KR20190023249A - Anion-exchange membranes for fuel cells and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an anion exchange membrane for a fuel cell and a method for manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a technology for manufacturing a thin film of a poly(phenylene oxide) polymer into which various conductive functional groups are introduced and applying the thin film to an anion exchange membrane for a fuel cell. The poly(phenylene oxide) polymer thin film manufactured according to the present invention, which have various functional groups introduced therein, can successfully control IEC by increasing interactions among conductive functional groups bonded to side chains and interaction with hydroxyl ions, and can obtain excellent ion conductivity at high and low temperatures. In addition, under conditions of low humidity and high humidity, a dimensional change is low and mechanical stability is remarkably improved, so that the film can be commercialized as an anion exchange membrane for a fuel cell.

Description

연료전지용 음이온 교환막 및 그 제조방법{Anion-exchange membranes for fuel cells and preparation method thereof}[0001] The present invention relates to an anion exchange membranes for fuel cells,

본 발명은 연료전지용 음이온 교환막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 전도성 작용기가 도입된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자로 박막을 제조하여 연료전지용 음이온 교환막에 응용하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to an anion exchange membrane for a fuel cell and a method for producing the same, and more particularly, to a technique for manufacturing a thin film using a poly (phenylene oxide) polymer into which various conductive functional groups are introduced and applying the membrane to an anion exchange membrane for fuel cells.

최근 음이온 교환막 알칼리성 연료 전지(AEMFC)가 갖는 많은 장점들이 발견되어, 양성자 교환막 연료전지(PEMFC) 분야의 많은 관심들이 음이온 교환막 알칼리성 연료 전지(AEMFC)로 이동하고 있다. 예컨대 AEMFC는 귀금속 전극 촉매를 사용하지 않고, 음극에서의 빠른 환원 동역학과 낮은 부식 및 공정 조건의 높은 pH에 기인한 비교적 저렴한 가격의 금속제 촉매를 사용할 수 있다는 것이다.Recently, many advantages of anion exchange membrane alkaline fuel cells (AEMFC) have been discovered, and much interest in the field of proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) has been shifted to anion exchange membrane alkaline fuel cells (AEMFC). For example, AEMFCs can use relatively low cost metal catalysts due to fast reduction kinetics at the cathode, low corrosion and high pH of the process conditions, without using noble metal electrode catalysts.

이러한 장점들에도 불구하고 여전히 연료전지로써의 성능에서 한계점을 지니고 있으므로, AEMFC의 이온 전도성, 화학적 안정성, 기계적 강도, 팽창 방지특성, 내구성 및 수명 안정성 등의 성능향상이 필요하다.Despite these advantages, it still has limitations in performance as a fuel cell. Therefore, it is necessary to improve the ionic conductivity, chemical stability, mechanical strength, expansion preventing property, durability and life stability of AEMFC.

상기 AEMFC에서 음이온 교환막(anion exchange membrane, AEM)은 가장 큰 역할을 하는 주요구성이고, 최근에서야 이러한 음이온 교환막들이 활발히 연구 및 개발되기 시작하였다.In the AEMFC, anion exchange membrane (AEM) plays a major role as a major component. Recently, such anion exchange membranes have been actively studied and developed.

현재까지 개발된 음이온 교환막용 중합체로는 폴리(에테르 설폰), 폴리(에테르 케톤), 폴리이미드, 폴리(페닐렌 옥사이드) 및 무기물을 포함하는 혼성 복합체를 포함하는 많은 고분자가 개발되어 있으나, 알카리성(높은 pH) 조건에서의 낮은 안정성 때문에 음이온 교환막 알칼리성 연료 전지(AEMFC)에서 실제적인 사용은 제한된다. 또한 물에서 H+의 이동도에 비해 OH-이온의 낮은 전기화학적 이동도 때문에 높은 OH-이온 전도도를 달성할 수 없어 음이온 교환막(anion exchange membrane, AEM)은 개발이 어려운 실정이다. AEM에서 OH- 이온 전도도를 최대로 하기 위해 가장 간단하고 직접적인 방법은, 고분자의 그램당 전도성 그룹의 밀리당량(meq)으로 정의되는, 이온 교환 용량(IEC)을 증가시키는 것이다. 그러나, 높은 이온 교환 용량(IEC)은 필연적으로 상응하는 막의 상당한 팽창을 야기하는 과도한 수분 흡수를 동반하고, 기계적 특성을 손상시키며 특히 높은 온도에서는 AEM을 분해시키는 문제를 일으킨다.Many polymers including anionic complexes including poly (ether sulfone), poly (ether ketone), polyimide, poly (phenylene oxide) and inorganic materials have been developed as polymers for anion exchange membranes developed so far, Due to the low stability at high pH conditions, practical use in anion exchange membrane alkaline fuel cells (AEMFC) is limited. In addition, it is difficult to develop anion exchange membrane (AEM) because OH - ion conductivity can not be achieved due to low electrochemical mobility of OH - ion compared with the mobility of H + in water. The most straightforward and direct method to maximize OH-ion conductivity in AEM is to increase the ion exchange capacity (IEC), defined as the milliequivalents (meq) of the conductive groups per gram of polymer. However, a high ion exchange capacity (IEC) is accompanied by excessive water absorption which inevitably leads to a considerable swelling of the corresponding membrane, impairing the mechanical properties and causing the problem of decomposing the AEM, especially at high temperatures.

이러한 막의 안정성은 일반적으로 고분자를 가교화함으로써 증대시킬 수 있지만, 가교는 필연적으로 고분자막의 이온전도도의 감소를 수반하게 된다. 이에 따라 가교를 유도하되 전도도의 감소를 최소화할 수 있는 방법에 대한 개발이 요구된다.The stability of such a membrane can generally be increased by crosslinking the polymer, but crosslinking necessarily involves a decrease in the ionic conductivity of the polymer membrane. Therefore, development of a method that induces crosslinking but minimizes the reduction of conductivity is required.

따라서 본 발명자 등은, 열적·화학적 안정성 및 기계적 물성을 향상시키기 위해 폴리(페닐렌 옥사이드)계 고분자 박막의 응용분야를 확대하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 다양한 전도성 작용기를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 박막을 제조할 수 있으면, 고분자막의 이온전도도의 감소에 대한 안정성 및 수명 특성 개선을 바탕으로 연료전지용 음이온 교환막으로 응용될 수 있음에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.Therefore, the inventors of the present invention have conducted extensive studies to expand application fields of poly (phenylene oxide) -based polymer thin films in order to improve thermal and chemical stability and mechanical properties. As a result, they have found that poly (phenylene oxide) The present invention has been completed based on the fact that the polymer membrane can be manufactured as an anion exchange membrane for a fuel cell based on improvement in stability and lifetime characteristics against decrease in ionic conductivity of a polymer membrane.

특허문헌 1. 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0093298호Patent Document 1: Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2012-0093298

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 우수한 이온 교환 능력과 저습 조건에서도 높은 이온전도도를 갖는, 다양한 전도성 작용기가 도입된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 박막을 기반으로 하는 연료전지용 음이온 교환막 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a poly (phenylene oxide) polymer thin film having various ionic conductivity and ion conductivity, And a method for producing the same.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 포함하는 연료전지용 음이온 교환막을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides an anion exchange membrane for a fuel cell comprising a poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by the following general formula (1).

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 화학식 1에서, 상기 상기 R1은 -N(R2R3R4)+의 4급 암모늄기이거나, 하기 구조식 1 중에서 선택되는 어느 하나이고, n, m은 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.1≤n≤0.9, 0.1≤m≤0.9, n+m=1 이며,Wherein R 1 is a quaternary ammonium group of -N (R 2 R 3 R 4 ) + , or any one selected from the following structural formula 1, and n and m are mole ratios in the repeating unit, 0.9, 0.1? M? 0.9, n + m = 1,

[구조식 1][Structural formula 1]

Figure pat00002
,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
Figure pat00002
,
Figure pat00003
,
Figure pat00004

상기 R1 및 구조식 1에서 상기 R2, R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 히드록시, 할로겐, 직쇄 또는 분지형 탄소수 1 내지 6의 알킬기, 탄소수 1 내지 6의 알콕시기, 탄소수 5 내지 30의 알릴기 중에서 선택되는 어느 하나이다.In the R 1 and the following structural formula 1 wherein R 2, R 3 and R 4 are each independently an alkoxy group of hydrogen, hydroxy, halogen, linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms and having 1 to 6 carbon atoms and having 5 to 30 carbon atoms Lt; / RTI >

상기 화학식 1에서, R1은 4급 암모늄기, 이미다졸륨기, 피페리디늄기 및 모폴리니움기 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.In the above formula (1), R 1 may be any one selected from quaternary ammonium group, imidazolium group, piperidinium group and mopolinium group.

상기 화학식 1에서, n:m은 0.2≤n≤0.4, 0.6≤m≤0.8, n+m=1인 것일 수 있다.In the above Formula 1, n: m may be 0.2? N? 0.4, 0.6? M? 0.8, and n + m = 1.

상기 연료전지용 음이온 교환막은 그 두께가 40 내지 50 ㎛인 것일 수 있다.The anion exchange membrane for a fuel cell may have a thickness of 40 to 50 占 퐉.

상기 연료전지용 음이온 교환막은 이온 교환 용량이 1.8 내지 2.0 meg/g인 것일 수 있다.The anion exchange membrane for a fuel cell may have an ion exchange capacity of 1.8 to 2.0 meg / g.

상기 연료전지용 음이온 교환막은 95~100% 상대습도 및 20~50 ℃에서 수소이온 전도성이 0.01 내지 0.04 S/㎝이고, 95~100% 상대습도 및 60~90 ℃에서 수소 이온 전도성이 0.06 내지 0.09 S/㎝인 것일 수 있다.Wherein the anion exchange membrane for fuel cells has a hydrogen ion conductivity of 0.01 to 0.04 S / cm at a relative humidity of 95 to 100% and a hydrogen ion conductivity of 20 to 50 ° C, a hydrogen ion conductivity of 0.06 to 0.09 S / cm at a relative humidity of 95 to 100% / Cm. ≪ / RTI >

본 발명은 I) 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 및 N-브로모숙신이미드를 반응시켜 브롬화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성하는 단계;The present invention relates to a method for preparing a poly (phenylene oxide) polymer, comprising the steps of: I) reacting a poly (phenylene oxide) polymer and N-bromosuccinimide to synthesize a brominated poly (phenylene oxide) polymer;

II) 상기 I) 단계의 브롬화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 유기용매에 녹인 고분자 용액에 음이온 교환기를 갖는 화합물을 첨가하고 반응시켜 제1항 기재의 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 얻는 단계; 및 II) adding a compound having an anion-exchange group to a polymer solution obtained by dissolving the brominated poly (phenylene oxide) polymer of the step I) in an organic solvent and reacting the resultant to obtain a poly Phenylene oxide) polymer; And

Ⅲ) 상기 Ⅱ) 단계에서 얻은 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 연료전지용 음이온 교환막의 제조방법를 제공한다.III) forming a poly (phenylene oxide) polymer thin film having a repeating unit represented by the formula (1) obtained in the step (II).

상기 I) 단계의 브롬화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는 하기 화학식 7로 표시되는 것일 수 있다.The brominated poly (phenylene oxide) polymer in the step I) may be represented by the following general formula (7).

Figure pat00005
Figure pat00005

(상기 화학식 7에서 n, m은 제1항의 화학식 1에서 정의한 바와 같다)(Wherein n and m are as defined in formula (1)

상기 Ⅱ) 단계의 음이온 교환기를 갖는 화합물은 4급 암모늄, 이미다졸륨, 피페리디늄 및 모폴리니움으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The compound having an anion-exchange group in the step II) may be any one selected from the group consisting of quaternary ammonium, imidazolium, piperidinium and morpholinium.

상기 Ⅱ) 단계는 N-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 용매를 사용하여 20 내지 70℃에서 40~50시간 동안 수행되는 것일 수 있다.The step II) may be carried out at 20 to 70 ° C for 40 to 50 hours using a solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP).

본 발명에 따라 제조된, 다양한 작용기가 도입된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 박막은 측쇄에 결합한 전도성 작용기 간의 상호작용과 수산화 이온과의 상호작용을 증대시켜 IEC를 성공적으로 제어할 수 있고, 고온과 저온에서 우수한 이온 전도도를 얻을 수 있다. 아울러 저습 및 고습 조건에서 치수 변화가 낮고, 기계적 안정성이 현저히 개선된 것으로, 연료전지용 음이온 교환막으로 상용화할 수 있다. The poly (phenylene oxide) polymer thin films prepared according to the present invention, which have various functional groups introduced therein, can successfully control the IEC by increasing the interaction between the conductive functional groups bonded to the side chains and the hydroxyl ions, Excellent ion conductivity can be obtained at a low temperature. In addition, under the conditions of low humidity and high humidity, the dimensional change is low and the mechanical stability is remarkably improved, and it can be commercialized as an anion exchange membrane for a fuel cell.

