KR102602007B1 - Poly(isatin-phenylene) based polymer for electrolyte of fuel cell, polymer electrolyte for fuel cell, and fuel cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 하기 구조식 1로 표시되는 연료전지 전해질용 고분자 및 이를 포함하는 고분자 전해질에 관한 것이다. 이에 의하여, 본 발명의 연료전지 전해질용 폴리(이사틴-페닐렌)계 고분자, 이를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막은 종래 친환경적이지 않고 제조비용이 높은 나피온 전해질막을 대체할 수 있으면서 양성자 전도도, 열안정성, 전력밀도를 우수한 수준으로 유지할 수 있다.
[구조식 1]
This relates to a polymer for fuel cell electrolyte represented by structural formula 1 below and a polymer electrolyte containing the same. As a result, the poly(isatin-phenylene)-based polymer for fuel cell electrolytes of the present invention and the polymer electrolyte membrane for fuel cells containing the same can replace the conventional Nafion electrolyte membrane, which is not environmentally friendly and has a high manufacturing cost, while maintaining proton conductivity and thermal stability. , power density can be maintained at an excellent level.
[Structural Formula 1]

Description

연료전지 전해질용 폴리(이사틴-페닐렌)계 고분자, 이를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질 및 연료전지{POLY(ISATIN-PHENYLENE) BASED POLYMER FOR ELECTROLYTE OF FUEL CELL, POLYMER ELECTROLYTE FOR FUEL CELL, AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME}Poly(isatin-phenylene) based polymer for fuel cell electrolyte, polymer electrolyte for fuel cell containing same, and fuel cell {POLY(ISATIN-PHENYLENE) BASED POLYMER FOR ELECTROLYTE OF FUEL CELL, POLYMER ELECTROLYTE FOR FUEL CELL, AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME}

본 발명은 연료전지 전해질용 고분자, 이를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질 및 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리(이사틴-페닐렌)계 고분자를 개질하여 이온교환용량, 양성자 전도도 및 열적안정성을 향상시킬 수 있는 연료전지 전해질용 폴리(이사틴-페닐렌)계 고분자, 이를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질 및 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to polymers for fuel cell electrolytes, polymer electrolytes for fuel cells containing the same, and fuel cells. More specifically, the present invention relates to polymers for fuel cell electrolytes, and more specifically, to improve ion exchange capacity, proton conductivity, and thermal stability by modifying poly(isatin-phenylene)-based polymers. It relates to poly(isatin-phenylene)-based polymers for fuel cell electrolytes that can be improved, polymer electrolytes for fuel cells containing the same, and fuel cells.

지난 수십 년 동안 연료전지는 고효율 및 낮은 오염 배출로 인해 큰 관심을 받았다. 또한 고유한 셀 구조로 인해 휴대용 장치에 적용하기 위한 패키지 크기 조정 및 대규모 전력 저장을 위한 운송이 용이하다. 특히 운송 산업에서는 현대, 토요타, 혼다, 메르세데스와 같은 국내외 자동차 제조 기업에서 사용 빈도가 점점 높아지고 있다. 이와 같은 연료전지는 광범위한 작동 온도와 우수한 성능으로 인해 조기에 상용화되었다. 그럼에도 불구하고 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 전세계 상용화는 여전히 제조 비용과 내구성에 의해 제한되고 있다.Over the past decades, fuel cells have received great attention due to their high efficiency and low polluting emissions. Additionally, the unique cell structure facilitates package sizing for application in portable devices and transport for large-scale power storage. Especially in the transportation industry, its use is becoming increasingly frequent among domestic and foreign automobile manufacturers such as Hyundai, Toyota, Honda, and Mercedes. Such fuel cells were commercialized early due to their wide operating temperature and excellent performance. Nevertheless, global commercialization of polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs) is still limited by manufacturing costs and durability.

이러한 장벽은 막 전극 어셈블리(membrane electrode assembly, MEA)의 핵심 구성요소로 받아들여지고 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)의 심장으로 인식되는 전도성 전해질막의 영향을 크게 받고 있다. This barrier is largely influenced by the conductive electrolyte membrane, which is accepted as a key component of the membrane electrode assembly (MEA) and the heart of the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC).

현재 Nafion®, Aciplex® 및 Flemion®과 같은 PFSA (perfluorinated sulfonic acid) 막은 기계적 및 화학적 안정성이 크게 향상되고 90 ℃ 이하에서 우수한 양성자 전도성으로 인해 PEMFC에 가장 선호되는 전도성 전해질 재료이다.Currently, perfluorinated sulfonic acid (PFSA) membranes such as Nafion®, Aciplex® and Flemion® are the most preferred conducting electrolyte materials for PEMFCs due to their significantly improved mechanical and chemical stability and excellent proton conductivity below 90°C.

그러나 PFSA 막은 높은 제조 비용, 낮은 습도에서 낮은 양성자 전도도를 나타내고, 고온에서 화학적 분해가 일어나는 몇 가지 단점도 있다.However, PFSA membranes also have several disadvantages: high manufacturing cost, low proton conductivity at low humidity, and chemical decomposition at high temperatures.

결과적으로, 비용과 높은 온도에서 연료 전지 성능의 균형을 맞추기 위해 설 폰화 탄화수소 폴리머가 도입되었다.As a result, sulfonated hydrocarbon polymers were introduced to balance cost and fuel cell performance at high temperatures.

또한 이러한 폴리머는 다양한 작용기와 연결될 수 있으므로 권장되는 분자 설계를 통해 막 분해 문제를 어느 정도 해결할 수 있다.Additionally, since these polymers can be linked to various functional groups, the membrane degradation problem can be solved to some extent through the recommended molecular design.

또한 탄화수소 막은 PFSA 막보다 비용 효율적인 기존 방법을 통해 합성할 수 있다. 그러나 탄화수소 막의 적용은 제한적이다. 예를 들면, 소수성 및 친수성 미세상(microphase)에 의해 형성된 좁은 채널로 인해 낮은 습도에서 양성자 이동이 저해될 수 있다.Additionally, hydrocarbon membranes can be synthesized through conventional methods, which are more cost-effective than PFSA membranes. However, the application of hydrocarbon membranes is limited. For example, proton transport may be inhibited at low humidity due to narrow channels formed by hydrophobic and hydrophilic microphases.

더욱이, 어느 정도의 술폰화를 넘어서면 전해질 막이 다량의 물을 흡수하는 경향이 있어 막의 화학적 및 기계적 안정성이 저하된다. 이러한 요인을 극복하기 위해 랜덤, 블록 및 그래프트 공폴리머를 분석하여 순수 탄화수소 막의 화학적 및 기계적 안정성을 개선하고자 하였다.Moreover, beyond a certain degree of sulfonation, the electrolyte membrane tends to absorb large amounts of water, which reduces the chemical and mechanical stability of the membrane. To overcome these factors, random, block, and graft copolymers were analyzed to improve the chemical and mechanical stability of pure hydrocarbon membranes.

그러나, 탄화수소 막의 양성자 전도도와 치수 안정성을 향상시키기 위한 추가 노력이 여전히 필요하다.However, further efforts are still needed to improve the proton conductivity and dimensional stability of hydrocarbon membranes.

한국공개특허공보 제2013-0047650호Korean Patent Publication No. 2013-0047650 미국공개특허공보 제2013-660068호U.S. Patent Publication No. 2013-660068

본 발명의 목적은 종래 친환경적이지 않고 제조비용이 높은 나피온 전해질막을 대체할 수 있으면서 양성자 전도도, 열안정성, 전력밀도를 우수한 수준으로 유지할 수 있는 연료전지 전해질용 폴리(이사틴-페닐렌)계 고분자, 이를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질 및 연료전지를 제공하는 데 있다.The purpose of the present invention is to provide a poly(isatin-phenylene)-based polymer for fuel cell electrolytes that can replace the conventional Nafion electrolyte membrane, which is not environmentally friendly and has a high manufacturing cost, while maintaining proton conductivity, thermal stability, and power density at excellent levels. , to provide a polymer electrolyte for fuel cells and a fuel cell containing the same.

본 발명의 일 측면에 따르면,According to one aspect of the present invention,

하기 구조식 1로 표시되는 연료전지 전해질용 고분자가 제공된다.A polymer for fuel cell electrolyte represented by the structural formula 1 below is provided.

[구조식 1][Structural Formula 1]

구조식 1에서,In structural formula 1,

n은 반복단위수이고,n is the number of repeat units,

R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소원자, 또는 C1 내지 20 알킬기이고,R 1 to R 3 are the same or different from each other and are each independently a hydrogen atom or a C1 to 20 alkyl group,

R4 내지 R6은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 플루오르기, 클로로기, C1 내지 C20의 클로로알킬기, 또는 C1 내지 C20의 플루오로알킬기이고,R 4 to R 6 are the same as or different from each other, and are each independently a fluorine group, a chloro group, a C1 to C20 chloroalkyl group, or a C1 to C20 fluoroalkyl group,

R7은 C1 내지 20 알킬기이다.R 7 is a C1 to 20 alkyl group.

바람직하게는,Preferably,

상기 구조식 1에서,In structural formula 1,

n은 반복단위수이고,n is the number of repeat units,

R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소원자, 또는 C1 내지 10 알킬기이고,R 1 to R 3 are the same or different from each other, and each independently represents a hydrogen atom or a C1 to 10 alkyl group,

R4 내지 R6은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 플루오르기, 클로로기, C1 내지 C10의 클로로알킬기, 또는 C1 내지 C10의 플루오로알킬기이고,R 4 to R 6 are the same as or different from each other, and are each independently a fluorine group, a chloro group, a C1 to C10 chloroalkyl group, or a C1 to C10 fluoroalkyl group,

R7은 C1 내지 10 알킬기일 수 있다.R 7 may be a C1 to 10 alkyl group.

더욱 바람직하게는,More preferably,

상기 구조식 1에서,In structural formula 1,

n은 반복단위수이고,n is the number of repeat units,

R1 내지 R3은 수소원자이고,R 1 to R 3 are hydrogen atoms,

R4 내지 R6은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 플루오르기이고,R 4 to R 6 are the same as or different from each other and are each independently a fluorine group,

R7은 메틸기이고,R 7 is a methyl group,

상기 구조식 1로 표시되는 화합물은 중량평균분자량(Mw)이 50,000 ~ 200,000 일 수 있다.The compound represented by Structural Formula 1 may have a weight average molecular weight (Mw) of 50,000 to 200,000.

