KR20120092055A - A proton exchange membrane for an electrochemical cell - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A polymer electrolyte membrane is provided to have excellent electrochemical performance like ion conductivity, ion exchange capacity, etc, and to improve physical properties like durability, tensile strength, etc. CONSTITUTION: A polymer electrolyte membrane comprises a polymer having a unit structure in chemical formula 1, and an inorganic acid in which macro-molecule is substituted. The macro-molecule is a mixture of one or two selected from cesium, ammonium, rubidium, sodium and potassium. In chemical formula 1, R is hydrocarbon, m, n, p and q are integer from 1 or more, m=p, and n=q. the inorganic acid is a mixture of one or more selected from phosphotungstate, zirconium phosphate, silicotungstate, phosphomolybdate, and silicomolybdate.

Description

고분자 전해질 막, 수전해 장치, 연료 전지 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{A proton exchange membrane for an electrochemical cell}A polymer electrolyte membrane, an electrolytic device, a fuel cell and a fuel cell system including the same

본 발명은 이온 교환성 고분자 전해질 막, 수전해 장치, 연료 전지 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 분자 내에 가교 결합 된 단위 블록을 가지는 중합체 및 거대분자가 치환된 무기산을 포함하여, 열적 안정성이 높아 고온에서도 이온 전도도, 이온 교환 용량 등의 전기화학적 특성이 우수하며, 내구성 및 인장 강도 등의 기계적 물성이 향상된 고분자 전해질 막, 고분자 전해질 막의 제조방법 그리고 상기 전해질 막을 이용한 수전해 장치, 연료 전지 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to an ion exchange polymer electrolyte membrane, an electrolytic device, a fuel cell, and a fuel cell system including the same. More specifically, the present invention includes a polymer having a unit block crosslinked in a molecule and an inorganic acid substituted with macromolecules. Thus, the thermal stability is high, the electrochemical properties such as ionic conductivity, ion exchange capacity, etc. are excellent even at high temperatures, and the mechanical properties such as durability and tensile strength are improved, a method for producing a polymer electrolyte membrane, a polymer electrolyte membrane, and an electrolytic device using the electrolyte membrane The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell system including the same.

일반적으로, 이온 교환성의 고분자 전해질은 물의 전기분해(수전해)나 연료 전지 등의 이온 교환막(전해질 막)으로 많이 적용되고 있다. 물의 전기분해(수전해) 장치는 물을 전기화학적으로 분해하여 수소와 산소를 발생시키는 장치로서, 이는 에너지 효율이 높아 수소 제조 기술에 주목받고 있다. 이와는 반대로, 연료 전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생시키는 친환경적 발전시스템으로서, 이는 에너지 전환 단계가 간단하고 효율이 높아 최근 신 에너지 기술의 핵심 중의 하나로 꼽히고 있다. 특히, 고체 고분자 전해질을 이용한 연료 전지는 소형화, 경량화 등의 관점에서 유리하여 주목할 만하다.In general, ion-exchangeable polymer electrolytes are widely used as ion exchange membranes (electrolyte membranes) such as electrolysis (water electrolysis) of water and fuel cells. The electrolysis (water electrolysis) apparatus of water is an apparatus that generates hydrogen and oxygen by electrochemically decomposing water, which is attracting attention for hydrogen production technology due to its high energy efficiency. In contrast, a fuel cell is an environmentally friendly power generation system that generates electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen, which is one of the cores of new energy technology due to its simple and efficient energy conversion step. In particular, a fuel cell using a solid polymer electrolyte is notable because it is advantageous in terms of size, weight, and the like.

고체 고분자형 연료 전지(PEFC)는 일반적으로 고체 고분자 전해질 막, 상기 전해질 막의 양쪽에 접합 된 촉매층, 상기 촉매층의 외측에 접합 된 가스 확산층을 포함하는 막-전극 접합체(MEA)를 갖는다. 그리고 상기 막-전극 접합체(MEA)에는 세퍼레이터가 배치되어 있다. 또한, 연료 가스 또는 산화제 가스를 공급하는 가스 유로가 막-전극 접합체(MEA)와 세퍼레이터의 접촉 부분 또는 세퍼레이터 내에 형성되어 있다. 이때, 어느 한 전극(연료 극)에는 수소나 메탄올 등의 연료 가스가 공급되고, 나머지 전극(산소 극)에는 공기 등의 산소를 함유하는 산화제 가스가 공급되어 발전한다.A solid polymer fuel cell (PEFC) generally has a membrane-electrode assembly (MEA) including a solid polymer electrolyte membrane, a catalyst layer bonded to both sides of the electrolyte membrane, and a gas diffusion layer bonded to the outside of the catalyst layer. In addition, a separator is disposed in the membrane-electrode assembly MEA. In addition, a gas flow path for supplying a fuel gas or an oxidant gas is formed in the contact portion or separator of the membrane-electrode assembly MEA and the separator. At this time, one electrode (fuel pole) is supplied with fuel gas such as hydrogen or methanol, and the other electrode (oxygen pole) is supplied with oxidant gas containing oxygen such as air to generate electricity.

위와 같은 연료 전지 및 수전해 장치 등에서, 이온을 교환하는 고분자 전해질 막으로는 일반적으로 과불소계 막인 나피온(Nafion ; Dupont사 제품)이 상용화되어 사용되고 있다. 그러나 나피온 막은 제조 공정이 복잡하고, 가격이 매우 비싸다. 또한, 나피온 막은 80℃ 이상의 고온에서는 이온 전도도 등의 전기화학적 성능이 떨어지는 문제점이 지적되었다.In the above-described fuel cells, electrolytic devices, and the like, a polymer electrolyte membrane for exchanging ions is generally used by commercially available Nafion (manufactured by Dupont), a perfluorine-based membrane. However, Nafion membranes are complicated in manufacturing process and very expensive. In addition, it has been pointed out that the Nafion membrane is poor in electrochemical performance such as ionic conductivity at a high temperature of 80 ° C or higher.

이에 따라, 일본 특개평06-93114호에서는 술폰화 방향족 폴리에테르케톤을 기초로 하는 전해질 막의 제조방법을 제안하였다. 그러나 이는 이온 교환성을 증가시키기 위해 술폰화도를 증가시키면 팽윤(swelling) 현상에 의해 막이 물러져 취급이 매우 곤란하고, 내구성 및 인장 강도 등의 기계적 물성이 떨어지며, 열적 안정성에 있어서도 만족스럽지 못한 문제점이 있다. 또한, 일본 특개평11-329062호에서는 전해질 막의 제조를 위한 폴리머로서, 2종 이상의 상이한 불소함유 단위 블록을 가지되, 그 중 1개의 단위 블록이 술폰산기를 갖는 것을 사용함으로써, 기계적 물성을 향상시키고자 하였으나, 이는 술폰산기를 갖는 단위 블록으로서 비닐에테르 모노머가 사용되어 열적 안정성 등이 떨어지는 문제점이 지적된다. Accordingly, Japanese Patent Laid-Open No. 06-93114 proposes a method for producing an electrolyte membrane based on sulfonated aromatic polyether ketone. However, when the degree of sulfonation is increased to increase ion exchangeability, the membrane is deteriorated by swelling, which is very difficult to handle, and mechanical properties such as durability and tensile strength are inferior, and thermal stability is not satisfactory. have. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-329062 discloses a polymer for producing an electrolyte membrane, in which two or more different fluorine-containing unit blocks are used, one of which has a sulfonic acid group, thereby improving mechanical properties. However, it is pointed out that the vinyl ether monomer is used as the unit block having a sulfonic acid group, so that the thermal stability is poor.

위와 같이, 종래 기술에 따른 고분자 전해질 막은 열적 안정성이 낮아 고온에서는 이온 전도도 등의 전기화학적 특성이 떨어지고, 이온 교환성을 위해 술폰화도를 증가시키는 경우에는 팽윤(swelling) 현상에 의해 막이 물러지는 문제점이 있다. 또한, 내구성 및 인장 강도가 저하되는 등의 기계적 물성이 양호하지 못한 문제점이 있다.
As described above, the polymer electrolyte membrane according to the prior art has low thermal stability, and thus, at high temperatures, the electrochemical characteristics such as ionic conductivity are decreased, and when the sulfonation degree is increased for ion exchangeability, the membrane is deteriorated by swelling. have. In addition, there is a problem that the mechanical properties such as durability and tensile strength is not good.

본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로, 먼저, 분자 내에 가교 결합 된 단위 블록을 가지는 중합체, 거대분자가 치환된 무기산을 포함시킴으로써, 전기화학적 특성 및 내구성을 가지는 고분자 전해질 막 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 일 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, firstly, by including a polymer having a unit block cross-linked in the molecule, a macromolecule substituted inorganic acid, a polymer electrolyte membrane having electrochemical properties and durability and its preparation One purpose is to provide a method.

아울러, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조되는 고분자 전해질 막을 포함하는 수전해 장치, 연료전지 및 위 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템의 제공을 다른 목적으로 한다.In addition, another object of the present invention is to provide a fuel cell system including a fuel cell, a fuel cell, and a fuel cell including a polymer electrolyte membrane prepared according to an embodiment of the present invention.

한편, 본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
On the other hand, the objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, other objects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일실시 예에 따른 고분자 전해질 막은 상술한 목적들을 달성하기 위하여, 하기 화학식의 반복단위를 갖는 중합체 및 거대분자가 치환된 무기산을 포함하는 것을 특징으로 하되, 상기 거대분자는 세슘, 암모늄, 루비듐, 나트륨 및 칼륨으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above objects, the polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention is characterized in that it comprises a polymer having a repeating unit of the formula and an inorganic acid substituted with macromolecules, wherein the macromolecules are cesium, ammonium, Rubidium, sodium and potassium, characterized in that any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of.

[화학식][Chemical Formula]

Figure pat00001
Figure pat00001

바람직하게는 위 식에서, R은 탄화수소이고 m, n, p 및 q는 1 이상의 정수이며, m = p이고, n = q이다.Preferably, in the above formula, R is a hydrocarbon and m, n, p and q are integers of at least 1, m = p and n = q.

바람직하게는 상기 무기산은 포스포텅스틱산, 지르코늄인산, 실리코텅스틱산, 포스포몰리브덴산 및 실리코몰리브덴산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합인 것을 특징으로 한다.Preferably, the inorganic acid is one or two or more mixtures selected from the group consisting of phosphotungstic acid, zirconium phosphoric acid, silicotungstic acid, phosphomolybdic acid and silicomolybdic acid.

바람직하게는 상기 고분자 전해질 막은 상기 거대분자가 치환된 무기산이 20 ~ 40중량% 포함되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the polymer electrolyte membrane is characterized in that 20 to 40% by weight of the inorganic acid substituted with the macromolecule.

