KR20080022675A - Organic-inorganic composite polymer and polymer electrolyte membrane using the same - Google Patents

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Abstract

An organic-inorganic composite polymer, and a polymer electrolyte membrane for a fuel cell containing the polymer are provided to improve hydrogen ion conductivity, moldability and structural stability and to reduce the crossover of a reaction fuel or an oxidizing agent. An organic-inorganic composite polymer comprises 100 parts by weight of a sulfonated polysulfoneketone copolymer; and 0.1-14 parts by weight of an inorganic particle. Preferably the inorganic particle is selected from the group consisting of silicon oxide, phosphatoantimonic acid, phosphoric acid, cesium and phosphotungstic acid and has a particle size of 1 nm to 10 micrometers; and the sulfonated polysulfoneketone copolymer comprises an aromatic sulfone repeating unit, an aromatic ketone repeating unit and an aromatic repeating unit connecting the repeating units by ether bond.

Description

유기-무기 복합체 고분자 및 이를 이용한 고분자 전해질막{ORGANIC-INORGANIC COMPOSITE POLYMER AND POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE USING THE SAME}ORGANIC-INORGANIC COMPOSITE POLYMER AND POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE USING THE SAME}

도 1은 종래 나피온 115(Nafion 115)를 고분자 전해질막으로 이용한 경우의 메탄올 투과도 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 1 is a graph showing methanol permeability results when Nafion 115 is used as a polymer electrolyte membrane.

도 2는 종래 나피온 115(Nafion 115)를 고분자 전해질막으로 이용한 경우의 수소이온전도도 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing the results of hydrogen ion conductivity when Nafion 115 is used as a polymer electrolyte membrane.

본 발명은 유기-무기 복합체 고분자 및 이를 이용한 고분자 전해질막에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 술폰산기를 포함하는 고분자 전해질에 나노크기 내지 마이크로미터 크기의 무기입자를 첨가함으로써, 메탄올 투과도를 크게 감소시켜 연료전지에 사용되는 고분자 전해질막의 메탄올 크로스오버 현상을 줄이고, 이온전도성이 높으며, 구조적 안정성이 우수하여 저습조건에서도 파손되지 않는 경제성이 개선된 유기-무기 복합체 고분자 및 이를 이용한 연료전지용 고분자 전해질막에 관한 것이다.The present invention relates to an organic-inorganic composite polymer and a polymer electrolyte membrane using the same. More particularly, by adding nano-sized to micrometer-sized inorganic particles to a polymer electrolyte including a sulfonic acid group, methanol permeability is greatly reduced to reduce the fuel cell. The present invention relates to an organic-inorganic composite polymer having reduced methanol crossover, high ion conductivity, and excellent structural stability, which is not damaged even under low humidity conditions, and a polymer electrolyte membrane for a fuel cell using the same.

고분자 전해질 연료전지는 수소이온 교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료 전지이며, 고체 고분자 전해질 연료전지(SPEFC, Solid Polymer Electrolyte Fuel Cells), 수소이온 교환막 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells)등의 다양한 이름으로 불리고 있다.The polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell using a polymer membrane having hydrogen ion exchange characteristics as an electrolyte, and a solid polymer electrolyte fuel cell (SPEFC), a hydrogen ion exchange membrane fuel cell (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells) It is called various names.

상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 80 ℃ 정도로 낮고, 효율이 높으며, 전류밀도 및 출력밀도가 크고, 시동 시간이 짧은 동시에 부하변화에 따른 응답이 빠른 특성이 있다.The polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) has a low operating temperature of about 80 ° C., high efficiency, high current density and high output density, short start-up time, and quick response to load changes, compared to other types of fuel cells. have.

특히, 전해질로 고분자막을 사용하기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요 없고 반응기체의 압력변화에도 덜 민감하다. 또한 디자인이 간단하고 제작이 쉬우며 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점이 있기 때문에 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 무공해 차량의 동력원, 현지 설치형 발전, 이동용 전원, 군사용 전원 등 매우 다양한 분야에 응용될 수 있는 장점이 있다.In particular, since the polymer membrane is used as the electrolyte, there is no need for corrosion and electrolyte control, and it is less sensitive to changes in the pressure of the reactor. In addition, since the design is simple, easy to manufacture, and can produce a wide range of outputs, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) can be applied to a wide variety of fields such as a power source of a pollution-free vehicle, on-site power generation, mobile power, and military power. There are advantages to it.

연료전지는 시간이 흐를수록 그 개발 속도가 빨라져 시장 전망이 앞당겨지고 있다. 연료전지는 이미 기술적 검증이 상당부분 마친 상태이며, 경제적인 검증이 진행 중이다. 즉, 대량생산 구축에 따른 가격저하와 인프라의 구축이다. 여기에 환경규제문제, 각국 정부의 개발비와 세제 혜택 등 강력한 지원, 그리고 기존 에너지 및 자동차 산업분야 대기업의 노력 여하에 따라 시장전개가 진행될 것이며, 신에너지 산업분야의 지각변동이 예상된다. 한 가지 확실한 점은 연료전지는 21C 신에너지 흐름을 주도하는 대세라는 점이다. 이에, 연료전지 시장은 가정용 연료전지(Residential Power Generator)가 제일 선두에 설 것으로 전망되고 있다. 그 이유는 기존에 없던 신규시장이기 때문에 기술과 경제성으로 시장 침투가 시작되면 매우 빠르게 시장을 침투할 것으로 예상되기 때문이다.Fuel cells are developing faster as time goes by, leading to faster market prospects. Fuel cells have already undergone much technical verification, and economic verification is in progress. In other words, price reduction and infrastructure are being built by mass production. In addition, due to environmental regulations, strong support from the government's development costs and tax benefits, and the efforts of large companies in the existing energy and automotive industries, the market development will proceed, and the perception of the new energy industry is expected to change. One thing is certain: fuel cells are driving the 21C new energy stream. Accordingly, the fuel cell market is expected to be at the forefront of residential fuel cells (Residential Power Generator). The reason is that it is expected to penetrate the market very quickly when the market penetration begins with technology and economics because it is a new market that has not existed before.

한편, 연료전지는 미국에서 Remote Power Source의 개념으로 송배전망의 설치가 필요 없다는 장점을 내세우고 있으나, 실제로는 한국, 일본, 대만 등과 같이 도시가스 인프라가 잘 갖추어진 나라에서 시장 침투가 용이할 것으로 보인다. 이 경우 연료로 천연가스인 도시가스를 사용해야 하기 때문에 일본 등에서는 연료 개질기 분야에 많은 개발 노력을 진행하고 있다.On the other hand, fuel cells have the advantage of not needing to install transmission and distribution network as a concept of remote power source in the US, but in reality, it will be easy to penetrate the market in countries with well-equipped city gas infrastructure such as Korea, Japan, and Taiwan. . In this case, since the city gas, which is natural gas, must be used as a fuel, many development efforts have been made in the fuel reformer field in Japan and the like.

한편, 가정용 연료전지는 용량의 확대에 따라 사무실용, 소규모 공장용 등으로 응용이 될 수 있는데, 기존의 송배전망에 연결하여 분산화된 전력체계를 구축하는 것이 궁극적인 전개 방향이다. 따라서, 선진국에서는 지역 유틸리티 사업자 혹은 가정에서 양방향 검침 및 통신이 가능한 지능형 계량기 기술개발과 표준 제정을 위한 노력을 진행 중이다. 즉 전력 에너지와 정보통신 기술의 접목으로 새로운 분산 전력 시스템의 도입이 추진되고 있다.On the other hand, home fuel cells can be applied to offices, small factories, etc. as the capacity expands, and the ultimate development direction is to establish a distributed power system by connecting to an existing transmission and distribution network. Therefore, in developed countries, efforts are being made to develop intelligent meter technology and establish standards for bidirectional meter reading and communication at local utility operators or at home. In other words, the introduction of a new distributed power system is being promoted by combining power energy with information and communication technology.

연료전지의 큰 시장 중의 하나로는 자동차 시장인데, 각국 정부와 업계의 많은 노력에도 불구하고 아직은 경제성과 인프라 문제의 방향이 확실히 정립되어 있지 않은 실정이다. 연료전지는 응용 분야 중에 상업화에 대한 비용 압력을 가장 심하게 받고 있다. 미국의 Clean Air Act 법에 의해 강제적으로 무공해차가 도입되는 2003년 시점이 상용화가 시작되는 시점으로 판단하고 있으며, 이후 서서히 연료전지차의 도입이 증가할 것으로 보인다. 기존의 내연기관 차량을 대체하는 것은 길게는 100년이 필요할지도 모른다. 예를 들어 2000년 국내 자동차 보유대수가 1,200만대 정도이며, 1년에 12만대가 교체되어도 100년이 필요하다. 따라서 연료전 지 차량과 기존의 내연기관 차량이 오랜 기간 동안 함께 공존할 것으로 보여 연료 및 인프라의 문제를 함께 포함한 경제성이 주요 현안이 될 것이다.One of the biggest markets for fuel cells is the automotive market. Despite many efforts by governments and industries, the direction of economics and infrastructure has not been clearly established yet. Fuel cells are most heavily under cost pressure for commercialization among applications. In 2003, when pollution-free cars are forcibly introduced under the Clean Air Act of the United States, commercialization begins. The introduction of fuel cell vehicles is expected to increase gradually. Replacing an existing internal combustion engine vehicle may take 100 years. For example, in 2000, the number of domestic automobiles is about 12 million, and 100 years are required even if 120,000 units are replaced a year. Therefore, fuel cell vehicles and existing internal combustion engine vehicles will coexist for a long time together, and economic feasibility including fuel and infrastructure problems will be a major issue.

연료전지는 현재 2차전지의 시장을 대체할 수 있을 것으로 판단되며, 소형 휴대전자기기(Portable Electronics)용 연료전지는 연로로서 수소대신 메탄올을 사용하는 직접메탄올 연료전지가 주목을 받고 있다. 핸드폰, PDA, 노트북 PC 등 무선 통신기기의 급격한 성장은, 충전을 필요로 하는 기존의 리튬계 2차전지를 대체할 수 있는 새로운 개념인, 충전이 필요 없고 출력밀도가 높은 연료전지, 즉 사용자 편의성을 크게 높인 새로운 전력원인 연료전지의 상업화를 촉진시키고 있다. 그런데, 이 분야는 제품의 비용 압력은 적은 대신에 출력밀도와 신뢰성 등 기술의 개발을 필요로 하고 있다.Fuel cells are expected to replace the market of secondary batteries, and direct methanol fuel cells, which use methanol instead of hydrogen, are drawing attention as fuel cells for portable electronics. The rapid growth of wireless communication devices such as mobile phones, PDAs, and notebook PCs is a new concept that can replace the existing lithium-based secondary batteries that require charging. It is accelerating the commercialization of fuel cells, a new power source that has been greatly increased. However, this field requires the development of technologies such as output density and reliability at the cost of low product pressure.

종래에는 양이온 교환 능력이 있는 기능기 중 수소이온 교환 막 소재로 주로 술폰산(sulfonic acid)기가 상업적으로 많이 사용되고 있는데, 이는 술폰산기가 산도가 매우 크고, C-S 결합이 산화 조건에 강한 저항성을 나타내기 때문이다. 술폰산 음이온에 양이온으로 수소이온이 붙어 있으면, 수소이온 교환막이 되는데, 프로톤의 전도도를 높게 유지하기 위해서는 물 분자가 함께 존재해야 한다. 물분자 존재 시에는 막에 붙어 있는 술폰산기가 술폰산 음이온과 수소이온으로 해리되어, 마치 황산 용액 전해질에서의 프로톤처럼 농도 기울기나 전기장 영향에 의해 수소이온이 이동하게 된다. 수소이온 전도도는 술폰산기의 수, 막 구조와 막 내부 물의 양에 의해 영향을 크게 영향을 받는다.Conventionally, sulfonic acid groups are used commercially as hydrogen ion exchange membrane materials among functional groups having cation exchange capability because sulfonic acid groups have a very high acidity and CS bonds exhibit strong resistance to oxidation conditions. . When hydrogen ions are attached to the sulfonic anion as a cation, they form a hydrogen ion exchange membrane. Water molecules must be present together to maintain high conductivity of the protons. In the presence of water molecules, the sulfonic acid groups attached to the membrane dissociate into sulfonic acid anions and hydrogen ions, and the hydrogen ions are moved by concentration gradient or electric field effect, just like protons in sulfuric acid solution electrolyte. Hydrogen ion conductivity is greatly influenced by the number of sulfonic acid groups, the membrane structure and the amount of water in the membrane.