본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,

(a) N-알킬 이사틴 및 바이페닐을 유기용매에 넣어 초강산(superacid) 촉매 하에서 반응시켜 폴리이사틴 페닐렌(poly(isatine-phenylene))을 제조하는 단계;(a) preparing poly(isatine-phenylene) by reacting N-alkyl isatin and biphenyl in an organic solvent under a superacid catalyst;

(b) 상기 폴리이사틴 페닐렌을 유기용매에 용해시켜 클로로술폰산과 반응시켜 술폰화된 폴리이사틴 페닐렌을 제조하는 단계;(b) dissolving the polyisatin phenylene in an organic solvent and reacting it with chlorosulfonic acid to prepare sulfonated polyisatin phenylene;

(c) 상기 술폰화된 폴리이사틴 페닐렌을 티오닐 클로라이드(thionyl chloride)와 반응시켜 염소화된(chlorinated) 폴리이사틴 페닐렌을 제조하는 단계; 및(c) reacting the sulfonated polyisatin phenylene with thionyl chloride to produce chlorinated polyisatin phenylene; and

(d) 상기 염소화된 폴리이사틴 페닐렌을 설파모일 할라이드(sulfamoyl halide)와 반응시켜 하기 구조식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 단계;를 포함하는 연료전지 전해질용 고분자의 제조방법이 제공된다.(d) reacting the chlorinated polyisatin phenylene with sulfamoyl halide to prepare a compound represented by the following structural formula 1. A method for producing a polymer for a fuel cell electrolyte is provided, including:

[구조식 1][Structural Formula 1]

구조식 1에서,In structural formula 1,

n은 반복단위수이고,n is the number of repeat units,

R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소원자, 또는 C1 내지 20 알킬기이고,R 1 to R 3 are the same or different from each other and are each independently a hydrogen atom or a C1 to 20 alkyl group,

R4 내지 R6은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 플루오르기, 클로로기, C1 내지 C20의 클로로알킬기, 또는 C1 내지 C20의 플루오로알킬기이고,R 4 to R 6 are the same as or different from each other, and are each independently a fluorine group, a chloro group, a C1 to C20 chloroalkyl group, or a C1 to C20 fluoroalkyl group,

R7은 C1 내지 20 알킬기이다.R 7 is a C1 to 20 alkyl group.

단계 (a)에서,In step (a),

상기 N-알킬 이사틴은 N-메틸 이사틴, N-에틸 이사틴, N-프로필 이사틴 및 N-부틸 이사틴 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The N-alkyl isatin may be any one selected from N-methyl isatin, N-ethyl isatin, N-propyl isatin, and N-butyl isatin.

단계 (a)에서,In step (a),

상기 초강산(superacid) 촉매는 트라이플루오로메테인설폰산(Trifluoromethanesulfonic acid, TFSA), 플루오로설폰산 Fluorosulfuric acid), 트리플루오로메탄올(Trifluoromethanol), 카보레인산(Carborane acid), 클로로설폰산(Chlorosulfonic acid), 및 플루오로붕산(Tetrafluoroboric acid) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The superacid catalyst is trifluoromethanesulfonic acid (TFSA), Fluorosulfuric acid, Trifluoromethanol, Carborane acid, and Chlorosulfonic acid. acid), and fluoroboric acid (Tetrafluoroboric acid).

단계 (a)의 상기 N-알킬 이사틴은 이사틴을 유기용매 하에서 알킬 할라이드(alkyl halide)와 반응시켜 제조될 수 있다.The N-alkyl isatin of step (a) can be prepared by reacting isatin with an alkyl halide in an organic solvent.

상기 유기용매는 디메틸 카보네이트(DMC), 디클로로메탄(DCM), 아세토나이트릴(ACN), 트리클로로메탄(TCM), 디에틸 카보네이트(DEC), 및 에틸메틸 카보네이트(EMC) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The organic solvent may be any one selected from dimethyl carbonate (DMC), dichloromethane (DCM), acetonitrile (ACN), trichloromethane (TCM), diethyl carbonate (DEC), and ethylmethyl carbonate (EMC). there is.

단계 (b)의 상기 반응은 20 내지 30℃의 온도에서 수행될 수 있다.The reaction in step (b) may be carried out at a temperature of 20 to 30°C.

단계 (b)의 상기 반응은 비활성 기체 분위기 하에서 수행될 수 있다.The reaction in step (b) may be carried out under an inert gas atmosphere.

단계 (c)의 상기 반응은 50 내지 70℃의 온도에서 수행될 수 있다.The reaction in step (c) may be performed at a temperature of 50 to 70°C.

단계 (c)의 상기 반응은 비활성 기체 분위기 하에서 수행될 수 있다.The reaction in step (c) may be carried out under an inert gas atmosphere.

단계 (d)에서, 상기 설파모일 할라이드(sulfamoyl halide)는 설파모일 플로라이드(sulfamoyl fluoride), 설파모일 클로라이드(sulfamoyl chloride), 설파모일 브로마이드(sulfamoyl bromide) 및 설파모일 아이오다이드(sulfamoyl iodide) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.In step (d), the sulfamoyl halide is selected from sulfamoyl fluoride, sulfamoyl chloride, sulfamoyl bromide and sulfamoyl iodide. It can be any one selected.

단계 (d)의 반응은 20 내지 30℃ 온도에서 수행될 수 있다.The reaction of step (d) may be carried out at a temperature of 20 to 30°C.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,

상기 연료전지 전해질용 고분자를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막이 제공된다.A polymer electrolyte membrane for fuel cells containing the polymer for fuel cell electrolytes is provided.

상기 연료전지용 고분자 전해질막은 술폰산기(-SO3H)가 결합된 폴리(이사틴-페닐렌)을 추가로 포함하는 블렌딩 막일 수 있다.The polymer electrolyte membrane for a fuel cell may be a blended membrane that additionally includes poly(isatin-phenylene) to which a sulfonic acid group (-SO 3 H) is bonded.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,

상기 연료전지 전해질용 고분자의 제조방법을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법이 제공된다.A method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, including a method for manufacturing the polymer for a fuel cell electrolyte, is provided.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,

상기 연료전지용 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지가 제공된다.A fuel cell including the polymer electrolyte membrane for a fuel cell is provided.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,

상기 연료전지를 포함하는 전기 디바이스가 제공된다.An electrical device including the fuel cell is provided.

상기 전기 디바이스는 통신장치, 운송장치, 에너지 저장장치, 및 음향장치 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The electrical device may be any one selected from a communication device, a transportation device, an energy storage device, and an acoustic device.

본 발명의 연료전지 전해질용 폴리(이사틴-페닐렌)계 고분자, 이를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막은 종래 친환경적이지 않고 제조비용이 높은 나피온 전해질막을 대체할 수 있으면서 양성자 전도도, 열안정성, 전력밀도를 우수한 수준으로 유지할 수 있다.The poly(isatin-phenylene)-based polymer for fuel cell electrolyte of the present invention, and the polymer electrolyte membrane for fuel cells containing the same, can replace the conventional Nafion electrolyte membrane, which is not environmentally friendly and has a high manufacturing cost, and has excellent proton conductivity, thermal stability, and power density. can be maintained at an excellent level.

도 1은 실시예 1의 폴리(이사틴-페닐렌)계 고분자의 제조과정을 나타낸 반응식이다.
도 2는 실험예 1의 N-메틸 이사틴의 1H NMR 분석결과이다.
도 3은 실험예 1의 PiP의 1H NMR 분석 결과이다.
도 4는 실험예 1의 SPiP의 1H NMR 분석 결과이다.
도 5는 실험예 1의 SIPiP의 1H NMR 분석결과이다.
도 6은 실험예 2의 FT-IR 분석 결과이다.
도 7은 실험예 3의 열중량 분석(TGA)으로 측정 결과이다.
도 8은 실험예 4에 따른 전해질막의 셀 특성 분석 결과이다.
도 9 및 도 10은 실험예 5에 따른 막의 양성자 전도도(proton conductivity) 측정 결과이다.
도 11은 실험예 6에 따른 전해질막의 안정성 측정 결과이다.
도 12는 실험예 7의 원자력 현미경(AFM) 이미지 분석 결과이다.
도 13은 실험예 8에 따른 연료전지의 전기화학적 특성 분석 결과이다.
도 14는 본 발명의 설폰 이미드기가 결합된 폴리(이사틴-페닐렌) 고분자의 형태 및 특성을 나타낸 개략도이다.
Figure 1 is a reaction scheme showing the manufacturing process of the poly(isatin-phenylene)-based polymer of Example 1.
Figure 2 shows the 1H NMR analysis results of N-methyl isatin in Experimental Example 1.
Figure 3 shows the results of 1H NMR analysis of PiP in Experimental Example 1.
Figure 4 shows the results of 1H NMR analysis of SPiP in Experimental Example 1.
Figure 5 shows the 1H NMR analysis results of SIPiP in Experimental Example 1.
Figure 6 shows the FT-IR analysis results of Experimental Example 2.
Figure 7 shows the measurement results by thermogravimetric analysis (TGA) of Experimental Example 3.
Figure 8 shows the results of analysis of cell characteristics of the electrolyte membrane according to Experimental Example 4.
Figures 9 and 10 show the results of measuring the proton conductivity of the membrane according to Experimental Example 5.
Figure 11 shows the stability measurement results of the electrolyte membrane according to Experimental Example 6.
Figure 12 shows the results of atomic force microscopy (AFM) image analysis of Experiment Example 7.
Figure 13 shows the results of electrochemical characteristic analysis of the fuel cell according to Experimental Example 8.
Figure 14 is a schematic diagram showing the form and characteristics of the poly(isatin-phenylene) polymer to which a sulfone imide group is bonded according to the present invention.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다. 이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Below, various aspects and various embodiments of the present invention are described in more detail. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the following description is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. . The terminology used herein is only used to describe specific embodiments and is not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, or a combination thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features or It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, or combinations thereof.

