KR20140142036A - Polybenzimidasole nano-composite membrane using amine group-containing silsesquioxane, preparing method of the same, and fuel cell including the same - Google Patents

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김상우
길이진
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서강대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a polybenzimidazole nano-composite membrane using silsesquioxane containing a amine group; a method for manufacturing the same; and a fuel cell including the same. The polybenzimidazole nano-composite membrane includes: a benzimidazole-based polymer; and polyhedral oligomeric silsesquioxane represented by Chemical Formula 1. According to the present invention, an electrolyte membrane for a high molecular electrolyte fuel cell which can be used at high temperatures of 120-200°C under a non-humidified condition can be manufactured.

Description

아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료전지 {POLYBENZIMIDASOLE NANO-COMPOSITE MEMBRANE USING AMINE GROUP-CONTAINING SILSESQUIOXANE, PREPARING METHOD OF THE SAME, AND FUEL CELL INCLUDING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a polybenzimidazole nanocomposite membrane using amine group-containing silsesquioxane, a process for producing the same, and a fuel cell comprising the same. INCLUDING THE SAME}

본원은, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막, 상기 폴리벤지이미다졸 나노복합막의 제조 방법, 및 상기 폴리벤지이미다졸 나노복합막을 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a polybenzimidazole nanocomposite membrane using amine group-containing silsesquioxane, a process for producing the polybenzimidazole nanocomposite membrane, and a fuel cell comprising the polybenzimidazole nanocomposite membrane.

연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 발생되는 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다. 최근 환경문제, 에너지원의 고갈, 연료전지 자동차의 실용화와 더불어, 높은 에너지 효율을 가지며 고온에서 작동이 가능하면서도 신뢰성이 있는 고성능 연료전지의 개발이 절실히 요구되고 있다. 이와 함께 상기와 같은 연료전지의 효율을 증가시키기 위하여 고온에서 사용 가능한 고분자막의 개발도 함께 요구되고 있는 실정이다.A fuel cell is a power generation system that directly converts energy generated by electrochemically reacting a fuel and an oxidant into electrical energy. With the recent environmental problems, depletion of energy sources, commercialization of fuel cell vehicles, development of high performance fuel cells which can operate at high temperatures with high energy efficiency and reliability is highly demanded. In order to increase the efficiency of the fuel cell as described above, development of a polymer membrane that can be used at a high temperature is also required.

전해질로서 고분자 전해질 막을 사용한 연료전지, 즉 고분자 전해질 연료전지 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는, 동작온도가 비교적 저온인 동시에 소형화가 가능하기 때문에, 전기 자동차나 가정용 분산 발전시스템의 전원으로서 기대된다. 고분자 전해질 막으로서는, 나피온 (등록상표)으로 대표되는 퍼플루오로카본-술폰산계 고분자막이 사용되고 있다.A fuel cell using a polymer electrolyte membrane as an electrolyte, that is, a PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), is expected to be a power source for an electric vehicle or a distributed power generation system for home use because its operating temperature is relatively low and can be downsized . As the polymer electrolyte membrane, a perfluorocarbon-sulfonic acid-based polymer membrane typified by Nafion (registered trademark) is used.

그러나, 이 타입의 고분자 전해질 막이 양성자 전도를 발현하기 위해서는, 수분이 필요하기 때문에 가습이 요구된다. 또한, 전지 시스템 효율을 높이기 위해서 100℃ 이상의 온도에서의 고온 운전이 요구되지만, 이 온도에서는 전해질 막 내의 수분이 증발하여 고갈하고, 고체 전해질로서의 기능이 상실되는 문제가 있다.However, in order for this type of polymer electrolyte membrane to exhibit proton conduction, moisture is required and therefore humidification is required. Further, in order to increase the efficiency of the battery system, high temperature operation at a temperature of 100 캜 or more is required, but at this temperature, moisture in the electrolyte membrane evaporates and becomes depleted, and the function as a solid electrolyte is lost.

이들 종래의 기술에 기인하는 문제를 해결하기 위해, 무 가습이면서 100℃ 이상의 고온에서 작동할 수 있는 무 가습 전해질 막이 개발되어 있다. 예를 들어, 일본특허공개 평11-503262호 공보에는, 무 가습 전해질 막의 구성 재료로서 인산이 도핑된 폴리벤지이미다졸 (Polybenzimidazole; PBI) 등의 재료가 개시되어 있다.In order to solve the problems caused by these conventional techniques, a non-humidified electrolyte membrane capable of operating at a high temperature of 100 DEG C or more without humidification has been developed. For example, JP-A-11-503262 discloses a material such as polybenzimidazole (PBI) doped with phosphoric acid as a constituent material of a moisture-free electrolyte membrane.

그러나, 고온 (100℃ 내지 200℃)용 PEMFC 전해질 막으로 현재 많이 쓰이는 PBI/인산 도핑 막은 인산기를 화학적으로 결합시킨 형태가 아닌, 도핑을 한 막이기 때문에 장기 작동 시 인산이 누수되어 주변 부식 및 성능 저하의 문제를 가지고 있다.However, the PBI / phosphate doping membrane, which is currently used as a PEMFC electrolyte membrane for high temperature (100 ° C to 200 ° C), is a doped membrane rather than a chemically bonded phosphate group. Has a problem of degradation.

인산의 보유량을 늘리고 인산이 누수 되는 문제를 해결하기 위하여, 인산을 잡아줄 수 있는 아민기 (-NH2)-함유 입자와 고분자 전해질 막을 복합화하려는 연구가 진행되고 있지만 이러한 복합막들은 마이크로미터 크기 또는 수십 내지 수백 나노미터 크기의 무기입자를 이용하여 복합화가 이루어졌다. 따라서 복합화 시 무기입자가 오히려 양성자의 이동을 방해할 수 있다는 문제점을 가진다.In order to increase the amount of phosphoric acid and to solve the problem of leakage of phosphoric acid, research is being conducted to combine amine-group (-NH 2 ) -containing particles capable of capturing phosphoric acid with a polymer electrolyte membrane. However, Complexation was achieved using inorganic particles of several tens to several hundred nanometers in size. Therefore, there is a problem that the inorganic particles may interfere with the movement of protons during complexing.

또한, PBI는 도핑 전에는 매우 우수한 기계적 강도 (> 40 MPa)를 가지고 있지만 인산 도핑 후에는 강도가 급감하는 문제점 (< 5 MPa)을 가지고 있고, 복합화를 통해 강도를 증가시키기 위한 연구가 진행되고 있지만, 그 효과가 미비하며 입자의 크기 및 뭉침 현상으로 인하여 복합막 제조 시 기계적 강도가 감소하는 문제도 함께 가지고 있다.
PBI has very good mechanical strength (> 40 MPa) before doping, but has a problem (< 5 MPa) that the strength decreases rapidly after doping with phosphoric acid. The effect is insufficient and the mechanical strength of the composite membrane is decreased due to the particle size and the aggregation phenomenon.

본원은, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막, 상기 폴리벤지이미다졸 나노복합막의 제조 방법, 및 상기 폴리벤지이미다졸 나노복합막을 포함하는 연료전지를 제공하고자 한다.The present invention provides a polybenzimidazole nanocomposite membrane using an amine group-containing silsesquioxane, a method for producing the polybenzimidazole nanocomposite membrane, and a fuel cell including the polybenzimidazole nanocomposite membrane.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본원의 제 1 측면은, 벤지이미다졸계 고분자; 및, 하기 화학식 1로서 표시되는 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산을 포함하는, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막을 제공한다:According to a first aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell comprising: a benzimidazole-based polymer; And a polyhedral oligomeric silsesquioxane represented by the following general formula (1): &lt; EMI ID = 1.0 &gt;

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure pat00001
;
Figure pat00001
;

상기 화학식 1에서,In Formula 1,

R은 아민기-함유 치환기임.R is an amine group-containing substituent.

본원의 제 2 측면은, 아민기-함유 치환기에 의하여 치환된 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산, 및 벤지이미다졸계 고분자를 혼합하여 벤지이미다졸계 고분자/실세스퀴옥산 나노복합막을 제조하는 것을 포함하는, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막의 제조 방법을 제공한다.The second aspect of the present invention includes preparing a benzimidazole-based polymer / silsesquioxane nanocomposite membrane by mixing a polyhedral oligomeric silsesquioxane substituted with an amine group-containing substituent and a benzimidazole-based polymer The present invention also provides a method for producing a polybenzimidazole nanocomposite membrane using an amine group-containing silsesquioxane.

