JP4360113B2 - Proton conductive resin composition and heat-sealable proton conductive membrane - Google Patents

Description

［式（１）中、Ａ ¹ はそれぞれ独立して−ＳＯ ₂ −または−ＣＯ−であり、Ａ ² は−Ｃ（ＣＨ ₃ ） ₂ −であり、ｇ，ｈ，ｉはそれぞれ独立して０または１を示す。］
【００１３】
【化５】

［式（２）および（３）中、Ａ ¹ は−ＳＯ ₂ −または−ＣＯ−を示す。］
【００１５】
【化４】

［式（５）中、Ｘ¹及びＸ²の少なくとも１つが−ＳＯ ₃ Ｈであり、他はそれぞれ独立してＨまたは−ＳＯ ₃ Ｈであり、Ａ³は−ＳＯ₂−または−ＣＯ−、Ａ⁴は−ＣＨ₂−であり、ｋ，ｌはそれぞれ独立して０または１を示し、芳香環の水素原子は、−Ｃ_mＨ_2m+1（ｍは１〜１０の整数）に置換されていても良い。］
【００１６】
前記プロトン酸基が、−Ｃ_nＨ_2n−ＳＯ₃Ｙ（ｎは０〜１０の整数、ＹはＨ，ＮａまたはＫである。）であることは、本発明のプロトン伝導性樹脂組成物の好適な態様である。
【００１７】
本発明により前記プロトン伝導性樹脂組成物を含んでなる熱融着可能なプロトン伝導膜が提供される。
【００１８】
本発明により前記プロトン伝導膜を用いてなる燃料電池が提供される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るプロトン伝導性樹脂組成物について具体的に説明する。
本発明のプロトン伝導性樹脂組成物は、流動開始温度が１００〜２２０℃である芳香族ポリエーテル（Ａ）６０〜１０重量％とプロトン酸基を有する芳香族ポリエーテル（Ｂ）４０〜９０重量％からなり、好ましくは、芳香族ポリエーテル（Ａ）４０〜１０重量％と芳香族ポリエーテル（Ｂ）６０〜９０重量％からなり、さらに好ましくは芳香族ポリエーテル（Ａ）３０〜２０重量％と芳香族ポリエーテル（Ｂ）７０〜８０重量％からなる。
【００２０】
ここで、流動開始温度が１００〜２２０℃である芳香族ポリエーテル（Ａ）は熱プレス時に溶融流動することにより相手材料と融着する役割を担い、プロトン酸基を有する芳香族ポリエーテル（Ｂ）はプロトン伝導を担う。流動開始温度が１００〜２２０℃である芳香族ポリエーテル（Ａ）が上記組成範囲内である場合は、組成物重量当たりのプロトン酸基を有する芳香族ポリエーテル（Ｂ）の量が適当であるため良好なプロトン伝導性を得ることができ、また、芳香族ポリエーテル（Ａ）が接着界面を覆ってしまうことによる界面抵抗の増大等の問題を生じることがない。さらに、接着強度が低下し燃料電池の使用環境において剥離が起ったり、接着界面に部分的に未接着部分ができ界面抵抗が高くなる等の問題を生じることがない。
【００２１】
なお、本発明における芳香族ポリエーテルとは、繰り返し単位中に、エーテル基で連結される２つの芳香環を有する芳香族高分子を示し、繰り返し単位中に他の連結基やエーテル基により連結されていない芳香環を含んでいても良い。すなわち、本発明における芳香族ポリエーテルとは、例えばポリフェニレンオキシドなど、芳香環の連結基がエーテル基のみからなる芳香族ポリエーテルだけでなく、連結基がエーテル基とカルボニル基からなるポリエーテルケトン、連結基がエーテル基とスルホン基からなるポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエーテルニトリルなども包含する。
【００２２】
本発明の流動開始温度が１００〜２２０℃である芳香族ポリエーテル（Ａ）とは、樹脂を加熱した際に溶融流動を開始する温度が１００〜２２０℃、好ましくは１２０〜２００℃、さらに好ましくは１４０〜１８０℃である芳香族ポリエーテルである。流動開始温度が上記範囲内である場合には、燃料電池に用いた際、発電中に樹脂が流動することによる接着面の剥離や膜、電極等の変形が起こることがない。また、熱融着するための温度が低いために熱融着時のプロトン酸基の脱離が起こることがない。
【００２３】
ここで、流動開始温度とは、高化式フローテスタを用いた昇温法により測定した際に、試料がダイから流出し始める流出開始温度を示す。流動開始温度は、より具体的には、孔径１．０ｍｍ、孔長１０．０ｍｍのダイを備えたシリンダー中に試料を装入し、ピストンにより９．８ＭＰａで加圧したまま５℃／分の昇温速度で加熱した際に試料がダイから流出を開始しピストンが移動し始める温度を示す。
【００２４】
本発明の流動開始温度が１００〜２２０℃である芳香族ポリエーテル（Ａ）としては、より具体的には、下記一般式（１）で表わされる繰り返し構造単位を有し、プロトン酸基を有さない芳香族ポリエーテルが好ましい。
【化９】

