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KR20090055737A - Method for producing partially crosslinked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly using partially crosslinked polymer electrolyte membrane prepared therefrom, and fuel cell employing the same - Google Patents

Method for producing partially crosslinked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly using partially crosslinked polymer electrolyte membrane prepared therefrom, and fuel cell employing the same Download PDF

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KR20090055737A
KR20090055737A KR1020070122520A KR20070122520A KR20090055737A KR 20090055737 A KR20090055737 A KR 20090055737A KR 1020070122520 A KR1020070122520 A KR 1020070122520A KR 20070122520 A KR20070122520 A KR 20070122520A KR 20090055737 A KR20090055737 A KR 20090055737A
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polymer electrolyte
electrolyte membrane
hydrogen ion
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최준규
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한국화학연구원
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Abstract

A hydrocarbon-based proton conducting copolymer is provided to ensure excellent processability and high content of a hydrophilic group, and to be stable in water and acid while having high ion conductivity. A hydrocarbon-based proton conducting copolymer has a repeating unit represented by chemical formula 1, wherein an inherent viscosity measured on NMP(N-methyl-alpha-pyrrolidinone) of 25 °C is 2.0-3.0 dl/g. In chemical formula 1, A and A' are any one selected from -S-, -CO-, - P(O)Ph-, and -SO2-; B is any one selected from -S-, -C(CH3)2-, -C(CF3)2-, and -SO2-; and a/(a+b) is 0.001-1.0.

Description

부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막의 제조방법, 그로부터 제조된 부분 가교된 고분자 전해질 막을 이용한 막-전극 접합체 및 이를 채용한 연료전지{MANUFACTURING METHOD OF PARTIALLY CROSSLINKED TYPE PROTON CONDUCTING POLYMER MEMBRANES, MEMBRANE-ELECTROLYTE ASSEMBLIES USING PARTIALLY CROSSLINKED TYPE POLYMER MEMBRANES MANUFACTURED THEREBY AND FUEL CELL HAVING THEM}Method for producing partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly using partially cross-linked polymer electrolyte membrane prepared therefrom, and fuel cell employing the same CROSSLINKED TYPE POLYMER MEMBRANES MANUFACTURED THEREBY AND FUEL CELL HAVING THEM}

본 발명은 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막의 제조방법, 그로부터 제조된 부분 가교된 고분자 전해질 막을 이용한 막-전극 접합체 및 이를 채용한 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 부분 가교화 반응의 원료인 신규한 탄화수소계 이온 전도성 공중합체를 제공하고, 상기 공중합체로 제조된 고분자 전해질 막에 2-관능성 방향족 비닐계 화합물을 부분적으로 가교시킴으로써, 막의 치수 안정성 및 기계적 특성이 향상된 우수한 성능의 막-전극 접합체 및 그를 채용한 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly using the partially cross-linked polymer electrolyte membrane prepared therefrom, and a fuel cell employing the same, and more particularly, a raw material for a partial crosslinking reaction. By providing a novel hydrocarbon-based ion-conducting copolymer and partially crosslinking a bifunctional aromatic vinyl compound to the polymer electrolyte membrane prepared from the copolymer, a membrane-electrode having excellent performance with improved dimensional stability and mechanical properties of the membrane It relates to a bonded body and a fuel cell employing the same.

연료전지는 산화, 환원 반응을 통해서 화학적 에너지를 고효율, 고밀도의 전기에너지로 직접 전환하는 발전장치로서, 전해질 막, 촉매, 전극, 분리판, 스택, BOP(Balance of Plant) 등 다양한 분야의 최신 기술이 직접된 차세대 고밀도 청정에너지 전환시스템이다. 연료전지는 주로 수소를 연료로 사용하며 연료물질과 산소와의 산화작용에 의하여 발생된 수소 및 전자의 이온 농도구배 전위차에 의하여 전력을 생산한다. 연료전지의 전체 반응은 일종의 산화-환원 반응에 해당되는데, 유일한 반응 부산물로 물만을 생성시키므로 공해물질의 배출이 거의 없는 친환경 기술로 각광받고 있다.Fuel cell is a power generation device that directly converts chemical energy into high-efficiency and high-density electrical energy through oxidation and reduction reactions. It is the latest technology in various fields such as electrolyte membrane, catalyst, electrode, separator, stack, balance of plant (BOP), etc. This is the next generation of high density clean energy conversion system. A fuel cell mainly uses hydrogen as a fuel and generates electric power by an ion concentration gradient difference of hydrogen and electrons generated by oxidation of fuel material and oxygen. The overall reaction of a fuel cell corresponds to a kind of oxidation-reduction reaction, which generates water as the only reaction by-product, and thus is attracting attention as an eco-friendly technology with little emission of pollutants.

연료전지는 전해질의 종류 및 작동 온도 등에 따라 용융 탄산염 연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체 산화물 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 인산염 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 알카라인 연료전지(AFC; alkaline fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEFC; polymer electrolyte fuel cell)로 분류된다. Fuel cells may be molten carbonate fuel cells (MCFCs), solid oxide fuel cells (SOFCs), phosphoric acid fuel cells (PAFCs), or alkaline, depending on the type of electrolyte and operating temperature. It is classified into an alkaline fuel cell (AFC) and a polymer electrolyte fuel cell (PEFC).

특히, 고분자 전해질형 연료전지는 전해질로서 이온 전도성 고분자 막을 사용하는 연료전지를 말하며, 수소를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(PEMFC; proton exchange membrane fuel cell)와 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC; direct methanol fuel cell)가 대표적이다. 고분자 전해질형 연료전지는 수소이온전도성 고분자 막(PEM; proton exchange membrane)을 전해질로 사용하기 때문에 전해질의 손실이 없고, 반응기체의 압력 변화에도 큰 영향을 받지 않으며, 작동원리가 같은 인산형 연료전지에 비하여 부피가 현저히 작은 한편, 성능 및 효율 면에서는 이들에 채용된 막-전극 접합체 및 고분자 전해질 막의 기본 특성에 크게 의존한다.In particular, a polymer electrolyte fuel cell refers to a fuel cell using an ion conductive polymer membrane as an electrolyte, and a direct ion methanol (PEMFC) proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) and methanol as a fuel. DMFC (direct methanol fuel cell) is a typical example. Since the polymer electrolyte fuel cell uses a hydrogen ion conductive polymer membrane (PEM) as the electrolyte, there is no electrolyte loss, and it is not influenced by the pressure change of the reactor, and the same principle of operation is the phosphate fuel cell. While the volume is considerably smaller than that, in terms of performance and efficiency, it is highly dependent on the basic characteristics of the membrane-electrode assembly and the polymer electrolyte membrane employed therein.

고분자 전해질형 연료전지는 고분자 전해질 막, 연료극 및 공기극을 기본 구성으로 이루어진다. 연료극(anode)으로 유입된 수소는 촉매에 의하여 산화되어 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분리되며, 각각 전해질 및 외부 회로를 통하여 공기극(cathode)으로 이동된다. 공기극으로 유입된 산소는 전해질 막을 통하여 전달된 수소이온을 환원시켜 물과 열을 발생시키며, 상기 과정에서 외부 회로를 통하여 이동되는 전자에 의하여 전기 에너지가 발생된다. 이때, 각 전극에서 발생되는 산화-환원반응 및 전체 반응은 다음과 같다.The polymer electrolyte fuel cell has a basic composition of a polymer electrolyte membrane, a fuel electrode, and an air electrode. Hydrogen introduced into the anode is oxidized by a catalyst and separated into hydrogen ions (H + ) and electrons (e ), and are moved to the cathode through the electrolyte and the external circuit, respectively. Oxygen introduced into the cathode reduces the hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane to generate water and heat, and electrical energy is generated by electrons moved through the external circuit in the process. At this time, the oxidation-reduction reaction and the total reaction generated at each electrode are as follows.

식 1: Equation 1:

연료극(Anode) : H2 → 2H+ + 2e- A fuel electrode (Anode): H 2 → 2H + + 2e -

식 2:Equation 2:

공기극(Cathode) : 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O + heatCathode (Cathode): 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O + heat

식 3:Equation 3:

전체 반응: H2 + 1/2O2 → H2O + heatTotal reaction: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O + heat

고분자 전해질 막의 역할은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 그 하나는 양극으로부터 음극으로 수소이온을 이동시키는 운반자(carrier)의 역할이며, 다른 하나는 연료 및 반응 기체를 효과적으로 분리하는 격리판(separator)의 역할이다. 따라서, 고분자 전해질 막은 높은 밀도와 낮은 공극률(porosity)을 나타내는 50 내지 175 ㎛ 두께의 박막 형태가 권장되며, 기계적 안정성과 전극과의 접합 성(compatibility) 등이 우수하여 막-전극 접합체 제조에 어려움이 없어야 한다. 나아가, 80℃이상의 고온 저가습 운전 및 비가습 운전, 장기간의 반복 운전 시에도 현저한 출력 변화 없이 안정된 성능을 유지하여야 하며, 높은 온도와 강한 산성 운전 환경에서도 열적, 물리적, 화학적 저항성이 우수하여야 한다.The role of the polymer electrolyte membrane can be broadly divided into two roles, one of which is a carrier for transporting hydrogen ions from an anode to a cathode, and the other of a separator that effectively separates fuel and reactant gases. Role. Accordingly, the polymer electrolyte membrane is preferably a thin film having a thickness of 50 to 175 μm, which exhibits high density and low porosity. The polymer electrolyte membrane has a high mechanical stability and excellent compatibility with electrodes, thus making it difficult to manufacture a membrane-electrode assembly. There should be no. Furthermore, it should maintain stable performance without remarkable power change even in high temperature low-humidity operation, non-humidification operation, and long-term repetitive operation of over 80 ℃, and excellent thermal, physical and chemical resistance even in high temperature and strong acidic operation environment.

