KR102539053B1 - Blending membrane for fuel cell by imide acid based polymer and sulfonic acid based polymer and synthetic process thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 블렌드 폴리머 전해질 막 및 이의 제조방법 등에 관한 것으로, PDDPCSFS와 SPmax-1200 고분자를 서로 다른 비율로 혼합한 혼합 고분자 전해질은 우수한 이온 전도 채널을 형성하여 개별 고분자에 비해 향상된 성능을 가지므로 연료 전지 분야에 유용하게 이용될 수 있다.The present invention relates to a blended polymer electrolyte membrane for a fuel cell and a method for manufacturing the same, and a mixed polymer electrolyte in which PDDPCSFS and SPmax-1200 polymer are mixed in different ratios forms an excellent ion conduction channel and has improved performance compared to individual polymers. It can be usefully used in the field of fuel cells.

Description

이미드산계 고분자 및 술폰산계 고분자를 이용한 연료전지용 블렌딩 막 및 이의 합성방법{Blending membrane for fuel cell by imide acid based polymer and sulfonic acid based polymer and synthetic process thereof}Blending membrane for fuel cell using imide acid polymer and sulfonic acid polymer and its synthesis method {Blending membrane for fuel cell by imide acid based polymer and sulfonic acid based polymer and synthetic process thereof}

본 발명은 연료 전지용 블렌드 폴리머 전해질 막 및 이의 제조방법 등에 관한 것이다.The present invention relates to a blended polymer electrolyte membrane for a fuel cell, a manufacturing method thereof, and the like.

고분자 전해질 연료 전지 (Polymer electrolyte fuel cells, PEFCs)는 전 세계적으로 주목을 받았으며 높은 전류 및 전력 밀도, 환경 친화적, 탁월한 효율성과 같은 몇 가지 특별한 특성으로 인해 화석 연료의 잠재적인 대안으로 여겨진다. 일반적으로 PEFC의 핵심 구성 요소인 양성자 교환막은 H2와 산화제를 전기 에너지로 변환하여 중요한 역할을 하며, 양성자 전도 매체 역할을 한다. 따라서 새로운 PEM의 발명은 고성능 PEFC의 핵심 연구 분야이다. 지금까지 폴리 플루오로설폰산 기반 멤브레인인 Nafions는 고유한 미세 형태 구조, 높은 σ, 열 및 기계적 안정성으로 인해 PEM과 같은 표준 상업용 재료로 이용되었다. 그러나 이러한 멤브레인의 사용은 합성 어려움, 환경 친화성, 구조적 수정의 어려움 및 높은 비용과 같은 문제가 있다. 따라서 연료 전지 응용을 위해 Nafion이 아닌 새로운 PEM을 개발하기 위한 연구가 요구되고 있다.Polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) have attracted worldwide attention and are considered as a potential alternative to fossil fuels due to several special properties such as high current and power density, environmental friendliness and excellent efficiency. In general, the proton exchange membrane, which is a key component of PEFC, plays an important role by converting H 2 and an oxidant into electrical energy, and serves as a proton conduction medium. Therefore, the invention of new PEMs is a key research field for high-performance PEFCs. So far, Nafions, a polyfluorosulfonic acid-based membrane, has been utilized as a standard commercial material such as PEM due to its unique micromorphological structure, high σ, and thermal and mechanical stability. However, the use of these membranes has problems such as difficulty in synthesis, environmental friendliness, difficulty in structural modification and high cost. Therefore, research is required to develop a new PEM other than Nafion for fuel cell applications.

술폰화 방향족 폴리머는 높은 σ, 낮은 메탄올 투과성, 높은 열적 및 화학적 안정성을 가지고 있기 때문에 유망한 PEM 재료로 간주되어 왔다. 폴리(에테르 설폰), 폴리벤지미다졸, 설폰화폴리(에테르에테르케톤), 설폰화폴리(이미드) 및 설 폰화폴리(페닐렌설폰), PFSA 기반 멤브레인의 대안으로 연구되었다. 그러나 이러한 SAP의 대부분은 폴리머 백본에 에테르 결합이 존재하기 때문에 더 낮은 산화 및 기계적 안정성을 나타냈다. 또한, 술폰화 고분자막의 σ가 술폰화 정도(DS)에 크게 의존한다. 그리고 높은 DS는 멤브레인의 높은 팽창을 유발하여 멤브레인의 성능을 크게 저하시킨다. 따라서 PEM 기반 고 술폰화 고분자막 개발 과제는 기계적 특성을 개선하고 σ를 증가시키는 목표 사이에 있다. σ는 가장 중요한 멤브레인 특성이며 기계적 안정성은 PEM의 실제 사용에서 중요한 특성이다. 위에서 언급한 문제점을 고려하여 금속 이온 제거제, 가교제 첨가, 소수성 고분자 혼합 등 멤브레인의 내구성을 향상시키기 위한 다양한 전략이 도입되었다.Sulphonated aromatic polymers have been considered promising PEM materials because of their high σ, low methanol permeability, and high thermal and chemical stability. Poly(ether sulfone), polybenzimidazole, sulfonated poly(etheretherketone), sulfonated poly(imide) and sulfonated poly(phenylenesulfone) have been studied as alternatives to PFSA-based membranes. However, most of these SAPs exhibited lower oxidation and mechanical stability due to the presence of ether linkages in the polymer backbone. In addition, σ of the sulfonated polymer film is highly dependent on the degree of sulfonation (DS). In addition, a high DS causes high membrane expansion, which greatly degrades the performance of the membrane. Therefore, the challenge of developing PEM-based highly sulfonated polymer membranes lies between the goals of improving mechanical properties and increasing σ. σ is the most important membrane property, and mechanical stability is an important property in practical use of PEMs. Considering the above-mentioned problems, various strategies have been introduced to improve the durability of membranes, such as adding metal ion scavengers, adding crosslinking agents, and mixing hydrophobic polymers.

특히, 블렌딩은 고 설폰화 고분자막의 기계적 특성을 개선하기 위한 가장 유망하고 간단한 접근법 중 하나이다. 블렌드 폴리머 멤브레인은 향상된 성능, 높은 기계적 및 열적 안정성, 향상된 내구성을 보여주었지만 대부분의 블렌드 폴리머는 낮은 σ를 나타냈다. In particular, blending is one of the most promising and simple approaches to improve the mechanical properties of highly sulfonated polymer membranes. Blend polymer membranes showed improved performance, higher mechanical and thermal stability, and improved durability, but most blend polymers exhibited lower σ.

한편, 폴리(페닐렌)(에테르 결합이 없는) 기반의 많은 폴리머 멤브레인은 Nafion의 대안으로 광범위하게 활용되었다. 폴리(2,5-벤조페논)과 같은 이들 막과 그 유도체는 완전 방향족 구조로 인해 우수한 열적, 화학적 및 기계적 안정성을 나타내었기 때문이다. 더 중요한 것은 이 막의 σ가 Nafion의 막과 비슷할 뿐만 아니라 이 막이 더 저렴하고 수소 교차가 더 낮다는 것이다. 위의 논의에서 폴리 (페닐렌)s / 플루오로설포닐이미드 폴리머를 기반으로 한 새로운 혼합 폴리머 전해질의 설계 및 제형이 고성능 연료 전지에 중요하다는 것이 분명하지만 아직 이에 대한 충분한 연구가 없는 실정이다.On the other hand, many polymeric membranes based on poly(phenylene) (without ether linkages) have been widely utilized as alternatives to Nafion. This is because these membranes and their derivatives, such as poly(2,5-benzophenone), exhibit excellent thermal, chemical and mechanical stability due to their fully aromatic structure. More importantly, not only is the σ of this membrane comparable to that of Nafion, but this membrane is cheaper and has lower hydrogen crossover. From the above discussion, it is clear that the design and formulation of new mixed polymer electrolytes based on poly(phenylene)s/fluorosulfonylimide polymers are important for high-performance fuel cells, but there are still insufficient studies on this.

대한민국 등록특허 공보 10-1911070Korean Registered Patent Publication No. 10-1911070

본 발명의 발명자들은 PDDPCSFS와 SPmax-1200 고분자를 서로 다른 비율로 혼합한 혼합 고분자 전해질은 우수한 이온 전도 채널을 형성하여 개별 고분자에 비해 향상된 성능을 나타냄을 발견하여 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention completed the present invention by finding that a mixed polymer electrolyte in which PDDPCSFS and SPmax-1200 polymer are mixed at different ratios forms an excellent ion conduction channel and exhibits improved performance compared to individual polymers.

이에 본 발명은 SPmax-1200 (sulfonated Pmax-1200) 및 PDDPCSFS (poly(2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl)sulfamoyl fluoride-co-styrene)을 포함하는, 고분자 전해질 막 제조용 조성물을 제공한다.Accordingly, the present invention is a polymer, including SPmax-1200 (sulfonated Pmax-1200) and PDDPCSFS (poly (2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl) sulfamoyl fluoride-co-styrene) A composition for preparing an electrolyte membrane is provided.

또한, 본 발명은 상기 조성물을 포함하는, 고분자 전해질 막을 제공한다.In addition, the present invention provides a polymer electrolyte membrane comprising the above composition.

또한, 본 발명은 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 연료 전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a fuel cell including the polymer electrolyte membrane.

또한, 본 발명은 상기 고분자 전해질 막의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for manufacturing the polymer electrolyte membrane.

본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 SPmax-1200 (sulfonated Pmax-1200) 및 PDDPCSFS (poly(2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl)sulfamoyl fluoride-co-styrene)을 포함하는, 고분자 전해질 막 제조용 조성물을 제공한다.In order to achieve the object of the present invention, the present invention SPmax-1200 (sulfonated Pmax-1200) and PDDPCSFS (poly (2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl) sulfamoyl fluoride-co- A composition for preparing a polymer electrolyte membrane comprising styrene) is provided.

