KR20110032257A - Polysufone based polymer, polymer electrolyte membrane comprising polymer, membranes-electrode assembly comprising membrane and fuel cell comprising membrane, and preparing method thereof - Google Patents

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KR20110032257A KR1020090089653A KR20090089653A KR20110032257A KR 20110032257 A KR20110032257 A KR 20110032257A KR 1020090089653 A KR1020090089653 A KR 1020090089653A KR 20090089653 A KR20090089653 A KR 20090089653A KR 20110032257 A KR20110032257 A KR 20110032257A
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Abstract

PURPOSE: A polysufone-based polymer is provided to obtain a polymer electrolyte membrane with high hydrogen ion conductivity, low methanol permeability, and excellent moisture content. CONSTITUTION: A polysufone-based polymer comprises a repeating unit represented by chemical formula 1. In chemical formula 1, X is a single bond or Ar1; R1, R2, R3, R4, R5 and R6 are hydrogen, -SO3M, -SO3M substituent-(non)containing C1~50 alkyl group, C2~50 alkenyl group, C2~50 alkynyl group, C5~50 cycloalkyl group, C6~50 aryl group, C2~50 heteroaryl group, C7~50 alkylaryl group, or C1~50 alkoxy group; M is hydrogen, lithium, sodium or potassium; a, b, c, and d are an integer of 0-5; e and f are an integer of 0-2; and n is 2-10,000 as the degree of polymerization.

Description

폴리술폰계 중합체, 이를 포함하는 고분자 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 채용한 연료전지 및 상기 중합체의 제조방법{Polysufone based polymer, polymer electrolyte membrane comprising polymer, membranes-electrode assembly comprising membrane and fuel cell comprising membrane, and preparing method thereof}Polysulfone polymer, a polymer electrolyte membrane comprising the same, a membrane-electrode assembly comprising the same, a fuel cell employing the same and a method for producing the polymer {Polysufone based polymer, polymer electrolyte membrane comprising polymer, membranes-electrode assembly comprising membrane and fuel cell comprising membrane, and preparing method

폴리술폰계 중합체, 이를 포함하는 고분자 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 채용한 연료전지 및 상기 중합체의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 새로운 구조의 폴리술폰계 중합체, 이를 포함하는 고분자 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 채용한 연료전지 및 상기 중합체의 제조방법에 관한 것이다.Polysulfone polymer, a polymer electrolyte membrane comprising the same, a membrane-electrode assembly comprising the same, a fuel cell employing the same and a method for producing the polymer, and more particularly, a polysulfone polymer having a new structure, comprising the The present invention relates to a polymer electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly including the same, a fuel cell employing the same, and a manufacturing method of the polymer.

연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자전해질형 연료전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell), 인산 연료전지(PAFC, phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC: molten carbonate fuel cell), 고체산화물 연료전지(SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분되며, 사용되는 전해질의 종류에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다.The fuel cells are polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxides depending on the type of electrolyte. It is classified into a solid oxide fuel cell (SOFC), and the operating temperature of the fuel cell and the material of components vary according to the type of electrolyte used.

고분자전해질형 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 다른 연료전지에 비하여 출력이 우수하고, 작동 온도가 낮으며, 빠른 응답 특성을 가진다.Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) has better output, lower operating temperature and faster response than other fuel cells.

연료전지는 전기가 발생하는 발전부, 개질기, 연료탱크 및 연료펌프 등으로 구성된다. 발전부는 연료전지의 본체를 형성하며, 연료펌프는 연료탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기를 통하여 수소 가스가 발생하고 펌프에 의해 발전부로 연료가 공급되어 전기 화학 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다. 상기 발전부는 애노드, 캐소드 및 고분자 전해질 막으로 이루어진 막/전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)로 구성될 수 있다.The fuel cell is composed of a power generation unit for generating electricity, a reformer, a fuel tank and a fuel pump. The power generation unit forms a main body of the fuel cell, and the fuel pump supplies the fuel in the fuel tank to the reformer. Hydrogen gas is generated through the reformer and fuel is supplied to the power generation unit by a pump to generate electrical energy by an electrochemical reaction. The power generation unit may be composed of a membrane electrode assembly (MEA) consisting of an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane.

또한, 연료전지는 애노드에 연료가 공급되는 방식에 따라 연료직접공급형 또는 내부개질형으로 구분되며, 연료직접공급형으로서는 직접메탄올 연료전지(DMFC: direc methnol fuel cell)가 대표적이다.In addition, a fuel cell is classified into a fuel direct supply type or an internal reforming type according to a method of supplying fuel to an anode, and a direct methanol fuel cell (DMFC: direc methnol fuel cell) is a typical fuel direct supply type.

상기 직접 메탄올 연료전지도 전해질로서 고분자 전해질막을 사용하므로 상기 직접메탄올 연료전지도 고분자전해질형 연료전지에 속한다.Since the direct methanol fuel cell uses a polymer electrolyte membrane as an electrolyte, the direct methanol fuel cell belongs to the polymer electrolyte fuel cell.

직접메탄올 연료전지는 연료로서 메탄올을 사용하기 때문에 수소 개질기 등을 사용하지 않으며, 저온에서 작동하기 때문에 시스템을 간단하고 컴팩트하게 구성할 수 있어 소형 기기 및 휴대용 기기의 전원으로 적합하다.Direct methanol fuel cells do not use hydrogen reformers because they use methanol as fuel, and operate at low temperatures, making the system simple and compact, making them suitable for powering small and portable devices.

직접메탄올 연료전지에서 전기가 발생하는 원리는 애노드 전극에 메탄올이 공급되어, 메탄올이 전극촉매의 산화반응에 의해 수소이온, 전자 및 이산화탄 소(CO2)로 분해되고, 수소이온은 고분자 전해질 막을 통하여 캐소드로 이동하며 전자는 외부회로를 통해 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 공기 중에서 유입된 산소, 외부 회로를 통해 이동된 전자, 및 막을 통해 이동한 수소이온이 반응하여 물이 생성된다. 상기 전기화학 반응은 아래의 반응식 1로 표시된다.The principle of generating electricity in a direct methanol fuel cell is that methanol is supplied to the anode electrode, and methanol is decomposed into hydrogen ions, electrons, and carbon dioxide (CO 2 ) by the oxidation reaction of the electrode catalyst, and the hydrogen ions decompose the polymer electrolyte membrane. The electrons move to the cathode through an external circuit. In the cathode, water is generated by reaction of oxygen introduced into the air, electrons moved through an external circuit, and hydrogen ions moved through a membrane. The electrochemical reaction is represented by Scheme 1 below.

<반응식 1><Scheme 1>

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

캐소드 : 3/2 O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O Cathode: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - → 3H 2 O

전체반응 : CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2OTotal reaction: CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O

고분자 전해질형 연료전지의 전해질막으로는 양이온 교환능력이 있는 기능성 수소이온교환막이 사용된다. 상업적으로는 술폰산기를 포함하는 소수이온 교환막이 주로 사용된다. 술폰산기는 산도(acidity)가 매우 크고 C-S 결합이 산화 조건에서도 안정하기 때문이다. 술폰산기가 존재하는 수소이온 교환막에서 수소이온 전도도를 높게 유지하기 위하여 물분자가 함께 존재하여야 한다. 물분자 존재시에 전해질막에 존재하는 술폰산기가 술포네이트 음이온과 수소 이온으로 해리되며, 황산 용액 전해질에서와 같이 수소이온 농도 기울기 또는 전기장에 의하여 수소이온이 이동한다. 수소이온 전도도는 고분자 전해질막에 포함된 술폰산기의 수, 고분자 전해질막의 구조, 및 고분자 전해질막 내부에 포함된 물의 양 등에 의해 영향을 받는다.As the electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell, a functional hydrogen ion exchange membrane having a cation exchange capacity is used. Commercially, hydrophobic exchange membranes containing sulfonic acid groups are mainly used. This is because sulfonic acid groups have very high acidity and C-S bonds are stable even under oxidizing conditions. In the hydrogen ion exchange membrane where sulfonic acid group is present, water molecules must be present together to maintain high hydrogen ion conductivity. In the presence of water molecules, the sulfonic acid groups present in the electrolyte membrane are dissociated into sulfonate anions and hydrogen ions, and the hydrogen ions move by the gradient of hydrogen ions concentration or by an electric field as in the sulfuric acid solution electrolyte. Hydrogen ion conductivity is affected by the number of sulfonic acid groups included in the polymer electrolyte membrane, the structure of the polymer electrolyte membrane, the amount of water contained in the polymer electrolyte membrane, and the like.

종래의 대표적인 고분자 전해질형 연료전지의 전해질막은 Nafion막, Aciplex막, Flemion막 또는 Dow막과 같은 불소계 고분자 전해질막이다. 상기 불소계 고분자 전해질막들은 100℃ 이상의 고온에서 수소이온 전도도가 저하되고, 연료 가스의 투과도가 높고, 가격이 비싸다. 또한, 수소이온 전도도가 높아짐에 따라 고분자 전해질막의 물 투과도가 높아지는데 이에 의해 연료(예를 들어, 메탄올)의 투과도 증가가 수반된다. 그러므로, 높은 이온 전도도와 낮은 연료 투과도를 동시에 확보하기 어렵다.An electrolyte membrane of a typical polymer electrolyte fuel cell is a fluorine-based polymer electrolyte membrane such as a Nafion membrane, an Aciplex membrane, a Flemion membrane, or a Dow membrane. The fluorine-based polymer electrolyte membranes have a low hydrogen ion conductivity at a high temperature of 100 ° C. or higher, high permeability of fuel gas, and high price. In addition, as the hydrogen ion conductivity is increased, the water permeability of the polymer electrolyte membrane is increased, thereby increasing the permeability of the fuel (for example, methanol). Therefore, it is difficult to secure high ion conductivity and low fuel permeability at the same time.

따라서, 제조 비용이 저렴하면서도 수소이온 전도도가 높고 연료에 대한 투과도가 낮은 고분자 전해질막이 여전히 요구된다.Therefore, there is still a need for a polymer electrolyte membrane having low production cost and high hydrogen ion conductivity and low permeability to fuel.

한 측면은 새로운 구조를 가지는 폴리술폰계 중합체를 제공하는 것이다.One aspect is to provide a polysulfone-based polymer having a new structure.

다른 한 측면은 상기 중합체를 포함하는 고분자 전해질막을 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a polymer electrolyte membrane comprising the polymer.

또 다른 한 측면은 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체를제공하는 것이다.Another aspect is to provide a membrane-electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane.

또 다른 한 측면은 상기 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지를제공하는 것이다.Another aspect is to provide a fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane.

상기 폴리술폰계 중합체의 제조방법을 제공하는 것이다.It is to provide a method for producing the polysulfone polymer.

한 측면에 따라 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리술폰계 중합체가 제공된다:According to one aspect, there is provided a polysulfone polymer comprising a repeating unit represented by Formula 1 below:

<화학식 1><Formula 1>

Figure 112009058206565-PAT00002
Figure 112009058206565-PAT00002

상기 식에서,Where

X가 단일 결합 또는 Ar1이며, 상기 Ar1이 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴렌기이며;X is a single bond or Ar 1 , and Ar 1 is a substituted or unsubstituted C 6 -C 20 arylene group;

R1, R2, R3, R4, R5 및 R6가 서로 독립적으로 수소, -SO3M, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C1~C50의 알킬기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 알케닐기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 알키닐기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C5~C50의 시클로알킬기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C6~C50의 아릴기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 헤테로아릴기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C7~C50의 알킬아릴기, 또는 -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C1~C50의 알콕시기이며; 상기 M이 서로 독립적으로 수소, 리튬, 나트륨, 또는 칼륨이며;R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are independently of each other hydrogen, -SO 3 M, -SO 3 M substituted or unsubstituted C1-C50 alkyl group, -SO 3 M or by unsubstituted C2 ~ C50 alkenyl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted C2 ~ alkynyl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted cycloalkyl group of C5 ~ C50 of the C50, -SO 3 M a substituted or unsubstituted C6 ~ C50 aryl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted alkyl of C2 ~ C50 heteroaryl group, a substituted or unsubstituted by -SO 3 M C7 ~ C50 aryl group, or - C 1 -C 50 alkoxy group unsubstituted or substituted with SO 3 M; M is independently of each other hydrogen, lithium, sodium, or potassium;

a, b, c, 및 d는 서로 독립적으로 0 내지 5의 정수이고;a, b, c, and d are each independently an integer from 0 to 5;

e 및 f는 서로 독립적으로 0 내지 2의 정수이고,e and f are each independently an integer of 0 to 2,

n은 중합도로서 2 내지 10,000이며,n is 2 to 10,000 as the degree of polymerization,

단, a+b+c+d+e+f는 1 이상이며, R1 내지 R6이 1 이상의 술포네이트기를 포함한다.Provided that a + b + c + d + e + f is 1 or more, and R 1 to R 6 contain one or more sulfonate groups.

다른 한 측면에 따라 상기 중합체를 포함하는 고분자 전해질막이 제공된다.According to another aspect, a polymer electrolyte membrane including the polymer is provided.

또 다른 한 측면에 따라 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체가 제공된다.According to another aspect, a membrane-electrode assembly including the polymer electrolyte membrane is provided.