바람직하게는 상기 거대분자가 치환된 무기산은 무기산의 양이온 대비 거대분자가 5 ~ 35%로 치환된다.Preferably, the inorganic acid substituted with the macromolecule is substituted with 5 to 35% of the macromolecule relative to the cation of the inorganic acid.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 고분자 전해질 막의 제조방법은 폴리머에 술폰기(-SO3H)를 도입시키는 제1단계; 상기 술폰화된 폴리머에 설핀기(-SO2)를 도입시키는 제2단계; 폴리머 내에 설핀기(-SO2)와 술폰산염기(-SO2M ; M은 금속)가 존재하도록 상기 설핀화 된 폴리머를 부분 환원시키는 제3단계; 용매에 상기 부분 환원된 폴리머를 혼합한 후, 가교제를 첨가 교반하여 캐스팅 용액을 제조하는 제4단계;On the other hand, the method for producing a polymer electrolyte membrane according to an embodiment of the present invention comprises the steps of introducing a sulfone group (-SO 3 H) to the polymer; Introducing a sulfin group (-SO 2 ) into the sulfonated polymer; A third step of partially reducing the sulfinated polymer such that sulfin groups (-SO 2 ) and sulfonate groups (-SO 2 M; M is a metal) are present in the polymer; Mixing the partially reduced polymer with a solvent and then adding and stirring a crosslinking agent to prepare a casting solution;

상기 캐스팅 용액을 코팅하여 막을 제조하는 제5단계; 및 상기 제조된 막의 설핀기(-SO2)를 술폰기(-SO3H)로 치환하는 제6단계;를 포함하되, 상기 제4단계는 거대분자가 치환된 무기산이 더 첨가되는 것을 특징으로 한다.A fifth step of preparing a film by coating the casting solution; And a sixth step of replacing the sulfin group (-SO 2 ) of the prepared membrane with a sulfone group (-SO 3 H), wherein the fourth step further comprises adding an inorganic acid substituted with a macromolecule. do.

바람직하게는 상기 거대분자는 세슘, 암모늄, 루비듐, 나트륨 및 칼륨으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합인 것을 특징으로 한다.Preferably the macromolecule is characterized in that any one or two or more selected from the group consisting of cesium, ammonium, rubidium, sodium and potassium.

바람직하게는 상기 무기산은 포스포텅스틱산, 지르코늄인산, 실리코텅스틱산, 포스포몰리브덴산 및 실리코몰리브덴산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합인 것을 특징으로 한다.Preferably, the inorganic acid is one or two or more mixtures selected from the group consisting of phosphotungstic acid, zirconium phosphoric acid, silicotungstic acid, phosphomolybdic acid and silicomolybdic acid.

바람직하게는 상기 거대분자가 치환된 무기산은 무기산의 양이온 대비 거대분자가 5 ~ 35%로 치환되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the inorganic acid substituted with the macromolecule is characterized in that the macromolecule is substituted with 5 to 35% of the cation of the inorganic acid.

바람직하게는 상기 제3단계:는 설핀화된 폴리머에 술폰산나트륨기(-SO2Na)가 존재하도록 부분 환원시키는 단계 a); 및 상기 술폰산나트륨기(-SO2Na)를 술폰산리튬기(-SO2Li)로 치환시키는 단계 b);를 포함한다.Preferably, the third step is: a) partially reducing the sulfonated sodium sulfonate group (—SO 2 Na) in the sulfinated polymer; And b) replacing the sodium sulfonate group (-SO 2 Na) with a lithium sulfonate group (-SO 2 Li).

바람직하게는 상기 단계 a)는 부분 환원제로서 0.5 ~ 2.0 몰 농도(M)의 소디움설파이트(Na2SO3) 용액을 사용하는 것을 특징으로 한다.Preferably step a) is characterized in that using a sodium sulfite (Na 2 SO 3 ) solution of 0.5 to 2.0 molar concentration (M) as a partial reducing agent.

바람직하게는 상기 폴리머는 폴리에테르에테르케톤, 폴리아릴렌에테르케톤, 폴리술폰, 폴리아릴렌에테르술폰, 폴리이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈시아졸, 폴리피롤론, 폴리포스파젠 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 한다.Preferably, the polymer is polyether ether ketone, polyarylene ether ketone, polysulfone, polyarylene ether sulfone, polyimide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzithazole, polypyrrolone, polyphosphazene And one or two or more selected from the group consisting of copolymers thereof.

바람직하게는 상기 제4단계의 가교제는 요오드화 알켄인 것을 특징으로 한다.Preferably, the crosslinking agent of the fourth step is characterized in that the iodide alkene.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수전해 장치는 상술한 제조방법으로 제조되는 고분자 전해질 막을 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the electrolytic device according to an embodiment of the present invention is characterized in that it comprises a polymer electrolyte membrane produced by the above-described manufacturing method.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지는 상술한 제조방법으로 제조되는 고분자 전해질 막을 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템은 위 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 한다.
On the other hand, the fuel cell according to an embodiment of the present invention is characterized in that it comprises a polymer electrolyte membrane prepared by the above-described manufacturing method, the fuel cell system according to an embodiment of the present invention is characterized in that it comprises the above fuel cell It is done.

본 발명에 따르면, 이온 교환기를 가지는 단위 블록에 의해 이온 교환성을 가지되, 분자 내에 가교 결합 된 단위블록을 더 포함하여, 열적 안정성이 높아 고온에서도 이온 전도도, 이온 교환 용량 등의 전기화학적 특성이 우수하고, 인장 강도 등의 기계적 물성이 향상되는 효과를 갖는다. According to the present invention, the unit block having an ion exchange group has ion exchange properties, and further includes a unit block cross-linked in the molecule, and thus has high thermal stability and thus electrochemical characteristics such as ion conductivity and ion exchange capacity at high temperatures. It is excellent and has the effect that mechanical properties, such as tensile strength, improve.

또한, 거대분자가 치환된 무기산을 더 포함하는 경우 열적 안정성, 전기화학적 특성, 무기산의 침출 방지 및 고분자 전해질 막의 내구성 등이 보다 향상되는 우수한 효과가 있다.
In addition, when the macromolecule further includes a substituted inorganic acid, thermal stability, electrochemical properties, leaching of the inorganic acid, and durability of the polymer electrolyte membrane may be improved.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 MEA의 CV 곡선을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 MEA를 수전해 셀에 적용한 전류-전압 그래프이다.
Figure 1 shows a CV curve of the MEA prepared in accordance with an embodiment of the present invention.
2 is a current-voltage graph of a MEA manufactured according to an embodiment of the present invention applied to a cell receiving a cell.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다. The terms used in the present invention are selected as general terms that are widely used at present, but in certain cases, the term is arbitrarily selected by the applicant. In this case, the meanings described or used in the detailed contents for carrying out the invention are not merely names of the terms. Considering this, the meaning should be grasped.

이하, 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the technical structure of this invention is demonstrated in detail.

본 발명에 따른 고분자 전해질 막은 적어도 중합체를 포함하는 재료로부터 제조되며, 중합체는 본 발명에 따라서 이온 교환기를 가지는 단위 블록 A와, 반응성기를 가지는 단위 블록 B를 포함하되, 단위 블록 B는 반응성기에 의해 상호 가교 결합 된 구조를 갖는다. 구체적으로, 상기 중합체는 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는다.The polymer electrolyte membrane according to the present invention is prepared from a material comprising at least a polymer, wherein the polymer comprises a unit block A having an ion exchange group and a unit block B having a reactive group, wherein the unit block B is formed by a reactive group. Have a cross-linked structure. Specifically, the polymer has a repeating unit represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

화학식 1에서, A는 이온 교환기를 가지는 단위 블록이고, B는 반응성기를 가지는 단위 블록이며 m, n, p 및 q는 1 이상의 정수이다.In Formula 1, A is a unit block having an ion exchange group, B is a unit block having a reactive group and m, n, p and q are integers of 1 or more.

위 중합체는, 바람직하게는 폴리에테르에테르케톤, 폴리아릴렌에테르케톤, 폴리술폰, 폴리아릴렌에테르술폰, 폴리이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈시아졸, 폴리피롤론, 폴리포스파젠, 및 이들의 공중합체(예, 폴리벤즈옥사졸-폴리피롤론, 폴리벤즈시아졸-폴리피롤론 등) 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 폴리머를 기초로 하여 얻어질 수 있다.The polymer is preferably a polyether ether ketone, a polyarylene ether ketone, a polysulfone, a polyarylene ether sulfone, a polyimide, a polybenzimidazole, a polybenzoxazole, a polybenzisazole, a polypyrrolone, a polyphosphor It can be obtained based on one or more polymers selected from the group consisting of pazene, and copolymers thereof (e.g., polybenzoxazole-polypyrrolone, polybenzisazole-polypyrrolone, etc.).

구체적으로, 중합체는 나열된 폴리머를 출발물질로 하여 이온 교환기가 도입되도록 한 후, 가교 반응을 통해, 분자 내에 이온 교환기가 도입된 단위 블록 A와, 가교 결합 된 단위 블록 B가 동시에 포함되도록 제조될 수 있다. Specifically, the polymer may be prepared so that the ion exchanger is introduced using the listed polymers as starting materials, and then, through the crosslinking reaction, the unit block A having the ion exchanger introduced therein and the crosslinked unit block B are simultaneously included in the molecule. have.

이때, 단위 블록 A의 이온 교환기는 프로톤(proton) 도전성을 갖는 관능기이면 어떠한 것이든 본 발명에 포함하며, 예를 들어 술폰산기, 술폰이미드기, 포스폰산기, 카르복실산기 및 이들의 금속염이나 암모늄염 등으로부터 선택될 수 있다.At this time, the ion exchange group of the unit block A includes any functional group having proton conductivity in the present invention, for example, sulfonic acid group, sulfonimide group, phosphonic acid group, carboxylic acid group and metal salts thereof Ammonium salts and the like.

또한, 단위 블록 B는 가교 결합을 위한 반응성기를 가지는 데, 상기 반응성기는 단위 블록 B에는 존재하는 이중결합, 삼중결합 또는 이온이 될 수 있다. In addition, the unit block B has a reactive group for crosslinking, which may be a double bond, a triple bond or an ion present in the unit block B.

아울러, 반응성기는 단위 블록 B 내에 별도로 치환되어 도입될 수 있으며, 예를 들어 설핀화에 의한 설핀기(-SO2)등을 예로 들 수 있다.In addition, the reactive group may be introduced separately substituted in the unit block B, for example, a sulfin group (-SO 2 ) by sulfination.

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00003
Figure pat00003

화학식 2에서, A는 이온 교환기를 가지는 단위 블록이고, B는 반응성기를 가지는 단위 블록이며, R은 탄화수소이고 m, n, p 및 q는 1 이상의 정수이다.In formula (2), A is a unit block having an ion exchange group, B is a unit block having a reactive group, R is a hydrocarbon and m, n, p and q are integers of 1 or more.

위 화학식 2에서 R은 탄화수소이며 이때 상기 탄화수소는 지방족 및 방향족 탄화수소를 포함한다. In Formula 2, R is a hydrocarbon, wherein the hydrocarbon includes aliphatic and aromatic hydrocarbons.

예를 들어, 위 화학식 2의 R은 탄화수소로서 알칸계, 알켄계, 알킨계, 시클로알칸계 및 아릴계 등이 될 수 있다.For example, R in Formula 2 may be an alkane-based, alkene-based, alkyne-based, cycloalkane-based, and aryl-based hydrocarbon.

특별히 한정하는 것은 아니지만, 화학식 2의 R은 탄소 수 1 ~ 12, 바람직하게는 탄소 수 4 ~ 8인 지방족 탄화수소가 좋다.Although not particularly limited, R in the formula (2) is preferably an aliphatic hydrocarbon having 1 to 12 carbon atoms, preferably 4 to 8 carbon atoms.

또한, 중합체는 가교제의 첨가에 의해 화학식 2의 반복단위를 갖도록 제조될 수 있다.In addition, the polymer may be prepared to have a repeating unit of Formula 2 by the addition of a crosslinking agent.

이때, 화학식 2의 R은 가교제에 의해 도입되며, 가교제는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 탄소수 1 ~ 12, 바람직하게는 탄소수가 4 ~ 8인 알켄계 탄화수소가 좋다. 가교제는, 예를 들어 1,4-디이오도부텐(1,4-diiodobutene) 등의 요오드화 알켄을 유용하게 사용할 수 있다.In this case, R of the formula (2) is introduced by a crosslinking agent, the crosslinking agent is not particularly limited, but is preferably an alkene hydrocarbon having 1 to 12 carbon atoms, preferably 4 to 8 carbon atoms. As the crosslinking agent, iodide alkenes such as 1,4-diiodobutene can be usefully used.

