KR102026509B1 - Compound, polymer using the same, polymer electrolyte membrane using the same - Google Patents
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Abstract
본 명세서는 화학식 1의 화합물, 이를 이용한 고분자, 이를 이용한 고분자 전해질막, 이를 이용한 연료전지 및 이를 포함하는 레독스 플로우 전지 에 관한 것이다.The present specification relates to a compound of Chemical Formula 1, a polymer using the same, a polymer electrolyte membrane using the same, a fuel cell using the same, and a redox flow battery including the same.
Description
본 명세서는 화합물, 이를 이용한 고분자, 이를 이용한 고분자 전해질막, 이를 포함하는 연료전지 및 이를 포함하는 레독스 플로우 전지에 관한 것이다.The present specification relates to a compound, a polymer using the same, a polymer electrolyte membrane using the same, a fuel cell including the same, and a redox flow cell including the same.
고분자(polymer)는 분자량이 큰 화합물로, 단량체(monomer)라는 저분자가 여러 개 중합되어 이루어진 화합물을 일컫는다. 고분자는 사슬의 구조 및 형태에 따라 선형 고분자, 가지 고분자, 가교 고분자 등으로 분류할 수 있으며, 구조에 따라 물리적화학적 특성에서 큰 차이점을 보인다.A polymer is a compound having a large molecular weight, and refers to a compound formed by polymerizing several low molecules called monomers. Polymers can be classified into linear polymers, branched polymers, cross-linked polymers, etc. according to the structure and shape of the chain, and show significant differences in physical and chemical properties.
고분자는 비교적 가벼운 무게에 비해 기계적 강도가 우수하며 가공성이 좋아 구조를 이루는 재료로 주로 사용되어 왔으나, 최근에는 우수한 물리적 화학적 특성으로 인하여 기능성 재료로서의 사용이 부각되고 있다.The polymer has been mainly used as a structural material having excellent mechanical strength and good workability compared to a relatively light weight, but recently, it has been used as a functional material due to its excellent physical and chemical properties.
대표적인 예로 고분자 분리막으로의 활용이 있다. 고분자 분리막이란, 필름 같은 단순한 엷은 막이 아니라 물질을 분리하는 기능을 갖는 고분자막을 의미한다. 구체적으로, 연료전지, 레독스 플로우 전지 등의 양이온 교환이 가능한 전해질막으로 사용되고 있다.A representative example is the use as a polymer membrane. The polymer membrane is not a simple thin membrane such as a film, but means a polymer membrane having a function of separating substances. Specifically, it is used as an electrolyte membrane capable of cation exchange such as fuel cells and redox flow batteries.
연료전지는 연료의 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다. 즉 연료전지는 연료가스와 산화제를 사용하고, 이들의 산화환원 반응 중에 발생하는 전자를 이용하여 전력을 생산하는 발전 방식이다. 연료전지의 막 전극 접합체(MEA)는 수소와 산소의 전기화학적 반응이 일어나는 부분으로서 캐소드와 애노드 그리고 전해질막, 즉 이온 전도성 전해질막으로 구성되어 있다.A fuel cell is an energy conversion device that converts chemical energy of a fuel directly into electrical energy. In other words, a fuel cell is a power generation method that uses fuel gas and an oxidant and generates electric power by using electrons generated during the redox reaction. The membrane electrode assembly (MEA) of a fuel cell is a portion in which an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs and is composed of a cathode, an anode, and an electrolyte membrane, that is, an ion conductive electrolyte membrane.
레독스 플로우 전지(산화-환원 흐름 전지, Redox Flow Battery)란 전해액에 포함되어 있는 활성물질이 산화·환원되어 충전·방전되는 시스템으로 활성물질의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 저장시키는 전기화학적 축전 장치이다. 레독스 플로우 전지의 단위셀은 전극, 전해질 및 이온교환막(전해질막)을 포함한다.A redox flow battery (redox flow battery) is an electrochemical storage device that stores the chemical energy of an active material directly as electrical energy by charging and discharging the active material contained in the electrolyte. to be. The unit cell of the redox flow battery includes an electrode, an electrolyte, and an ion exchange membrane (electrolyte membrane).
연료전지 및 레독스 플로우 전지는 높은 에너지 효율성과 오염물의 배출이 적은 친환경적인 특징으로 인하여 차세대 에너지원으로 연구 개발되고 있다.Fuel cells and redox flow cells are being researched and developed as next generation energy sources due to their high energy efficiency and eco-friendly features with low emissions.
연료전지 및 레독스 플로우 전지에서 핵심 구성요소 중 하나는 양이온 교환이 가능한 고분자 전해질막이며, 1) 우수한 양성자 전도도 2) 전해질의 크로스오버(Cross Over) 방지, 3) 강한 내화학성, 4) 기계적 물성 강화 및/또는 4) 낮은 스웰링 비(Swelling Ratio)의 특성을 갖는 것이 좋다.One of the key components in fuel cells and redox flow cells is a polymer electrolyte membrane capable of cation exchange, 1) excellent proton conductivity 2) prevention of crossover of electrolyte, 3) strong chemical resistance, 4) mechanical properties And / or 4) low swelling ratio.
고분자 전해질막은 불소계, 부분불소계, 탄화수소계 등으로 구분이 되며, 부분불소계 고분자 전해질막의 경우, 불소계 주 사슬을 가지고 있어 물리적화학적 안정성이 우수하며, 열적 안정성 높다는 장점이 있다. 또한, 부분불소계 고분자 전해질막은 불소계 고분자 전해질막과 마찬가지로 양이온 전달 관능기가 불소계 사슬의 말단에 붙어있어, 탄화수소계 고분자 전해질막과 불소계 고분자 전해질막의 장점을 동시에 가지고 있다.The polymer electrolyte membrane is classified into fluorine-based, partially fluorine-based, hydrocarbon-based, and the like, and the partial fluorine-based polymer electrolyte membrane has a fluorine-based main chain, and thus, has excellent physical and chemical stability and high thermal stability. In addition, as in the fluorine-based polymer electrolyte membrane, the partial fluorine-based polymer electrolyte membrane has a cation transfer functional group attached to the end of the fluorine-based chain, and thus has the advantages of a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane and a fluorine-based polymer electrolyte membrane.
내구성 및 내산성이 높은 연료전지 및/또는 레독스 플로우 전지용 고분자 막을 제조하기 위해 고분자 합성시 사용되는 단량체에 대한 연구가 이루어지고 있다. 또한, 부분 불소계 고분자 전해질막의 활용을 높이기 위해, 양성자 전도도, 기계적 물성, 물리적화학적 특성 등이 향상된 부분 불소계 고분자 전해질막에 대한 연구가 진행되어오고 있다.Research into monomers used in the synthesis of polymers for producing polymer membranes for fuel cells and / or redox flow batteries having high durability and acid resistance has been made. In addition, in order to increase the utilization of the partial fluorine-based polymer electrolyte membrane, research on the partial fluorine-based polymer electrolyte membrane with improved proton conductivity, mechanical properties, physical chemical properties, etc. has been conducted.
본 명세서는 화합물, 이를 이용한 고분자, 이를 이용한 고분자 전해질막, 이를 포함하는 연료전지 및 이를 포함하는 레독스 플로우 전지을 제공하고자 한다.The present specification provides a compound, a polymer using the same, a polymer electrolyte membrane using the same, a fuel cell including the same, and a redox flow cell including the same.
본 명세서의 일 실시상태는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제공한다:An exemplary embodiment of the present specification provides a compound represented by Formula 1:
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서,In Chemical Formula 1,
A1 및 A2는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 F, Cl, Br 및 NO2로 이루어진 군에서 선택되고,A1 and A2 are the same as or different from each other, and are each independently selected from the group consisting of F, Cl, Br and NO 2 ,
B1 내지 B3는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 CO, S, SO 및 SO2로 이루어진 군에서 선택되며,B1 to B3 are the same as or different from each other, and each independently selected from the group consisting of CO, S, SO and SO 2 ,
C1 및 C2는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 하기 화학식 2로 표시되고, C1 and C2 are the same as or different from each other, and are each independently represented by the following formula (2),
[화학식 2][Formula 2]
상기 화학식 2에서, M은 수소 또는 알칼리금속이온이며, In Formula 2, M is hydrogen or an alkali metal ion,
g는 0 또는 1이고, h는 0 또는 1이고, i 및 j는 2 내지 6의 정수이며,g is 0 or 1, h is 0 or 1, i and j are integers from 2 to 6,
R1 내지 R4는 각각 서로 같거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 또는 치환 또는 비치환된 알킬기이고,R 1 to R 4 are the same as or different from each other, and each independently hydrogen; heavy hydrogen; Halogen group; Or a substituted or unsubstituted alkyl group,
a 및 b는 0 또는 1의 정수이며, c 및 f 는 1 내지 4의 정수, d 및 e는 1 내지 3의 정수이고, c 내지 f가 2 이상인 경우에는 괄호안의 치환기는 서로 동일하거나 상이하다.a and b are integers of 0 or 1, c and f are integers of 1 to 4, d and e are integers of 1 to 3, and when c to f are 2 or more, the substituents in parentheses are the same or different from each other.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체를 포함하는 중합체를 제공한다.In addition, an exemplary embodiment of the present specification provides a polymer including a monomer derived from the compound represented by Chemical Formula 1.
또한, 본 명세서는 전술한 중합체를 포함하는 고분자 전해질막을 제공한다.In addition, the present disclosure provides a polymer electrolyte membrane including the polymer described above.
본 명세서는 애노드; 캐소드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 구비된 전술한 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체를 제공한다.The present specification is an anode; Cathode; And it provides a membrane-electrode assembly comprising the above-described polymer electrolyte membrane provided between the anode and the cathode.
본 명세서는 2 이상의 전술한 막-전극 접합체; 상기 막-전극 접합체들 사이에 구비되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 스택; 상기 스택으로 연료를 공급하는 연료공급부; 및 상기 스택으로 산화제를 공급하는 산화제공급부를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지를 제공한다.The present specification includes two or more of the aforementioned membrane-electrode assemblies; A stack comprising a bipolar plate provided between the membrane-electrode assemblies; A fuel supply unit supplying fuel to the stack; And it provides a polymer electrolyte fuel cell comprising an oxidant supply unit for supplying an oxidant to the stack.