또 다른 한 측면에 따라 상기 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지가 제공된다.According to another aspect, a fuel cell including the polymer electrolyte membrane is provided.

또 다른 한 측면에 따라 상기 폴리술폰계 중합체의 제조방법으로서,According to another aspect, a method for preparing the polysulfone polymer,

하기 화학식 5 내지 7로 표시되는 화합물을 반응시켜 중합체를 제조하는 단계; 및Preparing a polymer by reacting a compound represented by Chemical Formulas 5 to 7; And

상기 중합체를 술폰화시켜 하기 화학식 3으로 표시되는 술폰화된 중합체를 제조하는 단계;를 포함하는 폴리술폰계 공중합체 제조방법:Preparing a sulfonated polymer represented by the following Chemical Formula 3 by sulfonating the polymer; a polysulfone copolymer manufacturing method comprising:

<화학식 3><Formula 3>

Figure 112009058206565-PAT00003
Figure 112009058206565-PAT00003

상기 화학식 3에서,In Chemical Formula 3,

X가 단일 결합 또는 Ar1이며, 상기 Ar1, Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴렌기이며;X is a single bond or Ar 1 , and Ar 1 , Ar 2, and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted C6 to C20 arylene group;

R1, R2, R3, R4, R5 및 R6가 서로 독립적으로 수소, -SO3M, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C1~C50의 알킬기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 알케닐기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 알키닐기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C5~C50의 시클로알킬기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C6~C50의 아릴기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 헤테로아릴기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C7~C50의 알킬아릴기, 또는 -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C1~C50의 알콕시기이며; 상기 M이 서로 독립적으로 수소, 리튬, 나트륨, 또는 칼륨이며;R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are independently of each other hydrogen, -SO 3 M, -SO 3 M substituted or unsubstituted C1-C50 alkyl group, -SO 3 M or by unsubstituted C2 ~ C50 alkenyl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted C2 ~ alkynyl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted cycloalkyl group of C5 ~ C50 of the C50, -SO 3 M a substituted or unsubstituted C6 ~ C50 aryl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted alkyl of C2 ~ C50 heteroaryl group, a substituted or unsubstituted by -SO 3 M C7 ~ C50 aryl group, or - C 1 -C 50 alkoxy group unsubstituted or substituted with SO 3 M; M is independently of each other hydrogen, lithium, sodium, or potassium;

a, b, c, 및 d는 서로 독립적으로 0 내지 5의 정수이고;a, b, c, and d are each independently an integer from 0 to 5;

e 및 f는 서로 독립적으로 0 내지 2의 정수이고,e and f are each independently an integer of 0 to 2,

p 및 q는 몰분율이며, p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이며,p and q are mole fractions, p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1,

r이 중합도로서 2 내지 10000이며,r is 2 to 10000 as the degree of polymerization,

단, 단, a+b+c+d+e+f는 1 이상이며, R1 내지 R6이 1 이상의 술포네이트기를 포함하며,Provided that a + b + c + d + e + f is 1 or more, and R 1 to R 6 include one or more sulfonate groups,

<화학식 5><Formula 5>

Figure 112009058206565-PAT00004
Figure 112009058206565-PAT00004

상기 화학식 5에서,In Formula 5,

R7, R8, R9, R10, R11, R12가 독립적으로 수소, C1~C50의 알킬기, C2~C50의 알케닐기, C2~C50의 알키닐기, C5~C50의 시클로알킬기, C6~C50의 아릴기, C2~C50의 헤테로아릴기, C7~C50의 알킬아릴기, 또는 C1~C50의 알콕시기이며;R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , R 12 are independently hydrogen, C 1 -C 50 alkyl group, C 2 -C 50 alkenyl group, C 2 -C 50 alkynyl group, C 5 -C 50 cycloalkyl group, C 6 C50-C50 aryl group, C2-C50 heteroaryl group, C7-C50 alkylaryl group, or C1-C50 alkoxy group;

<화학식 6> <화학식 7><Formula 6> <Formula 7>

R31-Ar2-R32 R33-Ar3-R34 R 31 -Ar 2 -R 32 R 33 -Ar 3 -R 34

상기 화학식 6 및 7에서,In Chemical Formulas 6 and 7,

Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴렌기이며;Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted C6-C20 arylene group;

R31, R32, R33 및 R34는 서로 독립적으로 -F, -Cl, -Br, -I, 또는 -OH이다.R 31 , R 32 , R 33 and R 34 are independently of each other -F, -Cl, -Br, -I, or -OH.

한 측면에 따르면 상기 새로운 구조의 폴리술폰계 중합체를 포함하는 고분자 전해질막이 채용된 연료전지는 수소이온 전도도, 기체 투과도 등의 특성이 개선된다.According to one aspect, the fuel cell employing the polymer electrolyte membrane including the polysulfone polymer having the new structure has improved characteristics such as hydrogen ion conductivity and gas permeability.

이하에서는 예시적인 하나 이상의 구현예에 따른 폴리술폰계 중합체, 이를 포함하는 고분자 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 채용한 연료전지 및 상기 중합체의 제조방법에 에 관하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, a polysulfone polymer according to at least one exemplary embodiment, a polymer electrolyte membrane including the same, a membrane-electrode assembly including the same, a fuel cell employing the same, and a method of preparing the polymer will be described in more detail.

일구현예에 따른 폴리술폰계 중합체는 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함한다:Polysulfone polymer according to one embodiment includes a repeating unit represented by the following formula (1):

<화학식 1><Formula 1>

Figure 112009058206565-PAT00005
Figure 112009058206565-PAT00005

상기 식에서, X가 단일 결합 또는 Ar1이며, 상기 Ar1이 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴렌기이며; R1, R2, R3, R4, R5 및 R6가 서로 독립적으로 수소, -SO3M, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C1~C50의 알킬기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 알케닐기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 알키닐기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C5~C50의 시클로알킬기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C6~C50의 아릴기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 헤테로아릴기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C7~C50의 알킬아릴기, 또는 -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C1~C50의 알콕시기이며; 상기 M이 서로 독립적으로 수소, 리튬, 나트륨, 또는 칼륨이며; a, b, c, 및 d는 서로 독립적으로 0 내지 5의 정수이고; e 및 f는 서로 독립적으로 0 내지 2의 정수이고, n은 중합도로서 2 내지 10,000이며; 단, a+b+c+d+e+f는 1 이상이며, R1 내지 R6이 1 이상의 술포네이트기를 포함한다.Wherein X is a single bond or Ar 1 , and Ar 1 is a substituted or unsubstituted C 6 -C 20 arylene group; R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are independently of each other hydrogen, -SO 3 M, -SO 3 M substituted or unsubstituted C1-C50 alkyl group, -SO 3 M or by unsubstituted C2 ~ C50 alkenyl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted C2 ~ alkynyl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted cycloalkyl group of C5 ~ C50 of the C50, -SO 3 M a substituted or unsubstituted C6 ~ C50 aryl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted alkyl of C2 ~ C50 heteroaryl group, a substituted or unsubstituted by -SO 3 M C7 ~ C50 aryl group, or - C 1 -C 50 alkoxy group unsubstituted or substituted with SO 3 M; M is independently of each other hydrogen, lithium, sodium, or potassium; a, b, c, and d are each independently an integer from 0 to 5; e and f are each independently an integer of 0 to 2, n is 2 to 10,000 as the degree of polymerization; Provided that a + b + c + d + e + f is 1 or more, and R 1 to R 6 contain one or more sulfonate groups.

일구현예에 따른 상기 폴리술폰계 중합체가 우수한 물성을 가질 수 있는 가능한 근거에 관하여 이하에서 보다 구체적으로 설명하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 한정하려는 의도가 아니다.A possible basis for the polysulfone polymer according to one embodiment may have excellent physical properties will be described in more detail below, which is intended to limit the scope of the present invention in any way as to aid the understanding of the present invention. Is not.

상기 중합체에 포함된 술폰산기는 측쇄를 구성하는 페닐기의 일 말단에 연결되는 것이 바람직하다. 상기술폰산기가 상기 중합체 측쇄의 일 말단에 연결됨에 의하여 주쇄로부터 이격되어 비교적 자유롭게 움직일 수 있다. 상기 측쇄에 연결된 술폰산기는 중합체 내에서 계면활성제와 같은 역할을 수행할 수 있다. 그러므로, 상기 측쇄 말단의 술폰산기는 마이셀(micelle)과 같은 이온 채널을 형성하기가 용이하고, 상기 술폰산기가 측쇄에 연결된 위치 및/또는 상기 측쇄를 구성하는 페 닐기에 연결된 치환기의 구조를 조절함에 의하여 이온 채널의 크기도 조절할 수 있다. 결과적으로, 상기 폴리술폰계 중합체는 상기 이온 채널에 포함된 물의 양을 용이하게 조절할 수 있으며 높은 수소이온 전도도를 가질 수 있다.The sulfonic acid group contained in the polymer is preferably connected to one end of the phenyl group constituting the side chain. The sulfonic acid group can be relatively freely moved away from the main chain by being connected to one end of the polymer side chain. The sulfonic acid group linked to the side chain may serve as a surfactant in the polymer. Therefore, the sulfonic acid group at the side chain terminal is easy to form an ion channel such as a micelle, and the ion is controlled by controlling the position of the sulfonic acid group connected to the side chain and / or the structure of the substituent connected to the phenyl group constituting the side chain. You can also adjust the size of the channel. As a result, the polysulfone-based polymer can easily control the amount of water contained in the ion channel and have a high hydrogen ion conductivity.

종래의 일반적인 폴리술폰계 중합체는 술폰산기가 주쇄에 직접 연결됨에 의하여 중합체 내에서 술폰산기의 함량이 높아지면 중합체 자체가 물에 녹게 되어 전해질막의 기능이 상실될 수 있어 술폰산기의 함량에 한계가 있다. 그러므로, 술폰산기가 주쇄에만 연결된 종래의 일반적인 폴리술폰계 공중합체는 높은 수소이온 전도도를 가지기 어려우며 메탄올의 주쇄를 통한 투과가 용이할 수 있다.In the conventional general polysulfone-based polymer, when the sulfonic acid group is directly connected to the main chain, when the sulfonic acid group content is high in the polymer, the polymer itself is dissolved in water and thus the function of the electrolyte membrane may be lost, thereby limiting the content of the sulfonic acid group. Therefore, conventional polysulfone-based copolymers in which sulfonic acid groups are linked only to the main chain may not have high hydrogen ion conductivity and may be easily permeable through the main chain of methanol.

또한, 상기 중합체에서 술폰산기가 주쇄로부터 이격되어 존재함에 의하여 상기 공중합체에서 친수부와 소수부가 분리되므로, 소수부인 주쇄를 경유하는 메탄올의 투과가 더욱 억제될 수 있다. 또한, 술폰산기가 주쇄에 존재하지 않고 측쇄에 존재함에 의하여 폴리술폰계 중합체 자체의 유연성이 향상되고, 열안정성, 산화/환원반응에 대한 안정성도 향상될 수 있다.In addition, since the hydrophilic part and the hydrophobic part are separated from the copolymer by the presence of sulfonic acid groups separated from the main chain in the polymer, permeation of methanol through the main chain which is a hydrophobic part can be further suppressed. In addition, the sulfonic acid group is not present in the main chain, but is present in the side chain, thereby improving the flexibility of the polysulfone polymer itself, and may also improve thermal stability and stability against oxidation / reduction reactions.

또한, 상기 중합체에서 하나의 반복단위 골격에 4개 이상의 술폰산기가 결합될 수 있다. 예를 들어, 하나의 반복단위에 4~8개의 술폰산기가 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 1의 반복단위에서 측쇄의 페닐기마다 하나 이상의 술폰산기가 연결될 수 있다.In addition, four or more sulfonic acid groups may be bonded to one repeating unit skeleton in the polymer. For example, 4 to 8 sulfonic acid groups may be bonded to one repeating unit. For example, one or more sulfonic acid groups may be linked to each phenyl group of the side chain in the repeating unit of Formula 1.

상기 중합체는 슬폰산기의 함량이 높으므로 낮은 수분함량에서도 높은 전도성을 가질 수 있다. 또한, 상기 중합체는 수분에 장시간 노출되어야 전해질막의 특성 변화가 없어 높은 치수안정성을 제공할 수 있다.Since the polymer has a high content of sulfonic acid groups, it may have high conductivity even at a low moisture content. In addition, the polymer may be exposed to moisture for a long time to provide high dimensional stability without changing the characteristics of the electrolyte membrane.

상기 아릴렌기는 방향족 고리 시스템을 갖는 2가 작용기으로서, 2 이상의 고리 시스템을 포함할 수 있으며, 상기 2 이상의 고리 시스템은 서로 결합 또는 융합된 형태로 존재할 수 있다. 예를 들어, 상기 2 이상의 고리 시스템이 단일 결합에 의하여 연결된 형태로 존재하거나 상기 2 이상의 고리 시스템 사이에 삽입된 추가적인 연결기를 포함하는 형태로 존재할 수 있다. 상기 추가적인 연결기는 치환 또는 비치환된 알킬렌기, S, S(=O)2, C(=O), 등일 수 있다.The arylene group is a divalent functional group having an aromatic ring system, and may include two or more ring systems, and the two or more ring systems may exist in a bonded or fused form with each other. For example, the two or more ring systems may be in a form joined by a single bond or in a form including an additional linking group inserted between the two or more ring systems. The additional linking group may be a substituted or unsubstituted alkylene group, S, S (= 0) 2 , C (= 0), and the like.