본 발명에 따르면, 이온 교환기를 가지는 단위 블록 A에 의해 이온 교환성을 가지되, 가교 결합(바람직하게는 가교제에 의한 공유 결합)되어 있는 단위 블록 B에 의해 열적 안정성이 높아진다. According to the present invention, the thermal stability is increased by the unit block B having ion exchangeability but crosslinked (preferably covalently bonded by a crosslinking agent).

이에 따라, 본 발명에 따른 고분자 전해질 막은, 위와 같이 열적 안정성이 높아져 고온에서도 이온 전도도 등의 전기화학적 특성이 우수하다. Accordingly, the polymer electrolyte membrane according to the present invention has high thermal stability as described above, and is excellent in electrochemical properties such as ionic conductivity even at high temperatures.

또한, 본 발명에 따른 고분자 전해질 막은 높은 함수율을 가지면서도 팽윤 현상이 방지되며, 내구성 및 인장 강도 등의 기계적 물성이 우수하다.In addition, the polymer electrolyte membrane according to the present invention has a high water content and prevents swelling, and has excellent mechanical properties such as durability and tensile strength.

본 발명의 보다 바람직한 실시 예에 따라서, 위 단위 블록 A의 이온 교환기는 술폰기(-SO3H)이고, 단위블록 B의 반응성기는 설핀기(-SO2)인 것으로서, 중합체는 하기 화학식 3의 반복단위를 갖는 것이 바람직하다.According to a more preferred embodiment of the present invention, the ion exchange group of the unit block A is a sulfone group (-SO 3 H), the reactive group of the unit block B is a sulfin group (-SO 2 ), the polymer of the formula It is preferable to have a repeating unit.

[화학식 3](3)

Figure pat00004
Figure pat00004

화학식 3에서, R은 탄화수소이고 m, n, p 및 q는 1 이상의 정수이다.In formula (3), R is a hydrocarbon and m, n, p and q are integers of 1 or more.

위 화학식 3의 중합체는 방향족 폴리에테르에테르케톤을 기초로 하여 얻어질 수 있다. The polymer of Formula 3 may be obtained based on aromatic polyether ether ketone.

이때, 위 방향족 폴리에테르에테르케톤은 다른 폴리머와 대비하여 내열성, 내피로성, 내흡습성 및 내화학성 등이 우수하고, 높은 술폰화도를 도모할 수 있어 본 발명에 바람직하게 적용된다.In this case, the aromatic polyether ether ketone is excellent in heat resistance, fatigue resistance, hygroscopicity and chemical resistance, etc., compared to other polymers, it is possible to achieve a high sulfonation degree is preferably applied to the present invention.

또한, 위 화학식 1 내지 화학식 3에서, 단위 블록 A의 m과 p는 같거나 다를 수 있으며, 단위 블록 B의 n과 q 또한 같거나 다를 수 있다. In addition, in Chemical Formulas 1 to 3, m and p of the unit block A may be the same or different, and n and q of the unit block B may also be the same or different.

바람직하게는, 적어도 화학식 3에 있어서는 m = p 이고, n = q인 것이 바람직하다.Preferably, at least in Formula 3, m = p, and n = q.

아울러, 위 화학식 1 내지 화학식 3에서, m과 p가 클수록 이온 교환성에서 유리하고, n과 q가 클수록 기계적 물성이 향상될 수 있는데, 이때 이온 교환성과 기계적 물성이 동시에 양호하도록 m(p) : n(q)은 1 : 0.2 ~ 5.0인 것이 바람직하다.In addition, in the above Chemical Formulas 1 to 3, the larger m and p are advantageous in ion exchangeability, and the larger n and q may improve the mechanical properties, where m (p): It is preferable that n (q) is 1: 0.2-5.0.

본 발명에 따른 고분자 전해질 막은 상기의 중합체를 적어도 포함하는 재료, 구체적으로는 상기 중합체와 용매를 적어도 포함하는 캐스팅(casting) 용액을 통상과 같은 코팅 방법으로 제조될 수 있다.The polymer electrolyte membrane according to the present invention may be prepared by a coating method such as a material containing at least the polymer, specifically, a casting solution containing at least the polymer and a solvent.

본 발명에 따른 고분자 전해질 막은 위 중합체를 적어도 포함하되, 첨가물로서 거대분자가 치환된 무기산을 더 포함한다.The polymer electrolyte membrane according to the present invention includes at least the above polymer, and further includes an inorganic acid substituted with macromolecules as an additive.

본 발명에 따르면, 거대분자가 치환된 무기산은 무기산의 표면적을 크게 해주어 열적 안정성과 전기화학적 특성을 더욱 우수하게 하고, 고분자 전해질 막의 내구성을 우수하게 하고, 무기산의 침출 현상 방지 등의 보다 향상된 안정성을 갖게 한다.According to the present invention, the inorganic acid substituted with the macromolecule increases the surface area of the inorganic acid, thereby improving thermal stability and electrochemical properties, improving durability of the polymer electrolyte membrane, and improving stability such as preventing leaching of the inorganic acid. Have it.

이때, 무기산에 대한 거대분자의 치환량은 특별히 한정하는 것은 아니지만 고분자 전해질 막의 인장 강도를 저하시킬 우려가 있으므로 무기산의 양이온 대비 거대분자의 치환이 35% 이내로 치환되는 것이 좋고, 바람직하게는 5~25% 이내로 치환되는 것이 좋다.At this time, the substitution amount of the macromolecule to the inorganic acid is not particularly limited, so that the tensile strength of the polymer electrolyte membrane may be lowered, so that the substitution of the macromolecule to the cation of the inorganic acid is preferably within 35%, preferably 5 to 25%. It is good to substitute within.

또한 거대분자가 치환된 무기산은 20~40중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 이때, 위 무기산은 포스포텅스틱산, 지르코늄인산, 실리코텅스틱산, 포스포몰리브덴산 및 실리코몰리브덴산으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합이 사용될 수 있다.In addition, the inorganic acid substituted with the macromolecule is preferably contained in 20 to 40% by weight, wherein the inorganic acid in the crowd consisting of phosphotungstic acid, zirconium phosphoric acid, silico tungstic acid, phosphomolybdic acid and silicomolybdic acid One or more mixtures selected may be used.

또한, 상기 거대분자는 세슘, 암모늄, 루비듐, 나트륨 및 칼륨 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합이 사용될 수 있다.In addition, the macromolecule may be used one or two or more selected from the group consisting of cesium, ammonium, rubidium, sodium and potassium, and the like.

위와 같은 본 발명에 따른 고분자 전해질 막은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라서, 아래와 같은 방법으로 제조될 수 있다. The polymer electrolyte membrane according to the present invention as described above, according to a preferred embodiment of the present invention, can be prepared by the following method.

아래에서 제시하는 방법은 이온 교환기로서 술폰기(-SO3H)가 도입되도록 하고, 가교 결합을 위한 반응성기로서 부분 환원을 통해 설핀기(-SO2)가 도입되도록 하는 방법이다. The method presented below is a method in which a sulfone group (-SO 3 H) is introduced as an ion exchange group and a sulfin group (-SO 2 ) is introduced through partial reduction as a reactive group for crosslinking.

이는 본 발명에서 일실시 예로서 제시하는 것일 뿐, 본 발명에 따른 고분자 전해질 막이 아래에서 제시하는 방법에 의해 제조된 것으로 한정되는 것은 아니다.This is only presented as an embodiment in the present invention, the polymer electrolyte membrane according to the present invention is not limited to that produced by the method shown below.

본 발명에 따른 고분자 전해질 막은, (1)술폰기(-SO3H) 도입단계 (2)설핀기(-SO2) 도입단계 (3)부분 환원단계 (4)캐스팅(casting) 용액 제조단계 (5)캐스팅(casting) 단계 및 (6)술폰기(-SO3H) 치환단계를 적어도 포함하는 방법으로부터 제조될 수 있으며 각 단계별로 상세히 설명하면 다음과 같다.Polymer electrolyte membrane according to the present invention, (1) sulfone group (-SO 3 H) introduction step (2) sulfin group (-SO 2 ) introduction step (3) partial reduction step (4) casting solution manufacturing step ( 5) can be prepared from a method comprising at least a casting step and (6) sulfonic group (-SO 3 H) substitution step and will be described in detail for each step as follows.

(1)술폰기(-SO3H) 도입단계(1) Introduction of sulfone group (-SO 3 H)

먼저, 출발물질의 폴리머에 술폰화제를 반응시켜 술폰기(-SO3H)를 치환, 도입시킨다. First, a sulfonating agent is reacted with a polymer of a starting material to substitute and introduce a sulfone group (-SO 3 H).

이때, 출발물질로서 폴리머는, 전술한 바와 같이 폴리에테르에테르케톤, 폴리아릴렌에테르케톤, 폴리술폰, 폴리아릴렌에테르술폰, 폴리이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈시아졸, 폴리피롤론, 폴리포스파젠 및 이들의 공중합체로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 둘 이상이 바람직하며, 보다 바람직하게는 방향족 폴리에테르에테르케톤이 좋다.In this case, as the starting material, the polymer may be a polyether ether ketone, a polyarylene ether ketone, a polysulfone, a polyarylene ether sulfone, a polyimide, a polybenzimidazole, a polybenzoxazole, a polybenzithiazole, Preference is given to one or two or more selected from the group consisting of polypyrrolone, polyphosphazene and copolymers thereof, more preferably aromatic polyetheretherketone.

또한, 술폰화제는 황산(sulfuric acid, H2SO4), 설퍼트리옥사이드(sulfur trioxide, SO3) 및 클로로설포닉산(chlorosulfonic acid, ClSO3H) 등을 사용할 수 있다. In addition, the sulfonating agent may be used sulfuric acid (sulfuric acid, H 2 SO 4 ), sulfur trioxide (SO 3 ) and chlorosulfonic acid (ClSO 3 H).

이때, 술폰화제 400㎖에 폴리머 20 ~ 30g을 반응기에 넣고 상온에서 교반하되, 산화되는 것을 방지하기 위해 불활성 분위기(질소 분위기 등)에서 100 ~ 150시간 동안 교반하여 술폰화 된 폴리머를 제조하는 것이 좋다. 그리고 증류수로 세척한 다음, 건조시키는 것이 좋다.At this time, 20 to 30 g of the polymer is added to the reactor in 400 ml of sulfonating agent and stirred at room temperature, but in order to prevent oxidation, it is preferable to prepare the sulfonated polymer by stirring in an inert atmosphere (nitrogen atmosphere, etc.) for 100 to 150 hours. . After washing with distilled water, it is better to dry.

(2)설핀기(-SO2) 도입단계(2) Introduction of sulfin group (-SO 2 )

술폰화된 폴리머에 가교 결합을 위한 반응성기로서 설핀기(-SO2)를 도입하기 위해, 술폰화된 폴리머를티오닐 클로라이드(thionyl chloridde, SOCl2) 등에 녹인다. In order to introduce a sulfin group (-SO 2 ) as a reactive group for crosslinking to the sulfonated polymer, the sulfonated polymer is dissolved in thionyl chloride (SOCl 2 ) or the like.

이때, 술폰화된 폴리머는 술폰기(-SO3H) 대신에 -SO2Cl로 치환된다.At this time, the sulfonated polymer is substituted with -SO 2 Cl instead of the sulfone group (-SO 3 H).

