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KR20090067847A - Electrolyte Membrane Using Water-Soluble Polymer and Crosslinkable Multiblock Copolymer - Google Patents

Electrolyte Membrane Using Water-Soluble Polymer and Crosslinkable Multiblock Copolymer Download PDF

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KR20090067847A
KR20090067847A KR1020070135643A KR20070135643A KR20090067847A KR 20090067847 A KR20090067847 A KR 20090067847A KR 1020070135643 A KR1020070135643 A KR 1020070135643A KR 20070135643 A KR20070135643 A KR 20070135643A KR 20090067847 A KR20090067847 A KR 20090067847A
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Abstract

본 발명은 수용성 고분자 및 가교성 멀티블록 공중합체를 이용한 전해질 막에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소수성 블록 및 가교 가능한 관능기를 가지는 가교성 블록으로 구성된 디-블록 공중합체 또는 술폰산 그룹을 가지는 이온 전도성인 친수성 블록이 추가로 결합된 트리-블록 공중합체의 상기 가교성 블록과 가교 가능한 관능기를 가지는 수용성 고분자가 가교제에 의해 가교 결합되어, 안정한 기계적, 화학적 특성 및 높은 이온 전도성을 가지며, 간단한 합성공정에 따라 제조되는 연료전지용 가교형 블록 고분자 블렌딩 전해질 막에 관한 것이다. The present invention relates to an electrolyte membrane using a water-soluble polymer and a crosslinkable multiblock copolymer. More specifically, the present invention relates to a di-block copolymer or a sulfonic acid group composed of a hydrophobic block and a crosslinkable block having a crosslinkable functional group. The water-soluble polymer having a functional group capable of crosslinking with the crosslinkable block of the tri-block copolymer to which the hydrophilic block is further bonded is crosslinked by a crosslinking agent, which has stable mechanical and chemical properties and high ionic conductivity, and according to a simple synthesis process. The present invention relates to a crosslinked block polymer blended electrolyte membrane for a fuel cell produced.

Description

수용성 고분자 및 가교성 멀티블록 공중합체를 이용한 전해질 막 {Electrolyte membranes comprising soluble polymers and crosslinkable multi-block copolymers}Electrolytic membranes comprising soluble polymers and crosslinkable multi-block copolymers

본 발명은 수용성 고분자 및 가교성 멀티블록 공중합체를 이용한 전해질 막에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소수성 블록 및 가교 가능한 관능기를 가지는 가교성 블록으로 구성된 디-블록 공중합체 또는 술폰산 그룹을 가지는 이온 전도성인 친수성 블록이 추가로 결합된 트리-블록 공중합체의 상기 가교성 블록과 가교 가능한 관능기를 가지는 수용성 고분자가 가교제에 의해 가교 결합되어, 안정한 기계적, 화학적 특성 및 높은 이온 전도성을 가지며, 간단한 합성공정에 따라 제조되는 연료전지용 가교형 블록 고분자 블렌딩 전해질 막에 관한 것이다. The present invention relates to an electrolyte membrane using a water-soluble polymer and a crosslinkable multiblock copolymer. More specifically, the present invention relates to a di-block copolymer or a sulfonic acid group composed of a hydrophobic block and a crosslinkable block having a crosslinkable functional group. The water-soluble polymer having a functional group capable of crosslinking with the crosslinkable block of the tri-block copolymer to which the hydrophilic block is further bonded is crosslinked by a crosslinking agent, which has stable mechanical and chemical properties and high ionic conductivity, and according to a simple synthesis process. The present invention relates to a crosslinked block polymer blended electrolyte membrane for a fuel cell produced.

현재까지 통상적으로 사용되고 있는 고분자 전해질 막은 술폰산기(-SO3H)를 가진 퍼플루오로술폰산계의 이온교환막이며, 이 막의 화학구조는 하기 화학식 X와 같다. A polymer electrolyte membrane commonly used to date is a perfluorosulfonic acid based ion exchange membrane having a sulfonic acid group (-SO 3 H), and the chemical structure of the membrane is represented by the following Chemical Formula X.

[화학식 X][Formula X]

Figure 112007092198246-PAT00001
Figure 112007092198246-PAT00001

상기 식에서, Where

x와 y의 비율은 20:1 내지 2:1이며, m = 0, 1, 또는 2, n = 1 내지 12의 정수이다. The ratio of x and y is 20: 1 to 2: 1, and is an integer of m = 0, 1, or 2, n = 1-12.

예를 들면 듀퐁(Du Pont)사의 나피온(Nafion)막, 다우케미컬(Dow Chemical)사의 다우 케미컬막, 아사히글라스(Asahi Glass)사의 플레미온(Flemion)막, 아사히케미컬(Asahi Chemical)사의 아씨플렉스(Aciplex)막, 발라드(Ballard)사의 밤(Bam)막, 또는 고어(Gore)사의 프리미어(Primea)막 등이 주로 사용되고 있다. For example, Nafion membrane from Du Pont, Dow chemical membrane from Dow Chemical, Flemion membrane from Asahi Glass, Aciplex from Asahi Chemical (Aciplex), Ballard's Bam's film, or Gore's Primea's film are mainly used.

또한, 퍼플루오로술폰산 계열의 막들은 높은 이온 전도도 및 우수한 기계적, 화학적 안정성으로 인해 좋은 평가를 받고 있지만, 비싼 가격과 100℃ 이상의 온도에서의 급격한 수소이온 전도도 감소, 높은 메탄올 크로스 오버 등의 문제점을 안고 있다. 따라서 합성공정이 간단하여 저렴하고, 높은 수소이온 전도도를 유지하며, 기계적 및 화학적 특성이 우수한 고분자 전해질 막의 합성이 고분자 전해질 연료전지에서 추구하고 있는 목표 중 하나이고, 이에 따라 현재까지 많은 연구가 진행되고 있다.In addition, perfluorosulfonic acid-based membranes are well received for their high ionic conductivity and excellent mechanical and chemical stability. Holding it. Therefore, the synthesis of a polymer electrolyte membrane, which is simple and inexpensive, maintains high hydrogen ion conductivity, and has excellent mechanical and chemical properties, is one of the goals pursued by the polymer electrolyte fuel cell. have.

고분자 전해질을 제조하는 일반적인 방법으로는 벤젠 그룹을 포함하고 있는 고분자에 술폰화 반응에 의해 술폰산 그룹을 도입하는 방법이 있다. 하지만 이러한 방법은 이들 술폰산 그룹의 산도가 통상적으로 나피온의 플루오로술폰산기보다 훨씬 낮아서, 극히 높은 술폰화도에 도달하여야 만족할 만할 전도도를 얻을 수 있다. 하지만 술폰화도가 매우 높을 때에는 고분자막의 기계적 강도 및 용해도 문제를 일으킬 수 있다. As a general method for preparing a polymer electrolyte, a sulfonic acid group may be introduced into a polymer containing a benzene group by a sulfonation reaction. However, this method typically has much lower acidity of these sulfonic acid groups than Nafion's fluorosulfonic acid groups, so that satisfactory conductivity can be obtained only by reaching extremely high sulfonation degrees. However, when the sulfonation degree is very high, it may cause mechanical strength and solubility problems of the polymer membrane.

고분자 전해질 막의 기계적 강도를 유지함과 동시에 높은 이온 전도도를 얻기 위한 방법으로서, 블록 공중합체 전해질 (WO 2004/042839)과 가교형 공중합체 전해질 막 개발 (대한민국 특허 제 10-0453680호)에 대한 연구가 많이 있었다. 가교반응을 일으킬 수 있는 구조단위와 이온 전도성기에 의해 치환된 구조단위를 포함하는 공중합체가 서로 가교된 형태의 전해질 막을 구성함으로써, 수소이온의 전도도가 수분 및 메탄올의 영향을 적게 받고, 메탄올 크로스오버를 해결할 수 있어 연료전지를 포함한 다양한 전기화학적 장치에 이용될 수 있었다. As a method for obtaining high ionic conductivity while maintaining the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane, many studies have been conducted on the development of a block copolymer electrolyte (WO 2004/042839) and a cross-linked copolymer electrolyte membrane (Korean Patent No. 10-0453680). there was. The copolymer comprising a structural unit capable of causing a crosslinking reaction and a structural unit substituted by an ion conductive group constitutes an electrolyte membrane crosslinked with each other, so that the conductivity of hydrogen ions is less affected by moisture and methanol, and methanol crossover The solution could be used in various electrochemical devices including fuel cells.