현재 대부분의 연료전지에는 미국과 일본에서 개발하여 상업화시킨 나피온(Nafion

Figure 112007086035429-PAT00002
)과 플레미온(Flemion
Figure 112007086035429-PAT00003
) 등의 불소계 이온 교환막이 채용되어 사용되어 왔으나, 제조비용이 높고, 독성의 중간 생성물이 발생되며, 연료 및 메탄올 투과도가 높을 뿐 아니라, 함수율 감소로 인한 고온에서의 이온 전도도 감소 등의 문제점이 지적되고 있다. 따라서, 상기 불소계의 고분자 전해질 막을 대체하고, 고분자 전해질형 연료전지에 원만히 적용하기 위하여, 최근의 연구방향은 폴리술폰(polysulfone)계, 폴리에테르술폰[poly(ether sulfone)]계, 폴리에테르케톤[poly(ether ketone)]계, 폴리이미드(polyimide)계 등과 같은 비불소계 내열성 고분자에 술폰기를 도입시킨 이오노머(ionomer) 형태의 고분자 전해질 막 연구에 집중되고 있다. 즉, 상기 비불소계 고분자 전해질 막으로서 술폰화된 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아릴렌에테르술폰, 폴리에테르에테르케톤 및 폴리프탈라지논에테르설폰케톤 등의 제조방법을 제시하고, 이들의 이온 전도도 향상 및 연료전지 전해질 막으로의 적용성에 관하여 다수에 의해 보고되고 있다[J. Membr. Sci., 197 (2002) 231; J. Membr. Sci., 185 (2001) 73; J. Electrochem. Soc., 151(21) (2004) A2150; Micromol. Symp., 175 (2001) 387; J. Membr. Sci., 281 (2006) 121, 미합중국 특허등록 제2005-26144호, 제2006-134493호 및 미합중국 특허공개 제5,438,082호 및 제 6,245,881호]. Currently, most fuel cells have developed and commercialized Nafion in the United States and Japan.
Figure 112007086035429-PAT00002
) And Flemion
Figure 112007086035429-PAT00003
Although fluorine-based ion exchange membranes have been employed, they have high manufacturing costs, toxic intermediate products, high fuel and methanol permeability, and low ion conductivity at high temperatures due to reduced water content. It is becoming. Therefore, in order to replace the fluorine-based polymer electrolyte membrane and to apply it to a polymer electrolyte fuel cell smoothly, recent research directions include polysulfone, polyether sulfone, and polyether ketone. It is focused on the research of ionomer-type polymer electrolyte membranes in which sulfone groups are introduced into non-fluorinated heat-resistant polymers such as poly (ether ketone)] and polyimide. That is, as the non-fluorine-based polymer electrolyte membrane, a sulfonated polysulfone, polyethersulfone, polyarylene ether sulfone, polyether ether ketone, polyphthalazinone ether sulfone ketone, and the like are proposed. And applicability to fuel cell electrolyte membranes have been reported by a number [ J. Membr. Sci ., 197 (2002) 231; J. Membr. Sci ., 185 (2001) 73; J. Electrochem. Soc ., 151 (21) (2004) A2150; Micromol. Symp ., 175 (2001) 387; J. Membr. Sci ., 281 (2006) 121, US Patent Registration Nos. 2005-26144, 2006-134493 and US Patent Publication Nos. 5,438,082 and 6,245,881].

그러나, 상기 비불소계 고분자 전해질 막은 산 또는 열에 의한 환경에서 고분자 내의 방향족 화합물 내에 도입된 술폰기를 중심으로 탈수 반응이 쉽게 진행되었으며, 이러한 함수율 감소에 따라 80℃ 이상에서의 이온 전도도의 감소를 야기한다.However, in the non-fluorine-based polymer electrolyte membrane, dehydration reaction proceeds easily around the sulfone groups introduced into the aromatic compound in the polymer in an acid or heat environment, resulting in a decrease in ion conductivity at 80 ° C. or higher as the water content decreases.

이러한 문제점들의 개선하기 위하여, 두 개 이상의 작용기를 가지는 다관능성(multi-functional) 화학물질들을 이용하는 가교반응을 통하여, 고분자 전해질 막의 물리-화학적 특성을 향상시키는 방법을 제시하였으며[J. Membr. Sci., 283, 1-2 (2006) 373; J. Org. Chem., 56 (1991) 5540, 미합중국 특허 제2006-281824호, 제2005/0019638호, 제4,594,459호, 제4,992,151호, 일본특허 제2002-348389호 및 유럽특허 제1,160,903호], 이와 관련하여 대한민국 공개특허 제2005-72183호에서도 다양한 형태의 다관능성 후보물질들을 제시한 바 있다.In order to solve these problems, a method of improving the physico-chemical properties of a polymer electrolyte membrane through a crosslinking reaction using multi-functional chemicals having two or more functional groups has been proposed [ J. Membr. Sci ., 283, 1-2 (2006) 373; J. Org. Chem ., 56 (1991) 5540, U.S. Patent Nos. 2006-281824, 2005/0019638, 4,594,459, 4,992,151, Japanese Patent 2002-348389 and European Patent 1,160,903], Publication No. 2005-72183 has also suggested various types of multifunctional candidates.

그러나 고분자 전해질 막의 특성을 향상시키고자 도입된 종래의 방법은 고분자 전해질 막 내에 분포된 친수성 이온 교환그룹의 농도 감소를 함께 초래하여 이온 전도도를 낮추는 반면, 이온 전도도를 향상시키고자 친수성 작용기의 농도를 증가시키면, 전해질 막의 기계적 특성이 크게 저하되는 문제가 발생한다. 또한, 일련의 제조공정이 여러 단계와 복잡한 세부과정으로 진행되므로, 상용화되기까지 경제성 확보에 어려움이 따른다.However, the conventional method introduced to improve the properties of the polymer electrolyte membrane results in a decrease in the concentration of the hydrophilic ion exchange groups distributed in the polymer electrolyte membrane, thereby lowering the ionic conductivity while increasing the concentration of the hydrophilic functional group to improve the ionic conductivity. In this case, the mechanical properties of the electrolyte membrane are greatly reduced. In addition, since a series of manufacturing processes proceed in several steps and complex detailed processes, it is difficult to secure economic feasibility until commercialization.

이에, 본 발명자들은 높은 수준의 이온 전도도를 유지하면서도 기계적 물성이 현저히 개선된 고분자 전해질 막을 얻고자 노력한 결과, 친수성 그룹의 함량이 상대적으로 높음에도 물리-화학적으로 안정하고 가공성이 우수한 탄화수소계 이온 전도성 고분자 공중합체를 제공하고, 상기 공중합체로 제조된 고분자 전해질 막에 2-관능성 방향족 비닐계 화합물을 직접 가교반응하는 간단한 제조공정으로 높은 이온 전도도와 향상된 기계적 특성이 구현된 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 제공하고, 종래의 상용되는 고분자 전해질 막을 대체할 수 있을 정도의 우수한 고분자 전해질 막의 성능을 확인하고, 상기 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 이용하여 막-전극 접합체를 제조하고, 나아가, 상기 막-전극 접합체를 직접 메탄올 연료전지 또는 수소이온 교환막 연료전지에 채용하여, 연료전지의 전체 효율 향상 및 고온과 산성 환경에서도 안정성이 유지됨을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have endeavored to obtain a polymer electrolyte membrane having a significantly improved mechanical properties while maintaining a high level of ionic conductivity. As a result, the hydrocarbon-based ion-conducting polymer having physically-chemical stability and excellent processability despite the relatively high hydrophilic group content Partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer that provides a copolymer and has a high ionic conductivity and improved mechanical properties by a simple manufacturing process of directly crosslinking a 2-functional aromatic vinyl compound on a polymer electrolyte membrane prepared from the copolymer. Providing an electrolyte membrane, confirming the performance of the polymer electrolyte membrane excellent enough to replace the conventional commercially available polymer electrolyte membrane, to prepare a membrane-electrode assembly using the partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and further, Direct membrane-electrode assembly By employing all the fuel cell or a proton exchange membrane fuel cell, a full efficiency and reliability is maintained even at high temperatures and acidic environment of the fuel cell, thereby completing the present invention.

본 발명의 목적은 친수성 그룹의 함량이 높아, 높은 이온 전도도를 가지면서도 물과 산에 안정하고, 가공성이 우수한 탄화수소계 수소이온 전도성 공중합체를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a hydrocarbon-based hydrogen ion conductive copolymer having a high content of hydrophilic groups, having high ionic conductivity, stable to water and acid, and having excellent processability.

본 발명의 다른 목적은 상기 탄화수소계 수소이온 전도성 공중합체를 이용하여 제조된 고분자 전해질 막과 2-관능성 방향족 비닐계 화합물을 가교반응시킨, 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, which is a cross-linking reaction of a polymer electrolyte membrane prepared using the hydrocarbon-based hydrogen ion conductive copolymer and a 2-functional aromatic vinyl compound. will be.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 제조방법에 의해 제조된 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막으로 구성된 막-전극 접합체 및 이를 직접 메탄올 연료전지 또는 수소이온 교환막 연료전지에 채용한 고분자 전해질형 연료전지를 제공하는 것 이다.It is still another object of the present invention to provide a membrane-electrode assembly composed of a partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane prepared by the above method, and a polymer electrolyte fuel cell employing the same in a methanol fuel cell or a hydrogen ion exchange membrane fuel cell. Is to provide.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 가지면서, 25℃의 NMP 상에서 측정한 고유점도가 2.0 내지 3.0 dl/g인, 탄화수소계 수소이온 전도성 공중합체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a hydrocarbon-based hydrogen ion conductive copolymer having a repeating unit represented by the following formula (1), the intrinsic viscosity measured on NMP at 25 ℃ 2.0 to 3.0 dl / g. .

화학식 1Formula 1

Figure 112007086035429-PAT00004
Figure 112007086035429-PAT00004

(상기에서, A와 A'는 -S-, -SO2-, -C=O- 및 -P(O)(C6H5)- 로 이루어진 군에서 중복 또는 교차 선택되며, B의 경우 -, -S-, -C(CH3)2-, -C(CF3)2- 및 -SO2- 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, a/(a+b)는 0.001 내지 1.0이고, c는 공중합체의 분자량이 증가함에 비례적으로 증가하는 고분자 중합도이다.)(In the above, A and A 'are overlapping or cross-selected in the group consisting of -S-, -SO 2- , -C = O- and -P (O) (C 6 H 5 )-, for B- , -S-, -C (CH 3 ) 2- , -C (CF 3 ) 2 -and -SO 2- , any one selected from the group consisting of a / (a + b) is 0.001 to 1.0, c is the degree of polymer polymerization which increases proportionally as the molecular weight of the copolymer increases.)

본 발명의 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰 공중합체의 술폰화도는 55 내지 70%이다.The sulfonation degree of the sulfonated polyarylene ether sulfone copolymer of the present invention is 55 to 70%.

