The radical scavenger for PEMFC of the present invention is a metal oxide particle having a crystal structure composed of a cerium (Ce) atom, a zinc (Zn) atom and an oxygen (O) atom. In a ZnO crystal structure having a structure, it may have a crystal structure in which some of Zn atoms are substituted with Ce atoms.

또한, 본 발명의 PEMFC용 라디칼 스캐빈져는 Ce 12 ~ 91 중량%, Zn 7 ~ 84.5 중량% 및 잔량의 O를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 Ce 13.40 ~ 89.20 중량%, Zn 7.55 ~ 88.20 중량% 및 잔량의 O를 포함할 수도 있다. 그리고, 기타 불가피한 불순물을 더 포함할 수도 있다.In addition, the radical scavenger for PEMFC of the present invention may contain 12 to 91% by weight of Ce, 7 to 84.5% by weight of Zn, and the remaining amount of O, preferably 13.40 to 89.20% by weight of Ce, 7.55 to 88.20% by weight of Zn % and the balance O. And, it may further include other unavoidable impurities.

또한, 본 발명의 라디칼 스캐빈져는 DLS(Dynamic Light Scattering) 방식의 나노입도분석기로 입도(D50) 분석시, 200 nm 이하, 바람직하게는 160 nm 이하, 더욱 바람직하게는 45 ~ 160 nm일 수 있다.In addition, the radical scavenger of the present invention may be 200 nm or less, preferably 160 nm or less, more preferably 45 to 160 nm when the particle size (D50) is analyzed with a DLS (Dynamic Light Scattering) type nano particle size analyzer. have.

나아가, 본 발명의 제1전해질층(20) 및/또는 제2전해질층(30)은 각각 독립적으로 과불소계 술폰화 이오노머 100 중량부에 대하여 PEMFC용 라디칼 스캐빈져 0.5 ~ 1.5 중량부, 바람직하게는 0.7 ~ 1.3 중량부, 더욱 바람직하게는 0.9 ~ 1.1 중량부를 포함할 수 있으며, 만일 0.5 중량부 미만으로 포함한다면 내구성이 안 좋아지는 문제가 있을 수 있고, 1.5 중량부를 초과한다면 내구성은 좋아지나, 이온전도도가 떨어져 본 발명의 복합 전해질막의 성능이 저하되는 문제가 있을 수 있다.Furthermore, the first electrolyte layer 20 and/or the second electrolyte layer 30 of the present invention are each independently 0.5 to 1.5 parts by weight of the radical scavenger for PEMFC based on 100 parts by weight of the perfluorinated sulfonated ionomer, preferably may include 0.7 to 1.3 parts by weight, more preferably 0.9 to 1.1 parts by weight, and if it contains less than 0.5 parts by weight, there may be a problem of poor durability, and if it exceeds 1.5 parts by weight, the durability is improved, There may be a problem in that the conductivity of the composite electrolyte membrane of the present invention is deteriorated due to a decrease in conductivity.

또한, 제1전해질층(20) 및/또는 제2전해질층(30)은 각각 독립적으로 중공형 실리카를 더 포함할 수도 있다.In addition, the first electrolyte layer 20 and/or the second electrolyte layer 30 may each independently further include hollow silica.

상기 중공형 실리카는 구상이며, 평균입경은 10 ~ 300 nm일수 있고, 더욱 바람직하게는 10 ~ 100 nm일 수 있다. 여기서 입경의 의미는 중공형 실리카의 형상이 구상일 경우 지름을 의미하고, 구형이 아닌 경우 중공형 실리카 표면의 임의의 한 점에서 다른 한 점까지의 직선거리 중 최대거리를 의미한다. The hollow silica is spherical, and may have an average particle diameter of 10 to 300 nm, more preferably 10 to 100 nm. Here, the particle size means the diameter when the shape of the hollow silica is spherical, and when the shape of the hollow silica is not spherical, it means the maximum distance among the linear distances from any one point on the surface of the hollow silica to another point.

또한, 제1전해질층(20) 및/또는 제2전해질층(30)은 각각 독립적으로 제올라이트, 티타니아, 지르코니아 및 몬모릴로나이트 중에서 선택된 1종 이상의 흡습제를 더 포함할 수 있다.In addition, the first electrolyte layer 20 and/or the second electrolyte layer 30 may each independently further include one or more moisture absorbents selected from zeolite, titania, zirconia, and montmorillonite.

또한, 본 발명의 지지체층(10) 및 제1전해질층(20)은 1 : 0.8 ~ 1.2 두께비, 바람직하게는 1 : 0.9 ~ 1.1 두께비를 가질 수 있다.In addition, the support layer 10 and the first electrolyte layer 20 of the present invention may have a thickness ratio of 1:0.8 to 1.2, preferably 1:0.9 to 1.1.

한편, 본 발명의 지지체층(10)은 당업계에서 사용하는 일반적인 다공성 지지체를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 하기 제조방법으로 제조된 특정 물성을 가지는 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 다공성 지지체를 포함할 수 있다.On the other hand, the support layer 10 of the present invention may use a general porous support used in the art, and preferably may include a PTFE (Polytetrafluoroethylene) porous support prepared by the following manufacturing method having specific physical properties.

본 발명의 PTFE 다공성 지지체는 PTFE 파우더 및 윤활제를 혼합 및 교반하여 페이스트(paste)를 제조하는 제1-1단계; 상기 페이스트를 숙성시키는 제1-2단계; 숙성된 페이스트(paste)를 압출 및 압연시켜서 미소성 테이프를 제조하는 제1-3단계; 미소성 테이프를 건조시킨 후, 액상 윤활제를 제거하는 제1-4단계; 윤활제가 제거된 미소성 테이프를 1축 연신시키는 제1-5단계; 1축 연신된 미소성 테이프를 2축 연신시키는 제1-6단계; 및 소성하는 제1-7단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.The PTFE porous support of the present invention is prepared by mixing and stirring PTFE powder and a lubricant in step 1-1 to prepare a paste; Step 1-2 of aging the paste; Steps 1-3 of extruding and rolling the aged paste to prepare an unfired tape; After drying the unbaked tape, steps 1-4 of removing the liquid lubricant; Steps 1-5 of uniaxially stretching the unbaked tape from which the lubricant has been removed; Steps 1-6 of biaxially stretching the uniaxially stretched unbaked tape; and steps 1-7 of calcining.

제1-1단계에서 상기 페이스트는 PTFE 파우더 100 중량부에 대하여 윤활제 15 ~ 35 중량부를, 바람직하게는 15 ~ 30 중량부를, 더욱 바람직하게는 15 ~ 25 중량부를 포함할 수 있다. 상기 PTFE 파우더 100 중량부에 대하여 윤활제가 15 중량부 미만일 경우 후술되는 2축 연신 공정에 의해 PTFE 다공성 지지체 형성시 기공도가 낮아질 수 있고, 35 중량부를 초과할 경우 PTFE 다공성 지지체 형성시 기공의 크기가 커져 지지체의 강도가 약해질 수 있다.In step 1-1, the paste may contain 15 to 35 parts by weight of a lubricant, preferably 15 to 30 parts by weight, and more preferably 15 to 25 parts by weight based on 100 parts by weight of the PTFE powder. When the lubricant is less than 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the PTFE powder, the porosity may be lowered when the PTFE porous support is formed by the biaxial stretching process to be described later, and when it exceeds 35 parts by weight, the size of the pores when the PTFE porous support is formed It may become large and the strength of the support may be weakened.

상기 PTFE 파우더의 평균입경은 300㎛ ~ 800㎛. 바람직하게는 450㎛ ~ 700㎛일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 윤활제는 액상 윤활제로서, 유동파라핀, 나프타, 화이트 오일, 톨루엔, 크실렌 등의 탄화수소 오일 외에, 각종 알코올류, 케톤류, 에스테르류 등이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 유동파라핀, 나프타 및 화이트 오일 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.The average particle diameter of the PTFE powder is 300㎛ ~ 800㎛. Preferably, it may be 450 μm to 700 μm, but is not limited thereto. The lubricant is a liquid lubricant, and in addition to hydrocarbon oils such as liquid paraffin, naphtha, white oil, toluene, and xylene, various alcohols, ketones, esters, etc. may be used, and preferably liquid paraffin, naphtha and white oil. One or more types may be used.

다음으로, 제1-2단계의 숙성은 예비성형 공정으로서, 상기 페이스트를 30℃ ~ 70℃의 온도에서 12 ~ 24 시간 동안 숙성할 수 있고, 바람직하게는 35℃ ~ 60℃의 온도에서 16 ~ 20 시간 동안 숙성할 수 있다. 상기 숙성 온도가 30℃ 미만이거나 숙성 시간이 12 시간 미만일 경우, PTFE 파우더 표면에 윤활제 코팅이 불균일하게 되어 후술되는 2축 연신시 PTFE 다공성 지지체의 연신 균일성이 제한적일 수 있다.Next, the aging of step 1-2 is a preforming process, and the paste may be aged for 12 to 24 hours at a temperature of 30° C. to 70° C., preferably 16 to at a temperature of 35° C. to 60° C. It can be aged for 20 hours. When the aging temperature is less than 30° C. or the aging time is less than 12 hours, the lubricant coating becomes non-uniform on the surface of the PTFE powder, so that the stretching uniformity of the PTFE porous support may be limited during biaxial stretching, which will be described later.

또한, 숙성 온도가 70℃를 초과하거나 숙성 시간이 24 시간을 초과할 경우 윤활제의 증발로 인하여 2축 연신 공정 후의 PTFE 다공성 지지체의 기공 크기가 너무 작아지는 문제가 있을 수 있다.In addition, when the aging temperature exceeds 70° C. or the aging time exceeds 24 hours, there may be a problem in that the pore size of the PTFE porous support after the biaxial stretching process is too small due to evaporation of the lubricant.

다음으로, 제1-3단계의 상기 압출은 숙성된 페이스트를 압축기에서 압축하여 PTFE 블록을 제조한 후, PTFE 블록을 0.069 ~ 0.200 Ton/cm2의 압력으로, 바람직하게는 0.090 ~ 0.175 Ton/cm2의 압력으로 가압 압출하여 수행할 수 있다.Next, in the extrusion of steps 1-3, a PTFE block is prepared by compressing the aged paste in a compressor, and then the PTFE block is pressed at a pressure of 0.069 to 0.200 Ton/cm 2 , preferably 0.090 to 0.175 Ton/cm It can be carried out by pressure extrusion at a pressure of 2.

이 때, 상기 가압압출 압력이 0.069 Ton/cm2 미만일 경우 다공성 지지체의 기공 크기가 커져서 다공성 지지체의 강도가 약해질 수 있고, 0.200 Ton/cm2을 초과할 경우 2축 연신 공정 후의 다공성 지지체 기공크기가 작아지는 문제가 있을 수 있다.At this time, when the pressure-extrusion pressure is less than 0.069 Ton/cm 2 , the pore size of the porous support increases and the strength of the porous support may be weakened, and when it exceeds 0.200 Ton/cm 2 , the pore size of the porous support after the biaxial stretching process There may be a problem with the .

또한, 제1-3단계의 상기 압연은 5 ~ 10MPa의 유압으로, 50 ~ 100℃하에서 캘린더링 공정으로 수행할 수 있다. 이 때, 상기 유압이 5MPa 미만일 경우 다공성 지지체의 기공 크기가 커져서 다공성 지지체의 강도가 약해질 수 있고, 10MPa를 초과할 경우 다공성 지지체의 기공크기가 작아지는 문제가 있을 수 있다.In addition, the rolling of steps 1-3 may be performed by a calendering process at 50 to 100° C. with a hydraulic pressure of 5 to 10 MPa. At this time, when the hydraulic pressure is less than 5 MPa, the pore size of the porous support may be increased, and thus the strength of the porous support may be weakened.

다음으로, 제1-4단계의 건조는 당업계에서 사용하는 일반적인 건조 방법을 통해 수행할 수 있으며, 바람직한 일례를 들면, 압연시켜 제조한 미소성 테이프를 100℃ ~ 200℃의 온도에서 1 ~ 5M/min 속도로 컨베이어 벨트로 이송시키면서, 바람직하게는 140℃ ~ 190℃의 온도에서 2 ~ 4M/min 속도로 이송시키면서 수행할 수 있다. 이때, 상기 건조 온도가 100℃ 미만이거나, 건조 속도가 5M/min를 초과할 경우 윤활제의 미증발로 인해 연신 공정 진행 시 기포가 발생할 수 있으며, 상기 건조 온도가 200℃를 초과이거나 건조속도가 1M/min을 미만일 경우 건조된 테이프의 스티브니스(Stiffness)가 증가하여 연신공정 중 슬립(Slip)이 발생할 수 있다.Next, the drying of steps 1-4 can be performed through a general drying method used in the art, and for example, an unbaked tape prepared by rolling is 1 to 5M at a temperature of 100°C to 200°C. While conveying to the conveyor belt at a speed of /min, it may be carried out while conveying preferably at a temperature of 140 ° C. to 190 ° C. at a speed of 2 to 4 M / min. At this time, when the drying temperature is less than 100°C or the drying rate exceeds 5M/min, bubbles may occur during the stretching process due to non-evaporation of the lubricant, and the drying temperature exceeds 200°C or the drying rate is 1M When the value is less than /min, the stiffness of the dried tape may increase and slip may occur during the stretching process.

다음으로, 제1-5단계의 1축 연신은 윤활제가 제거된 미소성 테이프를 길이 방향으로 연신을 수행하는 공정으로서, 롤러를 통해 이송시, 롤러간의 속도차를 이용하여 1축 연신을 수행한다. 그리고, 1축 연신은 윤활제가 제거된 미소성 테이프를 길이 방향으로 3 ~ 10배로, 바람직하게는 6 ~ 9.5배로, 더욱 바람직하게는 6.2 ~ 9배로, 더 더욱 바람직하게는 6.3 ~ 8.2배로 연신을 수행하는 것이 좋다. 이 때, 1축 연신비가 3배 미만이면 충분한 기계적 물성을 확보할 수 없으며, 1축 연신비가 10배를 초과하면 기계적 물성이 오히려 감소하고, 지지체의 기공이 너무 커지는 문제가 있을 수 있다.Next, the uniaxial stretching of steps 1-5 is a process of stretching the unbaked tape from which the lubricant has been removed in the longitudinal direction. When transported through the rollers, the uniaxial stretching is performed using the speed difference between the rollers. . And, the uniaxial stretching is 3 to 10 times, preferably 6 to 9.5 times, more preferably 6.2 to 9 times, even more preferably 6.3 to 8.2 times the stretching of the unbaked tape from which the lubricant is removed in the longitudinal direction. It is good to do At this time, if the uniaxial stretching ratio is less than 3 times, sufficient mechanical properties cannot be secured, and if the uniaxial stretching ratio exceeds 10 times, the mechanical properties are rather decreased, and there may be a problem in that the pores of the support become too large.

또한, 1축 연신은 260℃ ~ 350℃의 연신온도 및 6 ~ 12 M/min의 연신속도, 바람직하게는 270℃ ~ 330℃의 연신온도 및 8 ~ 11.5 M/min의 연신속도로, 수행하는 것이 좋으며, 1축 연신시 연신온도가 260℃ 미만이거나, 연신속도가 6 M/min 미만이면 건조시트에 부하되는 열이 많아져 소성구간이 발생하는 문제가 있을 수 있고, 1축 연신시 연신온도가 350℃ 를 초과하거나, 연신속도가 12 M/min를 초과하면 1축 연신공정 중 슬립(Slip)이 발생하여 두께 균일도가 저하되는 문제가 있을 수 있다.In addition, uniaxial stretching is performed at a stretching temperature of 260 ° C. to 350 ° C. and a stretching rate of 6 to 12 M / min, preferably a stretching temperature of 270 ° C. to 330 ° C. and a stretching rate of 8 to 11.5 M / min. Preferably, if the stretching temperature is less than 260°C during uniaxial stretching or if the stretching speed is less than 6 M/min, there may be a problem that a firing section occurs due to a large amount of heat applied to the dry sheet, and the stretching temperature during uniaxial stretching When the temperature exceeds 350°C or the stretching speed exceeds 12 M/min, there may be a problem in that the thickness uniformity is deteriorated due to slip occurring during the uniaxial stretching process.