그러나, 건조하거나 팽창되었을 때도 쉽게 부서지지 않고, 기존의 복잡한 합성공정을 개선하면서도 일반 연료전지뿐만 아니라 메탄올을 연료로 사용하는 직접메탄올연료전지에도 사용할 수 있는 고분자 전해질 막이 여전히 필요한 실정이다.However, there is still a need for a polymer electrolyte membrane which is not easily broken when dried or expanded, and can be used not only for general fuel cells but also for direct methanol fuel cells using methanol as a fuel while improving existing complex synthesis processes.

본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 제조가 용이하고, 우수한 수소이온 전도도 및 기계적 물성을 가지며, 화학적으로 안정한 블록 중합체를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a block polymer that is easy to manufacture, has excellent hydrogen ion conductivity and mechanical properties, and is chemically stable.

본 발명의 다른 목적은 상기의 우수한 물성을 갖는 블록 중합체를 포함하여 건조하거나 팽창되었을 때에도 쉽게 부서지지 않는 연료전지용 수소이온 전도성 고분자 전해질 막을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane for a fuel cell, including the block polymer having the above excellent physical properties, which is not easily broken even when dried or expanded.

본 발명의 또 다른 목적은 상기의 우수한 수소이온 전도성을 갖는 전해질 막을 포함하는 연료전지 및 기타 전기화학적 장치를 제공하는 것이다. It is yet another object of the present invention to provide fuel cells and other electrochemical devices comprising electrolyte membranes having such excellent hydrogen ion conductivity.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object, the present invention

소수성 블록 및 가교 가능한 관능기를 가지는 가교성 블록을 포함하는 블록 공중합체; Block copolymers comprising a hydrophobic block and a crosslinkable block having a crosslinkable functional group;

가교 가능한 관능기를 가지는 수용성 고분자; 및Water-soluble polymers having a crosslinkable functional group; And

술폰산 그룹을 가지는 가교제를 포함하되,Including crosslinkers having sulfonic acid groups,

상기 가교제를 통하여 상기 블록 공중합체의 가교성 블록과 수용성 고분자가 가교되어 있는 것을 특징으로 하는 가교성 블록 중합체를 제공한다.It provides a crosslinkable block polymer characterized in that the crosslinkable block and the water-soluble polymer of the block copolymer is crosslinked through the crosslinking agent.

상기 블록 공중합체는 술폰산 그룹을 가지는 친수성 블록을 추가로 포함할 수 있다. The block copolymer may further comprise a hydrophilic block having sulfonic acid groups.

본 발명은 또한 소수성 블록 및 가교 가능한 관능기를 가지는 가교성 블록을 포함하는 블록 공중합체를 제조하는 제1단계; 및The present invention also provides a first step of preparing a block copolymer comprising a hydrophobic block and a crosslinkable block having a crosslinkable functional group; And

술폰산 그룹을 가지는 가교제를 사용하여 가교 가능한 관능기를 가지는 수용성 고분자와 상기 가교성 블록을 가교시키는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가교성 블록 중합체의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a crosslinkable block polymer comprising a second step of crosslinking the crosslinkable block and a water-soluble polymer having a crosslinkable functional group using a crosslinking agent having a sulfonic acid group.

본 발명은 또한 상기 우수한 물성을 갖는 가교성 블록 중합체를 포함하는 전해질 막을 제공한다.The present invention also provides an electrolyte membrane comprising the crosslinkable block polymer having the above excellent physical properties.

본 발명은 또한 상기 가교형 블록 고분자 블렌딩 전해질 막을 포함하는 연료전지 및 전기화학적 장치를 제공한다.The present invention also provides a fuel cell and an electrochemical device comprising the crosslinked block polymer blended electrolyte membrane.

본 발명은 수용성 고분자와 가교성 멀티-블록 공중합체로 구성된 가교형 고분자 전해질 막을 이용하기 때문에 열적, 기계적, 화학적 안정성을 갖고, 높은 이온 전도성, 낮은 연료 투과도, 낮은 탈수 효과, 낮은 기체 투과도를 가지며, 간편한 합성공정에 의해 제조비용과 제조시간이 실질적으로 감소하는 효과가 있다.The present invention has thermal, mechanical and chemical stability because of using a crosslinked polymer electrolyte membrane composed of a water-soluble polymer and a crosslinkable multi-block copolymer, and has high ion conductivity, low fuel permeability, low dehydration effect, and low gas permeability. The simple synthesis process has the effect of substantially reducing the manufacturing cost and manufacturing time.

이하, 본 발명의 구성을 구체적으로 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the structure of this invention is demonstrated concretely.

본 발명은 The present invention

소수성 블록 및 가교 가능한 관능기를 가지는 가교성 블록을 포함하는 블록 공중합체; Block copolymers comprising a hydrophobic block and a crosslinkable block having a crosslinkable functional group;

가교 가능한 관능기를 가지는 수용성 고분자; 및Water-soluble polymers having a crosslinkable functional group; And

술폰산 그룹을 가지는 가교제를 포함하되,Including crosslinkers having sulfonic acid groups,

상기 가교제를 통하여 상기 블록 공중합체의 가교성 블록과 수용성 고분자가 가교되어 있는 것을 특징으로 하는 가교성 블록 중합체에 관한 것이다. It relates to a crosslinkable block polymer characterized in that the crosslinkable block of the block copolymer and the water-soluble polymer are crosslinked through the crosslinking agent.

상기 소수성 블록은 소수성 그룹을 포함하는 고분자 중합체라면 특별히 제한하지는 않으나, 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표현되는 반복단위를 포함하는 것이 바람직하다. The hydrophobic block is not particularly limited as long as it is a high molecular polymer including a hydrophobic group, but preferably includes a repeating unit represented by the following Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112007092198246-PAT00002
Figure 112007092198246-PAT00002

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112007092198246-PAT00003
Figure 112007092198246-PAT00003

상기 식에서,Where

R1은 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 나타내고,R 1 represents hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms,

R2는 시아노기, 탄소수 1 내지 4의 알킬기로 치환되거나 비치환된 탄소수 6 내지 12의 아릴기, 탄소수 1 내지 8의 알콕시기, 또는 -C(O)-X를 나타내며,R 2 represents a cyano group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or an unsubstituted aryl group having 6 to 12 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms, or -C (O) -X,

여기서 X는 탄소수 1 내지 8의 알콕시기 또는 아미노기를 나타내고,X represents an alkoxy group or amino group having 1 to 8 carbon atoms,

R3은 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 나타내며,R 3 represents hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms,

n은 1 내지 4의 정수이다.n is an integer of 1-4.

상기 소수성 블록은 폴리스티렌, 폴리알킬스티렌, 폴리메타크릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 폴리아크릴아미드, 또는 폴리비닐에테르 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다.As the hydrophobic block, polystyrene, polyalkylstyrene, polymethacrylate, polyacrylate, polyisoprene, polybutadiene, polyacrylamide, polyvinyl ether, or the like may be used alone or in combination.

상기 소수성 블록은 총 가교성 블록 중합체 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 상기 범위내일 경우에는 상기 가교성 블록 중합체의 열적, 기계적, 화학적 안정성 구현에 있어 더욱 좋다.The hydrophobic block is preferably included in 10 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the total crosslinkable block polymer. If the content is in the above range, it is better in the thermal, mechanical, chemical stability of the crosslinkable block polymer.

또한, 가교성 블록의 가교 가능한 관능기는 히드록시기를 사용하는 것이 바 람직하다. 보다 구체적으로는 가교성 블록은 하기 화학식 3으로 표현되는 반복단위를 포함하는 것이 바람직하다. In addition, it is preferable that the crosslinkable functional group of a crosslinkable block uses a hydroxyl group. More specifically, the crosslinkable block preferably includes a repeating unit represented by the following formula (3).