본 발명의 일 구현예로, 상기 SPmax-1200 및 PDDPCSFS의 중량비는 9 : 1 내지 8 : 2일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the weight ratio of the SPmax-1200 and PDDPCSFS may be 9: 1 to 8: 2.

또한, 본 발명은 상기 조성물을 포함하는 고분자 전해질 막을 제공한다.In addition, the present invention provides a polymer electrolyte membrane comprising the above composition.

또한, 본 발명은 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 연료 전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a fuel cell including the polymer electrolyte membrane.

또한, 본 발명은 a) SPmax-1200 및 PDDPCSFS를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계 및In addition, the present invention provides a) preparing a mixture comprising SPmax-1200 and PDDPCSFS and

b) 상기 혼합물에 적외선을 조사하는 단계를 포함하는, 고분자 전해질 막 제조방법을 제공한다.b) providing a method for manufacturing a polymer electrolyte membrane comprising the step of irradiating the mixture with infrared rays.

본 발명의 일 구현예로, 상기 제조방법에서 SPmax-1200 및 PDDPCSFS의 중량비는 9 : 1 내지 8 : 2일 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the manufacturing method, the weight ratio of SPmax-1200 and PDDPCSFS may be 9: 1 to 8: 2.

본 발명의 일 구현예로, 상기 혼합물에서 SPmax-1200 및 PDDPCSFS는 혼합물 총 중량 대비 2 내지 4 % (w/v)로 함유될 수 있다.In one embodiment of the present invention, SPmax-1200 and PDDPCSFS in the mixture may be contained in 2 to 4% (w / v) based on the total weight of the mixture.

본 발명의 일 구현예로, 상기 a) 단계는 90 내지 110℃에서 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, step a) may be performed at 90 to 110 °C.

본 발명은 연료 전지용 블렌드 폴리머 전해질 막 및 이의 제조방법 등에 관한 것으로, PDDPCSFS와 SPmax-1200 고분자를 서로 다른 비율로 혼합한 혼합 고분자 전해질은 우수한 이온 전도 채널을 형성하여 개별 고분자에 비해 향상된 성능을 가지므로 연료 전지 분야에 유용하게 이용될 수 있다.The present invention relates to a blended polymer electrolyte membrane for a fuel cell and a method for manufacturing the same, and a mixed polymer electrolyte in which PDDPCSFS and SPmax-1200 polymer are mixed in different ratios forms an excellent ion conduction channel and has improved performance compared to individual polymers. It can be usefully used in the field of fuel cells.

도 1은 1H NMR 스펙트라에 관한 것이다((a) DDPCSF monomer, (b) PDDPCSFS polymer, (c) Pmax-1200 polymer, (d) SPmax-1200 polymer).
도 2는 80 ℃에서 제조된 멤브레인의 IEC 및 WU(a) 및 멤브레인의 열 분해 곡선(b)을 나타낸 것이다.
도 3은 일정한 RH (80 %) 하 서로 다른 온도에서 멤브레인의 양성자 전도도(a), 80 ℃ 하 서로 다른 RH에서 멤브레인의 양성자 전도도(b), 80 ℃에서 멤브레인에 대한 Fenton의 시약 테스트(c), 및 RH 50 %에서 25 ℃에서 멤브레인의 인장 응력 및 연신율(d)을 나타낸 것이다.
도 4는 70 ℃ 완전히 가습된 입구 조건 (RHa / RHc = 100 % / 100 %)에서 고분자 막의 셀 성능을 나타낸 것이다.
도 5의 a 및 b는 고분자 전해질 막의 탭핑 모드 원자력 현미경 (AFM) 이미지를 나타낸 것이고((a) 9 : 1 혼합, (b) 8 : 2 혼합), 도 5의 c 및 d는 고분자 전해질 막의 FE-SEM 이미지를 나타낸 것이다((c) 9 : 1 혼합, (d) 8 : 2 혼합).
도 6은 본 발명 고분자막의 사진을 나타낸 것이다.
도 7은 FSO2NCO 모노머의 19F NMR spectra를 나타낸 것이다.
도 8은 DDPCSF 모노머의 19F NMR spectra를 나타낸 것이다.
도 9는 PDDPCSFS 폴리머의 19F NMR spectra를 나타낸 것이다.
도 10은 DDPCSF 및 PDDPCSF의 FTIR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 11은 Pmax-1200 및 SPmax-1200의 FTIR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
1 relates to 1 H NMR spectra ((a) DDPCSF monomer, (b) PDDPCSFS polymer, (c) Pmax-1200 polymer, (d) SPmax-1200 polymer).
Figure 2 shows the IEC and WU (a) of the membrane prepared at 80 °C and the thermal decomposition curve (b) of the membrane.
Figure 3 shows the proton conductivity of the membrane at different temperatures under constant RH (80%) (a), the proton conductivity of the membrane at different RH at 80 °C (b), and the Fenton's reagent test on the membrane at 80 °C (c). , and the tensile stress and elongation (d) of the membrane at 25 °C at 50% RH.
Figure 4 shows the cell performance of the polymer membrane under fully humidified inlet conditions (RHa / RHc = 100% / 100%) at 70 °C.
5a and b show tapping mode atomic force microscope (AFM) images of the polymer electrolyte membrane ((a) 9: 1 mixture, (b) 8: 2 mixture), and c and d in FIG. 5 show the FE of the polymer electrolyte membrane. -SEM images are shown ((c) 9: 1 mixture, (d) 8: 2 mixture).
6 shows a photograph of the polymer membrane of the present invention.
7 shows the 19 F NMR spectra of the FSO 2 NCO monomer.
8 shows the 19 F NMR spectra of the DDPCSF monomer.
9 shows the 19 F NMR spectra of the PDDPCSFS polymer.
10 shows FTIR spectra of DDPCSF and PDDPCSF.
11 shows FTIR spectra of Pmax-1200 and SPmax-1200.

본 발명의 발명자들은 PDDPCSFS와 SPmax-1200 고분자를 서로 다른 비율로 혼합한 혼합 고분자 전해질은 우수한 이온 전도 채널을 형성하여 개별 고분자에 비해 향상된 성능을 나타냄을 발견하여 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention completed the present invention by finding that a mixed polymer electrolyte in which PDDPCSFS and SPmax-1200 polymer are mixed at different ratios forms an excellent ion conduction channel and exhibits improved performance compared to individual polymers.

이에 본 발명은 SPmax-1200 (sulfonated Pmax-1200) 및 PDDPCSFS (poly(2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl)sulfamoyl fluoride-co-styrene)을 포함하는, 고분자 전해질 막 제조용 조성물을 제공한다.Accordingly, the present invention is a polymer, including SPmax-1200 (sulfonated Pmax-1200) and PDDPCSFS (poly (2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl) sulfamoyl fluoride-co-styrene) A composition for preparing an electrolyte membrane is provided.

본 발명에서 상기 SPmax-1200는 설폰화된 Pmax-1200로, 아래 화학식 1로 표시되는 폴리머 일 수 있다.In the present invention, the SPmax-1200 is sulfonated Pmax-1200, and may be a polymer represented by Formula 1 below.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020133730722-pat00001
Figure 112020133730722-pat00001

(상기 식에서 n 은 1 내지 800의 정수이다)(In the above formula, n is an integer from 1 to 800)

본 발명에서 PDDPCSFS는 poly(2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl)sulfamoyl fluoride-co-styrene의 약어로 아래 화학식 1로 표시되는 폴리머 일 수 있다.In the present invention, PDDPCSFS is an abbreviation of poly(2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl)sulfamoyl fluoride-co-styrene and may be a polymer represented by Formula 1 below.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112020133730722-pat00002
Figure 112020133730722-pat00002

(상기 식에서 m 은 1 내지 600의 정수이다)(In the above formula, m is an integer from 1 to 600)

본 발명에서 상기 SPmax-1200 및 PDDPCSFS의 중량비는 9 : 1 내지 8 : 2 일 수 있으며, 바람직하게는 8 : 2 일 수 있다.In the present invention, the weight ratio of the SPmax-1200 and the PDDPCSFS may be 9: 1 to 8: 2, preferably 8: 2.

상기 고분자 화합물을 혼합하는 경우 우수한 이온 전도 채널을 형성하여 뛰어난 IEC, WU, σ, 치수 및 기계적 특성을 나타낸다. PDDPCSFS는 최대 20% 중량비로 포함될 수 있으며, 그 이상 포함되는 경우 필름의 기계적 특성이 크게 감소하는 문제가 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 블렌드 8 : 2 고분자 전해질은 일정한 RH (80 %) 하 80 ℃에서 우수한 IEC 값 (2.19 meq./g) 및 σ 값 (117.50 mS/cm)을 나타냄을 확인하였다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서는 블렌드 8 : 2 고분자 전해질은 우수한 소수성-친수성 상 분리가 존재 하며 이를 고분자 전해질의 AFM 및 FE-SEM 이미지를 통해 확인하였다. 따라서, 본 발명의 블렌드된 고분자 전해질은 향상된 σ 및 기계적 안정성을 갖추어 고성능 연료 전지를 제조하는데 효과적이다.When the polymer compound is mixed, an excellent ion conduction channel is formed and excellent IEC, WU, σ, dimensional and mechanical properties are exhibited. PDDPCSFS may be included in a weight ratio of up to 20%, and when it is included more than that, there is a problem in that the mechanical properties of the film are greatly reduced. In one embodiment of the present invention, it was confirmed that the blend 8:2 polymer electrolyte exhibited excellent IEC values (2.19 meq./g) and σ values (117.50 mS/cm) at 80° C. under a constant RH (80%). In addition, in one embodiment of the present invention, the blend 8:2 polymer electrolyte has excellent hydrophobic-hydrophilic phase separation, which was confirmed through AFM and FE-SEM images of the polymer electrolyte. Therefore, the blended polymer electrolyte of the present invention is effective in manufacturing a high-performance fuel cell with improved σ and mechanical stability.

