연료전지용 전해질막, 연료전지용 전극 및 이를 채용한 연료전지

[청구항 2] 제1항에 있어서,상기 결정성 유무기 다공성 복합체가,하기 화학식 7로 표시되는 화합물인 연료전지용 전해질막. [화학식 7]상기 화학식 7중, 는 치환 또는 비치환된 c6-c20 아릴, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴, 치환 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리 또는 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로고리이고,x는 프로톤 전도성 음이온이고,m 은, mg2+, ca2+, sr2+, ba2+, sc3+, y3+, ti4,,zr4, ,hf4,,v4+,,v3+, v2+, nb3+, ta3+, cr3+, mo3+, w3+, mn3+, mn2+, re3+, re2+, fe3+, fe2+, ru3+, ru2+, os3+, os2+, co3+, rh2+, rh+, ir2+, ir+, ni2+, ni+, pd2+, pd+, pt2+, pt+, cu2+, cu+, ag+, au+, zn2+, cd2+, hg2+, al3+, ga3+, in3+, tl3+, si4+, si2+, ge4+, ge2+, sn4+, sn2+, pb4+, pb2+, as5+, as3+, as+, sb5+, sb3+, sb+, bi5+, bi3+ 및 bi+로 이루어진 군으로부터 선택되며,q는 일치환된 또는 다치환된 치환기로서, 서로 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 c1-c20 알킬기, 치환 또는 비치환된 c1-c20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 알케닐기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 알키닐기, 치환 또는 비치환된 c6-c20 아릴기, 치환 또는 비치환된 c6-c20 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리기, 치환 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리옥시기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로고리기, 할로겐 원자, 하이드록시기, 또는 시아노기이고, t는 치환 또는 비치환된 c6-c20 아릴, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴, 치환 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리 또는 치환비치환된c2-c20 헤테로고리이고,m은 0 내지 6의 수이다.n은 0 내지 6의 수이다. [청구항 3] 제1항에 있어서,상기 화학식7에서 t가,하기 화학식 7a로 표시되는 그룹중선택되는연료전지용 전해질막.[화학식 7a] [청구항 4] 제1항에 있어서,상기 결정성 다공성 유무기 복합체가,하기 화학식 8로 표시되는 화합물인 연료전지용 전해질막.[화학식 8]상기 화학식 8중, x1은 so3-, po3-, coo-, 또는 oso3- 이고,m1, m2 및 m3는 서로 독립적으로 na+, h+, li+, k+, rb+, cs+, 또는 fr+이고, q1, q2 및 q3는 서로 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 c1-c20 알킬기, 치환 또는 비치환된 c1-c20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 알케닐기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 알키닐기, 치환 또는 비치환된 c6-c20 아릴기, 치환 또는 비치환된 c6-c20 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리기, 치환 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리옥시기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로고리기, 할로겐 원자, 하이드록시기, 또는 시아노기이고, 헤테로고리알킬기이고, t′가 하기 화학식 7a로 표시되는 그룹중선택되며,v는 0 내지 6의 수이다. [청구항 5] 제1항에 있어서,상기 결정성 유무기 다공성 복합체가,하기화학식표시되는화합물인연료전지용 전해질막.[화학식 9]상기 화학식 9중, nk는 0.3 내지 0.6의 수이다. [청구항 6] 제1항에 있어서,상기 결정성 다공성 유무기 복합체의 함량이,상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 화학식 2로 표시되는 화합물중에서 선택된 하나 이상100 중량부를기준으로 하여 0.1 내지 90 중량부인 연료전지용 전해질막. [청구항 7] 제1항에 있어서,가교성 화합물이더 포함되는연료전지용 전해질막. [청구항 8] 제7항에 있어서,폴리아졸계 물질, 폴리이미드 및 폴리옥사졸로 이루어진 군으로부터 선택된 하나이상인연료전지용 전해질막. [청구항 9] 제7항에 있어서,상기 가교성 화합물의 함량은, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 화학식 2로 표시되는 화합물중에서 선택된 하나 이상100 중량부를기준으로 하여 5 내지 210 중량부인 연료전지용 전해질막. [청구항 10] 제7항에 있어서,상기 가교성 화합물이, 하기 화학식 10 내지 12로 표시되는 화합물중에서 선택된 하나 이상인 연료전지용 전해질막.