연료전지 운전 중 수소이온 교환 막에서의 물의 공급처는 가습된 가스로부터 유입, 또는 산소 극 반응에 의한 생성수가 있다. 이 물은 수소이온과 함께 이동하는 것(즉, 전기 삼투적 이끌림, 생성수의 확산 및 양쪽 전극간의 압력차에 의한 이동)에 의해 막 내부에서 농도 기울기를 보이게 되어, 운전 중에는 대체로 연료극 쪽은 탈수가, 산소극 쪽은 침수가 일어나게 된다. 막 내부에 물 분자 개수가 줄어들면 이온쌍들의 해리가 어려워지고, 이온 전도도는 감소된다. 이온 교환막에서 물의 수착 특성에 영향을 주는 중요 인자로는 이온 교환기의 종류와 양, 양이온의 종류, 운전 온도 등이 있으며, 물의 상 (액상 또는 기상), 이온 교환막의 열력(thermal history)도 이러한 특성에 영향을 미친다.The source of water in the hydrogen ion exchange membrane during fuel cell operation may be water generated by inflow from humidified gas or by oxygen polar reaction. This water moves along with the hydrogen ions (i.e., electroosmotic attraction, diffusion of product water, and movement due to pressure difference between both electrodes), resulting in concentration gradients within the membrane. In the oxygen electrode side, immersion occurs. As the number of water molecules in the membrane decreases, the dissociation of the ion pairs becomes difficult and the ionic conductivity decreases. Important factors affecting the sorption characteristics of water in the ion exchange membrane include the type and amount of ion exchanger, the type of cation, and the operating temperature.The water phase (liquid or gas phase) and the thermal history of the ion exchange membrane Affects.

수소이온 교환 막의 특성은 주로 이온 교환용량(IEC: Ion Exchange Capacity) 또는 당량 중량(EW: Equivalent Weight)으로 나타내어지고, 연료전지용 전해질로 사용되는 수소이온 교환막이 가져야 할 성질은, 높은 수소이온 전도도와 기계적 강도, 그리고 낮은 기체 투과도 및 물의 이동성이다. 또한, 수소이온 교환막의 탈수 시에는 수소이온 전도도가 급격히 떨어지므로 탈수에 저항성이 있어야 한다. 막이 직접 겪게 되는 산화 및 환원 반응, 가수 분해 등에 대한 내성이 커야하며, 양이온 결합력이 좋아야 하고, 균질성이 요구된다. 그리고 이와 같은 성질들은 일정시간 동안 유지되어야 한다. 이러한 조건을 모두 만족시키는 막이 개발되어도, 이를 상업화와 연계하기 위해서는 값싸고 환경 친화적인 제조 기술 개발이 필요하다. 이에 현 시점에서 비불소계 고분자 소재들에 대한 연구는 주로 내열성 고분자를 기본골격으로 하고 여기에 극성기를 도입하여 고분자 전해질로서의 기능을 부여한 것이다.The characteristics of the hydrogen ion exchange membrane are mainly expressed in ion exchange capacity (IEC) or equivalent weight (EW), and the properties of the hydrogen ion exchange membrane used as electrolyte for fuel cells are high hydrogen ion conductivity and Mechanical strength, and low gas permeability and water mobility. In addition, when the hydrogen ion exchange membrane is dehydrated, since the hydrogen ion conductivity drops sharply, it must be resistant to dehydration. The membrane must have a high resistance to oxidation and reduction reactions, hydrolysis, etc. which are directly experienced, good cation binding strength, and homogeneity. And these properties must be maintained for some time. Even if a membrane is developed that satisfies all of these conditions, it is necessary to develop inexpensive and environmentally friendly manufacturing technology in order to link it with commercialization. The research on non-fluorine-based polymer materials at this point is mainly based on heat-resistant polymers and introducing polar groups to give them functions as polymer electrolytes.

종래 사용되는 폴리 이미드계 고분자 전해질인 술폰화 폴리이미드(Sulfonated polyimide; 이하 S-PI) 막은 술폰산기를 갖고 있는 디아민과 디안하이드라이드(dianhydride)의 축합반응으로부터 얻어진다. 얻어진 S-PI막은 나피온 117보다 수소 기체투과는 3배정도 낮으면서 나피온과 비슷한 셀 성능을 보이지만, 3000시간 정도의 수명 안정도를 보이고 있다. 이는 가수분해에 의해 사슬이 끊어져 기계적 강도가 낮아지기 때문이다.Sulfonated polyimide (hereinafter referred to as S-PI) membrane, which is a polyimide-based polyelectrolyte used in the related art, is obtained from a condensation reaction of a diamine having a sulfonic acid group and a dianhydride. The obtained S-PI film showed a cell performance similar to that of Nafion with three times lower hydrogen gas permeation than Nafion 117, but exhibited a lifespan stability of about 3000 hours. This is because the chain is broken by the hydrolysis and the mechanical strength is lowered.

또한, 폴리술폰 고분자 전해질은 페닐 고리(phenyl ring)가 에테르기와 술폰(-SO2-)기에 의해 교대로 연결된 고분자로서, 상업적으로 폴리아릴에테르 술폰(poly(arylether sulfone)), 폴리술폰(polysulfone, PSU; 상품명 Udel) 및 폴리에테르술폰(polyether sulfone, PES; 상품명 Victrex)가 있다. 상기 S-PSU의 경우 30%의 술폰화만해도 물에 녹으므로 연료전지용으로 사용될 가능성이 낮다. S-PES로 제조된 막은 물에 매우 안정하다. 다만, 원하는 이온 전도도를 갖기 위해서는 많은 양의 술폰화가 필수적이나, 술폰화가 많이 진행될수록 막은 약해지게 된다. S-PES의 경우는 90%까지 술폰화를 시켜야 나피온의 전도도 값과 비슷해지는데, 이 경우 400%까지 팽윤이 일어나 기계적 강도가 매우 낮아진다. 이를 해결하기 위해서, 활성화된 술폰산기를 적절히 가교시켜 50% 정도로 팽윤을 줄였으나, 전도도도 함께 감소하는 것으로 보고 되었다.In addition, polysulfone polyelectrolyte is a polymer in which a phenyl ring is alternately connected by an ether group and a sulfone (-SO 2- ) group, and commercially poly (arylether sulfone), polysulfone, PSU (trade name Udel) and polyether sulfone (PES; trade name Victrex). The S-PSU is less likely to be used for fuel cells because it is soluble in water even with 30% sulfonation. Membranes made of S-PES are very stable in water. However, in order to have a desired ion conductivity, a large amount of sulfonation is essential, but as the sulfonation proceeds more, the membrane becomes weaker. In the case of S-PES, sulfonation up to 90% is similar to Nafion's conductivity value, in which case swelling up to 400% results in very low mechanical strength. To solve this, the activated sulfonic acid group was properly crosslinked to reduce swelling by 50%, but the conductivity was also reported to decrease.

폴리에테르케톤은 에테르와 카르보닐로 페닐기를 연결한 고분자로, 가장 일반적인 소재로는 Victrex PEEK으로 알려진 PEEK이다. PEEK를 직접 술폰화시켜 막 을 얻으면 60%의 술폰화를 통해 실온에서 6ㅧ10-2 S/cm의 이온 전도도를 얻었고, 50 ℃에서 PEEK막의 운전은 4000시간 정도의 안정도를 보였다.Polyetherketone is a polymer linking ether and carbonyl phenyl groups. The most common material is PEEK, also known as Victrex PEEK. When PEEK was directly sulfonated to obtain a membrane, ionic conductivity of 6 이온 10 -2 S / cm was obtained at room temperature through 60% sulfonation, and the operation of the PEEK membrane at 50 ° C showed about 4000 hours of stability.

폴리에테르케톤의 기계적 강도를 높이기 위해 120℃에서 가교시킨 결과, 30%의 술폰산기가 술폰기로 바뀌었고 나피온 막과 같은 정도의 기계적 강도를 얻을 수 있었다(Journal of Membrabe Science 225 2003, 63-76)(S-PEEK).As a result of crosslinking at 120 ° C. to increase the mechanical strength of polyetherketone, 30% of sulfonic acid groups were changed to sulfone groups and the same mechanical strength as Nafion membrane was obtained (Journal of Membrabe Science 225 2003, 63-76). (S-PEEK).

한편, 종래 무기물을 첨가하는 기술은 나피온 고분자 전해질막을 개질한 예가 있는데, 나피온 115와 테트라에톡시실란(TEOS)을 사용하여 졸-겔 공정으로 나피온/실리콘 복합막을 제조한 방법이 있다[D. H. Jung, S. Y. Cho, D. H. Peck, D. R. Shin and J. S. Kim, Journal of Power Sources, 173-177 106 (2002)]. 이 경우 실리콘 산화물의 함량이 증가할수록 메탄올 투과도가 감소하였으며, 상기 방법에 의한 막을 사용한 셀은 120℃, 0.5V에서 650 mA/㎠의 전류밀도를 보이고 수소이온전도도는 0.080 S/cm(나피온 115 : 0.073 S/cm)로 상용막보다 높은 성능을 나타냈다고 보고하고 있다.On the other hand, there is a conventional technique for adding an inorganic material is a modified Nafion polymer electrolyte membrane, there is a method of manufacturing a Nafion / silicon composite membrane by a sol-gel process using Nafion 115 and tetraethoxysilane (TEOS) [ D. H. Jung, S. Y. Cho, D. H. Peck, D. R. Shin and J. S. Kim, Journal of Power Sources, 173-177 106 (2002)]. In this case, methanol permeability decreased as the content of silicon oxide increased, and the cell using the membrane showed a current density of 650 mA / cm 2 at 120 ° C. and 0.5V, and the hydrogen ion conductivity was 0.080 S / cm (Nafion 115). : 0.073 S / cm) reported higher performance than commercial membranes.

이러한 기존의 결과로부터 효율적인 고분자전해질 막은 높은 수소이온 전도도를 지녀야하며, 열적 기계적 성질이 우수하고 낮은 기체 메탄올 투과율을 보여야 상업적으로 응용가능하다.From these existing results, an efficient polyelectrolyte membrane must have high hydrogen ion conductivity, have excellent thermal mechanical properties, and exhibit low gas methanol permeability for commercial application.

본 발명의 목적은 가스 투과성이 낮고 이온 전도성이 높으며, 구조적 안정성이 우수하여 저습조건에서도 파손되지 않으며 반응연료나 산화제의 크로스오버가 적어서 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 고분자 전해질용 유기-무기 복합체 고분자를 제공하는 것이다.An object of the present invention is an organic-inorganic composite for polymer electrolyte which can improve the performance of a fuel cell due to low gas permeability, high ionic conductivity, excellent structural stability, no damage even under low humidity conditions, and low crossover of reaction fuel or oxidant. It is to provide a polymer.

본 발명의 다른 목적은 상기 유기-무기 복합체 고분자를 포함하는 고분자 전해질막을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane comprising the organic-inorganic composite polymer.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체 100 중량부에 대하여 무기 입자를 0.1 내지 14 중량부의 양으로 포함하는, 유기-무기 복합체 고분자를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an organic-inorganic composite polymer comprising inorganic particles in an amount of 0.1 to 14 parts by weight with respect to 100 parts by weight of sulfonated polysulfone ketone copolymer.

본 발명의 다른 목적은 상기 유기-무기 복합체 고분자를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane for a fuel cell including the organic-inorganic composite polymer.

이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

고온용 고분자 전해질로 적용 가능한 내열성고분자 중 폴리술폰과 폴리케톤은 제조단가가 낮고, 다양한 온도범위의 산화/환원조건에서 상당한 안정성을 나타낸다. 또한, 에테르기의 전자주게 성질로 인해 술폰화가 용이하여 적절한 수소이온 전도도를 보인다. 그러나, 기존의 술폰화 폴리에테르에테르케톤(S-PEEK)은 고분자 주사슬에 있는 에테르기의 존재로 인한 소수성과, 그로 인한 술포닐기의 산성도의 감소로 나피온에 비해 친수성 영역과 소수성 영역간의 미세상 분리가 덜 나타난다.Among the heat resistant polymers applicable to high temperature polymer electrolytes, polysulfone and polyketone have low manufacturing cost and exhibit considerable stability under oxidation / reduction conditions at various temperature ranges. In addition, due to the electron donor nature of the ether group, sulfonation is easy, and thus shows proper hydrogen ion conductivity. However, the conventional sulfonated polyether ether ketone (S-PEEK) has a weakness between hydrophilic and hydrophobic regions compared to Nafion due to the hydrophobicity due to the presence of ether groups in the polymer main chain and the decrease in acidity of sulfonyl groups. Less segregation of the world is seen.

