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KR101461417B1 - Perfluorosulfonic acid membrane modified with amine compounds and method for the preparation thereof - Google Patents

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KR101461417B1
KR101461417B1 KR1020130097147A KR20130097147A KR101461417B1 KR 101461417 B1 KR101461417 B1 KR 101461417B1 KR 1020130097147 A KR1020130097147 A KR 1020130097147A KR 20130097147 A KR20130097147 A KR 20130097147A KR 101461417 B1 KR101461417 B1 KR 101461417B1
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KR
South Korea
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sulfonic acid
acid polymer
cation exchange
amine compound
exchange membrane
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조창기
김병국
김선미
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명에 따르면 과불소화술폰산 고분자 막에 아민 화합물을 가교시켜 수소이온전도도는 유지되면서도 메탄올 투과도 및 바나듐투과도가 감소한 양이온 교환막을 제공하며, 상기 양이온 교환막은 직접메탄올 연료전지, 산화환원흐름전지에 사용할 수 있을 뿐 아니라 소금물전해액 장치, 전기투석 장치 등에도 적용할 수 있다.According to the present invention, an amine compound is crosslinked to a perfluorinated sulfonic acid polymer membrane to provide a cation exchange membrane having reduced methanol permeability and vanadium permeability while maintaining hydrogen ion conductivity. The cation exchange membrane can be used for a direct methanol fuel cell or a redox flow cell The present invention can be applied not only to a brine electrolytic solution device, an electrodialysis device, and the like.

Description

아민 화합물로 개질된 과불소화설폰산 멤브레인 및 이의 제조방법{Perfluorosulfonic acid membrane modified with amine compounds and method for the preparation thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention [0001] The present invention relates to a perfluorinated sulfonic acid membrane modified with an amine compound and a method for preparing the same.

본 발명은 과불소화술폰산 고분자 양이온 교환막에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 과불소화술폰산 고분자에 아민 화합물로 가교시킨 양이온 교환막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a perfluorinated sulfonic acid polymer cation exchange membrane, and more particularly, to a cation exchange membrane crosslinked with an amine compound in a perfluorinated sulfonic acid polymer and a method for producing the same.

친환경적인 대체 에너지원으로서의 연료전지(Fuel cell)는 최근에 가장 주목받는 에너지원 중의 하나로 인식되고 있다. 이들 연료전지는 연료의 에너지가 바로 전기에너지로 변환되어 나오는 것으로 에너지 효율이 높을 뿐만 아니라 생성되는 부산물이 물과 이산화탄소라는 점에서 친환경적이라고 알려져 있다. 연료전지는 연료전지를 구성하는 전해질층 (electrolyte layer)의 종류에 따라서 크게 고체산화물 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 인산형 연료전지, 고분자전해질 연료전지 등이 있다. 이들 중 고분자전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 고분자전해질막(Polymer Electrolyte Membrane)을 사용하는 것으로 수소나 메탄올을 연료로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 운전온도가 위의 연료전지 중 제일 낮고 소형화가 가능하여 휴대용 연료전지로서도 응용이 가능하다. PEMFC에서 연료로 메탄올을 사용하는 연료전지를 DMFC (Direct methanol fuel cell)이라 하는데, DMFC의 경우 외부에서 연료인 메탄올이 주입되면 anode 내에서 촉매에 의해 산화반응이 일어나 수소이온과 전자로 분해가 되고, 발생된 수소이온은 고분자 전해질 막을 통과하고, 동시에 발생된 전자는 외부회로를 통과하여 cathode로 이동하게 된다. 이렇게 이동한 전자는 수소이온, 그리고 산소와 반응하여 물을 배출하게 됨으로써 전기를 발생하게 된다.Fuel cells as an environmentally friendly alternative energy source have recently been recognized as one of the most noticeable energy sources. These fuel cells are known to be environmentally friendly in that they are not only energy-efficient because the energy of fuel is directly converted into electric energy, but also water and carbon dioxide are produced by-products. BACKGROUND ART [0002] Fuel cells include solid oxide fuel cells, molten carbonate fuel cells, phosphoric acid fuel cells, and polymer electrolyte fuel cells, depending on the type of an electrolyte layer constituting a fuel cell. Among them, Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) uses Polymer Electrolyte Membrane, which can use hydrogen or methanol as a fuel, and the operating temperature is the lowest among the above fuel cells. So that it can be applied as a portable fuel cell. A DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) is a fuel cell that uses methanol as fuel in a PEMFC. When DMFC is injected from the outside, methanol is oxidized by the catalyst in the anode and decomposed into hydrogen ions and electrons , The generated hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and the electrons generated at the same time pass through the external circuit and move to the cathode. The electrons thus moved react with hydrogen ions and oxygen to generate electricity by discharging water.

산화환원반응전지(레독스 흐름 전지, Redox Flow battery, RFB)는 전기에너지를 전해질 용액에 용해된 산화환원쌍 물질의 이온변화를 통해 화학에너지로 저장하는 전기화학 2차전지이다. 그 중 바나듐 레독스 흐름전지(Vanadium Redox Flow Battery, VRB)는 높은 개회로전압 (Open Circuit Voltage, OCV), 양극과 음극에 같은 종류의 산화환원쌍 물질을 사용할 수 있는 장점이 있어 다른 레독스 흐름전지에 비해 많은 연구가 진행되고 있다. VRB에 대한 연구는 전극개질, 이온교환막, 대용량 stack 제조를 중심으로 진행되고 있다. 최근 활발하게 진행되는 이온 교환막 연구는 양극 전해액 중의 V4 +나 V5 + 이온이 음극 전해액으로 크로스오버(crossover) 되거나 음극 전해액 중의 V2 +나 V3 + 이온이 양극 전해액으로 크로스오버(crossover) 되어 전해액이 오염되는 것을 방지할 수 있는 전해질 막의 개발에 관한 것이다.The Redox Flow Battery (Redox Flow battery, RFB) is an electrochemical secondary battery that stores electrical energy as chemical energy through the ion change of the redox pair material dissolved in the electrolyte solution. Among them, the Vanadium Redox Flow Battery (VRB) has advantages such as high open circuit voltage (OCV) and the possibility of using the redox pair material of the same kind at the anode and cathode, Much research is underway compared to batteries. The research on VRB is centered on electrode modification, ion exchange membrane, and large capacity stack manufacturing. Recent active ion exchange membrane researches have shown that V 4 + or V 5 + ions in a cathode electrolyte crossover to a cathode electrolyte or V 2 + or V 3 + ions in a cathode electrolyte are crossover to a cathode electrolyte, The present invention relates to an electrolyte membrane capable of preventing an electrolyte from being contaminated.

한편, 양이온 교환막으로 일반적으로 많이 사용되고 있는 고분자 전해질은 미국 듀폰사에서 제조한 나피온(Nafion)이 주로 사용되며, 이와 유사한 구조의 고분자로 다우케미컬사의 다우 케미컬 막, 아사히케미컬사의 아씨플렉스(Aciplex), 솔베이솔렉시스사의 하이프론(Hyflon Ion), 고어사의 고어셀렉트(Gore-select) 등이 있고, 이들은 술폰화된 과불소산(perfluorinated) 고분자이며 수소이온 전도도가 높고 기계적 강도와 화학적 안정성이 우수하기 때문에 아주 널리 사용되고 있다.The polymer electrolyte, which is generally used as a cation exchange membrane, is mainly made of Nafion manufactured by DuPont, USA, and has a similar structure to a Dow chemical membrane of Dow Chemical Company, Aciplex of Asahi Chemical Co., , Hyflon Ion from Solvay Solexis, and Gore-select from Gore. These are sulfonated perfluorinated polymers that have high proton conductivity and excellent mechanical strength and chemical stability. Because it is very widely used.