[화학식 10]상기 화학식 10에서, n1은 10 이상의 정수이고,[화학식 11]상기 화학식 11에서, n2는 10 이상의 정수이고,[화학식 12]상기 화학식 12중, r26 및 r27은 서로 독립적으로 수소, 비치환된 또는 치환된 c1-c20 알킬기, 비치환된 또는 치환된 c1-c20 알콕시기, 비치환된 또는 치환된 c6-c20 아릴기, 비치환된 또는 치환된 c6-c20 아릴옥시기, 비치환된 또는 치환된 c3-c20 헤테로아릴기, 비치환된 또는 치환된 c3-c20 헤테로아릴옥시기 또는 r26 및 r27은 서로 연결되어 c4-c20 탄소고리 또는 c3-c20 헤테로고리를 형성하고, ar12는 비치환된 또는 치환된 c6-c20 아릴렌기 또는 비치환된 또는 치환된 c3-c20 헤테로아릴렌기이고,r28 내지 r30은 각각 일치환 또는 다치환된 치환기를 나타내며, 수소, 비치환된 또는 치환된 c1-c20 알킬기, 비치환된 또는 치환된 c1-c20 알콕시기, 비치환된 또는 치환된 c6-c20 아릴기, 비치환된 또는 치환된 c6-c20 아릴옥시기, 비치환된 또는 치환된 c3-c20헤테로아릴기비치환된치환된c3-c20 헤테로아릴옥시기이고, l은 링커(linker)를 나타내고,m1은 0.01 내지 1이고,a1은 0 또는 1이고, n3은 0 내지 0.99이고,k는 10 내지 250의 수이다. [청구항 12] 제11항에 있어서,상기 결정성 유무기 다공성 복합체가,하기 화학식 7로 표시되는 화합물인 연료전지용 전극. [화학식 7]상기 화학식 7중, 는 치환 또는 비치환된 c6-c20 아릴, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴, 치환 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리 또는 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로고리이고,x는 프로톤 전도성 음이온이고,m 은, mg2+, ca2+, sr2+, ba2+, sc3+, y3+, ti4,,zr4, ,hf4,,v4+,,v3+, v2+, nb3+, ta3+, cr3+, mo3+, w3+, mn3+, mn2+, re3+, re2+, fe3+, fe2+, ru3+, ru2+, os3+, os2+, co3+, rh2+, rh+, ir2+, ir+, ni2+, ni+, pd2+, pd+, pt2+, pt+, cu2+, cu+, ag+, au+, zn2+, cd2+, hg2+, al3+, ga3+, in3+, tl3+, si4+, si2+, ge4+, ge2+, sn4+, sn2+, pb4+, pb2+, as5+, as3+, as+, sb5+, sb3+, sb+, bi5+, bi3+ 및 bi+로 이루어진 군으로부터 선택되며,q는 일치환된 또는 다치환된 치환기로서, 서로 독립적으로 수소, 수소, 치환 또는 비치환된 c1-c20 알킬기, 치환 또는 비치환된 c1-c20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 알케닐기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 알키닐기, 치환 또는 비치환된 c6-c20 아릴기, 치환 또는 비치환된 c6-c20 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리기, 치환 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리옥시기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로고리기, 할로겐 원자, 하이드록시기, 또는 시아노기이고, t는 치환 또는 비치환된 c6-c20 아릴, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴, 치환 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리 또는 치환비치환된c2-c20 헤테로고리이고,m은 0 내지 6의 수이다.n은 0 내지 6의 수이다. [청구항 13] 제11항에 있어서,상기 결정성 다공성 유무기 복합체가,하기 화학식 8로 표시되는 화합물인 연료전지용 전극.[화학식 8]상기 화학식 8중, x1은 so3-, po3-, coo-, 또는 oso3- 이고,m1, m2 및 m3는 서로 독립적으로 na+, h+, li+, k+, rb+, cs+, 또는 fr+이고, q1, q2 및 q3는 서로 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 c1-c20 알킬기, 치환 또는 비치환된 c1-c20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 알케닐기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 알키닐기, 치환 또는 비치환된 c6-c20 아릴기, 치환 또는 비치환된 c6-c20 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리기, 치환 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리옥시기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로고리기, 할로겐 원자, 하이드록시기, 또는 시아노기이고,t′가 하기 화학식 7a로 표시되는 그룹중선택되며,v는 0 내지 6의 수이다. [청구항 14] 제11항에 있어서,상기 결정성 유무기 다공성 복합체가,하기화학식표시되는화합물인연료전지용 전극.