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112007092198246-PAT00004
Figure 112007092198246-PAT00004

상기 식에서, Where

R4은 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 나타내고,R 4 represents hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms,

R5는 히드록시기, 히드록시기로 치환된 탄소수 6 내지 12의 아릴기, 히드록시기로 치환된 탄소수 1 내지 8의 알콕시기, 또는 -C(O)-X를 나타내며,R 5 represents a hydroxy group, an aryl group having 6 to 12 carbon atoms substituted with a hydroxy group, an alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms substituted with a hydroxyl group, or -C (O) -X,

여기서 X는 히드록시기로 치환된 탄소수 1 내지 8의 알콕시기, 또는 히드록시기나 탄소수 1 내지 3의 알콕시기로 치환된 아미노기를 나타낸다.X represents the C1-C8 alkoxy group substituted by the hydroxy group, or the amino group substituted by the hydroxy group or the C1-C3 alkoxy group here.

상기 가교성 블록은 폴리히드록시 메타크릴레이트, 폴리히드록시 아크릴레이트, 폴리히드록시 메타크릴아미드, 폴리히드록시 아크릴아미드, 폴리비닐페놀, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌 글리콜, 또는 폴리프로필렌 글리콜 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다. The crosslinkable block may include polyhydroxy methacrylate, polyhydroxy acrylate, polyhydroxy methacrylamide, polyhydroxy acrylamide, polyvinylphenol, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, or polypropylene glycol alone or the like. Two or more kinds can be used.

상기 가교성 블록은 총 가교성 블록 중합체 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 상기 범위내일 경우에는 상기 가교 성 블록 중합체의 열적, 기계적, 화학적 안정성 구현에 있어 더욱 좋다.The crosslinkable block is preferably included in 10 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the total crosslinkable block polymer. If the content is in the above range, it is better in the thermal, mechanical, chemical stability of the crosslinkable block polymer.

또한, 상기 블록 공중합체는 술폰산 그룹을 가지는 이온 전도성인 친수성 블록을 추가로 포함할 수 있다. 바람직하게는, 하기 화학식 4로 표현되는 반복단위를 포함하는 것이 좋다.In addition, the block copolymer may further include an ion conductive hydrophilic block having sulfonic acid groups. Preferably, it is preferable to include a repeating unit represented by the following formula (4).

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112007092198246-PAT00005
Figure 112007092198246-PAT00005

상기 식에서,Where

R6은 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 나타내고,R 6 represents hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms,

R7은 술폰산 그룹으로 치환된 탄소수 6 내지 12의 아릴기, 술폰산 그룹으로 치환된 탄소수 1 내지 8의 알킬기, 술폰산 그룹으로 치환된 탄소수 1 내지 8의 알콕시기, 또는 -C(O)-X를 나타내며,R 7 is an aryl group having 6 to 12 carbon atoms substituted with a sulfonic acid group, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms substituted with a sulfonic acid group, an alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms substituted with a sulfonic acid group, or -C (O) -X Indicates,

여기서 X는 술폰산 그룹으로 치환된 탄소수 1 내지 8의 알콕시기를 나타낸다.X represents an alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms substituted with a sulfonic acid group.

상기 술폰산 그룹을 가지는 친수성 블록은 폴리스티렌 술폰산, 폴리메틸 프로펜 술폰산, 폴리술포프로필 메타크릴레이트, 폴리술포에틸 메타크릴레이트, 폴리 술포부틸 메타크릴레이트, 폴리술포프로필 아크릴레이트, 폴리술포에틸 아크릴레이트, 또는 폴리술포부틸 아크릴레이트 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다. The hydrophilic block having the sulfonic acid group includes polystyrene sulfonic acid, polymethyl propene sulfonic acid, polysulfopropyl methacrylate, polysulfoethyl methacrylate, poly sulfobutyl methacrylate, polysulfopropyl acrylate, polysulfoethyl acrylate, Or polysulfobutyl acrylate etc. can be used individually or 2 types or more.

상기 친수성 블록은 총 가교성 블록 중합체 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 상기 범위내일 경우에는 상기 가교성 블록 중합체의 열적, 기계적, 화학적 안정성 구현에 있어 더욱 좋다.The hydrophilic block is preferably included in 10 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the total crosslinkable block polymer. If the content is in the above range, it is better in the thermal, mechanical, chemical stability of the crosslinkable block polymer.

또한, 상기 수용성 고분자의 가교 가능한 관능기는 히드록시기를 사용하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는 수용성 고분자는 하기 화학식 5로 표현되는 반복단위를 포함하는 것이 바람직하다. Moreover, it is preferable to use the hydroxyl group for the crosslinkable functional group of the said water-soluble polymer. More specifically, the water-soluble polymer preferably includes a repeating unit represented by the following formula (5).

[화학식 5][Formula 5]

Figure 112007092198246-PAT00006
Figure 112007092198246-PAT00006

상기 식에서,Where

R8은 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 나타내고,R 8 represents hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms,

R9는 히드록시기, 히드록시기로 치환된 탄소수 6 내지 12의 아릴기, 히드록시기로 치환된 탄소수 1 내지 8의 알콕시기, 또는 -C(O)-X를 나타내며,R 9 represents a hydroxy group, an aryl group having 6 to 12 carbon atoms substituted with a hydroxy group, an alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms substituted with a hydroxyl group, or -C (O) -X,

여기서 X는 히드록시기로 치환된 탄소수 1 내지 8의 알콕시기, 또는 히드록시기나 탄소수 1 내지 3의 알콕시기로 치환된 아미노기를 나타낸다.X represents the C1-C8 alkoxy group substituted by the hydroxy group, or the amino group substituted by the hydroxy group or the C1-C3 alkoxy group here.

상기 수용성 고분자는 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리 아크릴아마이드, 폴리에틸렌 옥시드 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다. As the water-soluble polymer, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyacrylamide, polyethylene oxide, or the like may be used alone or in combination of two or more.

상기 수용성 고분자는 총 가교성 블록 중합체 100 중량부에 대하여 40 내지 80 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 상기 범위내일 경우에는 상기 가교성 블록 중합체의 열적, 기계적, 화학적 안정성 구현에 있어 더욱 좋다.The water-soluble polymer is preferably included in 40 to 80 parts by weight based on 100 parts by weight of the total crosslinkable block polymer. If the content is in the above range, it is better in the thermal, mechanical, chemical stability of the crosslinkable block polymer.

또한, 상기 술폰산 그룹을 가지는 가교제는 하나 이상의 카르복실 그룹을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 하기 화학식 6 또는 7의 화합물이다. In addition, the crosslinking agent having a sulfonic acid group may include one or more carboxyl groups, preferably a compound of formula 6 or 7.

[화학식 6][Formula 6]

Figure 112007092198246-PAT00007
Figure 112007092198246-PAT00007

[화학식 7][Formula 7]

Figure 112007092198246-PAT00008
Figure 112007092198246-PAT00008

상기 식에서,Where

n은 1 내지 10의 정수를 나타낸다.n represents the integer of 1-10.

상기 가교제는 총 가교성 블록 중합체 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량 부로 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 상기 범위내일 경우에는 상기 가교성 블록 중합체의 열적, 기계적, 화학적 안정성 구현에 있어 더욱 좋다.The crosslinking agent is preferably included in 10 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the total crosslinkable block polymer. If the content is in the above range, it is better in the thermal, mechanical, chemical stability of the crosslinkable block polymer.

본 발명은 또한 The invention also

소수성 블록 및 가교 가능한 관능기를 가지는 가교성 블록을 포함하는 블록 공중합체를 제조하는 제1단계; 및Preparing a block copolymer comprising a hydrophobic block and a crosslinkable block having a crosslinkable functional group; And

술폰산 그룹을 가지는 가교제를 사용하여 가교 가능한 관능기를 가지는 수용성 고분자와 상기 가교성 블록을 가교시키는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가교성 블록 중합체의 제조방법에 관한 것이다. And a second step of crosslinking the crosslinkable block with a water-soluble polymer having a crosslinkable functional group using a crosslinking agent having a sulfonic acid group.

상기 가교성 블록 중합체는 수용성 고분자와 블록 공중합체를 포함하되, 상기 수용성 고분자와 블록 공중합체의 가교성 블록에는 히드록시기가 포함되어 있어, 카르복실 그룹을 포함하고 있는 가교제에 의해 에스테르 반응에 의해 가교반응을 형성한다. 또한, 가교제에는 술폰산 그룹이 포함되어 있어 수소이온 전도성을 추가로 제공한다. The crosslinkable block polymer includes a water-soluble polymer and a block copolymer, and the crosslinkable block of the water-soluble polymer and the block copolymer contains a hydroxy group, and crosslinks by an ester reaction with a crosslinking agent containing a carboxyl group. To form. The crosslinker also includes sulfonic acid groups to further provide hydrogen ion conductivity.

