KR20150060159A - Electrolyte membranes of partially fluorinated and tetrasulfonated block coploymers for fuel cells and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a tetrasulfonated poly arylene biphenyl sulfone copolymer represented as chemical formula (1), a manufacturing method thereof, and a cation exchange membrane for a fuel cell, comprising the tetrasulfonated poly arylene biphenyl sulfone copolymer in the chemical formula (1).

Description

부분 불소화 및 테트라 술폰화된 연료전지용 블록 코폴리머 전해질막 및 그의 제조방법{Electrolyte membranes of partially fluorinated and tetrasulfonated block coploymers for fuel cells and manufacturing method thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a block copolymer electrolyte membrane for partially fluorinated and tetrasulfonated fuel cells and a method for producing the same.

본 발명은 부분 불소화 및 테트라 술폰화된 연료전지용 블록 코폴리머 전해질막 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체, 그의 제조방법 및 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환막에 관한 것이다.The present invention relates to a block copolymer electrolyte membrane for a partially fluorinated and tetra-sulphonated fuel cell and a method for preparing the same, and more particularly to a tetrasulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer having the following formula (1) And a tetra sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of formula (1).

Figure pat00001
...화학식(1)
Figure pat00001
(1)

(상기 화학식(1)에서, Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 하기 화학식(2-1) 내지 화학식(2-4) 중에서 선택되는 어느 하나의 화합물이고, (1), Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 are each independently any one selected from the following formulas (2-1) to (2-4)

Y는 -S-, -O-, -N- 또는 -S(=O)2-이며, Y is -S-, -O-, -N- or -S (= O) 2 -

M은 -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs 또는 Fr이고,M is -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs or Fr,

n는 0.01∼1이며, n is from 0.01 to 1,

z는 10∼800이다.)z is 10 to 800.)

Figure pat00002
... 화학식(2-1),
Figure pat00002
(2-1),

Figure pat00003
..화학식(2-2),
Figure pat00003
(2-2),

Figure pat00004
... 화학식(2-3),
Figure pat00004
(2-3),

Figure pat00005
... 화학식(2-4)
Figure pat00005
(2-4)

(상기 화학식(2-1) 및 화학식(2-2)에서, Y는 -S-, -O-, -N- 또는 -S(=O)2-이다.)(In the formulas (2-1) and (2-2), Y is -S-, -O-, -N- or -S (= O) 2 -.

연료전지는 전해액의 존재하에 산소와 반응하는 다양한 연료의 활용함으로써 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 전기화학 에너지 변환장치로 전기, 물, 그리고 열을 생산한다. Fuel cells produce electricity, water, and heat with electrochemical energy conversion devices that convert chemical energy directly into electrical energy by utilizing a variety of fuels that react with oxygen in the presence of an electrolyte.

이는 카르노사이클(기존 열에너지) 엔진이 아니므로, 연료전지는 화학에너지를 직접 전기에너지로 전환에 대한 기존의 에너지 시스템보다 훨씬 더 높은 효율성을 갖고 작동한다. 또한 이는 몇 mW에서 수백 KW에 이르기까지 다양한 출력을 내며 다양하게 응용이 되고 있다. Because it is not a carnot cycle (conventional heat energy) engine, fuel cells operate with much higher efficiency than traditional energy systems for converting chemical energy directly into electrical energy. It also has a wide range of applications, ranging from a few mW to hundreds of kW.

일반적으로 연료전지는 전해질의 종류에 따라 달라지며, 그 종류에는 알칼리 전해질형 연료전지(alkaline fuel cell, AFC), 양이온 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC), 인산형 연료전지(phosphoric acid fuel cell, PAFC), 융용탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cell, MCFC), 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC) 등이 있다. Generally, the fuel cell varies depending on the type of the electrolyte. Examples of the fuel cell include an alkaline fuel cell (AFC), a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), a phosphoric acid fuel cell fuel cells, PAFCs, molten carbonate fuel cells (MCFCs), and solid oxide fuel cells (SOFCs).

각각의 이러한 연료전지는 비슷한 원리에 의해 작동되지만, 연료전지마다 작동온도, 촉매, 전해질 및 연료에는 차이가 있다.Each of these fuel cells operates on a similar principle, but there are differences in operating temperature, catalyst, electrolyte and fuel for each fuel cell.

이러한 연료전지를 대중화시키기 위해서는 양이온 교환막 연료전지에 관해 연구가 활발히 진행되고 있다. 여러 연료전지 중 운전온도가 낮고 자동차와 같은 이동형, 가정용 발전기, 및 공공시설에 발전용으로 적용시키기에 적합하기 때문이다.Researches on cation exchange membrane fuel cells have been actively conducted to popularize such fuel cells. This is because the operating temperature of several fuel cells is low and suitable for power generation applications in mobile, household generators, and public facilities such as automobiles.

양이온 교환막 연료전지(PEMFC)는 산화극, 환원극 그리고 전해질로 구성되어 있다. 여기서 사용되는 전해질은 불소화 알킬렌으로 구성된 주사슬과 작용기에 술폰산기를 도입시킨 불소화비닐에테르로 구성된 술포네이트 과불소화폴리머(예: 나피온, 듀퐁사 제품)와 같은 고분자를 사용한다. 위와 같은 고분자 전해질은 일정량의 물을 흡수함으로써 효과적인 이온전도성을 나타내게 되는 것이다.A cation exchange membrane fuel cell (PEMFC) consists of an anode, a cathode, and an electrolyte. The electrolyte used here is a polymer such as a sulfonated perfluoropolymer (for example, Nafion, manufactured by DuPont) composed of a main chain composed of fluorinated alkylene and a fluorinated vinyl ether having a sulfonic acid group introduced into a functional group. Such a polymer electrolyte exhibits effective ion conductivity by absorbing a certain amount of water.

그러나, 불소화된 양이온 교환막은 우수한 성능, 유연한 막의 특징, 훌륭한 기계적화학적 안정성을 가짐에도 산업용으로 적용하기에는 이용도가 낮다. 이러한 이유는 제한적인 운전온도와 너무 높은 제작비용 및 복잡한 제작과정 때문이다. However, fluorinated cation exchange membranes have poor performance, flexible membrane characteristics, good mechanical and chemical stability, but are also unavailable for industrial applications. This is due to limited operating temperatures, too high production costs and complex manufacturing processes.

따라서, 여러 단점들을 개선하기 위해서 방향족 화합물계열의 이온교환막에 대해 연구가 진행되고 있다.Therefore, in order to improve various disadvantages, researches are being conducted on aromatic-based ion exchange membranes.

한편, 본 발명과 관련된 선행기술로서, Polymer 2006, 47, 41324139에서는 하이드로카본 계열의 양이온 교환막으로써 친수성 블록(hydrophilic block)과 소수성 블록(hydrophobic block)을 교대로 이루어진 멀티 블록 공중합체(multi block copolymer) 양이온 교환막으로써의 제조방법에 대해서 개시되어 있다.As a prior art related to the present invention, Polymer 2006, 47, 41324139 discloses a multi-block copolymer in which a hydrophilic block and a hydrophobic block are alternately made of a hydrocarbon-based cation exchange membrane, And a method for producing the same as a cation exchange membrane.

한국등록특허 제10-0823503호에 이온교환수지 막; 및 상기 이온교환수지 막 내에 분산된 자체 가습형 입자를 포함하며, 상기 자체 가습형 입자는 1 내지 30nm의 평균 입자 직경을 갖는 연료 전지용 양이온 교환막을 나타내고 있다.Korean Patent No. 10-0823503 discloses an ion exchange resin membrane; And self-humidifying particles dispersed in the ion exchange resin membrane, wherein the self-humidifying particles represent a cation exchange membrane for a fuel cell having an average particle diameter of 1 to 30 nm.

한국공개특허 제2011-0126033호에 디이소시아네이트계 화합물 및 방향족 폴리올을 포함하는 폴리우레탄계 화합물 형성용 조성물을 중합하여 얻은 생성물인 화합물, 상기 화합물 및 상호 침투 고분자를 포함하는 조성물, 이를 포함한 연료전지용 전극, 연료전지용 전해질 막 및 이를 구비한 연료전지를 나타내고 있다.
Korean Patent Publication No. 2011-0126033 discloses a compound which is a product obtained by polymerizing a composition for forming a polyurethane compound containing a diisocyanate compound and an aromatic polyol, a composition comprising the compound and the interpenetrating polymer, an electrode for a fuel cell comprising the same, An electrolyte membrane for a fuel cell, and a fuel cell having the same.

본 발명자들은 상기 종래기술과 달리 링커를 사용하지 않고 직접 블록 공중합체를 통해, 우수한 이온전도성을 가지며, 중저온 및 고가습 조건하에서 중장기적으로 높은 이온전도도 성능을 나타냄으로써, 저렴한 양이온 교환막을 제조할 수 있음을 알아 내고 본 발명을 완성하였다.The present inventors have succeeded in producing an inexpensive cation-exchange membrane through direct block copolymers without using a linker, having excellent ion conductivity, and exhibiting high ionic conductivity in the mid- and long-term under low- and high-humidity conditions And completed the present invention.

