KR20090053231A - Polymer membranes containing partially fluorinated copolymer, manufacturing method thereof and polymer electrolyte fuel cell using them - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부분적으로 불소가 도입된 이온 전도성 공중합체를 함유한 고분자 전해질 막, 그의 제조방법 및 고분자 전해질 막을 채용한 고분자 전해질형 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane containing an ion conductive copolymer partially introduced with fluorine, a method for preparing the same, and a polymer electrolyte fuel cell employing the polymer electrolyte membrane.

본 발명의 고분자 전해질 막은 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체에 부분적으로 불소가 도입되어 제조됨으로써, 불소화된 물질이 화학적으로 안정한 성질에 의하여 높은 이온 전도도가 유지되고, 낮은 물 흡수율 및 낮은 메탄올 투과도가 구현됨으로써, 종래의 사용되는 고분자 전해질 막을 대체 사용할 수 있고, 물성이 개선된 고분자 전해질 막을 구비한 고분자 전해질형 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.The polymer electrolyte membrane of the present invention is manufactured by partially introducing fluorine into a sulfonated polyarylene ether copolymer, thereby maintaining high ionic conductivity due to chemically stable properties of the fluorinated material, and achieving low water absorption and low methanol permeability. As a result, it is possible to replace the conventional polymer electrolyte membrane, and to improve the performance of the polymer electrolyte fuel cell including the polymer electrolyte membrane having improved physical properties.

이온 전도성 고분자, 고분자 전해질 막, 고분자 전해질 연료전지, 부분 불소화 공중합체 Ion conductive polymers, polymer electrolyte membranes, polymer electrolyte fuel cells, partially fluorinated copolymers

Description

부분적으로 불소가 도입된 이온 전도성 공중합체를 함유한 고분자 전해질 막, 그의 제조방법 및 고분자 전해질 막을 채용한 고분자 전해질형 연료전지{POLYMER MEMBRANES CONTAINING PARTIALLY FLUORINATED COPOLYMER, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL USING THEM}POLYMER MEMBRANES CONTAINING PARTIALLY FLUORINATED COPOLYMER, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL USING THEM}

본 발명은 부분적으로 불소가 도입된 이온 전도성 공중합체를 함유한 고분자 전해질 막, 그의 제조방법 및 고분자 전해질 막을 채용한 고분자 전해질형 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체에 부분적으로 불소를 도입하여 고분자 전해질 막을 제조함으로써, 높은 이온 전도도가 유지되고, 낮은 물 흡수율 및 낮은 메탄올 투과도가 구현되는, 부분적으로 불소가 도입된 이온 전도성 공중합체를 함유한 고분자 전해질 막, 그의 제조방법 및 고분자 전해질 막을 채용한 고분자 전해질형 연료전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymer electrolyte membrane containing an ion conductive copolymer partially introduced with fluorine, a method for preparing the same, and a polymer electrolyte fuel cell employing the polymer electrolyte membrane, and more particularly, to sulfonated polyarylene ether air. A polymer electrolyte membrane containing a partially fluorine-incorporated ion-conducting copolymer in which high ionic conductivity is maintained and low water absorption and low methanol permeability are realized by partially introducing fluorine into the copolymer, thereby A polymer electrolyte fuel cell employing a manufacturing method and a polymer electrolyte membrane.

연료전지는 연료의 연소에 따라 일어나는 화학에너지가 직접 전기 에너지로 변환될 수 있는 전기장치이다. 연료전지는 물리적으로 연료의 산화가 일어나는 음극(일명, “연료극” 또는 “산화전극”이라 한다), 산화제의 환원이 발생되는 양극(일명, “공기극” 또는 “환원전극”이라 한다) 및 전해질 막으로 구성되어 외부 회로와 연결된 구조를 갖는다. 음극에서 산화반응으로 형성된 수소 이온은 전해질을 통과해 양극에서 외부로부터 유입된 산화제 및 회로를 통해 이동된 전자와 반응하여 부산물로 물을 생성한다. 통상적인 연료전지에서 음극 및 양극에서 발생되는 전기 화학반응은 하기와 같다. A fuel cell is an electrical device in which chemical energy generated by combustion of fuel can be directly converted into electrical energy. A fuel cell is a cathode (sometimes called a “fuel electrode” or an “anode”) that physically oxidizes a fuel, an anode (also called an “air electrode” or a “reduction electrode”) in which reduction of an oxidant occurs, and an electrolyte membrane. It is composed of a structure connected to an external circuit. Hydrogen ions formed by the oxidation reaction at the cathode react with the oxidant introduced from the outside through the electrolyte and electrons moved through the circuit to generate water as a byproduct. In a typical fuel cell, the electrochemical reactions occurring at the cathode and the anode are as follows.

음극 : H2 (g) → 2H+ + 2e- Anode: H 2 (g) → 2H + + 2e -

양극 : ½ O2 (g) + 2H+ + 2e- → H2O Anode: ½ O 2 (g) + 2H + + 2e - → H 2 O

총괄 반응 : H2 (g) + ½ O2 → H2OOverall Reaction: H 2 (g) + ½ O 2 → H 2 O

즉, 연료전지는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 무공해 에너지원으로서, 출력밀도 및 에너지 전화효율이 높고, 소형화 및 다양한 연료의 사용이 가능함으로 인하여 이동통신 장비 등의 휴대용 전원, 자동차 등의 수송용 전원, 가정용 및 군사용 발전 시스템 등의 폭넓은 분야에 응용이 가능하다. In other words, a fuel cell is a pollution-free energy source that directly converts chemical reaction energy of hydrogen and oxygen into electrical energy, and has high power density and energy conversion efficiency, and miniaturization and use of various fuels enable portable power sources such as mobile communication equipment. It can be applied to a wide range of fields such as power supply for transportation of automobiles, power generation system for home and military.

연료 전지(fuel cell)는 작동온도 및 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리 연료전지, 인산 연료전지, 용융 탄산염 연료전지 및 고체산화물 연료전지로 구분된다. 특히, 상기 고분자 전해질형 연료전지는 작동 온도가 낮고 출력 밀도가 높으며 환경 부하가 적어 연료 전지로서 주목을 받고 있으며, 이는 다시, 수소 가스가 연료로 사용되는 수소 이온 교환막 연료전지 및 개질기 없이 메탄올이 직접 연료로 사용되는 직접 메탄올 연료전지로 구분된다.Fuel cells are classified into a polymer electrolyte fuel cell, an alkaline fuel cell, a phosphate fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and a solid oxide fuel cell according to the operating temperature and the type of the electrolyte. In particular, the polymer electrolyte fuel cell has attracted attention as a fuel cell due to its low operating temperature, high output density, and low environmental load, which, in turn, is directly converted into methanol without a hydrogen ion exchange membrane fuel cell and a reformer in which hydrogen gas is used as a fuel. It is divided into direct methanol fuel cell used as fuel.

연료전지에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은, 고분자 전해질 막을 사 이에 두고 음극 및 양극이 접착된 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly)와 세퍼레이터로 이루어진 단위 셀이 수개 내지 수십 개가 적층된 구조를 갖는다. In a fuel cell, a stack that substantially generates electricity has a structure in which several to tens of unit cells are formed of a membrane-electrode assembly (Membrane Electrode Assembly) and a separator, to which a cathode and an anode are bonded, with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween. Have

고분자 전해질형 연료전지의 음극 및 양극은 백금 등의 금속 입자가 증착된 탄소 재질의 이온성 지지체로 구성되고 고분자 전해질 막과의 접합성 향상 및 삼상계면에서의 수소 이온 전도성 향상을 위해서 나피온(Nafion®)계 코팅 막이 1~10 mg/cm2의 비율로 덧붙여진다. The anode and cathode of a polymer electrolyte fuel cell are composed of a carbon-based ionic support on which metal particles such as platinum are deposited, and Nafion (Nafion ®) is used to improve the adhesion between the polymer electrolyte membrane and the hydrogen ion conductivity in the three-phase interface. ) Coating layer is added at a rate of 1-10 mg / cm 2 .

특히, 직접메탄올 연료전지의 전기 화학반응은 하기와 같다.In particular, the electrochemical reaction of the direct methanol fuel cell is as follows.

