KR20080058139A - Polymer electrolyte membrane for fuel cell, manufacturing method thereof, and fuel cell employing the same - Google Patents

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Abstract

A polymeric electrolyte membrane for a fuel cell is provided to maintain stabilized performance for a long term, and to produce a fuel cell having stabilized performance when the electrolyte membrane is applied to a membrane-electrode assembly. A method for manufacturing a polymeric electrolyte membrane for a fuel cell includes the steps of: adding a basic polymer and a polyfunctional crosslinking agent to an organic solvent, and appending the polyfunctional crosslinking agent to the basic polymer to obtain a polymer solution; crosslinking the basic polymer through a condensation reaction between the polyfunctional crosslinking agents to obtain a polymer membrane while removing the organic solvent from the polymer solution; and impregnating the polymer membrane with an acidic dopant at a temperature ranging from room temperature to 200 °C to obtain the polymer electrolyte membrane.

Description

연료전지용 고분자 전해질막, 그 제조방법 및 이를 채용한 연료전지 {Polymer electrolyte membrane for fuel cell, manufacturing method thereof, and fuel cell employing the same}Polymer electrolyte membrane for fuel cell, manufacturing method and fuel cell employing the same {Polymer electrolyte membrane for fuel cell, manufacturing method etc, and fuel cell employing the same}

도 1은 본 발명의 실시형태인 연료 전지의 요부를 나타내는 사시 분해도이고,1 is a perspective exploded view showing a main portion of a fuel cell according to the embodiment of the present invention;

도 2는 도 1의 연료전지에 구비된 막-전극 접합체를 나타내는 단면 모식도이고,FIG. 2 is a cross-sectional schematic diagram illustrating a membrane-electrode assembly provided in the fuel cell of FIG. 1.

도 3은 내구성 시험의 실시방법을 설명하는 도면으로, (a)는 연료 전지의 출력 전압 및 출력 전류와 운전 시간과의 관계를 나타내는 그래프이고, (b)는 개회로 전압과 시험 시간과의 관계의 일 예를 나타내는 그래프이다.3 is a view for explaining a method of performing the durability test, (a) is a graph showing the relationship between the output voltage and output current of the fuel cell and the operating time, (b) is the relationship between the open circuit voltage and the test time It is a graph showing an example.

[주요 부호에 대한 간단한 설명][A brief description of the major signs]

1…연료 전지 10…막-전극 접합체One… . Fuel cell 10. Membrane-electrode assembly

20…바이폴라 플레이트 100…전해질막(연료전지용 고분자 전해질)20... Bipolar plate 100... Electrolyte Membrane (Polymer Electrolyte for Fuel Cell)

110, 110'…촉매층 120,120',121,121'…기체 확산층110, 110 '... Catalyst layer 120,120 ', 121,121'... Gas diffusion layer

본 발명은 연료전지용 고분자 전해질막, 그 제조방법 및 이를 채용한연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 특별한 연료가스 가습장치를 마련하지 않고 100 내지 200 ℃의 온도 범위에서 운전되는 연료전지에 적합한 내구성이 뛰어난 고분자 전해질막, 그 제조방법 및 상기 고분자 전해질막을 채용한 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, a method for manufacturing the same, and a fuel cell employing the same, and more particularly, to a fuel cell operating in a temperature range of 100 to 200 ° C. without providing a special fuel gas humidifier. A superior polymer electrolyte membrane, a method for producing the same, and a fuel cell employing the polymer electrolyte membrane are described.

고체 고분자형 연료전지로 사용하는 고분자 전해질막에는 높은 이온 전도성과 함께 우수한 장기안정성이 요구되고 있다. 미국 특허 제5,525,436호에는, 폴리벤즈이미다졸막에 오르토인산을 도핑한 전해질막이 개시되어 있다. 또한 일본 특허 공개 2000-281819호에는, 고분자막의 기계적 강도를 향상시키기 위하여 폴리벤즈이미다졸을 디에폭시 화합물 등으로 가교시킨 전해질막이 개시되어 있다. 또한, 일본 특허 공표 2005-535734호에는, 폴리벤즈이미다졸을 포함한 폴리머 블렌드를 디에폭시 화합물 등으로 가교시킨 전해질막이 개시되어 있다.Polymer electrolyte membranes used as solid polymer fuel cells are required to have high ion conductivity and excellent long-term stability. US Patent No. 5,525,436 discloses an electrolyte membrane in which polybenzimidazole membrane is doped with orthophosphoric acid. In addition, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-281819 discloses an electrolyte membrane in which polybenzimidazole is crosslinked with a diepoxy compound or the like in order to improve the mechanical strength of the polymer membrane. In addition, Japanese Patent Publication No. 2005-535734 discloses an electrolyte membrane in which a polymer blend containing polybenzimidazole is crosslinked with a diepoxy compound or the like.

미국 특허 제5,525,436호, 일본 특허 공개 2000-281819호, 일본 특허공표 2005-535734호에 기재된 기술은 모두 염기성 폴리머인 폴리벤즈이미다졸에 오르토인산으로 대표되는 도펀트를 함침시켜 전해질막에 대한 것인데, 이러한 전해질막을 이용한 막전극 접합체는 장기 안정성이 충분하지 않고, 일본 특허 공개 2000-281819호 또는 일본 특허 공표 2005-535734호에 기재되어 있는 바와 같이, 가교제에 의해 막의 기계적 강도가 개선되기는 하였으나, 아직도 그 특성이 불충분했다.The techniques described in US Pat. No. 5,525,436, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-281819, and Japanese Patent Laid-Open No. 2005-535734 are all impregnated with a basic polymer, polybenzimidazole, for impregnating a dopant represented by orthophosphoric acid. The membrane electrode assembly using the electrolyte membrane does not have sufficient long-term stability, and as described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-281819 or Japanese Patent Publication No. 2005-535734, the mechanical strength of the membrane is improved by the crosslinking agent, but still its characteristics This was insufficient.

가교제에 의해 막강도를 향상시킨 전해질막의 장기 안정성이 만족할만한 수준으로 개선되지 않는 원인으로, 이런 종류의 전해질막은 흡습 상태와 건조 상태에서 치수 차이가 큰 것에서 비롯된다는 사실을 알게 되었다.It has been found that this kind of electrolyte membrane is caused by a large dimensional difference in the hygroscopic state and the dry state, because the long-term stability of the electrolyte membrane having the membrane strength improved by the crosslinking agent is not improved to a satisfactory level.

즉, 다량의 산성 도펀트를 포함한 전해질막은 폐회로 상태에서는 생성수에 따라 함수 상태가 되는데 대해, 개회로 상태나 낮은 전류 밀도에 있어서는, 흡수한 수분이 전해질막 밖으로 많이 빠져나가기 때문에 건조 상태가 된다.That is, the electrolyte membrane containing a large amount of acidic dopant is in a closed state in accordance with the generated water in the closed loop state, while in the open circuit state or low current density, the absorbed moisture is largely out of the electrolyte membrane, and becomes dry.

이러한 함수 상태와 건조 상태간의 사이의 수분의 흡탈착에 의해 전해질막의 치수 변화가 일어나고, 특히 평면 방향의 치수 변화에 의해 셀 내에서 단부가 고정되어 있는 전해질막으로 인장응력을 발생시키게 된다. 종래 상기 인장응력에 대해서는, 전해질막의 항복 강도 또는 파단 강도를 강화하는 방법으로 해결하고자 하였으나, 아직도 개선의 여지가 많다. The change in the dimensions of the electrolyte membrane occurs due to the adsorption and desorption of moisture between the water-containing state and the dry state, and in particular, the tensile stress is generated in the electrolyte membrane having the end fixed in the cell by the dimension change in the planar direction. Conventionally, the tensile stress has been solved by a method of enhancing the yield strength or the breaking strength of the electrolyte membrane, but there is still much room for improvement.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 장기적으로 안정된 성능을 계속 유지시킬 수 있는 연료전지용 고분자 전해질막, 그 제조방법 및 이를 채용한 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, a method for manufacturing the same, and a fuel cell employing the same, which can maintain stable performance over a long period of time.

전해질막의 장기 안정성을 개선하기 위해 본 발명자들이 예의 연구를 한 결과, 함수 상태와 건조 상태에서의 치수 변화가 있는 범위를 초월한 전해질막은 이를 이용하여 막전극 접합체를 제작하는 경우에, 장기적으로 안정된 성능을 계속 유지하는 것이 어려워지게 된다는 것을 알아냈다.As a result of intensive studies by the present inventors to improve the long-term stability of the electrolyte membrane, the electrolyte membrane that transcends the range of the dimensional change in the water-containing state and the dry state has a long-term stable performance when fabricating a membrane electrode assembly using the same. I found it hard to keep up.

더욱 상세히 설명하면, 대다수의 고분자막 혹은 전해질막의 실제 응력―왜곡 시험에 있어서, 신도(伸度) 약 10% 이하의 범위에 항복점(降伏点)이 존재한다. 따 라서, 신도가 5%를 넘으면 이미 소성 변형을 개시하게 된다. 이 때문에, 전해질막의 함수 상태와 건조 상태에서 평면 방향으로 치수 변화가 5%를 넘으면 많은 전해질막은 소성 변형을 일으키게 되고, 전해질막에 미소한 크랙이 발생되거나 또는 전해질막이 파단될 가능성이 높다.In more detail, in the actual stress-distortion test of most polymer membranes or electrolyte membranes, a yield point exists in the range of about 10% or less of elongation. Therefore, when the elongation is more than 5%, plastic deformation is already started. For this reason, when the dimensional change exceeds 5% in the planar direction in the hydrous state and in the dry state of the electrolyte membrane, many electrolyte membranes cause plastic deformation, which is likely to cause small cracks or breakage of the electrolyte membrane.

또한, 한 번 이내의 미소한 소성 변형이라면, 전해질막의 장기 내구성에는 그다지 영향을 미치지 않는다고 생각된다. 그러나, 연료전지용 전해질막은 연료전지의 운전 상황에 따라 작은 소성 변형이 반복하여 일어날 수 있다는 점에서, 소성 변형의 반복에 의한 피로(fatigue)가 축적되기 쉽고, 장기적으로는 막의 파단 혹은 크로스오버가 극단적으로 증대될 가능성이 높다.In addition, it is considered that the micro plastic deformation within one time does not affect the long-term durability of the electrolyte membrane very much. However, in the electrolyte membrane for fuel cell, since small plastic deformation may occur repeatedly depending on the operating conditions of the fuel cell, fatigue due to repetition of plastic deformation tends to accumulate, and in the long term, fracture or crossover of the membrane is extremely extreme. Is likely to increase.