따라서, 본 발명의 목적은 우수한 이온전도성을 가지는 연료전지용 양이온 교환막 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a cation exchange membrane for fuel cells having excellent ion conductivity and a method for producing the same.

본 발명의 다른 목적은 중저온 및 고가습 조건 하에서 중장기적으로 높은 이온전도도 성능을 나타냄으로써, 저렴한 양이온 교환막을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a low-cost cation exchange membrane by exhibiting high ion conductivity performance over the medium to long term under the conditions of medium-low temperature and high humidity.

본 발명의 또 다른 목적은 연료전지용 양이온 교환막의 상용막인 나피온과 유사한 온도 범위에서 보다 높은 이온전도도 성능을 나타냄으로써 나피온 막을 능가하는 연료전지용 양이온 교환막, 이의 제조방법, 상기 연료전지용 양이온 교환막과 전극의 접합체 및 상기 연료전지용 양이온 교환막을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다. It is another object of the present invention to provide a cation exchange membrane for a fuel cell, which is superior to a Nafion membrane by exhibiting a higher ion conductivity at a temperature range similar to Nafion which is a common membrane of a cation exchange membrane for a fuel cell, And a fuel cell including the cation exchange membrane for the fuel cell.

본 발명은 하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체, 그의 제조방법, 하기 화학식(1)의 트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환막, 상기 연료전지용 양이온 교환막에 전극을 결합시킨 연료전지용 양이온 교환막/전극 접합체, 상기 연료전지용 양이온 교환막을 포함하는 연료전지 및 상기 양이온 교환막/전극 접합체를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지를 제공한다.The present invention relates to a tetrasulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer having the following general formula (1), a process for producing the same, a cations for fuel cells comprising a tarsulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer represented by the following general formula (1) A cation exchange membrane / electrode assembly for a fuel cell in which an electrode is bonded to the cation exchange membrane for the fuel cell, a fuel cell including the cation exchange membrane for the fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell comprising the cation exchange membrane / electrode assembly.

본 발명은 하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체에 관한 것이다. The present invention relates to a tetra-sulphonated polyarylene biphenylsulfone copolymer having the following formula (1).

Figure pat00006
...화학식(1)
Figure pat00006
(1)

(상기 화학식(1)에서, Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 하기 화학식(2-1) 내지 화학식(2-4) 중에서 선택되는 어느 하나의 화합물이고, (1), Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 are each independently any one selected from the following formulas (2-1) to (2-4)

Y는 -S-, -O-, -N- 또는 -S(=O)2-이며, Y is -S-, -O-, -N- or -S (= O) 2 -

M은 -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs 또는 Fr이고,M is -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs or Fr,

n는 0.01∼1이며, n is from 0.01 to 1,

z는 10∼800이다.)z is 10 to 800.)

Figure pat00007
... 화학식(2-1),
Figure pat00007
(2-1),

Figure pat00008
..화학식(2-2),
Figure pat00008
(2-2),

Figure pat00009
... 화학식(2-3),
Figure pat00009
(2-3),

Figure pat00010
... 화학식(2-4)
Figure pat00010
(2-4)

(상기 화학식(2-1) 및 화학식(2-2)에서, Y는 -S-, -O-, -N- 또는 -S(=O)2-이다.)(In the formulas (2-1) and (2-2), Y is -S-, -O-, -N- or -S (= O) 2 -.

본 발명의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 이용하여 추가적인 고압 또는 감압을 요구하는 장치 및 공정단계의 추가 없이도 연료전지용 양이온 교환막을 제조할 수 있다.The tetra sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of the present invention can be used to produce a cation exchange membrane for a fuel cell without additional apparatus and process steps requiring additional high pressure or reduced pressure.

또한 본 발명은 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 이용하여 손쉽게 연료전지용 양이온 교환막을 얻을 수 있는 장점을 통하여 보다 손쉽게 연료전지용 양이온 교환막을 제공할 수 있는 효과가 있다. Further, the present invention is advantageous in that a cation exchange membrane for a fuel cell can be easily provided through the advantage that a tetra sulfonated polyarylene biphenyl sulfonic copolymer can be easily used to obtain a cation exchange membrane for a fuel cell.

도 1은 제조예 1에서 제조한 고분자, 제조예 2에서 제조한 고분자, 실시예 1에서 제조한 고분자, 실시예 2에서 제조한 고분자, 실시예 3에서 제조한 고분자 및 비교예에서 제조한 고분자들의 1H NMR을 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1에서 제조한 공중합체, 실시예 2에서 제조한 공중합체, 실시예 3에서 제조한 공중합체 및 비교예에서 제조한 공중합체들을 FT-IR을 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1에서 제조한 공중합체, 실시예 2에서 제조한 공중합체, 실시예 3에서 제조한 공중합체, 비교예에서 제조한 공중합체 및 나피온117의 TGA(도 3 좌측)와 유리전이온도(도 3 우측)를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1에서 제조한 공중합체, 실시예 2에서 제조한 공중합체, 실시예 3에서 제조한 공중합체 및 나피온 117의 온도에 따른 함수량을 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1에서 제조한 공중합체, 실시예 2에서 제조한 공중합체, 실시예 3에서 제조한 공중합체 및 나피온117의 가습 100%에서 온도에 따른 수소이온전도도 값을 나타낸 것이다.
도 6는 실시예 1에서 제조한 공중합체, 실시예 2에서 제조한 공중합체, 실시예 3에서 제조한 공중합체 및 나피온117의 온도에 따른 이치수 팽윤 비율을 나타낸 것이다.
도 7는 실시예 1에서 제조한 공중합체, 실시예 2에서 제조한 공중합체, 실시예 3에서 제조한 공중합체 및 나피온117의 온도 80℃에서 가습에 따른 수소이온전도도 값을 나타낸 것이다.
도 8는 실시예 3에서 제조한 공중합체의 70℃에서 single cell 성능을 나타낸 것이다.
1 is a graph showing the results of measurement of a polymer prepared in Preparation Example 1, a polymer prepared in Preparation Example 2, a polymer prepared in Example 1, a polymer prepared in Example 2, a polymer prepared in Example 3, & Lt; 1 > H NMR.
FIG. 2 shows FT-IR measurement results of the copolymer prepared in Example 1, the copolymer prepared in Example 2, the copolymer prepared in Example 3, and the copolymers prepared in Comparative Examples.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the copolymer prepared in Example 1, the copolymer prepared in Example 2, the copolymer prepared in Example 3, the copolymer prepared in Comparative Example, and Taf (117) And the transition temperature (right side in Fig. 3).
4 shows the water content of the copolymer prepared in Example 1, the copolymer prepared in Example 2, the copolymer prepared in Example 3 and Nafion 117 according to the temperature.
5 shows hydrogen ion conductivity values at 100% humidification of the copolymer prepared in Example 1, the copolymer prepared in Example 2, the copolymer prepared in Example 3, and Nafion 117. FIG.
Fig. 6 shows the percentages of the swelling of the water content according to the temperature of the copolymer prepared in Example 1, the copolymer prepared in Example 2, the copolymer prepared in Example 3, and Nafion 117. Fig.
7 shows the hydrogen ion conductivity values of the copolymer prepared in Example 1, the copolymer prepared in Example 2, the copolymer prepared in Example 3, and Nafion 117 according to the humidification at a temperature of 80 ° C.
8 shows the single cell performance of the copolymer prepared in Example 3 at 70 캜.

본 발명은 하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 나타낸다.The present invention relates to a tetra-sulphonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer having the following formula (1).

Figure pat00011
...화학식(1)
Figure pat00011
(1)

(상기 화학식(1)에서, Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 하기 화학식(2-1) 내지 화학식(2-4) 중에서 선택되는 어느 하나의 화합물이고, (1), Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 are each independently any one selected from the following formulas (2-1) to (2-4)

Y는 -S-, -O-, -N- 또는 -S(=O)2-이며, Y is -S-, -O-, -N- or -S (= O) 2 -

M은 -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs 또는 Fr이고,M is -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs or Fr,

n는 0.01∼1이며, n is from 0.01 to 1,

z는 10∼800이다.)z is 10 to 800.)

Figure pat00012
... 화학식(2-1),
Figure pat00012
(2-1),

Figure pat00013
..화학식(2-2),
Figure pat00013
(2-2),

Figure pat00014
... 화학식(2-3),
Figure pat00014
(2-3),

Figure pat00015
... 화학식(2-4)
Figure pat00015
(2-4)

(상기 화학식(2-1) 및 화학식(2-2)에서, Y는 -S-, -O-, -N- 또는 -S(=O)2-이다.)(In the formulas (2-1) and (2-2), Y is -S-, -O-, -N- or -S (= O) 2 -.

또한, 본 발명은 하기 화학식(3)의 화합물, 화학식(4)의 화합물을 반응시켜 하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체의 제조방법을 나타낸다. The present invention also relates to a process for preparing a tetrasulfonated polyarylene biphenylsulfone copolymer of the following formula (1) by reacting a compound of the formula (3) and a compound of the formula (4).      