음극 : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- Anode: CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 6H + + 6e -

양극 : ⅔O2 + 6H+ + 6e- → CO2 + 2H2O Anode: ⅔O 2 + 6H + + 6e - → CO 2 + 2H 2 O

총괄 반응 : CH3OH + ⅔O2 → 2H2O + CO2 Overall Reaction: CH 3 OH + ⅔O 2 → 2H 2 O + CO 2

고분자 전해질형 연료전지용 고분자 전해질 막은, 음극에서 양극으로 수소이온을 이동시키는 전도성 고분자의 역할을 하므로, 높은 이온 전도성과 더불어 화학적, 열적, 기계적 및 전기 화학적 안정이 요구된다. 특히, 직접메탄올 연료전지의 경우에는, 연료인 메탄올의 음극에서 양극으로의 이동을 억제하는 역할이 더 요구된다. 이에 따라, 고분자 전해질 막은 높은 밀도와 낮은 공극률(porosity) 및 낮은 메탄올 투과도를 갖는 5~175㎛두께의 막이 바람직하고, 우수한 기계적 안정성 및 전극과의 접합성을 가져야 한다. Since the polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell plays a role of a conductive polymer for transferring hydrogen ions from a cathode to an anode, chemical, thermal, mechanical, and electrochemical stability is required in addition to high ionic conductivity. In particular, in the case of the direct methanol fuel cell, the role of suppressing the movement of the fuel methanol from the cathode to the anode is further required. Accordingly, the polymer electrolyte membrane preferably has a thickness of 5 to 175 μm with high density, low porosity, and low methanol permeability, and should have excellent mechanical stability and adhesion to the electrode.

또한 90℃ 이상의 높은 온도와 극한 산성 환경에서도 운전이 가능하도록 내구성, 열적, 물리적 및 화학적으로 안정해야 한다. 이러한 이유로 고분자 전해질 막의 연구가 연료전지 개발에 있어 핵심 요소로 인식되고 있다.It must also be durable, thermally, physically and chemically stable to operate in high temperatures above 90 ° C and in extreme acidic environments. For this reason, research on polymer electrolyte membranes has been recognized as a key factor in fuel cell development.

현재 상용되는 고분자 전해질 막으로 미국 듀퐁사의 나피온(Nafion®)막 및 일본의 플레미온(Flemion®)막이 있다. 이는 과불소화 술폰산 전해질 막으로, 전도성, 기계적 물성 및 내화학성이 우수한 반면, 합성 원료나 제조 공정이 복잡하여 생산 비용이 높고, 고분자 주쇄를 이루는 불소로 인해 발생되는 독성의 중간생성물로 환경오염이 야기된다. 또한, 상기 과불소화 술폰산 전해질 막은 높은 메탄올 투과를 보이며 100℃ 이상에서 이온 전도도가 급격히 감소한다. 이에, 최근 상기와 같은 문제를 보완하기 위한 새로운 공중합체에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 일예로, 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰, 술폰화 폴리에테르에테르케톤 및 술폰화 폴리이미드가 개시되었다. [J. Membr . Sci ., 197 (2002) 231; J. Electrochem . Soc ., 151(21) (2004) A2150; Micromol . Symp ., 175 (2001) 387; J. Membr . Sci., 185 (2001) 73; J. Membr . Sci ., 281 (2006) 121. 미합중국 특허 제2005-026144호, 제2006-0134493호, 제5,438,082호 및 제6,245,881호]. A film currently commercially polymer electrolyte membrane that US DuPont Nafion (Nafion ®) film and a Japanese player lukewarm (Flemion ®). It is a perfluorinated sulfonic acid electrolyte membrane, which has excellent conductivity, mechanical properties, and chemical resistance, but has a high production cost due to complex synthetic raw materials or manufacturing processes, and is a poisonous intermediate product generated by fluorine forming a polymer main chain, causing environmental pollution. do. In addition, the perfluorinated sulfonic acid electrolyte membrane shows high methanol permeation and ionic conductivity rapidly decreases above 100 ° C. Accordingly, researches on new copolymers for supplementing the above problems have been actively conducted. As examples thereof, sulfonated polyarylene ether sulfones, sulfonated polyether ether ketones and sulfonated polyimides have been disclosed. [ J. Membr . Sci . , 197 (2002) 231; J. Electrochem . Soc . 151 (21) (2004) A2150; Micromol . Symp . 175 (2001) 387; J. Membr . Sci ., 185 (2001) 73; J. Membr . Sci . , 281 (2006) 121. United States Patent Nos. 2005-026144, 2006-0134493, 5,438,082 and 6,245,881.

그러나, 상기의 메탄올 투과도를 낮추기 위한 대부분의 조작은 친수성 이온 교환그룹의 농도 감소를 초래하여 전해질 막의 이온 전도도를 낮추는 역효과를 유발하였고, 술폰화도 증가에 따라 전해질 막의 메탄올 투과도 및 물 흡수율이 크게 증가되 어 연료전지의 성능이 저하되었으며, 연료전지용 막으로 사용되기에 내구성이 충분하지 않다. However, most of the above-mentioned operations to lower the methanol permeability resulted in a decrease in the concentration of the hydrophilic ion exchange group, leading to an adverse effect of lowering the ionic conductivity of the electrolyte membrane, and the methanol permeability and water absorption rate of the electrolyte membrane were greatly increased as the sulfonation degree increased. However, the performance of the fuel cell is degraded and the durability is not sufficient to be used as a fuel cell membrane.

한편 1990년에 퍼플루오로알킬기를 포함한 새로운 폴리아릴에테르가 보고된바 있으나[Macromolecules, 1990, 23, 5371 및 미합중국 특허 제5,155,175호], 이들 보고에서는 전기화학적, 기계적 특성 및 이온전도성이 발표되지 않았다.On the other hand, new polyarylethers containing perfluoroalkyl groups were reported in 1990 ( Macromolecules , 1990, 23, 5371 and US Pat. No. 5,155,175), but these reports do not disclose electrochemical, mechanical properties and ion conductivity. .

이에, 본 발명자들은 물성이 개선된 고분자 전해질 막을 얻고자 노력한 결과, 술폰화 폴리아릴렌에테르에 불소를 부분적으로 도입하여 공중합체를 형성하고 이를 이용하여 전해질 막을 제조하고, 상기 고분자 전해질 막이 우수한 이온 전도도를 가짐과 동시 낮은 물 흡수율 및 낮은 메탄올 투과도를 구현하는 것을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have tried to obtain a polymer electrolyte membrane having improved physical properties, and partially introduce fluorine into a sulfonated polyarylene ether to form a copolymer, to prepare an electrolyte membrane using the polymer electrolyte membrane, and the polymer electrolyte membrane has excellent ion conductivity. The present invention was completed by confirming having a water absorption and low methanol permeability at the same time.

본 발명의 목적은 부분적으로 불소가 도입된 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체를 함유하는 고분자 전해질 막을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane containing a sulfonated polyarylene ether copolymer partially introduced with fluorine.

본 발명의 다른 목적은 부분적으로 불소가 도입된 공중합체를 함유한 고분자 전해질 막의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing a polymer electrolyte membrane containing a copolymer partially introduced with fluorine.

본 발명의 또 다른 목적은 부분적으로 불소가 도입된 공중합체를 함유한 고분자 전해질 막으로 이루어진 막-전극 어셈블리 및 이를 채용한 고분자 전해질형 연료전지를 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly composed of a polymer electrolyte membrane containing a copolymer partially introduced with fluorine and a polymer electrolyte fuel cell employing the membrane.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표기되는 부분적으로 불소가 도입된 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체를 함유한 고분자 전해질 막을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a polymer electrolyte membrane containing a sulfonated polyarylene ether copolymer partially introduced with fluorine represented by the following formula (1).

Figure 112007084241268-PAT00001
Figure 112007084241268-PAT00001

(상기 식에서, Y는 -S-, -SO2- 및 -C=O- 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어지고, Z는 직접 결합(a bond), -O-, -SO2-, -C=O-, -C(CH3)2- 및 -C(CF3)2-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이고, p는 1 내지 6 이고, n+m=k이고, n/(n+m)은 0.1 내지 0.99이다.)Wherein Y is any one selected from the group consisting of -S-, -SO 2 -and -C = O- or a combination thereof, and Z is a bond, -O-, -SO 2 -, -C = O-, -C (CH 3 ) 2 -and -C (CF 3 ) 2- , any one selected from p, p is 1 to 6, n + m = k, and n / (n + m) is 0.1 to 0.99)

이때, 상기 n/(n+m)는 0.4 내지 0.5인 것이 보다 바람직하다.At this time, it is more preferable that n / (n + m) is 0.4-0.5.

