KR20200009846A - Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly and fuel cell comprising the same, and method of manufacturing the polymer electrolyte membrane - Google Patents

Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly and fuel cell comprising the same, and method of manufacturing the polymer electrolyte membrane Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a polymer electrolyte membrane including a polymer having 20-30 mol% of a unit represented by chemical formula 1. The present invention also relates to a membrane electrode assembly, a fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane, and a method of manufacturing the polymer electrolyte membrane.

Description

고분자 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 연료전지, 및 상기 고분자 전해질막의 제조 방법 {POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME, AND METHOD OF MANUFACTURING THE POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE}Polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly and fuel cell comprising the same, and method for producing the polymer electrolyte membrane

본 발명은 고분자 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 연료전지, 및 상기 고분자 전해질막의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly and a fuel cell including the same, and a method for producing the polymer electrolyte membrane.

연료전지(Fuel Cell)는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서 전기화학반응에 의해 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.Fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy. The fuel cell directly converts chemical energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas by electrochemical reaction. It is a power generation system to convert.

연료전지의 대표적인 예로는, 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)나 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등을 들 수 있으며, PEMFC 또는 DMFC에서 성능을 좌우하는 것은 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)이다. Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel, and the like. It is the membrane-electrode assembly (MEA) that determines performance in PEMFC or DMFC.

MEA는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고체 고분자 전해질막과 이에 의하여 분리된 두 개의 전극들로 구성되는데, 이 두 전극을 애노드(일명, "산화 전극" 또는 "연료극")와 캐소드(일명, "환원 전극" 또는 "공기극")이라 한다.MEA consists of a solid polymer electrolyte membrane containing a hydrogen ion conductive polymer and two electrodes separated by the two electrodes, which are referred to as an anode (aka "oxidizing electrode" or "fuel electrode") and a cathode (aka "reduction"). Electrode "or" air electrode ").

연료전지의 성능에 있어서 상기 MEA를 구성하는 고분자 전해질막의 이온 전도도는 중요한 요소이다.The ion conductivity of the polymer electrolyte membrane constituting the MEA is an important factor in the performance of the fuel cell.

한국 특허공개공보 제10-2003-0076057호Korean Patent Publication No. 10-2003-0076057

본 발명은 내구성이 향상된 고분자 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 연료전지, 및 상기 고분자 전해질막의 제조 방법을 제공하고자 한다.The present invention provides an improved polymer electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly and a fuel cell including the same, and a method of manufacturing the polymer electrolyte membrane.

본 명세서의 일 실시상태는 One embodiment of the present specification

하기 화학식 1로 표시되는 단위를 포함하는 고분자를 포함하며,To include a polymer comprising a unit represented by the formula (1),

상기 고분자 100mol%를 기준으로 상기 화학식 1로 표시되는 단위의 함량은 20mol% 내지 30mol%인 것인 고분자 전해질막을 제공한다.On the basis of 100 mol% of the polymer, the content of the unit represented by Chemical Formula 1 is 20 mol% to 30 mol%.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 화학식 1에서,In Chemical Formula 1,

R1 내지 R12는 각각 수소; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이다.R1 to R12 are each hydrogen; Or a substituted or unsubstituted alkyl group.

또한, 본 명세서의 일 실시상태는 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체를 제공한다.In addition, an exemplary embodiment of the present specification provides a membrane-electrode assembly including the polymer electrolyte membrane.

또한, 본 명세서의 일 실시상태는 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.In addition, an exemplary embodiment of the present disclosure provides a fuel cell including a membrane-electrode assembly.

또한, 본 명세서의 일 실시상태는 상기 화학식 1로 표시되는 단위를 포함하는 고분자를 용매에 녹여 고분자 전해질막 형성용 조성물을 제조하는 단계; 및In addition, an exemplary embodiment of the present specification comprises the steps of preparing a composition for forming a polymer electrolyte membrane by dissolving a polymer comprising a unit represented by the formula (1) in a solvent; And

상기 고분자 전해질막 형성용 조성물을 기재 상에 코팅하는 단계를 포함하며,Coating the polymer electrolyte membrane-forming composition on a substrate;

상기 고분자 100mol%를 기준으로 상기 화학식 1로 표시되는 단위의 함량은 20mol% 내지 30mol%인 것인 고분자 전해질막의 제조 방법을 제공한다.It provides a method for producing a polymer electrolyte membrane that the content of the unit represented by the formula (1) based on 100 mol% of the polymer is 20mol% to 30mol%.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 고분자 전해질막은 우수한 수소이온전도도를 유지하면서도 습도에 따른 면적 변화가 적다는 장점이 있다.The polymer electrolyte membrane according to an exemplary embodiment of the present specification has an advantage that the area change due to humidity is small while maintaining excellent hydrogen ion conductivity.

도 1은 연료전지용 막-전극 접합체의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2은 연료전지의 전기 발생 원리를 표현한 도면이다.
도 3은 연료전지의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
1 is a view showing the structure of a membrane-electrode assembly for a fuel cell.
2 is a view showing the principle of electricity generation of the fuel cell.
3 is a view schematically showing an embodiment of a fuel cell.

이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, this specification is demonstrated in detail.

본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.In the present specification, when a part "includes" a certain component, this means that, unless specifically stated otherwise, it may further include other components, not to exclude other components.

본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치한다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.In this specification, when a member is located "on" another member, this includes not only when one member is in contact with another member but also when another member exists between the two members.