결국, 전해질막의 함수 상태와 건조 상태의 사이의 치수 변화율이 5%를 초월하면, 이것을 이용한 막전극 접합체는 장기적으로 안정된 성능을 계속 유지하는 것은 어렵다.As a result, when the rate of dimensional change between the aqueous state and the dry state of the electrolyte membrane exceeds 5%, it is difficult for the membrane electrode assembly using the same to maintain stable performance for a long term.

이에 기초하여, 상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 이하의 구성을 채용한다.Based on this, in order to achieve the above object, the present invention adopts the following configuration.

본 발명의 연료전지용 고분자 전해질막은 염기성 폴리머와 산성 도펀트를 함유하여 이루어진 고분자 전해질막으로서, 함수 상태에서부터 건조 상태에 이르는 상기 고분자 전해질막의 평면 방향의 치수 변화율이 5% 이하임을 특징으로 한다.The polymer electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention is a polymer electrolyte membrane containing a basic polymer and an acidic dopant, and characterized in that the rate of dimensional change in the planar direction of the polymer electrolyte membrane from a hydrous state to a dry state is 5% or less.

또한 본 발명의 연료전지용 고분자 전해질막에 있어서는, 상기 염기성 폴리머가 폴리벤즈이미다졸 또는 그 유도체를 포함하는 것이 바람직하다.In the fuel cell polymer electrolyte membrane of the present invention, it is preferable that the basic polymer contains polybenzimidazole or a derivative thereof.

나아가, 본 발명의 연료전지용 고분자 전해질막에 있어서는, 상기 염기성 폴 리머가 다관능성 가교제와의 반응에 의해 가교된 폴리벤즈이미다졸 또는 그 유도체를 포함하는 것이 바람직하다.Furthermore, in the polymer electrolyte membrane for fuel cells of the present invention, it is preferable that the basic polymer contains polybenzimidazole or a derivative thereof crosslinked by a reaction with a polyfunctional crosslinking agent.

나아가 또 본 발명의 연료전지용 고분자 전해질막에 있어서는, 상기 염기성 폴리머가 에폭시기 함유 알콕시실란에 의해 가교된 폴리벤즈이미다졸 또는 그 유도체를 포함하는 것이 바람직하다.Furthermore, in the polymer electrolyte membrane for fuel cells of the present invention, it is preferable that the basic polymer contains polybenzimidazole or a derivative thereof crosslinked with an epoxy group-containing alkoxysilane.

또한 본 발명의 연료전지용 고분자 전해질막에 있어서는, 상기 산성 도펀트가 인산 또는 유기 포스폰산인 것이 바람직하다.In the fuel cell polymer electrolyte membrane of the present invention, the acidic dopant is preferably phosphoric acid or organic phosphonic acid.

이어서, 본 발명의 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법은 유기 용매 중에 염기성 폴리머와 다관능성 가교제를 부가하고, 상기 염기성 폴리머에 상기 다관능성 가교제를 부가시켜 고분자 용액으로 만드는 공정과, 상기 고분자 용액으로부터 상기 유기 용매를 제거함과 더불어, 상기 다관능성 가교제끼리 축합반응시켜 상기 염기성 폴리머를 가교시켜 고분자막을 얻는 공정과, 실온(20℃) 내지 200℃의 환경 하에서 상기 고분자막에 산성 도펀트를 함침시킴으로써 고분자 전해질막을 얻는 공정을 포함한다.Next, the method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention is a step of adding a basic polymer and a polyfunctional crosslinking agent to an organic solvent, and adding the polyfunctional crosslinking agent to the basic polymer to form a polymer solution, and the organic solution from the polymer solution. Removing the solvent and condensing the multifunctional crosslinking agents to crosslink the basic polymer to obtain a polymer membrane; and obtaining a polymer electrolyte membrane by impregnating an acid dopant in the polymer membrane under an environment of room temperature (20 ° C) to 200 ° C. It includes.

또한 본 발명의 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법은 유기 용매 중에 염기성 폴리머와 다관능성 가교제를 부가하고, 상기 염기성 폴리머를 상기 다관능성 가교제에 의해 가교시켜 고분자 용액으로 만드는 공정과, 상기 고분자 용액으로부터 상기 유기 용매를 제거함으로써 고분자막을 얻는 공정과, 실온 내지 200℃의 환경 하에서 상기 고분자막에 산성 도펀트를 함침시킴으로써 고분자 전해질막을 얻는 공정을 포함한다.In addition, the method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention is a step of adding a basic polymer and a polyfunctional crosslinking agent in an organic solvent, crosslinking the basic polymer with the polyfunctional crosslinking agent to a polymer solution, and the organic solution from the polymer solution The process of obtaining a polymer membrane by removing a solvent, and the process of obtaining a polymer electrolyte membrane by impregnating an acidic dopant with the said polymer membrane in the environment of room temperature to 200 degreeC are included.

또한 본 발명의 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법에 있어서는,상기 염기성 폴리머가 폴리벤즈이미다졸 또는 그 유도체이고, 상기 다관능성 가교제가 에폭시기 함유 알콕시실란인 것이 바람직하다.Moreover, in the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane for fuel cells of this invention, it is preferable that the said basic polymer is polybenzimidazole or its derivative (s), and the said polyfunctional crosslinking agent is an epoxy group containing alkoxysilane.

또한 본 발명의 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법에 있어서는,상기 염기성 폴리머가 폴리벤즈이미다졸 또는 그 유도체로, 상기 다관능성 가교제가 1,4―부탄디올 디글리시딜 에테르인 것이 바람직하다.Moreover, in the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane for fuel cells of this invention, it is preferable that the said basic polymer is polybenzimidazole or its derivative (s), and the said polyfunctional crosslinking agent is 1, 4- butanediol diglycidyl ether.

이어서, 본 발명의 연료 전지는 한 쌍의 촉매층과 각 촉매층 사이에 배치된 전해질막을 구비하여 이루어지고, 상기 전해질막이 상술한 연료전지용 고분자 전해질막으로 이루어진다.Subsequently, the fuel cell of the present invention comprises a pair of catalyst layers and an electrolyte membrane disposed between each catalyst layer, and the electrolyte membrane comprises the polymer electrolyte membrane for fuel cells described above.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 실시형태의 연료 전지의 일 예를 나타내는 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 연료 전지를 구성하는 막-전극 접합체의 단면모식도이다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described with reference to drawings. 1 is an exploded perspective view showing an example of a fuel cell of the present embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional schematic diagram of a membrane-electrode assembly constituting the fuel cell of FIG. 1.

도 1에 나타내는 연료 전지(1)는 2개의 단위셀(11)이 한 쌍의 홀더(12,12)에 협지되어 개략 구성되어 있다. 단위셀(11)은 막-전극 접합체(10)와, 막-전극 접합체(10)의 두께 방향의 양측에 배치된 바이폴라 플레이트(20, 20)로 구성되어 있다. 바이폴라 플레이트(20,20)는 도전성을 가진 금속 또는 카본 등으로 구성되어 있고, 막-전극 접합체(10)에 각각 접합함으로써, 집전체로서 기능함과 동시에, 막-전극 접합체(10)의 촉매층에 대해 산소 및 연료를 공급한다.In the fuel cell 1 shown in FIG. 1, two unit cells 11 are sandwiched by a pair of holders 12 and 12, and the structure is outlined. The unit cell 11 is composed of a membrane-electrode assembly 10 and bipolar plates 20 and 20 disposed on both sides of the membrane-electrode assembly 10 in the thickness direction. The bipolar plates 20 and 20 are made of a conductive metal, carbon, or the like, and are bonded to the membrane-electrode assembly 10 to function as a current collector and to the catalyst layer of the membrane-electrode assembly 10. Oxygen and fuel.

또한 도 1에 나타내는 연료 전지(1)는 단위셀(11)의 수가 2개인데, 단위셀의 수는 2개에 한정되지 않고, 연료 전지에 요구되는 특성에 따라 수십 내지 수백 정 도까지 늘릴 수도 있다.The number of unit cells 11 is two in the fuel cell 1 shown in FIG. 1, but the number of unit cells is not limited to two, and may be increased to several tens to hundreds depending on the characteristics required for the fuel cell. have.

막-전극 접합체(10)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 관한 연료전지용 고분자 전해질막(이하, 전해질막이라고 함)(100)과, 전해질막(100)의 두께 방향의 양측에 배치된 촉매층(110, 110')과, 촉매층(110, 110')에 각각 적층된 제1 기체 확산층(121, 121')과, 제1 기체 확산층(121, 121')에 각각 적층된 제2 기체 확산층(120, 120')으로 구성된다.As shown in FIG. 2, the membrane-electrode assembly 10 is disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane for fuel cell (hereinafter referred to as electrolyte membrane) 100 and the thickness direction of the electrolyte membrane 100 according to the present invention. Catalyst layers 110 and 110 ', first gas diffusion layers 121 and 121' stacked on the catalyst layers 110 and 110 ', respectively, and second gas diffusion layers stacked on the first gas diffusion layers 121 and 121', respectively. 120 and 120 '.

촉매층(110, 110')은 연료극 및 산소극으로서 기능하는 것으로, 활성탄 등의 촉매 물질과, 이 촉매 물질을 고화 성형하는 바인더가 포함되어 각각 구성되어 있다. 바인더는 내열성에 뛰어난 불소 수지를 이용할 수도 있고, 본 발명에 관한 전해질막을 구성하는 재료를 이용할 수도 있다. 바인더로서 전해질막을 구성하는 재료를 이용함으로써, 촉매층(110, 110') 내부의 프로톤 확산을 효율적으로 수행하며, 촉매층(110, 110')의 임피던스가 저하되어 연료전지의 출력이 향상된다. 또한 후술하는 바와 같이, 본 발명에 관한 전해질막은 치수 변화율이 작으므로, 이 전해질막의 구성 재료를 포함하는 촉매층(110, 110')은 형상 변화가 적고, 장기 안정성에 뛰어나다.The catalyst layers 110 and 110 'function as a fuel electrode and an oxygen electrode, and each includes a catalyst material such as activated carbon and a binder for solidifying the catalyst material. As the binder, a fluororesin excellent in heat resistance may be used, or a material constituting the electrolyte membrane according to the present invention may be used. By using the material constituting the electrolyte membrane as a binder, proton diffusion inside the catalyst layers 110 and 110 'is efficiently carried out, and the impedance of the catalyst layers 110 and 110' is lowered to improve the output of the fuel cell. In addition, as will be described later, the electrolyte membrane according to the present invention has a small dimensional change rate, so that the catalyst layers 110 and 110 'containing the constituent material of the electrolyte membrane have little shape change and are excellent in long-term stability.