Figure pat00016
...화학식(1)
Figure pat00016
(1)

Figure pat00017
...화학식(3)
Figure pat00017
(3)

Figure pat00018
...화학식(4)
Figure pat00018
(4)

(상기 화학식(1), 화학식(3) 및 화학식(4)에서, Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 상기 화학식(1)에서 Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 하기 화학식(2-1) 내지 화학식(2-4) 중에서 선택되는 어느 하나의 화합물이고, (Formula (1), the formula 3 and in formula (4), Ar 1, Ar 2 and Ar 3 is Ar 1, Ar 2 and Ar 3 in the formula (1) each independently are to independently formula (2-1) to (2-4), < / RTI >

Y는 -S-, -O-, -N- 또는 -S(=O)2-이며, Y is -S-, -O-, -N- or -S (= O) 2 -

M은 -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs 또는 Fr이고,M is -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs or Fr,

n는 0.01∼1이며, n is from 0.01 to 1,

z는 10∼800이다.)z is 10 to 800.)

Figure pat00019
... 화학식(2-1),
Figure pat00019
(2-1),

Figure pat00020
..화학식(2-2),
Figure pat00020
(2-2),

Figure pat00021
... 화학식(2-3),
Figure pat00021
(2-3),

Figure pat00022
... 화학식(2-4)
Figure pat00022
(2-4)

(상기 화학식(2-1) 및 화학식(2-2)에서, Y는 -S-, -O-, -N- 또는 -S(=O)2-이다.)(In the formulas (2-1) and (2-2), Y is -S-, -O-, -N- or -S (= O) 2 -.

상기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 제조시 반응은 화학식(3)의 화합물 및 화학식(4)의 화합물을 혼합한 후 탄산칼륨, 용매 및 톨루엔을 첨가하고 130∼150℃에서 3∼12시간 동안 용해시킨 후 160℃에서 2~6시간에서 탈수반응을 실시하여 톨루엔을 제거한 다음 180∼200℃에서 12∼36시간 동안 유지하여 점도를 지니는 반응물을 얻어 상기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 제조할 수 있다.In the preparation of the tetrasulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of formula (1), the compound of formula (3) and the compound of formula (4) are mixed, potassium carbonate, a solvent and toluene are added, The reaction mixture was dissolved at -150 ° C. for 3 to 12 hours, dehydrated at 160 ° C. for 2 to 6 hours to remove toluene, and maintained at 180 to 200 ° C. for 12 to 36 hours to obtain a reaction product having viscosity 1) tetrasulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer can be prepared.

상기 화학식(1)의 화합물을 제조시 반응은 화학식(3)의 화합물 : 화학식(4)의 화합물은 1:9∼9:1의 몰비가 되도록 혼합한 후 반응시킬 수 있다.In the preparation of the compound of formula (1), the compound of formula (3) and the compound of formula (4) may be mixed in a molar ratio of 1: 9 to 9: 1.

상기 화학식(1)의 화합물을 제조시 반응은 화학식(3)의 화합물 : 화학식(4)의 화합물은 1:9∼5:5의 몰비가 되도록 혼합한 후 반응시킬 수 있다.In the preparation of the compound of formula (1), the compound of formula (3) and the compound of formula (4) may be mixed in a molar ratio of 1: 9 to 5: 5.

상기 화학식(1)의 화합물을 제조시 반응은 화학식(3)의 화합물 : 화학식(4)의 화합물은 1:9의 몰비가 되도록 혼합한 후 반응시킬 수 있다.In the preparation of the compound of formula (1), the reaction can be carried out after mixing the compound of formula (3): the compound of formula (4) in a molar ratio of 1: 9.

상기 화학식(1)의 화합물을 제조시 반응은 화학식(3)의 화합물 : 화학식(4)의 화합물은 3:7의 몰비가 되도록 혼합한 후 반응시킬 수 있다.In the preparation of the compound of formula (1), the reaction may be carried out after the compound of formula (3): the compound of formula (4) is mixed at a molar ratio of 3: 7.

상기 화학식(1)의 화합물을 제조시 반응은 화학식(3)의 화합물 : 화학식(4)의 화합물은 5:5의 몰비가 되도록 혼합한 후 반응시킬 수 있다.In the preparation of the compound of formula (1), the reaction can be carried out after mixing the compound of formula (3): the compound of formula (4) in a molar ratio of 5: 5.

상기 화학식(1)의 화합물을 제조시 반응은 용매내에서 실시되며, 이때의 용매는 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide; DMAc), 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide; DMSO), 메틸피롤리돈(methylpyrrolidone; NMP), 디메틸포름아미드(dimethylformamide; DMF ) 및 테트라히드로 퓨란(tetrahydrofuran; THF) 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.When the compound of formula (1) is prepared, the reaction is carried out in a solvent, and the solvent may be selected from the group consisting of dimethylacetamide (DMAc), dimethyl sulfoxide (DMSO), methylpyrrolidone (NMP) , Dimethylformamide (DMF), and tetrahydrofuran (THF) may be used.

상기 화학식(1)의 화합물을 제조시 사용하는 탄산칼륨은 화학식(3)의 화합물 1몰에 대하여 5∼10몰을 사용할 수 있으며, 용매는 화학식(3)의 화합물 1몰에 대하여 5∼50ml를 사용할 수 있으며, 톨루엔은 화학식(3)의 화합물 1몰에 대하여 5∼50ml를 사용할 수 있다.The potassium carbonate used in the preparation of the compound of formula (1) may be used in an amount of 5 to 10 moles per 1 mole of the compound of formula (3), and the solvent may be 5 to 50 ml per 1 mole of the compound of formula (3) And toluene may be used in an amount of 5 to 50 ml per 1 mole of the compound of the formula (3).

상기에서 화학식(3)의 화합물은 중량평균분자량(Mw)이 3000g/mol 내지 500,000g/mol인 것을 사용할 수 있다.The compound of formula (3) may have a weight average molecular weight (Mw) of 3000 g / mol to 500,000 g / mol.

상기에서 화학식(4)의 화합물은 중량평균분자량(Mw)이 3000g/mol 내지 500,000g/mol인 것을 사용할 수 있다.The compound of formula (4) may have a weight average molecular weight (Mw) of 3000 g / mol to 500,000 g / mol.

본 발명은 상기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환막을 나타낸다.The present invention represents a cation exchange membrane for a fuel cell comprising a tetra sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of the above formula (1).

화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환막은 아래의 (가)단계 내지 (다)단계를 이용하여 제조할 수 있다.The cation exchange membrane for a fuel cell comprising the tetra sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of formula (1) can be prepared using the following steps (a) to (c).

(가) 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 용매에 첨가하고 교반시킨 다음 방치하여 침전물을 얻고 이 침전물을 건조하는 단계;(A) adding a tetrasulfonated polyarylenebiphenylsulfonic copolymer represented by the formula (1) to a solvent, agitating and then allowing to stand to obtain a precipitate and drying the precipitate;

(나) 상기의 건조한 침전물을 용매에 용해시킨 후 교반하여 용액을 얻는 단계;(B) dissolving the dried precipitate in a solvent and stirring to obtain a solution;

(다) 상기의 용액을 기판에 붓고 건조하는 단계(C) pouring the above solution onto a substrate and drying

상기의 (가)단계는 화학식(1)의 화합물 100중량부에 대하여 용매 200∼500중량부의 비율로 화학식(1)의 화합물을 용매에 첨가하고, 10∼15시간 동안 100∼500rpm으로 교반한 다음 1∼6시간 동안 방치하여 침전물을 얻고, 이 침전물을 80∼100℃에서 1∼3시간 동안 건조할 수 있다.The above step (a) may be carried out by adding the compound of formula (1) to a solvent at a ratio of 200 to 500 parts by weight based on 100 parts by weight of the compound of formula (1), stirring the mixture at 100 to 500 rpm for 10 to 15 hours It is allowed to stand for 1 to 6 hours to obtain a precipitate, and the precipitate can be dried at 80 to 100 ° C for 1 to 3 hours.

상기의 (가)단계에서의 용매는 증류수, 메탄올, 에탄올, 아세톤 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있으며, 이러한 용매의 일예로 3차 증류수 1, 메탄올 8, 아세톤 1의 부피비율로 혼합된 혼합용매를 사용할 수 있다.The solvent in step (a) may be distilled water, methanol, ethanol or acetone. Examples of the solvent include a mixed solvent of a mixture of tertiary distilled water 1, methanol 8, and acetone 1 in a volume ratio Can be used.

상기의 (나)단계는 용매 100중량부에 대하여 건조한 침전물 1∼50중량부를 첨가하여 용해시킨 후 12∼48시간 동안 100∼500rpm으로 교반하여 용액을 얻을 수 있다.In the step (b), 1 to 50 parts by weight of the dried precipitate is added to 100 parts by weight of the solvent and dissolved, and the mixture is stirred at 100 to 500 rpm for 12 to 48 hours to obtain a solution.

