코움 구조를 갖는 폴리페닐렌 옥사이드 고분자를 포함하는 음이온 교환막 및 이의 제조방법

소수성 주쇄 코움형 알킬기로 함수율을 높인 PPO 음이온 교환막

본 기술은 폴리(페닐렌 옥사이드) 주쇄의 소수성 부분에 탄소수 6~20의 긴 알킬기를 코움(comb) 형태로 도입하고 4급 암모늄 전도기를 결합한 연료전지용 음이온 교환막입니다. 아실화·환원·클로로메틸화를 거친 고분자에 음이온 교환기를 부여한 뒤 박막으로 형성합니다.

음이온 교환막은 양이온 교환막보다 이온 전도도가 낮고 고온 알칼리 조건에서 화학적 안정성이 떨어지는 문제가 있었습니다. 함수율을 높이려고 이온 교환 용량(IEC)을 크게 늘리면 막의 물성이 나빠지고 심한 경우 막 형태조차 유지되지 않는 한계가 존재했습니다.

본 기술은 친수성 전도기가 아닌 소수성 주쇄에 코움 구조를 부여해 IEC를 늘리지 않고도 함수율과 수산화이온 전도도를 높이며, 95~100% 상대습도와 20~100℃에서 39~110 mS/cm 전도도를 확보합니다. 함수율 대비 치수 변화가 작아 기계적 물성이 안정적이고 알칼리 안정성도 개선됩니다. 음이온 교환막 연료전지의 분리막과 전지용 분리막에 적용될 수 있어 저온부터 고온까지 넓은 운전 온도에서 균일한 이온 전달 성능을 기대할 수 있습니다.

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Key Features:

• R1이 탄소수 6 내지 20의 직쇄 또는 분지형 알킬기이고 R3가 4급 암모늄기인 반복단위를 갖는 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자를 포함하는 연료전지용 음이온 교환막
• 반복단위 몰분율이 0.01≤x≤0.4, 0.1≤y≤0.5, x+y+z=1이며 바람직하게는 x 0.11, y 0.37인 고분자 조성
• 클로로메틸화된 폴리(페닐렌 옥사이드) 고분자 용액에 4급 암모늄 등 음이온 교환기를 갖는 화합물을 첨가해 반응시킨 뒤 박막을 형성하는 단계
• 폴리(페닐렌 옥사이드)를 알루미늄 클로라이드와 라우릴로 클로라이드로 반응시키고 환원한 다음 징크 클로라이드와 클로로메틸메틸에테르로 클로로메틸화하는 단계

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본 발명은 미래창조과학부의 분자구조의 제어를 통한 고성능 음이온교환막 원천소재개발 지원을 통해 개발되었습니다.

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