도 1은 합성예 2 내지 5에 따른 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자의 1H-NMR 그래프.
도 2a는 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막을 제조하되, 건조하기 전과 후 박막의 이온 교환 용량(IEC) 변화를 관찰하여 나타낸 그래프.
도 2b는 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막의 고온(80℃)과 저온(20℃)에서 수분 흡수(%) 변화를 관찰하여 나타낸 그래프.
도 2c는 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막의 고온(80℃)과 저온(20℃)에서 λ 변화를 관찰하여 나타낸 그래프.
도 3은 실시예 1 내지 4에 다른 연료전지용 음이온 교환막 및 Tokuyama A201 연료전지용 음이온 교환막의 온도별 조건에 따른 수산화 이온의 전도도 변화를 나타낸 그래프.
도 4는 1000/T(K-1) 조건에서 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막 및 Tokuyama A201 연료전지용 음이온 교환막의 전도도 변화를 나타낸 아레니우스 그래프(Arrhenius plot).
도 5는 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막의 60℃, 95% 또는 100% 상대습도 조건에서 수산화 이온 전도도 변화를 나타낸 그래프.
도 6은 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막의 원자힘현미경(AFM) 이미지.
도 7은 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막의 SAXS 그래프.
도 8은 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막을 500 시간동안 60℃에서 1 M KOH 용액 속에 침지한 후, 시간별 박막의 전도도 변화를 관찰한 그래프.
도 9는 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막을 500 시간동안 60℃에서 1 M KOH 용액 속에 침지한 후, 시간별 박막의 이온 교환 용량(IEC) 변화를 관찰한 그래프.
도 10은 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막의 95% 상대습도, 60℃ 조건에서의 단위 전지 성능을 나타낸 그래프.
도 11a는 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 연료전지용 음이온 교환막의 가열 조건에 따른 DSC 특성을 나타낸 DSC 그래프.
도 11b는 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 연료전지용 음이온 교환막의 인장율(%)에 따른 스트레스(MPa) 변화를 관찰하여 나타낸 그래프.
1 is a 1 H-NMR graph of a poly (phenylene oxide) polymer according to Synthesis Examples 2 to 5;
FIG. 2A is a graph showing an ion exchange capacity (IEC) change observed before and after drying of an anion exchange membrane for fuel cells according to Examples 1 to 4. FIG.
FIG. 2B is a graph showing changes in water absorption (%) at high temperature (80 ° C.) and low temperature (20 ° C.) of the anion exchange membrane for fuel cells according to Examples 1 to 4.
Fig. 2C is a graph showing the change in lambda at high temperature (80 DEG C) and low temperature (20 DEG C) of the anion exchange membrane for fuel cells according to Examples 1 to 4. Fig.
3 is a graph showing changes in conductivity of hydroxide ion depending on conditions of temperature in an anion exchange membrane for a fuel cell and an anion exchange membrane for a Tokuyama A201 fuel cell according to Examples 1 to 4.
4 is an Arrhenius plot showing conductivity changes of the anion exchange membrane for fuel cell and the anion exchange membrane for Tokuyama A201 fuel cell according to Examples 1 to 4 under 1000 / T (K -1 ) condition.
5 is a graph showing changes in hydroxide ion conductivity at 60 DEG C, 95%, or 100% relative humidity conditions of the anion exchange membrane for fuel cells according to Examples 1 to 4. Fig.
6 is an atomic force microscope (AFM) image of an anion exchange membrane for fuel cells according to Examples 1 to 4. Fig.
7 is a SAXS graph of an anion exchange membrane for fuel cells according to Examples 1 to 4;
8 is a graph showing changes in conductivity of a thin film after immersing the anion exchange membrane for fuel cells according to Examples 1 to 4 in a 1 M KOH solution at 60 DEG C for 500 hours.
9 is a graph showing changes in ion exchange capacity (IEC) of a thin film after immersing the anion exchange membrane for fuel cells according to Examples 1 to 4 in a 1 M KOH solution at 60 DEG C for 500 hours.
10 is a graph showing the performance of an anion exchange membrane for fuel cells according to Examples 1 to 4 in a unit cell at 95% relative humidity and 60 ° C.
11A is a DSC graph showing DSC characteristics of an anion exchange membrane for fuel cells manufactured according to Examples 1 to 4 according to heating conditions.
FIG. 11B is a graph showing a change in stress (MPa) according to the tensile rate (%) of the anion exchange membrane for a fuel cell manufactured according to Examples 1 to 4.

이하에서는 본 발명에 따른 연료전지용 음이온 교환막 및 그 제조방법에 관하여 실시예 및 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an anion exchange membrane for a fuel cell and a method for producing the same according to the present invention will be described in detail with reference to examples and accompanying drawings.

본 발명에서는 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 포함하는 연료전지용 음이온 교환막을 제공한다.The present invention provides an anion exchange membrane for a fuel cell comprising a poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by the following formula (1).

<화학식 1>&Lt; Formula 1 >

Figure pat00006
Figure pat00006

상기 화학식 1에서, 상기 R1은 -N(R2R3R4)+의 4급 암모늄기이거나, 하기 구조식 1 중에서 선택되는 어느 하나이고, n, m은 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.1≤n≤0.9, 0.1≤m≤0.9, n+m=1 이며,Wherein R 1 is a quaternary ammonium group of -N (R 2 R 3 R 4 ) + , or any one selected from the following structural formula 1, n and m are mole ratios in the repeating unit, 0.9, 0.1? M? 0.9, n + m = 1,

<구조식 1><Structure 1>

Figure pat00007
,
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,
Figure pat00009
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상기 R1 및 구조식 1에서 상기 R2, R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 히드록시, 할로겐, 직쇄 또는 분지형 탄소수 1 내지 6의 알킬기, 탄소수 1 내지 6의 알콕시기, 탄소수 5 내지 30의 알릴기 중에서 선택되는 어느 하나이다.In the R 1 and the following structural formula 1 wherein R 2, R 3 and R 4 are each independently an alkoxy group of hydrogen, hydroxy, halogen, linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms and having 1 to 6 carbon atoms and having 5 to 30 carbon atoms Lt; / RTI &gt;

또한 상기 화학식 1에서, 상기 아래 첨자 n, m을 가지는 각각의 페닐렌 성분의 배열은 임의로 되거나 하나의 블록으로 정해진 것일 수 있다. Also, in the above formula (1), the arrangement of each phenylene component having the subscript n, m may be arbitrary or one block.

상기 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는, 폴리(페닐렌 옥사이드) 반복단위를 골격(backbone)으로 하고, 그 측쇄에 적어도 하나 이상의 전도성 작용기(바람직하게는 음이온 교환성 작용기)를 갖는 것으로, 상기 화학식 1에서 정의한 반복단위의 구조를 가지며 화학적·열적 안정성이 우수하다.The poly (phenylene oxide) polymer has a poly (phenylene oxide) repeating unit as a backbone and at least one conductive functional group (preferably an anion-exchange functional group) in its side chain. And has excellent chemical and thermal stability.

특히 상기 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는, 상기 화학식 1에서 R1은 4급 암모늄기, 이미다졸륨기, 피페리디늄기 및 모폴리니움기 중에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직한데, 이는 폴리(페닐렌 옥사이드)에 기초한 폴리머에 다양한 전도성 작용기가 도입된 고분자를 제조하여, 고분자의 형태와 특성을 비롯하여 음이온 교환막에 대한 특성들을 광범위하게 조사한 결과부터 확인할 수 있는 것으로, 상기 전도성 작용기 외에 다른 전도성 작용기를 도입한 경우 알칼리 조건에서 낮은 안정성을 가지거나, 고온 고습 조건에서 이온 전도도가 크게 저하되는 등의 문제가 여전히 존재하기 때문이다.In particular, the poly (phenylene oxide) polymer, in the formula 1 R 1 is a quaternary ammonium group, preferred that the imidazole ryumgi, any one selected from the group consisting of piperidinyl nyumgi and Mo Pollini umgi, which is a poly (phenylene oxide) Based polymer has been variously introduced into a polymer, and the properties of the anion-exchange membrane, including the shape and properties of the polymer, have been extensively investigated. From the results obtained by introducing other conductive functional groups other than the conductive functional groups, There is still a problem such that it has low stability under the conditions or the ionic conductivity is greatly lowered under high temperature and high humidity conditions.

구체적으로 상기 화학식 1로 표시되는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는 하기 화학식 2 내지 화학식 5 중에서 선택되는 어느 하나의 반복단위로 표시될 수 있다.Specifically, the poly (phenylene oxide) polymer represented by the formula (1) may be represented by any one of repeating units selected from the following formulas (2) to (5).

<화학식 2>(2)

Figure pat00010
Figure pat00010

<화학식 3>(3)

Figure pat00011
Figure pat00011

<화학식 4>&Lt; Formula 4 >

Figure pat00012
Figure pat00012

<화학식 5>&Lt; Formula 5 >

Figure pat00013
Figure pat00013

상기 화학식 2 내지 5 중에서 어느 하나로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자에서, 상기 n과 m의 비(n:m)가 0.2≤n≤0.4, 0.6≤m≤0.8, n+m=1인 것을 사용함으로써, 측쇄에 결합한 전도성 작용기 간의 상호작용과 수산화 이온과의 상호작용을 증대시켜 IEC를 성공적으로 제어할 수 있고, 고온과 저온에서 우수한 이온 전도도를 얻을 수 있다. 아울러 저습 및 고습 조건에서 치수 변화가 낮고, 기계적 안정성이 현저히 개선된 것을 알 수 있다. 가장 바람직하게는 상기 화학식 1의 n이 0.3인 것일 수 있다.In the poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by any one of Chemical Formulas 2 to 5, the ratio (n: m) of n and m is preferably in the range of 0.2? N? 0.4, 0.6? M? = 1, the interaction between the conductive functional group bonded to the side chain and the interaction with the hydroxide ion is increased, and the IEC can be successfully controlled, and excellent ionic conductivity can be obtained at high temperature and low temperature. It can be seen that the dimensional change is low and the mechanical stability is remarkably improved under low humidity and high humidity conditions. Most preferably, n in Formula 1 is 0.3.

본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는, 고분자 골격을 가교시킴으로써, 기계적 물성의 향상 및 화학적 안정성을 도모하여 연료전지의 음이온 교환막에 사용할 수 있고, 이의 두께는 40 내지 50 ㎛인 것이 보다 바람직하다.The poly (phenylene oxide) polymer represented by the formula (1) of the present invention can be used for an anion exchange membrane of a fuel cell by improving the mechanical properties and chemical stability by crosslinking the polymer skeleton. The poly (phenylene oxide) Mu m.

그러므로 본 발명에서는 상기 화학식 2 내지 5 중에서 어느 하나로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자(이때, n은 0.3, m은 0.7)로 얻어지는 연료전지용 음이온 교환막의 두께가 40 내지 50 ㎛로 매우 얇은 것을 사용함으로써, 연료전지 적용시 최적으로 음이온 교환막이 형성될 수 있으므로, 구조 안정성이 매우 높아지기 때문에 보다 더 바람직하다 할 것이다. 이때, 상기 음이온 교환막의 두께가 40 ㎛ 미만이면 높은 작동압력에 견디기 어렵고, 그 두께가 50 ㎛를 초과하면 수산화 이온 전달에 대한 저항성에 문제가 생길 수 있다. 나아가 고분자 사슬 간에 밀집되는 정도를 조절함과 동시에 이온 교환 용량을 최대한 확보할 수 있으므로, 화학적·열적 안정성이 우수한 특성에 더하여 연료전지용 음이온 교환막에 적용할 수 있는 것이다.Therefore, in the present invention, the thickness of an anion exchange membrane for a fuel cell obtained from a poly (phenylene oxide) polymer having repeating units represented by any one of Chemical Formulas 2 to 5 (where n is 0.3 and m is 0.7) is 40 to 50 占 퐉 By using a very thin material, an anion exchange membrane can be optimally formed when a fuel cell is applied, which is more preferable because the structural stability is extremely high. At this time, if the thickness of the anion exchange membrane is less than 40 탆, it is difficult to withstand a high operating pressure, and if the thickness exceeds 50 탆, resistance to hydroxide ion transfer may be problematic. Furthermore, since the degree of condensation between polymer chains can be controlled and the ion exchange capacity can be maximized, it can be applied to anion exchange membranes for fuel cells in addition to excellent chemical and thermal stability.