상기의 (나)단계에서 용매는 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), 메틸피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF) 및 테트라히드로 퓨란(THF) 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있으며, 이러한 용매의 일예로 디메틸아세트아미드(DMAc)를 사용할 수 있다.In the step (b), the solvent may be any one selected from the group consisting of dimethylacetamide (DMAc), dimethylsulfoxide (DMSO), methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF) and tetrahydrofuran And dimethylacetamide (DMAc) can be used as an example of such a solvent.

상기의 (다)단계에서 기판은 유리기판을 사용할 수 있으며, 건조는 80∼100℃에서 1∼24시간 동안 실시할 수 있다. In the step (c), a glass substrate may be used as the substrate, and drying may be performed at 80 to 100 ° C for 1 to 24 hours.

상기에서 연료전지용 양이온 교환막은 두께가 10∼200㎛가 되도록 제조할 수 있다.In the above, the cation exchange membrane for a fuel cell may be manufactured to have a thickness of 10 to 200 mu m.

상기에서 연료전지용 양이온 교환막은 두께가 50∼150㎛가 되도록 제조할 수 있다.The cation exchange membrane for a fuel cell may be manufactured to have a thickness of 50 to 150 mu m.

상기에서 연료전지용 양이온 교환막은 두께가 75∼125㎛가 되도록 제조할 수 있다.In the above, the cation exchange membrane for a fuel cell may be manufactured to have a thickness of 75 to 125 mu m.

본 발명의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체, 이의 제조방법, 상기 화합물을 포함하는 연료전지용 양이온 교환막, 상기 화합물을 포함하는 연료전지용 양이온 교환막의 제조방법에 대해 다양한 조건으로 실시한바, 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 상기에서 언급한 조건에 의해 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체, 이의 제조방법, 상기 화합물을 포함하는 연료전지용 양이온 교환막, 상기 화합물을 포함하는 연료전지용 양이온 교환막의 제조방법을 제공하는 것이 바람직하다.The tetrasulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of the present invention, a method for producing the same, a cation exchange membrane for a fuel cell comprising the compound, and a method for producing a cation exchange membrane for a fuel cell comprising the compound are provided under various conditions, In order to achieve the object of the present invention, there is provided a tetra-sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer, a method for producing the same, a cation exchange membrane for a fuel cell comprising the compound, a cation for a fuel cell It is desirable to provide a method for producing a replacement membrane.

본 발명은 상기에서 언급한 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환막으로 전극을 결합시킨 연료전지용 양이온 교환막/전극 접합체를 나타낸다.The present invention relates to a cation exchange membrane / electrode assembly for a fuel cell in which an electrode is bonded to a cation exchange membrane for a fuel cell comprising the above-mentioned tetra-sulphonated polyarylene biphenylsulfonic copolymer.

본 발명은 상기에서 언급한 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환막으로 제조하고, 이 방법에 의해 제조한 연료전지용 양이온 교환막에 전극을 결합시킨 연료전지용 양이온 교환막/전극 접합체를 나타낸다.The present invention relates to a cation exchange membrane for a fuel cell comprising a tetra sulfonated polyarylene biphenylsulfone copolymer and a cathode prepared by the method and an electrode bonded to the cation exchange membrane for a fuel cell, Electrode assembly.

본 발명은 상기에서 언급한 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환막을 함유하는 연료전지를 나타낸다.The present invention relates to a fuel cell containing a cation exchange membrane for a fuel cell comprising the above-mentioned tetra-sulphonated polyarylene biphenylsulfonic copolymer.

또한, 본 발명은 상기 연료전지용 양이온 교환막/전극 접합체를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지를 나타낸다.The present invention also relates to a polymer electrolyte fuel cell comprising the above cation exchange membrane / electrode assembly for a fuel cell.

본 발명에서 상기 연료전지용 양이온 교환막을 함유하는 연료전지 및 상기 연료전지용 양이온 교환막/전극 접합체를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지는 통상의 방법으로 제조할 수 있다. In the present invention, the polymer electrolyte fuel cell comprising the fuel cell containing the cation exchange membrane for fuel cells and the cation exchange membrane / electrode assembly for fuel cells may be manufactured by a conventional method.

이하 본 발명의 내용을 제조예, 실시예 및 시험예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the content of the present invention will be described in detail through Production Examples, Examples and Test Examples. However, these are for the purpose of illustrating the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<제조예 1> 친수성 고분자 제조Preparation Example 1 Preparation of Hydrophilic Polymer

하기 [반응식 1]을 이용하여 친수성 고분자인 술폰화된 아릴렌 비페닐설폰 고분자를 제조하였다.A sulfonated arylene biphenyl sulfone polymer, which is a hydrophilic polymer, was prepared using the following Reaction Scheme 1.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure pat00023
Figure pat00023

상기 [반응식 1]에서 8.0g 테트라소듐 4,4'-비스(4-클로로-3-설포네이토 페닐 설포닐) 비페닐-2,2'-다이설포네이트(8.78mmol), 2.20g 비스페놀(9.65mmol), 2.67g 탄산칼륨(19.3mmol), 30mL DMAc 및 25mL 톨루엔을 마그네틱 교반기 및 딘-스탁 트랩이 구비된 2구 둥근바닥 플라스크에 넣었다. Bis (4-chloro-3-sulfonatophenylsulfonyl) biphenyl-2,2'-disulfonate (8.78 mmol), 2.20 g of bisphenol ( 9.65 mmol), 2.67 g potassium carbonate (19.3 mmol), 30 mL DMAc and 25 mL toluene were placed in a 2-neck round bottom flask equipped with magnetic stirrer and Dean-stark trap.

그런 다음 교반 속도를 300rpm을 유지하며, 120℃에서 12시간 충분이 용해한 후 160℃에서 6시간탈수반응을 수행 후 톨루엔을 제거하고 180℃에서 36시간 동안 온도를 유지하여 점도가 생긴 물질인 술폰화된 비페닐설폰 고분자를 제조하였다. Then, the mixture was stirred at 120 rpm for 12 hours and then dehydrated at 160 캜 for 6 hours. The toluene was then removed. The temperature was maintained at 180 캜 for 36 hours to obtain a sulphonated To prepare a biphenyl sulfone polymer.

상기에서 제조한 술폰화된 아릴렌 비페닐설폰은 적외선분광기(FT-IR)와 핵자기공명분광기(1H NMR)를 통해 구조분석을 하고 이들의 결과를 아래에 나타내었다.The sulfonated arylene biphenylsulfone prepared above was subjected to structural analysis through infrared spectroscopy (FT-IR) and nuclear magnetic resonance spectroscopy ( 1 H NMR), and the results are shown below.

FT-IR (KBr, cm-1) : 1480(C=C), 1365, 1027(S(=O)2), 1170(O=S=O), 1068(Ar-O-Ar), 882(S-O) FT-IR (KBr, cm -1 ): 1480 (C = C), 1365, 1027 (S (= O) 2), 1170 (O = S = O), 1068 (Ar-O-Ar), 882 ( SO)

1H NMR (600 MHz, DMSO-d 6 ) d 8.54-8.01 (4H), 7.65-7.45(1H), 7.42-7.15(7H), 7.14-6.68(8H), 1.65(6H)
1 H NMR (600 MHz, DMSO- d 6) d 8.54-8.01 (4H), 7.65-7.45 (1H), 7.42-7.15 (7H), 7.14-6.68 (8H), 1.65 (6H)

<제조예 2> 소수성 고분자 제조&Lt; Preparation Example 2 > Preparation of hydrophobic polymer

하기 반응식 2로 표시되는 소수성 고분자인 플루오로비페닐 이써 비스페닐 공중합체를 제조하였다.A fluorobiphenyl diisobisphenyl copolymer, which is a hydrophobic polymer represented by the following Reaction Scheme 2, was prepared.

[반응식 2]      [Reaction Scheme 2]

Figure pat00024
Figure pat00024

상기 [반응식 2]에서 3.58g 비스페놀(15.01 mmol), 5.77g 데카플루오르비페닐(17.27mmol), 4.84g 탄산칼륨(35.0mmol), 15mL DMAc 및 20mL 톨루엔을 마그네틱 교반기 및 딘-스탁 트렙이 구비된 2구 둥근바닥 플라스크에 넣었다. (15.01 mmol), 5.77 g of decafluorobiphenyl (17.27 mmol), 4.84 g of potassium carbonate (35.0 mmol), 15 mL of DMAc and 20 mL of toluene were charged in a reaction vessel equipped with a magnetic stirrer and a dean- And placed in a two-neck round bottom flask.

이후 교반 속도를 300rpm을 유지하며, 120℃에서 12시간 충분이 용해한 후 160℃에서 6시간탈수반응을 수행 후 톨루엔을 제거하고 180℃에서 24시간 동안 온도를 유지하여 점도가 생긴 물질인 플루오로비페닐 이써 비스페닐 공중합체를 제조하였다. After stirring at 120 rpm for 12 hours, dehydration was carried out at 160 ° C. for 6 hours. Then, toluene was removed and the temperature was maintained at 180 ° C. for 24 hours to obtain a viscous material, fluorobiphenyl To prepare a bisphenyl copolymer.