본 명세서에서 "치환"이란 별도의 정의가 없는 한, 하이드록시기, 할로겐기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알케닐기, C2~C20의 알키닐기, C5~C20의 사이클로알킬기, C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로아릴기 또는 이들이 조합된 작용기로 치환된 것을 의미한다.In the present specification, "substituted", unless otherwise defined, hydroxyl group, halogen group, C1-C20 alkyl group, C2-C20 alkenyl group, C2-C20 alkynyl group, C5-C20 cycloalkyl group, C6 ~ It means substituted with an aryl group of C20, a heteroaryl group of C2 ~ C20 or a functional group combined.

상기 알킬기는 탄소와 수소만으로 이루어지며 탄소가 단일결합으로만 연결된 1가 탄화수소 작용기이다. 예를 들어, 메틸기, 에틸기, 부틸기, 이소부틸기, tert-부틸기, 펜틸기, 헥실기 등이다.The alkyl group is composed of only carbon and hydrogen, and is a monovalent hydrocarbon functional group in which carbon is connected only by a single bond. For example, they are a methyl group, an ethyl group, a butyl group, an isobutyl group, a tert- butyl group, a pentyl group, and a hexyl group.

상기 알케닐기는 사슬 내에 1 이상의 탄소-탄소 이중 결합을 포함하는 1가 탄화수소 작용기이다. 예를 들어, 비닐기, 알릴기 등이다.The alkenyl group is a monovalent hydrocarbon functional group containing at least one carbon-carbon double bond in the chain. For example, it is a vinyl group, an allyl group, etc.

상기 알키닐기는 탄소 사슬 내에 1 이상의 탄소-탄소 삼중 결합을 포함하는 1가 탄화수소 작용기이다.The alkynyl group is a monovalent hydrocarbon functional group containing at least one carbon-carbon triple bond in the carbon chain.

시클로알킬기는 탄소 사슬이 고리를 형성하는 1가 알킬기이다. 예를 들어, 시클로펜틸기, 시클로헥실기 등이다.Cycloalkyl groups are monovalent alkyl groups in which the carbon chain forms a ring. For example, it is a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, etc.

상기 헤테로아릴기는 상기 아릴기 중 하나 이상의 탄소가 N, O, S 및 P로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로 치환된 1가 작용기이다.The heteroaryl group is a monovalent functional group in which one or more carbons of the aryl groups are substituted with one or more selected from the group consisting of N, O, S and P.

다른 일구현예에 따르면 상기 중합체가 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 추가적으로 포함하는 공중합체인 것이 바람직하다:According to another embodiment it is preferred that the polymer is a copolymer further comprising a repeating unit represented by the following formula (2):

<화학식 2><Formula 2>

Figure 112009058206565-PAT00006
Figure 112009058206565-PAT00006

상기 식에서, Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴렌기이며; m은 중합도로서 2 내지 10,000이다.Wherein Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted C6-C20 arylene group; m is 2 to 10,000 as polymerization degree.

또 다른 일구현예에 따르면 상기 중합체가 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체인 것이 바람직하다:According to another embodiment it is preferable that the polymer is a copolymer comprising a repeating unit represented by the following formula (3):

<화학식 3><Formula 3>

Figure 112009058206565-PAT00007
Figure 112009058206565-PAT00007

상기 식에서, X, R1, R2, R3, R4, R5, R6, a, b, c, d, e, 및 f는 상기에 정의된 대로이며, Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴렌기 이며; p 및 q는 몰분율이며, p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이며, r은 중합도로서 2 내지 10000이며, 단, a+b+c+d+e+f는 1 이상이며, R1 내지 R6이 1 이상의 술포네이트기 및/또는 술폰산기를 포함한다.Wherein X, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , a, b, c, d, e, and f are as defined above, and Ar 2 and Ar 3 are mutually Independently a substituted or unsubstituted C6 ~ C20 arylene group; p and q are mole fractions, p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1, r is 2 to 10000 as the degree of polymerization, provided that a + b + c + d + e + f is At least one, and R 1 to R 6 include at least one sulfonate group and / or sulfonic acid group.

또 다른 일구현예에 따르면 상기 중합체에서 상기 치환 또는 비치환된 C6~C20 아릴렌기가 하기 화학식들 중 하나로 표시되는 것이 바람직하다:According to another embodiment it is preferred that the substituted or unsubstituted C6 to C20 arylene group in the polymer is represented by one of the following formulas:

<화학식 1a> <화학식 1b><Formula 1a> <Formula 1b>

Figure 112009058206565-PAT00008
Figure 112009058206565-PAT00009
Figure 112009058206565-PAT00008
Figure 112009058206565-PAT00009

상기 식들에서,In the above equations,

R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15 및 R16이 서로 독립적으로 수소, 할로겐 원자, -SO3M, C1~C50의 알킬기, C2~C50의 알케닐기, C2~C50의 알키닐기, C5~C50의 시클로알킬기, C6~C50의 아릴기, C2~C50의 헤테로아릴기, C7~C50의 알킬아릴기, 또는 C1~C50의 알콕시기이며;R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 and R 16 are each independently hydrogen, halogen atom, -SO 3 M, C1 C50-C50 alkyl group, C2-C50 alkenyl group, C2-C50 alkynyl group, C5-C50 cycloalkyl group, C6-C50 aryl group, C2-C50 heteroaryl group, C7-C50 alkylaryl group, or A C1-C50 alkoxy group;

상기 Y가 단일결합, S, S(=O)2, C(=O), P(=O)(R17) 또는 C(R18)(R19)이며, 상기 R17, R18, 및 R19는 서로 독립적으로 할로겐으로 치환 또는 비치환된 C1~C20의 알킬기, 또는 할로겐으로 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴기이다.Y is a single bond, S, S (= 0) 2 , C (= 0), P (= 0) (R 17 ) or C (R 18 ) (R 19 ), wherein R 17 , R 18 , and R 19 independently of each other is a C1-C20 alkyl group unsubstituted or substituted with halogen, or a C6-C20 aryl group unsubstituted or substituted with halogen.

또 다른 일구현예에 따르면, 상기 중합체에서 상기 화학식 1a 및 1b로 표시 되는 아릴렌기가 치환기로서 -SO3M(M은 수소, 또는 알칼리금속)를 추가적으로 포함할 수 있다. 일반적으로 상기 아릴렌기에는 술포네이트기가 포함되지 않으나, 용도에 따라 필요한 경우에는 상기 아릴렌기에 상기 술포네이트기가 1 이상 치환될 수 있다.According to another embodiment, the arylene group represented by Formulas 1a and 1b in the polymer may further include -SO 3 M (M is hydrogen or an alkali metal) as a substituent. In general, the arylene group does not include a sulfonate group, but if necessary, one or more of the sulfonate groups may be substituted with the arylene group.

또 다른 일구현예에 따르면, 상기 중합체가 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체인 것이 바람직하다:According to another embodiment, it is preferable that the polymer is a copolymer including a repeating unit represented by Formula 4 below:

<화학식 4><Formula 4>

Figure 112009058206565-PAT00010
Figure 112009058206565-PAT00010

상기 식에서, R21, R22, R23, 및 R24는 서로 독립적으로 -SO3M, 또는 -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C6~C50의 아릴기이며, R25 및 R26은 서로 독립적으로 수소, -SO3M, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C1~C10의 알킬기, 또는 -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴기이며, Ar4 및 Ar5는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴렌기이며; p 및 q는 몰분율이며, p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이며, r이 중합도로서 2 내지 10000이며, 단, R21 내지 R26이 1 이상의 술포네이트기 및/또는 술폰산기를 포함한다.In the above formula, R 21 , R 22 , R 23 , and R 24 are each independently a C 6 to C 50 aryl group unsubstituted or substituted with —SO 3 M, or —SO 3 M, and R 25 and R 26 are each other. independently is hydrogen, -SO 3 M, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted C1 ~ C10 with C6 ~ C20 substituted or unsubstituted alkyl group, or -SO 3 M in unsubstituted aryl group, Ar 4 and Ar 5 is Independently a substituted or unsubstituted C6 ~ C20 arylene group; p and q are mole fractions, p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1, r is 2 to 10000 as the degree of polymerization, provided that R 21 to R 26 are at least one sulfonate group and And / or sulfonic acid groups.

또 다른 일구현예에 따르면, 상기 중합체에서 상기 R21, R22, R23, 및 R24가 서로 독립적으로 하기 치환기들 중 하나로 표시될 수 있다:According to another embodiment, in the polymer, R 21 , R 22 , R 23 , and R 24 may be represented independently of one another by one of the following substituents:

Figure 112009058206565-PAT00011
Figure 112009058206565-PAT00011

상기 치환기들에서, M은 서로 독립적으로 수소, 리튬, 나트륨 또는 칼륨이며, aa, ac, af, aj 및 ao는 서로 독립적으로 1 내지 5의 정수이며, ab, ad, ae, ag, ah, ai, ak, al, am 및 an은 서로 독립적으로 0 내지 4의 정수이다.In the substituents, M is independently of each other hydrogen, lithium, sodium or potassium, aa, ac, af, aj and ao are each independently an integer from 1 to 5, ab, ad, ae, ag, ah, ai , ak, al, am and an are each independently an integer from 0 to 4.

또 다른 일구현예에 따르면, Ar4 또는 Ar5가 하기 구조들 중 하나로 표시될 수 있다:According to another embodiment, Ar 4 or Ar 5 may be represented by one of the following structures:

Figure 112009058206565-PAT00012
Figure 112009058206565-PAT00012

상기 식들에서, A는 단일 결합, S, S(=O)2, 또는 C(=O)이며; B는 단일 결합, S, S(=O)2, C(=O), P(=O)(C6H5), C(CF3)(C6H5), C(CH3)2, 또는 C(CF3)2이다.Wherein A is a single bond, S, S (= 0) 2 , or C (= 0); B is a single bond, S, S (= O) 2 , C (= O), P (= O) (C 6 H 5 ), C (CF 3 ) (C 6 H 5 ), C (CH 3 ) 2 Or C (CF 3 ) 2 .

또 다른 구현예에 따르면, 상기 화학식 3 또는 4로 표시되는 공중합체에서 상기 p 및 q의 비가 1:9 내지 9.9:0.1인 것이 바람직하다. 상기 p 및 q의 비율이 본 발명의 목적 달성에 적합하다.According to another embodiment, the ratio of p and q in the copolymer represented by Formula 3 or 4 is preferably 1: 9 to 9.9: 0.1. The ratio of p and q is suitable for achieving the object of the present invention.

또 다른 일구현예에 따르면, 상기 화학식 1 내지 4로 표시되는 중합체의 중량평균분자량이 1,000 내지 500,000인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1,000 내지 100,000이다. 상기 중량평균분자량 범위가 본 발명의 목적 달성에 적합하다.According to another embodiment, the weight average molecular weight of the polymer represented by Formulas 1 to 4 is preferably from 1,000 to 500,000, more preferably from 1,000 to 100,000. The weight average molecular weight range is suitable for achieving the object of the present invention.

또 다른 일구현예에 따르면, 상기 화학식 1 내지 4로 표시되는 중합체의 분산도(PDI, polydispersion index)는 1 내지 10일 수 있다. 예를 들어, 상기 분산도는 1 내지 5일 수 있다. 예를 들어, 상기 분산도는 1 내지 3일 수 있다.According to another embodiment, the dispersion degree (PDI, polydispersion index) of the polymer represented by Formula 1 to 4 may be 1 to 10. For example, the dispersion degree may be 1 to 5. For example, the dispersion degree may be 1 to 3.

또 다른 일구현예에 따르면, 상기 화학식 2 내지 4로 표시되는 공중합체는 랜덤공중합체 또는 블록공중합체일 수 있다. 바람직하게는 상기 공중합체는 블록공중합체이다. 상기 블록공중합체가 전해질막으로서의 용도에 보다 적합하다.According to another embodiment, the copolymer represented by Formulas 2 to 4 may be a random copolymer or a block copolymer. Preferably the copolymer is a block copolymer. The block copolymer is more suitable for use as an electrolyte membrane.

또 다른 일구현예에 따르면, 상기 폴리술폰계 중합체를 포함하는 고분자 전해질막이 제공된다. 상기 고분자 전해질막은 상기 화학식 1 내지 4 중 어느 하나의 폴리술폰계 중합체를 포함함에 의하여 메탄올 투과도가 낮으면서도 수소이온 전도도가 높다. 그리고, 함수율 특성도 우수하다.According to another embodiment, a polymer electrolyte membrane including the polysulfone polymer is provided. The polymer electrolyte membrane has a low methanol permeability and high hydrogen ion conductivity by including the polysulfone polymer of any one of Formulas 1 to 4. And moisture content characteristics are also excellent.