본 발명은 또한 부분적으로 불소를 함유한 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체로 이루어진 고분자 전해질 막의 제조방법을 제공한다. a)하기 화학식 2로 표시되는 술폰화된 방향족 단량체, 하기 화학식 3으로 표시되는 불소를 함유한 단량체 및 하기 화학식 4로 표시되는 디하이드록실기 단량체를 직접 중합 반응에 의해, 하기 화학식 5로 표시되는 공중합체를 제조하고, b)하기 화학식 5로 표시되는 공중합체를 극성 용매에 용해시킨 후 유리판 또는 테프론 판 상에 캐스팅하고, 용매를 증발시켜 제거 후, 술폰산 형태로 전환하는, 하기 화학식 1로 표시되는 부분적으로 불소가 도입된 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체로 이루어진 고분자 전해질 막의 제조방법을 제공한다. The present invention also provides a method for preparing a polymer electrolyte membrane composed of a sulfonated polyarylene ether copolymer partially containing fluorine. a) a sulfonated aromatic monomer represented by the following formula (2), a fluorine-containing monomer represented by the following formula (3) and a dihydroxyl monomer represented by the following formula (4) by a direct polymerization reaction, B) preparing a copolymer, b) dissolving a copolymer represented by the following formula (5) in a polar solvent and casting it on a glass plate or a teflon plate, and evaporating the solvent to remove it, followed by conversion into a sulfonic acid form, represented by the following formula (1) It provides a method for producing a polymer electrolyte membrane consisting of a sulfonated polyarylene ether copolymer in which partially fluorine is introduced.

Figure 112007084241268-PAT00002
Figure 112007084241268-PAT00002

(상기에서, Y, Z, p, n, m 및 k는 상기에서 정의한 바와 같고, X는 이탈기로서 F, Cl, Br을 포함하는 할로겐원자 또는 니트로기이다.)(In the above, Y, Z, p, n, m and k are as defined above, X is a halogen atom or a nitro group containing F, Cl, Br as leaving group.)

상기 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체의 술폰화도(degree of sulfonation)는 40 내지 50 몰%이고, 이때, 상기 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체의 술폰화도가 상기 화학식 2로 표시되는 술폰화된 방향족 단량체 40 내지 50 몰% 및 상기 화학식 3으로 표시되는 불소를 함유한 단량체 50 내지 60 몰%로 이루어진 공중합체 100중량부에 대하여, 상기 화학식 4로 표시되는 디하이드록실기 단량체 100중량부로 반응하여 결정된다.The degree of sulfonation of the sulfonated polyarylene ether copolymer is 40 to 50 mol%, wherein the sulfonated aromatic sulfonated polyarylene ether copolymer is represented by Formula 2 Reaction is determined by reacting with 100 parts by weight of the dihydroxyl monomer represented by Formula 4 with respect to 100 parts by weight of a copolymer composed of 40 to 50 mol% of monomers and 50 to 60 mol% of monomers containing fluorine represented by Formula 3. do.

또한, 상기 극성 용매가 1-메틸-2-피롤리디논, N,N-디메틸아세트아마이드 및 디메틸포름아마이드로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 화학식 5로 표시되는 공중합체는 N-메틸-2-피롤리디논 용매 상에서 고유점도가 0.8 이상이다.In addition, the polar solvent is any one selected from the group consisting of 1-methyl-2-pyrrolidinone, N, N-dimethylacetamide and dimethylformamide, the copolymer represented by the formula (5) is N-methyl- The intrinsic viscosity is above 0.8 on the 2-pyrrolidinone solvent.

이때, 상기 고분자 전해질 막의 두께는 1 내지 1000㎛인 것이 바람직하다.In this case, the thickness of the polymer electrolyte membrane is preferably 1 to 1000㎛.

또한, 본 발명은 부분적으로 불소가 도입된 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체를 함유한 고분자 전해질 막을 구비한 고분자 전해질형 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.The present invention also provides a membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell having a polymer electrolyte membrane containing a sulfonated polyarylene ether copolymer partially introduced with fluorine.

나아가, 상기 막-전극 어셈블리가 채용된 고분자 전해질형 연료전지를 제공한다.Further, a polymer electrolyte fuel cell employing the membrane-electrode assembly is provided.

더 나아가, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 부분적으로 불소를 함유한 고분자 전해질 막 제조용 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체를 제공한다.Furthermore, the present invention provides a sulfonated polyarylene ether copolymer for producing a polymer electrolyte membrane partially containing fluorine represented by the following formula (1).

화학식 1Formula 1

Figure 112007084241268-PAT00003
Figure 112007084241268-PAT00003

(상기에서, Y, Z, p, n, m 및 k는 상기에서 정의한 바와 같다.)(In the above, Y, Z, p, n, m and k are as defined above.)

본 발명은, 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체에 부분적으로 불소를 도입하여 공중합체를 제조하고, 상기 공중합체로 이루어진 고분자 전해질 막은 높은 이온 전도도가 유지되고, 낮은 물 흡수율 및 낮은 메탄올 투과도가 구현된다. 이에 상기 물성이 개선된 고분자 전해질 막은 종래 사용되는 고분자 전해질 막을 대체 사용 가능하고, 이를 채용한 고분자 전해질형 연료전지를 제공할 수 있다. According to the present invention, a copolymer is prepared by partially introducing fluorine into a sulfonated polyarylene ether copolymer, and the polymer electrolyte membrane made of the copolymer maintains high ionic conductivity, low water absorption and low methanol permeability. . Accordingly, the polymer electrolyte membrane having improved physical properties may be replaced with a conventional polymer electrolyte membrane, and a polymer electrolyte fuel cell employing the polymer electrolyte membrane may be provided.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 하기 화학식 1로 표기되는 부분적으로 불소가 도입된 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체를 함유한 고분자 전해질 막을 제공한다.The present invention provides a polymer electrolyte membrane containing a sulfonated polyarylene ether copolymer partially introduced with fluorine represented by the following general formula (1).

화학식 1Formula 1

Figure 112007084241268-PAT00004
Figure 112007084241268-PAT00004

(상기 식에서, Y는 -S-, -SO2- 및 -C=O- 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어지고, Z는 직접 결합(a bond), -O-, -SO2-, -C=O-, -C(CH3)2- 및 -C(CF3)2-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이고, p는 1 내지 6 이고, n+m=k이고, n/(n+m)은 0.1 내지 0.99이다.)Wherein Y is any one selected from the group consisting of -S-, -SO 2 -and -C = O- or a combination thereof, and Z is a bond, -O-, -SO 2 -, -C = O-, -C (CH 3 ) 2 -and -C (CF 3 ) 2- , any one selected from p, p is 1 to 6, n + m = k, and n / (n + m) is 0.1 to 0.99)

본 발명의 고분자 전해질 막은 종래 술폰화 폴리아릴렌에테르에 부분적으로 불소를 도입한 것을 특징으로 한다. 불소화된 물질이 화학적으로 안정한 성질에 의하여 이를 고분자 전해질 막에 적용 시, 높은 이온 전도성을 가짐과 동시에 낮은 메탄올 투과도 및 낮은 물 흡수성을 구현한다. 이때, 불소화의 정도는 상기 화학식 1의 p를 조절함으로써 가능하며, p가 6을 초과할 경우 회전이 가능한 선형(linear)구조인 -CF2- 결합의 길이 증가로 고분자의 기계적 안정성이 감소하며 메탄올 투과도가 현저히 증가하기 때문에 상기의 범위를 만족하는 것이 바람직하다. The polymer electrolyte membrane of the present invention is characterized in that fluorine is partially introduced into a conventional sulfonated polyarylene ether. Due to the chemically stable properties of the fluorinated material, when it is applied to the polymer electrolyte membrane, it has high ionic conductivity and low methanol permeability and low water absorption. At this time, the degree of fluorination is possible by controlling the p of the formula (1), and if the p exceeds 6, the mechanical stability of the polymer is reduced by increasing the length of the linear structure -CF 2 -bond that can be rotated methanol Since the permeability is significantly increased, it is preferable to satisfy the above range.

본 발명의 고분자 전해질 막의 물성은 또한, 상기 화학식 1의 n, m 및 k의 범위를 확정함으로 조절가능하며, 상기 화학식 1의 k는 n+m으로 정의되고, n/(n+m)은 0.01 내지 0.99를 보다 바람직하게는 0.4 내지 0.5를 만족한다. n/(n+m)이 0.01미만일 경우 상기 화학식 1의 공중합체의 술폰화도가 충분하기 않아 이온 전도도가 낮아져 그 활용이 불량하고, n/(n+m)이 0.99를 초과할 경우 친수성 성질을 갖는 술폰화도가 높아져 물 흡수율 및 메탄올 투과도가 증가하는 문제가 있다. The physical properties of the polymer electrolyte membrane of the present invention can also be adjusted by determining the range of n, m and k in Formula 1, wherein k in Formula 1 is defined as n + m, and n / (n + m) is 0.01 To 0.99, more preferably 0.4 to 0.5. When n / (n + m) is less than 0.01, the sulfonation degree of the copolymer of Chemical Formula 1 is not sufficient, so that its ion conductivity is low, and its utilization is poor. When n / (n + m) is more than 0.99, hydrophilic properties are not achieved. There is a problem in that the sulfonation degree to have a high water absorption rate and methanol permeability increases.