그러나, 이러한 고분자막을 전처리 개질과정 없이 그대로 메탄올 연료전지 분리막으로 사용할 경우, 연료로 사용하는 메탄올의 투과도가 높아서 발생전압이 저하되는 문제가 야기되고, 수소연료전지용으로 사용되는 경우에도 연료전지의 촉매 활성 증가를 위하여 80 ℃ 이상의 온도에서 운전할 경우 성능이 저하되는 문제가 발생된다고 알려져 있다. 또한 이러한 과불소산 고분자는 산화환원 흐름전지의 분리막으로 사용시에도 수소 이온 이외의 화합물에 대한 투과성이 높아서 산화환원 흐름전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.However, when such a polymer membrane is used as a methanol fuel cell membrane membrane as it is without a pretreatment reforming process, there is a problem that the generated voltage is lowered due to high permeability of methanol used as a fuel, and even when used for a hydrogen fuel cell, It is known that the performance is lowered when operating at a temperature of 80 캜 or higher. In addition, when the perfluoro polymer is used as a separation membrane of a redox flow cell, the permeability to compounds other than hydrogen ion is high, and the performance of the redox flow cell is deteriorated.

이를 해결하기 위해 하기 비특허문헌 1은 나피온 또는 유사한 고분자를 무기화합물과의 복합화를 통하여 단점을 극복하려는 방법 및 유사한 방법들이 시도되고 있다. 또한 하기 비특허문헌 2는 설폰화된 폴리에테르 에테르 케톤 (sPEEK)과 나피온을 가교시켜 제조한 복합막에 관한 것으로서 이러한 가교를 통하여 전해질 막의 투과도를 감소시킬 수 있다고 기재하고 있다. 그러나 이러한 비 불소계 화합물 또는 고분자와의 복합화 시도는 분리막이 갖추어야 할 물리적 화학적 안정성을 저해할 수 있다. 무기화합물과의 복합화는 분리막의 신도 및 인장강도와 같은 기계적 물성의 저하가 수반되며, 탄화수소계 고분자와의 복합화는 탄화수소의 존재에 의한 내산화 안정성이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.In order to solve this problem, Non-Patent Document 1 below attempts to overcome the disadvantages through compounding Nafion or similar polymers with inorganic compounds and similar methods have been tried. The following non-patent document 2 relates to a composite membrane prepared by crosslinking sulfonated polyether ether ketone (sPEEK) and Nafion, and it is described that the permeability of the electrolyte membrane can be reduced through such crosslinking. However, attempts to complex with such non-fluorine-based compounds or polymers may impair the physical and chemical stability of the membranes. Composition with an inorganic compound is accompanied by deterioration of the mechanical properties such as elongation and tensile strength of the separator, and there is a problem that the oxidation resistance of the hydrocarbon-based polymer is deteriorated by the presence of the hydrocarbon.

H. Zhang and P.K. Shen, Chem. Rev.112, 2780 (2012)H. Zhang and P.K. Shen, Chem. Rev.112, 2780 (2012) Q. Luo et.al. J. Mem. Sci. 325, 553(2008), N. Zhang et.al., Int. J. Hydrogen Ener. 36, 11025 (2011)Q. Luo et al. J. Mem. Sci. 325, 553 (2008), N. Zhang et al., Int. J. Hydrogen Ener. 36, 11025 (2011)

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 과불소화술폰산 고분자에 아민 화합물을 가교시킨 양이온 교환막 및 이의 제조방법을 제공한다.Accordingly, a problem to be solved by the present invention is to provide a cation exchange membrane in which an amine compound is crosslinked to a perfluoro sulfonic acid polymer, and a method for producing the same.

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 양이온 교환막을 이용하는 고분자전해질연료전지, 산화환원흐름전지 및 소금물 전기분해조를 제공하는 것이다.A second object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell, a redox flow cell and a brine electrolysis tank using the cation exchange membrane.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 과불소화술폰산 고분자에 아민 화합물로 가교시킨 양이온 교환막을 제공하고, 상기 과불소화술폰산 고분자는 카보닐디이미다졸에 의해 술폰산기가 술폰이미다졸기로 치환되는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a cation exchange membrane crosslinked with an amine compound in a perfluorinated sulfonic acid polymer, wherein the perfluorinated sulfonic acid polymer comprises a step in which a sulfonic acid group is substituted with a sulfonimidazole group by carbonyldiimidazole .

또한, 본 발명은 상기 양이온 교환막의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing the cation exchange membrane.

본 발명의 양이온 교환막은 과불소화설폰산고분자를 가교시켜 메탄올 투과도 및 바나듐 투과도는 낮아지며, 아민 화합물을 가교제로 사용함으로써 수소이온전도도는 가교 전보다 유지되거나 높아지며, 상기 양이온 교환막을 사용하면 80 ℃ 이상에서도 안정적으로 운전가능한 연료전지를 제공할 수 있다.The cation exchange membrane of the present invention crosslinks the perfluorinated sulfonic acid polymer to lower the methanol permeability and the vanadium permeability. When the amine compound is used as the crosslinking agent, the hydrogen ion conductivity is maintained or higher than that before crosslinking, and when the cation exchange membrane is used, Fuel cell can be provided.

도 1은 본 발명의 양이온 교환막 제조방법을 나타낸 개략도이다.
도 2는 SDADPS의 1H-NMR 스펙트럼이다.
도 3은 본 발명에 따른 SDADPS로 가교된 양이온 교환막의 ATR-FTIR 스펙트럼이다.
도 4는 본 발명에 따른 DAPSONE로 가교된 양이온 교환막의 ATR-FTIR 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명에 따른 SDADPS로 가교된 양이온 교환막의 UV-Visible 스펙트럼이다.
도 6은 본 발명에 따른 DAPSONE로 가교된 양이온 교환막의 UV-Visible 스펙트럼이다.
도 7은 가교제 함량에 따른 양이온 교환막의 이론적 IEC와 적정된 IEC를 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 양이온 교환막의 온도에 따른 함수율 변화를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic view showing a method for producing a cation exchange membrane of the present invention.
2 is a 1 H-NMR spectrum of SDADPS.
3 is an ATR-FTIR spectrum of a cation exchange membrane crosslinked with SDADPS according to the present invention.
4 is an ATR-FTIR spectrum of a cation exchange membrane crosslinked with DAPSONE according to the present invention.
5 is a UV-Visible spectrum of a cation exchange membrane crosslinked with SDADPS according to the present invention.
6 is a UV-Visible spectrum of a cation exchange membrane crosslinked with DAPSONE according to the present invention.
FIG. 7 is a graph comparing the theoretical IEC and the optimized IEC of the cation exchange membrane according to the crosslinking agent content.
8 is a graph showing a change in water content of the cation exchange membrane according to the present invention.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 발명자들은 수소이온 전도도와 화학적 안정성이 뛰어난 Nafion 전해질막의 단점인 메탄올 투과도 및 바나듐 투과도를 감소시키기 위해 카보닐디이미다졸(1,1'-carbonyldiimidazole, CDI)를 이용하여 술폰산기와 가교제인 아민 화합물 사이에 술폰아마이드(sulfonamide)의 공유 가교(covalent crosslinkage)를 도입시켜 본 발명을 도출하였다.The inventors of the present invention have found that the use of carbonyldiimidazole (CDI) to reduce methanol permeability and vanadium permeability, which are disadvantages of Nafion electrolyte membranes excellent in hydrogen ion conductivity and chemical stability, Covalent crosslinking of sulfonamides is introduced between the catalysts of the present invention.

본 발명은 과불소화술폰산 고분자에 아민 화합물로 가교시킨 양이온 교환막으로서,The present invention relates to a cation exchange membrane crosslinked with an amine compound in a perfluorinated sulfonic acid polymer,

상기 과불소화술폰산 고분자는 카보닐디이미다졸에 의해 술폰산기가 술폰이미다졸기로 치환되어 아민 화합물과 가교 반응이 촉진된다.The perfluorinated sulfonic acid polymer is substituted with a sulfonimidazole group by the carbonyldiimidazole to accelerate the crosslinking reaction with the amine compound.