제1 기체 확산층(121, 121') 및 제2 기체 확산층(120, 120')은 각각 예를 들어 카본 시트 등으로 형성되어 있고, 바이폴라 플레이트(20, 20)를 통해 공급된 산소 및 연료를 촉매층(110, 110')의 전면으로 확산시킨다.The first gas diffusion layers 121 and 121 'and the second gas diffusion layers 120 and 120' are each formed of, for example, carbon sheets, and the catalyst layer is formed of oxygen and fuel supplied through the bipolar plates 20 and 20, respectively. Diffusion to the front of (110, 110 ').

이 막-전극 접합체(10)를 포함하는 연료전지(1)는 100 내지 300℃의 온도에서 작동하고, 한 쪽 촉매층측에 바이폴라 플레이트(20)를 통해 연료로서 예를 들어 수소가 공급되고, 다른 쪽 촉매층측에는 바이폴라 플레이트(20)를 통해 산화제로서 예를 들어 산소가 공급된다. 그리고, 한 쪽 촉매층에 있어서 수소가 산화되어 프로톤이 생기고, 이 프로톤이 전해질막(4)을 전도하여 다른 쪽 촉매층에 도달하고, 다른 쪽 촉매층에 있어서 프로톤과 산소가 전기화학적으로 반응하여 물을 생성함과 동시에, 전기 에너지를 발생시킨다.The fuel cell 1 including the membrane-electrode assembly 10 operates at a temperature of 100 to 300 ° C., for example, hydrogen is supplied as fuel through the bipolar plate 20 to one catalyst layer side, and the other On the side of the catalyst layer, for example, oxygen is supplied as an oxidant through the bipolar plate 20. Hydrogen is oxidized in one catalyst layer to produce protons. The protons conduct the electrolyte membrane 4 to reach the other catalyst layer, and protons and oxygen react electrochemically in the other catalyst layer to generate water. At the same time, it generates electrical energy.

또한, 연료로서 공급되는 수소는 탄화수소 또는 알코올의 개질에 의해 발생된 수소일 수도 있고, 또 산화제로서 공급되는 산소는 공기에 포함되는 상태에서 공급될 수도 있다.In addition, hydrogen supplied as a fuel may be hydrogen generated by the reforming of a hydrocarbon or alcohol, and oxygen supplied as an oxidant may be supplied in a state contained in air.

이어, 막-전극 접합체(1)에 구비되는 전해질막(100)에 대해 설명한다.Next, the electrolyte membrane 100 provided in the membrane-electrode assembly 1 will be described.

본 발명에 관한 전해질막(100)은 적어도 1종 이상의 염기성 폴리머와, 산성 도펀트가 함유되어 이루어지고, 함수 상태에서부터 건조 상태에 이르는 막의 평면 방향의 치수 변화율이 5% 이하를 나타낸다. 바람직하게는 상기 치수변화율은 4% 이하인 것이 보다 바람직하다.The electrolyte membrane 100 according to the present invention contains at least one or more basic polymers and an acidic dopant, and exhibits a dimensional change rate of 5% or less in the planar direction of the membrane from a watery state to a dry state. Preferably, the dimensional change rate is more preferably 4% or less.

전해질막을 구성하는 염기성 폴리머로는, 폴리벤즈이미다졸 또는 그 유도체 또는 다관능성 가교제에 의해 가교된 폴리벤즈이미다졸 또는 그 유도체를 예시할 수 있다.As a basic polymer which comprises an electrolyte membrane, polybenzimidazole or its derivative (s) or polybenzimidazole or its derivative (s) bridge | crosslinked by the polyfunctional crosslinking agent can be illustrated.

폴리벤즈이미다졸 또는 그 유도체(이하, "폴리벤즈이미다졸류"라고 함)는 본 발명에 관한 전해질막의 중심이 되는 것으로서, 이 폴리벤즈이미다졸류에 의해 전해질막의 형상이 일정한 형상으로 유지된다. 본 발명에 있어서는, 막모양의 폴리벤즈이미다졸류에 산성 도펀트를 함침시킴으로써, 전해질막이 얻어진다. 폴리벤즈이 미다졸류는 내열성이 뛰어난 동시에, 산성 도펀트를 함침시켰을 때, 이것을 다량으로 유지할 수 있고, 연료전지용 전해질막의 구성 성분으로서 적합하다.Polybenzimidazole or derivatives thereof (hereinafter referred to as "polybenzimidazoles") serve as the center of the electrolyte membrane according to the present invention, and the polybenzimidazoles maintain the shape of the electrolyte membrane in a constant shape. In the present invention, an electrolyte membrane is obtained by impregnating an acidic dopant with a membrane-like polybenzimidazole. Polybenzimidazoles are excellent in heat resistance and can be retained in a large amount when impregnated with an acidic dopant, and are suitable as constituents of the electrolyte membrane for fuel cells.

본 발명에 관한 폴리벤즈이미다졸류로는, 하기 화학식 1의 (a) 내지 (d)로 표시되는 구조중의 하나를 갖는 고분자 혹은 그 유도체를 예시할 수 있다.As polybenzimidazole which concerns on this invention, the polymer or its derivative (s) which has one of the structures represented by following General formula (1)-(d) can be illustrated.

[화학식 1] [Formula 1]

Figure 112007041178620-PAT00001
Figure 112007041178620-PAT00001

Figure 112007041178620-PAT00002
Figure 112007041178620-PAT00002

Figure 112007041178620-PAT00003
Figure 112007041178620-PAT00003

Figure 112007041178620-PAT00004
Figure 112007041178620-PAT00004

상기 화학식 1의 (a)-(d)에 있어서, 반복 구조 단위의 수를 나타내는 n은 1O 내지 1OOOOO이다. 단, 상기식 (d)에 있어서, X는 ―O―, ―SO2―, ―S―, ―CO―, ―C(CH3)2―, ―C(CF3)2―로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 나타낸다. 만약 n이 1O이상이면, 폴리벤즈이미다졸류의 기계적 강도가 향상하여 강도적으로 뛰어난 전해질막을 구성할 수 있고, n이 1OOOOO 이하이면, 폴리벤즈이미다졸류의 유기 용매에 대한 용해성이 양호해지고, 이에 따라 폴리벤즈이미다졸류의 성형성이 향상하고, 전해질막의 형상의 자유도가 높아진다. 또한 상기 화학식 (a)-(d)에 술폰산기, 포스폰산기로부터 선택되는 1종 이상의 관능기 또는 관능기를 포함한 유도체가 결합될 수 있다.In (a)-(d) of the said Formula (1), n which shows the number of repeating structural units is 100-10000. In the formula (d), X is -O-, -SO 2- , -S-, -CO-, -C (CH 3 ) 2- , -C (CF 3 ) 2- 1 or more types selected are shown. If n is 10 or more, the mechanical strength of the polybenzimidazoles can be improved to constitute an electrolyte membrane excellent in strength. Thereby, the moldability of polybenzimidazoles improves, and the freedom degree of the shape of an electrolyte membrane becomes high. In addition, derivatives including one or more functional groups or functional groups selected from sulfonic acid groups and phosphonic acid groups may be bonded to the above formulas (a) to (d).

폴리벤즈이미다졸류는 공지의 기술에 의해 제조할 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제3,313,783호 명세서, 미국 특허 제3,509,108호 명세서, 미국 특허 제3,555,389호 명세서 등에 기재되어 있는 제조 방법이 바람직하다.Polybenzimidazoles can be manufactured by a well-known technique. For example, the manufacturing method described in US Pat. No. 3,313,783, US Pat. No. 3,509,108, US Pat. No. 3,555,389, and the like are preferred.

상기한 폴리벤즈이미다졸류는 다관능성 가교제에 의해 가교되어 있는 것이 더욱 바람직하다. 다관능성 가교제로는 1,4―부탄디올 디글리시딜 에테르 및/또는 에폭시기 함유 알콕시실란이 바람직하고, 특히 에폭시기 함유 알콕시실란이 바람직하다. The polybenzimidazoles described above are more preferably crosslinked with a polyfunctional crosslinking agent. As a polyfunctional crosslinking agent, 1, 4- butanediol diglycidyl ether and / or an epoxy group containing alkoxysilane are preferable, and an epoxy group containing alkoxysilane is especially preferable.

상기 에폭시기 함유 알콕시실란 중에서도 특히, 3-글리시딜 옥시프로필 트리메톡시실란이 바람직하다. 이들 다관능기 가교제는 분자중에 에폭시기(글리시딜기)를 구비하고 있고, 이 에폭시기가 염기성 폴리머에 결합한다.Among the said epoxy group containing alkoxysilanes, 3-glycidyl oxypropyl trimethoxysilane is especially preferable. These polyfunctional crosslinking agents have an epoxy group (glycidyl group) in a molecule | numerator, and this epoxy group couple | bonds with a basic polymer.

분자중에 복수의 에폭시기를 구비한 다관능기 가교제의 경우에는, 인접한 폴리벤즈이미다졸류의 주쇄끼리 결합하여 가교시킨다.In the case of the polyfunctional group crosslinking agent provided with several epoxy group in a molecule | numerator, the main chains of adjacent polybenzimidazoles bond and crosslink.

또 분자중에 에폭시기 및 알콕시기를 구비한 에폭시기 함유 알콕시실란의 경우에는, 폴리벤즈이미다졸류의 주쇄에 에폭시기를 작용시켜 폴리벤즈이미다졸류의 주쇄에 에폭시기 함유 알콕시실란을 부가시킨다. 이어서, 부가된 에폭시기 함유 알콕시실란끼리 축합반응에 의해 결합시킴으로써, 최종적으로 인접하는 폴리벤즈이미다졸류의 주쇄끼리 가교된다.In the case of an epoxy group-containing alkoxysilane having an epoxy group and an alkoxy group in the molecule, an epoxy group is added to the main chain of polybenzimidazoles to add an epoxy group-containing alkoxysilane to the main chain of polybenzimidazoles. Subsequently, by adding condensation reaction of the added epoxy group containing alkoxysilanes, the main chain of adjacent polybenzimidazoles finally bridge | crosslinks.

또한 가교제로서 실란계 화합물을 이용함으로써, 치수 변화율을 매우 작게 할 수 있음과 동시에, 전해질막의 내열성을 더욱 높일 수 있게 된다.In addition, by using the silane compound as the crosslinking agent, the dimensional change rate can be made extremely small, and the heat resistance of the electrolyte membrane can be further increased.

본 발명의 전해질막의 평면 방향의 치수 변화율은 5% 이하, 특히 4% 이하인 것이 보다 바람직하며 4% 이하의 치수 변화율을 달성하기 위해서는 염기성 폴리머에 다관능성 가교제를 배합하는 방법에 의하여 가능하다. The dimensional change rate in the planar direction of the electrolyte membrane of the present invention is more preferably 5% or less, particularly 4% or less, and in order to achieve a dimensional change rate of 4% or less, it is possible by a method of incorporating a polyfunctional crosslinking agent into the basic polymer.