이하, 본 발명의 연료전지 전해질용 폴리(이사틴-페닐렌)계 고분자에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the poly(isatin-phenylene)-based polymer for fuel cell electrolyte of the present invention will be described.

본 발명의 연료전지 전해질용 폴리(이사틴-페닐렌)계 고분자는 하기 구조식 1로 표시된다.The poly(isatin-phenylene)-based polymer for fuel cell electrolyte of the present invention is represented by the structural formula 1 below.

[구조식 1][Structural Formula 1]

구조식 1에서,In structural formula 1,

n은 반복단위수이고,n is the number of repeat units,

R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소원자, 또는 C1 내지 20 알킬기이고,R 1 to R 3 are the same or different from each other and are each independently a hydrogen atom or a C1 to 20 alkyl group,

R4 내지 R6은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 플루오르기, 클로로기, C1 내지 C20의 클로로알킬기, 또는 C1 내지 C20의 플루오로알킬기이고,R 4 to R 6 are the same as or different from each other, and are each independently a fluorine group, a chloro group, a C1 to C20 chloroalkyl group, or a C1 to C20 fluoroalkyl group,

R7은 C1 내지 20 알킬기이다.R 7 is a C1 to 20 alkyl group.

바람직하게는,Preferably,

상기 구조식 1에서,In structural formula 1,

n은 반복단위수이고,n is the number of repeat units,

R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소원자, 또는 C1 내지 10 알킬기이고,R 1 to R 3 are the same or different from each other, and each independently represents a hydrogen atom or a C1 to 10 alkyl group,

R4 내지 R6은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 플루오르기, 클로로기, C1 내지 C10의 클로로알킬기, 또는 C1 내지 C10의 플루오로알킬기이고,R 4 to R 6 are the same as or different from each other, and are each independently a fluorine group, a chloro group, a C1 to C10 chloroalkyl group, or a C1 to C10 fluoroalkyl group,

R7은 C1 내지 10 알킬기 일 수 있다.R 7 may be a C1 to 10 alkyl group.

더욱 바람직하게는,More preferably,

상기 구조식 1에서,In structural formula 1,

n은 반복단위수이고,n is the number of repeat units,

R1 내지 R3은 수소원자이고,R 1 to R 3 are hydrogen atoms,

R4 내지 R6은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 플루오르기이고,R 4 to R 6 are the same as or different from each other and are each independently a fluorine group,

R7은 메틸기이고,R 7 is a methyl group,

상기 구조식 1로 표시되는 화합물은 중량평균분자량(Mw)이 50,000 ~ 200,000 일 수 있고, 바람직하게는 80,000 내지 160,000, 더욱 바람직하게는 100,000 내지 130,000 일 수 있다.The compound represented by Structural Formula 1 may have a weight average molecular weight (Mw) of 50,000 to 200,000, preferably 80,000 to 160,000, and more preferably 100,000 to 130,000.

이하, 본 발명의 연료전지 전해질용 폴리(이사틴-페닐렌)계 고분자의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the method for producing the poly(isatin-phenylene)-based polymer for fuel cell electrolyte of the present invention will be described.

먼저, N-알킬 이사틴 및 바이페닐을 유기용매에 넣어 초강산(superacid) 촉매 하에서 반응시켜 폴리이사틴 페닐렌(poly(isatine-phenylene))을 제조한다(단계 a).First, N-alkyl isatin and biphenyl are added to an organic solvent and reacted under a superacid catalyst to produce poly(isatine-phenylene) (step a).

상기 N-알킬 이사틴은 N-메틸 이사틴, N-에틸 이사틴, N-프로필 이사틴 및 N-부틸 이사틴 중에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 N-메틸 이사틴, N-에틸 이사틴, 더욱 바람직하게는 N-메틸 이사틴 일 수 있다.The N-alkyl isatin may be any one selected from N-methyl isatin, N-ethyl isatin, N-propyl isatin, and N-butyl isatin, and is preferably N-methyl isatin or N-ethyl isatin. It may be isatin, more preferably N-methyl isatin.

상기 초강산(superacid) 촉매는 트라이플루오로메테인설폰산(Trifluoromethanesulfonic acid, TFSA), 플루오로설폰산 Fluorosulfuric acid), 트리플루오로메탄올(Trifluoromethanol), 카보레인산(Carborane acid), 클로로설폰산(Chlorosulfonic acid), 플루오로붕산(Tetrafluoroboric acid) 등일 수 있고, 바람직하게는 트라이플루오로메테인설폰산(Trifluoromethanesulfonic acid, TFSA)을 사용할 수 있다.The superacid catalyst is trifluoromethanesulfonic acid (TFSA), Fluorosulfuric acid, Trifluoromethanol, Carborane acid, and Chlorosulfonic acid. acid), fluoroboric acid, etc., and preferably trifluoromethanesulfonic acid (TFSA).

상기 N-알킬 이사틴은 이사틴을 유기용매 하에서 알킬 할라이드(alkyl halide)와 반응시켜 제조될 수 있다.The N-alkyl isatin can be prepared by reacting isatin with an alkyl halide in an organic solvent.

상기 유기용매는 디메틸 카보네이트(DMC), 디클로로메탄(DCM), 아세토나이트릴(ACN), 트리클로로메탄(TCM), 디에틸 카보네이트(DEC), 및 에틸메틸 카보네이트(EMC) 등일 수 있다.The organic solvent may be dimethyl carbonate (DMC), dichloromethane (DCM), acetonitrile (ACN), trichloromethane (TCM), diethyl carbonate (DEC), and ethylmethyl carbonate (EMC).

다음으로, 상기 폴리이사틴 페닐렌을 유기용매에 용해시켜 클로로술폰산과 반응시켜 술폰화된 폴리이사틴 페닐렌을 제조한다(단계 b).Next, the polyisatin phenylene is dissolved in an organic solvent and reacted with chlorosulfonic acid to prepare sulfonated polyisatin phenylene (step b).

본 단계에서 상기 반응은 20 내지 30℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 22 내지 27, 더욱 더 바람직하게는 24 내지 26℃에서 수행될 수 있다.In this step, the reaction is preferably performed at a temperature of 20 to 30°C, more preferably 22 to 27°C, and even more preferably 24 to 26°C.

또한 상기 반응은 비활성 기체 분위기 하에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 비활성 기체는 18족 원소인 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar)을 비롯하여 질소(N2)를 포함하고, 더욱 바람직하게는 질소 기체 분위기에서 수행될 수 있다.Additionally, the reaction is preferably performed under an inert gas atmosphere. The inert gas includes group 18 elements such as helium (He), neon (Ne), and argon (Ar), as well as nitrogen (N 2 ), and more preferably, the operation may be performed in a nitrogen gas atmosphere.

이후, 상기 술폰화된 폴리이사틴 페닐렌을 티오닐 클로라이드(thionyl chloride)와 반응시켜 염소화된(chlorinated) 폴리이사틴 페닐렌을 제조한다(단계 c).Thereafter, the sulfonated polyisatin phenylene is reacted with thionyl chloride to prepare chlorinated polyisatin phenylene (step c).

본 단계에서 상기 반응은 50 내지 70℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 53 내지 67, 더욱 더 바람직하게는 58 내지 62℃에서 수행될 수 있다.In this step, the reaction is preferably performed at a temperature of 50 to 70°C, more preferably 53 to 67°C, and even more preferably 58 to 62°C.

또한 상기 반응은 비활성 기체 분위기 하에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 비활성 기체는 18족 원소인 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar)을 비롯하여 질소(N2)를 포함하고, 더욱 바람직하게는 질소 기체 분위기에서 수행될 수 있다.Additionally, the reaction is preferably performed under an inert gas atmosphere. The inert gas includes group 18 elements such as helium (He), neon (Ne), and argon (Ar), as well as nitrogen (N 2 ), and more preferably, the operation may be performed in a nitrogen gas atmosphere.

다음으로, 상기 염소화된 폴리이사틴 페닐렌을 설파모일 할라이드(sulfamoyl halide)와 반응시켜 하기 구조식 1로 표시되는 화합물을 제조한다(단계 d).Next, the chlorinated polyisatin phenylene is reacted with sulfamoyl halide to prepare a compound represented by the following structural formula 1 (step d).

상기 설파모일 할라이드(sulfamoyl halide)는 설파모일 플로라이드(sulfamoyl fluoride), 설파모일 클로라이드(sulfamoyl chloride), 설파모일 브로마이드(sulfamoyl bromide), 및 설파모일 아이오다이드(sulfamoyl iodide) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 설파모일 플로라이드(sulfamoyl fluoride) 또는 설파모일 클로라이드(sulfamoyl chloride), 더욱 더 바람직하게는 설파모일 플로라이드(sulfamoyl fluoride) 일 수 있다.The sulfamoyl halide may be any one selected from sulfamoyl fluoride, sulfamoyl chloride, sulfamoyl bromide, and sulfamoyl iodide. Preferably, it may be sulfamoyl fluoride or sulfamoyl chloride, and even more preferably, it may be sulfamoyl fluoride.

본 단계에서 상기 반응은 20 내지 30℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 22 내지 27, 더욱 더 바람직하게는 24 내지 26℃에서 수행될 수 있다.In this step, the reaction is preferably performed at a temperature of 20 to 30°C, more preferably 22 to 27°C, and even more preferably 24 to 26°C.

또한, 본 발명은 상기 연료전지 전해질용 폴리(이사틴-페닐렌)계 고분자를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막을 제공한다.In addition, the present invention provides a polymer electrolyte membrane for fuel cells containing the poly(isatin-phenylene)-based polymer for fuel cell electrolytes.

또한, 본 발명은 연료전지 전해질용 폴리(이사틴-페닐렌)계 고분자의 제조방법을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법을 제공한다.Additionally, the present invention provides a method for producing a polymer electrolyte membrane for fuel cells, including a method for producing a poly(isatin-phenylene)-based polymer for a fuel cell electrolyte.

또한, 본 발명은 상기 연료전지용 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지를 제공한다.Additionally, the present invention provides a fuel cell including the polymer electrolyte membrane for fuel cells.

또한, 본 발명은 상기 연료전지를 포함하는 전기 디바이스를 제공한다.Additionally, the present invention provides an electric device including the fuel cell.