상기에서 제조한 플루오로비페닐 이써 비스페닐에 대해 적외선분광기(FT-IR)와 핵자기공명분광기(1H NMR)를 통해 구조분석을 하고 이들의 결과를 아래에 나타내었다.The fluorobiphenyl diisobiphenyl prepared above was subjected to structural analysis through infrared spectroscopy (FT-IR) and nuclear magnetic resonance spectroscopy ( 1 H NMR), and the results are shown below.

FT-IR (KBr, cm-1) : 1649, 1481(C=C), 1068(Ar-O-Ar), 978FT-IR (KBr, cm -1 ): 1649, 1481 (C = C), 1068 (Ar-O-Ar), 978

1H NMR (600 MHz, DMSO-d 6 ) d 7.24 (4H), 7.13 (4H), 1.63(6H)
1 H NMR (600 MHz, DMSO- d 6) d 7.24 (4H), 7.13 (4H), 1.63 (6H)

<실시예 1> 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 블록 공중합체-30 제조EXAMPLE 1 Preparation of Sulfonated Polyarylene Biphenyl Sulfone Block Copolymer-30

상기 제조예 1에서 얻은 술폰화된 아릴렌 비페닐설폰 3몰, 상기 제조예 2에서 얻은 플루오로비페닐 이써 비스페닐 공중합체 7몰 및 14몰의 탄산칼륨, 25mL DMAc 및 20mL 톨루엔을 마그네틱 교반기 및 딘-스탁 트랩이 구비된 2구 둥근바닥 플라스크에 넣었다. 이후 135℃에서 6시간 탈수반응을 수행 후 톨루엔을 제거하고 190℃에서 24시간 동안 온도를 유지하여 점도가 생긴 물질을 제조하였다(하기 [반응식 3] 참조). 3 moles of the sulfonated arylene biphenyl sulfone obtained in Preparation Example 1, 7 moles of the fluorobiphenyl diisobiphenyl copolymer obtained in Preparation Example 2, and 14 moles of potassium carbonate, 25 ml of DMAc and 20 ml of toluene were charged into a magnetic stirrer and a dean - placed in a two-necked round bottom flask equipped with a staple trap. After dehydration at 135 ° C for 6 hours, toluene was removed and the temperature was maintained at 190 ° C for 24 hours to obtain a viscous material (see Reaction Scheme 3 below).

상기에서 제조예 1에서 얻은 테트라 술폰화된 아릴렌 비페닐 설폰과 상기 제조예 2에서 얻은 플루오로비페닐 이써 비스페닐 파우더는 반응시키기 전에 각각 100℃에서 24시간 동안 건조한 것을 사용하였다.The tetrasulfonated arylene biphenylsulfone obtained in Preparation Example 1 and the fluorobiphenyl diisobiphenyl powder obtained in Preparation Example 2 were respectively dried at 100 ° C for 24 hours before the reaction.

[반응식 3][Reaction Scheme 3]

Figure pat00025
Figure pat00025

상기 [반응식 3]에 의해 제조한 물질 100중량부를 3차 증류수, 메탄올 그리고 아세톤이 1:8:1의 부피비로 혼합된 혼합용매 300중량부에 첨가하고 12시간 동안 300rpm으로 교반한 다음 3시간 동안 방치하여 침전물을 얻고 이 침전물을 80℃에서 2시간 동안 건조하였다.100 parts by weight of the material prepared in the above Reaction Scheme 3 was added to 300 parts by weight of a mixed solvent of tertiary distilled water, methanol and acetone in a volume ratio of 1: 8: 1, stirred for 12 hours at 300 rpm, The precipitate was allowed to stand and the precipitate was dried at 80 DEG C for 2 hours.

상기의 건조한 침전물 10wt%을 Dimethylsulfoxide(DMSO) 용매 90wt%에 용해시킨 후 24시간 동안 300rmp으로 교반하여 용액을 얻었다.10wt% of the dried precipitate was dissolved in 90wt% of dimethylsulfoxide (DMSO) solvent and stirred at 300rmp for 24 hours to obtain a solution.

상기의 용액을 유리기판에 붓고 80℃ 오븐에서 24시간 동안 건조하여 술폰화 폴리아릴렌비페닐설폰 공중합체(술폰화된 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체-30)의 막을 만들었다.The solution was poured onto a glass substrate and dried in an oven at 80 DEG C for 24 hours to form a film of a sulfonated polyarylenebiphenylsulfone copolymer (sulfonated polyarylenebiphenylsulfone copolymer-30).

상기에서 제조한 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 블록 공중합체-30을 FT-IR 분석 결과 설퍼릭 에시드의 특성 벤드로 예상되는 1068cm-1의 벤드가 증가한 것을 확인할 수 있었다. 1H NMR 분석결과 테트라 술폰화된 방향족 수소의 특성 피크로 예상되는 8.6 ∼ 7.5ppm의 피크가 증가한 것을 확인할 수 있었다.
The FT-IR analysis of the sulfonated polyarylene biphenylsulfone block copolymer-30 prepared above showed an increase in the bend of 1068 cm -1 as a characteristic bend of the sulfuric acid. As a result of 1 H NMR analysis, it was confirmed that the peak of 8.6 to 7.5 ppm, which is expected as a characteristic peak of the tetrasulfonated aromatic hydrogen, was increased.

<실시예 2> 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 블록 공중합체-50 제조Example 2 Preparation of Sulfonated Polyarylene Biphenyl Sulfone Block Copolymer-50

상기 제조예 1에서 얻은 테트라 술폰화된 아릴렌 비페닐설폰 5몰, 상기 제조예 2에서 얻은 플루오로비페닐 이써 비스페닐 파우더 5몰을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 술폰화 폴리아릴렌비페닐설폰 공중합체(술폰화 폴리아릴렌비페닐설폰블록 공중합체-50)를 제조하였다.Except that 5 moles of the tetrasulfonated arylene biphenylsulfone obtained in Preparation Example 1 and 5 moles of the fluorobiphenyl diisobiphenyl powder obtained in Preparation Example 2 were used, To prepare a sulfonated polyarylenebiphenylsulfone copolymer (sulfonated polyarylenebiphenylsulfone block copolymer-50).

상기에서 제조한 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 블록 공중합체-50을 FT-IR 분석 결과 설퍼릭 에시드의 특성 벤드로 예상되는 1068cm-1의 벤드가 증가한 것을 확인할 수 있었다. 1H NMR 분석결과 테트라 술폰화된 방향족 수소의 특성 피크로 예상되는 8.6 ∼ 7.5ppm의 피크가 증가한 것을 확인할 수 있었다.
FT-IR analysis of the sulfonated polyarylene biphenylsulfone block copolymer-50 prepared above showed that the bend of 1068 cm -1 , which is expected to be a characteristic bend of the sulfuric acid, was increased. As a result of 1 H NMR analysis, it was confirmed that the peak of 8.6 to 7.5 ppm, which is expected as a characteristic peak of the tetrasulfonated aromatic hydrogen, was increased.

<실시예 3> 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 블록 공중합체 70 제조Example 3 Preparation of Sulfonated Polyarylene Biphenyl Sulfone Block Copolymer 70

상기 제조예 1에서 얻은 테트라 술폰화된 아릴렌 비페닐설폰 7몰, 상기 제조예 2에서 얻은 플루오로비페닐 이써 비스페닐 파우더 3몰을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체(술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 블록 공중합체-70)를 제조하였다.Except that 7 moles of the tetrasulfonated arylene biphenylsulfone obtained in Preparation Example 1 and 3 moles of the fluorobiphenyl diisopropylphenoxide powder obtained in Preparation Example 2 were used instead of the tetra-sulfonated arylene biphenylsulfone obtained in Preparation Example 1 A sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer (sulfonated polyarylene biphenyl sulfone block copolymer-70) was prepared.

상기에서 제조한 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체-70을 FT-IR 분석 결과 설퍼릭에시드의 특성벤드로 예상되는 1068cm-1의 벤드가 증가한 것을 확인할 수 있었다. 1H NMR 분석결과 테트라 술폰화된 방향족 수소의 특성 peak으로 예상되는 8.6 ∼ 7.5ppm의 peak이 증가한 것을 확인할 수 있었다.
As a result of the FT-IR analysis of the sulfonated polyarylene biphenylsulfone copolymer-70 prepared above, it was confirmed that the bend of 1068 cm -1 , which is a characteristic bend of the sulfuric acid, was increased. As a result of 1 H NMR analysis, it was confirmed that the peak of 8.6 to 7.5 ppm, which is expected as a characteristic peak of tetrasulfonated aromatic hydrogen, was increased.