본 발명의 고분자 전해질 막은 술폰화 폴리아릴렌에테르에 불소를 부분적으로 도입하여 공중합체를 형성하고 이를 이용하여 고분자 전해질 막을 제조한 것이다. 불소화된 물질이 화학적으로 안정한 성질에 의하여, 본 발명의 고분자 전해질 막은 높은 이온 전도도가 유지됨과 동시에 우수한 기계적 특성, 열적 안정성, 낮은 물 흡수성 및 낮은 메탄올 투과도를 갖는다.(도 3 내지 5)In the polymer electrolyte membrane of the present invention, a copolymer is formed by partially introducing fluorine into sulfonated polyarylene ether to prepare a polymer electrolyte membrane using the copolymer. Due to the chemically stable nature of the fluorinated material, the polymer electrolyte membrane of the present invention maintains high ionic conductivity and at the same time has excellent mechanical properties, thermal stability, low water absorption and low methanol permeability (FIGS. 3 to 5).

본 발명은 또한 상기 화학식 1로 표시되는 부분적으로 불소를 함유한 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체로 이루어진 고분자 전해질 막의 제조방법을 제공한다. 하기 화학식 2로 표시되는 술폰화된 방향족 단량체, 하기 화학식 3으로 표시되는 불소를 함유한 단량체 및 하기 화학식 4로 표시되는 디하이드록실기 단량체를 직접 중합 반응에 의해, 하기 화학식 5로 표시되는 공중합체를 제조하고, 하기 화학식 5로 표시되는 공중합체를 극성 용매에 용해시킨 후 유리판 또는 테프론 판 상에 캐스팅하고, 용매를 증발시켜 제거 후, 술폰산 형태로 전환하여, 하기 화학식 1로 표시되는 부분적으로 불소가 도입된 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체로 이루어진 고분자 전해질 막을 제조한다.The present invention also provides a method for producing a polymer electrolyte membrane composed of a sulfonated polyarylene ether copolymer partially containing fluorine represented by Chemical Formula 1. A copolymer represented by the following formula (5) by directly polymerizing a sulfonated aromatic monomer represented by the following formula (2), a monomer containing fluorine represented by the following formula (3) and a dihydroxyl monomer represented by the following formula (4) by a direct polymerization reaction: To prepare a, the copolymer represented by the following formula (5) is dissolved in a polar solvent and then cast on a glass plate or teflon plate, the solvent is evaporated to remove, then converted to the sulfonic acid form, partially represented by the formula (1) To prepare a polymer electrolyte membrane composed of a sulfonated polyarylene ether copolymer having been introduced.

반응식 1Scheme 1

Figure 112007084241268-PAT00005
Figure 112007084241268-PAT00005

(상기에서, Y, Z, p, n, m, k 및 X는 상기에서 정의한 바와 같다.)(In the above, Y, Z, p, n, m, k and X are as defined above.)

본 발명의 고분자 전해질 막의 성질은, 술폰화된 방향족 단량체, 불소를 함유한 단량체 및 디하이드록실기 단량체의 몰비율에 따라 결정되며, 특히, 전해질 막의 이온 전도도는 술폰화도에 비례하여 결정된다. 따라서, 본 발명의 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체의 술폰화도는 40 내지 50몰%가 바람직하다. 술폰화도가 40몰% 미만일 경우 상기 화학식 1의 공중합체의 술폰화도가 충분하기 않아 이온 전도도가 낮아져 전해질 막으로서의 기능이 불량하고, 술폰화도가 50몰%를 초과할 경우 친수성 성질을 갖는 술폰화도가 높아져 물 흡수율 및 메탄올 투과도가 증가하는 문제가 있다. The properties of the polymer electrolyte membrane of the present invention are determined according to the molar ratio of the sulfonated aromatic monomer, the fluorine-containing monomer and the dihydroxyl monomer, and in particular, the ionic conductivity of the electrolyte membrane is determined in proportion to the degree of sulfonation. Therefore, the sulfonation degree of the sulfonated polyarylene ether copolymer of the present invention is preferably 40 to 50 mol%. When the sulfonation degree is less than 40 mol%, the sulfonation degree of the copolymer of Chemical Formula 1 is not sufficient, and thus the ion conductivity is low, and thus the function as an electrolyte membrane is poor. There is a problem that the increase in water absorption and methanol permeability increases.

더 나아가, 상기 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체의 술폰화도가 상기 화학식 2로 표시되는 술폰화된 방향족 단량체 40 내지 50 몰% 및 상기 화학식 3으로 표시되는 불소를 함유한 단량체 50 내지 60 몰%로 이루어진 공중합체 100중량부에 대하여, 상기 화학식 4로 표시되는 디하이드록실기 단량체가 100 중량부이다.Furthermore, the sulfonation degree of the sulfonated polyarylene ether copolymer is 40 to 50 mol% of the sulfonated aromatic monomer represented by Formula 2 and 50 to 60 mol% of the monomer containing fluorine represented by Formula 3 100 parts by weight of the dihydroxyl group monomer represented by Formula 4 with respect to 100 parts by weight of the copolymer formed.

이때, 상기 극성 용매는 1-메틸-2-피롤리디논, N,N-디메틸아세트아마이드 및 디메틸포름아마이드로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나가 바람직하나 이에 한정되지 않는다. In this case, the polar solvent is preferably any one selected from the group consisting of 1-methyl-2-pyrrolidinone, N, N-dimethylacetamide and dimethylformamide, but is not limited thereto.

또한, 상기 화학식 5로 표시되는 공중합체의 1-메틸-2-피롤리디논(NMP) 상에서 측정된 고유점도는 이온 전도성을 고려하여 0.1 이상 보다 바람직하게는 0.8 이상, 보다 더 바람직하게는 0.8 내지 1.6이다. 상기 점도가 0.8 미만일 경우 이로부터 제조되는 전해질 막의 기계적 강도가 현저히 감소하여 바람직하지 않다. 이때, 상기 점도는 25℃에서 측정된 것으로, 이는 상기 공중합체의 반응온도, 반응시간 및 술폰화된 단량체 함량 등의 반응환경을 조절함으로써 정밀하게 제어된다.In addition, the intrinsic viscosity measured on 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) of the copolymer represented by Formula 5 is 0.1 or more, more preferably 0.8 or more, even more preferably 0.8 to 10 in consideration of ionic conductivity. 1.6. If the viscosity is less than 0.8, the mechanical strength of the electrolyte membrane prepared therefrom is significantly reduced, which is not preferable. In this case, the viscosity is measured at 25 ℃, which is precisely controlled by adjusting the reaction environment, such as the reaction temperature, the reaction time and the sulfonated monomer content of the copolymer.

상기 고분자 전해질 막의 두께는 이온 전도성을 고려하여 가능한 얇은 막이 좋으나, 전해질 막으로 적용하기 위해서는 1 내지 1000㎛ 영역일 것을 권장하며, 바람직하게는 30 내지 200㎛이다. 이때, 막 두께가 1㎛ 미만이면, 막의 강도가 현저히 감소하여 전해질 막으로의 적용이 어렵고, 1000㎛를 초과하면 이온 전달자(carrier)인 양성자(H+) 혹은 그 수화물 및 메탄올 연료가 통과하기 어렵고, 연료전지 스택(stack)의 단위 성능 당 부피가 증가하게 되어 높은 성능의 연료전지로는 적용이 어려워 바람직하지 않다.The thickness of the polymer electrolyte membrane is preferably as thin as possible in consideration of ion conductivity, but in order to apply it as an electrolyte membrane, it is recommended that it be in the range of 1 to 1000 μm, preferably 30 to 200 μm. At this time, when the membrane thickness is less than 1 μm, the strength of the membrane is significantly reduced, and application to the electrolyte membrane is difficult, and when it exceeds 1000 μm, protons (H + ), which are ion carriers, or hydrates thereof and methanol fuel are difficult to pass. In addition, since the volume per unit performance of the fuel cell stack is increased, application to a high performance fuel cell is difficult, which is not preferable.