또한, 상기 중합체를 포함하는 고분자 전해질 막은 일반적으로 폴리(아릴렌 에테르)계 중합체가 가지는 열적 안정성, 화학적 안정성을 가질 수 있으며 가공이 쉽고 흡습률 또한 적어 열가소성 고분자, 막 탄성체등으로 이용될 수 있으며, 술폰산기 함유로 낮은 수분함량에서도 높은 수소이온전도도를 가질 수 있고, 수분에 장시간 노출되어도 전해질 막의 특성의 변화가 없어 높은 치수안정성을 나타낼 수 있으므로, 고분자 전해질 막으로서의 성능의 우수하여 연료전지 또는 2차 전지등에 사용하기에 적합하다.In addition, the polymer electrolyte membrane including the polymer may generally have thermal and chemical stability of the poly (arylene ether) polymer, and may be used as a thermoplastic polymer, a membrane elastomer, and the like because it is easy to process and has a low moisture absorption rate. It contains sulfonic acid group, which can have high hydrogen ion conductivity even at low moisture content, and can show high dimensional stability even if it is exposed to moisture for a long time. Suitable for use in batteries, etc.

또 다른 일구현예에 따르면, 상기 상기 고분자 전해질막의 수소이온 전도도는 상대습도 100% 및 25℃에서 0.5×10-3 S/cm 이상인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1×10-3 S/cm 이상이며, 가장 바람직하게는 1.5×10-3 S/cm 내지 200×10-3 S/cm 이다.According to another embodiment, the hydrogen ion conductivity of the polymer electrolyte membrane is preferably 0.5 × 10 -3 S / cm or more at 100% relative humidity and 25 ℃, more preferably 1 × 10 -3 S / cm The above is most preferably 1.5 × 10 −3 S / cm to 200 × 10 −3 S / cm.

또 다른 일구현예에 따르면, 상기 고분자 전해질막의 메탄올 투과율은 상대습도 100% 및 25℃에서 20×10-7 cm2/s 이하인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 16×10-7 cm2/s 이하이며, 가장 바람직하게는 15.8×10-7 cm2/s 내지 0.01×10-7 cm2/s 이다.According to another embodiment, the methanol permeability of the polymer electrolyte membrane is preferably 20 × 10 -7 cm 2 / s or less at 100% relative humidity and 25 ℃, more preferably 16 × 10 -7 cm 2 / s It is below, Most preferably, it is 15.8x10 <-7> cm <2> / s-0.01x10 <-7> cm <2> / s.

또 다른 일구현예에 따르면, 상기 고분자 전해질막은 폴리이미드, 폴리에테르케톤, 상기 화학식 1 내지 4의 중합체를 제외한 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르술폰, 폴리벤즈이미다졸, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리스티렌, 폴리트리풀루오로스티렌 술폰산, 폴리스티렌 술폰산, 폴리우레탄, 분지형 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체 또는 이들의 혼합물을 추가적으로 포함할 수 있다.According to another embodiment, the polymer electrolyte membrane is polyimide, polyetherketone, polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polybenzimidazole, polyphenylene oxide, except the polymer of Formula 1 to 4, Polyphenylenesulfide, polystyrene, polytrifluorourostyrene sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyurethane, branched sulfonated polysulfone ketone copolymers or mixtures thereof.

또 다른 일구현예에 따르면, 상기 고분자 전해질막은 무기물로서실리콘 산화물(SiO2), 티타늄 산화물 (TiO2), 무기인산, 술폰화된 실리콘 산화물(Sulfonated SiO2), 술폰화된 지르코늄 산화물(sufonated ZrO), 술폰화된 지르코늄 인산 염(sulfonated ZrP) 또는 이들의 혼합물을 추가적으로 포함할 수 있다. 이러한 무기물을 포함함에 의하여 상기 무기물이 수소이온 및 메탄올이 투과되는 채널의 장벽 역할을 하여 상기 고분자 전해질막의 연료투과도가 감소될 수 있다.According to another embodiment, the polymer electrolyte membrane is an inorganic material, such as silicon oxide (SiO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), inorganic phosphoric acid, sulfonated SiO 2 , sulfonated zirconium oxide (sufonated ZrO) ), Sulfonated zirconium phosphate (sulfonated ZrP) or mixtures thereof. By including such an inorganic material, the inorganic material may act as a barrier of a channel through which hydrogen ions and methanol are permeated, thereby reducing fuel permeability of the polymer electrolyte membrane.

또 다른 일구현예에 따르면, 상기 고분자 전해질막은 다공성 지지체를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 다공성 지지체를 포함함에 의하여 고분자 전해질막의 인장강도를 향상시킬수 있다. 상기 다공성 지지체는 예를 들어, 다공성 폴리에틸렌 과 같은 다공성 폴리올레핀, 다공성 테프론, 다공성폴리이미드 등이다.According to another embodiment, the polymer electrolyte membrane may further include a porous support. By including the porous support, it is possible to improve the tensile strength of the polymer electrolyte membrane. The porous support is, for example, a porous polyolefin such as porous polyethylene, porous teflon, porous polyimide and the like.

또 다른 일구현예에 따르면 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체 및 연료전지가 제공된다. 상기 막-전극 접찹체는 캐소드, 애노드 및 이들 사이에 개재된 상기 본 발명의 일구현예에 따른 고분자 전해질막을 포함한다. 또한, 상기 연료전지는 상기 본 발명의 일구현예에 따른 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체의 양면에 각각 부착된 분리판을 추가적으로 포함한다. 상기 분리판에 개질기, 연료탱그, 연료펌프 등이 필요에 따라 선택적으로 부가될 수 있다. 또한, 상기 연료전지는 상기 막전극 접합체를 복수개 포함할 수 있다.According to another embodiment, a membrane-electrode assembly and a fuel cell including the polymer electrolyte membrane are provided. The membrane-electrode adhesive includes a cathode, an anode, and a polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention interposed therebetween. In addition, the fuel cell further includes a separator plate attached to both surfaces of the membrane-electrode assembly including the polymer electrolyte membrane according to one embodiment of the present invention. A reformer, a fuel tank, a fuel pump, etc. may be selectively added to the separator as needed. In addition, the fuel cell may include a plurality of membrane electrode assemblies.

상기 캐소드 및 애노드는 가스확산층과 촉매층으로 구성된다. 상기 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원 반응을 촉진시키는 금속 촉매를 포함한다. 상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, 또는 Zn)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테 늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금, 백금-니켈 합금 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다.The cathode and anode consist of a gas diffusion layer and a catalyst layer. The catalyst layer includes a metal catalyst for promoting oxidation of hydrogen and reduction of oxygen. The catalyst layer is made of platinum, ruthenium, osmium, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, and platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, or Zn). It is preferable to include at least one selected from the group. In particular, it is preferable to include platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloys, platinum-osmium alloys, platinum-palladium alloys, platinum-cobalt alloys, platinum-nickel alloys or mixtures thereof.

상기 금속 촉매는 일반적으로 담체에 지지된 상태로 사용된다. 상기 담체는 아세틸렌 블랙, 흑염과 같은 탄소계 재료; 또는 알루미나, 실리카와 같은 무기 미립자;를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매를 담지하는 담체는 다공성을 가지며 표면적인 150㎡/g이상, 특히 500 내지 1200㎡/g이고, 평균 입경이 10 내지 300nm, 특히 20 내지 100nm일 수 있다.The metal catalyst is generally used while supported on a carrier. The carrier may be a carbon-based material such as acetylene black or black salt; Or inorganic fine particles such as alumina and silica; For example, the carrier supporting the catalyst may have a porosity and a surface area of 150 m 2 / g or more, particularly 500 to 1200 m 2 / g, and an average particle diameter of 10 to 300 nm, particularly 20 to 100 nm.

상기 가스확산층은 탄소 페이퍼 또는 탄소천(cloth)가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 가스확산층은 연료전지용 전극을 지지하는 역할을 하며 촉매층으로 반응가스를 확산시켜 촉매층으로 반응기체가 쉽게 접근할 수 있게 하는 역할을 한다. 상기 가스확산층은 탄소 페이퍼나 탄소 천을 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소계 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 발수처리된 탄소페이퍼 또는 탄소천은 연료 전지의 구동시 발생하는 물에 의하여 가스 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.The gas diffusion layer may be carbon paper or carbon cloth, but is not limited thereto. The gas diffusion layer serves to support the fuel cell electrode and serves to make the reaction gas easily accessible to the catalyst layer by diffusing the reaction gas into the catalyst layer. As the gas diffusion layer, it is preferable to use a water repellent treatment of carbon paper or carbon cloth with a fluorine resin such as polytetrafluoroethylene. The water repellent treated carbon paper or carbon cloth may prevent the gas diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven.

상기 전극은 상기 가스확산층과 상기 촉매층 사이에 가스 확산 효과를 더욱 증진시키기 위하여 미세다공층(microporous layer)를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 미세다공층은 탄소 분말, 카본 블랙, 활성 탄소, 아세틸렌 블랙 등의 전도성 물질, 폴리테트라플루로로에틸렌과 같은 바인더 및 필용에 따라 이오노머를 포함하는 조성물을 도포하여 제조될 수 있다.The electrode may further include a microporous layer to further enhance the gas diffusion effect between the gas diffusion layer and the catalyst layer. The microporous layer may be prepared by applying a composition including an ionomer according to a filler and a filler such as carbon powder, carbon black, activated carbon, acetylene black, a conductive material such as polytetrafluoroethylene, and the like.

상기 캐소드 및/또는 애노드는 예를 들어 다음과 같이 제조될 수 있다. 먼 저, 촉매 분말, 바인더 및 혼합용매를 혼합하여 촉매 슬러리를 제조한다. 상기 촉매 분말은 상술한 바와 같으며, 탄소계 지지체에 담지된 금속 입자, 또는 탄소계 지지체에 담지되지 않은 상태의 금속 입자 상태일 수 있으며, 백금이 특히 바람직하다. 상기 혼합용매 및 바인더는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용될 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 다음으로, 상기 촉매 슬러리를 코터를 사용하여 가스확산층 상에 코팅하고 건조시켜 촉매층 및 가스확산층으로 이루어진 캐소드 및/또는 애노드를 제조한다.The cathode and / or anode can be prepared, for example, as follows. First, a catalyst slurry is prepared by mixing the catalyst powder, the binder, and the mixed solvent. The catalyst powder is as described above, may be a metal particle supported on the carbon-based support, or a metal particle state not supported on the carbon-based support, and platinum is particularly preferable. The mixed solvent and binder are not particularly limited as long as they can be generally used in the art. Next, the catalyst slurry is coated on a gas diffusion layer using a coater and dried to prepare a cathode and / or an anode composed of a catalyst layer and a gas diffusion layer.

상기 캐소드 및 애노드 사이에 본 발명의 일 구현예에 따른 고분자 전해질막이 삽입하고 열간압착 방법으로 압착하면 막-전극 접합체가 얻어진다. 상기 열간압착 방법에서 사용되는 조건은 예를 들어 가해지는 압력 500 내지 2000psi, 온도 50 내지 300℃, 가압 시간 1 내지 60 분이다.When the polymer electrolyte membrane according to the embodiment of the present invention is inserted between the cathode and the anode and pressed by a hot pressing method, a membrane-electrode assembly is obtained. The conditions used in the hot pressing method are, for example, a pressure of 500 to 2000 psi, a temperature of 50 to 300 ° C, and a pressurization time of 1 to 60 minutes.

상기 막/전극 접합체에 분리판이 부가되어 발전부가 얻어진다. 상기 분리판은 막/전극 접합체의 양면에 각각 부착되며 애노드에 부착되는 분리판이 애노드 분리판 및 캐소드에 부착되는 분리판이 캐소드 분리판이다. 애노드 분리판은 애노드에 연료를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 애노드에서 발생한 전자를 외부 회로 또는 인접하는 단위전지로 전달하기 위한 전자전도체의 역할을 한다. 캐소드 분리판은 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 회부회로 또는 인접하는 단위전지로부터 공급된 전자를 캐소드로 전달하기 위한 전자전도체의 역할을 한다. 다음으로, 상기 발전부에 적어도 하나의 개질기, 연료탱크, 연료펌프 등을 선택적으로 부가하여 연료전지가 완성된다.A separator is added to the membrane / electrode assembly to obtain a power generation section. The separator is attached to both sides of the membrane / electrode assembly, and the separator attached to the anode is an anode separator and a separator attached to the cathode is a cathode separator. The anode separator has a flow path for supplying fuel to the anode, and serves as an electron conductor for transferring electrons generated from the anode to an external circuit or an adjacent unit cell. The cathode separator has a flow path for supplying an oxidant to the cathode, and serves as an electron conductor for transferring electrons supplied from an auxiliary circuit or an adjacent unit cell to the cathode. Next, the fuel cell is completed by selectively adding at least one reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like to the power generation unit.

또 다른 일구현예에 따르면 상기 연료전지는 직접 메탄올 연료전지일 수 있다. 상기 직접 메탄올 연료전지의 개략도가 도 1에 보여진다.According to another embodiment the fuel cell may be a direct methanol fuel cell. A schematic of the direct methanol fuel cell is shown in FIG. 1.