본 명세서에서, 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 1 내지 50인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, n-프로필, 이소프로필, 부틸, n-부틸, 이소부틸, tert-부틸, sec-부틸, 1-메틸부틸, 1-에틸부틸, 펜틸, n-펜틸, 이소펜틸, 네오펜틸, tert-펜틸, 헥실, n-헥실, 1-메틸펜틸, 2-메틸펜틸, 4-메틸-2-펜틸, 3,3-디메틸부틸, 2-에틸부틸, 헵틸, n-헵틸, 1-메틸헥실, 시클로펜틸메틸, 시클로헥실메틸, 옥틸, n-옥틸, tert-옥틸, 1-메틸헵틸, 2-에틸헥실, 2-프로필펜틸, n-노닐, 2,2-디메틸헵틸, 1-에틸-프로필, 1,1-디메틸-프로필, 이소헥실, 2-메틸헥실, 4-메틸헥실 및 5-메틸헥실 등이 있으나, 이들에 한정되지 않는다.In the present specification, the alkyl group may be linear or branched, and the carbon number is not particularly limited but is preferably 1 to 50. Specific examples include methyl, ethyl, propyl, n-propyl, isopropyl, butyl, n-butyl, isobutyl, tert-butyl, sec-butyl, 1-methylbutyl, 1-ethylbutyl, pentyl, n-pentyl, iso Pentyl, neopentyl, tert-pentyl, hexyl, n-hexyl, 1-methylpentyl, 2-methylpentyl, 4-methyl-2-pentyl, 3,3-dimethylbutyl, 2-ethylbutyl, heptyl, n-heptyl , 1-methylhexyl, cyclopentylmethyl, cyclohexylmethyl, octyl, n-octyl, tert-octyl, 1-methylheptyl, 2-ethylhexyl, 2-propylpentyl, n-nonyl, 2,2-dimethylheptyl, 1-ethyl-propyl, 1,1-dimethyl-propyl, isohexyl, 2-methylhexyl, 4-methylhexyl and 5-methylhexyl, and the like, but are not limited to these.

본 명세서에 있어서, 아릴기는 단환식 또는 다환식일 수 있다.In the present specification, the aryl group may be monocyclic or polycyclic.

본 명세서에서 상기 아릴기가 단환식 아릴기인 경우 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 6 내지 30인 것이 바람직하다. 구체적으로 단환식 아릴기로는 페닐기, 바이페닐기 및 터페닐기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In the present specification, when the aryl group is a monocyclic aryl group, carbon number is not particularly limited, but is preferably 6 to 30 carbon atoms. Specific examples of the monocyclic aryl group include a phenyl group, a biphenyl group and a terphenyl group, but are not limited thereto.

본 명세서에서 상기 아릴기가 다환식 아릴기인 경우 탄소수는 특별히 한정되지 않으나. 탄소수 10 내지 30인 것이 바람직하다. 구체적으로 다환식 아릴기로는 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기 및 플루오레닐기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 플루오레닐기는 치환될 수 있으며, 인접한 치환기들이 서로 결합하여 고리를 형성할 수 있다.In the present specification, when the aryl group is a polycyclic aryl group, carbon number is not particularly limited. It is preferable that it is C10-30. Specific examples of the polycyclic aryl group include naphthyl group, anthracenyl group, phenanthryl group, pyrenyl group, peryllenyl group, chrysenyl group, and fluorenyl group, but are not limited thereto. The fluorenyl group may be substituted, and adjacent substituents may combine with each other to form a ring.

본 명세서에 있어서, 아릴렌기는 아릴기에 결합 위치가 두 개 있는 것 즉 2가기를 의미한다. 이들은 각각 2가기인 것을 제외하고는 전술한 아릴기의 설명이 적용될 수 있다.In the present specification, the arylene group refers to a divalent group having two bonding positions in the aryl group. The description of the aforementioned aryl groups can be applied except that they are each divalent.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 고분자 전해질막은 하기 화학식 1로 표시되는 단위를 포함하는 고분자를 포함하며, 상기 고분자 100mol%를 기준으로 상기 화학식 1로 표시되는 단위의 함량은 20mol% 내지 30mol%이다.In one embodiment of the present specification, the polymer electrolyte membrane includes a polymer including a unit represented by Formula 1 below, and the content of the unit represented by Formula 1 based on 100 mol% of the polymer is 20 mol% to 30 mol%. .

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 화학식 1에서,In Chemical Formula 1,

R1 내지 R12는 각각 수소; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이다.R1 to R12 are each hydrogen; Or a substituted or unsubstituted alkyl group.

연료전지용 고분자 전해질막은 구동 조건 및 주변 환경에 따라 다양한 습도에 노출된다. 습도는 전해질막의 면적을 변화시키는 원인이며, 면적 변화가 클 경우, 막의 파단을 유발할 수 있기 때문에 이에 대한 개선이 필요하다.The polymer electrolyte membrane for a fuel cell is exposed to various humidity depending on the driving conditions and the surrounding environment. Humidity is the cause of changing the area of the electrolyte membrane, and if the area change is large, it may cause breakage of the membrane, and thus an improvement is required.

종래에는 고분자가 함유하고 있는 단위 질량당 술폰산기의 양을 감소시켜 면적 변화를 감소시키는 방법을 주로 적용하였으나, 술폰산기의 양이 줄어들 경우, 고분자 전해질막의 수소이온전도도가 함께 저하되는 문제점이 있었다.Conventionally, the method of reducing the area change by reducing the amount of sulfonic acid groups per unit mass contained in the polymer is mainly applied. However, when the amount of sulfonic acid groups is reduced, the hydrogen ion conductivity of the polymer electrolyte membrane is reduced.

이를 해결하기 위하여 본 발명의 발명자들은 고분자 중합시 상기 화학식 1과 같이 입티센 구조를 갖는 단량체를 첨가함으로써, 동일한 술폰산기 함유량을 기준으로 비교하였을 때 습도에 따른 면적변화가 더 적은 고분자 전해질막을 얻을 수 있었다. 이는 종래 기술에 비하여 술폰산기를 더 많이 도입할 수 있음을 의미하므로, 결과적으로 수소이온전도도가 높은 고분자 전해질막을 얻는 효과가 있다. In order to solve this problem, the inventors of the present invention can obtain a polymer electrolyte membrane having a smaller change in area according to humidity when the polymer is added based on the content of the same sulfonic acid group, by adding a monomer having an icytene structure as shown in Formula 1 above. there was. This means that more sulfonic acid groups can be introduced than in the prior art, resulting in a polymer electrolyte membrane having a high hydrogen ion conductivity.