구체적으로, 티오닐 클로라이드(SOCl2) 200㎖ ~ 250㎖에 술폰화된 폴리머를 10 ~ 15g을 넣고, N,N-디메틸포름아미드(DMF ; N,N-Dimethylformamide) 등을 첨가한 후, 60 ~ 80℃에서 교반하고 잔량의 SOCl2을 제거하기 위해 85 ~ 90℃에서 45 ~ 50분 동안 증류시켜 준다. Specifically, 10-15 g of sulfonated polymer is placed in 200 ml to 250 ml of thionyl chloride (SOCl 2 ), and N, N-dimethylformamide (DMF; N, N-Dimethylformamide) is added, and then 60 After stirring at ~ 80 ℃ and distillation of 45 ~ 50 minutes at 85 ~ 90 ℃ to remove the remaining SOCl 2 .

다음으로, 증류가 끝난 폴리머를 테트라하이드로푸란(THF ; tetrahydrofuran) 등에 희석한 다음, 희석된 용액을 알콜류(메탄올, 이소-프로판올등) 등에 침전, 세척한 후 건조시키는 것이 좋다.Next, the distilled polymer is diluted with tetrahydrofuran (THF; tetrahydrofuran) and the like, and then the precipitated solution is precipitated, washed with alcohol (methanol, iso-propanol, etc.), and dried.

(3)부분 환원단계(3) partial reduction step

폴리머 내에 설핀기(-SO2)와 술폰산염기(-SO2M ; 여기서 M은 금속이다)가 동시에 존재하도록, -SO2Cl기가 도입된 폴리머를 부분 환원시킨다. The polymer in which the -SO 2 Cl group is introduced is partially reduced such that a sulfin group (-SO 2 ) and a sulfonate group (-SO 2 M, where M is a metal) are simultaneously present in the polymer.

이때, 술폰산염기(-SO2M)로는 가교 반응성이 좋은 술폰산리튬기(-SO2Li)가 바람직한데, 이를 위해 환원 반응성이 좋은 술폰산나트륨기(-SO2Na)를 먼저 도입시키고, 이후 술폰산나트륨기(-SO2Na)를 술폰산리튬기(-SO2Li)로 치환하는 것이 좋다.In this case, the sulfonate group (-SO 2 M) is preferably a crosslinking reactive lithium sulfonate group (-SO 2 Li), for this purpose, a sodium sulfonate group (-SO 2 Na) with good reduction reactivity is introduced first, and then sulfonic acid It is preferable to replace the sodium group (-SO 2 Na) with a lithium sulfonate group (-SO 2 Li).

구체적으로, 상기 -SO2Cl기가 도입된 폴리머에 술폰산나트륨기(-SO2Na)가 존재하도록, 먼저 부분 환원을 위해 소디움설파이트(sodium sulfite, Na2SO3), 소디움설파이드 하이드레이트(sodium sulfide hydrate, Na2SㆍnH2O) 등의 부분 환원제 용액에 (2)단계에서 제조된 -SO2Cl기 도입 폴리머를 넣고 반응시킨다. 다음으로, 술폰산나트륨기(-SO2Na)를 술폰산리튬기(-SO2Li)로 치환시키기 위해, 리튬 클로라이드(lithium chloride, LiCl), 리튬아세테이트 디하이드레이트(lithium acetate dihydrate, CH3COOLiㆍ2H2O)등의 리튬화제 용액에 첨가 교반한다. 그리고 증류수 등으로 세척한 후, 건조시키는 것이 좋다.Specifically, so that the sulfonate group (-SO 2 Na) is present in the polymer into which the -SO 2 Cl group is introduced, sodium sulfite (Na 2 SO 3 ) and sodium sulfide hydrate (sodium sulfide) for partial reduction. In the partial reducing agent solution such as hydrate, Na 2 S.nH 2 O), the -SO 2 Cl group introduction polymer prepared in step (2) is added and reacted. Next, in order to replace the sodium group (-SO 2 Na) as the sulfonic acid group the sulfonic acid lithium (-SO 2 Li), lithium chloride (lithium chloride, LiCl), lithium acetate dihydrate (lithium acetate dihydrate, and CH3COOLi 2H 2 O It adds and stirs to lithiating solution solutions, such as). And after washing with distilled water or the like, it is good to dry.

(4)캐스팅 용액 제조단계(4) Casting solution manufacturing step

위 (3)단계에서의 부분 환원된 폴리머, 구체적으로 폴리머 내에 -SO2Cl기와 -SO2Li가 도입되어 있는 폴리머를 유기 용매에 혼합한 후, 가교제를 첨가 교반하여 캐스팅(casting) 용액을 제조한다.In the step (3), the partially reduced polymer, specifically, a polymer in which -SO 2 Cl and -SO 2 Li are introduced into the polymer is mixed with an organic solvent, and then a crosslinking agent is added and stirred to prepare a casting solution. do.

이때, 상기 가교제는 요오드화 알켄 등이 사용하되, 특별히 한정하는 것은 아니지만 (3)단계에서의 부분 환원된 폴리머 100중량부에 대하여 0.01 ~ 30중량부로 첨가될 수 있다.At this time, the crosslinking agent may be added, such as alkyne iodide, but is not particularly limited to 0.01 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the partially reduced polymer in step (3).

(5)캐스팅 단계(5) casting stage

상술한 캐스팅 용액을 통상과 같은 방법으로 코팅한 다음, 건조하여 막을 제조한다.The casting solution described above is coated in the same manner as usual and then dried to prepare a membrane.

(6)술폰기(-SO3H) 치환단계(6) sulfone group (-SO 3 H) substitution step

상술한 바와 같이 제조된 막에는 -SO2Cl기가 존재하고 있는데, 이를 술폰기(-SO3H)로 치환시킨다.In the membrane prepared as described above, a -SO 2 Cl group exists, which is substituted with a sulfone group (-SO 3 H).

구체적으로, 위 (3)단계의 부분 환원에 의해, -SO2Cl기의 일부는 -SO2Li기로 치환되고, 일부는 -SO2Cl기로 남아 있는데, 위 (5)단계에서 제조된 막을 황산(H2SO4) 용액 등에 침지하여 -SO2Cl기를 -SO3H로 치환시킨다.Specifically, the above (3) by partial reduction of the step, a portion of the -SO 2 Cl group is substituted with -SO 2 Li, some of which there remains a group -SO 2 Cl, the sulfate membrane prepared in the above step (5) It is immersed in a (H 2 SO 4 ) solution or the like to replace the -SO 2 Cl group with -SO 3 H.

한편, 본 발명에 따른 고분자 전해질 막의 제조방법은 거대분자가 치환된 무기산을 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the method for producing a polymer electrolyte membrane according to the invention is characterized in that it further comprises the step of adding the inorganic acid substituted macromolecule.

무기산은 가교제를 첨가 교반하기 이전에 첨가하는 것이 좋다. 구체적으로, 위 (4)단계에서는 부분 환원된 폴리머와 유기 용매를 혼합하는 과정에서 무기산을 첨가하여 (6)단계 이전에 거대분자 용액에 담구어 무기산의 양이온을 거대분자로 치환하거나 무기산을 거대분자 용액으로 적정하여 거대분자가 치환된 무기산을 위 (4)단계에서 첨가하고, 이후 가교제를 첨가 교반하는 것이 좋다. The inorganic acid is preferably added before the stirring of the crosslinking agent. Specifically, in step (4), the inorganic acid is added in the process of mixing the partially reduced polymer and the organic solvent to immerse in the macromolecular solution before step (6) to replace the cation of the inorganic acid with the macromolecule or the inorganic acid the macromolecule. After titration with the solution, the inorganic acid substituted with the macromolecule is added in step (4), and then, the crosslinking agent is added and stirred.

이때 무기산은 상술한 바와 같이 포스포텅스틱산, 지르코늄인산, 실리코텅스틱산, 포스포몰리브덴산 및 실리코몰리브덴산으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합을 사용할 수 있다. At this time, the inorganic acid may use one or two or more selected from the group consisting of phosphotungstic acid, zirconium phosphoric acid, silicotungstic acid, phosphomolybdic acid and silicomolybdic acid as described above.

아울러 거대분자는 상술한 바와 같이 세슘, 암모늄, 루비듐, 나트륨 및 칼륨 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합을 사용할 수 있다.In addition, the macromolecule may use one or more mixtures selected from the group consisting of cesium, ammonium, rubidium, sodium, potassium, and the like as described above.

본 발명에 따른 고분자 전해질 막은 위와 같은 과정을 통하여 제조될 수 있으며, 이때 화학식 1 내지 3에서 단위 블록 B의 가교 결합은 가교제의 첨가량뿐만 아니라, 위 (3)단계에서의 술폰산염기(-SO2M)의 도입 정도에 따라 제어될 수 있다. 상술한 바와 같이, 화학식 1 내지 3에서, m과 p가 클수록 이온 교환성에 유리하고, n과 q가 클수록 기계적 물성이 향상될 수 있는데, 이때 m(p)과 n(q)의 비율은 위 (3)단계에서 술폰산염기(-SO2M)의 도입 정도에 따라 제어될 수 있다. The polymer electrolyte membrane according to the present invention can be prepared through the above process, wherein the crosslinking of the unit block B in the formula (1) is not only the addition amount of the crosslinking agent, but also the sulfonate group (-SO 2 M) in the step (3) ) Can be controlled according to the degree of introduction. As described above, in Chemical Formulas 1 to 3, larger m and p are advantageous for ion exchangeability, and larger n and q may improve mechanical properties, wherein the ratio of m (p) and n (q) is equal to ( In step 3) it can be controlled according to the degree of introduction of sulfonate group (-SO 2 M).

보다 구체적으로, 소디움설파이트(sodium sulfite, Na2SO3) 및 소디움설파이드 하이드레이트(sodium sulfide hydrate, Na2ㆍnH2O) 용액 등의 부분 환원제의 몰 농도나 사용량, 그리고 리튬 클로라이드(lithium chloride, LiCl) 및 리튬 아세테이트 디하이드레이트(lithium acetate dihydrate, CH3COOLiㆍ2H2O) 용액 등의 리튬화제의 농도나 사용량을 제어함으로써, m(p)과 n(q)의 비율이 조절될 수 있다. More specifically, the molarity or amount of partial reducing agents such as sodium sulfite (Na 2 SO 3 ) and sodium sulfide hydrate (Na 2 ㆍ nH 2 O) solution, and lithium chloride (lithium chloride, The ratio of m (p) and n (q) can be controlled by controlling the concentration or amount of lithium agent such as LiCl) and lithium acetate dihydrate (CH 3 COOLi.2H 2 O) solution.

예를 들어, 부분 환원제로서 사용되는 소디움설파이트(Na2SO3) 용액의 몰 농도(M)가 작으면 이온 전도도 등의 전기화학적 특성은 높아지나 기계적 특성은 저하될 수 있고, 이와 반대로 소디움설파이트(Na2SO3) 용액의 몰 농도(M)가 크면 이온 전도도 등의 전기화학적 특성은 낮아지나 기계적 특성은 향상될 수 있다. For example, if the molar concentration (M) of the sodium sulfite (Na 2 SO 3 ) solution used as the partial reducing agent is small, the electrochemical properties such as ionic conductivity may be increased, but the mechanical properties may be decreased. If the molar concentration (M) of the Pite (Na 2 SO 3 ) solution is large, electrochemical properties such as ionic conductivity may be lowered, but mechanical properties may be improved.