다른 양태로서 본 발명은 상기 조성물을 포함하는 고분자 전해질 막을 제공한다.As another aspect, the present invention provides a polymer electrolyte membrane comprising the above composition.

다른 양태로서 본 발명은 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 연료 전지를 제공한다.As another aspect, the present invention provides a fuel cell including the polymer electrolyte membrane.

상기 고분자 전해질 막 및 연료 전지는 상기 고분자 전해질 조성물을 포함하고 있으므로 향상된 σ 및 기계적 안정성 등을 가진다. 상기 연료 전지는 당해 분야에서 이용되는 통상적인 구성을 가질 수 있고 이는 당해 분야의 통상의 기술자라면 쉽게 적용 가능하다.Since the polymer electrolyte membrane and the fuel cell contain the polymer electrolyte composition, they have improved σ and mechanical stability. The fuel cell may have a conventional configuration used in the art, which is easily applicable to those skilled in the art.

다른 양태로서 본 발명은 a) SPmax-1200 및 PDDPCSFS를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계 및In another aspect, the present invention provides a) preparing a mixture comprising SPmax-1200 and PDDPCSFS, and

b) 상기 혼합물에 적외선을 조사하는 단계를 포함하는, 고분자 전해질 막 제조방법을 제공한다.b) providing a method for manufacturing a polymer electrolyte membrane comprising the step of irradiating the mixture with infrared rays.

상기 혼합물은 SPmax-1200 및 PDDPCSFS를 용매에 넣고 가열하여 용해시키는 방법으로 제조할 수 있다.The mixture can be prepared by dissolving SPmax-1200 and PDDPCSFS in a solvent by heating.

상기 적외선 조사는 통상의 적외선 램프를 이용할 수 있으며, 상기 혼합물을 기판에 펼쳐놓은 상태에서 조사하는 것일 수 있다.The infrared irradiation may use a conventional infrared lamp, and may be irradiated while spreading the mixture on a substrate.

상기 적외선의 파장은 400 내지 4000λ 일 수 있다.The wavelength of the infrared light may be 400 to 4000λ.

상기 제조방법에서 SPmax-1200 및 PDDPCSFS의 중량비는 9 : 1 내지 8 : 2일 수 있으며 바람직하게는 8 : 2일 수 있다.In the manufacturing method, the weight ratio of SPmax-1200 and PDDPCSFS may be 9: 1 to 8: 2, preferably 8: 2.

상기 혼합물에서 SPmax-1200 및 PDDPCSFS는 혼합물 총 중량 대비 2 내지 4 % (w/v)로 함유되는 것일 수 있으며 바람직하게는 3 % (w/v)로 함유될 수 있다.In the mixture, SPmax-1200 and PDDPCSFS may be contained in an amount of 2 to 4% (w/v), preferably 3% (w/v), based on the total weight of the mixture.

상기 a) 단계는 90 내지 110℃에서 수행되는 것일 수 있으며 바람직하게는 100℃에서 수행되는 것 일수 있다.Step a) may be performed at 90 to 110 °C, preferably at 100 °C.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a preferred embodiment is presented to aid understanding of the present invention. However, the following examples are provided to more easily understand the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following examples.

<실시예><Example>

<실시예 1: 재료 및 방법><Example 1: Materials and Methods>

실시예 1-1. 재료Example 1-1. ingredient

Methylene chloride (MC), benzene, 1,4-dioxane, dimethyl sulfoxide (DMSO), methanol (MeOH), tetrahydrofuran (THF), benzoyl peroxide (BPO), styrene, 1H-pyrrole-2,5-dione (99%), fuming sulfuric acid (SO3 65%) 및 triethylamine (TEA) (99.5%)은 Sigma-Aldrich (St. Louis, MO)에서 구입하였다.Methylene chloride (MC), benzene, 1,4-dioxane, dimethyl sulfoxide (DMSO), methanol (MeOH), tetrahydrofuran (THF), benzoyl peroxide (BPO), styrene, 1H-pyrrole-2,5-dione (99% ), fuming sulfuric acid (SO 3 65%) and triethylamine (TEA) (99.5%) were purchased from Sigma-Aldrich (St. Louis, MO).

Pmax-1200 중합체 (Mw 296,000 g/mol), antimony trifluoride (SbF3), 및 sulfurisocyanatidic chloride는 Alfa Aesar (매사추세츠 주 와드 힐)에서 조달하였다. 모든 화학 물질과 시약은 분석 등급이었으며 추가 정제없이 사용되었다.Pmax-1200 polymer (Mw 296,000 g/mol), antimony trifluoride (SbF 3 ), and sulfurisocyanatidic chloride were procured from Alfa Aesar (Ward Hill, MA). All chemicals and reagents were of analytical grade and used without further purification.

한편 본 발명에서 이용되는 약어의 풀 네임은 아래와 같다.Meanwhile, the full names of the abbreviations used in the present invention are as follows.

PDDPCSFS: poly(2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl)sulfamoyl fluoride-co-styrenePDDPCSFS: poly(2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl)sulfamoyl fluoride-co-styrene

SPmax-1200: sulfonated Pmax-1200SPmax-1200: sulfonated Pmax-1200

σ: proton conductivityσ: proton conductivity

WU: water uptakeWU: water uptake

IEC: ion exchange capacityIEC: ion exchange capacity

RH: relative humidityRH: relative humidity

PEFCs: Polymer electrolyte fuel cellsPEFCs: Polymer electrolyte fuel cells

PEMs: proton exchange membranesPEMs: proton exchange membranes

PFSA: polyfluorosulfonic acidPFSA: polyfluorosulfonic acid

SAPs: Sulfonated aromatic polymersSAPs: Sulfonated aromatic polymers

DS: degree of sulfonationDS: degree of sulfonation

PVB: poly(vinyl butyral)PVB: poly(vinyl butyral)

PVA: poly(vinyl alcohol)PVA: poly(vinyl alcohol)

PVDF-co-HFP: polyvinylideneuoride-co-hexafluoropropylenePVDF-co-HFP: polyvinylideneuoride-co-hexafluoropropylene

MC: Methylene chlorideMC: Methylene chloride

DMSO: dimethyl sulfoxideDMSO: dimethyl sulfoxide

MeOH: methanolMeOH: methanol

THF: tetrahydrofuranTHF: tetrahydrofuran

BPO: benzoyl peroxideBPO: benzoyl peroxide

TEA: triethylamineTEA: triethylamine

SbF3: antimony trifluorideSbF 3 : antimony trifluoride

DDPCSF: 2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl)sulfamoyl fluorideDDPCSF: 2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl)sulfamoyl fluoride

GPC: gel permeation chromatographyGPC: gel permeation chromatography

Mw: average molecular weightMw: average molecular weight

EIS: electrochemical impedance spectroscopyEIS: electrochemical impedance spectroscopy

AC: alternative currentAC: alternative current

EB: elongation at breakEB: elongation at break

TS: tensile stressTS: tensile stress

ESI: electronic supplementary information sectionESI: electronic supplementary information section

λ: hydration numberλ: hydration number

Δt: through-plane changeΔt: through-plane change

Δl: in-plane changeΔl: in-plane change

실시예 1-2. PDDPCSFS의 합성Example 1-2. Synthesis of PDDPCSFS

[반응식 1a][Scheme 1a]

Figure 112020133730722-pat00003
Figure 112020133730722-pat00003

상기 반응식 1a는 PDDPCSFS(poly(2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl)sulfamoyl fluoride-co-styrene)) 중합체의 합성 경로를 보여준다. Reaction Scheme 1a shows the synthesis route of PDDPCSFS (poly(2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl)sulfamoyl fluoride-co-styrene) polymer.

PDDPCSFS 폴리머를 합성하기 위해 먼저 antimony trifluoride (0.163mol) 29.05g을 2구 둥근 바닥 플라스크에 넣고 0 ℃에서 N2 분위기 하에서 60g의 sulfur-isocyanatidic chloride (0.424mol)를 천천히 첨가하였다. 그 후 반응 온도를 70 ℃까지 서서히 올려 48 시간 동안 교반하였다. 이어서, 반응 혼합물을 dean-stack 방법을 사용하여 85 ℃에서 증류하여 85 % 수율의 sulfurisocyanatidic fluoride의 순수한 무색 산성 액체를 얻었다.To synthesize the PDDPCSFS polymer, 29.05 g of antimony trifluoride (0.163 mol) was first put into a two-necked round bottom flask and 60 g of sulfur-isocyanatidic chloride (0.424 mol) was slowly added at 0 °C under N 2 atmosphere. After that, the reaction temperature was gradually raised to 70 °C and stirred for 48 hours. Then, the reaction mixture was distilled at 85 °C using the dean-stack method to obtain pure colorless acidic liquid of sulfurisocyanatidic fluoride in 85% yield.

두번째로, (2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl)sulfamoyl fluoride (DDPCSF) 단량체를 제조하기 위해, 재결정된 1H-pyrrole-2,5-dione (0.1 mol) 10g (물로 재결정됨)을 1-neck 250 mL 플라스크에 취하고, 각각 30 및 1 mL MC 및 촉매 TEA를 첨가하였다. 그런 다음 30 mL 벤젠에 준비된 sulfurisocyanatidic fluoride (0.12 mol) 15.5 g을 천천히 첨가하고 반응 온도를 50 ℃로 조정하고 24 시간 동안 교반하였다. 첨가반응 완료 후 백색 DDPCSF가 침전되었다. 그 후, 혼합물을 즉시 여과하고 차가운 MC로 세척하여 미반응 sulfurisocyanatidic fluoride 및 1H-pyrrole-2,5-dione을 제거하였다. 결과물인 DDPCSF를 고순도 및 고수율 (75 %)로 수집하고 60 ℃의 진공 오븐에 보관하였다.Second, to prepare (2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl)sulfamoyl fluoride (DDPCSF) monomer, recrystallized 1H-pyrrole-2,5-dione (0.1 mol) 10 g (recrystallized from water) was taken in a 1-neck 250 mL flask and 30 and 1 mL MC and catalyst TEA respectively were added. Then, 15.5 g of sulfurisocyanatidic fluoride (0.12 mol) prepared in 30 mL of benzene was slowly added, the reaction temperature was adjusted to 50 °C, and the mixture was stirred for 24 hours. After completion of the addition reaction, white DDPCSF precipitated. Then, the mixture was immediately filtered and washed with cold MC to remove unreacted sulfurisocyanatidic fluoride and 1H-pyrrole-2,5-dione. The resulting DDPCSF was collected in high purity and high yield (75%) and stored in a vacuum oven at 60 °C.