이에, 본 발명은 가스 투과성이 낮고 이온 전도성이 높으며 구조적 안정성이 높은 고분자 전해질을 제공하기 위하여, 결정성 고분자인 케톤과 무정형인 설폰 공 중합체를 이용한 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체를 제조한 후, 여기에 수 나노크기 또는 수 마이크로미터 크기의 무기입자를 첨가하여 기계적 강도를 높여주고 메탄올의 투과도를 크게 감소시켜 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 특징이 있다.Accordingly, the present invention is to prepare a sulfonated polysulfone ketone copolymer using a crystalline polymer ketone and an amorphous sulfone copolymer in order to provide a polymer electrolyte having low gas permeability, high ion conductivity and high structural stability, Adding nanoparticles of several nanometers or micrometers in size increases the mechanical strength and greatly reduces the permeability of methanol, thereby improving the performance of the battery.

또한, 본 발명은 유기-무기 복합체 고분자 제조시, 선택적으로 분지형 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체를 이용할 수도 있다. 상기 분지형 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체는 보다 유동성 있는 고분자 사슬을 유도하기 위하여, 작용기를 3개 이상 포함하는 분지제를 추가로 이용하여 제조된 것이다.In addition, the present invention may optionally use a branched sulfonated polysulfone ketone copolymer when preparing the organic-inorganic composite polymer. The branched sulfonated polysulfone ketone copolymer is prepared by further using a branching agent including three or more functional groups to induce more fluid polymer chains.

본 발명에 따른 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체 및 무기입자를 포함하는 유기-무기 복합체 고분자 전해질은 매우 높은 수소이온 전도도를 나타내며, 메탄올 투과율도 현저하게 낮아짐을 볼 수 있다. 특히, 유기-무기 복합체 고분자 제조시, 분지형 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체를 이용하는 경우, 주쇄 및 사슬같은 간격이 좁아지고 통로가 좁아져 비교적 큰 분자들이 투과하지 못한다. 따라서, 상기 분지형 설폰 케톤 고분자는 박막 제조의 필름형성이 우수하며, 산화 환원에 대해 안정성을 보인다.The organic-inorganic composite polymer electrolyte including the sulfonated polysulfone ketone copolymer and the inorganic particles according to the present invention exhibits very high hydrogen ion conductivity, and the methanol permeability is also significantly lowered. In particular, in the preparation of the organic-inorganic composite polymer, when using a branched sulfonated polysulfone ketone copolymer, the main chain and the chain-like spacing is narrowed and the passage is narrowed so that relatively large molecules do not penetrate. Therefore, the branched sulfone ketone polymer has excellent film formation in thin film production, and shows stability against redox.

보다 구체적으로, 본 발명의 유기-무기 복합체 고분자 전해질은 수소이온 전도도가 4.23 × 10-3 S/cm 이상인 것이 바람직하고, 4.23 × 10-3 내지 9.96 × 10-3 S/cm 인 것이 바람직하며, 메탄올 투과율이 1.75 × 10-7 cm2/sec 이하인 것이 바람직하고, 0.961 × 10-7 내지 1.75 × 10-7 cm2/sec인 것이 더 바람직하다. 상기 수소이온 전도도와 메탄올 투과율의 범위를 만족하는 경우에 직접메탄올연료전지 용(DMFC) 고분자 전해질로서 충분한 효과를 나타내 수 있다.More specifically, the organic-inorganic composite polymer electrolyte of the present invention preferably has a hydrogen ion conductivity of 4.23 × 10 −3 S / cm or more, and preferably 4.23 × 10 −3 to 9.96 × 10 −3 S / cm, It is preferable that methanol transmittance is 1.75 * 10 <-7> cm <2> / sec or less, and it is more preferable that it is 0.961 * 10 <-7> -1.75 * 10 <-7> cm <2> / sec. When the range of the hydrogen ion conductivity and the methanol permeability is satisfied, a direct methanol fuel cell (DMFC) polymer electrolyte may have a sufficient effect.

본 발명에 따른 유기-무기 복합체 고분자 전해질막은 낮은 온도에서 메탄올 투과도가 낮고, 수소이온 전도도는 낮아지는 현상을 보였으나, 낮은 온도에 비해 높은 온도에서도 수소이온 전도도가 증가된다. 특히, 친수성의 실리콘 옥사이드와 같은 무기입자를 첨가하여, 물을 잡고 있는 성질(Water uptake)도 더욱 좋게 나타난다.The organic-inorganic composite polymer electrolyte membrane according to the present invention showed a low methanol permeability and a low hydrogen ion conductivity at a low temperature, but increased hydrogen ion conductivity even at a high temperature compared to a low temperature. In particular, by adding inorganic particles such as hydrophilic silicon oxide, water uptake is also better.

또한, 본 발명의 유기-무기 복합체 고분자를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막은 용매 캐스팅법에 의해 제조할 수 있다.In addition, the polymer electrolyte membrane for a fuel cell including the organic-inorganic composite polymer of the present invention can be produced by a solvent casting method.

바람직한 일례를 들면, 유기-무기 복합체 고분자 및 무기입자를 유기용매에 용해한 후, 평평한 유리판과 둥근 유리관등을 이용하여 캐스팅하고, 120 내지 150 ℃의 진공오븐에서 건조하여 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 고분자 전해질막은 20 내지 50 ㎛ 두께를 가지는 것이 바람직하다.As a preferable example, the organic-inorganic composite polymer and the inorganic particles may be dissolved in an organic solvent, cast using a flat glass plate, a round glass tube, or the like, and then dried in a vacuum oven at 120 to 150 ° C. Thus prepared polymer electrolyte membrane preferably has a thickness of 20 to 50 ㎛.

이때, 본 발명의 유기-무기 복합체 고분자에서 사용하는 무기입자의 함량은 막의 균열을 고려하여, 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체 100 중량부에 대해 0.1 내지 14 중량부의 양으로 포함하는 것이 바람직하다.In this case, the content of the inorganic particles used in the organic-inorganic composite polymer of the present invention is preferably included in an amount of 0.1 to 14 parts by weight based on 100 parts by weight of the sulfonated polysulfone ketone copolymer in consideration of the cracking of the film.

상기 무기 입자는 실리콘 옥사이드, 포스파토-안티몬산(phosphato-antimonic acid), 인산, 세슘(caesium) 및 인-텅스텐산(phosphotungstic acid)로 이루어진 군에서 선택하여 사용할 수 있다.The inorganic particles may be selected from the group consisting of silicon oxide, phosphato-antimonic acid, phosphoric acid, cesium (caesium), and phosphotungstic acid.

본 발명에서 사용하는 무기 입자는 테트라에톡시실란과 같은 무기물, 염기 및 알코올 용액을 포함하는 혼합물을 이용한 통상의 졸-겔법에 의해 균일한 크기로 제조될 수 있으며, 그 방법이 반드시 한정되는 것은 아니다.The inorganic particles used in the present invention may be produced in a uniform size by a conventional sol-gel method using a mixture containing an inorganic substance such as tetraethoxysilane, a base and an alcohol solution, and the method is not necessarily limited. .

상기 무기 입자는 1 nm 내지 10 ㎛ 크기를 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 10 내지 20 nm의 크기를 갖는다.The inorganic particles preferably have a size of 1 nm to 10 μm, more preferably 10 to 20 nm.

또한, 상기 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체는 방향족 술폰 반복단위, 방향족 케톤 반복단위, 및 상기 반복단위를 에테르 결합으로 연결하는 방향족 화합물 반복단위를 포함하며, 상기 방향족 술폰 반복단위, 및 방향족 케톤 반복단위 중 적어도 1종 이상이 술폰산 또는 술폰산염 치환기를 갖는 것이 바람직하다. 이때, 상기 술폰산 또는 술폰산염 치환기를 가지는 반복단위의 몰분율은 상기 방향족 술폰 반복단위, 및 방향족 케톤 반복단위 중 1 내지 50 몰%인 것이 바람직하며, 30 내지 50 몰%인 것이 더 바람직하다. 상기 반복단위의 몰수가 1 몰% 이상인 경우에 충분한 수소이온 전도 특성을 얻을 수 있으며, 50 몰% 이하인 경우에 구조적 안정성을 확보할 수 있다.In addition, the sulfonated polysulfone ketone copolymer includes an aromatic sulfone repeating unit, an aromatic ketone repeating unit, and an aromatic compound repeating unit connecting the repeating unit with an ether bond, wherein the aromatic sulfone repeating unit, and the aromatic ketone repeating unit It is preferable that at least one of them has a sulfonic acid or sulfonate substituent. In this case, the mole fraction of the repeating unit having the sulfonic acid or sulfonate substituent is preferably 1 to 50 mol%, more preferably 30 to 50 mol% of the aromatic sulfone repeating unit and the aromatic ketone repeating unit. When the number of moles of the repeating unit is 1 mol% or more, sufficient hydrogen ion conduction characteristics may be obtained, and when 50 mol% or less, structural stability may be secured.

본 발명의 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체에서, 상기 방향족 술폰 반복단위는 하기 화학식 1로 표시되고, 상기 방향족 케톤 반복단위는 하기 화학식 2로 표시되고, 상기 반복단위를 에테르 결합으로 연결하는 방향족 화합물 반복단위는 하기 화학식 3으로 표시되고, 술폰산 또는 술폰산염 치환기를 가지는 방향족 술폰 반복단위는 하기 화학식 4로 표시되고, 술폰산 또는 술폰산염 치환기를 가지는 방향족 케톤 반복단위는 하기 화학식 5로 표시되는 것이 바람직하다.In the sulfonated polysulfone ketone copolymer of the present invention, the aromatic sulfone repeating unit is represented by the following Chemical Formula 1, and the aromatic ketone repeating unit is represented by the following Chemical Formula 2, and the aromatic compound repeats connecting the repeating unit by an ether bond. The unit is represented by the following formula (3), the aromatic sulfone repeating unit having a sulfonic acid or sulfonate substituent is represented by the following formula (4), the aromatic ketone repeating unit having a sulfonic acid or sulfonate substituent is preferably represented by the following formula (5).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112006064689654-PAT00001
Figure 112006064689654-PAT00001

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112006064689654-PAT00002
Figure 112006064689654-PAT00002

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112006064689654-PAT00003
Figure 112006064689654-PAT00003

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112006064689654-PAT00004
Figure 112006064689654-PAT00004

[화학식 5][Formula 5]

Figure 112006064689654-PAT00005
Figure 112006064689654-PAT00005

상기 식에서, M1, M2, M3, 및 M4는 각각 독립적으로 수소, 나트륨, 리튬, 및 칼륨으 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, In the above formula, M 1 , M 2 , M 3 , and M 4 are each independently one or more selected from the group consisting of hydrogen, sodium, lithium, and potassium,

K는 -CO-, -CO-CO-, 및

Figure 112006064689654-PAT00006
로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 케톤이고, K is -CO-, -CO-CO-, and
Figure 112006064689654-PAT00006
At least one ketone selected from the group consisting of

X는 -O-, -S-, -NH-, -SO2-, -CO-, -C(CH3)2-, 및 -C(CF3)2- 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, X is one or more selected from the group consisting of -O-, -S-, -NH-, -SO 2- , -CO-, -C (CH 3 ) 2- , and -C (CF 3 ) 2- ego,

R1, R2, R3, R4, R5, R6 및 R7는 각각 독립적으로 산소, 질소, 및 황으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하는 탄소수 5 내지 30인 방향족환 및 탄소수 1 내지 30인 알킬 치환체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고,R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are each independently aromatic having 5 to 30 carbon atoms containing at least one hetero atom selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, and sulfur At least one member selected from the group consisting of a ring and an alkyl substituent having 1 to 30 carbon atoms,

a, b, 및 c는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, a, b, and c are each independently an integer of 0 to 4,

x, 및 x'는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수, y 및 y'는 각각 독립적으로 1 내지 4의 정수, x+y 및 x'+y'는 각각 독립적으로 1 내지 4의 정수이다. x and x 'are each independently an integer of 0-3, y and y' are each independently an integer of 1-4, x + y and x '+ y' are each independently an integer of 1-4.

상기 치환기에 대한 정의는 이하 언급되는 모든 화학식에 동일하게 적용된다.The above definitions for substituents apply equally to all formulas mentioned below.

본 발명의 폴리술폰케톤 공중합체는 하기 화학식 6 또는 화학식 7로 표시되는 분자구조를 포함하는 것이 이온 전도성 및 구조적 안정성 측면에서 더 바람직하 다.More preferably, the polysulfone ketone copolymer of the present invention includes a molecular structure represented by the following Chemical Formula 6 or Chemical Formula 7 in terms of ion conductivity and structural stability.