다음으로, 제1-6단계의 2축 연신은 1축 연신된 미소성 테이프의 폭 방향(1축 연신과 수직하는 방향)으로 연신을 수행하며, 끝단이 고정된 상태에서 횡방향으로 폭을 넓혀 연신할 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 당업계에서 통상으로 사용되는 연신방법에 따라 연신할 수 있다. 본 발명에서 상기 2축 연신은 폭 방향으로 15 ~ 50배로 연신을 수행할 수 있으며, 바람직하게는 25 ~ 45배, 더욱 바람직하게는 28 ~ 45배, 더더욱 바람직하게는 29 ~ 42배로 수행할 수 있으며, 이때 2축 연신비가 15배 이하이면 충분한 기계적 물성을 확보하지 못할 수 있고, 50배를 초과하더라도 기계적 물성 향상이 없을 뿐만 아니라, 길이 방향 및/또는 폭 방향으로의 물성 균일성이 저하되는 문제가 있을 수 있으므로, 상기 범위 내로 연신을 수행하는 것이 좋다.Next, in the biaxial stretching of steps 1-6, stretching is performed in the width direction (direction perpendicular to the uniaxial stretching) of the uniaxially stretched unbaked tape, and the width is widened in the lateral direction while the end is fixed. can be stretched However, the present invention is not limited thereto, and may be stretched according to a stretching method commonly used in the art. In the present invention, the biaxial stretching may be performed at 15 to 50 times in the width direction, preferably 25 to 45 times, more preferably 28 to 45 times, still more preferably 29 to 42 times. In this case, if the biaxial stretching ratio is 15 times or less, sufficient mechanical properties may not be secured, and even if it exceeds 50 times, there is no improvement in mechanical properties, and the uniformity of physical properties in the longitudinal direction and/or the width direction is lowered. Since there may be, it is preferable to perform stretching within the above range.

또한, 2축 연신은 150℃ ~ 260℃의 연신온도 하에서 10 ~ 20 M/min의 연신속도로, 바람직하게는 200℃ ~ 250℃의 연신온도 하에서 11 ~ 18 M/min의 연신속도로 하에서 수행하는 것이 좋으며, 2축 연신온도가 150℃ 미만이거나 또는 연신속도가 10 M/min 미만이면 횡방향의 연신 균일성이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 2축 연신온도가 260℃를 초과하거나, 또는 연신속도가 20 M/min을 초과하면 미소성 구간이 발생하여 물성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.In addition, the biaxial stretching is carried out at a stretching rate of 10 to 20 M/min under a stretching temperature of 150° C. to 260° C., preferably at a stretching rate of 11 to 18 M/min under a stretching temperature of 200° C. to 250° C. If the biaxial stretching temperature is less than 150 ℃ or the stretching speed is less than 10 M/min, there may be a problem that the stretching uniformity in the transverse direction is lowered, and the biaxial stretching temperature exceeds 260 ℃, or When the stretching speed exceeds 20 M/min, there may be a problem in that an unbaked section occurs and the physical properties are deteriorated.

마지막으로, 제1-7단계의 소성은 연신된 다공성 지지체를 컨베이어 벨트상에서 10 ~ 18 M/min의 속도로, 바람직하게는 13 ~ 17 M/min의 속도로 이동시키면서, 350℃ ~ 450℃, 바람직하게는 380℃ ~ 440℃의 온도를, 더욱 바람직하게는 400℃ ~ 435℃의 온도를 가하여 수행할 수 있으며, 이를 통해서 연신비를 고정시키고 강도 향상 효과를 꾀할 수 있다. 소성시, 소성 온도가 350℃ 미만일 경우 다공성 지지체의 강도가 낮아질 수 있고, 450℃를 초과할 경우 과소성에 따른 피브릴(Fibril)수 감소로 인해 지지체의 물성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.Finally, the firing of steps 1-7 moves the stretched porous support on a conveyor belt at a speed of 10 to 18 M/min, preferably at a speed of 13 to 17 M/min, at 350° C. to 450° C., Preferably, a temperature of 380 ° C. to 440 ° C., and more preferably a temperature of 400 ° C. to 435 ° C. may be applied, thereby fixing the draw ratio and improving the strength. During calcination, if the calcination temperature is less than 350 ° C., the strength of the porous support may be lowered, and if it exceeds 450 ° C., there may be a problem in that the physical properties of the support are lowered due to a decrease in the number of fibrils due to underfiring.

또한, 제1-7단계의 공정을 수행하여 제조한 PTFE 다공성 지지체는 1축 방향(길이 방향) 및 2축 방향(폭 방향)의 연신비(또는 종횡비)가 1:3.00 ~ 8.5, 바람직하게는 1 : 4.0 ~ 7.0, 더 바람직하게는 1 : 4.00 ~ 5.50일 수 있으며, 더 더욱 바람직하게는 1 : 4.20 ~ 5.00일 수 있으며, 1축 방향 및 2축 방향 연신비(또는 종횡비)가 상기 범위인 것이 높은 기계적 물성, 지지체의 적정 기공크기 확보 측면 및 적정 전류 흐름성 확보 측면에서 바람직하다.In addition, the PTFE porous support prepared by performing the process of steps 1-7 has a draw ratio (or aspect ratio) in the uniaxial direction (length direction) and biaxial direction (width direction) of 1:3.00 to 8.5, preferably 1 : 4.0 to 7.0, more preferably 1: 4.00 to 5.50, even more preferably 1: 4.20 to 5.00, and the uniaxial and biaxial stretching ratios (or aspect ratios) are high in the above ranges. It is preferable in terms of mechanical properties, securing an appropriate pore size of the support, and securing an appropriate current flow.

제조된 본 발명의 PTFE 다공성 지지체는 평균기공 크기가 0.080㎛ ~ 0.200㎛, 바람직하게는 0.090㎛ ~ 0.180㎛, 더 바람직하게는 0.095㎛ ~ 0.150㎛, 더 더욱 바람직하게는 0.100 ~ 0.140㎛일 수 있다. 또한, 본 발명의 PTFE 다공성 지지체는 평균 기공률이 60% ~ 90%, 더욱 바람직하게는 60% ~ 79.6%일 수 있다.The prepared PTFE porous support of the present invention may have an average pore size of 0.080 μm to 0.200 μm, preferably 0.090 μm to 0.180 μm, more preferably 0.095 μm to 0.150 μm, even more preferably 0.100 to 0.140 μm. . In addition, the PTFE porous support of the present invention may have an average porosity of 60% to 90%, more preferably 60% to 79.6%.

만일, 본 발명의 PTFE 다공성 지지체의 평균기공 크기가 0.080 ㎛ 미만이거나 기공률이 60 % 미만일 경우, PTFE 다공성 지지체를 이용하여 전해질막 제조하기 위해 전해질에 함침시, PTFE 다공성 지지체 내 전해질의 함침 정도가 제한적일 수 있다. 또한, 상기 평균기공크기가 0.200 ㎛을 초과하거나 기공률이 90%를 초과할 경우 전해질에 함침시 PTFE 다공성 지지체 구조가 변형되고, 치수안정성의 저하에 따라 제품 수명이 저하되는 문제가 있을 수 있다.If the average pore size of the PTFE porous support of the present invention is less than 0.080 μm or the porosity is less than 60%, the degree of impregnation of the electrolyte in the PTFE porous support is limited when impregnated with the electrolyte to prepare an electrolyte membrane using the PTFE porous support. can In addition, when the average pore size exceeds 0.200 μm or the porosity exceeds 90%, the PTFE porous support structure is deformed when impregnated with an electrolyte, and there may be a problem in that the product life is reduced due to a decrease in dimensional stability.

한편, 본 발명의 PTFE 다공성 지지체는 ASTM D 882에 의거하여 측정시, 1축 방향 모듈러스와 2축 방향 모듈러스 값이 하기 방정식 1을 만족할 수 있다.Meanwhile, in the PTFE porous support of the present invention, when measured according to ASTM D 882, uniaxial modulus and biaxial modulus values may satisfy Equation 1 below.

[방정식 1][Equation 1]

0 ≤ │(1축 방향 모듈러스 - 2축 방향 모듈러스)/(1축 방향 모듈러스)×100%│ ≤ 54%, 바람직하게는 0 ≤ │(1축 방향 모듈러스 - 2축 방향 모듈러스)/(1축 방향 모듈러스)×100%│ ≤ 40%, 더욱 바람직하게는 1 ≤ │(1축 방향 모듈러스 - 2축 방향 모듈러스)/(1축 방향 모듈러스)×100%│ ≤ 26%0 ≤ │(uniaxial modulus - biaxial modulus)/(uniaxial modulus)×100%│ ≤ 54%, preferably 0 ≤ │(uniaxial modulus - biaxial modulus)/(uniaxial modulus) directional modulus)×100%│ ≤ 40%, more preferably 1 ≤ │(uniaxial modulus - biaxial modulus)/(uniaxial modulus)×100%│ ≤ 26%

또한, 본 발명의 PTFE 다공성 지지체는 ASTM D 882에 의거하여 측정시, 1축 방향(길이 방향) 모듈러스(modulus)가 40 MPa 이상일 수 있으며, 바람 직하게는 1축 방향 모듈러스가 50 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 1축 방향 모듈러스가 48 ~ 75 Mpa, 더 더욱 바람직하게는 65 ~ 75 Mpa일 수 있다. 또한, 2축 방향(폭 방향) 모듈러스가 40 MPa 이상, 바람직하게는 2축 방향(폭 방향) 모듈러스가 55 Mpa 이상, 더욱 바람직하게는 46 ~ 75 Mpa, 더 더욱 바람직하게는 55 ~ 75 Mpa일 수 있다.In addition, the PTFE porous support of the present invention may have a uniaxial (lengthwise) modulus of 40 MPa or more, preferably a uniaxial direction modulus of 50 MPa or more, more Preferably, the uniaxial modulus may be 48 to 75 Mpa, more preferably 65 to 75 Mpa. In addition, the modulus in the biaxial direction (width direction) is 40 MPa or more, preferably the modulus in the biaxial direction (width direction) is 55 Mpa or more, more preferably 46 to 75 Mpa, even more preferably 55 to 75 Mpa. can

또한, 본 발명의 PTFE 다공성 지지체는 ASTM D882에 의거하여 측정시, 1축 방향(길이 방향) 인장강도가 40 MPa 이상 및 2축 방향(폭 방향) 인장강도가 40MPa 이상일 수 있으며, 바람직하게는 1축 방향 인장강도가 50 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 1축 방향 인장강도가 54 ~ 65 Mpa일 수 있다. 또한, 바람직하게는 2축 방향 인장강도가 52 Mpa 이상, 더욱 바람직하게는 2축 방향 인장강도가 52 ~ 70 Mpa일 수 있다.In addition, the PTFE porous support of the present invention may have a uniaxial (length direction) tensile strength of 40 MPa or more and a biaxial direction (width direction) tensile strength of 40 MPa or more, preferably 1 The tensile strength in the axial direction may be 50 MPa or more, and more preferably, the tensile strength in the uniaxial direction may be 54 to 65 Mpa. Also, preferably, the tensile strength in the biaxial direction may be 52 Mpa or more, and more preferably, the tensile strength in the biaxial direction may be 52 to 70 Mpa.

나아가, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막의 제조방법은 제1단계 내지 제4단계를 포함한다.Furthermore, the method for manufacturing a composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention includes first to fourth steps.

먼저, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막의 제조방법의 제1단계는 PTFE(Poly tetra fluoro ethylene) 다공성 지지체를 준비할 수 있다.First, in the first step of the method for manufacturing a composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention, a poly tetra fluoro ethylene (PTFE) porous support may be prepared.

제1단계에서 준비한 PTFE 다공성 지지체는 앞서 설명한 PTFE 다공성 지지체 및 제조하는 방법과 동일할 수 있다.The PTFE porous support prepared in the first step may be the same as the above-described PTFE porous support and manufacturing method.

다음으로, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막의 제조방법의 제2단계는 제1단계에서 준비한 PTFE 다공성 지지체 일면에 제1전해질층을 형성시킬 수 있다.Next, in the second step of the method for manufacturing a composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention, a first electrolyte layer may be formed on one surface of the PTFE porous support prepared in the first step.

구체적으로, 제2단계는 PTFE 다공성 지지체의 일면에 제1전해질층을 형성시키는 공정으로서 PTFE 다공성 지지체의 일면에 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 용액에 도포시키거나, PTFE 다공성 지지체의 일면을 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 용액에 함침시킨 후, 건조시켜서 제1전해질층을 형성시킬 수 있다. Specifically, the second step is a process of forming a first electrolyte layer on one surface of the PTFE porous support. It is applied to a solution containing the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention on one surface of the PTFE porous support, or one surface of the PTFE porous support. is impregnated in a solution containing the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, and then dried to form a first electrolyte layer.

상기 제2단계의 건조는 1분 ~ 30분 동안 60℃ ~ 100℃의 열을 가하여 수행하거나, 바람직하게는 5분 ~ 15분 동안 70℃ ~ 90℃의 열을 가하여 수행할 수 있다. 이 때, 건조 온도가 60℃ 미만이면 다공성 지지체에 함침된 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 용액의 보액성이 저하될 수 있고, 100℃를 초과하면 전해질막 및/또는 막-전극 접합체 제조시 전극과의 접합성이 저하될 수 있다.The drying of the second step may be performed by applying heat of 60°C to 100°C for 1 minute to 30 minutes, or preferably by applying heat of 70°C to 90°C for 5 minutes to 15 minutes. At this time, if the drying temperature is less than 60 ℃, the liquid retention of the solution containing the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention impregnated in the porous support may be reduced, and if it exceeds 100 ℃, the electrolyte membrane and/or membrane-electrode assembly During manufacture, adhesion with the electrode may be deteriorated.

다음으로, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막의 제조방법의 제3단계는 제1단계에서 준비한 PTFE 다공성 지지체 타면에 제2전해질층을 형성시킬 수 있다.Next, in the third step of the method for manufacturing a composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention, a second electrolyte layer may be formed on the other surface of the PTFE porous support prepared in the first step.

구체적으로, 제3단계는 제1전해질층이 형성된 PTFE 다공성 지지체의 타면에 제2전해질층을 형성시키는 공정으로서 PTFE 다공성 지지체의 타면에 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 용액에 도포시키거나, PTFE 다공성 지지체의 타면을 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 용액에 함침시킨 후, 건조시켜서 제2전해질층을 형성시킬 수 있다. Specifically, the third step is a process of forming a second electrolyte layer on the other surface of the porous PTFE support on which the first electrolyte layer is formed. , After impregnating the other surface of the PTFE porous support in the solution containing the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, it may be dried to form a second electrolyte layer.

상기 제3단계의 건조는 1분 ~ 30분 동안 60℃ ~ 100℃의 열을 가하여 수행하거나, 바람직하게는 5분 ~ 15분 동안 70℃ ~ 90℃의 열을 가하여 수행할 수 있다. 이 때, 건조 온도가 60℃ 미만이면 다공성 지지체에 함침된 제1과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 용액의 보액성이 저하될 수 있고, 100℃ 를 초과하면 전해질막 및/또는 막-전극 접합체 제조시 전극과의 접합성이 저하될 수 있다.Drying in the third step may be performed by applying heat of 60°C to 100°C for 1 minute to 30 minutes, or preferably by applying heat of 70°C to 90°C for 5 minutes to 15 minutes. At this time, if the drying temperature is less than 60 ℃, the liquid retention of the solution containing the first perfluorinated sulfonated ionomer impregnated in the porous support may be reduced, and if it exceeds 100 ℃, the electrolyte membrane and / or membrane-electrode assembly manufacturing Bondability with the electrode may be deteriorated.

한편, 제2단계 및 제3단계에서 제1전해질층 및/또는 제2전해질층 형성에 사용되는 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 용액은PEMFC용 라디칼 스캐빈져, 중공형 실리카 또는 흡습제가 추가적으로 혼합되어 있을 수 있으며, 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머, PEMFC용 라디칼 스캐빈져, 중공형 실리카 및 흡습제 각각은 앞서 설명한 본 발명의 과불소계 술폰화 이오노머, PEMFC용 라디칼 스캐빈져, 중공형 실리카 및 흡습제와 동일할 수 있다.On the other hand, the solution containing the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention used to form the first electrolyte layer and/or the second electrolyte layer in the second and third steps is a radical scavenger for PEMFC, hollow silica or a desiccant. may be additionally mixed, and each of the perfluorinated sulfonated ionomer, the radical scavenger for PEMFC, the hollow silica and the moisture absorbent of the present invention is the perfluorinated sulfonated ionomer of the present invention, the radical scavenger for PEMFC, and the hollow type silica and desiccant.

마지막으로, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막의 제조방법의 제4단계는 제1전해질층 및 제2전해질층이 형성된 PTFE 다공성 지지체를 열처리하여 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막을 제조할 수 있다.Finally, in the fourth step of the method for manufacturing the composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention, the composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention may be manufactured by heat-treating the PTFE porous support on which the first electrolyte layer and the second electrolyte layer are formed.