또한, 본 발명은 상기 탄화수소계 수소이온 전도성 공중합체를 유기용매에 용해시켜 용액을 제조하고, 유리 또는 테프론 판 위에 캐스팅한 후, 건조하여 막의 두께를 30 내지 50 ㎛로 제조하는 것으로 이루어진 수소이온 전도성 고분자 전해질 막의 제조방법을 제공한다. In addition, the present invention is to prepare a solution by dissolving the hydrocarbon-based hydrogen ion conductive copolymer in an organic solvent, cast on a glass or Teflon plate, and then dried to produce a film thickness of 30 to 50 ㎛ Provided is a method for producing a polymer electrolyte membrane.

나아가, 본 발명은 상기 제조방법으로부터 제조된 수소이온 전도성 고분자 전해질막을, 하기 화학식 2로 표시되는 2-관능성 방향족 비닐계 화합물 군에서 선택되는 어느 하나가 함유된 반응용액에 80 내지 120℃에서 1분 내지 12시간동안 침지하여, 상기 2-관능성 방향족 비닐계 화합물이 수소이온 전도성 고분자 전해질막에 부분적으로 가교 결합되도록 하고, 상기 침지 후, 0.5M의 황산 수용액으로 산 처리하는 것으로 이루어진 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막의 제조방법을 제공한다.Furthermore, the present invention is a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane prepared from the above production method, the reaction solution containing any one selected from the group of 2-functional aromatic vinyl compound represented by the following formula (2) at 80 to 120 1 Soaking for 12 to 12 hours, the bi-functional aromatic vinyl compound is partially crosslinked to the hydrogen-ion conductive polymer electrolyte membrane, and after the immersion, partially crosslinked consisting of acid treatment with 0.5M sulfuric acid aqueous solution Provided is a method for producing a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane.

상기 2-관능성 방향족 비닐계 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 2-관능성 방향족 비닐계 화합물 군에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 반응용액은 상기 2-관능성 방향족 비닐계 화합물 1 내지 50 중량%가 유기용매에 용해되어 제조된다.The 2-functional aromatic vinyl compound is any one selected from the group of 2-functional aromatic vinyl compounds represented by the following Formula 2, and the reaction solution is 1 to 50% by weight of the 2-functional aromatic vinyl compound Is prepared by dissolving in an organic solvent.

화학식 2Formula 2

Figure 112007086035429-PAT00005
Figure 112007086035429-PAT00005

이때, 유기용매는 상기 2-관능성 방향족 비닐계 화합물이 액상이면, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용하고, 상기 2-관능성 방향족 비닐계 화합물이 고상이면, o-크실렌, m-크실렌 및 p-크실렌 군에서 선택되는 어느 하나를 사용한다.At this time, the organic solvent is any one selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol and butanol when the 2-functional aromatic vinyl compound is a liquid phase, and when the 2-functional aromatic vinyl compound is a solid phase, Any one selected from the group o-xylene, m-xylene and p-xylene is used.

본 발명은 상기 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막의 제조방법으로 제조되되, 상기 2-관능성 방향족 비닐계 화합물이 함유된 반응용액이 상기 수소이온 전도성 고분자 전해질막 단위 질량당 0.01 내지 25중량%로 도입되고, 단위 두께당 10 내지 80%의 두께 증가가 발생되도록 하여, 최종 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막의 두께가 40 내지 60 ㎛인 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 제공한다.The present invention is prepared by the method of preparing the partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, wherein the reaction solution containing the 2-functional aromatic vinyl compound is 0.01 to 25% by weight per unit mass of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane. And a thickness increase of 10 to 80% per unit thickness is generated to provide a partially crosslinked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane having a thickness of 40 to 60 μm of the final partially crosslinked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane.

나아가, 상기 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막으로 구성된 막-전극 접합체 및 이를 직접 메탄올 연료전지 또는 고분자 전해질형 연료전지에 채용한 고분자 전해질형 연료전지를 제공한다.Furthermore, there is provided a membrane-electrode assembly composed of the partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and a polymer electrolyte fuel cell employing the same in a methanol fuel cell or a polymer electrolyte fuel cell.

본 발명은 탄화수소계 수소이온 전도성 공중합체로서, 술폰화도가 55 내지 70%인 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰 공중합체를 제공함으로써, 친수성 그룹이 높은 농도로 함유되면서도 끓는 물과 산에 용해되지 않으며, 가공성이 우수하여, 최대 20 ㎛ 이하의 두께의 박막제조 시에도 변형되지 않는 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 제조할 수 있다. The present invention provides a sulfonated polyarylene ether sulfone copolymer having a sulfonation degree of 55 to 70% as a hydrocarbon-based hydrogen ion conductive copolymer, so that the hydrophilic group is contained in a high concentration and is not dissolved in boiling water and acid, Excellent workability, it is possible to produce a hydrogen-ion conductive polymer electrolyte membrane that does not deform even when producing a thin film of up to 20 ㎛ thickness.

이에, 본 발명은 상기 수소이온 전도성 고분자 전해질 막에 2-관능성 방향족 비닐계 화합물을 직접 반응시켜, 간단한 제조공정으로 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 제조함으로써, 막의 치수 안정성 및 기계적 특성이 향상된 우수한 성능의 막-전극 접합체를 제조할 수 있다. Accordingly, the present invention by directly reacting a bi-functional aromatic vinyl compound to the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, to prepare a partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane in a simple manufacturing process, thereby improving the dimensional stability and mechanical properties of the membrane Excellent performance membrane-electrode assemblies can be prepared.

더 나아가, 본 발명은 막-전극 접합체를 직접 메탄올 연료전지 또는 수소이온 교환막 연료전지에 채용함으로써, 연료전지의 전체 효율이 향상되고, 80℃ 이상의 높은 온도와 강한 산성 환경에서도 안정적이므로 장기 운전이 가능한 고분자 전해질형 연료전지를 제공할 수 있다.Furthermore, the present invention employs a membrane-electrode assembly directly in a methanol fuel cell or a hydrogen ion exchange membrane fuel cell, thereby improving the overall efficiency of the fuel cell and allowing long-term operation because it is stable even at a high temperature of 80 ° C. or higher in an acidic environment. A polymer electrolyte fuel cell can be provided.

이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 가지면서, 25℃의 NMP 상에서 측정한 고유점도가 2.0 내지 3.0 dl/g인, 탄화수소계 수소이온 전도성 공중합체를 제공한다.The present invention provides a hydrocarbon-based hydrogen ion conductive copolymer having a repeating unit represented by the following Chemical Formula 1, having an intrinsic viscosity of 2.0 to 3.0 dl / g measured on NMP at 25 ° C.

화학식 1Formula 1

Figure 112007086035429-PAT00006
Figure 112007086035429-PAT00006

(상기에서, A와 A'는 하기 작용기로부터 선택되는 어느 하나이며, 중복 또는 교차 선택될 수 있고,(In the above, A and A 'is any one selected from the following functional groups, can be duplicated or cross-selected,

Figure 112007086035429-PAT00007
Figure 112007086035429-PAT00007

B는 하기 작용기로부터 선택되는 어느 하나이며, B is any one selected from the following functional groups,

Figure 112007086035429-PAT00008
Figure 112007086035429-PAT00008

a/(a+b)는 0.001 내지 1.0이고, c는 공중합체의 분자량이 증가함에 비례적으로 증가하는 고분자 중합도이다.)a / (a + b) is 0.001 to 1.0, and c is a degree of polymer polymerization which increases proportionally as the molecular weight of the copolymer increases.)

본 발명의 탄화수소계 수소이온 전도성 공중합체는 술폰화도가 55 내지 70%인 술폰 화 폴리아릴렌에테르술폰 공중합체이며, 부분 가교된 고분자 전해질 막의 출발물질로서 사용된다.The hydrocarbon-based hydrogen ion conductive copolymer of the present invention is a sulfonated polyarylene ether sulfone copolymer having a sulfonation degree of 55 to 70%, and is used as a starting material of a partially crosslinked polymer electrolyte membrane.

즉, 본 발명의 부분 가교된 고분자 전해질 막 제조용 원료로서 사용되는 화학식 1로 표시되는 공중합체의 고유 점도는 물 또는 메탄올 등의 연료전지 작동 용매에 용해되지 않아야 하는 요구를 충족하기 위하여, 25℃의 NMP 상에서 0.8 이상 3.0 dl/g의 범위가 바람직하며, 더욱 바람직하게는, 2.0 내지 3.0 dl/g이다. That is, the intrinsic viscosity of the copolymer represented by the formula (1) used as a raw material for preparing the partially crosslinked polymer electrolyte membrane of the present invention is 25 ℃ in order to meet the requirement that it should not be dissolved in water or a fuel cell working solvent such as methanol. The range of 0.8 or more and 3.0 dl / g on NMP is preferable, More preferably, it is 2.0-3.0 dl / g.

이때, 발명의 부분 가교된 고분자 전해질 막 제조용 원료로서 사용되는 공중합체의 점도가 0.8 dl/g보다 작으면, 제조된 막의 물리적 강도가 저하되면서 미세한 균열이 발생되어 연료전지용 고분자 전해질 막으로 적용하기 어렵고, 3.0 dl/g보다 크면, 단위 용매 부피당 공중합체의 용해도가 감소하여 용액 제조 및 균일 분산, 막 표면으로의 용매 이탈이 원활하지 않아 불균일하고 기공(pore)이 많은 막이 형성되므로 바람직하지 않다. At this time, if the viscosity of the copolymer used as a raw material for preparing the partially crosslinked polymer electrolyte membrane is less than 0.8 dl / g, fine cracks are generated while the physical strength of the prepared membrane is lowered, making it difficult to apply the polymer electrolyte membrane for fuel cells. In the case of more than 3.0 dl / g, the solubility of the copolymer per solvent volume of the solvent decreases, so that solution preparation, uniform dispersion, and solvent release to the surface of the membrane are not smooth, thereby forming a non-uniform and porous film.