<비교예><Comparative Example>

상기 제조예 1에서 얻은 테트라 술폰화된 아릴렌 비페닐 설폰을 사용하지 않고, 상기 제조예 2에서 얻은 플루오로비페닐 이써 비스페닐 파우더 1몰을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 폴리아릴렌 비페닐설폰 블록 공중합체를 제조하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that the tetrasulfonated arylene biphenylsulfone obtained in Preparation Example 1 was not used and 1 mol of the fluorobiphenyl diisopropylphenyl powder obtained in Preparation Example 2 was used instead of the tetrasulfonated arylene biphenylsulfone obtained in Preparation Example 1 To prepare a polyarylene biphenyl sulfone block copolymer.

<시험예 1>&Lt; Test Example 1 >

상기 제조예 1에서 제조한 고분자[술폰화된 아릴렌 비페닐설폰] 공중합체, 제조예 2에서 제조한 고분자[플루오르비페닐 이써 비스페닐] 공중합체, 실시예 1에서 제조한 블록 공중합체, 실시예 2에서 제조한 블록 공중합체, 실시예 3에서 제조한 블록 공중합체 및 비교 예에서 제조한 공중합체들을 1H NMR을 측정하고 그 결과를 도 1에 나타내었다.The polymer (sulfonated arylene biphenylsulfone) copolymer prepared in Preparation Example 1, the polymer [fluorobiphenyl diisobiphenyl] copolymer prepared in Preparation Example 2, the block copolymer prepared in Example 1, and the polymer The 1 H NMR of the block copolymers prepared in Example 2, the block copolymers prepared in Example 3 and the copolymers prepared in Comparative Example were measured and the results are shown in FIG.

도 1을 참조하면 실시예 1에서 제조한 공중합체, 실시예 2에서 제조한 공중합체 및 실시예 3에서 제조한 공중합체들은 술폰화로 인해 1H NMR 피크의 변화로 면적비와 특성벤드의 변화를 확인할 수 있었다.
Referring to FIG. 1, the copolymer prepared in Example 1, the copolymer prepared in Example 2, and the copolymer prepared in Example 3 were confirmed to have an area ratio and a change in characteristic bend by 1 H NMR peak change due to sulfonation I could.

<시험예 2>&Lt; Test Example 2 &

상기 실시예 1에서 제조한 공중합체, 실시예 2에서 제조한 공중합체, 실시예 3에서 제조한 공중합체 및 비교예에서 제조한 공중합체들을 FT-IR을 측정하여 고분자 내에 작용기를 확인하였다. 그 결과를 도 2에 나타내었다.
FT-IR was measured on the copolymer prepared in Example 1, the copolymer prepared in Example 2, the copolymer prepared in Example 3 and the copolymers prepared in Comparative Example to confirm the functional groups in the polymer. The results are shown in Fig.

<시험예 3> 물리적 특성 분석&Lt; Test Example 3 > Physical property analysis

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 공중합체 및 비교예에서 제조한 공중합체에 대한 술폰화도(Degree of sulfonation, DS), 수평균분자량(Mn), 중량평균분자량(Mw), 다분산지수(PDI) 등의 물리적인 특성을 측정하고 이의 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.The degree of sulfonation (DS), the number average molecular weight (Mn), the weight average molecular weight (Mw), the polydispersity index (Mw) of the copolymer prepared in Examples 1 to 3 and the copolymer prepared in Comparative Examples (PDI), and the results are shown in Table 1 below.

상기에서 각각의 공중합체에 대한 수평균분자량(Mn), 중량평균분자량(Mw)의 평균 분자량은 각각의 공중합체 40mg를 0.025M LiBr이 첨가된 DMF 2mL에 용해시키고, 겔 투과크로마토그래피로 측정하였다.The average molecular weight (Mn) and weight average molecular weight (Mw) of the respective copolymers were determined by dissolving 40 mg of each copolymer in 2 mL of DMF to which 0.025 M LiBr had been added and measuring the gel permeation chromatography .

상기에서 각각의 공중합체에 대한 DS는 NMR의 1H 면적비를 통해 측정하였다.In the above, DS for each copolymer was measured by 1 H area ratio of NMR.

상기에서 각각의 공중합체에 대한 다분산지수(PDI)는 겔투과크로마토그래피를 통해 얻은 Mn/Mw로 계산하였다. The polydispersity index (PDI) for each copolymer was calculated as Mn / Mw obtained by gel permeation chromatography.

공중합체Copolymer 몰비율Molar ratio DSDS 수평균분자량
(Mn, g mol-1)
Number average molecular weight
(Mn, g mol-1)
중량평균
분자량
(Mw, g mol-1)
Weight average
Molecular Weight
(Mw, g mol-1)
최대평균
분자량
(Mmax, g mol-1)
Maximum average
Molecular Weight
(Mmax, g mol-1)
다분산지수
(PDI)
Polydispersity index
(PDI)
폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체Polyarylene biphenyl sulfone copolymer 0 : 10: 1 00 95009500 5740057400 256000256000 8.28.2 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체 30Sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer 30 3 : 73: 7 3232 61006100 3400034000 168000168000 5.45.4 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체 50The sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer 50 5 : 55: 5 4949 71007100 5600056000 343000343000 7.07.0 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체 70The sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer 70 7 : 37: 3 6868 1400014000 6600066000 315000315000 4.64.6

<시험예 4> 용해도 특성 분석<Test Example 4> Analysis of solubility characteristics

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 공중합체에 대해 DMAc, NMP, DMSO, DMF, 클로로포름, THF, 아세톤, 메탄올 및 물 등의 용매에 대한 용해도를 측정하고 이들의 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.The solubilities of the respective copolymers prepared in Examples 1 to 3 were measured in solvents such as DMAc, NMP, DMSO, DMF, chloroform, THF, acetone, methanol and water. Respectively.

상기에서 각각의 공중합체에 대한 용매의 용해 정도는 각각의 공중합체 1g을 10mL의 용매에 넣고 상온에서 측정한 것으로 (++) 매우 잘 용해, (+) 잘 용해, (±) 부분적으로 용해, (-) 비용해로 나타내었다. 상기에서, "-"는 용해되지 않아 측정 불가를 의미한다.The degree of dissolution of the solvent in each of the above copolymers was determined by measuring 1 g of each copolymer in 10 mL of a solvent at room temperature (++), (+), (+), (-) cost solution. In the above, "-" means that measurement is impossible because it is not dissolved.

용매menstruum 실시예 1
(술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체-30)
Example 1
(Sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer-30)
실시예 2
(술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체-50)
Example 2
(Sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer-50)
실시예 3
(술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체-70)
Example 3
(Sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer-70)
DMAcDMAc ++++ ++++ ++++ DMFDMF ++++ ++++ ++++ NMPNMP ++++ ++ ++ DMSODMSO ++++ ++ ++ MCMC +-+ - -- -- THFTHF -- -- +-+ - 클로로포름chloroform -- -- -- 아세톤Acetone -- -- -- 메탄올Methanol -- -- -- water -- -- --

상기 표 2에 보면 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 공중합체는 DMAc, DMF, NMP, DMSO와 같은 극성 유기용매에는 높은 용해도를 나타내는 것을 알 수 있었다.
Table 2 shows that the respective copolymers prepared in Examples 1 to 3 exhibit high solubility in polar organic solvents such as DMAc, DMF, NMP and DMSO.

<시험예 5> 화학적 특성 분석&Lt; Test Example 5 >

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체에 대해 유리전이온도, 이온교환용량, 함수율, 치수팽윤비율, 이온전도도 등의 화학적 특성을 측정하고 이의 결과를 아래의 표 3에 나타내었다.
The sulfonated polyarylene biphenylsulfonic copolymers prepared in Examples 1 to 3 were measured for their chemical properties such as glass transition temperature, ion exchange capacity, water content, dimensional swelling ratio and ionic conductivity, and the results Are shown in Table 3 below.

(1)이온교환용량 측정(1) Measurement of ion exchange capacity

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체를 1M NaCl에 24시간 동안 담지시킨 후 표준용액 페놀프탈레인을 첨가한 후 0.01N NaOH로 적정하여 이온교환용량(IEC)값을 계산하였다.Each of the sulfonated polyarylene biphenylsulfonic copolymers prepared in Examples 1 to 3 was immersed in 1 M NaCl for 24 hours, then phenolphthalein as a standard solution was added thereto, and then titrated with 0.01 N NaOH to determine the ion exchange capacity IEC) were calculated.

IEC (meqg-1) = (VNaOH × CNaOH)/ Wdry ...[수학식 1]IEC (meqg -1 ) = (V NaOH x C NaOH ) / W dry . &Quot; (1) &quot;

(상기 [수학식 1]에서 VNaOH는 사용한 NaOH 표준용액의 소모량, CNaOH은 NaOH 표준용액의 농도, Wdry 건조된 박막의 무게(g)를 의미한다.)
(V NaOH is consumption of the used NaOH standard solution, C NaOH is the concentration of NaOH standard solution, W dry Means the weight (g) of the dried film.)

(2) 함수율 측정(2) Moisture content measurement

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체를 건조 후 무게와 24시간 동안 물에 담지시킨 후 무게 변화율을 계산하였다.The sulfonated polyarylene biphenylsulfonic copolymers prepared in Examples 1 to 3 were dried and then dried in water for 24 hours, and the weight change rates were calculated.