따라서 상술한 구성요소의 조합으로 제조된 상기 연료전지용 음이온 교환막은 하기 식 1에 의해 계산되는 이온 교환 용량이 1.8 내지 2.0 meg/g이고, 상기 연료전지용 음이온 교환막은 95~100% 상대습도 및 20~50 ℃에서 수소이온 전도성이 0.01 내지 0.04 S/㎝이고, 95~100% 상대습도 및 60~90 ℃에서 수소 이온 전도성이 0.06 내지 0.09 S/㎝을 가지는 것을 특징으로 하며, 나아가 알칼리 화합물에 대한 화학적·열적 안정성이 우수하고, 음이온 교환 성능이 뛰어날 뿐만 아니라, 특히 간단하고 친환경적인 열처리 공정에 의하여 저비용, 고효율로 박막의 형성이 가능하다는 장점을 갖는다. 이러한 특성들을 동시에 만족하기 위해서는 피페리디늄기, 모폴리니움기를 전도성 작용기로 도입한 화학식 4 또는 5로 표시되는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자(이때, n은 0.3, m은 0.7)인 것이 바람직하다.Accordingly, the anion exchange membrane for a fuel cell manufactured by the combination of the above-described components has an ion exchange capacity of 1.8 to 2.0 meg / g calculated by the following formula 1, and the anion exchange membrane for a fuel cell has a relative humidity of 95 to 100% And has hydrogen ion conductivity of 0.01 to 0.04 S / cm at 50 DEG C, 95 to 100% relative humidity and hydrogen ion conductivity of 0.06 to 0.09 S / cm at 60 to 90 DEG C, and further characterized by chemical It has an advantage of being excellent in thermal stability, excellent in anion exchange performance, and capable of forming a thin film with low cost and high efficiency by a particularly simple and environmentally friendly heat treatment process. To satisfy these characteristics at the same time, it is preferable that the poly (phenylene oxide) polymer represented by the formula (4) or (5), wherein n is 0.3 and m is 0.7, in which a piperidinium group and a molesphenium group are introduced as a conductive functional group.

[식 1][Formula 1]

Figure pat00014
Figure pat00014

상기 식에서, 상기 V 0 NaOHV x NaOH는 각각의 박막 혹은 박막이 존재하지 않는 조건에서 적정시 소비된 NaOH의 부피이고, C NaOH는 표준 옥살릭 산 용액에 의해 적정된 NaOH의 몰 농도이며, W dry는 건조된 박막의 무게이다. 구체적인 내용은 후술하는 실험예(도 2 및 표 1)에 서술되어 있으므로, 생략하기로 한다.Wherein V 0 NaOH and V x NaOH are the volumes of NaOH consumed in the titration under the absence of each thin film or thin film, C NaOH is the molar concentration of NaOH titrated by standard oxalic acid solution, W dry is the weight of the dried film. The concrete contents are described in an experimental example (FIG. 2 and Table 1) to be described later, and will not be described.

구체적으로 상온, 물 혹은 고습 조건이나 기계적 안정성이 필요한 경우에는 모폴리니움기를 전도성 작용기로 도입한 화학식 5로 표시되는 폴리(페닐렌 옥사이드가) 고분자가 다른 전도성 작용기를 도입한 고분자보다 유의미한 수치 범위 이상으로 유리한 성능 특성을 가지며, 100 내지 95% 상대습도 조건과 고온 및 화학적 안정성이 필요한 경우에는 피페리디늄기를 전도성 작용기로 도입한 화학식 4로 표시되는 폴리(펜닐렌 옥사이드) 고분자가 다른 전도성 작용기를 도입한 고분자보다 유의미한 수치 범위 이상으로 유리한 성능 특성을 갖는다.Specifically, in the case where room temperature, water or high humidity conditions or mechanical stability are required, the poly (phenylene oxide) polymer represented by Chemical Formula 5, in which the molsulinium group is introduced as a conductive functional group, (Phenylene oxide) polymer represented by the formula (4) in which a piperidinium group is introduced as a conductive functional group when a relative humidity of 100 to 95% and high temperature and chemical stability are required, And have favorable performance characteristics over a range of significance higher than that of one polymer.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자의 구조는, 폴리(페닐렌 옥사이드)를 브롬화함으로써, 선택적으로 벤질 위치가 브롬으로 치환된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 얻고, 여기에 음이온 교환기를 갖는 화합물과 반응시킴으로써, 제조되는 것을 기본으로 한다. 또한, 폴리(에틸렌 옥사이드) 고분자의 벤질 위치가 브롬으로 치환됨으로써, 합성된 브롬화된 폴리(에틸렌 옥사이드) 중간체를 형성한 후, 첨가되는 음이온 교환기를 갖는 화합물과 반응함으로써 합성되는 것인바, 본 발명에서는 하기와 같은 단계를 포함하는 연료전지용 음이온 교환막의 제조방법을 제공한다.In the present invention, the structure of the poly (phenylene oxide) polymer represented by the formula (1) is obtained by brominating a poly (phenylene oxide) to obtain a poly (phenylene oxide) polymer in which a benzyl position is selectively substituted with bromine , Which is then reacted with a compound having an anion-exchange group. In addition, it is synthesized by replacing the benzyl position of the poly (ethylene oxide) polymer with bromine to form a synthesized brominated poly (ethylene oxide) intermediate and then reacting with a compound having an anion-exchange group to be added. There is provided a process for producing an anion exchange membrane for a fuel cell comprising the following steps.

I) 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 및 N-브로모숙신이미드를 반응시켜 브롬화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성하는 단계;I) reacting a poly (phenylene oxide) polymer and N-bromosuccinimide to synthesize a brominated poly (phenylene oxide) polymer;

II) 상기 I) 단계의 브롬화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 유기용매에 녹인 고분자 용액에 음이온 교환기를 갖는 화합물을 첨가하고 반응시켜 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 얻는 단계; 및 II) adding a compound having an anion-exchange group to a polymer solution obtained by dissolving the brominated poly (phenylene oxide) polymer in step I) in an organic solvent and reacting the solution to obtain a poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by the formula (1) Obtaining a polymer; And

Ⅲ) 상기 Ⅱ) 단계에서 얻은 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 박막을 형성하는 단계;를 포함한다.III) forming a poly (phenylene oxide) polymer thin film having a repeating unit represented by the formula (1) obtained in the step (II).

본 발명에 따른 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는 통상 알카리성(높은 pH) 조건에서의 낮은 안정성 때문에 음이온 교환막 알칼리성 연료 전지(AEMFC)에서 실제적인 사용은 제한되며, 또한 물에서 H+의 이동도에 비해 OH-이온의 낮은 전기화학적 이동도 때문에 높은 OH-이온 전도도를 달성할 수 없다는 단점을 가지고 있었다. 이에 본 발명에서는 상술한 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자가 가지고 있던 문제점을 해결함과 동시에 기계적 물성과 화학적 안성성을 동시에 가지면서도 고온, 고습 조건에서 우수한 이온 전도도를 가져, 음이온 교환막으로 활용할 수 있는 폴리(페닐렌 옥사이드) 기반 고분자를 제조하고자 한다.The poly (phenylene oxide) polymer according to the present invention is generally limited in its practical use in an anion-exchange membrane alkaline fuel cell (AEMFC) due to its low stability under alkaline (high pH) conditions, - ion conductivity can not be achieved due to the low electrochemical mobility of - ions. Accordingly, the present invention solves the problems of the above-mentioned poly (phenylene oxide) polymer, and at the same time has excellent mechanical properties and chemical stability, but also has excellent ionic conductivity at high temperature and high humidity, (Phenylene oxide) -based polymer.

상기 I) 단계의 브롬화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는 하기 화학식 7로 표시되는 것일 수 있다.The brominated poly (phenylene oxide) polymer in the step I) may be represented by the following general formula (7).

<화학식 7>&Lt; Formula 7 >

Figure pat00015
Figure pat00015

(상기 화학식 7에서 n, m은 제1항의 화학식 1에서 정의한 바와 같다)(Wherein n and m are as defined in formula (1)

상기 Ⅱ) 단계의 음이온 교환기를 갖는 화합물은 4급 암모늄quaternary ammonium), 이미다졸륨(imidazolium), 피페리디늄(piperazinium) 및 모폴리니움(morpholinium)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 열적·화학적 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 점을 고려하면 피페리디늄 또는 모폴리니움일 수 있고, 본 발명의 실시예에서는 N-메틸피페리딘(N-methylpiperidine) 또는 4-메틸모폴린(4-methylmorpholine)을 사용하였다. The compound having an anion-exchange group in step II) may be any one selected from the group consisting of quaternary ammonium, imidazolium, piperazinium, and morpholinium, (N-methylpiperidine) or 4-methylmorpholine (4-methylpiperidine) may be used in the embodiment of the present invention, considering that the thermal and chemical properties can be further improved. methylmorpholine) was used.

즉, 상기 I) 단계에서는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 및 N-브로모숙신이미드를 2,2'-아조비스이소부티로나이트릴(2,2'azobisisobutyronitrile;AIBN)과 같은 유기용매에 용해 및 교반하여 하기 화학식 7로 표시되는 브롬화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성한다.That is, in the step I), the poly (phenylene oxide) polymer and N-bromosuccinimide are dissolved in an organic solvent such as 2,2'-azobisisobutyronitrile (AIBN) And stirred to synthesize a brominated poly (phenylene oxide) polymer represented by the following formula (7).

<화학식 7>&Lt; Formula 7 >

Figure pat00016
Figure pat00016

(상기 화학식 7에서 n, m은 제1항의 화학식 1에서 정의한 바와 같다)(Wherein n and m are as defined in formula (1)

이때, 상기 Ⅰ) 단계는 100~150℃에서 1~6 시간 동안 브롬화 반응을 수행하게 된다.At this time, the bromination reaction is performed at 100 ~ 150 ° C for 1 ~ 6 hours.

이어서, II) 상기 I) 단계의 브롬화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 유기용매에 녹인 고분자 용액에 음이온 교환기를 갖는 화합물을 첨가하고 반응시켜 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 얻는다.Next, II) a step of adding a compound having an anion-exchange group to a polymer solution obtained by dissolving the brominated poly (phenylene oxide) polymer of step I) in an organic solvent and reacting to obtain a poly (phenylene Oxide) polymer.

이때, 상기 Ⅱ) 단계는 N-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 용매를 사용하여 20 내지 70℃에서 40~50시간 동안 수행할 수 있다.At this time, the step II) may be carried out at 20 to 70 ° C for 40 to 50 hours using a solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP).

상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는 하기와 같은 반응식의 일례에 따르며, 그 구체적인 합성방법 및 분석결과는 후술하는 실시예에 자세히 개시되어 있으므로 생략한다.The poly (phenylene oxide) polymer having the repeating unit represented by the above formula (1) is exemplified by the following reaction formula, and the detailed synthesis method and analysis result thereof will be omitted because they are described in detail in the following embodiments.

<반응식><Reaction Scheme>

Figure pat00017
Figure pat00017

마지막으로, Ⅲ) 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 박막을 형성함으로써, 본 발명의 목적물인 연료전지용 음이온 교환막을 제조한다.Finally, (III) a poly (phenylene oxide) polymer thin film having a repeating unit represented by the above formula (1) is formed to produce an anion exchange membrane for a fuel cell, which is an object of the present invention.

이때, 상기 Ⅲ) 단계는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 N-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 용매를 사용하여 50~70 ℃에서 10~30 시간동안 1차 열처리하고, 60~100 ℃에서 1~5 시간동안 2차 열처리함으로써 박막을 형성한다. In the step (III), the poly (phenylene oxide) polymer having the repeating unit represented by the formula (1) is reacted with a solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) at 50 to 70 ° C for 10 to 30 hours Followed by a primary heat treatment and a secondary heat treatment at 60 to 100 ° C for 1 to 5 hours to form a thin film.

상기 본 발명에 따른 제법은 일반적으로 통용되는 비용매 유도 상분리법(non-solvent induced phase separation, NIPS) 또는 열 유도 상분리법(thermally induced phase separation, TIPS)에 비하여 사용되는 고분자의 양이 적고, 제막공정 자체가 간단하면서도 짧기 때문에 그 제조단가에 있어서도 장점이 있다.The method according to the present invention can reduce the amount of polymer used in comparison with a commonly used non-solvent induced phase separation (NIPS) or thermally induced phase separation (TIPS) Because the process itself is simple and short, it has advantages in its manufacturing cost.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면과 함께 구체적으로 설명한다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 합성예 및 실시예에서 사용된 물질들은 다음과 같다.The materials used in the synthesis examples and examples according to the present invention are as follows.

2,2'-아조비스이소부티로나이트릴(2,2'azobisisobutyronitrile;AIBN, 99%)과 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone;NMP, 99%)은 Daejung에서 구입하여 사용하였고, N-브로모숙신이미드(N-bromosuccinimide;NBS, 98%는 TCI로부터 구입하여 사용하였으며, 클로로벤젠(chlorobenzene, 99.5%), 4-메틸모폴린(4-methylmorpholine, 99%), 트리메틸아민(trimethyl amine)(45wt% aqueous solution), N-메틸피페리딘(N-methylpiperidine, 99%) 및 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole, 99%)은 Aldrich로부터 구입한 것을 사용하였다.2,2'-azobisisobutyronitrile (AIBN, 99%) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP, 99% N-bromosuccinimide (NBS), 98% was purchased from TCI, chlorobenzene (99.5%), 4-methylmorpholine, 99 %), Trimethyl amine (45 wt% aqueous solution), N-methylpiperidine (99%) and 2-methylimidazole (99%) were purchased from Aldrich .

모든 화합물은, 특별한 언급이 없는 이상, 일반적으로 판매되고 있는 것(commercial sources)을 사용하였다. 모든 실험은 증류수를 사용하여 수행하였다.All compounds used commercially available sources unless otherwise noted. All experiments were carried out using distilled water.