마지막으로 PDDPCSFS 폴리머를 합성하기 전에 100 mL 1-neck round bottom flask에 3.0 g의 준비된 DDPCSF 모노머 (0.014 mol)를 취하고 8 mL의 1,4-dioxane을 첨가하여 DDPCSF 모노머를 N2 대기 상태에서 용해시켰다. 다른 3구 둥근 바닥 플라스크에 1.55 mL의 styrene (0.014 mol)을 취하고 기계적으로 교반하였다. 그 후, 상기 플라스크에 준비된 DDPCSF 용액과 0.16g의 BPO (0.007mol)를 각각 25 ℃에서 불활성 분위기하에서 첨가하였다. 첨가 완료 후 반응 온도를 80 ℃로 조절하고 36 시간 동안 교반하였다. 36 시간 후, 갈색 혼합물을 MeOH에 부어 폴리머를 추출하고 30 % 염산이 포함된 물로 세척하여 불순물을 제거하였다. 생성물의 추가 정제를 위해 증류수로 여러번 세척하였다. 마지막으로 생성된 PDDPCSFS 폴리머를 수집하여 90 ℃의 진공 오븐에 보관하였다.Finally, before synthesizing the PDDPCSFS polymer, 3.0 g of the prepared DDPCSF monomer (0.014 mol) was taken in a 100 mL 1-neck round bottom flask and 8 mL of 1,4-dioxane was added to dissolve the DDPCSF monomer under N 2 atmosphere. . 1.55 mL of styrene (0.014 mol) was added to another three-necked round bottom flask and mechanically stirred. Then, the prepared DDPCSF solution and 0.16 g of BPO (0.007 mol) were each added to the flask at 25° C. under an inert atmosphere. After completion of the addition, the reaction temperature was adjusted to 80 °C and stirred for 36 hours. After 36 hours, the brown mixture was poured into MeOH to extract the polymer and washed with water containing 30% hydrochloric acid to remove impurities. The product was washed several times with distilled water for further purification. Finally, the resulting PDDPCSFS polymer was collected and stored in a vacuum oven at 90 °C.

실시예 1-3. SPmax-1200의 합성Example 1-3. Synthesis of SPmax-1200

[반응식 1b][Scheme 1b]

Figure 112020133730722-pat00004
Figure 112020133730722-pat00004

상기 반응식 1b는 SPmax-1200 폴리머의 합성 경로를 나타낸다.Scheme 1b above shows the synthesis route of SPmax-1200 polymer.

2구 둥근 바닥 플라스크의 30 mL의 anhydrous chloroform에 담긴 3g의 Pmax-1200을 취하고 40 ℃의 N2 분위기 하에서 10 mL의 발연 H2SO4 (65 % SO3) (0.077 mol)를 천천히 첨가하고 18 시간 동안 교반하였다. 생성된 SPmax-1200은 각각 MeOH와 증류수를 사용하여 추출하였다. 그 다음 여과하고 80 ℃에서 밤새 건조하여 고순도 SPmax-1200 폴리머를 수집하였다.3 g of Pmax-1200 contained in 30 mL of anhydrous chloroform in a two-necked round bottom flask was slowly added with 10 mL of fuming H 2 SO 4 (65% SO 3 ) (0.077 mol) under N 2 atmosphere at 40 °C. Stir for an hour. The resulting SPmax-1200 was extracted using MeOH and distilled water, respectively. It was then filtered and dried overnight at 80 °C to collect high purity SPmax-1200 polymer.

실시예 1-4. 블렌드 폴리머 멤브레인의 제조Example 1-4. Preparation of blend polymer membranes

[반응식 2][Scheme 2]

Figure 112020133730722-pat00005
Figure 112020133730722-pat00005

상기 반응식 2는 블렌드 폴리머 막의 제조 방법을 예시한다.Scheme 2 above illustrates a method for preparing a blended polymer membrane.

SPmax-1200 및 PDDPCSFS 혼합물을 DMSO 용매에 3 % (w/v)로 첨가하여 100 ℃에서 용해시킨 후 유리판 위에 IR 램프 하에서 밤새 노출시켜 블렌드 고분자막 (두께 40-50 um)을 주조하였다. SP-max 및 PDDPCSFS 폴리머의 비율로 90:10 (wt %) 및 80:20 (wt %)을 사용하여 블렌드 폴리머 필름을 주조하고 각각 Blend (9 : 1) 및 Blend (8 : 2)로 표시하였다. PDDPCSFS의 20 중량%는 블렌드 폴리머 막에서 최대 백분율이며, 이 비율을 초과하면 필름의 기계적 특성이 크게 감소하였다.A mixture of SPmax-1200 and PDDPCSFS was added at 3% (w/v) in DMSO solvent, dissolved at 100 °C, and then exposed on a glass plate under an IR lamp overnight to cast a blended polymer film (thickness of 40-50 um). Blend polymer films were cast using 90:10 (wt %) and 80:20 (wt %) ratios of SP-max and PDDPCSFS polymers and were labeled as Blend (9 : 1) and Blend (8 : 2), respectively. . 20% by weight of PDDPCSFS is the largest percentage in the blended polymer film, and above this ratio the mechanical properties of the film are greatly reduced.

실시예 1-5. 계측 및 측정Example 1-5. instrumentation and measurement

합성된 모노머와 폴리머의 구조적 특성은 각각 Nicolet iS5 FTIR Spectrometry (Serial no. ASB1100426)를 이용하고 1H 및 19F NMR에 대해 JEOL (400 YH) 및 FTIR 스펙트럼을 사용하여 확인하였다. DMSO-d 6는 용매로 사용되었으며, tetramethylsilane(TMS)은 NMR 분석을 위한 내부 기준으로 사용되었다. 일반적으로 PDDPCSFS, SPmax-1200, Blend (9 : 1) 및 Blend (8 : 2)의 고유 점도는 각각 약 1.25, 1.45, 1.43 및 1.40 g / dL이었고, DMSO 용매, 30 ℃에서 RheoSense, hts-VROC ™ 점도계를 사용하여 측정하였다. 겔투과 크로마토그래피 (gel permeation chromatography, GPC) 시스템 (PerkinElmer, Series 200)을 사용하여 폴리머의 평균 분자량 (Mw)을 측정하였으며, 이는 1.0 mL min-1의 유속에서 용리액으로 폴리스티렌 표준 겔 컬럼 및 THF를 장착하였다. 제조된 고분자막의 열적 특성은 TGA-N 1000 분석기 (Scinco, Chicago, IL, USA)로 약 30-800 ℃, 불활성 조건 N2 분위기에서 10 ℃ / min의 스캔 속도로 조사되었다. 막의 σ는 Newton 4th Ltd. (N4L) 임피던스 분석 인터페이스 (PSM 1735)와 함께 MTS 740 평면막 테스트 시스템 (Scribner Associates Inc., Southern Pines, NC, USA)을 사용하여 수행되었다. 전기 화학적 임피던스 분광법 (electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 측정하기 위해 제조된 고분자막 1cm x 3cm을 증류수에 25-30 분 동안 담그어 안정화시켰다. 그 후, 평형을 위해 12 시간 동안 수증기 환경에 두었다. 80 % RH 조건 하 30-80 ℃ 및 30-80 % RH 조건하 80 ℃의 σ는 대체 전류 (alternative current, AC) 전위차를 측정하여 계산되었다. EIS 측정은 AC 진폭이 10mV 인 1Hz-0.1MHz 주파수 범위의 개방회로 조건에서 실행되었다. 측정을 위해 샘플을 전극 사이에 놓았을 때 3.5 MPa 힘이 전극에 가해졌다. 일반적으로 막의 σ는 다음 식에 따라 평가되었다.The structural characteristics of the synthesized monomer and polymer were confirmed using Nicolet iS5 FTIR Spectrometry (Serial no. ASB1100426) and JEOL (400 YH) and FTIR spectra for 1 H and 19 F NMR, respectively. DMSO- d 6 was used as a solvent and tetramethylsilane (TMS) was used as an internal standard for NMR analysis. In general, the intrinsic viscosities of PDDPCSFS, SPmax-1200, Blend (9:1), and Blend (8:2) were about 1.25, 1.45, 1.43, and 1.40 g/dL, respectively, in DMSO solvent, RheoSense, hts-VROC at 30 °C. ™ Viscometer. The average molecular weight (Mw) of the polymer was measured using a gel permeation chromatography (GPC) system (PerkinElmer, Series 200) using a polystyrene standard gel column and THF as an eluent at a flow rate of 1.0 mL min -1 . fitted. The thermal properties of the prepared polymer membranes were investigated using a TGA-N 1000 analyzer (Scinco, Chicago, IL, USA) at about 30-800 °C in an inert N 2 atmosphere at a scan rate of 10 °C/min. σ of the membrane is Newton 4th Ltd. (N4L) Impedance Analysis Interface (PSM 1735) was performed using an MTS 740 Flat Film Test System (Scribner Associates Inc., Southern Pines, NC, USA). To measure electrochemical impedance spectroscopy (EIS), a 1 cm x 3 cm polymer membrane prepared was immersed in distilled water for 25-30 minutes to stabilize it. After that, it was placed in a water vapor environment for 12 hours for equilibration. σ at 30–80 °C under 80% RH condition and 80 °C under 30–80% RH condition was calculated by measuring the alternative current (AC) potential difference. EIS measurements were performed under open-circuit conditions in the frequency range of 1Hz-0.1MHz with an AC amplitude of 10mV. A force of 3.5 MPa was applied to the electrodes when the sample was placed between the electrodes for measurement. In general, the σ of the membrane was evaluated according to the following equation.