본원의 제 3 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막을 포함하는 연료전지를 제공한다.
A third aspect of the present invention provides a fuel cell comprising a polybenzimidazole nanocomposite membrane using an amine group-containing silsesquioxane according to the first aspect of the present invention.

본원에 의하면, 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산의 Si 말단에 아민기를 결합시켜 무 가습 조건 하의 약 120℃ 내지 약 200℃의 고온에서 활용 가능한 고분자 전해질 연료전지용 전해질 막을 제조할 수 있다. 본원은 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산의 Si 말단에 아민기를 결합시켜 누수 되기 쉬운 인산을 잡아주기 때문에 고분자 전해질 막 내에 인산의 보유량을 증가시킬 수 있고, 인산 누수를 방지하여 PBI/인산 시스템에서 나타날 수 있는 주변 부식 및 성능 저하의 문제를 극복하는 동시에, 기존의 복합화 시에 이용되던 무기입자의 크기가 수십 nm 내지 수백 nm인 것에 비해서 매우 작은 약 10 nm 미만의 나노미터 크기 수준의 나노복합막을 형성함으로써 양성자 전도도 향상 및 기계적 강도 강화를 달성할 수 있다. According to the present invention, it is possible to produce an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell which can be utilized at a high temperature of about 120 ° C to about 200 ° C under non-humidified conditions by bonding an amine group to the Si terminal of the polyhedral oligomeric silsesquioxane. The present invention relates to polyhedral oligomeric silsesquioxane which can bind to an amine group at the Si terminal and capture phosphoric acid which is liable to leak, thereby increasing the amount of phosphoric acid in the polymer electrolyte membrane and preventing leakage of phosphoric acid, Overcoming the problems of peripheral corrosion and performance degradation and at the same time by forming nanocomposite films with nanometer size levels of less than about 10 nm which are much smaller than those of inorganic nanoparticles used in conventional composites from tens of nanometers to several hundreds of nanometers The proton conductivity can be improved and the mechanical strength can be enhanced.

특히, 본원은 나노복합막의 두께가 감소되어도 기계적 강도는 유지되는 특성을 나타내므로 연료전지의 저가화에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
In particular, the present invention is expected to contribute to the cost reduction of the fuel cell because the mechanical strength is maintained even if the thickness of the nanocomposite membrane is reduced.

도 1은, 비교예의 폴리벤지이미다졸 막 및 본원의 일 실시예에 따른 나노복합막의 인산 도핑 시 시간 경과에 따른 인산 도핑량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는, 비교예의 폴리벤지이미다졸 막 및 본원의 일 실시예에 따른 나노복합막의 양성자 전도도를 나타내는 그래프이다.
도 3은, 비교예의 폴리벤지이미다졸 막 및 본원의 일 실시예에 따른 나노복합막의 기계적 강도 및 인장률을 나타내는 그래프이다.
FIG. 1 is a graph showing changes in the amount of phosphoric acid doped over time in the phosphoric acid doping of the polybenzimidazole membrane of the comparative example and the nanocomposite membrane according to one embodiment of the present invention. FIG.
2 is a graph showing the proton conductivity of the polybenzimidazole membrane of the comparative example and the nanocomposite membrane according to one embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the mechanical strength and tensile modulus of the polybenzimidazole film of the comparative example and the nanocomposite film according to one embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, the same reference numbers are used throughout the specification to refer to the same or like parts.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it is not limited to a case where it is "directly connected" but also includes the case where it is "electrically connected" do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is "on " another member, it includes not only when the member is in contact with the other member, but also when there is another member between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout this specification, when an element is referred to as "including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. The terms "about "," substantially ", etc. used to the extent that they are used throughout the specification are intended to be taken to mean the approximation of the manufacturing and material tolerances inherent in the stated sense, Accurate or absolute numbers are used to help prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the referenced disclosure.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.The word " step (or step) "or" step "used to the extent that it is used throughout the specification does not mean" step for.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination (s) thereof " included in the expression of the machine form means a mixture or combination of one or more elements selected from the group consisting of the constituents described in the expression of the form of a marker, Quot; means at least one selected from the group consisting of the above-mentioned elements.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
Throughout this specification, the description of "A and / or B" means "A or B, or A and B".

이하, 본원의 도면을 참조하여 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
Hereinafter, exemplary embodiments have been described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.

본원의 제 1 측면은, 벤지이미다졸계 고분자; 및, 하기 화학식 1로서 표시되는 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산을 포함하는, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막을 제공한다:According to a first aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell comprising: a benzimidazole-based polymer; And a polyhedral oligomeric silsesquioxane represented by the following general formula (1): &lt; EMI ID = 1.0 &gt;

[화학식 1] [Chemical Formula 1]

Figure pat00002
;
Figure pat00002
;

상기 화학식 1에서, In Formula 1,

R은 아민기-함유 치환기임.
R is an amine group-containing substituent.

본원에 따른 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산 (Polyhedral Ooligomeric Silsesquioxane; POSS)은 상기 화학식 1에 나타난 바와 같이, 케이지 (cage) 구조의 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산을 포함하고, 본원에 따른 폴리벤지이미다졸 나노복합막은 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용하여 제조된 것이다.The polyhedral ooligomeric silsesquioxane (POSS) according to the present invention comprises a polyhedral oligomeric silsesquioxane having a cage structure as shown in Formula 1, and the polyhedral oligomeric silsesquioxane The nanocomposite membrane was prepared using an amine group-containing silsesquioxane.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 아민기-함유 치환기는, -NH2, -O-NH2, -R-NH2, -(CH2)n-NH2 (n은 1 내지 20의 정수),

Figure pat00003
,
Figure pat00004
, 및 이들의 이성질체들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원에 따른 아민기-함유 치환기에 의하여 치환된 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 케이지 구조의 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산에 1 개, 2 개, 또는 3 개의 아민기 (-NH2)를 포함하는 치환기 (R)가 화학적으로 결합된 것이다.According to one embodiment, the amine group-containing substituent is selected from the group consisting of -NH 2 , -O-NH 2 , -R-NH 2 , - (CH 2 ) n -NH 2 (n is an integer of 1 to 20) ,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
, And isomers thereof, but the present invention is not limited thereto. The polyhedral oligomeric silsesquioxanes substituted by an amine group-containing substituent according to the present invention may include one, two, or three amine groups (-NH 2 ) on the polyhedral oligomeric silsesquioxane of the cage structure The substituent (R) is chemically bonded.

본원은 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산의 Si 말단에 아민기를 결합시켜 누수 되기 쉬운 인산을 잡아주기 때문에, 고분자 전해질 막 내에서 양성자를 이동시킬 수 있는 인산의 보유량을 증가시킬 수 있고 인산의 양성자 전달에 도움을 주어 양성자 전도성을 향상시킬 수 있다. 아울러, 본원에 따른 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막은 인산 누수를 방지하여 고분자/인산 시스템의 성능을 장기적으로 유지시킬 수 있다. 인산은 연료전지 내에서 자체 해리를 통하여 양성자를 이동시키는데, 상기 인산을 아민기를 이용하여 잡아주면 인산의 누수 문제없이 양성자를 효과적으로 이동시킬 수 있다. The present invention relates to a polyhedral oligomeric silsesquioxane which can bind an amine group to the Si terminal and capture the phosphoric acid which is liable to leak. Therefore, it is possible to increase the amount of phosphoric acid capable of transferring protons in the polymer electrolyte membrane, Helping to improve proton conductivity. In addition, the polybenzimidazole nanocomposite membrane using the amine group-containing silsesquioxane according to the present invention can prevent the leakage of phosphoric acid and maintain the performance of the polymer / phosphate system for a long term. Phosphoric acid transports protons through self-dissociation in a fuel cell. If the phosphoric acid is trapped using an amine group, the proton can be effectively transferred without the leakage of phosphoric acid.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 벤지이미다졸계 고분자는 폴리벤지이미다졸, 및 이들의 유도체들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 벤지이미다졸계 고분자는,

Figure pat00005
,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
, 및 이들의 이성질체들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 n은 1 내지 20의 정수이다.According to one embodiment of the present invention, the benzimidazole-based polymer may include, but is not limited to, those selected from the group consisting of polybenzimidazole and derivatives thereof. For example, the above-mentioned benzimidazole-based polymer can be produced,
Figure pat00005
,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
, And isomers thereof, but the present invention is not limited thereto. Wherein n is an integer of 1 to 20;