[합성예 1] 폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌) 옥사이드(poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene) oxide)의 브롬화(Bromination)(화학식 7)Synthesis Example 1 Bromination of poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene) oxide (Formula 7)

<반응식 1-1><Reaction Scheme 1-1>

Figure pat00018
Figure pat00018

[화학식 6] [화학식 7]  [Chemical Formula 6] (7)

폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌) 옥사이드(이하, PPO라고도 한다)의 브롬화는 다음 과정을 통해 수행된다. 우선 자석 교반기(magnetic stirrer), 응축기(condenser) 및 질소 주입구(nitrogen inlet)가 구비되어 있는 500 ㎖ 2구 플라스크를 준비하였다. 상기 준비된 플라스크에 클로로벤젠(chlorobenzene) 100 ㎖에 용해된 PPO(폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌) 옥사이드) 6.0 g(50 mmol)을 투여한 후, N-브로모숙신이미드(N-bromosuccinimide;NBS) 4.0 g(22.5 mmol)과 2,2'-아조비스이소부티로나이트릴(2,2'azobisisobutyronitrile;AIBN) 246 ㎎(1.5 mmol)을 첨가하여 혼합액을 제조하였다. 상기 혼합액을 3 시긴 동안 135℃에서 가열한 후, 실온으로 냉각한 다음 메탄올(1000 ㎖)을 가해 침전시켰다. 상기 침전물을 세 차례 세척하고 여과하여 부산물을 제거한 다음 24 시간동안 진공하에서 80℃로 건조하는 일련의 과정을 거쳐 노란색 고체 분말의 화학식 7로 표시되는 브롬화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성 및 회수하였다(수득율: 96%, 브롬화비율은 30%). 이를 Br-PPO라 명명하였다.Bromination of poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene) oxide (hereinafter also referred to as PPO) is carried out through the following procedure. First, a 500 ml two-necked flask equipped with a magnetic stirrer, a condenser and a nitrogen inlet was prepared. The prepared flask was charged with 6.0 g (50 mmol) of PPO (poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene) oxide) dissolved in 100 ml of chlorobenzene, and then N-bromosuccinic acid A mixture was prepared by adding 4.0 g (22.5 mmol) of N-bromosuccinimide (NBS) and 246 mg (1.5 mmol) of 2,2'azobisisobutyronitrile (AIBN). The mixture was heated at 135 DEG C for 3 hours, cooled to room temperature, and precipitated by adding methanol (1000 mL). The precipitate was washed three times, filtered to remove by-products, and then dried in vacuo at 80 ° C for 24 hours to synthesize and recover the brominated poly (phenylene oxide) polymer represented by Formula 7 of yellow solid powder (Yield: 96%, bromination rate: 30%). This was named Br-PPO.

<화학식 7>&Lt; Formula 7 >

Figure pat00019
Figure pat00019

상기 합성예 1로부터 화학식 7로 표시되는 브롬화 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자가 합성되었음을 다음과 같이 1H-NMR 데이터로 확인하였다. The synthesis of the brominated poly (phenylene oxide) polymer from Synthesis Examples 1 to 7 was confirmed by 1 H-NMR data as follows.

δ H (400 MHz, CDCl3)6.74-6.60(6H,brsignal,ArH), 6.56-6.40 (14H, br signal, ArH), 4.40-4.25 (6H, br signal, ArCH 2 Br), 2.20-1.94 (51H, br signal, ArCH 3 ) δ H (400 MHz, CDCl 3 ) 6.74-6.60 (6H, brsignal, Ar H), 6.56-6.40 (14H, br signal, Ar H), 4.40-4.25 (6H, br signal, ArC H 2 Br), 2.20 -1.94 (51H, br signal, ArC H 3)

[합성예 2] 4급 암모늄기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자의 합성[Synthesis Example 2] Synthesis of poly (phenylene oxide) polymer containing quaternary ammonium group

4급 암모늄기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 합성은 다음 과정을 통해 수행된다. 실시예 1로부터 제조된 Br-PPO(DS=30%)(1.44 g, 1 mmol)를 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone) 25 ㎖에 용해하였다. 여기에 트리메틸아민(trimethylamine; TMA, 45 wt%)(1.97 g, 15 mmol)을 첨가하여 혼합액을 제조하였다. 상기 혼합액을 48 시간동안 실온에서 교반하여 제조된 반응액에 에틸 아세테이트(250 ㎖)를 첨가하였다. 이렇게 얻어진 침전물을 에틸 아세테이트로 세 차례 세척하고 여과하여 부산물을 제거한 다음 24 시간동안 진공하에서 80oC로 건조하는 일련의 과정을 거쳐 암갈색 고체 분말의 화학식 2로 표시되는 4급 암모늄기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성 및 회수하였다(수득율: 89%). 이를 QA-PPO라 명명하였다.Synthesis of quaternary ammonium group-containing poly (phenylene oxide) polymer is carried out through the following procedure. Br-PPO (DS = 30%) (1.44 g, 1 mmol) prepared in Example 1 was dissolved in 25 ml of N-methyl-2-pyrrolidone. Trimethylamine (TMA, 45 wt%) (1.97 g, 15 mmol) was added thereto to prepare a mixed solution. Ethyl acetate (250 mL) was added to the reaction solution prepared by stirring the mixture at room temperature for 48 hours. The resulting precipitate was washed with ethyl acetate three times, filtered to remove by-products, and then dried at 80 ° C under vacuum for 24 hours to obtain a dark brown solid powder of a quaternary ammonium group-containing poly (phenylene Oxide) polymer was synthesized and recovered (yield: 89%). This was named QA-PPO.

<화학식 2>(2)

Figure pat00020
Figure pat00020

상기 합성예 2로부터 화학식 2로 표시되는 4급 암모늄기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자가 합성되었음을 다음과 같이 1H-NMR 데이터로 확인하였다. The synthesis of the quaternary ammonium group-containing poly (phenylene oxide) polymer represented by the general formula (2) from the above-mentioned synthesis example 2 was confirmed by 1 H-NMR data as follows.

δH(400MHz,DMSO-d6)7.10-6.82(6H,brsignal,ArH), 6.64-6.38 (14H, br signal, ArH), 4.63-4.15 (6H, br signal, Ar-CH 2 ­­-N), 3.41-2.82 (27H, br signal, CH2-N-CH 3 ), 2.33-1.72 (51H, br signal, ArCH 3 ) δ H (400MHz, DMSO-d 6) 7.10-6.82 (6H, brsignal, Ar H), 6.64-6.38 (14H, br signal, Ar H), 4.63-4.15 (6H, br signal, Ar-C H 2 ­­ -N), 3.41-2.82 (27H, br signal, CH 2 -NC H 3), 2.33-1.72 (51H, br signal, ArC H 3)

[합성예 3] 이미다졸륨기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자의 합성[Synthesis Example 3] Synthesis of imidazolium group-containing poly (phenylene oxide) polymer

이미다졸륨기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자의 합성은 다음 과정을 통해 수행된다. 실시예 1로부터 제조된 Br-PPO(DS=30%)(1.44g, 1 mmol)를 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone) 15 ㎖에 용해하였다. 여기에 2-메틸이미다졸륨(2-methylimidazole)(0.58 g, 6 mmol)을 첨가하여 혼합액을 제조하였다. 상기 혼합액을 40℃에서 48 시간동안 교반하여 제조된 반응액에 에틸 아세테이트(250 ㎖)를 첨가하였다. 이렇게 얻어진 침전물을 에틸 아세테이트를 이용해 세 차례 세척하고 여과하여 부산물을 제거한 다음, 24 시간동안 진공하에서 80℃로 건조하는 일련의 과정을 거쳐 암갈색 고체 분말의 화학식 3으로 표시되는 이미다졸륨기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성 및 회수하였다(수득율: 97%). 이를 IM-PPO라 명명하였다.The synthesis of the imidazolium group-containing poly (phenylene oxide) polymer is carried out through the following procedure. Br-PPO (DS = 30%) (1.44 g, 1 mmol) prepared in Example 1 was dissolved in 15 ml of N-methyl-2-pyrrolidone. 2-methylimidazole (0.58 g, 6 mmol) was added thereto to prepare a mixed solution. Ethyl acetate (250 ml) was added to the reaction solution prepared by stirring the mixture at 40 ° C for 48 hours. The resulting precipitate was washed with ethyl acetate three times, filtered to remove by-products, and then dried in vacuo at 80 캜 for 24 hours to obtain a dark brown solid powder of imidazolium group-containing poly (phenyl (Yield: 97%). &Lt; tb &gt; &lt; TABLE &gt; This was named IM-PPO.

<화학식 3>(3)

Figure pat00021
Figure pat00021

상기 합성예 3으로부터 화학식 3으로 표시되는 이미다졸륨기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자가 합성되었음을 다음과 같이 1H-NMR 데이터로 확인하였다. It was confirmed by 1 H-NMR data that the imidazolium group-containing poly (phenylene oxide) polymer represented by Formula 3 was synthesized from Synthesis Example 3 as follows.

δH (400 MHz, DMSO-d6), 7.66-7.41 (6H, br signal, ArH), 6.95-6.59 (6H, br signal, ArH), 6.59-6.32 (14H, br signal, ArH), 5.43-5.11 (6H, br signal, Ar-CH 2 -N), 3.78-3.50 (9H, br signal, NCH 3 ), 2.58-2.37 (9H, br signal, CCH 3 ), 2.27-1.70 (51H, br signal, ArCH 3 ) δ H (400 MHz, DMSO- d 6), 7.66-7.41 (6H, br signal, Ar H), 6.95-6.59 (6H, br signal, Ar H), 6.59-6.32 (14H, br signal, Ar H) , 5.43-5.11 (6H, br signal, Ar-C H 2 -N), 3.78-3.50 (9H, br signal, NC H 3), 2.58-2.37 (9H, br signal, CC H 3), 2.27-1.70 (51H, br signal, ArC H 3 )

[합성예 4] 피페리딘기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자의 합성[Synthesis Example 4] Synthesis of poly (phenylene oxide) polymer containing piperidine group

피페리딘 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 합성은 다음 과정을 통해 수행된다. 실시예 1로부터 제조된 Br-PPO(DS=30%)(1.44 g, 1 mmol)를 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone) 15 ㎖에 용해하였다. 여기에 N-메틸피페리딘(N-methylpiperidine)(0.60 g, 6 mmol)을 첨가하여 혼합액을 제조하였다. 상기 혼합액을 48 시간동안 40℃에서 교반하여 제조된 반응액에 에틸 아세테이트(250 ㎖)를 첨가하였다. 이렇게 얻어진 침전물을 에틸 아세테이트로 세 차례 세척하고 여과하여 부산물을 제거한 다음 24 시간동안 진공하에서 80oC로 건조하는 일련의 과정을 거쳐 암갈색 고체 분말의 화학식 4로 표시되는 피페리딘기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성 및 회수하였다(수득율: 95%). 이를 PI-PPO라 명명하였다.The synthesis of piperidine-containing poly (phenylene oxide) polymer is carried out through the following procedure. (1.44 g, 1 mmol) prepared in Example 1 was dissolved in 15 ml of N-methyl-2-pyrrolidone. N-methylpiperidine (0.60 g, 6 mmol) was added thereto to prepare a mixed solution. Ethyl acetate (250 mL) was added to the reaction solution prepared by stirring the mixture at 40 DEG C for 48 hours. The resulting precipitate was washed with ethyl acetate three times, filtered to remove by-products, and then dried in vacuo at 80 ° C for 24 hours to obtain a dark brown solid powder of a poly (phenylene Oxide) polymer was synthesized and recovered (yield: 95%). This was named PI-PPO.

<화학식 4>&Lt; Formula 4 >

Figure pat00022
Figure pat00022

상기 합성예 4로부터 화학식 4로 표시되는 피페리딘기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자가 합성되었음을 다음과 같이 1H-NMR 데이터로 확인하였다.The synthesis of the piperidine group-containing poly (phenylene oxide) polymer represented by the formula (4) from the above-mentioned synthesis example 4 was confirmed by 1 H-NMR data as follows.