상기 전기 디바이스는 통신장치, 운송장치, 에너지 저장장치, 음향장치 등일 수 있다.The electrical device may be a communication device, a transportation device, an energy storage device, an acoustic device, etc.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 들어 구체적으로 설명하도록 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples.

[실시예][Example]

도 1은 실시예 1의 폴리(이사틴-페닐렌)계 고분자의 제조과정을 나타낸 반응식이다. 이하, 반응식 1을 참조하여 실시예 1의 폴리(이사틴-페닐렌)계 고분자의 제조과정을 설명하도록 한다.Figure 1 is a reaction scheme showing the manufacturing process of the poly(isatin-phenylene)-based polymer of Example 1. Hereinafter, the manufacturing process of the poly(isatin-phenylene)-based polymer of Example 1 will be described with reference to Scheme 1.

제조예 1: N-메틸 이사틴(N-methyl isatin) 합성Preparation Example 1: Synthesis of N-methyl isatin

아세토나이트릴(131.5 mL)에 이사틴(5.00 g, 33.98mmol), 포타슘 카보네이트(5.64 g, 40.78 mmol), 및 메틸 아이오다이드(methyl iodide)(2.54 mL, 40.78mmol)을 혼합하여 250mL 1-구 플라스크에 넣고, 응축기를 장착하고 80 ℃에서 24 시간 동안 N2 분위기에서 환류하였다. 혼합물을 여과하고 여액을 감압 하에 증발시켰다. 그후, 수득한 적색 고체를 DMC에 녹인 후 다시 여과하여 잔류염을 제거하였다. 추가 증발 후 미정제 적색 N- 메틸 이사틴을 얻었다. 정제를 위해 에탄올을 사용하고 생성된 모노머를 80 ℃ 진공 오븐에서 밤새 건조시켰다. 그 결과, 95.66 %의 수율로 적색 결정형 N- 메틸 이사틴 (5.23g)을 얻었다.Acetonitrile (131.5 mL) was mixed with isatin (5.00 g, 33.98 mmol), potassium carbonate (5.64 g, 40.78 mmol), and methyl iodide (2.54 mL, 40.78 mmol) to make 250 mL 1- It was placed in an old flask, equipped with a condenser, and refluxed in a N 2 atmosphere at 80° C. for 24 hours. The mixture was filtered and the filtrate was evaporated under reduced pressure. Afterwards, the obtained red solid was dissolved in DMC and filtered again to remove residual salts. After further evaporation, crude red N-methylisatin was obtained. Ethanol was used for purification and the resulting monomer was dried in a vacuum oven at 80 °C overnight. As a result, red crystalline N-methylisatin (5.23 g) was obtained with a yield of 95.66%.

제조예 2: 설파모일 플로라이드(sulfamoyl fluoride) 합성Preparation Example 2: Synthesis of sulfamoyl fluoride

설파모일 플로라이드 합성 장치는 250 mL 1-구 플라스크, 콘덴서, 딘 스타크 트랩(dean stark trap)으로 구성된다. 안티모니 트리플로라이드(Antimony trifluoride)(22.10g, 123.65mmol) 및 클로로설포닐 이소시아네이트(chlorosulfonyl isocyanate)(50.00g, 353.28mmol)를 1-구 플라스크에 넣고 실온에서 교반하였다. 누출방지 반응을 위하여 테프론 테이프와 은박지로 전체 시스템을 밀봉한 후 딘 스타크 트랩 및 콘덴서를 설치하였다. 혼합물을 N2 가스 하에서 80℃에서 24 시간 동안 빠르게 교반하여 딘 스타크 트랩 안에 투명한 액체 (40.40g)를 수집하였다. 중간 생성물을 컨덴서가 장착된 250 mL 2구 플라스크에 옮기고 포름산(18.10 mL, 479.69mmol)을 0℃에서 적가하여 첨가하였다. 이후, 모든 물질을 N2 하 실온에서 15 시간 동안 반응시켰다. 응축기는 신속하게 제거하고 설파모일 플로라이드(12.68g)를 65℃에서 4시간 동안 미리 설치된 증류 시스템을 통해 수집하였다.The sulfamoyl fluoride synthesis apparatus consists of a 250 mL 1-neck flask, a condenser, and a dean stark trap. Antimony trifluoride (22.10 g, 123.65 mmol) and chlorosulfonyl isocyanate (50.00 g, 353.28 mmol) were added to a one-neck flask and stirred at room temperature. To prevent leakage, the entire system was sealed with Teflon tape and silver foil, and then a Dean-Stark trap and condenser were installed. The mixture was stirred rapidly at 80° C. for 24 hours under N 2 gas to collect a clear liquid (40.40 g) in a Dean Stark trap. The intermediate product was transferred to a 250 mL two-necked flask equipped with a condenser, and formic acid (18.10 mL, 479.69 mmol) was added dropwise at 0°C. Afterwards, all materials were reacted at room temperature under N 2 for 15 hours. The condenser was quickly removed and sulfamoyl fluoride (12.68 g) was collected through the pre-installed distillation system at 65°C for 4 hours.

제조예 3: 전구체 폴리이사틴 페닐렌(PiP) 중합 Preparation Example 3: Precursor polyisatin phenylene (PiP) polymerization

전구체 폴리머인 PiP는 초강산(superacid) TFSA(trifluoromethanesulfonic acid)를 촉매로 사용하는 Friedel-Crafts 반응을 통해 바이페닐 및 제조예 1에 따라 제조된 N-메틸 이사틴으로부터 제조되었다. N-메틸 이사틴(6.50g, 40.36mmol), 바이페닐(5.18g, 33.63mmol) 및 DMC (16.40mL)의 혼합물을 기계식 교반기가 장착된 100 mL 2-구 플라스크에 넣었다. TFSA (50g)를 동결 조건 하에서 플라스크에 적가하였다. 다음으로, 고점도의 암적색 용액이 형성될 때까지 반응 용기를 실온에서 유지시켰다. 점성 용액을 메탄올에 천천히 부어 생성된 폴리머를 추출하고 침전물을 용액이 중성 상태가 될 때까지 메탄올과 탈이온수로 반복적으로 세척하였다. 여과 후 60℃ 오븐에서 하룻밤 건조하여 백색 폴리머 (9.70g)를 얻었다. PiP, a precursor polymer, was prepared from biphenyl and N-methyl isatin prepared according to Preparation Example 1 through the Friedel-Crafts reaction using the superacid trifluoromethanesulfonic acid (TFSA) as a catalyst. A mixture of N-methyl isatin (6.50 g, 40.36 mmol), biphenyl (5.18 g, 33.63 mmol) and DMC (16.40 mL) was placed in a 100 mL 2-necked flask equipped with a mechanical stirrer. TFSA (50 g) was added dropwise to the flask under freezing conditions. Next, the reaction vessel was maintained at room temperature until a highly viscous dark red solution was formed. The viscous solution was slowly poured into methanol to extract the resulting polymer, and the precipitate was washed repeatedly with methanol and deionized water until the solution became neutral. After filtration, it was dried overnight in an oven at 60°C to obtain a white polymer (9.70g).

제조예 4: 술폰화(sulfonation)된 폴리이사틴 페닐렌(SPiP) 제조Preparation Example 4: Preparation of sulfonation polyisatin phenylene (SPiP)

술폰화된 폴리머(SPIP)는 제조예 3에서 제조된 PiP (5.00g, 16.81mmol)를 DMC (50mL)에 실온에서 완전히 용해시키고, 클로로 술폰산(chlorosulfonic acid) (8.94mL)을 얼음 배스에서 둥근 플라스크에 적가함으로써 얻었다. 용액을 실온에서 2 시간 30 분 동안 N2 하에 교반하고 탈이온수에 천천히 옮겨 설포네이트 폴리머를 추출하고 잔류 산을 제거하였다. 생성된 SPiP를 여과하고 탈 이온수가 중성 상태가 될 때까지 반복적으로 세척하였다. 마지막으로 60 ℃ 오븐에서 밤새 건조시킨 후 핑크색 SPiP (8.56g)를 얻었다.For the sulfonated polymer (SPIP), PiP (5.00 g, 16.81 mmol) prepared in Preparation Example 3 was completely dissolved in DMC (50 mL) at room temperature, and chlorosulfonic acid (8.94 mL) was added to a round flask in an ice bath. It was obtained by adding dropwise to . The solution was stirred under N 2 for 2 hours and 30 minutes at room temperature and slowly transferred to deionized water to extract the sulfonate polymer and remove residual acid. The resulting SPiP was filtered and washed repeatedly with deionized water until it became neutral. Finally, pink SPiP (8.56 g) was obtained after drying in an oven at 60 °C overnight.

실시예 1: 염소화(Chlorination) 및 술폰이미드가 결합된 폴리이사틴 페닐렌(SIPiP)의 제조Example 1: Preparation of chlorination and sulfonimide-conjugated polyisatin phenylene (SIPiP)

응축기가 장착된 250 mL 2구 플라스크에 제조예 4에서 제조된 SPiP (5.00 g, 9.30 mmol) 및 티오닐 클로라이드(thionyl chloride) (60 mL)를 넣고 60℃, N2 하에서 24 시간 동안 빠르게 교반하였다. 미정제 염소화 폴리머를 증발시켜 용매를 제거하고 DMC로 약 2회 세척하여 불순물을 제거하였다. 증발 후, DMC (50 mL) 및 피리딘 (2 방울)을 각각 용매 및 촉매로 첨가하여 진행시켰다. 이후 DMC (15mL)에 용해된 설파모일 플루오라이드 (3.30g, 33.5mmol)의 용액을 얼음 배스에서 반응 혼합물에 적가하였다. 상온에서 24 시간 교반한 후 탈 이온수 500 mL에 붓고 60 ℃ 오븐에서 밤새 여과 건조하여 백색 폴리머인 SIPIP를 얻었다.SPiP (5.00 g, 9.30 mmol) and thionyl chloride (60 mL) prepared in Preparation Example 4 were added to a 250 mL two-necked flask equipped with a condenser and stirred rapidly at 60°C under N 2 for 24 hours. . The crude chlorinated polymer was evaporated to remove the solvent and washed with DMC approximately twice to remove impurities. After evaporation, DMC (50 mL) and pyridine (2 drops) were added as solvent and catalyst, respectively. Then, a solution of sulfamoyl fluoride (3.30 g, 33.5 mmol) dissolved in DMC (15 mL) was added dropwise to the reaction mixture in an ice bath. After stirring at room temperature for 24 hours, the mixture was poured into 500 mL of deionized water and filter-dried in an oven at 60°C overnight to obtain SIPIP, a white polymer.