또한, 상기 블록 공중합체는 소수성 블록 및 가교 가능한 관능기를 가지는 가교성 블록으로 구성된 디-블록 공중합체 또는 상기 디-블록 공중합체에 술폰산 그룹을 가지는 친수성 블록을 추가로 결합시킨 트리-블록 공중합체로 제조하는 것이 바람직하다. In addition, the block copolymer is a di-block copolymer composed of a hydrophobic block and a crosslinkable block having a crosslinkable functional group or a tri-block copolymer further combining a hydrophilic block having a sulfonic acid group to the di-block copolymer. It is preferable to prepare.

상기 블록 공중합체는 제어된 자유 라디칼 중합반응(controlled free radical polymerization)을 통하여 원하지 않는 단일 중합체 및 사슬 분해 생성물과 같은 물질을 제거하면서 균일한 분자량을 갖는 고분자 제조 반응을 통해 제조할 수 있다. The block copolymer may be prepared through a polymer production reaction having a uniform molecular weight while removing substances such as undesired homopolymers and chain decomposition products through controlled free radical polymerization.

상기 제어된 자유 라디칼 중합반응에는 원자 전달 라디칼 중합(atomic transfer radical polymerization, ATRP), NMP (nitroxide-mediated polymerization), RAFT (reversible addition-fragmentation chain transfer), 음이온 중합법 (anionic polymerization), 양이온 중합법 (cationic polymerization) 등이 포함되나, 이에 특별히 제한되지는 않는다. The controlled free radical polymerization includes atomic transfer radical polymerization (ATRP), nitroxide-mediated polymerization (NMP), reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT), anionic polymerization, and cationic polymerization cationic polymerization, etc., but is not particularly limited thereto.

본 발명은 또한 상기 가교성 블록 중합체를 포함하는 고분자 전해질막에 관한 것이다.The present invention also relates to a polymer electrolyte membrane comprising the crosslinkable block polymer.

상기 고분자 전해질 막은 연료전지의 발전부를 구성하는 연료전지 셀의 내부에서 음극(연료극)과 양극(공기극) 사이에 존재하는 부재료로서, 음극 측의 수소 가스는 통과하지 못하고, 프로톤(이온화한 수소)만을 음극 측에서 양극 측을 향하여 전도시키는 기능을 담당한다.The polymer electrolyte membrane is a member material existing between the negative electrode (fuel electrode) and the positive electrode (air electrode) inside the fuel cell constituting the power generation portion of the fuel cell. The hydrogen gas on the negative electrode side does not pass, and only protons (ionized hydrogen) are used. It is in charge of the function of conducting from the cathode side toward the anode side.

또한, 본 발명의 고분자 전해질 막은 미세 상분리된(microphase separated) 구조를 나타내고 있으며, 통상의 고분자 전해질 막보다 상승된 기계적, 화학적, 열 적 특성 및 이온 전도도가 나타나는 것을 특징으로 한다.In addition, the polymer electrolyte membrane of the present invention exhibits a microphase separated structure, and is characterized by higher mechanical, chemical, thermal properties, and ionic conductivity than conventional polymer electrolyte membranes.

또한, 상기 고분자 전해질 막의 두께에 대해서는 특별히 제한되지는 않으나, 두께가 너무 얇으면 고분자 전해질 막의 강도가 과도하게 저하되고, 두께가 너무 두꺼우면 연료전지의 내부저항이 과도하게 증가할 수 있다. 이러한 점을 고려하여 상기 고분자 전해질 막의 두께는 30 내지 200㎛ 가 바람직하다. In addition, the thickness of the polymer electrolyte membrane is not particularly limited, but if the thickness is too thin, the strength of the polymer electrolyte membrane may be excessively reduced, and if the thickness is too thick, the internal resistance of the fuel cell may be excessively increased. In consideration of this point, the thickness of the polymer electrolyte membrane is preferably 30 to 200 μm.

본 발명은 또한 The invention also

캐소드;Cathode;

애노드; 및 Anode; And

상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 본 발명의 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지에 관한 것이다.A fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane of the present invention located between the cathode and the anode.

본 발명의 고분자 전해질 막은 수소를 포함하는 가스를 애노드에 공급하는 PEMFC (polymer electrolyte membrane fuel cell), 메탄올과 물의 혼합증기 또는 메탄올수용액을 애노드에 공급하는 직접메탄올연료전지 (DMFC) 등에 사용될 수 있다.The polymer electrolyte membrane of the present invention can be used for a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) for supplying a gas containing hydrogen to the anode, a direct methanol fuel cell (DMFC) for supplying a mixed vapor of methanol and water, or an aqueous methanol solution to the anode.

상기 캐소드는 산소의 환원반응을 촉진시키는 촉매층을 포함하며, 촉매층은 촉매 입자와 양이온교환기를 갖는 폴리머를 포함할 수 있다. 이때, 촉매로는 백금 촉매, 백금담지카본촉매(Pt/C촉매) 등이 사용될 수 있다.The cathode includes a catalyst layer for promoting a reduction reaction of oxygen, and the catalyst layer may include a polymer having a catalyst particle and a cation exchange group. In this case, a platinum catalyst, a platinum supported carbon catalyst (Pt / C catalyst), or the like may be used as the catalyst.

상기 애노드는 수소, 메탄올, 에탄올 등과 같은 연료의 산화반응을 촉진시키는 촉매층을 포함하며, 상기 촉매층은 촉매 입자와 양이온교환기를 갖는 폴리머를 포함할 수 있다. 이때, 촉매로는 백금촉매, 백금-루테늄촉매, 백금담지카본촉매, 백금-루테늄담지카본촉매 등이 사용될 수 있으며, 백금-루테늄촉매 또는 백금-루테늄담지카본촉매는 수소 이외의 유기연료를 애노드에 직접 공급하는 경우에 유용하다.The anode includes a catalyst layer for promoting an oxidation reaction of a fuel such as hydrogen, methanol, ethanol, and the like, and the catalyst layer may include a catalyst particle and a polymer having a cation exchange group. At this time, as a catalyst, a platinum catalyst, a platinum-ruthenium catalyst, a platinum-supported carbon catalyst, a platinum-ruthenium-supported carbon catalyst, and the like may be used.A platinum-ruthenium catalyst or a platinum-ruthenium-supported carbon catalyst may be used as the catalyst. This is useful when feeding directly.

상기 캐소드와 애노드에 사용되는 촉매는 촉매금속입자 그 자체이거나, 촉매금속입자와 촉매담체를 포함하는 담지촉매일 수 있다. 상기 촉매담체로는 탄소 분말과 같이 전도성을 가지며 촉매금속입자를 담지할 수 있는 미세기공(micropore)을 갖는 고체입자가 사용될 수 있다. The catalyst used in the cathode and the anode may be a catalyst metal particle itself or a supported catalyst including the catalyst metal particles and the catalyst carrier. As the catalyst carrier, solid particles having conductivity such as carbon powder and having micropores capable of supporting catalytic metal particles may be used.

상기 탄소 분말로는 카본블랙, 아세틸렌블랙, 활성탄소분말, 탄소나노섬유분말, 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. As the carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon powder, carbon nanofiber powder, or a mixture thereof may be used.

상기 캐소드와 애노드의 촉매층은 상기 고분자 전해질 막과 접촉한다.The catalyst layer of the cathode and the anode is in contact with the polymer electrolyte membrane.

상기 캐소드와 애노드는 촉매층 외에 가스 확산층을 더 포함할 수 있다. 상기 가스 확산층은 전기전도성을 갖는 다공성 재료를 포함하며, 집전체의 역할과 반응물과 생성물의 출입통로의 역할을 한다. The cathode and the anode may further include a gas diffusion layer in addition to the catalyst layer. The gas diffusion layer includes a porous material having electrical conductivity, and serves as a current collector and an access passage of reactants and products.

이러한, 가스 확산층으로는 카본페이퍼, 바람직하게는 발수처리된 카본페이퍼, 보다 바람직하게는 발수처리된 카본블랙층이 도포된 발수처리된 카본페이퍼가 사용될 수 있다. As the gas diffusion layer, carbon paper, preferably water-repellent carbon paper, and more preferably water-repellent carbon paper coated with a water-repellent carbon black layer may be used.