δH (400 MHz, DMSO-d6), 7.03-6.82 (6H, br signal, ArH 1 ), 6.66-6.38 (14H, br signal, ArH 2 ), 4.63-4.19 (6H, br signal, ArCH 2 ), 3.11-2.83(9H, br signal, NCH 3 ), 2.32-1.85 (51H, br signal, ArCH3), 1.85-1.64 (12H, br signal, CH3 CH 2 ), 1.62-1.30 (9H, br signal, CH2 CH 3 ) δ H (400 MHz, DMSO- d 6), 7.03-6.82 (6H, br signal, Ar H 1), 6.66-6.38 (14H, br signal, Ar H 2), 4.63-4.19 (6H, br signal, Ar CH 2), 3.11-2.83 (9H, br signal, N CH 3), 2.32-1.85 (51H, br signal, Ar CH3), 1.85-1.64 (12H, br signal, CH 3 CH 2), 1.62-1.30 ( 9H, br signal, CH 2 CH 3 )

[합성예 5] 모폴리니움기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자의 합성[Synthesis Example 5] Synthesis of poly (phenylene oxide) polymer containing molsulinium group

모폴리니움기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자의 합성은 다음 과정을 통해 수행된다. 실시예 1로부터 제조된 Br-PPO(DS=30%)(1.44g, 1 mmol)를 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone) 15 ㎖에 용해하였다. 여기에 4-메틸모폴린(0.60 g, 6 mmol)을 첨가하여 혼합액을 제조하였다. 상기 혼합액을 40 ℃에서 48 시간동안 교반하여 제조된 반응액에 에틸 아세테이트(250 ㎖)를 첨가하였다. 이렇게 얻어진 침전물을 에틸 아세테이트를 이용해 세 차례 세척하고 여과하여 부산물을 제거한 다음, 24 시간동안 진공하에서 80℃로 건조하는 일련의 과정을 거쳐 암갈색 고체 분말의 화학식 5로 표시되는 모폴리니움기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성 및 회수하였다(수득율: 95%). 이를 MO-PPO라 명명하였다.The synthesis of the poly (phenylene oxide) polymer containing mopulnium group is carried out through the following process. Br-PPO (DS = 30%) (1.44 g, 1 mmol) prepared in Example 1 was dissolved in 15 ml of N-methyl-2-pyrrolidone. 4-Methylmorpholine (0.60 g, 6 mmol) was added thereto to prepare a mixed solution. Ethyl acetate (250 ml) was added to the reaction solution prepared by stirring the mixture at 40 ° C for 48 hours. The resulting precipitate was washed three times with ethyl acetate, filtered to remove by-products, and then dried in vacuo at 80 DEG C for 24 hours to obtain a dark brown solid powder of a polyunsaturated poly (phenyl (Yield: 95%). &Lt; tb &gt; &lt; TABLE &gt; This was named MO-PPO.

<화학식 5>&Lt; Formula 5 >

Figure pat00023
Figure pat00023

상기 합성예 5로부터 화학식 5로 표시되는 모폴리니움기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자가 합성되었음을 다음과 같이 1H-NMR 데이터로 확인하였다.It was confirmed by 1 H-NMR data that the poly (phenylene oxide) polymer containing a molsulinium group represented by the formula (5) was synthesized as described below.

δH (400 MHz, DMSO-d6), 7.15-6.82 (6H, br signal, ArH 1 ), 6.68-6.36 (14H, br signal, ArH 2 ), 4.78-4.36 (6H, br signal, ArCH 2 ), 4.15-3.78 (12H, br signal, OCH 2 ), 3.74-3.22 (12H, br signal, NCH 2 ), 3.22-2.89 (9H, br signal, NCH 3 ), 2.34-1.66 (51H, br signal, ArCH 3 ) δ H (400 MHz, DMSO- d 6), 7.15-6.82 (6H, br signal, Ar H 1), 6.68-6.36 (14H, br signal, Ar H 2), 4.78-4.36 (6H, br signal, Ar CH 2), 4.15-3.78 (12H, br signal, O CH 2), 3.74-3.22 (12H, br signal, N CH 2), 3.22-2.89 (9H, br signal, N CH 3), 2.34-1.66 ( 51H, br signal, Ar CH 3 )

[실시예 1 내지 4] 연료전지용 음이온 교환막의 제조[Examples 1 to 4] Preparation of anion exchange membrane for fuel cell

합성예 2 내지 5로부터 얻어진 다양한 작용기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 5 wt% 농도가 되도록 용해한 고분자용액을 cotton plug를 사용해 여과하고, 11 ㎝ 직경의 페트리 접시 위에 도포하여 박막을 형성하였다. 상기 박막을 60℃에서 24 시간동안 1차 열처리하고, 80℃에서 4 시간동안 2차 열처리하여 가교구조를 갖도록 함으로서, 가교구조의 다양한 작용기 함유 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 박막을 제조하였다. 상기 제조된 박막을 탈이온수에 담가 페트리 접시로부터 분리하였다. 상기 분리된 박막은 기계적 물성 등의 특성을 분석하기 전에 24 시간동안 탈이온수에 보관하였다.A polymer solution obtained by dissolving various functional group-containing poly (phenylene oxide) polymers obtained in Synthesis Examples 2 to 5 in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to a concentration of 5 wt% was filtered using a cotton plug, Diameter petri dish to form a thin film. The thin film was subjected to a primary heat treatment at 60 ° C. for 24 hours and a secondary heat treatment at 80 ° C. for 4 hours to have a crosslinked structure, thereby preparing various functional group-containing poly (phenylene oxide) polymer thin films having a crosslinked structure. The prepared thin film was immersed in deionized water and separated from the Petri dish. The separated thin films were stored in deionized water for 24 hours before analyzing properties such as mechanical properties.

도 1a는 QA-PPO 고분자의 1H NMR 스펙트럼이고, 도 1b는 IM-PPO 고분자의 1H NMR 스펙트럼이며, 도 1c는 PI-PPO 고분자의 1H NMR 스펙트럼이au, 도 1d는 MO-PPO 고분자의 1H NMR 스펙트럼이다.Figure 1a is a 1 H NMR spectrum of QA-PPO polymer, 1b is IM-PPO and 1 H NMR spectrum of the polymer, Fig. 1c is a 1 H NMR spectrum of PI-PPO polymer au, Figure 1d is a MO-PPO polymer &Lt; 1 &gt; H NMR spectrum.

레퍼런스로 d6-DMSO 또는 CDCl3를 사용하는 Agilent 400-MR (400 MHz) 장비를 이용하여 1H NMR 스펙트럼을 얻었다. 1 H NMR spectra were obtained using an Agilent 400-MR (400 MHz) instrument using d 6 -DMSO or CDCl 3 as a reference.

도 1에 나타난 바와 같이 각 전도기에 따른 음이온 교환막의 구조를 분석한 것으로, 우선 합성예 1로부터 제조된 Br-PPO에서 벤질 자리의 수소인 H1과 브로모벤질 자리의 수소인 H2의 적분비로 전환율이 30%임을 확인할 수 있었다. 이렇게 합성된 고분자의 브로모벤질 자리를 모두 4 종류의 전도성 작용기(4금 암모늄기, 이미다졸륨기, 피페리디늄기, 모폴리니움기)로 각각 합성예 2, 3, 4를 통해 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자에 도입하였다.As shown in FIG. 1, the structure of the anion exchange membrane according to each conductive agent was analyzed. First, in the Br-PPO prepared from Synthesis Example 1, the integral ratio of H 1 , a benzylic hydrogen, and H 2 , The conversion rate is 30%. The bromobenzyl groups of the thus synthesized polymer were all converted into poly (phenylene oxide) groups by using 4 kinds of conductive functional groups (4-gold ammonium group, imidazolium group, piperidinium group and mopolinium group) through Synthesis Examples 2, And introduced into the polymer.

구체적으로 도 1a에서 암모늄기의 메틸자리의 수소인 H2가 3.1 ppm 부근에서 뚜렷하게 피크가 나타난 것으로 보아 Br-PPO의 브로모벤질 수소 H2 자리가 암모늄 벤질 수소 H3 자리로 모두 치환되었음을 확인할 수 있다.Specifically, in FIG. 1A, a distinct peak was observed at around 3.1 ppm of H 2, which is the hydrogen of the methyl group of the ammonium group, indicating that the H 2 position of the bromobenzyl hydrogen of Br-PPO was replaced with the ammonium benzyl hydrogen H 3 .

또한 도 1b에서 4.3 ppm 부근에서 나타나는 브로모벤질 수소 H2 자리 피크가 사라지고, 이미다졸륨 벤질 수소 H4 자리를 나타내는 5.3 ppm 부근에서 뚜렷한 피크가 나타났으며, 2.5 ppm 및 3.6 ppm 부근에서 나타나는 이미다졸륨의 메틸 수소인 H2, H3자리에 기인하는 뚜렷한 피크가 나타났을 뿐만 아니라, 7.5 ppm 부근에서 공명구조에 의한 이미다졸륨기의 수소 H7의 피크가 관찰된 것으로 보아, 합성과정에서 브로모벤질 수소 자리가 이미다졸륨기로 모두 치환되었음을 알 수 있었다.In addition, the bromobenzyl hydrogen H 2 -dipole peak appearing near 4.3 ppm in FIG. 1 b disappears, and a distinct peak appears near 5.3 ppm indicating imidazolium benzyl hydrogen H 4 -direction, and a peak appearing near 2.5 ppm and 3.6 ppm The peak of hydrogen H 7 of the imidazolium group due to the resonance structure was observed at around 7.5 ppm as well as a distinct peak attributed to the H 2 and H 3 positions of the methyl hydrogen of the dodolium was observed, It can be seen that the moiety of the benzylic hydrogen was replaced with the imidazolium group.

게다가, 도 1c에는 QA-PPO에서 관찰되는 피크와 유사한 부근에서 피크가 관찰되었고, 1.6, 1.8, 3.0, 3.3ppm 부근에서 전형적인 피페리디늄기가 도입된 메틸 및 고리수소의 H1,2,4,5 자리의 피크가 관찰되었으므로, PI-PPO 역시 브로모 벤질 수소 H2 자리가 피페리디늄 벤질 수소 H6 자리로 모두 치환되었음을 확인할 수 있다.In addition, in Fig. 1 (c), peaks were observed in the vicinity of peaks similar to those observed in QA-PPO, and the typical piperidinium group-introduced methyl and hydrogen radicals in the vicinity of 1.6, 1.8, 3.0 , As the 5- digit peak was observed, it was confirmed that the PI-PPO was also completely substituted with the piperidinium benzyl hydrogen H 6 position of the bromobenzyl hydrogen H 2 position.

도 1d에는 4.3 ppm 부근에서 나타나는 브로모벤질 수소 H2 자리와 비슷한 위치의 모폴리니움기를 나타내는 4.5 ppm 부근의 뚜렷한 피크가 관찰되었으며, 모폴리니움기에 있는 메틸과 고리형의 메틸 및 메틸 에테르(methyl ether) 수소 H2,3,4 자리에 기인하는 3.1, 3.5, 4.0 ppm 부근의 새로운 피크가 관찰된 것으로 보아, 브로모 벤질 수소가 모폴리니움기로 전부 치환되었음을 알 수 있다. In FIG. 1d, a distinct peak near 4.5 ppm indicating a mopolinium group at a position similar to that of bromobenzyl hydrogen H2 at 4.3 ppm was observed, and methyl peaks in the methyl group and cyclic methyl ether ) A new peak near 3.1, 3.5, 4.0 ppm due to 2,3,4- position of hydrogen H was observed, indicating that the bromobenzyl hydrogen was completely replaced by the modulonium group.

상술한 바와 같이 본 발명에서의 실시예 1 내지 4로부터 제조된 박막은 DMF, DMSO, NMP, DMAC에 잘녹는 경향을 보이며, NMP 하에서 용매-캐스팅 공법으로 40-50 ㎛의 튼튼하고 질긴 박막이 형성되었음을 확인할 수 있다.As described above, the thin films prepared in Examples 1 to 4 of the present invention tend to dissolve well in DMF, DMSO, NMP and DMAC, and a strong and tough thin film of 40-50 μm is formed by solvent-casting under NMP .

도 2a는 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막을 제조하되, 건조하기 전과 후 박막의 이온 교환 용량(IEC) 변화를 관찰하여 나타낸 그래프이고, 도 2b는 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막의 고온(80℃)과 저온(20℃)에서 수분 흡수(%) 변화를 관찰하여 나타낸 그래프이며, 도 2c는 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막의 고온(80℃)과 저온(20℃)에서 λ 변화를 관찰하여 나타낸 그래프이다. 아래 표 1은 도 2a, b, c의 수치를 정리하여 나타낸 것이다.FIG. 2A is a graph showing the change in ion exchange capacity (IEC) of a thin film before and after drying for the fuel cell anion exchange membrane according to Examples 1 to 4. FIG. 2C is a graph showing the change of water absorption (%) at high temperature (80 DEG C) and low temperature (20 DEG C) of an anion exchange membrane. FIG. (20 &lt; 0 &gt; C). Table 1 below summarizes the numerical values of Figs. 2a, b and c.