상기 다관능성 가교제로는 1,4-부탄디올디글리시딜에테르 및 에폭시기 함유 알콕시실란중에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다.It is preferable to use 1 or more types chosen from 1, 4- butanediol diglycidyl ether and an epoxy-group containing alkoxysilane as said polyfunctional crosslinking agent.

폴리벤즈이미다졸류에 대한 다관능성 가교제의 배합율은 함수 상태에서부터 건조 상태로 이르는 전해질막의 평면 방향의 치수 변화율이 5% 이하, 바람직하게는 4% 이하를 달성할 수 있도록 조정하면 된다. The blending ratio of the polyfunctional crosslinking agent to the polybenzimidazoles may be adjusted so that the rate of dimensional change in the planar direction of the electrolyte membrane from the hydrous state to the dry state can be 5% or less, preferably 4% or less.

다관능성 가교제의 배합량은 가능하면 전해질막의 전기화학적 성능을 고려하여 고분자막 형성용 조성물의 총중량을 기준으로 하여 3 내지 11 중량%인 것이 바람직하다. The amount of the multifunctional crosslinking agent is preferably 3 to 11% by weight based on the total weight of the composition for forming a polymer membrane in consideration of the electrochemical performance of the electrolyte membrane.

다관능성 가교제로서 1,4-부탄디올디글리시딜에테르를 사용하는 경우는 고분자막 형성용 조성물의 총중량을 기준으로 하여 3 내지 11 중량%인 것이 바람직하다. 만약 상기 다관능성 가교제의 배합량이 3 중량% 미만이면 치수변화율이 너무 크게 되고 11 중량%를 초과하면 전해질막의 전기화학적 성능이 저하되어 바람직하지 못하다.When 1, 4- butanediol diglycidyl ether is used as a polyfunctional crosslinking agent, it is preferable that it is 3-11 weight% based on the total weight of the composition for polymer film formation. If the blending amount of the multifunctional crosslinking agent is less than 3% by weight, the rate of dimensional change is too large, and if it exceeds 11% by weight, the electrochemical performance of the electrolyte membrane is lowered, which is not preferable.

다관능성 가교제로서 3-글리시딜옥시프로필 트리메톡시실란과 같은 에폭시기 함유 알콕시실란을 사용하는 경우는 3 내지 7 중량%인 것이 바람직하다. 만약 상기 다관능성 가교제의 배합량이 3 중량% 미만이면 치수변화율이 너무 크게 되고 7 중량%르 초과하면 전해질막의 전기화학적 성능이 저하되어 바람직하지 못하다.When using an epoxy-group containing alkoxysilane like 3-glycidyloxypropyl trimethoxysilane as a polyfunctional crosslinking agent, it is preferable that it is 3-7 weight%. If the blending amount of the multifunctional crosslinking agent is less than 3% by weight, the rate of dimensional change is too large, and if it exceeds 7% by weight, the electrochemical performance of the electrolyte membrane is lowered, which is not preferable.

이어, 산성 도펀트에는 인산 또는 유기 포스폰산을 이용하는 것이 바람직하다. 인산으로는, 예를 들어, 메타인산, 오르토인산, 파라인산, 3인산, 4인산 등이 바람직하고, 오르토인산이 더욱 바람직하다. 또 유기 포스폰산으로는, 예를 들어, 메틸포스폰산, 에틸포스폰산, 프로필포스폰산 등의알킬포스폰산류 혹은 비닐포스폰산, 페닐포스폰산이 바람직하고, 그 중에서도 비닐포스폰산이 더욱 바람직하다.Subsequently, it is preferable to use phosphoric acid or organic phosphonic acid for the acidic dopant. As phosphoric acid, metaphosphoric acid, orthophosphoric acid, paraphosphoric acid, triphosphoric acid, tetraphosphoric acid, etc. are preferable, for example, orthophosphoric acid is more preferable. Moreover, as organic phosphonic acid, alkyl phosphonic acids, such as methyl phosphonic acid, ethyl phosphonic acid, and propyl phosphonic acid, or vinyl phosphonic acid and phenyl phosphonic acid are preferable, and vinylphosphonic acid is more preferable among these, for example.

이들 산성 도펀트의 폴리벤즈이미다졸류에 대한 함침율(도프량)은 폴리벤즈이미다졸류의 반복 구조 단위에 대해 20몰% 내지 2000몰%의 범위가 바람직하고, 50몰% 내지 1500몰%의 범위가 보다 바람직하다. 만약 산성 도펀트의 함침율이 20몰% 이상이면, 전해질막의 프로톤 전도도가 충분히 높아지고, 이 전해질막을 연료전지에 넣은 경우에 양호한 발전 특성을 발현시킬 수 있다. 또 함침율이 2000몰% 이하이면, 폴리벤즈이미다졸류에 대한 함침율이 과잉이 되지 않고, 폴리벤즈이미다졸류 가 용해하지 않으며, 프로톤 전도도를 장기간에 걸쳐 안정되게 유지할 수 있다.The impregnation rate (dope amount) of the polybenzimidazoles of these acidic dopants is preferably in the range of 20 mol% to 2000 mol% with respect to the repeating structural units of the polybenzimidazoles. The range is more preferable. If the impregnation rate of the acidic dopant is 20 mol% or more, the proton conductivity of the electrolyte membrane is sufficiently high, and when the electrolyte membrane is placed in a fuel cell, good power generation characteristics can be expressed. When the impregnation rate is 2000 mol% or less, the impregnation rate for the polybenzimidazoles does not become excessive, the polybenzimidazoles do not dissolve, and the proton conductivity can be stably maintained for a long time.

이어, 본 발명에 관한 전해질막은 함수 상태에서부터 건조 상태에 이르는 전해질막의 평면 방향의 치수 변화율이 5% 이하인 것이 바람직하며, 특히 4% 이하인 것이 보다 바람직하다. 만약 치수 변화율이 5% 이하이면, 막전극 접합체 성능을 장기적으로 안정되게 계속 유지하는 것이 가능해진다. 즉, 전해질막의 치수 변화율이 5% 이하이면, 전해질막이 함수 상태에서부터 건조 상태로 변화하는 동안에 소성 변형이 일어나지 않고, 전해질막에서의 미소한 크랙이 발생되거나 또는 전해질막의 파단이 방지된다. 또한 연료전지의 운전 상황에 따라 전해질막이 미소한 소성 변형을 반복하여 일으키는 상황에서도, 소성 변형의 반복에 의한 피로가 축적되지 않고, 장기적으로는 막의 파단 혹은 크로스오버의 극단적인 증대로 이어질 가능성을 낮추는 것이 가능해진다.Next, the electrolyte membrane according to the present invention preferably has a dimensional change rate in the planar direction of the electrolyte membrane from the watery state to the dry state of 5% or less, more preferably 4% or less. If the rate of dimensional change is 5% or less, it becomes possible to keep the membrane electrode assembly performance stable in the long term. That is, when the dimensional change rate of the electrolyte membrane is 5% or less, plastic deformation does not occur while the electrolyte membrane changes from a water-containing state to a dry state, and minute cracks in the electrolyte membrane are prevented or breakage of the electrolyte membrane is prevented. In addition, even in a situation where the electrolyte membrane repeatedly causes small plastic deformation depending on the operation of the fuel cell, fatigue caused by repeated plastic deformation does not accumulate, and in the long run, it is possible to reduce the possibility of leading to extreme breakage of the membrane or crossover. It becomes possible.

전해질막의 함수 상태와 건조 상태에서의 평면 방향의 치수 변화율을 5% 이하로 하는 수단에는 특별히 제한은 없다. 전해질막을 구성하는 염기성 폴리머의 분자 구조 및 산성 도펀트의 조합을 고려하고, 완성되는 전해질막의 이온 전도도, 취급성 등의 여러 특성을 손상시키지 않는 범위에서 그 수단을 선택할 수 있다.There is no restriction | limiting in particular in the means which sets the rate of dimensional change of 5% or less in the planar direction in the electrolyte state and the dry state of electrolyte membrane. Considering the combination of the molecular structure of the basic polymer constituting the electrolyte membrane and the acidic dopant, the means can be selected within a range that does not impair various characteristics such as ionic conductivity and handleability of the finished electrolyte membrane.

예를 들어, 염기성 폴리머로서 가교 구조를 도입한 염기성 폴리머를 이용한 경우, 가교제로서는 종래 알려져 있는 1,4-부탄디올 디글리시딜 에테르 등을 이용할 수도 있다. 이 경우, 산성 도펀트의 종류와 처리 온도에 의해 치수 변화율 5% 이내로 조정하면 되고, 이온 전도도, 취급성 등의 여러 특성을 손상시키지 않는 범위에서 선택할 수 있다.For example, when using the basic polymer which introduce | transduced the crosslinked structure as a basic polymer, you may use the conventionally well-known 1, 4- butanediol diglycidyl ether etc. as a crosslinking agent. In this case, what is necessary is just to adjust within 5% of a dimensional change rate according to the kind of acidic dopant and processing temperature, and it can select from the range which does not impair various characteristics, such as ion conductivity and handleability.

특히 본 발명에 있어서는, 가교 구조를 도입한 염기성 폴리머를 사용하는 경우에, 전해질막의 제조 공정을 고려하면, 염기성 폴리머를 다관능성 가교제로 한 번에 가교하는 것이 아니라, 염기성 폴리머에 대한 가교성의 부여와, 제막시 가교를 진행시키는 2단계의 공정에서 얻어지는 가교 구조를 도입한 염기성 폴리머를 이용할 수 있다. 이 경우, 염기성 폴리머에 에폭시기 함유 알콕시실란를 반응시켜 가교성을 부여하고, 그 후 가수분해 축합반응시켜 가교 구조를 도입하는 방법을 적당한 예로 들 수 있다.Particularly in the present invention, in the case of using a basic polymer having a crosslinked structure, in consideration of the manufacturing process of the electrolyte membrane, the basic polymer is not crosslinked at once with a polyfunctional crosslinking agent, but the crosslinkability is imparted to the basic polymer. The basic polymer which introduce | transduced the crosslinking structure obtained by the two-step process of advancing crosslinking at the time of film forming can be used. In this case, a suitable example is a method in which an epoxy group-containing alkoxysilane is reacted with a basic polymer to impart crosslinking properties, and then a hydrolytic condensation reaction is introduced to introduce a crosslinked structure.