또한, 공중합체의 점도가 2.0 dl/g 보다 작으면, 공중합체에 도입되는 술폰기의 최대량이 제한되며, 보다 구체적으로는 고유점도가 2.0 dl/g 이하인 공중합체의 술폰화도(degree of sulfonation)가 50% 이상에 이르면 끓는 물 또는 산에 용해되는 것으로 알려져 있다. 반면에, 본 발명의 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰 공중합체는 1H NMR(핵자기공명) 분석을 통하여 공중합체의 술폰화도(degree of sulfonation)가 확인되며, 상기 공중합체의 술폰화도가 55 내지 70%임에도, 끓는 물 또는 산에서의 질량 감소 및 형태학적 특성 변화가 전혀 없다[미도시]. 또한, 가공성과 기계적 특성이 우수하여, 최대 20 ㎛ 이하의 박막(薄膜) 두께에서도 변형되지 않는 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 제조할 수 있다. In addition, when the viscosity of the copolymer is less than 2.0 dl / g, the maximum amount of sulfone groups introduced into the copolymer is limited, and more specifically, the degree of sulfonation of the copolymer having an intrinsic viscosity of 2.0 dl / g or less Is known to dissolve in boiling water or acid when at least 50%. On the other hand, the sulfonated polyarylene ether sulfone copolymer of the present invention is confirmed the degree of sulfonation of the copolymer through 1 H NMR (nuclear magnetic resonance) analysis, the sulfonation degree of the copolymer is 55 to At 70%, there is no mass loss or morphological change in boiling water or acid [not shown]. In addition, it is excellent in workability and mechanical properties, it is possible to produce a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane that does not deform even at a thin film thickness of up to 20 ㎛.

상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 가지는 탄화수소계 수소이온 전도성 공중합체의 제조방법은 하기 반응식 1과 같다.Method for producing a hydrocarbon-based hydrogen ion conductive copolymer having a repeating unit represented by the formula (1) is the same as in Scheme 1.

Figure 112007086035429-PAT00009
Figure 112007086035429-PAT00009

(상기에서, 단량체 내의 A, A', B, a, b 및 c는 상기에서 정의한 바와 같고, Z는 공중합 반응시, 이탈그룹으로서 F 또는 Cl의 할로겐족 원소 또는 -NO2이다.)(In the above, A, A ', B, a, b and c in the monomer are as defined above and Z is a halogen group element of F or Cl or -NO 2 as leaving group in the copolymerization reaction.)

나아가, 상기 탄화수소계 수소이온 전도성 공중합체를 유기용매에 용해시켜 용액을 제조하고, 유리 또는 테프론 판 위에 캐스팅한 후 건조하여, 막의 두께를 30 내지 50 ㎛로 제조하는 수소이온 전도성 고분자 전해질 막의 제조방법을 제공한다.Furthermore, a method of producing a hydrogen-ion conductive polymer electrolyte membrane in which the hydrocarbon-based hydrogen ion conductive copolymer is dissolved in an organic solvent to prepare a solution, cast on a glass or teflon plate, and then dried to prepare a thickness of 30 to 50 μm. To provide.

또한, 본 발명은 1) 상기 화학식 1로 표시되는 탄화수소계 수소이온 전도성 공중합체를 이용하여 제조된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 준비하고, In addition, the present invention 1) to prepare a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane prepared using a hydrocarbon-based hydrogen ion conductive copolymer represented by Formula 1,

2) 하기 화학식 2로 표시되는 2-관능성 방향족 비닐계 화합물 군에서 선택되는 어 느 하나가 함유된 반응용액을 제조하고, 2) preparing a reaction solution containing any one selected from the group of 2-functional aromatic vinyl compounds represented by the following Formula 2,

3) 상기 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 상기 반응용액에 80 내지 120℃에서 1분 내지 12시간동안 침지하여, 상기 2-관능성 방향족 비닐계 화합물이 수소이온 전도성 고분자 전해질막에 부분적으로 가교 결합되도록 하고, 3) the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane is immersed in the reaction solution at 80 to 120 ° C. for 1 minute to 12 hours to partially crosslink the bifunctional aromatic vinyl compound to the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane. ,

4) 상기 침지 후, 0.5M의 황산 수용액으로 산 처리하는 것으로 이루어진, 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막의 제조방법을 제공한다.4) After the immersion, it provides a method for producing a partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane consisting of acid treatment with 0.5M sulfuric acid aqueous solution.

화학식 2Formula 2

Figure 112007086035429-PAT00010
Figure 112007086035429-PAT00010

상기 제조방법에서, 단계 1)에서 부분 가교된 고분자 전해질 막 제조용 원료로서 사용되는 전해질 막은 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰 공중합체로부터 10 내지 200 ㎛의 막 두께로 자유롭게 제조가 가능하나, 가교 반응 시, 발생되는 전해질 막의 두께 증가를 고려하여 가교된 최종 전해질 막의 두께가 40 내지 60 ㎛ 범위에 이르도록 조절하는 것이 바람직하다. In the above production method, the electrolyte membrane used as a raw material for preparing the partially crosslinked polymer electrolyte membrane in step 1) can be freely prepared in a sulfonated polyarylene ether sulfone copolymer with a film thickness of 10 to 200 μm, In consideration of the increase in thickness of the generated electrolyte membrane, it is preferable to adjust the thickness of the crosslinked final electrolyte membrane to be in the range of 40 to 60 μm.

이때, 부분 가교된 최종 전해질 막의 두께가 40 ㎛ 미만이면, 막을 통하여 연료 및 반응 기체의 투과가 일어나 연료전지의 효율을 저하시키며, 60 ㎛를 초과하면, 수소이온의 전달경로가 과도하게 증가하여 단위 전지의 저항이 증가한다.At this time, when the thickness of the partially cross-linked final electrolyte membrane is less than 40 μm, permeation of fuel and reaction gas occurs through the membrane to decrease the efficiency of the fuel cell, and when it exceeds 60 μm, the transfer path of hydrogen ions is excessively increased to increase the unit. The resistance of the battery increases.

단계 2)의 반응용액은 2-관능성 방향족 비닐계 화합물 1 내지 50 중량%가 유기용매 에 용해되어 제조된 것이며, 이때, 사용되는 유기용매는 2-관능성 방향족 비닐계 화합물이 액상(liquid phase)인 경우 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 부탄올 등의 알코올 군으로부터 선택되며, 고상(solid phase)인 경우 o-크실렌, m-크실렌 및 p-크실렌 군에서 선택된다. The reaction solution of step 2) is prepared by dissolving 1 to 50% by weight of a 2-functional aromatic vinyl compound in an organic solvent, wherein the organic solvent used is a liquid phase in which the 2-functional aromatic vinyl compound is in a liquid phase. ) Is selected from the group of alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol, butanol and the like and from the o-xylene, m-xylene and p-xylene groups in the solid phase.

또한, 2-관능성 방향족 비닐계 화합물의 함량이 1 중량% 미만이면, 부분 가교 효과가 현저히 저하되고, 50 중량%를 초과하면, 가교 반응시, 비닐계 단량체 간의 자체 중합(homo-polymerization)으로 반응용액이 굳어지는 문제가 발생한다.In addition, when the content of the 2-functional aromatic vinyl compound is less than 1% by weight, the partial crosslinking effect is remarkably lowered, and when the content of the bifunctional aromatic vinyl compound is greater than 50% by weight, the cross-linking reaction results in homo-polymerization between the vinyl monomers. The reaction solution is hardened.

단계 3)은 상기 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 상기 반응용액에 80 내지 120℃에서 1분 내지 12시간동안 침지하여, 상기 2-관능성 방향족 비닐계 화합물이 수소이온 전도성 고분자 전해질 막에 부분적으로 가교 결합되도록 하는 단계이다. In step 3), the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane is immersed in the reaction solution at 80 to 120 ° C. for 1 minute to 12 hours, so that the 2-functional aromatic vinyl compound is partially crosslinked to the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane. This is to make sure.

이때, 가교 결합은 상기 화학식 2의 군에서 선택되는 어느 하나의 2-관능성 방향족 비닐계 화합물이 단계 1)에서 제조된 원료 전해질 막의 단위 질량 당 0.01 내지 25중량%로 도입되도록 한다. 더욱 바람직하게는 고분자 전해질형 연료전지용 고분자 전해질 막으로의 적용을 위해서는 최대 가교 중량을 10 중량% 이내로 제한하는 것이다. 이때, 10 중량% 이내의 범위에서는 가교 중량이 증가함에 따라 전해질 막의 기계적 특성도 비례적으로 증가하고, 연료 및 반응 기체의 투과가 감소되지만, 10 중량%를 초과하면, 전해질 막의 저항이 크게 증가하여 이온 전도도 및 단위 전지성능의 현저한 저하가 관찰되며, 막의 경도가 과도하게 증가하여 막-전극 접합체의 제조에도 어려움이 따른다.At this time, the crosslinking allows any one of the 2-functional aromatic vinyl compound selected from the group of Formula 2 to be introduced at 0.01 to 25% by weight per unit mass of the raw material electrolyte membrane prepared in step 1). More preferably, the maximum crosslinking weight is limited to within 10% by weight for application to a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell. At this time, within 10% by weight of the cross-linking weight increases the mechanical properties of the electrolyte membrane proportionally, and the permeation of the fuel and the reaction gas is reduced, but if it exceeds 10% by weight, the resistance of the electrolyte membrane is greatly increased Significant decreases in ionic conductivity and unit cell performance are observed, and the hardness of the membrane is excessively increased, which leads to difficulty in manufacturing the membrane-electrode assembly.

또한, 고분자 전해질 막의 두께가 단위 두께당 10 내지 80% 증가된 부분 가교된 고 분자 전해질 막을 제조한다. 더욱 바람직하게는 최종 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막의 두께가 40 내지 60 ㎛로 제조된다.In addition, a partially crosslinked high molecular electrolyte membrane is prepared in which the thickness of the polymer electrolyte membrane is increased by 10 to 80% per unit thickness. More preferably, the thickness of the final partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane is made from 40 to 60 μm.

상기 가교 반응이 완료되면, 반응용매로부터 전해질 막을 분리하고, 반응에 사용된 유기용매로 잔류 반응물을 수 회 추출하여 세척한 후, 50℃의 진공 건조기에서 더 이상의 무게 감소가 없을 때까지 건조하고, 가교 반응 전후의 전해질 막 중량 증감 및 두께 변화를 측정하였다.When the crosslinking reaction is completed, the electrolyte membrane is separated from the reaction solvent, the remaining reactant is extracted and washed several times with the organic solvent used in the reaction, dried in a vacuum dryer at 50 ℃ until no further weight loss, The weight and thickness of the electrolyte membrane before and after the crosslinking reaction were measured.