보다 상세하게, 상기 화학식 5로 표시되는 공중합체는 염의 형태로 전해질 막의 제 조에 사용되는 바, 상기 화학식 5로 표시되는 공중합체를 K2CO3 염기와 1-메틸-2-피롤리디논(NMP), N,N-디메틸아세트아마이드(DMAc) 또는 디메틸포름아마이드(DMF)에서 선택되는 극성 용매 및 톨루엔 또는 벤젠에서 선택되는 공비용매 하에서 150 내지 170℃에서 10 내지 15시간동안 중합반응하고, 상기 중합체를 지지체에 캐스팅 한 후, 용매를 증발시켜 제거한 후 황산 등을 이용하여 실온 혹은 고온 (100℃)에서 술폰산 형태로 전환하여 전해질 막을 얻는다. 용매의 제거는 건조에 의하여 행하는 것이 막의 균일성 측면에서 바람직하며 용매의 분해 및 변질을 피하기 위하여 감압 하로 가능한 한 낮은 온도에서 건조하는 것이 바람직하다. 또한 공기 중 혹은 불활성 가스 중에서 적당한 시간동안 방치하는 방법을 이용할 수도 있다. More specifically, the copolymer represented by the formula (5) is used in the preparation of the electrolyte membrane in the form of a salt, the copolymer represented by the formula (5) is K 2 CO 3 base and 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP ), N, N-dimethylacetamide (DMAc) or dimethylformamide (DMF) in a polar solvent selected from a cosolvent selected from toluene or benzene at 150 to 170 ℃ for 10 to 15 hours, the polymer After casting to a support, the solvent is evaporated to remove, and then converted to sulfonic acid form at room temperature or high temperature (100 ℃) using sulfuric acid or the like to obtain an electrolyte membrane. The removal of the solvent is preferably carried out by drying in view of the uniformity of the membrane, and is preferably dried at a temperature as low as possible under reduced pressure to avoid decomposition and deterioration of the solvent. Moreover, the method of leaving it to stand in air or inert gas for a suitable time can also be used.

나아가, 본 발명은 상기의 고분자 전해질 막을 구비하는 고분자 전해질형 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 상기의 막-전극 어셈블리가 채용된 고분자 전해질형 연료전지를 제공한다. 본 발명의 고분자 전해질 막을 이용하여 막-극 어셈블리를 제조할 경우 전극과의 접합성이 개선됨으로써, 상기 막-극 어셈블리를 고분자 전해질형 연료전지에 적용 시, 단위 전지(unit cell)의 성능이 향상된다. 이는 상용화된 고분자막과 비교하여 동등 혹은 그 이상의 우수한 결과이므로, 종래의 전해질 막을 대체할 수 있고, 고분자 전해질형 연료전지용 고분자 전해질 막으로서 즉시 적용이 가능할 수 있다.(도 6)Furthermore, the present invention provides a membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell including the polymer electrolyte membrane and a polymer electrolyte fuel cell employing the membrane-electrode assembly. When the membrane-electrode assembly is manufactured using the polymer electrolyte membrane of the present invention, the adhesion to the electrode is improved, and thus, when the membrane-electrode assembly is applied to the polymer electrolyte fuel cell, the performance of a unit cell is improved. . This is equivalent to or better than that of commercially available polymer membranes, and therefore can replace conventional electrolyte membranes and can be readily applied as polymer electrolyte membranes for polymer electrolyte fuel cells.

더 나아가, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 부분적으로 불소를 함유한 고분자 전해질 막 제조용 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체를 제공한다.Furthermore, the present invention provides a sulfonated polyarylene ether copolymer for producing a polymer electrolyte membrane partially containing fluorine represented by the following formula (1).

화학식 1Formula 1

Figure 112007084241268-PAT00006
Figure 112007084241268-PAT00006

(상기에서, Y, Z, p, n, m 및 k는 상기에서 정의한 바와 같다.).(In the above, Y, Z, p, n, m and k are as defined above.).

이때, p는 1 내지 6 이고, n+m=k이고, n/(n+m)은 0.1 내지 0.99를 만족하며 이의 근거는 상기에서 기재된바와 동일하다 Wherein p is 1 to 6, n + m = k, and n / (n + m) satisfies 0.1 to 0.99, the basis of which is the same as described above.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.

하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. The following examples are merely illustrative of the present invention, but the scope of the present invention is not limited to the following examples.

<< 실시예Example 1 및 2> 부분적으로 불소를 함유한  1 and 2> partially containing fluorine 술폰화Sulfonation 폴리아릴렌에테르Polyarylene ether 공중합체의 제조 Preparation of Copolymer

단계1Step 1 :공중합체 제조용 단량체[1,6-: Monomers for producing copolymers [1,6- 비스Vis (4-(4- 플루오르페닐Fluorophenyl )-)- 퍼플루오르헥산Perfluorohexane ]제조]Produce

300ml 4구 둥근바닥 플라스크에 기계식 교반기, 질소 주입기(N2 inlet), 응축기 및 온도계를 설치하고, 1-플루오르-4-요오드벤젠 24.0498g(108.34mmol), 도데카플루오르-1,6-디요오드헥산 30.0000g(54.17mmol) 및 구리촉매 15.4913g(243.77mmol)를 넣은 후 150ml의 DMSO에 용해시키고, 120℃에서 48시간동안 울만 커플링(Ullmann Coupling reaction)반응시킨 후, 감압 증류를 통해 정제(bp: 128℃, 4 mmHg)하여, 1,6-비스(4-플루오르페닐)-퍼플루오르헥산을 76.5%의 수율로 제조하였다.A 300 ml four-necked round bottom flask was equipped with a mechanical stirrer, a nitrogen injector (N 2 inlet), a condenser and a thermometer, 24.0498 g (108.34 mmol) 1-fluoro-4-iodobenzene, dodecafluor-1,6-diode 30.0000 g (54.17 mmol) of hexane and 15.4913 g (243.77 mmol) of copper catalysts were dissolved in 150 ml of DMSO, followed by Ullmann Coupling reaction at 120 ° C. for 48 hours, followed by purification under reduced pressure. bp: 128 ° C., 4 mmHg) to prepare 1,6-bis (4-fluorophenyl) -perfluorohexane in a yield of 76.5%.

1,6-비스(4-플루오르페닐)-퍼플루오르헥산(FPPFH)의 1H-NMR 분석결과를 도 1에 나타내었다. 1 H-NMR analysis of 1,6-bis (4-fluorophenyl) -perfluorohexane (FPPFH) is shown in FIG. 1.

단계2Step 2 : 고분자 전해질 막 제조용 공중합체 제조: Copolymer Preparation for Polymer Electrolyte Membrane

100ml의 4구 둥근바닥 플라스크에 기계식 교반기, 질소 주입기(N2 inlet), 딘-스탁(Dean-Stark) 트랩, 응축기 및 온도계를 설치하고, 디하이드록실기 단량체로서, 6F-비스페놀A(이하,“6F-BPA"라 한다) 4.2365g(12.60mmol), 상기 단계1에서 제조된1,6-비스(4-플루오르페닐)-퍼플루오르헥산(이하, "FPPFH"라 한다) 3.7061g(7.56mmol), 3,3′-디설포네이티드-4,4-디플루오르디페닐설폰(이하, "SDFDPS"라 한다) 2.3101g(5.04mmol), K2CO3 1.9156g(13.86mmol) 및 1-메틸-2-피롤리디논(NMP) 40ml, 공비용매로서 톨루엔 20ml(NMP/톨루엔=2/1, v/v)을 투입하고, 150℃까지 2시간동안 승온 시킨 후 4시간 동안 톨루엔을 환류시켜 반응 생성물인 물을 제거한 다음, 톨루엔을 제거하고 170℃까지 승온시켜 12시간동안 직접 중합법에 의해 반응하여 중합체를 합성하였다. 이때, 상기 FPPFH와 SDFDPS의 몰비가 60:40이 되도록 합성하였다. 반응이 종료되면 상온으로 냉각하여 물에 침전시키고 분쇄기로 반응물을 분쇄하여 여과하였다. 이후, 얻어진 반응생성물을 120℃의 감압오븐에서 24시간동안 건조시켜, 고분자 전해질 막 제조용 공중합체인 부분적으로 불소를 함유한 술폰화 폴리아릴에테르술폰(F-SPAES-40)을 98% 수율로 얻었다. A 100 ml four-necked round bottom flask was equipped with a mechanical stirrer, a nitrogen injector (N 2 inlet), a Dean-Stark trap, a condenser and a thermometer, and as a dihydroxyl monomer, 6F-bisphenol A (hereinafter, 4.2365 g (12.60 mmol) of “6F-BPA”) 3.7061 g (7.56 mmol) of 1,6-bis (4-fluorophenyl) -perfluorohexane (hereinafter referred to as “FPPFH”) prepared in Step 1 ), 3,3′-disulfonated-4,4-difluorodiphenylsulfone (hereinafter referred to as “SDFDPS”) 2.3101 g (5.04 mmol), K 2 CO 3 1.9156 g (13.86 mmol) and 40 ml of 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) and 20 ml of toluene (NMP / toluene = 2/1, v / v) were added as a cosolvent, and the temperature was raised to 150 ° C. for 2 hours. After the toluene was refluxed for 4 hours to remove water as a reaction product, the toluene was removed, the temperature was raised to 170 ° C, and reacted by direct polymerization for 12 hours to synthesize a polymer. At this time, the molar ratio of FPPFH and SDFDPS was synthesized to be 60:40. After the reaction was completed, the reaction mixture was cooled to room temperature, precipitated in water, and the reactants were pulverized and filtered. Thereafter, the obtained reaction product was dried in a vacuum oven at 120 ° C. for 24 hours to obtain a partially fluorine-containing sulfonated polyarylethersulfone (F-SPAES-40) as a copolymer for preparing a polymer electrolyte membrane in 98% yield.