입티센 구조의 단량체는 고분자 내에서 또 다른 입티센 구조의 단량체와 구조적으로 결착할 수 있는 구조를 가져 고분자 전해질막에 면적 변화를 감소시키는 데 기여한다.The monomer of the icistene structure has a structure that can structurally bind with another icistene monomer in the polymer, thereby contributing to reducing the area change in the polymer electrolyte membrane.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 단위는 상기 고분자 100mol%를 기준으로 20mol% 내지 30mol%, 바람직하게는 20mol% 내지 27mol%, 더욱 바람직하게는 20mol% 내지 25mol% 포함된다.In an exemplary embodiment of the present specification, the unit represented by Chemical Formula 1 includes 20 mol% to 30 mol%, preferably 20 mol% to 27 mol%, more preferably 20 mol% to 25 mol% based on 100 mol% of the polymer. .

상기 화학식 1로 표시되는 단위의 함량이 20mol% 미만일 경우, 면적 변화를 감소시키는 데 기여하는 효과가 미미하며, 30mol% 초과일 경우, 고분자 전체 중량 대비 술폰산기의 양을 나타내는 이온교환용량(IEC)이 낮아져 성능이 하락할 수 있다.If the content of the unit represented by the formula (1) is less than 20mol%, the effect of reducing the area change is insignificant, and if more than 30mol%, ion exchange capacity (IEC) indicating the amount of sulfonic acid groups relative to the total weight of the polymer Can lower performance.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자는 친수성 블록 및 소수성 블록을 포함하는 선형 블록 공중합체이다. In one embodiment of the present specification, the polymer is a linear block copolymer including a hydrophilic block and a hydrophobic block.

본 명세서에서 "선형 블록 공중합체"는 친수성 블록과 소수성 블록이 반복되어 선형으로 연결된 공중합체를 의미한다. 선형으로 연결되었다는 것은 브랜처(brancher) 부분을 제외하고는 측쇄(side chain)가 존재하지 않는 것을 의미하며, 상기 브랜처는 고분자 100mol%를 기준으로 2mol% 이하로 포함될 수 있다.As used herein, the term "linear block copolymer" refers to a copolymer in which a hydrophilic block and a hydrophobic block are linearly connected to each other. Linked linearly means that there is no side chain except for a brancher, and the brancher may be included in an amount of 2 mol% or less based on 100 mol% of the polymer.

본 명세서의 "친수성 블록"은 작용기로 이온 교환기를 갖는 블록을 의미한다. 여기서, "이온 교환기를 갖는 블록"이란, 해당 블록을 구성하는 구조 단위 1개당 있는 이온 교환기수로 나타내어 평균 0.5개 이상 포함되어 있는 블록인 것을 의미하고, 구조 단위 1개당 평균 1.0개 이상의 이온 교환기를 갖고 있으면 더욱 바람직하다.As used herein, "hydrophilic block" means a block having an ion exchange group as a functional group. Here, the "block having an ion exchange group" means a block which is represented by the number of ion exchange groups per structural unit constituting the block, and contains an average of 0.5 or more, and averages 1.0 or more ion exchangers per structural unit. It is more preferable if it has.

상기 이온 교환기는 -SO3H, -SO3 -M+, -COOH, -COO-M+, -PO3H2, -PO3H-M+, -PO3 2-2M+, -O(CF2)mSO3H, -O(CF2)mSO3 -M+, -O(CF2)mCOOH, -O(CF2)mCOO-M+, -O(CF2)mPO3H2, -O(CF2)mPO3H-M+ 및 -O(CF2)mPO3 2-2M+ 중 선택된 1종 이상일 수 있다. 여기서, m은 2 내지 6의 정수이며, M은 1족 원소이다.The ion exchange group is -SO 3 H, -SO 3 - M +, -COOH, -COO - M +, -PO 3 H 2, -PO 3 H - M +, -PO 3 2- 2M +, -O (CF 2 ) m SO 3 H, -O (CF 2 ) m SO 3 - M + , -O (CF 2 ) m COOH, -O (CF 2 ) m COO - M + , -O (CF 2 ) m PO 3 H 2, -O (CF 2) m PO 3 H - M + , and -O (CF 2) m PO 3 2- 2M + may be at least one member selected from. Here, m is an integer of 2-6, M is a group 1 element.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 친수성 블록에 포함되는 단위는 하기 구조 중 선택될 수 있다.In one embodiment of the present specification, a unit included in the hydrophilic block may be selected from the following structures.

Figure pat00003
Figure pat00003

Figure pat00004
Figure pat00004

Figure pat00005
Figure pat00005

Figure pat00006
Figure pat00006

Figure pat00007
Figure pat00007

Figure pat00008
Figure pat00008

Figure pat00009
Figure pat00009

상기 구조에서 Q1 내지 Q11은 각각 -SO3H, -SO3 -M+, -COOH, -COO-M+, -PO3H2, -PO3H-M+, -PO3 2-2M+, -O(CF2)mSO3H, -O(CF2)mSO3 -M+, -O(CF2)mCOOH, -O(CF2)mCOO-M+, -O(CF2)mPO3H2, -O(CF2)mPO3H-M+ 또는 -O(CF2)mPO3 2-2M+이고,In the structure Q1 to Q11 are each -SO 3 H, -SO 3 - M +, -COOH, -COO - M +, -PO 3 H 2, -PO 3 H - M +, -PO 3 2- 2M + , -O (CF 2 ) m SO 3 H, -O (CF 2 ) m SO 3 - M + , -O (CF 2 ) m COOH, -O (CF 2 ) m COO - M + , -O (CF 2 ) m PO 3 H 2, -O (CF 2) m PO 3 H - m + , or -O (CF 2) m PO 3 2- 2M + , and

m은 2 내지 6의 정수이며,m is an integer from 2 to 6,

M은 1족 원소이고,M is a group 1 element,

Figure pat00010
는 상기 고분자의 주쇄에 연결되는 부위이다.
Figure pat00010
Is a site connected to the main chain of the polymer.

본 명세서의 "소수성 블록"은 이온 교환기를 실질적으로 갖지 않는 상기 고분자 블록을 의미한다.By “hydrophobic block” herein is meant the polymer block which is substantially free of ion exchange groups.