[화학식 6][Formula 6]

Figure 112006064689654-PAT00007
Figure 112006064689654-PAT00007

[화학식 7][Formula 7]

Figure 112006064689654-PAT00008
Figure 112006064689654-PAT00008

본 발명의 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체는 기계적 강도 및 수소이온 전도성 측면에서 중량평균분자량이 10,000 내지 200,000인 것이 바람직하고, 30,000내지 150,000인 것이 더 바람직하다. The sulfonated polysulfone ketone copolymer of the present invention preferably has a weight average molecular weight of 10,000 to 200,000, and more preferably 30,000 to 150,000 in terms of mechanical strength and hydrogen ion conductivity.

본 발명의 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체는 선형의 고분자이거나, 분지형 고분자일 수 있으며, 하기 화학식 8 내지 15로 표시되는 화합물로부터 유도된 분지 단위(branching unit)를 더 포함하는 분지형 고분자인 것이 더 바람직하다. The sulfonated polysulfone ketone copolymer of the present invention may be a linear polymer or a branched polymer, and may be a branched polymer further comprising a branching unit derived from a compound represented by the following Chemical Formulas 8 to 15: More preferred.

[화학식 8][Formula 8]

Figure 112006064689654-PAT00009
Figure 112006064689654-PAT00009

[화학식 9][Formula 9]

Figure 112006064689654-PAT00010
Figure 112006064689654-PAT00010

[화학식 10][Formula 10]

Figure 112006064689654-PAT00011
Figure 112006064689654-PAT00011

[화학식 11][Formula 11]

Figure 112006064689654-PAT00012
Figure 112006064689654-PAT00012

[화학식 12][Formula 12]

Figure 112006064689654-PAT00013
Figure 112006064689654-PAT00013

[화학식 13][Formula 13]

Figure 112006064689654-PAT00014
Figure 112006064689654-PAT00014

[화학식 14][Formula 14]

Figure 112006064689654-PAT00015
Figure 112006064689654-PAT00015

[화학식 15][Formula 15]

Figure 112006064689654-PAT00016
Figure 112006064689654-PAT00016

본 발명의 분지형 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체가 보다 우수한 기계적 물성을 가지기 위해서는, 상기 분지 단위가 상기 나머지 반복단위를 에테르 결합으로 연결하는 방향족 화합물의 반복단위의 총 양에 대하여 0.1 몰% 이상 포함되는 것이 바람직하고, 지나친 가교로 인한 가공성의 저하를 막기 위해서는 1 몰% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. In order for the branched sulfonated polysulfone ketone copolymer of the present invention to have more excellent mechanical properties, the branching unit contains 0.1 mol% or more based on the total amount of the repeating units of the aromatic compound connecting the remaining repeating units by ether linkage. In order to prevent the fall of the workability by excessive crosslinking, it is preferable to be contained in 1 mol% or less.

본 발명의 분지형 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체는 하기 화학식 16 또는 화학식 17로 표시되는 분자구조를 포함하는 분지형 고분자인 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체인 것이 더 바람직하다.The branched sulfonated polysulfone ketone copolymer of the present invention is more preferably a sulfonated polysulfone ketone copolymer which is a branched polymer including a molecular structure represented by the following formula (16) or (17).

[화학식 16][Formula 16]

Figure 112006064689654-PAT00017
Figure 112006064689654-PAT00017

[화학식 17] [Formula 17]

Figure 112006064689654-PAT00018
Figure 112006064689654-PAT00018

상기 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체는 술폰화 또는 술폰화되지 않은 방향족 술폰 모노머, 술폰화 또는 술폰화되지 않은 방향족 케톤 모노머, 및 디히드록시 모노머를 포함하는 모노머 혼합물을 유기용매의 존재하에서 축합반응시키는 방법으로 제조될 수 있으며, 이때 상기 방향족 술폰 모노머, 및 방향족 케톤 모노머 중 적어도 1종 이상이 술폰화된 것이 바람직하다.The sulfonated polysulfone ketone copolymer is used to condense a monomer mixture comprising sulfonated or unsulfonated aromatic sulfone monomers, sulfonated or unsulfonated aromatic ketone monomers, and dihydroxy monomers in the presence of an organic solvent. It can be prepared by the method, wherein at least one or more of the aromatic sulfone monomer and the aromatic ketone monomer is preferably sulfonated.

상기 모노머 혼합물의 구체적인 예로는Specific examples of the monomer mixture

a) 방향족 술폰 모노머, 술폰화 방향족 케톤 모노머, 및 방향족 디히드록시 모노머를 포함하는 모노머 혼합물; a) a monomer mixture comprising an aromatic sulfone monomer, a sulfonated aromatic ketone monomer, and an aromatic dihydroxy monomer;

b) 방향족 케톤 모노머, 술폰화 방향족 술폰 모노머, 및 방향족 디히드록시 모노머를 포함하는 모노머 혼합물; b) monomer mixtures comprising aromatic ketone monomers, sulfonated aromatic sulfone monomers, and aromatic dihydroxy monomers;

c) 술폰화 방향족 케톤 모노머, 술폰화 방향족 술폰 모노머, 및 방향족 디히 드록시 모노머를 포함하는 모노머 혼합물; c) monomer mixtures comprising sulfonated aromatic ketone monomers, sulfonated aromatic sulfone monomers, and aromatic dihydroxy monomers;

d) 방향족 술폰 모노머, 방향족 케톤 모노머, 술폰화 방향족 케톤 모노머, 및 방향족 디히드록시 모노머를 포함하는 모노머 혼합물; d) monomer mixtures comprising aromatic sulfone monomers, aromatic ketone monomers, sulfonated aromatic ketone monomers, and aromatic dihydroxy monomers;

e) 방향족 술폰 모노머, 방향족 케톤 모노머, 술폰화 방향족 술폰 모노머, 및 방향족 디히드록시 모노머를 포함하는 모노머 혼합물; 또는 e) monomer mixtures comprising aromatic sulfone monomers, aromatic ketone monomers, sulfonated aromatic sulfone monomers, and aromatic dihydroxy monomers; or

f) 방향족 술폰 모노머, 방향족 케톤 모노머, 술폰화 방향족 케톤 모노머, 술폰화 방향족 술폰 모노머, 및 방향족 디히드록시 모노머를 포함하는 모노머 혼합물이 있다.f) monomer mixtures comprising aromatic sulfone monomers, aromatic ketone monomers, sulfonated aromatic ketone monomers, sulfonated aromatic sulfone monomers, and aromatic dihydroxy monomers.

상기 모노머 혼합물 중에서 상기 방향족 술폰 모노머는 하기 화학식 18로 표시되고, 상기 방향족 케톤 모노머는 하기 화학식 19로 표시되고, 상기 술폰화 방향족 술폰 모노머는 하기 화학식 20으로 표시되고, 상기 술폰화 방향족 케톤 모노머는 하기 화학식 21로 표시되고, 상기 방향족 디히드록시 모노머는 하기 화학식 22로 표시되는 것이 바람직하다. In the monomer mixture, the aromatic sulfone monomer is represented by Formula 18, the aromatic ketone monomer is represented by Formula 19, the sulfonated aromatic sulfone monomer is represented by Formula 20, and the sulfonated aromatic ketone monomer is represented by It is represented by the formula (21), it is preferable that the aromatic dihydroxy monomer is represented by the following formula (22).

[화학식 18][Formula 18]

Figure 112006064689654-PAT00019
Figure 112006064689654-PAT00019

[화학식 19][Formula 19]

Figure 112006064689654-PAT00020
Figure 112006064689654-PAT00020

[화학식 20][Formula 20]

Figure 112006064689654-PAT00021
Figure 112006064689654-PAT00021

[화학식 21][Formula 21]

Figure 112006064689654-PAT00022
Figure 112006064689654-PAT00022

[화학식 22][Formula 22]

Figure 112006064689654-PAT00023
Figure 112006064689654-PAT00023

상기 식에서, Where

M1, M2, M3, 및 M4는 각각 독립적으로 수소, 나트륨, 리튬, 및 칼륨으 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, M 1 , M 2 , M 3 , and M 4 are each independently one or more selected from the group consisting of hydrogen, sodium, lithium, and potassium,

K는 -CO-, -CO-CO-, 및

Figure 112006064689654-PAT00024
로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 케톤이고, K is -CO-, -CO-CO-, and
Figure 112006064689654-PAT00024
At least one ketone selected from the group consisting of

X는 -O-, -S-, -NH-, -SO2-, -CO-, -C(CH3)2-, 및 -C(CF3)2- 로 이루어진 군에 서 선택되는 1종 이상이고, X is 1 type selected from the group consisting of -O-, -S-, -NH-, -SO 2- , -CO-, -C (CH 3 ) 2- , and -C (CF 3 ) 2- That's it,

Y는 각각 독립적으로 불소, 염소, 브롬, 및 요오드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 할로겐족 원소이고, Each Y is independently at least one halogen group element selected from the group consisting of fluorine, chlorine, bromine, and iodine,

R1, R2, R3, R4, R5, R6, 및 R7은 각각 독립적으로 산소, 질소, 및 황으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하는 탄소수 5 내지 30인 방향족환 및 탄소수 1 내지 30인 알킬 치환체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고,R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , and R 7 each independently have 5 to 30 carbon atoms containing one or more heteroatoms selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, and sulfur. At least one selected from the group consisting of an aromatic ring and an alkyl substituent having 1 to 30 carbon atoms,

a, b, 및 c는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, a, b, and c are each independently an integer of 0 to 4,

x, 및 x'는 독립적으로 0 내지 3의 정수, y 및 y'는 독립적으로 1 내지 4의 정수, x+y 및 x'+y'는 독립적으로 1 내지 4의 정수이다. x and x 'are independently an integer of 0-3, y and y' are independently an integer of 1-4, x + y and x '+ y' are independently an integer of 1-4.

상기 모노머 혼합물의 축합반응의 조건은 통상적인 에테르화 반응의 조건과 동일하며, 본 발명에서는 특별히 한정되지 않으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.The conditions of the condensation reaction of the monomer mixture are the same as those of the conventional etherification reaction, and are not particularly limited in the present invention, and thus detailed description thereof is omitted.

또한, 상기 분지형 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체는 상기 a) 내지 f)의 모노머 혼합물에 상기 화학식 8 내지 15로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 다관능성 모노머를 더 첨가하여 중합함으로써 제조될 수 있다. 상기 다관능성 모노머의 첨가량은 앞서 기재된 분지단위의 함량에 준한다.In addition, the branched sulfonated polysulfone ketone copolymer may be polymerized by further adding one or more polyfunctional monomers selected from the group consisting of compounds represented by Formulas 8 to 15 to the monomer mixture of a) to f). Can be prepared. The amount of the polyfunctional monomer added is based on the content of the branching units described above.

본 발명의 유기-무기 복합체 고분자는 수소이온 전도성을 가지는 고분자 전해질로 사용가능하며, 특히 연료전지용 고분자 전해질막의 형태로 사용이 가능하 다.The organic-inorganic composite polymer of the present invention can be used as a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity, and in particular in the form of a polymer electrolyte membrane for fuel cells.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 기재한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples will be described to aid in understanding the present invention. However, the following examples are merely to illustrate the present invention is not limited to the scope of the present invention.

[실시예]EXAMPLE

실시예 1Example 1

(술폰화 방향족 케톤 모노머의 제조)(Preparation of sulfonated aromatic ketone monomer)

250 mL 플라스크에 4,4'-디플루오로벤조페논(4,4'-difluorobezopenone) 30 g을 넣고, 35 % 발연황산 75 mL를 천천히 가하여 상기 4,4'-디플루오로벤조페논을 완전히 녹인 다음, 서서히 온도를 가열하여 110 ℃에서 약 6시간 동안 반응시켰다. 상기 반응 용액을 실온까지 식힌 다음 얼음물에 붓거나 얼음조에 넣고, 열이 완전히 식으면 과량의 NaOH를 혼합물에 넣어 중화시켰다. 이후, 혼합물을 식힌 다음, 여기에 NaCl 90 g을 첨가하여 고체상태의 3,3'-디소듐술포닐-4,4'-디플루오로벤조페논을 얻었다. 얻어진 고체는 여과한 후 건조하여 재결정하였다. 재결정은 이소프로필 알코올과 물을 이용하여 2차에 걸쳐서 실시하였고, 총 수율은 약 75 %이었다.30 g of 4,4'-difluorobezopenone was added to a 250 mL flask, and 75 mL of 35% fuming sulfuric acid was slowly added to completely dissolve the 4,4'-difluorobenzophenone. Next, the temperature was gradually heated and reacted at 110 ° C. for about 6 hours. The reaction solution was cooled to room temperature and poured into ice water or placed in an ice bath, and when the heat was completely cooled, an excess of NaOH was added to the mixture and neutralized. Thereafter, the mixture was cooled and Nag 90 g was added thereto to obtain a solid 3,3'-disodiumsulfonyl-4,4'-difluorobenzophenone. The obtained solid was filtered, dried and recrystallized. Recrystallization was carried out twice with isopropyl alcohol and water, and the total yield was about 75%.