상기 발수처리된 카본페이퍼는 PTFE (polytetrafluoroethylene) 등과 같은 소수성 고분자를 포함하고 있으며, 상기 소수성 고분자는 소결 (sintering) 되어 있다. The water-repellent treated carbon paper contains a hydrophobic polymer such as PTFE (polytetrafluoroethylene), and the hydrophobic polymer is sintered.

이때, 가스 확산층의 발수처리는 극성액체반응물과 기체반응물에 대한 출입통로를 동시에 확보하기 위한 것이다. At this time, the water repellent treatment of the gas diffusion layer is to secure the access passage for the polar liquid reactant and the gas reactant at the same time.

상기 발수처리된 카본블랙층을 갖는 발수처리된 카본페이퍼에 있어서, 발수처리된 카본블랙층은 카본블랙 및 소수성 바인더로서 PTFE 등과 같은 소수성 고분자를 포함하고 있고, 상기 발수처리된 카본페이퍼의 일측에 부착되어 있으며, 발수처리된 카본블랙층의 상기 소수성 고분자는 소결되어 있다.In the water-repellent treated carbon paper having the water-repellent treated carbon black layer, the water-repellent treated carbon black layer contains a hydrophobic polymer such as PTFE as carbon black and a hydrophobic binder, and adheres to one side of the water-repellent treated carbon paper. The hydrophobic polymer of the water repellent treated carbon black layer is sintered.

상기 캐소드와 애노드는 통상의 방법에 따라 제조될 수 있으며, 특별히 제한하지는 않는다. The cathode and the anode may be prepared according to a conventional method, but are not particularly limited.

본 발명의 연료전지의 애노드에 공급될 수 있는 연료로서는 수소, 메탄올, 에탄올 등이 있고, 바람직하게는 극성 유기 연료 및 물을 포함하는 액상 연료가 있으며, 보다 바람직하게는 메탄올수용액이 있다. 이때, 극성 유기 연료로서는 메탄올, 에탄올 등이 사용될 수 있다.Fuels that can be supplied to the anode of the fuel cell of the present invention include hydrogen, methanol, ethanol, and the like, preferably liquid fuels containing polar organic fuel and water, and more preferably methanol aqueous solution. In this case, methanol, ethanol, or the like may be used as the polar organic fuel.

본 발명의 연료전지는 상기 고분자 전해질 막에 의하여 극성 유기연료의 크로스오버 현상이 억제되므로, 보다 고 농도의 메탄올수용액을 사용할 수 있다. 또한, 저농도의 메탄올수용액을 사용하는 경우에도 상기 고분자 전해질 막에 의하여 극성 유기 연료의 크로스오버 현상이 더욱 억제될 뿐만 아니라 상기 고분자 전해질 막이 우수한 수소 이온 전도도를 가지므로, 본 발명의 연료전지는 실질적으로 향상된 수명 및 효율을 갖는다.In the fuel cell of the present invention, since the crossover phenomenon of the polar organic fuel is suppressed by the polymer electrolyte membrane, a higher aqueous methanol solution can be used. In addition, even when a low concentration of methanol aqueous solution is used, the crossover phenomenon of the polar organic fuel is further suppressed by the polymer electrolyte membrane, and the polymer electrolyte membrane has excellent hydrogen ion conductivity, so that the fuel cell of the present invention is substantially Has improved life and efficiency.

본 발명은 또한 본 발명의 고분자 전해질 막을 포함하는 전기화학적 장치에 관한 것이다.The present invention also relates to an electrochemical device comprising the polymer electrolyte membrane of the present invention.

전기화학적 장치로는 전기분해, 전기 투석, 확산 투석, 압 투석, 클로로-알카리 분리막, 배터리 등이 있으나, 이에 제한하지는 않는다. Electrochemical devices include, but are not limited to, electrolysis, electrodialysis, diffusion dialysis, pressure dialysis, chloro-alkali separators, batteries, and the like.

이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나 하기의 실시예는 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention in detail and are not intended to limit the scope of the present invention by these examples.

<실시예 1> 멀티-블록 공중합체의 제조Example 1 Preparation of Multi-Block Copolymer

1) 소수성 블록 중합체 (폴리스티렌 단일중합체)의 제조 1) Preparation of Hydrophobic Block Polymer (Polystyrene Homopolymer)

실온 1기압에서 스티렌 20g에 염화구리 0.29g과 헥사메틸트리에틸렌테트라아민 (hexamethyltriethylenetetramine, 미국 알드리치사) 1.24mL를 첨가하였다.To 20 g of styrene at room temperature, 0.29 g of copper chloride and 1.24 mL of hexamethyltriethylenetetramine (Aldrich, USA) were added.

상기 용액을 교반하면서 30분 동안 질소를 주입한 후 메틸브로모프로피오네이트 (methyl 2-bromo-propionate, 99%, 미국 알드리치사) 0.22mL를 첨가하였다. Nitrogen was injected for 30 minutes while stirring the solution, followed by addition of 0.22 mL of methyl 2-bromo-propionate (99%, Aldrich, USA).

상기 용액을 교반하면서 30분 동안 질소를 주입한 후 110℃로 예열된 오일 욕조에 놓고, 5시간 동안 반응시켰다. The solution was infused with nitrogen for 30 minutes with stirring and placed in an oil bath preheated to 110 ° C. and reacted for 5 hours.

반응이 종료된 고분자에 테트라하이드로푸란 (THF, 미국 알드리치사) 70mL을 넣고 희석시킨 후 그 용액을 메탄올 용매에 침전시키고 여과하여 고분자 중합체를 회수하였다. 상기 고분자 중합체를 톨루엔에 재 용해시키고, 메탄올 용매에 3회 재 침전시키고 정제하여 고분자 중합체를 회수하였다. 상기 고분자 중합체를 실온에서 24시간 동안 진공건조시켰다.70 mL of tetrahydrofuran (THF, Aldrich Co., Ltd.) was added to the polymer after the reaction was diluted, and the solution was precipitated in methanol and filtered to recover the polymer. The polymer was re-dissolved in toluene, reprecipitated three times in methanol solvent and purified to recover the polymer. The high polymer was vacuum dried at room temperature for 24 hours.

2) 소수성 블록 및 가교성 블록으로 구성된 디-블록 공중합체 (dBC, 폴리스티렌-폴리히드록실에틸아크릴레이트 디-블록 공중합체)의 제조 2) Preparation of di-block copolymers (dBC, polystyrene-polyhydroxyethylacrylate di-block copolymers) consisting of hydrophobic blocks and crosslinkable blocks

실온 1기압에서 상기에서 제조한 폴리스티렌 5g을 톨루엔 10mL에 용해시키고, 25℃에서 1시간 동안 교반하였다. 5 g of the polystyrene prepared above was dissolved in 10 mL of toluene at 1 atmosphere of room temperature, and stirred at 25 ° C for 1 hour.

상기 용액에 5g (4.52mL)의 히드록실에틸아크릴레이트 (hydroxylethyl acrylate, HEA, 미국 알드리치사)를 첨가하고, 두 용액이 충분히 용해되었을 때 서로 혼합 및 교반하여 균일한 용액을 제조하였다. 5 g (4.52 mL) of hydroxylethyl acrylate (HEA, Aldrich, USA) was added to the solution, and the two solutions were mixed and stirred with each other when sufficiently dissolved to prepare a uniform solution.

상기 혼합 용액에 염화구리 0.015g과 헥사메틸트리에틸렌테트라아민 0.0625mL를 첨가하고, 교반하면서 30분 동안 질소를 주입한 후 80℃로 예열된 오일 욕조에 놓고, 8시간 동안 반응시켰다. 0.015 g of copper chloride and 0.0625 mL of hexamethyltriethylenetetraamine were added to the mixed solution, nitrogen was injected for 30 minutes while stirring, placed in an oil bath preheated to 80 ° C., and reacted for 8 hours.

반응이 종료된 고분자 용액을 메탄올 (부피비=1:1) 용매에 침전시키고 여과하여 고분자 중합체를 회수하였다. 상기 고분자 중합체를 노말메틸피롤리돈 (NMP, 미국 알드리치사)에 재 용해시키고, 메탄올-핵산 용매에 3회 재 침전시켜 정제하여 고분자 중합체를 회수하였다. 상기 고분자 중합체를 실온에서 24시간 동안 진공건조시켰다.The polymer solution after the reaction was precipitated in methanol (volume ratio = 1: 1) solvent and filtered to recover the polymer polymer. The polymer was re-dissolved in normal methylpyrrolidone (NMP, Aldrich, USA) and purified by re-precipitation three times in methanol-nucleic acid solvent to recover the polymer. The high polymer was vacuum dried at room temperature for 24 hours.