상기 단계 4)에서 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 100℃, 0.5M의 황산 수용액에서 2시간 이상 최종 산 처리함으로써, 높은 수소이온 전도성을 부여받게 된다.In the step 4), the partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane is subjected to final acid treatment at 100 ° C. in 0.5M sulfuric acid solution for 2 hours or more, thereby obtaining high hydrogen ion conductivity.

도 2는 본 발명의 부분 가교화된 고분자 전해질 막 및 가교되지 않는 원료용 고분자 전해질 막과 상용되는 나피온막에 대한 이온 전도도를 측정한 결과로서, 본 발명의 고분자 전해질 막은 상용 나피온(Nafion 112

Figure 112007086035429-PAT00011
)막에 대비하여, 대등하거나 보다 높은 이온 전도도를 보인다. 2 is a result of measuring the ionic conductivity of the Nafion membrane compatible with the partially cross-linked polymer electrolyte membrane and the non-crosslinked polymer electrolyte membrane for the raw material of the present invention, the polymer electrolyte membrane of the present invention is a commercial Nafion 112
Figure 112007086035429-PAT00011
In contrast to membranes, they exhibit comparable or higher ionic conductivity.

또한, 도 3은 본 발명의 부분 가교화된 고분자 전해질 막 및 가교되지 않는 원료용 고분자 전해질 막과 상용되는 나피온(Nafion-112

Figure 112007086035429-PAT00012
)막에 대하여, 동일한 조건에서의 인장강도를 측정한 결과, 본 발명에 의한, 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막의 경우, 상용 나피온 막보다 현저히 우수한 기계적 물성을 보인다. 3 is Nafion-112 compatible with the partially crosslinked polymer electrolyte membrane of the present invention and the polymer electrolyte membrane for non-crosslinked raw materials (Nafion-112).
Figure 112007086035429-PAT00012
The tensile strength of the membrane was measured under the same conditions. As a result, the partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane according to the present invention showed significantly superior mechanical properties than commercial Nafion membranes.

따라서, 본 발명의 부분 가교된 고분자 전해질 막 및 가교되지 않는 원료용 고분자 전해질 막은 상용되는 나피온(Nafion-112

Figure 112007086035429-PAT00013
)막에 대하여 대등하거나 우수한 이온 전도도 및 기계적 안정성을 확인할 수 있으며, 특히, 가교되지 않는 원료용 고분자 전해질 막에 2 관능성의 방향족 비닐계 화합물이 부분적으로 가교되어 제조된 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막은 막의 치수 안정성(dimensional stability) 및 기계적 특성(mechanical property)이 우수하다.Therefore, the partially crosslinked polymer electrolyte membrane of the present invention and the non-crosslinked polymer electrolyte membrane for raw materials are commonly used Nafion-112.
Figure 112007086035429-PAT00013
Particularly crosslinked hydrogen ion conductive polymer electrolyte prepared by partial crosslinking of bifunctional aromatic vinyl compounds in the polymer electrolyte membrane for raw materials that are not crosslinked can be confirmed to have a similar or superior ionic conductivity and mechanical stability to the membrane. Membranes have good dimensional stability and mechanical properties.

본 발명은 상기 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막으로 구성된 막-전극 접합체 및 상기 막-전극 접합체를 직접 메탄올 연료전지(DMFC; direct methanol fuel cell)에 채용한 연료전지를 제공한다.The present invention provides a membrane-electrode assembly composed of the partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and a fuel cell employing the membrane-electrode assembly in a direct methanol fuel cell (DMFC).

특히, 상기 막-전극 접합체를 직접 메탄올 연료전지(DMFC; direct methanol fuel cell)에 채용하는 경우, 물 흡수율(water uptake) 및 메탄올 투과도(methanol crossover)가 낮아져 직접 메탄올 연료전지 전체 효율이 향상될 수 있다.In particular, when the membrane-electrode assembly is employed in a direct methanol fuel cell (DMFC), water uptake and methanol crossover may be lowered to improve overall efficiency of the direct methanol fuel cell. have.

또한, 상기 막-전극 접합체를 수소이온 교환막 연료전지(PEMFC; proton exchange membrane fuel cell)에 채용하면, 열적 안정성(thermal stability)과 산화 안정성(oxidation stability)이 향상되어 80℃ 이상의 높은 온도와 강한 산성 환경에서도 안정적이므로, 연료전지의 장기 운전이 가능하다.In addition, when the membrane-electrode assembly is employed in a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), thermal stability and oxidation stability are improved, resulting in high temperature of 80 ° C. or higher and strong acidity. Since it is stable in the environment, the fuel cell can be operated for a long time.

도 4는 본 발명의 부분 가교된 고분자 전해질 막 및 가교되지 않는 원료용 고분자 전해질 막과 상용되는 나피온(Nafion-112

Figure 112007086035429-PAT00014
)막에 대한 단위 전지 성능 평가 결과로서, 본 발명의 부분 가교된 고분자 전해질 막의 경우, 전류밀도가 높고, 낮은 전지 전압강하 특성을 나타낸다. 4 is Nafion-112 compatible with the partially cross-linked polymer electrolyte membrane of the present invention and the non-crosslinked raw material polymer electrolyte membrane (Nafion-112).
Figure 112007086035429-PAT00014
As a result of evaluation of unit cell performance for the membrane, the partially crosslinked polymer electrolyte membrane of the present invention exhibits high current density and low battery voltage drop characteristics.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.This embodiment is intended to illustrate the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

<실시예 1> 술폰화도가 60%인 술폰화아릴에테르술폰 고분자 전해질 막 제조<Example 1> Preparation of sulfonated arylether sulfone polymer electrolyte membrane having sulfonation degree of 60%

단계 1: 술폰화도가 60%인 술폰화아릴에테르술폰 공중합체의 제조Step 1: preparation of sulfonated arylether sulfone copolymer having a sulfonation degree of 60%

300㎖의 가지 달린 둥근 바닥 플라스크에 가스 주입구, 온도계, 딘-스탁 트랩, 냉각기 및 교반기를 설치하고, 질소 분위기에서 기체상의 불순물을 충분히 제거한 후, 바이페놀(BP; 4,4'-biphenol) 9.9239g(53.3 mmol), 디플루오로디페닐술폰(DFDPS; 4,4'-difluorodiphenyl sulfone) 5.4200g(21.3 mmol), 술폰화디플루오로디페닐술폰(SDFDPS; 3,3'-disulfonated-4,4'-difluorodiphenyl sulfone) 14.6561g(32.0 mmol), K2CO3 8.9126g(64.5 mmol), 디메틸아세트아미드(DMAc; N,N-dimethylacetamide) 120㎖ 및 톨루엔 60㎖를 함께 넣고, 80℃에서 2시간 동안 교반시켜 단량체를 완전히 용해시켰다. 상기 반응용액의 온도를 140℃로 승온시켜 4시간 동안 유지한 후, 딘-스탁 트랩을 이용하여 반응 시 생성된 물과 톨루엔을 모두 제거하고, 다시 160℃의 반응온도에서 3시간 동안 반응시켰다. 반응이 종료되면 20㎖의 DMAc로 반응용액을 희석시켜 여과한 후, 3차 증류수에 침전시켜 팽윤된 가는 섬유(swollen fiber) 형태의 공중합체 침전물을 얻었다. 증류수로부터 분리된 공중합체를 수회에 걸쳐 세척-여과한 후 감압 건조함으로써, 술폰화도가 61.2%이며, 고유점도가 2.89 ㎗/g인 술폰화아릴에테르술폰 공중합체(SPAES-60)를 얻었다. 상기 술폰화도는 1H NMR 분석을 통하여 결정되었으며, 상기 고유점도는 25℃, NMP 상에서 모세관 점도계를 통하여 측정된 값이다. 상기 제조방법의 도식적 표현을 하기 반응식 2에 나타내었으며, 1H NMR 분석을 실시하여 상기 제조된 SPAES-60 공중합체의 화학적 구조 및 술폰화도를 확인하고, 그 결과를 도 1에 나타내었다.A 300 ml branched round bottom flask was fitted with a gas inlet, thermometer, Dean-Stark trap, cooler and stirrer, and after removing sufficient gaseous impurities in a nitrogen atmosphere, BP (4,4'-biphenol) 9.9239 g (53.3 mmol), 5.4200 g (21.3 mmol) difluorodiphenyl sulfone (DFDPS; 4,4'-difluorodiphenyl sulfone), sulfonated difluorodiphenyl sulfone (SDFDPS; 3,3'-disulfonated-4,4'- 14.6561 g (32.0 mmol) of difluorodiphenyl sulfone), 8.9126 g (64.5 mmol) of K 2 CO 3 , 120 ml of dimethylacetamide (DMAc; N, N-dimethylacetamide) and 60 ml of toluene were added together and stirred at 80 ° C. for 2 hours. To completely dissolve the monomer. The temperature of the reaction solution was maintained at 140 ° C. and maintained for 4 hours. Then, all of the water and toluene generated during the reaction were removed using a Dean-Stark trap, followed by reaction at 160 ° C. for 3 hours. After the reaction was completed, the reaction solution was diluted with 20 ml of DMAc, filtered, and precipitated in tertiary distilled water to obtain a copolymer precipitate in the form of swollen fiber (swollen fiber). The copolymer separated from distilled water was washed and filtered several times, followed by drying under reduced pressure, thereby obtaining a sulfonated arylether sulfone copolymer (SPAES-60) having a sulfonation degree of 61.2% and an intrinsic viscosity of 2.89 dl / g. The sulfonation degree was determined by 1 H NMR analysis, the intrinsic viscosity is the value measured through a capillary viscometer on 25 ℃, NMP. A schematic representation of the preparation method is shown in Scheme 2 below, 1 H NMR analysis was performed to confirm the chemical structure and sulfonation degree of the prepared SPAES-60 copolymer, and the results are shown in FIG. 1 .

Figure 112007086035429-PAT00015
Figure 112007086035429-PAT00015

(상기에서, k는 0보다 큰 비례상수이다.)(In the above, k is a proportional constant greater than 0.)