1H NMR (300 mHz) δ7.3 (H, ortho H of fluorophenyl), δ7.7 (H, meta H of fluorophenyl), δ8.0 (H, ortho H of ketone). FTIR(KBr) 1664 cm-1 (C=O), 1259 cm-1 and 1093 cm-1 (S=O), 624 cm-1 (C=S). 1 H NMR (300 mHz) δ7.3 (H, ortho H of fluorophenyl), δ7.7 (H, meta H of fluorophenyl), δ8.0 (H, ortho H of ketone). FTIR (KBr) 1664 cm −1 (C = O), 1259 cm −1 and 1093 cm −1 (S = O), 624 cm −1 (C = S).

실시예 2Example 2

(술폰화 방향족 술폰 모노머의 제조)(Preparation of sulfonated aromatic sulfone monomer)

250 mL 플라스크에 비스(4-플루오로페닐)술폰(bis(4-fluorophenyl)sulfone) 30 g을 넣고, 30 % 발연황산 75 mL를 천천히 가하여 상기 비스(4-플루오로페닐)술폰을 완전히 녹인 다음, 서서히 온도를 가열하여 110 ℃에서 약 6시간 동안 반응시켰다. 반응 용액을 실온까지 식힌 다음 얼음물에 붓거나 또는 얼음조에 넣고, 열이 완전히 식으면 과량의 NaOH를 혼합물에 넣어 중화시켰다. 이후, 혼합물을 식힌 다음, 여기에 NaCl 90 g을 첨가하여 고체상태의 3,3'-디소듐술포닐-4,4'-디플루오로페닐술폰을 얻었다. 얻어진 고체는 여과한 후 건조하여 재결정하였다. 재결정은 이소프로필알코올과 물을 이용하여 2차에 걸쳐서 실시하였고, 총 수율은 약 75%이었다.30 g of bis (4-fluorophenyl) sulfone was added to a 250 mL flask, and 75 mL of 30% fuming sulfuric acid was slowly added to completely dissolve the bis (4-fluorophenyl) sulfone. The mixture was slowly heated to react at 110 ° C. for about 6 hours. The reaction solution was cooled to room temperature and poured into ice water or placed in an ice bath, and when the heat was completely cooled, an excess of NaOH was added to the mixture to neutralize it. Thereafter, the mixture was cooled and Nag 90 g was added thereto to obtain a solid 3,3'-disodiumsulfonyl-4,4'-difluorophenylsulfone. The obtained solid was filtered, dried and recrystallized. Recrystallization was carried out in two steps using isopropyl alcohol and water, and the total yield was about 75%.

1H NMR (300mHz) δ7.43 (H, ortho H of fluorophenyl), δ7.95 (H, meta H of fluorophenyl), δ8.17 (H, ortho H of sulfone). FTIR(KBr) 1093 cm-1 (S=O), 624 cm-1 (C=S). 1 H NMR (300 mHz) δ 7.43 (H, ortho H of fluorophenyl), δ 7.95 (H, meta H of fluorophenyl), δ 8.17 (H, ortho H of sulfone). FTIR (KBr) 1093 cm −1 (S = O), 624 cm −1 (C = S).

실시예 3Example 3

(분지형 폴리(술폰-케톤) 공중합체의 합성)Synthesis of Branched Poly (Sulfone-Ketone) Copolymers

500 mL 3구 플라스크에 딘-스탁 트랩(Dean-stark trap)과 콘덴서를 설치하고, 비스페놀 A 0.1 mol, 4,4'-디플루오로벤조페논 0.06 mol 및 실시예 2에서 얻어진 3,3'-디소듐술포닐-4,4'-디플루오로페닐술폰 0.04 mol을 N-메틸피롤리돈(NMP) 150 mL에 녹인 후, 1,1,1-트리스(4-히드록시페닐)에탄(1,1,1-tris(4-hydroxyphenyl)ethane) 0.0003 mol(비스페놀 A의 0.3mol%)을 첨가하여 질소 조건에서 반응하였다.A Dean-stark trap and a condenser were installed in a 500 mL three-necked flask, and 0.1 mol of bisphenol A, 0.06 mol of 4,4'-difluorobenzophenone, and the 3,3'- obtained in Example 2. 0.04 mol of disodiumsulfonyl-4,4'-difluorophenylsulfone was dissolved in 150 mL of N-methylpyrrolidone (NMP), followed by 1,1,1-tris (4-hydroxyphenyl) ethane (1 , 1,1-tris (4-hydroxyphenyl) ethane) was added at 0.0003 mol (0.3 mol% of bisphenol A) to react under nitrogen.

이후, 반응혼합물에 K2CO3 (0.26 mol)를 넣고 70 ℃까지 온도를 올린 후, 톨루엔 150 mL를 넣고 5시간 동안의 환류(reflux)를 통해 생성된 물을 제거하였다.Thereafter, K 2 CO 3 (0.26 mol) was added to the reaction mixture, and the temperature was raised to 70 ° C., 150 mL of toluene was added thereto, and the produced water was removed through reflux for 5 hours.

물을 제거한 후 온도를 160 ℃까지 상승시키면서 톨루엔을 제거하였다. 이후, 160 ℃에서 약 6시간 동안 반응을 더 진행시켜 분지형 폴리(술폰-케톤) 공중합체를 제조하였다. 얻어진 분지형 폴리(술폰-케톤) 공중합체를 물과 메탄올의 혼합용액 (부피비=1:9) 500 mL에 침전시켜 고체를 얻었다. 얻어진 고체의 점도는 약 0.3-0.5 g/dL 이었다.After removing water, toluene was removed while raising the temperature to 160 ° C. Thereafter, the reaction was further performed at 160 ° C. for about 6 hours to prepare a branched poly (sulfone-ketone) copolymer. The obtained branched poly (sulfone-ketone) copolymer was precipitated in 500 mL of a mixed solution of water and methanol (volume ratio = 1: 9) to obtain a solid. The viscosity of the obtained solid was about 0.3-0.5 g / dL.

(고분자 전해질막의 제조)(Production of Polymer Electrolyte Membrane)

상기에서 얻어진 분지형 폴리(술폰-케톤) 공중합체를 NMP에 녹인 후, 평편한 유리판과 둥근 유리관을 이용하여 캐스팅한 후, 진공오븐 (150 ℃)에서 건조하여 20-50 ㎛의 두께를 가진 갈색의 투명한 막을 제조하였다. 막을 염산 용액(0.1 N)에 5시간 동안 담근 후 건조하여 막 특성을 측정하였다.The branched poly (sulfone-ketone) copolymer obtained above was dissolved in NMP, cast using a flat glass plate and a round glass tube, and dried in a vacuum oven (150 ° C.) to a brown having a thickness of 20-50 μm. A transparent membrane of was prepared. The membrane was immersed in hydrochloric acid solution (0.1 N) for 5 hours and then dried to measure membrane properties.

실시예 4Example 4

(나노입자의 실리콘 옥사이드 합성)(Silicon Oxide Synthesis of Nanoparticles)

500 mL 플라스크에 증류수 250 ml, NaOH 0.4 g 및 에탄올 20 ml를 넣고 30분 동안 섞어준 후, 테트라에톡시실란(TEOS) 40ml 넣어서 24시간 동안 강하게 섞어주 었다. 그런 다음, 결과물에서 용매를 제거하여 나노입자의 실리콘 옥사이드(10-20 nm)를 얻었다. 본 발명에서는 유기-무기 복합막 제조시, 상기에서 합성한 실리콘 옥사이드를 직접 사용하였다.250 ml of distilled water, 0.4 g of NaOH and 20 ml of ethanol were added to a 500 mL flask, followed by mixing for 30 minutes, and 40 ml of tetraethoxysilane (TEOS) was mixed for 24 hours. Then, the solvent was removed from the resultant to obtain silicon oxide (10-20 nm) of nanoparticles. In the present invention, in the preparation of the organic-inorganic composite film, the silicon oxide synthesized above was directly used.

실시예 5Example 5

(유기-무기 복합 고분자 전해질막의 합성)(Synthesis of Organic-Inorganic Composite Polymer Electrolyte Membrane)

실시예 3에서 얻어진 분지형 폴리(술폰-케톤) 공중합체 0.4 g 및 실시예 4에서 얻어진 15 nm 크기의 실리콘 옥사이드 0.016 g(고분자의 4 wt%)를 디메틸 설폭사이드에 녹인 후 혼합하였다.0.4 g of the branched poly (sulfone-ketone) copolymer obtained in Example 3 and 0.016 g of the 15 nm silicon oxide (4 wt% of the polymer) obtained in Example 4 were dissolved in dimethyl sulfoxide and mixed.

이후, 혼합액을 평편한 유리판과 둥근 유리관을 이용하여 캐스팅한 후 진공오븐 (150 ℃)에서 건조하여 20-50 ㎛의 두께를 가진 갈색의 투명한 막을 제조하였다. 막을 염산 용액(0.1N)에 5시간 동안 담근 후, 건조하여 막 특성을 측정하였다.Thereafter, the mixed solution was cast using a flat glass plate and a round glass tube, and then dried in a vacuum oven (150 ° C.) to prepare a brown transparent membrane having a thickness of 20-50 μm. The membrane was immersed in hydrochloric acid solution (0.1N) for 5 hours and then dried to measure membrane properties.

실시예 6Example 6

(유기-무기 복합 고분자 전해질막의 합성)(Synthesis of Organic-Inorganic Composite Polymer Electrolyte Membrane)

실시예 3에서 얻어진 분지형 폴리(술폰-케톤) 공중합체 0.4 g 및 실시예 4에서 얻어진 15 nm 크기의 실리콘 옥사이드 0.028 g(고분자의 7 wt%)를 디메틸 설폭사이드에 녹여 혼합한 용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 5와 동일한 방법으로 유기-무기 복합 고분자 전해질막을 제조하였다.0.4 g of the branched poly (sulfone-ketone) copolymer obtained in Example 3 and 0.028 g of the 15 nm silicon oxide (7 wt% of the polymer) obtained in Example 4 were dissolved in dimethyl sulfoxide and mixed. Except, an organic-inorganic composite polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 5.

실시예 7Example 7

(유기-무기 복합 고분자 전해질막의 합성)(Synthesis of Organic-Inorganic Composite Polymer Electrolyte Membrane)

실시예 3에서 얻어진 분지형 폴리(술폰-케톤) 공중합체 0.4 g 및 실시예 4에서 얻어진 15 nm 크기의 실리콘 옥사이드 0.04 g(고분자의 10 wt%)를 디메틸 설폭사이드에 녹여 혼합한 용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 5와 동일한 방법으로 유기-무기 복합 고분자 전해질막을 제조하였다.0.4 g of the branched poly (sulfone-ketone) copolymer obtained in Example 3 and 0.04 g of 15 nm silicon oxide (10 wt% of the polymer) obtained in Example 4 were dissolved and mixed in dimethyl sulfoxide. Except, an organic-inorganic composite polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 5.

실시예 8Example 8

(폴리(술폰-케톤) 공중합체의 합성)Synthesis of Poly (sulfone-ketone) Copolymer

1,1,1-트리스(4-히드록시페닐)에탄을 사용하지 않고, 얻어진 고분자의 침전시 물과 메탄올의 혼합액의 부피비를 3:7로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 폴리(술폰-케톤)공중합체와 고분자 전해질막을 제조하였다.Except for using 1,1,1-tris (4-hydroxyphenyl) ethane, the same method as in Example 3, except that the volume ratio of the mixture of water and methanol at 3: 7 was used at the time of precipitation of the obtained polymer. A poly (sulfone-ketone) copolymer and a polymer electrolyte membrane were prepared.