3) 소수성 블록, 가교성 블록 및 친수성 블록의 트리-블록 공중합체 (tBC, 폴리스티렌-폴리히드록실에틸아크릴레이트-폴리스티렌술포닉산 트리-블록 공중합체)의 제조3) Preparation of tri-block copolymers (tBC, polystyrene-polyhydroxyethylacrylate-polystyrenesulphonic acid tri-block copolymers) of hydrophobic blocks, crosslinkable blocks and hydrophilic blocks

실온 1기압에서 상기에서 제조한 폴리스티렌-폴리히드록실에틸아크릴레이트 디-블록 공중합체 5g을 노말메틸피롤리돈 50mL에 용해시키고, 25℃에서 1시간 동안 교반하여 녹였다. 5 g of the polystyrene-polyhydroxyethyl acrylate di-block copolymer prepared above was dissolved in 50 mL of normal methylpyrrolidone at room temperature at 1 atmosphere, and dissolved by stirring at 25 ° C. for 1 hour.

5g의 스티렌 술폰산 나트륨염 (styrene sulfonic acid sodium salt, SSA, 미국 알드리치사)을 따로 25mL의 DMSO에 녹였다. 5 g of styrene sulfonic acid sodium salt (SSA, Aldrich, USA) was separately dissolved in 25 mL of DMSO.

상기 두 용액이 충분히 용해되었을 때 서로 혼합 및 교반하여 균일한 용액을 제조한 다음, 상기 혼합 용액에 염화구리 0.015g과 헥사메틸트리에틸렌테트라아민0.0625mL를 첨가하였다. 상기 용액을 교반하면서 30분 동안 질소를 주입한 후 110℃로 예열된 오일 욕조에 놓고, 24시간 동안 반응시켰다. When the two solutions were sufficiently dissolved, they were mixed and stirred to prepare a uniform solution. Then, 0.015 g of copper chloride and 0.0625 mL of hexamethyltriethylenetetraamine were added to the mixed solution. The solution was infused with nitrogen for 30 minutes with stirring and placed in an oil bath preheated to 110 ° C. and reacted for 24 hours.

반응이 종료된 고분자 용액을 메탄올-핵산 (1:1 부피비) 용매에 침전시키고 여과하여 고분자 중합체를 회수하였다. 상기 고분자 중합체를 DMSO에 재용해시키 고, 메탄올-핵산 용매에 3회 재 침전시켜 정제하여 고분자 중합체를 회수하였다. 상기 고분자 중합체를 실온에서 24시간 동안 진공건조시켰다.The polymer solution after the reaction was precipitated in methanol-nucleic acid (1: 1 volume ratio) solvent and filtered to recover the polymer. The polymer was redissolved in DMSO and repurified three times in methanol-nucleic acid solvent to recover the polymer. The high polymer was vacuum dried at room temperature for 24 hours.

<실시예2> 수용성 고분자 및 디-블록 공중합체 (폴리비닐알콜/폴리스티렌-폴리히드록실에틸아크릴레이트 디-블록 공중합체)를 이용한 가교형 전해질 막의 제조Example 2 Preparation of Cross-linked Electrolyte Membrane Using Water-Soluble Polymer and Di-Block Copolymer (Polyvinyl Alcohol / Polystyrene-Polyhydroxyethyl Ethyl Di-Block Copolymer)

상기에서 제조된 폴리스티렌-폴리히드록실에틸아크릴레이트 디-블록 공중합체 (dBC) 1g을 DMSO 30mL에 용해시킨 다음, 25℃에서 1시간 동안 교반하여 녹였다. 1 g of the polystyrene-polyhydroxyethyl acrylate di-block copolymer (dBC) prepared above was dissolved in 30 mL of DMSO, and then dissolved by stirring at 25 ° C. for 1 hour.

다음으로, 0.5g의 폴리비닐알콜 (polyvinyl alcohol, PVA, Mw=85,000g/mol)을 따로 7.5mL의 DMSO에 녹였다. Next, 0.5 g of polyvinyl alcohol (polyvinyl alcohol, PVA, Mw = 85,000 g / mol) was separately dissolved in 7.5 mL of DMSO.

상기 두 용액이 충분히 용해되었을 때 서로 혼합 및 교반하여 균일한 용액을 제조하였다. 그 다음, 상기 용액에 술포석신산 (sulfosuccinic acid, SA, 70% 수용액, 미국 알드리치사) 0.15mL (dBC:PVA:SA = 20:10:3 무게비)을 첨가한 후 30분 동안 교반하였다. When the two solutions were sufficiently dissolved, they were mixed and stirred with each other to prepare a uniform solution. Then, to the solution was added 0.15 mL of sulfosuccinic acid (SA, 70% aqueous solution, Aldrich, USA) (dBC: PVA: SA = 20: 10: 3 weight ratio), followed by stirring for 30 minutes.

상기 용액을 유리접시에 붓고, 80℃의 건조오븐에 유리접시를 넣어 이틀 동안 용매를 제거한 다음 진공오븐에서 남아있는 용매를 완전히 제거하였다. 고분자 막을 120℃의 건조오븐에서 열처리하여 가교된 고분자 막을 얻었다. The solution was poured into a glass dish, a glass dish was put in a drying oven at 80 ° C. to remove solvent for two days, and then the remaining solvent was completely removed from the vacuum oven. The polymer membrane was heat-treated in a drying oven at 120 ° C. to obtain a crosslinked polymer membrane.

상기 고분자막을 1N의 황산수용액에 하루 동안 침전시켜 나트륨양이온을 수소이온으로 치환하였다. 고분자막을 증류수로 10회 세척하여 용액이 중성이 되게 한 후 25℃에서 이온 전도도를 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.The polymer membrane was precipitated in 1 N aqueous sulfuric acid solution for one day to replace sodium cations with hydrogen ions. The polymer membrane was washed 10 times with distilled water to make the solution neutral and the ion conductivity was measured at 25 ° C. The results are shown in Table 1.

<실시예 3><Example 3>

PVA 1g (dBC:PVA:SA = 15:15:3 무게비)을 15mL의 DMSO에 녹인 후 첨가하는 것 이외에는 상기 실시예 2와 동일한 과정을 거쳐 고분자 전해질 막을 제조하고, 이온 전도도를 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 2 except that 1 g of PVA (dBC: PVA: SA = 15: 15: 3 weight ratio) was dissolved in 15 mL of DMSO, and then ion conductivity was measured. The results are shown in Table 1.

<실시예 4><Example 4>

PVA 2g (dBC:PVA:SA = 10:20:3 무게비)을 15mL의 DMSO에 녹인 후 첨가하는 것 이외에는 상기 실시예 2와 동일한 과정을 거쳐 고분자 전해질 막을 제조하고, 이온 전도도를 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 2, except that 2 g of PVA (dBC: PVA: SA = 10: 20: 3 weight ratio) was dissolved in 15 mL of DMSO, and then ionic conductivity was measured. The results are shown in Table 1.

(고분자 전해질 막의 이온전도도 측정 실험)(Ion Conductivity Measurement Experiment of Polymer Electrolyte Membrane)

제조된 고분자 전해질 막을 증류수로 10회 세척한 후 건조하고, 4극형의 전극장치를 이용하여 제조된 고분자 전해질 막의 이온 전도도를 측정하였다. 4개의 전극 사이에 제조된 고분자 전해질 막을 넣고 전극과의 접촉을 극대화시킨 후, 전극의 단자들을 AC 임피던스 측정 분석기 (IM6e, 독일) 및 컴퓨터와 연결시켜 고분자 전해질 막의 이온 전도도를 측정하였다. 이때 주파수의 범위는 1 Hz 내지 1 MHz이고, 전위는 10 ㎷로 하였다.The prepared polymer electrolyte membrane was washed 10 times with distilled water and then dried, and the ion conductivity of the prepared polymer electrolyte membrane was measured using a 4-pole electrode device. The polymer electrolyte membrane prepared between the four electrodes was placed to maximize contact with the electrodes, and the terminals of the electrodes were connected to an AC impedance analyzer (IM6e, Germany) and a computer to measure the ion conductivity of the polymer electrolyte membrane. At this time, the frequency range was 1 Hz to 1 MHz, and the potential was 10 Hz.