[식 1][Equation 1]

σ = [L/Rmem x A]σ = [L/R mem x A]

여기서 L, A 및 Rmem은 각각 막의 두께, 전극 면적 및 해당 저항을 나타낸다. 또한 멤브레인을 80 ℃에서 Fenton의 시약 (3ppm Fe2+, 3 % H2O2)으로 가열하여 멤브레인의 화학적 안정성을 평가하고 최대 9 시간까지 1 시간 간격으로 멤브레인의 무게를 측정하여 화학적 분해를 기록하였다. 멤브레인의 연신률 (elongation at break, EB) 및 인장응력 (tensile stress, TS)을 포함한 기계적 특성은 IUMT 시스템 (모델 5544)에서 25 ℃, RH 50 %, 10N 부하에서 ASTM D882 표준 테스트 방법을 사용하여 측정되었다.where L, A and R mem represent the film thickness, electrode area and corresponding resistance, respectively. In addition, the chemical stability of the membrane was evaluated by heating the membrane with Fenton's reagent (3 ppm Fe2 + , 3% H2O2 ) at 80 °C, and the chemical degradation was recorded by weighing the membrane at 1 h intervals up to 9 h. did Membrane mechanical properties, including elongation at break (EB) and tensile stress (TS), were measured using the ASTM D882 standard test method in an IUMT system (Model 5544) at 25 °C, RH 50%, and 10 N load. It became.

실시예 1-6. 표면 분석 및 셀 테스트 측정 방법Example 1-6. Surface Analysis and Cell Test Measurement Methods

합성된 막의 전지 전압과 전력 밀도는 완전 가습 주입구 조건 (양극의 RH / 음극의 RH = 100 % / 100 %)에서 단일 전지 테스트 방법으로 측정되었다. 8 cm2의 활성 면적을 갖는 멤브레인 전극 어셈블리 (Membrane electrode assemblies, MEAs)는 촉매 코팅 멤브레인 (catalyst coated membrane, CCM)을 기반으로 한 데칼(decal) 방법을 사용하여 준비되었다. 190mm 두께의 Toray 카본 페이퍼 (TGPH-060, Toray Inc.)는 양극 및 음극 측면 모두에서 가스 확산층 (GDL)으로 사용되었다.The cell voltage and power density of the synthesized membranes were measured by a single cell test method under fully humidified inlet conditions (anode RH / cathode RH = 100% / 100%). Membrane electrode assemblies (MEAs) with an active area of 8 cm 2 were prepared using a decal method based on a catalyst coated membrane (CCM). A 190 mm thick Toray carbon paper (TGPH-060, Toray Inc.) was used as the gas diffusion layer (GDL) on both the anode and cathode sides.

탄소 지지 Pt (Hispec 13100, Johnson Matthey Inc.)는 양극과 음극 모두의 촉매로 사용되었으며 이 작업에서 촉매 층의 적재량은 0.2 mg Pt/cm2이었다. 직후, 촉매층을 130 ℃, 10 MPa에서 5 분 동안 데칼 방법으로 멤브레인에 옮겨 MEA 용 CCM을 만들었다. 작동하는 동안 완전히 가습 된 H2와 70 ℃의 공기가 각각 양극과 음극에 공급되었다. 수소와 공기의 화학 양론은 1.5 / 2.0으로 유지되었고 입구 습도는 RHa / RHc = 100 % / 100 %이었다. 분극 곡선은 70 ℃ 및 주변 압력에서 상용 테스트 스테이션 (Scitech, Korea Inc)을 사용하여 각 단계에 대해 36mA/s의 스캔 속도로 갈바노스테틱 방식으로 측정되었다.Carbon-supported Pt (Hispec 13100, Johnson Matthey Inc.) was used as both anode and cathode catalysts, and the catalyst layer loading in this work was 0.2 mg Pt/cm 2 . Immediately after, the catalyst layer was transferred to the membrane by the decal method at 130 °C and 10 MPa for 5 minutes to make CCM for MEA. During operation, fully humidified H 2 and air at 70 °C were supplied to the anode and cathode, respectively. The stoichiometry of hydrogen and air was maintained at 1.5/2.0 and the inlet humidity was RH a /RH c = 100%/100%. Polarization curves were measured galvanostatically at 70 °C and ambient pressure using a commercial test station (Scitech, Korea Inc) at a scan rate of 36 mA/s for each step.

막의 친수성 및 소수성 상 분리는 전계 방출 주사 전자 현미경 (FE-SEM, JEOL 7401F) 및 나노 스코프 (R) IIIA를 사용한 트래핑 모드 원자력 현미경 (AFM)에 의해 평가되었으며, 진폭 설정 점이 0.7785V인 미세 가공된 캔틸레버를 사용하여 평가되었다.The hydrophilic and hydrophobic phase separation of the membrane was evaluated by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, JEOL 7401F) and trapping mode atomic force microscopy (AFM) using a Nanoscope (R) IIIA, microfabricated microfabricated microscopy with an amplitude set point of 0.7785 V. Evaluated using a cantilever.

실시예 1-7. WU, IEC 및 치수 변화 측정Example 1-7. WU, IEC and dimensional change measurements

제조된 고분자막의 WU를 측정하기 위해 막을 증류수에 80 ℃에서 24 시간 동안 담그었다. 그 후, 막의 WU는 다음 식을 사용하여 계산되었다.To measure the WU of the prepared polymer membrane, the membrane was soaked in distilled water at 80 °C for 24 hours. Then, the WU of the membrane was calculated using the equation

WU (%) = {(Wwet - Wdry)/Wdry} × 100WU (%) = {(W wet - W dry )/W dry } × 100

여기서 Wdry 및 Wwet는 각각 건조 및 습식 조건에서 멤브레인의 무게를 의미한다.Here, W dry and W wet mean the weight of the membrane in dry and wet conditions, respectively.

그러나, 멤브레인은 H+ 이온을 Na+와 교환하기 위해 80 ℃에서 24 시간 동안 1N NaCl 용액에 담갔다. 그 후, 교환된 H+ 용액을 0.01 N NaOH 용액으로 적정하여 다음과 같이 IEC를 측정하였다.However, the membrane was soaked in 1N NaCl solution at 80 °C for 24 h to exchange H + ions with Na + . Then, the exchanged H + solution was titrated with 0.01 N NaOH solution to measure IEC as follows.

IEC (meq./g) = (VNaOH × MNaOH) / Wdry IEC (meq./g) = (V NaOH × M NaOH ) / W dry

여기서 NaOH, NaOH 및 Dry는 각각 NaOH의 부피, 몰 농도 및 멤브레인의 무게에 해당한다. 결과적으로 PEM의 치수 변화 및 수화 수 (λ)는 멤브레인을 80 ℃에서 24 시간 동안 물에 담가서 조사하고 다음과 같이 평가하였다.where NaOH, NaOH, and Dry correspond to the volume, molar concentration, and weight of the membrane of NaOH, respectively. As a result, the dimensional change and hydration number (λ) of the PEM were investigated by immersing the membrane in water at 80 °C for 24 hours and evaluated as follows.

λ= (10 × WU)/(IEC × 18) λ= (10 × WU)/(IEC × 18)

Δl (%) = {(lwet - ldry)/ldry} × 100Δl (%) = {(l wet - l dry )/l dry } × 100

Δt (%) = {(twet - tdry)/tdry} × 100Δt (%) = {(t wet - t dry )/t dry } × 100

여기서 λ, l 및 t는 각각 멤브레인의 수화 수, 길이 및 두께를 나타낸다.where λ, l and t denote the number of hydrations, length and thickness of the membrane, respectively.

<실시예 2: 본 발명 모노머 및 폴리머의 특성 확인><Example 2: Confirmation of characteristics of the monomer and polymer of the present invention>

PDDPCSFS 폴리머, 이미드 기반 폴리머 전해질은 189,000 g/mol의 Mw로 제조되었으며, sulfurisocyanatidic chloride, 1H-pyrrole-2,5-dione 및 styrene의 단계적 반응이 각각 이어졌다. 또한 Pmax-1200과 발연 H2SO4 (65 % SO3) 사이의 반응에서 높은 Mw SPmax-1200 폴리머 전해질 (296,000g / mol)을 합성하였다. 마지막으로 PDDPCSFS와 SPmax-1200 고분자를 각각 사용하여 기계적 물성이 우수한 블렌드 고분자막을 준비하였다.A PDDPCSFS polymer, imide-based polymer electrolyte was prepared with an Mw of 189,000 g/mol, followed by a stepwise reaction of sulfurisocyanatidic chloride, 1H-pyrrole-2,5-dione, and styrene, respectively. In addition, a high Mw SPmax-1200 polymer electrolyte (296,000 g/mol) was synthesized from the reaction between Pmax-1200 and fuming H 2 SO 4 (65% SO 3 ). Finally, a blended polymer membrane with excellent mechanical properties was prepared using PDDPCSFS and SPmax-1200 polymer, respectively.