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 벤지이미다졸계 고분자는 분자량이 약 5,000 내지 약 1,000,000인 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 벤지이미다졸계 고분자의 분자량이 약 5,000 내지 약 15,000, 약 10,000 내지 약 50,000, 약 25,000 내지 약 75,000, 약 50,000 내지 약 100,000, 약 75,000 내지 약 125,000, 약 100,000 내지 약 150,000, 약 125,000 내지 약 175,000, 약 150,000 내지 약 200,000, 약 175,000 내지 약 225,000, 약 200,000 내지 약 250,000, 약 225,000 내지 약 275,000, 약 250,000 내지 약 300,000, 약 275,000 내지 약 325,000, 약 300,000 내지 약 350,000, 약 325,000 내지 약 375,000, 약 350,000 내지 약 400,000, 약 375,000 내지 약 425,000, 약 400,000 내지 약 450,000, 약 425,000 내지 약 475,000, 약 450,000 내지 약 500,000, 약 475,000 내지 약 525,000, 약 500,000 내지 약 550,000, 약 525,000 내지 약 575,000, 약 550,000 내지 약 600,000, 약 575,000 내지 약 625,000, 약 600,000 내지 약 650,000, 약 625,000 내지 약 675,000, 약 650,000 내지 약 700,000, 약 675,000 내지 약 725,000, 약 700,000 내지 약 750,000, 약 725,000 내지 약 775,000, 약 750,000 내지 약 800,000, 약 775,000 내지 약 825,000, 약 800,000 내지 약 850,000, 약 825,000 내지 약 875,000, 약 850,000 내지 약 900,000, 약 875,000 내지 약 925,000, 약 900,000 내지 약 950,000, 약 925,000 내지 약 975,000, 약 950,000 내지 약 1,000,000, 또는 약 975,000 내지 약 1,000,000일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the benzimidazole-based polymer may include, but not limited to, those having a molecular weight of about 5,000 to about 1,000,000. For example, the benzimidazole-based polymer may have a molecular weight of about 5,000 to about 15,000, about 10,000 to about 50,000, about 25,000 to about 75,000, about 50,000 to about 100,000, about 75,000 to about 125,000, about 100,000 to about 150,000, From about 200,000 to about 250,000, from about 225,000 to about 275,000, from about 250,000 to about 300,000, from about 275,000 to about 325,000, from about 300,000 to about 350,000, from about 325,000 to about 300,000, from about 300,000 to about 350,000, from about 125,000 to about 175,000, from about 150,000 to about 200,000, from about 175,000 to about 225,000, About 450,000 to about 500,000, about 475,000 to about 525,000, about 500,000 to about 550,000, about 525,000 to about 575,000, about 450,000 to about 500,000, about 450,000 to about 500,000, about 500,000 to about 550,000, about 525,000 to about 575,000, about 375,000, about 350,000 to about 400,000, about 375,000 to about 425,000, about 400,000 to about 450,000, , About 550,000 to about 600,000, about 575,000 to about 625,000, about 600,000 to about 650,000, about 625,000 to about 675,000, about 650,000 to about 700,000, about 675,000 to about 725,000, about 700,000 From about 875,000 to about 875,000, from about 850,000 to about 900,000, from about 875,000 to about 925,000, from about 900,000 to about 8000, from about 800,000 to about 850,000, from about 825,000 to about 875,000, from about 875,000 to about 900,000, from about 875,000 to about 925,000, from about 900,000 to about 8000, from about 750,000 to about 775,000, from about 750,000 to about 800,000, 950,000, from about 925,000 to about 975,000, from about 950,000 to about 1,000,000, or from about 975,000 to about 1,000,000.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 나노미터 수준의 크기를 가지는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원에 따른 상기 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 수 nm, 예를 들어, 약 10 nm 미만 크기의 입자 물질일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산 입자의 크기는, 약 0.1 nm 내지 약 1 nm, 약 0.5 nm 내지 약 2 nm, 약 1 nm 내지 약 3 nm, 약 2 nm 내지 약 3 nm, 약 2 nm 내지 약 4 nm, 약 3 nm 내지 약 5 nm, 약 4 nm 내지 약 6 nm, 약 5 nm 내지 약 7 nm, 약 6 nm 내지 약 8 nm, 약 7 nm 내지 약 9 nm, 약 8 nm 내지 약 9.9 nm, 또는 약 9 nm 내지 약 9.9 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산의 나노미터 수준의 크기는 양성자 전도성 고분자 복합막 제조 시 양성자의 이동을 방해하지 않아 우수한 양성자 전도도를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 분자 수준의 나노복합막을 형성함으로써 상기 나노복합막의 기계적 강도 및 인장률을 강화시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the polyhedral oligomeric silsesquioxane may have a size of nanometer level, but the present invention is not limited thereto. The polyhedral oligomeric silsesquioxane according to the present invention may be, but is not limited to, a particle material having a size of a few nm, for example, less than about 10 nm. For example, the size of the polyhedral oligomeric silsesquioxane particles may range from about 0.1 nm to about 1 nm, from about 0.5 nm to about 2 nm, from about 1 nm to about 3 nm, from about 2 nm to about 3 nm, From about 2 nm to about 4 nm, from about 3 nm to about 5 nm, from about 4 nm to about 6 nm, from about 5 nm to about 7 nm, from about 6 nm to about 8 nm, from about 7 nm to about 9 nm, To about 9.9 nm, or from about 9 nm to about 9.9 nm. The nanometer level size of the polyhedral oligomeric silsesquioxane does not interfere with the proton transfer during the production of the proton conducting polymer composite membrane and thus can realize excellent proton conductivity as well as forming a nanocomposite membrane at the molecular level, The mechanical strength and tensile strength of the film can be enhanced.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 약 1 개 내지 약 16 개의 아민기를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산의 Si 말단에, 약 1 개 내지 약 16 개, 약 2 개 내지 약 16 개, 약 3 개 내지 약 16 개, 약 4 개 내지 약 16 개, 약 5 개 내지 약 16 개, 약 6 개 내지 약 16 개, 약 7 개 내지 약 16 개, 약 8 개 내지 약 16 개, 약 9 개 내지 약 16 개, 약 10 개 내지 약 16 개, 약 11 개 내지 약 16 개, 약 12 개 내지 약 16 개, 약 13 개 내지 약 16 개, 약 14 개 내지 약 16 개, 또는 약 15 개 내지 약 16 개의 아민기를 도입함으로써 고온 (약 120℃ 내지 약 200℃)의 무 가습 조건에서도 양성자 전도성의 증가를 달성할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the polyhedral oligomeric silsesquioxane may include about 1 to about 16 amine groups, but the present invention is not limited thereto. For example, at the Si terminus of the polyhedral oligomeric silsesquioxane, about 1 to about 16, about 2 to about 16, about 3 to about 16, about 4 to about 16, and about From about 5 to about 16, from about 6 to about 16, from about 7 to about 16, from about 8 to about 16, from about 9 to about 16, from about 10 to about 16, from about 11 From about 120 DEG C to about 200 DEG C by introducing about 16, about 12 to about 16, about 13 to about 16, about 14 to about 16, or about 15 to about 16 amine groups, ) Can also achieve an increase in proton conductivity.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 아민기-함유 치환기에 의하여 치환된 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 상기 벤지이미다졸계 고분자에 대하여 약 1 중량% 내지 약 50 중량%로 포함되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 아민기-함유 치환기에 의하여 치환된 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은, 상기 벤지이미다졸계 고분자에 대하여, 약 1 중량% 내지 약 5 중량%, 약 1 중량% 내지 약 10 중량%, 약 5 중량% 내지 약 15 중량%, 약 10 중량% 내지 약 20 중량%, 약 15 중량% 내지 약 25 중량%, 약 20 중량% 내지 약 30 중량%, 약 25 중량% 내지 약 35 중량%, 약 30 중량% 내지 약 40 중량%, 약 35 중량% 내지 약 45 중량%, 약 40 중량% 내지 약 50 중량%, 또는 약 45 중량% 내지 약 50 중량%로 첨가되어 포함되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the polyhedral oligomeric silsesquioxane substituted by the amine group-containing substituent may be contained in an amount of about 1% by weight to about 50% by weight based on the benzimidazole-based polymer, But may not be limited thereto. For example, the polyhedral oligomeric silsesquioxane substituted with an amine group-containing substituent may be present in an amount of from about 1% to about 5% by weight, from about 1% to about 10% by weight, based on the benzimidazole- %, About 5 wt% to about 15 wt%, about 10 wt% to about 20 wt%, about 15 wt% to about 25 wt%, about 20 wt% to about 30 wt% %, About 30 wt% to about 40 wt%, about 35 wt% to about 45 wt%, about 40 wt% to about 50 wt%, or about 45 wt% to about 50 wt% , But may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 나노복합막의 두께가 감소되어도 기계적 강도는 유지되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
According to one embodiment of the present invention, mechanical strength may be maintained even if the thickness of the nanocomposite membrane is reduced, but the present invention is not limited thereto.