제4단계의 열처리는 100℃ ~ 200℃에서 1분 ~ 5분간, 바람직하게는140℃ ~ 180℃에서 1분 ~ 5분간 수행할 수 있으며, 열처리 온도가 100℃ 미만이거나 열처리 시간이 1분 미만이면 제1전해질층 및/또는 제2전해질층의 보액성이 저하될 수 있고, 열처리 온도가 200℃를 초과하면 제1 및 제2전해질층과 다공성 지지체간의 접착성(결합성)이 저하될 수 있다.The heat treatment of the fourth step may be performed at 100° C. to 200° C. for 1 minute to 5 minutes, preferably at 140° C. to 180° C. for 1 minute to 5 minutes, and the heat treatment temperature is less than 100° C. or the heat treatment time is less than 1 minute. On the other hand, the liquid retention of the first and/or second electrolyte layers may be reduced, and when the heat treatment temperature exceeds 200° C., the adhesion (bonding) between the first and second electrolyte layers and the porous support may be reduced. have.

제4단계의 열처리를 수행한 복합 전해질막의 PTFE 다공성 지지체는 폐색된 기공의 부피가 전체 기공 부피에 대하여 85 부피% 이상, 바람직하게는 90 부피% 이상일 수 있다.In the PTFE porous support of the composite electrolyte membrane subjected to the heat treatment of the fourth step, the volume of the blocked pores may be 85% by volume or more, preferably 90% by volume or more with respect to the total pore volume.

나아가, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막은 내구성이 1.5 ~ 10 μmol/hrㆍg, 바람직하게는 1.5 ~ 5 μmol/hrㆍg, 더욱 바람직하게는 1.7 ~ 2.4 μmol/hrㆍg 일 수 있다.Furthermore, the composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention may have a durability of 1.5 to 10 μmol/hr·g, preferably 1.5 to 5 μmol/hr·g, and more preferably 1.7 to 2.4 μmol/hr·g.

또한, 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막은 이온전도도가 0.07 ~ 0.2 S/cm, 0.1 ~ 0.19 S/cm, 바람직하게는 0.12 ~ 0.18 S/cm, 더욱 바람직하게는 0.14 ~ 0.17 S/cm일 수 있다.In addition, the composite electrolyte membrane for PEMFC of the present invention may have an ionic conductivity of 0.07 ~ 0.2 S / cm, 0.1 ~ 0.19 S / cm, preferably 0.12 ~ 0.18 S / cm, more preferably 0.14 ~ 0.17 S / cm .

한편, 도 2를 참조하면, 본 발명의 PEMFC용 막-전극 접합체는 애노드(산화전극)(200), 앞서 언급한 본 발명의 PEMFC용 복합 전해질막(100) 및 캐소드(환원전극)(300)를 포함한다.On the other hand, referring to Figure 2, the PEMFC membrane-electrode assembly of the present invention is an anode (oxide electrode) 200, the composite electrolyte membrane 100 for PEMFC of the present invention mentioned above and a cathode (reducing electrode) (300) includes

달리 말하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체는 복합 전해질막(100)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드(anode, 산화전극, 200) 및 캐소드(cathode, 환원 전극, 300)를 구비한다. 이 때, 애노드(200)는 애노드 기체확산층(3), 애노드 촉매층(2) 및 애노드 전극 기재(1)를 포함하고, 캐소드(300)는 캐소드 기체확산층(4), 캐소드 촉매층(5) 및 캐소드 전극 기재(6)를 포함할 수 있다.In other words, the membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention has an anode (anode, anode, 200) and a cathode (cathode, a cathode, 300) positioned opposite to each other with the composite electrolyte membrane 100 interposed therebetween. to provide At this time, the anode 200 includes an anode gas diffusion layer 3, an anode catalyst layer 2, and an anode electrode substrate 1, and the cathode 300 is a cathode gas diffusion layer 4, a cathode catalyst layer 5 and a cathode An electrode substrate 6 may be included.

구체적으로, 애노드(200)는 애노드 기체확산층(3), 애노드 촉매층(2) 및 애노드 전극 기재(1)가 순차적으로 적층되어 형성될 수 있고, 애노드 기체확산층(3)은 복합 전해질막(200)의 일면에 접합되어 있을 수 있다. 또한, 캐소드(300)는 캐소드 기체확산층(4), 캐소드 촉매층(5) 및 캐소드 전극 기재(6)가 순차적으로 적층되어 형성될 수 있고, 캐소드 기체확산층(4)은 복합 전해질막(200)의 타면에 접합되어 있을 수 있다.Specifically, the anode 200 may be formed by sequentially stacking the anode gas diffusion layer 3, the anode catalyst layer 2 and the anode electrode substrate 1, and the anode gas diffusion layer 3 is a composite electrolyte membrane 200. may be bonded to one side of In addition, the cathode 300 may be formed by sequentially stacking the cathode gas diffusion layer 4 , the cathode catalyst layer 5 and the cathode electrode substrate 6 , and the cathode gas diffusion layer 4 is the composite electrolyte membrane 200 . It may be bonded to the other surface.

본 발명의 막-전극 접합체는 애노드(200), 복합 전해질막(100) 및 캐소드(300) 각각을 배치시킨 후 체결하여 형성하거나, 이를 고온 및 고압으로 압착하여 형성할 수 있다.The membrane-electrode assembly of the present invention may be formed by disposing the anode 200, the composite electrolyte membrane 100, and the cathode 300, respectively, and then fastening them, or may be formed by pressing them at high temperature and high pressure.

애노드 기체확산층(3)은 복합 전해질막(100)의 일면에 기체확산층 형성 물질을 도포하여 형성할 수 있다.The anode gas diffusion layer 3 may be formed by coating a gas diffusion layer forming material on one surface of the composite electrolyte membrane 100 .

애노드 기체확산층(3)은 연료전지에 주입되는 연료의 급격한 확산을 방지하고, 이온 전도도의 저하를 방지하기 위해 구비될 수 있다. 또한, 애노드 기체확산층(3)은 열처리 또는 전기화학적 처리를 통하여 연료의 확산 속도를 조절할 수 있다. 또한, 애노드 기체확산층(3)은 PEMFC용 복합 전해질막(100)과 애노드 촉매층(2) 사이에서 전류 전도체 역할을 수행하며, 반응물인 가스와 생성물인 물의 통로가 된다. 따라서, 애노드 기체확산층(3)은 가스가 잘 통할 수 있도록 기공률이 20% ~ 90%인 다공성 구조일 수 있다. 애노드 기체확산층(3)의 두께는 필요에 따라 적절하게 채택될 수 있으며, 예를 들면 100 ~ 400 ㎛일 수 있다. 상기 애노드 기체확산층(3)의 두께가 100 ㎛ 미만일 경우 애노드 촉매층(2)과 상기 애노드 전극 기재(1)사이에서 전기 접촉 저항이 커지고, 압축에 의해 구조가 불안정해질 수 있다. 또한, 상기 애노드 기체확산층(3)의 두께가 400 ㎛를 초과할 경우 반응물인 가스의 이동이 어려워질 수 있다.The anode gas diffusion layer 3 may be provided to prevent rapid diffusion of fuel injected into the fuel cell and to prevent a decrease in ion conductivity. In addition, the anode gas diffusion layer 3 may control the diffusion rate of fuel through heat treatment or electrochemical treatment. In addition, the anode gas diffusion layer 3 serves as a current conductor between the composite electrolyte membrane 100 for PEMFC and the anode catalyst layer 2 , and serves as a passage for a gas as a reactant and water as a product. Accordingly, the anode gas diffusion layer 3 may have a porous structure having a porosity of 20% to 90% so that the gas can pass therethrough. The thickness of the anode gas diffusion layer 3 may be appropriately adopted as needed, and may be, for example, 100 to 400 μm. When the thickness of the anode gas diffusion layer 3 is less than 100 μm, the electrical contact resistance between the anode catalyst layer 2 and the anode electrode substrate 1 increases, and the structure may become unstable due to compression. In addition, when the thickness of the anode gas diffusion layer 3 exceeds 400 μm, it may be difficult to move the reactant gas.

또한, 애노드 기체확산층(3)은 탄소계 물질 및 불소계 수지를 포함하여 형성될 수 있다. 탄소계 물질로는 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 불소계 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머, 또는 스티렌-부타디엔고부(SBR)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 연료는 개미산 용액, 메탄올, 포름알데히드, 또는 에탄올과 같은 액체연료일 수 있다.In addition, the anode gas diffusion layer 3 may be formed to include a carbon-based material and a fluorine-based resin. Carbon-based materials include graphite, carbon black, acetylene black, denka black, kecheon black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nanoring, carbon nanowire, fullerene (C60) And it may include one or more selected from the group consisting of super P, but is not limited thereto. In addition, as the fluorine-based resin, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinyl alcohol, cellulose acetate, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, or styrene-butadiene fluoride (SBR) It may include one or more selected from the group consisting of. In addition, the fuel may be a liquid fuel such as formic acid solution, methanol, formaldehyde, or ethanol.

애노드 촉매층(2)은 산화 촉매가 도입되는 층으로서, 애노드 촉매층(2)은 상기 애노드 기체확산층(3) 상에 촉매층 형성 물질을 도포하여 형성시킬 수 있다The anode catalyst layer 2 is a layer into which an oxidation catalyst is introduced, and the anode catalyst layer 2 may be formed by coating a catalyst layer forming material on the anode gas diffusion layer 3 .

상기 촉매층 형성 물질은 금속촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 금속촉매를 사용할 수 있다. 금속 촉매로는 대표적으로 백금, 루테늄, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다. 또한, 상기 탄소계 지지체로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케천 블랙, 활성카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌 및 수퍼P로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.The catalyst layer forming material may be a metal catalyst or a metal catalyst supported on a carbon-based support. As the metal catalyst, one or more selected from the group consisting of platinum, ruthenium, a platinum-ruthenium alloy, a platinum-osmium alloy, a platinum-palladium alloy, and a platinum-transition metal alloy may be used typically. In addition, as the carbon-based support, graphite (graphite), carbon black, acetylene black, denka black, ketchen black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nanoring, carbon nano It may include at least one selected from the group consisting of wire, fullerene, and super P.

또한, 애노드 촉매층(2)은 도전성 지지체 및 이온 전도성 바인더(미도시)를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 애노드 촉매층(2)은 도전성 지지체에 부착된 주촉매를 포함할 수 있다. 상기 도전성 지지체는 카본 블랙일 수 있고, 상기 이온 전도성 바인더는 나피온 이오노머 또는 술폰화된 폴리머일 수 있다. 또한, 상기 주촉매는 금속촉매일 수 있으며, 일례로서 백금(Pt)일 수 있다. 애노드 촉매층(2)은 전기도금법, 스프레이법, 페인팅법, 닥터블레이드법 또는 전사법을 사용하여 형성할 수 있다.In addition, the anode catalyst layer 2 may include a conductive support and an ion conductive binder (not shown). In addition, the anode catalyst layer 2 may include a main catalyst attached to a conductive support. The conductive support may be carbon black, and the ion conductive binder may be a Nafion ionomer or a sulfonated polymer. In addition, the main catalyst may be a metal catalyst, for example, may be platinum (Pt). The anode catalyst layer 2 may be formed using an electroplating method, a spray method, a painting method, a doctor blade method, or a transfer method.

애노드 전극 기재(1)는 탄소페이퍼, 탄소천, 및 탄소펠트로 이루어진 군으로부터 선택되는 도전성 기재를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않고, 고분자 전해질 연료전지에 적용이 가능한 애노드(anode) 전극 물질은 모두 사용이 가능하다. 상기 애노드 전극 기재(1)는 통상의 증착 방법을 통해 애노드 촉매층(2) 일면에 형성될 수 있고, 상기 애노드 전극 기재(1)에 상기 애노드 촉매층(2)을 형성한 뒤 상기 애노드 기체확산층(3) 상에 애노드 촉매층(2) 및 애노드 전극 기재(1)가 접하도록 배치시켜 형성될 수 있다.The anode electrode substrate 1 may use a conductive substrate selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth, and carbon felt, but is not limited thereto, and any anode electrode material applicable to a polymer electrolyte fuel cell may be used. possible. The anode electrode substrate 1 may be formed on one surface of the anode catalyst layer 2 through a conventional deposition method, and after forming the anode catalyst layer 2 on the anode electrode substrate 1, the anode gas diffusion layer 3 ) may be formed by disposing the anode catalyst layer 2 and the anode electrode substrate 1 in contact thereon.

캐소드 기체확산층(4)은 복합 전해질막(100)의 타면에 기체확산층 형성 물질을 도포하여 형성할 수 있다.The cathode gas diffusion layer 4 may be formed by applying a gas diffusion layer forming material to the other surface of the composite electrolyte membrane 100 .

캐소드 기체확산층(4)은 캐소드(300)에 주입되는 가스의 급격한 확산을 방지하고, 캐소드(300)에 주입된 가스를 균일하게 분산시켜 주기 위해 구비될 수 있다. 또한, 캐소드 기체확산층(4)은 PEMFC용 복합 전해질막(100)과 캐소드 촉매층(5) 사이에서 전류 전도체 역할을 수행하며, 반응물인 가스와 생성물인 물의 통로가 된다. 따라서, 캐소드 기체확산층(4)은 가스가 잘 통할 수 있도록 기공률이 20% ~ 90%인 다공성 구조일 수 있다. 캐소드 기체확산층(4)의 두께는 필요에 따라 적절하게 채택될 수 있으며, 예를 들면 100 ~ 400 ㎛일 수 있다. 상기 캐소드 기체확산층(4)의 두께가 100 ㎛ 미만일 경우 캐소드 촉매층(5)과 상기 캐소드 전극 기재(6)사이에서 전기 접촉 저항이 커지고, 압축에 의해 구조가 불안정해질 수 있다. 또한, 상기 캐소드 기체확산층(4)의 두께가 400 ㎛를 초과할 경우 반응물인 가스의 이동이 어려워질 수 있다.The cathode gas diffusion layer 4 may be provided to prevent rapid diffusion of the gas injected into the cathode 300 and to uniformly disperse the gas injected into the cathode 300 . In addition, the cathode gas diffusion layer 4 serves as a current conductor between the composite electrolyte membrane 100 for PEMFC and the cathode catalyst layer 5, and serves as a passage for the reactant gas and the product water. Accordingly, the cathode gas diffusion layer 4 may have a porous structure having a porosity of 20% to 90% so that gas can pass therethrough. The thickness of the cathode gas diffusion layer 4 may be appropriately adopted as needed, and may be, for example, 100 to 400 μm. When the thickness of the cathode gas diffusion layer 4 is less than 100 μm, the electrical contact resistance between the cathode catalyst layer 5 and the cathode electrode substrate 6 increases, and the structure may become unstable due to compression. In addition, when the thickness of the cathode gas diffusion layer 4 exceeds 400 μm, it may be difficult to move the reactant gas.

또한, 캐소드 기체확산층(4)은 탄소계 물질 및 불소계 수지를 포함하여 형성될 수 있다. 탄소계 물질로는 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 불소계 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머, 또는 스티렌-부타디엔고부(SBR)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 연료는 개미산 용액, 메탄올, 포름알데히드, 또는 에탄올과 같은 액체연료일 수 있다.In addition, the cathode gas diffusion layer 4 may be formed to include a carbon-based material and a fluorine-based resin. Carbon-based materials include graphite, carbon black, acetylene black, denka black, kecheon black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nanoring, carbon nanowire, fullerene (C60) And it may include one or more selected from the group consisting of super P, but is not limited thereto. In addition, as the fluorine-based resin, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinyl alcohol, cellulose acetate, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, or styrene-butadiene fluoride (SBR) It may include one or more selected from the group consisting of. In addition, the fuel may be a liquid fuel such as formic acid solution, methanol, formaldehyde, or ethanol.

캐소드 촉매층(5)은 환원 촉매가 도입되는 층으로서, 캐소드 촉매층(5)은 상기 캐소드 기체확산층(4) 상에 촉매층 형성 물질을 도포하여 형성시킬 수 있다The cathode catalyst layer 5 is a layer into which a reduction catalyst is introduced, and the cathode catalyst layer 5 may be formed by coating a catalyst layer forming material on the cathode gas diffusion layer 4 .

상기 촉매층 형성 물질은 금속촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 금속촉매를 사용할 수 있다. 금속 촉매로는 대표적으로 백금, 루테늄, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다. 또한, 상기 탄소계 지지체로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케천 블랙, 활성카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌 및 수퍼P로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.The catalyst layer forming material may be a metal catalyst or a metal catalyst supported on a carbon-based support. As the metal catalyst, one or more selected from the group consisting of platinum, ruthenium, a platinum-ruthenium alloy, a platinum-osmium alloy, a platinum-palladium alloy, and a platinum-transition metal alloy may be used typically. In addition, as the carbon-based support, graphite (graphite), carbon black, acetylene black, denka black, ketchen black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nanoring, carbon nano It may include at least one selected from the group consisting of wire, fullerene, and super P.