실시예 9Example 9

(유기-무기 복합 고분자 전해질막의 합성)(Synthesis of Organic-Inorganic Composite Polymer Electrolyte Membrane)

실시예 8에서 얻어진 폴리(술폰-케톤) 공중합체 0.4 g 및 실시예 4에서 얻어진 15 nm 크기의 실리콘 옥사이드 0.016 g(고분자의 4 wt%)를 디메틸 설폭사이드에 녹여 혼합한 용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 5와 동일한 방법으로 유기-무기 복합 고분자 전해질막을 제조하였다.0.4 g of the poly (sulfone-ketone) copolymer obtained in Example 8 and 0.016 g of the 15 nm silicon oxide (4 wt% of the polymer) obtained in Example 4 were dissolved in dimethyl sulfoxide and mixed, except that a solution was used. The organic-inorganic composite polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 5.

실시예 10Example 10

(유기-무기 복합 고분자 전해질막의 합성)(Synthesis of Organic-Inorganic Composite Polymer Electrolyte Membrane)

실시예 8에서 얻어진 폴리(술폰-케톤) 공중합체 0.4 g 및 실시예 4에서 얻어진 15 nm 크기의 실리콘 옥사이드 0.028 g(고분자의 7 wt%)를 디메틸 설폭사이드에 녹여 혼합한 용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 5와 동일한 방법으로 유기-무 기 복합 고분자 전해질막을 제조하였다.0.4 g of the poly (sulfone-ketone) copolymer obtained in Example 8 and 0.028 g of a 15 nm silicon oxide (7 wt% of a polymer) obtained in Example 4 were dissolved in dimethyl sulfoxide and mixed. The organic-inorganic composite polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 5.

실시예 11Example 11

(유기-무기 복합 고분자 전해질막의 합성)(Synthesis of Organic-Inorganic Composite Polymer Electrolyte Membrane)

실시예 8에서 얻어진 폴리(술폰-케톤) 공중합체 0.4 g 및 실시예 4에서 얻어진 15 nm 크기의 실리콘 옥사이드 0.04 g(고분자의 10 wt%)를 디메틸 설폭사이드에 녹여 혼합한 용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 5와 동일한 방법으로 유기-무기 복합 고분자 전해질막을 제조하였다.0.4 g of the poly (sulfone-ketone) copolymer obtained in Example 8 and 0.04 g of 15 nm silicon oxide (10 wt% of the polymer) obtained in Example 4 were dissolved in dimethyl sulfoxide and mixed. The organic-inorganic composite polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 5.

실시예 12Example 12

(분지형 폴리(케톤-술폰) 공중합체의 합성)(Synthesis of Branched Poly (Ketone-Sulfone) Copolymer)

비스페놀 A 0.1 mol, 4,4'-디플루오로페닐술폰 0.06 mol, 실시예 1에서 얻어진 3,3'-디소듐술포닐-4,4'-디플루오로벤조페논 0.04 mol, 및 1,1,1-트리스(4-히드록시페닐)에탄(1,1,1-tris(4-hydroxyphenyl)ethane) 0.0003 mol(비스페놀 A의 0.3%)을 사용하고, 얻어진 고분자의 침전시 물과 메탄올의 혼합액의 부피비를 3:7로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 분지형 폴리(케톤-술폰)공중합체와 고분자 전해질막을 제조하였다.0.1 mol of bisphenol A, 0.06 mol of 4,4'-difluorophenylsulfone, 0.04 mol of 3,3'-disodiumsulfonyl-4,4'-difluorobenzophenone obtained in Example 1, and 1,1 A mixed solution of water and methanol at the precipitation of the obtained polymer using 0.0003 mol (0.3% of bisphenol A) using 1,1,1-tris (4-hydroxyphenyl) ethane) A branched poly (ketone-sulfone) copolymer and a polymer electrolyte membrane were prepared in the same manner as in Example 3, except that the volume ratio of was 3: 7.

실시예 13Example 13

(유기-무기 복합 고분자 전해질막의 합성)(Synthesis of Organic-Inorganic Composite Polymer Electrolyte Membrane)

실시예 12에서 얻어진 분지형 폴리(케톤-술폰) 공중합체 0.4 g 및 실시예 4에서 얻어진 15 nm 크기의 실리콘 옥사이드 0.016 g(고분자의 4 wt%)를 디메틸 설폭사이드에 녹여 혼합한 용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 5와 동일한 방법 으로 유기-무기 복합 고분자 전해질막을 제조하였다.0.4 g of the branched poly (ketone-sulfone) copolymer obtained in Example 12 and 0.016 g of 15 nm silicon oxide (4 wt% of the polymer) obtained in Example 4 were dissolved and mixed in dimethyl sulfoxide. Except, an organic-inorganic composite polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 5.

실시예 14Example 14

(유기-무기 복합 고분자 전해질막의 합성)(Synthesis of Organic-Inorganic Composite Polymer Electrolyte Membrane)

실시예 12에서 얻어진 분지형 폴리(케톤-술폰) 공중합체 0.4 g 및 실시예 4에서 얻어진 15 nm 크기의 실리콘 옥사이드 0.028 g(고분자의 7 wt%)를 디메틸 설폭사이드에 녹여 혼합한 용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 5와 동일한 방법으로 유기-무기 복합 고분자 전해질막을 제조하였다.0.4 g of the branched poly (ketone-sulfone) copolymer obtained in Example 12 and 0.028 g (7 wt% of a polymer) of 15 nm silicon oxide obtained in Example 4 were dissolved in dimethyl sulfoxide and mixed. Except, an organic-inorganic composite polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 5.

실시예 15Example 15

(유기-무기 복합 고분자 전해질막의 합성)(Synthesis of Organic-Inorganic Composite Polymer Electrolyte Membrane)

실시예 12에서 얻어진 분지형 폴리(케톤-술폰) 공중합체 0.4 g 및 실시예 4에서 얻어진 15 nm 크기의 실리콘 옥사이드 0.04 g(고분자의 10 wt%)를 디메틸 설폭사이드에 녹여 혼합한 용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 5와 동일한 방법으로 유기-무기 복합 고분자 전해질막을 제조하였다.0.4 g of the branched poly (ketone-sulfone) copolymer obtained in Example 12 and 0.04 g of 15 nm silicon oxide (10 wt% of the polymer) obtained in Example 4 were dissolved in dimethyl sulfoxide and mixed. Except, an organic-inorganic composite polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 5.

실시예 16Example 16

(폴리(케톤-술폰) 공중합체의 합성)(Synthesis of Poly (ketone-Sulfone) Copolymer)

1,1,1-트리스(4-히드록시페닐)에탄을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 12와 동일한 방법으로 폴리(술폰-케톤)공중합체와 고분자 전해질막을 제조하였다.A poly (sulfone-ketone) copolymer and a polymer electrolyte membrane were prepared in the same manner as in Example 12, except that 1,1,1-tris (4-hydroxyphenyl) ethane was not used.

실시예 17Example 17

(유기-무기 복합 고분자 전해질막의 합성)(Synthesis of Organic-Inorganic Composite Polymer Electrolyte Membrane)

실시예 16에서 얻어진 폴리(케톤-술폰) 공중합체 0.4 g 및 실시예 4에서 얻어진 15 nm 크기의 실리콘 옥사이드 0.016 g(고분자의 4 wt%)를 디메틸 설폭사이드에 녹여 혼합한 용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 5와 동일한 방법으로 유기-무기 복합 고분자 전해질막을 제조하였다.0.4 g of the poly (ketone-sulfone) copolymer obtained in Example 16 and 0.016 g of the 15 nm silicon oxide (4 wt% of the polymer) obtained in Example 4 were dissolved in dimethyl sulfoxide and mixed. The organic-inorganic composite polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 5.

실시예 18Example 18

(유기-무기 복합 고분자 전해질막의 합성)(Synthesis of Organic-Inorganic Composite Polymer Electrolyte Membrane)

실시예 16에서 얻어진 폴리(케톤-술폰) 공중합체 0.4 g 및 실시예 4에서 얻어진 15 nm 크기의 실리콘 옥사이드 0.028 g(고분자의 7 wt%)를 디메틸 설폭사이드에 녹여 혼합한 용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 5와 동일한 방법으로 유기-무기 복합 고분자 전해질막을 제조하였다.0.4 g of the poly (ketone-sulfone) copolymer obtained in Example 16 and 0.028 g of a 15 nm silicon oxide (7 wt% of a polymer) obtained in Example 4 were dissolved in dimethyl sulfoxide and mixed. The organic-inorganic composite polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 5.

실시예 19Example 19

(유기-무기 복합 고분자 전해질막의 합성)(Synthesis of Organic-Inorganic Composite Polymer Electrolyte Membrane)

실시예 16에서 얻어진 폴리(케톤-술폰) 공중합체 0.4 g 및 실시예 4에서 얻어진 15 nm 크기의 실리콘 옥사이드 0.04 g(고분자의 10 wt%)를 디메틸 설폭사이드에 녹여 혼합한 용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 5와 동일한 방법으로 유기-무기 복합 고분자 전해질막을 제조하였다.0.4 g of the poly (ketone-sulfone) copolymer obtained in Example 16 and 0.04 g of 15 nm silicon oxide (10 wt% of the polymer) obtained in Example 4 were dissolved in dimethyl sulfoxide and mixed. The organic-inorganic composite polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 5.

비교예 1Comparative Example 1

실시예 3에서 얻어진 분지형 폴리(술폰-케톤) 공중합체 0.4 g에 실리콘 옥사이드 0.06 g(고분자의 15 wt%)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 5와 동일한 방법으로 고분자 전해질막을 제조하였다. 그러나, 막의 균열로 막의 특성을 측정할 수 없었다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 5, except that 0.06 g of silicon oxide (15 wt% of polymer) was used for 0.4 g of the branched poly (sulfone-ketone) copolymer obtained in Example 3. However, it was not possible to measure the properties of the film due to the cracking of the film.

비교예 2Comparative Example 2

실시예 8에서 얻어진 폴리(술폰-케톤) 공중합체 0.4 g에 실리콘 옥사이드 0.06 g(고분자의 15 wt%)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 5와 동일한 방법으로 고분자 전해질막을 제조하였다. 그러나, 막 제조시 실리콘 옥사이드가 서로 엉기어 분포가 제대로 이루어지지 않아 막을 제조하기 어려웠다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 5, except that 0.06 g of silicon oxide (15 wt% of polymer) was used for 0.4 g of the poly (sulfone-ketone) copolymer obtained in Example 8. However, it was difficult to produce a film because silicon oxides were entangled with each other in the film production, and distribution was not properly performed.

비교예 3Comparative Example 3

실시예 12에서 얻어진 분지형 폴리(케톤-술폰) 공중합체 0.4 g에 실리콘 옥사이드 0.06 g(고분자의 15 wt%)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 5와 동일한 방법으로 고분자 전해질막을 제조하였다. 그러나, 이 역시 막의 균열로 막의 특성을 측정할 수 없었다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 5, except that 0.06 g of silicon oxide (15 wt% of polymer) was used for 0.4 g of the branched poly (ketone-sulfone) copolymer obtained in Example 12. However, this also could not measure the properties of the film due to the cracking of the film.

비교예 4Comparative Example 4

실시예 16에서 얻어진 폴리(케톤-술폰) 공중합체 0.4 g에 실리콘 옥사이드 0.06 g(고분자의 15 wt%)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 5와 동일한 방법으로 고분자 전해질막을 제조하였다. 그러나, 막 제조시 실리콘 옥사이드가 서로 엉기어 분포가 제대로 이루어지지 않아 막을 제조하기 어려웠다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 5, except that 0.06 g of silicon oxide (15 wt% of polymer) was used for 0.4 g of the poly (ketone-sulfone) copolymer obtained in Example 16. However, it was difficult to produce a film because silicon oxides were entangled with each other in the film production, and distribution was not properly performed.

비교예 5Comparative Example 5

상기한 바와 같이, 비교예 1 내지 4의 경우 고분자 전해질 막을 제조할 수 없었기 때문에, 기존에 상업적으로 이용 중인 나피온 112(Nafion 112)을 고분자 전해질막으로 이용하였다.As described above, since the polymer electrolyte membrane could not be prepared in Comparative Examples 1 to 4, Nafion 112, which was previously used commercially, was used as the polymer electrolyte membrane.

비교예 6Comparative Example 6

기존에 상업적으로 이용 중인 나피온 115(Nafion 115)을 고분자 전해질막으로 이용하였고, 이에 대한 메탄올 투과도 및 수소이온전도도 결과를 도 1 및 도 2에 나타내었다.Nafion 115, which is currently used commercially, was used as the polymer electrolyte membrane, and methanol permeability and hydrogen ion conductivity results thereof are shown in FIGS. 1 and 2.