특별히 한정하는 것은 아니지만, 부분 환원제로서 사용되는 소디움설파이트(Na2SO3) 용액은 0.5 ~ 2.0 몰농도(M)의 것이 사용되고, 리튬화제로서 사용되는 리튬 클로라이드(LiCl) 용액은 5 ~ 10중량%의 것이 사용될 수 있다.Although not particularly limited, the sodium sulfite (Na 2 SO 3 ) solution used as the partial reducing agent is 0.5 to 2.0 molar concentration (M), and the lithium chloride (LiCl) solution used as the lithium agent is 5 to 10 weight. % Can be used.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 고분자 전해질 막은, 그 용도에 있어서 이온 교환성을 위해 사용되는 것이면 본 발명에 포함한다.The polymer electrolyte membrane according to the present invention described above is included in the present invention as long as it is used for ion exchange in its use.

바람직하게는 물의 전기분해(수전해)나 연료 전지 등의 이온 교환막(전해질 막)으로 유용하게 적용될 수 있다.Preferably, it can be usefully applied to the electrolysis (water electrolysis) of water or an ion exchange membrane (electrolyte membrane) such as a fuel cell.

한편, 본 발명에 따른 수전해 장치 및 연료 전지는 통상과 같은 구조를 가질 수 있으며, 전해질로서 본 발명에 따른 고분자 전해질 막을 사용하는 것이면 본 발명에 포함한다.On the other hand, the electrolytic device and the fuel cell according to the present invention may have a structure as usual, and the polymer electrolyte membrane according to the present invention as an electrolyte is included in the present invention.

본 발명에 따른 수전해 장치는, 예를 들어 통상과 같이 전해질 막, 전해질 막의 양 표면에 형성된 양극 및 음극 촉매층을 가지는 막-전극 접합체(MEA)를 적어도 포함하되, 전자와 반응물 및 생성물의 공급과 배출이 가능한 형태로 배열된 프레임; 세퍼레이터(분리판); MEA 지지체 및 가스켓(패킹) 등을 포함하여 구성될 수 있다. The electrolytic device according to the present invention comprises at least a membrane-electrode assembly (MEA) having, for example, an electrolyte membrane, an anode and a cathode catalyst layer formed on both surfaces of the electrolyte membrane, and supplying electrons, reactants and products, A frame arranged in a dischargeable form; Separator (separator plate); It may comprise a MEA support and a gasket (packing) and the like.

이때, 막-전극 접합체(MEA)를 구성하는 전해질 막은 본 발명에 따른 고분자 전해질 막으로 구성된다.At this time, the electrolyte membrane constituting the membrane-electrode assembly (MEA) is composed of a polymer electrolyte membrane according to the present invention.

또한, 본 발명에 따른 연료 전지는, 예를 들어 통상과 같은 구조의 고체 고분자형 연료 전지(PEFC)로서, 전해질 막, 전해질 막의 양쪽에 접합된 촉매층, 촉매층의 외측에 접합된 가스 확산층을 포함하는 막-전극 접합체(MEA)를 가질 수 있다. 그리고 막-전극 접합체(MEA)에는 세퍼레이터가 배치되고, 연료 가스 또는 산화제 가스를 공급하는 가스 유로가 막-전극 접합체(MEA)와 세퍼레이터의 접촉 부분 또는 세퍼레이터 내에 형성될 수 있다.In addition, the fuel cell according to the present invention is, for example, a solid polymer fuel cell (PEFC) having a conventional structure, including an electrolyte membrane, a catalyst layer bonded to both sides of the electrolyte membrane, and a gas diffusion layer bonded to the outside of the catalyst layer. It may have a membrane-electrode assembly (MEA). In addition, a separator is disposed in the membrane electrode assembly MEA, and a gas flow path for supplying a fuel gas or an oxidant gas may be formed in a contact portion or separator of the membrane electrode assembly MEA and the separator.

아울러, 수소나 메탄올 등의 연료 가스가 공급되는 연료극과, 공기나 산소 등의 산화제 가스가 공급되는 산소극을 갖는다.Moreover, it has a fuel electrode to which fuel gas, such as hydrogen and methanol, is supplied, and an oxygen electrode to which oxidant gas, such as air and oxygen, is supplied.

이때, 막-전극 접합체(MEA)를 구성하는 전해질 막은 본 발명에 따른 고분자 전해질 막으로 구성된다.At this time, the electrolyte membrane constituting the membrane-electrode assembly (MEA) is composed of a polymer electrolyte membrane according to the present invention.

또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 통상과 같은 구조를 가질 수 있으며, 이를 구성하는 연료 전지로서 본 발명에 따른 연료 전지를 사용하는 것이면 본 발명에 포함한다. In addition, the fuel cell system according to the present invention may have a structure as usual, and if the fuel cell according to the present invention is used as the fuel cell constituting the same, it is included in the present invention.

예를 들어, 본 발명에 따른 연료 전지시스템은 연료 전지; 원료 가스로부터 수소를 생성하여 연료 전지의 연료극에 수소를 공급하는 수소 생성장치; 연료 전지의 산소극에 산화제 가스(공기, 산소 등)를 공급하는 산화제 가스 공급 장치; 연료극의 출입구를 개폐하는 연료 가스 개폐 수단; 산소 극의 출입구를 개폐하는 산화제 가스 개폐 수단; 상기 수소 생성 장치의 출입구를 개폐하는 수소 개폐 수단; 연료 가스 개폐 수단, 산화제 가스 개폐 수단 및 수소 개폐 수단의 개폐 동작을 제어하는 제어 장치 등을 포함할 수 있다. 이때, 상기 연료 전지는 상기 본 발명에 따른 고분자 전해막을 포함하는 연료 전지로 구성된다.For example, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell; A hydrogen generator for generating hydrogen from the source gas and supplying hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell; An oxidant gas supply device for supplying oxidant gas (air, oxygen, etc.) to the oxygen electrode of the fuel cell; Fuel gas opening and closing means for opening and closing the entrance and exit of the anode; Oxidant gas opening and closing means for opening and closing an entrance and exit of an oxygen pole; Hydrogen opening and closing means for opening and closing the entrance and exit of the hydrogen generating device; And a control device for controlling the opening and closing operations of the fuel gas opening and closing means, the oxidant gas opening and closing means, and the hydrogen opening and closing means. In this case, the fuel cell is composed of a fuel cell including the polymer electrolyte membrane according to the present invention.

또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 구성하는 수소 생성 장치로는 본 발명에 따른 수전해 장치가 적용될 수 있다.In addition, as the hydrogen generating device constituting the fuel cell system according to the present invention, the electrolytic device according to the present invention may be applied.

이하, 본 발명의 실시 예를 예시한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention is illustrated.

이때, 하기의 실시 예는 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니라 할 것이다.At this time, the following examples are merely provided to explain the present invention in more detail, whereby the technical scope of the present invention will not be limited.

[실시예 1]Example 1

방향족 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone ; 이하 'PEEK'라 한다)을 이용하여 아래와 같은 방법으로 공유 가교 결합된 SPEEK 막(SPEEK ; 술폰화된 PEEK을 의미한다)을 제조하였다.Covalently cross-linked SPEEK membrane (SPEEK; means sulfonated PEEK) was prepared by using an aromatic polyether ether ketone (hereinafter referred to as 'PEEK').

1. SPEEK의 제조1. Manufacture of SPEEK

먼저, 20g의 PEEK(Vitrex, 450G)을 12시간 동안 100℃에서 건조하여 수분을 완전히 제거한 후, 황산(H2SO4) 400㎖와 함께 3구 플라스크에 넣고 상온에서 교반하였다. First, 20 g of PEEK (Vitrex, 450G) was dried at 100 ° C. for 12 hours to completely remove moisture, and then placed in a three neck flask with 400 ml of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and stirred at room temperature.

이때, 산화방지를 위해 질소 분위기를 유지시켰으며, 350rpm의 교반 속도로 120시간 동안 교반하여 완전 용해시켰다.At this time, a nitrogen atmosphere was maintained to prevent oxidation, and was completely dissolved by stirring for 120 hours at a stirring speed of 350 rpm.

제조된 폴리머를 얼음물에 침전시킨 후, 다시 증류수에 12시간 동안 침전시켰다. 그리고 침전한 폴리머를 pH 7~8이 될 때까지 증류수로 수회 반복 세척한 후, 100℃의 진공 건조기에서 24시간 동안 완전 건조하여 술폰화도 90% 이상의 SPEEK(술폰화된 폴리에테르에테르케톤)를 제조하였다.The prepared polymer was precipitated in ice water, and then again precipitated in distilled water for 12 hours. The precipitated polymer was repeatedly washed with distilled water several times until pH 7-8, and then completely dried in a vacuum dryer at 100 ° C. for 24 hours to prepare SPEEK (sulfonated polyether ether ketone) having a sulfonation degree of 90% or more. It was.

2. PEEK-SO2Cl의 제조2. Preparation of PEEK-SO2Cl

제조된 SPEEK에 설핀기를 도입하기 위하여, 제조된 SPEEK 12g을 티오닐 클로라이드(thionyl chloride, SOCl2) 200㎖에 녹인 후, N,N-디메틸포름아미드(N,N-dimethylformamide, DMF) 3㎖를 첨가함과 동시에 60℃에서 3시간 동안 교반해 주었으며, 잔량의 SOCl2를 제거하기 위하여 85℃에서 50분 동안 증류하였다. 증류가 끝난 폴리머를 테트라하이드로푸란(tetrahydrofuran, THF) 20㎖에 희석하였으며, 희석된 용액을 메탄올(methanol)에 침전시킨 후, 생성된 폴리머를 수회 세척하였다. 생성된 폴리머를 다시 120㎖의 THF에 녹인 후, 메탄올에 침전시키고 수회 세척한 다음, 25℃의 진공 건조기에서 24시간 동안 완전 건조하여 PEEK-SO2Cl를 제조하였다.In order to introduce sulfin groups into the prepared SPEEK, 12 g of the prepared SPEEK was dissolved in 200 ml of thionyl chloride (SOCl 2 ), and then 3 ml of N, N-dimethylformamide (DMF) was added thereto. At the same time, the mixture was stirred at 60 ° C. for 3 hours and distilled at 85 ° C. for 50 minutes to remove the remaining amount of SOCl 2 . The distilled polymer was diluted in 20 mL of tetrahydrofuran (THF), the diluted solution was precipitated in methanol, and the resulting polymer was washed several times. The resulting polymer was again dissolved in 120 mL of THF, precipitated in methanol, washed several times, and completely dried in a vacuum dryer at 25 ° C. for 24 hours to prepare PEEK-SO 2 Cl.

3. PEEK-SO2Cl-SO2Li의 제조3. Preparation of PEEK-SO 2 Cl-SO 2 Li

제조된 PEEK-SO2Cl 8g과 소디움 설페이트(sodium sulfate, Na2SO3) 용액을 3구 플라스크에 넣고, 70℃에서 24시간 동안 교반하여 설핀기를 부분적으로 환원시켜 폴리머 내에 -SO2Na기를 도입시켰다.(PEEK-SO2Cl-SO2Na 제조)The prepared solution of PEEK-SO 2 Cl 8g and sodium sulfate (sodium sulfate, Na 2 SO 3 ) was put into a three-necked flask and stirred at 70 ° C. for 24 hours to partially reduce the sulfin group to introduce -SO 2 Na group into the polymer. (Manufactured by PEEK-SO 2 Cl-SO 2 Na)

이때, 부분 환원도에 따른 막의 특성을 알아보기 위하여 소디움 설페이트(Na2SO3) 용액의 몰 농도(M, mole/ℓ)를 0.5M, 1.0M, 1.5M 및 2.0M로 달리하여 실시하였다.At this time, the molar concentration (M, mole / L) of the sodium sulfate (Na 2 SO 3 ) solution was carried out to 0.5M, 1.0M, 1.5M and 2.0M to determine the characteristics of the membrane according to the degree of partial reduction.