또한, 캐소드 촉매층(5)은 도전성 지지체 및 이온 전도성 바인더(미도시)를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 캐소드 촉매층(5)은 상기 도전성 지지체에 부착된 주촉매를 포함할 수 있다. 상기 도전성 지지체는 카본 블랙일 수 있고, 상기 이온 전도성 바인더는 나피온 이오노머 또는 술폰화된 폴리머일 수 있다. 또한, 상기 주촉매는 금속촉매일 수 있으며, 일 예로서 백금(Pt)일 수 있다. 상기 캐소드 촉매층(5)은 전기도금법, 스프레이법, 페인팅법, 닥터블레이드법 또는 전사법을 사용하여 형성할 수 있다.In addition, the cathode catalyst layer 5 may include a conductive support and an ion conductive binder (not shown). In addition, the cathode catalyst layer 5 may include a main catalyst attached to the conductive support. The conductive support may be carbon black, and the ion conductive binder may be a Nafion ionomer or a sulfonated polymer. In addition, the main catalyst may be a metal catalyst, for example, may be platinum (Pt). The cathode catalyst layer 5 may be formed using an electroplating method, a spray method, a painting method, a doctor blade method, or a transfer method.

캐소드 전극 기재(6)는 탄소페이퍼, 탄소천, 및 탄소펠트로 이루어진 군으로부터 선택되는 도전성 기재를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않고, 고분자 전해질 연료전지에 적용이 가능한 캐소드(cathode) 전극 물질은 모두 사용이 가능하다. 상기 캐소드 전극 기재(6)는 통상의 증착 방법을 통해 캐소드 촉매층(5) 일면에 형성될 수 있고, 상기 캐소드 전극 기재(6)에 상기 캐소드 촉매층(5)을 형성한 뒤 상기 캐소드 기체확산층(4) 상에 캐소드 촉매층(5) 및 캐소드 전극 기재(6)가 접하도록 배치시켜 형성될 수 있다.The cathode electrode substrate 6 may use a conductive substrate selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth, and carbon felt, but is not limited thereto, and any cathode electrode material applicable to a polymer electrolyte fuel cell may be used. possible. The cathode electrode substrate 6 may be formed on one surface of the cathode catalyst layer 5 through a conventional deposition method, and after forming the cathode catalyst layer 5 on the cathode electrode substrate 6, the cathode gas diffusion layer 4 ) on the cathode catalyst layer 5 and the cathode electrode substrate 6 may be formed by disposing in contact.

나아가, 본 발명의 PEMFC용 막-전극 접합체는 수소투과도가 1.0 ~ 2.6 mA/cm², 바람직하게는 수소투과도가 1.5 ~ 2.5 mA/cm², 더욱 바람직하게는 수소투과도가 2.0 ~ 2.3 mA/cm²일 수 있다.Furthermore, the membrane-electrode assembly for PEMFC of the present invention may have a hydrogen permeability of 1.0 to 2.6 mA/cm², preferably a hydrogen permeability of 1.5 to 2.5 mA/cm², more preferably a hydrogen permeability of 2.0 to 2.3 mA/cm² have.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부와, 전술된 연료를 상기 전기 발생부에 공급하는 연료 공급부와, 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공극부를 포함하여 구성된다.On the other hand, the polymer electrolyte membrane fuel cell according to an embodiment of the present invention includes at least one electricity generator that generates electrical energy through an oxidation reaction of fuel and a reduction reaction of an oxidizing agent, and supplies the above-described fuel to the electricity generator. It is configured to include a fuel supply unit and an oxidizer air gap for supplying the oxidizer to the electricity generating unit.

본 발명의 막-전극 접합체를 하나 이상을 포함하고, 본 발명의 막-전극 접합체의 양단에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터가 배치되어 전기 발생부가 구성될 수 있다. 이러한 전기 발생부 적어도 하나가 모여서 스택을 구성할 수 있다.The membrane-electrode assembly of the present invention includes one or more, and separators for supplying fuel and an oxidizing agent are disposed at both ends of the membrane-electrode assembly of the present invention to constitute an electricity generating unit. At least one of these electricity generators may be gathered to form a stack.

이때, 본 발명의 고분자 전해질막 연료전지의 배치 형태 또는 제조방법은 고분자 전해질 연료전지에 적용 가능한 형태라면 제한 없이 형성이 가능하므로, 종래 기술을 참조하여 다양하게 적용할 수 있다.In this case, the arrangement form or method of manufacturing the polymer electrolyte membrane fuel cell of the present invention can be formed without limitation as long as it is a form applicable to the polymer electrolyte fuel cell, and thus can be variously applied with reference to the prior art.

이상에서 본 발명에 대하여 구현예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명의 구현예를 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 구현예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.In the above, the present invention has been mainly described with respect to the embodiment, but this is only an example and does not limit the embodiment of the present invention. It can be seen that various modifications and applications not exemplified above are possible without departing from the scope. For example, each component specifically shown in the embodiment of the present invention can be implemented by modification. And differences related to such modifications and applications should be construed as being included in the scope of the present invention defined in the appended claims.

[실시예] [Example]

실시예 1 : 과불소계 술폰화 이오노머의 제조 Example 1: Preparation of perfluorinated sulfonated ionomer

(1) 1L 스테인리스 오토클레이브에 탈이온수(deionized water) 500ml, 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 77.83g 및 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물 61g을 투입하고, 300 rpm의 속도로 30분동안 교반하였다.(1) 500 ml of deionized water, 77.83 g of a compound represented by the following Chemical Formula 1-1 and 61 g of a compound represented by the following Chemical Formula 2-1 were put in a 1L stainless steel autoclave, and the speed of 300 rpm for 30 minutes stirred.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112020023662139-pat00086
Figure 112020023662139-pat00086

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4이다.In Formula 1-1, n is 4.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112020023662139-pat00087
Figure 112020023662139-pat00087

상기 화학식 2-1에 있어서, m은 4이다.In Formula 2-1, m is 4.

교반 후, 오토클레이브 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거할 수 있으며, 다시 질소가스로 퍼징(purging)하는 과정을 3회 수행하였다.After stirring, the inside of the autoclave can be vacuumed to remove moisture, and the process of purging with nitrogen gas was performed three times.

(2) 테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스(gas)를 오토클레이브 내부로 투입하여, 오토클레이브 내부를 압력이 0.01MPa인 TFE 가스 분위기로 치환하였다. 치환 후, 오토클레이브 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거하고, 오토클레이브의 내부의 압력이 0.8MPa이 될 때까지 TFE 가스를 오토클레이브 내부로 투입하였다. 이 후, 오토클레이브 내부에 5℃/min의 속도로 열을 가하여, 오토클레이브 내부 온도가 35℃가 될 때까지 승온하였다.(2) Tetrafluoroethylene (TFE) gas was introduced into the autoclave, and the inside of the autoclave was replaced with a TFE gas atmosphere having a pressure of 0.01 MPa. After substitution, the inside of the autoclave was vacuumed to remove moisture, and TFE gas was introduced into the autoclave until the pressure inside the autoclave reached 0.8 MPa. Thereafter, heat was applied to the inside of the autoclave at a rate of 5°C/min, and the temperature was raised until the autoclave internal temperature reached 35°C.

(3) 오토클레이브 내부에 라디칼 개시제를 포함하는 용액(탈이온수에 라디칼 개시제인 과황산칼륨(KPS)이 1 중량% 포함된 용액)를 30분동안 7회에 나누어 500ppm을 투입하였다. 이 후, 오토클레이브 내부에는 5℃/min의 속도로 열을 가하여, 반응기 내부 온도를 50℃가 될 때까지 승온하여, 3시간동안 반응을 수행하여, -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조하였다. 제조한 -SO2F기를 포함하는 화합물을 증류수 5L를 이용하여 3회 수세하였다.(3) A solution containing a radical initiator (a solution containing 1% by weight of potassium persulfate (KPS) as a radical initiator in deionized water) was divided into 7 times for 30 minutes and 500 ppm was added inside the autoclave. Thereafter, heat was applied to the inside of the autoclave at a rate of 5° C./min, and the temperature inside the reactor was raised to 50° C., and the reaction was performed for 3 hours to prepare a compound containing -SO 2 F group. . The prepared compound containing the -SO 2 F group was washed with water 3 times using 5L of distilled water.

(4) 수세한 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액(수산화칼륨을 포함하는 수용액)에 침지시켜 가수분해를 수행하고, 산형화제를 포함하는 용액(염산을 포함하는 수용액)에 침지시켜 하기 화학식 6-1로 표시되는 반복단위로 표시되는 폴리머를 포함하는 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 제조된 과불소계 술폰화 이오노머의 중량평균분자량 및 -SO3H기의 화학당량은 하기 표 1에 나타내었다. (4) hydrolysis is performed by immersing the compound containing the washed -SO 2 F group in a solution containing a hydrolytic agent (aqueous solution containing potassium hydroxide), and a solution containing an acid-forming agent (aqueous solution containing hydrochloric acid) ) to prepare a perfluorinated sulfonated ionomer including a polymer represented by a repeating unit represented by the following Chemical Formula 6-1. The weight average molecular weight of the prepared perfluorinated sulfonated ionomer and the chemical equivalent of the -SO 3 H group are shown in Table 1 below.

[화학식 6-1][Formula 6-1]

Figure 112020023662139-pat00088
Figure 112020023662139-pat00088

상기 화학식 6-1에 있어서, n은 4이고, m은 4이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.181 : 0.16의 유리수이다.In Formula 6-1, n is 4, m is 4, and x, y, and z are molar ratios, which are rational numbers of 1:0.181:0.16.

실시예 2 ~ 실시예 7Examples 2 to 7

실시예 1과 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 하기 표 1에 기재된 바와 같이 사용된 성분들의 함량을 달리하여 실시예 2 ~ 7의 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다.In the same manner as in Example 1 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, the perfluorinated sulfonated ionomers of Examples 2 to 7 were prepared by varying the content of the components used as shown in Table 1 below.

Figure 112020023662139-pat00089
Figure 112020023662139-pat00089

실시예 8Example 8

실시예 1과 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 상기 화학식 2-1로 표시되는 화합물 대신 하기 화학식 2-2로 표시되는 화합물을 사용하여 하기 화학식 6-2로 표시되는 반복단위로 표시되는 폴리머를 포함하는 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 제조된 과불소계 술폰화 이오노머의 중량평균분자량, -SO3H기의 화학당량 및 사용된 성분들의 함량은 하기 표 2에 나타내었다.In the same manner as in Example 1 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, a perfluorinated sulfonated ionomer including a polymer represented by a repeating unit represented by the following Chemical Formula 6-2 was prepared by using the compound represented by the following Chemical Formula 2-2 instead of the compound represented by the Chemical Formula 2-1. The weight average molecular weight of the prepared perfluorinated sulfonated ionomer , the chemical equivalent of -SO 3 H group, and the content of the components used are shown in Table 2 below.

[화학식 2-2][Formula 2-2]

Figure 112020023662139-pat00090
Figure 112020023662139-pat00090

상기 화학식 2-2에 있어서, m은 5이다.In Formula 2-2, m is 5.

[화학식 6-2][Formula 6-2]

Figure 112020023662139-pat00091
Figure 112020023662139-pat00091

상기 화학식 6-2에 있어서, n은 4이고, m은 5이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.19 : 0.18의 유리수이다.In Formula 6-2, n is 4, m is 5, and x, y and z are a molar ratio, which is a rational number of 1:0.19:0.18.

실시예 9 ~ 실시예 14Examples 9 to 14

실시예 8과 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 하기 표 2에 기재된 바와 같이 사용된 성분들의 함량을 달리하여 실시예 9 ~ 14의 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다.In the same manner as in Example 8 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, the perfluorinated sulfonated ionomers of Examples 9 to 14 were prepared by varying the content of the components used as shown in Table 2 below.

Figure 112020023662139-pat00092
Figure 112020023662139-pat00092

실시예 15Example 15

실시예 1과 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 상기 화학식 2-1로 표시되는 화합물 대신 하기 화학식 2-3으로 표시되는 화합물을 사용하여 하기 화학식 6-3으로 표시되는 반복단위로 표시되는 폴리머를 포함하는 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 제조된 과불소계 술폰화 이오노머의 중량평균분자량, -SO3H기의 화학당량 및 사용된 성분들의 함량은 하기 표 3에 나타내었다. In the same manner as in Example 1 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, a perfluorinated sulfonated ionomer including a polymer represented by a repeating unit represented by the following Formula 6-3 was prepared by using the compound represented by the following Formula 2-3 instead of the compound represented by the Formula 2-1. The weight average molecular weight of the prepared perfluorinated sulfonated ionomer , the chemical equivalent of -SO 3 H group, and the content of the components used are shown in Table 3 below.

[화학식 2-3][Formula 2-3]

Figure 112020023662139-pat00093
Figure 112020023662139-pat00093

상기 화학식 2-3에 있어서, m은 6이다.In Formula 2-3, m is 6.

[화학식 6-3][Formula 6-3]

Figure 112020023662139-pat00094
Figure 112020023662139-pat00094

상기 화학식 6-3에 있어서, n은 4이고, m은 6이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.2 : 0.21의 유리수이다.In Formula 6-3, n is 4, m is 6, and x, y and z are molar ratios, which are rational numbers of 1:0.2:0.21.

실시예 16 ~ 실시예 21Example 16-Example 21

실시예 15와 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 하기 표 3에 기재된 바와 같이 사용된 성분들의 함량을 달리하여 실시예 16 ~ 21의 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다.In the same manner as in Example 15 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, the perfluorinated sulfonated ionomers of Examples 16 to 21 were prepared by varying the content of the components used as shown in Table 3 below.

Figure 112020023662139-pat00095
Figure 112020023662139-pat00095

실시예 22Example 22

실시예 1과 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 상기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 대신 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물을 사용하여 하기 화학식 6-4로 표시되는 반복단위로 표시되는 폴리머를 포함하는 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 제조된 과불소계 술폰화 이오노머의 중량평균분자량, -SO3H기의 화학당량 및 사용된 성분들의 함량은 하기 표 4에 나타내었다.In the same manner as in Example 1 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, a perfluorinated sulfonated ionomer including a polymer represented by a repeating unit represented by the following formula 6-4 was prepared by using a compound represented by the following formula 1-2 instead of the compound represented by the formula 1-1. The weight average molecular weight of the prepared perfluorinated sulfonated ionomer , the chemical equivalent of -SO 3 H group, and the content of the components used are shown in Table 4 below.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112020023662139-pat00096
Figure 112020023662139-pat00096

상기 화학식 1-2에 있어서, n은 5이다.In Formula 1-2, n is 5.

[화학식 6-4][Formula 6-4]

Figure 112020023662139-pat00097
Figure 112020023662139-pat00097

상기 화학식 6-4에 있어서, n은 5이고, m은 4이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.185 : 0.185의 유리수이다.In Formula 6-4, n is 5, m is 4, and x, y and z are molar ratios, which are rational numbers of 1:0.185:0.185.

실시예 23 ~ 실시예 28Example 23-Example 28

실시예 22와 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 하기 표 4에 기재된 바와 같이 사용된 성분들의 함량을 달리하여 실시예 23 ~ 28의 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다.In the same manner as in Example 22 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, the perfluorinated sulfonated ionomers of Examples 23 to 28 were prepared by varying the content of the components used as shown in Table 4 below.

Figure 112020023662139-pat00098
Figure 112020023662139-pat00098

실시예 29Example 29

실시예 22와 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 상기 화학식 2-1로 표시되는 화합물 대신 하기 화학식 2-2로 표시되는 화합물을 사용하여 하기 화학식 6-5로 표시되는 반복단위로 표시되는 폴리머를 포함하는 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 제조된 과불소계 술폰화 이오노머의 중량평균분자량, -SO3H기의 화학당량 및 사용된 성분들의 함량은 하기 표 5에 나타내었다. In the same manner as in Example 22 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, a perfluorinated sulfonated ionomer including a polymer represented by a repeating unit represented by the following Chemical Formula 6-5 was prepared by using the compound represented by the following Chemical Formula 2-2 instead of the compound represented by the Chemical Formula 2-1. The weight average molecular weight of the prepared perfluorinated sulfonated ionomer , the chemical equivalent of -SO 3 H group, and the content of the components used are shown in Table 5 below.

[화학식 2-2][Formula 2-2]

Figure 112020023662139-pat00099
Figure 112020023662139-pat00099

상기 화학식 2-2에 있어서, m은 5이다.In Formula 2-2, m is 5.