도 1, 2의 결과에서 보면, 종래 나피온 115에 테트라에톡시실란(TEOS)를 첨가시킨 경우, 메탄올 투과도는 첨가량이 증가함에 따라 감소하였으며, 수소이온전도도 또한 감소하는 경향을 보였다. 그러나, 일반적으로 실리콘 옥사이드의 함량에 따라 수소이온전도도가 감소한다고 보아야 하므로, 도 1, 2에서의 실리콘 옥사이드 10% 함량에서만 증가했다고 해서 수소이온전도도가 좋아졌다고 할 수 없으며, 10%에서의 데이터는 오차범위에 들어가기 때문에 증가했다고 보기도 어렵다.1 and 2, when tetraethoxysilane (TEOS) was added to Nafion 115 in the prior art, methanol permeability decreased with increasing amount, and hydrogen ion conductivity also showed a tendency to decrease. However, since the hydrogen ion conductivity decreases with the silicon oxide content in general, the increase in the silicon oxide 10% content in FIGS. 1 and 2 does not mean that the hydrogen ion conductivity is improved. It is hard to say that the increase is due to entering the margin of error.

실험예 1Experimental Example 1

실시예 4 내지 19 및 비교예 5의 고분자 전해질 막에 대하여 수소이온 전도도(Proton conductivity)를 측정하였다. 수소이온 전도도의 측정은 2.54 ㎠의 전극사이에 고분자막을 위치시키고, 전위차 측정기를 이용하여 30 ℃에서 초기저항값을 측정하였다. 측정식은 다음의 계산식 1과 같고, 측정결과는 표 1에 나타내었다. 이때, 초기전도도는 초기저항값 1/ohm을 나타내는 것이다.The proton conductivity of the polymer electrolyte membranes of Examples 4 to 19 and Comparative Example 5 was measured. Hydrogen ion conductivity was measured by placing a polymer film between electrodes of 2.54 cm 2, and measuring the initial resistance at 30 ° C. using a potentiometer. The measurement formula is the same as the following formula 1, the measurement results are shown in Table 1. At this time, the initial conductivity represents the initial resistance value 1 / ohm.

(계산식 1)(Calculation 1)

수소이온 전도도(S/cm) = [막 두께(cm)/면적(㎠)]×초기전도도(S)Hydrogen ion conductivity (S / cm) = [film thickness (cm) / area (cm 2)] x initial conductivity (S)

실험예 2Experimental Example 2

메탄올의 투과도(permeability)를 측정하기 위해, 두 셀의 중간에 실시예 4 내지 19 및 비교예 5의 고분자 전해질 막을 위치시키고, 에폭시접착제를 이용하여 고정시켰다. 이후, 한쪽 셀에는 1 몰의 메탄올 수용액 15 mL를 넣고, 다른 쪽 셀에는 증류수 15 mL를 넣은 후, 증류수가 들어간 셀에서 10분당 1회 10 ㎕씩 분취한 후, 10 ㎕의 증류수를 넣어 부피를 10 mL로 맞추었다. 분취한 시료는 가스크로마토그래피를 이용하여 메탄올 농도를 측정하였다. 또한, 시간에 따른 메탄올 변화 그래프를 작성하여, 기울기로 투과도를 아래 계산식 2에 의해 산출하였고, 결과는 표 1에 나타내었다.In order to measure the permeability of methanol, the polymer electrolyte membranes of Examples 4 to 19 and Comparative Example 5 were placed in the middle of the two cells and fixed using an epoxy adhesive. Thereafter, 15 mL of 1 mol of aqueous methanol solution was added to one cell, and 15 mL of distilled water was added to the other cell, and then, 10 μl was collected once every 10 minutes from a cell containing distilled water, and 10 μl of distilled water was added thereto. Adjusted to 10 mL. The aliquot sample was measured for methanol concentration using gas chromatography. In addition, a graph of methanol change over time was prepared, and the permeability was calculated by the following formula 2 as a slope, and the results are shown in Table 1.

(계산식 2)(Calculation 2)

MeOH 투과도(㎠/S) = [기울기(ppm/s)×용액부피(15 ㎤)×멤브레인 두께(cm)]/[막 면적(7.06 ㎠)×MeOH 농도 (32000 ppm)]MeOH permeability (cm 2 / S) = [Slope (ppm / s) x solution volume (15 cm 3) x membrane thickness (cm)] / [membrane area (7.06 cm 2) x MeOH concentration (32000 ppm)]

상기 계산식 2에서, 고정된값은 막의 지름 3 cm, MeOH 농도 1 mol (32000 ppm), 용액의 부피 15 mL이었다.In Formula 2, the fixed value was 3 cm in diameter of the membrane, 1 mol of MeOH concentration (32000 ppm), and 15 mL of volume of the solution.

실험예 3Experimental Example 3

실시예 4 내지 19 및 비교예 5의 고분자 전해질막을 증류수에 담구어 30 ℃에서 24시간 동안 놓아두었다. 24시간 후 고분자 막을 꺼내어 무게(Mwet)를 재고, 막을 100 ℃ 오븐에 넣어 24시간 동안 건조시킨 후 다시 무게(Mdry)를 재어, 다음 계산식 3에 의해 Water-up take을 계산하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.The polymer electrolyte membranes of Examples 4 to 19 and Comparative Example 5 were immersed in distilled water and left at 30 ° C. for 24 hours. After 24 hours, the polymer membrane was taken out and weighed (M wet ), the membrane was put in an oven at 100 ° C., dried for 24 hours, weighed again (M dry ), and the water-up take was calculated by the following equation 3, Is shown in Table 1.

(계산식 3)(Calculation 3)

Water-up take(%) = [(Mwet - Mdry)/ Mdry]Water-up take (%) = [(M wet -M dry ) / M dry ]

[표 1]TABLE 1

구 분   division 수소이온 전도도 (S/cm)   Hydrogen ion conductivity (S / cm) 메탄올 투과율 (㎠/s)   Methanol transmittance (㎠ / s) Water-up take (%)   Water-up take (%) 비교예 5 Comparative Example 5 15.68 × 10-3 15.68 × 10 -3 21.7 × 10-7 21.7 × 10 -7 29.5       29.5 실 시 예   Example 4   4 6.35 × 10-3 6.35 × 10 -3 1.48 × 10-7 1.48 × 10 -7 54.74       54.74 5   5 7.37 × 10-3 7.37 × 10 -3 1.50 × 10-7 1.50 × 10 -7 62.03       62.03 6   6 7.32 × 10-3 7.32 × 10 -3 1.32 × 10-7 1.32 × 10 -7 65.24       65.24 7   7 4.76 × 10-3 4.76 × 10 -3 1.20 × 10-7 1.20 × 10 -7 63.23       63.23 8   8 8.8 × 10-3 8.8 × 10 -3 4.23 × 10-7 4.23 × 10 -7 47.35       47.35 9   9 9.96 × 10-3 9.96 × 10 -3 1.75 × 10-7 1.75 × 10 -7 53.21       53.21 10   10 9.5 × 10-3 9.5 × 10 -3 1.08 × 10-7 1.08 × 10 -7 56.11       56.11 11   11 7.5 × 10-3 7.5 × 10 -3 1.53 × 10-7 1.53 × 10 -7 54.26       54.26 12   12 9.23 × 10-3 9.23 × 10 -3 3.20 × 10-7 3.20 × 10 -7 24.30       24.30 13   13 6.09 × 10-3 6.09 × 10 -3 1.36 × 10-7 1.36 × 10 -7 24.58       24.58 14   14 5.12 × 10-3 5.12 × 10 -3 1.17 × 10-7 1.17 × 10 -7 22.45       22.45 15   15 4.23 × 10-3 4.23 × 10 -3 1.05 × 10-7 1.05 × 10 -7 25.48       25.48 16   16 9.63 × 10-3 9.63 × 10 -3 3.17 × 10-7 3.17 × 10 -7 26.38       26.38 17   17 7.45 × 10-3 7.45 × 10 -3 1.52 × 10-7 1.52 × 10 -7 26.79       26.79 18   18 7.17 × 10-3 7.17 × 10 -3 0.968 × 10-7 0.968 × 10 -7 26.44       26.44 19   19 4.98 × 10-3 4.98 × 10 -3 0.961 × 10-7 0.961 × 10 -7 26.81       26.81

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 폴리(술폰-케톤) 공중합체 또는 폴리(케톤-술폰) 공중합체에 실리콘 옥사이드와 같은 무기입자를 첨가하여 고분자 전해질막을 제조함으로써, 기존의 고분자 전해질막에 비해 수소이온 전도도가 우수하고, 특히 메탄올 투과도를 크게 감소시켜 막의 성능을 향상시킴으로써, 수명을 연장시키는 효과를 얻을 수 있다.As described above, according to the present invention, a polymer electrolyte membrane is prepared by adding inorganic particles such as silicon oxide to a poly (sulfone-ketone) copolymer or a poly (ketone-sulfone) copolymer, thereby producing hydrogen in comparison with a conventional polymer electrolyte membrane. The ion conductivity is excellent, and in particular, the methanol permeability is greatly reduced to improve the performance of the membrane, and thus the effect of extending the life can be obtained.

Claims (13)