본원의 제 2 측면은, 아민기-함유 치환기에 의하여 치환된 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산, 및 벤지이미다졸계 고분자를 혼합하여 벤지이미다졸계 고분자/실세스퀴옥산 나노복합막을 제조하는 것을 포함하는, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막의 제조 방법을 제공한다.
The second aspect of the present invention includes preparing a benzimidazole-based polymer / silsesquioxane nanocomposite membrane by mixing a polyhedral oligomeric silsesquioxane substituted with an amine group-containing substituent and a benzimidazole-based polymer The present invention also provides a method for producing a polybenzimidazole nanocomposite membrane using an amine group-containing silsesquioxane.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 아민기-함유 치환기는, -NH2, -O-NH2, -R-NH2, -(CH2)n-NH2 (n은 1 내지 20의 정수),

Figure pat00009
,
Figure pat00010
, 및 이들의 이성질체들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원에 따른 아민기-함유 치환기에 의하여 치환된 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 케이지 구조의 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산에 1 개, 2 개, 또는 3 개의 아민기 (-NH2)를 포함하는 치환기 (R)가 화학적으로 결합된 것이다.According to one embodiment, the amine group-containing substituent is selected from the group consisting of -NH 2 , -O-NH 2 , -R-NH 2 , - (CH 2 ) n -NH 2 (n is an integer of 1 to 20) ,
Figure pat00009
,
Figure pat00010
, And isomers thereof, but the present invention is not limited thereto. The polyhedral oligomeric silsesquioxanes substituted by an amine group-containing substituent according to the present invention may include one, two, or three amine groups (-NH 2 ) on the polyhedral oligomeric silsesquioxane of the cage structure The substituent (R) is chemically bonded.

본원은 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산의 Si 말단에 아민기를 결합시켜 누수 되기 쉬운 인산을 잡아주기 때문에, 고분자 전해질 막 내에서 양성자를 이동시킬 수 있는 인산의 보유량을 증가시킬 수 있고 인산의 양성자 전달에 도움을 주어 양성자 전도성을 향상시킬 수 있다. 아울러, 본원에 따른 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막은 인산 누수를 방지하여 고분자/인산 시스템의 성능을 장기적으로 유지시킬 수 있다. 인산은 연료전지 내에서 자체 해리를 통하여 양성자를 이동시키는데, 상기 인산을 아민기를 이용하여 잡아주면 인산의 누수 문제없이 양성자를 효과적으로 이동시킬 수 있다. The present invention relates to a polyhedral oligomeric silsesquioxane which can bind an amine group to the Si terminal and capture the phosphoric acid which is liable to leak. Therefore, it is possible to increase the amount of phosphoric acid capable of transferring protons in the polymer electrolyte membrane, Helping to improve proton conductivity. In addition, the polybenzimidazole nanocomposite membrane using the amine group-containing silsesquioxane according to the present invention can prevent the leakage of phosphoric acid and maintain the performance of the polymer / phosphate system for a long term. Phosphoric acid transports protons through self-dissociation in a fuel cell. If the phosphoric acid is trapped using an amine group, the proton can be effectively transferred without the leakage of phosphoric acid.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 벤지이미다졸계 고분자는 폴리벤지이미다졸, 및 이들의 유도체들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 벤지이미다졸계 고분자는,

Figure pat00011
,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
,
Figure pat00014
, 및 이들의 이성질체들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 n은 1 내지 20의 정수이다.According to one embodiment of the present invention, the benzimidazole-based polymer may include, but is not limited to, those selected from the group consisting of polybenzimidazole and derivatives thereof. For example, the above-mentioned benzimidazole-based polymer can be produced,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
,
Figure pat00014
, And isomers thereof, but the present invention is not limited thereto. Wherein n is an integer of 1 to 20;