[화학식 6-5][Formula 6-5]

Figure 112020023662139-pat00100
Figure 112020023662139-pat00100

상기 화학식 6-5에 있어서, n은 5이고, m은 5이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.197 : 0.21의 유리수이다.In Formula 6-5, n is 5, m is 5, and x, y and z are molar ratios, which are rational numbers of 1:0.197:0.21.

실시예 30 ~ 실시예 35Examples 30 to 35

실시예 29와 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 하기 표 5에 기재된 바와 같이 사용된 성분들의 함량을 달리하여 실시예 30 ~ 35의 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다.In the same manner as in Example 29 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, the perfluorinated sulfonated ionomers of Examples 30 to 35 were prepared by varying the content of the components used as shown in Table 5 below.

Figure 112020023662139-pat00101
Figure 112020023662139-pat00101

실시예 36Example 36

실시예 22와 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 상기 화학식 2-1로 표시되는 화합물 대신 하기 화학식 2-3으로 표시되는 화합물을 사용하여 하기 화학식 6-6으로 표시되는 반복단위로 표시되는 폴리머를 포함하는 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 제조된 과불소계 술폰화 이오노머의 중량평균분자량, -SO3H기의 화학당량 및 사용된 성분들의 함량은 하기 표 6에 나타내었다. In the same manner as in Example 22 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, a perfluorinated sulfonated ionomer including a polymer represented by a repeating unit represented by the following Formula 6-6 was prepared by using the compound represented by the following Formula 2-3 instead of the compound represented by the Formula 2-1. The weight average molecular weight of the prepared perfluorinated sulfonated ionomer , the chemical equivalent of -SO 3 H group, and the content of the components used are shown in Table 6 below.

[화학식 2-3][Formula 2-3]

Figure 112020023662139-pat00102
Figure 112020023662139-pat00102

상기 화학식 2-3에 있어서, m은 6이다.In Formula 2-3, m is 6.

[화학식 6-6][Formula 6-6]

Figure 112020023662139-pat00103
Figure 112020023662139-pat00103

상기 화학식 6-6에 있어서, n은 5이고, m은 6이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.235 : 0.219의 유리수이다.In Formula 6-6, n is 5, m is 6, and x, y, and z are molar ratios, which are rational numbers of 1:0.235:0.219.

실시예 37 ~ 실시예 42Example 37-Example 42

실시예 36과 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 하기 표 6에 기재된 바와 같이 사용된 성분들의 함량을 달리하여 실시예 37 ~ 42의 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다.In the same manner as in Example 36 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, the perfluorinated sulfonated ionomers of Examples 37 to 42 were prepared by varying the content of the components used as shown in Table 6 below.

Figure 112020023662139-pat00104
Figure 112020023662139-pat00104

비교예 1 : 과불소계 술폰화 이오노머의 제조 Comparative Example 1: Preparation of perfluorinated sulfonated ionomers

(1) 1L 스테인리스 오토클레이브에 탈이온수(deionized water) 500ml, 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 159.1g을 투입하고, 300 rpm의 속도로 30분동안 교반하였다.(1) 500 ml of deionized water and 159.1 g of a compound represented by the following Chemical Formula 1-1 were added to a 1L stainless steel autoclave, and the mixture was stirred at a speed of 300 rpm for 30 minutes.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112020023662139-pat00105
Figure 112020023662139-pat00105

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4이다.In Formula 1-1, n is 4.

교반 후, 오토클레이브 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거할 수 있으며, 다시 질소가스로 퍼징(purging)하는 과정을 3회 수행하였다.After stirring, the inside of the autoclave can be vacuumed to remove moisture, and the process of purging with nitrogen gas was performed three times.

(2) 테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스(gas)를 오토클레이브 내부로 투입하여, 오토클레이브 내부를 압력이 0.01MPa인 TFE 가스 분위기로 치환하였다. 치환 후, 오토클레이브 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거하고, 오토클레이브의 내부의 압력이 0.8MPa이 될 때까지 TFE 가스를 오토클레이브 내부로 투입하였다. 이 후, 오토클레이브 내부에 5℃/min의 속도로 열을 가하여, 오토클레이브 내부 온도가 35℃가 될 때까지 승온하였다.(2) Tetrafluoroethylene (TFE) gas was introduced into the autoclave, and the inside of the autoclave was replaced with a TFE gas atmosphere having a pressure of 0.01 MPa. After substitution, the inside of the autoclave was vacuumed to remove moisture, and TFE gas was introduced into the autoclave until the pressure inside the autoclave reached 0.8 MPa. Thereafter, heat was applied to the inside of the autoclave at a rate of 5°C/min, and the temperature was raised until the autoclave internal temperature reached 35°C.

(3) 오토클레이브 내부에 라디칼 개시제를 포함하는 용액(탈이온수에 라디칼 개시제인 과황산칼륨(KPS)이 1 중량% 포함된 용액)를 30분동안 7회에 나누어 500ppm을 투입하였다. 이 후, 오토클레이브 내부에는 5℃/min의 속도로 열을 가하여, 반응기 내부 온도를 50℃가 될 때까지 승온하여, 3시간동안 반응을 수행하여, -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조하였다. 제조한 -SO2F기를 포함하는 화합물을 증류수 5L를 이용하여 3회 수세하였다.(3) A solution containing a radical initiator (a solution containing 1% by weight of potassium persulfate (KPS) as a radical initiator in deionized water) was divided into 7 times for 30 minutes and 500 ppm was added inside the autoclave. Thereafter, heat was applied to the inside of the autoclave at a rate of 5° C./min, and the temperature inside the reactor was raised to 50° C., and the reaction was performed for 3 hours to prepare a compound containing -SO 2 F group. . The prepared compound containing the -SO 2 F group was washed with water 3 times using 5L of distilled water.

(4) 수세한 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액(수산화칼륨을 포함하는 수용액)에 침지시켜 가수분해를 수행하고, 산형화제를 포함하는 용액(염산을 포함하는 수용액)에 침지시켜 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 제조된 과불소계 술폰화 이오노머의 중량평균분자량은 112,700, -SO3H기의 화학당량은 700이다.(4) hydrolysis is performed by immersing the compound containing the washed -SO 2 F group in a solution containing a hydrolytic agent (aqueous solution containing potassium hydroxide), and a solution containing an acid-forming agent (aqueous solution containing hydrochloric acid) ) to prepare a perfluorinated sulfonated ionomer. The weight average molecular weight of the prepared perfluorinated sulfonated ionomer is 112,700, and the chemical equivalent of -SO 3 H group is 700.

비교예 2Comparative Example 2

비교예 1과 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 상기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 대신 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 218.4g을 사용하여 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 제조된 과불소계 술폰화 이오노머의 중량평균분자량은 115,600, -SO3H기의 화학당량은 700이다.In the same manner as in Comparative Example 1 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, a perfluorinated sulfonated ionomer was prepared by using 218.4 g of a compound represented by the following formula 1-2 instead of the compound represented by the formula 1-1. The weight average molecular weight of the prepared perfluorinated sulfonated ionomer is 115,600, and the chemical equivalent of -SO 3 H group is 700.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112020023662139-pat00106
Figure 112020023662139-pat00106

상기 화학식 1-2에 있어서, n은 5이다.In Formula 1-2, n is 5.

비교예 3 : 과불소계 술폰화 이오노머의 제조 Comparative Example 3: Preparation of perfluorinated sulfonated ionomers

(1) 1L 스테인리스 오토클레이브에 탈이온수(deionized water) 500ml, 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물 118.56g을 투입하고, 300 rpm의 속도로 30분동안 교반하였다.(1) 500 ml of deionized water and 118.56 g of a compound represented by the following Chemical Formula 2-1 were added to a 1L stainless steel autoclave, and the mixture was stirred at a speed of 300 rpm for 30 minutes.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112020023662139-pat00107
Figure 112020023662139-pat00107

상기 화학식 2-1에 있어서, m은 4이다.In Formula 2-1, m is 4.

교반 후, 오토클레이브 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거할 수 있으며, 다시 질소가스로 퍼징(purging)하는 과정을 3회 수행하였다.After stirring, the inside of the autoclave can be vacuumed to remove moisture, and the process of purging with nitrogen gas was performed three times.

(2) 테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스(gas)를 오토클레이브 내부로 투입하여, 오토클레이브 내부를 압력이 0.01MPa인 TFE 가스 분위기로 치환하였다. 치환 후, 오토클레이브 내부를 진공 상태로 만들어 수분을 제거하고, 오토클레이브의 내부의 압력이 0.8MPa이 될 때까지 TFE 가스를 오토클레이브 내부로 투입하였다. 이 후, 오토클레이브 내부에 5℃/min의 속도로 열을 가하여, 오토클레이브 내부 온도가 35℃가 될 때까지 승온하였다.(2) Tetrafluoroethylene (TFE) gas was introduced into the autoclave, and the inside of the autoclave was replaced with a TFE gas atmosphere having a pressure of 0.01 MPa. After substitution, the inside of the autoclave was vacuumed to remove moisture, and TFE gas was introduced into the autoclave until the pressure inside the autoclave reached 0.8 MPa. Thereafter, heat was applied to the inside of the autoclave at a rate of 5°C/min, and the temperature was raised until the autoclave internal temperature reached 35°C.

(3) 오토클레이브 내부에 라디칼 개시제를 포함하는 용액(탈이온수에 라디칼 개시제인 과황산칼륨(KPS)이 1 중량% 포함된 용액)를 30분동안 7회에 나누어 500ppm을 투입하였다. 이 후, 오토클레이브 내부에는 5℃/min의 속도로 열을 가하여, 반응기 내부 온도를 50℃가 될 때까지 승온하여, 3시간동안 반응을 수행하여, -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조하였다. 제조한 -SO2F기를 포함하는 화합물을 증류수 5L를 이용하여 3회 수세하였다.(3) A solution containing a radical initiator (a solution containing 1% by weight of potassium persulfate (KPS) as a radical initiator in deionized water) was divided into 7 times for 30 minutes and 500 ppm was added inside the autoclave. Thereafter, heat was applied to the inside of the autoclave at a rate of 5° C./min, and the temperature inside the reactor was raised to 50° C., and the reaction was performed for 3 hours to prepare a compound containing -SO 2 F group. . The prepared compound containing the -SO 2 F group was washed with water 3 times using 5L of distilled water.

(4) 수세한 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액(수산화칼륨을 포함하는 수용액)에 침지시켜 가수분해를 수행하고, 산형화제를 포함하는 용액(염산을 포함하는 수용액)에 침지시켜 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 제조된 과불소계 술폰화 이오노머의 중량평균분자량은 121,100, -SO3H기의 화학당량은 701이다. (4) hydrolysis is performed by immersing the compound containing the washed -SO 2 F group in a solution containing a hydrolytic agent (aqueous solution containing potassium hydroxide), and a solution containing an acid-forming agent (aqueous solution containing hydrochloric acid) ) to prepare a perfluorinated sulfonated ionomer. The weight average molecular weight of the prepared perfluorinated sulfonated ionomer is 121,100, and the chemical equivalent of -SO 3 H group is 701.

비교예 4Comparative Example 4

비교예 3과 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 상기 화학식 2-1로 표시되는 화합물 대신 하기 화학식 2-2로 표시되는 화합물 159.1g을 사용하여 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 제조된 과불소계 술폰화 이오노머의 중량평균분자량은 114,200, -SO3H기의 화학당량은 700이다.In the same manner as in Comparative Example 3 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, a perfluorinated sulfonated ionomer was prepared by using 159.1 g of a compound represented by the following formula 2-2 instead of the compound represented by the formula 2-1. The weight average molecular weight of the prepared perfluorinated sulfonated ionomer is 114,200, and the chemical equivalent of -SO 3 H group is 700.

[화학식 2-2][Formula 2-2]

Figure 112020023662139-pat00108
Figure 112020023662139-pat00108

상기 화학식 2-2에 있어서, m은 5이다.In Formula 2-2, m is 5.

비교예 5Comparative Example 5

비교예 3과 동일한 방법으로 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 다만, 상기 화학식 2-1로 표시되는 화합물 대신 하기 화학식 2-3으로 표시되는 화합물 217.92g을 사용하여 과불소계 술폰화 이오노머를 제조하였다. 제조된 과불소계 술폰화 이오노머의 중량평균분자량은 117,300, -SO3H기의 화학당량은 700이다.In the same manner as in Comparative Example 3 A perfluorinated sulfonated ionomer was prepared. However, a perfluorinated sulfonated ionomer was prepared by using 217.92 g of a compound represented by the following formula 2-3 instead of the compound represented by the formula 2-1. The weight average molecular weight of the prepared perfluorinated sulfonated ionomer is 117,300, and the chemical equivalent of the -SO 3 H group is 700.

[화학식 2-3][Formula 2-3]

Figure 112020023662139-pat00109
Figure 112020023662139-pat00109

상기 화학식 2-3에 있어서, m은 6이다.In Formula 2-3, m is 6.

준비예 1 : PTFE 다공성 지지체의 제조Preparation Example 1: Preparation of PTFE porous support

평균입경 570㎛인 PTFE 미세 파우더 100 중량부에 대하여 액상 윤활제인 나프타(naphtha) 23 중량부를 혼합 및 교반하여 균일하게 분산시켜서 페이스트를 제조하였다.A paste was prepared by mixing and stirring 23 parts by weight of naphtha, a liquid lubricant, to 100 parts by weight of PTFE fine powder having an average particle diameter of 570 μm to uniformly disperse it.

다음으로, 상기 페이스트를 50℃에서 18 시간 동안 방치시켜서 숙성시킨 후, 성형 지그를 이용하여 압축시켜서 PTFE 블록을 제조하였다.Next, the paste was aged at 50° C. for 18 hours, and then compressed using a molding jig to prepare a PTFE block.

다음으로, 상기 PTFE 블록을 압출금형에 투입 후, 약 0.10 Ton/cm2압력 하에서 가압압출을 실시하였다.Next, after putting the PTFE block into the extrusion mold, pressure extrusion was performed under a pressure of about 0.10 Ton/cm 2 .

다음으로, 압연롤을 이용하여, 압연시켜서 평균두께 850㎛ 인 미소성 테이프를 제조하였다.Next, it was rolled using a rolling roll to prepare an unbaked tape having an average thickness of 850 µm.

다음으로, 미소성 테이프를 3M/min의 속도로 컨베이어 벨트로 이송시키면서 180℃의 열을 가하여 건조시켜 윤활제를 제거하였다.Next, while the unbaked tape was transferred to a conveyor belt at a speed of 3 M/min, heat of 180° C. was applied and dried to remove the lubricant.

다음으로, 윤활제가 제거된 미소성 테이프를 연신온도 280℃ 및 연신속도 10 M/min 조건 하에서 6.5 배로 1축 연신(길이 방향 연신)을 수행하였다.Next, uniaxial stretching (lengthwise stretching) was performed on the unbaked tape from which the lubricant was removed at a stretching temperature of 280° C. and a stretching speed of 10 M/min at 6.5 times.

다음으로, 1축 연신된 미소성 테이프를 연신온도 250℃ 및 연신속도 10 M/min 조건 하에서 30 배로 2축 연신(폭 방향 연신)을 수행하여 다공성 지지체를 제조하였다.Next, the uniaxially stretched unbaked tape was biaxially stretched 30 times (width direction stretching) under the conditions of a stretching temperature of 250° C. and a stretching speed of 10 M/min to prepare a porous support.

다음으로, 1축 및 2축 연신된 다공성 지지체를 컨베이어 벨트 상에서 15 M/min의 속도로 420℃ 온도를 가하여 소성시켜서 평균두께 5㎛ 및 평균기공 크기 0.114㎛인 PTFE 다공성 지지체를 제조하였다.Next, the uniaxially and biaxially stretched porous support was fired by applying a temperature of 420° C. at a rate of 15 M/min on a conveyor belt to prepare a PTFE porous support having an average thickness of 5 μm and an average pore size of 0.114 μm.

제조예 1 : PEMFC용 복합 전해질막의 제조Preparation Example 1: Preparation of composite electrolyte membrane for PEMFC

(1) 상기 준비예 1에서 제조한 PTFE 다공성 지지체를 준비하였다.(1) The PTFE porous support prepared in Preparation Example 1 was prepared.

(2) 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 100 중량부에 대하여 PEMFC용 라디칼 스캐빈제(상아프론테크, CeZnO 금속산화물) 1 중량부를 혼합하여 과불소계 술폰화 이오노머 용액을 준비하였다.(2) 1 part by weight of a radical scavenger for PEMFC (Sangafrontech, CeZnO metal oxide) was mixed with 100 parts by weight of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1 to prepare a perfluorinated sulfonated ionomer solution.