술폰화 폴리술폰케톤 공중합체 100 중량부에 대하여 무기 입자를 0.1 내지 14 중량부의 양으로 포함하는 것인, 유기-무기 복합체 고분자.The organic-inorganic composite polymer comprising inorganic particles in an amount of 0.1 to 14 parts by weight based on 100 parts by weight of the sulfonated polysulfone ketone copolymer. 제 1항에 있어서, 상기 무기 입자는 1 nm 내지 10 ㎛ 크기의 실리콘 옥사이드, 포스파토-안티몬산(phosphato-antimonic acid), 인산, 세슘(caesium) 및 인-텅스텐산(phosphotungstic acid)로 이루어진 군에서 선택되는 것인, 유기-무기 복합체 고분자.According to claim 1, wherein the inorganic particles are a group consisting of silicon oxide, phosphato-antimonic acid, phosphoric acid, cesium (phosphesungung) and phosphotungstic acid of 1 nm to 10 ㎛ size Will be selected from, organic-inorganic composite polymer. 제 1항에 있어서, 상기 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체는 방향족 술폰 반복단위, 방향족 케톤 반복단위, 및 상기 반복단위를 에테르 결합으로 연결하는 방향족 화합물 반복단위를 포함하며, 상기 방향족 술폰 반복단위, 및 방향족 케톤 반복단위 중 적어도 1종 이상은 1 내지 50 몰%의 술폰산 또는 술폰산염 치환기를 가지는 것인, 유기-무기 복합체 고분자.The method of claim 1, wherein the sulfonated polysulfone ketone copolymer comprises an aromatic sulfone repeating unit, an aromatic ketone repeating unit, and an aromatic compound repeating unit linking the repeating unit with an ether bond, At least one or more of the aromatic ketone repeating units having 1 to 50 mol% of sulfonic acid or sulfonate substituents, organic-inorganic composite polymer. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 방향족 술폰 반복단위는 하기 화학식 1로 표시되고,The aromatic sulfone repeating unit is represented by the following formula (1), 상기 방향족 케톤 반복단위는 하기 화학식 2로 표시되고,The aromatic ketone repeating unit is represented by the following formula (2), 상기 반복단위를 에테르 결합으로 연결하는 방향족 화합물 반복단위는 하기 화학식 3으로 표시되고,An aromatic compound repeating unit connecting the repeating unit by an ether bond is represented by the following formula (3), 술폰산 또는 술폰산염 치환기를 가지는 방향족 술폰 반복단위는 하기 화학식 4로 표시되고,An aromatic sulfone repeating unit having a sulfonic acid or sulfonate substituent is represented by the following formula (4), 술폰산 또는 술폰산염 치환기를 가지는 방향족 케톤 반복단위는 하기 화학식 5로 표시되는 것인, 유기-무기 복합체 고분자: An aromatic ketone repeating unit having a sulfonic acid or sulfonate substituent is represented by the following Formula 5, an organic-inorganic composite polymer: [화학식 1][Formula 1]
Figure 112006064689654-PAT00025
Figure 112006064689654-PAT00025
[화학식 2][Formula 2]
Figure 112006064689654-PAT00026
Figure 112006064689654-PAT00026
[화학식 3][Formula 3]
Figure 112006064689654-PAT00027
Figure 112006064689654-PAT00027
[화학식 4][Formula 4]
Figure 112006064689654-PAT00028
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[화학식 5][Formula 5]
Figure 112006064689654-PAT00029
Figure 112006064689654-PAT00029
상기 식에서, M1, M2, M3, 및 M4는 각각 독립적으로 수소, 나트륨, 리튬, 및 칼륨으 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고,In the above formula, M 1 , M 2 , M 3 , and M 4 are each independently one or more selected from the group consisting of hydrogen, sodium, lithium, and potassium, K는 -CO-, -CO-CO-, 및
Figure 112006064689654-PAT00030
로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 케톤이고,
K is -CO-, -CO-CO-, and
Figure 112006064689654-PAT00030
At least one ketone selected from the group consisting of
X는 -O-, -S-, -NH-, -SO2-, -CO-, -C(CH3)2-, 및 -C(CF3)2- 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고,X is one or more selected from the group consisting of -O-, -S-, -NH-, -SO 2- , -CO-, -C (CH 3 ) 2- , and -C (CF 3 ) 2- ego, R1, R2, R3, R4, R5, R6 및 R7는 각각 독립적으로 산소, 질소, 및 황으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하는 탄소수 5 내지 30인 방향족환 및 탄소수 1 내지 30인 알킬 치환체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고,R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are each independently aromatic having 5 to 30 carbon atoms containing at least one hetero atom selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, and sulfur At least one member selected from the group consisting of a ring and an alkyl substituent having 1 to 30 carbon atoms, a, b, 및 c는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, a, b, and c are each independently an integer of 0 to 4, x, 및 x'는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이고, y 및 y'는 각각 독립적으로 1 내지 4의 정수, x+y 및 x'+y'는 각각 독립적으로 1 내지 4의 정수이다. x and x 'are each independently an integer of 0-3, y and y' are each independently an integer of 1-4, x + y and x '+ y' are each independently an integer of 1-4.
제 1항에 있어서, 상기 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체는 하기 화학식 6 또는 화학식 7로 표시되는 분자구조를 포함하는 것인 유기-무기 복합체 고분자:The organic-inorganic composite polymer of claim 1, wherein the sulfonated polysulfone ketone copolymer includes a molecular structure represented by the following Chemical Formula 6 or Chemical Formula 7: [화학식 6][Formula 6]
Figure 112006064689654-PAT00031
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[화학식 7][Formula 7]
Figure 112006064689654-PAT00032
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상기 식에서, Where R1, R2, R3, 및 R4는 각각 독립적으로 산소, 질소, 및 황으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하는 탄소수 5 내지 30인 방향족환 및 탄소수 1 내지 30인 알킬 치환체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고,R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are each independently an aromatic ring having 5 to 30 carbon atoms and alkyl having 1 to 30 carbon atoms containing at least one hetero atom selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, and sulfur At least one selected from the group consisting of substituents, M1, M2, M3, 및 M4는 각각 독립적으로 수소, 나트륨, 리튬, 및 칼륨으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, M 1 , M 2 , M 3 , and M 4 are each independently one or more selected from the group consisting of hydrogen, sodium, lithium, and potassium, a 및 b는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고,a and b are each independently an integer of 0 to 4, x, 및 x'는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이고,x, and x 'are each independently an integer of 0 to 3, y 및 y'는 각각 독립적으로 1 내지 4의 정수, x+y 및 x'+y'는 각각 독립적으로 1 내지 4의 정수이다.y and y 'are each independently an integer of 1-4, x + y and x' + y 'are each independently an integer of 1-4.
제 1항에 있어서, 상기 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체는 중량평균분자량이 10,000 내지 200,000인 유기-무기 복합체 고분자.The organic-inorganic composite polymer of claim 1, wherein the sulfonated polysulfone ketone copolymer has a weight average molecular weight of 10,000 to 200,000. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체는 하기 화학식 8 내지 15로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 다관능성 모노머로부터 유도된 분지 단위(branching unit)를 더 포함하는 분지형 고분자인, 유기-무기 복합체 고분자:The sulfonated polysulfone ketone copolymer is an organic-inorganic, which is a branched polymer further comprising a branching unit derived from one or more polyfunctional monomers selected from the group consisting of compounds represented by Formulas 8 to 15 Composite Polymers: [화학식 8][Formula 8]
Figure 112006064689654-PAT00033
Figure 112006064689654-PAT00033
[화학식 9][Formula 9]
Figure 112006064689654-PAT00034
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[화학식 10][Formula 10]
Figure 112006064689654-PAT00035
Figure 112006064689654-PAT00035
[화학식 11][Formula 11]
Figure 112006064689654-PAT00036
Figure 112006064689654-PAT00036
[화학식 12][Formula 12]
Figure 112006064689654-PAT00037
Figure 112006064689654-PAT00037
[화학식 13][Formula 13]
Figure 112006064689654-PAT00038
Figure 112006064689654-PAT00038
[화학식 14][Formula 14]
Figure 112006064689654-PAT00039
Figure 112006064689654-PAT00039
[화학식 15][Formula 15]
Figure 112006064689654-PAT00040
.
Figure 112006064689654-PAT00040
.
제 7항에 있어서, 상기 분지 단위는 상기 방향족 케톤 및 방향족 술폰 반복단위를 에테르 결합으로 연결하는 방향족 화합물 반복단위에 대하여 0.1 내지 1 몰%로 포함되는 것인 유기-무기 복합체 고분자.The organic-inorganic composite polymer of claim 7, wherein the branching unit is included in an amount of 0.1 to 1 mol% based on an aromatic compound repeating unit connecting the aromatic ketone and the aromatic sulfone repeating unit by an ether bond. 제 7항에 있어서, 상기 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체는 하기 화학식 16 또는 화학식 17로 표시되는 분자구조를 포함하는 분지형 고분자인, 유기-무기 복합체 고분자:The organic-inorganic composite polymer of claim 7, wherein the sulfonated polysulfone ketone copolymer is a branched polymer including a molecular structure represented by the following Chemical Formula 16 or 17: [화학식 16][Formula 16]
Figure 112006064689654-PAT00041
Figure 112006064689654-PAT00041
[화학식 17] [Formula 17]
Figure 112006064689654-PAT00042
Figure 112006064689654-PAT00042
상기 식에서, Where R1, R2, R3, 및 R4는 각각 독립적으로 산소, 질소, 및 황으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하는 탄소수 5 내지 30인 방향족환 및 탄소수 1 내지 30인 알킬 치환체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고,R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are each independently an aromatic ring having 5 to 30 carbon atoms and at least 1 to 30 carbon atoms containing at least one hetero atom selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, and sulfur At least one selected from the group consisting of substituents, M1, M2, M3, 및 M4는 각각 독립적으로 수소, 나트륨, 리튬, 및 칼륨으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, M 1 , M 2 , M 3 , and M 4 are each independently one or more selected from the group consisting of hydrogen, sodium, lithium, and potassium, a 및 b는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고,a and b are each independently an integer of 0 to 4, x, 및 x'는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이고,x, and x 'are each independently an integer of 0 to 3, y 및 y'는 각각 독립적으로 1 내지 4의 정수, x+y 및 x'+y'는 각각 독립적으로 1 내지 4의 정수이다.y and y 'are each independently an integer of 1-4, x + y and x' + y 'are each independently an integer of 1-4.
제 1항에 있어서, 상기 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체는The method of claim 1, wherein the sulfonated polysulfone ketone copolymer 술폰화 또는 술폰화되지 않은 방향족 술폰 모노머, 술폰화 또는 술폰화되지 않은 방향족 케톤 모노머, 및 방향족 디히드록시 모노머를 포함하는 모노머 혼합물을 유기용매 존재 하에서 축합반응시키는 단계를 포함하여 제조되며,Condensation of a monomer mixture comprising a sulfonated or unsulfonated aromatic sulfone monomer, a sulfonated or unsulfonated aromatic ketone monomer, and an aromatic dihydroxy monomer in the presence of an organic solvent, 상기 방향족 술폰 모노머는 하기 화학식 18로 표시되고,The aromatic sulfone monomer is represented by the following formula (18), 상기 방향족 케톤 모노머는 하기 화학식 19로 표시되고,The aromatic ketone monomer is represented by the following formula (19), 상기 술폰화 방향족 술폰 모노머는 하기 화학식 20로 표시되고, The sulfonated aromatic sulfone monomer is represented by the following formula (20), 상기 술폰화 방향족 케톤 모노머는 하기 화학식 21로 표시되며,The sulfonated aromatic ketone monomer is represented by the following formula 21, 상기 방향족 디히드록시 모노머는 하기 화학식 22로 표시되는 것인, 유기-무기 복합체 고분자:The aromatic dihydroxy monomer is represented by the following formula 22, an organic-inorganic composite polymer: [화학식 18][Formula 18]
Figure 112006064689654-PAT00043
Figure 112006064689654-PAT00043
[화학식 19][Formula 19]
Figure 112006064689654-PAT00044
Figure 112006064689654-PAT00044
[화학식 20][Formula 20]
Figure 112006064689654-PAT00045
Figure 112006064689654-PAT00045
[화학식 21][Formula 21]
Figure 112006064689654-PAT00046
Figure 112006064689654-PAT00046
[화학식 22][Formula 22]
Figure 112006064689654-PAT00047
Figure 112006064689654-PAT00047
상기 식에서, Where M1, M2, M3, 및 M4는 각각 독립적으로 수소, 나트륨, 리튬, 및 칼륨으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, M 1 , M 2 , M 3 , and M 4 are each independently one or more selected from the group consisting of hydrogen, sodium, lithium, and potassium, K는 -CO-, -CO-CO-, 및
Figure 112006064689654-PAT00048
로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 케톤이고,
K is -CO-, -CO-CO-, and
Figure 112006064689654-PAT00048
At least one ketone selected from the group consisting of
X는 --, -S-, -NH-, -SO2-, -CO-, -C(CH3)2-, 및 -C(CF3)2- 로 이루어진 군에서 선택 되는 1종 이상이고,X is at least one member selected from the group consisting of-, -S-, -NH-, -SO 2- , -CO-, -C (CH 3 ) 2- , and -C (CF 3 ) 2- , Y는 각각 독립적으로 불소, 염소, 브롬, 및 요오드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 할로겐족 원소이고, Each Y is independently at least one halogen group element selected from the group consisting of fluorine, chlorine, bromine, and iodine, R1, R2, R3, R4, R5, R6, 및 R7은 각각 독립적으로 산소, 질소, 및 황으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 헤테로 원자를 포함하는 탄소수 5 내지 30인 방향족환 및 탄소수 1 내지 30인 알킬 치환체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고,R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , and R 7 each independently have 5 to 30 carbon atoms containing one or more heteroatoms selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, and sulfur. At least one selected from the group consisting of an aromatic ring and an alkyl substituent having 1 to 30 carbon atoms, a, b, 및 c는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, a, b, and c are each independently an integer of 0 to 4, x, 및 x'는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수, y 및 y'는 각각 독립적으로 1 내지 4의 정수이고, x+y 및 x'+y'는 각각 독립적으로 1 내지 4의 정수이다. x and x 'are each independently an integer of 0-3, y and y' are each independently an integer of 1-4, and x + y and x '+ y' are each independently an integer of 1-4.
제 10항에 있어서, 상기 모노머 혼합물은 하기 화학식 8 내지 15로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 다관능성 모노머를 더 포함하는 것인, 유기-무기 복합체 고분자:The organic-inorganic composite polymer according to claim 10, wherein the monomer mixture further comprises at least one polyfunctional monomer selected from the group consisting of compounds represented by the following Formulas 8 to 15: [화학식 8][Formula 8]
Figure 112006064689654-PAT00049
Figure 112006064689654-PAT00049
[화학식 9][Formula 9]
Figure 112006064689654-PAT00050
Figure 112006064689654-PAT00050
[화학식 10][Formula 10]
Figure 112006064689654-PAT00051
Figure 112006064689654-PAT00051
[화학식 11][Formula 11]
Figure 112006064689654-PAT00052
Figure 112006064689654-PAT00052
[화학식 12][Formula 12]
Figure 112006064689654-PAT00053
Figure 112006064689654-PAT00053
[화학식 13][Formula 13]
Figure 112006064689654-PAT00054
Figure 112006064689654-PAT00054
[화학식 14][Formula 14]
Figure 112006064689654-PAT00055
Figure 112006064689654-PAT00055
[화학식 15][Formula 15]
Figure 112006064689654-PAT00056
Figure 112006064689654-PAT00056
제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 유기-무기 복합체 고분자를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막.A polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising the organic-inorganic composite polymer according to any one of claims 1 to 11. 제 12항에 있어서, 상기 고분자 전해질막은 용매 캐스팅법에 의해 제조되어, 20 내지 50 ㎛ 두께를 가지는 것인 고분자 전해질막.The polymer electrolyte membrane of Claim 12, wherein the polymer electrolyte membrane is prepared by a solvent casting method and has a thickness of 20 to 50 µm.
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