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KR102728980B1 - Ion transport polymer, method for preparing the same and electrolyte membrane comprising the same - Google Patents

Ion transport polymer, method for preparing the same and electrolyte membrane comprising the same Download PDF

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KR102728980B1
KR102728980B1 KR1020180155167A KR20180155167A KR102728980B1 KR 102728980 B1 KR102728980 B1 KR 102728980B1 KR 1020180155167 A KR1020180155167 A KR 1020180155167A KR 20180155167 A KR20180155167 A KR 20180155167A KR 102728980 B1 KR102728980 B1 KR 102728980B1
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Abstract

본 발명은 이온전달 고분자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전해질막에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이온전달 고분자가 주사슬에 탄소-탄소 결합만을 포함하는 폴리페닐렌을 포함함으로써 전해질막으로 전지에 도입시 우수한 화학적 내구성 및 기계적 안정성을 나타내어 장기 사용 안정성을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to an ion transfer polymer, a method for producing the same, and an electrolyte membrane comprising the same. More specifically, the ion transfer polymer comprises polyphenylene having only carbon-carbon bonds in its main chain, thereby exhibiting excellent chemical durability and mechanical stability when introduced into a battery as an electrolyte membrane, thereby improving long-term use stability.

Description

이온전달 고분자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전해질막{ION TRANSPORT POLYMER, METHOD FOR PREPARING THE SAME AND ELECTROLYTE MEMBRANE COMPRISING THE SAME}Ion transport polymer, method for preparing the same, and electrolyte membrane comprising the same {ION TRANSPORT POLYMER, METHOD FOR PREPARING THE SAME AND ELECTROLYTE MEMBRANE COMPRISING THE SAME}

본 발명은 이온전달 고분자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전해질막에 관한 것이다.The present invention relates to an ion transfer polymer, a method for producing the same, and an electrolyte membrane comprising the same.

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(membrane-electrode assembly; MEA)는 수소와 산소의 전기화학적 반응이 일어나는 부분으로서 양극과 음극 그리고 전해질막(이온 교환막)으로 구성되어 있다. A fuel cell is an energy conversion device that directly converts the chemical energy of fuel into electrical energy. In other words, a fuel cell is a power generation method that uses fuel gas and an oxidizer and produces electricity by utilizing the electrons generated during their redox reaction. The membrane-electrode assembly (MEA) of a fuel cell is the part where the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen occurs, and is composed of an anode, a cathode, and an electrolyte membrane (ion exchange membrane).

레독스 플로우 전지(산화-환원 흐름 전지, redox flow battery; RFB)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 전해질막(이온 교환막)을 포함한다.A redox flow battery (RFB) is an electrochemical storage device that directly stores the chemical energy of an active substance as electrical energy by charging and discharging the active substance contained in an electrolyte through oxidation and reduction. The unit cell of a redox flow battery includes an electrode, an electrolyte, and an electrolyte membrane (ion exchange 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 batteries are being researched and developed as next-generation energy sources due to their high energy efficiency and environmentally friendly characteristics of low pollutant emissions.

연료전지 및 레독스 플로우 전지에서 가장 핵심이 되는 구성요소는 양이온 교환이 가능한 전해질막 즉, 양성자 교환막(proton exchange membrane, PEM)이며, 이러한 전해질막 소재는 우수한 양성자(수소이온) 전도도와 더불어 전해질의 크로스오버(crossover) 방지, 높은 열 및 화학적 안정성, 우수한 기계적 물성, 낮은 스웰링 비(swelling ratio)의 특성을 가져야 한다.The most important component in fuel cells and redox flow cells is the electrolyte membrane capable of cation exchange, namely the proton exchange membrane (PEM). The electrolyte membrane material must have excellent proton (hydrogen ion) conductivity, prevention of electrolyte crossover, high thermal and chemical stability, excellent mechanical properties, and low swelling ratio.

현재 연료전지 및 레독스 플로우 전지에서 사용되고 있는 전해질막은 크게 불소계와 탄화수소계로 구분된다.Electrolyte membranes currently used in fuel cells and redox flow cells are largely divided into fluorine-based and hydrocarbon-based.

불소계 고분자 소재를 이용한 전해질막은 퍼플루오로황산(perfluorosulfonic acid) 고분자막을 기반으로 하며, 듀폰(Dupont)사의 나피온(Nafion)이 대표적이다. 나피온와 같은 불소계 고분자는 일반적으로 높은 상대습도(HR) 및 저온에서 우수한 화학적 안정성과 양성자 전도도를 나타내지만, 고비용, 높은 메탄올 투과성, 80 ℃ 이상에서의 불충분한 열기계적 특성(thermomechanical properties) 및 폐기와 관련된 환경 위험과 같은 단점으로 인해 실제 전지 적용에 한계가 있다.Electrolyte membranes using fluorinated polymer materials are based on perfluorosulfonic acid polymer membranes, and DuPont's Nafion is a representative example. Fluorinated polymers such as Nafion generally exhibit excellent chemical stability and proton conductivity at high relative humidity (HR) and low temperatures, but their practical battery applications are limited due to disadvantages such as high cost, high methanol permeability, insufficient thermomechanical properties above 80°C, and environmental hazards associated with disposal.

이에, 저렴한 비용과 높은 성능을 갖는 비플루오르화된 고분자 양성자 전도성 물질(non-fluorinated polymeric proton-conducting materials)에 중점을 두고 많은 연구들이 진행 중에 있다. 구체적으로, 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole), 폴리벤즈옥사졸(polybenzoxazole), 폴리(에테르 설폰)(poly(ether sulfone)), 폴리(에테르 케톤)(poly(ether ketone)s) 등과 같은 다양한 탄화수소계 고분자가 연료전지 또는 레독스 플로우 전지의 전해질막 제조에 응용되고 있다. 이러한 탄화수소계 고분자는 불소계 고분자와 비교하여 합성 과정이 환경 친화적이며, 높은 기계적 강도 및 열적 안정성을 나타내므로 많은 주목을 받고 있다.Accordingly, many studies are being conducted with a focus on non-fluorinated polymeric proton-conducting materials with low cost and high performance. Specifically, various hydrocarbon polymers such as polybenzimidazole, polybenzoxazole, poly(ether sulfone), poly(ether ketone)s, etc. are being applied to the production of electrolyte membranes for fuel cells or redox flow batteries. These hydrocarbon polymers are receiving much attention because their synthesis process is environmentally friendly and they exhibit high mechanical strength and thermal stability compared to fluorinated polymers.

그러나, 이러한 탄화수소계 고분자를 이용한 전해질막은 불소계 전해질막 수준의 양성자 전도도를 확보하기 위하여 에테르기, 설폰산기 등 친수성 이온기가 도입되는데, 그에 따라 수분에 의한 과도한 팽윤으로 기계적 물성이 저하되어 전해질막의 화학적 내구성이 떨어지고 설폰화된 수지의 일부가 용출되는 문제점이 있다.However, in order to secure proton conductivity at the level of fluorine-based electrolyte membranes, electrolyte membranes using these hydrocarbon-based polymers introduce hydrophilic ionic groups such as ether groups and sulfonic acid groups. As a result, excessive swelling due to moisture causes mechanical properties to deteriorate, reducing the chemical durability of the electrolyte membrane and causing some of the sulfonated resin to be eluted.