상기 카보닐디이미다졸은 하기 [반응식 1]에 의해 과불소화술폰산 고분자의 술폰산기를 술폰디이미다졸기로 치환 반응시켜 아민성 화합물과의 가교 반응을 촉진시킨다. 상기 치환은 반응이 진행되면서 이산화탄소가 발생하는데 이러한 기포 발생으로 반응이 진행되는 것을 알 수 있다.The carbonyldiimidazole promotes a crosslinking reaction with an aminic compound by substituting a sulfonic acid group of a perfluorinated sulfonic acid polymer with a sulfonimidazole group by the following Reaction Scheme 1. As the reaction progresses, carbon dioxide is generated, and the reaction proceeds due to the generation of bubbles.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure 112013074234581-pat00001
Figure 112013074234581-pat00001

상기 아민 화합물은 술폰산기를 포함하는 것을 특징으로 하며 하기 화학식 1로 표시된다.The amine compound is characterized by containing a sulfonic acid group and represented by the following general formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

H2N-Ar1-NH2 H 2 N-Ar 1 -NH 2

상기 Ar1은 탄소수 6-24 아릴렌기인 방향족 고리이고, 상기 방향족 고리는 SO3H, COOH, PO3H2 또는 이들의 알칼리금속염으로 치환 또는 비치환되어 있고, 상기 방향족 고리는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 접합되어 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, C(=O), S(=O)2 또는 (CH2)n (n은 1 또는 2의 정수)으로 연결되어 있다.Wherein Ar 1 is a group having a carbon number of 6-24 arylene ring, the aromatic ring is SO 3 H, COOH, PO 3 H 2 , or may be substituted or unsubstituted with an alkali metal salt thereof, wherein the aromatic ring is present alone, or ; Two or more are bonded to each other to form a condensed ring; Two or more of them are connected by a single bond, O, S, C (= O), S (= O) 2 or (CH 2 ) n (n is an integer of 1 or 2).

상기 아민 화합물은 또한 하기 화학식 2로 표시된다.The amine compound is also represented by the following general formula (2).

[화학식 2](2)

H2N-Ar2 H 2 N-Ar 2

상기 Ar2는 탄소수 6-24 아릴렌기인 방향족 고리이고, 상기 방향족 고리는 SO3H, COOH, PO3H2 또는 이들의 알칼리금속염으로 치환 또는 비치환되어 있고, 상기 방향족 고리는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 접합되어 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, C(=O), S(=O)2 또는 (CH2)n (n은 1 또는 2의 정수)으로 연결되어 있다.Wherein Ar 2 is a 6-24 carbon atoms, an arylene group the aromatic ring, the aromatic ring is SO 3 H, COOH, PO 3 H 2 , or may be substituted or unsubstituted with an alkali metal salt thereof, wherein the aromatic ring is present alone, or ; Two or more are bonded to each other to form a condensed ring; Two or more of them are connected by a single bond, O, S, C (= O), S (= O) 2 or (CH 2 ) n (n is an integer of 1 or 2).

또한, 상기 아민 화합물은 SO3H, COOH, PO3H2 또는 이들의 알칼리금속염으로 치환 또는 비치환된 H2N-(CH2)n-NH2 또는 H2N-(CH2)n-H (n은 2-6의 정수이다.)를 포함할 수 있다.The amine compound may be SO 3 H, COOH, PO 3 H 2 Or an H 2 N- (CH 2 ) n -NH 2 or H 2 N- (CH 2 ) n -H (n is an integer of 2-6) substituted or unsubstituted with an alkali metal salt thereof have.

상기 아민 화합물의 함량은 과불소화술폰산 고분자 기준 1-30 mol부일 수 있다.The content of the amine compound may be 1-30 moles based on perfluorinated sulfonic acid polymer.

본 발명은 일 실시예에 의하면, 상기 양이온 교환막에 H3PO4, TiO2, Al2O3, 화학식 3으로 표시되는 무기 첨가제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 또는 2 이상의 무기첨가제를 양이온 교환막 기준 5-40 중량부 첨가할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, one or more inorganic additives selected from the group consisting of H 3 PO 4 , TiO 2 , Al 2 O 3 and inorganic additives represented by the general formula (3) are added to the cation exchange membrane on the cation exchange membrane standard 5 -40 parts by weight may be added.

[화학식 3](3)

Hm(XxYyOz)(nH2O)H m (X x Y y O z ) (n H 2 O)

상기 화학식 3에서,In Formula 3,

X는 B, Al, Ga, Ge, Si, Sn, P, As, Sb, Te 및 제1-3 전이금속 중 에서 선택되는 어느 하나이고,X is any one selected from B, Al, Ga, Ge, Si, Sn, P, As, Sb, Te,

Y는 제1, 제2, 또는 제3 전이원소 중에서 선택되는 어느 하나이고,Y is any one selected from the first, second, and third transition elements,

m은 1-10의 정수이고, n은 2-100의 정수이다.m is an integer of 1-10, and n is an integer of 2-100.

또한, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 양이온 교환막의 제조방법을 제공하며 그 개략도를 하기 도 1에 나타내었다.The present invention also provides a method for producing a cation exchange membrane comprising the following steps, and a schematic view thereof is shown in Fig.

과불소화술폰산 고분자와 카보닐디이미다졸을 반응시켜 술폰산기가 술폰이미다졸기로 활성화된 과불소화술폰산 고분자를 제조하는 단계;Reacting a perfluoro sulfonic acid polymer with carbonyldiimidazole to prepare a perfluorinated sulfonic acid polymer having sulfonic acid groups activated by sulfonimidazole groups;

상기 활성화된 과불소화술폰산 고분자와 아민 화합물을 반응시켜 가교된 과불소화술폰산 고분자를 제조하는 단계; 및Reacting the activated perfluorinated sulfonic acid polymer with an amine compound to prepare a crosslinked perfluorinated sulfonic acid polymer; And

상기 가교된 과불소화술폰산 고분자를 유리판에 캐스팅하고 열처리하는 단계.Casting the cross-linked perfluoro sulfonic acid polymer on a glass plate and heat-treating the same.

구체적으로, 하기 반응식 2에 나타낸 바와 같이, 나피온(과불소화술폰산) 고분자의 술폰기와 카보닐디이미다졸이 반응하여 술폰이미다졸이 되어 가교제와 가교반응이 촉진된다. 나피온의 술폰기는 가교반응에 참여하여 소모되지만 가교제인 SDADPS가 술폰기를 함유하고 있어 나피온 고분자의 술폰기의 함량이 유지되어 수소이온전도도가 저하되지 않는다.Specifically, as shown in Reaction Scheme 2 below, sulfone groups of Nafion (perfluorinated sulfonic acid) polymer are reacted with carbonyldiimidazole to become sulfonimidazole, thereby promoting the crosslinking reaction with the crosslinking agent. The sulfone group of Nafion participates in the crosslinking reaction and is consumed, but SDADPS, which is a crosslinking agent, contains sulfone group, so that the sulfone group content of Nafion polymer is maintained and hydrogen ion conductivity is not lowered.

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure 112013074234581-pat00002

Figure 112013074234581-pat00002

상기 용매인 디메틸설폭사이드(DMSO, dimethyl sulfoxide) 대신 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF) 또는 N-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 극성이 있는 양쪽성 용매를 사용할 수 있다.An amphoteric polar solvent such as dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF) or N-methylpyrrolidone (NMP) may be used instead of the above-mentioned solvent dimethylsulfoxide (DMSO).

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 카보닐디이미다졸의 함량은 과불소화술폰산 고분자의 기준 10-70 mol부일 수 있다. 상기 하한치 미만이면 과불소화술폰산 고분자와 아민 화합물의 가교 반응이 촉진되기 어려우며, 상기 상한치 초과이면 반응하지 않은 카보닐디이미다졸이을 제거하기위해 반복적인 세척과정이 필요하게 된다. 더 바람직하게는 40-60 mol부일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the content of the carbonyldiimidazole may be 10-70 mol parts based on the amount of the perfluorinated sulfonic acid polymer. If the amount is less than the lower limit, crosslinking reaction between the perfluoropolysaccharide polymer and the amine compound is difficult to promote. If the upper limit is exceeded, it is necessary to perform a repeated washing process to remove unreacted carbonyldiimidazole. More preferably 40-60 mol parts.

본 발명은 다른 일 실시예에 의하면, 상기 아민 화합물의 함량은 과불소화술폰산 고분자 기준 1-30 mol부일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the content of the amine compound may be 1-30 moles based on perfluorinated sulfonic acid polymer.

또한, 본 발명은 상기 양이온 교환막을 이용하는 고분자전해질연료전지를 제공한다. 본 발명에 따른 가교된 양이온 교환막은 메탄올 투과율이 낮으므로 직접메탄올 연료전지에 사용하면 연료인 메탄올이 전해질을 통해 반대 편으로 투과되는 양이 감소함으로 전압저하가 최소화 된다.The present invention also provides a polymer electrolyte fuel cell using the cation exchange membrane. Since the cross-linked cation exchange membrane according to the present invention has a low methanol permeability, when it is used in a direct methanol fuel cell, the amount of methanol, which is fuel, is transmitted through the electrolyte to the opposite side is reduced, so that the voltage drop is minimized.