함수율(%) = [ (Wwet - Wdry) / Wdry ] × 100...[수학식 2]Water content (%) = [(W wet - W dry ) / W dry ] × 100 (2)

(상기 [수학식 2]에서 Wwet는 젖은 막의 무게, Wdry는 건조된 막의 무게를 의미한다.)
(Where W wet represents the weight of the wet film, and W dry represents the weight of the dried film).

(3) 치수 팽윤 비율 측정(3) Measurement of dimensional swelling ratio

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체를 건조 후 길이와 24시간 동안 물에 담지시킨 후 길이 변화율을 계산하였다.The sulfonated polyarylene biphenylsulfonic copolymers prepared in Examples 1 to 3 were dried and then dried in water for 24 hours, and the rate of change in length was calculated.

함수율(%) = [ (lwet - ldry) / ldry ] × 100...[수학식 3]Water content (%) = [( wet -l dry ) / l dry ] x 100 [

(상기 [수학식 3]에서 lwet는 젖은 막의 길이, ldry는 건조된 막의 길이를 의미한다.)
(Where, l wet is the wet film length and l dry is the dried film length in the above equation (3)).

(4)이온전도도 측정(4) Measurement of ion conductivity

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체에 대해 교류 사극자법을 이용하여 음저항 또는 벌크저항을 측정하여 이온전도도를 계산하였다.Each of the sulfonated polyarylene biphenylsulfonic copolymers prepared in Examples 1 to 3 was measured for negative ion resistance or bulk resistance by an AC diodic method to calculate ion conductivity.

이온전도도(σ, S cm-1)= L / ( R × T × W)...[수학식 4] Ion conductivity (?, S cm -1 ) = L / (R x T x W)

(상기 [수학식 4]에서 L은 두 전극사이의 거리, R은 막의 저항, T는 막의 두께, W는 막의 너비를 의미한다.)(Where L is the distance between two electrodes, R is the resistance of the film, T is the thickness of the film, and W is the width of the film).

항목Item 유리전이온도
(℃)
Glass transition temperature
(° C)
함수율
(%)
Moisture content
(%)
이온교환용량
(meqg-1)
Ion exchange capacity
(meqg -1 )
이온전도도
(S cm-1)
Ion conductivity
(S cm -1 )
실시예 1
(술폰화 폴리아릴렌
비페닐설폰 공중합체-30)
Example 1
(Sulfonated polyarylene
Biphenyl sulfone copolymer-30)
146146 2020 0.50.5 0.0300.030
실시예 2
(술폰화 폴리아릴렌
비페닐설폰 공중합체-50)
Example 2
(Sulfonated polyarylene
Biphenyl sulfone copolymer-50)
162162 3333 1.01.0 0.0680.068
실시예 3
(술폰화 폴리아릴렌
비페닐설폰 공중합체-70)
Example 3
(Sulfonated polyarylene
Biphenyl sulfone copolymer-70)
182182 5252 1.31.3 0.1100.110

상기 표 3에서 함수율과 이온교환용량은 상온에서 실시하였으며, 이온전도도는 100% 상대습도, 90℃에서 측정된 값이다. 비교적 친수성 블록의 증가에 따라 함수율, 이온교환용량, 이온전도도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
In Table 3, the water content and the ion exchange capacity were measured at room temperature, and the ion conductivity was measured at 100% relative humidity and 90 ° C. The water content, ion exchange capacity and ionic conductivity were increased with increasing hydrophilic block.

<시험예 6> 시차 주사 열량분석 및 열 중량 분석법 측정&Lt; Test Example 6 > Measurement of differential scanning calorimetry and thermogravimetry

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체, 비교예에서 제조한 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체 및 나피온 117에 대해 시차 주사 열량분석 및 TGA(Thermogravimetry Analysis)를 측정하여 TGA를 통해 고분자의 작용기 및 주 사슬의 열적안정성을 확인하고, 시차 주사 열량측정을 통해 유리전이온도를 확인하였으며 이의 결과를 아래의 도 3에 나타내었다.Differential scanning calorimetry (TGA) and differential scanning calorimetry (TGA) were performed on each of the sulfonated polyarylenebiphenylsulfonic copolymers prepared in Examples 1 to 3, the polyarylenebiphenylsulfonic copolymers prepared in Comparative Examples and Nafion 117 Thermogravimetry analysis was performed to confirm the thermal stability of the functional groups and main chains of the polymer through TGA, and the glass transition temperature was confirmed by differential scanning calorimetry. The results are shown in FIG.

도 3에서 왼쪽 그래프는 TGA 측정결과이고, 도 3에서 오른쪽 그래프는 유리전이온도의 측정결과이다.
The left graph in FIG. 3 shows the TGA measurement result, and the right graph in FIG. 3 shows the measurement results of the glass transition temperature.

<시험예 7> 함수량 측정&Lt; Test Example 7 >

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체에 대해 온도에 따른 함수량(water uptake)을 측정하고 이를 도 4에 나타내었다.The water uptake of each of the sulfonated polyarylene biphenylsulfonic copolymers prepared in Examples 1 to 3 was measured according to the temperature and is shown in FIG.

상기에서 함수량은 각각의 온도에서 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체를 24시간 동안 물에 담지시킨 후 무게를 측정, 그리고 건조된 무게를 시험예 5에 기재된 수학식 2를 이용하여 계산하였다.The water content was measured by weighing each sulfonated polyarylene biphenylsulfone ketone copolymer prepared in Examples 1 to 3 for 24 hours at each temperature and then measuring the dried weight And calculated using Equation (2) described in Example 5.

도 4에서 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체에 대한 함수량을 측정하여 이들 각각의 공중합체를 이용하여 제조한 연료전지용 양이온 교환막이 물을 얼마까지 흡수하는지 측정함으로써 막의 물리적 안정성을 확인하였다.
4, the water content of each of the sulfonated polyarylene biphenyl sulfonic copolymers prepared in Examples 1 to 3 was measured. The cation exchange membranes for fuel cells prepared using these respective copolymers were measured for water And the physical stability of the membrane was confirmed.

<시험예 8> 온도에 따른 이온전도도 측정&Lt; Test Example 8 > Measurement of ion conductivity according to temperature

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체, 비교예에서 제조한 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체 및 나피온117에 대해 1100% 상대습도(RH)하에 온도에 따른 이온전도도(proton conductivity)를 측정하고 이를 도 5에 나타내었다. Each of the sulfonated polyarylenebiphenylsulfonic copolymers prepared in Examples 1 to 3, the polyarylenebiphenylsulfonic copolymers prepared in Comparative Examples and Nafion 117 were mixed at a relative humidity of 1100% The proton conductivity according to the temperature was measured and shown in FIG.

상기에서 이온전도도 측정은 시험예 5에 기재된 “(4)이온전도도 측정”방법을 이용하여 실시하였다.The ion conductivity measurement was carried out using the "(4) ion conductivity measurement" method described in Test Example 5.

도 5에서 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체에 대한 100% 상대습도(RH)하에 온도별 저항을 측정하여 측정된 저항을 시험예 5에 기재된 수학식 4을 이용함으로 이온전도도를 계산하여 이들 각각의 공중합체를 이용하여 제조한 연료전지용 양이온 교환막이 이온을 얼마나 잘 통과시킬 수 있는지에 대한 성능을 확인하였다.
5, the resistances measured by measuring the resistance of each sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer prepared in Examples 1 to 3 under a temperature of 100% relative humidity (RH) were measured as shown in Test Example 5 The ion conductivity was calculated using Equation (4), and the performance of the cation exchange membrane for a fuel cell manufactured using each of the respective copolymers was confirmed.

<시험예 9> 치수 팽윤 비율 측정&Lt; Test Example 9 > Measurement of dimensional swelling ratio

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체에 대해 온도에 따른 치수 팽윤 비율(Swelling ratio)을 측정하고 이를 도 6에 나타내었다.The swelling ratios of the respective sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymers prepared in Examples 1 to 3 were measured according to the temperature and are shown in FIG.

상기에서 팽윤량은 각각의 온도에서 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰케톤 공중합체를 24시간 동안 물에 담지 시킨 후 길이를 측정, 그리고 건조된 길이를 시험예 5에 기재된 수학식 3를 이용하여 계산하였다.The swelling amount was measured by measuring the length of each of the sulfonated polyarylene biphenylsulfone ketone copolymers prepared in Examples 1 to 3 at the respective temperatures for 24 hours in water, Was calculated using Equation (3) described in Test Example 5.

도 6에서 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체에 대한 팽윤을 측정하여 이들 각각의 공중합체를 이용하여 제조한 연료전지용 양이온 교환막이 물을 얼마까지 팽윤하는지 측정함으로써 막의 물리적 안정성을 확인하였다.In FIG. 6, the swelling of each sulfonated polyarylene biphenyl sulfonic copolymer prepared in Examples 1 to 3 was measured, and the cation exchange membrane for a fuel cell prepared using each of these copolymers was measured to the extent of water And the physical stability of the membrane was confirmed.