상기 "이온 교환기를 실질적으로 갖지 않는 블록"이란, 해당 블록을 구성하는 구조 단위 1개당 있는 이온 교환기수로 나타내어 평균 0.1개 미만인 블록인 것을 의미하고, 평균 0.05개 이하이면 보다 바람직하며, 이온 교환기를 전혀 갖지 않는 블록이면 더욱 바람직하다.The " block having substantially no ion exchange group " means a block having an average of less than 0.1 represented by the number of ion exchange groups per structural unit constituting the block, and more preferably 0.05 or less on average, and more preferably an ion exchange group. It is more preferable if it has no block at all.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 소수성 블록은 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 포함한다.In one embodiment of the present specification, the hydrophobic block includes a repeating unit represented by Formula 2 below.

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00011
Figure pat00011

상기 화학식 2에서,In Chemical Formula 2,

Ar은 직접결합; 또는 치환 또는 비치환된 아릴렌기이고,Ar is a direct bond; Or a substituted or unsubstituted arylene group,

R1 내지 R12는 각각 수소; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이며,R1 to R12 are each hydrogen; Or a substituted or unsubstituted alkyl group,

n은 1 내지 10,000의 정수이다. n is an integer from 1 to 10,000.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 내지 R12는 각각 수소이다.In one embodiment of the present specification, R1 to R12 are each hydrogen.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Ar은 직접결합이다.In one embodiment of the present specification, Ar is a direct bond.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Ar은 2가의 벤조페논(benzophenone)기이다.In one embodiment of the present specification, Ar is a divalent benzophenone group.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Ar은 2가의 디페닐설페인(diphenylsulfane)기이다.In one embodiment of the present specification, Ar is a divalent diphenylsulfane group.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Ar은 2가의 설포닐디벤젠(sulfonyldibenzene)기이다.In one embodiment of the present specification, Ar is a divalent sulfonyldibenzene group.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 상기 Ar은 2가의 나프탈렌(naphthalene)기이다.In one embodiment of the present specification, Ar is a divalent naphthalene group.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Ar은 2가의 바이페닐(biphenyl)기이다.In one embodiment of the present specification, Ar is a divalent biphenyl group.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Ar은 하기 구조 중 선택될 수 있다.In one embodiment of the present specification, Ar may be selected from the following structures.

Figure pat00012
Figure pat00012

상기 구조에서

Figure pat00013
는 상기 화학식 1의 주쇄에 연결되는 부위이다.In the above structure
Figure pat00013
Is a site connected to the main chain of the formula (1).

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자는 브랜처를 더 포함할 수 있으며, 상기 브랜처는 고분자 사슬을 연결 또는 가교하는 역할을 한다.In one embodiment of the present specification, the polymer may further include a brancher, and the brancher serves to connect or crosslink the polymer chain.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 브랜처는 하기 구조 중 선택될 수 있다.In one embodiment of the present specification, the brancher may be selected from the following structures.

Figure pat00014
Figure pat00014

상기 구조에서

Figure pat00015
는 상기 고분자의 주쇄에 연결되는 부위이다.In the above structure
Figure pat00015
Is a site connected to the main chain of the polymer.

본 명세서의 실시상태에 따라, 블록 중합체인 경우에는 친수성 블록과 소수성 블록의 구획, 구분이 명확하여 상분리(phase separation)가 용이하므로, 이온 전달이 용이하다는 장점이 있다. According to the exemplary embodiment of the present specification, in the case of the block polymer, since the partitions and division of the hydrophilic block and the hydrophobic block are clear, phase separation is easy, and thus there is an advantage of easy ion transfer.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자의 중량평균분자량은 100,000g/mol 내지 1,000,000g/mol이다.In one embodiment of the present specification, the weight average molecular weight of the polymer is 100,000 g / mol to 1,000,000 g / mol.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 단위는 상기 소수성 블록에 포함된다.In one embodiment of the present specification, the unit represented by Chemical Formula 1 is included in the hydrophobic block.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 블록 공중합체 내에 친수성 블록과 소수성 블록은 10:1 내지 1:10의 비율로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 10:1 내지 1:2, 더욱 바람직하게는 5:4 내지 5:6의 비율로 포함될 수 있다.In one embodiment of the present specification, the hydrophilic block and the hydrophobic block in the block copolymer may be included in a ratio of 10: 1 to 1:10, preferably 10: 1 to 1: 2, more preferably 5 It may be included in a ratio of 4: 4 to 5: 6.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 막-전극 접합체는 애노드; 캐소드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 구비된 전술한 고분자 전해질막을 포함한다. In one embodiment of the present specification, the membrane-electrode assembly includes an anode; Cathode; And the polymer electrolyte membrane described above provided between the anode and the cathode.

상기 막-전극 접합체는 상기 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고분자 전해질막을 포함하는 것을 제외하고는 당 기술분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 예컨대, 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 고분자 전해질막을 밀착시킨 상태에서 100℃ 내지 400℃로 열압착하여 제조될 수 있다.The membrane-electrode assembly may be prepared according to conventional methods known in the art, except for including the polymer electrolyte membrane according to one embodiment of the present specification. For example, cathode; Anode; And it may be prepared by thermal compression at 100 ℃ to 400 ℃ in a state in which the polymer electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode in close contact.

도 1은 연료전지용 막-전극 접합체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 막-전극 접합체는 전해질막(10)과, 이 전해질막(10)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 캐소드(50) 및 애노드(51)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 캐소드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 구비된 캐소드 촉매층(20)과 캐소드 기체확산층(40)이 포함될 수 있고, 애노드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 구비된 애노드 촉매층(21)과 애노드 기체확산층 (41)이 포함될 수 있다.1 is a view schematically showing a structure of a fuel cell membrane-electrode assembly, wherein the membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane 10 and a cathode 50 positioned to face each other with the electrolyte membrane 10 interposed therebetween. An anode 51 may be included. Specifically, the cathode may include a cathode catalyst layer 20 and a cathode gas diffusion layer 40 sequentially provided from the electrolyte membrane 10, and the anode includes an anode catalyst layer 21 sequentially provided from the electrolyte membrane 10 and An anode gas diffusion layer 41 may be included.