(3) 준비예 1에서 제조한 PTFE 다공성 지지체를 유리기판에 고정하고, 애플리케이터(Film Applicator)를 이용하여 PTFE 다공성 지지체 일면에 과불소계 술폰화 이오노머 용액에 함침시켰다. 다음으로, 과불소계 술폰화 이오노머 용액에 함침시킨 PTFE 다공성 지지체를 80℃ 진공오븐에 투입하고 10분 동안 건조를 수행하여 PTFE 다공성 지지체의 일면에 제1전해질층을 형성시켰다. (3) The PTFE porous support prepared in Preparation Example 1 was fixed to a glass substrate, and one surface of the PTFE porous support was impregnated with a perfluorinated sulfonated ionomer solution using an applicator. Next, the PTFE porous support impregnated with the perfluorinated sulfonated ionomer solution was put into a vacuum oven at 80° C. and dried for 10 minutes to form a first electrolyte layer on one surface of the PTFE porous support.

제1전해질층은 과불소계 술폰화 이오노머 용액에 의해 형성된 층이다.The first electrolyte layer is a layer formed by a perfluorinated sulfonated ionomer solution.

(4) 애플리케이터를 이용하여 제1전해질층이 형성된 PTFE 다공성 지지체의 타면을 과불소계 술폰화 이오노머 용액에 함침시켰다. 다음으로, 과불소계 술폰화 이오노머 용액에 함침시킨 PTFE 다공성 지지체를 80℃ 진공오븐에 투입하고 10분 동안 건조를 수행하여 PTFE 다공성 지지체의 타면에 제2전해질층을 형성시켰다. 제2전해질층은 과불소계 술폰화 이오노머 용액에 의해 형성된 층이다.(4) Using an applicator, the other surface of the porous PTFE support on which the first electrolyte layer was formed was impregnated with the perfluorinated sulfonated ionomer solution. Next, the PTFE porous support impregnated with the perfluorinated sulfonated ionomer solution was put into a vacuum oven at 80° C. and dried for 10 minutes to form a second electrolyte layer on the other surface of the PTFE porous support. The second electrolyte layer is a layer formed by a perfluorinated sulfonated ionomer solution.

(5) 제1전해질층 및 제2전해질층이 형성된 PTFE 다공성 지지체를 160℃에서 3분 동안 열처리하여 PEMFC용 복합 전해질막을 제조하였으며, 제1전해질층은 평균두께가 5㎛, 제2전해질층은 평균두께가 5㎛로 형성되었다.(5) A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared by heat-treating the PTFE porous support on which the first electrolyte layer and the second electrolyte layer were formed at 160° C. for 3 minutes. The first electrolyte layer had an average thickness of 5 μm, and the second electrolyte layer was The average thickness was formed to 5㎛.

제조예 2 ~ 42 및 비교제조예 1 ~ 5Preparation Examples 2 to 42 and Comparative Preparation Examples 1 to 5

상기 제조예 1과 동일한 방법으로 PEMFC용 복합 전해질막를 제조하되, 제조예 2는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 2에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 3은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 3에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 4는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 4에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 5는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 5에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 6은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 6에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 7은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 7에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 8은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 8에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 9는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 9에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 10은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 10에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 11은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 11에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 12는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 12에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 13은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 13에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 14는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 14에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 15는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 15에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 16은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 16에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 17은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 17에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 18은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 18에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 19는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 19에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 20은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 20에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 21은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 21에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 22는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 22에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 23은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 23에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 24는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 24에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 25는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 25에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 26은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 26에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 27은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 27에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 28은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 28에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 29는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 29에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 30은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 30에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 31은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 31에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 32는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 32에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 33은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 33에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 34는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 34에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 35는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 35에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 36은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 36에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 37은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 37에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 38은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 38에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 39은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 39에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 40은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 40에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 제조예 41은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 41에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 제조예 42는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 실시예 42에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 비교제조예 1은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 비교예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 비교제조예 2는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 비교예 2에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 비교제조예 3은 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 비교예 3에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였고, 비교제조예 4는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 비교예 4에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였으며, 비교제조예 5는 실시예 1에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머 대신 비교예 5에서 제조된 과불소계 술폰화 이오노머를 사용하여 PEMFC용 복합 전해질막의 제조하였다.A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that Preparation Example 2 used the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 2 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1 to produce a composite electrolyte for PEMFC. Membrane was prepared, and in Preparation Example 3, a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 3 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1, and Preparation Example 4 was prepared in Example 1 A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared by using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 4 instead of the prepared perfluorinated sulfonated ionomer, and Preparation Example 5 was prepared in Example 5 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the prepared perfluorinated sulfonated ionomer, and in Preparation Example 6, the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 6 was used instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1 for PEMFC. A composite electrolyte membrane was prepared, and in Preparation Example 7, a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 7 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1, and Preparation Example 8 was Example A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 8 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1, and Preparation Example 9 was prepared in Example instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in 9, and in Preparation Example 10, the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 10 was used instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared, and in Preparation Example 11, a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 11 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1, and Preparation Example 12 was Example instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1 A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 12, and in Preparation Example 13, the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 13 was used instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared, and in Preparation Example 14, a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared by using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 14 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1, and Preparation Example 15 was A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared by using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 15 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1, and Preparation Example 16 was used instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1 A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 16. In Preparation Example 17, the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 17 was used instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the In Example 19, a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 19 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1, and in Preparation Example 20, the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1 was prepared. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 20 instead of the ionomer, and in Preparation Example 21, the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 21 was replaced with the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1 A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the ionomer, and in Preparation Example 22, a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 22 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1, Preparation 23 is an example A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared by using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 23 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1, and Preparation Example 24 was prepared in Example 24 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 24. In Preparation 25, the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 25 was used instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared, and in Preparation Example 26, a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared by using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 26 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared by using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 27 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1, and Preparation Example 28 was used instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1 A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 28. In Preparation Example 29, the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 29 was used instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using In Example 31, a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared by using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 31 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1, and in Preparation Example 32, the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1 was prepared. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 32 instead of the ionomer, and in Preparation Example 33, the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 33 was replaced with the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1. For PEMFCs using ionomers A composite electrolyte membrane was prepared, and in Preparation Example 34, a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 34 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1, and Preparation 35 was Example A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared by using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 35 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1, and Preparation 36 was prepared in Example instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1 A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 36, and in Preparation Example 37, the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 37 was used instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared, and in Preparation Example 38, a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared by using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 38 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 39 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1, and Preparation 40 was prepared in place of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1 A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 40. In Preparation Example 41, the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 41 was used instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1. A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using In Example 1, a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Comparative Example 1 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1, and Comparative Preparation Example 2 was prepared in Example 1 Prepared in Comparative Example 2 instead of the sulfonated ionomer A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared using the perfluorinated sulfonated ionomer, and Comparative Preparation Example 3 used the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Comparative Example 3 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1 for PEMFC. A composite electrolyte membrane was prepared, and in Comparative Preparation Example 4, a composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared by using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Comparative Example 4 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1, and Comparative Preparation Example 5 was A composite electrolyte membrane for PEMFC was prepared by using the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Comparative Example 5 instead of the perfluorinated sulfonated ionomer prepared in Example 1.

실험예 1 : PEMFC용 복합 전해질막의 내구성 및 이온전도도 측정 실험Experimental Example 1: Measurement of durability and ionic conductivity of composite electrolyte membrane for PEMFC

1) 펜톤 테스트(Fenton test)1) Fenton test

제조예 1 ~ 42 및 비교제조예 1 ~ 5에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막 각각을 5㎝×5㎝(가로×세로) 크기로 시험편을 준비하고, 오븐에 80℃, 5시간 이상 건조 후 질량을 측정한다. 준비된 시편을 2% 과산화수소에 3ppm Fe2+ 첨가하여 제조한 용액 200g에 침지한 후 80℃, 120시간 방치한다. 시험편에서 용출된 불소 이온농도는 불소이온 선택전극을 사용하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 7 내지 표 12에 나타내었다. 펜톤 테스트는 측정값이 낮을수록 불소이온 용출이 낮은 것이며, 즉, 전해질막의 내구성이 우수한 것이다.Prepare a test piece of each of the composite electrolyte membranes for PEMFC prepared in Preparation Examples 1 to 42 and Comparative Preparation Examples 1 to 5 in a size of 5 cm × 5 cm (width × length), and after drying at 80° C. in an oven for 5 hours or more, the mass measure The prepared specimen is immersed in 200 g of a solution prepared by adding 3 ppm Fe 2+ to 2% hydrogen peroxide, and then left at 80° C. for 120 hours. The fluoride ion concentration eluted from the test piece was measured using a fluorine ion selective electrode, and the results are shown in Tables 7 to 12 below. In the Fenton test, the lower the measured value, the lower the elution of fluoride ions, that is, the superior durability of the electrolyte membrane.

2) 이온전도도 측정2) Ion conductivity measurement

제조예 1 ~ 42 및 비교제조예 1 ~ 5에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막 각각을 1㎝×5㎝(가로×세로) 크기로 시험편을 준비하고, 증류수에 담가 오븐에 80℃, 5시간 침지 후 체결된 셀을 증류수에 담가 25℃ 온도 셋팅 후 임피던스를 측정하였고, 이온전도도를 산출하여 그 결과를 하기 표 7 내지 표 12에 나타내었다.Prepare a test piece of each of the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 1 to 42 and Comparative Preparation Examples 1 to 5 in a size of 1 cm × 5 cm (width × length), immersed in distilled water, and immersed in an oven at 80° C. for 5 hours After the fastened cell was immersed in distilled water, the impedance was measured after setting the temperature at 25°C, the ionic conductivity was calculated, and the results are shown in Tables 7 to 12 below.

실험예 2 : PEMFC용 복합 전해질막의 함수율 측정 실험Experimental Example 2: Moisture content measurement experiment of composite electrolyte membrane for PEMFC

제조예 1 ~ 42 및 비교제조예 1 ~ 5에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막을 120℃에서 1시간 동안 완전히 건조시킨 후 무게(Wd)를 측정하였다. 이를 다시 탈이온수에 침지시켜 60 ~ 120℃에서 5시간 동안 방치 한 후 시료를 꺼내고, 겉면의 물기를 제거하여 무게(Ww)를 측정하였다.After the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 1 to 42 and Comparative Preparation Examples 1 to 5 was completely dried at 120° C. for 1 hour, the weight (W d ) was measured. This was again immersed in deionized water, left at 60 ~ 120 °C for 5 hours, and then the sample was taken out, the water was removed from the surface, and the weight (W w ) was measured.

그 후, 하기 수학식 1에 의하여 함수율을 측정하여, 그 결과를 하기 표 7 내지 표 12에 나타내었다. Thereafter, the moisture content was measured according to Equation 1 below, and the results are shown in Tables 7 to 12 below.

[수학식 1][Equation 1]

함수율(%) = ((Ww-Wd)/Ww))*100Moisture content (%) = ((W w -W d )/W w ))*100

실험예 3 : PEMFC용 복합 전해질막의 수소투과도 측정 실험Experimental Example 3: Hydrogen permeability measurement experiment of composite electrolyte membrane for PEMFC

제조예 1 ~ 42 및 비교제조예 1 ~ 5에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막을 각각 포함하는 전극 활성 면적이 25cm2인 PEMFC용 막-전극 접합체를 제작하여 RH 100% 조건, Cell station에서 측정하였으며, PEMFC용 막-전극 접합체의 성능을 활성화하여 최적의 성능을 구현하기 위해 초기 Activation을 실시하였다. 이후, PEMFC용 막-전극 접합체의 Performance를 확인하기 위해 CC(Constant Current) mode로 1분간 OCV 대기후, 0A에서 45A까지 1분간 각 구간을 반복하는 조건으로 PEMFC용 막-전극 접합체에 대한 Performance 를 측정하였다. 최종적으로 수소투과도를 측정하기 위해 온도를 80℃로 RH값을 100%로 하였으며 애노드(Anode)에 H2와 캐소드(Cathode)에 N2가스(gas)를 흘려주어 0.4V ~ 0.5V 구간을 플로팅(plotting)하여 측정하여, 그 결과를 하기 표 7 내지 표 12에 나타내었다. Membrane-electrode assemblies for PEMFCs having an electrode active area of 25 cm 2 including the composite electrolyte membranes for PEMFCs prepared in Preparation Examples 1 to 42 and Comparative Preparation Examples 1 to 5, respectively, were prepared and measured in a cell station under RH 100% conditions, Initial activation was performed to activate the performance of the PEMFC membrane-electrode assembly to realize optimal performance. Thereafter, in order to check the performance of the PEMFC membrane-electrode assembly, the performance of the PEMFC membrane-electrode assembly was measured under the condition of waiting for OCV for 1 minute in CC (Constant Current) mode and repeating each section from 0A to 45A for 1 minute. measured. Finally, to measure the hydrogen permeability, the temperature was set to 80°C and the RH value was 100%, and H 2 to the anode and N 2 gas to the cathode were flowed to plot the 0.4V ~ 0.5V section. It was measured by plotting, and the results are shown in Tables 7 to 12 below.

Figure 112020023662139-pat00110
Figure 112020023662139-pat00110

상기 표 7에서 확인할 수 있듯이, 제조예 1 ~ 3에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막은 제조예 4 ~ 7 및 비교제조예 1 및 3에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막보다 내구성이 우수할 뿐만 아니라, 이온전도도가 높고, 수소투과도가 낮은 것을 확인할 수 있었다.As can be seen in Table 7, the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 1 to 3 has superior durability than the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 4 to 7 and Comparative Preparation Examples 1 and 3, as well as ion It was confirmed that the conductivity was high and the hydrogen permeability was low.

Figure 112020023662139-pat00111
Figure 112020023662139-pat00111

상기 표 8에서 확인할 수 있듯이, 제조예 8 ~ 10에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막은 제조예 11 ~ 14 및 비교제조예 1 및 4에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막보다 내구성이 우수할 뿐만 아니라, 이온전도도가 높고, 수소투과도가 낮은 것을 확인할 수 있었다.As can be seen in Table 8, the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 8 to 10 has superior durability than the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 11 to 14 and Comparative Preparation Examples 1 and 4, as well as ion It was confirmed that the conductivity was high and the hydrogen permeability was low.

Figure 112020023662139-pat00112
Figure 112020023662139-pat00112

상기 표 9에서 확인할 수 있듯이, 제조예 15 ~ 17에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막은 제조예 18 ~ 21 및 비교제조예 1 및 5에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막보다 내구성이 우수할 뿐만 아니라, 이온전도도가 높고, 수소투과도가 낮은 것을 확인할 수 있었다.As can be seen in Table 9, the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 15 to 17 has superior durability than the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 18 to 21 and Comparative Preparation Examples 1 and 5, as well as ion It was confirmed that the conductivity was high and the hydrogen permeability was low.

Figure 112020023662139-pat00113
Figure 112020023662139-pat00113

상기 표 10에서 확인할 수 있듯이, 제조예 22 ~ 24에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막은 제조예 25 ~ 28 및 비교제조예 2 및 3에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막보다 내구성이 우수할 뿐만 아니라, 이온전도도가 높고, 수소투과도가 낮은 것을 확인할 수 있었다.As can be seen in Table 10, the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 22 to 24 has superior durability than the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 25 to 28 and Comparative Preparation Examples 2 and 3, It was confirmed that the conductivity was high and the hydrogen permeability was low.

Figure 112020023662139-pat00114
Figure 112020023662139-pat00114

상기 표 11에서 확인할 수 있듯이, 제조예 29 ~ 31에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막은 제조예 32 ~ 35 및 비교제조예 2 및 4에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막보다 내구성이 우수할 뿐만 아니라, 이온전도도가 높고, 수소투과도가 낮은 것을 확인할 수 있었다.As can be seen in Table 11, the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 29 to 31 has superior durability than the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 32 to 35 and Comparative Preparation Examples 2 and 4, as well as ion It was confirmed that the conductivity was high and the hydrogen permeability was low.

Figure 112020023662139-pat00115
Figure 112020023662139-pat00115

상기 표 12에서 확인할 수 있듯이, 제조예 36 ~ 38에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막은 제조예 39 ~ 42 및 비교제조예 2 및 5에서 제조된 PEMFC용 복합 전해질막보다 내구성이 우수할 뿐만 아니라, 이온전도도가 높고, 수소투과도가 낮은 것을 확인할 수 있었다.As can be seen in Table 12, the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 36 to 38 has superior durability than the composite electrolyte membrane for PEMFC prepared in Preparation Examples 39 to 42 and Comparative Preparation Examples 2 and 5, as well as ion It was confirmed that the conductivity was high and the hydrogen permeability was low.

본 발명의 단순한 변형이나 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해서 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.Simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be considered to be included in the scope of the present invention.