고분자 막의 이미지는 도 6에 나와 있다. 합성된 모노머인 sulfisocyanatidic fluoride의 화학 구조는 도 7와 같이 19F NMR로 확인되었다. 1 개의 단일선 피크가 약 62.12 ppm에서 관찰되었고, 이는 sulfurisocyanatidic fluoride 모노머의 구조에 하나의 F 원자가 존재함을 나타낸다. 또한 DDPCSF 모노머, PDDPCSFS 및 SPmax-1200 폴리머의 구조적 형태는 각각 1H NMR, 19F NMR 및 FTIR 분광 분석을 통해 분석되었다. 도 1의 a는 DDPCSF 모노머의 1H NMR 스펙트럼을 보여준다. 2 개의 단일선 피크가 CH-CH 및 NeH 양성자에 대한 약 7 및 12.4 ppm에서 관찰되었으며, 이는 1H-pyrrole-2,5-dione 구조에 sulfisocyanatidic fluoride가 성공적으로 추가되었음을 나타낸다. 이러한 피크는 이동되었고 동시에 폴리머 형성으로 인해 1H NMR 스펙트럼 (도 1의 b)에서 일부 추가 피크가 나타났다. 약 11.0-11.4, 6.1-7.5, 3.5-3.6, 2.9-3.1 및 1.6-2.1 ppm에서 피크는 NeH, 페닐 고리, 지방족 CH, 지방족 C-H (1H-pyrrole-2,5-dione ring) 양성자 및 지방족 CH2를 나타내며 각각 PDDPCSFS 폴리머의 구조를 시사한다. DDPCSF 및 PDDPCSFS에서 F-원자의 존재는 19F NMR 분석에 의해 확인되었다(각각 도 8 및 도 9). 하나의 단일선 피크가 두 스펙트럼 모두에서 약 52.38 ppm에서 나타났으며, 이는 DDPCSF 및 PDDPCSFS 구조에 하나의 F 원자가 있음을 의미한다.An image of the polymer membrane is shown in FIG. 6 . The chemical structure of the synthesized monomer, sulfisocyanatidic fluoride, was confirmed by 19 F NMR as shown in FIG. 7 . One singlet peak was observed at about 62.12 ppm, indicating the presence of one F atom in the structure of the sulfurisocyanatidic fluoride monomer. In addition, the structural morphologies of DDPCSF monomer, PDDPCSFS and SPmax-1200 polymer were analyzed through 1 H NMR, 19 F NMR and FTIR spectroscopic analysis, respectively. Figure 1a shows the 1 H NMR spectrum of the DDPCSF monomer. Two singlet peaks were observed at around 7 and 12.4 ppm for CH-CH and NeH protons, indicating the successful addition of sulfisocyanatidic fluoride to the 1H-pyrrole-2,5-dione structure. These peaks were shifted and at the same time some additional peaks appeared in the 1 H NMR spectrum (Fig. 1b) due to polymer formation. Peaks at about 11.0–11.4, 6.1–7.5, 3.5–3.6, 2.9–3.1 and 1.6–2.1 ppm are NeH, phenyl ring, aliphatic CH, aliphatic CH (1H-pyrrole-2,5-dione ring) protons and aliphatic CH 2 , suggesting the structure of the PDDPCSFS polymer, respectively. The presence of F-atoms in DDPCSF and PDDPCSFS was confirmed by 19 F NMR analysis (Fig. 8 and Fig. 9, respectively). One single peak appeared at about 52.38 ppm in both spectra, indicating that there is one F atom in the DDPCSF and PDDPCSFS structures.

도 10은 각각 DDPCSF 및 PDDPCSFS의 FTIR 스펙트럼을 나타낸다.10 shows FTIR spectra of DDPCSF and PDDPCSFS, respectively.

넓은 신축 및 굽힘 진동 밴드는 약 3302 및 1596 cm-1 에서 관찰되었으며 PDDPCSFS 중합체의 NeH 진동 주파수에 해당하는 반면, 이들은 DDPCSF 단량체의 스펙트럼에서 약 3154 및 1593 cm-1에서 나타났다. 설포네이트 그룹에 대한 S-O의 비대칭 및 대칭 신축 진동 밴드는 DDPCSF 단량체 및 PDDPCSFS 중합체의 스펙트럼에서 각각 약 1459 및 1321 cm-1 및 1445 및 1324 cm-1에서 나타났다. 또한, 약 (685 및 691) cm-1 에서 SeF 스트레칭 밴드가 각각 DDPCSF 단량체 및 PDDPCSFS 중합체의 스펙트럼에 나타났으며, 이는 단량체 및 중합체 구조에 fluorosulfonyl imide 그룹이 존재함을 시사한다.Broad stretching and bending vibrational bands were observed at around 3302 and 1596 cm −1 , corresponding to the NeH vibrational frequencies of the PDDPCSFS polymer, whereas they appeared at around 3154 and 1593 cm −1 in the spectrum of the DDPCSF monomer. Asymmetric and symmetric stretching vibration bands of SO for sulfonate groups appeared at about 1459 and 1321 cm -1 and 1445 and 1324 cm -1 in the spectra of DDPCSF monomer and PDDPCSFS polymer, respectively. In addition, SeF stretching bands at about (685 and 691) cm −1 appeared in the spectrum of the DDPCSF monomer and PDDPCSFS polymer, respectively, suggesting the presence of fluorosulfonyl imide groups in the monomer and polymer structures.

도 1의 c와 d는 각각 Pmax-1200과 SPmax-1200의 1H NMR 스펙트럼을 보여준다.1 c and d show 1 H NMR spectra of Pmax-1200 and SPmax-1200, respectively.

약 6.9-8.1 ppm에서 양성자 피크는 Pmax-1200의 phenyl 양성자에서 관찰되었다 (도 1의 c). 설폰화 후, 페닐 고리 양성자 피크는 -SO3H 그룹에 대해 약 4.6-5.0 ppm에서 새로운 단일 피크와 함께 약 7.0-8.1 ppm에서 나타났으며 (도 1의 d), 이는 설폰화된 폴리머 SPmax-1200의 성공적인 합성을 나타낸다.A proton peak at about 6.9–8.1 ppm was observed for phenyl protons at Pmax-1200 (Fig. 1c). After sulfonation, a phenyl ring proton peak appeared at about 7.0-8.1 ppm together with a new single peak at about 4.6-5.0 ppm for the -SO 3 H group (Fig. 1d), indicating that the sulfonated polymer SPmax- 1200 indicates successful synthesis.

SPmax-1200의 구조는 도 11에서 보는 바와 같이 FTIR 분석에 의해 더 확인되었다. SO3H 진동 신장이 C-H 진동 신장과 겹치기 때문에 2700-3600 cm-1 범위의 넓은 특성 피크가 관찰되었지만, 이 피크는 Pmax-1200의 스펙트럼에는 없었다. 또한 S-O의 비대칭 및 대칭 스트레칭 밴드는 1590 및 1453 cm-1에서 나타 났고 C-O 스트레칭 밴드는 1724 cm-1 에서 관찰되어 SPmax-1200의 성공적인 합성을 확인하였다.The structure of SPmax-1200 was further confirmed by FTIR analysis as shown in FIG. 11 . A broad characteristic peak in the range of 2700–3600 cm −1 was observed because SO 3 H vibrational stretching overlapped with CH vibrational stretching, but this peak was not present in the spectrum of Pmax-1200. In addition, asymmetric and symmetric stretching bands of SO appeared at 1590 and 1453 cm -1 and CO stretching bands were observed at 1724 cm -1 , confirming the successful synthesis of SPmax-1200.

<실시예 3: 멤브레인의 WU, IEC, 수화 수, 치수 및 열 특성 확인><Example 3: Confirmation of WU, IEC, number of hydration, dimensions and thermal characteristics of membrane>

도 2의 a는 멤브레인에 대한 IEC 및 WU를 나타낸다.Figure 2a shows the IEC and WU for the membrane.

제조된 멤브레인은 IEC (약 1.35-2.19 meq./g) 증가에 따라 WU (약 30.05-63.29 %)가 점진적으로 증가한 반면 Nafion 117은 IEC 값 0.91 meq./g.와 함께 32.17 % WU를 나타냈다. 특히, 블렌드 (9 : 1) 및 블렌드 (8 : 2)의 IEC 값은 각각 약 2.09 및 2.19 meq./g로 보고된 다른 고분자 전해질 막과 비교하여 높거나 비슷하였다. 이는 블렌드 폴리머의 폴리머 네트워크에서 SO3H와 이미드 그룹의 시너지 효과 때문일 수 있다.The fabricated membranes showed a gradual increase in WU (approximately 30.05–63.29%) with increasing IEC (approximately 1.35–2.19 meq./g), whereas Nafion 117 exhibited 32.17% WU with an IEC value of 0.91 meq./g. In particular, the IEC values of blend (9:1) and blend (8:2) were about 2.09 and 2.19 meq./g, respectively, which were high or comparable to other reported polymer electrolyte membranes. This may be due to the synergistic effect of SO 3 H and imide groups in the polymer network of the blend polymer.

또한, 제조된 멤브레인의 치수 변화와 수화 수 (l)를 측정하여 기계적 안정성을 평가하였다. 멤브레인은 Nafion 117 (ESI의 표 S1)보다 비슷하거나 더 낮은 치수 변화 (평면 통과 (Δt) 및 평면 내 (Δl) 변화)를 나타 냈다. Δl 및 Δt의 값은 PDDPCSFS, SPmax-1200, Blend (9 : 1) 및 Blend (8 : 2)에 대해 각각 약 6.50, 11.25, 11.45 및 12.50 % 및 약 20.50, 25.50, 32.50 및 33.50 % 이었다. Nafion 117의 경우 약 14.10 및 32.31 % 이었다. 멤브레인의 Δl 값은 방향족 경질 폴리머 백본으로 인해 Δt 값보다 상당히 낮았다. 또한 Blend (9 : 1) 및 Blend (8 : 2)의 l은 각각 약 19.95 및 19.75 이고 PDDPCSFS, SPmax 및 Nafion 117의 경우 각각 약 16.05, 17.50 및 19.60 이었다 (표 1). 블렌드 폴리머의 λ 값이 낮을수록 우수한 내수성과 기계적 안정성을 시사한다.In addition, the mechanical stability was evaluated by measuring the dimensional change and the number of hydration (l) of the prepared membrane. The membrane exhibited similar or lower dimensional change (through-plane (Δt) and in-plane (Δl) change) than Nafion 117 (Table S1 in ESI). The values of Δl and Δt were about 6.50, 11.25, 11.45 and 12.50% and about 20.50, 25.50, 32.50 and 33.50% for PDDPCSFS, SPmax-1200, Blend (9:1) and Blend (8:2), respectively. For Nafion 117, it was about 14.10 and 32.31%. The Δl value of the membrane was significantly lower than the Δt value due to the aromatic rigid polymer backbone. In addition, l was about 19.95 and 19.75 for Blend (9: 1) and Blend (8: 2), respectively, and about 16.05, 17.50, and 19.60 for PDDPCSFS, SPmax, and Nafion 117, respectively (Table 1). The lower the λ value of the blended polymer, the better the water resistance and mechanical stability.