상기 애노드 전극의 촉매층은 연료의 산화 반응이 일어나는 곳으로, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매가 바람직하게 사용될 수 있다.The catalyst layer of the anode electrode is where the oxidation reaction of the fuel occurs, the catalyst is selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-transition metal alloy. Can be used.

상기 캐소드 전극의 촉매층은 산화제의 환원 반응이 일어나는 곳으로, 백금 또는 백금-전이금속 합금이 촉매로 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 촉매들은 그 자체로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다.The catalyst layer of the cathode electrode is where the reduction reaction of the oxidant occurs, platinum or platinum-transition metal alloy may be preferably used as a catalyst. The catalysts can be used on their own as well as supported on a carbon-based carrier.

촉매층을 도입하는 과정은 당 기술분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 수행할 수 있는데, 예를 들면 촉매 잉크를 전해질막에 직접적으로 코팅하거나 기체확산층에 코팅하여 촉매층을 형성할 수 있다. 이때 촉매 잉크의 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 블레이드 코팅, 다이 코팅 또는 스핀 코팅 방법 등을 사용할 수 있다. 촉매 잉크는 대표적으로 촉매, 폴리머 이오노머(polymer ionomer) 및 용매로 이루어질 수 있다.The process of introducing the catalyst layer may be performed by conventional methods known in the art, for example, the catalyst ink may be directly coated on the electrolyte membrane or coated on the gas diffusion layer to form the catalyst layer. At this time, the coating method of the catalyst ink is not particularly limited, but spray coating, tape casting, screen printing, blade coating, die coating or spin coating may be used. The catalyst ink may typically be composed of a catalyst, a polymer ionomer and a solvent.

상기 기체확산층은 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물의 이동 통로가 되는 것으로, 다공성의 구조를 가진다. 따라서, 상기 기체확산층은 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다. 도전성 기재로는 탄소 페이퍼(Carbon paper), 탄소 천(Carbon cloth) 또는 탄소 펠트(Carbon felt)가 바람직하게 사용될 수 있다. The gas diffusion layer acts as a current conductor and serves as a passage for the reaction gas and water, and has a porous structure. Therefore, the gas diffusion layer may include a conductive substrate. As the conductive substrate, carbon paper, carbon cloth, or carbon felt may be preferably used.

상기 기체확산층은 촉매층 및 도전성 기재 사이에 미세기공층을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 미세기공층은 저가습 조건에서의 연료전지의 성능을 향상시키기 위하여 사용될 수 있으며, 기체확산층 밖으로 빠져나가는 물의 양을 적게 하여 고분자 전해질막이 충분한 습윤 상태에 있도록 하는 역할을 한다.The gas diffusion layer may further include a microporous layer between the catalyst layer and the conductive substrate. The microporous layer may be used to improve the performance of the fuel cell in low-humidity conditions, and serves to make the polymer electrolyte membrane in a sufficient wet state by reducing the amount of water flowing out of the gas diffusion layer.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 연료전지는 2 이상의 전술한 막-전극 접합체; 상기 막-전극 접합체들 사이에 구비되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 포함하는 스택; 상기 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부; 및 상기 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부를 포함한다.In one embodiment of the present specification, the fuel cell includes two or more of the aforementioned membrane-electrode assemblies; A stack including a bipolar plate provided between the membrane-electrode assemblies; A fuel supply unit supplying fuel to the stack; And an oxidant supply for supplying an oxidant to the stack.

연료전지는 연료의 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다. 즉 연료전지는 연료가스와 산화제를 사용하고, 이들의 산화환원 반응 중에 발생하는 전자를 이용하여 전력을 생산하는 발전 방식이다.A fuel cell is an energy conversion device that converts chemical energy of a fuel directly into electrical energy. That is, a fuel cell is a power generation method that uses fuel gas and an oxidant and generates electric power by using electrons generated during the redox reaction.

연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 애노드(A)에서는 수소 또는 메탄올, 부탄과 같은 탄화수소 등의 연료(F)의 산화 반응이 일어나 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생하고, 수소 이온은 전해질막(M)을 통해 캐소드(C)으로 이동한다. 캐소드(C)에서는 전해질막(M)을 통해 전달된 수소 이온과, 산소와 같은 산화제(O) 및 전자가 반응하여 물(W)이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.Referring to FIG. 1, which illustrates the electricity generation principle of a fuel cell, in the anode A, an oxidation reaction of a fuel (F) such as hydrogen or a hydrocarbon such as methanol and butane occurs to generate hydrogen ions (H +) and electrons (e−). Generated, and the hydrogen ions move to the cathode C through the electrolyte membrane M. In the cathode C, the hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane M, the oxidant O such as oxygen, and the electrons react to generate water (W). This reaction causes the movement of electrons in the external circuit.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 연료전지는 전술한 막-전극 접합체를 포함하는 것을 제외하고는 당 기술분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. In one embodiment of the present specification, the fuel cell may be manufactured according to conventional methods known in the art, except for including the aforementioned membrane-electrode assembly.

도 3을 참조하면, 연료전지는 스택(60), 연료공급부(80) 및 산화제공급부(70)를 포함한다.Referring to FIG. 3, the fuel cell includes a stack 60, a fuel supply unit 80, and an oxidant supply unit 70.

상기 스택(60)은 막-전극 접합체(MEA)를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막-전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다 상기 세퍼레이터는 막-전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막-전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.The stack 60 includes one or more membrane-electrode assemblies (MEAs), and when two or more membrane-electrode assemblies are included, a separator interposed therebetween. It serves to transfer the externally supplied fuel and oxidant to the membrane-electrode assembly.