이러한 문제점을 보완하기 위하여 원료 수지에 공유결합에 의한 가교 구조를 도입하여 전해질막의 수용성을 낮추어 수지의 용출을 억제시키는 방법이 제안되었다.To complement these problems, a method was proposed to introduce a cross-linking structure through covalent bonds into the raw resin to lower the water solubility of the electrolyte membrane and suppress the dissolution of the resin.

일례로, 대한민국 공개특허 제2015-0118675호는 친수성 블록과 부분적으로 가지결합 가능한 2개 이상의 반응기를 갖는 소수성 고분자를 포함하는 부분 가지형 블록 공중합체로 레독스 플로우 전지용 격리막을 제조함으로써 탄화수소계 전해질막의 낮은 기계적 강도를 개선할 수 있음을 개시하고 있다.For example, Korean Patent Publication No. 2015-0118675 discloses that the low mechanical strength of a hydrocarbon-based electrolyte membrane can be improved by manufacturing a separator for a redox flow battery using a partially branched block copolymer including a hydrophilic block and a hydrophobic polymer having two or more reactive groups capable of being partially branched.

이들 특허는 탄화수소계 전해질막의 기계적 물성을 어느 정도 개선하였으나, 그 효과가 충분치 않고, 가교에 의한 고분자는 합성과정 및 이를 이용한 막 제조과정에 어려움이 있으며, 유리전이온도(Tg)의 상승으로 고분자의 유동성이 떨어져 막의 기계적 물성, 화학적 내구성 및 장기 사용 안정성이 충분치 못한 문제점이 있다. 따라서, 우수한 양성자 전도도 및 높은 열적, 화학적, 기계적 안정성을 나타내며, 이를 장기적으로 유지할 수 있는 전해질막의 개발이 더욱 필요한 실정이다.These patents have improved the mechanical properties of hydrocarbon-based electrolyte membranes to some extent, but the effects are not sufficient, and the polymers obtained by crosslinking are difficult to synthesize and manufacture membranes using, and the fluidity of the polymers decreases due to the increase in the glass transition temperature (T g ), so that the mechanical properties, chemical durability, and long-term stability of the membranes are insufficient. Therefore, there is a growing need for the development of electrolyte membranes that exhibit excellent proton conductivity and high thermal, chemical, and mechanical stabilities and that can maintain them in the long term.

대한민국 공개특허 제2015-0118675호(2015.10.23), 부분 가지형 블록 공중합체를 포함하는 이온전도성 고분자로부터 제조된 격리막 및 이를 구비한 레독스 플로우 전지Korean Patent Publication No. 2015-0118675 (October 23, 2015), Separator manufactured from ion-conducting polymer including partially branched block copolymer and redox flow battery having the same

이에 본 발명자들은 상기 문제를 해결하고자 다각적으로 연구를 수행한 결과, 주사슬에 탄소-탄소 결합만을 포함하는 신규한 폴리페닐렌계 고분자를 전해질막 소재로 사용하는 경우 기계적 및 화학적 안정성이 개선됨을 확인하여 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the inventors of the present invention conducted a multifaceted study to solve the above problem and, as a result, confirmed that mechanical and chemical stability are improved when a novel polyphenylene polymer containing only carbon-carbon bonds in the main chain is used as an electrolyte membrane material, thereby completing the present invention.

따라서, 본 발명의 목적은 기계적 물성 및 화학적 내구성이 우수한 이온전달 고분자를 제공하는데 있다.Therefore, the purpose of the present invention is to provide an ion transport polymer having excellent mechanical properties and chemical durability.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 이온전달 고분자의 제조방법을 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a method for producing the ion transfer polymer.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 전해질막을 포함하는 연료전지 및 레독스 플로우 전지를 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a fuel cell and a redox flow battery including the electrolyte membrane.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 폴리페닐렌을 포함하는 이온전달 고분자를 제공한다:To achieve the above object, the present invention provides an ion transfer polymer comprising polyphenylene represented by the following chemical formula 1:

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112018121846229-pat00001
Figure 112018121846229-pat00001

(상기 화학식 1에서 n과 m은 명세서 내 설명한 바를 따른다.).(In the above chemical formula 1, n and m follow the description in the specification.)

상기 이온전달 고분자는 중량평균분자량이 3.0×105 내지 1.0×106일 수 있다.The above ion-transporting polymer may have a weight average molecular weight of 3.0×10 5 to 1.0×10 6 .

상기 이온전달 고분자는 수평균분자량이 1.0×105 내지 8.0×105일 수 있다.The above ion-transporting polymer may have a number average molecular weight of 1.0×10 5 to 8.0×10 5 .

또한, 본 발명은 상기 이온전달 고분자를 포함하는 전해질막을 제공한다.In addition, the present invention provides an electrolyte membrane comprising the ion transfer polymer.

상기 전해질막의 이온 전도도는 0.03 내지 0.2 S/㎝일 수 있다.The ionic conductivity of the above electrolyte membrane can be 0.03 to 0.2 S/cm.

상기 전해질막의 이온교환용량 값은 0.5 내지 2.0 mmol/g일 수 있다.The ion exchange capacity value of the above electrolyte membrane can be 0.5 to 2.0 mmol/g.

상기 전해질막의 두께는 20 내지 100 ㎛일 수 있다.The thickness of the above electrolyte membrane may be 20 to 100 ㎛.

또한, 본 발명은 상기 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체를 제공한다.In addition, the present invention provides a membrane-electrode assembly including the electrolyte membrane.

또한, 본 발명은 상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a fuel cell including the membrane-electrode assembly.

또한, 본 발명은 전해질막을 포함하는 레독스 플로우 전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a redox flow battery including an electrolyte membrane.

아울러, 본 발명은 상기 화학식 1의 폴리페닐렌을 포함하는 이온전달 고분자의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing an ion transport polymer comprising polyphenylene of the chemical formula 1.

본 발명에 따른 이온전달 고분자는 고분자 주사슬에 어떠한 헤테로 원자도 포함하지 않는 탄소 결합만으로 이루어진 폴리페닐렌을 포함함으로써 과산화수소, 수산화물 음이온 및 라디칼과 같은 친핵체(nucleophiles)에 의한 공격 반응이 일어나지 않아 전해질막의 화학적 내구성 및 기계적 안정성이 우수하며, 이에 따라 장기적인 사용이 가능한 이점을 갖는다.The ion transport polymer according to the present invention comprises polyphenylene composed only of carbon bonds without any heteroatoms in the polymer main chain, so that no attack reaction by nucleophiles such as hydrogen peroxide, hydroxide anions, and radicals occurs, and thus the chemical durability and mechanical stability of the electrolyte membrane are excellent, and thus it has the advantage of being usable for long periods of time.

도 1은 본 발명의 실험예 1에 따른 NMR 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실험예 1에 따른 GPC 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예 1에 따른 화학적 내구성 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
Figure 1 is a graph showing the results of NMR measurement according to Experimental Example 1 of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the results of GPC measurement according to Experimental Example 1 of the present invention.
Figure 3 is a graph showing the results of chemical durability evaluation according to Experimental Example 1 of the present invention.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims should not be interpreted as limited to their usual or dictionary meanings, but should be interpreted as having meanings and concepts that conform to the technical idea of the present invention, based on the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain his or her own invention in the best manner.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, ‘포함하다’ 또는 ‘가지다’등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is only used to describe specific embodiments and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In the present invention, it should be understood that the terms “comprise” or “have” are intended to specify that a feature, number, step, operation, component, part or combination thereof described in the specification is present, but do not exclude in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof.