또한 비가교 구조의 염기성 폴리머를 이용하는 경우에는, 고분자 사슬의 평면 배향성이 비교적 높은 분자 구조, 예를 들어, 주쇄에 술폰기나 에테르기를 도입하거나 벤젠 고리에 포스폰기를 도입한 분자 구조를 선택하는 것은 적합한데, 이 경우에도 산성 도펀트의 종류와 처리 온도에 의해 치수 변화율 5% 이내로 조정하면 되고, 이온 전도도, 취급성 등의 여러 특성을 손상시키지 않는 범위에서 선택할 수 있다.In addition, when using a non-crosslinked basic polymer, it is suitable to select a molecular structure having a relatively high planar orientation of the polymer chain, for example, a molecular structure in which a sulfone group or an ether group is introduced into a main chain or a phosphone group is introduced into a benzene ring. In this case, however, the acid dopant may be adjusted within 5% of the dimensional change rate according to the type and treatment temperature, and can be selected within a range that does not impair various characteristics such as ion conductivity and handleability.

여기서, 함수 상태의 전해질막이란, 폴리벤즈이미다졸류 또는 다관능성 가교제에 의해 가교된 폴리벤즈이미다졸류에 산성 도펀트가 함침되고, 나아가 수분이 함침된 상태의 전해질막을 말한다. 이와 같은 상태의 전해질막은 산성 도펀트 및 물에 의해 팽윤되어 있고, 평면 방향의 치수가 크게 조절된다.Here, the electrolyte membrane in the water-containing state refers to an electrolyte membrane in which an acid dopant is impregnated with polybenzimidazoles crosslinked with a polybenzimidazole or a polyfunctional crosslinking agent and further impregnated with water. The electrolyte membrane in this state is swollen by the acidic dopant and water, and the dimension in the planar direction is largely adjusted.

한편, 건조 상태의 전해질막이란, 폴리벤즈이미다졸류 또는 다관능성 가교제에 의해 가교된 폴리벤즈이미다졸류에 산성 도펀트가 함침되고, 수분이 제거된 상태의 전해질막을 말한다. 이와 같은 상태의 전해질막은 산성 도펀트에 의해 팽윤되 어 있고, 평면 방향의 치수가 함수 상태의 전해질막보다도 작아져 있다.On the other hand, an electrolyte membrane in a dry state refers to an electrolyte membrane in which an acidic dopant is impregnated with polybenzimidazoles or polybenzimidazoles crosslinked with a polyfunctional crosslinking agent and water is removed. The electrolyte membrane in such a state is swollen with an acidic dopant, and the dimension in the planar direction is smaller than that of the hydrous electrolyte membrane.

함수 상태의 전해질막은, 예를 들어, 폴리벤즈이미다졸류 또는 다관능성 가교제에 의해 가교된 폴리벤즈이미다졸류에 농도 85중량%의 오르토인산을 함침시킴으로써 얻어진다. 농도 85%의 오르토인산에는 15%의 수분이 포함되어 있고, 이 15중량%의 수분이 오르토인산과 함께 전해질막에 함침됨으로써 함수 상태가 된다.The electrolyte membrane in the water-containing state is obtained by, for example, impregnating orthophosphoric acid at a concentration of 85% by weight in polybenzimidazoles or polybenzimidazoles crosslinked with a polyfunctional crosslinking agent. Orthophosphoric acid at a concentration of 85% contains 15% of water, and this 15% by weight of water is impregnated with the orthophosphoric acid to the electrolyte membrane to become a water-containing state.

또한 연료전지에 외부 부하가 접속되어 발전이 이루어지면, 발전 반응에 따라 발생하는 물이 전해질막에 함침된다. 이 상태의 전해질막은 함수 상태이다.In addition, when power is generated by connecting an external load to the fuel cell, water generated by the power generation reaction is impregnated into the electrolyte membrane. The electrolyte membrane in this state is a water-containing state.

한편, 건조 상태의 전해질막은, 예를 들어, 상기 함수 상태의 전해질막을, 예를 들어 1mmHg 이하의 감압 하에서 60℃, 24시간의 조건에서 진공 건조함으로써 건조 상태로 된다.On the other hand, the dry electrolyte membrane is dried by, for example, vacuum drying the electrolyte membrane in the above water-containing state at 60 ° C for 24 hours under a reduced pressure of 1 mmHg or less.

또한 연료전지에 외부 부하가 접속되지 않고 발전 전류가 거의 0 A가 되고, 수소 등의 연료 가스와 산소(공기) 등의 산화 가스가 유통된 상태 그대로 있으면, 연료 가스와 산화 가스에 의해 전해질막이 건조되고, 전해질막중 수분이 제거된다. 이 상태의 전해질막은 건조 상태이다.In addition, when the external load is not connected to the fuel cell and the power generation current is almost 0 A, and the fuel gas such as hydrogen and the oxidizing gas such as oxygen (air) are in the state of distribution, the electrolyte membrane is dried by the fuel gas and the oxidizing gas And water in the electrolyte membrane is removed. The electrolyte membrane in this state is in a dry state.

이어서, 본 발명에 관한 전해질막의 제조 방법에 대해 설명한다. 본 발명에 관한 전해질막은 상술한 바와 같이, 1단계로 가교 반응을 수행하는 경우와, 2단계로 가교 반응을 수행하는 경우로 나뉜다.Next, the manufacturing method of the electrolyte membrane which concerns on this invention is demonstrated. As described above, the electrolyte membrane according to the present invention is divided into a case of performing a crosslinking reaction in one step and a case of performing a crosslinking reaction in two steps.

1단계로 가교 반응을 수행하는 경우에는, 예를 들어, 다관능성 가교 제로서 1,4-부탄디올 디글리시딜 에테르를 이용하는 것이 바람직하다.In the case where the crosslinking reaction is carried out in one step, for example, it is preferable to use 1,4-butanediol diglycidyl ether as the polyfunctional crosslinking agent.

구체적으로는, 우선 유기 용매중에 염기성 폴리머와 다관능성 가교제를 부가 하고, 혼합 용액으로 만든다. 염기성 폴리머로는 폴리벤즈이미다졸류를 이용하는 것이 바람직하고, 유기 용매로는 N,N-디메틸 아세트아미드, 디메틸포름아미드, 디메틸술파미드, N-메틸-2-피롤리돈 등을 이용하는 것이 바람직하다. 가교 반응은 예를 들어, 유기 용매 중에 염기성 폴리머와 다관능성 가교제를 부가하고 나서, 120-180℃의 온도 범위에서 5분 내지 2시간 반응시키면 된다.Specifically, first, a basic polymer and a polyfunctional crosslinking agent are added to an organic solvent to prepare a mixed solution. It is preferable to use polybenzimidazoles as a basic polymer, and it is preferable to use N, N- dimethyl acetamide, dimethylformamide, dimethyl sulfamide, N-methyl- 2-pyrrolidone, etc. as an organic solvent. . What is necessary is just to react a crosslinking reaction for 5 minutes-2 hours in the temperature range of 120-180 degreeC, after adding a basic polymer and a polyfunctional crosslinking agent in an organic solvent, for example.

이어서, 혼합 용액을 가열하여 상기 혼합용액으로부터 유기 용매를 제거할 때, 이와 동시에 가교 반응을 진행시키면 되고, 가열은 120-180℃ 의 온도 범위에서 5분 내지 2시간 반응시킨다. 이러한 과정에 의해 고분자막을 얻는다. 그 후 실온 내지 200℃의 환경 하에서 고분자막에 산성 도펀트를 함침시킴으로써 전해질막을 얻을 수 있다.Subsequently, when the mixed solution is heated to remove the organic solvent from the mixed solution, the crosslinking reaction may be performed at the same time, and the heating is allowed to react for 5 minutes to 2 hours in the temperature range of 120 to 180 ° C. By this process, a polymer membrane is obtained. Thereafter, an electrolyte membrane can be obtained by impregnating an acidic dopant in the polymer membrane under an environment of room temperature to 200 ° C.

2단계로 가교 반응을 수행하는 경우에는, 예를 들어, 다관능성 가교제로서 에폭시기 함유 알콕시실란을 이용하는 것이 바람직하다.When performing a crosslinking reaction in two steps, it is preferable to use an epoxy group containing alkoxysilane as a polyfunctional crosslinking agent, for example.

구체적으로는, 우선 유기 용매중에 염기성 폴리머와 다관능성 가교제를 부가하고, 염기성 폴리머에 다관능성 가교제를 부가시켜 고분자 용액으로 만든다. 이 때 부가 반응은 에폭시기 함유 알콕시실란의 에폭시기가 개환하여 염기성 폴리머에 대한 부가 반응이 일어난다. 염기성 폴리머로는 폴리벤즈이미다졸류를 이용하는 것이 바람직하고, 유기 용매로는 N,N-디메틸 아세트아미드, 디메틸포름아미드, 디메틸술파미드, N-메틸-2-피롤리돈 등을 이용하는 것이 바람직하다. 부가 반응은 예를 들어, 유기 용매중에 염기성 폴리머와 다관능성 가교제를 부가하고 나서, 50-80 ℃의 온도 범위에서 5분 내지 2시간 반응시키면 된다.Specifically, first, a basic polymer and a polyfunctional crosslinking agent are added to an organic solvent, and a polyfunctional crosslinking agent is added to a basic polymer to make a polymer solution. At this time, in addition reaction, the epoxy group of an epoxy-group containing alkoxysilane ring-opens and an addition reaction with respect to a basic polymer arises. It is preferable to use polybenzimidazoles as a basic polymer, and it is preferable to use N, N- dimethyl acetamide, dimethylformamide, dimethyl sulfamide, N-methyl- 2-pyrrolidone, etc. as an organic solvent. . The addition reaction may be performed by, for example, adding a basic polymer and a polyfunctional crosslinking agent in an organic solvent and then reacting for 5 minutes to 2 hours at a temperature range of 50-80 ° C.

이어서, 부가 반응 후의 고분자 용액으로부터 유기 용매 등을 제거함과 동시에, 다관능성 가교제끼리 축합반응시켜 염기성 폴리머를 가교시켜 고분자막을 얻는다. 이 때의 축합반응은 에폭시기 함유 알콕시실란의 알콕시기가 축합하여 실록산 결합을 형성하는 축합반응이다. 유기 용매를 제거할 때에는, 120-180℃의 범위에서 5분 내지 2시간 가열하면 된다. 상기 가열에 의해 염기성 폴리머에 부가한 다관능성 가교제끼리 축합반응을 일으키고, 이로써 염기성 폴리머가 가교된다. 이렇게 하여 고분자막이 얻어진다.Subsequently, the organic solvent and the like are removed from the polymer solution after the addition reaction, and the polyfunctional crosslinking agents are condensed to crosslink the basic polymer to obtain a polymer film. The condensation reaction at this time is a condensation reaction in which an alkoxy group of an epoxy group-containing alkoxysilane condenses to form a siloxane bond. When removing an organic solvent, what is necessary is just to heat for 5 minutes-2 hours in 120-180 degreeC. By the said heating, the polyfunctional crosslinking agent added to a basic polymer causes condensation reaction, and a basic polymer crosslinks by this. In this way, a polymer film is obtained.