또한, 본 발명은 상기 양이온 교환막을 이용하는 바나듐 산화환원흐름전지를 제공한다. 본 발명에 따른 가교된 양이온 교환막은 바나듐 투과율이 낮으므로 바나듐 산화환원흐름전지에 사용하면 연료인 바나듐이온이 전해질을 통해 반대 편으로 투과되는 양이 감소함으로 에너지효율이 증대된다.
The present invention also provides a vanadium redox flow cell using the cation exchange membrane. Since the crosslinked cation exchange membrane according to the present invention has a low vanadium permeability, when used in a vanadium redox flow cell, the amount of vanadium ions that are fuel is transmitted through the electrolyte to the opposite side is reduced, thereby enhancing energy efficiency.

이하에서는 바람직한 실시예 등을 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments and the like. It will be apparent to those skilled in the art, however, that these examples are provided for further illustrating the present invention and that the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예><Examples>

제조예Manufacturing example 1.  One. SDADPSSDADPS 제조 Produce

SDADPS(3,3'-disulfonated-4,4'-diaminophenoxy-diphenylsulfone)는 아민 화합물의 한 예로 문헌에 알려진 방법에 의하여 제조되었다 (김정민 등, Polymer (Korea) 35, 106 (2011)).SDADPS (3,3'-disulfonated-4,4'-diaminophenoxy-diphenylsulfone) is an example of an amine compound prepared by a method known from the literature (Kim Jungmin et al., Polymer (Korea) 35, 106 (2011)).

30 g (0.105 mol)의 4,4'-다이클로로다이페닐술폰 (4,4'-dichlorodiphenylsulfone)과 발연황산(60 mL, 30% SO3)을 500 mL round-bottom flask에 넣은 후 6시간 동안 110 ℃에서 교반하였다. 반응물을 실온에서 식힌 후 차가운 증류수를 첨가해 주고 60 g의 NaCl로 염석(salting out) 시켜줌으로써 흰색의 침전물을 얻었다. 반응물을 10 N NaOH 수용액으로 중성화시키고 다시 한번 60 g 의 NaCl 로 염석시켰다. 증류수와 IPA(isopropyl alcohol; IPA, 99.5%, Samchun Pure Chemical Co., Ltd., Korea)) 가 30/70 (v/v)으로 섞인 용매로 2회 이상 재결정하여 불순물을 제거하였다. 재결정된 반응물을 필터링한 후 24시간 동안 120 ℃에서 진공 건조하였으며, 수율은 약 60% 정도였다.After adding 30 g (0.105 mol) of 4,4'-dichlorodiphenylsulfone and fuming sulfuric acid (60 mL, 30% SO 3 ) into a 500 mL round-bottom flask, Stir at 110 &lt; 0 &gt; C. The reaction was cooled at room temperature, then cold distilled water was added and 60 g of NaCl was salted out to give a white precipitate. The reaction was neutralized with 10 N aqueous NaOH solution and again salted with 60 g NaCl. (IPA, 99.5%, Samchun Pure Chemical Co., Ltd., Korea)) was recycled more than twice with a solvent mixed with 30/70 (v / v) to remove impurities. The recrystallized reactants were filtered and vacuum dried at 120 ° C for 24 hours. The yield was about 60%.

상기 반응을 통해 얻어진 4.913 g (10 mmol) 술폰화된 다이클로로다이페닐술폰(sulfonated dichlorodiphenyl sulfone)을 2.401 g (22 mmol) 3-아미노페놀(3-aminophenol)과 1.796 g (13 mmol) 탄산칼륨(potassium carbonate), DMSO 40 mL, toluene 20 mL와 함께 딘 스탁 트랩(dean stark trap)을 통해 질소 상태에서 160 ℃에서 8시간 반응시킨 후 물과 toluene을 완전히 제거해주고 170 ℃에서 12시간 반응을 시켰다. 반응 중 발생한 NaCl과 KCl을 필터를 통해 걸러 주고 반응물을 IPA에 침전시켜 술폰화된 다이아미노다이페닐술폰(sulfonated diaminodiphenyl sulfone)을 합성하였다. 그리고 0.1 M NaOH 수용액과 상기 sulfonated diaminodiphenyl sulfone (sodium salt form, Mw = 636 g/mol)을 교반 후 IPA에 침전시켜 필터 후 24시간 동안 30 ℃에서 진공 건조하여 화합물을 얻었으며 수율은 약 70%이었다.4.913 g (10 mmol) of sulfonated dichlorodiphenyl sulfone obtained from the above reaction was added to 2.401 g (22 mmol) of 3-aminophenol and 1.796 g (13 mmol) of potassium carbonate potassium carbonate, 40 mL of DMSO, and 20 mL of toluene were reacted at 160 ° C for 8 hours in a nitrogen atmosphere through a dean stark trap, and then water and toluene were completely removed and reacted at 170 ° C for 12 hours. NaCl and KCl generated during the reaction were filtered through a filter and the reaction was precipitated in IPA to synthesize sulfonated diaminodiphenyl sulfone. Then, 0.1 M NaOH aqueous solution and sulfonated diaminodiphenyl sulfone (sodium salt form, Mw = 636 g / mol) were stirred and precipitated in IPA. After filtration, the compound was obtained by vacuum drying at 30 ° C. for 24 hours. The yield was about 70% .

실시예Example 1. One.

카르보닐디이미다졸과 diamine을 이용하여 가교된 과불소계 양이온 교환막을 제조하였고, 가교제의 함량은 표 1에 나타내었다. 양이온 교환막 제조에 사용된 Nafion 고분자는 Nafion dispersion을 이용하여 얻었으며 그 과정은 하기와 같다.A crosslinked perfluorinated cation exchange membrane was prepared using carbonyldiimidazole and diamine, and the content of crosslinking agent is shown in Table 1. The Nafion polymer used in the preparation of the cation exchange membrane was obtained using Nafion dispersion, and the procedure was as follows.

100 mL 2구 플라스크에 교반기 및 나피온 1.0 g (건조된 Nafion D2021, sulfonic acid 0.92 mmol)을 넣고 디메틸설폭사이드 8 mL에 60 ℃에서 용해시켰다. 상온으로 식힌 뒤, 질소 기류 하에서 카르보닐디이미다졸 (1,1'-carbonyldiimidazole, CDI) 0.075 g (0.46 mmol)과 디메틸설폭사이드 1.0 mL 혼합 용액을 천천히 적하한 뒤 2시간 동안 교반하여 술폰산이 이미다졸로 활성화된 나피온 용액을 얻었다.A 100 mL two-necked flask was charged with 1.0 g of a stirrer and Nafion (dried Nafion D2021, 0.92 mmol of sulfonic acid) and dissolved in 8 mL of dimethyl sulfoxide at 60 ° C. After cooling to room temperature, a mixed solution of 0.075 g (0.46 mmol) of carbonyldiimidazole (CDI) and 1.0 mL of dimethyl sulfoxide was slowly added dropwise under a nitrogen stream and stirred for 2 hours to remove the sulfonic acid To obtain a Nafion solution activated by a dazole.

상기 용액에 3,3'-disulfonated-4,4'-diaminophenoxy-diphenylsulfone (SDADPS) 나트륨염 0.0176g (0.0276 mmol)과 디메틸설폭사이드 1.0 mL 혼합 용액을 천천히 적하하고 상온에서 1시간 동안 교반하여 균일한 혼합물을 얻었다.A mixed solution of 0.0176 g (0.0276 mmol) of sodium salt of 3,3'-disulfonated-4,4'-diaminophenoxy-diphenylsulfone (SDADPS) and 1.0 mL of dimethylsulfoxide was slowly added dropwise to the solution and stirred at room temperature for 1 hour A mixture was obtained.