본 명세서에서 “전해질막”은 이온을 교환할 수 있는 막으로서, 격리막, 이온교환막, 이온전달막, 이온 전도성 막, 전해질막, 이온교환 전해질막, 이온전달 전해질막, 이온 전도성 전해질막, 이온 교환 전해질막, 이온전달 전해질막 또는 이온 전도성 전해질막 등을 의미할 수 있다.In this specification, “electrolyte membrane” is a membrane capable of exchanging ions, and may mean a separation membrane, an ion exchange membrane, an ion transfer membrane, an ion conductive membrane, an electrolyte membrane, an ion exchange electrolyte membrane, an ion transfer electrolyte membrane, an ion conductive electrolyte membrane, an ion exchange electrolyte membrane, an ion transfer electrolyte membrane, or an ion conductive electrolyte membrane.

연료전지 및 레독스 플로우 전지는 발전 효율이 우수할 뿐만 아니라 대용량화가 가능하며, 환경친화적이라는 이점으로 인해 차세대 대용량 이차전지로 각광받고 있다.Fuel cells and redox flow batteries are attracting attention as next-generation large-capacity secondary batteries due to their superior power generation efficiency, large-capacity, and environmental friendliness.

이러한 연료전지, 레독스 플로우 전지와 에너지 저장 시스템에서 전해질막은 성능 및 내구성을 좌우하는 핵심 구성요소이나 현재 국내에는 관련 기술을 보유하고 있지 못해서 매우 비싼 가격에도 불구하고 전량 수입에 의존하고 있다.In these fuel cells, redox flow cells, and energy storage systems, the electrolyte membrane is a key component that determines performance and durability, but since Korea currently does not have the relevant technology, it relies entirely on imports despite the very high price.

현재 사용되는 전해질막은 나피온으로 대변되는 불소계 전해질막이다. 이는 성능 및 저온 내구성은 매우 우수하지만 가격이 매우 비싸고, 합성과정이 환경친화적이지 못하며, 전해질의 크로스오버가 심할 뿐만 아니라 고온에서 물성이 급격히 저하되는 단점이 있다.The electrolyte membrane currently used is a fluorine-based electrolyte membrane represented by Nafion. This has excellent performance and low-temperature durability, but it is very expensive, the synthesis process is not environmentally friendly, and the electrolyte crossover is severe, and the physical properties deteriorate rapidly at high temperatures.

이를 위해 탄화수소계 고분자를 이용한 전해질막이 제안되었으며, 탄화수소계 전해질막의 경우 불소계 전해질막과 비교하여 기계적 강도와 열적 안정성 측면에서 우수할 뿐만 아니라 제조시 환경 오염을 발생시키지 않기 때문에 최근 탄화수소계 전해질막에 대한 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다.For this purpose, an electrolyte membrane using a hydrocarbon polymer has been proposed, and since hydrocarbon electrolyte membranes are superior to fluorine-based electrolyte membranes in terms of mechanical strength and thermal stability and do not cause environmental pollution during manufacturing, much research on hydrocarbon-based electrolyte membranes is currently being conducted.

그러나, 전해질막에 사용되는 탄화수소계 고분자의 경우 전술한 바와 같이 친수성 이온기 포함하며, 일반적으로 친핵성 치환반응(Nucleophilic Aromatic Subtitution Reaction; SNAr)을 이용하여 합성되므로 탄화수소계 고분자의 주사슬에 C-헤테로 원자(O 또는 S) 결합을 필연적으로 포함하게 된다. 이러한 친수성 이온기 또는 헤테로 원자와의 결합은 전지의 구동시 생성되는 과산화수소, 산소 라디칼 또는 음이온 등에 의해 분해되므로 탄화수소계 전해질막은 화학적 내구성, 기계적 물성이 취약하며, 장기적인 사용에 문제가 있다는 단점이 있다.However, since the hydrocarbon polymer used in the electrolyte membrane contains a hydrophilic ionic group as described above and is generally synthesized using a nucleophilic aromatic substitution reaction (S N Ar), the main chain of the hydrocarbon polymer inevitably contains a C-hetero atom (O or S) bond. This bond with the hydrophilic ionic group or hetero atom is decomposed by hydrogen peroxide, oxygen radicals, or anions generated when the battery is operated, so the hydrocarbon electrolyte membrane has weak chemical durability and mechanical properties, and has the disadvantage of having problems with long-term use.

이에 본 발명에서는 탄화수소계 전해질막이 우수한 양이온 전도도를 가지면서도 화학적 내구성, 기계적 물성 및 장기 사용 안정성 개선 효과를 확보하기 위해 고분자의 주사슬이 탄소-탄소 결합만으로 이루어진 폴리페닐렌계 고분자를 포함하는 이온전달 고분자를 제공한다.Accordingly, the present invention provides an ion transfer polymer including a polyphenylene polymer in which the main chain of the polymer consists only of carbon-carbon bonds, so as to ensure that the hydrocarbon-based electrolyte membrane has excellent cation conductivity while also improving chemical durability, mechanical properties, and long-term stability.

구체적으로, 본 발명에 따른 이온전달 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 폴리페닐렌을 포함한다:Specifically, the ion transfer polymer according to the present invention comprises polyphenylene represented by the following chemical formula 1:

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112018121846229-pat00002
Figure 112018121846229-pat00002

(상기 화학식 1에 있어서,(In the above chemical formula 1,

n과 m은 몰분율로, 각각 독립적으로 0 초과 내지 1의 실수이고, m은 1-n이다.).n and m are mole fractions, each independently a real number greater than 0 and equal to 1, and m is 1-n.)

상기 화학식 1에서 n과 m은 전체 고분자에 대한 몰분율이며, 바람직하기로 n은 0.1 내지 0.9이고, m은 0.1 내지 0.9일 수 있다.In the above chemical formula 1, n and m are mole fractions with respect to the entire polymer, and preferably, n may be 0.1 to 0.9, and m may be 0.1 to 0.9.

본 발명에 있어서, 상기 화학식 1의 폴리페닐렌은 주사슬에 탄소-탄소 결합만을 포함하므로 친핵성 치환반응으로 제조된 종래 탄화수소계 고분자에 대비하여 화학적 내구성 및 기계적 물성이 우수하며, 이에 따라 장기 사용에 유리한 구조적 특징을 갖고 있다.In the present invention, the polyphenylene of the chemical formula 1 contains only carbon-carbon bonds in the main chain, and therefore has superior chemical durability and mechanical properties compared to conventional hydrocarbon polymers manufactured by a nucleophilic substitution reaction, and thus has structural characteristics advantageous for long-term use.

또한, 본 발명에 따른 이온전달 고분자는 상기 화학식 1에 나타낸 바와 같이 2종류의 반복단위를 포함하며, 각 반복단위의 배열은 편의상 상기와 같이 표현하였으나, 본 발명에서 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 반복단위는 랜덤, 교호 또는 블록일 수 있다.In addition, the ion transport polymer according to the present invention includes two types of repeating units as shown in the chemical formula 1, and the arrangement of each repeating unit is expressed as above for convenience, but is not particularly limited in the present invention. For example, the repeating unit may be random, alternating, or block.