상기 도 1에 보여지는 바와 같이 직접 메탄올 연료전지는 연료가 공급되는 애노드(32), 산화제가 공급되는 캐소드(30), 및 애노드(32)와 캐소드(30) 사이에 위치하는 전해질막(41)을 포함한다. 상기 애노드(32)는 애노드 확산층(22)과 애노드 촉매층(33)으로 이루어지며, 캐소드(30)는 캐소드 확산층(32)과 캐소드 촉매층(31)으로 이루어진다.As shown in FIG. 1, the direct methanol fuel cell includes an anode 32 supplied with fuel, a cathode 30 supplied with an oxidant, and an electrolyte membrane 41 positioned between the anode 32 and the cathode 30. It includes. The anode 32 is composed of an anode diffusion layer 22 and an anode catalyst layer 33, and the cathode 30 is composed of a cathode diffusion layer 32 and a cathode catalyst layer 31.

애노드 확산층(22)을 통하여 애노드 촉매층(33)에 전달된 메탄올 수용액은 촉매에 의하여 전자, 수소이온, 이산화탄소 등으로 분해된다. 수소이온은 전해질막(41)을 통하여 캐소드 촉매층(31)으로 전달되고, 전자는 외부회로로 전달되며, 이상화탄소는 외부로 배출된다. 캐소드 촉매층(31)에서는 전해질막을 통하여 전달된 수소이온, 외부회로에서 공급되는 전자 및 캐소드 확산층(32)을 통하여 공급되는 공기 중의 산소가 반응하여 물이 생성된다. 그러나, 상기 본 발명의 일구현예에 따른 중합체를 포함하는 고분자 전해질막은 다른 모든 형태의 연료전지에도 사용될 수 있음은 자명하다.The aqueous methanol solution transferred to the anode catalyst layer 33 through the anode diffusion layer 22 is decomposed into electrons, hydrogen ions, carbon dioxide, and the like by the catalyst. Hydrogen ions are transferred to the cathode catalyst layer 31 through the electrolyte membrane 41, electrons are transferred to an external circuit, and idealized carbon is discharged to the outside. In the cathode catalyst layer 31, water is generated by reaction of hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane, electrons supplied from an external circuit, and oxygen in the air supplied through the cathode diffusion layer 32. However, it is apparent that the polymer electrolyte membrane including the polymer according to one embodiment of the present invention can be used for all other types of fuel cells.

또 다른 일구현예에 따르면 상기 연료전지는 차량용(vehicle) 연료전지일 수 있다. 따라서, 상기 차량은 자동차, 트럭 등의 운반용 차량, 굴삭기, 지게차 등의 기타 다른 용도의 차량 등 모든 용도의 차량을 포함한다. 상기 연료전지의 구성 및 출력 등은 용도에 따라 적절히 수정될 수 있다. 예를 들어, 자동차의 시동, 급발진 등에는 단시간에 많은 양의 전류가 요구되므로, 출력밀도가 높은 연료전지가 적합하다.According to yet another embodiment the fuel cell may be a vehicle fuel cell (vehicle). Accordingly, the vehicle includes all kinds of vehicles, such as vehicles for transportation, such as automobiles and trucks, and vehicles for other purposes such as excavators and forklifts. The configuration and output of the fuel cell may be appropriately modified according to the use. For example, a large amount of current is required in a short time for starting, sudden start and the like of a vehicle, so a fuel cell having a high output density is suitable.

또 다른 일구현예에 따르면 상기 화학식 1 내지 4로 표시되는 (공)중합체는 다양한 기술 분야에 사용될 수 있으며 그 분야가 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 (공)중합체는 태양전지, 2차 전지, 수퍼커패시커 등과 같은 모든 에너지 저장 및 생산 장치에 사용될 수 있다. 또한, 유기전계발광소자에도 사용될 수 있다. 또한 상기 공중합체의 프로톤 전도성을 이용하는 모든 기술 분야에 사용될 수 있다.According to another embodiment the (co) polymer represented by the formula (1) to 4 can be used in various technical fields, and the field is not limited. For example, the (co) polymer can be used in all energy storage and production devices such as solar cells, secondary cells, supercapacitors and the like. It can also be used in organic electroluminescent devices. It can also be used in any technical field utilizing the proton conductivity of the copolymer.

또 다른 일구현예에 따르면 폴리술폰계 공중합체의 제조방법은 하기 화학식 5 내지 7로 표시되는 화합물을 반응시켜 중합체를 제조하는 단계; 및 상기 중합체를 술폰화시켜 하기 화학식 3으로 표시되는 술폰화된 중합체를 제조하는 단계;를 포함한다:According to another embodiment of the present invention, a method for preparing a polysulfone copolymer may include preparing a polymer by reacting a compound represented by the following Chemical Formulas 5 to 7; And sulfonating the polymer to prepare a sulfonated polymer represented by Formula 3 below:

<화학식 3><Formula 3>

Figure 112009058206565-PAT00013
Figure 112009058206565-PAT00013

상기 화학식 4에서, X가 단일 결합 또는 Ar1이며, 상기 Ar1, Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴렌기이며; R1, R2, R3, R4, R5 및 R6 가 서로 독립적으로 수소, -SO3M, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C1~C50의 알킬기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 알케닐기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 알키닐기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C5~C50의 시클로알킬기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C6~C50의 아릴기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 헤테로아릴기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C7~C50의 알킬아릴기, 또는 -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C1~C50의 알콕시기이며; 상기 M이 서로 독립적으로 수소, 리튬, 나트륨, 또는 칼륨이며; a, b, c, 및 d는 서로 독립적으로 0 내지 4의 정수이고; e 및 f는 서로 독립적으로 0 내지 2의 정수이고, p 및 q는 몰분율이며, p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이며, r이 중합도로서 2 내지 10000이며, 단, a+b+c+d+e+f는 1 이상이며, R1 내지 R6이 1 이상의 술포네이트기를 포함하며,In Formula 4, X is a single bond or Ar 1 , wherein Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 are independently substituted or unsubstituted C6 to C20 arylene groups; R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are independently of each other hydrogen, -SO 3 M, -SO 3 M substituted or unsubstituted C1-C50 alkyl group, -SO 3 M or by unsubstituted C2 ~ C50 alkenyl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted C2 ~ alkynyl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted cycloalkyl group of C5 ~ C50 of the C50, -SO 3 M a substituted or unsubstituted C6 ~ C50 aryl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted alkyl of C2 ~ C50 heteroaryl group, a substituted or unsubstituted by -SO 3 M C7 ~ C50 aryl group, or - C 1 -C 50 alkoxy group unsubstituted or substituted with SO 3 M; M is independently of each other hydrogen, lithium, sodium, or potassium; a, b, c, and d are each independently an integer from 0 to 4; e and f are each independently an integer of 0 to 2, p and q are mole fraction, p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1, r is 2 to 10000 as the degree of polymerization, Provided that a + b + c + d + e + f is 1 or more, and R 1 to R 6 include one or more sulfonate groups,

<화학식 5><Formula 5>

Figure 112009058206565-PAT00014
Figure 112009058206565-PAT00014

상기 화학식 5에서, R7, R8, R9, R10, R11, R12가 독립적으로 수소, C1~C50의 알킬기, C2~C50의 알케닐기, C2~C50의 알키닐기, C5~C50의 시클로알킬기, C6~C50의 아릴기, C2~C50의 헤테로아릴기, C7~C50의 알킬아릴기, 또는 C1~C50의 알콕시기이며;In Formula 5, R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , R 12 are independently hydrogen, an alkyl group of C1 ~ C50, an alkenyl group of C2 ~ C50, an alkynyl group of C2 ~ C50, C5 ~ C50 A cycloalkyl group, a C6 ~ C50 aryl group, a C2 ~ C50 heteroaryl group, a C7 ~ C50 alkylaryl group, or a C1 ~ C50 alkoxy group;

<화학식 6> <화학식 7><Formula 6> <Formula 7>

R31-Ar2-R32 R33-Ar3-R34 R 31 -Ar 2 -R 32 R 33 -Ar 3 -R 34

상기 화학식 6 및 7에서, Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴렌기이며; R31, R32, R33 및 R34는 서로 독립적으로 -F, -Cl, -Br, -I, 또는 -OH이다.In Formulas 6 and 7, Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted C6-C20 arylene group; R 31 , R 32 , R 33 and R 34 are independently of each other -F, -Cl, -Br, -I, or -OH.

다른 일구현예에 따르면, 상기 제조방법에서 상기 화학식 5의 화합물이 하기 구조들 중 하나로 표시될 수 있다:According to another embodiment, the compound of Formula 5 may be represented by one of the following structures in the preparation method:

Figure 112009058206565-PAT00015
Figure 112009058206565-PAT00015

상기 제조방법은 제조가 간단하고, 정제가 용이하고 수율이 높으므로 상기 고분자를 저렴하게 대량으로 제조할 수 있어, 경제성이 매우 높다. 또한, 술폰화도의 조절이 용이하다.The production method is simple to manufacture, easy to purify and high yield, so that the polymer can be produced in large quantities at a low cost, very economical. It is also easy to adjust the degree of sulfonation.

예를 들어, 상기 화학식 5, 화학식 6 및 화학식 7로 표시되는 단량체가 친핵성 치환 반응에 의하여 공중합체를 생성한다. 예를 들어, 상기 화학식 5로 표시되 는 단량체 1몰에 대하여 상기 화학식 6으로 표시되는 단량체 2몰 및 상기 화학식 7로 표시되는 단량체 1몰의 비율로 중합할 수 있다. 예를 들어, 상기 상기 화학식 5로 표시되는 단량체 1몰에 대하여 상기 화학식 6으로 표시되는 단량체 0.2 내지 8몰 및 상기 화학식 7로 표시되는 단량체 1몰의 비율로 중합할 수 있다For example, the monomers represented by the formulas (5), (6) and (7) produce a copolymer by a nucleophilic substitution reaction. For example, the polymerization may be carried out at a ratio of 2 mol of the monomer represented by Formula 6 and 1 mol of the monomer represented by Formula 7 with respect to 1 mol of the monomer represented by Formula 5. For example, the monomer may be polymerized at a ratio of 0.2 to 8 mol of the monomer represented by Formula 6 and 1 mol of the monomer represented by Formula 7 with respect to 1 mol of the monomer represented by Formula 5.

이어서, 상기 공중합체를 술폰화시켜 상기 화학식 3으로 표시되는 술폰화된 공중합체를 얻는다. 상기 술폰화 반응에 사용되는 술폰산계 화합물은 진한황산(Conc H2SO4), 클로로설폰산(ClSO3H), 발연황산(Fumming SO3), 발연황산 트리에틸포스페이트 염(SO3.TEP)등을 사용할 수 있으나 이들로 한정되지 않으며 상기 술폰화가 가능한 화합물이라면 모두 사용될 수 있다. 술폰화 반응은 0℃~100℃온도, 예를 들어, 25℃~50℃에서 수행될 수 있다. 상기 술폰화 반응의 조건에 따라 상기 화학식 3으로 표시되는 공중합체의 술폰화도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 3으로 표시되는 공중합체의 술폰화도는 10 내지 99일 수 있다. 상기 술폰화도는 상기 술폰화된 중합체에 포함된 술폰화기가 치환된 특정 반복단위의 몰분율이다.Subsequently, the copolymer is sulfonated to obtain a sulfonated copolymer represented by Chemical Formula 3. The sulfonic acid compounds used in the sulfonation reaction are concentrated sulfuric acid (Conc H 2 SO 4 ), chlorosulfonic acid (ClSO 3 H), fuming sulfuric acid (Fumming SO 3 ), fuming sulfuric acid triethylphosphate salt (SO 3 .TEP) And the like may be used, but not limited thereto, and any compound capable of sulfonation may be used. The sulfonation reaction may be carried out at a temperature of 0 ° C to 100 ° C, for example, 25 ° C to 50 ° C. The sulfonation degree of the copolymer represented by Chemical Formula 3 can be adjusted according to the conditions of the sulfonation reaction. For example, the sulfonation degree of the copolymer represented by Chemical Formula 3 may be 10 to 99. The sulfonation degree is a mole fraction of a specific repeating unit substituted with a sulfonated group included in the sulfonated polymer.

이하 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred examples, but the present invention is not limited thereto.

(폴리술폰계 중합체 제조)(Production of polysulfone polymer)

하기 반응식 1의 경로를 따라 하기 실시예 1 내지 2의 폴리술폰계 공중합체 (화합물 500)를 제조하였다.The polysulfone copolymer (Compound 500) of Examples 1 to 2 was prepared by following the route of Scheme 1 below.