[화학식 9]상기 화학식 9중, nk는 0.3 내지 0.6의 수이다. [청구항 15] 제11항에 있어서,상기 결정성 다공성 유무기 복합체의 함량이,상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 화학식 2로 표시되는 화합물중에서 선택된 하나 이상100 중량부를기준으로 하여 0.1 내지 90 중량부인 연료전지용 전극. [청구항 16] 제11항에 있어서,폴리아졸계 물질, 폴리이미드 및 폴리옥사졸로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 가교성 화합물더 포함되는연료전지용 전해질막. [청구항 17] 제16항에 있어서,상기 가교성 화합물이, 하기 화학식 10 내지 12로 표시되는 화합물중에서 선택된 하나 이상인 연료전지용 전극.[화학식 10]상기 화학식 10에서, n1은 10 이상의 정수이고,[화학식 11]상기 화학식 11에서, n2는 10 이상의 정수이고,[화학식 12]상기 화학식 12중, r26 및 r27은 서로 독립적으로 수소, 비치환된 또는 치환된 c1-c20 알킬기, 비치환된 또는 치환된 c1-c20 알콕시기, 비치환된 또는 치환된 c6-c20 아릴기, 비치환된 또는 치환된 c6-c20 아릴옥시기, 비치환된 또는 치환된 c3-c20 헤테로아릴기, 비치환된 또는 치환된 c3-c20 헤테로아릴옥시기 또는 r26 및 r27은 서로 연결되어 c4-c20 탄소고리 또는 c3-c20 헤테로고리를 형성하고, ar12는 비치환된 또는 치환된 c6-c20 아릴렌기 또는 비치환된 또는 치환된 c3-c20 헤테로아릴렌기이고,r28 내지 r30은 각각 일치환 또는 다치환된 치환기를 나타내며, 수소, 비치환된 또는 치환된 c1-c20 알킬기, 비치환된 또는 치환된 c1-c20 알콕시기, 비치환된 또는 치환된 c6-c20 아릴기, 비치환된 또는 치환된 c6-c20 아릴옥시기, 비치환된 또는 치환된 c3-c20헤테로아릴기비치환된치환된c3-c20 헤테로아릴옥시기이고, l은 링커(linker)를 나타내고,m1은 0.01 내지 1이고,a1은 0 또는 1이고, n3은 0 내지 0.99이고,k는 10 내지 250의 수이다. [청구항 19] 제18항에 있어서,상기 캐소드 및 애노드중에서 선택된 하나 이상이,하기 결정성 유무기 다공성 복합체; 및 하기 화학식 1 내지 6으로 표시되는 화합물중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 조성물 또는 상기 조성물의 중합 반응 생성물인 중합체를 함유하는 전극인 연료전지.[화학식 1]상기 화학식 1중, r1, r2, r3 및 r4는, 서로 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 c1-c20 알킬기, 치환 또는 비치환된 c1-c20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 알케닐기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 알키닐기, 치환 또는 비치환된 c6-c20 아릴기, 치환 또는 비치환된 c6-c20 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리기, 치환 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리옥시기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로고리기, 할로겐 원자, 하이드록시기, 또는 시아노기이고, r5는 치환된 또는 비치환된 c1-c20 알킬기, 치환된 또는 비치환된 c1-c20 알콕시기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 알케닐기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 알키닐기, 치환된 또는 비치환된 c6-c20 아릴기, 치환된 또는 비치환된 c6-c20 아릴옥시기, 치환된 또는 비치환된 c7-c20 아릴알킬기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴옥시기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴알킬기, 치환된 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리기, 치환된 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리알킬기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 헤테로고리기, 또는 치환된 또는 비치환된 c2-c20 헤테로고리알킬기이고,[화학식 2]상기 화학식 2중 r5'는 치환된 또는 비치환된 c1-c20 알킬기, 치환된 또는 비치환된 c1-c20 알콕시기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 알케닐기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 알키닐기, 치환된 또는 비치환된 c6-c20 아릴기, 치환된 또는 비치환된 c6-c20 아릴옥시기, 치환된 또는 비치환된 c7-c20 