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 벤지이미다졸계 고분자는 분자량이 약 5,000 내지 약 1,000,000인 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 벤지이미다졸계 고분자의 분자량이 약 5,000 내지 약 15,000, 약 10,000 내지 약 50,000, 약 25,000 내지 약 75,000, 약 50,000 내지 약 100,000, 약 75,000 내지 약 125,000, 약 100,000 내지 약 150,000, 약 125,000 내지 약 175,000, 약 150,000 내지 약 200,000, 약 175,000 내지 약 225,000, 약 200,000 내지 약 250,000, 약 225,000 내지 약 275,000, 약 250,000 내지 약 300,000, 약 275,000 내지 약 325,000, 약 300,000 내지 약 350,000, 약 325,000 내지 약 375,000, 약 350,000 내지 약 400,000, 약 375,000 내지 약 425,000, 약 400,000 내지 약 450,000, 약 425,000 내지 약 475,000, 약 450,000 내지 약 500,000, 약 475,000 내지 약 525,000, 약 500,000 내지 약 550,000, 약 525,000 내지 약 575,000, 약 550,000 내지 약 600,000, 약 575,000 내지 약 625,000, 약 600,000 내지 약 650,000, 약 625,000 내지 약 675,000, 약 650,000 내지 약 700,000, 약 675,000 내지 약 725,000, 약 700,000 내지 약 750,000, 약 725,000 내지 약 775,000, 약 750,000 내지 약 800,000, 약 775,000 내지 약 825,000, 약 800,000 내지 약 850,000, 약 825,000 내지 약 875,000, 약 850,000 내지 약 900,000, 약 875,000 내지 약 925,000, 약 900,000 내지 약 950,000, 약 925,000 내지 약 975,000, 약 950,000 내지 약 1,000,000, 또는 약 975,000 내지 약 1,000,000일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the benzimidazole-based polymer may include, but not limited to, those having a molecular weight of about 5,000 to about 1,000,000. For example, the benzimidazole-based polymer may have a molecular weight of about 5,000 to about 15,000, about 10,000 to about 50,000, about 25,000 to about 75,000, about 50,000 to about 100,000, about 75,000 to about 125,000, about 100,000 to about 150,000, From about 200,000 to about 250,000, from about 225,000 to about 275,000, from about 250,000 to about 300,000, from about 275,000 to about 325,000, from about 300,000 to about 350,000, from about 325,000 to about 300,000, from about 300,000 to about 350,000, from about 125,000 to about 175,000, from about 150,000 to about 200,000, from about 175,000 to about 225,000, About 450,000 to about 500,000, about 475,000 to about 525,000, about 500,000 to about 550,000, about 525,000 to about 575,000, about 450,000 to about 500,000, about 450,000 to about 500,000, about 500,000 to about 550,000, about 525,000 to about 575,000, about 375,000, about 350,000 to about 400,000, about 375,000 to about 425,000, about 400,000 to about 450,000, , About 550,000 to about 600,000, about 575,000 to about 625,000, about 600,000 to about 650,000, about 625,000 to about 675,000, about 650,000 to about 700,000, about 675,000 to about 725,000, about 700,000 From about 875,000 to about 875,000, from about 850,000 to about 900,000, from about 875,000 to about 925,000, from about 900,000 to about 8000, from about 800,000 to about 850,000, from about 825,000 to about 875,000, from about 875,000 to about 900,000, from about 875,000 to about 925,000, from about 900,000 to about 8000, from about 750,000 to about 775,000, from about 750,000 to about 800,000, 950,000, from about 925,000 to about 975,000, from about 950,000 to about 1,000,000, or from about 975,000 to about 1,000,000.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 나노미터 수준의 크기를 가지는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원에 따른 상기 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 수 nm, 예를 들어, 약 10 nm 미만 크기의 입자 물질일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산 입자의 크기는, 약 0.1 nm 내지 약 1 nm, 약 0.5 nm 내지 약 2 nm, 약 1 nm 내지 약 3 nm, 약 2 nm 내지 약 3 nm, 약 2 nm 내지 약 4 nm, 약 3 nm 내지 약 5 nm, 약 4 nm 내지 약 6 nm, 약 5 nm 내지 약 7 nm, 약 6 nm 내지 약 8 nm, 약 7 nm 내지 약 9 nm, 약 8 nm 내지 약 9.9 nm, 또는 약 9 nm 내지 약 9.9 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산의 나노미터 수준의 크기는 양성자 전도성 고분자 복합막 제조 시 양성자의 이동을 방해하지 않아 우수한 양성자 전도도를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 분자 수준의 나노복합막을 형성함으로써 상기 나노복합막의 기계적 강도 및 인장률을 강화시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the polyhedral oligomeric silsesquioxane may have a size of nanometer level, but the present invention is not limited thereto. The polyhedral oligomeric silsesquioxane according to the present invention may be, but is not limited to, a particle material having a size of a few nm, for example, less than about 10 nm. For example, the size of the polyhedral oligomeric silsesquioxane particles may range from about 0.1 nm to about 1 nm, from about 0.5 nm to about 2 nm, from about 1 nm to about 3 nm, from about 2 nm to about 3 nm, From about 2 nm to about 4 nm, from about 3 nm to about 5 nm, from about 4 nm to about 6 nm, from about 5 nm to about 7 nm, from about 6 nm to about 8 nm, from about 7 nm to about 9 nm, To about 9.9 nm, or from about 9 nm to about 9.9 nm. The nanometer level size of the polyhedral oligomeric silsesquioxane does not interfere with the proton transfer during the production of the proton conducting polymer composite membrane and thus can realize excellent proton conductivity as well as forming a nanocomposite membrane at the molecular level, The mechanical strength and tensile strength of the film can be enhanced.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 약 1 개 내지 약 16 개의 아민기를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산의 Si 말단에, 약 1 개 내지 약 16 개, 약 2 개 내지 약 16 개, 약 3 개 내지 약 16 개, 약 4 개 내지 약 16 개, 약 5 개 내지 약 16 개, 약 6 개 내지 약 16 개, 약 7 개 내지 약 16 개, 약 8 개 내지 약 16 개, 약 9 개 내지 약 16 개, 약 10 개 내지 약 16 개, 약 11 개 내지 약 16 개, 약 12 개 내지 약 16 개, 약 13 개 내지 약 16 개, 약 14 개 내지 약 16 개, 또는 약 15 개 내지 약 16 개의 아민기를 도입함으로써 고온 (약 120℃ 내지 약 200℃)의 무 가습 조건에서도 양성자 전도성의 증가를 달성할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the polyhedral oligomeric silsesquioxane may include about 1 to about 16 amine groups, but the present invention is not limited thereto. For example, at the Si terminus of the polyhedral oligomeric silsesquioxane, about 1 to about 16, about 2 to about 16, about 3 to about 16, about 4 to about 16, and about From about 5 to about 16, from about 6 to about 16, from about 7 to about 16, from about 8 to about 16, from about 9 to about 16, from about 10 to about 16, from about 11 From about 120 DEG C to about 200 DEG C by introducing about 16, about 12 to about 16, about 13 to about 16, about 14 to about 16, or about 15 to about 16 amine groups, ) Can also achieve an increase in proton conductivity.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 아민기-함유 치환기에 의하여 치환된 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 상기 벤지이미다졸계 고분자에 대하여 약 1 중량% 내지 약 50 중량%로 첨가되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 아민기-함유 치환기에 의하여 치환된 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은, 상기 벤지이미다졸계 고분자에 대하여, 약 1 중량% 내지 약 5 중량%, 약 1 중량% 내지 약 10 중량%, 약 5 중량% 내지 약 15 중량%, 약 10 중량% 내지 약 20 중량%, 약 15 중량% 내지 약 25 중량%, 약 20 중량% 내지 약 30 중량%, 약 25 중량% 내지 약 35 중량%, 약 30 중량% 내지 약 40 중량%, 약 35 중량% 내지 약 45 중량%, 약 40 중량% 내지 약 50 중량%, 또는 약 45 중량% 내지 약 50 중량%로 첨가되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the polyhedral oligomeric silsesquioxane substituted by the amine group-containing substituent may be added in an amount of about 1% by weight to about 50% by weight based on the benzimidazole-based polymer, But may not be limited thereto. For example, the polyhedral oligomeric silsesquioxane substituted with an amine group-containing substituent may be present in an amount of from about 1% to about 5% by weight, from about 1% to about 10% by weight, based on the benzimidazole- %, About 5 wt% to about 15 wt%, about 10 wt% to about 20 wt%, about 15 wt% to about 25 wt%, about 20 wt% to about 30 wt% %, About 30 wt% to about 40 wt%, about 35 wt% to about 45 wt%, about 40 wt% to about 50 wt%, or about 45 wt% to about 50 wt% But may not be limited.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 벤지이미다졸계 고분자/실세스퀴옥산 나노복합막을 인산에 의하여 도핑하는 것을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 인산은 연료전지 내에서 자체 해리를 통하여 양성자를 이동시키는 물질로서, 상기 도핑을 통하여 상기 벤지이미다졸계 고분자/실세스퀴옥산 나노복합막 중 인산의 양을 늘릴 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the method may further include doping the benzimidazole-based polymer / silsesquioxane nanocomposite membrane by phosphoric acid, but the present invention is not limited thereto. The phosphoric acid is a substance that moves the proton through its own dissociation in the fuel cell. The amount of phosphoric acid in the benzimidazole-based polymer / silsesquioxane nanocomposite membrane can be increased through the doping, have.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 인산에 의하여 도핑하는 것은 상기 벤지이미다졸계 고분자/실세스퀴옥산 나노복합막을 인산 용액에 침지하여 수행되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
According to one embodiment of the present invention, the doping with the phosphoric acid may include, but is not limited to, the above-mentioned operation in which the benzimidazole-based polymer / silsesquioxane nanocomposite membrane is immersed in a phosphoric acid solution.

본원의 제 3 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막을 포함하는 연료전지를 제공한다.A third aspect of the present invention provides a fuel cell comprising a polybenzimidazole nanocomposite membrane using an amine group-containing silsesquioxane according to the first aspect of the present invention.

상기 연료전지는 연료의 화학 에너지를 직접적으로 전기에너지로 변환하는 전기화학적 장치이고, 전기에너지, 잠재적으로 전기적 차량 동력의 깨끗하고 매우 효율적인 원천을 제공한다. 배터리와 같이, 연료전지는 얇은 고분자 막으로 만들어진 전해질에 의해 분리된 2 개 전극으로 구성될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 그러나 배터리와는 달리, 본원에 따른 연료전지는 양성자가 인산을 통해 계속 흐르는 한 장시간 전기를 생성할 수 있다.The fuel cell is an electrochemical device that converts the chemical energy of fuel directly into electrical energy and provides a clean and highly efficient source of electrical energy, potentially electrical vehicle power. Like a battery, a fuel cell may consist of, but is not limited to, two electrodes separated by an electrolyte made of a thin polymer membrane. However, unlike a battery, a fuel cell according to the present invention can generate electricity for a prolonged period of time in which protons continue to flow through the phosphoric acid.

상기 본원의 제 3 측면의 연료전지에 있어서, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 3 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
In the fuel cell according to the third aspect of the present invention, a detailed description of parts overlapping with the first aspect of the present invention is omitted, but the description of the first aspect of the present invention is omitted in the third aspect of the present invention The same can be applied.

이하, 본원의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, the following examples are given only for the sake of understanding the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

[실시예][Example]

제조예 1. Production Example 1 니트로기에On the nitro 의하여 치환된  Substituted POSSPOSS 의 제조Manufacturing

옥타(페닐) 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산 [Octa(phenyl)POSS] 5 g을 발연 질산 (fuming nitric acid) 30 mL에 용해시킨 후, 상온에서 20 시간 동안 반응시켰다. 상기 반응 용액을 얼음물에 첨가함으로써 침전물이 생성되었다. 상기 침전물을 여과한 후, 물을 이용하여 수 회 반복 세척하여 미반응의 발연 질산을 제거함으로써 파우더를 수득하였다. 상기 수득된 파우더를 에탄올 20 mL를 이용하여 세척하고 여과한 후, 상온에서 건조시켜 니트로기가 달린 옥타(니트로페닐)POSS를 수득하였다.
5 g of octa (phenyl) polyhedral oligomeric silsesquioxane [Octa (phenyl) POSS] was dissolved in 30 mL of fuming nitric acid and reacted at room temperature for 20 hours. A precipitate was formed by adding the reaction solution to ice water. The precipitate was filtered and repeatedly washed with water several times to remove unreacted fuming nitric acid, thereby obtaining a powder. The obtained powder was washed with 20 mL of ethanol, filtered, and then dried at room temperature to obtain octa (nitrophenyl) POSS having a nitro group.