<반응식 1><Scheme 1>

Figure 112009058206565-PAT00016
Figure 112009058206565-PAT00016

실시예 1(x=0.2)Example 1 (x = 0.2)

제 1 단계 : 친핵 치환 반응First step: nucleophilic substitution reaction

250mL 2구 둥근바닥 플라스크에 마그네틱 스터링바, 딘-스타크 트랩(Dean-stark trap) 및 콘덴서를 장착하고, 질소 분위기에서 3,3',5,5'-테트라페닐비페닐-4,4'-디올(3,3',5,5'-Tetraphenylbiphenyl-4,4'-diol, 화합물 100) 4mmol, 4,4'-(헥사플루오로이소프로필리딘)디페놀(4,4'-(hexafluoroiopropylidene)diphenol, 화합물 300) 16mmol, 4,4'-디플루오로디페닐술폰(4,4'-difluorodiphenylsulfone, 화합물 200) 20mmol 및 디메틸아세트아마이드(Dimethylacetamide:DMAc, 70mL)를 상기 플라스크에 투입하여 완전히 녹였다. 상기 단량체들이 완전히 녹은 다음 탄산칼륨 (24mmol)과 톨루엔 (toluene, 50mL)을 투입하고 120℃에서 4시간 동안 환류시키면서 물을 제거하였다. 물을 제거한 후 반응기 온도를 140℃로 상승시키면서 톨루엔을 제거하였다. 톨루엔 제거 후, 반응온도를 165℃까지 올린 후 약 24시간동안 반응시켰다. 반응이 종료된 후, 메탄올/물(1:1 v/v) 혼합물에 수차례 세척한 후, 60℃에서 24시간 동안 진공건조시켜 흰색 고체 생성물(화합물 400)을 얻었다. 수율 93%. 상기 화합물 400에서 X 값은 0.2이었다.A 250 mL two-necked round bottom flask was equipped with a magnetic sterling bar, Dean-stark trap and condenser, and in a nitrogen atmosphere 3,3 ', 5,5'-tetraphenylbiphenyl-4,4'- Diol (3,3 ', 5,5'-Tetraphenylbiphenyl-4,4'-diol, compound 100) 4 mmol, 4,4'-(hexafluoroisopropylidine) diphenol (4,4 '-(hexafluoroiopropylidene) diphenol, Compound 300) 16 mmol, 4,4'-difluorodiphenylsulfone (Compound 200) 20 mmol and dimethylacetamide (Dimethylacetamide: DMAc, 70 mL) were added to the flask and completely dissolved. After completely dissolving the monomers, potassium carbonate (24 mmol) and toluene (50 mL) were added thereto, and water was removed while refluxing at 120 ° C. for 4 hours. After removing water, toluene was removed while raising the reactor temperature to 140 ° C. After removing toluene, the reaction temperature was raised to 165 ° C and reacted for about 24 hours. After the reaction was completed, the mixture was washed several times with a methanol / water (1: 1 v / v) mixture and then vacuum dried at 60 ° C. for 24 hours to obtain a white solid product (Compound 400). Yield 93%. The X value of the compound 400 was 0.2.

1H-NMR (400MHz DMSO-d6, ppm) : δ8.1~7.84 (C6H4SO2, 8H) , δ7.28~ 6.62 (phenyl ring m, 35H) 1 H-NMR (400MHz DMSO-d6, ppm): δ8.1 ~ 7.84 (C 6 H 4 SO 2 , 8H), δ7.28 ~ 6.62 (phenyl ring m, 35H)

제2단계: 술폰화 반응Second Step: Sulfonation Reaction

250mL 2구 플라스크에 적하 펀넬, 마그네틱 스터링바, 및 콘덴서를 장착하고, 질소 분위기에서 상기 제1단계에서 얻어진 생성물(화합물 400) 2.0mmol 및 디클로로메탄 20ml을 첨가하고, 완전히 녹였다. 상기 화합물 400이 용해된 용액을 환류시키면서, 상기 용액에 클로로메탄 20ml와 클로로술폰산 4.8mmol의 혼합 용액을 1시간에 걸쳐 천천히 적가하였다. 이때, 반응온도는 상온이었고 반응시간은 3시간 이었다. 반응이 진행됨에 따라 술폰화된 중합체는 침전되었다. 반응이 끝난 후, 반응 용액을 증류수로 수차례 세척하여 미반응 클로로술폰산을 제거하였다. 이어서, 상기 침전물을 여과하고 60℃에서 24시간 동안 진공건조시켰다. 건조된 침전물을 다시 디메틸아세트아마이드에 녹여 용액을 제조한 후, 3중량%의 수산화칼 륨 수용액을 적가하고, 이어서 염산을 첨가하여 상기 용액의 pH를 중성으로 맞추었다. 이후, 상기 생성물을 여과하고 진공건조시켜 술폰화된 공중합체(화합물 500)을 얻었다. 수율 91%.A dropping funnel, a magnetic sterling bar, and a condenser were installed in a 250 mL two-neck flask, and 2.0 mmol of the product (Compound 400) obtained in the first step and 20 ml of dichloromethane were added and dissolved completely in a nitrogen atmosphere. While refluxing the solution in which Compound 400 was dissolved, a mixed solution of 20 ml of chloromethane and 4.8 mmol of chlorosulfonic acid was slowly added dropwise to the solution over 1 hour. At this time, the reaction temperature was room temperature and the reaction time was 3 hours. As the reaction proceeded, the sulfonated polymer precipitated. After the reaction was completed, the reaction solution was washed several times with distilled water to remove unreacted chlorosulfonic acid. The precipitate was then filtered and vacuum dried at 60 ° C. for 24 hours. The dried precipitate was dissolved in dimethylacetamide again to prepare a solution, and then 3% by weight aqueous solution of calcium hydroxide was added dropwise, followed by addition of hydrochloric acid to neutralize the pH of the solution. The product was then filtered and dried in vacuo to give a sulfonated copolymer (Compound 500). Yield 91%.

1H-NMR (400MHz DMSO-d6, ppm): δ8.1~7.84 (C6H4SO2, 4H) ,δ7.52 (C6H4-SO3H, 8H) δ7.28~ 6.62 (phenyl ring m, 35H) 1 H-NMR (400 MHz DMSO-d 6, ppm): δ8.1-7.84 (C 6 H 4 SO 2 , 4H), δ7.52 (C 6 H 4 -SO 3 H, 8H) δ 7.28-6.62 (phenyl ring m, 35H)

실시예 2 (x=0.4)Example 2 (x = 0.4)

제 1 단계 : 친핵 치환 반응First step: nucleophilic substitution reaction

반응물의 몰수를 달리하여, 3,3',5,5'-테트라페닐비페닐-4,4'-디올(3,3'5,5'-Tetraphenylbiphenyl-4,4'-diol, 화합물 100) 8mmol, 4,4'-(헥사플루오로이소프로필리딘)디페놀(4,4'-(hrxafluoroiopropylidene) diphenol, 화합물 300) 12mmol, 및 4,4'-디플루오로디페닐술폰(4,4'-difluorodiphenylsulfone, 화합물 200) 20mmol을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 제1단계와 동일한 방법으로 상기 화합물 400을 제조하였다. 상기 화합물 400에서 X 값은 0.4이었다. 수율 90%.By varying the number of moles of the reactants, 3,3 ', 5,5'-tetraphenylbiphenyl-4,4'-diol (3,3'5,5'-Tetraphenylbiphenyl-4,4'-diol, compound 100) 8 mmol, 4,4 '-(hexafluoroisopropylidine) diphenol (4,4'-(hrxafluoroiopropylidene) diphenol, compound 300) 12 mmol, and 4,4'-difluorodiphenylsulfone (4,4'- Compound 400 was prepared in the same manner as in Example 1, except that 20 mmol of difluorodiphenylsulfone (Compound 200) was used. The value of X in the compound 400 was 0.4. Yield 90%.

1H-NMR (400MHz DMSO-d6, ppm) : δ8.1~7.84 (C6H4SO2, 8H) , δ7.28~ 6.62 (phenyl ring m, 35H) 1 H-NMR (400MHz DMSO-d 6, ppm): δ8.1 ~ 7.84 (C 6 H 4 SO 2 , 8H), δ7.28 ~ 6.62 (phenyl ring m, 35H)

제2단계: 술폰화 반응Second Step: Sulfonation Reaction

상기 실시예 2의 제1단계에서 얻어진 생성물을 사용한 것을 제외하고는 상기실시예 1의 제2단계와 동일한 방법으로 상기 화합물 500을 제조하였다. 수율 90%.The compound 500 was prepared in the same manner as in the second step of Example 1, except that the product obtained in the first step of Example 2 was used. Yield 90%.

1H-NMR (400MHz DMSO-d6, ppm) : δ8.1~7.84 (C6H4SO2, 4H) ,δ7.52 (C6H4-SO3H, 8H) δ7.28~ 6.62 (phenyl ring m, 35H) 1 H-NMR (400MHz DMSO-d 6, ppm): δ8.1 ~ 7.84 (C 6 H 4 SO 2 , 4H), δ7.52 (C 6 H 4 -SO 3 H, 8H) δ7.28 ~ 6.62 (phenyl ring m, 35H)

하기 반응식 2의 경로를 따라 하기 실시예 3 내지 4의 폴리술폰계 공중합체(화합물 501)를 제조하였다.The polysulfone copolymer (Compound 501) of Examples 3 to 4 was prepared by following the route of Scheme 2.

<반응식 2><Scheme 2>

Figure 112009058206565-PAT00017
Figure 112009058206565-PAT00017

실시예 3 (x=0.2)Example 3 (x = 0.2)

제 1 단계 : 친핵 치환 반응First step: nucleophilic substitution reaction

3,3',5,5'-테트라페닐비페닐-4,4'-디올(3,3'5,5'-Tetraphenylbiphenyl-4,4'-diol, 화합물 100) 4mmol 대신에 2,2'-디메틸-3,3'.3.3'-테트라페닐비페닐-4,4'-디올 (2,2'-Dimethyl-3,3'5,5'-Tetraphenylbiphenyl-4,4'-diol, 화합물 101) 4mmol을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 제1단계와 동일한 방법으로 상기 화합물 401을 제조하였다. 상기 화합물 401에서 X 값은 0.2이었다. 수율 92%.3,3 ', 5,5'-tetraphenylbiphenyl-4,4'-diol (3,3'5,5'-Tetraphenylbiphenyl-4,4'-diol, compound 100) 2,2' instead of 4mmol -Dimethyl-3,3'.3.3'-tetraphenylbiphenyl-4,4'-diol (2,2'-Dimethyl-3,3'5,5'-Tetraphenylbiphenyl-4,4'-diol, compound 101 ) Compound 401 was prepared by the same method as the first step of Example 1, except that 4 mmol was used. In Compound 401, the X value was 0.2. Yield 92%.

1H-NMR (400MHz DMSO-d6, ppm) : δ8.1~7.84 (C6H4SO2, 8H) , δ7.39~ 6.39 (phenyl ring m, 35H), δ1.98 (CH3, 6H) 1 H-NMR (400 MHz DMSO-d 6, ppm): δ8.1-7.84 (C 6 H 4 SO 2 , 8H), δ 7.39-6.39 (phenyl ring m, 35H), δ 1.98 (CH 3 , 6H)

제2단계: 술폰화 반응Second Step: Sulfonation Reaction

상기 실시예 3의 제1단계에서 얻어진 생성물을 사용한 것을 제외하고는 상기실시예 1의 제2단계와 동일한 방법으로 상기 화합물 501을 제조하였다. 수율 92%.Compound 501 was prepared by the same method as the second step of Example 1, except that the product obtained in the first step of Example 3 was used. Yield 92%.

1H-NMR (400MHz DMSO-d6, ppm) : δ8.1~7.84 (C6H4SO2, 8H) , δ7.39~ 6.39 (phenyl ring m, 35H), δ1.98 (CH3, 6H) 1 H-NMR (400 MHz DMSO-d 6, ppm): δ8.1-7.84 (C 6 H 4 SO 2 , 8H), δ 7.39-6.39 (phenyl ring m, 35H), δ 1.98 (CH 3 , 6H)

실시예 4 (x=0.4)Example 4 (x = 0.4)

제 1 단계 : 친핵 치환 반응First step: nucleophilic substitution reaction

반응물의 몰수를 달리하여, 2,2'-디메틸3,3'.3.3'-테트라페닐비페닐-4,4'-디올(2,2'-Dimethyl-3,3'5,5'-Tetraphenylbiphenyl-4,4'-diol, 화합물 101) 8mmol, 4,4'-(헥사플루오로이소프로필리딘)디페놀 (4,4'-(hrxafluoroiopropylidene) diphenol, 화합물 300) 12mmol, 및 4,4'-디플루오로디페닐술폰(4,4'-difluorodiphenylsulfone, 화합물 200) 20mmol을 사용한 것을 제외하고는 실시예 3의 제1단계와 동일한 방법으로 상기 화합물 401을 제조하였다. 상기 화합물 401에서 X 값은 0.4이었다. 수율 92%.By varying the number of moles of the reactants, 2,2'-dimethyl3,3'.3.3'-tetraphenylbiphenyl-4,4'-diol (2,2'-Dimethyl-3,3'5,5'-Tetraphenylbiphenyl -4,4'-diol, compound 101) 8 mmol, 4,4 '-(hexafluoroisopropylidine) diphenol (4,4'-(hrxafluoroiopropylidene) diphenol, compound 300) 12 mmol, and 4,4'- Compound 401 was prepared by the same method as the first step of Example 3, except that 20 mmol of difluorodiphenylsulfone (4,4'-difluorodiphenylsulfone, compound 200) was used. In Compound 401, the X value was 0.4. Yield 92%.