이어서 제조된 혼합 고분자 용액을 수평을 맞춘 유리판에 캐스팅하여 박막을 제조하였으며 닥터 블레이드를 이용하여 두께가 약 40-80 ㎛가 되도록 조절하였다. 그 후, 60 ℃에서 질소 기류 하에서 서서히 12시간 건조시키고, 진공오븐을 이용하여 160 ℃에서 14시간 건조 및 가교반응을 시켰다.Then, the mixed polymer solution was cast on a horizontal glass plate to prepare a thin film. The thickness of the thin film was adjusted to about 40-80 탆 by using a doctor blade. Thereafter, it was gradually dried at 60 DEG C under a nitrogen stream for 12 hours, and dried and crosslinked at 160 DEG C for 14 hours using a vacuum oven.

유리판에 캐스팅된 막을 상온으로 식힌 후 탈이온수를 부어 유리판에서 떼어낸 뒤, 1.5 M 염산 수용액에 24시간 동안 침적하여 양이온 교환을 시킨 다음, 탈이온수에 12시간 동안 침적하고 세척하여 유리 염산을 모두 제거하고 양이온 교환막을 제조하였다. 이렇게 얻어진 막을 상온에서 3시간, 그리고 160 ℃에서 12시간 동안 진공에서 건조시켰다.
The film cast on the glass plate was cooled to room temperature, deionized water was poured out of the glass plate, immersed in a 1.5 M aqueous hydrochloric acid solution for 24 hours to perform cation exchange, and then immersed in deionized water for 12 hours to remove all of the free hydrochloric acid And a cation exchange membrane was prepared. The film thus obtained was dried in a vacuum at room temperature for 3 hours and at 160 ° C for 12 hours.

실시예Example 2 및 3. 2 and 3.

상기 방법과 동일하되, SDADPS의 함량을 0.0644 mmol, 0.138 mmol로 하여 양이온 교환막을 제조하였다.
A cation exchange membrane was prepared in the same manner as described above except that the content of SDADPS was 0.0644 mmol and 0.138 mmol, respectively.

실시예Example 4. 4.

상기 실시예 1과 동일하되, SDADPS 대신 진공 건조된 술폰산 나트륨 염(sulfanilic acid sodium salt, SulfanilS) 9.0 mg (0.046 mmol)을 사용하여 양이온 교환막을 제조하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that 9.0 mg (0.046 mmol) of sulfanilic acid sodium salt (Sulfanil S) was used instead of SDADPS to prepare a cation exchange membrane.

실시예Example 5. 5.

상기 실시예 1과 동일하되 SDADPS 대신 진공 건조된 7-amino-1,3-naphthalenedisulfonate monopotassium salt(ANDSP) 14 mg (0.046 mmol)을 사용하여 양이온 교환막을 제조하였다.
A cation exchange membrane was prepared using 14 mg (0.046 mmol) of 7-amino-1,3-naphthalenedisulfonate monopotassium salt (ANDSP), which was the same as Example 1 but was vacuum-dried instead of SDADPS.

실시예Example 6 내지 9. 6 to 9.

술폰기가 없는 가교제를 사용한 양이온 교환막과 비교하기 위해서 상기 실시예 1과 동일하게 하되 SDADPS 대신 DAPSONE (bis(4-aminophenyl) sulfone) 6.8, 11.4, 16.0, 34.3 mg (0.0272, 0.046, 0.0644, 0.138 mmol)을 사용하여 양이온 교환막을 제조하였다.
11.4, 16.0, 34.3 mg (0.0272, 0.046, 0.0644, 0.138 mmol) of DAPSONE (bis (4-aminophenyl) sulfone) was used instead of SDADPS in the same manner as in Example 1 except that the cation exchange membrane was used without a sulfone group. Was used to prepare a cation exchange membrane.

비교예Comparative Example 1. One.

가교제를 사용하지 않은 과불소화술폰산 고분자로 제조한 양이온 교환막과 비교하기 위해서 Nafion 고분자는 Nafion 117을 사용하였다.Nafion 117 was used as a Nafion polymer for comparison with cation exchange membranes prepared from perfluoro sulfonic acid polymers without using crosslinking agents.

1.5 M 염산 수용액에 24시간 동안 침적하여 처리한 다음, 탈이온수에 12시간 동안 침적하고 세척하여 유리 염산을 모두 제거하고 양이온 교환막을 제조하였다.
And then immersed in a 1.5 M aqueous hydrochloric acid solution for 24 hours, immersed in deionized water for 12 hours, and washed to remove all of the free hydrochloric acid, thereby preparing a cation exchange membrane.

실험예Experimental Example 1.  One. SDADPSSDADPS 제조 확인 Manufacturing Confirmation

합성된 SDADPS 가교제의 합성여부를 확인하기 위하여 300 MHz Unityinova 1H-NMR spectrometer (VARIAN, USA)를 사용하였으며, 용매는 CDCl3와 DMSO-d6을 사용하였다.A 300 MHz Unityinova 1 H-NMR spectrometer (VARIAN, USA) was used to confirm the synthesis of the synthesized SDADPS crosslinking agent. The solvent was CDCl 3 and DMSO-d 6 .

하기 도 2에 나타난 바와 같이, 술폰산기 근처의 proton이 8.17 ppm에서 singlet, 7.6 ppm에서 doublet, 6.8 ppm에서 doublet 으로 나타나고 amino phenol기에 있는 proton이 7.02 ppm에서 triplet, 6.36 ppm에서 doublet, 6.23 ppm에서 singlet, 6.19 ppm doublet으로 동일한 적분비로 나타나고 amine peak가 5.25 ppm에서 singlet으로 다른 proton의 2배 비율의 적분비로 나타남에 따라 SDADPS가 합성되었음이 확인되었다.
As shown in FIG. 2, the proton near the sulfonic acid group appeared singlet at 8.17 ppm, doublet at 7.6 ppm, doublet at 6.8 ppm, proton at amino phenol group doubled at triplet at 7.02 ppm, doublet at 6.36 ppm, singlet at 6.23 ppm , 6.19 ppm doublet, and the amine peak was 5.25 ppm, singlet, and the integral ratio of the other proton to double, indicating that SDADPS was synthesized.

실험예Experimental Example 2. 양이온  2. Cation 교환막Exchange membrane 제조 확인 Manufacturing Confirmation

(1) ATR-FTIR(1) ATR-FTIR

가교된 양이온 교환막의 구조를 확인하기 위하여 MAGNA-IR760 spectrometer에 PIKE Technologies의 ATR(Attenuated Total Reflectance) accessory를 장착하여 사용하였다.To confirm the structure of the crosslinked cation exchange membrane, ATR (Attenuated Total Reflectance) accessory of PIKE Technologies was attached to a MAGNA-IR760 spectrometer.

하기 도 3 및 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 SDADPS 및 DAPSONE을 이용하여 가교시킨 Nafion 양이온 교환막의 ATR-FTIR spectra 이다. FTIR 분석을 하기 위하여 1.5 M HCl 수용액에 하루 동안 산 처리 후, 탈이온수로 여러 번 세척을 해주었고, 80 ℃에서 24시간 감압 건조시켜 주었다.3 and 4 are ATR-FTIR spectra of Nafion cation exchange membranes crosslinked using SDADPS and DAPSONE according to the examples and comparative examples of the present invention. For FTIR analysis, 1.5 M HCl aqueous solution was treated with acid for one day, washed several times with deionized water, and dried at 80 ° C for 24 hours under reduced pressure.

하기 도 3은 SDADPS 를 이용하여 가교한 막의 ATR-FTIR spectra 로 가교제의 함량을 정성적으로 확인하기 위해 1052 cm- 1 에서 나타나는 ether peak의 intensity를 동일하게 임의의 scale로 조절하였다. 1600 cm-1과 1478 cm-1의 피크는 가교제인 SDADPS 내의 방향족 벤젠 고리(aromatic benzene ring)의 흡수 띠이며, Nafion의 spectrum에서는 나타나지 않았지만 모든 가교된 막의 spectrum에서는 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 가교제의 함량이 증가함에 따라 aromatic benzene 흡수 peak의 세기가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 1509 cm-1의 흡수 피크는 술폰산기와 diamine기가 반응하여 생성되는 sulfonamide기(-SO2NH)의 전형적인 bending vibration peak이다. 이를 통해 가교반응이 성공적으로 진행되었으며, 가교제의 함량이 증가함에 따라 가교도가 증가함을 정성적으로 확인할 수 있었다.The intensity of the peak appearing in ether was adjusted to 1, the same arbitrary scale - to 1052 cm 3 is to confirm the content of the crosslinking agent in the film ATR-FTIR spectra crosslinked using SDADPS qualitatively. The peak at 1600 cm -1 and 1478 cm -1 is an absorption band of an aromatic benzene ring in the crosslinking agent SDADPS and is not present in the spectrum of Nafion but is found in the spectrum of all crosslinked membranes. In addition, it was confirmed that the intensity of aromatic benzene absorption peak increases with increasing crosslinking agent content. The absorption peak at 1509 cm -1 is a typical bending vibration peak of a sulfonamide group (-SO 2 NH) produced by the reaction of a sulfonic acid group with a diamine group. As a result, it was confirmed that the crosslinking reaction was successfully performed and that the crosslinking degree was increased as the crosslinking agent content was increased.