단계 2: 술폰화도가 60%인 술폰화아릴에테르술폰 공중합체를 이용한 고분자 전해질 막의 제조Step 2: Preparation of Polymer Electrolyte Membrane Using Sulfonated Aryl Ether Sulfone Copolymer with Sulfonation Degree of 60%

하기 반응식 2를 통하여 합성된 나트륨 염 형태(salt-form)의 SPAES-60 공중합체 0.80g을 8㎖의 정제된 NMP 용매에 용해시킨 후 0.45 ㎛ 공극의 테프론 필터로 여과하여, 10-중량/부피%(w/v%)의 막 제조용 공중합체 용액을 제조하였다. 제조된 용액을 표면 흠집이 없는 깨끗한 유리 또는 테프론 플레이트에 붓고, 60℃의 불활성 기체 분위기에서 할로겐램프를 사용하여 12시간 이상에 걸쳐 서서히 건조한 후, 다시 120℃의 감압 건조기에서 12 시간이상 건조시켜 용액 제조 시 사용된 용매를 완전 제거함으로써, 부분 가교화 반응의 원료용 SPAES-60 공중합체(salt-form)로 이 루어진 고분자 전해질 막을 제조하였다.0.80 g of the salt-form SPAES-60 copolymer synthesized through Scheme 2 was dissolved in 8 ml of purified NMP solvent and filtered through a 0.45 μm pore Teflon filter to give 10-weight / volume. A copolymer solution for preparing a membrane of% (w / v%) was prepared. The prepared solution is poured into a clean glass or Teflon plate without surface scratches, dried slowly over 12 hours using a halogen lamp in an inert gas atmosphere at 60 ° C, and then dried in a reduced pressure dryer at 120 ° C for at least 12 hours. By completely removing the solvent used in the preparation, a polymer electrolyte membrane made of SPAES-60 copolymer (salt-form) for raw materials of the partial crosslinking reaction was prepared.

<비교예 1∼3> 술폰화아릴에테르술폰 고분자 전해질 막 제조<Comparative Examples 1 to 3> Preparation of sulfonated arylether sulfone polymer electrolyte membrane

상기 실시예 1의 단계 1에서, 상기 단량체 중, BP/(DFDPS+SDFDPS)의 비율을 1/1로 고정하고, 상기 DFDPS에 대하여, SDFDPS의 혼합비율을 10, 30, 50몰%로 조절하여 술폰화 폴리아릴에테르술폰 중합체(SPAES-10, 30, 50)를 제조하여 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여, 술폰화도-10%, 30%, 50%인 술폰화아릴에테르술폰 중합체로 이루어진 고분자 전해질 막을 제조하였다. 이때, 술폰화 폴리아릴에테르술폰 중합체의 제조시 혼합비율 및 그로부터 제조된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막의 특성을 하기 표 1에 기재하였다. In step 1 of Example 1, the ratio of BP / (DFDPS + SDFDPS) of the monomers is fixed to 1/1, and the mixing ratio of SDFDPS is adjusted to 10, 30, 50 mol% with respect to the DFDPS. Sulfonated polyaryl ether sulfone polymer (SPAES-10, 30, 50) except that the preparation and use of the same method as in Example 1, the sulfonation degree-10%, 30%, 50% A polymer electrolyte membrane made of an aryl ether sulfone polymer was prepared. In this case, the mixing ratio of the sulfonated polyarylethersulfone polymer and the properties of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane prepared therefrom are shown in Table 1 below.

Figure 112007086035429-PAT00016
Figure 112007086035429-PAT00016

<< 실시예Example 2∼7> 부분  2-7 parts 가교된Crosslinked 수소이온Hydrogen ion 전도성 고분자 전해질 막의 제조  Preparation of Conductive Polymer Electrolyte Membrane

50㎖의 반응 앰플에 디비닐벤젠(DVB; 1,4-divinylbenzene) 15㎖와 에탄올 15㎖를 넣고, 5분간 아르곤가스로 퍼징(purging)한 후, 상기 실시예 1에서 제조된 막 두께 41.2㎛의 SPAES-60 (salt-form, 38 mg) 공중합체로 이루어진 고분자 전해질 막을 침지한 후 다시 5분간 퍼징하였다. 이후, 반응 앰플을 80℃로 고정된 항온조에 넣고 30분 동안 유지한 후, 가교된 전해질 막을 반응용액으로부터 분리하여 에탄올로 수 회 추출하여 세척하고, 건조용 감압 플레이트 상에서 더 이상의 무게 감소가 없을 때까지 건조하였다. 상기 나트륨 염 형태의 가교된 전해질 막을 100℃, 0.5M의 황산 수용액에서 2시간 이상 산(acid) 처리함으로써, 높은 수소이온 전도도를 나타내면서, 기계적 강도가 향상된 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 제조하였다.15 ml of divinylbenzene (DVB; 1,4-divinylbenzene) and 15 ml of ethanol were added to a 50 ml reaction ampoule, and after purging with argon gas for 5 minutes, the film thickness prepared in Example 1 was 41.2 μm. After immersing the polymer electrolyte membrane consisting of SPAES-60 (salt-form, 38 mg) of the copolymer was further purged for 5 minutes. Thereafter, the reaction ampoule was placed in a thermostat fixed at 80 ° C. and maintained for 30 minutes, after which the crosslinked electrolyte membrane was separated from the reaction solution, extracted and washed several times with ethanol, and when there was no further weight loss on the drying pressure reducing plate. To dry. The cross-linked electrolyte membrane in the sodium salt form was acid treated at 100 ° C. in 0.5 M sulfuric acid solution for 2 hours or more to prepare a partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane having high hydrogen ion conductivity and improved mechanical strength. .

상기 실시예 1에서 제조된 SPAES-60 공중합체로 이루어진 고분자 전해질 막을 표 2에 제시된 조건으로 수행하여 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 제조하고, 상기 막의 특성을 기재하였다.The polymer electrolyte membrane composed of the SPAES-60 copolymer prepared in Example 1 was carried out under the conditions shown in Table 2 to prepare a partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and the characteristics of the membrane were described.

Figure 112007086035429-PAT00017
Figure 112007086035429-PAT00017

<< 실시예Example 8>  8>

상기 실시예 2에서 가교반응에 관여하는 디비닐벤젠 대신에, 디이소프로페닐벤젠(DIPB; 1,4-diisopropenyl benzene)을 사용하고, 유기용매를 p-크실렌으로 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 실시하여, 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 제조하였다.Except for using diisopropenylbenzene (DIPB; 1,4-diisopropenyl benzene) instead of divinylbenzene involved in the crosslinking reaction in Example 2, except that the organic solvent is used as p-xylene, A partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 2.

<실험예 1> 이온 전도도 측정Experimental Example 1 Ion Conductivity Measurement

상기 실시예 2∼7에서 제조된 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막과 상용되는 나피온(Nafion-112

Figure 112007086035429-PAT00018
)막간의 성능을 비교하기 위하여, 가교되지 않는 원료용 고분자 전해질 막, 부분 가교된 전해질 막 및 상용된 나피온(Nafion-112
Figure 112007086035429-PAT00019
)에 대하여, 25∼80℃의 온도 범위에서 동일한 과정을 거쳐 이온 전도도를 측정하였다. Nafion compatible with the partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane prepared in Examples 2 to 7 (Nafion-112
Figure 112007086035429-PAT00018
To compare the performance between the membranes, a polymer electrolyte membrane for a raw material that is not crosslinked, a partially crosslinked electrolyte membrane, and a commercially available Nafion-112
Figure 112007086035429-PAT00019
), The ion conductivity was measured in the same range in the temperature range of 25 ~ 80 ℃.

이때, 시료로는 상기 실시예 1에서 제조된 술폰화도가 60%인 술폰화아릴에테르술폰(SPAES-60)으로 이루어진 고분자 전해질 막 및 실시예 4에서 제조된 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 사용하였으며, 상기 막들의 두께와 가교 반응조건을 조절함으로써, 최종 전해질 막의 두께를 상용된 나피온(Nafion 112

Figure 112007086035429-PAT00020
) 두께의 ±5% 이내로 조절하여 제조하였다. In this case, a polymer electrolyte membrane composed of sulfonated arylether sulfone (SPAES-60) having a sulfonation degree of 60% prepared in Example 1 and a partially crosslinked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane prepared in Example 4 were used. By adjusting the thickness of the membranes and the crosslinking reaction conditions, the thickness of the final electrolyte membrane was changed to Nafion 112.
Figure 112007086035429-PAT00020
) Was prepared to adjust within ± 5% of the thickness.

이온 전도도는 솔라트론 분석기(Solatron 1260 Impedance/Gain-Phase analyzer)를 사용하여 측정되었으며 임피던스 스펙트럼은 10MHz∼10Hz까지 기록하였으며, 하기 수학식 1에 의하여 이온 전도도를 산출하였다. Ion conductivity was measured using a Solartron analyzer (Solatron 1260 Impedance / Gain-Phase analyzer) and the impedance spectrum was recorded up to 10MHz ~ 10Hz, the ion conductivity was calculated by the following equation (1).

이온 전도도(ion conductivity, S/cm); ∂ = 1/R × L/AIon conductivity (S / cm); ∂ = 1 / R × L / A

(상기에서, δ,는 측정전극사이의 거리(1 cm)이고, R은 측정 저항(ohm), L은 측정 전극 사이의 길이(cm), A는 제조된 전해질 막의 단면적(cm2)이다.)(In the above, δ, S is the distance between the measuring electrodes (1 cm), R is the measuring resistance (ohm), L is the length (cm) between the measuring electrodes, A is the cross-sectional area (cm 2 ) of the prepared electrolyte membrane. .)

도 2는 본 발명의 가교화된 고분자 전해질 막 및 가교되지 않는 원료용 고분자 전해질 막과, 상용되는 나피온(Nafion-112

Figure 112007086035429-PAT00021
)막에 대한 이온전도도의 결과로서, 가교되지 않는 원료용 고분자 전해질 막(실시예 1)과 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막(실시예 4)은 동일 측정 조건에서, 동등한 두께의 상용 나피온(Nafion 112
Figure 112007086035429-PAT00022
)막에 대비하여, 대등하거나 보다 높은 이온 전도도 특성을 나타내었다. 2 is a cross-linked polymer electrolyte membrane of the present invention and a non-crosslinked polymer electrolyte membrane for raw materials, and Nafion is commonly used (Nafion-112
Figure 112007086035429-PAT00021
As a result of the ion conductivity of the membrane, the non-crosslinked polymer electrolyte membrane for raw material (Example 1) and the partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane (Example 4) were commercially available Nafion of equal thickness under the same measurement conditions. (Nafion 112
Figure 112007086035429-PAT00022
Compared to the membrane, it showed comparable or higher ionic conductivity properties.