그 후, 실온 내지 200℃의 환경 하에서 고분자막에 산성 도펀트를 함침시킴으로써 전해질막이 얻어진다.Thereafter, an electrolyte membrane is obtained by impregnating an acidic dopant in the polymer membrane under an environment of room temperature to 200 ° C.

이상 설명한 바와 같이, 상기한 전해질막에 의하면, 치수 변화율이 5% 이하이기 때문에, 전해질막이 함수 상태에서부터 건조 상태로 변화하는 동안에 소성 변형이 일어나지 않고, 전해질막에서의 미소한 크랙이 발생되거나 전해질막의 파단을 방지할 수 있다. 또한 연료전지의 운전 상황에 따라 전해질막이 미소한 소성 변형을 반복하여 일으키는 상황에서도, 소성 변형 반복에 의한 피로가 축적되지 않고, 장기적으로는 막의 파단 혹은 크로스오버의 극단적인 증대로 이어질 가능성을 낮출 수 있다.As described above, according to the electrolyte membrane described above, since the rate of dimensional change is 5% or less, plastic deformation does not occur while the electrolyte membrane changes from a water-containing state to a dry state, and microcracks in the electrolyte membrane occur or Breaking can be prevented. In addition, even when the electrolyte membrane repeatedly causes minute plastic deformation depending on the operation of the fuel cell, fatigue caused by repeated plastic deformation does not accumulate, and in the long run, it is possible to reduce the possibility of leading to extreme breakage of the membrane or crossover. have.

[실시예]EXAMPLE

각종 전해질막을 제조하고, 전해질막의 치수 변화율을 구하는 동시에, 전해질막의 내구성 시험을 수행했다. 치수 변화율의 측정 방법 및 내구 시험의 실시 방법은 이하와 같다.Various electrolyte membranes were prepared, the dimensional change rate of the electrolyte membrane was obtained, and the durability test of the electrolyte membrane was performed. The measuring method of a dimensional change rate and the implementation method of an endurance test are as follows.

「치수 변화율의 측정 방법」`` Measurement method of size change rate ''

염기성 폴리머를 이온 전도도, 취급성 등을 고려하여 선택된 산성 도펀트에 침지시키고, 염기성 폴리머와 산성 도펀트로 이루어지는 전해질막을 제조한다. 이 때의 처리 조건은 이온 전도도, 취급성 등을 고려하여 선택된다. 예를 들어, 오르토인산을 함침시키는 경우에는, 실온 내지 60℃ 정도로 액온을 유지하면 되고, 침지 시간은 산성도펀트의 함침율이 일정해질 때까지의 시간으로 조정하면 된다. 얻어진 전해질막이 함수 상태의 전해질막이다. 이 전해질막으로부터 여분의 산을 닦아내고, 막의 평면 2방향의 치수를 측정한 후, 60℃에서 24시간 진공건조하여 수분을 제거한다. 이 때의 전해질막은 건조 상태의 전해질막이다. 그리고, 함수 상태와 건조 상태 사이에서의 전해질막의 평면 2방향의 치수 변화율을 각각 구하고, 그 평균값을 치수 변화율로 한다.The basic polymer is immersed in an acidic dopant selected in consideration of ionic conductivity, handleability, and the like to prepare an electrolyte membrane composed of the basic polymer and the acidic dopant. The treatment conditions at this time are selected in consideration of ion conductivity, handleability and the like. For example, in the case of impregnating orthophosphoric acid, the liquid temperature may be maintained at about room temperature to 60 ° C., and the immersion time may be adjusted to the time until the impregnation rate of the acid dopant becomes constant. The obtained electrolyte membrane is an electrolyte membrane in a hydrous state. The excess acid is wiped away from the electrolyte membrane, the membrane is measured in two plane directions, and then vacuum dried at 60 ° C for 24 hours to remove moisture. The electrolyte membrane at this time is an electrolyte membrane in a dry state. Then, the dimensional change rate in the planar two directions of the electrolyte membrane between the water-containing state and the dry state is determined, respectively, and the average value is taken as the dimensional change rate.

「전해질막의 내구성 시험 방법」`` Durability test method of electrolyte membrane ''

제조된 전해질막에 시판되는 가스 확산 전극을 접합하여 유효 면적 25cm2의 막전극 접합체를 제조한다. 이것을 연료전지 평가용 셀에 넣고, 수소/공기로 발전 운전을 수행한다. 이 때의 운전 온도는 150℃이고, 가스 이용율은 전류 밀도 0.2A/cm2 이상에서는 수소 80%, 공기 50%의 이용률 일정 운전으로 하고, 그 이하에서는 0.2A/cm2 기준으로 유량 일정 운전으로 한다.A commercially available gas diffusion electrode is bonded to the prepared electrolyte membrane to prepare a membrane electrode assembly having an effective area of 25 cm 2 . This is put into a fuel cell evaluation cell, and power generation operation is performed with hydrogen / air. At this time, the operating temperature is 150 ° C., and the gas utilization rate is constant operation of 80% hydrogen and 50% air at a current density of 0.2 A / cm 2 or more, and at a constant flow rate operation of 0.2 A / cm 2 at a lower level. do.

전해질막을 건조 상태에 접근시키기 위해서는 개회로 상태에서 방치 운전한 다. 또 함수 상태로 하기 위해서는 전류 밀도 0.6 내지 1 A/cm2를 상한 전류 밀도로서 운전을 수행한다. 건조 상태에서부터 함수상태로 반복하여 변화시키는 방법으로는, 개회로 상태에서 일정 시간 방치한 후에 상한 전류 밀도까지 전류값을 변화시키는 것을 반복하는데, 개회로 방치 시간으로는 개회로 방치에 의한 전해질막의 화학적 변화에 의한 영향을 가능한 한 억제하기 위해 약 10분간으로 하고, 급격한 전류값의 변화에 의한 가스 공급 부족 등의 영향을 배제하기 위해 상한 전류 밀도까지 약 40분 내지 60분에 걸쳐 전류 주사를 수행한다. 연료 전지의 출력 전압 및 출력 전류와, 운전 시간과의 관계를 도 3의 (a)에 나타낸다. 본 예의 내구성 시험은, 도 3의 (a)에 나타내는 패턴을 반복하여 수행함으로써 실시한다. 또한, 도 3의 (a)에 있어서, 실선의 플롯이 출력 전압을 나타내고, 점선의 플롯이 출력 전류를 나타낸다.In order to bring the electrolyte membrane closer to the dry state, the electrolyte membrane is left to operate in an open circuit state. In addition, in order to make it into a water-containing state, operation is performed with a current density of 0.6-1 A / cm <2> as an upper limit current density. As a method of repeatedly changing from a dry state to a water-containing state, it is repeated to change a current value to an upper limit current density after leaving it for a predetermined time in an open-circuit state. In order to suppress the effect of the change as much as possible for about 10 minutes, the current scan is performed for about 40 minutes to 60 minutes up to the upper limit current density in order to exclude the effect of gas supply shortage due to a sudden change in the current value. . The relationship between the output voltage and output current of a fuel cell, and an operation time is shown to FIG. 3 (a). The durability test of this example is performed by repeating the pattern shown to Fig.3 (a). 3A, the solid line plots the output voltage and the dotted line plots the output current.

내구성 평가 방법으로는, 이 전류 주사에 의해 얻어진 개회로 전압과 운전 시간의 관계에서, 개회로 전압이 급격히 저하하기 시작한 시간을 내구 시간으로 한다. 또한 시험 시간은 1000시간까지이며, 1000시간에 시험을 중지한다. 도 3의 (b)에 개회로 전압과 시험 시간과의 관계의 일 예를 그래프로 나타낸다. 도 3의 (b)는 240시간 정도에서 개회로 전압이 급격히 저하하기 시작한 예를 나타내는 그래프이다.As the durability evaluation method, the time at which the open circuit voltage starts to drop rapidly is regarded as the endurance time in the relationship between the open circuit voltage obtained by the current scan and the operation time. The test time is up to 1000 hours and the test is stopped at 1000 hours. An example of the relationship between the open circuit voltage and the test time is shown graphically in FIG. FIG. 3B is a graph showing an example in which the open-circuit voltage starts to drop rapidly in about 240 hours.

「실시예 1」"Example 1"

하기 과정에 따라 1,4-부탄디올 디글리시딜 에테르를 가교제로서 가교한 폴 리벤즈이미다졸류에, 400중량%의 오르토인산이 함침되어 이루어진 전해질막을 제조했다. According to the following procedure, an electrolyte membrane was prepared in which polybenzimidazoles crosslinked with 1,4-butanediol diglycidyl ether as a crosslinking agent were impregnated with 400% by weight of orthophosphoric acid.

구체적으로는 상기 화학식 1의 (a)로 표시되는 폴리-2,2'-(m-페닐렌)- 5,5'-비벤즈이미다졸 10중량%가 용해된 N,N-디아세트아미드 용액에 1,4-부탄디올 디글리시딜 에테르 5중량부를 첨가하여 혼합 용액으로 만들었다. Specifically, N, N-diacetamide solution in which 10% by weight of poly-2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole represented by Formula (a) is dissolved. To 5 parts by weight of 1,4-butanediol diglycidyl ether was added to make a mixed solution.

이렇게 얻어진 혼합 용액을 유리 기판 상에 캐스트하고, 150℃, 5시간의 조건으로 가열함으로써 유기 용매를 제거함과 동시에, 가교 반응을 진행시켰다. 이렇게 하여 고분자막을 제조했다.The mixed solution thus obtained was cast on a glass substrate and heated at 150 ° C. for 5 hours to remove the organic solvent and to advance the crosslinking reaction. In this way, a polymer membrane was produced.

그리고, 얻어진 고분자막을 실온에서 순도 85중량%의 오르토인산에 1시간함침시켰다. 이렇게 하여 실시예 1의 전해질막을 제조했다.The obtained polymer membrane was impregnated with orthophosphoric acid having a purity of 85% by weight at room temperature for 1 hour. Thus, the electrolyte membrane of Example 1 was prepared.

얻어진 전해질막에 대해 치수 변화율을 측정한 바, 치수 변화율이 4%였다. 또 내구 시험 결과, 내구 시간은 750시간이었다.The dimensional change rate was 4% about the obtained electrolyte membrane. Moreover, as a result of the endurance test, the endurance time was 750 hours.