가교된 수용성 고분자와 디-블록 공중합체로 구성된 전해질 막의 특성Properties of Electrolyte Membrane Composed of Cross-linked Water-Soluble Polymer and Di-block Copolymer dBC:PVA:SA 두께비dBC: PVA: SA thickness ratio 두께(㎛)Thickness (㎛) 이온전도도 (S/cm)Ion Conductivity (S / cm) 물에 대한 팽윤성Swelling in water 인장강도 (MPa)Tensile Strength (MPa) 실시예 2Example 2 20:10:320: 10: 3 132132 7.3×10-3 7.3 × 10 -3 26.5%26.5% 26.826.8 실시예 3Example 3 15:15:315: 15: 3 126126 6.9×10-3 6.9 × 10 -3 37.9%37.9% 41.441.4 실시예 4Example 4 10:20:310: 20: 3 114114 7.1×10-3 7.1 × 10 -3 56.3%56.3% 33.533.5

표 1에 나타난 바와 같이, 이온 전도도는 dBC와 PVA의 함량에 크게 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 하지만, PVA의 함량이 많아질수록 물에 대한 팽윤성이 증가하여 기계적 강도가 감소가 떨어져서 dBC와 PVA가 50:50% (dBC:PVA:SA=15:15:3)으로 포함되었을 때 가장 안정적인 고분자 전해질 막이 형성됨을 알 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that the ion conductivity is not significantly affected by the content of dBC and PVA. However, as the content of PVA increases, the swelling property increases with water, and the mechanical strength decreases, so that the most stable polymer when the dBC and PVA are included as 50: 50% (dBC: PVA: SA = 15: 15: 3) It can be seen that the electrolyte membrane is formed.

<실시예 5> 수용성 고분자 및 트리-블록 공중합체(폴리비닐알콜/폴리스티렌-폴리히드록실에틸아크릴레이트-폴리스티렌술폰산 트리-블록 공중합체)를 이용한 가교형 전해질 막의 제조Example 5 Preparation of Cross-linked Electrolyte Membrane Using Water-Soluble Polymer and Tri-Block Copolymer (Polyvinyl Alcohol / Polystyrene-Polyhydroxyethyl Ethyl-Polystyrene Sulfonic Acid Tri-Block Copolymer)

상기에서 제조한 트리-블록 공중합체 (tBC) 1g을 DMSO 30mL에 용해시키고, 25℃에서 1시간 동안 교반하여 녹였다. 1 g of the tri-block copolymer (tBC) prepared above was dissolved in 30 mL of DMSO, and dissolved by stirring at 25 ° C. for 1 hour.

또한, 폴리비닐알콜 0.5g을 따로 7.5mL의 DMSO에 녹였다. In addition, 0.5 g of polyvinyl alcohol was separately dissolved in 7.5 mL of DMSO.

상기 두 용액이 충분히 용해되었을 때 서로 혼합 및 교반하여 균일한 용액을 제조한 다음, 상기 용액에 술포석신산 0.15mL (tBC:PVA:SA = 20:10:3 무게비)을 첨가한 후 30분 동안 교반하였다. When the two solutions were sufficiently dissolved, they were mixed and stirred to prepare a uniform solution. Then, 0.15 mL of sulfosuccinic acid (tBC: PVA: SA = 20: 10: 3 weight ratio) was added to the solution for 30 minutes. Stirred.

상기 용액을 유리접시에 붓고, 80℃의 건조오븐에 유리접시를 넣어 이틀 동안 용매를 제거하고, 그 뒤 진공오븐에서 남아있는 용매를 완전히 제거하였다. The solution was poured into a glass dish, a glass dish was put in a drying oven at 80 ° C. to remove the solvent for two days, and then the remaining solvent was completely removed from the vacuum oven.

다음으로, 고분자 막을 120℃의 건조오븐에서 열처리하여 가교된 고분자 막을 얻었다. Next, the polymer membrane was heat-treated in a drying oven at 120 ° C. to obtain a crosslinked polymer membrane.

상기 고분자막을 1N의 황산수용액에 하루 동안 침전시켜 나트륨양이온을 수소이온으로 치환하였다. 상기 고분자막을 증류수로 10회 세척하여 용액이 중성이 되게 한 후 25℃에서 이온 전도도를 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.The polymer membrane was precipitated in 1 N aqueous sulfuric acid solution for one day to replace sodium cations with hydrogen ions. The polymer membrane was washed 10 times with distilled water to make the solution neutral, and then ion conductivity was measured at 25 ° C. The results are shown in Table 2.

<실시예 6><Example 6>

PVA 1g (tBC:PVA:SA = 15:15:3 무게비)을 15mL의 DMSO에 녹인 후 첨가하는 것 이외에는 상기 실시예 5와 동일한 과정을 거쳐 고분자 전해질 막을 제조하고, 이온 전도도를 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 5 except that 1 g of PVA (tBC: PVA: SA = 15: 15: 3 weight ratio) was dissolved in 15 mL of DMSO and then added, and ion conductivity was measured. The results are shown in Table 2.

<실시예 7><Example 7>

PVA 2g (tBC:PVA:SA = 10:20:3 무게비)을 15mL의 DMSO에 녹인 후 첨가하는 것 이외에는 상기 실시예 5와 동일한 과정을 거쳐 고분자 전해질 막을 제조하고, 이온 전도도를 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 5 except that 2 g of PVA (tBC: PVA: SA = 10: 20: 3 weight ratio) was dissolved in 15 mL of DMSO, and then ion conductivity was measured. The results are shown in Table 2.

가교된 수용성 고분자와 트리-블록 공중합체로 구성된 전해질 막의 특성Properties of Electrolyte Membrane Composed of Cross-linked Water-Soluble Polymer and Tri-Block Copolymer dBC:PVA:SA 두께비dBC: PVA: SA thickness ratio 두께(㎛)Thickness (㎛) 이온전도도 (S/cm)Ion Conductivity (S / cm) 물에 대한 팽윤성Swelling in water 인장강도 (MPa)Tensile Strength (MPa) 실시예 5Example 5 20:10:320: 10: 3 120120 4.1×10-2 4.1 × 10 -2 29.3%29.3% 24.324.3 실시예 6Example 6 15:15:315: 15: 3 130130 3.2×10-2 3.2 × 10 -2 40.7%40.7% 38.738.7 실시예 7Example 7 10:20:310: 20: 3 118118 3.9×10-2 3.9 × 10 -2 61.0%61.0% 31.331.3

표 2에 나타난 바와 같이, 이온 전도도는 tBC와 PVA의 함량에 크게 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 하지만, PVA의 함량이 많아질수록 물에 대한 팽윤성이 증가하여 기계적 강도가 감소가 떨어져서 tBC와 PVA가 50:50% (tBC:PVA:SA=15:15:3)으로 포함되었을 때 가장 안정적인 고분자 전해질 막이 형성됨을 알 수 있다.As shown in Table 2, it can be seen that the ionic conductivity is not significantly affected by the content of tBC and PVA. However, as the content of PVA increases, the swelling of water increases and the mechanical strength decreases, so that the most stable polymer when tBC and PVA are included as 50: 50% (tBC: PVA: SA = 15: 15: 3) It can be seen that the electrolyte membrane is formed.

도 1은 본 발명의 수소이온 전도성 가교형 고분자 전해질 막의 가교결합을 도식화한 것이다. 도 1에서 A 블록은 소수성 블록, B 블록은 가교 가능한 관능기를 가지는 가교성 블록, C 블록은 술폰산 그룹을 가지는 친수성 블록, D는 술폰산 그룹을 가지는 가교제를 나타낸다.1 is a diagram illustrating crosslinking of a hydrogen ion conductive crosslinked polymer electrolyte membrane of the present invention. In Figure 1, A block is a hydrophobic block, B block is a crosslinkable block having a crosslinkable functional group, C block is a hydrophilic block having a sulfonic acid group, D represents a crosslinking agent having a sulfonic acid group.