다음으로, 생성된 흰색 부유물을 분리하고, 이를 리튬 클로라이드(lithium chloride, LiCl) 용액과 1시간 동안 교반하여 -SO2Na기 대신에 -SO2Li기로 치환하였다.Next, remove the resulting white suspension, which was substituted with this lithium chloride (lithium chloride, LiCl) and the solution was stirred for 1 hour, a group -SO 2 Li, instead of group -SO 2 Na.

이때, 리튬화 정도에 따른 막의 특성을 알아보기 위하여, 2.0M의 소디움 설페이트(Na2SO3) 용액으로 부분 환원시킨 폴리머에 대하여 리튬 클로라이드(LiCl) 용액을 5wt%, 7wt% 및 10wt%로 달리하여 사용하였다. 그리고 증류수에 수회 반복 세척한 후, 40℃의 진공 건조기에서 24시간 동안 완전 건조하여 부분 환원된 PEEK-SO2Cl-SO2Li를 제조하였다.In this case, in order to examine the characteristics of the film according to the degree of lithiation, the lithium chloride (LiCl) solution was different from 5 wt%, 7 wt%, and 10 wt% with respect to the polymer partially reduced with 2.0 M sodium sulfate (Na 2 SO 3 ) solution. Was used. After repeated washing with distilled water several times, completely dried in a vacuum dryer at 40 ℃ for 24 hours to prepare a partially reduced PEEK-SO 2 Cl-SO 2 Li.

4. 막(Membrane)의 제조4. Preparation of Membrane

제조된 폴리머(PEEK-SO2Cl-SO2Li) 3g을 n-메틸-2-피롤리디논(n-methyl-2- pyrrolidinone, NMP) 용매에 투입하여 용해 후, 가교제로서 1,4-디이오도부텐(1,4-diiodobutene) 0.05㎖를 첨가한 다음, 40분 동안 강하게 교반하여 캐스팅(casting) 용액을 제조하였다. 제조된 캐스팅(casting) 용액을 코팅기(coating machine, 대한민국 SinilEng. 제품)로 캐스팅한 다음, 먼저 상온에서 12시간 동안 건조시킨 후, 60℃에서 4시간 동안 건조시키고, 다시 120℃에서 12시간 건조시켜 막을 제조하였다.3 g of the prepared polymer (PEEK-SO2Cl-SO2Li) was added to a solvent of n-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) and dissolved therein, and then 1,4-diodobutene (1) as a crosslinking agent ( 1,4-diiodobutene) was added thereto, followed by vigorous stirring for 40 minutes to prepare a casting solution. After casting the prepared casting solution (coating machine, SinilEng. Korea), first dried at room temperature for 12 hours, then dried at 60 ℃ for 4 hours, then dried at 120 ℃ for 12 hours The membrane was prepared.

다음으로, 제조된 막을 10wt%의 H2SO4 수용액에 24시간 담가 설핀기를 술폰기로 치환하여, 본 실시 예에 따른 고체 고분자 전해질 막(공유 가교 결합된 SPEEK 막)을 제조하였다.Next, the prepared membrane was immersed in a 10 wt% H 2 SO 4 aqueous solution for 24 hours to replace the sulfin group with a sulfone group, thereby preparing a solid polymer electrolyte membrane (covalently crosslinked SPEEK membrane) according to the present embodiment.

[실시 예 2][Example 2]

위 실시 예 1과 동일하게 실시하되, 가교제를 첨가하기 이전에 무기산으로서 포스포텅스틱산(H3O40PW12)을 더 첨가하여 막을 제조하였다.In the same manner as in Example 1 above, a membrane was prepared by further adding phosphotungstic acid (H 3 O 40 PW 12 ) as an inorganic acid before adding a crosslinking agent.

이때, 무기산 첨가량에 따른 막의 특성을 알아보기 위하여 포스포텅스틱산(H3O40PW12)의 함량을 캐스팅(casting) 용액에 10wt%, 20wt%, 30wt%, 40wt%, 50wt% 및 60wt%로 달리하여 첨가하였다.At this time, the content of the phosphotungstic acid (H 3 O 40 PW 12 ) in the casting solution 10wt%, 20wt%, 30wt%, 40wt%, 50wt% and 60wt% to determine the characteristics of the membrane according to the amount of the inorganic acid added Otherwise added.

이때, 소디움 설페이트(Na2SO3) 용액의 농도는 2.0M, 리튬 클로라이드(LiCl) 용액은 7wt%인 것을 사용한 것을 본 실시 예의 시편으로 하였다.At this time, the concentration of sodium sulfate (Na 2 SO 3 ) solution was 2.0M, lithium chloride (LiCl) solution was used as the specimen of this embodiment that the 7wt%.

[실시 예 3][Example 3]

위 실시 예 2와 동일하게 실시하되, 거대분자 치환방법과 치환량에 따른 막의 특성을 알아보기 위하여 가교제를 첨가하기 이전에 무기산으로 포스포텅스틱산(H3O40PW12)을 더 첨가하여 막을 제조하여 0.1M 세슘(Cs)용액에 담구어 세슘이 치환된 포스포텅스틱산이 첨가된 고분자 전해질 막을 만들었다. In the same manner as in Example 2, to prepare the membrane by adding phosphotungstic acid (H 3 O 40 PW 12 ) to the inorganic acid before adding the crosslinking agent in order to determine the properties of the membrane according to the macromolecular substitution method and the amount of substitution. It was immersed in 0.1M cesium (Cs) solution to make a polymer electrolyte membrane to which phosphotungstic acid substituted with cesium was added.

또한, 고분자 전해질 막에 첨가하기 전에 포스포텅스틱산에 세슘 용액을 적정하여 포스포텅스틱산 대비 세슘 용액의 부피비율을 10vol%, 25vol%, 33vol%, 50vol%로 첨가하였다.In addition, the cesium solution was titrated with phosphotungstic acid before addition to the polymer electrolyte membrane, and the volume ratio of the cesium solution to the phosphotungstic acid was added at 10 vol%, 25 vol%, 33 vol%, and 50 vol%.

이때, 소디움 설페이트(Na2SO3) 용액의 농도는 2.0M, 리튬 클로라이드(LiCl) 용액은 7wt% 및 거대분자가 치환된 포스포텅스틱산의 첨가량을 30wt%로 고정하여 본 실시 예의 시편으로 하였다.At this time, the concentration of sodium sulfate (Na 2 SO 3 ) solution was 2.0M, lithium chloride (LiCl) solution 7% by weight and the addition amount of phospho tungstic acid substituted with a macromolecule was fixed to 30wt% to prepare a specimen of this embodiment .

[비교 예 1][Comparative Example 1]

위 실시 예 1과 대비하여, 부분 환원을 통한 가교 결합이 진행되지 않은 것을 본 비교 예의 시편으로 적용하였다.In contrast to Example 1 above, the cross-linking was not carried out through the partial reduction was applied as a specimen of this comparative example.

구체적으로, 위 실시 예 1의 1단계에서 제조된 SPEEK(술폰화된 폴리에테르에테르케톤)를 본 비교예의 시편으로 적용하였다.Specifically, SPEEK (sulfonated polyether ether ketone) prepared in step 1 of Example 1 was applied as a specimen of this comparative example.

위 실시 예들 및 비교 예에 따른 막 시편에 대하여, 다음과 같이 온도에 따른 수소 이온 전도도(S/㎝), 이온 교환용량(meq/g-dry-membr.), 함수율(%), 인장 강도(MPa) 및 연신율(%) 등의 특성을 평가하였다.For membrane specimens according to the above examples and comparative examples, hydrogen ion conductivity (S / cm), ion exchange capacity (meq / g-dry-membr.), Water content (%), and tensile strength (%) Characteristics such as MPa) and elongation (%) were evaluated.

< 전해질 막의 특성 평가 ><Evaluation of Electrolyte Membrane>

1. 물리적 특성 평가1. Physical property evaluation

가. 수소 이온 전도도 평가end. Hydrogen ion conductivity evaluation

제조된 막에 대하여 임피던스(Impedance) 측정기(solartron 1260 analyzer)를 사용하여 온도에 따른 수소 이온 전도도를 평가하였다.The prepared membranes were evaluated for hydrogen ion conductivity with temperature using an impedance measuring instrument (solartron 1260 analyzer).

이때, 수소 이온 전도도(S/cm)는 1KHz에서 저항(Ω) 등을 측정한 다음, 하기 수학식 1에 대입하여 계산하였다.At this time, the hydrogen ion conductivity (S / cm) was calculated by substituting the resistance (Ω) at 1KHz and then substituted in the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

σ = 1/((r2-r1)×S)σ = 1 / ((r 2 -r 1 ) × S)

수학식 1에서, σ는 수소 이온 전도도(S/cm)이고, r1은 막이 없을 때의 순수한 1M H2SO4 수용액의 전기저항(Ω)이며, r2는 막을 삽입하여 측정한 전기저항(Ω)이고, S는 막의 면적(㎠)이며, l은 막의 두께(cm)를 나타낸다.In Equation 1, σ is hydrogen ion conductivity (S / cm), r 1 is the electrical resistance (Ω) of pure 1M H 2 SO 4 aqueous solution in the absence of a membrane, and r 2 is the electrical resistance measured by inserting the membrane ( Ω), S is the film area (cm 2), and l is the film thickness (cm).

그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.The results are shown in the following [Table 1].

<온도에 따른 수소 이온 전도도 평가 결과><Hydrogen Conductivity Evaluation Results According to Temperature> 구분
division
온도(℃)Temperature (℃)
25℃25 ℃ 60℃60 ° C 80℃80 ℃ 실시예1Example 1 7.0×10-2~7.5×10-2
7.0 × 10 -2 to 7.5 × 10 -2
8.5×10-1~9.0×10-1 8.5 × 10 -1 to 9.0 × 10 -1 1.0×10-1~1.1×10-1 1.0 × 10 -1 to 1.1 × 10 -1
실시예2Example 2 9.0×10-2~9.5×10-2
9.0 × 10 -2 to 9.5 × 10 -2
1.0×10-1~1.1×10-1 1.0 × 10 -1 to 1.1 × 10 -1 1.2×10-1~1.3×10-1 1.2 × 10 -1 to 1.3 × 10 -1
실시예3Example 3 4.0×10-2~6.3×10-2
4.0 × 10 -2 to 6.3 × 10 -2
1.0×10-1~1.2×10-1 1.0 × 10 -1 to 1.2 × 10 -1 1.6×10-1~2.3×10-1 1.6 × 10 -1 to 2.3 × 10 -1
비교예1Comparative Example 1 2.5×10-2~2.7×10-2
2.5 × 10 -2 to 2.7 × 10 -2
3.7×10-2~3.8×10-2 3.7 × 10 -2 to 3.8 × 10 -2 swellingswelling

위 [표 1]에 나타낸 바와 같이, 단순히 술폰화시킨 SPEEK 막에 비하여, 공유 가교 결합된 SPEEK 막(실시예1 및 실시예2)은 연결되어 수소 이온의 전도성이 향상되었으며, 80℃의 고온에서도 가교 결합으로 인해 고분자 백본(back bone)이 가수 분해되지 않아 우수한 이온 전도도를 가짐을 알 수 있었다.As shown in Table 1 above, compared to the sulfonated SPEEK membrane, covalently cross-linked SPEEK membranes (Examples 1 and 2) were connected to improve conductivity of hydrogen ions, even at a high temperature of 80 ° C. Due to the crosslinking, the backbone of the polymer was not hydrolyzed, and it was found to have excellent ionic conductivity.