상기 단량체 중, 6F-비스페놀A(6F-BPA):(FPPFH+SDFDPS)의 비율을 50:50으로 고정하고, 다시 1,6-비스(4-플루오르페닐)-퍼플루오르헥산(FPPFH)에 대하여, 3,3′-디설포네이티드-4,4-디플루오르디페닐설폰(SDFDPS)의 투입량을 40 및 50몰%로 조절하여 전해질 막 제조용 부분적으로 불소를 함유한 술폰화 폴리아릴에테르술폰 공중합체(F-SPAES-40 및 50)를 제조하였다. 제조 시 혼합비율에 따른 공중합체의 특성을 하기 표 1에 기재하고, 실시예 1 내지 2에서 제조된 불소를 부분적으로 함유한 술폰화 폴리아릴에테르 공중합체의 1H NMR , 19F NMR 및 FT-IR 분석결과를 도 2a, 2b 및 2c에 나타내었다. Of the above monomers, the ratio of 6F-bisphenol A (6F-BPA) :( FPPFH + SDFDPS) was fixed at 50:50, and again, 1,6-bis (4-fluorophenyl) -perfluorohexane (FPPFH) was used. Partially fluorine-containing sulfonated polyarylethersulfones for the preparation of electrolyte membranes by adjusting the dosage of 3,3′-disulfonated-4,4-difluorodiphenylsulfone (SDFDPS) to 40 and 50 mol% Copolymers (F-SPAES-40 and 50) were prepared. The properties of the copolymer according to the mixing ratio in the preparation are shown in Table 1 below, prepared in Examples 1 to 2 Results of 1 H NMR, 19 F NMR and FT-IR analysis of partially fluorinated sulfonated polyarylether copolymers are shown in FIGS. 2A, 2B and 2C.

부분적으로 불소를 함유한 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체Sulfonated Polyarylene Ether Copolymer Containing Partially Fluorine 구분division 단량체 혼합비율Monomer Mixing Ratio 수득률 (%)Yield (%) 술폰화도 (%)Sulfonation degree (%) 고유점도 (dL/g)Intrinsic Viscosity (dL / g) 6F-BPA6F-BPA FPPFHFPPFH SDFDPSSDFDPS 실시예1Example 1 F-SPAES-40F-SPAES-40 100100 6060 4040 9898 39.539.5 0.910.91 실시예2Example 2 F-SPAES-50F-SPAES-50 100100 5050 5050 9898 46.846.8 0.900.90 6F-BPA : 6F-비스페놀 A FPPFH : 1,6-비스(4-플루오르페닐)-퍼플루오르헥산 SDFDPS :3,3`-디설포네이티드-4,4-디플루오르디페닐설폰6F-BPA: 6F-bisphenol A FPPFH: 1,6-bis (4-fluorophenyl) -perfluorohexane SDFDPS: 3,3`-disulfonated-4,4-difluorodiphenylsulfone

<< 실시예Example 3 및 4> 고분자 전해질 막의 제조 3 and 4> Preparation of Polymer Electrolyte Membrane

상기 실시예 1 및 2 에서 제조된 부분적으로 불소를 함유한 공중합체를 1-메틸-2-피롤리디논(NMP)에 용해하고, 5.0㎛의 폴리테트라플루오르에틸렌 분리막 필터를 사용하여 여과한 후 깨끗한 판유리에 캐스팅하고, 캐스팅 용액 제조 시 사용된 용매는 50℃이하의 감압오븐에서 건조하였다. 제조된 전해질 막은 100℃의 0.5M H2SO4를 이용하여 2시간 동안 산 처리함으로써, 부분적으로 불소를 함유한 술폰화 폴리아릴에테르술폰 고분자 전해질 막을 제조하였다. 이 때 최종 제조된 막의 두께는 70 내지 150㎛가 되도록 하였다. The partially fluorine-containing copolymers prepared in Examples 1 and 2 above were dissolved in 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), filtered using a 5.0 μm polytetrafluoroethylene separator filter, and then cleaned. Casting on the plate glass, the solvent used in the casting solution was dried in a reduced pressure oven below 50 ℃. The prepared electrolyte membrane was acid treated with 0.5MH 2 SO 4 at 100 ° C. for 2 hours, thereby preparing a sulfonated polyarylethersulfone polymer electrolyte membrane partially containing fluorine. At this time, the thickness of the final film was set to 70 to 150㎛.

상기 제조된 부분적으로 불소를 함유한 술폰화 폴리아릴에테르술폰 공중합체를 이용한 고분자 전해질 막의 물성 평가 결과를 하기 표 2에 기재하였다.The physical property evaluation results of the polymer electrolyte membrane using the sulfonated polyarylethersulfone copolymer containing partially fluorine prepared above are shown in Table 2 below.

부분적으로 불소를 함유한 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체를 이용한 고분자 전해질 막의 특성Characteristics of Polymer Electrolyte Membrane Using Partially Fluorinated Sulfonated Polyarylene Ether Copolymer 구분division 막두께 (㎛)Film thickness (㎛) 물 흡수율 (%)Water absorption rate (%) 이온 전도도 (S/cm, 30℃)Ionic Conductivity (S / cm, 30 ℃) 메탄올 투과도 (cm2/s, 30℃)Methanol Permeability (cm 2 / s, 30 ℃) 실시예 3Example 3 7070 3232 0.0990.099 1.07 × 10-6 1.07 × 10 -6 실시예 4Example 4 144144 8888 0.1240.124 1.61 × 10-6 1.61 × 10 -6

상기 표 2에서 보는 바와 같이, 실시예 3 및 4의 고분자 전해질 막은 높은 이온 전도도가 유지되었고, 낮은 물 흡수율 및 낮은 메탄올 투과도를 확인하였다.As shown in Table 2, the polymer electrolyte membranes of Examples 3 and 4 maintained high ionic conductivity, and confirmed low water absorption and low methanol permeability.

<< 비교예Comparative example 1> 1>

고분자 전해질형 연료전지용 고분자 전해질 막으로서 상용되는 나피온(Nafion-117®)전해질 막을 이용하였다. 이때, 나피온(Nafion-117®)전해질 막의 두께는 180 ㎛이고, 100℃ 0.5 M 황산에서 4시간동안 처리한 후 실시 전까지 탈 이온수에 보관하였다.The polymer electrolyte fuel cell was used as the polymer electrolyte membrane of Nafion (Nafion-117 ®) electrolyte membrane which is commercially available as. In this case, a Nafion (Nafion-117 ®) is a thickness of the electrolyte membrane 180 ㎛, were stored in deionized water until embodiment after treatment at 100 ℃ 0.5 M sulfuric acid for 4 hours.

상기 나피온(Nafion-117®) 전해질 막의 물성 평가 결과를 도 4에 기재하였다.The Nafion (Nafion-117 ®) electrolyte membrane property evaluation results are shown in Fig.

<< 비교예Comparative example 2 및 3>  2 and 3> 술폰화Sulfonation 폴리아릴렌에테르Polyarylene ether 전해질 막의 제조 Preparation of Electrolyte Membrane

고분자 전해질 막 제조용 공중합체 제조에 있어, FPPFH 및 SDFDPS에 대한 몰비율을 실시예 1과 동일하게 고정하되, 실시예 1에서 사용된 디하이드록실기 단량체인 6F-비스페놀A(6F-BPA)대신에, 바이페놀(biphenol)을 사용하여 고분자 전해질 막 제조용 술폰화 폴리아릴에테르 공중합체(SPAES-40 및 50)를 제조하였다.In preparing a copolymer for preparing a polymer electrolyte membrane, the molar ratio for FPPFH and SDFDPS was fixed in the same manner as in Example 1, but instead of 6F-bisphenol A (6F-BPA), which is the dihydroxyl monomer used in Example 1 Using biphenol, a sulfonated polyaryl ether copolymer (SPAES-40 and 50) for preparing a polymer electrolyte membrane was prepared.