제조예 2. Production Example 2 아민기에In the amine group 의하여 치환된  Substituted POSSPOSS 의 제조 (( POSSPOSS -N)-N)

상기 제조예 1에서 수득된 옥타(니트로페닐)POSS 1 g과 Pd/C 촉매 (5 중량%) 0.12 g을 테트라하이드로퓨란 (THF) 40 mL : 트리에틸아민 40 mL의 혼합 용매에 용해시킨 후, 40℃에서 1 시간 동안 가열하였다. 가열 중인 반응 용액에 포름산 (85%) 3 mL를 한 방울씩 적하 첨가하였다. 이때, 상기 반응 용액이 두 층으로 층 분리되는 것이 확인되면, 60℃로 온도를 높여 5 시간 동안 가열하였다. 상기 층 분리된 용액 중 THF 층은 제거하고, 남은 용액을 셀라이트 (celite) 필터를 이용하여 여과하였다. 여과를 통해 얻은 여과액에 에틸아세테이트 (Ethyl Acetate; EA) 100 mL를 첨가하고 탈이온수 100 mL를 추가 첨가하여 세척한 후, EA 용액 층을 분리시켰다. 이때 상기 탈이온수 세척은 4 회 반복되었다. 분리된 EA 층에 1 L의 헥산을 첨가하고 방치함으로써 결정을 수득하였다. 상기 수득된 결정을 상온에서 하루 동안 건조시킴으로써 아민기에 의하여 치환된 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산 (이하, POSS-N)을 수득하였다.
1 g of octa (nitrophenyl) POSS obtained in Preparation Example 1 and 0.12 g of Pd / C catalyst (5 wt%) were dissolved in a mixed solvent of 40 mL of tetrahydrofuran (THF) and 40 mL of triethylamine, And heated at 40 占 폚 for 1 hour. 3 mL of formic acid (85%) was added dropwise to the reaction solution under heating. At this time, when it was confirmed that the reaction solution was separated into two layers, the temperature was raised to 60 캜 and heated for 5 hours. The THF layer in the layered solution was removed, and the remaining solution was filtered using a celite filter. 100 mL of ethyl acetate (EA) was added to the filtrate obtained through filtration, and 100 mL of deionized water was further added to the filtrate, and then the EA solution layer was separated. At this time, the deionized water washing was repeated four times. The crystals were obtained by adding 1 L of hexane to the separated EA layer and standing. The obtained crystals were dried at room temperature for one day to obtain a polyhedral oligomeric silsesquioxane (hereinafter referred to as POSS-N) substituted by an amine group.

제조예 3. 폴리벤지이미다졸 (Preparation Example 3. Preparation of polybenzimidazole ( PBIPBI ) 파우더의 제조) Manufacture of Powder

250 mL 둥근 플라스크에서 3,3'-디아미노벤지딘 (3,3'-diaminobenzidine; DAB) 0.2678 g (1.25 mmol)을 폴리포스포릭산 (Polyphosphoric Acid; PPA) 12.6 g에 용해시켰다. 상기 용액에 2,2-비스(4-카르복시페닐)헥사플루오로프로판 [2,2-bis(4-carboxyphenyl)hexafluoropropane] 0.4903 g (1.25 mmol)을 첨가하고, 200℃에서 24 시간 동안 반응시켜 점착성의 용액을 제조하였다. 상기 제조된 점착성의 용액을, 교반되고 있는 1 L의 탈이온수에 한 방울씩 적하 첨가하였다. 침전되는 고분자가 생성되면 상기 고분자를 여과시켜 얻어낸 후, 5 회 정도 탈이온수로 세척하고, 세척된 고분자를 100℃ 진공 오븐에 넣고 건조시킴으로써, PBI 파우더를 수득하였다.
In a 250 mL round flask, 0.2678 g (1.25 mmol) of 3,3'-diaminobenzidine (DAB) was dissolved in 12.6 g of polyphosphoric acid (PPA). To the solution, 0.4903 g (1.25 mmol) of 2,2-bis (4-carboxyphenyl) hexafluoropropane was added and reacted at 200 ° C. for 24 hours to obtain a sticky &Lt; / RTI &gt; The sticky solution prepared above was dropwise added dropwise to 1 L of deionized water being stirred. When the precipitated polymer was produced, the polymer was filtered, washed with deionized water about 5 times, and the washed polymer was placed in a vacuum oven at 100 ° C and dried to obtain a PBI powder.

제조예 4. 폴리벤지이미다졸 (Production Example 4. Preparation of polybenzimidazole ( PBIPBI ) 막의 제조) Preparation of membranes

상기 제조예 3에서 수득된 PBI 파우더를 디메틸아세트아마이드 (Dimethylacetamide; DMAc)에 1 : 19의 비율로 용해시켜 PBI 용액을 제조하였다. 상기 PBI 용액 20 g을 유리 샬레에 옮겨 담고 80℃ 오븐에 넣은 후, 상기 오븐의 온도를 190℃까지 천천히 올려 24 시간 동안 캐스팅하였다. 캐스팅이 완료되어 제조된 막을 100℃ 탈이온수에 침지하고 약 1 시간 동안 끓여 잔류물을 제거함으로써, PBI 막을 수득하였다.
A PBI solution was prepared by dissolving PBI powder obtained in Preparation Example 3 in dimethylacetamide (DMAc) at a ratio of 1: 19. 20 g of the PBI solution was transferred to a glass chalet and placed in an oven at 80 ° C, and then the oven temperature was slowly raised to 190 ° C and cast for 24 hours. After the casting was completed, the prepared membrane was immersed in 100 DEG C deionized water and boiled for about 1 hour to remove the residue, thereby obtaining a PBI membrane.

실시예 1. Example 1. PBIPBI // POSSPOSS -N 10 중량% 나노복합막의 제조 및 인산 도핑-N &lt; / RTI &gt; 10 wt% &lt; RTI ID = 0.0 &

상기 제조예 3에서 수득된 PBI 파우더 0.5 g을 DMAc 9.5 g에 용해시켜 PBI/DMAc 용액을 제조하였다 (1 : 19 비율). 또한, 상기 제조예 2에서 수득된 POSS-N 0.05 g을 DMAc 0.95 g에 용해시켜 POSS-N/DMAc 용액을 제조하였다. 상기 PBI/DMAc 용액 10 g (PBI 함량 0.5 g) 및 상기 POSS-N/DMAc 용액 1 g (POSS-N 함량 0.05 g)을 혼합한 후, 12 시간 동안 상온에서 교반하였다. 이때, 교반 중간에 초음파 분산을 통해 PBI 내 POSS-N이 잘 분산되도록 유도하였다. 분산된 용액을 유리 샬레에 옮겨 담고 80℃ 오븐에 넣은 후, 상기 오븐의 온도를 190℃ 까지 천천히 올려 24 시간 동안 캐스팅하였다. 캐스팅이 완료되어 제조된 나노복합막을 탈이온수에 침지하고 1 시간 동안 끓여 잔류물을 제거함으로써, PBI를 기준으로 POSS-N이 10 중량% 포함된 PBI/POSS-N 나노복합막을 수득하였다.A PBI / DMAc solution (1: 19 ratio) was prepared by dissolving 0.5 g of the PBI powder obtained in Preparation Example 3 in 9.5 g of DMAc. 0.05 g of POSS-N obtained in Preparation Example 2 was dissolved in 0.95 g of DMAc to prepare a POSS-N / DMAc solution. 10 g of PBI / DMAc solution (0.5 g of PBI) and 1 g of POSS-N / DMAc solution (POSS-N content of 0.05 g) were mixed and stirred at room temperature for 12 hours. At this time, POSS-N in PBI was induced to disperse well by ultrasonic dispersion during stirring. The dispersed solution was transferred into a glass chalet, placed in an oven at 80 DEG C, and then slowly heated to 190 DEG C for 24 hours. The nanocomposite membrane thus formed was immersed in deionized water and boiled for 1 hour to remove the residues, thereby obtaining a PBI / POSS-N nanocomposite membrane containing 10% by weight of POSS-N based on PBI.