<실험예 2> 메탄올 투과도 측정Experimental Example 2 Methanol Permeability Measurement

메탄올 투과도는 일정한 농도의 메탄올과 물이 담긴 두 용기의 상호 연결 통로에 전해질 막을 유체 흐름과 직각 방향으로 장착한 후, 측정온도 30℃에서 막을 통하여 투과된 메탄올의 농도를 가스크로마토그래피(GC)를 통하여 일정 시간 간격으로 측정하고, 이로부터 메탄올의 투과계수를 하기 수학식 2에 준하여 계산하였다.Methanol permeability was measured by placing the electrolyte membrane in the interconnection path of two vessels containing a constant concentration of methanol and water at right angles to the fluid flow, and then measuring the concentration of methanol permeated through the membrane at a measurement temperature of 30 ° C. It was measured at regular intervals throughout, and from this the permeation coefficient of methanol was calculated according to the following equation (2).

메탄올 투과도(methanol crossover, cm2/s); P = aㆍVBㆍL/AㆍCAMethanol permeability (methanol crossover, cm 2 / s); P = a, VB, L / A, CA

(상기에서, a는 시간-농도 그래프에서의 기울기이고, VB는 투과된 메탄올의 부피(cm3)이고, L은 전해질 막의 두께(cm)이고, A는 전해질 막의 면적(cm2)이고, CA는 사용된 메탄올의 농도이다.)(In the above, a is the slope in the time-concentration graph, VB is the volume of methanol permeated (cm 3 ), L is the thickness of the electrolyte membrane (cm), A is the area of the electrolyte membrane (cm 2 ), CA Is the concentration of methanol used.)

그 결과, 본 발명의 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막에 대한 메탄올 투과도를 측정한 결과, 가교되지 않은 상태에서 산 처리된 고분자 전해질 막(SPAES-60)과 상용되는 나피온(Nafion 112

Figure 112007086035429-PAT00023
) 막에 대하여, 동등 막 두께에서 메탄올 투과도가 최대 30% 이하로 감소하였다.As a result, the methanol permeability of the partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane of the present invention was measured. As a result, Nafion 112 is compatible with the acid-treated polymer electrolyte membrane (SPAES-60).
Figure 112007086035429-PAT00023
For membranes, methanol permeability decreased up to 30% at equivalent membrane thicknesses.

<실험예 3> 기계적 특성 평가Experimental Example 3 Mechanical Property Evaluation

상기 제조된 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막의 기계적 특성 평가를 위하여, 가교화된 고분자 전해질 막, 가교되지 않는 원료 고분자 전해질 막 및 상용된 나피온(Nafion 112

Figure 112007086035429-PAT00024
) 막을 각각 1×10 (W×L, cm) 크기로 절단한 후, 시험 장비(인스트론-5755)를 이용하여 ASTM D412 시험법에 기준하여 비교 평가하였다. 이 때, 시료로는 상기 실시예 1에서 제조된 술폰화도가 60%인 술폰화아릴에테르술폰(SPAES-60)으로 이루어진 고분자 전해질 막 및 실시예 4에서 제조된 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 사용하였다. In order to evaluate the mechanical properties of the prepared partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, the cross-linked polymer electrolyte membrane, non-crosslinked raw polymer electrolyte membrane and commercially available Nafion 112
Figure 112007086035429-PAT00024
) The membranes were cut into 1 × 10 (W × L, cm) sizes, respectively, and then evaluated using the test equipment (Instron-5755) based on the ASTM D412 test method. At this time, the sample is a polymer electrolyte membrane consisting of sulfonated arylether sulfone (SPAES-60) having a sulfonation degree of 60% prepared in Example 1 and a partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane prepared in Example 4 Used.

도 3은 본 발명의 가교화된 고분자 전해질 막 및 가교되지 않는 원료용 고분자 전해질 막과, 상용되는 나피온(Nafion-112

Figure 112007086035429-PAT00025
)막에 대하여, 동일한 조건에서의 인장강도 특성평가를 수행한 결과, 가교되지 않은 고분자 전해질 막(실시예 1)의 기계적 강도는 나피온 막보다 낮았으나, 본 발명에 의한 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막의 경우, 상용 나피온 막보다 현저히 우수한 기계적 물성을 나타내었다. 3 is a cross-linked polymer electrolyte membrane of the present invention and a non-crosslinked polymer electrolyte membrane for raw materials, and Nafion is commonly used (Nafion-112
Figure 112007086035429-PAT00025
The mechanical strength of the uncrosslinked polymer electrolyte membrane (Example 1) was lower than that of the Nafion membrane, but the partially crosslinked hydrogen ion conductivity according to the present invention was obtained. In the case of the polymer electrolyte membrane, mechanical properties were significantly better than those of the commercial Nafion membrane.

<실시예 9> 부분 가교된 고분자 전해질 막-전극 접합체 제조Example 9 Partially Crosslinked Polymer Electrolyte Membrane Electrode Assembly Preparation

상기 실시예에서 제조된 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 이용하여 고분자 전해질형 연료전지용 막-전극 접합체를 제조하였다. 막-전극 접합체 제조에 있어서, 연료극과 공기극 촉매로서 백금-루테늄(Pt-Ru, Johnson Matthey, HiSPEC 6000) 합금 촉매와 백금 블랙(Pt, Johnson Matthey, HiSPEC 1000) 촉매를 각각 사용하였으며, 촉매층을 지지하는 가스 확산층은 테프론으로 처리된 탄소 종이(Toray, TGPH-060, 질량기준 20% PTFE)를 사용하였다. 상기 촉매들과 상기 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막 제조용 용액으로부터 균일 분산된 촉매 잉크를 제조한 후, 탄소 종이에 골고루 뿌려 산화극과 공기극의 촉매 층을 형성시키고 고온에서 압착함으로써, 본 발명의 막-전극 접합체를 제조하였다. A membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell was prepared using the partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane prepared in the above embodiment. In the preparation of the membrane-electrode assembly, platinum-ruthenium (Pt-Ru, Johnson Matthey, HiSPEC 6000) alloy catalyst and platinum black (Pt, Johnson Matthey, HiSPEC 1000) catalyst were used as anode and cathode catalysts, respectively. As the gas diffusion layer, carbon paper (Toray, TGPH-060, 20% PTFE by mass) treated with Teflon was used. After preparing a catalyst ink uniformly dispersed from the catalyst and the partially cross-linked solution for preparing a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, it is evenly sprayed onto carbon paper to form a catalyst layer of an anode and an cathode and pressed at a high temperature, thereby A membrane-electrode assembly was prepared.

도 4는 본 발명의 부분 가교화된 고분자 전해질 막 및 가교되지 않는 원료용 고분 자 전해질 막과 상용되는 나피온(Nafion-112

Figure 112007086035429-PAT00026
)막에 대하여, 작동온도 80℃의 동일 운전 조건에서 단위 전지 성능 평가(single cell performance test)를 통하여 성능을 측정한 결과로서, 본 발명의 부분 가교된 고분자 전해질 막의 경우, 전류밀도가 높고, 낮은 전지 전압강하 특성을 나타내므로, 직접 메탄올 연료전지 및 수소이온 교환막 연료전지로 직접 적용이 가능함을 확인하였다. 4 is Nafion-112 compatible with the partially crosslinked polymer electrolyte membrane of the present invention and the polymer electrolyte membrane for uncrosslinked raw materials (Nafion-112).
Figure 112007086035429-PAT00026
As a result of measuring the performance of the membrane through the unit cell performance test under the same operating conditions at an operating temperature of 80 ° C, in the case of the partially crosslinked polymer electrolyte membrane of the present invention, the current density was high and low. Since the battery voltage drop characteristics, it was confirmed that the direct methanol fuel cell and the hydrogen ion exchange membrane fuel cell can be directly applied.

또한, 본 발명에서 제공하는 고분자 전해질 막의 경우, 부분 가교화된 고분자 전해질 막 및 가교되지 않는 원료용 고분자 전해질 막 모두, 상용되는 나피온(Nafion-112

Figure 112007086035429-PAT00027
)보다 우수한 특성을 나타내었다. 단위 전지 성능면에서는 가교되지 않는 원료용 고분자 전해질 막(실시예 1)의 특성이 오히려 더 우수하였으나,부분 가교화된 고분자 전해질 막(실시예 4)의 경우, 가교로 인한 기계적 물성의 향상 측면에서 장기 안정성이 한층 우수할 것으로 기대된다. 따라서, 본 발명은 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막으로 이루어진 막-전극 접합체 및 상기 막-전극 접합체를 채용하는 직접 메탄올 연료전지 및 수소이온 교환막 연료전지를 제공할 수 있다.In addition, in the case of the polymer electrolyte membrane provided by the present invention, both partially crosslinked polymer electrolyte membrane and non-crosslinked polymer electrolyte membrane for raw materials are commonly used Nafion-112.
Figure 112007086035429-PAT00027
) Better than). In terms of unit cell performance, the crosslinked polymer electrolyte membrane (Example 1), which is not crosslinked, was more excellent.However, in the case of the partially crosslinked polymer electrolyte membrane (Example 4), the mechanical properties due to crosslinking were improved. Long-term stability is expected to be even better. Accordingly, the present invention can provide a membrane-electrode assembly composed of a partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and a direct methanol fuel cell and a hydrogen ion exchange membrane fuel cell employing the membrane-electrode assembly.

상기에서 살펴본 바와 같이,As we saw above,

첫째, 본 발명은 수소이온 전도성을 나타내는 친수성 그룹이 높은 농도로 함유되어 있으면서도, 기계적 물성이 향상되어, 끓는 물 및 산에 용해되지 않으며, 20 ㎛ 이하의 두께의 박막제조에서도 변형되지 않을 정도로 기계적 특성이 우수하고, 25℃의 NMP 상에서 측정한 고유점도가 2.0 내지 3.0 dl/g인 탄화수소계 수소이온 전도 성 공중합체를 제공하였다.First, the present invention has a mechanical property such that the hydrophilic group exhibiting hydrogen ion conductivity is contained at a high concentration, and the mechanical properties are improved, so that it does not dissolve in boiling water and acid, and does not deform even in the manufacture of thin films having a thickness of 20 μm or less. This superior, hydrocarbon-based hydrogen ion conductive copolymer having an intrinsic viscosity of 2.0 to 3.0 dl / g measured on NMP at 25 ° C. was provided.