마지막으로, 본 명세서는 양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극 셀; 음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극 셀; 및 상기 양극 셀과 상기 음극 셀 사이에 구비되는 전술한 고분자 전해질막을 포함하는 레독스 플로우 전지를 제공한다.Finally, the present specification is a positive electrode cell comprising a positive electrode and a positive electrode electrolyte; A cathode cell comprising a cathode and a cathode electrolyte; And it provides a redox flow battery comprising the above-described polymer electrolyte membrane provided between the cathode cell and the anode cell.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 화합물을 이용하여 합성한 고분자는 내구성 및 내산성이 우수하다.The polymer synthesized using the compound according to one embodiment of the present specification has excellent durability and acid resistance.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 화합물은 탄화수소계 주사슬(main chain)에 부분불소계 술폰산을 도입시켜 pKa 값을 감소시킴으로서 양성자 전도도를 높이고, 특히, 상기 C는 주사슬(main chain)의 반응 위치(site)와 이온 전달 효과를 주는 술폰산기의 위치(site)의 거리 증가시킨다, 또한, 복수의 페닐 연결기의 π-π 스태킹(stacking) 의 효과로 인하여 전해질막의 상분리 성능이 향상되는 효과를 가진다.Compound according to an exemplary embodiment of the present disclosure to increase the proton conductivity by introducing a partial fluorine-based sulfonic acid to the hydrocarbon main chain to reduce the pKa value, in particular, the C is the reaction site of the main chain ( The distance between the site and the site of the sulfonic acid group giving the ion transfer effect is increased, and the phase separation performance of the electrolyte membrane is improved due to the effect of π-π stacking of a plurality of phenyl linkage groups.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 중합체를 포함하는 고분자 전해질막은 친수성-소수성 상분리 구조를 용이하게 형성한다.A polymer electrolyte membrane including a polymer according to one embodiment of the present specification easily forms a hydrophilic-hydrophobic phase separation structure.
또한, 상기 고분자 전해질막은 상분리 구조를 제어함으로써 친수성 채널을 효율적으로 고분자 전해질막 중에 형성한다.In addition, the polymer electrolyte membrane effectively forms a hydrophilic channel in the polymer electrolyte membrane by controlling the phase separation structure.
또한, 상기 고분자 전해질막은 양성자 전도도가 우수하다. 결과적으로 이를 포함하는 연료전지 및/또는 레독스 플로우 전지의 고성능화를 가져온다.In addition, the polymer electrolyte membrane has excellent proton conductivity. The result is a high performance of fuel cells and / or redox flow cells comprising the same.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 레독스 플로우 전지의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 연료전지의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a schematic diagram illustrating a principle of electricity generation of a fuel cell.
2 is a view schematically showing an embodiment of a redox flow battery.
3 is a view schematically showing an embodiment of a fuel cell.
이하 본 명세서에 대하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present specification will be described in more detail.
본 명세서에서 "치환 또는 비치환된" 이라는 용어는 중수소; 할로겐기; 또는 알콕시기로 이루어진 군에서 선택된 1개 이상의 치환기로 치환되거나, 어떠한 치환기도 가지지 않는 것을 의미한다.As used herein, the term "substituted or unsubstituted" is deuterium; Halogen group; Or one or more substituents selected from the group consisting of alkoxy groups, or no substituent.
본 명세서의 일 실시상태는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체를 포함하는 중합체를 제공한다.An exemplary embodiment of the present specification provides a polymer including a monomer derived from the compound represented by Chemical Formula 1.
본 명세서에 있어서, “단량체”는 화합물이 중합반응에 의해서 중합체 내에서 2가기 이상의 형태로 포함되는 구조를 의미한다.As used herein, "monomer" refers to a structure in which a compound is included in a divalent or more form in a polymer by a polymerization reaction.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part "contains" a certain component, this means that the component may further include other components, except for the case where there is no contrary description.
본 명세서에서, 상기 "유래"란 화합물의 결합이 끊기거나, 치환기가 떨어져 나가면서 새로운 결합이 발생하는 것을 의미하며, 상기 화합물로부터 유래되는 단위는 중합체의 주쇄에 연결되는 단위를 의미할 수 있다. 상기 단위는 중합체 내 주쇄에 포함되어 중합체를 구성할 수 있다.In the present specification, the "derived" means that the bonding of the compound is broken, or the substituent is separated, a new bond occurs, the unit derived from the compound may mean a unit connected to the main chain of the polymer. The unit may be included in the main chain in the polymer to constitute the polymer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1의 화합물은 하기 화학식 1-1 및 1-2으로 표시되는 것인 화합물:In one embodiment of the present specification, the compound of Formula 1 is represented by Formula 1-1 and 1-2:
[화학식 1-1][Formula 1-1]
[화학식 1-2][Formula 1-2]
상기 화학식 1-1 및 1-2의 A1, A2, B1 내지 B3, C1 C2, R1 내지 R4 및 c 내지 f의 정의는 화학식 1에서의 정의와 같다.The definitions of A1, A2, B1 to B3, C1 C2, R1 to R4, and c to f of Chemical Formulas 1-1 and 1-2 are the same as those of Chemical Formula 1.
본 명세서에서, A1 및 A2는 B와 파라(para)로 치환되어 있으며, A1 및 A2가 B와 메타(meta) 위치인 경우, 전자당김기(Electron-withdrawing Group)인 B의 메타 위치에 A1 혹은 A2가 존재하게되면, 비활성화(Deactivating)되어 반응성이 떨어지고, 오쏘 위치에 존재하게 된다면, A1과 A2의 반응성 차이로 인하여 고분자량의 소재를 얻기가 힘들다. 그러므로 A1 및 A2는 B와 파라(para)로 치환되어 있으면, 반응성이 좋아지는 효과가 있어, 고분자량의 소재를 얻을 수 있는 장점이 있다.In the present specification, A1 and A2 are substituted with B and para, and when A1 and A2 are B and a meta position, A1 or A1 at a meta position of B which is an electron-withdrawing group. When A2 is present, it is inactivated (Deactivating) to decrease the reactivity, when present in the ortho position, it is difficult to obtain a high molecular weight material due to the difference in reactivity between A1 and A2. Therefore, when A1 and A2 are substituted with B and para, reactivity is improved, and a high molecular weight material can be obtained.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 A1 및 A2는 F이다.In one embodiment of the present specification, A1 and A2 are F.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 B는 SO2이다.In one embodiment of the present specification, B is SO 2 .
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 2는 In one embodiment of the present specification, Chemical Formula 2 is
-CF2CF2OCF2CF2SO3M 또는 이고, M은 수소 또는 알칼리금속이다.CF 2 CF 2 OCF 2 CF 2 SO 3 M or And M is hydrogen or an alkali metal.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 알칼리금속은 주기율표 1족에 속하는 원소이다.In one embodiment of the present specification, the alkali metal is an element belonging to Group 1 of the periodic table.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 알칼리금속은 Li, Na 및 K 으로 이루어진 군에서 선택된다.In one embodiment of the present specification, the alkali metal is selected from the group consisting of Li, Na, and K.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 알칼리금속은 K 이다.In one embodiment of the present specification, the alkali metal is K.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 C1 및 C2는 이다.In one embodiment of the present specification, C1 and C2 are to be.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 C1 및 C2는 이다.In one embodiment of the present specification, C1 and C2 are to be.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 C1 및 C2는 이다.In one embodiment of the present specification, C1 and C2 are to be.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 C1 및 C2는 이다.In one embodiment of the present specification, C1 and C2 are to be.
본 명세서에서 상기 화학식 1 중 상기 C1 및 C2는 전자끌개 성질(electron withdrawing character)을 가져, 높은 분자량의 중합체의 형성이 용이하고, 안정한 중합체를 제공할 수 있는 이점이 있다.In the present specification, the C1 and C2 in the general formula (1) have an electron withdrawing character, so that the formation of a high molecular weight polymer is easy, and there is an advantage of providing a stable polymer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 내지 R4 수소이다.In one embodiment of the present specification, R 1 to R 4 hydrogen.
본 명세서의 일실시상태에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 화학식 중 어느 하나로 표시된다.In one embodiment of the present specification, the compound represented by Chemical Formula 1 is represented by any one of the following chemical formulas.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체의 제조방법으로는 당기술분야에 알려져있는 방법으로 제조될 수 있으며, 구체적으로 중합체는 친핵성치환반응 방법으로 제조될 수 있다. 이는 본원 발명의 A1 혹은 A2와 다이올(diol) 혹은 다이티올(Dithiol) 단량체와 친핵성치환반응 방법으로 중합하여, 최종적으로, 폴리(아릴렌 에테르)(Poly(arylene ether)) 혹은 폴리(아릴렌 티오에테르)(Poly(arylene thioether))로 제조될 수 있다.In one embodiment of the present specification, a method of preparing the polymer may be prepared by a method known in the art, and specifically, the polymer may be prepared by a nucleophilic substitution reaction method. It is polymerized by the nucleophilic substitution reaction of A1 or A2 with a diol or dithiol monomer of the present invention, and finally, poly (arylene ether) or poly (aryl It may be prepared from ethylene thioether (Poly).
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체를 중합체를 구성하는 단량체 총 100 몰 %를 기준으로 50 몰% 내지 60 몰%를 포함한다. 본 명세서의 하나의 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 상기 화학식 1로 표시되는 단량체만을 포함한다.In one embodiment of the present specification, the polymer includes 50 mol% to 60 mol% of monomers derived from the compound represented by Chemical Formula 1, based on a total of 100 mol% of monomers constituting the polymer. In one embodiment of the present specification, the polymer includes only the monomer represented by Chemical Formula 1.
상기 화합물로부터 유래되는 단량체란 화합물이 중합체 재료를 위한 중합반응에 의하여 중합체 내의 주쇄 또는 측쇄에 결합된 상태를 의미하는 것으로 당업자에게 이해될 수 있다. A monomer derived from the compound may be understood by those skilled in the art to mean a state in which the compound is bonded to the main chain or the side chain in the polymer by a polymerization reaction for the polymer material.
또 다른 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체 외에 다른 제2 단량체를 더 포함할 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체가 제2 단량체를 더 포함하는 경우에는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체의 함량은 30 몰% 내지 70 몰%인 것이 바람직하다.In another exemplary embodiment, the polymer may further include another second monomer in addition to the monomer derived from the compound represented by Chemical Formula 1. In one embodiment of the present specification, when the polymer further includes a second monomer, the content of the monomer derived from the compound represented by Formula 1 is preferably 30 mol% to 70 mol%.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체는 분리막의 이온 전도도를 조절하는 역할을 한다.The monomer derived from the compound represented by Formula 1 according to one embodiment of the present specification serves to control the ionic conductivity of the separator.