상기 연료 공급부(80)는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료탱크(81)에 저장된 연료를 스택(60)으로 공급하는 펌프(82)로 구성될 수 있다. 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.The fuel supply unit 80 serves to supply fuel to the stack, and includes a fuel tank 81 for storing fuel and a pump 82 for supplying fuel stored in the fuel tank 81 to the stack 60. Can be. The fuel may be a gas or liquid hydrogen or hydrocarbon fuel, examples of the hydrocarbon fuel may be methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

상기 산화제 공급부(70)는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(82)로 주입하여 사용할 수 있다.The oxidant supply unit 70 serves to supply an oxidant to the stack. Oxygen is typically used as the oxidant, and may be used by injecting oxygen or air into the pump 82.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 고분자 전해질막의 제조 방법은 하기 화학식 1로 표시되는 단위를 포함하는 고분자를 용매에 녹여 고분자 전해질막 형성용 조성물을 제조하는 단계; 및 상기 고분자 전해질막 형성용 조성물을 기재 상에 코팅하는 단계를 포함하며, 상기 고분자 100mol%를 기준으로 상기 화학식 1로 표시되는 단위의 함량은 20mol% 내지 30mol%이다.In one embodiment of the present specification, a method of preparing a polymer electrolyte membrane may include preparing a composition for forming a polymer electrolyte membrane by dissolving a polymer including a unit represented by Formula 1 in a solvent; And coating the polymer electrolyte membrane forming composition on a substrate, wherein the content of the unit represented by Chemical Formula 1 is based on 100 mol% of 20 mol% to 30 mol%.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 제조 방법은 전술한 고분자 전해질막에 대한 설명을 인용할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the method of manufacturing the polymer electrolyte membrane may refer to the description of the polymer electrolyte membrane described above.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자의 말단기는 -OH, -SO3H 또는 -H일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the end group of the polymer may be -OH, -SO 3 H or -H.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기재로는 고분자 필름, 유리 기재, 및 스테인리스 스틸 등을 사용할 수 있으며, 상기 고분자 필름으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 또는 폴리이미드 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In an exemplary embodiment of the present specification, the substrate may be a polymer film, a glass substrate, stainless steel, or the like, and the polymer film may include polyethylene terephthalate (PET) or polyimide, but is not limited thereto. no.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 조성물을 기재 상에 코팅하는 방법으로는 스핀 코팅, 롤 코팅, 커튼 코팅 및 캐스팅 등의 공지의 방법을 사용할 수 있다.In one embodiment of the present specification, a method of coating the composition on a substrate may use a known method such as spin coating, roll coating, curtain coating, and casting.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막 형성용 조성물의 용매로는 디메틸설폭사이드(DMSO), N-메틸-피롤리돈(NMP), 디메틸아세트아미드(DMAc) 및 디메틸포름아미드(DMF) 중 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.In one embodiment of the present specification, as the solvent of the composition for forming the polymer electrolyte membrane, dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methyl-pyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAc), and dimethylformamide (DMF) ) Can be used one or more selected.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자는 상기 고분자 전해질막 형성용 조성물 100wt%를 기준으로 1wt% 내지 15wt%, 바람직하게는 2wt% 내지 8wt%, 더욱 바람직하게는 3wt% 내지 7wt% 포함될 수 있다.In one embodiment of the present specification, the polymer may be included 1wt% to 15wt%, preferably 2wt% to 8wt%, more preferably 3wt% to 7wt% based on 100wt% of the composition for forming the polymer electrolyte membrane. have.

고분자의 함량이 1wt% 이상일 때 제막이 가능하며, 15wt% 이하일 때 적절한 점도로 제막할 수 있다.When the content of the polymer is 1wt% or more, it is possible to form a film, and when it is 15wt% or less, it can be formed with an appropriate viscosity.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막 형성용 조성물은 산화세륨 입자, 망간 입자, 백금 입자 또는 이들의 화합물을 첨가제로서 추가로 포함할 수 있다. 상기 첨가제의 함량은 상기 고분자 전해질막 형성용 조성물 100wt%를 기준으로 0.01wt% 내지 1wt%일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the composition for forming a polymer electrolyte membrane may further include cerium oxide particles, manganese particles, platinum particles, or a compound thereof as an additive. The content of the additive may be 0.01wt% to 1wt% based on 100wt% of the composition for forming the polymer electrolyte membrane.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막 형성용 조성물 중 고분자 및 첨가제를 제외한 잔부는 모두 용매이다.In one embodiment of the present specification, the remainder other than the polymer and the additive in the polymer electrolyte membrane-forming composition is a solvent.

이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, embodiments according to the present disclosure may be modified in various other forms, and the scope of the present specification is not interpreted to be limited to the embodiments described below. The embodiments of the present specification are provided to more fully describe the present specification to those skilled in the art.

<실시예 : 블록 공중합체의 제조>Example: Preparation of Block Copolymers

실시예 1.Example 1.

500mL 3구 플라스크(Three-Neck Round Bottom Flask) 반응기에 바이페놀(biphenol) 3g, 다이소듐 3,3'-다이설포네이트-4,4'-다이플로로벤조페논(Disodium 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorobenzophenone) 5.939g 및 1,3,5-벤젠트리카보닐클로라이드(1,3,5-benzenetricar-bonyl chloride) 0.129g을 넣고 DMSO(Dimethyl sulfoxide)와 )톨루엔(toluene) 용매에서 K2CO3를 촉매로 사용하여 질소분위기 내에서 준비하였다. 3 g of biphenol, disodium 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorobenzophenone (Disodium 3,3'-disulfonate) in 500 mL three-neck round bottom flask reactor 5.939 g of -4,4'-difluorobenzophenone) and 0.129 g of 1,3,5-benzenetricarbonyl chloride (dimethyl sulfoxide) and toluene solvent are added. Was prepared in a nitrogen atmosphere using K 2 CO 3 as a catalyst.

그 다음 상기 반응 혼합물을 140℃의 온도로 4시간 동안 교반하여 톨루엔(toluene)이 역류하면서 딘-스탁 장치(Dean-Stark)의 분자체(Molecular Sieves)에 공비 혼합물을 흡착시켜 제거한 후, 반응온도를 160℃로 승온시키고 20시간 동안 축중합 반응시켰다.The reaction mixture was then stirred at a temperature of 140 ° C. for 4 hours to remove the azeotropic mixture by adsorbing to the molecular sieves of Dean-Stark while toluene was refluxed, followed by reaction temperature. The temperature was raised to 160 ℃ and polycondensation reaction for 20 hours.