Claims (15)

소수성 블록 및 가교 가능한 관능기를 가지는 가교성 블록을 포함하는 블록 공중합체; Block copolymers comprising a hydrophobic block and a crosslinkable block having a crosslinkable functional group; 가교 가능한 관능기를 가지는 수용성 고분자; 및Water-soluble polymers having a crosslinkable functional group; And 술폰산 그룹을 가지는 가교제를 포함하되,Including crosslinkers having sulfonic acid groups, 상기 가교제를 통하여 상기 블록 공중합체의 가교성 블록과 수용성 고분자가 가교되어 있는 것을 특징으로 하는 가교성 블록 중합체.The crosslinkable block polymer of the block copolymer and the water-soluble polymer are crosslinked through the crosslinking agent. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 소수성 블록은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표현되는 반복단위를 포함하는 것을 특징으로 하는 가교성 블록 중합체:Cross-linkable block polymer, characterized in that the hydrophobic block comprises a repeating unit represented by the formula (1) or (2): [화학식 1][Formula 1]
Figure 112007092198246-PAT00009
Figure 112007092198246-PAT00009
[화학식 2][Formula 2]
Figure 112007092198246-PAT00010
Figure 112007092198246-PAT00010
상기 식에서,Where R1은 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 나타내고,R 1 represents hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R2는 시아노기, 탄소수 1 내지 4의 알킬기로 치환되거나 비치환된 탄소수 6 내지 12의 아릴기, 탄소수 1 내지 8의 알콕시기, 또는 -C(O)-X를 나타내며,R 2 represents a cyano group, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or an unsubstituted aryl group having 6 to 12 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms, or -C (O) -X, 여기서 X는 탄소수 1 내지 8의 알콕시기 또는 아미노기를 나타내고,X represents an alkoxy group or amino group having 1 to 8 carbon atoms, R3은 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 나타내며,R 3 represents hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, n은 1 내지 4의 정수이다.n is an integer of 1-4.
제1항에 있어서, The method of claim 1, 소수성 블록이 총 가교성 블록 중합체 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 가교성 블록 중합체.A crosslinkable block polymer, characterized in that the hydrophobic block is contained in 10 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the total crosslinkable block polymer. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 가교성 블록이 하기 화학식 3으로 표현되는 반복단위를 포함하는 것을 특징으로 하는 가교성 블록 중합체:Crosslinkable block polymer, characterized in that the crosslinkable block comprises a repeating unit represented by the following formula (3): [화학식 3][Formula 3]
Figure 112007092198246-PAT00011
Figure 112007092198246-PAT00011
상기 식에서, Where R4은 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 나타내고,R 4 represents hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R5는 히드록시기, 히드록시기로 치환된 탄소수 6 내지 12의 아릴기, 히드록시기로 치환된 탄소수 1 내지 8의 알콕시기, 또는 -C(O)-X를 나타내며,R 5 represents a hydroxy group, an aryl group having 6 to 12 carbon atoms substituted with a hydroxy group, an alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms substituted with a hydroxyl group, or -C (O) -X, 여기서 X는 히드록시기로 치환된 탄소수 1 내지 8의 알콕시기, 또는 히드록시기나 탄소수 1 내지 3의 알콕시기로 치환된 아미노기를 나타낸다.X represents the C1-C8 alkoxy group substituted by the hydroxy group, or the amino group substituted by the hydroxy group or the C1-C3 alkoxy group here.
제1항에 있어서, The method of claim 1, 가교성 블록이 총 가교성 블록 중합체 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 가교성 블록 중합체.The crosslinkable block polymer is 10 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the total crosslinkable block polymer. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 블록 공중합체가 술폰산 그룹을 가지는 친수성 블록을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가교성 블록 중합체.A crosslinkable block polymer, characterized in that the block copolymer further comprises a hydrophilic block having sulfonic acid groups. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 술폰산 그룹을 가지는 친수성 블록은 하기 화학식 4로 표현되는 반복단위를 포함하는 것을 특징으로 하는 가교성 블록 중합체:A hydrophilic block having a sulfonic acid group is a crosslinkable block polymer, characterized in that it comprises a repeating unit represented by the following formula (4): [화학식 4][Formula 4]
Figure 112007092198246-PAT00012
Figure 112007092198246-PAT00012
상기 식에서,Where R6은 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 나타내고,R 6 represents hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R7은 술폰산 그룹으로 치환된 탄소수 6 내지 12의 아릴기, 술폰산 그룹으로 치환된 탄소수 1 내지 8의 알킬기, 술폰산 그룹으로 치환된 탄소수 1 내지 8의 알콕시기, 또는 -C(O)-X를 나타내며,R 7 is an aryl group having 6 to 12 carbon atoms substituted with a sulfonic acid group, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms substituted with a sulfonic acid group, an alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms substituted with a sulfonic acid group, or -C (O) -X Indicates, 여기서 X는 술폰산 그룹으로 치환된 탄소수 1 내지 8의 알콕시기를 나타낸다.X represents an alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms substituted with a sulfonic acid group.
제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 친수성 블록이 총 가교성 블록 중합체 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 가교성 블록 중합체.A crosslinkable block polymer, characterized in that the hydrophilic block is included in 10 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the total crosslinkable block polymer. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 수용성 고분자는 하기 화학식 5로 표현되는 반복단위를 포함하는 것을 특징으로 하는 가교성 블록 중합체:The water-soluble polymer is a crosslinkable block polymer, characterized in that it comprises a repeating unit represented by the formula (5): [화학식 5][Formula 5]
Figure 112007092198246-PAT00013
Figure 112007092198246-PAT00013
상기 식에서,Where R8은 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 나타내고,R 8 represents hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R9는 히드록시기, 히드록시기로 치환된 탄소수 6 내지 12의 아릴기, 히드록시기로 치환된 탄소수 1 내지 8의 알콕시기, 또는 -C(O)-X를 나타내며,R 9 represents a hydroxy group, an aryl group having 6 to 12 carbon atoms substituted with a hydroxy group, an alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms substituted with a hydroxyl group, or -C (O) -X, 여기서 X는 히드록시기로 치환된 탄소수 1 내지 8의 알콕시기, 또는 히드록시기나 탄소수 1 내지 3의 알콕시기로 치환된 아미노기를 나타낸다.X represents the C1-C8 alkoxy group substituted by the hydroxy group, or the amino group substituted by the hydroxy group or the C1-C3 alkoxy group here.
제1항에 있어서, The method of claim 1, 수용성 고분자가 총 가교성 블록 중합체 100 중량부에 대하여 40 내지 80 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 가교성 블록 중합체.The water-soluble polymer is 40 to 80 parts by weight based on 100 parts by weight of the total crosslinkable block polymer. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 가교제가 하기 화학식 6 또는 7의 화합물인 것을 특징으로 하는 가교성 블록 중합체:A crosslinkable block polymer characterized in that the crosslinker is a compound of formula 6 or 7: [화학식 6][Formula 6]
Figure 112007092198246-PAT00014
Figure 112007092198246-PAT00014
[화학식 7][Formula 7]
Figure 112007092198246-PAT00015
Figure 112007092198246-PAT00015
상기 식에서,Where n은 1 내지 10의 정수를 나타낸다.n represents the integer of 1-10.
제1항에 있어서, The method of claim 1, 가교제가 총 가교성 블록 중합체 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 가교성 블록 중합체.A crosslinkable block polymer, wherein the crosslinking agent is included in an amount of 10 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the total crosslinkable block polymer. 소수성 블록 및 가교 가능한 관능기를 가지는 가교성 블록을 포함하는 블록 공중합체를 제조하는 제1단계; 및Preparing a block copolymer comprising a hydrophobic block and a crosslinkable block having a crosslinkable functional group; And 술폰산 그룹을 가지는 가교제를 사용하여 가교 가능한 관능기를 가지는 수용 성 고분자와 상기 가교성 블록을 가교시키는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가교성 블록 중합체의 제조방법.And a second step of crosslinking the water-soluble polymer having a crosslinkable functional group and the crosslinkable block using a crosslinking agent having a sulfonic acid group. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 가교성 블록 중합체를 포함하는 고분자 전해질막.A polymer electrolyte membrane comprising the crosslinkable block polymer according to any one of claims 1 to 12. 캐소드;Cathode; 애노드; 및Anode; And 상기 캐소드와 애노드 사이에 위치하는 제 14항에 따른 전해질 막을 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the electrolyte membrane according to claim 14 located between the cathode and the anode.
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