<< 실험예Experimental Example 1> 물성 측정 1> Physical property measurement

1. 물 흡수율 측정1. Water absorption rate measurement

상기 고분자 전해질 막에 대하여, 물 흡수율 측정을 위하여 산 처리된 막을 탈 이온수로 여러 번 세척한 다음, 실온에서 정제된 증류수에 24시간 동안 침지시킨 후 꺼내어 표면의 물을 제거하고 무게를 측정한다(Wwet). 이어서 상기 막을 120℃의 감압 건조기에서 24시간 동안 건조한 후, 무게를 측정한다(Wdry). 상기의 측정치를 하기 수학식 1에 의하여 물 함수율을 산출하였다.For the polymer electrolyte membrane, the acid-treated membrane was washed several times with deionized water to measure water absorption, and then immersed in distilled water purified at room temperature for 24 hours and then taken out to remove water from the surface and weighed (W wet ). The membrane is then dried in a reduced pressure dryer at 120 ° C. for 24 hours and then weighed (W dry ). The water content was calculated by the above equation (1).

Figure 112007084241268-PAT00007
Figure 112007084241268-PAT00007

2. 메탄올 투과도 측정2. Methanol Permeability Measurement

상기 고분자 전해질 막에 대하여, 일정한 농도의 메탄올과 물에 담긴 두 용기의 상For the polymer electrolyte membrane, the phases of two vessels in constant concentration of methanol and water

호 연결통로에 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자 전해질 막을 유체 흐름과 직각 방향으로 장착한 후, 운전온도 30℃에서 가스크로마토그래피(GC)를 이용하여, 시간에 따른 투과된 메탄올의 양을 측정하여, 하기 수학식 2에 의하여 산출하였다.After the polymer electrolyte membranes prepared in Examples and Comparative Examples were mounted in the arc connecting passage in a direction perpendicular to the fluid flow, gas chromatography (GC) was used at an operating temperature of 30 ° C., and the amount of methanol permeated over time was measured. It measured and computed by following formula (2).

Figure 112007084241268-PAT00008
Figure 112007084241268-PAT00008

상기에서, a는 시간-농도 그래프에서의 기울기, VB는 투과된 메탄올의 부피(cm3), L은 전해질막의 두께(cm), A는 전해질 막의 면적(cm2), CA 사용된 메탄올의 농도를 나타낸다.In the above, a is the slope in the time-concentration graph, V B is the volume of methanol permeated (cm 3 ), L is the thickness of the electrolyte membrane (cm), A is the area of the electrolyte membrane (cm 2 ), C A is The concentration of methanol used is shown.

3. 이온 전도도 측정3. Ionic Conductivity Measurement

상기 실시예 1, 2 및 비교예 3의 고분자 전해질 막에 대하여, 측정 온도범위 30~80℃에서의 이온 전도도를 측정하였다.About the polymer electrolyte membrane of the said Example 1, 2 and the comparative example 3, the ion conductivity in the measurement temperature range 30-80 degreeC was measured.

이온 전도도는 솔라트론 분석기(Solartron 1260 Impedance/Gain-Phase analyzer)를 이용하여 측정하였고, 임피던스 스펙트럼(impedance spectrum)은 10MHz 내지 10Hz까지 기록하였으며, 하기 수학식 3에 의해 산출하였다.Ionic conductivity was measured using a Solartron analyzer (Solartron 1260 Impedance / Gain-Phase analyzer), the impedance spectrum (impedance spectrum) was recorded from 10MHz to 10Hz, it was calculated by the following equation (3).

Figure 112007084241268-PAT00009
Figure 112007084241268-PAT00009

상기서, R은 측정 저항(옴), L은 측정 전극 사이의 길이(cm), A는 제조된 전해질 막의 단면적(cm2)이다.Where R is the measurement resistance (ohm), L is the length (cm) between the measurement electrodes, and A is the cross-sectional area (cm 2 ) of the prepared electrolyte membrane.

도 3은 본 발명의 고분자 전해질 막 및 상용되는 나피온(Nafion-117®)전해질 막의 이온 전도도를 나타낸 것으로서, 상기 실시예 4에서 제조된 고분자 전해질 막은 상기 비교예 1의 상용 전해질 막 보다 상대적으로 높은 이온 전도도를 보였다. Figure 3 shows the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane of the present invention and the commercially available Nafion-117 ® electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane prepared in Example 4 is relatively higher than the commercial electrolyte membrane of Comparative Example 1 Ionic conductivity was shown.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예 3 및 4에서 제조된 고분자 전해질 막, 비교예 1의 나피온(Nafion-117®)전해질 막 및 비교예 2 및 3에서 제조된 고분자 전해질 막에 대한, 메탄올 투과도 및 물 흡수율을 나타낸 것이다. 상기 실시예 3 및 4에서 제조된 고분자 전해질 막은 불소를 함유하지 않는 비교예 2 및 3에 비하여 낮은 메탄올 투과도 및 낮은 물 흡수율을 보였다. 또한, 상기 실시예 3의 고분자 전해질 막은 상용되는 나피온(Nafion-117®)전해질 막 보다 낮은 메탄올 및 낮은 물 흡수율을 보였다.4 and 5 for the polymer electrolyte membrane prepared from Nafion (Nafion-117 ®) electrolyte membrane and Comparative Examples 2 and 3 of the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 1 prepared in Examples 3 and 4 of the present invention, Methanol permeability and water absorption rate are shown. The polymer electrolyte membranes prepared in Examples 3 and 4 showed lower methanol permeability and lower water absorption than Comparative Examples 2 and 3 containing no fluorine. Also showed the polymer electrolyte of Example 3 film is low in methanol, and low water absorption than the commercial Nafion (Nafion-117 ®) electrolyte membrane.

이에 따라, 종래의 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체에 부분적으로 불소를 도입함으로써 고분자 전해질 막의 물성이 개선되었음을 확인하였다.Accordingly, it was confirmed that the physical properties of the polymer electrolyte membrane were improved by partially introducing fluorine into the conventional sulfonated polyarylene ether copolymer.

도 6은 본 발명의 부분적으로 불소를 함유한 술폰화 폴리아릴렌에테르 고분자 전해질 막과 상용되는 나피온(Nafion-117®)전해질 막에 대하여, 동일 환경에서의 단위 전지 성능 평가(single cell performance test)를 실시한 결과이다. 그 결과, 본 발명에 의하여 제조된 고분자 전해질 막은 전류밀도 및 출력밀도 측면에서 전지 성 능결과 우수하였다. 또한 사용되는 나피온(Nafion-117®) 전해질 막과 비교할 때, 동등하거나 그 이상의 우수한 특성을 확인함으로써, 고가의 나피온(Nafion-117®) 전해질 막을 대체 사용할 수 있으며 그를 채용한 직접 메탄올 연료전지의 특성을 향상시킬 수 있다. 6 is a unit cell performance evaluation in respect to that of Nafion (Nafion-117 ®) electrolyte membrane which is commercially available sulfonated polyarylene ether polymer electrolyte membrane and containing fluorine as according to the present invention in part, the same environment (single cell performance test ) Is the result. As a result, the polymer electrolyte membrane prepared by the present invention was excellent in battery performance in terms of current density and power density. Also, when I compared to the Nafion (Nafion-117 ®) electrolyte membrane is used, equal or by identifying the more excellent properties, expensive Nafion (Nafion-117 ®) electrolyte replacement may be prevented, and directly employing him methanol fuel cell Can improve the characteristics.

상기에서 살펴본 결과, 본 발명은, 부분적으로 불소가 도입된 이온 전도성 공중합체를 함유한 고분자 전해질 막, 그의 제조방법, 고분자 전해질 막을 채용한 고분자 전해질형 연료전지 및 부분적으로 불소를 함유하는 고분자 전해질 막 제조용 공중합체를 제공하였다. 상기 부분적으로 불소를 함유한 술폰화 폴리아릴렌에테르 고분자 전해질 막은 상용되는 나피온(Nafion-117®) 전해질 막에 대등하거나 우수한 이온 전도도를 가짐과 동시에 낮은 물 흡수율 및 낮은 메탄올 투과를 구현함으로써, 종래의 사용되는 고분자 전해질 막을 대체 사용할 수 있고, 물성이 개선된 고분자 전해질 막을 구비한 고분자 전해질형 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다. As a result, the present invention provides a polymer electrolyte membrane containing an ion conductive copolymer partially introduced with fluorine, a method for preparing the same, a polymer electrolyte fuel cell employing a polymer electrolyte membrane, and a polymer electrolyte membrane partially containing fluorine. A preparative copolymer was provided. The partially fluorine-containing sulfonated polyarylene ether polymer electrolyte membrane has a low water absorption rate and low methanol permeability while having ionic conductivity comparable to or superior to that of a commercial Nafion-117 ® electrolyte membrane. It can be used to replace the polymer electrolyte membrane used, it is possible to improve the performance of the polymer electrolyte fuel cell having a polymer electrolyte membrane with improved physical properties.

이상에서 본 발명은 기재된 실시예에 대해서만 상세히 기술되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다. Although the present invention has been described in detail only with respect to the embodiments described, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the technical scope of the present invention, and such modifications and modifications belong to the appended claims.