Figure 112020133730722-pat00006
Figure 112020133730722-pat00006

도 2의 b는 멤브레인의 열분해 곡선을 보여준다.Figure 2b shows the thermal decomposition curve of the membrane.

PDDPCSFS 및 Nafion 117은 2단계 열분해를 나타내었다. PDDPCSFS는 약 330-402 ℃에서 83 %의 중량 감소로 급격한 분해를 보였는데, 이는 각각 이미드 기반 측면 고리와 주쇄의 분해에 기인한 것일 수 있다. PDDPCSFS는 PDDPCSFS 중합체의 방향족 고리 분해로 인해 약 403-588 ℃에서 두 번째 중량 손실을 나타냈다. 반면, Nafion 117의 첫 번째 및 두 번째 무게 손실은 288-381 ℃ 및 388-511 ℃ 였고, 각각 12 및 96 %의 무게 손실을 보였으며, 이는 각각 Nafion 117 폴리머의 설포닐 기와 주쇄의 분해에 해당할 수 있다.PDDPCSFS and Nafion 117 exhibited two-step pyrolysis. PDDPCSFS showed rapid decomposition with a weight loss of 83% at about 330–402 °C, which could be attributed to the decomposition of imide-based side rings and main chain, respectively. PDDPCSFS exhibited a second weight loss around 403–588 °C due to aromatic ring decomposition of the PDDPCSFS polymer. On the other hand, the first and second weight losses of Nafion 117 were 288–381 °C and 388–511 °C, showing 12 and 96% weight loss, respectively, which correspond to the decomposition of sulfonyl groups and main chain of Nafion 117 polymer. can do.

또한 SPmax-1200 및 블렌드 폴리머는 3 단계 분해 곡선을 나타냈다. 첫 번째 및 두 번째 단계 분해는 -SO3H 및 -CONHSO2F 그룹의 분해에 대한 것으로 관찰된 반면 세 번째 분해는 주요 폴리머 백본의 분해에 의한 것이었다.Additionally, SPmax-1200 and blend polymers exhibited a three-step degradation curve. The first and second stage decompositions were observed for the decomposition of -SO 3 H and -CONHSO 2 F groups, while the third decomposition was due to decomposition of the main polymer backbone.

블렌드 폴리머의 가장 유리한 점은 -CONHSO2F 및 -SO3H 그룹이 주요 폴리머 백본의 분해 전에 분해된다는 것이다. 더 중요한 것은 블렌드 폴리머가 PDDPCSFS에 비해 열 안정성이 낮다는 것이다. SPmax-1200에 비해서는 열 안정성이 약간 더 높았으며, 이는 블렌드 폴리머에서 형태학적 변화가 발생했음을 암시하며, 이 결과는 IEC 및 WU의 결과와 일치한다.A major advantage of blend polymers is that the -CONHSO 2 F and -SO 3 H groups decompose prior to decomposition of the main polymer backbone. More importantly, the blended polymer has lower thermal stability compared to PDDPCSFS. The thermal stability was slightly higher compared to SPmax-1200, suggesting that a morphological change occurred in the blend polymer, and this result is consistent with the results of IEC and WU.

<실시예 4: 멤브레인의 양성자 전도도, 화학적 및 기계적 안정성><Example 4: Proton Conductivity, Chemical and Mechanical Stability of Membrane>

σ는 PEM의 주요 현상 중 하나이며 높은 전류 및 전력 밀도를 개선하기 위해 달성된다. 도 3의 a 및 3의 b는 각각 일정한 RH (80 %) 하에서 서로 다른 온도 (약 30-80 ℃) 및 80 ℃ 하에서 서로 다른 RH 범위 (약 30-80 %) 로 제조된 막의 σ를 보여준다. 막의 σ는 일정한 RH에서 온도가 증가하고, 일정한 온도에서 RH가 증가함에 따라 증가했다. 이것은 더 많은 폴리머 사슬 분절 운동과 폴리머 백본 사슬에서 술폰산과 플루오로술포닐 양성자의 유리한 해리 때문일 수 있다.σ is one of the main phenomena of PEM and is achieved to improve high current and power density. Figures 3a and 3b show the σ of membranes prepared at different temperatures (about 30-80 °C) under constant RH (80%) and different RH ranges (about 30-80%) under 80 °C, respectively. The σ of the film increased with increasing temperature at constant RH, and increased with increasing RH at constant temperature. This may be due to more polymer chain segmentation motion and favorable dissociation of sulfonic acid and fluorosulfonyl protons in the polymer backbone chain.

Blend (9 : 1) 및 Blend (8 : 2) 멤브레인은 일정한 RH(80 %) 하 80 ℃에서 Nafion 117 (약 80.46 mS / cm)보다 현저하게 더 높은 σ (약 93.14 및 117.50 mS / cm)를 나타냈다(도 3의 a). 특히, Blend (9 : 1) 및 Blend (8 : 2) 멤브레인은 일정한 온도 (80 ℃)하 80 % RH 조건에서 Nafion 117과 비슷한 σ를 나타냈다 (도 3의 b). 그러나 본 발명에서 준비한 혼합 전해질의 결과는 다른 보고된 고분자 전해질보다 높거나 비슷하다.Blend (9:1) and Blend (8:2) membranes exhibit significantly higher σ (ca. 93.14 and 117.50 mS/cm) than Nafion 117 (ca. 80.46 mS/cm) at 80 °C under constant RH (80%). shown (Fig. 3a). In particular, the Blend (9:1) and Blend (8:2) membranes showed σ similar to that of Nafion 117 at a constant temperature (80 °C) and 80% RH (Fig. 3b). However, the results of the mixed electrolyte prepared in the present invention are higher than or similar to those of other reported polymer electrolytes.

블렌드 폴리머 매트릭스에서 PDDPCSFS 함량이 증가함에 따라 블렌드 폴리머의 σ가 증가했음을 주목한다. 이 현상은 SPmax-1200의 -SO3H 그룹과 PDDPCSFS 폴리머의 -CONHSO2F 그룹 간의 상호 작용 때문이다. 측면 고리에 있는 플루오로설포닐이미드 그룹의 슈퍼 가스상 산도와 위치는 혼합 폴리머 막의 폴리머 네트워크 전체에 걸쳐 잘 구별되는 이온 채널을 형성함으로써 더 높은 σ 형성에 상호 작용한다. 그리고 이 결과는 합성된 폴리머의 IEC 및 WU의 결과와 잘 일치한다.Note that σ of the blend polymer increased with increasing PDDPCSFS content in the blend polymer matrix. This phenomenon is due to the interaction between -SO 3 H groups of SPmax-1200 and -CONHSO 2 F groups of PDDPCSFS polymer. The supergaseous acidity and location of the fluorosulfonylimide groups in the side rings interact to form higher σ by forming well-distinct ion channels throughout the polymer network of the mixed polymer membrane. And this result agrees well with the IEC and WU results of the synthesized polymer.

도 3의 c는 80 ℃에서 9 시간 동안 시간에 따른 중량 손실 측면에서 Fenton 시약에 의해 제조된 막의 화학적 분해를 보여준다. 모든 막은 고분자 막을 포함하는 다른 보고된 에테르 결합에 비해 상대적으로 더 높은 화학적 안정성을 보여주었다. C-C 폴리머 백본과 플루오로설포닐이미드 그룹의 존재는 자유 라디칼 공격에 대한 민감성이 적기 때문에 멤브레인의 더 높은 화학적 안정성에 크게 기여한다.Figure 3c shows the chemical degradation of the membrane prepared by Fenton's reagent in terms of weight loss over time at 80 °C for 9 h. All membranes showed relatively higher chemical stability compared to other reported ether-linked containing polymer membranes. The C-C polymer backbone and the presence of fluorosulfonylimide groups contribute significantly to the higher chemical stability of the membrane due to its less susceptibility to free radical attack.

도 3의 d는 RH가 50 % 인 25 ℃에서 멤브레인의 TS와 EB (%)를 보여준다.Fig. 3d shows the TS and EB (%) of the membrane at 25 °C with RH of 50%.

합성된 막은 약 20.1-48.45 MPa 범위의 TS를 나타냈으나 Nafion 117은 TS 17.40 MPa를 보여주었다. 막의 높은 TS는 분자량이 높고 분자간 결합이 강하기 때문일 수 있다. 멤브레인의 EB (%)는 Nafion 117보다 상당히 낮았으며, 이는 멤브레인 전해질 조립의 제조 공정에서 짧은 변형률을 반영한다.The synthesized membranes exhibited TS ranging from about 20.1 to 48.45 MPa, whereas Nafion 117 showed a TS of 17.40 MPa. The high TS of the membrane may be due to its high molecular weight and strong intermolecular bonds. The EB (%) of the membrane was significantly lower than that of Nafion 117, reflecting the short strain rate in the fabrication process of the membrane electrolyte assembly.

<실시예 5: 막의 셀 성능 및 표면 형태><Example 5: Cell performance and surface morphology of membrane>

도 4는 멤브레인의 단일 셀 성능에 대한 분극 곡선을 보여준다.Figure 4 shows the polarization curve for single cell performance of the membrane.