실시예 2: SIPiP 전해질막 제조Example 2: Preparation of SIPiP electrolyte membrane

전해질막은 NMP에 폴리머를 용해하고 사각형 실리콘 모듈이 있는 유리판에 캐스팅하여 제조하였다. 블렌딩 막은 간단한 캐스팅 방법을 통해 제조하였다. SIPiP를 NMP에 깨끗이 녹이고 혼합한 후 60 ℃에서 교반하여 균일한 용액을 얻었다. 유리판 위에 고분자 용액을 캐스팅한 후, 유리판 위의 용액은 NMP를 제거하기 위해 24 시간 동안 80 ℃ 오븐에 두었고 막의 두께는 100 ± 20 mm 이내가 되도록 하였다.The electrolyte membrane was manufactured by dissolving the polymer in NMP and casting it on a glass plate with a square silicon module. The blending membrane was prepared through a simple casting method. SIPiP was clearly dissolved in NMP, mixed, and stirred at 60°C to obtain a uniform solution. After casting the polymer solution on a glass plate, the solution on the glass plate was placed in an oven at 80°C for 24 hours to remove NMP, and the film thickness was ensured to be within 100 ± 20 mm.

실시예 3: SPiP + SIPiP 블렌딩 전해질막 제조Example 3: Preparation of SPiP + SIPiP blended electrolyte membrane

SIPiP를 단독으로 사용하지 않고, SPiP와 SIPiP를 동량으로 혼합하여 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 조건으로 전해질막을 제조하였다.An electrolyte membrane was manufactured under the same conditions as in Example 2, except that SIPiP was not used alone, but SPiP and SIPiP were mixed in equal amounts.

비교예 1: PiP 전해질막 제조Comparative Example 1: Preparation of PiP electrolyte membrane

SIPiP 대신에 PiP를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 조건으로 전해질막을 제조하였다.An electrolyte membrane was manufactured under the same conditions as in Example 2, except that PiP was used instead of SIPiP.

비교예 2: Comparative Example 2: SPiPSPiP 전해질막 제조 Electrolyte membrane manufacturing

SIPiP 대신에 SPiP를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 조건으로 전해질막을 제조하였다.An electrolyte membrane was manufactured under the same conditions as Example 2, except that SPiP was used instead of SIPiP.

[시험예][Test example]

실험예 1: NMR 분석Experimental Example 1: NMR analysis

도 2는 제조예 1에 따라 제조된 N-메틸 이사틴의 1H NMR 분석결과이다. Figure 2 shows the 1H NMR analysis results of N-methyl isatin prepared according to Preparation Example 1.

이에 따르면, N-메틸 이사틴 단량체는 이사틴(isatin)과 메틸 아이오다이드(methyl iodide)로부터 성공적으로 합성된 것을 확인하였다. 4개의 페닐기 양성자가 6.90 - 7.46ppm에서 나타났고, 새로운 주목할 만한 CH3 양성자 이동이 3.29ppm에서 발견되었으며 이는 이전 연구와도 일치하였다. According to this, it was confirmed that N-methyl isatin monomer was successfully synthesized from isatin and methyl iodide. Four phenyl protons appeared at 6.90 - 7.46 ppm, and a new notable CH 3 proton shift was found at 3.29 ppm, which was also consistent with previous studies.

설파모일 플로라이드의 화학적 구조는 19 F NMR 및 1H NMR로 확인되었고, 불소 피크는 59 ppm에서 관찰되었으며 양성자 피크는 8.12 ppm에서 관찰되었다.The chemical structure of sulfamoyl fluoride was confirmed by 19F NMR and 1H NMR, the fluorine peak was observed at 59 ppm and the proton peak was observed at 8.12 ppm.

한편, N-메틸 이사틴 및 바이페닐을 사용하여 초강산 촉매 폴리하이드록시-알킬화 반응(polyhydroxy-alkylation reaction)을 통해 전구체 폴리머 PiP를 합성하였다. 친전자체(electrophiles)와 상호작용하는 Brønsted 또는 Lewis 강산의 메커니즘은 Olah 등에 의해 설명된 바 있다. 간단히 말해서, N-메틸 이사틴에 존재하는 카보닐 및 아민기가 TFSA에 의해 양성자화되어 초친전자성을 형성한 다음 전자가 풍부한 바이페닐과 초친전자성의 반응에 따라 새로운 탄소-탄소 결합을 생성한 것이다. 더욱이, 중합 속도는 N- 메틸 이사틴의 양에 크게 의존하기 때문에 약간의 여분의 N- 메틸 이사틴을 중합에 첨가하여 반응 속도와 PiP의 분자량을 증가시켰다. 그러나 과도한 단량체는 폴리머의 가교를 유발할 수 있다. 따라서 N-메틸 이사틴의 과잉은 항상 바이페닐의 120 %로 유지하였다.Meanwhile, the precursor polymer PiP was synthesized through a super acid-catalyzed polyhydroxy-alkylation reaction using N-methyl isatin and biphenyl. The mechanism of Brønsted or Lewis strong acids interacting with electrophiles has been described by Olah et al. Briefly, the carbonyl and amine groups present in N-methyl isatin are protonated by TFSA to form a superelectrophilicity, and then a new carbon-carbon bond is created through the superelectrophilic reaction with the electron-rich biphenyl. . Moreover, since the polymerization rate is highly dependent on the amount of N-methylisatin, a little extra N-methylisatin was added to the polymerization to increase the reaction rate and the molecular weight of PiP. However, excessive monomer can cause cross-linking of the polymer. Therefore, the excess of N-methyl isatin was always maintained at 120% of biphenyl.

도 3은 제조예 3에 따라 제조된 PiP의 1H NMR (CDCl3에 용해됨) 분석 결과이다. 이에 따르면, PiP에서 4개의 양성자와 8개의 메틸 이사틴과 페닐기의 양성자가 6.91 ~ 7.46ppm 사이에서 검출되었으며, 메틸 양성자는 여전히 3.29ppm에서 나타났다.Figure 3 shows the results of 1H NMR (dissolved in CDCl 3 ) analysis of PiP prepared according to Preparation Example 3. According to this, in PiP, 4 protons and 8 protons of methyl isatin and phenyl group were detected between 6.91 and 7.46 ppm, and methyl protons still appeared at 3.29 ppm.

이후, SPiP는 실온에서 PiP와 클로로술폰산(chlorosulfonic acid)으로 제조하였다. 반응 시간과 산의 양은 고도의 술폰화된 폴리머를 생성하는 데 매우 중요한 역할을 한다. 과도한 반응시간은 술폰화된 폴리머를 물에 용해시키므로 반응시간은 3 시간 이내에 제어하였다. Afterwards, SPiP was prepared from PiP and chlorosulfonic acid at room temperature. Reaction time and acid amount play a very important role in producing highly sulfonated polymers. Since excessive reaction time causes the sulfonated polymer to dissolve in water, the reaction time was controlled within 3 hours.

도 4는 제조예 4에 따라 제조된 SPiP의 1H NMR 분석 결과이다. 도 3의 PiP NMR의 결과와 비교할 때 새로운 신호가 4.25 ppm에서 나타났으며, 이는 술폰기에 해당하고, 술폰기가 폴리머와 성공적으로 반응했음을 확인할 수 있다. SIPiP는 2 단계를 통해 합성된다. 폴리머의 염소화 과정에서 기밀(airtight) 반응은 반응물과 수분 사이의 접촉을 방지하여 Cl가 H로 치환되는 것을 방지하는 데 중요한 역할을 한다.Figure 4 shows the results of 1H NMR analysis of SPiP prepared according to Preparation Example 4. Compared to the PiP NMR results in Figure 3, a new signal appeared at 4.25 ppm, which corresponds to the sulfone group, and it can be confirmed that the sulfone group successfully reacted with the polymer. SIPiP is synthesized through two steps. In the chlorination process of polymers, the airtight reaction plays an important role in preventing the substitution of Cl with H by preventing contact between the reactants and moisture.

도 5는 실시예 1에 따라 제조된 SIPiP의 1H NMR 분석결과이다. 이에 따르면, 3개의 메틸 이사틴 양성자와 6 개의 페닐기 양성자는 여전히 6.9 - 7.2 ppm에서 검출되었다.Figure 5 shows the 1H NMR analysis results of SIPiP prepared according to Example 1. According to this, three methyl isatin protons and six phenyl group protons were still detected at 6.9 - 7.2 ppm.

실험예 2: FT-IR 및 GPC 분석Experimental Example 2: FT-IR and GPC analysis

도 6은 제조예 3의 PiP 및 실시예 1의 SIPiP에 대한 FT-IR 분석 결과이다. 이에 따르면 술폰기 시그널은 8.85 ppm에서 이미드 양성자 시그널로 대체된다. SIPiP는 FT-IR에서도 확인할 수 있다. 설폰이미드의 특징적인 흡수 밴드는 -S=O 신축 진동(stretching vibration)에서 1300cm-1 및 1113cm-1 로 표시된다. 3500cm-1의 넓은 피크는 술폰이미드기 주변의 물분자와 술폰이미드의 -N-H 신장 진동에 할당되었으며, -N-H의 굽힘 진동은 1693cm-1에서 함께 -C = O 신축진동(stretching vibration)과 함께 관찰되었다. 상술한 바와 같은 1H NMR 및 FT-IR 데이터는 단량체와 폴리머 모두의 성공적인 합성을 보여준다. Figure 6 shows the results of FT-IR analysis for the PiP of Preparation Example 3 and the SIPiP of Example 1. According to this, the sulfonic group signal is replaced by the imide proton signal at 8.85 ppm. SIPiP can also be confirmed in FT-IR. The characteristic absorption bands of sulfonimide are indicated at 1300 cm -1 and 1113 cm -1 at -S=O stretching vibration. The broad peak at 3500 cm -1 was assigned to the -NH stretching vibration of the water molecules around the sulfonimide group and the sulfonimide, and the bending vibration of -NH was combined with the -C = O stretching vibration at 1693 cm -1 . observed together. 1H NMR and FT-IR data as described above show successful synthesis of both monomer and polymer.