상기 이온전달 고분자는 중량평균분자량(Mw)이 3.0×105 내지 1.0×106, 바람직하기로 3.0×105 내지 5.0×105일 수 있다. 상기 이온전달 고분자의 중량평균분자량이 상기 범위 미만인 경우 부서지기 쉬운(brittle) 문제가 있으며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 초고점도로 인하여 제막공정의 효율성이 저하될 수 있다.The above ion transfer polymer may have a weight average molecular weight (M w ) of 3.0×10 5 to 1.0×10 6 , preferably 3.0×10 5 to 5.0×10 5 . If the weight average molecular weight of the ion transfer polymer is less than the above range, there is a problem of brittleness, and conversely, if it exceeds the above range, the efficiency of the film forming process may be reduced due to ultra-high viscosity.

상기 이온전달 고분자는 수평균분자량(Mn)이 1.0×105 내지 8.0×105, 바람직하기로 1.0×105 내지 2.0×105일 수 있다. 상기 이온전달 고분자의 수평균분자량이 상기 범위 미만인 경우 부서지기 쉬운(brittle) 문제가 있으며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 점도가 너무 높아 제막 가공성이 저하될 수 있다.The above ion transfer polymer may have a number average molecular weight (M n ) of 1.0×10 5 to 8.0×10 5 , preferably 1.0×10 5 to 2.0×10 5 . If the number average molecular weight of the ion transfer polymer is less than the above range, there is a problem of brittleness, and conversely, if it exceeds the above range, the viscosity may be too high, which may deteriorate the film forming processability.

또한, 상기 이온전달 고분자는 다분산 지수(polydispersity index; PDI)가 1.5 내지 5.0일 수 있다. 이때 본 발명에 사용된 용어 “다분산 지수”는 중량평균분자량을 수평균분자량으로 나눈 값으로, 중량평균분자량/수평균분자량(Mw/Mn)을 의미한다.In addition, the ion transport polymer may have a polydispersity index (PDI) of 1.5 to 5.0. Here, the term “polydispersity index” used in the present invention means a value obtained by dividing the weight average molecular weight by the number average molecular weight, and means weight average molecular weight/number average molecular weight (M w /M n ).

또한, 본 발명은 전술한 이온전달 고분자의 제조방법을 제공한다. In addition, the present invention provides a method for producing the above-described ion transport polymer.

본 발명에 따른 이온전달 고분자의 제조방법은 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 촉매 존재하에서 화학식 2의 단량체, 화학식 3의 단량체 및 화학식 4의 케톤 가교제(ketone crosslinker)의 중합 반응을 수행하는 단계를 포함한다:The method for producing an ion transport polymer according to the present invention includes a step of performing a polymerization reaction of a monomer of chemical formula 2, a monomer of chemical formula 3, and a ketone crosslinker of chemical formula 4 in the presence of a catalyst, as shown in the following reaction scheme 1:

[반응식 1][Reaction Formula 1]

Figure 112018121846229-pat00003
Figure 112018121846229-pat00003

(상기 화학식 1에 있어서,(In the above chemical formula 1,

n과 m은 몰분율로, 각각 독립적으로 0 초과 내지 1의 실수이고, m은 1-n이다.).n and m are mole fractions, each independently a real number greater than 0 and equal to 1, and m is 1-n.)

종래 촉매를 이용하여 제조되는 폴리페닐렌계 고분자의 경우 강직한 화학구조로 인해 부서지기 쉬운(brittle) 단점이 있어 전해질막으로 사용이 어려웠으나, 본 발명에서 제시하는 이온전달 고분자의 제조방법은 화학식 4로 표시되는 케톤 가교제를 포함함으로써 분자량이 높으면서도 향상된 기계적 물성을 나타내는 상기 화학식 1의 폴리페닐렌을 포함하는 이온전달 고분자를 단순한 공정으로 제조할 수 있다.In the case of polyphenylene polymers manufactured using conventional catalysts, they have a rigid chemical structure and are brittle, making them difficult to use as electrolyte membranes. However, the method for manufacturing an ion transfer polymer suggested in the present invention includes a ketone cross-linking agent represented by chemical formula 4, thereby enabling the manufacture of an ion transfer polymer including polyphenylene of chemical formula 1 having a high molecular weight and improved mechanical properties through a simple process.

상기 화학식 4의 케톤 가교제는 브랜처(brancher)로 고분자 사슬을 연결 또는 가교하는 역할을 한다. 상기 화학식 4의 케톤 가교제는 당업계에서 통상적으로 수행하는 방법을 통해 직접 합성하거나 시판되고 있는 제품을 구매하여 사용할 수 있다.The ketone cross-linking agent of the above chemical formula 4 acts as a brancher to connect or cross-link polymer chains. The ketone cross-linking agent of the above chemical formula 4 can be directly synthesized through a method commonly performed in the art or can be purchased as a commercially available product and used.

상기 화학식 2의 단량체는 2,5-디클로로벤조페논(2,5-dichlorobenzophenone; 2,5-DCBP)이며, 상기 화학식 3의 단량체는 술폰화된 2,5-디클로로벤조페논 (Sulfonated 2,5-dichlorobenzophenone)으로 당업계에서 통상적으로 수행하는 방법을 통해 직접 합성하거나 시판되고 있는 제품을 구매하여 사용할 수 있다.The monomer of the above chemical formula 2 is 2,5-dichlorobenzophenone (2,5-DCBP), and the monomer of the above chemical formula 3 is sulfonated 2,5-dichlorobenzophenone, which can be directly synthesized using a method commonly performed in the art or can be purchased and used as a commercially available product.

상기 촉매는 니켈 브로마이드, 아연 및 트리페닐포스핀을 포함한다. 본 발명에 따른 제조방법에서 상기 촉매를 이용하여 화학식 2 내지 4의 화합물을 혼합하여 반응시킴으로써 고분자 주사슬에 탄소-헤테로 원자 결합을 포함하지 않는 탄소-탄소 결합만으로 이루어진 폴리페닐렌을 포함하는 이온전달 고분자의 제조가 가능하다. The catalyst includes nickel bromide, zinc, and triphenylphosphine. In the manufacturing method according to the present invention, by mixing and reacting compounds of chemical formulas 2 to 4 using the catalyst, it is possible to manufacture an ion transfer polymer including polyphenylene composed only of carbon-carbon bonds without carbon-hetero atom bonds in the polymer main chain.

상기 중합 반응은 용매 상에서 진행되며, 상기 용매는 유기 용매를 사용할 수 있다. 상기 유기 용매는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 톨루엔, N,N-디메틸아세트아마이드, N-메틸피롤리돈, 디메틸술폭사이드, 자이렌, 벤젠, n-부틸아세테이트, 메틸시클로헥산, 디메틸시클로헥산 등을 사용할 수 있다.The above polymerization reaction is carried out in a solvent phase, and the solvent may be an organic solvent. The organic solvent is not particularly limited, but for example, toluene, N,N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethyl sulfoxide, xylene, benzene, n-butyl acetate, methylcyclohexane, dimethylcyclohexane, etc. may be used.