1H-NMR (400MHz DMSO-d6, ppm) : δ8.1~7.84 (C6H4SO2, 8H) , δ7.39~ 6.39 (phenyl ring m, 35H), δ1.98 (CH3, 6H) 1 H-NMR (400 MHz DMSO-d 6, ppm): δ8.1-7.84 (C 6 H 4 SO 2 , 8H), δ 7.39-6.39 (phenyl ring m, 35H), δ 1.98 (CH 3 , 6H)

제2단계: 술폰화 반응 Second Step: Sulfonation Reaction

상기 실시예 4의 제1단계에서 얻어진 생성물을 사용한 것을 제외하고는 상기실시예 1의 제2단계와 동일한 방법으로 상기 화합물 501을 제조하였다. 수율 88%.Compound 501 was prepared by the same method as the second step of Example 1, except that the product obtained in the first step of Example 4 was used. Yield 88%.

1H-NMR (400MHz DMSO-d6, ppm) : δ8.1~7.84 (C6H4SO2, 8H) , δ7.39~ 6.39 (phenyl ring m, 35H), δ1.98 (CH3, 6H) 1 H-NMR (400 MHz DMSO-d 6, ppm): δ8.1-7.84 (C 6 H 4 SO 2 , 8H), δ 7.39-6.39 (phenyl ring m, 35H), δ 1.98 (CH 3 , 6H)

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

실시예 5Example 5

실시예 1에서 제조된 폴리술폰계 공중합체를 DMSO(dimethyl sulfoxide)에 녹여 평편한 유리판과 둥근 유리막대를 이용하여 유리판 위에 각각 캐스팅한 후 진공오븐에서 150℃로 건조하여 50㎛의 두께를 가진 고분자 전해질 막을 제조하였다.The polysulfone copolymer prepared in Example 1 was dissolved in DMSO (dimethyl sulfoxide) and cast on a glass plate using a flat glass plate and a round glass rod, respectively, and dried at 150 ° C. in a vacuum oven to have a polymer having a thickness of 50 μm. An electrolyte membrane was prepared.

실시예 6Example 6

실시예 2에서 제조된 폴리술폰계 공중합체를 사용하여 실시예 5와 동일한 방법으로 50㎛의 두께를 가진 고분자 전해질 막을 제조하였다.Using a polysulfone copolymer prepared in Example 2 was prepared a polymer electrolyte membrane having a thickness of 50㎛ in the same manner as in Example 5.

실시예 7Example 7

실시예 3에서 제조된 폴리술폰계 공중합체를 사용하여 실시예 5와 동일한 방법으로 50㎛의 두께를 가진 고분자 전해질 막을 제조하였다.Using a polysulfone copolymer prepared in Example 3 to prepare a polymer electrolyte membrane having a thickness of 50㎛ in the same manner as in Example 5.

실시예 8Example 8

실시예 4에서 제조된 폴리술폰계 공중합체를 사용하여 실시예 5와 동일한 방법으로 50㎛의 두께를 가진 고분자 전해질 막을 제조하였다.Using a polysulfone copolymer prepared in Example 4 to prepare a polymer electrolyte membrane having a thickness of 50㎛ in the same manner as in Example 5.

비교예 1Comparative Example 1

나피온 112(Nafion 112, DuPont)를 고분자 전해질막으로 사용하였다. 나피온112를 100℃의 1M 농도 황산 용액에 24시간 동안 침전시켜 술포네이트기의 양이온을 소듐에서 수소이온으로 교환시켰다. 이어서, 상기 수소화된 공중합체를 탈이온수로 세척하였다.Nafion 112 (DuPont) was used as the polymer electrolyte membrane. Nafion 112 was precipitated in a 1 M concentration sulfuric acid solution at 100 ° C. for 24 hours to exchange the cation of the sulfonate group from sodium to hydrogen ions. The hydrogenated copolymer was then washed with deionized water.

평가예 1 : 수소이온 전도도 측정Evaluation Example 1 Hydrogen Ion Conductivity Measurement

상기 실시예 5 내지 8 및 비교예 1의 고분자 전해질막에 대하여 수소이온 전도도(proton conductivity)를 측정하였다. 수소이온 전도도의 측정은 넓이 2.54cm2의 두개의 백금 전극 사이에 상기 고분자 전해질막을 각각 개재한 후, 전위차 측정 기(electrochemical impedance spectroscopy (EIS) with IM6ex (Zahner))를 이용하여 30℃에서 초기 저항값을 측정하고, 이어서 하기 수학식 1을 사용하여 수소이온 전도도를 계산하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.Proton conductivity of the polymer electrolyte membranes of Examples 5 to 8 and Comparative Example 1 was measured. Hydrogen ion conductivity was measured by interposing the polymer electrolyte membrane between two platinum electrodes 2.54 cm 2 wide and then initial resistance at 30 ° C. using an electrochemical impedance spectroscopy (EIS) with IM6ex (Zahner). The value was measured, and then hydrogen ion conductivity was calculated using Equation 1 below. The results are shown in Table 1 below.

<수학식 1>&Quot; (1) &quot;

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

평가예 2 : 메탄올 투과도 측정Evaluation Example 2: Methanol Permeability Measurement

두 개의 셀 사이에 상기 실시예 5 내지 8 및 비교예 1의 고분자 전해질막을 각각 개재한 후, 하나의 셀에 1M의 메탄올 수용액 15mL를 주입하고, 다른 셀에 증류수 15mL를 주입한 후, 증류수가 들어간 셀에서 10분 당 10㎕씩 분취한 후, 다시 10㎕의 증류수로 채웠다. 상기 셀이 고분자 전해질막과 인접하는 면에는 미세한 구멍이 존재하여 용매의 이동이 가능하다. 분취한 시료를 가스크로마토그래피에서 메탄올 농도를 측정하였다. 또한, 시간에 따른 메탄올 농도의 변화를 그래프로 작성하고 그 기울기로부터 하기 수학식 2를 사용하여 메탄올 투과도를 계산하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.After the polymer electrolyte membranes of Examples 5 to 8 and Comparative Example 1 were interposed between the two cells, 15 mL of 1 M aqueous methanol solution was injected into one cell, and 15 mL of distilled water was injected into the other cell, followed by distilled water. 10 µl was aliquoted per 10 minutes in the cell, and then again filled with 10 µl of distilled water. Fine pores are present on the surface of the cell adjacent to the polymer electrolyte membrane to allow the movement of the solvent. The aliquot was sampled and the methanol concentration was measured by gas chromatography. In addition, the change in methanol concentration over time was plotted and the methanol permeability was calculated from the slope using Equation 2 below. The results are shown in Table 1 below.

<수학식 2><Equation 2>

메탄올 투과도[cm2/S]=(기울기[ppm/s]×용액부피×전해질막두께)/(전해질막 면적×메탄올 농도)Methanol permeability [cm 2 / S] = (Slope [ppm / s] × solution volume × electrolyte membrane thickness) / (electrolyte membrane area × methanol concentration)

상기 식에서, 절해질막의 두께0.05㎛; 메탄올 농도 1mol/L(32000ppm); 용액 부피 15ml; 전해질막 면적 7.06cm2 In the above formula, the thickness of the film to be cut off is 0.05 μm; Methanol concentration 1 mol / L (32000 ppm); Solution volume 15 ml; Electrolytic membrane area 7.06 cm 2

평가예 3: 분자량 및 분산도 측정Evaluation Example 3 Measurement of Molecular Weight and Dispersion

크로마토그래피를 사용하여 상기 실시예 1 내지 4에서 제조된 중합체들의 중량평균분자량 및 분산도를 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 측정에 사용된 기기 및 조건은 다음과 같다.The weight average molecular weight and dispersion of the polymers prepared in Examples 1 to 4 were measured using chromatography, and the results are shown in Table 1 below. The instruments and conditions used in the measurements are as follows.

GPC 장치: Waters사, 모델명 2414GPC unit: Waters, model 2424

사용 컬럼: Waters사, 모델명 HR3,4,5컬럼 온도 : 80℃Use column: Waters, model name HR3, 4, 5 column Temperature: 80 ℃

용출 용매 : 디메틸포름아마이드Elution solvent: dimethylformamide

용출 속도: 1 ml/min.Elution rate: 1 ml / min.

기준물질: 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA)Reference Material: Polymethylmethacrylate (PMMA)

<표 1>TABLE 1

술폰화도Sulfonated 중량평균
분자량
Weight average
Molecular Weight
분산도
[polydispersion index, PDI]
Dispersion
polydispersion index, PDI
수소이온 전도도
[S/cm]
Hydrogen ion conductivity
[S / cm]
메탄올 투과율[cm2/S]Methanol transmittance [cm 2 / S]
실시예 5Example 5 2020 5420054200 2.142.14 1.9×10-3 1.9 × 10 -3 5.4×10-7 5.4 × 10 -7 실시예 6Example 6 4040 4100041000 1.981.98 4.1×10-3 4.1 × 10 -3 15.8×10-7 15.8 × 10 -7 실시예 7Example 7 2020 4830048300 2.542.54 1.8×10-3 1.8 × 10 -3 4.2×10-7 4.2 × 10 -7 실시예 8Example 8 4040 3210032100 2.242.24 3.7×10-3 3.7 × 10 -3 12.8×10-7 12.8 × 10 -7 비교예 1Comparative Example 1 3.5×10-3 3.5 × 10 -3 21.0×10-7 21.0 × 10 -7

상기 표 1에서 보여지는 바와 같이, 실시예 1 내지 4의 폴리술폰계 중합체를 포함하는 실시예 5 내지 8의 고분자 전해질막은 비교예 1과 유사한 수소이온 전도도를 가지면서 비교예 1에 비해 낮은 메탄올 투과율을 보여주었다.As shown in Table 1, the polymer electrolyte membranes of Examples 5 to 8 including the polysulfone polymer of Examples 1 to 4 have a low methanol permeability compared to Comparative Example 1 while having a hydrogen ion conductivity similar to that of Comparative Example 1 Showed.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 직접 메탄올 연료전지의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a direct methanol fuel cell according to one embodiment of the invention.

Claims (20)