상기 수득된 PBI/POSS-N 나노복합막을 60℃로 유지된 인산 (phosphoric acid) 용액에 침지한 후, 1 시간 간격으로 무게를 측정하였다. 시간이 지나도 더 이상 무게 변화가 관찰되지 않을 때 상기 침지된 PBI/POSS-N 나노복합막을 인산 용액에서 꺼내었다. 이때, 인산에 침지하기 전 막과의 무게 차이가 최대로 인산이 도핑된 양이다. 상기 인산 도핑은 고분자 대비 80 중량%로 고정하였다. 침지 시간에 따라 측정된 상기 PBI/POSS-N 나노복합막의 무게는 도 3에 나타내었다.
The obtained PBI / POSS-N nanocomposite membrane was immersed in a phosphoric acid solution maintained at 60 ° C., and the weight was measured at intervals of 1 hour. The PBI / POSS-N nanocomposite membrane thus immersed was taken out of the phosphoric acid solution when no further weight change was observed over time. At this time, the difference in weight with the membrane before immersion in phosphoric acid is the maximum amount of phosphoric acid-doped. The phosphoric acid doping was fixed at 80 wt% with respect to the polymer. The weight of the PBI / POSS-N nanocomposite membrane measured according to immersion time is shown in FIG.

실시예 2. Example 2. PBIPBI // POSSPOSS -N 20 중량% 나노복합막 제조 및 인산 도핑-N &lt; / RTI &gt; 20 wt% nanocomposite membrane preparation and phosphoric acid doping

상기 제조예 2에서 수득된 POSS-N을 0.1 g 사용하여 상기 실시예 1의 나노복합막 제조 방법과 동일한 방법을 수행함으로써 PBI를 기준으로 POSS-N이 20 중량% 포함된 PBI/POSS-N 나노복합막을 수득하였고, 상기 수득된 PBI/POSS-N 나노복합막에 대하여 상기 실시예 1의 인산 도핑 방법과 동일한 방법을 수행하여 인산을 도핑시켰다. 이때, 침지 시간에 따라 측정된 상기 PBI/POSS-N 나노복합막의 무게는 도 3에 나타내었다.
The PBI / POSS-N nanosubstance containing 20% by weight of POSS-N based on PBI was obtained by performing the same method as that of the nanocomposite membrane of Example 1 using 0.1 g of POSS-N obtained in Preparation Example 2 And the obtained PBI / POSS-N nanocomposite membrane was doped with phosphoric acid by the same method as that of the phosphoric acid doping method of Example 1 above. At this time, the weight of the PBI / POSS-N nanocomposite membrane measured according to immersion time is shown in FIG.

비교예. Comparative Example. PBIPBI 막의 인산 도핑 Phosphate doping of membrane

상기 제조예 4에서 수득된 PBI 막에 대하여 상기 실시예 1의 인산 도핑 방법과 동일한 방법을 수행하여 인산을 도핑시켰다. 이때, 침지 시간에 따라 측정된 상기 PBI 막의 무게는 도 3에 나타내었다.
The PBI film obtained in Production Example 4 was doped with phosphoric acid in the same manner as in the phosphoric acid doping method of Example 1 above. At this time, the weight of the PBI membrane measured according to immersion time is shown in FIG.

이와 관련하여, 도 1은 비교예의 PBI 막 및 본 실시예에 따른 나노복합막의 인산 도핑 시 시간 경과에 따른 인산 도핑량의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 시간에 따라서 인산의 도핑량이 증가하며 약 5 시간 후에 무게 변화가 더 이상 없음을 알 수 있었다. 아울러, 본 실시예들에 따른 상기 POSS-N의 아민기 함유량이 증가함에 따라 인산의 도핑량도 증가하며, 상기 비교예의 PBI 막의 인산 도핑량이 최대 81 중량%인데 반해, 상기 실시예 2의 PBI/POSS-N 20 중량% 나노복합막의 인산 도피량은 최대 88 중량%까지 증가하였음을 확인할 수 있었다. 이는, POSS-N의 아민기가 도핑된 인산을 수소결합을 통해 더 잡아두어 인산의 도핑량이 더 늘어났기 때문인 것으로 확인되었다.
In this regard, FIG. 1 is a graph showing a change in the amount of phosphoric acid doping over time of the phosphoric acid doping of the PBI film of the comparative example and the nanocomposite film of this embodiment. As shown in Fig. 1, it was found that the amount of phosphoric acid doped increased with time, and the weight change no longer changed after about 5 hours. In addition, the amount of phosphoric acid doped increases as the amine group content of the POSS-N according to the present embodiment increases, and the phosphoric acid doping amount of the PBI film of the comparative example is at most 81% by weight, It was confirmed that the amount of phosphoric acid escape of the 20 wt% nanocomposite membrane of POSS-N increased up to 88 wt%. It was confirmed that the phosphoric acid doped with amine group of POSS-N was further caught through hydrogen bonding to further increase doping amount of phosphoric acid.

실험예 1. Experimental Example 1 PBIPBI 막 및  Membrane and PBIPBI // POSSPOSS -N 나노복합막의 양성자 전도도 측정-N Proton Conductivity Measurement of Nanocomposite Membrane

상기 실시예 1 및 실시예 2와 비교예에서 제조된 복합막 및 전해질 막에 대하여 정전류 4단자법을 이용하여 양성자 전도도를 측정하였다. 크기가 0.5 cm x 2 cm인 시편을 온도 및 습도가 조절된 실내에서 일정한 교류 전류를 시편의 양단에 인가하면서 시편의 중앙에서 발생하는 교류 전위의 차를 확인하는 방법을 이용하여 가습기를 작동하지 않은 120℃의 무 가습 조건에서 양성자 전도도를 측정하였다. 양성자 전도도 측정은 Solatron사의 SI 1287을 이용하여 수행되었다.
The proton conductivities of the composite membranes and the electrolyte membranes prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples were measured using a constant current four-terminal method. A method of measuring the difference between the AC potentials generated at the center of the specimens while applying a constant alternating current to the specimens of 0.5 cm x 2 cm in size in a room with controlled temperature and humidity, The proton conductivity was measured under no humidification condition at 120 ℃. Proton conductivity measurements were performed using SI 1287 from Solatron.

이와 관련하여, 도 2는 비교예의 PBI 막 및 본 실시예에 따른 나노복합막의 양성자 전도도를 나타내는 그래프이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 비교예인 PBI 막이 약 0.045 S/cm의 양성자 전도도를 보이는데 반해, 상기 실시예들에서는 POSS-N의 함량이 10 중량%에서 20 중량%로 증가함에 따라 양성자 전도도가 높아지며, 최대 0.055 S/cm의 양성자 전도도를 보이는 것을 확인할 수 있다. 이는 POSS-N의 아민기가 도핑된 인산의 양성자 전달을 도와주기 때문인 것으로 확인되었다.
In this connection, FIG. 2 is a graph showing the proton conductivity of the PBI film of the comparative example and the nanocomposite film according to this embodiment. As shown in FIG. 2, the PBI film of the comparative example exhibited a proton conductivity of about 0.045 S / cm. In contrast, in the above embodiments, the content of POSS-N increases from 10 wt% to 20 wt% , And a maximum proton conductivity of 0.055 S / cm. It was confirmed that the amine group of POSS-N helped proton transfer of doped phosphoric acid.

실험예 2. Experimental Example 2 PBIPBI 막 및  Membrane and PBIPBI // POSSPOSS -N 나노복합막의 기계적 강도 및 인장률 -N Nano Composite Membrane Mechanical Strength and Tensile Ratio 측정Measure

상기 실시예 1 및 실시예 2와 비교예에서 제조된 복합막 및 전해질 막에 대하여 Instron 4201/ASTM D882 방법을 이용하여 기계적 강도 및 인장률을 측정하였다. 시편을 0.5 cm x 5 cm 크기로 준비하여 5 mm/min의 속도 하에서 상기 시편의 늘어나는 정도와 기계적 강도를 측정하였다.
The composite membranes and electrolyte membranes prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples were measured for mechanical strength and tensile modulus using an Instron 4201 / ASTM D882 method. The specimen was prepared to have a size of 0.5 cm x 5 cm and the degree of elongation and the mechanical strength of the specimen were measured at a rate of 5 mm / min.