아릴알킬기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴옥시기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴알킬기, 치환된 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리기, 치환된 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리알킬기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 헤테로고리기, 또는 치환된 또는 비치환된 c2-c20 헤테로고리알킬기이고, r6은 치환 또는 비치환된 c1-c20 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 알키닐렌기, 치환 또는 비치환된 c6-c20 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴렌기, -c(=o)-, -so2-로 이루어진 군으로부터 선택되고,[화학식 3]상기 화학식 3중, a, b, c, d, e는 모두 탄소이거나 또는 a, b, c, d, e중에서 선택된 하나 또는 둘은 질소(n)이고, 그 나머지는 탄소(c)이고,r7 및 r8는 서로 연결되어 고리를 형성하며, 상기 고리가 c6-c10 사이클로알킬기, c3-c10 헤테로아릴기, 융합된 c3-c10 헤테로아릴기, c3-c10 헤테로고리기 또는 융합된 c3-c10 헤테로고리기이고, [화학식 4]상기 화학식 4중, a′은 치환된 또는 비치환된 c1-c20 헤테로고리기, 치환된 또는 비치환된 c4-c20 사이클로알킬기, 또는 치환된 또는 비치환된 c1-c20 알킬기이고,r9 내지 r16은 서로 독립적으로 수소, c1-c20 알킬기, c1-c20 알콕시기, c6-c20 아릴기, c6-c20 아릴옥시기, c1-c20 헤테로아릴기, c1-c20 헤테로아릴옥시기, c4-c20 사이클로알킬기, c1-c20 헤테로고리기, 할로겐 원자, 시아노기, 또는 하이드록시기이고, [화학식 5]상기 화학식 5중, r17 및 r18는 서로 독립적으로 c1-c20 알킬기, c1-c20 알콕시기, c6-c20 아릴기, c6-c20 아릴옥시기 또는 하기 화학식 5a로 표시되는 그룹이고,[화학식 5a]상기 화학식 5 및 5a중, r19 및 r19’은 서로 독립적으로 수소, c1-c20 알킬기, c1-c20 알콕시기, c6-c20 아릴기, c6-c20 아릴옥시기, 할로겐화된 c6-c20 아릴기, 할로겐화된 c6-c20 아릴옥시기, c1-c20 헤테로아릴기, c1-c20 헤테로아릴옥시기, 할로겐화된 c1-c20 헤테로아릴기, 할로겐화된 c1-c20 헤테로아릴옥시기, c4-c20 사이클로알킬기, 할로겐화된 c4-c20 사이클로알킬기, c1-c20 헤테로고리기, 또는 할로겐화된 c1-c20 헤테로고리기이고,[화학식 6]상기 화학식 6중, r20, r21 및 r22중에서 선택된 인접된 2개 이상의 그룹은 서로 연결되어 하기 화학식 6a로 표시되는 그룹이고, 상기 r20, r21 및 r22중에서 선택되지 않은 나머지 그룹은 수소, c1-c20 알킬기, c1-c20 알콕시기, c6-c20 아릴기, c6-c20 아릴옥시기, 할로겐화된 c6-c20 아릴기, 할로겐화된 c6-c20 아릴옥시기, c1-c20 헤테로아릴기, c1-c20 헤테로아릴옥시기, 할로겐화된 c1-c20 헤테로아릴기, 할로겐화된 c1-c20 헤테로아릴옥시기, c4-c20 탄소고리기, 할로겐화된 c4-c20 탄소고리기, c1-c20 헤테로고리기, 또는 할로겐화된 c1-c20 헤테로고리기이고,r23, r24 및 r25중에서 선택된 인접된 2개 이상의 그룹은 서로 연결되어 하기 화학식 2a로 표시되는 그룹이고, 상기 r23, r24 및 r25중에서 선택되지 않은 나머지 그룹은 c1-c20 알킬기, c1-c20 알콕시기, c6-c20 아릴기, c6-c20 아릴옥시기, 할로겐화된 c6-c20 아릴기, 할로겐화된 c6-c20 아릴옥시기, c1-c20 헤테로아릴기, c1-c20 헤테로아릴옥시기, 할로겐화된 c1-c20 헤테로아릴기, 할로겐화된 c1-c20 헤테로아릴옥시기, c4-c20 탄소고리기, 할로겐화된 c4-c20 탄소고리기, c1-c20 헤테로고리기, 또는 할로겐화된 c1-c20 헤테로고리기이고 [화학식 6a]상기 화학식 6a중, r1′은 치환된 또는 비치환된 c1-c20 알킬기, 치환된 또는 비치환된 c1-c20 알콕시기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 알케닐기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 알키닐기, 치환된 또는 비치환된 c6-c20 아릴기, 치환된 또는 비치환된 c6-c20 아릴옥시기, 치환된 또는 비치환된 c7-c20 아릴알킬기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴옥시기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 헤테로아릴알킬기, 치환된 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리기, 치환된 또는 비치환된 c4-c20 탄소고리알킬기, 치환된 또는 비치환된 c2-c20 헤테로고리기, 또는 치환된 또는 비치환된 c2-c20 헤테로고리알킬기이고,*는 화학식 6의 r20, r21 및 r22중에서 선택된 인접된 2개 이상의 그룹과 r23, r24 및 r25중에서 선택된 인접된 2개 이상의 그룹각각 연결되는위치를 표시한다.