하기 도 4는 DAPSONE을 이용하여 가교한 막의 ATR-FTIR spectra 이며, 마찬가지로 1600 cm-1 과 1478 cm-1 부근에서 가교제인 DAPSONE 내의 aromatic benzene ring의 흡수 피크를 확인할 수 있었다. 하지만 SDADPS 보다 분자 내의 benzene 고리의 수가 적은 DAPSONE을 이용한 경우 DAPSONE 의 함량이 10부 이하일 때는 가교제의 흡수 피크를 확인할 수 없었다.
FIG. 4 is an ATR-FTIR spectra of a crosslinked membrane using DAPSONE. Similarly, an absorption peak of an aromatic benzene ring in the crosslinking agent DAPSONE can be confirmed at about 1600 cm -1 and 1478 cm -1 . However, when DAPSONE was used in which the number of benzene rings in the molecule was smaller than that of SDADPS, the absorption peak of crosslinking agent could not be confirmed when the content of DAPSONE was 10 parts or less.

(2) UV-Visible spectroscopy(2) UV-Visible spectroscopy

양이온 교환막의 가교 여부를 확인하기 위하여 SCINCO 의 S-4100 UV-Vis spectrophotometer를 이용하였다. SDADPS 단량체는 물을, DAPSONE 은 아세토나이트릴(acetonitrille)을 용매로 사용하였으며, 각각의 농도는 3.77 x 10-5 M, 4.15 x 10-5 M 이었다.The S-4100 UV-Vis spectrophotometer from SCINCO was used to confirm the crosslinking of the cation exchange membrane. SDADPS monomer was used as water and DAPSONE was used as acetonitrile as a solvent. The concentrations were 3.77 × 10 -5 M and 4.15 × 10 -5 M, respectively.

DAPSONE의 함량이 10부 이하인 막의 가교여부를 확인하기 위하여 UV-Visible spectroscopy를 이용하였다. 하기 도 5 및 6에서 가교 전과 후의 UV spectrum을 비교할 수 있다. 하기 도 5에서는 SDADPS를 가교제로 사용한 것이며, SDADPS(sodium salt form)분자에서 296, 233 ㎚ 부근의 흡수 피크가 가교된 양이온 교환막에서 각각 290, 230 ㎚로 이동된 것을 확인할 수 있다. 하기 도 6에서는 DAPSONE을 가교제로 사용하였을 경우를 보여주고 있으며, DAPSONE 분자에서 293, 258 ㎚ 부근의 흡수 peak가 가교된 막에서 각각 270, 258 ㎚로 이동된 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 DAPSONE의 경우에도 모두 가교반응이 일어났다는 것을 확인되었다.
UV-Visible spectroscopy was used to confirm the crosslinking of membranes with a content of DAPSONE of less than 10 parts. 5 and 6, UV spectra before and after crosslinking can be compared. In FIG. 5, SDADPS is used as a crosslinking agent. It can be seen that the absorption peaks near 296 and 233 nm in SDADPS (sodium salt form) molecules are shifted to 290 and 230 nm in crosslinked cation exchange membranes, respectively. FIG. 6 shows a case where DAPSONE is used as a crosslinking agent. It can be seen that absorption peaks in the vicinity of 293 and 258 nm in the DAPSONE molecules are shifted to 270 and 258 nm in the crosslinked membranes, respectively. It was also confirmed that all of the DAPSONE crosslinking reactions occurred.

실험예Experimental Example 3. 양이온  3. Cation 교환막의Exchange membrane 흡수율과 이온교환용량( Absorption and ion exchange capacity ( IECIEC )의 측정)

상기 비교예 및 실시예에서 제조된 고분자전해질막을 탈이온 증류수에 2일 동안 담가두었고, 2일 경과 후 꺼내어 종이 휴지로 닦은 후 즉시 무게를 측정하였다. 함수율은 다음의 식으로부터 계산되었다. 여기서 Wwet은 젖은 상태의 무게를 나타내고, Wdry는 건조된 막의 무게를 나타낸다.The polymer electrolyte membranes prepared in the above Comparative Examples and Examples were immersed in deionized distilled water for 2 days. After 2 days, the polymer electrolyte membranes were taken out, wiped with tissue paper, and immediately weighed. The water content was calculated from the following equation. Where W wet represents the weight of the wet state, and W dry represents the weight of the dried film.

함수율 (%) = {(Wwet - Wdry)/ Wdry} x 100Water content (%) = {(W wet - W dry ) / W dry } x 100

또한, 이온교환용량은 중화적정에 의해 결정하였다. 일정량의 건조 시료를 2 M NaCl 용액에 담지하여 24시간 동안 교반하였으며 0.025 M NaOH 용액으로 페놀프탈레인 종말점(phenolphthalein end point) 적정을 하였다. 이온교환용량(mmol/g)은 하기 식으로부터 구하였으며 VNaOH은 소비된 0.025 M NaOH 수용액의 부피를 나타내며, VB은 blank titration을 위한 NaOH 수용액의 부피를 나타내고, Wdry은 건조된 시료의 무게를 나타낸다. The ion exchange capacity was determined by neutralization titration. A certain amount of dried sample was loaded in a 2 M NaCl solution, stirred for 24 hours, and a phenolphthalein end point was titrated with a 0.025 M NaOH solution. The ion exchange capacity (mmol / g) was calculated from the following equation, where V NaOH represents the volume of 0.025 M aqueous NaOH solution consumed, V B represents the volume of NaOH aqueous solution for blank titration and W dry represents the weight of the dried sample .

IEC = 0.025 x {(VNaOH - VB) / Wdry }
IEC = 0.025 x {(V NaOH - V B ) / W dry }

실험예Experimental Example 4.  4. 수소이온전도도Hydrogen ion conductivity 측정 Measure

수소이온전도도는 2극자 방법으로 임피던스(impedance)를 측정하고 수소이온전도도를 구하였다. 4192A LF Impedance Analyzer(Yokogawa, Hewlett Packard)을 사용하였고, 각각 25 ℃, 80 ℃ 탈이온수 (상대습도 100%)에서 측정하였으며, 하기 식으로부터 수소이온전도도를 구하였다. σ는 수소이온전도도(S/cm), R은 측정된 impedance이고, S는 양이온 교환막의 단면적 (cm2), L은 전극 사이의 거리 (cm)를 나타낸다.The hydrogen ion conductivity was measured by a dipole method and the hydrogen ion conductivity was determined. 4192A LF Impedance Analyzer (Yokogawa, Hewlett Packard) was used and measured at 25 ° C and 80 ° C in deionized water (relative humidity 100%). Hydrogen ion conductivity was obtained from the following equation. σ is the proton conductivity (S / cm), R is the measured impedance, S is the cross-sectional area of the cation exchange membrane (cm 2 ), and L is the distance between the electrodes (cm).

σ = L / RS
σ = L / RS

실험예Experimental Example 5. 메탄올 투과 실험 5. Methanol permeation experiment

메탄올의 투과(methanol crossover) 정도를 알기 위하여 상기 실시예에서 제조된 양이온 교환막을 U자관 모양으로 연결된 2중 챔버(chamber) 중간에 밀봉시키고 한쪽 관에는 증류수를 넣고 다른 한쪽에는 2M의 메탄올 수용액을 채운 다음, 온도조절이 가능한 수조에 위치시켰다. 두 챔버 중 증류수가 있는 챔버에서 시간에 따라 일정한 양의 용액을 채취하여 그 중에 있는 메탄올 농도를 측정하였다. 자세한 실험 절차는 문헌에 알려진 방법을 이용하였다 (이광화 등의 Solid State Ionics 177, 1083 (2006)).
In order to determine the degree of methanol crossover, the cation exchange membrane prepared in the above example was sealed in the middle of a U-shaped chamber connected with distilled water, one side was filled with distilled water and the other side was filled with 2M aqueous methanol solution Next, it was placed in a temperature adjustable water tank. In a chamber with distilled water in both chambers, a constant amount of solution was sampled over time and the concentration of methanol in the chamber was measured. Detailed experimental procedures were performed using known methods (Solid State Ionics 177, 1083 (2006)).