이와 관련하여, 도 3은 비교예의 PBI 막 및 본 실시예에 따른 나노복합막의 기계적 강도 및 인장률을 나타내는 그래프이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 비교예인 PBI 막의 기계적 강도 (stress)가 약 4.2 MPa를 보이는데 반해, 본 실시예들에 따른 PBI/POSS-N 나노복합막은 80% 이상 증가된 강도를 보이며, 최대 7.6 MPa를 나타냄을 알 수 있다. 또한, 인장률 (%) 역시 상기 비교예인 PBI 막이 약 20% 정도인데 반해, 본 실시예에 따른 POSS-N의 첨가에 따라 최대 30%의 증가율을 보였다. 이는 POSS-N이 분자 수준의 나노복합체를 형성함으로써 기계적 강도 및 인장률을 증가시키기 때문인 것으로 확인되었다.
In this regard, FIG. 3 is a graph showing the mechanical strength and tensile ratio of the PBI film of the comparative example and the nanocomposite film according to this embodiment. As shown in FIG. 3, the PBI / POSS-N nanocomposite membrane according to the present embodiments exhibits an increased strength of 80% or more, while a mechanical strength of the comparative PBI membrane is about 4.2 MPa. MPa. &Lt; / RTI &gt; In addition, the tensile rate (%) of the PBI film of the comparative example was about 20%, whereas the addition of POSS-N according to the present example showed a maximum increase of 30%. This is because POSS-N increases the mechanical strength and tensile ratio by forming a molecular-level nanocomposite.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.It will be understood by those of ordinary skill in the art that the foregoing description of the embodiments is for illustrative purposes and that those skilled in the art can easily modify the invention without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be interpreted as being included in the scope of the present invention .

Claims (19)

벤지이미다졸계 고분자; 및,
하기 화학식 1로서 표시되는 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산
을 포함하는,
아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막:
[화학식 1]
Figure pat00015
;
상기 화학식 1에서,
R은 아민기-함유 치환기임.
Benzimidazole polymers; And
A polyhedral oligomeric silsesquioxane represented by the following general formula (1)
/ RTI &gt;
Polybenzimidazole Nanocomposite Membrane Using Amine Group-Containing Silsesquioxane:
[Chemical Formula 1]
Figure pat00015
;
In Formula 1,
R is an amine group-containing substituent.
제 1 항에 있어서,
상기 아민기-함유 치환기는, -NH2, -O-NH2, -R-NH2, -(CH2)n-NH2 (n은 1 내지 20의 정수),
Figure pat00016
,
Figure pat00017
, 및 이들의 이성질체들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막.
The method according to claim 1,
The amine group-containing substituent is selected from the group consisting of -NH 2 , -O-NH 2 , -R-NH 2 , - (CH 2 ) n -NH 2 (n is an integer of 1 to 20)
Figure pat00016
,
Figure pat00017
, And isomers thereof. The polybenzimidazole nanocomposite membrane employs an amine group-containing silsesquioxane.
제 1 항에 있어서,
상기 벤지이미다졸계 고분자는 폴리벤지이미다졸, 및 이들의 유도체들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막.
The method according to claim 1,
Wherein the benzimidazole-based polymer comprises polybenzimidazole, and derivatives thereof. The polybenzimidazole nanocomposite membrane according to claim 1, wherein the benzimidazole-based polymer is selected from the group consisting of polybenzimidazole and derivatives thereof.
제 3 항에 있어서,
상기 벤지이미다졸계 고분자는,
Figure pat00018
,
Figure pat00019
,
Figure pat00020
,
Figure pat00021
, 및 이들의 이성질체들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것이고, 상기 n은 1 내지 20의 정수인, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막.
The method of claim 3,
The benzimidazole-based polymer may be prepared,
Figure pat00018
,
Figure pat00019
,
Figure pat00020
,
Figure pat00021
, And isomers thereof, and wherein n is an integer of 1 to 20. The polybenzimidazole nanocomposite membrane using the amine group-containing silsesquioxane.
제 1 항에 있어서,
상기 벤지이미다졸계 고분자는 분자량이 5,000 내지 1,000,000인 것을 포함하는 것인, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막.
The method according to claim 1,
Wherein the benzimidazole-based polymer has a molecular weight of from 5,000 to 1,000,000. The polybenzimidazole nanocomposite membrane according to claim 1, wherein the benzimidazole-based polymer comprises an amine group-containing silsesquioxane.
제 1 항에 있어서,
상기 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 나노미터 수준의 크기를 가지는 것을 포함하는 것인, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막.
The method according to claim 1,
Wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane has a size on the order of nanometers. 2. The polybenzimidazole nanocomposite membrane according to claim 1, wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane has a size on the order of nanometers.
제 1 항에 있어서,
상기 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 1 개 내지 16 개의 아민기를 포함하는 것인, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막.
The method according to claim 1,
Wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane comprises 1 to 16 amine groups. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제 7 항에 있어서,
상기 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 3 개 내지 16 개의 아민기를 포함하는 것인, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막.
8. The method of claim 7,
Wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane comprises 3 to 16 amine groups. The polybenzimidazole nanocomposite membrane according to claim 1, wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane comprises 3 to 16 amine groups.
제 1 항에 있어서,
상기 아민기에 의하여 치환된 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 상기 벤지이미다졸계 고분자에 대하여 1 중량% 내지 50 중량%로 포함되는 것인, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막.
The method according to claim 1,
Wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane substituted by the amine group is contained in an amount of 1 to 50% by weight based on the benzimidazole-based polymer, wherein the polybenzimidazole nano-type silsesquioxane Composite membrane.
제 9 항에 있어서
상기 아민기에 의하여 치환된 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 상기 벤지이미다졸계 고분자에 대하여 1 중량% 내지 30 중량%로 포함되는 것인, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막.
The method of claim 9, wherein
Wherein the amine group-containing polyhedral oligomeric silsesquioxane is contained in an amount of 1 to 30% by weight based on the benzimidazole-based polymer, wherein the amine group-containing silsesquioxane comprises polybenzimidazole nano Composite membrane.
제 1 항에 있어서,
상기 나노복합막의 두께가 감소되어도 기계적 강도는 유지되는 것인, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막.
The method according to claim 1,
And the mechanical strength is maintained even if the thickness of the nanocomposite membrane is reduced. The polybenzimidazole nanocomposite membrane using the amine group-containing silsesquioxane.
아민기-함유 치환기에 의하여 치환된 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산, 및 벤지이미다졸계 고분자를 혼합하여 벤지이미다졸계 고분자/실세스퀴옥산 나노복합막을 제조하는 것을 포함하는, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막의 제조 방법.
Containing silsesquioxane-based polymer, a polyhedral oligomeric silsesquioxane substituted with an amine group-containing substituent, and a benzimidazole-based polymer to prepare a benzimidazole-based polymer / silsesquioxane nanocomposite film, A process for preparing a polybenzimidazole nanocomposite membrane using sesquioxane.
제 12 항에 있어서,
상기 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 1 개 내지 16 개의 아민기를 포함하는 것인, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane comprises 1 to 16 amine groups, wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane comprises 1 to 16 amine groups.
제 13 항에 있어서,
상기 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 3 개 내지 16 개 아민기를 포함하는 것인, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane comprises 3 to 16 amine groups. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제 12 항에 있어서,
상기 아민기-함유 치환기에 의하여 치환된 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 상기 벤지이미다졸계 고분자에 대하여 1 중량% 내지 50 중량%로 첨가되는 것인, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane substituted by the amine group-containing substituent is added in an amount of 1 wt% to 50 wt% based on the benzimidazole-based polymer. A method for preparing a ribbimidazole nanocomposite membrane.
제 15 항에 있어서,
상기 아민기-함유 치환기에 의하여 치환된 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산은 상기 벤지이미다졸계 고분자에 대하여 10 중량% 내지 20 중량%로 첨가되는 것인, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막의 제조 방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the polyhedral oligomeric silsesquioxane substituted with the amine group-containing substituent is added in an amount of 10 to 20 wt% based on the benzimidazole-based polymer. A method for preparing a ribbimidazole nanocomposite membrane.
제 12 항에 있어서,
상기 벤지이미다졸계 고분자/실세스퀴옥산 나노복합막을 인산에 의하여 도핑하는 것을 추가 포함하는, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
A method for producing a polybenzimidazole nanocomposite membrane using amine group-containing silsesquioxane, further comprising doping the benzimidazole-based polymer / silsesquioxane nanocomposite membrane with phosphoric acid.
제 17 항에 있어서,
상기 인산에 의하여 도핑하는 것은, 상기 벤지이미다졸계 고분자/실세스퀴옥산 나노복합막을 인산 용액에 침지하여 수행되는 것을 포함하는 것인, 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막의 제조 방법.
18. The method of claim 17,
The doping with the phosphoric acid is carried out by immersing the benzimidazole-based polymer / silsesquioxane nanocomposite membrane in a phosphoric acid solution. The polybenzimidazole nano-particles using the amine group-containing silsesquioxane A method for producing a composite membrane.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 아민기-함유 실세스퀴옥산을 이용한 폴리벤지이미다졸 나노복합막을 포함하는 연료전지.
A fuel cell comprising a polybenzimidazole nanocomposite membrane using an amine group-containing silsesquioxane according to any one of claims 1 to 11.
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