상기 중합 반응은 상온 내지 100 ℃, 바람직하게는 상온 내지 60 ℃의 온도 범위에서 3 내지 6 시간 동안 수행될 수 있으며, 이때 반응 온도나 시간은 조건에 따라 가변적일 수 있다.The above polymerization reaction can be carried out at a temperature range of room temperature to 100°C, preferably room temperature to 60°C, for 3 to 6 hours, and the reaction temperature or time may vary depending on the conditions.

또한, 본 발명은 전술한 이온전달 고분자를 포함하는 전해질막을 제공한다.In addition, the present invention provides an electrolyte membrane comprising the above-described ion transport polymer.

본 발명에 있어서, 상기 전해질막은 전술한 화학식 1의 폴리페닐렌을 포함하는 이온전달 고분자를 포함함으로써 양호한 이온 전도도를 나타내면서 종래 대비 우수한 화학적 내구성 및 기계적 물성을 가져 전해질막으로 전지 도입시 장기적으로 사용이 가능한 이점이 있다.In the present invention, the electrolyte membrane includes an ion transfer polymer including polyphenylene of the chemical formula 1 described above, thereby exhibiting good ion conductivity and having superior chemical durability and mechanical properties compared to conventional membranes, thereby enabling long-term use when introduced into a battery.

상기 전해질막의 이온 전도도는 0.03 내지 0.2 S/㎝일 수 있다. 상기 전해질막의 이온 전도도가 상기 범위 미만인 경우 충·방전시 저항이 크게 걸려 충전이 어려운 문제가 있으며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 막의 내구성이 저하될 수 있다.The ionic conductivity of the above electrolyte membrane may be 0.03 to 0.2 S/cm. If the ionic conductivity of the above electrolyte membrane is below the above range, there is a problem that the resistance is large during charging and discharging, making charging difficult. On the other hand, if it exceeds the above range, the durability of the membrane may be reduced.

상기 전해질막의 이온교환용량(IEC) 값은 0.5 내지 2.0 mmol/g, 바람직하기로 0.9 내지 1.5 mmol/g일 수 있다. 상기 이온교환용량 값이 상기 범위 내에 해당하는 경우 전해질막에서의 이온 채널이 형성되고 이온전달 고분자가 이온 전도도를 나타낼 수 있다.The ion exchange capacity (IEC) value of the above electrolyte membrane may be 0.5 to 2.0 mmol/g, preferably 0.9 to 1.5 mmol/g. When the ion exchange capacity value is within the above range, ion channels are formed in the electrolyte membrane and the ion transfer polymer may exhibit ion conductivity.

상기 전해질막의 두께는 20 내지 100 ㎛, 바람직하기로 25 내지 50 ㎛일 수 있다. 상기 전해질막의 두께가 상기 범위 미만인 경우 전지 충·방전시 적용 시 전해질 간의 유동 압력에 취약할 수 있는 내구성 또는 투과도의 문제가 있으며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 막 저항이 크게 걸려 충·방전 성능이 저하 될 수 있다.The thickness of the electrolyte membrane may be 20 to 100 ㎛, preferably 25 to 50 ㎛. If the thickness of the electrolyte membrane is less than the above range, there may be a problem with durability or permeability that may be vulnerable to the flow pressure between electrolytes when applied during battery charging and discharging, and on the contrary, if it exceeds the above range, the membrane resistance may be large, which may deteriorate the charge and discharge performance.

또한, 본 발명은 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 전술한 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체를 제공한다.In addition, the present invention provides a membrane-electrode assembly including an anode; a cathode; and the above-described electrolyte membrane between the anode and the cathode.

상기 막-전극 접합체(MEA)는 연료와 공기의 전기화학 촉매 반응이 일어나는 전극(양극과 음극)과 수소 이온의 전달이 일어나는 고분자 막의 접합체를 의미하는 것으로서, 전극(양극과 음극)과 전해질막이 접착된 단일의 일체형 유니트(unit)이다.The above membrane electrode assembly (MEA) refers to a joint of electrodes (anode and cathode) where an electrochemical catalytic reaction of fuel and air occurs and a polymer membrane where hydrogen ion transport occurs, and is a single integrated unit in which the electrodes (anode and cathode) and the electrolyte membrane are bonded.

본 발명에 있어서, 상기 막-전극 접합체는 음극의 촉매층과 양극의 촉매층이 전해질막에 접촉하도록 하는 형태로서, 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 일례로, 상기 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 전해질막을 밀착시킨 상태에서 100 내지 400 ℃로 열압착하여 제조될 수 있다.In the present invention, the membrane-electrode assembly can be manufactured in a form in which the catalyst layer of the cathode and the catalyst layer of the anode are in contact with the electrolyte membrane, and can be manufactured by a conventional method known in the art. For example, the membrane-electrode assembly can be manufactured by thermally compressing at 100 to 400° C. while the anode; the cathode; and the electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode are in close contact with each other.

상기 음극은 음극 촉매층과 음극 기체확산층을 포함할 수 있다. 상기 음극 기체확산층은 다시 음극 미세 기공층과 음극 기재를 포함할 수 있다.The above cathode 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 substrate.

상기 양극은 양극 촉매층과 양극 기체확산층을 포함할 수 있다. 상기 양극 기체확산층은 다시 양극 미세 기공층과 양극 기재를 포함할 수 있다. The above anode may include an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer. The above anode gas diffusion layer may further include an anode microporous layer and an anode substrate.

연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막-전극 접합체(MEA)인데, 이는 전해질막과 이 전해질막의 양면에 형성되는 음극 및 양극으로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리는 음극에서는 수소 또는 메탄올, 부탄과 같은 탄화수소 등의 연료의 산화 반응이 일어나 수소이온(H+) 및 전자 (e-)가 발생하고, 수소이온은 전해질막을 통해 양극으로 이동한다. 양극에서는 전해질막을 통해 전달된 수소이온과, 산소와 같은 산화제 및 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다. In a fuel cell, the most basic unit that generates electricity is a membrane-electrode assembly (MEA), which consists of an electrolyte membrane and a cathode and an anode formed on both sides of the electrolyte membrane. The principle of electricity generation in a fuel cell is that at the cathode, an oxidation reaction of fuel such as hydrogen or a hydrocarbon such as methanol or butane occurs, generating hydrogen ions (H + ) and electrons (e - ), and the hydrogen ions move to the anode through the electrolyte membrane. At the anode, the hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane react with an oxidizing agent such as oxygen and electrons to produce water. This reaction causes the movement of electrons to the external circuit.

상기 음극의 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 양극의 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 above cathode is where the oxidation reaction of the fuel occurs, and a catalyst selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, a platinum-ruthenium alloy, a platinum-osmium alloy, a platinum-palladium alloy, and a platinum-transition metal alloy can be preferably used. The catalyst layer of the above anode is where the reduction reaction of the oxidizing agent occurs, and platinum or a platinum-transition metal alloy can be preferably used as the catalyst. The above catalysts can be used as they are or supported on a carbon-based carrier.

상기 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 process of introducing the above catalyst layer can be performed by a conventional method known in the art, for example, the catalyst layer can be formed by directly coating the catalyst ink on the electrolyte membrane or by coating the gas diffusion 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 methods can be used. The catalyst ink can be typically composed of a catalyst, a polymer ionomer, and a solvent.