폴리머의 분자량은 GPC(Gel Permeation Chromatography)를 통해 확인할 수 있다. 이에 따르면, 제조예 3의 PiP는 39,000 ~ 58,000 범위의 중량평균분자량(Mw)을 나타내고, SPiP는 86,000 ~ 94,000 범위의 Mw를 나타내었다. SIPiP의 Mw는 110,000 ~ 122,000로 나타났다.The molecular weight of a polymer can be confirmed through GPC (Gel Permeation Chromatography). According to this, PiP of Preparation Example 3 showed a weight average molecular weight (Mw) in the range of 39,000 to 58,000, and SPiP showed an Mw in the range of 86,000 to 94,000. The Mw of SIPiP was found to be 110,000 to 122,000.

실험예 3: 전해질막의 열중량 분석(Thermogravimetric Analysis)Experimental Example 3: Thermogravimetric Analysis of Electrolyte Membrane

실시예 2, 3 및 비교예 1, 2에 따라 각각 제조된 전해질막의 안정성은 열중량 분석(TGA)으로 측정하여 그 결과를 도 7에 나타내었다. 이에 따르면, 비교예 1의 PiP 전해질막은 430 ℃까지 안정적으로 나타났다. 그러나 비교예 2의 SPiP 전해질막은 술폰산기에 의해 약 170 ℃에서 무게가 감소하기 시작하고, 두 번째로 525 ℃에서 800 ℃의 두 번째 분해는 주 폴리머 백본의 무게 손실에 해당된다.The stability of the electrolyte membranes prepared according to Examples 2 and 3 and Comparative Examples 1 and 2, respectively, was measured by thermogravimetric analysis (TGA), and the results are shown in FIG. 7. According to this, the PiP electrolyte membrane of Comparative Example 1 was stable up to 430°C. However, the SPiP electrolyte membrane of Comparative Example 2 begins to lose weight at about 170 °C due to sulfonic acid groups, and the second decomposition from 525 °C to 800 °C corresponds to the weight loss of the main polymer backbone.

또한, 실시예 2의 SIPiP 전해질막의 경우 200 ℃ 이전에 5 % 중량 감소가 감지되었는데, 이는 시료 처리 과정에서 흡수된 수분의 증발에 기인하는 것이고, 이를 통해 SIPiP 전해질막이 흡습성을 나타냄을 알 수 있다. 특히, 술폰이미드 분해는 술폰산 분해 온도보다 거의 100 ℃ 높은 275 ℃ 부근에서 시작되었다. 한편, 실시예 3의 블렌딩 전해질막의 중량손실곡선은 비교예 2의 SPiP 전해질 중량손실 곡선과 매우 유사하며 중량손실은 산기(acid group)와 주 폴리머 사슬의 분해 온도를 나타내는 170 ℃와 475 ℃ 부근에서 관찰되었다.In addition, in the case of the SIPiP electrolyte membrane of Example 2, a 5% weight loss was detected before 200°C, which is due to the evaporation of moisture absorbed during the sample processing process, and this shows that the SIPiP electrolyte membrane exhibits hygroscopicity. In particular, sulfonimide decomposition began around 275 °C, almost 100 °C higher than the sulfonic acid decomposition temperature. Meanwhile, the weight loss curve of the blended electrolyte membrane of Example 3 is very similar to the weight loss curve of the SPiP electrolyte of Comparative Example 2, and the weight loss is around 170 ℃ and 475 ℃, which represents the decomposition temperature of acid groups and main polymer chains. was observed.

전반적으로 TGA 결과는 SPiP, SIPiP 및 블렌딩 전해질막이 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 작동 온도 범위보다 훨씬 높은 열 안정성을 나타내는 것으로 나타났다.Overall, the TGA results showed that SPiP, SIPiP, and blended electrolyte membranes exhibited thermal stability well above the operating temperature range of polymer electrolyte fuel cells (PEMFC).

실험예 4: 전해질막의 셀 특성 분석Experimental Example 4: Analysis of cell characteristics of electrolyte membrane

수분 흡수는 내구성과 양성자 전도도에 영향을 미치는 중요한 막 매개변수이다. 그러나 과도한 수분 흡수는 물에 막이 용해되어 MEA(membrane electrode assembly) 실패로 이어질 수 있다.Water absorption is an important membrane parameter that affects durability and proton conductivity. However, excessive moisture absorption can lead to membrane electrode assembly (MEA) failure due to the membrane dissolving in water.

표 1과 도 8은 전해질막의 셀 특성을 분석한 결과이다. 이에 따르면, 실시예 2의 SIPiP 막 (59.39 %)와 실시예 3의 블렌딩 막 (45.41 %)은 80 ℃에서 비교예 2의 SPiP 막 (43.51 %)보다 더 높은 수분 흡수율을 나타낸다. 설폰 아미드기의 SO2는 음전하의 비편재화가 증가하고, 이는 막과 물 분자 사이의 상호 작용을 촉진하는 것이다.Table 1 and Figure 8 show the results of analyzing the cell characteristics of the electrolyte membrane. According to this, the SIPiP membrane of Example 2 (59.39%) and the blended membrane of Example 3 (45.41%) exhibit higher water absorption than the SPiP membrane of Comparative Example 2 (43.51%) at 80°C. The SO 2 of the sulfonamide group increases the delocalization of the negative charge, which promotes the interaction between the membrane and water molecules.

[표 1][Table 1]

이 상호 작용은 팽창 비율에도 영향을 미친다. 실시예 2의 SIPiP 막은 두께와 길이 (30.84 %, 11.50 %)에서 가장 큰 변화를 보였으며 실시예 3의 블렌딩 막은 두께와 길이 (21.33 %, 11.20 %), 비교예 2의 SPiP는 두께와 길이 (19.65 %, 11.37 %)의 변화 순으로 나타났다.This interaction also affects the expansion rate. The SIPiP membrane of Example 2 showed the greatest change in thickness and length (30.84%, 11.50%), the blending membrane of Example 3 showed the greatest change in thickness and length (21.33%, 11.20%), and the SPiP of Comparative Example 2 showed the greatest change in thickness and length (21.33%, 11.20%). The order of change was 19.65%, 11.37%).

이와 같은 증거는 또한 설폰 이미드기의 강한 친수성을 시사한다. 이온교환용량(IEC)은 수분 흡수에 크게 의존하고, 이는 수분 흡수가 양성자 교환 채널 형성에 역할을 하기 때문이다. 따라서, 비교예 2의 SPiP, 실시예 2의 SIPiP 및 실시예 3의 블렌딩 막에 대해 각각 1.85 meq./g, 2.50 meq./g 및 2.20 meq./g로 80 ℃에서 적정되었다. 이들은 모두 80 ℃에서 Nafion211® (0.91 meq./g)보다 더 높은 IEC를 나타냈다.This evidence also suggests the strong hydrophilic nature of the sulfone imide group. Ion exchange capacity (IEC) is highly dependent on water absorption, since water absorption plays a role in forming proton exchange channels. Accordingly, the SPiP of Comparative Example 2, the SIPiP of Example 2, and the blended membrane of Example 3 were titrated at 1.85 meq./g, 2.50 meq./g, and 2.20 meq./g, respectively, at 80°C. They all showed higher IEC than Nafion211® (0.91 meq./g) at 80 °C.

실험예 5: 전해질막의 셀 특성 분석Experimental Example 5: Analysis of cell characteristics of electrolyte membrane

도 9는 막의 양성자 전도도(proton conductivity)를 상대습도 90 %, 40 - 80 ℃의 온도에서 측정한 결과이고, 도 10은 상대습도 30 - 90 %, 온도 80 ℃에서 측정된 결과이다.Figure 9 shows the results of measuring the proton conductivity of the membrane at a relative humidity of 90% and a temperature of 40 - 80°C, and Figure 10 shows the results of measurement at a relative humidity of 30 - 90% and a temperature of 80°C.

이에 따르면, 대부분의 탄화수소 전해질막에서 일반적으로 관찰되는 바와 같이, 막의 양성자 전도도는 온도 또는 상대습도의 증가에 따라 꾸준히 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 막의 양성자 전도도는 SIPiP > Blending > SPiP의 순으로 수분 흡수 및 이온교환용량(IEC) 경향과 일치하였다. 실시예 2의 SIPiP 막은 80 ℃ 및 상대습도 90 %에서 97.46 mS / cm의 매우 높은 양성자 전도도를 나타내었고 Nafion211® (101.22 mS / cm)와 유사한 수준으로 나타났다. 또한 유사한 IEC 및 화학 구조를 가진 다른 설폰 탄화수소(sulfonic hydrocarbon) 막과 비교하여 실시예 2의 SIPiP는 가장 우수한 막 성능을 나타내었다. 실제로, 막의 설폰 이미드기는 우수한 친수성을 나타내어 높은 IEC, 수분 흡수 및 양성자 전도도를 나타낸다. 그러나 고분자 사슬이 크면 친수성 영역과 소수성 영역 간의 상호 작용이 불량하여 막다른 채널과 좁은 채널이 형성될 수 있다. 따라서 이와 같은 막은 Nafion211®보다 낮은 전도도를 나타낼 수 있다.According to this, as is generally observed in most hydrocarbon electrolyte membranes, the proton conductivity of the membrane was found to steadily increase with an increase in temperature or relative humidity. Additionally, the proton conductivity of the membrane was consistent with the water absorption and ion exchange capacity (IEC) trends in the order of SIPiP > Blending > SPiP. The SIPiP membrane of Example 2 exhibited a very high proton conductivity of 97.46 mS/cm at 80°C and 90% relative humidity, a level similar to that of Nafion211® (101.22 mS/cm). Additionally, compared to other sulfonic hydrocarbon membranes with similar IEC and chemical structure, SIPiP of Example 2 showed the best membrane performance. In fact, the sulfone imide group of the membrane exhibits excellent hydrophilicity, resulting in high IEC, water absorption and proton conductivity. However, when the polymer chain is large, the interaction between the hydrophilic and hydrophobic regions is poor, which can lead to the formation of dead-end channels and narrow channels. Therefore, such a membrane may exhibit lower conductivity than Nafion211®.