도 1은 본 발명의 실시예1 에서 제조된 1,6-비스(4-플루오르페닐)-퍼플루오르헥산 단량체의 1H NMR 분석결과를 나타낸 것이고, 1 shows the 1 H NMR analysis of the 1,6-bis (4-fluorophenyl) -perfluorohexane monomer prepared in Example 1 of the present invention,

도 2a는 본 발명의 실시예1 에서 제조된 부분적으로 불소가 도입된 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체(F-SPAES)의 1H NMR분석결과를 나타낸 것이고, Figure 2a is a 1 H NMR analysis of the partially fluorinated sulfonated polyarylene ether copolymer (F-SPAES) prepared in Example 1 of the present invention,

도 2b는 본 발명의 실시예1 에서 제조된 부분적으로 불소가 도입된 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체(F-SPAES)의 19F NMR분석결과를 나타낸 것이고, Figure 2b is a 19 F NMR analysis of the partially fluorinated sulfonated polyarylene ether copolymer (F-SPAES) prepared in Example 1 of the present invention,

도 2c는 본 발명의 실시예1 에서 제조되는 부분적으로 불소가 도입된 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체(F-SPAES-40 및 50)의 FT-IR분석결과를 나타낸 것이고, Figure 2c shows the results of the FT-IR analysis of the partially fluorinated sulfonated polyarylene ether copolymer (F-SPAES-40 and 50) prepared in Example 1 of the present invention,

도 3은 본 발명의 고분자 전해질 막 및 상용되는 나피온(Nafion-117®)막에 대한 이온 전도도를 측정한 것이고, Figure 3 is a measure of the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane of the present invention and a commercially available Nafion-117 ® membrane,

도 4는 본 발명의 고분자 전해질 막 및 상용되는 나피온(Nafion-117®) 막에 대한 메탄올 투과도를 나타낸 것이고, Figure 4 shows the methanol permeability of the polymer electrolyte membrane of the present invention and the commercially available Nafion-117 ® membrane,

도 5는 본 발명의 고분자 전해질 막 및 상용되는 나피온(Nafion-117®) 막에 대한 물 흡수율을 나타낸 것이고, Figure 5 shows the water absorption rate of the polymer electrolyte membrane and Nafion-117 ( TM ) membrane of the present invention,

도 6은 본 발명의 고분자 전해질 막 및 상용되는 나피온(Nafion-117®) 막에 대한 단위 전지 성능 평가 결과를 나타낸 것이다. Figure 6 shows the results of the unit cell performance evaluation of the polymer electrolyte membrane and the Nafion-117 (Nafion-117 ® ) membrane of the present invention.

Claims (11)

하기 화학식 1로 표기되는 부분적으로 불소가 도입된 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체를 함유한 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막.A polymer electrolyte membrane comprising a sulfonated polyarylene ether copolymer partially introduced with fluorine represented by the following formula (1). 화학식 1Formula 1
Figure 112007084241268-PAT00010
Figure 112007084241268-PAT00010
(상기 식에서, Y는 -S-, -SO2- 및 -C=O- 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어지고, Z는 직접 결합(a bond), -O-, -SO2-, -C=O-, -C(CH3)2- 및 -C(CF3)2-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이고, p는 1 내지 6 이고, n+m=k이고, n/(n+m)은 0.1 내지 0.99이다.)Wherein Y is any one selected from the group consisting of -S-, -SO 2 -and -C = O- or a combination thereof, and Z is a bond, -O-, -SO 2 -, -C = O-, -C (CH 3 ) 2 -and -C (CF 3 ) 2- , any one selected from p, p is 1 to 6, n + m = k, and n / (n + m) is 0.1 to 0.99)
제1항에 있어서, 상기 n/(n+m)이 0.4 내지 0.5인 것을 특징으로 하는 상기 고분자 전해질 막.The polymer electrolyte membrane of Claim 1, wherein n / (n + m) is 0.4 to 0.5. a) 하기 화학식 2로 표시되는 술폰화된 방향족 단량체, 하기 화학식 3으로 표시되는 불소를 함유한 단량체 및 하기 화학식 4로 표시되는 디하이드록실기 단량체를 직접 중합 반응에 의해, 하기 화학식 5로 표시되는 공중합체를 제조하고, a) a sulfonated aromatic monomer represented by the following formula (2), a fluorine-containing monomer represented by the following formula (3) and a dihydroxyl monomer represented by the following formula (4) by a direct polymerization reaction, Preparing a copolymer, b) 하기 화학식 5로 표시되는 공중합체를 극성 용매에 용해시킨 후 유리판 또는 테 프론 판 상에 캐스팅하고, 용매를 증발시켜 제거 후, 술폰산 형태로 전환하는, 하기 화학식 1로 표시되는 부분적으로 불소가 도입된 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체로 이루어진 고분자 전해질 막의 제조방법.b) Partially fluorine represented by the following formula (1) is obtained by dissolving the copolymer represented by the following formula (5) in a polar solvent and casting it on a glass plate or a teflon plate, evaporating the solvent to remove it, and then converting it into a sulfonic acid form. A method for producing a polymer electrolyte membrane composed of a sulfonated polyarylene ether copolymer introduced. 반응식 1Scheme 1
Figure 112007084241268-PAT00011
Figure 112007084241268-PAT00011
(상기에서, Y, Z, p, n, m 및 k는 청구항 제1항에서 정의한 바와 같고, X는 이탈기로서 F, Cl, Br을 포함하는 할로겐원자 또는 니트로기이다.)(In the above, Y, Z, p, n, m and k are as defined in claim 1, X is a halogen atom or a nitro group containing F, Cl, Br as leaving group.)
제3항에 있어서, 상기 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체의 술폰화도(degree of sulfonation)가 40 내지 50 몰%인 것을 특징으로 하는 상기 고분자 전해질 막의 제조방법.The method of claim 3, wherein the sulfonation degree of sulfonation of the sulfonated polyarylene ether copolymer is 40 to 50 mol%. 제4항에 있어서, 상기 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체의 술폰화도가 상기 화학식 2로 표시되는 술폰화된 방향족 단량체 40 내지 50 몰% 및 상기 화학식 3으로 표 시되는 불소를 함유한 단량체 50 내지 60 몰%로 이루어진 공중합체 100중량부에 대하여, 상기 화학식 4로 표시되는 디하이드록실기 단량체 100중량부로 반응하여 결정된 것을 특징으로 하는 상기 고분자 전해질 막의 제조방법.According to claim 4, The sulfonated degree of sulfonated polyarylene ether copolymer 40 to 50 mol% sulfonated aromatic monomer represented by the formula (2) and 50 to 50 monomers containing fluorine represented by the formula (3) A method for producing the polymer electrolyte membrane, characterized in that it is determined by reacting with 100 parts by weight of the dihydroxyl monomer represented by Formula 4 with respect to 100 parts by weight of the copolymer consisting of 60 mol%. 제3항에 있어서, 상기 극성 용매가 1-메틸-2-피롤리디논, N,N-디메틸아세트아마이드 및 디메틸포름아마이드로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 고분자 전해질 막의 제조방법.The method of claim 3, wherein the polar solvent is any one selected from the group consisting of 1-methyl-2-pyrrolidinone, N, N-dimethylacetamide and dimethylformamide. . 제3항에 있어서, 상기 화학식 5로 표시되는 공중합체가 N-메틸-2-피롤리디논 용매 상에서 고유점도 0.8 이상인 것을 특징으로 하는 상기 고분자 전해질 막의 제조방법.The method according to claim 3, wherein the copolymer represented by Chemical Formula 5 has an intrinsic viscosity of 0.8 or more on an N-methyl-2-pyrrolidinone solvent. 제3항에 있어서, 상기 고분자 전해질 막의 두께가 1 내지 1000㎛인 것을 특징으로 하는 상기 고분자 전해질 막의 제조방법.The method of claim 3, wherein the polymer electrolyte membrane has a thickness of 1 to 1000 μm. 제1항의 고분자 전해질 막을 구비한 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 막-전극 어셈블리.A membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, comprising the polymer electrolyte membrane of claim 1. 제9항의 막-전극 어셈블리가 채용된 고분자 전해질형 연료전지.A polymer electrolyte fuel cell employing the membrane-electrode assembly of claim 9. 하기 화학식 1로 표시되는 부분적으로 불소를 함유한 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 제조용 술폰화 폴리아릴렌에테르 공중합체.A sulfonated polyarylene ether copolymer for producing a polymer electrolyte membrane, which partially contains fluorine represented by the following formula (1). 화학식 1Formula 1
Figure 112007084241268-PAT00012
Figure 112007084241268-PAT00012
(상기에서, Y, Z, p, n, m 및 k는 청구항 제1항에서 정의한 바와 같다.)(In the above, Y, Z, p, n, m and k are as defined in claim 1).
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