그리고 단순히 술폰화시킨 SPEEK 막(비교예 1)은 80℃에서 팽윤(swelling)됨을 알 수 있다.And it can be seen that the sulfonated SPEEK membrane (Comparative Example 1) is swelled at 80 ° C.

또한, 실시예1 보다는 무기산으로서 포스포텅스틱산(H3O40PW12)이 첨가된 실시예2의 경우가 열적 안정성 및 이온전도성이 보다 향상됨을 알 수 있으며 이는 포스포텅스틱산을 부여하기 때문인 것으로 판단된다.In addition, it can be seen that the case of Example 2 to which the phospho tungstic acid (H 3 O 40 PW 12 ) is added as the inorganic acid than Example 1 is improved thermal stability and ionic conductivity because it gives phospho tungstic acid It seems to be.

한편, 실시예1과 실시예2보다는 본 발명과 같은 실시예3의 경우가 열적 안정성 및 이온전도성이 보다 향상됨을 알 수 있으며, 이는 세슘이 포스포텅스틱산에 치환되면 미세한 기공이 발생하여 포스포텅스틱산의 표면적을 크게 해주기 때문에 높은 양성자 전도도를 부여하기 때문인 것으로 판단된다.On the other hand, it can be seen that the case of Example 3, such as the present invention than Example 1 and Example 2 is more thermal stability and ionic conductivity, which is fine pores are generated when the cesium is substituted by phosphotungstic acid It is believed that the proton conductivity is high because the surface area of the stick acid is increased.

나. 기계적 특성 평가I. Mechanical property evaluation

실시예1, 2, 3 및 비교예 1에 따른 막에 대하여 기계적 특성(인장강도 및 연신율)을 측정하여 그 결과를 하기 [표 2]에 나타내었다.The mechanical properties (tensile strength and elongation) of the membranes according to Examples 1, 2, 3 and Comparative Example 1 were measured and the results are shown in the following [Table 2].

한편, 측정기기는 영국 Llyod사의 LR-5K 제품을 이용하였으며, 25℃의 상온에서 ASTM D 882의 규정에 의해 막의 인장 강도와 연신율을 측정하였다.On the other hand, the measuring instrument was used LR-5K product of Llyod, UK, and measured the tensile strength and elongation of the film by the provisions of ASTM D 882 at room temperature of 25 ℃.

하기 [표 2]에서, 실시예 1의 결과는 소디움 설페이트(Na2SO3)용액의 농도는 2.0M, 리튬 클로라이드(LiCl) 용액은 7wt%인 것을 사용한 것을 시편으로 하여 측정한 결과이고, 실시예 2의 결과는 포스포텅스틱산(H3O40PW12)을 30wt% 첨가한 것을 사용한 것을 시편으로 하여 측정한 결과이다.In the following [Table 2], the result of Example 1 is a result of measuring the concentration of the sodium sulfate (Na 2 SO 3 ) solution is 2.0M, the lithium chloride (LiCl) solution using 7wt% of the sample, results of example 2 shows the result of measurement was used the addition of the phosphine poteong stick acid (H 3 PW 40 O 12) 30wt% in the specimen.

<기계적 특성 평가 결과><Mechanical characteristic evaluation result> 구분division 인장 강도(MPa)Tensile Strength (MPa) 연신율(%)Elongation (%) 실시예1Example 1 64.2564.25 52.9352.93 실시예2Example 2 75.0175.01 83.7683.76 실시예3Example 3 47.347.3 40.440.4 비교예1Comparative Example 1 10.4210.42 316.2316.2

위 [표 2]에 나타낸 바와 같이, 단순히 술폰화시킨 SPEEK 막(비교예1)에 비하여, 공유 가교 결합된 SPEEK 막(실시예1 및 실시예2)이 6배 이상으로 인장 강도가 향상되었음을 알 수 있었다. As shown in Table 2 above, it was found that the covalently crosslinked SPEEK membranes (Examples 1 and 2) were improved by 6 times or more compared to the sulfonated SPEEK membranes (Comparative Example 1). Could.

특히, 본 발명과 같은 실시예3은 비교예 1보다 5배 정도의 인장 강도가 향상되었음을 알 수 있다.In particular, Example 3, such as the present invention can be seen that the tensile strength of about 5 times than the Comparative Example 1.

다. 산화 안정성에 대한 내구력 특성 평가All. Evaluation of Durability Characteristics for Oxidation Stability

실시예1,2,3과 비교예1에 따른 막에 대하여 황산철(FeSO4)과 과산화수소(H2O2) 용액을 혼합하여 만든 펜톤(Fenton)시약에 의한 최종 분해시간을 측정하여 산화 안정성에 대한 내구력 특성을 평가하였다.Oxidation Stability by Measuring Final Decomposition Time by Fenton Reagent Prepared by Mixing Ferric Sulfate (FeSO 4 ) and Hydrogen Peroxide (H 2 O 2 ) Solution for Membranes according to Examples 1, 2, 3 and Comparative Example 1 The durability characteristics for were evaluated.

<산화 안정성에 대한 내구력 특성 평가 결과><Result of Evaluation of Durability Characteristics on Oxidation Stability> 구분division 펜톤 시약에 의한 막 분해시간(시간:분)Membrane Degradation Time by Fenton's Reagent (hour: minute) 실시예1Example 1 29:4129:41 실시예2Example 2 48:3248:32 실시예3Example 3 1200:001200: 00 비교예1Comparative Example 1 6:326:32

위 [표 3]에 나타낸 바와 같이, 단순히 술폰화시킨 SPEEK 막(비교예1), 공유가교 결합된 SPEEK 막(실시예1) 및 무기산을 첨가한 공유가교 결합된 SPEEK 막(실시예2)에 비하여, 세슘이 치환된 무기산을 첨가한 공유가교 결합된 SPEEK 막(실시예3)은 무기산의 용해도 저하 및 침출량이 감소하여 고분자 전해질 막의 팽윤에 의한 가수분해가 저하되어 산화 안정성이 향상되었다.As shown in Table 3 above, the sulfonated SPEEK membrane (Comparative Example 1), the covalently bonded SPEEK membrane (Example 1), and the inorganic acid-added cocrosslinked SPEEK membrane (Example 2) In comparison, the co-crosslinked SPEEK membrane (Example 3) to which the cesium-substituted inorganic acid was added decreased the solubility and leaching amount of the inorganic acid, thereby reducing the hydrolysis caused by the swelling of the polymer electrolyte membrane, thereby improving oxidation stability.

이상의 결과로부터, 비교예1과 같이 단순히 술폰화한 고분자 막은 고온에서 쉽게 가수 분해되고, 인장 강도 등의 기계적 특성이 낮으나, 본 발명에 따라서 공유 가교 결합된 경우 고온에도 가수 분해되지 않으며, 이온 교환용량 및 함수율을 높게 유지되어 이온 전도도가 우수하고, 또한 인장 강도 등의 기계적 특성이 향상됨을 알 수 있었다. From the above results, the sulfonated polymer membrane is easily hydrolyzed at high temperature and has low mechanical properties such as tensile strength. However, when covalently crosslinked according to the present invention, it is not hydrolyzed even at high temperature. And it was found that the water content is kept high, and the ionic conductivity is excellent, and mechanical properties such as tensile strength are improved.

또한, 실시예2에서와 같이 무기산이 더 첨가된 경우 열적 안정성 및 기계적 특성이 보다 더 향상됨을 알 수 있었다. 이때, 무기산의 첨가량에 있어서는 40wt% 이하에서, 보다 바람직하게는 20 ~ 30wt%에서 우수한 결과를 보임을 알 수 있었다. 또한, 이상의 결과로부터, 양이온을 거대분자로 치환한 무기산이 첨가된 경우 전기화학적 특성, 열적 안정성, 무기산의 안정성 및 산화 안정성이 보다 더 향상됨을 알 수 있었다.In addition, as in Example 2, it was found that when the inorganic acid was further added, thermal stability and mechanical properties were further improved. In this case, it was found that the addition amount of the inorganic acid showed excellent results at 40 wt% or less, more preferably at 20 to 30 wt%. In addition, it can be seen from the above results that the electrochemical properties, thermal stability, inorganic acid stability and oxidation stability were further improved when the inorganic acid in which the cation was substituted with the macromolecule was added.

이때, 세슘의 치환량은 25vol% 이하에서, 보다 바람직하게는 치환방법에 있어서는 막을 캐스팅 한 후에 세슘용액에 담구어 치환하는 방법이 우수한 결과를 보임을 알 수 있었다.In this case, the amount of cesium substitution was 25 vol% or less, more preferably, in the substitution method, the method of immersing in a cesium solution after casting the membrane showed a good result.

한편, 상기 제조된 막을 이용하여 다음과 같이 막-전극 접합체(MEA) 제조하고, 제조된 MEA를 수전해 셀에 적용하여 전기적 성능을 평가하였다.Meanwhile, the membrane-electrode assembly (MEA) was prepared using the prepared membrane as described below, and the prepared MEA was applied to an electrolytic cell to evaluate electrical performance.

2. 막-전극 접합체(MEA) 제조 및 수전해 셀 성능 평가2. Fabrication of membrane-electrode assembly (MEA) and evaluation of electrolytic cell performance

막-전극 접합체(MEA)의 제조방법으로서 수전해에 적합한 함침-환원법(impregnation-reduction method)을 이용하여 백금 촉매를 함침시켰고, 위 실시예1 및 비교예1에서 제조된 PEEK 막과 상용막인 Nafion 117(dupont사제품)을 이용하여 통상의 방법에 따라 Pt/PEM MEA를 제조하였다.As a manufacturing method of the membrane-electrode assembly (MEA), the platinum catalyst was impregnated using an impregnation-reduction method suitable for electrolysis, and the commercial membrane was used as the PEEK membrane prepared in Examples 1 and 1 above. Pt / PEM MEA was prepared according to a conventional method using Nafion 117 (manufactured by Dupont).

그리고 제조된 MEA를 수전해 셀로 적용하여 물의 전기분해 시의 조전압과 전류밀도를 측정하였다.In addition, the prepared MEA was applied to a cell to receive a cell, and the voltage and current density of the electrolysis of water were measured.

이때, 백금 시약은 백금 양이온 화합물인 테트라아민플라트니움(tetraammineplathnium(Ⅱ) chloride hydrate ; Pt(NH3)4Cl2)을 사용하였고, 환원제로는 소디움보로하이드라이드(sodium borohydride ; NaBH4)를 사용하였다. 전처리를 통해 불순물을 제거한 막을 5 mmol/L의 Pt(NH3)4Cl2) 수용액에 1시간 동안 담근 후, 백금 시약을 제거하고, pH 13으로 조정된 환원제 NaBH4를 사용하여 0.8 mol/L의 농도로 90분 동안 환원시켰다.At this time, a platinum reagent was used as tetraammineplathnium (II) chloride hydrate (Pt (NH 3 ) 4 Cl 2 ), which is a platinum cationic compound, and sodium borohydride (NaBH 4 ) as a reducing agent. Was used. After pre-treatment, the membrane with impurities removed was immersed in 5 mmol / L Pt (NH 3 ) 4 Cl 2 ) solution for 1 hour, and then the platinum reagent was removed and 0.8 mol / L was used with a reducing agent NaBH 4 adjusted to pH 13. Reduction was carried out at a concentration of 90 minutes.