또 다른 실시상태에 따른 상기 제2 단량체는 중합체의 기계적 강도를 향상시키는 단위 중에서 선택될 수 있으며, 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 단량체라면 그의 종류를 한정하지 않는다.According to another exemplary embodiment, the second monomer may be selected from units for improving the mechanical strength of the polymer, and any monomer capable of improving the mechanical strength is not limited thereto.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 단량체는 하기 구조식 중에서 선택될수 있으나, 하기 구조식들로 한정하지 않는다.In one embodiment of the present specification, the second monomer may be selected from the following structural formulas, but is not limited to the following structural formulas.
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본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체의 중량평균분자량은 500 g/mol 내지 2,000,000 g/mol 이다. 상기 중합체의 중량평균 분자량이 상기의 범위인 경우에는 상기 중합체를 포함하는 전해질막의 기계적인 물성이 저하되지 않으며, 적절한 고분자의 용해도를 유지하여, 전해질막의 제조가 용이할 수 있다. In one embodiment of the present specification, the weight average molecular weight of the polymer is 500 g / mol to 2,000,000 g / mol. When the weight average molecular weight of the polymer is in the above range, the mechanical properties of the electrolyte membrane including the polymer are not lowered, and the solubility of the polymer may be maintained to facilitate the preparation of the electrolyte membrane.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화합물로부터 유래된 단위를 포함하는 중합체는 랜덤 중합체 또는 블록 중합체이다.In one embodiment of the present specification, the polymer including the unit derived from the compound is a random polymer or a block polymer.
본 명세서의 하나의 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래되는 단량체와 상기 제2 단량체는 랜덤 중합체를 구성할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the monomer derived from the compound represented by Formula 1 and the second monomer may constitute a random polymer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 블록 중합체일 수 있다. 더욱 구체적으로 상기 블록 중합체는 친수성 블록 및 소수성 블록을 포함하고, 상기 친수성 블록은 상기 화합물로부터 유래된 단량체를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the polymer may be a block polymer. More specifically, the block polymer may include a hydrophilic block and a hydrophobic block, and the hydrophilic block may include a monomer derived from the compound.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 블록 중합체 내에서 상기 친수성 블록과 소수성 블록은 1:0.1 내지 1:10의 몰비율로 포합된다. 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 블록 중합체 내에서 상기 친수성 블록과 소수성 블록은 1:0 내지 1:2의 몰비율로 포함된다.In one embodiment of the present specification, the hydrophilic block and the hydrophobic block are included in the block polymer at a molar ratio of 1: 0.1 to 1:10. In one embodiment of the present specification, the hydrophilic block and the hydrophobic block are included in the block polymer in a molar ratio of 1: 0 to 1: 2.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 친수성 블록 내에서 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 유래된 단량체는 상기 친수성 블록을 기준으로 30 몰% 내지 70몰% 포함된다.In an exemplary embodiment of the present specification, the monomer derived from the compound represented by Formula 1 in the hydrophilic block is included 30 mol% to 70 mol% based on the hydrophilic block.
본 명세서의 하나의 실시상태에 있어서, 상기 친수성 블록의 수평균 분자량은 1,000 g/mol 내지 500,000 g/mol 이다. 구체적인 실시상태에 있어서, 2,000 g/mol 내지 300,000 g/mol 이다. 또 다른 실시상태에 있어서, 2,500 g/mol 내지 100,000 g/mol 이다. In one embodiment of the present specification, the number average molecular weight of the hydrophilic block is 1,000 g / mol to 500,000 g / mol. In a specific embodiment, 2,000 g / mol to 300,000 g / mol. In another embodiment, it is from 2,500 g / mol to 100,000 g / mol.
본 명세서의 하나의 실시상태에 있어서, 상기 소수성 블록의 수평균 분자량은 1,000 g/mol 내지 500,000 g/mol 이다. 구체적인 실시상태에 있어서, 2,000 g/mol 내지 300,000 g/mol 이다. 또 다른 실시상태에 있어서, 2,500 g/mol 내지 100,000 g/mol 이다. In one embodiment of the present specification, the number average molecular weight of the hydrophobic block is 1,000 g / mol to 500,000 g / mol. In a specific embodiment, 2,000 g / mol to 300,000 g / mol. In another embodiment, it is from 2,500 g / mol to 100,000 g / mol.
본 명세서의 실시상태에 따라, 블록 중합체인 경우에는 친수성 블록과 소수성 블록의 구획, 구분이 명확하여 상분리(phase separation)가 용이하여, 이온 전달이 용이할 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따라서, 상기 화학식 1로 표시되는 할로겐화 화합물로부터 유래된 단위를 포함하는 경우에는 친수성 블록과 소수성 블록의 구분이 더욱 명확하게 되어, 종래의 고분자보다 이온 전달 효과가 우수할 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present specification, in the case of the block polymer, the partition and division of the hydrophilic block and the hydrophobic block are clear, so that phase separation is easy, and ion transfer may be easy. According to one embodiment of the present specification, in the case of including a unit derived from the halogenated compound represented by Chemical Formula 1, the hydrophilic block and the hydrophobic block are more clearly distinguished, and thus the ion transfer effect may be superior to that of the conventional polymer. have.
상기 블록 중합체란 하나의 블록과 상기 블록과 상이한 1 또는 2 이상의 블록이 서로 고분자의 주쇄로 연결되어 구성된 고분자를 의미한다.The block polymer refers to a polymer in which one block and one or more blocks different from the block are connected to each other by a main chain of the polymer.
본 명세서의 "친수성 블록"은 작용기로 이온 교환기를 갖는 블록을 의미한다. 여기서, 상기 작용기는 ―SO3H, ―SO3 -M+, ―COOH, ―COO-M+, ―PO3H2, ―PO3H-M+, ―PO3 2-2M+, ―O(CF2)mSO3H, ―O(CF2)mSO3 -M+, ―O(CF2)mCOOH, ―O(CF2)mCOO-M+, ―O(CF2)mPO3H2, ―O(CF2)mPO3H-M+ 및 ―O(CF2)mPO3 2 -2M+로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 여기서, M은 금속성 원소일 수 있다. 즉, 작용기는 친수성일 수 있다.By “hydrophilic block” herein is meant a block having an ion exchange group as a functional group. Here, the functional group is -SO 3 H, -SO 3 - M + , -COOH, -COO - M + , -PO 3 H 2 , -PO 3 H - M + , -PO 3 2- 2M + , —O (CF 2 ) m SO 3 H, —O (CF 2 ) m SO 3 - M + , —O (CF 2 ) m COOH, —O (CF 2 ) m COO - M + , —O (CF 2 may be at least one selected from the group consisting of 2M + -) m PO 3 H 2, -O (CF 2) m PO 3 H - M + , and -O (CF 2) m PO 3 2. Here, M may be a metallic element. That is, the functional group may be hydrophilic.
본 명세서의 상기 "이온 교환기를 갖는 블록"이란, 해당 블록을 구성하는 구조 단량체 1개당 있는 이온 교환기수로 나타내어 평균 0.5개 이상 포함되어 있는 블록인 것을 의미하고, 구조 단량체 1개당 평균 1.0개 이상의 이온 교환기를 갖고 있으면 더 바람직하다.As used herein, the term "block having an ion exchange group" means a block containing an average of 0.5 or more represented by the number of ion exchange groups per structural monomer constituting the block, and an average of 1.0 or more ions per structural monomer. It is more preferable to have an exchanger.
본 명세서의 "소수성 블록"은 이온 교환기를 실질적으로 갖지 않는 상기 고분자 블록을 의미한다.By “hydrophobic block” herein is meant the polymer block which is substantially free of ion exchange groups.
본 명세서의 상기 "이온 교환기를 실질적으로 갖지 않는 블록"이란, 해당 블록을 구성하는 구조 단량체 1개당 있는 이온 교환기수로 나타내어 평균 0.1개 미만인 블록인 것을 의미하고, 평균 0.05개 이하이면 보다 바람직하며, 이온 교환기를 전혀 갖지 않는 블록이면 더 바람직하다.The term "block having substantially no ion exchange group" in the present specification means a block having an average of less than 0.1 represented by the number of ion exchange groups per structural monomer constituting the block, and more preferably 0.05 or less on average. It is more preferable if it is a block which does not have an ion exchange group at all.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 브랜쳐를 더 포함한다.In one embodiment of the present specification, the polymer further includes a brancher.
본 명세서에서 브랜쳐란 중합체 사슬을 연결 또는 가교하는 역할을 한다.Branchers herein serve to link or crosslink the polymer chains.
본 명세서에서 상기 브랜쳐를 더 포함하는 중합체의 경우에는 브랜쳐가 직접 중합체의 주쇄를 구성할 수 있으며, 박막의 기계적 집적도를 향상시킬 수 있다. 예컨대, 본 발명의 브랜치된 중합체는 산 치환체(acid substituents)를 포함하지 않는 브랜치된 소수성 블록(branched hydrophobic block)과 산 치환체를 포함하는 브랜치된 친수 블록(branched hydrophilic block)을 중합함으로써 후처리 술폰화 반응(post-sulfonation)이나 술폰화된 중합체(sulfonated polymer)의 가교반응(cross-linking)을 실시하지 않고 브랜쳐(brancher)가 중합체의 주사슬을 직접 구성하며, 박막의 기계적 집적도를 유지시켜주는 소수 블록과 박막에 이온전도성을 부여하는 친수 블록이 교대로 화학적 결합으로 이어질 수 있다.In the present specification, in the case of the polymer further including the brancher, the brancher may directly constitute the main chain of the polymer, and may improve the mechanical density of the thin film. For example, the branched polymers of the present invention can be post-treated sulfonated by polymerizing branched hydrophobic blocks that do not contain acid substituents and branched hydrophilic blocks that include acid substituents. Without the post-sulfonation or cross-linking of the sulfonated polymer, the brancher directly forms the main chain of the polymer and maintains the mechanical density of the thin film. Minority blocks and hydrophilic blocks that impart ionic conductivity to the thin film may alternately lead to chemical bonding.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중합체는 하기 화학식 3의 화합물로부터 유래되는 브랜쳐 또는 하기 화학식 4으로 표시되는 브랜쳐를 더 포함한다.In one embodiment of the present specification, the polymer further includes a brancher derived from a compound of Formula 3 or a brancher represented by Formula 4 below.