실험예 6: 전해질막의 안정성 분석Experimental Example 6: Stability analysis of electrolyte membrane

도 11의 (a)는 술폰화된 폴리머 막과 Nafion 211®에 대한 Fenton's 시약 테스트 결과이다. 이에 따르면, 막의 화학적 산화 안정성 시험은 도 11의 (a)와 같이 8시간 동안 뜨거운 Fenton 시약의 존재 하에서 중량 감소를 나타냈다. 합성된 막의 산화 안정성은 Nafion 211®보다 낮지만 실시예 2의 SIPiP 막은 합성된 막 중 가장 높은 화학적 안정성을 나타냈다. 이러한 안정성은 고분자 골격에 불소 원자를 도입하여 산화성이 높은 라디칼 종에 노출된 고분자의 산화 안정성을 효과적으로 개선하기 때문이다.Figure 11 (a) shows the results of Fenton's reagent test for sulfonated polymer membrane and Nafion 211®. According to this, the chemical oxidation stability test of the membrane showed a weight loss in the presence of hot Fenton reagent for 8 hours, as shown in Figure 11 (a). Although the oxidation stability of the synthesized membrane was lower than that of Nafion 211®, the SIPiP membrane of Example 2 showed the highest chemical stability among the synthesized membranes. This stability is because the introduction of fluorine atoms into the polymer skeleton effectively improves the oxidation stability of the polymer exposed to highly oxidizing radical species.

도 11의 (b)은 상대습도 50%이고 막의 수팽윤(water-swelling)이 없는 상태에서 인장응력(Tensile stress) 및 파단 연신율(elongation break) 측정 결과이다. 이에 따르면, 합성된 막의 인장 강도는 20.2 ~ 42.8 MPa로 Nafion 211® (17.40 MPa)보다 높았다. 실시예 2의 SIPiP 막의 인장 응력은 비교예 2의 SPiP 막 보다 낮으며, 이는 MEA(membrane electrode assembly)의 제조 중에 더 짧은 변형 속도를 반영하는 SPiP에 비해 SIPiP의 높은 팽창 비율에 기인하는 것으로 보인다. 그러나 합성된 막의 파단 신율(elongation at break)은 Nafion 211®보다 현저히 낮아 막 전해질 조립 공정에서 짧은 변형 속도를 반영한다.Figure 11 (b) shows the results of measuring tensile stress and elongation break at a relative humidity of 50% and without water-swelling of the membrane. According to this, the tensile strength of the synthesized membrane was 20.2 ~ 42.8 MPa, which was higher than that of Nafion 211® (17.40 MPa). The tensile stress of the SIPiP membrane of Example 2 is lower than that of the SPiP membrane of Comparative Example 2, likely due to the higher expansion ratio of SIPiP compared to SPiP, which reflects the shorter strain rate during fabrication of the membrane electrode assembly (MEA). However, the elongation at break of the synthesized membrane is significantly lower than that of Nafion 211®, reflecting the short strain rate during the membrane electrolyte assembly process.

실험예 7: 원자력 현미경(AFM) 이미지 분석Experimental Example 7: Atomic force microscopy (AFM) image analysis

도 12는 원자력 현미경(AFM) 이미지 분석결과로서 각각 (a) 비교예 2의 SPiP 막, (b) 실시예 2의 SIPiP 막, (c) 실시예 3의 블렌딩 막에 대한 이미지이다.Figure 12 shows the results of atomic force microscopy (AFM) image analysis for (a) the SPiP film of Comparative Example 2, (b) the SIPiP film of Example 2, and (c) the blending film of Example 3, respectively.

이에 따르면, 각각의 이미지는 다른 화학 구조로 인해 다른 표면 패턴을 보여준다. 밝은 영역과 어두운 영역은 각각 막의 소수성 및 친수성 영역에 해당한다. SIPiP (b)는 소수성 영역과 친수성 영역의 우수한 분리를 보여주므로 충분한 양성자 수송을 제공할 수 있다. 대조적으로, 비교예 2의 SPiP 막(a)과 실시예 3의 블렌딩 막(c)의 분리는 불분명하고 혼재하여 있으므로 SIPiP에 비해 전도도 낮음을 알 수 있다. 게다가, SPiP와 블렌딩 막의 유사한 특성은 유사한 형태로 설명될 수 있다.According to this, each image shows a different surface pattern due to its different chemical structure. The bright and dark regions correspond to the hydrophobic and hydrophilic regions of the membrane, respectively. SIPiP (b) shows excellent separation of hydrophobic and hydrophilic regions and can therefore provide sufficient proton transport. In contrast, the separation of the SPiP membrane (a) of Comparative Example 2 and the blending membrane (c) of Example 3 was unclear and mixed, indicating that the conductivity was lower than that of SIPiP. Moreover, the similar properties of SPiP and blended membranes can be explained in similar fashion.

실험예 8: 연료전지의 전기화학적 특성 분석Experimental Example 8: Analysis of electrochemical properties of fuel cell

도 13은 완전히 가습된 주입 조건에서 70 ℃에서 측정된 비교예 2의 SPiP 막, 실시예 2의 SIPiP 막, 실시예 3의 블렌딩 막 및 Nafion 211® 막을 활용한 막전극접합체(MEA)를 포함하는 연료 전지에 대한 분극화 및 개방회로전압(OCV) 곡선을 나타낸 것이다.Figure 13 shows a membrane-electrode assembly (MEA) utilizing the SPiP membrane of Comparative Example 2, the SIPiP membrane of Example 2, the blended membrane of Example 3, and the Nafion 211® membrane measured at 70°C under fully humidified injection conditions. Polarization and open circuit voltage (OCV) curves for the fuel cell are shown.

이에 따르면, 모든 막전극접합체(MEA)의 개방회로전압(OCV)은 0.90V보다 높고, 인가된 전류가 증가함에 따라 전지 전압이 감소하며, 이는 모든 막이 수소와 산소의 연료 가스에 대해 양의 내성(positive tolerance)을 나타냄을 의미한다. 최대 전력 밀도는 Nafion 211® 보다는 낮은 값이나 SIPiP, SPiP 및 블렌딩 막에 대해 각각 0.58, 0.49 및 0.52 W/cm2 로 측정되었다. 실시예 2의 SIPiP 막의 술폰 이미드기가 탄화수소 막의 전기 화학적 특성을 증가 시켰음을 알 수 있다.According to this, the open circuit voltage (OCV) of all membrane electrode assemblies (MEA) is higher than 0.90 V, and the cell voltage decreases as the applied current increases, which means that all membranes have positive resistance to fuel gases of hydrogen and oxygen. It means indicating positive tolerance. The maximum power density was lower than that of Nafion 211® but was measured at 0.58, 0.49 and 0.52 W/cm 2 for SIPiP, SPiP and blended membranes, respectively. It can be seen that the sulfone imide group of the SIPiP membrane of Example 2 increased the electrochemical properties of the hydrocarbon membrane.

상술한 실험예들에 따르면, PiP의 주요 폴리머 전구체는 N-메틸 이사틴과 바이페닐에서 합성되었다. 이 과정에서 2 타입의 술폰화가 수행되었으며, 용융법(melting method)을 통해 SPiP 및 SIPiP로부터 블렌딩 막도 제조되었다. 모노머와 폴리머의 합성은 1H NMR과 FT-IR에 의해 조사되었다. SPiP, SIPiP, 블렌딩 막을 포함한 모든 폴리머는 170 ℃ 이하의 온도에서 우수한 열 안정성을 보였으며 이는 기본적으로 PEMFC 장치의 열적이 요구를 충족하는 것이다. 또한, 본 발명의 SIPiP는 Nafion211®에 필적하는 매우 높은 이온교환용량(IEC)(80 ℃에서 2.56 meq./g) 및 양성자 전도도(97.46 mS / cm)를 나타내었다. 또한 설폰 이미드기의 초 기상 산성(super gas-phase acidity)으로 인해 전체 측정 중에 SIPiP의 거동이 SPiP 제어의 거동보다 더 우수하게 나타났다. 또한, AFM 분석은 탄화수소 막에 형성된 결함 채널이 Nafion211®과 비교하여 양성자 전도도를 감소시킨다는 것을 보여주었다. 또한 본 발명의 SIPiP 막은 Nafion 211®과 비교했을 때 100 % 상대습도 및 70 ℃에서 상당히 향상된 단일 셀 성능 (0.58 W/cm2)을 나타냈다. 또한, 이와 같은 결과는 본 발명의 SIPiP가 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 PFSA(perfluorinated sulfonic acid) 막 대안으로 SPiP보다 우수함을 알 수 있다. 따라서, 설폰 이미드기는 연료 전지 성능을 향상시키기 위한 설폰산 대체물이 될 수 있을 것으로 보인다.According to the above-mentioned experimental examples, the main polymer precursor of PiP was synthesized from N-methyl isatin and biphenyl. In this process, two types of sulfonation were performed, and blended membranes were also prepared from SPiP and SIPiP through the melting method. The synthesis of monomers and polymers was investigated by 1H NMR and FT-IR. All polymers, including SPiP, SIPiP, and blended membranes, showed excellent thermal stability at temperatures below 170 °C, which basically meets the thermal requirements of PEMFC devices. Additionally, the SIPiP of the present invention exhibited very high ion exchange capacity (IEC) (2.56 meq./g at 80°C) and proton conductivity (97.46 mS/cm) comparable to Nafion211®. Additionally, due to the super gas-phase acidity of the sulfone imide group, the behavior of SIPiP was found to be better than that of the SPiP control during the entire measurement. Additionally, AFM analysis showed that defect channels formed in the hydrocarbon film reduce the proton conductivity compared to Nafion211®. Additionally, the SIPiP membrane of the present invention showed significantly improved single cell performance (0.58 W/cm 2 ) at 100% relative humidity and 70°C when compared to Nafion 211®. Additionally, these results show that the SIPiP of the present invention is superior to SPiP as an alternative to the perfluorinated sulfonic acid (PFSA) membrane of polymer electrolyte fuel cells (PEMFC). Therefore, it appears that sulfone imide groups can be substitutes for sulfonic acids to improve fuel cell performance.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described above, those skilled in the art can add, change, delete or add components without departing from the spirit of the present invention as set forth in the patent claims. The present invention may be modified and changed in various ways, and this will also be included within the scope of rights of the present invention.