<시험예 10> 가습에 따른 이온전도도 측정Test Example 10 Measurement of Ionic Conductivity by Humidification

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체, 비교예에서 제조한 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체 및 나피온117에 대해 80℃온도에서 가습에 따른 이온전도도(proton conductivity)를 측정하고 이를 도 7에 나타내었다. Each of the sulfonated polyarylenebiphenylsulfonic copolymers prepared in Examples 1 to 3, the polyarylenebiphenylsulfonic copolymers prepared in the Comparative Examples and Nafion 117 were subjected to a humidification The proton conductivity was measured and is shown in Fig.

상기에서 이온전도도 측정은 시험예 5에 기재된 “(4)이온전도도 측정”방법을 이용하여 실시하였다.The ion conductivity measurement was carried out using the "(4) ion conductivity measurement" method described in Test Example 5.

도 5에서 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 각각의 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체에 대한 100% 상대습도(RH)하에 온도별 저항을 측정하여 측정된 저항을 시험예 5에 기재된 수학식 4을 이용함으로 이온전도도를 계산하여 이들 각각의 공중합체를 이용하여 제조한 연료전지용 양이온 교환막이 이온을 얼마나 잘 통과시킬 수 있는지에 대한 성능을 확인하였다.
5, the resistances measured by measuring the resistance of each sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer prepared in Examples 1 to 3 under a temperature of 100% relative humidity (RH) were measured as shown in Test Example 5 The ion conductivity was calculated using Equation (4), and the performance of the cation exchange membrane for a fuel cell manufactured using each of the respective copolymers was confirmed.

<시험예 11> 연료 성능 측정&Lt; Test Example 11 > Measurement of fuel performance

상기 실시예 3에서 제조한 술폰화 폴리아릴렌 비페닐설폰 공중합체 70에 대해 70℃에서 연료전지성능을 측정하고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
The sulfonated polyarylene biphenylsulfonic copolymer 70 prepared in Example 3 was measured for fuel cell performance at 70 ° C. The results are shown in FIG.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제조예, 실시예 및 실험예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, examples and experimental examples, it should be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be understood that the invention may be variously modified and changed.

본 발명의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 이용하여 추가적인 고압 또는 감압을 요구하는 장치 및 공정단계의 추가 없이도 연료전지용 양이온 교환막을 제조할 수 있다.The tetra sulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of the present invention can be used to produce a cation exchange membrane for a fuel cell without additional apparatus and process steps requiring additional high pressure or reduced pressure.

또한 본 발명은 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 이용하여 손쉽게 연료전지용 양이온 교환막을 얻을 수 있는 장점을 통하여 보다 손쉽게 연료전지용 양이온 교환막을 제공하여 연료전지 관련 산업발전에 기여할 수 있어 산업상 이용가능성이 있다.The present invention can easily provide a cation exchange membrane for a fuel cell through the advantage of easily obtaining a cation exchange membrane for a fuel cell by using a tetra sulfonated polyarylene biphenylsulfonic copolymer, There is a possibility of award.

Claims (10)

하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체:
Figure pat00026
...화학식(1)
(상기 화학식(1)에서, Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 하기 화학식(2-1) 내지 화학식(2-4) 중에서 선택되는 어느 하나의 화합물이고,
Y는 -S-, -O-, -N- 또는 -S(=O)2-이며,
M은 -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs 또는 Fr이고,
n는 0.01∼1이며,
z는 10∼800이다.)
Figure pat00027
... 화학식(2-1),
Figure pat00028
..화학식(2-2),
Figure pat00029
... 화학식(2-3),
Figure pat00030
... 화학식(2-4)
(상기 화학식(2-1) 및 화학식(2-2)에서, Y는 -S-, -O-, -N- 또는 -S(=O)2-이다.)
A tetrasulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of the formula (1)
Figure pat00026
(1)
(1), Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 are each independently any one selected from the following formulas (2-1) to (2-4)
Y is -S-, -O-, -N- or -S (= O) 2 -
M is -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs or Fr,
n is from 0.01 to 1,
z is 10 to 800.)
Figure pat00027
(2-1),
Figure pat00028
(2-2),
Figure pat00029
(2-3),
Figure pat00030
(2-4)
(In the formulas (2-1) and (2-2), Y is -S-, -O-, -N- or -S (= O) 2 -.
하기 화학식(3)의 화합물 및 화학식(4)의 화합물의 화합물을 반응시켜 하기 화학식(1)의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 제조하는 방법:

Figure pat00031
...화학식(1)
Figure pat00032
...화학식(3)
Figure pat00033
...화학식(4)
(상기 화학식(1), 화학식(3) 및 화학식(4)에서, Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 상기 화학식(1)에서 Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 하기 화학식(2-1) 내지 화학식(2-4) 중에서 선택되는 어느 하나의 화합물이고,
Y는 -S-, -O-, -N- 또는 -S(=O)2-이며,
M은 -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs 또는 Fr이고,
n는 0.01∼1이며,
z는 10∼800이다.)
Figure pat00034
... 화학식(2-1),
Figure pat00035
..화학식(2-2),
Figure pat00036
... 화학식(2-3),
Figure pat00037
... 화학식(2-4)
(상기 화학식(2-1) 및 화학식(2-2)에서, Y는 -S-, -O-, -N- 또는 -S(=O)2-이다.)
A process for preparing a tetrasulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of the following formula (1) by reacting a compound of the formula (3) and a compound of the formula (4)

Figure pat00031
(1)
Figure pat00032
(3)
Figure pat00033
(4)
(Formula (1), the formula 3 and in formula (4), Ar 1, Ar 2 and Ar 3 is Ar 1, Ar 2 and Ar 3 in the formula (1) each independently are to independently formula (2-1) to (2-4), &lt; / RTI &gt;
Y is -S-, -O-, -N- or -S (= O) 2 -
M is -H, -Li, -Na, -K, -Rb, -Cs or Fr,
n is from 0.01 to 1,
z is 10 to 800.)
Figure pat00034
(2-1),
Figure pat00035
(2-2),
Figure pat00036
(2-3),
Figure pat00037
(2-4)
(In the formulas (2-1) and (2-2), Y is -S-, -O-, -N- or -S (= O) 2 -.
제2항에 있어서,
상기 반응은 화학식(3)의 화합물 및 화학식(4)의 화합물을 혼합한 후, 탄산칼륨, 용매 및 톨루엔을 첨가하고 130∼150℃에서 3∼12시간 동안 용해시킨 다음, 160℃에서 2~6시간에서 탈수반응을 실시하여 톨루엔을 제거한 후, 180∼200℃에서 12∼36시간 동안 유지하여 점도를 지니는 반응물을 얻는 것을 특징으로 하는 방법.
3. The method of claim 2,
The reaction is carried out by mixing the compound of the formula (3) and the compound of the formula (4), adding potassium carbonate, a solvent and toluene, dissolving at 130 to 150 캜 for 3 to 12 hours, Deg.] C to remove the toluene, and then the mixture is held at 180 to 200 [deg.] C for 12 to 36 hours to obtain a reaction product having a viscosity.
제2항에 있어서,
상기 반응은 화학식(3)의 화합물과 화학식(4)의 화합물을 1:9∼9:1의 몰비로 반응시키는 것을 특징으로 하는 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the reaction is carried out by reacting the compound of formula (3) with the compound of formula (4) in a molar ratio of 1: 9 to 9: 1.
제3항에 있어서,
상기 용매는 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide), 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide), 메틸피롤리돈(methylpyrrolidone), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 및 테트라히드로 퓨란(tetrahydrofuran)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 3,
The solvent is any one selected from the group consisting of dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, methylpyrrolidone, dimethylformamide and tetrahydrofuran. Lt; / RTI &gt;
제1항의 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체 또는 제2항의 방법에 의해 제조된 테트라 술폰화된 폴리 아릴렌 비페닐 설폰 공중합체를 포함하는 연료전지용 양이온 교환막. A cation exchange membrane for a fuel cell comprising the tetrasulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer of claim 1 or a tetrasulfonated polyarylene biphenyl sulfone copolymer prepared by the method of claim 2. 제6항에 있어서,
상기 양이온 교환막은 두께가 10∼200㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 양이온 교환막.
The method according to claim 6,
Wherein the cation exchange membrane has a thickness of 10 to 200 占 퐉.
제6항의 연료전지용 양이온 교환막에 전극을 결합시킨 연료전지용 양이온 교환막/전극 접합체.A cation exchange membrane / electrode assembly for a fuel cell, wherein the electrode is bonded to the cation exchange membrane for a fuel cell according to claim 6. 제6항의 연료전지용 양이온 교환막을 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the cation exchange membrane for a fuel cell according to claim 6. 제8항의 연료전지용 양이온 교환막/전극 접합체를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지.A polymer electrolyte fuel cell comprising the cation exchange membrane / electrode assembly for a fuel cell according to claim 8.
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