실험예Experimental Example 6.  6. 바나듐산물Vanadium product 투과 실험 Permeation experiment

상기 메탄올 투과 실험에서 사용된 장치를 이용하여 바나듐산화물 투과 정도를 측정하였다. 한쪽 관에는 1 M의 MgSO4 수용액과 2 M의 황산수용액을 넣고 다른 한쪽에는 1 M의 VOSO4 수용액과 2 M의 황산수용액을 채운다음, 두 챔버에는 각각 자석교반기를 이용하여 교반이 되게 하였다. 두 챔버 중 VOSO4 수용액이 있는 반대쪽 챔버에서 시간에 따라 일정한 양의 용액을 채취하여 그 중에 있는 VO2 + 농도를 자외선/가시광선 흡수장치를 이용하여 측정하였다. 자세한 실험 절차는 문헌에 알려진 방법을 이용하였다 (Y. Meng 등의 J. Power Sources 195, 7701 (2010)).
The degree of vanadium oxide permeability was measured using the apparatus used in the methanol permeation experiment. One tube was charged with 1 M MgSO 4 aqueous solution and 2 M sulfuric acid aqueous solution, the other was filled with 1 M aqueous VOSO 4 solution and 2 M sulfuric acid aqueous solution, and the two chambers were agitated using a magnetic stirrer. Of the two chambers, VOSO 4 A constant amount of the solution was taken over time in the opposite chamber with the aqueous solution, and the VO 2 + concentration therein was measured using an ultraviolet / visible light absorber. Detailed experimental procedures were used (Y. Meng et al., J. Power Sources 195, 7701 (2010)).

상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5에서 사용한 가교제 종류 및 함량, 상기 실험 결과를 표 1에 나타내었다.The type and content of the crosslinking agent used in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5, and the results of the tests are shown in Table 1.

아민의 종류Types of amines 함량
(mol부)
content
(mol parts)
IEC
(meq/g)
IEC
(meq / g)
흡수율
(%)
Absorption rate
(%)
수소이온전도도
(S/cm)
Hydrogen ion conductivity
(S / cm)
투과도 (25 ℃)Transmittance (25 ° C)
25 ℃25 80 ℃80 ℃ MeOH[1] MeOH [1] VO2 +[2] VO 2 + [2] 실시예 1Example 1 SDADPSSDADPS 33 0.8650.865 23.723.7 0.1120.112 0.1740.174 1.621.62 1.461.46 실시예 2Example 2 SDADPSSDADPS 77 0.8550.855 20.920.9 0.1100.110 0.1920.192 1.311.31 1.481.48 실시예 3Example 3 SDADPSSDADPS 1515 0.8420.842 18.718.7 0.1090.109 0.1660.166 0.840.84 1.511.51 실시예 4Example 4 SulfanilSSulfanilS 55 0.8570.857 22.622.6 0.1110.111 0.1800.180 1.711.71 2.452.45 실시예 5Example 5 ANDSPANDSP 55 0.8930.893 24.324.3 0.1160.116 0.1920.192 1.891.89 2.742.74 실시예 6Example 6 DAPSONEDAPSONE 33 0.9080.908 18.418.4 0.1190.119 0.1600.160 0.980.98 0.500.50 실시예Example 7 7 DAPSONEDAPSONE 55 0.8710.871 14.914.9 0.1180.118 0.1810.181 0.9430.943 0.450.45 실시예Example 8 8 DAPSONEDAPSONE 77 0.8300.830 13.313.3 0.1180.118 0.1590.159 0.930.93 2.522.52 실시예Example 9 9 DAPSONEDAPSONE 1515 0.7470.747 18.018.0 0.1060.106 0.1700.170 1.161.16 1.511.51 비교예Comparative Example 1 One [3][3] -- -- 0.9100.910 17.017.0 0.0910.091 0.1320.132 2.362.36 3.563.56

[1]: x 10-6 cm2/sec[1]: x 10 -6 cm 2 / sec

[2]: x 10-6 cm2/min[2]: x 10 -6 cm 2 / min

[3]: Nafion 117 [3]: Nafion 117

양이온 교환막에서 함수율과 이온교환용량(IEC, ion exchange capacity)는 수소이온 전도도와 기계적 특성, 연료의 투과도를 결정하는 매우 중요한 지표이다. 하기 도 7에서 가교 전 Nafion 117 (0.934 meq/g)과 비교하여 가교 후의 IEC가 모두 감소하였으며, 가교제의 함량이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다.Water content and ion exchange capacity (IEC) in cation exchange membranes are very important indicators of hydrogen ion conductivity, mechanical properties and fuel permeability. In FIG. 7, compared with Nafion 117 (0.934 meq / g) before crosslinking, all of the IECs after crosslinking decreased and the crosslinking agent content tended to decrease with increasing crosslinking agent content.

하기 도 8에서 25 ℃, 80 ℃에서 측정한 가교도에 따른 함수율의 변화를 나타내었다. 일반적으로 가교를 하게 되면 가교결합으로 인하여 물에 의한 막의 스웰링(swelling)이 감소되고, 이러한 작용에 의해 막의 함수율을 감소시키게 되며 더 나아가 메탄올 투과도를 감소시킨다. SDADPS를 사용한 막의 경우 가교도가 증가함에 따라 함수율이 감소하였으나, 25 ℃와 80 ℃ 모두 Nafion 117보다 높은 함수율을 보였다. DAPSONE을 가교제로 사용한 경우는 가교도가 3 mol부에서 7 mol부로 증가할수록 함수율이 낮아졌으며, Nafion 117과 비교하였을 때 유사하거나 낮은 함수율을 보였다.FIG. 8 shows the change in water content according to the degree of crosslinking measured at 25 ° C and 80 ° C. In general, cross-linking reduces the swelling of the membrane due to cross-linking, thereby reducing the water content of the membrane and further decreasing the methanol permeability. In SDADPS membranes, the water content decreased as the degree of crosslinking increased, but the water content was higher than that of Nafion 117 at 25 ℃ and 80 ℃. When DAPSONE was used as a cross - linking agent, the water content decreased as the degree of crosslinking increased from 3 moles to 7 moles, and showed a similar or low water content as compared with Nafion 117.

동일한 양의 가교제를 투입하였을 때, 가교제의 종류에 따른 함수율을 비교해 보면, SDADPS를 사용한 막이 모든 경우에서 상대적으로 높은 함수율을 나타내는 것을 볼 수 있는데, 이는 가교제인 SDADPS에 존재하는 술폰산기가 막의 친수성을 증가시키기 때문이다. 또한 SDADPS의 분자길이가 약 2.1 ㎚로 DAPSONE (분자길이 약 1.2 ㎚)에 비해 약 2배 더 길어 가교가 되었을 경우 상대적으로 덜 compact한 가교 구조를 나타내기 때문이다.When the same amount of cross-linking agent is added, the water content of SDADPS shows a relatively high water content in all cases. This indicates that the sulfonic acid group present in the cross-linking agent SDADPS increases the hydrophilicity of the membrane I will. The molecular length of SDADPS is about 2.1 ㎚, which is about two times longer than that of DAPSONE (about 1.2 ㎚ in molecular length). Therefore, it shows relatively less compact structure when crosslinked.

이상에서 상술 한 바와 같이 본 발명의 가교된 과불소화설폰산고분자는 표 1에서 보는 것과 같이 우수한 수소이온전도도를 보이며, 메탄올 투과도 및 바나듐 투과도가 낮게 나타나므로 직접 메탄올 연료 전지용 고분자 전해질막 및 산화환원흐름전지 분리막으로의 성능이 나피온에 비하여 우수할 것으로 예상된다. 또한 80 ℃에서의 이온전도성이 25 ℃에 비하여 비교예와 비교하여 월등히 우수한 것으로 미루어 이 보다 더 높은 온도에서도 이온전도성과 안정성이 우수할 것으로 기대된다.As described above, the cross-linked perfluorinated sulfonic acid polymer of the present invention exhibits excellent hydrogen ion conductivity and low methanol permeability and vanadium permeability as shown in Table 1. Therefore, the polymer electrolyte membrane for direct methanol fuel cell and the redox flow It is expected that the performance as a battery separator is superior to that of Nafion. The ion conductivity at 80 캜 is much better than that of the comparative example at 25 캜. Therefore, the ion conductivity and stability at the higher temperature are expected to be excellent.