구분
division
IEC(meq/g)IEC (meq / g) IECv(meg/cm3)IEC v (meg / cm 3 ) 수분 흡수(%)Water absorption (%) 치수 변화(%)Dimensional change (%) λ 값(#)lambda value (#)
TheThe ExpExp drydry wetwet 20℃20 80℃80 20℃(△t)20 캜 (Δt) 80 ℃(△t)80 ° C (Δt) 20℃20 80℃80 ℃ 실시예 1
QA-PPO
Example 1
QA-PPO
2.102.10 1.861.86 2.142.14 1.301.30 55.655.6 95.495.4 18.218.2 26.826.8 16.616.6 28.528.5
실시예 2
IM-PPO
Example 2
IM-PPO
2.032.03 1.911.91 2.632.63 1.631.63 45.145.1 73.873.8 15.515.5 23.723.7 13.113.1 21.521.5
실시예 3
PI-PPO
Example 3
PI-PPO
2.042.04 1.951.95 2.302.30 1.351.35 59.759.7 106.1106.1 19.619.6 30.630.6 17.017.0 30.230.2
실시예 4
MO-PPO
Example 4
MO-PPO
2.032.03 1.831.83 2.212.21 1.381.38 49.749.7 75.875.8 9.39.3 20.520.5 15.115.1 23.023.0

이때, 이온 교환 능력(IEC)은 역 적정(back titration) 방법에 의해 결정되었다. 먼저, 20 ㎎ 히드록시(OH-)의 막을 0.01 M HCl 표준용액에 48시간동안 담그었다. 그 후, 산성용액은 용액이 중성 pH에 도달할 때까지 0.01 M NaOH 용액을 사용하여 적정하였다. 지시약으로는 페놀프탈레인(phenolphthalein)을 사용하였고, 이온 교환 용량(IEC)은 적정기록으로부터 하기 계산식을 통해 계산하였다.At this time, the ion exchange capacity (IEC) was determined by a back titration method. First, a membrane of 20 mg hydroxy (OH - ) was immersed in a 0.01 M HCl standard solution for 48 hours. The acid solution was then titrated with 0.01 M NaOH solution until the solution reached neutral pH. Phenolphthalein was used as an indicator and the ion exchange capacity (IEC) was calculated from the titration record using the following formula.

[식 1][Formula 1]

Figure pat00024
Figure pat00024

상기 식에서,In this formula,

상기 V 0 NaOHV x NaOH는 각각의 박막 혹은 박막이 존재하지 않는 조건에서 적정시 소비된 NaOH의 부피이고, C NaOH는 표준 옥살산(oxalic acid) 용액에 의해 적정된 NaOH의 몰 농도이며, W dry는 건조된 박막의 무게이며, 상기 부피측정치 IEC(IECV)는 다음계산식을 통해 계산할 수 있다. V 0 NaOH and V x NaOH are the volume of NaOH consumed in the absence of the respective thin film or thin film, C NaOH is the molar concentration of NaOH titrated by the standard oxalic acid solution, and W dry is the weight of the dried film, and the volume measurement IEC (IEC V ) can be calculated from the following equation:

[식 2][Formula 2]

Figure pat00025
Figure pat00025

[식 3][Formula 3]

Figure pat00026
Figure pat00026

또한 총 수분 흡수(water uptake)(%) 및 치수 변화(swelling ratios)는 하기와 같이 20℃ 또는 80℃하에서 각각 측정하였다. 박막을 24시간 동안 증류수에 담그고, 여과지로 닦은 후 즉시 중량을 측정하였다(Wwet, twet). 그 후, 막을 일정한 중량을 얻을 때까지 진공 하에 80℃에서 건조시켰다(Wdry, tdry). 박막의 수분 흡수 및 치수 변화는 다음 식으로 결정하였다.Total water uptake (%) and swelling ratios were measured at 20 ° C or 80 ° C as described below. The film was immersed in distilled water for 24 hours, wiped with filter paper and immediately weighed (W wet , t wet ). The film was then dried under vacuum at 80 캜 until a constant weight was obtained (W dry , t dry ). The water absorption and the dimensional change of the thin film were determined by the following equation.

수분 흡수(WUW)(wt%)= [(Wwet - Wdry) / Wdry]ㅧ100%Water absorption (WU W ) (wt%) = [(W wet - W dry ) / W dry ]

치수 변화(△t)=[(twet - tdry) / tdry]ㅧ100Dimensional change (Δt) = [(t wet - t dry ) / t dry ] ㅧ 100

여기서, Wwet 및 Wdry는 각각 젖은 막의 중량 및 건조된 막의 중량이고, twet 및 tdry는 각각 적은 막의 두께와 건조된 막의 두께이다.Where W wet and W dry are respectively the weight of the wet film and the weight of the dried film, and t wet and t dry are the thickness of the film and the thickness of the dried film, respectively.

또한 부피에 기인하는 수분 흡수(WUV)는 다음 식으로 결정하였다.Water absorption (WU V ) due to volume was also determined by the following equation.

[식 4][Formula 4]

Figure pat00027
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상기 식에서, ρw 및 ρm은 각각 건조된 박막과 물의 밀도이다. 각 박막으로부터 세 번의 반복 측정을 수행하였고, 상기 IEC, 수분흡수 및 치수 변화는 세 번의 측정을 통한 평균값을 표기하였다.Where rho w and rho m are the density of the dried film and water, respectively. Three repetitive measurements were made from each film and the IEC, moisture absorption and dimensional changes were averaged over three measurements.

수분 흡수는 음이온 교환막에 매우 중요한 하나의 특성으로, 수분 흡수가 높으면서 치수 변화가 낮다면 온도변화에 의한 박막의 손상이 최소화된다는 것을 나타내는 것이라 할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 연료전지용 음이온 교환막의 수분 흡수와 치수 변화를 도 2와 표 1을 통해 분석하였다.Moisture absorption is one of the most important properties for anion exchange membranes. If moisture absorption is high and the dimensional change is low, it can be said that the damage of the thin film due to the temperature change is minimized. Therefore, moisture absorption and dimensional change of the anion exchange membrane for a fuel cell according to the present invention are analyzed through FIG. 2 and Table 1.

도 2에 나타난 바와 같이, 20℃ 또는 80℃하에서 실시예 1 내지 4로부터 제조된 박막의 수분 흡수와 치수 변화를 살펴본 결과, 실시예 3의 연료전지용 음이온 교환막이 가장 높은 수분 흡수와 치수 변화를 나타내었으며, 그 다음이 실시예 1의 연료전지용 음이온 교환막인 것을 확인하였다. 이는 실시예 3의 연료전지용 음이온 교환막은 PI-PPO 고분자를 포함하고 있고, 상기 PI-PPO 고분자는 QA-PPO 고분자보다 벌키한 곁사슬을 가지고 있으므로, 추가적인 자유부피(free volume)를 가져 상대적으로 수분을 더 많이 흡수할 수 있기 때문이다. 이에 반해 PI-PPO 고분자와 유사한 곁사슬을 가지는 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막은 수분 흡수와 치수 변화가 낮은데, 이는 수소결합의 차이에 기인하는 것이라 여겨진다.As shown in FIG. 2, moisture absorption and dimensional changes of the thin films prepared in Examples 1 to 4 at 20 ° C or 80 ° C were examined. As a result, the anion exchange membrane for fuel cell of Example 3 exhibited the highest water absorption and dimensional change And it was confirmed that it was the anion exchange membrane for fuel cell of Example 1. This is because the anion exchange membrane for fuel cell of Example 3 contains a PI-PPO polymer, and since the PI-PPO polymer has a bulky side chain than the QA-PPO polymer, it has an additional free volume, Because it can absorb more. On the other hand, the anion exchange membrane for fuel cell of Example 4 having a side chain similar to PI-PPO polymer has low water absorption and dimensional change, which is considered to be due to the difference in hydrogen bonding.

실시예 1 내지 4의 박막에 포함되는 각 고분자별 이온 전도 및 치수안정성에 대한 효율을 비교하기 위하여, 전도성 작용기의 반 수(moiety)당 흡수된 물 분자의 수(λ 값)를 20℃ 및 80℃에서 계산하였다(표 1 및 도 2c). 앞서 가장 낮은 치수 변화를 갖던 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막은 고온과 저온에서 치수 변화의 차이가 뚜렷하게 나타남을 알 수 있다. 즉 저온에서 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막의 모폴리니움기의 산소원자가 물과 수산화 이온과의 추가적인 수소결합자리를 제공하므로, 고분자의 밀도를 증가시키기 때문에 더 좋은 치수 안정성을 가지게 되는 것으로 확인되었다. 그러나 온도가 증가하면 수소결합이 조금씩 깨지게 되어 치수안정성이 낮아지는 것이다.In order to compare the ion conductivity and dimensional stability of each polymer contained in the thin films of Examples 1 to 4, the number of water molecules absorbed per half of the conductive functional group (? Value) was set at 20 占 폚 and 80 Lt; 0 &gt; C (Table 1 and Fig. 2c). It can be seen that the anion exchange membrane for fuel cell of Example 4, which had the lowest dimensional change before, shows a marked difference in dimensional change at high temperature and low temperature. That is, it was confirmed that the oxygen atom of the mopolinium group of the anion exchange membrane for fuel cells of Example 4 at the low temperature provides an additional hydrogen bonding site between the water and the hydroxide ion, thereby increasing the density of the polymer and thus obtaining better dimensional stability. However, as the temperature increases, the hydrogen bonds become slightly broken and the dimensional stability is lowered.

실시예 2의 연료전지용 음이온 교환막은 소수성 상호작용인 π-π 결합(interaction)에 의해 물의 흡수를 방해하기 때문에 고온에서도 낮은 수분 흡수를 가지고 있음을 확인할 수 있다.It can be confirmed that the anion exchange membrane for fuel cell of Example 2 has a low moisture absorption even at a high temperature because it interferes with the absorption of water by the interaction of π-π which is a hydrophobic interaction.

도 3은 실시예 1 내지 4에 다른 연료전지용 음이온 교환막 및 Tokuyama A201 연료전지용 음이온 교환막의 온도별 조건에 따른 수산화 이온의 전도도(hydroxide conductivity) 변화를 나타낸 그래프이고, 도 4는 1000/T(K-1) 조건에서 실시예 1 내지 4에 다른 연료전지용 음이온 교환막 및 Tokuyama A201 연료전지용 음이온 교환막의 전도도 변화를 나타낸 아레니우스 그래프(Arrhenius plot)이다.Figure 3 is an embodiment 1-4 in a graph showing a conductivity (hydroxide conductivity) changes in hydroxyl ion according to another fuel cell anion exchange membrane and Tokuyama A201-Temperature conditions of the fuel cell, the anion exchange membrane, Figure 4 is 1000 / T (K - 1 is an Arrhenius plot showing the change in conductivity of the anion exchange membrane for a fuel cell and the anion exchange membrane for a Tokuyama A201 fuel cell according to Examples 1 to 4.

음이온 교환막(크기: 1 ㎝ x 4 ㎝)의 이온 전도도(σ)를 식 σ = l/RA(l: 기준 전극 사이의 거리, A: 막 쿠폰(coupon)의 단면적)를 이용하여 구하였다. 여기서, 옴 저항(R)은 4-지점 탐침 교류 임피던스 분광법에 의해 측정되었고, 액체상태 물에서의 전도도는 각 온도별로 측정되었다. 불필요한 탄소 형성을 최소화하기 위해, 전지는 완전히 탈기 및 탈수된 물에 침지되었고, 임피던스 스펙트럼을 빠르게 얻었다. 전도도 값은 동일한 시간 간격으로 최소한 3번 이상의 측정 값에 대한 평균 값으로부터 얻어졌다.The ionic conductivity (σ) of the anion exchange membrane (size: 1 cm x 4 cm) was obtained by using the equation σ = l / RA (1: distance between reference electrodes and A: sectional area of membrane coupon). Here, the ohmic resistance (R) was measured by 4-point probe alternating current impedance spectroscopy, and the conductivity in the liquid state was measured for each temperature. To minimize unnecessary carbon formation, the cell was completely immersed in deaerated and dehydrated water and quickly obtained an impedance spectrum. Conductivity values were obtained from the mean values for at least three measurements over the same time interval.

도 3 및 4에 나타난 바와 같이, 수산화 이온 전도도(Hydroxide conductivity)는 100% RH하에서 온도별로(20℃~80℃) 측정하였다. 상온에서는 실시예 1 내지 4의 연료전지용 음이온 교환막이 서로 비슷한 전도도를 나타내었고, 그 중에서도 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막이 0.03 S/cm로 가장 높은 전도도를 나타내었다.As shown in FIGS. 3 and 4, the hydroxide conductivity was measured (20 ° C. to 80 ° C.) by temperature under 100% RH. At room temperature, the anion exchange membranes for fuel cells of Examples 1 to 4 exhibited similar conductivity. Among them, the anion exchange membrane for fuel cell of Example 4 exhibited the highest conductivity of 0.03 S / cm.

활성화 에너지 측면에서는 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막이 가장 낮았고, 곁사슬에 산소원자가 없는 실시예 3의 연료전지용 음이온 교환막이 가장 높은 것으로 확인되었다.From the viewpoint of the activation energy, it was confirmed that the anion exchange membrane for fuel cell of Example 4 had the lowest value and the anion exchange membrane for fuel cell of Example 3 which had no oxygen atoms in the side chain had the highest value.

동일한 폴리(페닐렌 옥사이드)를 백본으로 가지고 있음에도 이러한 차이가 나는 것은, 실시예 1 내지 4에 사용된 고분자의 전도성 작용기가 서로 다르기 때문으로, 상기 작용기가 가지고 있는 전도 메커니즘 및 수산화 이온(hydroxide)의 확산속도에 기인한 것이라 여겨진다.The reason why these differences arise even though they have the same poly (phenylene oxide) as a backbone is that since the conductive functional groups of the polymers used in Examples 1 to 4 are different from each other, the conduction mechanisms of the functional groups and the It is believed to be due to the diffusion rate.