상기 반응종료 후 상기 반응물의 온도를 60℃로 감온시킨 후, 동일 반응기에 4,4'-다이플루오로벤조페논(4,4'-diflourobenzophenone) 3.164g, 트립티센-1,4-하이드로퀴논(triptycene-1,4-hydroquinone) 3.827g 및 1,3,5-벤젠트리카보닐클로라이드(1,3,5-benzenetricar-bonyl chloride) 0.142g을 넣고 DMSO와 톨루엔(toluene)을 이용하여 질소분위기에서 K2CO3를 촉매로 사용하여 반응을 다시 개시하였다. After the reaction was completed, the temperature of the reactant was reduced to 60 ° C., and 3.164 g of 4,4′-diflourobenzophenone (4,4′-diflourobenzophenone) in the same reactor, trypticene-1,4-hydroquinone ( 3.827 g of triptycene-1,4-hydroquinone) and 0.142 g of 1,3,5-benzenetricar-bonyl chloride were added to the nitrogen atmosphere using DMSO and toluene. The reaction was restarted using K 2 CO 3 as catalyst.

그 다음 상기 반응 혼합물을 다시 150℃의 온도로 4시간 동안 교반하여 톨루엔(toluene)이 역류하면서 딘-스탁 장치(Dean-Stark)의 분자체(Molecular Sieves)에 공비 혼합물을 흡착시켜 제거한 후, 반응온도를 160℃로 승온시키고 20시간 동안 축중합 반응시켰다. 그 다음 반응물의 온도를 실온으로 감온시키고 DMSO를 더 가하여 생성물을 희석시킨 후, 희석된 생성물을 과량의 메탄올에 부어 용매로부터 공중합체를 분리하였다. 그 후 물을 이용하여 과량의 K2CO3를 제거한 뒤, 여과하여 얻은 공중합체를 80℃의 진공오븐에서 12시간 이상 건조하여 소수성 블록과 친수성 블록이 교대로 화학결합으로 이어진 술폰화 블록 공중합체를 제조하였다.The reaction mixture was then stirred again at a temperature of 150 ° C. for 4 hours to remove the azeotropic mixture by adsorbing to the molecular sieves of Dean-Stark while toluene was refluxed, followed by reaction. The temperature was raised to 160 ° C. and polycondensation reaction was carried out for 20 hours. The temperature of the reaction was then cooled to room temperature and the product diluted by further DMSO, after which the diluted product was poured into excess methanol to separate the copolymer from the solvent. After removing excess K 2 CO 3 with water, the obtained copolymer was dried in a vacuum oven at 80 ° C. for at least 12 hours to form a sulfonated block copolymer in which hydrophobic blocks and hydrophilic blocks were alternately formed by chemical bonding. Was prepared.

제조된 공중합체에서 하기 화학식 A로 표시되는 단위의 함량은 22.8mol%였다.The content of the unit represented by the following Chemical Formula A in the prepared copolymer was 22.8 mol%.

[화학식 A][Formula A]

Figure pat00016
Figure pat00016

제조된 공중합체의 중량평균분자량은 779,000g/mol이었다. The weight average molecular weight of the prepared copolymer was 779,000 g / mol.

비교예 1.Comparative Example 1.

상기 실시예 1에서 트립티센-1,4-하이드로퀴논 대신 9,9-비스(하이드록시페닐)플루오렌(9,9-bis(hydroxyphenyl)fluorene) 4.684g을 사용하여 하기 화학식 B로 표시되는 단위가 22.8mol% 포함되도록 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자를 제조하였다.Unit represented by the following formula (B) using 4.684 g of 9,9-bis (hydroxyphenyl) fluorene (9,9-bis (hydroxyphenyl) fluorene) instead of trypticene-1,4-hydroquinone in Example 1 A polymer was prepared in the same manner as in Example 1, except that 22.8 mol% was prepared.

[화학식 B][Formula B]

Figure pat00017
Figure pat00017

비교예 2.Comparative Example 2.

상기 실시예 1에서 4,4'-다이플루오로벤조페논(4,4'-diflourobenzophenone) 2.215g, 트립티센-1,4-하이드로퀴논(triptycene-1,4-hydroquinone) 2.541g 및 1,3,5-벤젠트리카보닐클로라이드(1,3,5-benzenetricar-bonyl chloride) 0.099g을 넣어 상기 화학식 A로 표시되는 단위가 17.8mol% 포함되도록 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자를 제조하였다.2.215 g of 4,4'-diflourobenzophenone (4,4'-diflourobenzophenone), 2.541 g of triptycene-1,4-hydroquinone in Example 1 and 1,3 The same method as in Example 1, except that 0.099 g of 1,3,5-benzenetricar-bonyl chloride was prepared to contain 17.8 mol% of the unit represented by Formula A. To prepare a polymer.

<실험예 1 : 고분자 전해질막의 면적 변화 측정>Experimental Example 1 Measurement of Area Change of Polymer Electrolyte Membrane

상기 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제조된 고분자를 각각 DMSO에 5wt% 농도로 녹여 PET 필름 위에 바코팅 방식으로 300㎛ 두께로 코팅한 후, 60℃에서 24시간 동안 건조하였다.The polymers prepared in Example 1, Comparative Examples 1 and 2, respectively, were dissolved in DMSO at a concentration of 5wt%, coated on a PET film with a thickness of 300 μm by a bar coating method, and then dried at 60 ° C. for 24 hours.

그 다음, 80℃의 1M 황산 수용액에 8시간 동안 침지한 후 물로 세척하고 50℃에서 건조하였다.Then, it was immersed in an aqueous 1 M sulfuric acid solution at 80 ℃ for 8 hours, washed with water and dried at 50 ℃.

건조된 막을 5cm×5cm 크기로 절취하여 상온의 물에 2분 동안 담근 후, 물 속에서 면적을 측정하였다. 이 후, 해당 막을 80℃ 오븐에 2분 동안 방치하고 다시 면적을 측정하였다. The dried membrane was cut to a size of 5 cm x 5 cm, soaked in water at room temperature for 2 minutes, and the area in water was measured. Thereafter, the membrane was left in an 80 ° C. oven for 2 minutes and the area was measured again.

하기 식 1에 측정된 면적을 대입하여 면적 변화율을 계산한 다음, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.Substituting the area measured in Equation 1 below to calculate the area change rate, the results are shown in Table 1 below.