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
화학식 3 및 4에 있어서,In Chemical Formulas 3 and 4,
X는 S; O; CO; SO; SO2; NR; 탄화수소계 또는 불소계 결합체이며,X is S; O; CO; SO; SO 2 ; NR; Hydrocarbon-based or fluorine-based conjugates,
R은 할로겐기로 치환된 방향족고리; 또는 할로겐기로 치환된 지방족 고리이고,R is an aromatic ring substituted with a halogen group; Or an aliphatic ring substituted with a halogen group,
l은 0 내지 100의 정수이며,l is an integer from 0 to 100,
l이 2 이상인 경우, 2 이상의 X는 서로 동일하거나 상이하고,when l is 2 or more, two or more X are the same as or different from each other,
Y1 및 Y2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 히드록시기 및 할로겐기로 이루어진 군에서 선택되는 치환기로 1 또는 2 이상 치환된 방향족고리; 또는 히드록시기 및 할로겐기로 이루어진 군에서 선택되는 치환기로 1 또는 2 이상 치환된 지방족 고리이며,Y1 and Y2 are the same as or different from each other, and each independently an aromatic ring substituted with one or two or more substituents selected from the group consisting of a hydroxy group and a halogen group; Or an aliphatic ring substituted with one or two or more substituents selected from the group consisting of a hydroxy group and a halogen group,
Z는 3가의 유기기이다.Z is a trivalent organic group.
본 명세서에서 상기 화학식 3의 화합물로부터 유래되는 브랜처는 상기 Y1 및 Y2 각각의 할로겐기로 치환된 방향족 고리; 또는 할로겐기로 치환된 지방족 고리 중 할로겐기가 방향족 고리 또는 지방족 고리에서 떨어져 나가면서, 브랜쳐로서 작용할 수 있다.In the present specification, a brancher derived from the compound of Formula 3 may include an aromatic ring substituted with a halogen group of each of Y1 and Y2; Or a halogen group in the aliphatic ring substituted with a halogen group may act as a branch while being separated from the aromatic ring or aliphatic ring.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 l은 3이상이다.In one embodiment of the present specification, l is 3 or more.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X는 S이다.In one embodiment of the present specification, X is S.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 X는 할로알킬기이다.In another exemplary embodiment, X is a haloalkyl group.
본 명세서의 다른 실시상태에 있어서, 상기 X는 NR이다.In another embodiment of the present specification, X is NR.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Y1 및 Y2는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 할로겐 치환 방향족 고리이다.In one embodiment of the present specification, Y1 and Y2 are the same as or different from each other, and are each independently a halogen substituted aromatic ring.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Y1 및 Y2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 불소 치환된 방향족 탄화수소고리이다.In one embodiment of the present specification, Y1 and Y2 are the same as or different from each other, and are each independently a fluorine-substituted aromatic hydrocarbon ring.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 Y1 및 Y2는 각각 불소 치환된 페닐기이다. 구체적으로 2,4-페닐, 2,6-페닐, 2,3-페닐, 3,4-페닐 등이 있으며 이를 한정하지 않는다.In another exemplary embodiment, Y1 and Y2 are each a fluorine substituted phenyl group. Specifically, 2,4-phenyl, 2,6-phenyl, 2,3-phenyl, 3,4-phenyl and the like are not limited thereto.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 3으로 표시되는 화합물은 하기 구조 중 어느 하나로 표시될 수 있다.In one embodiment of the present specification, the compound represented by Formula 3 may be represented by any one of the following structures.
상기 구조에 있어서, X, l 및 R은 화학식 3에서 정의한 바와 동일하다.In the above structure, X, 1 and R are the same as defined in the formula (3).
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 4의 Z는 하기 화학식 4-1 내지 4-4 중 어느 하나로 표시될 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present specification, Z in Chemical Formula 4 may be represented by any one of the following Chemical Formulas 4-1 to 4-4.
[화학식 4-1][Formula 4-1]
[화학식 4-2][Formula 4-2]
[화학식 4-3][Formula 4-3]
[화학식 4-4][Formula 4-4]
상기 화학식 4-1 내지 4-4에 있어서,In Chemical Formulas 4-1 to 4-4,
L2 내지 L8은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 직접결합; -S-; -O-; -CO-; 또는 -SO2-이고,L2 To L8 are the same as or different from each other, and each independently a direct bond; -S-; -O-; -CO-; Or -SO 2- ,
R10 내지 R20은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 시아노기; 니트릴기; 니트로기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 치환 또는 비치환된 헤테로아릴기이고,R10 to R20 are the same as or different from each other, and each independently hydrogen; heavy hydrogen; Halogen group; Cyano group; Nitrile group; Nitro group; Hydroxyl group; Substituted or unsubstituted alkyl group; A substituted or unsubstituted cycloalkyl group; Substituted or unsubstituted alkoxy group; Substituted or unsubstituted alkenyl group; Substituted or unsubstituted aryl group; Or a substituted or unsubstituted heteroaryl group,
m, n, o, r, t, u 및 v는 각각 1 내지 4의 정수이며,m, n, o, r, t, u and v are each an integer from 1 to 4,
p, q, 및 s는 각각 1 내지 3의 정수이고,p, q, and s are each an integer of 1 to 3,
w는 1 내지 6의 정수이며,w is an integer from 1 to 6,
m, n, o, p, q, r, s, t, u, v 및 w가 각각 2 이상의 정수인 경우, 2 이상의 괄호내의 구조는 서로 동일하거나 상이하다.When m, n, o, p, q, r, s, t, u, v and w are each an integer of 2 or more, the structures in the two or more parentheses are the same or different from each other.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L1은 CO이다.In one embodiment of the present specification, L1 is CO.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 L1은 SO2이다.In another exemplary embodiment, L1 is SO 2 .
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 L1은 S이다.In another exemplary embodiment, L1 is S.
또 다른 실시상태에 있어서, 상기 L2는 CO이다.In another embodiment, L2 is CO.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 L2는 SO2이다.In another exemplary embodiment, L2 is SO 2 .
또 다른 실시상태에 있어서, 상기 L2는 S이다.In another embodiment, L2 is S.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L3는 CO이다.In one embodiment of the present specification, L3 is CO.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 L3는 SO2이다.In another exemplary embodiment, L3 is SO 2 .
또 다른 실시상태에 있어서, 상기 L3는 S이다.In another embodiment, L3 is S.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L4는 CO이다.In one embodiment of the present specification, L4 is CO.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 L4는 SO2이다.In another exemplary embodiment, L4 is SO 2 .
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, L5는 직접결합이다.In one embodiment of the present specification, L5 is a direct bond.
또 하나의 실시상태에 있어서, L6는 직접결합이다.In another embodiment, L6 is a direct bond.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L7은 직접결합이다.In one embodiment of the present specification, L7 is a direct bond.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R10 내지 R20은 수소이다.In one embodiment of the present specification, R10 to R20 are hydrogen.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R16은 할로겐기이다.In one embodiment of the present specification, R16 is a halogen group.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R16은 불소이다.In another exemplary embodiment, R16 is fluorine.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 4로 표시되는 브랜처는 하기 구조 중 어느 하나로 표시될 수 있다.In addition, in an exemplary embodiment of the present specification, the brancher represented by Chemical Formula 4 may be represented by any one of the following structures.
본 명세서의 상기 치환기들의 예시들은 아래에서 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the substituents herein are described below, but are not limited thereto.
본 명세서에서 상기 "치환"이라는 용어는 화합물의 탄소 원자에 결합된 수소 원자가 다른 치환기로 바뀌는 것을 의미하며, 치환되는 위치는 수소 원자가 치환되는 위치 즉, 치환기가 치환 가능한 위치라면 한정하지 않으며, 2 이상 치환되는 경우, 2 이상의 치환기는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.As used herein, the term "substituted" means that a hydrogen atom bonded to a carbon atom of the compound is replaced with another substituent, and the position to be substituted is not limited to a position where the hydrogen atom is substituted, that is, a position where a substituent may be substituted, and two or more. When substituted, two or more substituents may be the same or different from one another.
본 명세서에서 탄화수소계는 탄소와 수소로만 이루어진 유기 화합물을 의미하며, 직쇄, 분지쇄, 환형 탄화수소 등이 있으며, 이를 한정하지 않는다. 또한, 단일 결합, 이중결합 또는 삼중결합을 포함할 수 있으며 이를 한정하지 않는다.In the present specification, the hydrocarbon-based means an organic compound consisting of only carbon and hydrogen, and includes a straight chain, branched chain, cyclic hydrocarbon, and the like, but is not limited thereto. In addition, it may include a single bond, a double bond or a triple bond, but is not limited thereto.
본 명세서에서 불소계 결합체는 상기 탄화수소계에서 탄소-수소 결합이 일부 또는 전부가 불소로 치환된 것을 의미한다.In the present specification, the fluorine-based conjugate means that some or all of the carbon-hydrogen bonds in the hydrocarbon system are substituted with fluorine.
본 명세서에서 상기 방향족 고리는 방향족 탄화수소고리 또는 방향족 헤테로고리일 수 있으며, 단환 또는 다환일 수 있다.In the present specification, the aromatic ring may be an aromatic hydrocarbon ring or an aromatic hetero ring, and may be monocyclic or polycyclic.
구체적으로 방향족 탄화수소고리로는 페닐기, 비페닐기, 터페닐기 등의 단환식 방향족 및 나프틸기, 비나프틸기, 안트라세닐기, 페난트레닐기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 테트라세닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기, 아세나프타센닐기, 트리페닐렌기, 플루오란텐(fluoranthene)기 등의 다환식 방향족 등이 있으며, 이에 한정되지 않는다.Specifically, as the aromatic hydrocarbon ring, monocyclic aromatic and naphthyl groups, binaphthyl groups, anthracenyl groups, phenanthrenyl groups, pyrenyl groups, peryllenyl groups, tetrasenyl groups, chrysenyl groups such as phenyl groups, biphenyl groups and terphenyl groups And polycyclic aromatics such as fluorenyl group, acenaphthasenyl group, triphenylene group, and fluoranthene group, and the like.