상기 기체확산층은 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물의 이동 통로가 되는 것으로, 다공성의 구조를 가진다. 따라서, 상기 기체확산층은 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다. 도전성 기재로는 탄소 페이퍼(Carbon paper), 탄소 천(Carbon cloth) 또는 탄소 펠트(Carbon felt)가 바람직하게 사용될 수 있다. 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 above gas diffusion layer functions as a current conductor and as a passage for the reaction gas and water, and has a porous structure. Therefore, the gas diffusion layer may be formed by including a conductive substrate. Carbon paper, carbon cloth or carbon felt can be preferably used as the conductive substrate. The gas diffusion layer may further include a microporous layer between the catalyst layer and the conductive substrate. The microporous layer can be used to improve the performance of the fuel cell under low-humidity conditions, and serves to reduce the amount of water escaping from the gas diffusion layer, thereby ensuring that the electrolyte membrane is sufficiently wet.

또한, 본 발명의 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 연료전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a fuel cell including two or more of the above-described membrane-electrode assemblies; a stack including a bipolar plate provided between the membrane-electrode assemblies; a fuel supply unit for supplying fuel to the stack; and an oxidizer supply unit for supplying an oxidizer to the stack.

상기 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. The above fuel cell is an energy conversion device that directly converts the chemical energy of fuel into electrical energy. In other words, a fuel cell is a power generation method that uses fuel gas and an oxidizer and produces electricity by utilizing electrons generated during their redox reaction.

상기 연료전지는 전술한 막-전극 접합체(MEA)를 사용하여 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기에서 제조된 막-전극 접합체(MEA)와 바이폴라 플레이트(bipolar plate)로 구성하여 제조될 수 있다. The above fuel cell can be manufactured using the membrane-electrode assembly (MEA) described above according to a conventional method known in the art. For example, it can be manufactured by configuring the membrane-electrode assembly (MEA) manufactured above and a bipolar plate.

상기 연료전지는 스택, 연료공급부 및 산화제공급부를 포함하여 이루어진다. 상기 스택은 상술한 막-전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막-전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다. 상기 세퍼레이터는 막-전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막 전극 접합체로 전달하는 역할을 한다. 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프로 주입하여 사용할 수 있다. The above fuel cell comprises a stack, a fuel supply unit, and an oxidizer supply unit. The stack comprises one or more of the above-described membrane electrode assemblies, and when two or more membrane electrode assemblies are included, a separator interposed between them. The separator prevents the membrane electrode assemblies from being electrically connected and transfers fuel and oxidizer supplied from the outside to the membrane electrode assemblies. The oxidizer supply unit supplies an oxidizer to the stack. Oxygen is typically used as the oxidizer, and oxygen or air can be injected by a pump and used.

상기 연료 공급부는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크 및 연료탱크에 저장된 연료를 상기 스택으로 공급하는 펌프로 구성될 수 있다. 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있다. 상기 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다. The above fuel supply unit serves to supply fuel to the stack, and may be composed of a fuel tank for storing fuel and a pump for supplying fuel stored in the fuel tank to the stack. Hydrogen or hydrocarbon fuel in a gaseous or liquid state may be used as the fuel. Examples of the hydrocarbon fuel include methanol, ethanol, propanol, butanol, or natural gas.

상기 연료전지는 고분자 전해질 연료전지, 직접 액체 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 직접 개미산 연료전지, 직접 에탄올 연료전지, 또는 직접 디메틸에테르 연료전지 등이 가능하다. The above 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 발명에 따른 전해질막을 연료전지의 이온교환막으로 사용하였을 때 전술한 효과를 나타낼 수 있다.When the electrolyte membrane according to the present invention is used as an ion exchange membrane of a fuel cell, the above-described effects can be exhibited.

또한, 본 발명은 양극 및 양극 전해액을 포함하는 양극 셀; 음극 및 음극 전해액을 포함하는 음극 셀; 및 상기 양극 셀과 상기 음극 셀 사이에 구비되는 전술한 전해질막을 포함하는 레독스 플로우 전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a redox flow battery including a positive electrode cell including a positive electrode and a positive electrode electrolyte; a negative electrode cell including a negative electrode and a negative electrode electrolyte; and the above-described electrolyte membrane provided between the positive electrode cell and the negative electrode cell.

상기 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. 상기 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 담겨 있는 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 above redox flow battery (oxidation-reduction flow battery) is an electrochemical storage device that directly stores the chemical energy of the active material as electrical energy in a system in which the active material contained in the electrolyte is oxidized and reduced to be charged and discharged. The redox flow battery utilizes the principle that when electrolytes containing active materials with different oxidation states meet across an ion exchange membrane, electrons are exchanged to perform charging and discharging. In general, a redox flow battery is composed of a tank containing an electrolyte, a battery cell where charging and discharging occur, and a circulation pump for circulating the electrolyte between the tank and the battery cell, and a unit cell of the battery cell includes an electrode, an electrolyte, and an ion exchange membrane.

본 발명에 따른 전해질막을 레독스 플로우 전지의 이온교환막으로 사용하였을 때 전술한 효과를 나타낼 수 있다.When the electrolyte membrane according to the present invention is used as an ion exchange membrane of a redox flow battery, the above-described effects can be exhibited.

본 발명에 있어서, 상기 레독스 플로우 전지는 본 발명에 따른 전해질막을 포함하는 것을 제외하고는, 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다.In the present invention, the redox flow battery can be manufactured according to a conventional method known in the art, except that it includes an electrolyte membrane according to the present invention.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred examples are presented to help understand the present invention, but the following examples are only illustrative of the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and technical idea of the present invention, and it is natural that such changes and modifications fall within the scope of the appended patent claims.

실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples

[실시예 1][Example 1]

딘스탁 트랩(dean-stark trap)과 질소 주입구(nitrogen inlet) 및 기계적 교반기(mechanical stirrer)가 장착된 250 ㎖의 3구 둥근 바닥 플라스크(three-necked round bottomed flask)에 0.310 g(0.00142 mmol)의 니켈 브로마이드(NiBr2), 2.618 g (0.00998 mmol)의 트리페닐포스핀(triphenylphosphine; PPh3) 및 5.230 g (0.080mmol)의 아연을 촉매로 투입하고 N,N-디메틸아세트아마이드(DMAc) 10 ㎖를 넣어준 뒤 반응시켜 촉매를 활성화하였다. A 250 mL three-necked round bottomed flask equipped with a Dean-Stark trap, a nitrogen inlet, and a mechanical stirrer was charged with 0.310 g (0.00142 mmol) of nickel bromide (NiBr 2 ), 2.618 g (0.00998 mmol) of triphenylphosphine (PPh 3 ), and 5.230 g (0.080 mmol) of zinc as a catalyst. 10 mL of N,N-dimethylacetamide (DMAc) was added and the reaction was allowed to activate the catalyst.