「실시예 2」"Example 2"

하기 과정에 따라 1,4-부탄디올 디글리시딜 에테르를 가교제로서 가교한 폴리벤즈이미다졸류에, 120중량%의 에틸포스폰산이 함침되어 이루어진 전해질막을 제조했다.According to the following procedure, an electrolyte membrane was prepared in which polybenzimidazoles crosslinked with 1,4-butanediol diglycidyl ether as a crosslinking agent were impregnated with 120% by weight of ethylphosphonic acid.

구체적으로는 상기 화학식 1의 (a)로 표시되는 폴리-2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-비벤즈이미다졸 10중량%가 용해된 N,N-디아세트아미드 용액에 1,4-부탄디올 디글리시딜 에테르 10중량부를 첨가하여 혼합 용액으로 만들었다. Specifically, N, N-diacetamide solution in which 10% by weight of poly-2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole represented by Formula (a) is dissolved. To 10 parts by weight of 1,4-butanediol diglycidyl ether was added to make a mixed solution.

상기 혼합 용액을 유리 기판 상에 캐스트하고, 150℃, 5시간의 조건으로 가 열함으로써 유기 용매를 제거함과 동시에 가교 반응을 진행시켰다. 이렇게 하여 고분자막을 제조했다.The mixed solution was cast on a glass substrate and heated at 150 ° C. for 5 hours to remove the organic solvent and to advance the crosslinking reaction. In this way, a polymer membrane was produced.

그리고, 얻어진 고분자막을 온도 120℃로 가열한 순도 85중량%의 에틸포스폰산에 5시간 함침시켰다. 이렇게 하여, 실시예 2의 전해질막을 제조했다.The obtained polymer membrane was impregnated with ethylphosphonic acid having a purity of 85% by weight heated to a temperature of 120 ° C for 5 hours. In this way, the electrolyte membrane of Example 2 was manufactured.

얻어진 전해질막에 대해, 치수 변화율을 측정한 바, 치수 변화율이 0%였다. 또한 내구 시험 결과, 내구 시간은 950시간이었다.About the obtained electrolyte membrane, the dimensional change rate was 0%. In addition, the endurance test showed that the endurance time was 950 hours.

「실시예 3」"Example 3"

하기 과정에 따라 폴리벤즈이미다졸류에 210중량%의 비닐포스폰산이 함침되어 이루어진 전해질막을 제조했다.According to the following procedure, an electrolyte membrane was prepared in which polybenzimidazoles were impregnated with 210% by weight of vinylphosphonic acid.

하기 화학식 2의 (e)로 표시되는 폴리벤즈이미다졸류를 N,N-디아세트아미드로 용해하여 농도 10중량%의 고분자 용액으로 만들고, 얻어진 고분자 용액을 유리 기판 상에 캐스트하고, 150℃, 5시간의 조건에서 가열함으로써 유기 용매를 제거했다. 이렇게 하여 고분자막을 제조했다.The polybenzimidazoles represented by the following formula (e) were dissolved in N, N-diacetamide to obtain a polymer solution having a concentration of 10% by weight, and the obtained polymer solution was cast on a glass substrate, The organic solvent was removed by heating on the conditions of 5 hours. In this way, a polymer membrane was produced.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112007041178620-PAT00005
Figure 112007041178620-PAT00005

상기식중, n은 340이었다. In the formula, n was 340.

그리고, 얻어진 고분자막을 온도 120℃로 가열한 순도 85중량%의 비닐포스폰 산에 1시간 함침시켰다. 이렇게 하여 실시예 3의 전해질막을 제조했다.The polymer membrane obtained was impregnated with vinylphosphonic acid having a purity of 85% by weight and heated to a temperature of 120 ° C for 1 hour. Thus, the electrolyte membrane of Example 3 was prepared.

얻어진 전해질막에 대해, 치수 변화율을 측정한 바, 치수 변화율 2%였다. 또 내구 시험 결과, 내구 시간은 800시간이었다.About the obtained electrolyte membrane, the rate of dimensional change was measured and found to be 2% of dimensional change. Moreover, as a result of the endurance test, the endurance time was 800 hours.

「실시예 4」"Example 4"

하기 과정에 따라 벤즈이미다졸류에 100중량%의 에틸포스폰산이 함침되어 이루어진 전해질막을 제조했다.According to the following procedure, an electrolyte membrane was prepared in which benzimidazoles were impregnated with 100% by weight of ethylphosphonic acid.

구체적으로는 상기 화학식 1의 (c)로 표시되는 폴리―2,5―벤즈이미다졸 10중량%가 용해된 N,N-디아세트아미드 용액에 1,4-부탄디올 디글리시딜 에테르 10중량부를 첨가하여 혼합 용액으로 만들었다. 이 혼합 용액을 유리 기판 상에 캐스트하고, 150℃, 5시간의 조건에서 가열함으로써 유기 용매를 제거함과 동시에 가교 반응을 진행시켰다. 이렇게 하여 고분자막을 제조했다.Specifically, 10 parts by weight of 1,4-butanediol diglycidyl ether in an N, N-diacetamide solution in which 10% by weight of poly-2,5-benzimidazole represented by Formula (c) is dissolved. Was added to make a mixed solution. This mixed solution was cast on a glass substrate, and the crosslinking reaction was advanced while removing an organic solvent by heating on 150 degreeC and the conditions of 5 hours. In this way, a polymer membrane was produced.

그리고, 얻어진 고분자막을 온도 120℃로 가열한 순도 85중량%의 에틸포스폰산에 5시간 함침시켰다. 이렇게 하여 실시예 4의 전해질막을 제조했다.The obtained polymer membrane was impregnated with ethylphosphonic acid having a purity of 85% by weight heated to a temperature of 120 ° C for 5 hours. Thus, the electrolyte membrane of Example 4 was prepared.

얻어진 전해질막에 대해 치수 변화율을 측정한 바, 치수 변화율 0%였다. 또 내구 시험 결과, 내구 시간은 1000시간 이상이었다The dimensional change rate was measured about the obtained electrolyte membrane, and the dimensional change rate was 0%. Moreover, as a result of the endurance test, the endurance time was 1000 hours or more.

「실시예 5」"Example 5"

하기 과정에 따라 3-글리시딜 옥시프로필 트리메톡시실란을 가교제로서 가교한 폴리벤즈이미다졸류에 150중량%의 오르토인산이 함침되어 이루어진 전해질막을 제조했다.According to the following procedure, an electrolyte membrane was prepared in which polybenzimidazoles cross-linked 3-glycidyl oxypropyl trimethoxysilane as a crosslinking agent were impregnated with 150% by weight of orthophosphoric acid.

구체적으로는 하기 화학식 3의 (f)로 표시되는 폴리벤즈이미다졸류가 10중 량% 용해된 N,N-디아세트아미드 용액에 3-글리시딜 옥시프로필 트리메톡시실란 5중량부를 첨가하여 혼합 용액으로 만들었다. Specifically, 5 parts by weight of 3-glycidyl oxypropyl trimethoxysilane was added to an N, N-diacetamide solution in which 10% by weight of the polybenzimidazoles represented by the formula (3) Made of mixed solution.

상기 혼합 용액을 80℃, 2시간의 조건에서 부가 반응시켜 고분자 용액으로 만들었다. 얻어진 고분자 용액을 유리 기판 상에 캐스트하고, 150 ℃, 5시간의 조건에서 가열함으로써 가수분해 중축합반응을 일으키게 하면서 유기 용매를 제거했다. 이렇게 하여 고분자막을 제조했다. The mixed solution was reacted by addition at 80 ° C. for 2 hours to form a polymer solution. The obtained polymer solution was cast on the glass substrate, and the organic solvent was removed, heating to 150 degreeC and the conditions for 5 hours, causing a hydrolysis polycondensation reaction. In this way, a polymer membrane was produced.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112007041178620-PAT00006
Figure 112007041178620-PAT00006

상기식중, n은 340이었다.In the formula, n was 340.

그리고, 얻어진 고분자막을 실온에서 순도 85중량%의 오르토인산에 1시간함침시켰다. 이렇게 하여 실시예 5의 전해질막을 제조했다.The obtained polymer membrane was impregnated with orthophosphoric acid having a purity of 85% by weight at room temperature for 1 hour. Thus, the electrolyte membrane of Example 5 was prepared.

얻어진 전해질막에 대해 치수 변화율을 측정한 바, 치수 변화율 1%였다. 또 내구 시험 결과, 내구 시간은 900시간이었다.The dimensional change rate was measured about the obtained electrolyte membrane, and the dimensional change rate was 1%. Moreover, as a result of the endurance test, the endurance time was 900 hours.

「실시예 6」"Example 6"

하기 과정에 따라 폴리벤즈이미다졸류에 210중량%의 비닐포스폰산이 함침되어 이루어진 전해질막을 제조했다.According to the following procedure, an electrolyte membrane was prepared in which polybenzimidazoles were impregnated with 210% by weight of vinylphosphonic acid.

구체적으로는 하기 화학식 4의 (g)로 표시되는 폴리벤즈이미다졸류를 N,N-디 아세트아미드에 용해하여 농도 10중량%의 고분자 용액으로 만들고, 얻어진 고분자 용액을 유리 기판 상에 캐스트하고, 150℃, 5시간의 조건으로 가열함으로써 유기 용매를 제거했다. 이렇게 하여 고분자막을 제조했다.Specifically, polybenzimidazoles represented by (g) of the following formula (4) are dissolved in N, N-diacetamide to make a polymer solution having a concentration of 10% by weight, and the obtained polymer solution is cast on a glass substrate, The organic solvent was removed by heating on 150 degreeC and the conditions of 5 hours. In this way, a polymer membrane was produced.

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112007041178620-PAT00007
Figure 112007041178620-PAT00007

상기식중, n은 180이었다.In the formula, n was 180.

그리고, 얻어진 고분자막을 온도 120 ℃로 가열한 순도 85%의 비닐포스폰산에 1시간 함침시켰다. 이렇게 하여 실시예 6의 전해질막을 제조했다.The obtained polymer membrane was impregnated with vinylphosphonic acid having a purity of 85% and heated at a temperature of 120 ° C for 1 hour. Thus, the electrolyte membrane of Example 6 was prepared.

얻어진 전해질막에 대해 치수 변화율을 측정한 바, 치수 변화율 1%였다. 또 내구 시험 결과, 내구 시간은 850시간이었다.The dimensional change rate was measured about the obtained electrolyte membrane, and the dimensional change rate was 1%. Moreover, the endurance test showed that the endurance time was 850 hours.

「비교예 1」`` Comparative Example 1 ''

하기 과정에 따라 폴리벤즈이미다졸류에 350중량%의 오르토인산이 함침되어 이루어진 전해질막을 제조했다.According to the following procedure, an electrolyte membrane including 350 wt% orthophosphoric acid was impregnated into polybenzimidazoles was prepared.