본 명세서에서 방향족 헤테로고리는 상기 방향족 탄화수소고리에서 탄소원자 대신에 헤테로 원자 예컨대, O, S, N, Se 등을 1 이상 포함하는 구조를 의미한다. 구체적으로 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 비피리딜기, 피리미딜기, 트리아진기, 트리아졸기, 아크리딜기, 피리다진기, 피라지닐기, 퀴놀리닐기, 퀴나졸린기, 퀴녹살리닐기, 프탈라지닐기, 피리도 피리미디닐기, 피리도 피라지닐기, 피라지노 피라지닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤조옥사졸기, 벤조이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조카바졸기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 벤조퓨라닐기, 페난쓰롤린기(phenanthroline), 티아졸릴기, 이소옥사졸릴기, 옥사디아졸릴기, 티아디아졸릴기, 벤조티아졸릴기, 페노티아지닐기 및 디벤조퓨라닐기 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.In the present specification, the aromatic heterocycle means a structure including one or more hetero atoms such as O, S, N, Se, or the like instead of a carbon atom in the aromatic hydrocarbon ring. Specifically, thiophene group, furan group, pyrrole group, imidazole group, thiazole group, oxazole group, oxadiazole group, triazole group, pyridyl group, bipyridyl group, pyrimidyl group, triazine group, triazole group, acridil group, Pyridazine group, pyrazinyl group, quinolinyl group, quinazoline group, quinoxalinyl group, phthalazinyl group, pyrido pyrimidinyl group, pyrido pyrazinyl group, pyrazino pyrazinyl group, isoquinoline group, indole group, Carbazole group, benzoxazole group, benzoimidazole group, benzothiazole group, benzocarbazole group, benzothiophene group, dibenzothiophene group, benzofuranyl group, phenanthroline group, thiazolyl group, isoxazolyl group , Oxdiazolyl group, thiadiazolyl group, benzothiazolyl group, phenothiazinyl group, dibenzofuranyl group, and the like, but are not limited thereto.
본 명세서에서 상기 지방족 고리는 지방족 탄화수소고리 또는 지방족 헤테로고리일 수 있으며, 단환 또는 다환일 수 있다. 상기 지방족 고리의 예시로는 시클로펜틸기, 시클로헥실기 등이 있으며 이를 한정하지 않는다.In the present specification, the aliphatic ring may be an aliphatic hydrocarbon ring or an aliphatic hetero ring, and may be monocyclic or polycyclic. Examples of the aliphatic ring include a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, and the like, but are not limited thereto.
본 명세서에서 유기기로는 알킬기, 알케닐기, 시클로알킬기, 시클로알케닐기, 아릴기, 아랄킬기 등을 들 수 있다. 이 유기기는 상기 유기기 중에 헤테로 원자 등의 탄화수소기 이외의 결합이나 치환기를 포함하고 있어도 된다. 또한, 상기 유기기는 직쇄상, 분기쇄상, 환상 중 어느 것이어도 된다.In this specification, an organic group, an alkyl group, an alkenyl group, a cycloalkyl group, a cycloalkenyl group, an aryl group, an aralkyl group, etc. are mentioned. This organic group may contain the bond and substituents other than hydrocarbon groups, such as a hetero atom, in the said organic group. The organic group may be any of linear, branched and cyclic.
본 명세서에서 3가의 유기기란 유기 화합물에 결합 위치가 3개 있는 3가기를 의미한다.In the present specification, the trivalent organic group means a trivalent group having three bonding positions in an organic compound.
또한, 상기 유기기는 환상구조를 형성할 수도 있으며, 환상 구조를 형성할 수도 있으며, 발명의 효과가 손상되지 않는한 헤테로 원자를 포함하여 결합을 형성할 수 있다.In addition, the organic group may form a cyclic structure, may form a cyclic structure, and may form a bond including a hetero atom so long as the effect of the invention is not impaired.
구체적으로 산소 원자, 질소 원자, 규소 원자 등의 헤테로 원자를 포함하는 결합을 들 수 있다. 구체예로는, 에테르 결합, 티오에테르 결합, 카르보닐 결합, 티오카르보닐 결합, 에스테르 결합, 아미드 결합, 우레탄 결합, 이미노 결합(-N=C(-A)-,-C(=NA)-: A은 수소 원자 또는 유기기를 나타낸다), 카보네이트 결합, 설포닐 결합, 설피닐 결합, 아조 결합 등을 들 수 있으며, 이를 한정하지 않는다.Specifically, the bond containing hetero atoms, such as an oxygen atom, a nitrogen atom, and a silicon atom, is mentioned. Specific examples include ether bonds, thioether bonds, carbonyl bonds, thiocarbonyl bonds, ester bonds, amide bonds, urethane bonds, imino bonds (-N = C (-A)-,-C (= NA) -A represents a hydrogen atom or an organic group), and a carbonate bond, a sulfonyl bond, a sulfinyl bond, an azo bond, etc. are mentioned, It does not limit this.
상기 환상 구조로는 전술한 방향족 고리, 지방족고리 등이 있을 수 있으며, 단환 또는 다환일 수 있다.The cyclic structure may include the aforementioned aromatic ring, aliphatic ring, and the like, and may be monocyclic or polycyclic.
본 명세서에 있어서, 상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 1 내지 50인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, t-부틸기, 펜틸기, 헥실기 및 헵틸기 등이 있으나, 이들에 한정되지 않는다.In the present specification, the alkyl group may be linear or branched chain, carbon number is not particularly limited, but is preferably 1 to 50. Specific examples include, but are not limited to, methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, t-butyl, pentyl, hexyl and heptyl groups.
본 명세서에 있어서, 상기 알케닐기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 2 내지 40인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 비닐, 1-프로페닐, 이소프로페닐, 1-부테닐, 2-부테닐, 3-부테닐, 1-펜테닐, 2-펜테닐, 3-펜테닐, 3-메틸-1-부테닐, 1,3-부타디에닐, 알릴, 1-페닐비닐-1-일, 2-페닐비닐-1-일, 2,2-디페닐비닐-1-일, 2-페닐-2-(나프틸-1-일)비닐-1-일, 2,2-비스(디페닐-1-일)비닐-1-일, 스틸베닐기, 스티레닐기 등이 있으나 이들에 한정되지 않는다.In the present specification, the alkenyl group may be linear or branched chain, the carbon number is not particularly limited, but is preferably 2 to 40. Specific examples include vinyl, 1-propenyl, isopropenyl, 1-butenyl, 2-butenyl, 3-butenyl, 1-pentenyl, 2-pentenyl, 3-pentenyl, 3-methyl-1- Butenyl, 1,3-butadienyl, allyl, 1-phenylvinyl-1-yl, 2-phenylvinyl-1-yl, 2,2-diphenylvinyl-1-yl, 2-phenyl-2- ( Naphthyl-1-yl) vinyl-1-yl, 2,2-bis (diphenyl-1-yl) vinyl-1-yl, stilbenyl group, styrenyl group and the like, but are not limited thereto.
본 명세서에 있어서, 시클로알킬기는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 3 내지 60인 것이 바람직하며, 특히 시클로펜틸기, 시클로헥실기 등이 있으나, 이를 한정하지 않는다.In the present specification, the cycloalkyl group is not particularly limited, but preferably has 3 to 60 carbon atoms, and especially cyclopentyl group, cyclohexyl group, and the like, but is not limited thereto.
또한, 본 명세서는 전술한 중합체를 포함하는 고분자 전해질막을 제공한다.In addition, the present disclosure provides a polymer electrolyte membrane including the polymer described above.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 상기 화합물로부터 유래된 단량체를 포함하는 중합체를 포함하는 경우에는 높은 기계적 강도와 높은 이온 전도도를 갖으며, 전해질막의 상분리 현상을 용이하게 할 수 있다.In the case of including a polymer including a monomer derived from the compound according to an exemplary embodiment of the present specification, it has high mechanical strength and high ionic conductivity, and may facilitate phase separation of the electrolyte membrane.
본 명세서에서 "전해질막"은 이온을 교환할 수 있는 막으로서, 막, 이온교환막, 이온전달막, 이온 전도성 막, 분리막, 이온교환 분리막, 이온전달 분리막, 이온 전도성 분리막, 이온 교환 전해질막, 이온전달 전해질막 또는 이온 전도성 전해질막 등을 포함한다.In the present specification, "electrolyte membrane" is a membrane capable of exchanging ions, such as membrane, ion exchange membrane, ion transfer membrane, ion conductive membrane, separator, ion exchange membrane, ion transfer membrane, ion conductive separator, ion exchange electrolyte membrane, ion And a transfer electrolyte membrane or an ion conductive electrolyte membrane.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 고분자 전해질막은 상기 할로겐화 화합물로부터 유래된 단량체를 포함하는 중합체를 포함하는 것을 제외하고, 당 기술분야에 알려진 재료 및/또는 방법을 이용하여 제조될 수 있다.The polymer electrolyte membrane according to one embodiment of the present specification may be manufactured using materials and / or methods known in the art, except for including a polymer including a monomer derived from the halogenated compound.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고분자 전해질막의 이온 전도도는 0.01 S/cm 이상 0.5 S/cm 이하이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 이온 전도도는 0.01 S/cm 이상 0.3 S/cm 이하이다.According to an exemplary embodiment of the present specification, the ion conductivity of the polymer electrolyte membrane is 0.01 S / cm or more and 0.5 S / cm or less. In another exemplary embodiment, the ion conductivity of the polymer electrolyte membrane is 0.01 S / cm or more and 0.3 S / cm or less.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 이온 전도도는 가습 조건에서 측정될 수 있다. 본 명세서에서 가습 조건이란 상대 습도(RH) 10% 내지 100%를 의미할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane may be measured under humidification conditions. In this specification, the humidification condition may mean 10% to 100% relative humidity (RH).
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 이온교환용량(IEC) 값은 0.01 mmol/g 내지 5.0 mmol/g이다. 상기 이온교환용량값의 범위를 갖는 경우에는 상기 고분자 전해질막에서의 이온 채널이 형성되고, 중합체가 이온 전도도를 나타낼 수 있다.In addition, in an exemplary embodiment of the present specification, the ion exchange capacity (IEC) value of the polymer electrolyte membrane is 0.01 mmol / g to 5.0 mmol / g. When the ion exchange capacity is in the range, an ion channel in the polymer electrolyte membrane is formed, and the polymer may exhibit ion conductivity.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 두께는 1 ㎛ 내지 500 ㎛이다. 상기 범위 두께의 고분자 전해질막은 전기적 쇼트(Electric Short) 및 전해질 물질의 크로스오버(Cross Over)를 저하시키고, 우수한 양이온 전도도 특성을 나타낼 수 있다.In one embodiment of the present specification, the thickness of the polymer electrolyte membrane is 1 μm to 500 μm. The polymer electrolyte membrane having the above range thickness lowers an electrical short and a cross over of an electrolyte material, and may exhibit excellent cation conductivity characteristics.
본 명세서는 또한, 애노드; 캐소드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 구비된 전술한 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체를 제공한다.The present specification also relates to an anode; Cathode; And it provides a membrane-electrode assembly comprising the above-described polymer electrolyte membrane provided between the anode and the cathode.