[식 1][Equation 1]

면적변화율(%)=(측정면적-초기면적)/초기면적×100Area change rate (%) = (measured area-initial area) / initial area × 100

첨가한 단량체Added monomer 중합 후 단량체의 함량Monomer content after polymerization 습윤상태 면적 변화율(%)% Wet area change 건조 후 면적 변화율 (%)Area change rate after drying (%) 실시예 1Example 1 트립티센-1,4-하이드로퀴논Trypsin-1,4-hydroquinone 22.8mol%22.8mol% +11.4+11.4 -16.4-16.4 비교예 1Comparative Example 1 9,9-비스(하이드록시페닐)플루오렌9,9-bis (hydroxyphenyl) fluorene 22.8mol%22.8mol% +19.0+19.0 -24.5-24.5 비교예 2Comparative Example 2 트립티센-1,4-하이드로퀴논Trypsin-1,4-hydroquinone 17.8mol%17.8 mol% +16.6+16.6 -26.0-26.0

상기 표 1의 결과를 통하여 화학식 1로 표시되는 단위를 22.8mol% 포함하는 고분자를 사용한 실시예 1이 화학식 1로 표시되는 단위를 포함하지 않은 고분자를 사용한 비교예 1과 화학식 1로 표시되는 단위를 20mol% 미만으로 포함하는 비교예 2에 비하여 습윤상태 및 건조상태 모두 면적 변화율이 현저히 낮은 것을 확인할 수 있다.Comparative Example 1 and the unit represented by Formula 1 using a polymer that does not include the unit represented by Formula 1 Example 1 using a polymer containing 22.8 mol% of the unit represented by the formula 1 through the results of Table 1 Compared to Comparative Example 2 containing less than 20mol% it can be seen that the area change rate is significantly lower in both wet and dry conditions.

즉, 본 명세서의 일 실시상태에 따라 고분자 전해질막을 제조할 경우, 습도에 따른 면적 변화가 적은 막을 얻을 수 있으며, 이는 연료전지의 내구성능 향상으로 이어질 수 있다. That is, when the polymer electrolyte membrane is manufactured according to one embodiment of the present specification, a membrane having a small area change according to humidity may be obtained, which may lead to an improvement in durability of the fuel cell.

10: 전해질막
20: 캐소드 촉매층
21: 애노드 촉매층
40: 캐소드 기체확산층
41: 애노드 기체확산층
50: 캐소드
51: 애노드
60: 스택
70: 산화제 공급부
80: 연료 공급부
81: 연료 탱크
82: 펌프
10: electrolyte membrane
20: cathode catalyst layer
21: anode catalyst layer
40: cathode gas diffusion layer
41: anode gas diffusion layer
50: cathode
51: anode
60: stack
70: oxidant supply
80: fuel supply
81: fuel tank
82: pump

Claims (7)

하기 화학식 1로 표시되는 단위를 포함하는 고분자를 포함하며,
상기 고분자 100mol%를 기준으로 상기 화학식 1로 표시되는 단위의 함량은 20mol% 내지 30mol%인 것인 고분자 전해질막:
[화학식 1]
Figure pat00018

상기 화학식 1에서,
R1 내지 R12는 각각 수소; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
To include a polymer comprising a unit represented by the formula (1),
Based on 100 mol% of the polymer, the content of the unit represented by Chemical Formula 1 is 20 mol% to 30 mol%.
[Formula 1]
Figure pat00018

In Chemical Formula 1,
R1 to R12 are each hydrogen; Or a substituted or unsubstituted alkyl group.
청구항 1에 있어서,
상기 고분자는 친수성 블록 및 소수성 블록을 포함하는 선형 블록 공중합체인 것인 고분자 전해질막.
The method according to claim 1,
The polymer is a polymer electrolyte membrane that is a linear block copolymer comprising a hydrophilic block and a hydrophobic block.
청구항 2에 있어서,
상기 화학식 1로 표시되는 단위는 상기 소수성 블록에 포함되는 것인 고분자 전해질막.
The method according to claim 2,
The unit represented by Formula 1 is included in the hydrophobic block.
애노드; 캐소드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 구비된 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항의 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체.Anode; Cathode; And a polymer electrolyte membrane of any one of claims 1 to 3 provided between the anode and the cathode. 2 이상의 청구항 4의 막-전극 접합체;
상기 막-전극 접합체들 사이에 구비되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 포함하는 스택;
상기 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부; 및
상기 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료전지.
Two or more membrane-electrode assemblies;
A stack including a bipolar plate provided between the membrane-electrode assemblies;
A fuel supply unit supplying fuel to the stack; And
A fuel cell comprising an oxidant supply unit for supplying an oxidant to the stack.
하기 화학식 1로 표시되는 단위를 포함하는 고분자를 용매에 녹여 고분자 전해질막 형성용 조성물을 제조하는 단계; 및
상기 고분자 전해질막 형성용 조성물을 기재 상에 코팅하는 단계를 포함하며,
상기 고분자 100mol%를 기준으로 상기 화학식 1로 표시되는 단위의 함량은 20mol% 내지 30mol%인 것인 고분자 전해질막의 제조 방법:
[화학식 1]
Figure pat00019

상기 화학식 1에서,
R1 내지 R12는 각각 수소; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
Preparing a composition for forming a polymer electrolyte membrane by dissolving a polymer including a unit represented by Formula 1 in a solvent; And
Coating the polymer electrolyte membrane-forming composition on a substrate;
Method for producing a polymer electrolyte membrane is that the content of the unit represented by the formula (1) based on 100 mol% of the polymer is 20 mol% to 30 mol%:
[Formula 1]
Figure pat00019

In Chemical Formula 1,
R1 to R12 are each hydrogen; Or a substituted or unsubstituted alkyl group.
청구항 6에 있어서,
상기 고분자는 상기 고분자 전해질막 형성용 조성물 100wt%를 기준으로 1wt% 내지 15wt% 포함되는 것인 고분자 전해질막의 제조 방법.
The method according to claim 6,
The polymer is a method of producing a polymer electrolyte membrane will be contained 1wt% to 15wt% based on 100wt% of the composition for forming the polymer electrolyte membrane.
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