종합하면 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4의 연료전지용 음이온 교환막은 전체적으로 저온 및 고온에서 Tokuyama A201과 동등하거나 우수한 수산화 이온 전도도를 가지고 있는 것으로 관찰된 바, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4의 연료전지용 음이온 교환막은 AEM 연료전지에 대해 우수한 수산화물 전도체로서 사용될 수 있음을 의미한다. 이중에서 저온에서는 0.03 S/cm로 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막이 가장 바람직하고, 고온에서는 0.07~0.08 S/cm인 실시예 3의 연료전지용 음이온 교환막을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 이는 일반적인 다른 작용기를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자의 전도도에 비해 20% 이상 증가된 수치이고, 이러한 범위의 상승은 해당 분야에서 유의미한 범위에서 현저히 개선된 수치이다.In summary, it was observed that the anion exchange membranes for fuel cells of Examples 1 to 4 according to the present invention had hydroxyl ion conductivities equal to or superior to those of Tokuyama A201 at low temperature and high temperature as a whole, The battery anion exchange membrane means that it can be used as an excellent hydroxide conductor for AEM fuel cells. It is most preferable to use the anion exchange membrane for fuel cell of Example 3, which is 0.03 S / cm at the low temperature and 0.07 to 0.08 S / cm at the high temperature, most preferably the fuel cell anion exchange membrane of Example 4. This is a 20% increase over the conductivity of poly (phenylene oxide) polymers with other functional groups in general, and the increase in this range is a significant improvement over a significant range in the field.

도 5는 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막의 60℃, 95% 또는 100% 상대습도 조건에서 수산화 이온 전도도 변화를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing changes in hydroxide ion conductivity at 60 DEG C, 95%, or 100% relative humidity conditions of the anion exchange membranes for fuel cells according to Examples 1 to 4. FIG.

도 5는 도 3, 4와는 달리 실제 가습상태에서 측정한 것으로, 연료전지에 적용시 보다 정확하게 분석할 수 있다. 구체적으로 100% 상대습도(100%RH)일 때 실시예 3의 연료전지용 음이온 교환막이 가장 높은 전도도를 보였고, 95% 상대습도(95%RH)에서는 실시예 1의 연료전지용 음이온 교환막이 가장 높은 전도도를 나타내었다. 고습 조건에서는 공기중에 물이 다량 존재하기 때문에 수산화이온이 해리되어 확산될 수 있지만, 상대적으로 낮은 습도(RH95%) 조건에서는 100% 상대습도 일 때 보다 공기 중에 물이 적어 수산화이온의 해리가 어려우므로, 고습 조건에서의 매커니즘과는 다른 Grotthuss 매커니즘과 surface diffusion 매커니즘을 통해 수행된다. 따라서 고습 조건과 저습 조건에서 우수한 효과를 갖는 박막의 종류가 달라지게 된다. 상술한 내용을 전체적으로 고려하면 고습, 저습 조건에서 균형적인 성능을 보이는 실시예 3 및 4의 연료전지용 음이온 교환막이 가장 바람직함을 확인할 수 있다.5 is a graph showing the results of measurement in an actual humidification state, unlike FIGS. 3 and 4, and can be more accurately analyzed when applied to a fuel cell. Specifically, the fuel cell anion exchange membrane of Example 3 exhibited the highest conductivity at 100% relative humidity (100% RH), and the anion exchange membrane for fuel cell of Example 1 had the highest conductivity at 95% relative humidity (95% RH) Respectively. Hydrophilic ions can dissociate and diffuse due to the presence of a large amount of water in the air under high humidity conditions. However, in a relatively low humidity (RH 95%) condition, dissociation of hydroxide ions is difficult because of less water in the air than at 100% , The Grotthuss mechanism and the surface diffusion mechanism, which are different from the mechanism in high humidity conditions. Therefore, the types of thin films having excellent effects in high humidity conditions and low humidity conditions are different. It can be confirmed that the anion exchange membranes for fuel cells of Examples 3 and 4 which exhibit balanced performance under the conditions of high humidity and low humidity are most preferable.

도 6은 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막의 원자힘현미경(AFM) 이미지로, 도 6에서 보듯이 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막은 모두 소수성의 밝은 부분과 친수성의 어두운 부분의 상분리가 관찰되었다. 또한 실시예 1의 연료전지용 음이온 교환막은 클러스터의 형태가 작고, 규칙적으로 분산되어 있는 반해, 실시예 3의 연료전지용 음이온 교환막은 뚜렷한 클러스터의 형태를 가지지는 않지만 잘 정렬된 전도채널이 형성되어 있음을 확인하였다. 실시예 2 및 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막은 상대적으로 클러스터 혹은 도메인의 크기가 컸고, 특히 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막은 실시예 3의 연료전지용 음이온 교환막보다 크고 다른 규칙성과 배열성을 갖는 클러스터를 가지고 있음을 알 수 있었다.FIG. 6 is an atomic force microscope (AFM) image of an anion exchange membrane for fuel cells according to Examples 1 to 4. As shown in FIG. 6, the anion exchange membranes for fuel cells according to Examples 1 to 4 are all hydrophobic bright portions and hydrophilic dark Partial phase separation was observed. In addition, the anion exchange membrane for fuel cell of Example 1 has a small cluster shape and is regularly dispersed. On the contrary, the anion exchange membrane for fuel cell of Example 3 does not have a distinct cluster shape, but confirms that well- Respectively. The anion exchange membranes for fuel cells of Examples 2 and 4 were relatively large in cluster or domain size and the anion exchange membranes for fuel cells of Example 4 were larger than those of the anion exchange membranes for fuel cells of Example 3, Cluster.

도 7은 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 연료전지용 음이온 교환막의 SAXS 그래프를 나태넌 것으로, 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 연료전지용 음이온 교환막은 모두 0.02 Å에서 이오노머 피크를 가지고, d=2π/q을 통해 계산된 바에 의하면 d-spacing이 30 ㎚정도 되는 것으로 관찰되었다. 다만 실시예 4와 실시예 2의 연료전지용 음이온 교환막에서는 0.2 Å 부근에서 추가적인 피크가 나타난 것으로 보아, 이는 이미다졸륨기 간의 π-π 상호작용 혹은 모폴리니움기에서의 수소결합에 의한 것임을 알 수 있었다.FIG. 7 is a SAXS graph of an anion exchange membrane for fuel cells prepared according to Examples 1 to 4, wherein anion exchange membranes for fuel cells prepared according to Examples 1 to 4 all have ionomer peaks at 0.02 A and d = 2 & / q, the d-spacing was observed to be about 30 nm. However, in the anion exchange membranes for fuel cells of Examples 4 and 2, an additional peak appeared at about 0.2 A, indicating that it was due to the hydrogen bonding in the π-π interaction or the mopolinium period between the imidazolium groups.

도 8은 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막을 500 시간동안 60℃에서 1 M KOH 용액 속에 침지한 후, 시간별 박막의 이온 전도도 변화를 관찰한 그래프이고, 도 9는 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막을 500 시간동안 60℃에서 1 M KOH 용액 속에 침지한 후, 시간별 박막의 이온 교환 용량(IEC) 변화를 관찰한 그래프이다. 이때 이온 전도도 변화는 교반된 1M KOH 용액 속에 60℃에서 OH-형 박막을 침지하여 외관 및 이온 전도도의 변화를 측정하였다.8 is a graph showing changes in ionic conductivity of a thin film after immersing the anion exchange membrane for fuel cells according to Examples 1 to 4 in a 1 M KOH solution at 60 DEG C for 500 hours, (IEC) of the thin film after immersing the anion exchange membrane for fuel cell according to the present invention in a 1 M KOH solution at 60 ° C for 500 hours. At this time, the change of ionic conductivity was measured by immersing OH-type thin film in stirred 1M KOH solution at 60 ° C to change the appearance and ionic conductivity.

도 8 및 도 9에 나타난 바와 같이 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 연료전지용 음이온 교환막은 500 시간 동안에 전도도와 IEC 변화를 관찰한 결과, 200 시간까지 우수한 전도도 및 IEC를 유지하고 있음을 확인한 바, 수산화물 조건에서 화학적 안정성이 높다는 것을 알 수 있다. 다만 실시예 3의 연료전지용 음이온 교환막은 500 시간 이후에도 80%의 전도도를 유지하고 있는 것으로, 알칼리 조건에서 가장 안정적인 것을 확인하였다. 이는 벌키한 곁사슬이 수산화물의 공격을 방해하기 때문인 것으로 여겨진다. 이에 반해 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막은 500 시간 이후에 57% 전도도를 유지하는 것으로, 상대적으로 낮은 화학적 안정성이 확인되었고, 실시예 1의 연료전지용 음이온 교환막은 500 시간이 지난 후, 20%의 전도도만을 유지하고 있는 것으로 확인되었다. 따라서 화학적 안정성에 대해서는 실시예 3의 연료전지용 음이온 교환막이 2 배 이상 더 길게 안정성을 확보하고 있음을 알 수 있다.As shown in FIGS. 8 and 9, the anion exchange membranes for fuel cells prepared according to Examples 1 to 4 were observed for conductivity and IEC change over 500 hours, and as a result, they were found to maintain excellent conductivity and IEC until 200 hours, It can be seen that the chemical stability is high under the hydroxide condition. However, the anion exchange membrane for fuel cell of Example 3 maintained 80% conductivity even after 500 hours, and it was confirmed that it is the most stable in the alkali condition. This is believed to be due to the bulky side chains interfering with the attack of hydroxides. On the contrary, the anion exchange membrane for fuel cell of Example 4 maintained 57% conductivity after 500 hours, and relatively low chemical stability was confirmed, and the anion exchange membrane for fuel cell of Example 1 had 20% It was confirmed that only conductivity was maintained. Therefore, it can be seen that the stability of the anion exchange membrane for fuel cell of Example 3 is more than twice as long as the chemical stability.

도 10은 실시예 1 내지 4에 따른 연료전지용 음이온 교환막을 이용하여 단일 셀(single cell)을 제조하고, 이의 성능을 측정하여 나타낸 그래프로, 구체적으로는 단일 셀의 IV curve를 나타낸 것이다. 실험은 95%RH, 60℃ 조건에서 수행하였다.FIG. 10 is a graph showing a single cell prepared using the anion exchange membranes for fuel cells according to Examples 1 to 4, and measuring the performance thereof. Specifically, FIG. 10 is an IV curve of a single cell. The experiment was carried out at 95% RH and 60 ° C.

도 10에 나타난 바와 같이, 실제 단일 셀에서는 95%RH 조건일 때도 실시예 3의 연료전지용 음이온 교환막이 64.2 ms/㎝로 전도도가 가장 높은 것으로 관찰되었고, 실시예 4, 실시예 1, 실시예 2의 연료전지용 음이온 교환막 순으로 낮아지는 것으로 확인되었다.10, it was observed that the conductivity of the anion exchange membrane for fuel cell of Example 3 was the highest at 64.2 ms / cm at the condition of 95% RH in a single cell. In Example 4, Example 1, Example 2 Of the anion exchange membrane for fuel cell.

또한 100%RH 조건일 때에는 실시예 1의 연료전지용 음이온 교환막이 4.28 ms/㎝로 전도도가 가장 높은 것으로 관찰되었는 바, 이는 앞선 도 5에서 측정한 이온 전도도의 경향과 일치하는 것으로 확인되었다. 실질적으로 전지에 적용되었을 때, 가장 우수한 셀 성능을 갖는 것은 실시예 1의 연료전지용 음이온 교환막인 것으로 확인된 바, 이는 4급 암모늄기의 표면 확산(surface diffusion)에 의한 효과로 다른 벌키한 곁사슬을 갖는 실시예 3 및 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막보다 호핑(hopping)이 유리하기 때문이다.In the case of the 100% RH condition, the anion exchange membrane for fuel cell of Example 1 was found to have the highest conductivity at 4.28 ms / cm, which is consistent with the tendency of the ion conductivity measured in the foregoing FIG. 5. It was confirmed that the anion exchange membrane for fuel cell of the present invention had the best cell performance when it was practically applied to a battery. This is because the effect of surface diffusion of the quaternary ammonium group causes another bulky side chain This is because hopping is more advantageous than the anion exchange membranes for fuel cells of Examples 3 and 4.

뒤이어, 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막 역시 우수한 셀 성능을 보이고 있음을 확인하였는데, 이는 확산 효과보다 수소결합에 의한 Grotthuss 매커니즘이 지배적으로 일어나기 때문에 λ 값 대비 전도도가 높기 때문이다. 또한 실시예 3의 연료전지용 음이온 교환막은 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막과 유사하거나 더 우수한 셀 성능을 보이고 있으며, 고습 및 저습 조건에서 가장 균형적인 성능을 나타내고 있음을 확인하였다.Subsequently, it was confirmed that the anion exchange membrane for fuel cell of Example 4 also exhibits excellent cell performance because the Grotthuss mechanism due to hydrogen bonding dominates rather than the diffusion effect, so that the conductivity is higher than the lambda value. In addition, the anion exchange membrane for fuel cell of Example 3 showed similar or superior cell performance to that of the anion exchange membrane for fuel cell of Example 4, and showed the most balanced performance in high humidity and low humidity conditions.