막-전극 접합체(MEA)는 연료와 공기의 전기화학 촉매 반응이 일어나는 전극(캐소드와 애노드)과 수소 이온의 전달이 일어나는 고분자 막의 접합체를 의미하는 것으로서, 전극(캐소드와 애노드)과 전해질막이 접착된 단일의 일체형 유니트(unit)이다.Membrane-electrode assembly (MEA) is an electrode (cathode and anode) in which the electrochemical catalysis of fuel and air occurs and a polymer membrane in which hydrogen ions are transferred. The electrode (cathode and anode) and the electrolyte membrane are bonded together. It is a single unitary unit.
본 명세서의 상기 막-전극 접합체는 애노드의 촉매층과 캐소드의 촉매층이 전해질막에 접촉하도록 하는 형태로서, 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 일례로, 상기 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 전해질막을 밀착시킨 상태에서 100 내지 400℃로 열압착하여 제조될 수 있다.The membrane-electrode assembly of the present specification is a form in which the catalyst layer of the anode and the catalyst layer of the cathode are in contact with the electrolyte membrane, and may be prepared according to conventional methods known in the art. In one example, the cathode; Anode; And it may be prepared by thermal compression at 100 to 400 ℃ in the state in which the electrolyte membrane located between the cathode and the anode in close contact.
애노드 전극은 애노드 촉매층과 애노드 기체확산층을 포함할 수 있다. 애노드 기체확산층은 다시 애노드 미세 기공층과 애노드 전극 기재를 포함할 수 있다.The anode electrode may include an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer. The anode gas diffusion layer may again include an anode microporous layer and an anode electrode substrate.
캐소드 전극은 캐소드 촉매층과 캐소드 기체확산층을 포함할 수 있다. 캐소드 기체확산층은 다시 캐소드 미세 기공층과 캐소드 전극 기재를 포함할 수 있다.The cathode electrode may include a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer. The cathode gas diffusion layer may further include a cathode microporous layer and a cathode electrode substrate.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막 전극 접합체(MEA)인데, 이는 전해질막(100)과 이 전해질막(100)의 양면에 형성되는 애노드(200a) 및 캐소드(200b) 전극으로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 애노드(200a)에서는 수소 또는 메탄올, 부탄과 같은 탄화수소 등의 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생하고, 수소 이온은 전해질막(100)을 통해 캐소드(200b)로 이동한다. 캐소드(200b)에서는 전해질막(100)을 통해 전달된 수소 이온과, 산소와 같은 산화제 및 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.FIG. 1 schematically illustrates the principle of electricity generation of a fuel cell. In the fuel cell, the most basic unit for generating electricity is a membrane electrode assembly (MEA), which is an
상기 애노드 전극의 촉매층은 연료의 산화 반응이 일어나는 곳으로, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 캐소드 전극의 촉매층은 산화제의 환원 반응이 일어나는 곳으로, 백금 또는 백금-전이금속 합금이 촉매로 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 촉매들은 그 자체로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다.The catalyst layer of the anode electrode is where the oxidation reaction of the fuel occurs, the catalyst is selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-transition metal alloy. Can be used. The catalyst layer of the cathode electrode is where the reduction reaction of the oxidant occurs, platinum or platinum-transition metal alloy may be preferably used as a catalyst. The catalysts can be used on their own as well as supported on a carbon-based carrier.
촉매층을 도입하는 과정은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 수행할 수 있는데, 예를 들면 촉매 잉크를 전해질막에 직접적으로 코팅하거나 기체확산층에 코팅하여 촉매층을 형성할 수 있다. 이때 촉매 잉크의 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 블레이드 코팅, 다이 코팅 또는 스핀 코팅 방법 등을 사용할 수 있다. 촉매 잉크는 대표적으로 촉매, 폴리머 이오노머(polymer ionomer) 및 용매로 이루어질 수 있다.The introduction of the catalyst layer may be carried out by conventional methods known in the art, for example, the catalyst ink may be directly coated on the electrolyte membrane or coated on the gas diffusion layer to form the catalyst layer. At this time, the coating method of the catalyst ink is not particularly limited, but spray coating, tape casting, screen printing, blade coating, die coating or spin coating may be used. Catalytic inks can typically consist of a catalyst, a polymer ionomer, and a solvent.
상기 기체확산층은 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물의 이동 통로가 되는 것으로, 다공성의 구조를 가진다. 따라서, 상기 기체확산층은 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다. 도전성 기재로는 탄소 페이퍼(Carbon paper), 탄소 천(Carbon cloth) 또는 탄소 펠트(Carbon felt)가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 기체확산층은 촉매층 및 도전성 기재 사이에 미세기공층을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 미세기공층은 저가습 조건에서의 연료전지의 성능을 향상시키기 위하여 사용될 수 있으며, 기체확산층 밖으로 빠져나가는 물의 양을 적게 하여 전해질막이 충분한 습윤 상태에 있도록 하는 역할을 한다.The gas diffusion layer serves as a passage for the reaction gas and water together with a role as a current conductor, and has a porous structure. Therefore, the gas diffusion layer may include a conductive substrate. As the conductive substrate, carbon paper, carbon cloth, or carbon felt may be preferably used. The gas diffusion layer may further include a microporous layer between the catalyst layer and the conductive substrate. The microporous layer may be used to improve the performance of the fuel cell in low-humidity conditions, and serves to reduce the amount of water flowing out of the gas diffusion layer so that the electrolyte membrane is in a sufficient wet state.
본 명세서의 일 실시상태는 2 이상의 막-전극 접합체; 상기 막-전극 접합체들 사이에 구비되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 스택; 상기 스택으로 연료를 공급하는 연료공급부; 및 상기 스택으로 산화제를 공급하는 산화제공급부를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지를 제공한다.One embodiment of the present specification includes two or more membrane-electrode assemblies; A stack comprising a bipolar plate provided between the membrane-electrode assemblies; A fuel supply unit supplying fuel to the stack; And it provides a polymer electrolyte fuel cell comprising an oxidant supply unit for supplying an oxidant to the stack.
연료전지는 연료의 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다. 즉 연료전지는 연료가스와 산화제를 사용하고, 이들의 산화환원 반응 중에 발생하는 전자를 이용하여 전력을 생산하는 발전 방식이다.A fuel cell is an energy conversion device that converts chemical energy of a fuel directly into electrical energy. In other words, a fuel cell is a power generation method that uses fuel gas and an oxidant and generates electric power by using electrons generated during the redox reaction.
연료전지는 전술한 막-전극 접합체(MEA)를 사용하여 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기에서 제조된 막전극 접합체(MEA)와 바이폴라 플레이트(bipolar plate)로 구성하여 제조될 수 있다.The fuel cell can be manufactured according to conventional methods known in the art using the membrane-electrode assembly (MEA) described above. For example, it may be prepared by configuring a membrane electrode assembly (MEA) and a bipolar plate (bipolar plate) prepared above.
본 명세서의 연료전지는 스택, 연료공급부 및 산화제공급부를 포함하여 이루어진다.The fuel cell of the present specification includes a stack, a fuel supply unit and an oxidant supply unit.
도 3은 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지는 스택(60), 산화제 공급부(70) 및 연료 공급부(80)를 포함하여 이루어진다.3 schematically illustrates the structure of a fuel cell, in which the fuel cell includes a
스택(60)은 상술한 막 전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막 전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는 막 전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막 전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.The
산화제 공급부(70)는 산화제를 스택(60)으로 공급하는 역할을 한다. 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(70)로 주입하여 사용할 수 있다.The
연료 공급부(80)는 연료를 스택(60)으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료 탱크(81)에 저장된 연료를 스택(60)으로 공급하는 펌프(82)로 구성될 수 있다. 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있다. 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.The
상기 연료전지는 고분자 전해질 연료전지, 직접 액체 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 직접 개미산 연료전지, 직접 에탄올 연료전지, 또는 직접 디메틸에테르 연료전지 등이 가능하다.The fuel cell may be a polymer electrolyte fuel cell, a direct liquid fuel cell, a direct methanol fuel cell, a direct formic acid fuel cell, a direct ethanol fuel cell, or a direct dimethyl ether fuel cell.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 전해질막을 연료전지의 이온교환막으로 사용하였을 때 전술한 효과를 나타낼 수 있다.When the electrolyte membrane according to one embodiment of the present specification is used as an ion exchange membrane of a fuel cell, the above-described effects can be obtained.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는 양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극 셀; 음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극 셀; 및 상기 양극 셀과 상기 음극 셀 사이에 구비되는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고분자 전해질막을 포함하는 레독스 플로우 전지를 제공한다.In addition, an exemplary embodiment of the present specification includes a positive electrode cell including a positive electrode and a positive electrode electrolyte; A cathode cell comprising a cathode and a cathode electrolyte; And it provides a redox flow battery comprising a polymer electrolyte membrane according to one embodiment of the present specification provided between the cathode cell and the anode cell.
레독스 플로우 전지(산화-환원 흐름 전지, Redox Flow Battery)는 전해액에 포함되어 있는 활성물질이 산화·환원되어 충전·방전되는 시스템으로 활성물질의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 저장시키는 전기화학적 축전 장치이다. 레독스 플로우 전지는 산화상태가 다른 활성물질을 포함하는 전해액이 이온교환막을 사이에 두고 만날 때 전자를 주고받아 충전과 방전이 되는 원리를 이용한다. 일반적으로 레독스 플로우 전지는 전해액이 담겨있는 탱크와 충전과 방전이 일어나는 전지 셀, 그리고 전해액을 탱크와 전지 셀 사이에 순환시키기 위한 순환펌프로 구성되고, 전지 셀의 단위셀은 전극, 전해질 및 이온교환막을 포함한다.The redox flow battery (redox flow battery) is an electrochemical storage device that stores the chemical energy of an active material directly as electrical energy. It is a system in which the active material contained in the electrolyte is oxidized, reduced, and charged and discharged. to be. The redox flow battery uses a principle that charges and discharges are exchanged when electrons containing active materials having different oxidation states meet with an ion exchange membrane interposed therebetween. In general, a redox flow battery is composed of a tank containing an electrolyte solution, a battery cell in which charging and discharging occurs, and a circulation pump for circulating the electrolyte solution between the tank and the battery cell, and the unit cell of the battery cell includes an electrode, an electrolyte, and an ion. Exchange membrane.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 전해질막을 레독스 플로우 전지의 이온교환막으로 사용하였을 때 전술한 효과를 나타낼 수 있다.When the electrolyte membrane according to one embodiment of the present specification is used as an ion exchange membrane of a redox flow battery, the above-described effects may be exhibited.