Claims (14)

과불소화술폰산 고분자에 아민 화합물로 가교시킨 양이온 교환막으로서,
상기 아민 화합물은 술폰산기를 포함하며, 상기 과불소화술폰산 고분자는 카보닐디이미다졸에 의해 술폰산기가 술폰이미다졸기로 치환되는 것을 특징으로 하는 양이온 교환막.
A cation exchange membrane crosslinked with an amine compound in a perfluorinated sulfonic acid polymer,
Wherein the amine compound comprises a sulfonic acid group, and the sulfonic acid group is substituted with a sulfonimidazole group by the carbonyldiimidazole of the perfluorinated sulfonic acid polymer.
제1항에 있어서,
상기 아민 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 아민 화합물인 것을 특징으로 하는 양이온 교환막.
[화학식 1]
H2N-Ar1-NH2
상기 화학식 1에서,
상기 Ar1은 탄소수 6-24 아릴렌기인 방향족 고리이고, 상기 방향족 고리는 SO3H, COOH, PO3H2 또는 이들의 알칼리금속염으로 치환 또는 비치환되어 있고, 상기 방향족 고리는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 접합되어 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, C(=O), S(=O)2 또는 (CH2)n (n은 1 또는 2의 정수)으로 연결되어 있다.
The method according to claim 1,
Wherein the amine compound is an amine compound represented by the following formula (1).
[Chemical Formula 1]
H 2 N-Ar 1 -NH 2
In Formula 1,
Wherein Ar 1 is a group having a carbon number of 6-24 arylene ring, the aromatic ring is SO 3 H, COOH, PO 3 H 2 , or may be substituted or unsubstituted with an alkali metal salt thereof, wherein the aromatic ring is present alone, or ; Two or more are bonded to each other to form a condensed ring; Two or more of them are connected by a single bond, O, S, C (= O), S (= O) 2 or (CH 2 ) n (n is an integer of 1 or 2).
제1항에 있어서,
상기 아민 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 아민 화합물인 것을 특징으로 하는 양이온 교환막.
[화학식 2]
H2N-Ar2
상기 Ar2는 탄소수 6-24 아릴렌기인 방향족 고리이고, 상기 방향족 고리는 SO3H, COOH, PO3H2 또는 이들의 알칼리금속염으로 치환 또는 비치환되어 있고, 상기 방향족 고리는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 접합되어 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, C(=O), S(=O)2 또는 (CH2)n (n은 1 또는 2의 정수)으로 연결되어 있다.
The method according to claim 1,
Wherein the amine compound is an amine compound represented by the following formula (2).
(2)
H 2 N-Ar 2
Wherein Ar 2 is a 6-24 carbon atoms, an arylene group the aromatic ring, the aromatic ring is SO 3 H, COOH, PO 3 H 2 , or may be substituted or unsubstituted with an alkali metal salt thereof, wherein the aromatic ring is present alone, or ; Two or more are bonded to each other to form a condensed ring; Two or more of them are connected by a single bond, O, S, C (= O), S (= O) 2 or (CH 2 ) n (n is an integer of 1 or 2).
제1항에 있어서,
상기 아민 화합물은 SO3H, COOH, PO3H2 또는 이들의 알칼리금속염으로 치환 또는 비치환된 H2N-(CH2)n-NH2 또는 H2N-(CH2)n-H (n은 2-6의 정수이다.)인 것을 특징으로 하는 양이온 교환막.
The method according to claim 1,
The amine compound may be H 2 N- (CH 2 ) n -NH 2 (SO 3 H, COOH, PO 3 H 2 or an alkali metal salt thereof substituted or unsubstituted with an alkali metal salt thereof) Or H 2 N- (CH 2 ) n -H (wherein n is an integer of 2-6).
제1항에 있어서,
상기 아민 화합물의 함량은 과불소화술폰산 고분자 기준 1-30 mol부인 것을 특징으로 하는 양이온 교환막.
The method according to claim 1,
Wherein the content of the amine compound is 1 to 30 mol parts based on perfluorinated sulfonic acid polymer.
제1항에 있어서,
상기 양이온 교환막에 H3PO4, TiO2, Al2O3, 화학식 3으로 표시되는 무기 첨가제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 또는 2 이상의 무기첨가제를 첨가하는 것을 특징으로 하는 양이온 교환막.
[화학식 3]
Hm(XxYyOz)(nH2O)
상기 화학식 3에서,
X는 B, Al, Ga, Ge, Si, Sn, P, As, Sb, Te 및 제1-3 전이금속 중 에서 선택되는 어느 하나이고,
Y는 제1-3 전이원소 중에서 선택되는 어느 하나이고,
m은 1-10의 정수이고, n은 2-100의 정수이다.
The method according to claim 1,
Wherein one or two or more inorganic additives selected from the group consisting of H 3 PO 4 , TiO 2 , Al 2 O 3 and an inorganic additive represented by the general formula (3) are added to the cation exchange membrane.
(3)
H m (X x Y y O z ) (n H 2 O)
In Formula 3,
X is any one selected from B, Al, Ga, Ge, Si, Sn, P, As, Sb, Te,
Y is any one selected from the first to third transition elements,
m is an integer of 1-10, and n is an integer of 2-100.
제6항에 있어서,
상기 무기 첨가제의 함량은 양이온 교환막 기준 5-40 중량부인 것을 특징으로 하는 양이온 교환막.
The method according to claim 6,
Wherein the content of the inorganic additive is 5 to 40 parts by weight based on the weight of the cation exchange membrane.
과불소화술폰산 고분자와 카보닐디이미다졸을 반응시켜 술폰산기가 술폰이미다졸기로 활성화된 과불소화술폰산 고분자를 제조하는 단계;
상기 활성화된 과불소화술폰산 고분자와 아민 화합물을 반응시켜 가교된 과불소화술폰산 고분자를 제조하는 단계; 및
상기 가교된 과불소화술폰산 고분자를 유리판에 캐스팅하고 열처리하는 단계;를 포함하는 양이온 교환막의 제조방법.
Reacting a perfluoro sulfonic acid polymer with carbonyldiimidazole to prepare a perfluorinated sulfonic acid polymer having sulfonic acid groups activated by sulfonimidazole groups;
Reacting the activated perfluorinated sulfonic acid polymer with an amine compound to prepare a crosslinked perfluorinated sulfonic acid polymer; And
And casting the cross-linked perfluoro sulfonic acid polymer on a glass plate and heat-treating the cross-linked perfluoro sulfonic acid polymer.
제8항에 있어서,
상기 카보닐디이미다졸의 함량은 과불소화술폰산 고분자 기준 10-70 mol부인 것을 특징으로 하는 양이온 교환막의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the content of the carbonyldiimidazole is 10 to 70 mol% based on the perfluorinated sulfonic acid polymer.
제8항에 있어서,
상기 카보닐디이미다졸의 함량은 과불소화술폰산 고분자 기준 40-60 mol부인 것을 특징으로 하는 양이온 교환막의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the content of the carbonyldiimidazole is 40 to 60 mol% based on the perfluorinated sulfonic acid polymer.
제8항에 있어서,
상기 아민 화합물의 함량은 과불소화술폰산 고분자 기준 1-30 mol부인 것을 특징으로 하는 양이온 교환막의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the content of the amine compound is 1 to 30 mol parts based on perfluorinated sulfonic acid polymer.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 양이온 교환막을 이용하는 고분자전해질연료전지.11. A polymer electrolyte fuel cell using the cation exchange membrane according to any one of claims 1 to 11. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 양이온 교환막을 이용하는 산화환원흐름전지.A redox flow cell using the cation exchange membrane according to any one of claims 1 to 11. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 양이온 교환막을 이용하는 소금물 전기분해조.
12. A brine electrolysis bath using the cation exchange membrane according to any one of claims 1 to 11.
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