둘째, 상기 탄화수소계 수소이온 전도성 공중합체로부터 제조된 고분자 전해질 막에 2-관능성 방향족 비닐계 화합물을 부분 가교시킴으로써, 높은 이온 전도도는 유지하면서, 메탄올 투과특성, 기계적 물성이 현저히 개선된 부분 가교된 고분자 전해질 막의 제조방법을 제공하였다. Second, by partially crosslinking the bifunctional aromatic vinyl compound to the polymer electrolyte membrane prepared from the hydrocarbon-based hydrogen ion conductive copolymer, while maintaining high ionic conductivity, the partially crosslinked is significantly improved methanol permeability, mechanical properties A method for producing a polymer electrolyte membrane is provided.

셋째, 본 발명의 부분 가교된 고분자 전해질 막은 상용되는 나피온(Nafion 112

Figure 112007086035429-PAT00028
)막과 대등하거나 또는 그 이상의 우수한 수소이온 전도성 및 낮은 메탄올 투과도, 향상된 기계적 물성을 구현함으로써, 고분자 전해질형 연료전지에 사용되는 상용된 나피온 막을 대체할 수 있는 고분자 전해질 막을 제공하였다. Third, the partially crosslinked polymer electrolyte membrane of the present invention is commercially available Nafion 112
Figure 112007086035429-PAT00028
By providing excellent hydrogen ion conductivity, low methanol permeability, and improved mechanical properties comparable to or higher than that of the membrane, a polymer electrolyte membrane that can replace the commercially available Nafion membrane used in a polymer electrolyte fuel cell was provided.

넷째, 본 발명의 부분 가교된 고분자 전해질 막을 이용하여, 단위전지 성능 평가 면에서 상용된 나피온(Nafion 112

Figure 112007086035429-PAT00029
)보다 우수한 성능 및 효율을 구현할 수 있는 막-전극 접합체 및 이를 채용한 직접 메탄올 연료전지 또는 수소이온 교환막 연료전지를 제공하며, 종래의 고분자 전해질형 연료전지의 전체 효율을 향상시킬 수 있다.Fourth, Nafion 112, which is commercially available for evaluating unit cell performance, using the partially crosslinked polymer electrolyte membrane of the present invention.
Figure 112007086035429-PAT00029
The present invention provides a membrane-electrode assembly and a direct methanol fuel cell or a hydrogen ion exchange membrane fuel cell employing the same, and can improve overall efficiency of a conventional polymer electrolyte fuel cell.

이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다. Although the present invention has been described in detail only with respect to the described embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the technical spirit of the present invention, and such modifications and modifications belong to the appended claims.

도 1은 본 발명의 술폰화된 폴리아릴렌에테르술폰(SPAES-60) 중합체의 1H NMR 분석결과이고, 1 is a 1 H NMR analysis of the sulfonated polyarylene ether sulfone (SPAES-60) polymer of the present invention,

도 2는 본 발명의 부분 가교화된 고분자 전해질 막 및 가교되지 않는 원료용 고분자 전해질 막과 상용되는 나피온(Nafion-112

Figure 112007086035429-PAT00034
)막에 대한 이온 전도도를 측정한 결과이고, 2 is Nafion-112 compatible with the partially crosslinked polymer electrolyte membrane of the present invention and the polymer electrolyte membrane for non-crosslinked raw materials (Nafion-112).
Figure 112007086035429-PAT00034
Is the result of measuring the ionic conductivity of the membrane,

도 3은 본 발명의 부분 가교화된 고분자 전해질 막 및 가교되지 않는 원료용 고분자 전해질 막과 상용되는 나피온(Nafion-112

Figure 112007086035429-PAT00035
)막에 대한 기계적 특성 평가 결과이고, 3 is Nafion-112 compatible with the partially crosslinked polymer electrolyte membrane of the present invention and the polymer electrolyte membrane for non-crosslinked raw materials (Nafion-112).
Figure 112007086035429-PAT00035
Evaluation results of mechanical properties of the film,

도 4는 본 발명의 부분 가교화된 고분자 전해질 막 및 가교되지 않는 원료용 고분자 전해질 막과 상용되는 나피온(Nafion-112

Figure 112007086035429-PAT00036
)막에 대한 단위 전지 성능 평가 결과를 나타낸 것이다. 4 is Nafion-112 compatible with the partially crosslinked polymer electrolyte membrane of the present invention and the polymer electrolyte membrane for uncrosslinked raw materials (Nafion-112).
Figure 112007086035429-PAT00036
The unit cell performance evaluation results for the membrane are shown.

Claims (9)

하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 가지면서, 25℃의 NMP(N-methyl-α-pyrrolidinone) 상에서 측정한 고유점도가 2.0 내지 3.0 dl/g인 것을 특징으로 하는 탄화수소계 수소이온 전도성 공중합체.Hydrocarbon-based hydrogen ion conductive copolymer, characterized in that the intrinsic viscosity of 2.0 to 3.0 dl / g measured on NMP (N-methyl-α-pyrrolidinone) at 25 ℃ while having a repeating unit represented by the formula (1). 화학식 1Formula 1
Figure 112007086035429-PAT00030
Figure 112007086035429-PAT00030
(상기에서, A와 A'는 하기 작용기로부터 선택되는 어느 하나이며, 중복 또는 교차 선택될 수 있고,(In the above, A and A 'is any one selected from the following functional groups, can be duplicated or cross-selected,
Figure 112007086035429-PAT00031
Figure 112007086035429-PAT00031
B는 하기 작용기로부터 선택되는 어느 하나이며, B is any one selected from the following functional groups,
Figure 112007086035429-PAT00032
Figure 112007086035429-PAT00032
a/(a+b)는 0.001 내지 1.0이고, c는 공중합체의 분자량이 증가함에 비례적으로 증가하는 고분자 중합도이다.)a / (a + b) is 0.001 to 1.0, and c is a degree of polymer polymerization which increases proportionally as the molecular weight of the copolymer increases.)
제1항에 있어서, 상기 공중합체가 술폰화도 55 내지 70%를 가진 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰 공중합체인 것을 특징으로 하는 상기 공중합체.The copolymer according to claim 1, wherein the copolymer is a sulfonated polyarylene ether sulfone copolymer having a sulfonation degree of 55 to 70%. 제1항의 탄화수소계 수소이온 전도성 공중합체를 유기용매에 용해시켜 용액을 제조하고, 유리 또는 테프론 판 위에 캐스팅한 후, 건조하여, 막의 두께를 30 내지 50 ㎛로 제조하는 것을 특징으로 하는 수소이온 전도성 고분자 전해질 막의 제조방법.The hydrocarbon-based hydrogen ion conductive copolymer of claim 1 is dissolved in an organic solvent to prepare a solution, cast on a glass or Teflon plate, and then dried to produce a film having a thickness of 30 to 50 μm. Method for producing a polymer electrolyte membrane. 제3항의 제조방법으로부터 제조된, 화학식 1로 표시되는 탄화수소계 수소이온 전도성 공중합체를 이용하여 제조된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 준비하고, A hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane prepared by using the hydrocarbon-based hydrogen ion conductive copolymer represented by Formula 1 prepared from the method of claim 3 is prepared, 하기 화학식 2로 표시되는 2-관능성 방향족 비닐계 화합물 군에서 선택되는 어느 하나가 함유된 반응용액을 제조하고, To prepare a reaction solution containing any one selected from the group of 2-functional aromatic vinyl compound represented by the formula (2), 상기 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 상기 반응용액에 80 내지 120℃에서 1분 내지 12시간동안 침지하여, 상기 2-관능성 방향족 비닐계 화합물이 수소이온 전도성 고분자 전해질막에 부분적으로 가교 결합되도록 하고, The hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane was immersed in the reaction solution at 80 to 120 ° C. for 1 minute to 12 hours to partially cross-link the bifunctional aromatic vinyl compound to the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane. 상기 침지 후, 0.5M의 황산 수용액으로 산 처리하는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막의 제조방법.After the immersion, a method of producing a partially cross-linked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, characterized in that the acid treatment with 0.5M sulfuric acid aqueous solution. 화학식 2Formula 2
Figure 112007086035429-PAT00033
Figure 112007086035429-PAT00033
제4항에 있어서, 상기 반응용액이 2-관능성 방향족 비닐계 화합물 1 내지 50 중량%가 유기용매에 용해되어 제조된 것을 특징으로 하는 상기 제조방법.The method according to claim 4, wherein the reaction solution is prepared by dissolving 1 to 50% by weight of a 2-functional aromatic vinyl compound in an organic solvent. 제5항에 있어서, 상기 유기용매가 상기 2-관능성 방향족 비닐계 화합물이 액상이면, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 2-관능성 방향족 비닐계 화합물이 고상이면, o-크실렌, m-크실렌 및 p-크실렌 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 제조방법.The organic solvent according to claim 5, wherein the organic solvent is any one selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol and butanol when the 2-functional aromatic vinyl compound is a liquid phase, and the 2-functional aromatic vinyl compound is If it is a solid phase, the manufacturing method, characterized in that any one selected from the group of o-xylene, m-xylene and p-xylene. 제4항의 제조방법으로 제조되되, 상기 2-관능성 방향족 비닐계 화합물이 함유된 반응용액이 상기 수소이온 전도성 고분자 전해질막 단위 질량당 0.01 내지 25중량%로 도입되고, 단위 두께당 1 내지 100%의 두께 증가가 발생되도록 하여, 최종 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막의 두께가 40 내지 60 ㎛인 것을 특징으로 하는 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막.The reaction solution of claim 4, wherein the reaction solution containing the 2-functional aromatic vinyl compound is introduced at 0.01 to 25% by weight per unit mass of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and is 1 to 100% per unit thickness. Partial crosslinked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, characterized in that the thickness of the final crosslinked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane is 40 to 60 ㎛ to cause an increase in the thickness of. 제7항의 부분 가교된 수소이온 전도성 고분자 전해질 막으로 제조된 막-전극 접합체.A membrane-electrode assembly made from the partially crosslinked hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane of claim 7. 제8항의 막-전극 접합체가 직접 메탄올 연료전지 또는 고분자 전해질형 연료전지에 채용된 연료전지.A fuel cell in which the membrane-electrode assembly of claim 8 is employed in a direct methanol fuel cell or a polymer electrolyte fuel cell.
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