분극 곡선은 70 ℃ 및 주변 압력에서 각 단계에 대해 36mA/s의 스캔 속도로 갈바노스테틱(galvanostatic) 방식으로 측정되었다. PDDPCSFS 및 SPmax-1200 전해질 막이 있는 연료 전지는 0.45 및 0.48 W/cm2 최대 출력 밀도를 나타냈다. 또한 Blend (9 : 1) 및 Blend (8 : 2) 멤브레인 전해질을 사용하는 연료 전지의 최대 출력 밀도는 각각 약 0.55 및 0.59 W/cm2 이었다. 반면, Nafion 117 전해질을 사용한 연료 전지는 0.60 W/cm2의 최대 출력 밀도를 나타냈다. 그러나 블렌드 폴리머 전해질의 이러한 최대 전력 밀도는 이전에 보고된 폴리머 전해질보다 크거나 비슷하다. 블렌드 폴리머의 이러한 향상된 셀 성능은 -SO3H 및 -CONHSO2F 그룹의 존재 때문일 수 있으며 결과는 전도도 결과와도 일치한다. Polarization curves were measured galvanostatically at 70° C. and ambient pressure with a scan rate of 36 mA/s for each step. The fuel cells with PDDPCSFS and SPmax-1200 electrolyte membrane showed maximum power densities of 0.45 and 0.48 W/cm 2 . Also, the maximum power densities of the fuel cells using Blend (9:1) and Blend (8:2) membrane electrolytes were about 0.55 and 0.59 W/cm 2 , respectively. On the other hand, the fuel cell using the Nafion 117 electrolyte showed a maximum power density of 0.60 W/cm 2 . However, these maximum power densities of blended polymer electrolytes are greater than or comparable to previously reported polymer electrolytes. This improved cell performance of the blend polymers can be attributed to the presence of -SO 3 H and -CONHSO 2 F groups, and the results are also consistent with the conductivity results.

또한, 제조된 블렌드 멤브레인은 우수한 개방 전압을 나타내어 멤브레인이 작동 중 긴 내구성을 견딜 수 있음을 알 수 있다. 이러한 향상된 안정성은 또한 제조된 블렌드 멤브레인이 자유 라디칼 반응 효과가 없음을 나타낸다. 자유 라디칼은 음극 부위에서 불완전한 환원 과정 동안 전극/전해질 계면에 형성되었다.In addition, it can be seen that the prepared blend membrane exhibits excellent open-circuit voltage, so that the membrane can withstand long durability during operation. This improved stability also indicates that the prepared blend membrane is free of free radical reaction effects. Free radicals were formed at the electrode/electrolyte interface during the incomplete reduction process at the cathode site.

SPmax-1200의 -SO3H와 PDDPCSFS의 -CONHSO2F의 효과적인 상호 작용은 작용기의 차폐 효과를 생성할 수 있다. 이러한 기능은 분해로부터 작용기를 보존하고 금속 산화물은 일반적으로 자유 라디칼 제거제 역할을 한다. 이러한 결과는 전극 부위에서 산소 환원 반응을 더욱 촉진하고 전극/전해질 계면에서 양성자의 수송을 위한 장벽을 더 적게 만든다. 이 결과는 혼합 멤브레인이 연료 전지 응용 분야의 잠재적 후보로 사용될 수 있음을 나타낸다.The effective interaction of -SO 3 H of SPmax-1200 and -CONHSO 2 F of PDDPCSFS can create a shielding effect of functional groups. This function preserves functional groups from degradation and metal oxides generally act as free radical scavengers. These results further promote the oxygen reduction reaction at the electrode site and make the barrier for the transport of protons smaller at the electrode/electrolyte interface. This result indicates that the mixed membrane can be used as a potential candidate for fuel cell applications.

도 5의 a와 b는 AFM으로 분석된 Blend (9 : 1) 및 Blend (8 : 2) 폴리머 멤브레인의 트래핑 모드 표면보기를 나타낸다. 갈색 세그먼트는 소수성 방향족 도메인을 나타내는 반면 짙은 검정색 채널 모양의 부분은 막의 수분과 함께 친수성 그룹을 나타낸다. 일반적으로 폴리머 골격과 산 부분의 함량은 폴리머 막의 형태에 상당한 영향을 미친다. Blend (8 : 2)는 우수한 친수성-소수성 상 분리 형태를 보였는데, 이는 아마도 -HSO3 및 -CONHSO2F 그룹의 상승 효과 때문일 수 있다. 이 이미지의 증거로 Blend (8 : 2)는 Blend (9 : 1)에 비해 더 높은 σ를 보여 주어 폴리머 네트워크에서 상 분리가 잘되어 양이온을 원활하게 수행할 수 있음을 나타낸다.Figure 5a and b show trapping mode surface views of Blend (9:1) and Blend (8:2) polymer membranes analyzed by AFM. Brown segments represent hydrophobic aromatic domains, while dark black channel-shaped segments represent hydrophilic groups with water in the membrane. In general, the content of the polymer backbone and acid moiety has a significant effect on the morphology of the polymer film. Blend (8 : 2) showed excellent hydrophilic-hydrophobic phase separation, probably due to the synergistic effect of -HSO 3 and -CONHSO 2 F groups. As a proof of this image, Blend (8:2) shows a higher σ compared to Blend (9:1), indicating good phase separation in the polymer network to facilitate cationization.

또한 블렌드 고분자 전해질 막의 표면 형태는 도 5의 c와 d에 나타난 바와 같이 FE-SEM 분석에 의해 추가로 확인되었다. 블렌드 멤브레인은 어둡고 밝은 영역을 보였는데, 이는 친수성 및 소수성 상 분리에 기인할 수 있다. 상 분리는 블렌드 폴리머 막에서 플루오로설포닐이미드 및 설폰산 그룹의 존재로 인해 얻어졌다. 특히, 이들 그룹은 고분자 매트릭스를 가로 지르는 양성자의 이동을 가속화하고 그 결과 블렌드 고분자 막은 향상된 전도도를 보여주었다. 위에서 언급한 바와 같이 분석 결과, 플루오로설포닐이미드와 설폰산 함유 폴리(페닐렌) 혼합 고분자막이 연료 전지 응용을 위한 전해질로 유망한 후보임을 알 수 있다.In addition, the surface morphology of the blended polymer electrolyte membrane was further confirmed by FE-SEM analysis as shown in Fig. 5c and d. The blend membrane showed dark and light regions, which could be attributed to hydrophilic and hydrophobic phase separation. Phase separation was obtained due to the presence of fluorosulfonylimide and sulfonic acid groups in the blend polymer membrane. In particular, these groups accelerated the movement of protons across the polymer matrix and as a result the blended polymer membranes showed enhanced conductivities. As mentioned above, the analysis results indicate that fluorosulfonylimide and sulfonic acid-containing poly(phenylene) blended polymer membranes are promising candidates as electrolytes for fuel cell applications.

Claims (8)

아래 화학식 1로 표시되는 SPmax-1200 (sulfonated Pmax-1200) 및 PDDPCSFS (poly(2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl)sulfamoyl fluoride-co-styrene)을 포함하는, 고분자 전해질 막 제조용 조성물:
[화학식 1]
Figure 112023005931917-pat00018

(상기 식에서 n 은 1 내지 800의 정수이다).
SPmax-1200 (sulfonated Pmax-1200) and PDDPCSFS (poly (2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrole-1-carbonyl) sulfamoyl fluoride-co-styrene) represented by Formula 1 below , Composition for producing a polymer electrolyte membrane:
[Formula 1]
Figure 112023005931917-pat00018

(In the above formula, n is an integer from 1 to 800).
제1항에 있어서, 상기 SPmax-1200 및 PDDPCSFS의 중량비는 9 : 1 내지 8 : 2인 것인, 고분자 전해질 막 제조용 조성물.
According to claim 1, The weight ratio of the SPmax-1200 and PDDPCSFS is 9: 1 to 8: 2, the composition for preparing a polymer electrolyte membrane.
제1항의 조성물을 포함하는, 고분자 전해질 막.
A polymer electrolyte membrane comprising the composition of claim 1.
제3항의 고분자 전해질 막을 포함하는 연료 전지.
A fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane of claim 3.
a) 아래 화학식 1로 표시되는 SPmax-1200 및 PDDPCSFS를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계 및
b) 상기 혼합물에 적외선을 조사하는 단계를 포함하는, 고분자 전해질 막 제조방법:
[화학식 1]
Figure 112023005931917-pat00019

(상기 식에서 n 은 1 내지 800의 정수이다).
a) preparing a mixture comprising SPmax-1200 and PDDPCSFS represented by Formula 1 below, and
b) a method for producing a polymer electrolyte membrane comprising the step of irradiating the mixture with infrared rays:
[Formula 1]
Figure 112023005931917-pat00019

(In the above formula, n is an integer from 1 to 800).
제5항에 있어서, 상기 SPmax-1200 및 PDDPCSFS의 중량비는 9 : 1 내지 8 : 2인 것인, 고분자 전해질 막 제조방법.
The method of claim 5, wherein the weight ratio of the SPmax-1200 and the PDDPCSFS is 9: 1 to 8: 2.
제5항에 있어서, 상기 혼합물에서 SPmax-1200 및 PDDPCSFS는 혼합물 총 중량 대비 2 내지 4 % (w/v)로 함유된 것인, 고분자 전해질 막 제조방법.
The method of claim 5, wherein SPmax-1200 and PDDPCSFS in the mixture are contained in an amount of 2 to 4% (w/v) based on the total weight of the mixture.
제5항에 있어서, 상기 a) 단계는 90 내지 110℃에서 수행되는 것인, 고분자 전해질 막 제조방법.The method of claim 5, wherein step a) is performed at 90 to 110 °C.
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