본 명세서의 레독스 플로우 전지는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고분자 전해질막을 포함하는 것을 제외하고는, 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다.The redox flow battery of the present specification may be manufactured according to conventional methods known in the art, except for including the polymer electrolyte membrane according to one embodiment of the present specification.
도 2에 도시한 바와 같이, 레독스 플로우 전지는 전해질막(31)에 의해 양극 셀(32)과 음극 셀(33)로 나뉘어진다. 양극 셀(32)과 음극 셀(33)은 각각 양극과 음극을 포함한다. 양극 셀(32)은 파이프를 통해 양극 전해액(41)을 공급 및 방출하기 위한 양극 탱크(10)에 연결되어 있다. 음극 셀(33) 또한, 파이프를 통해 음극 전해액(42)을 공급 및 방출하기 위한 음극 탱크(20)에 연결되어 있다. 전해액은 펌프(11, 21)를 통해 순환되고, 이온의 산화수가 변화되는 산화/환원 반응(즉, 레독스 반응)이 일어남으로써 양극과 음극에서 충전 및 방전이 일어난다.As shown in FIG. 2, the redox flow battery is divided into the
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, embodiments according to the present disclosure may be modified in various other forms, and the scope of the present disclosure is not interpreted to be limited to the embodiments described below. The embodiments of the present specification are provided to more fully describe the present specification to those skilled in the art.
<제조예 1><Manufacture example 1>
콘덴서가 장착된 250mL의 둥근 플라스크에 3,3'-디브로모-4,4'-디플루오로디페닐 설폰 5.0000g(0.012135 mol, 1eq), 과불화(perfluorinated)4-브로모벤젠 13.9689g(0.026696 mol, 2.2eq), 0가의 구리 15.4233g (0.242695mol, 20eq)을 넣고, 디메틸 아세트아미드(DMAc) 30mL를 투입하였다. 반응계의 온도를 160℃로 승온 시킨뒤 48시간동안 반응을 진행하였다. 상기 반응 혼합물을 상온으로 식힌 뒤 과량의 에탄올을 반응기에 부었다. 셀라이트 필터(Celite Fiter)를 이용하여, 구리를 걸러준 후, 다량의 에탄올로 여러 번 씻어주었다. 여과 후 수집한 용액을 증발한 후, 남은 DMAc는 염석(salting-out)방법으로 침전을 얻었다. 여과 후 걸러진 고체를 에탄올/물로 재결정 후 오븐에 건조하여 최종 화합물을 얻었다.In a 250 mL round flask equipped with a condenser, 5.0000 g (0.012135 mol, 1eq) of 3,3'-dibromo-4,4'-difluorodiphenyl sulfone, 13.9689 g of perfluorinated 4-bromobenzene ( 0.026696 mol, 2.2 eq) and 15.4233 g (0.242695 mol, 20 eq) of zero-valent copper were added, and 30 mL of dimethyl acetamide (DMAc) was added thereto. After the temperature of the reaction system was raised to 160 ° C., the reaction was performed for 48 hours. The reaction mixture was cooled to room temperature and excess ethanol was poured into the reactor. After filtering the copper using a Celite Fiter (Celite Fiter), it was washed several times with a large amount of ethanol. After evaporation of the collected solution after filtration, the remaining DMAc was precipitated by the salting-out method. After filtering, the filtered solid was recrystallized with ethanol / water and dried in an oven to obtain a final compound.
<제조예 2><Manufacture example 2>
콘덴서가 장착된 250mL의 둥근 플라스크에 4,4'-설포닐비스(2-브로모-1-((40플루오로페닐)설포닐)벤젠) 8.4015g(0.012135 mol, 1eq), 과불화(perfluorinated)4-브로모벤젠 13.9689g(0.026696 mol, 2.2eq), 0가의 구리 15.4233g (0.242695mol, 20eq)을 넣고, 디메틸 아세트아미드(DMAc) 40mL를 투입하였다. 반응계의 온도를 160℃로 승온 시킨뒤 48시간동안 반응을 진행하였다. 상기 반응 혼합물을 상온으로 식힌 뒤 과량의 에탄올을 반응기에 부었다. 셀라이트 필터(Celite Fiter)를 이용하여, 구리를 걸러준 후, 다량의 에탄올로 여러 번 씻어주었다. 여과 후 수집한 용액을 증발한 후, 남은 DMAc는 염석(salting-out)방법으로 침전을 얻었다. 여과 후 걸러진 고체를 에탄올/물로 재결정 후 오븐에 건조하여 최종 화합물을 얻었다.8.4015 g (0.012135 mol, 1eq), perfluorinated 4,4'-sulfonylbis (2-bromo-1-((40fluorophenyl) sulfonyl) benzene) in 250 mL round flask equipped with condenser 13.9689 g (0.026696 mol, 2.2 eq) of 4-bromobenzene and 15.4233 g (0.242695 mol, 20 eq) of zero-valent copper were added thereto, and 40 mL of dimethyl acetamide (DMAc) was added thereto. After the temperature of the reaction system was raised to 160 ° C., the reaction was performed for 48 hours. The reaction mixture was cooled to room temperature and excess ethanol was poured into the reactor. After filtering the copper using a Celite Fiter (Celite Fiter), it was washed several times with a large amount of ethanol. After evaporation of the collected solution after filtration, the remaining DMAc was precipitated by the salting-out method. After filtering, the filtered solid was recrystallized with ethanol / water and dried in an oven to obtain a final compound.
<실시예 1> 중합체 합성Example 1 Polymer Synthesis
[화학식 1-1-1][Formula 1-1-1]
딘-스탁(dean-stark) 장치와 콘덴서가 장착된 250 mL의 둥근 플라스크에 상기 화학식 1-1-1로 표시되는 화합물 3.0000 g[2.6341 mmol], 4,4,'-싸이오비스벤젠싸이올 0.6595 g[2.6341 mmol]을 넣고, NMP(N-메틸-2-피롤리돈) 18ml와 톨루엔 9ml 를 이용하여 질소분위기에서 포타슘 카보네이트 1.4561 g[10.536 mmol]을 촉매로 사용하여 반응을 개시하였다. 3.0000 g [2.6341 mmol] of the compound represented by Formula 1-1-1, 4,4, '-thiobisbenzenethiol 0.6595 in a 250 mL round flask equipped with a dean-stark device and a condenser g [2.6341 mmol] was added thereto, and the reaction was initiated using 1.4561 g [10.536 mmol] of potassium carbonate in a nitrogen atmosphere using 18 ml of NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) and 9 ml of toluene.
그 다음 상기 반응 혼합물을 다시 140 ℃의 온도로 오일 바트(oil bath)에서 4시간 동안 교반하여 톨루엔이 역류하면서 딘-스탁 장치의 분자체(molecular sieves)에 공비혼합물을 흡착시켜 제거한 후, 반응온도를 175 ℃로 승온시키고 6 시간 동안 축중합 반응시켰다.The reaction mixture was then stirred for 4 hours in an oil bath at 140 ° C. again, adsorbing and removing the azeotrope on the molecular sieves of the Dean-Stark apparatus while toluene was refluxed, followed by reaction temperature. The temperature was raised to 175 ℃ and polycondensation reaction for 6 hours.
그 다음 반응물의 온도를 실온으로 감온시키고, 반응물을 과량의 메탄올에 부어 용매로부터 공중합체를 분리한 후, 여과하여 얻은 공중합체를 다시 물에 넣어 포타슘 카보네이트를 제거한 후, 여과하여 얻은 공중합체를 100 ℃의 진공오븐에서 12 시간 이상 건조하여 고분자 소재를 제조하였다.Then, the temperature of the reactant was reduced to room temperature, the reactant was poured into excess methanol to separate the copolymer from the solvent, and the obtained copolymer was added to water again to remove potassium carbonate, and then the resulting copolymer was filtered. A polymer material was prepared by drying at least 12 hours in a vacuum oven at ℃.
상기에서 제조한 공중합체 1 g을 NMP 5 mL에 녹여 20 wt/v % NMP 용액을 만든 후, 유리기판 위에 코팅 및 건조 후, 약 20 ㎛ 두께의 필름을 제작하였으며, 전해질막의 이온전도도는 0.132 S/cm 였다.1 g of the copolymer prepared above was dissolved in 5 mL of NMP to make a 20 wt / v% NMP solution, coated and dried on a glass substrate, and a film having a thickness of about 20 μm was produced. The ion conductivity of the electrolyte membrane was 0.132 S. / cm.
<실시예 2> 멀티블록 중합체 합성Example 2 Multiblock Polymer Synthesis
딘-스탁(dean-stark) 장치와 콘덴서가 장착된 250 mL의 둥근 플라스크에 상기 화학식 1-1-1로 표시되는 화합물 3.0000 g[2.6341 mmol], 4,4,'-싸이오비스벤젠싸이올 0.6595 g[2.6341 mmol]을 넣고, NMP(N-메틸-2-피롤리돈) 18ml와 톨루엔 9ml 를 이용하여 질소분위기에서 포타슘 카보네이트 1.4561 g[10.536 mmol]을 촉매로 사용하여 반응을 개시하였다. 3.0000 g [2.6341 mmol] of the compound represented by Formula 1-1-1, 4,4, '-thiobisbenzenethiol 0.6595 in a 250 mL round flask equipped with a dean-stark device and a condenser g [2.6341 mmol] was added thereto, and the reaction was initiated using 1.4561 g [10.536 mmol] of potassium carbonate in a nitrogen atmosphere using 18 ml of NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) and 9 ml of toluene.
그 다음 상기 반응 혼합물을 다시 140 ℃의 온도로 오일 바트(oil bath)에서 4시간 동안 교반하여 톨루엔이 역류하면서 딘-스탁 장치의 분자체(molecular sieves)에 공비혼합물을 흡착시켜 제거한 후, 반응온도를 175 ℃로 승온시키고 6 시간 동안 축중합 반응시켰다.The reaction mixture was then stirred for 4 hours in an oil bath at 140 ° C. again, adsorbing and removing the azeotrope on the molecular sieves of the Dean-Stark apparatus while toluene was refluxed, followed by reaction temperature. The temperature was raised to 175 ℃ and polycondensation reaction for 6 hours.