이어서, 2,5-디클로로벤조페논(2,5-DCBP) 3.6411 g(0.014 mmol)과 술폰화된 2,5-디클로로벤조페논 1.9423 g(0.0055 mmol) 그리고 화학식 4의 케톤 가교제 0.1444 g(0.0002 mmol)를 N,N-디메틸아세트아마이드(DMAc) 10 ㎖에 녹여 상기 플라스크에 투입하고, 90 ℃로 승온하여 4시간 반응을 진행하였다. Next, 3.6411 g (0.014 mmol) of 2,5-dichlorobenzophenone (2,5-DCBP), 1.9423 g (0.0055 mmol) of sulfonated 2,5-dichlorobenzophenone, and 0.1444 g (0.0002 mmol) of a ketone cross-linker of chemical formula 4 were dissolved in 10 mL of N,N-dimethylacetamide (DMAc) and placed into the flask, and the temperature was increased to 90°C to allow the reaction to proceed for 4 hours.

이후, 얻어진 혼합물의 온도를 상온으로 낮추고, 10 중량% 염산/아세톤에 붓고 침전된 고체를 여과한 후 건조시켜 이온전달 고분자를 수득하였다.Thereafter, the temperature of the obtained mixture was lowered to room temperature, poured into 10 wt% hydrochloric acid/acetone, and the precipitated solid was filtered and dried to obtain an ion transfer polymer.

[비교예 1][Comparative Example 1]

나피온 115을 이온전달 고분자로 사용하였다.Nafion 115 was used as an ion transport polymer.

실험예 1. 물성 평가Experimental Example 1. Property Evaluation

상기 실시예 및 비교예의 이온전달 고분자의 물성을 측정한 다음 그 결과를 하기 표 1 내지 3 및 도 1 내지 3에 나타내었다. 물성 평가 방법은 다음과 같다.The physical properties of the ion transport polymers of the above examples and comparative examples were measured and the results are shown in Tables 1 to 3 and Figures 1 to 3 below. The physical property evaluation method is as follows.

(1) (1) 11 H NMR(Nuclear Magnetic Resonance; 핵자기 공명) 측정H NMR (Nuclear Magnetic Resonance) Measurement

실시예에 따른 이온전달 고분자를 NMR 분광기(Bruker 700 MHz NMR, Bruker사 제품)를 이용하여 CDCl3 용매에 녹여 측정하였다.The ion transfer polymer according to the example was dissolved in CDCl 3 solvent and measured using an NMR spectrometer (Bruker 700 MHz NMR, Bruker).

(2) 분자량 측정(2) Molecular weight measurement

실시예에서 제조된 이온전달 고분자를 Tetra Hydro Furan(THF)에 4000ppm 농도로 용해시키고, 겔침투크로마트그래피(Gel Permeation Chromatoraphy, GPC(0~100,000g/mol)를 사용하여 수평균분자량 및 중량평균분자량을 측정하였다.The ion transport polymer manufactured in the example was dissolved in Tetra Hydro Furan (THF) at a concentration of 4000 ppm, and the number average molecular weight and weight average molecular weight were measured using gel permeation chromatography (GPC (0 to 100,000 g/mol).

수평균분자량Average molecular weight 중량평균분자량Weight average molecular weight PDIPDI 실시예 1Example 1 130,000130,000 437,000437,000 3.353.35

(3) 이온 전도도 및 이온교환용량 값 측정(3) Measurement of ion conductivity and ion exchange capacity values

다이메틸설폭사이드(DMSO)에 실시예에서 제조된 이온전달 고분자를 용해시켜 얻은 20 중량%의 투명한 용액을 80 ℃에서 캐스팅하여 두께가 50 ㎛인 전해질막을 제조하였다.An electrolyte membrane having a thickness of 50 ㎛ was manufactured by casting a 20 wt% transparent solution obtained by dissolving the ion transport polymer manufactured in the example in dimethyl sulfoxide (DMSO) at 80°C.

막의 이온 전도도는 1 ㎝×3 ㎝의 사각형 전해질막 샘플을 증류수에 침지시켜 20 내지 30 분간 안정화시킨 후 100 % 습도, 25 ℃에서 전해질막 샘플의 양 끝에 일정한 교류를 걸어 주어 전해질막 샘플의 가운데에서 발생하는 교류전위차를 측정함으로써, 이온 전도도를 측정하였다. 이온 전도도 측정 장치는 샘플의 평면통과(through-plane)에서 이온 전도도를 측정할 수 있는 Newton´s 4th Ltd.(N4L) impedance analysis interface(PSM 1735)가 구비된 스크라이브너 막 시험 시스템(Scribner membrane test system, MTS-740)를 이용하였다.The ionic conductivity of the membrane was measured by immersing a 1 cm × 3 cm square electrolyte membrane sample in distilled water, stabilizing it for 20 to 30 minutes, and then applying a constant alternating current to both ends of the electrolyte membrane sample at 100% humidity and 25°C and measuring the AC potential difference that occurs at the center of the electrolyte membrane sample. The ionic conductivity measuring device used was a Scribner membrane test system (MTS-740) equipped with a Newton´s 4th Ltd. (N4L) impedance analysis interface (PSM 1735) capable of measuring ionic conductivity in the through-plane of the sample.

막의 이온교환용량 값을 결정하기 위해 적정 방법을 이용하였다(D. W. Seo, Y. D. Lim, S. H. Lee, I. S. Jeong, D. I. Kim, J. H. Lee, and W. G. Kim, Int . J. Hydrogen Energy 37, 6140 (2012)). 산 형태(H+)의 막은 1.0 M NaCl 용액에서 24 시간 동안 침지에 의해 H+ 이온과 Na+ 이온을 교환하여 나트륨염 형태로 전환되었다. 이후, 용액 중의 교환된 H+ 이온은 0.05 N NaOH 용액으로 적정되었다.A titration method was used to determine the ion exchange capacity of the membrane (DW Seo, YD Lim, SH Lee, IS Jeong, DI Kim, JH Lee, and WG Kim, Int . J. Hydrogen Energy 37, 6140 (2012)). The acid form (H + ) membrane was converted to the sodium salt form by exchanging H + ions and Na + ions by immersion in a 1.0 M NaCl solution for 24 h. Afterwards, the exchanged H + ions in the solution were titrated with 0.05 N NaOH solution.

설폰화도(DS, degree of sulfonation)로부터 계산된 이론적인 IEC는 하기 수학식 1 같이 계산되었다.The theoretical IEC calculated from the degree of sulfonation (DS) was calculated using the following mathematical expression 1.

[수학식 1][Mathematical formula 1]

IEC (mmol/g) = 이온의 mmol 농도 / 25 ℃에서의 건조 막 중량IEC (mmol/g) = mmol concentration of ion / dry film weight at 25°C

이온교환용량 값
[mmol/g]
Ion exchange capacity value
[mmol/g]
이온 전도도
[S/㎝]
Ionic conductivity
[S/cm]
실시예 1Example 1 1.11.1 0.0340.034

(4) 바나듐 투과성(vanadium permeability) 측정(4) Measurement of vanadium permeability

실시예 1 및 비교예 1의 이온전달 고분자를 각각 이용한 전해질막의 바나듐 투과성을 측정하였다.The vanadium permeability of the electrolyte membrane using the ion transport polymers of Example 1 and Comparative Example 1 was measured.