구체적으로는 상기 화학식 1의 (a)로 표시되는 폴리-2,2'-(m-페닐렌)- 5,5'-비벤즈이미다졸을 N,N-디아세트아미드에 용해하여 농도 10중량%의 고분자 용액으로 만들고, 얻어진 고분자 용액을 유리 기판 상에 캐스트하고, 150℃, 5시간의 조건에서 가열함으로써 유기 용매를 제거했다. 이렇게 하여 고분자막을 제조했다.Specifically, poly-2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole represented by Formula (a) of Formula 1 was dissolved in N, N-diacetamide to have a concentration of 10% by weight. The organic solvent was removed by making the polymer solution of%, cast the obtained polymer solution on a glass substrate, and heating at 150 degreeC and the conditions for 5 hours. In this way, a polymer membrane was produced.

그리고, 얻어진 고분자막을 실온에서 순도 85중량%의 오르토인산에 1시간함침시켰다. 이렇게 하여 비교예 1의 전해질막을 제조했다.The obtained polymer membrane was impregnated with orthophosphoric acid having a purity of 85% by weight at room temperature for 1 hour. Thus, the electrolyte membrane of Comparative Example 1 was prepared.

얻어진 전해질막에 대해 치수 변화율을 측정한 바, 치수 변화율 10%였다. 또 내구 시험 결과, 내구 시간은 300시간이었다.The dimensional change rate was measured about the obtained electrolyte membrane, and it was 10%. Moreover, as a result of the endurance test, the endurance time was 300 hours.

「비교예 2」`` Comparative Example 2 ''

하기 과정에 따라 1,4-부탄디올 디글리시딜 에테르를 가교제로서 가교한 폴리벤즈이미다졸류에 320중량%의 오르토인산이 함침되어 이루어진 전해질막을 제조했다.According to the following procedure, an electrolyte membrane was prepared in which polybenzimidazoles crosslinked with 1,4-butanediol diglycidyl ether as a crosslinking agent were impregnated with 320% by weight of orthophosphoric acid.

구체적으로는 상기 화학식 1의 (a)로 표시되는 폴리-2,2'-(m-페닐렌)- 5,5'-비벤즈이미다졸이 10중량% 용해된 N,N-디아세트아미드 용액에 1,4-부탄디올 디글리시딜 에테르 2중량부를 첨가하여 혼합 용액으로 만들었다. Specifically, N, N-diacetamide solution in which 10% by weight of poly-2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole represented by Formula (a) is dissolved To 2 parts by weight of 1,4-butanediol diglycidyl ether was added to make a mixed solution.

이렇게 얻어진 혼합 용액을 유리 기판 상에 캐스트하고, 150℃, 5시간의 조건에서 가열함으로써 유기 용매를 제거함과 동시에 가교 반응을 진행시켰다. 이렇게 하여 고분자막을 제조했다.The mixed solution thus obtained was cast on a glass substrate and heated at 150 ° C. for 5 hours to remove the organic solvent and to advance the crosslinking reaction. In this way, a polymer membrane was produced.

그리고, 얻어진 고분자막을 실온에서 순도 85%의 오르토인산에 1시간함침시켰다. 이렇게 하여 비교예 2의 전해질막을 제조했다.The obtained polymer membrane was impregnated with orthophosphoric acid having a purity of 85% at room temperature for 1 hour. Thus, the electrolyte membrane of Comparative Example 2 was prepared.

얻어진 전해질막에 대해 치수 변화율을 측정한 바, 치수 변화율 7%였다. 또 내구 시험 결과, 내구 시간은 450시간이었다.The dimensional change rate was measured about the obtained electrolyte membrane, and it was 7%. Moreover, as a result of the endurance test, the endurance time was 450 hours.

「비교예 3」`` Comparative Example 3 ''

하기 과정에 따라 폴리벤즈이미다졸류에 150중량%의 오르토인산이 함침되어 이루어진 전해질막을 제조했다.According to the following procedure, an electrolyte membrane including 150 wt% orthophosphoric acid was impregnated into polybenzimidazoles was prepared.

구체적으로는 하기 화학식 5의 (h)로 표시되는 폴리벤즈이미다졸류를 N,N-디아세트아미드에 용해하여 농도 10중량%의 고분자 용액으로 만들고, 얻어진 고분자 용액을 유리 기판 상에 캐스트하고, 150℃, 2시간의 조건에서 가열함으로써 유기 용매를 제거했다. 이렇게 하여 고분자막을 제조했다.Specifically, polybenzimidazoles represented by the formula (5) below are dissolved in N, N-diacetamide to obtain a polymer solution having a concentration of 10% by weight, and the obtained polymer solution is cast on a glass substrate. The organic solvent was removed by heating on 150 degreeC and the conditions of 2 hours. In this way, a polymer membrane was produced.

[화학식 5][Formula 5]

Figure 112007041178620-PAT00008
Figure 112007041178620-PAT00008

상기식중, n은 340이었다. 그리고, 얻어진 고분자막을 실온에서 순도 85중량%의 오르토인산에 1시간 함침시켰다. 이렇게 하여 비교예 3의 전해질막을 제조했다.In the formula, n was 340. The obtained polymer membrane was impregnated with 85% by weight of orthophosphoric acid at room temperature for 1 hour. Thus, the electrolyte membrane of Comparative Example 3 was prepared.

얻어진 전해질막에 대해 치수 변화율을 측정한 바, 치수 변화율 9%였다. 또 내구 시험 결과, 내구 시간은 200시간이었다.The dimensional change rate was measured about the obtained electrolyte membrane, and it was 9%. Moreover, as a result of the endurance test, the endurance time was 200 hours.

본 발명에 의하면, 장기적으로 안정된 성능을 계속 유지하는 것이 가능한 연료전지용 고분자 전해질막을 제공하며, 상기 고분자 전해질막을 이용하여 막전극 접합체를 제작하는 경우에, 장기적으로 안정된 성능을 유지하는 연료 전지를 제작할 수 있다.According to the present invention, there is provided a polymer electrolyte membrane for a fuel cell which can maintain a stable performance for a long term, and when producing a membrane electrode assembly using the polymer electrolyte membrane, a fuel cell that can maintain a stable performance for a long term can be manufactured. have.

Claims (10)

염기성 폴리머와 산성 도펀트를 포함하는 고분자 전해질막으로서, 함수 상태 및 건조 상태에서 상기 고분자 전해질막의 평면 방향의 치수 변화율이 5% 이하임을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.A polymer electrolyte membrane comprising a basic polymer and an acidic dopant, wherein the rate of dimensional change in the planar direction of the polymer electrolyte membrane in a hydrous state and in a dry state is 5% or less. 제1항에 있어서, 상기 염기성 폴리머가 폴리벤즈이미다졸 또는 그 유도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.The polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the basic polymer comprises polybenzimidazole or a derivative thereof. 제1항에 있어서, 상기 염기성 폴리머가, The method of claim 1, wherein the basic polymer, 다관능성 가교제와의 반응에 의해 가교된 폴리벤즈이미다졸 또는 그 유도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.A polymer electrolyte membrane for a fuel cell, comprising polybenzimidazole or a derivative thereof crosslinked by a reaction with a polyfunctional crosslinking agent. 제1항에 있어서, 상기 염기성 폴리머가 에폭시기 함유 알콕시실란에 의해 가교된 폴리벤즈이미다졸 또는 그 유도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.The polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the basic polymer comprises polybenzimidazole or a derivative thereof crosslinked with an epoxy group-containing alkoxysilane. 제1항에 있어서, 상기 산성 도펀트가 인산 또는 유기 포스폰산임을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.The polymer electrolyte membrane for a fuel cell of claim 1, wherein the acidic dopant is phosphoric acid or organic phosphonic acid. 유기 용매 중에 염기성 폴리머와 다관능성 가교제를 부가하고, 상기 염기성 폴리머에 상기 다관능성 가교제를 부가하여 고분자 용액을 얻는 공정;Adding a basic polymer and a polyfunctional crosslinking agent to an organic solvent, and adding the polyfunctional crosslinking agent to the basic polymer to obtain a polymer solution; 상기 고분자 용액에서 상기 유기 용매를 제거하면서 상기 다관능성 가교제간의 축합반응을 실시하여 상기 염기성 폴리머를 가교시켜 고분자막을 얻는 공정; 및Performing a condensation reaction between the multifunctional crosslinkers while removing the organic solvent from the polymer solution to crosslink the basic polymer to obtain a polymer film; And 실온 내지 200 ℃에서 상기 고분자막에 산성 도펀트를 함침시켜 고분자 전해질막을 얻는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.A method of manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, comprising the step of obtaining a polymer electrolyte membrane by impregnating an acidic dopant in the polymer membrane at room temperature to 200 ° C. 제6항에 있어서, 상기 염기성 폴리머가 폴리벤즈이미다졸 또는 그 유도체이고, 상기 다관능성 가교제가 에폭시기 함유 알콕시실란임을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.The method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 6, wherein the basic polymer is polybenzimidazole or a derivative thereof, and the polyfunctional crosslinking agent is an epoxy group-containing alkoxysilane. 유기 용매 중에 염기성 폴리머와 다관능성 가교제를 부가하고, 상기 염기성 폴리머를 상기 다관능성 가교제에 의해 가교시켜 고분자 용액을 얻는 공정;Adding a basic polymer and a polyfunctional crosslinking agent in an organic solvent, and crosslinking the basic polymer with the polyfunctional crosslinking agent to obtain a polymer solution; 상기 고분자 용액에서 상기 유기 용매를 제거함으로써 고분자막을 얻는 공정; 및Obtaining a polymer film by removing the organic solvent from the polymer solution; And 실온 내지 200℃에서 상기 고분자막에 산성 도펀트를 함침시켜 고분자 전해질막을 얻는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.A method of manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, comprising the step of obtaining a polymer electrolyte membrane by impregnating an acidic dopant in the polymer membrane at room temperature to 200 ° C. 제8항에 있어서, 상기 염기성 폴리머가 폴리벤즈이미다졸 또는 그 유도체이고, 상기 다관능성 가교제가 1,4―부탄디올 디글리시딜 에테르임을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.The method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 8, wherein the basic polymer is polybenzimidazole or a derivative thereof, and the polyfunctional crosslinking agent is 1,4-butanediol diglycidyl ether. 한 쌍의 촉매층과 각 촉매층 사이에 배치된 전해질막을 구비하며, A pair of catalyst layers and an electrolyte membrane disposed between the catalyst layers, 상기 전해질막이 1항 내지 5항중 어느 한 항에 기재된 연료전지용 고분자 전해질막인 것을 특징으로 하는 연료전지.The fuel cell is a fuel cell polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5.
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