상기 반응종료 후 상기 반응물의 온도를 실온으로 감온시킨 후, 동일 플라스크에 4,4'-디플루오로디페닐 술폰 0.6697 g[2.6341 mmol] 및 4,4,'-싸이오비스벤젠싸이올 0.6595 g[2.6341 mmol]을 넣고, NMP(N-메틸-2-피롤리돈) 6.6 ml와 톨루엔 3.3 ml 를 이용하여 질소분위기에서 포타슘 카보네이트 1.4561 g[10.536 mmol]을 촉매로 사용하여 반응을 다시 개시하였다.After the reaction was completed, the temperature of the reactant was reduced to room temperature, and then 0.6697 g [2.6341 mmol] of 4,4'-difluorodiphenyl sulfone and 0.6595 g [2.6341] of 4,4, '-thiobisbenzenethiol were placed in the same flask. mmol] and 6.6 ml of NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) and 3.3 ml of toluene were used to start the reaction again using 1.4561 g [10.536 mmol] of potassium carbonate as a catalyst in a nitrogen atmosphere.
그 다음 상기 반응 혼합물을 다시 140 ℃의 온도로 오일 바트(oil bath)에서 4시간 동안 교반하여 톨루엔이 역류하면서 딘-스탁 장치의 분자체(molecular sieves)에 공비혼합물을 흡착시켜 제거한 후, 반응온도를 175 ℃로 승온시키고 6 시간 동안 축중합 반응시켰다.The reaction mixture was then stirred for 4 hours in an oil bath at 140 ° C. again, adsorbing and removing the azeotrope on the molecular sieves of the Dean-Stark apparatus while toluene was refluxed, followed by reaction temperature. The temperature was raised to 175 ℃ and polycondensation reaction for 6 hours.
그 다음 반응물의 온도를 실온으로 감온시키고, 반응물을 과량의 메탄올에 부어 용매로부터 공중합체를 분리한 후, 여과하여 얻은 공중합체를 다시 물에 넣어 포타슘 카보네이트를 제거한 후, 여과하여 얻은 공중합체를 100 ℃의 진공오븐에서 12 시간 이상 건조하여 소수성 블록과 친수성 블록이 교대로 화학결합으로 이어진 멀티 블록 공중합체를 제조하였다.Then, the temperature of the reactant was reduced to room temperature, the reactant was poured into excess methanol to separate the copolymer from the solvent, and the obtained copolymer was added to water again to remove potassium carbonate, and then the resulting copolymer was filtered. Drying in a vacuum oven at 12 ℃ for more than 12 hours to prepare a multi-block copolymer in which the hydrophobic block and the hydrophilic block alternately by chemical bonding.
상기에서 제조한 공중합체 1 g을 NMP 5 mL에 녹여 20 wt/v % NMP 용액을 만든 후, 유리기판 위에 코팅 및 건조 후, 약 20 ㎛ 두께의 필름을 제작하였으며, 전해질막의 이온전도도는 0.12 S/cm 였다.1 g of the copolymer prepared above was dissolved in 5 mL of NMP to form a 20 wt / v% NMP solution, coated and dried on a glass substrate, and a film having a thickness of about 20 μm was produced. The ion conductivity of the electrolyte membrane was 0.12 S. / cm.
<비교예 1>Comparative Example 1
딘-스탁(dean-stark) 장치와 콘덴서가 장착된 250 mL의 둥근 플라스크에 디소듐 2,2'-디술포네이트-4,4'-디플루오로디페닐 술폰 3.0000 g[6.5455 mmol], 4,4'-디플루오로디페닐 술폰 1.6642 g[6.5455 mmol], 및 4,4,'-싸이오비스벤젠싸이올 3.2779 g[13.091 mmol]을 넣고, NMP(N-메틸-2-피롤리돈) 40 ml와 톨루엔 20 ml 를 이용하여 질소분위기에서 포타슘 카보네이트 7.2367 g[52.364 mmol]을 촉매로 사용하여 반응을 개시하였다. 3.0000 g [6.5455 mmol] of disodium 2,2'-disulfonate-4,4'-difluorodiphenyl sulfone in 250 mL round flask equipped with dean-stark device and condenser Add 1.6642 g [6.5455 mmol] of 4'-difluorodiphenyl sulfone and 3.2779 g [13.091 mmol] of 4,4, '-thiobisbenzenethiol, 40 ml of NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) The reaction was initiated using 7.2367 g [52.364 mmol] of potassium carbonate in a nitrogen atmosphere using 20 ml of toluene.
그 다음 상기 반응 혼합물을 다시 140 ℃의 온도로 오일 바트(oil bath)에서 4시간 동안 교반하여 톨루엔이 역류하면서 딘-스탁 장치의 분자체(molecular sieves)에 공비혼합물을 흡착시켜 제거한 후, 반응온도를 175 ℃로 승온시키고 6 시간 동안 축중합 반응시켰다.The reaction mixture was then stirred for 4 hours in an oil bath at 140 ° C. again, adsorbed to the molecular sieves of the Dean-Stark apparatus while the toluene was refluxed to remove the azeotrope, and then the reaction temperature. The temperature was raised to 175 ℃ and polycondensation reaction for 6 hours.
그 다음 반응물의 온도를 실온으로 감온시키고, 반응물을 과량의 메탄올에 부어 용매로부터 공중합체를 분리한 후, 여과하여 얻은 공중합체를 다시 물에 넣어 포타슘 카보네이트를 제거한 후, 여과하여 얻은 공중합체를 100 ℃의 진공오븐에서 12 시간 이상 건조하여 랜덤 공중합체를 제조하였다.Then, the temperature of the reactant was reduced to room temperature, the reactant was poured into excess methanol to separate the copolymer from the solvent, and the obtained copolymer was added to water again to remove potassium carbonate, and then the resulting copolymer was filtered. It was dried in a vacuum oven at 12 ℃ or more to prepare a random copolymer.
상기에서 제조한 공중합체를 g을 NMP 5 mL에 녹여 20 wt/v % NMP 용액을 만든 후, 유리기판 위에 코팅 및 건조 후, 약 20 ㎛ 두께의 필름을 제작하였으며, 전해질막의 이온전도도는 0.1 S/cm 였다.The copolymer prepared above was dissolved in 5 mL of NMP to make a 20 wt / v% NMP solution, coated and dried on a glass substrate, and a film having a thickness of about 20 μm was produced, and the ion conductivity of the electrolyte membrane was 0.1 S. / cm.
상기 실시예 1, 2 및 비교예의 전해질막 성능평가에서 나타난 바와 같이, 실시예1 및 2에서 제조된 전해질막의 이온전도도가 비교예에서 제조된 전해질막의 이온전도도보다 더 높은 것을 확인할 수 있다.As shown in the electrolyte membrane performance evaluation of Examples 1, 2 and Comparative Example, it can be seen that the ion conductivity of the electrolyte membrane prepared in Examples 1 and 2 is higher than the ion conductivity of the electrolyte membrane prepared in Comparative Example.
따라서, 본 출원의 일 실시 상태에 따른 공중합체를 포함하는 전해질막은 종래의 전해질막에 비해 이온전도도가 우수한 효과를 나타낼 수 있다.Therefore, the electrolyte membrane including the copolymer according to the exemplary embodiment of the present application may exhibit an excellent ion conductivity than the conventional electrolyte membrane.
100: 전해질 막
200a: 애노드
200b: 캐소드
10, 20: 탱크
11, 21: 펌프
31: 전해질막
32: 양극 셀
33: 음극 셀
41: 양극 전해액
42: 음극 전해액
60: 스택
70: 산화제 공급부
80: 연료 공급부
81: 연료 탱크
82: 펌프100: electrolyte membrane
200a: anode
200b: cathode
10, 20: tank
11, 21: pump
31: electrolyte membrane
32: anode cell
33: cathode cell
41: anode electrolyte
42: cathodic electrolyte
60: stack
70: oxidant supply
80: fuel supply
81: fuel tank
82: pump
Claims (12)
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
A1 및 A2는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 F, Cl,및 Br로 이루어진 군에서 선택되고,
B1 내지 B3는 SO2이며,
C1 및 C2는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 하기 화학식 2로 표시되고,
[화학식 2]
상기 화학식 2에서, M은 수소 또는 알칼리금속이온이며,
g는 1이고, h는 1이고, i 및 j는 각각 2 내지 6의 정수이며,
R1 내지 R4는 수소이고,
a 및 b는 각각 0 또는 1의 정수이며, c 및 f 는 4이고, d 및 e는 3이다.Compound represented by the following formula (1):
[Formula 1]
In Chemical Formula 1,
A1 and A2 are the same as or different from each other, and each independently selected from the group consisting of F, Cl, and Br,
B1 to B3 are SO 2 ,
C1 and C2 are the same as or different from each other, and are each independently represented by the following formula (2),
[Formula 2]
In Formula 2, M is hydrogen or an alkali metal ion,
g is 1, h is 1, i and j are each an integer from 2 to 6,
R 1 to R 4 are hydrogen,
a and b are each an integer of 0 or 1, c and f are 4, and d and e are 3.
[화학식 1-1]
[화학식 1-2]
상기 화학식 1-1 및 1-2의 A1, A2, B1 내지 B3, C1 C2, R1 내지 R4 및 c 내지 f의 정의는 화학식 1에서의 정의와 같다.The compound of claim 1, wherein the compound of Formula 1 is represented by the following Formula 1-1 or 1-2:
[Formula 1-1]
[Formula 1-2]
The definitions of A1, A2, B1 to B3, C1 C2, R1 to R4, and c to f of Chemical Formulas 1-1 and 1-2 are the same as those of Chemical Formula 1.
The compound of claim 1, wherein the compound represented by Chemical Formula 1 is any one of the following Chemical Formulas:
상기 막-전극 접합체들 사이에 구비되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 스택;
상기 스택으로 연료를 공급하는 연료공급부; 및
상기 스택으로 산화제를 공급하는 산화제공급부를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지.At least two membrane-electrode assemblies according to claim 10;
A stack comprising a bipolar plate provided between the membrane-electrode assemblies;
A fuel supply unit supplying fuel to the stack; And
A polymer electrolyte fuel cell comprising an oxidant supply unit for supplying an oxidant to the stack.
음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극 셀; 및
상기 양극 셀과 상기 음극 셀 사이에 구비되는 청구항 9의 고분자 전해질막을 포함하는 레독스 플로우 전지.
A cathode cell comprising an anode and an anode electrolyte solution;
A cathode cell comprising a cathode and a cathode electrolyte; And
Redox flow battery comprising the polymer electrolyte membrane of claim 9 provided between the positive electrode and the negative electrode cell.
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