바나듐 투과도는 한쪽에 1M VOSO4 in 2M H2SO4 용액을 충전하고 다른 한쪽에 1M MgSO4 in 2M H2SO4 용액을 충전한 후 두 용액 사이에 전해질막을 설치하여 시간에 따른 1M MgSO4 in 2M H2SO4 용액에서의 VO2 + 농도를 측정한 값이다. 활성 영역(Active area)은 7.69 ㎠, 볼륨(volume)은 200 ㎖, 상온에서 측정하였다.Vanadium permeability was measured as the concentration of VO2+ in a 1M MgSO4 in 2M H2SO4 solution over time using an electrolyte membrane placed between 1M VOSO4 in 2M H2SO4 solution on one side and 1M MgSO4 in 2M H2SO4 solution on the other side. The active area was 7.69 cm2, the volume was 200 ml , and the measurement was performed at room temperature.

VO2 + 투과도
(㎠/min)
VO2 + permeability
(㎠/min)
실시예 1Example 1 00 비교예 1Comparative Example 1 5.84x10-6 5.84x10 -6

(5) 화학적 내구성(5) Chemical durability

실시예 1 및 비교예 1의 이온전달 고분자를 각각 이용한 전해질막의 화학적 내구성을 평가하였다.The chemical durability of the electrolyte membrane using the ion transport polymers of Example 1 and Comparative Example 1 was evaluated.

1.6V-3.5H VO2 + 조건의 전해질 용액에 상기 고분자로 제조한 전해질막을 함침 후 일주일마다 UV 테스트를 통해 막의 화학적 내구성 평가하였다.After impregnating the electrolyte membrane manufactured with the above polymer in an electrolyte solution under the condition of 1.6 V-3.5 H VO 2 + , the chemical durability of the membrane was evaluated through a UV test every week.

도 1은 1H NMR을 이용하여 확인된 이온전달 고분자의 화학적 구조를 나타낸다. 화학식 2로 표시되는 2,5-디클로로벤조페논(2,5-DCBP)의 화학적 이동값은 7.4 내지 7.8 ppm에서 페닐 고리 양성자 피크가 나타났고, 화학식 3으로 표시되는 술폰화된 2,5-디클로로벤조페논 역시 7.4 내지 7.8 ppm에서 페닐 고리 양성자 피크가 나타났다. 본 발명에 따라 제조된 실시예 1의 이온전달 고분자의 경우 7.0 내지 8.0 ppm에서 페닐 고리 양성자 피크가 나타났고 해당 양성자 피크가 다운필드로 이동되고 더 넓은 피크가 형성된 것을 확인할 수 있다.Figure 1 shows the chemical structure of the ion transfer polymer confirmed using 1 H NMR. The chemical shift values of 2,5-dichlorobenzophenone (2,5-DCBP) represented by Chemical Formula 2 showed a phenyl ring proton peak at 7.4 to 7.8 ppm, and the sulfonated 2,5-dichlorobenzophenone represented by Chemical Formula 3 also showed a phenyl ring proton peak at 7.4 to 7.8 ppm. In the case of the ion transfer polymer of Example 1 manufactured according to the present invention, it can be confirmed that the phenyl ring proton peak appeared at 7.0 to 8.0 ppm, and the corresponding proton peak shifted downfield and a broader peak was formed.

본 발명에 따른 이온전달 고분자의 분자량은 표 1과 같으며, 실시예의 이온전달 고분자로부터 제조된 전해질막의 이온 전도도 및 이온교환용량 값은 표 2에 나타낸 바와 같다.The molecular weight of the ion transfer polymer according to the present invention is as shown in Table 1, and the ion conductivity and ion exchange capacity values of the electrolyte membrane manufactured from the ion transfer polymer of the example are as shown in Table 2.

또한, 표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에 따른 이온전달 고분자를 포함하는 전해질막의 경우 고분자 주사슬이 탄소-탄소 결합으로 이루어짐으로 인하여 바나듐 이온의 투과도가 비교예 1의 나피온 115 전해질막에 비하여 크게 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과로부터 도넌 효과(donnan effect)에 의한 바나듐 이온(VO2 +)의 크로스오버를 효과적으로 억제할 수 있어 본 발명에 따른 이온전달 고분자를 포함하는 전해질막의 성능이 우수한 것을 예측할 수 있다.In addition, as shown in Table 3, in the case of the electrolyte membrane including the ion transfer polymer according to Example 1, it can be confirmed that the permeability of vanadium ions is significantly lower than that of the Nafion 115 electrolyte membrane of Comparative Example 1 because the polymer main chain is composed of carbon-carbon bonds. From these results, it can be predicted that the performance of the electrolyte membrane including the ion transfer polymer according to the present invention is excellent because the crossover of vanadium ions (VO 2+ ) due to the Donnan effect can be effectively suppressed.

또한, 도 3을 통해 실시예 1에 따른 이온전달 고분자를 포함하는 전해질막의 경우 가혹한(harsh) 전해질 조건에 한달 이상 함침했을 시 전해질 내의 V5+가 V4+로의 변화가 거의 없음을 통해 상기 막이 가혹한(harsh) 전해질 조건에서도 상호 영향이 없으므로 화학적 내구성이 매우 뛰어남을 확인할 수 있다. 이러한 결과로부터 본 발명에 따른 이온전달 고분자를 포함하는 전해질막의 경우 주사슬에 헤테로 원자가 포함되어 있지 않아 비교예 1을 포함하는 전해질막과 비교하여 화학적 내구성이 향상됨을 알 수 있다.In addition, in the case of the electrolyte membrane including the ion transfer polymer according to Example 1 through FIG. 3, when impregnated in harsh electrolyte conditions for more than one month, there was almost no change from V 5+ in the electrolyte to V 4+ , which confirms that the membrane has excellent chemical durability because there is no mutual influence even under harsh electrolyte conditions. From these results, it can be seen that the electrolyte membrane including the ion transfer polymer according to the present invention has improved chemical durability compared to the electrolyte membrane including Comparative Example 1 because the main chain does not include a hetero atom.

Claims (13)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이,
촉매 존재하에서 화학식 2의 단량체, 화학식 3의 단량체 및 화학식 4의 케톤 가교제의 중합 반응을 수행하는 단계를 포함하는 화학식 1의 폴리페닐렌을 포함하는 이온전달 고분자의 제조방법:
[반응식 1]
Figure 112018121846229-pat00005

(상기 화학식 1에 있어서,
n과 m은 몰분율로, 각각 독립적으로 0 초과 내지 1의 실수이고, m은 1-n이다.).
As shown in the following reaction scheme 1,
A method for producing an ion transfer polymer comprising polyphenylene of chemical formula 1, comprising the step of performing a polymerization reaction of a monomer of chemical formula 2, a monomer of chemical formula 3, and a ketone crosslinking agent of chemical formula 4 in the presence of a catalyst:
[Reaction Formula 1]
Figure 112018121846229-pat00005

(In the above chemical formula 1,
n and m are mole fractions, each independently a real number greater than 0 and equal to 1, and m is 1-n.)
제11항에 있어서,
상기 촉매는 니켈 브로마이드, 아연 및 트리페닐포스핀을 포함하는, 폴리페닐렌계 고분자의 제조방법.
In Article 11,
A method for producing a polyphenylene polymer, wherein the catalyst comprises nickel bromide, zinc and triphenylphosphine.
제11항에 있어서,
상기 중합 반응은 상온 내지 100 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것인, 폴리페닐렌계 고분자의 제조방법.
In Article 11,
A method for producing a polyphenylene polymer, wherein the above polymerization reaction is performed at a temperature range of room temperature to 100°C.
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