도 1은 위와 같이 제조된 MEA의 CV 곡선을 나타낸 것이며, 도 2는 상기 제조된 MEA를 수전해 셀에 적용한 전류-전압 그래프이다.FIG. 1 illustrates a CV curve of a MEA manufactured as described above, and FIG. 2 is a current-voltage graph of the manufactured MEA applied to a cell.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라서 공유 가교 결합된 SPEEK 막(실시예 1)으로 제조한 MEA가 64.54 mC/㎠으로 높은 전류량을 보였다.As shown in FIG. 1, the MEA made from the covalently crosslinked SPEEK membrane (Example 1) according to the present invention showed a high amount of current at 64.54 mC / cm 2.

이와 같이 전류량이 높다는 것은, 같은 시간 동안 반응시킨 경우에 흐른 전류량이 많다는 것을 의미하고, 이는 결국 반응 속도가 빠른 우수한 전극을 의미한다.Such a high amount of current means that a large amount of current flows when reacted for the same time, which means an excellent electrode having a fast reaction rate.

아울러, 도 2에 나타낸 바와 같이, 1A/㎠에서의 물의 전기분해 전압은 Nafion 117 막이 적용된 셀의 경우에는 1.85V, 공유 가교 결합된 SPEEK 막(실시예 1)이 적용된 셀의 경우에는 1.81V로서, 공유 가교 결합된 막이 적용된 경우가 더 우수한 성능을 가짐을 알 수 있었다.In addition, as shown in FIG. 2, the electrolysis voltage of water at 1 A / cm 2 was 1.85 V for cells with Nafion 117 membrane and 1.81 V for cells with covalently cross-linked SPEEK membrane (Example 1). In this case, it was found that the covalently crosslinked membrane had better performance.

이상의 결과로부터, 전극(MEA)의 전류량, 활성 표면적, 백금 담지량, 그리고 수전해 셀의 전기적 성능 등에 있어서, 본 발명에 따라서 공유 가교 결합된 막을 적용한 경우가 단순히 술폰화한 고분자 막이나 통상의 상용화된 Nafion 제품을 적용한 경우보다 우수한 특성을 가짐을 알 수 있었다.
From the above results, in the case of applying the covalently crosslinked membrane according to the present invention in the amount of current of the electrode MEA, the active surface area, the amount of platinum supported, and the electrical performance of the electrolytic cell, the sulfonated polymer membrane or the conventional commercialized It was found to have better properties than the Nafion product.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.As described above, the present invention has been illustrated and described with reference to preferred embodiments, but is not limited to the above-described embodiments, and is provided to those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications are possible by this.

Claims (15)

하기 화학식의 반복단위를 갖는 중합체 및 거대분자가 치환된 무기산을 포함하는 것을 특징으로 하되,
상기 거대분자는 세슘, 암모늄, 루비듐, 나트륨 및 칼륨으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막.
[화학식]
Figure pat00005

(위 식에서, R은 탄화수소이고 m, n, p 및 q는 1 이상의 정수이며, m = p이고, n = q이다.)
To include a polymer having a repeating unit of the formula and a macromolecular acid substituted inorganic acid,
The macromolecule is a polymer electrolyte membrane, characterized in that any one or two or more selected from the group consisting of cesium, ammonium, rubidium, sodium and potassium.
[Chemical Formula]
Figure pat00005

(Wherein R is a hydrocarbon and m, n, p and q are integers of at least 1, m = p and n = q.)
제 1 항에 있어서,
상기 무기산은 포스포텅스틱산, 지르코늄인산, 실리코텅스틱산, 포스포몰리브덴산 및 실리코몰리브덴산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막.
The method of claim 1,
The inorganic acid is a polymer electrolyte membrane, characterized in that one or two or more selected from the group consisting of phosphotungstic acid, zirconium phosphoric acid, silico tungstic acid, phosphomolybdic acid and silicomolybdic acid.
제 2 항에 있어서,
상기 고분자 전해질 막은 상기 거대분자가 치환된 무기산이 20 ~ 40중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막.
The method of claim 2,
The polymer electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane, characterized in that 20 to 40% by weight of the inorganic acid substituted with the macromolecule.
제 3 항에 있어서,
상기 거대분자가 치환된 무기산은 무기산의 양이온 대비 거대분자가 5 ~ 35%로 치환되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막.
The method of claim 3, wherein
The inorganic acid substituted with the macromolecule is a polymer electrolyte membrane, characterized in that the macromolecule is substituted by 5 to 35% relative to the cation of the inorganic acid.
폴리머에 술폰기(-SO3H)를 도입시키는 제1단계;
상기 술폰화된 폴리머에 설핀기(-SO2)를 도입시키는 제2단계;
폴리머 내에 설핀기(-SO2)와 술폰산염기(-SO2M ; M은 금속)가 존재하도록 상기 설핀화 된 폴리머를 부분 환원시키는 제3단계;
용매에 상기 부분 환원된 폴리머를 혼합한 후, 가교제를 첨가 교반하여 캐스팅 용액을 제조하는 제4단계;
상기 캐스팅 용액을 코팅하여 막을 제조하는 제5단계; 및
상기 제조된 막의 설핀기(-SO2)를 술폰기(-SO3H)로 치환하는 제6단계;를 포함하되,
상기 제4단계는 거대분자가 치환된 무기산이 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.
Introducing a sulfone group (-SO 3 H) into the polymer;
Introducing a sulfin group (-SO 2 ) into the sulfonated polymer;
A third step of partially reducing the sulfinated polymer such that sulfin groups (-SO 2 ) and sulfonate groups (-SO 2 M; M is a metal) are present in the polymer;
Mixing the partially reduced polymer with a solvent and then adding and stirring a crosslinking agent to prepare a casting solution;
A fifth step of preparing a film by coating the casting solution; And
And a sixth step of replacing the sulfin group (-SO 2 ) of the prepared membrane with a sulfone group (-SO 3 H).
The fourth step is a method for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that the addition of the inorganic acid substituted macromolecule.
제 5 항에 있어서,
상기 거대분자는 세슘, 암모늄, 루비듐, 나트륨 및 칼륨으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.
The method of claim 5, wherein
The macromolecule is a method for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that any one or two or more selected from the group consisting of cesium, ammonium, rubidium, sodium and potassium.
제 6 항에 있어서,
상기 무기산은 포스포텅스틱산, 지르코늄인산, 실리코텅스틱산, 포스포몰리브덴산 및 실리코몰리브덴산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.
The method according to claim 6,
The inorganic acid is a method for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that one or two or more selected from the group consisting of phosphotungstic acid, zirconium phosphoric acid, silico tungstic acid, phosphomolybdic acid and silicomolybdic acid.
제 7 항에 있어서,
상기 거대분자가 치환된 무기산은 무기산의 양이온 대비 거대분자가 5 ~ 35%로 치환되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The inorganic acid substituted with the macromolecule is a method for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that the macromolecule is substituted by 5 to 35% relative to the cation of the inorganic acid.
제 5 항에 있어서,
상기 제3단계:는
설핀화된 폴리머에 술폰산나트륨기(-SO2Na)가 존재하도록 부분 환원시키는 단계 a); 및 상기 술폰산나트륨기(-SO2Na)를 술폰산리튬기(-SO2Li)로 치환시키는 단계 b);를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.
The method of claim 5, wherein
The third step:
Partially reducing the sulfinated polymer so that a sodium sulfonate group (—SO 2 Na) is present; And b) replacing the sodium sulfonate group (-SO 2 Na) with a lithium sulfonate group (-SO 2 Li).
제 9 항에 있어서,
상기 단계 a)는 부분 환원제로서 0.5 ~ 2.0 몰 농도(M)의 소디움설파이트(Na2SO3) 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.
The method of claim 9,
Step a) is a method of producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that using a sodium sulfite (Na 2 SO 3 ) solution of 0.5 to 2.0 molar concentration (M) as a partial reducing agent.
제 5 항에 있어서,
상기 폴리머는 폴리에테르에테르케톤, 폴리아릴렌에테르케톤, 폴리술폰, 폴리아릴렌에테르술폰, 폴리이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈시아졸, 폴리피롤론, 폴리포스파젠 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.
The method of claim 5, wherein
The polymers include polyether ether ketones, polyarylene ether ketones, polysulfones, polyarylene ether sulfones, polyimides, polybenzimidazoles, polybenzoxazoles, polybenzisazoles, polypyrrolones, polyphosphazenes and their Method for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that one or two or more selected from the group consisting of copolymers.
제 5 항에 있어서,
상기 제4단계의 가교제는 요오드화 알켄인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막의 제조방법.
The method of claim 5, wherein
The crosslinking agent of the fourth step is a method for producing a polymer electrolyte membrane, characterized in that the iodide alkene.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 고분자 전해질 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 장치.
An electrolytic device comprising the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 고분자 전해질 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
A fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4.
제 14 항에 있어서,
상기 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.


15. The method of claim 14,
A fuel cell system comprising the fuel cell.


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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017191950A1 (en) * 2016-05-04 2017-11-09 주식회사 엘지화학 Polymer electrolyte membrane production method, polymer electrolyte membrane produced using same, membrane electrode assembly comprising said polymer electrolyte membrane, and fuel cell comprising said membrane electrode assembly
CN109912928A (en) * 2019-03-18 2019-06-21 山东星火科学技术研究院 The preparation method of sulfonated polyether-ether-ketone and phosphotungstic acid composite membrane
KR20190088301A (en) * 2018-01-18 2019-07-26 명지대학교 산학협력단 Polymer electrolyte membrane containing fixed hetero poly acid, water-electrolysis apparatus, fuel cell and fuel cell system using the same
US10483547B2 (en) 2015-08-31 2019-11-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Lithium metal battery
US10790528B2 (en) 2016-05-04 2020-09-29 Lg Chem, Ltd. Polymer electrolyte membrane production method, polymer electrolyte membrane produced using same, membrane electrode assembly comprising said polymer electrolyte membrane, and fuel cell comprising said membrane electrode assembly
KR20210100529A (en) 2020-02-05 2021-08-17 주식회사 보야스에너지 Membrane electrode assembly for proton exchange membrane water electrolysis

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100413801B1 (en) 2001-10-30 2004-01-03 삼성전자주식회사 Polymer electrolyte comprising conductive inorganic nano-particle and fuel cell employing the same
KR100964238B1 (en) * 2008-01-03 2010-06-16 (주)엘켐텍 Polymer electrolyte membrane, water electrolysis apparatus, fuel cell and fuel cell system containing the same

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10483547B2 (en) 2015-08-31 2019-11-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Lithium metal battery
WO2017191950A1 (en) * 2016-05-04 2017-11-09 주식회사 엘지화학 Polymer electrolyte membrane production method, polymer electrolyte membrane produced using same, membrane electrode assembly comprising said polymer electrolyte membrane, and fuel cell comprising said membrane electrode assembly
US10790528B2 (en) 2016-05-04 2020-09-29 Lg Chem, Ltd. Polymer electrolyte membrane production method, polymer electrolyte membrane produced using same, membrane electrode assembly comprising said polymer electrolyte membrane, and fuel cell comprising said membrane electrode assembly
KR20190088301A (en) * 2018-01-18 2019-07-26 명지대학교 산학협력단 Polymer electrolyte membrane containing fixed hetero poly acid, water-electrolysis apparatus, fuel cell and fuel cell system using the same
CN109912928A (en) * 2019-03-18 2019-06-21 山东星火科学技术研究院 The preparation method of sulfonated polyether-ether-ketone and phosphotungstic acid composite membrane
KR20210100529A (en) 2020-02-05 2021-08-17 주식회사 보야스에너지 Membrane electrode assembly for proton exchange membrane water electrolysis
KR20230065200A (en) 2020-02-05 2023-05-11 주식회사 보야스에너지 Polymer electrolyte membrane water electrolysis device comprising membrane electrode assembly for proton exchange membrane water electrolysis

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