Claims (20)

하기 구조식 1로 표시되는 연료전지 전해질용 고분자; 및
술폰산기(-SO3H)가 결합된 폴리(이사틴-페닐렌);를 포함하는 블렌딩 막인 연료전지용 고분자 전해질막;
[구조식 1]

구조식 1에서,
n은 반복단위수이고,
R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소원자, 또는 C1 내지 20 알킬기이고,
R4 내지 R6은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 플루오르기, 클로로기, C1 내지 C20의 클로로알킬기, 또는 C1 내지 C20의 플루오로알킬기이고,
R7은 C1 내지 20 알킬기이고,
상기 구조식 1로 표시되는 화합물은 중량평균분자량(Mw)이 50,000 ~ 200,000이다.
A polymer for fuel cell electrolyte represented by structural formula 1 below; and
A polymer electrolyte membrane for fuel cells, which is a blending membrane containing poly(isatin-phenylene) to which a sulfonic acid group (-SO 3 H) is bonded;
[Structural Formula 1]

In structural formula 1,
n is the number of repeat units,
R 1 to R 3 are the same or different from each other, and each independently represents a hydrogen atom or a C1 to 20 alkyl group,
R 4 to R 6 are the same as or different from each other, and are each independently a fluorine group, a chloro group, a C1 to C20 chloroalkyl group, or a C1 to C20 fluoroalkyl group,
R 7 is a C1 to 20 alkyl group,
The compound represented by Structural Formula 1 has a weight average molecular weight (Mw) of 50,000 to 200,000.
제1항에 있어서,
상기 구조식 1에서,
n은 반복단위수이고,
R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소원자, 또는 C1 내지 10 알킬기이고,
R4 내지 R6은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 플루오르기, 클로로기, C1 내지 C10의 클로로알킬기, 또는 C1 내지 C10의 플루오로알킬기이고,
R7은 C1 내지 10 알킬기인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
According to paragraph 1,
In structural formula 1,
n is the number of repeat units,
R 1 to R 3 are the same or different from each other, and each independently represents a hydrogen atom or a C1 to 10 alkyl group,
R 4 to R 6 are the same as or different from each other, and are each independently a fluorine group, a chloro group, a C1 to C10 chloroalkyl group, or a C1 to C10 fluoroalkyl group,
R 7 is a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, characterized in that it is a C1 to 10 alkyl group.
제2항에 있어서,
상기 구조식 1에서,
n은 반복단위수이고,
R1 내지 R3은 수소원자이고,
R4 내지 R6은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 플루오르기이고,
R7은 메틸기인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
According to paragraph 2,
In structural formula 1,
n is the number of repeat units,
R 1 to R 3 are hydrogen atoms,
R 4 to R 6 are the same as or different from each other and are each independently a fluorine group,
R 7 is a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, wherein is a methyl group.
(a) N-알킬 이사틴 및 바이페닐을 유기용매에 넣어 초강산(superacid) 촉매 하에서 반응시켜 폴리이사틴 페닐렌(poly(isatine-phenylene))을 제조하는 단계;
(b) 상기 폴리이사틴 페닐렌을 유기용매에 용해시켜 클로로술폰산과 반응시켜 술폰화된 폴리이사틴 페닐렌을 제조하는 단계;
(c) 상기 술폰화된 폴리이사틴 페닐렌을 티오닐 클로라이드(thionyl chloride)와 반응시켜 염소화된(chlorinated) 폴리이사틴 페닐렌을 제조하는 단계; 및
(d) 상기 염소화된 폴리이사틴 페닐렌을 설파모일 할라이드(sulfamoyl halide)와 반응시켜 하기 구조식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 단계;를 포함하는 연료전지 전해질용 고분자의 제조방법.
[구조식 1]

구조식 1에서,
n은 반복단위수이고,
R1 내지 R3은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소원자, 또는 C1 내지 20 알킬기이고,
R4 내지 R6은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 플루오르기, 클로로기, C1 내지 C20의 클로로알킬기, 또는 C1 내지 C20의 플루오로알킬기이고,
R7은 C1 내지 20 알킬기이고,
상기 구조식 1로 표시되는 화합물은 중량평균분자량(Mw)이 50,000 ~ 200,000이다.
(a) preparing poly(isatine-phenylene) by reacting N-alkyl isatin and biphenyl in an organic solvent under a superacid catalyst;
(b) dissolving the polyisatin phenylene in an organic solvent and reacting it with chlorosulfonic acid to prepare sulfonated polyisatin phenylene;
(c) reacting the sulfonated polyisatin phenylene with thionyl chloride to produce chlorinated polyisatin phenylene; and
(d) reacting the chlorinated polyisatin phenylene with sulfamoyl halide to prepare a compound represented by the following structural formula 1.
[Structural Formula 1]

In structural formula 1,
n is the number of repeat units,
R 1 to R 3 are the same or different from each other, and each independently represents a hydrogen atom or a C1 to 20 alkyl group,
R 4 to R 6 are the same as or different from each other, and are each independently a fluorine group, a chloro group, a C1 to C20 chloroalkyl group, or a C1 to C20 fluoroalkyl group,
R 7 is a C1 to 20 alkyl group,
The compound represented by Structural Formula 1 has a weight average molecular weight (Mw) of 50,000 to 200,000.
제4항에 있어서,
단계 (a)에서,
상기 N-알킬 이사틴은 N-메틸 이사틴, N-에틸 이사틴, N-프로필 이사틴 및 N-부틸 이사틴 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지 전해질용 고분자의 제조방법.
According to paragraph 4,
In step (a),
A method for producing a polymer for fuel cell electrolyte, wherein the N-alkyl isatin is any one selected from N-methyl isatin, N-ethyl isatin, N-propyl isatin, and N-butyl isatin.
제4항에 있어서,
단계 (a)에서,
상기 초강산(superacid) 촉매는 트라이플루오로메테인설폰산(Trifluoromethanesulfonic acid, TFSA), 플루오로설폰산 Fluorosulfuric acid), 트리플루오로메탄올(Trifluoromethanol), 카보레인산(Carborane acid), 클로로설폰산(Chlorosulfonic acid), 및 플루오로붕산(Tetrafluoroboric acid) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지 전해질용 고분자의 제조방법.
According to paragraph 4,
In step (a),
The superacid catalyst is trifluoromethanesulfonic acid (TFSA), Fluorosulfuric acid, Trifluoromethanol, Carborane acid, and Chlorosulfonic acid. A method for producing a polymer for a fuel cell electrolyte, characterized in that it is selected from among acid) and fluoroboric acid.
제4항에 있어서,
단계 (a)의 상기 N-알킬 이사틴은 이사틴을 유기용매 하에서 알킬 할라이드(alkyl halide)와 반응시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지 전해질용 고분자의 제조방법.
According to paragraph 4,
The N-alkyl isatin of step (a) is a method for producing a polymer for fuel cell electrolyte, characterized in that it is produced by reacting isatin with an alkyl halide in an organic solvent.
제4항에 있어서,
상기 유기용매는 디메틸 카보네이트(DMC), 디클로로메탄(DCM), 아세토나이트릴(ACN), 트리클로로메탄(TCM), 디에틸 카보네이트(DEC), 및 에틸메틸 카보네이트(EMC) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지 전해질용 고분자의 제조방법.
According to paragraph 4,
The organic solvent is any one selected from dimethyl carbonate (DMC), dichloromethane (DCM), acetonitrile (ACN), trichloromethane (TCM), diethyl carbonate (DEC), and ethylmethyl carbonate (EMC). Method for producing polymers for fuel cell electrolytes, characterized by:
제4항에 있어서,
단계 (b)의 상기 반응은 20 내지 30℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 전해질용 고분자의 제조방법.
According to paragraph 4,
A method for producing a polymer for fuel cell electrolyte, characterized in that the reaction in step (b) is carried out at a temperature of 20 to 30 ° C.
제4항에 있어서,
단계 (b)의 상기 반응은 비활성 기체 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 전해질용 고분자의 제조방법.
According to paragraph 4,
A method for producing a polymer for fuel cell electrolyte, wherein the reaction in step (b) is performed under an inert gas atmosphere.
제4항에 있어서,
단계 (c)의 상기 반응은 50 내지 70℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 전해질용 고분자의 제조방법.
According to paragraph 4,
A method for producing a polymer for fuel cell electrolyte, characterized in that the reaction in step (c) is carried out at a temperature of 50 to 70 ° C.
제4항에 있어서,
단계 (c)의 상기 반응은 비활성 기체 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 전해질용 고분자의 제조방법.
According to paragraph 4,
A method for producing a polymer for fuel cell electrolyte, wherein the reaction in step (c) is performed under an inert gas atmosphere.
제4항에 있어서,
단계 (d)에서, 상기 설파모일 할라이드(sulfamoyl halide)는 설파모일 플로라이드(sulfamoyl fluoride), 설파모일 클로라이드(sulfamoyl chloride), 설파모일 브로마이드(sulfamoyl bromide) 및 설파모일 아이오다이드(sulfamoyl iodide) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지 전해질용 고분자의 제조방법.
According to paragraph 4,
In step (d), the sulfamoyl halide is selected from sulfamoyl fluoride, sulfamoyl chloride, sulfamoyl bromide and sulfamoyl iodide. A method for producing a polymer for fuel cell electrolyte, characterized in that any one of the selected methods.
제4항에 있어서,
단계 (d)의 반응은 20 내지 30℃ 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 전해질용 고분자의 제조방법.
According to paragraph 4,
A method for producing a polymer for fuel cell electrolyte, characterized in that the reaction in step (d) is carried out at a temperature of 20 to 30 ° C.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항의 연료전지용 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane for fuel cells of claim 1. 제18항의 연료전지를 포함하는 전기 디바이스.An electrical device comprising the fuel cell of claim 18. 제19항에 있어서,
상기 전기 디바이스는 통신장치, 운송장치, 에너지 저장장치, 및 음향장치 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 디바이스.
According to clause 19,
The electric device is any one selected from a communication device, a transportation device, an energy storage device, and an acoustic device.
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