도 11a는 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 연료전지용 음이온 교환막의 가열 조건에 따른 시차주사열량 측정법(DSC)으로 관찰된 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 11A is a graph showing the results observed by differential scanning calorimetry (DSC) according to heating conditions of an anion exchange membrane for fuel cells manufactured according to Examples 1 to 4. FIG.

도 11a에 나타난 바와 같이 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 연료전지용 음이온 교환막의 유리전이온도(Tg)와 상 거동을 조사한 바, 실시예 1의 연료전지용 음이온 교환막은 흡열피크가 250 ℃ 이내에서는 관찰되지 않은 바, 더 높은 온도일 것이라 예상되며, 이는 다른 연료전지용 음이온 교화막에 비해 주사슬 간의 인력이 강하기 때문이다. 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막은 실시예 의 연료전지용 음이온 교환막보다 낮은 유리전이온도(Tg)를 가지는 것으로 관찰되었다(250 ℃ 미만의 온도에서 흡열 피크 관찰됨). 다만 실시예 3과 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막은 그 구조가 유사함에도 불구하고 유리전이온도(Tg)에 차이가 있는 것으로 관찰되었고, 이는 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막의 MO-PPO 산소원자와 OH-의 수소결합에 의하여 추가적인 상호결합을 형성하기 때문인 것으로 여겨진다. As shown in FIG. 11A, the glass transition temperature (Tg) and the phase behavior of the anion exchange membranes for fuel cells prepared according to Examples 1 to 4 were examined. The anion exchange membranes for fuel cells of Example 1 exhibited an observation It is expected that the temperature will be higher because the attraction between the main chains is stronger than that of other anion-exchange membranes for fuel cells. The anion exchange membranes for fuel cells of Examples 2, 3 and 4 were observed to have lower glass transition temperatures (T g ) than the anion exchange membranes for fuel cells of the Examples (endothermic peaks observed at temperatures below 250 ° C) . However, the anion exchange membranes for fuel cells of Example 3 and Example 4 were observed to have a difference in glass transition temperature (T g ) despite their similar structures, It is believed that this is due to the formation of additional mutual bonds by hydrogen bonding of atoms and OH - .

도 11b는 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 연료전지용 음이온 교환막의 신장율(strain, %)에 따른 인장강도(MPa) 변화를 관찰하여 나타낸 그래프이다.FIG. 11B is a graph showing changes in tensile strength (MPa) according to elongation (strain,%) of an anion exchange membrane for a fuel cell manufactured according to Examples 1 to 4.

도 11b에 나타난 바와 같이 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 연료전지용 음이온 교환막은 최대 20% 신장율과 50 MPa의 적당한 인장강도(MPa)를 나타내고 있음을 확인하였다. 그러나 동일한 고분자 주쇄를 가지고 있다고 하더라도, 도입된 작용기의 종류 및 몰분율에 따라 막의 인장강도(tensile strength)와 신장율(elongation)이 조금씩 차이를 보이고 있는 바, 예컨대 실시예 3, 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막은 가장 높은 인장강도를 가지지만 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막의 경우, 실시예 3의 연료전지용 음이온 교환막에 비해 신장율이 더 좋은 것으로 확인되었다. 이들 중에서도 신장율과 인장강도가 가장 높은 것은 실시예 4의 연료전지용 음이온 교환막으로, 가장 바람직한 기계적 특성을 보이고 있음을 확인할 수 있고, 이러한 경향은 도 7의 SAXS에서도 확인할 수 있다.As shown in FIG. 11B, it was confirmed that the anion exchange membranes for fuel cells prepared according to Examples 1 to 4 exhibited a maximum elongation at 20% and an appropriate tensile strength (MPa) of 50 MPa. However, even if the polymer has the same main chain, the tensile strength and the elongation of the membrane slightly differ depending on the kind of the introduced functional group and the molar fraction. For example, the anion for fuel cell of Examples 3 and 4 The exchange membrane had the highest tensile strength, but it was confirmed that the anion exchange membrane for fuel cell of Example 4 had better elongation than the anion exchange membrane for fuel cell of Example 3. Among these, the anion exchange membrane for fuel cell of Example 4 having the highest elongation and tensile strength showed the most favorable mechanical characteristics, and this tendency can be confirmed also in the SAXS of FIG.

본 발명에서 연료전지용 음이온 교환막을 위해 다양한 전도성 작용기가 도입된 폴리(페닐렌 옥사이드)들을 제시하였고, 실험결과 합성예 4의 PI-PPO 고분자는 고습 조건에서 가장 높은 이온 전도도(76.5 ms cm-1) 및 화학적 안정성(500 시간동안 23% 손실)을 가지는 것을 확인하였다. 또한 합성예 2의 QA-PPO 고분자는 단일 셀 실험결과에서 가장 높은 성능(250 mA cm-2)을 나타내었으나, 화학적 안정성 등에서는 우수한 성능이 관찰되지 않았다.In the present invention, poly (phenylene oxide) to which various conductive functional groups have been introduced for an anion exchange membrane for a fuel cell are presented. As a result, the PI-PPO polymer of Synthesis Example 4 has the highest ionic conductivity (76.5 ms cm -1 ) And chemical stability (23% loss over 500 hours). Also, the QA-PPO polymer of Synthesis Example 2 showed the highest performance (250 mA cm -2 ) in the single cell test, but no excellent performance was observed in terms of chemical stability and the like.

합성예 5의 MO-PPO 고분자의 경우 상온에서 가장 높은 이온 전도도(36.1 ms cm-1)와 치수 안정성을 가지는 것으로 확인되었으며, AFM에서 이온 클러스터의 크기가 향상되는 등 전도채널을 잘 형성하고 있음을 확인하였다. 게다가 단일 셀 평가에서, 유사한 구조를 갖는 합성예 3의 PI-PPO 고분자보다 높은 성능을 나타내었다. 따라서 이러한 결과들을 토대로 살펴볼 때, 연료전지의 음이온 교환막 분야에서 본 발명에서 언급하고 있는 4 가지 전도성 작용기가 폴리(페닐렌 옥사이드)와의 결합을 통해 음이온 교환막으로 사용될 수 있다는 것을 확인하였고, 이중에서도 피페리디늄기, 모폴리니움기를 전도성 작용기로 도입한 화학식 4 또는 5로 표시되는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자가 알칼리 화합물에 대한 화학적·열적 안정성이 우수하고, 음이온 교환 성능이 뛰어날 뿐만 아니라, 특히 간단하고 친환경적인 열처리 공정에 의하여 저비용, 고효율로 박막의 형성이 가능하다는 것을 확인하였다.The MO-PPO polymer of Synthesis Example 5 was found to have the highest ionic conductivity (36.1 ms cm -1 ) and dimensional stability at room temperature, and the ion channel is formed well by AFM, Respectively. Furthermore, the single cell evaluation showed higher performance than the PI-PPO polymer of Synthesis Example 3 having a similar structure. Based on these results, it has been confirmed that the four conductive functional groups mentioned in the present invention can be used as an anion exchange membrane through bonding with poly (phenylene oxide) in the field of anion exchange membranes of fuel cells, A poly (phenylene oxide) polymer represented by Chemical Formula 4 or 5, into which a mordenium group is introduced as a conductive functional group, is excellent in chemical and thermal stability to an alkali compound and has excellent anion exchange performance, It is confirmed that the thin film can be formed at low cost and high efficiency by the heat treatment process.

Claims (10)

하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 포함하는 연료전지용 음이온 교환막.
<화학식 1>
Figure pat00028

상기 화학식 1에서, 상기 상기 R1은 -N(R2R3R4)+의 4급 암모늄기이거나, 하기 구조식 1 중에서 선택되는 어느 하나이고, n, m은 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.1≤n≤0.9, 0.1≤m≤0.9, n+m=1 이며,
<구조식 1>
Figure pat00029
,
Figure pat00030
,
Figure pat00031

상기 R1 및 구조식 1에서 상기 R2, R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 히드록시, 할로겐, 직쇄 또는 분지형 탄소수 1 내지 6의 알킬기, 탄소수 1 내지 6의 알콕시기, 탄소수 5 내지 30의 알릴기 중에서 선택되는 어느 하나이다.
1. An anion exchange membrane for fuel cells comprising a poly (phenylene oxide) polymer having a repeating unit represented by the following formula (1).
&Lt; Formula 1 >
Figure pat00028

Wherein R 1 is a quaternary ammonium group of -N (R 2 R 3 R 4 ) + , or any one selected from the following structural formula 1, and n and m are mole ratios in the repeating unit, 0.9, 0.1? M? 0.9, n + m = 1,
<Structure 1>
Figure pat00029
,
Figure pat00030
,
Figure pat00031

In the R 1 and the following structural formula 1 wherein R 2, R 3 and R 4 are each independently an alkoxy group of hydrogen, hydroxy, halogen, linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms and having 1 to 6 carbon atoms and having 5 to 30 carbon atoms Lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서,
상기 화학식 1에서, R1은 4급 암모늄기, 이미다졸륨기, 피페리디늄기 및 모폴리니움기 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지용 음이온 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein R 1 is any one selected from the group consisting of a quaternary ammonium group, an imidazolium group, a piperidinium group, and a mullulanium group.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1에서, n:m은 0.2≤n≤0.4, 0.6≤m≤0.8, n+m=1인 것을 특징으로 하는 연료전지용 음이온 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein n: m is in the range of 0.2? N? 0.4, 0.6? M? 0.8, and n + m = 1.
제1항에 있어서,
상기 연료전지용 음이온 교환막은 그 두께가 40 내지 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 음이온 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the anion exchange membrane for fuel cells has a thickness of 40 to 50 占 퐉.
제1항에 있어서,
상기 연료전지용 음이온 교환막은 이온 교환 용량이 1.8 내지 2.0 meg/g인 것을 특징으로 하는 연료전지용 음이온 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the anion exchange membrane for a fuel cell has an ion exchange capacity of 1.8 to 2.0 meg / g.
제1항에 있어서,
상기 연료전지용 음이온 교환막은 95~100% 상대습도 및 20~50 ℃에서 수소이온 전도성이 0.01 내지 0.04 S/㎝이고, 95~100% 상대습도 및 60~90 ℃에서 수소 이온 전도성이 0.06 내지 0.09 S/㎝인 것을 특징으로 하는 연료전지용 음이온 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the anion exchange membrane for fuel cells has a hydrogen ion conductivity of 0.01 to 0.04 S / cm at a relative humidity of 95 to 100% and a hydrogen ion conductivity of 20 to 50 ° C, a hydrogen ion conductivity of 0.06 to 0.09 S / cm at a relative humidity of 95 to 100% / Cm &lt; / RTI &gt; for an anion exchange membrane for a fuel cell.
I) 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 및 N-브로모숙신이미드를 반응시켜 브롬화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 합성하는 단계;
II) 상기 I) 단계의 브롬화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 유기용매에 녹인 고분자 용액에 음이온 교환기를 갖는 화합물을 첨가하고 반응시켜 제1항 기재의 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 얻는 단계; 및
Ⅲ) 상기 Ⅱ) 단계에서 얻은 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 연료전지용 음이온 교환막의 제조방법.
I) reacting a poly (phenylene oxide) polymer and N-bromosuccinimide to synthesize a brominated poly (phenylene oxide) polymer;
II) adding a compound having an anion-exchange group to a polymer solution obtained by dissolving the brominated poly (phenylene oxide) polymer of the step I) in an organic solvent and reacting the resultant to obtain a poly Phenylene oxide) polymer; And
III) forming a poly (phenylene oxide) polymer thin film having a repeating unit represented by the formula (1) obtained in the step (II).
제7항에 있어서,
상기 I) 단계의 브롬화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자는 하기 화학식 7로 표시되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 음이온 교환막의 제조방법.
<화학식 7>
Figure pat00032

(상기 화학식 7에서 n, m은 제1항의 화학식 1에서 정의한 바와 같다)
8. The method of claim 7,
Wherein the brominated poly (phenylene oxide) polymer of step I) is represented by the following general formula (7).
&Lt; Formula 7 >
Figure pat00032

(Wherein n and m are as defined in formula (1)
제7항에 있어서,
상기 Ⅱ) 단계의 음이온 교환기를 갖는 화합물은 4급 암모늄, 이미다졸륨, 피페리디늄 및 모폴리니움으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지용 음이온 교환막의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the compound having an anion-exchange group in step II) is any one selected from the group consisting of quaternary ammonium, imidazolium, piperidinium, and morpholinium.
제7항에 있어서,
상기 Ⅱ) 단계는 N-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 용매를 사용하여 20 내지 70℃에서 40~50시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 음이온 교환막의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the step II) is carried out at 20 to 70 ° C for 40 to 50 hours using a solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP).
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