하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리술폰계 중합체:Polysulfone polymer comprising a repeating unit represented by the formula (1): <화학식 1><Formula 1>
Figure 112009058206565-PAT00018
Figure 112009058206565-PAT00018
상기 식에서,Where X가 단일 결합 또는 Ar1이며, 상기 Ar1이 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴렌기이며;X is a single bond or Ar 1 , and Ar 1 is a substituted or unsubstituted C 6 -C 20 arylene group; R1, R2, R3, R4, R5 및 R6가 서로 독립적으로 수소, -SO3M, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C1~C50의 알킬기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 알케닐기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 알키닐기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C5~C50의 시클로알킬기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C6~C50의 아릴기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 헤테로아릴기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C7~C50의 알킬아릴기, 또는 -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C1~C50의 알콕시기이며; 상기 M 이 서로 독립적으로 수소, 리튬, 나트륨, 또는 칼륨이며;R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are independently of each other hydrogen, -SO 3 M, -SO 3 M substituted or unsubstituted C1-C50 alkyl group, -SO 3 M or by unsubstituted C2 ~ C50 alkenyl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted C2 ~ alkynyl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted cycloalkyl group of C5 ~ C50 of the C50, -SO 3 M a substituted or unsubstituted C6 ~ C50 aryl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted alkyl of C2 ~ C50 heteroaryl group, a substituted or unsubstituted by -SO 3 M C7 ~ C50 aryl group, or - C 1 -C 50 alkoxy group unsubstituted or substituted with SO 3 M; M is independently of each other hydrogen, lithium, sodium, or potassium; a, b, c, 및 d는 서로 독립적으로 0 내지 5의 정수이고;a, b, c, and d are each independently an integer from 0 to 5; e 및 f는 서로 독립적으로 0 내지 2의 정수이고,e and f are each independently an integer of 0 to 2, n은 중합도로서 2 내지 10,000이며,n is 2 to 10,000 as the degree of polymerization, 단, a+b+c+d+e+f는 1 이상이며, R1 내지 R6이 1 이상의 술포네이트기를 포함한다.Provided that a + b + c + d + e + f is 1 or more, and R 1 to R 6 contain one or more sulfonate groups.
제 1 항에 있어서, 상기 중합체가 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 추가적으로 포함하는 공중합체인 것을 특징으로 하는 중합체:The polymer according to claim 1, wherein the polymer is a copolymer further comprising a repeating unit represented by the following Chemical Formula 2. <화학식 2><Formula 2>
Figure 112009058206565-PAT00019
Figure 112009058206565-PAT00019
상기 식에서,Where Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴렌기이며;Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted C6-C20 arylene group; m은 중합도로서 2 내지 10,000이다.m is 2 to 10,000 as polymerization degree.
제 1 항에 있어서, 상기 중합체가 하기 화학식 3으로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체인 것을 특징으로 하는 중합체:The polymer according to claim 1, wherein the polymer is a copolymer including a repeating unit represented by the following Chemical Formula 3: <화학식 3><Formula 3>
Figure 112009058206565-PAT00020
Figure 112009058206565-PAT00020
상기 식에서,Where X, R1, R2, R3, R4, R5, R6, a, b, c, d, e, 및 f는 제 1 항에 정의된 대로이며,X, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , a, b, c, d, e, and f are as defined in claim 1, Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴렌기이며;Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted C6-C20 arylene group; p 및 q는 몰분율이며, p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이며,p and q are mole fractions, p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1, r은 중합도로서 2 내지 10000이며,r is 2 to 10000 as the degree of polymerization, 단, a+b+c+d+e+f는 1 이상이며, R1 내지 R6이 1 이상의 술포네이트기를 포함한다.Provided that a + b + c + d + e + f is 1 or more, and R 1 to R 6 contain one or more sulfonate groups.
제 3 항에 있어서, 상기 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴렌기가 하기 화학식들 중 하나로 표시되는 것을 특징으로 하는 중합체:The polymer according to claim 3, wherein the substituted or unsubstituted C6-C20 arylene group is represented by one of the following formulas: <화학식 1a> <화학식 1b><Formula 1a> <Formula 1b>
Figure 112009058206565-PAT00021
Figure 112009058206565-PAT00022
Figure 112009058206565-PAT00021
Figure 112009058206565-PAT00022
상기 식들에서,In the above equations, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15 및 R16이 서로 독립적으로 수소, 할로겐 원자, -SO3M, C1~C50의 알킬기, C2~C50의 알케닐기, C2~C50의 알키닐기, C5~C50의 시클로알킬기, C6~C50의 아릴기, C2~C50의 헤테로아릴기, C7~C50의 알킬아릴기, 또는 C1~C50의 알콕시기이며;R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 and R 16 are each independently hydrogen, halogen atom, -SO 3 M, C1 C50-C50 alkyl group, C2-C50 alkenyl group, C2-C50 alkynyl group, C5-C50 cycloalkyl group, C6-C50 aryl group, C2-C50 heteroaryl group, C7-C50 alkylaryl group, or A C1-C50 alkoxy group; 상기 Y가 단일결합, S, S(=O)2, C(=O), P(=O)(R17) 또는 C(R18)(R19)이며, 상기 R17, R18, 및 R19는 서로 독립적으로 할로겐으로 치환 또는 비치환된 C1~C20의 알킬기, 또는 할로겐으로 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴기이다.Y is a single bond, S, S (= 0) 2 , C (= 0), P (= 0) (R 17 ) or C (R 18 ) (R 19 ), wherein R 17 , R 18 , and R 19 independently of each other is a C1-C20 alkyl group unsubstituted or substituted with halogen, or a C6-C20 aryl group unsubstituted or substituted with halogen.
제 1 항에 있어서, 상기 중합체가 하기 화학식 4로 표시되는 반복단위를 포함하는 공중합체인 것을 특징으로 하는 중합체:The polymer according to claim 1, wherein the polymer is a copolymer comprising a repeating unit represented by the following formula (4): <화학식 4><Formula 4>
Figure 112009058206565-PAT00023
Figure 112009058206565-PAT00023
상기 식에서,Where R21, R22, R23, 및 R24는 서로 독립적으로 -SO3M, 또는 -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C6~C50의 아릴기이며,R 21 , R 22 , R 23 , and R 24 are each independently a C 6 -C 50 aryl group unsubstituted or substituted with -SO 3 M, or -SO 3 M, R25 및 R26은 서로 독립적으로 수소, -SO3M, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C1~C10의 알킬기, 또는 -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴기이며,R 25 and R 26 are each independently hydrogen, a C 1 -C 10 alkyl group unsubstituted or substituted with -SO 3 M, -SO 3 M, or a C 6 -C 20 aryl group unsubstituted or substituted with -SO 3 M , Ar4 및 Ar5는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴렌기이며;Ar 4 and Ar 5 are each independently a substituted or unsubstituted C6-C20 arylene group; p 및 q는 몰분율이며, p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이며,p and q are mole fractions, p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1, r이 중합도로서 2 내지 10000이며,r is 2 to 10000 as the degree of polymerization, 단, R21 내지 R26이 1 이상의 술포네이트기를 포함한다.Provided that R 21 to R 26 contain one or more sulfonate groups.
제 5 항에 있어서, 상기 R21, R22, R23, 및 R24가 서로 독립적으로 하기 치환기들 중 하나로 표시되는 것을 특징으로 하는 중합체:The polymer of claim 5 wherein R 21 , R 22 , R 23 , and R 24 are independently of each other represented by one of the following substituents:
Figure 112009058206565-PAT00024
Figure 112009058206565-PAT00024
상기 치환기들에서,In the above substituents, M은 서로 독립적으로 수소, 리튬, 나트륨 또는 칼륨이며,M is independently of each other hydrogen, lithium, sodium or potassium, aa, ac, af, aj 및 ao는 서로 독립적으로 1 내지 5의 정수이며,aa, ac, af, aj and ao are integers from 1 to 5, independently of one another, ab, ad, ae, ag, ah, ai, ak, al, am 및 an은 0 내지 4의 정수이다.ab, ad, ae, ag, ah, ai, ak, al, am and an are integers from 0 to 4.
제 5 항에 있어서, 상기 Ar4 또는 Ar5가 하기 구조들 중 하나로 표시되는 것을 특징으로 하는 중합체:The polymer of claim 5 wherein Ar 4 or Ar 5 is represented by one of the following structures:
Figure 112009058206565-PAT00025
Figure 112009058206565-PAT00025
상기 식들에서, In the above equations, A는 단일 결합, S, S(=O)2, 또는 C(=O)이며;A is a single bond, S, S (= 0) 2 , or C (= 0); B는 단일 결합, S, S(=O)2, C(=O), P(=O)(C6H5), C(CF3)(C6H5), C(CH3)2, 또는C(CF3)2이다.B is a single bond, S, S (= O) 2 , C (= O), P (= O) (C 6 H 5 ), C (CF 3 ) (C 6 H 5 ), C (CH 3 ) 2 Or C (CF 3 ) 2 .
제 3 항에 있어서, 상기 p 및 q의 비가 1:9 내지 9.9:0.1인 것을 특징으로 하는 중합체.4. The polymer of claim 3 wherein the ratio of p and q is from 1: 9 to 9.9: 0.1. 제 3 항에 있어서, 상기 중합체의 중량평균분자량이 1000 내지 500000인 것을 특징으로 하는 중합체.4. The polymer according to claim 3, wherein the polymer has a weight average molecular weight of 1000 to 500000. 제 3 항에 있어서, 상기 중합체가 랜덤공중합체 또는 블록공중합체인 것을 특징으로 하는 중합체.4. The polymer of claim 3 wherein the polymer is a random copolymer or a block copolymer. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 공중합체를 포함하는 고분자 전해질막.A polymer electrolyte membrane comprising the copolymer according to any one of claims 1 to 10. 제 11 항에 있어서, 상기 전해질막이 폴리이미드, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르술폰, 폴리벤즈이미다졸, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리스티렌, 폴리트리풀루오로스티렌 술폰산, 폴리스티렌 술폰산, 폴리우레탄 및 분지형 술폰화 폴리술폰케톤 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 고분자를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.The method of claim 11, wherein the electrolyte membrane is polyimide, polyetherketone, polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polybenzimidazole, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polystyrene, polytrifluoro A polymer electrolyte membrane further comprising at least one polymer selected from the group consisting of styrene sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyurethane, and branched sulfonated polysulfone ketone copolymers. 제 11 항에 있어서, 상기 전해질막이 실리콘 산화물(SiO2), 티타늄 산화물 (TiO2), 무기인산, 술폰화된 실리콘 산화물(Sulfonated SiO2), 술폰화된 지르코늄 산화물(sufonated ZrO) 및 술폰화된 지르코늄 인산염(sulfonated ZrP)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 되는 무기물을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.The method of claim 11, wherein the electrolyte membrane is silicon oxide (SiO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), inorganic phosphoric acid, sulfonated SiO 2 , sulfonated ZrO and sulfonated Zirconium phosphate (sulfonated ZrP) polymer electrolyte membrane, characterized in that it further comprises at least one inorganic material selected from the group consisting of. 제 11 항에 있어서, 상기 전해질막이 다공성 지지체를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막.12. The polymer electrolyte membrane of Claim 11, wherein the electrolyte membrane further comprises a porous support. 제 11 항의 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체.A membrane-electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane of claim 11. 제 11 항의 고분자 전해질막을 채용한 연료전지.A fuel cell employing the polymer electrolyte membrane of claim 11. 제 16 항에 있어서, 상기 연료전지가 직접 메탄올 연료전지인 것을 특징으로하는 연료전지.17. The fuel cell of claim 16, wherein the fuel cell is a direct methanol fuel cell. 제 16 항에 있어서, 상기 연료전지가 차량용 연료전지인 것을 특징으로하는 연료전지.The fuel cell according to claim 16, wherein the fuel cell is a vehicle fuel cell. 폴리술폰계 공중합체의 제조방법으로서,As a method for producing a polysulfone copolymer, 하기 화학식 5 내지 7로 표시되는 화합물을 반응시켜 중합체를 제조하는 단계; 및Preparing a polymer by reacting a compound represented by Chemical Formulas 5 to 7; And 상기 중합체를 술폰화시켜 하기 화학식 3으로 표시되는 술폰화된 중합체를 제조하는 단계;를 포함하는 폴리술폰계 공중합체 제조방법:Preparing a sulfonated polymer represented by the following Chemical Formula 3 by sulfonating the polymer; a polysulfone copolymer manufacturing method comprising: <화학식 3><Formula 3>
Figure 112009058206565-PAT00026
Figure 112009058206565-PAT00026
상기 화학식 4에서,In Chemical Formula 4, X가 단일 결합 또는 Ar1이며, 상기 Ar1, Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴렌기이며;X is a single bond or Ar 1 , and Ar 1 , Ar 2, and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted C6 to C20 arylene group; R1, R2, R3, R4, R5 및 R6가 서로 독립적으로 수소, -SO3M, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C1~C50의 알킬기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 알케닐기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 알키닐기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C5~C50의 시클로알킬기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C6~C50의 아릴기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C2~C50의 헤테로아릴기, -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C7~C50 의 알킬아릴기, 또는 -SO3M으로 치환 또는 비치환된 C1~C50의 알콕시기이며; 상기 M이 서로 독립적으로 수소, 리튬, 나트륨, 또는 칼륨이며;R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are independently of each other hydrogen, -SO 3 M, -SO 3 M substituted or unsubstituted C1-C50 alkyl group, -SO 3 M or by unsubstituted C2 ~ C50 alkenyl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted C2 ~ alkynyl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted cycloalkyl group of C5 ~ C50 of the C50, -SO 3 M a substituted or unsubstituted C6 ~ C50 aryl group, -SO 3 M by a substituted or unsubstituted alkyl of C2 ~ C50 heteroaryl group, a substituted or unsubstituted by -SO 3 M C7 ~ C50 aryl group, or - C 1 -C 50 alkoxy group unsubstituted or substituted with SO 3 M; M is independently of each other hydrogen, lithium, sodium, or potassium; a, b, c, 및 d는 서로 독립적으로 0 내지 5의 정수이고;a, b, c, and d are each independently an integer from 0 to 5; e 및 f는 서로 독립적으로 0 내지 2의 정수이고,e and f are each independently an integer of 0 to 2, p 및 q는 몰분율이며, p+q=1이며, 0<p<1, 0<q<1이며,p and q are mole fractions, p + q = 1, 0 <p <1, 0 <q <1, r이 중합도로서 2 내지 10000이며,r is 2 to 10000 as the degree of polymerization, 단, 단, a+b+c+d+e+f는 1 이상이며, R1 내지 R6이 1 이상의 술포네이트기를 포함하며,Provided that a + b + c + d + e + f is 1 or more, and R 1 to R 6 include one or more sulfonate groups, <화학식 5><Formula 5>
Figure 112009058206565-PAT00027
Figure 112009058206565-PAT00027
상기 화학식 5에서,In Formula 5, R7, R8, R9, R10, R11, R12가 독립적으로 수소, C1~C50의 알킬기, C2~C50의 알케닐기, C2~C50의 알키닐기, C5~C50의 시클로알킬기, C6~C50의 아릴기, C2~C50의 헤테로아릴기, C7~C50의 알킬아릴기, 또는 C1~C50의 알콕시기이며;R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , R 12 are independently hydrogen, C 1 -C 50 alkyl group, C 2 -C 50 alkenyl group, C 2 -C 50 alkynyl group, C 5 -C 50 cycloalkyl group, C 6 C50-C50 aryl group, C2-C50 heteroaryl group, C7-C50 alkylaryl group, or C1-C50 alkoxy group; <화학식 6> <화학식 7><Formula 6> <Formula 7> R31-Ar2-R32 R33-Ar3-R34 R 31 -Ar 2 -R 32 R 33 -Ar 3 -R 34 상기 화학식 6 및 7에서,In Chemical Formulas 6 and 7, Ar2 및 Ar3는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6~C20의 아릴렌기이며;Ar 2 and Ar 3 are each independently a substituted or unsubstituted C6-C20 arylene group; R31, R32, R33 및 R34는 서로 독립적으로 -F, -Cl, -Br, -I, 또는 -OH이다.R 31 , R 32 , R 33 and R 34 are independently of each other -F, -Cl, -Br, -I, or -OH.
제 19 항에 있어서, 상기 화학식 5의 화합물이 하기 구조들 중 하나로 표시되는 것을 특징으로 하는 폴리술폰계 공중합체 제조방법:20. The method of claim 19, wherein the compound of Formula 5 is represented by one of the following structures:
Figure 112009058206565-PAT00028
Figure 112009058206565-PAT00028
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