Claims (25)

테트라플루오로에틸렌(TFE); 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물; 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물; 및 라디칼 개시제; 를 포함하고,
하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물을 1 : 0.75 ~ 0.95 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물.
[화학식 1-1]
Figure 112021041698016-pat00116

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4이다.
[화학식 2-1]
Figure 112021041698016-pat00117

상기 화학식 2-1에 있어서, m은 4이다.
tetrafluoroethylene (TFE); a compound represented by the following formula 1-1; a compound represented by the following formula 2-1; and radical initiators; including,
A composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer comprising the compound represented by the following Chemical Formula 1-1 and the compound represented by the following Chemical Formula 2-1 in a weight ratio of 1: 0.75 to 0.95.
[Formula 1-1]
Figure 112021041698016-pat00116

In Formula 1-1, n is 4.
[Formula 2-1]
Figure 112021041698016-pat00117

In Formula 2-1, m is 4.
제1항에 있어서,
상기 라디칼 개시제는 비스(플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 비스(클로로플루오로아실)퍼옥사이드계 화합물, 디알킬퍼옥시디카보네이트계 화합물, 디아실퍼옥사이드계 화합물, 퍼옥시에스테르계 화합물, 아조계 화합물 및 과황산염계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물.
According to claim 1,
The radical initiator is a bis (fluoroacyl) peroxide compound, a bis (chlorofluoroacyl) peroxide compound, a dialkyl peroxydicarbonate compound, a diacyl peroxide compound, a peroxyester compound, an azo compound And a composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer comprising at least one selected from the group consisting of persulfate-based compounds.
제1항에 있어서,
상기 조성물은 가수분해제; 및 산형화제; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물.
According to claim 1,
The composition comprises a hydrolyzing agent; and acid-forming agents; A composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer further comprising a.
삭제delete 테트라플루오로에틸렌(TFE); 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물; 하기 화학식 2-2로 표시되는 화합물; 및 라디칼 개시제; 를 포함하고,
하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-2로 표시되는 화합물을 1 : 0.9 ~ 1.1 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물.
[화학식 1-1]
Figure 112021041698016-pat00120

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4이다.
[화학식 2-2]
Figure 112021041698016-pat00121

상기 화학식 2-2에 있어서, m은 5이다.
tetrafluoroethylene (TFE); a compound represented by the following formula 1-1; a compound represented by the following formula 2-2; and radical initiators; including,
A composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer comprising the compound represented by the following Chemical Formula 1-1 and the compound represented by the following Chemical Formula 2-2 in a weight ratio of 1:0.9 to 1.1.
[Formula 1-1]
Figure 112021041698016-pat00120

In Formula 1-1, n is 4.
[Formula 2-2]
Figure 112021041698016-pat00121

In Formula 2-2, m is 5.
테트라플루오로에틸렌(TFE); 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물; 하기 화학식 2-3으로 표시되는 화합물; 및 라디칼 개시제; 를 포함하고,
하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-3으로 표시되는 화합물을 1 : 1.15 ~ 1.32 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물.
[화학식 1-1]
Figure 112021041698016-pat00122

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4이다.
[화학식 2-3]
Figure 112021041698016-pat00123

상기 화학식 2-3에 있어서, m은 6이다.
tetrafluoroethylene (TFE); a compound represented by the following formula 1-1; a compound represented by the following formula 2-3; and radical initiators; including,
A composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer comprising the compound represented by the following Chemical Formula 1-1 and the compound represented by the following Chemical Formula 2-3 in a weight ratio of 1:15 to 1.32.
[Formula 1-1]
Figure 112021041698016-pat00122

In Formula 1-1, n is 4.
[Formula 2-3]
Figure 112021041698016-pat00123

In Formula 2-3, m is 6.
테트라플루오로에틸렌(TFE); 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물; 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물; 및 라디칼 개시제; 를 포함하고,
하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물을 1 : 0.75 ~ 0.92 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물.
[화학식 1-2]
Figure 112021041698016-pat00124

상기 화학식 1-2에 있어서, n은 5이다.
[화학식 2-1]
Figure 112021041698016-pat00125

상기 화학식 2-1에 있어서, m은 4이다.
tetrafluoroethylene (TFE); a compound represented by the following formula 1-2; a compound represented by the following formula 2-1; and radical initiators; including,
A composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer comprising the compound represented by the following Chemical Formula 1-2 and the compound represented by the following Chemical Formula 2-1 in a weight ratio of 1: 0.75 to 0.92.
[Formula 1-2]
Figure 112021041698016-pat00124

In Formula 1-2, n is 5.
[Formula 2-1]
Figure 112021041698016-pat00125

In Formula 2-1, m is 4.
테트라플루오로에틸렌(TFE); 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물; 하기 화학식 2-2로 표시되는 화합물; 및 라디칼 개시제; 를 포함하고,
하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-2로 표시되는 화합물을 1 : 0.91 ~ 1.1 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물.
[화학식 1-2]
Figure 112021041698016-pat00126

상기 화학식 1-2에 있어서, n은 5이다.
[화학식 2-2]
Figure 112021041698016-pat00127

상기 화학식 2-2에 있어서, m은 5이다.
tetrafluoroethylene (TFE); a compound represented by the following formula 1-2; a compound represented by the following formula 2-2; and radical initiators; including,
A composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer comprising the compound represented by the following Chemical Formula 1-2 and the compound represented by the following Chemical Formula 2-2 in a weight ratio of 1: 0.91 to 1.1.
[Formula 1-2]
Figure 112021041698016-pat00126

In Formula 1-2, n is 5.
[Formula 2-2]
Figure 112021041698016-pat00127

In Formula 2-2, m is 5.
테트라플루오로에틸렌(TFE); 하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물; 하기 화학식 2-3으로 표시되는 화합물; 및 라디칼 개시제; 를 포함하고,
하기 화학식 1-2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-3으로 표시되는 화합물을 1 : 0.9 ~ 1.04 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머 제조용 조성물.
[화학식 1-2]
Figure 112021041698016-pat00128

상기 화학식 1-2에 있어서, n은 5이다.
[화학식 2-3]
Figure 112021041698016-pat00129

상기 화학식 2-3에 있어서, m은 6이다.
tetrafluoroethylene (TFE); a compound represented by the following formula 1-2; a compound represented by the following formula 2-3; and radical initiators; including,
A composition for preparing a perfluorinated sulfonated ionomer comprising the compound represented by the following Chemical Formula 1-2 and the compound represented by the following Chemical Formula 2-3 in a weight ratio of 1: 0.9 to 1.04.
[Formula 1-2]
Figure 112021041698016-pat00128

In Formula 1-2, n is 5.
[Formula 2-3]
Figure 112021041698016-pat00129

In Formula 2-3, m is 6.
하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 포함하고,
상기 폴리머는 하기 화학식 6-1로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 80,000 ~ 1,000,000인 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머;
[화학식 3]
Figure 112021041698016-pat00130

[화학식 4]
Figure 112021041698016-pat00131

상기 화학식 4에 있어서, n은 4이다.
[화학식 5]
Figure 112021041698016-pat00132

상기 화학식 5에 있어서, m은 4이다.
[화학식 6-1]
Figure 112021041698016-pat00148

상기 화학식 6-1에 있어서, n는 4이고, m은 4이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.05 ~ 0.5 : 0.15 ~ 0.19의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.
A polymer comprising a repeating unit represented by the following formula (3), a repeating unit represented by the following formula (4), and a repeating unit represented by the following formula (5),
The polymer includes a repeating unit represented by the following Chemical Formula 6-1, and the polymer has a weight average molecular weight of 80,000 to 1,000,000;
[Formula 3]
Figure 112021041698016-pat00130

[Formula 4]
Figure 112021041698016-pat00131

In Formula 4, n is 4.
[Formula 5]
Figure 112021041698016-pat00132

In Formula 5, m is 4.
[Formula 6-1]
Figure 112021041698016-pat00148

In Formula 6-1, n is 4, m is 4, x, y, and z are a molar ratio, 1: 0.05 to 0.5: a rational number of 0.15 to 0.19, and each structural unit according to x, y and z The order of combinations of can be randomly modified.
하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 포함하고,
상기 폴리머는 하기 화학식 6-2로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 80,000 ~ 1,000,000인 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머;
[화학식 3]
Figure 112021041698016-pat00149

[화학식 4]
Figure 112021041698016-pat00150

상기 화학식 4에 있어서, n은 4이다.
[화학식 5]
Figure 112021041698016-pat00151

상기 화학식 5에 있어서, m은 5이다.
[화학식 6-2]
Figure 112021041698016-pat00152

상기 화학식 6-2에 있어서, n는 4이고, m은 5이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.05 ~ 0.5 : 0.17 ~ 0.21의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.
A polymer comprising a repeating unit represented by the following formula (3), a repeating unit represented by the following formula (4), and a repeating unit represented by the following formula (5),
The polymer includes a repeating unit represented by the following Chemical Formula 6-2, and the polymer has a weight average molecular weight of 80,000 to 1,000,000;
[Formula 3]
Figure 112021041698016-pat00149

[Formula 4]
Figure 112021041698016-pat00150

In Formula 4, n is 4.
[Formula 5]
Figure 112021041698016-pat00151

In Formula 5, m is 5.
[Formula 6-2]
Figure 112021041698016-pat00152

In Formula 6-2, n is 4, m is 5, x, y, and z are a molar ratio, 1: 0.05 to 0.5: a rational number of 0.17 to 0.21, and each structural unit according to x, y and z The order of combinations of can be randomly modified.
제10항에 있어서,
상기 폴리머는 -SO3H기의 화학당량(EW : equivalent weight)이 500 ~ 1200인 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머.
11. The method of claim 10,
The polymer is a perfluorinated sulfonated ionomer, characterized in that the -SO 3 H group has an equivalent weight (EW) of 500 to 1200.
지지체층;
상기 지지체층 일면에 형성된 제1전해질층; 및
상기 지지체층 타면에 형성된 제2전해질층; 을 포함하고,
상기 제1전해질층 및 제2전해질층 중 적어도 하나의 층에는 제10항의 과불소계 술폰화 이오노머를 포함하는 것을 특징으로 하는 PEMFC용 복합 전해질막.
support layer;
a first electrolyte layer formed on one surface of the support layer; and
a second electrolyte layer formed on the other surface of the support layer; including,
13. A composite electrolyte membrane for PEMFC, characterized in that at least one of the first electrolyte layer and the second electrolyte layer comprises the perfluorinated sulfonated ionomer of claim 10.
제13항에 있어서,
상기 복합 전해질막은 펜톤 테스트(fenton test)로 측정된 내구성이 1.5 ~ 10μmol/hrㆍg이고, 이온전도도가 0.07 ~ 0.2 S/cm인 것을 특징으로 하는 PEMFC용 복합 전해질막.
14. The method of claim 13,
The composite electrolyte membrane is a composite electrolyte membrane for PEMFC, characterized in that the durability measured by the Fenton test is 1.5 to 10 μmol/hr·g, and the ionic conductivity is 0.07 to 0.2 S/cm.
애노드(산화전극); 제13항의 PEMFC용 복합 전해질막; 및 캐소드(환원전극); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 PEMFC용 막-전극 접합체.
anode (oxidation electrode); The composite electrolyte membrane for PEMFC of claim 13; and a cathode (reducing electrode); Membrane-electrode assembly for PEMFC comprising a.
제15항에 있어서,
상기 막-전극 접합체는 수소투과도가 1.0 ~ 2.6 mA/cm²인 것을 특징으로 하는 PEMFC용 막-전극 접합체.
16. The method of claim 15,
The membrane-electrode assembly is a membrane-electrode assembly for PEMFC, characterized in that the hydrogen permeability is 1.0 to 2.6 mA/cm².
제15항의 PEMFC용 막-전극 접합체 및 세퍼레이터를 포함하고, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 전기 발생부;
연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부; 를 포함하는 고분자 전해질막 연료전지.
The membrane-electrode assembly for PEMFC of claim 15 and a separator, comprising: an electricity generator generating electricity through an electrochemical reaction of a fuel and an oxidizing agent;
a fuel supply unit for supplying fuel to the electricity generating unit; and
an oxidizing agent supply unit for supplying an oxidizing agent to the electricity generating unit; A polymer electrolyte membrane fuel cell comprising a.
반응기 내부에 탈이온수(deionized water), 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물을 투입 및 교반하는 제1단계;
테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스를 상기 반응기 내부에 투입하여 상기 반응기의 내부 분위기를 TFE 가스 분위기로 치환하는 제2단계;
상기 반응기 내부에 라디칼 개시제를 투입하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조하는 제3단계; 및
상기 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액에 침지시켜 술폰산염기를 포함하는 화합물을 제조하고, 상기 술폰산염기를 포함하는 화합물을 산형화제를 포함하는 용액에 침지시켜 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조하는 제4단계; 를 포함하고,
상기 폴리머는 하기 화학식 6-1로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 80,000 ~ 1,000,000인 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법;
[화학식 1-1]
Figure 112021041698016-pat00134

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4이다.
[화학식 2-1]
Figure 112021041698016-pat00135

상기 화학식 2-1에 있어서, m은 4이다.
[화학식 3]
Figure 112021041698016-pat00136

[화학식 4]
Figure 112021041698016-pat00137

상기 화학식 4에 있어서, n은 4이다.
[화학식 5]
Figure 112021041698016-pat00138

상기 화학식 5에 있어서, m은 4이다.
[화학식 6-1]
Figure 112021041698016-pat00153

상기 화학식 6-1에 있어서, n는 4이고, m은 4이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.05 ~ 0.5 : 0.15 ~ 0.19의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.
A first step of adding and stirring deionized water, a compound represented by the following Chemical Formula 1-1 and a compound represented by the following Chemical Formula 2-1 into the reactor;
a second step of injecting tetrafluoroethylene (TFE) gas into the reactor to replace the internal atmosphere of the reactor with a TFE gas atmosphere;
A third step of preparing a compound containing a -SO 2 F group by introducing a radical initiator into the reactor; and
The compound containing the -SO 2 F group is immersed in a solution containing a hydrolyzing agent to prepare a compound containing a sulfonate group, and the compound containing the sulfonate group is immersed in a solution containing an acid-forming agent to Formula 3 a fourth step of preparing a polymer comprising a repeating unit represented by including,
The polymer comprises a repeating unit represented by the following Chemical Formula 6-1, and the polymer has a weight average molecular weight of 80,000 to 1,000,000. A method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer;
[Formula 1-1]
Figure 112021041698016-pat00134

In Formula 1-1, n is 4.
[Formula 2-1]
Figure 112021041698016-pat00135

In Formula 2-1, m is 4.
[Formula 3]
Figure 112021041698016-pat00136

[Formula 4]
Figure 112021041698016-pat00137

In Formula 4, n is 4.
[Formula 5]
Figure 112021041698016-pat00138

In Formula 5, m is 4.
[Formula 6-1]
Figure 112021041698016-pat00153

In Formula 6-1, n is 4, m is 4, x, y and z are a molar ratio, 1: 0.05 to 0.5: a rational number of 0.15 to 0.19, and each structural unit according to x, y and z The order of combinations of can be randomly modified.
반응기 내부에 탈이온수(deionized water), 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2-2로 표시되는 화합물을 투입 및 교반하는 제1단계;
테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스를 상기 반응기 내부에 투입하여 상기 반응기의 내부 분위기를 TFE 가스 분위기로 치환하는 제2단계;
상기 반응기 내부에 라디칼 개시제를 투입하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조하는 제3단계; 및
상기 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액에 침지시켜 술폰산염기를 포함하는 화합물을 제조하고, 상기 술폰산염기를 포함하는 화합물을 산형화제를 포함하는 용액에 침지시켜 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조하는 제4단계; 를 포함하고,
상기 폴리머는 하기 화학식 6-2로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 80,000 ~ 1,000,000인 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법;
[화학식 1-1]
Figure 112021041698016-pat00154

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4이다.
[화학식 2-2]
Figure 112021041698016-pat00155

상기 화학식 2-2에 있어서, m은 5이다.
[화학식 3]
Figure 112021041698016-pat00156

[화학식 4]
Figure 112021041698016-pat00157

상기 화학식 4에 있어서, n은 4이다.
[화학식 5]
Figure 112021041698016-pat00158

상기 화학식 5에 있어서, m은 5이다.
[화학식 6-2]
Figure 112021041698016-pat00159

상기 화학식 6-2에 있어서, n는 4이고, m은 5이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.05 ~ 0.5 : 0.17 ~ 0.21의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.
A first step of adding and stirring deionized water, a compound represented by the following Chemical Formula 1-1 and a compound represented by the following Chemical Formula 2-2 into the reactor;
a second step of injecting tetrafluoroethylene (TFE) gas into the reactor to replace the internal atmosphere of the reactor with a TFE gas atmosphere;
A third step of preparing a compound containing a -SO 2 F group by introducing a radical initiator into the reactor; and
The compound containing the -SO 2 F group is immersed in a solution containing a hydrolyzing agent to prepare a compound containing a sulfonate group, and the compound containing the sulfonate group is immersed in a solution containing an acid-forming agent to Formula 3 a fourth step of preparing a polymer comprising a repeating unit represented by including,
wherein the polymer includes a repeating unit represented by the following Chemical Formula 6-2, and the polymer has a weight average molecular weight of 80,000 to 1,000,000;
[Formula 1-1]
Figure 112021041698016-pat00154

In Formula 1-1, n is 4.
[Formula 2-2]
Figure 112021041698016-pat00155

In Formula 2-2, m is 5.
[Formula 3]
Figure 112021041698016-pat00156

[Formula 4]
Figure 112021041698016-pat00157

In Formula 4, n is 4.
[Formula 5]
Figure 112021041698016-pat00158

In Formula 5, m is 5.
[Formula 6-2]
Figure 112021041698016-pat00159

In Formula 6-2, n is 4, m is 5, x, y, and z are a molar ratio, 1: 0.05 to 0.5: a rational number of 0.17 to 0.21, and each structural unit according to x, y and z The order of combinations of can be randomly modified.
반응기 내부에 탈이온수(deionized water) 및 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물을 투입 및 교반하는 제1단계;
테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스를 상기 반응기 내부에 투입하여 상기 반응기의 내부 분위기를 TFE 가스 분위기로 치환하는 제2단계;
상기 반응기 내부에 라디칼 개시제를 투입하는 제3단계;
상기 반응기 내부에 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물을 투입 및 교반하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조하는 제4단계; 및
상기 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액에 침지시켜 술폰산염기를 포함하는 화합물을 제조하고, 상기 술폰산염기를 포함하는 화합물을 산형화제를 포함하는 용액에 침지시켜 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조하는 제5단계; 를 포함하고,
상기 폴리머는 하기 화학식 6-1로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 80,000 ~ 1,000,000인 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법;
[화학식 1-1]
Figure 112021041698016-pat00140

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4이다.
[화학식 2-1]
Figure 112021041698016-pat00141

상기 화학식 2-1에 있어서, m은 4이다.
[화학식 3]
Figure 112021041698016-pat00142

[화학식 4]
Figure 112021041698016-pat00143

상기 화학식 4에 있어서, n은 4이다.
[화학식 5]
Figure 112021041698016-pat00144

상기 화학식 5에 있어서, m은 4이다.
[화학식 6-1]
Figure 112021041698016-pat00160

상기 화학식 6-1에 있어서, n는 4이고, m은 4이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.05 ~ 0.5 : 0.15 ~ 0.19의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.
A first step of adding and stirring deionized water and a compound represented by the following Chemical Formula 1-1 into the reactor;
a second step of injecting tetrafluoroethylene (TFE) gas into the reactor to replace the internal atmosphere of the reactor with a TFE gas atmosphere;
a third step of introducing a radical initiator into the reactor;
A fourth step of preparing a compound containing a -SO 2 F group by adding and stirring a compound represented by the following Chemical Formula 2-1 in the reactor; and
The compound containing the -SO 2 F group is immersed in a solution containing a hydrolyzing agent to prepare a compound containing a sulfonate group, and the compound containing the sulfonate group is immersed in a solution containing an acid-forming agent to Formula 3 a fifth step of preparing a polymer including a repeating unit represented by including,
The polymer comprises a repeating unit represented by the following Chemical Formula 6-1, and the polymer has a weight average molecular weight of 80,000 to 1,000,000. A method for producing a perfluorinated sulfonated ionomer;
[Formula 1-1]
Figure 112021041698016-pat00140

In Formula 1-1, n is 4.
[Formula 2-1]
Figure 112021041698016-pat00141

In Formula 2-1, m is 4.
[Formula 3]
Figure 112021041698016-pat00142

[Formula 4]
Figure 112021041698016-pat00143

In Formula 4, n is 4.
[Formula 5]
Figure 112021041698016-pat00144

In Formula 5, m is 4.
[Formula 6-1]
Figure 112021041698016-pat00160

In Formula 6-1, n is 4, m is 4, x, y and z are a molar ratio, 1: 0.05 to 0.5: a rational number of 0.15 to 0.19, and each structural unit according to x, y and z The order of combinations of can be randomly modified.
반응기 내부에 탈이온수(deionized water) 및 하기 화학식 1-1로 표시되는 화합물을 투입 및 교반하는 제1단계;
테트라플루오로에틸렌(TFE) 가스를 상기 반응기 내부에 투입하여 상기 반응기의 내부 분위기를 TFE 가스 분위기로 치환하는 제2단계;
상기 반응기 내부에 라디칼 개시제를 투입하는 제3단계;
상기 반응기 내부에 하기 화학식 2-2로 표시되는 화합물을 투입 및 교반하여 -SO2F기를 포함하는 화합물을 제조하는 제4단계; 및
상기 -SO2F기를 포함하는 화합물을 가수분해제를 포함하는 용액에 침지시켜 술폰산염기를 포함하는 화합물을 제조하고, 상기 술폰산염기를 포함하는 화합물을 산형화제를 포함하는 용액에 침지시켜 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 제조하는 제5단계; 를 포함하고,
상기 폴리머는 하기 화학식 6-2로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 80,000 ~ 1,000,000인 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머의 제조방법;
[화학식 1-1]
Figure 112021041698016-pat00161

상기 화학식 1-1에 있어서, n은 4이다.
[화학식 2-2]
Figure 112021041698016-pat00162

상기 화학식 2-2에 있어서, m은 5이다.
[화학식 3]
Figure 112021041698016-pat00163

[화학식 4]
Figure 112021041698016-pat00164

상기 화학식 4에 있어서, n은 4이다.
[화학식 5]
Figure 112021041698016-pat00165

상기 화학식 5에 있어서, m은 5이다.
[화학식 6-2]
Figure 112021041698016-pat00166

상기 화학식 6-2에 있어서, n는 4이고, m은 5이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.05 ~ 0.5 : 0.17 ~ 0.21의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.
A first step of adding and stirring deionized water and a compound represented by the following Chemical Formula 1-1 into the reactor;
a second step of injecting tetrafluoroethylene (TFE) gas into the reactor to replace the internal atmosphere of the reactor with a TFE gas atmosphere;
a third step of introducing a radical initiator into the reactor;
A fourth step of preparing a compound including a -SO 2 F group by adding and stirring a compound represented by the following Chemical Formula 2-2 into the reactor; and
The compound containing the -SO 2 F group is immersed in a solution containing a hydrolyzing agent to prepare a compound containing a sulfonate group, and the compound containing the sulfonate group is immersed in a solution containing an acid-forming agent to Formula 3 a fifth step of preparing a polymer including a repeating unit represented by including,
wherein the polymer includes a repeating unit represented by the following Chemical Formula 6-2, and the polymer has a weight average molecular weight of 80,000 to 1,000,000;
[Formula 1-1]
Figure 112021041698016-pat00161

In Formula 1-1, n is 4.
[Formula 2-2]
Figure 112021041698016-pat00162

In Formula 2-2, m is 5.
[Formula 3]
Figure 112021041698016-pat00163

[Formula 4]
Figure 112021041698016-pat00164

In Formula 4, n is 4.
[Formula 5]
Figure 112021041698016-pat00165

In Formula 5, m is 5.
[Formula 6-2]
Figure 112021041698016-pat00166

In Formula 6-2, n is 4, m is 5, x, y, and z are a molar ratio, 1: 0.05 to 0.5: a rational number of 0.17 to 0.21, and each structural unit according to x, y and z The order of combinations of can be randomly modified.
하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 포함하고,
상기 폴리머는 하기 화학식 6-3으로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 80,000 ~ 1,000,000인 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머;
[화학식 3]
Figure 112021041698016-pat00167

[화학식 4]
Figure 112021041698016-pat00168

상기 화학식 4에 있어서, n은 4이다.
[화학식 5]
Figure 112021041698016-pat00169

상기 화학식 5에 있어서, m은 6이다.
[화학식 6-3]
Figure 112021041698016-pat00170

상기 화학식 6-3에 있어서, n는 4이고, m은 6이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.05 ~ 0.5 : 0.21 ~ 0.24의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.
A polymer comprising a repeating unit represented by the following formula (3), a repeating unit represented by the following formula (4), and a repeating unit represented by the following formula (5),
The polymer includes a repeating unit represented by the following Chemical Formula 6-3, and the polymer has a weight average molecular weight of 80,000 to 1,000,000;
[Formula 3]
Figure 112021041698016-pat00167

[Formula 4]
Figure 112021041698016-pat00168

In Formula 4, n is 4.
[Formula 5]
Figure 112021041698016-pat00169

In Formula 5, m is 6.
[Formula 6-3]
Figure 112021041698016-pat00170

In Formula 6-3, n is 4, m is 6, x, y, and z are a molar ratio, 1: 0.05 to 0.5: a rational number of 0.21 to 0.24, and each structural unit according to x, y and z The order of combinations of can be randomly modified.
하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 포함하고,
상기 폴리머는 하기 화학식 6-4로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 80,000 ~ 1,000,000인 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머;
[화학식 3]
Figure 112021041698016-pat00171

[화학식 4]
Figure 112021041698016-pat00172

상기 화학식 4에 있어서, n은 5이다.
[화학식 5]
Figure 112021041698016-pat00173

상기 화학식 5에 있어서, m은 4이다.
[화학식 6-4]
Figure 112021041698016-pat00174

상기 화학식 6-4에 있어서, n는 5이고, m은 4이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.05 ~ 0.5 : 0.18 ~ 0.22의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.
A polymer comprising a repeating unit represented by the following formula (3), a repeating unit represented by the following formula (4), and a repeating unit represented by the following formula (5),
The polymer includes a repeating unit represented by the following Chemical Formula 6-4, and the polymer has a weight average molecular weight of 80,000 to 1,000,000; a perfluorinated sulfonated ionomer;
[Formula 3]
Figure 112021041698016-pat00171

[Formula 4]
Figure 112021041698016-pat00172

In Formula 4, n is 5.
[Formula 5]
Figure 112021041698016-pat00173

In Formula 5, m is 4.
[Formula 6-4]
Figure 112021041698016-pat00174

In Formula 6-4, n is 5, m is 4, x, y, and z are a molar ratio, 1: 0.05 to 0.5: a rational number of 0.18 to 0.22, and each structural unit according to x, y and z The order of combinations of can be randomly modified.
하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 포함하고,
상기 폴리머는 하기 화학식 6-5로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 80,000 ~ 1,000,000인 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머;
[화학식 3]
Figure 112021041698016-pat00175

[화학식 4]
Figure 112021041698016-pat00176

상기 화학식 4에 있어서, n은 5이다.
[화학식 5]
Figure 112021041698016-pat00177

상기 화학식 5에 있어서, m은 5이다.
[화학식 6-5]
Figure 112021041698016-pat00178

상기 화학식 6-5에 있어서, n는 5이고, m은 5이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.05 ~ 0.5 : 0.20 ~ 0.24의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.
A polymer comprising a repeating unit represented by the following formula (3), a repeating unit represented by the following formula (4), and a repeating unit represented by the following formula (5),
The polymer includes a repeating unit represented by the following Chemical Formula 6-5, and the polymer has a weight average molecular weight of 80,000 to 1,000,000;
[Formula 3]
Figure 112021041698016-pat00175

[Formula 4]
Figure 112021041698016-pat00176

In Formula 4, n is 5.
[Formula 5]
Figure 112021041698016-pat00177

In Formula 5, m is 5.
[Formula 6-5]
Figure 112021041698016-pat00178

In Formula 6-5, n is 5, m is 5, x, y and z are molar ratios, 1: 0.05 to 0.5: a rational number of 0.20 to 0.24, and each structural unit according to x, y and z The order of combinations of can be randomly modified.
하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위, 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 5로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리머를 포함하고,
상기 폴리머는 하기 화학식 6-6으로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리머는 중량평균분자량 80,000 ~ 1,000,000인 것을 특징으로 하는 과불소계 술폰화 이오노머;
[화학식 3]
Figure 112021041698016-pat00179

[화학식 4]
Figure 112021041698016-pat00180

상기 화학식 4에 있어서, n은 5이다.
[화학식 5]
Figure 112021041698016-pat00181

상기 화학식 5에 있어서, m은 6이다.
[화학식 6-6]
Figure 112021041698016-pat00182

상기 화학식 6-6에 있어서, n는 5이고, m은 6이며, x, y 및 z는 몰비로서, 1 : 0.05 ~ 0.5 : 0.21 ~ 0.24의 유리수이고, x, y 및 z에 따른 각 구성단위의 결합의 순서는 랜덤하게 변형될 수 있다.
A polymer comprising a repeating unit represented by the following formula (3), a repeating unit represented by the following formula (4), and a repeating unit represented by the following formula (5),
The polymer includes a repeating unit represented by the following Chemical Formula 6-6, and the polymer has a weight average molecular weight of 80,000 to 1,000,000;
[Formula 3]
Figure 112021041698016-pat00179

[Formula 4]
Figure 112021041698016-pat00180

In Formula 4, n is 5.
[Formula 5]
Figure 112021041698016-pat00181

In Formula 5, m is 6.
[Formula 6-6]
Figure 112021041698016-pat00182

In Formula 6-6, n is 5, m is 6, x, y, and z are a molar ratio, 1: 0.05 to 0.5: a rational number of 0.21 to 0.24, and each structural unit according to x, y and z The order of combinations of can be randomly modified.
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Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3282875A (en) 1964-07-22 1966-11-01 Du Pont Fluorocarbon vinyl ether polymers
JP2002053619A (en) * 2000-06-23 2002-02-19 Ausimont Spa Fluorinated ionomer
US20050130006A1 (en) * 2003-09-17 2005-06-16 Asahi Kasei Kabushiki Kaisha Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP2006131846A (en) * 2004-11-09 2006-05-25 Asahi Glass Co Ltd Method for producing electrolyte material, membrane for solid polymer-type fuel battery and method for producing electrode assembly
CN101775095A (en) * 2009-12-03 2010-07-14 山东东岳神舟新材料有限公司 Functional perfluoro resin and preparation method thereof
JP2013513667A (en) * 2009-12-11 2013-04-22 シャンドン・フアシャ・シェンゾウ・ニュー・マテリアル・カンパニー・リミテッド Perfluoro ion exchange resin, its preparation and use
JP2014529636A (en) * 2011-08-04 2014-11-13 スリーエム イノベイティブプロパティズカンパニー Low equivalent weight polymer
CN106968110A (en) * 2017-04-18 2017-07-21 浙江汉丞科技有限公司 A kind of fluorine-containing chloride two-sided filled composite film of conducting polymer and preparation method thereof
KR101860873B1 (en) * 2017-07-20 2018-07-06 (주)상아프론테크 Fuel cell-electrolyte membrane containing the same, and manufacturing method thereof
KR20180137817A (en) * 2017-06-19 2018-12-28 현대자동차주식회사 MEA for fuel cell and Manufacture method of MEA

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3282875A (en) 1964-07-22 1966-11-01 Du Pont Fluorocarbon vinyl ether polymers
JP2002053619A (en) * 2000-06-23 2002-02-19 Ausimont Spa Fluorinated ionomer
US20050130006A1 (en) * 2003-09-17 2005-06-16 Asahi Kasei Kabushiki Kaisha Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP2006131846A (en) * 2004-11-09 2006-05-25 Asahi Glass Co Ltd Method for producing electrolyte material, membrane for solid polymer-type fuel battery and method for producing electrode assembly
CN101775095A (en) * 2009-12-03 2010-07-14 山东东岳神舟新材料有限公司 Functional perfluoro resin and preparation method thereof
JP2013513667A (en) * 2009-12-11 2013-04-22 シャンドン・フアシャ・シェンゾウ・ニュー・マテリアル・カンパニー・リミテッド Perfluoro ion exchange resin, its preparation and use
JP2014529636A (en) * 2011-08-04 2014-11-13 スリーエム イノベイティブプロパティズカンパニー Low equivalent weight polymer
CN106968110A (en) * 2017-04-18 2017-07-21 浙江汉丞科技有限公司 A kind of fluorine-containing chloride two-sided filled composite film of conducting polymer and preparation method thereof
KR20180137817A (en) * 2017-06-19 2018-12-28 현대자동차주식회사 MEA for fuel cell and Manufacture method of MEA
KR101860873B1 (en) * 2017-07-20 2018-07-06 (주)상아프론테크 Fuel cell-electrolyte membrane containing the same, and manufacturing method thereof

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