［式（１）中、Ａ¹およびＡ²はそれぞれ独立して直接結合，−ＣＨ₂−，−Ｃ（ＣＨ₃）₂−，−Ｃ（ＣＦ₃）₂−，−Ｏ−，−ＳＯ₂−または−ＣＯ−であり、ｇ，ｈ，ｉはそれぞれ独立して０または１を示すし、芳香環の水素原子は、−Ｃ_mＨ_2m+1（ｍは１〜１０の整数），−Ｃｌ，−Ｆ，−ＣＦ₃または−ＣＮに置換されていても良い。］
【００２５】
本発明の流動開始温度が１００〜２２０℃である芳香族ポリエーテル（Ａ）の中でも、下記一般式（２）または（３）で表わされる繰り返し構造単位を有し、プロトン酸基を有さない芳香族ポリエーテルが特に好ましい。
【化１０】

［式（２）および（３）中、Ａ¹は直接結合，−ＣＨ₂−，−Ｃ（ＣＨ₃）₂−，−Ｃ（ＣＦ₃）₂−，−Ｏ−，−ＳＯ₂−または−ＣＯ−を示し、芳香環の水素原子は、−Ｃ_mＨ_2m+1（ｍは１〜１０の整数），−Ｃｌ，−Ｆ，−ＣＦ₃または−ＣＮに置換されていても良い。］
【００２６】
ここで、前記式（１），（２），（３）のいずれかで示される繰り返し構造単位を有し、プロトン酸基を有さず、かつ流動開始温度が１００〜２２０℃である芳香族ポリエーテル（Ａ）は、その流動開始温度が上記範囲内であれば、他の繰り返し構造単位を含んでいても良い。すなわち、該芳香族ポリエーテルは、前記繰り返し構造単位と他の繰り返し構造単位からなるランダムあるいはブロックコポリマーであっても良い。
【００２７】
前記式（１），（２），（３）のいずれかで示される繰り返し構造単位を有し、プロトン酸基を有さず、かつ流動開始温度が１００〜２２０℃である芳香族ポリエーテル（Ａ）は、プロトン酸基が脱離しない温度範囲において優れた溶融流動性を有し、さらにプロトン酸基を有する芳香族ポリエーテルとの接着性に優れる。また、該芳香族ポリエーテルは、熱水、酸、アルカリ、アルコールなどによる加水分解や、ラジカルの攻撃による変性を受けにくいため、燃料電池内で用いた際にも、剥離等が起こりにくい。
【００２８】
なお、プロトン酸基を有する芳香族ポリエーテル（Ｂ）は、プロトン酸基が高極性で凝集しやすいため溶融流動性が著しく阻害され、１００〜２２０℃の範囲で溶融流動しないことがあるため好ましくない。また、前記式（１），（２），（３）のいずれかで示される繰り返し構造単位を有し、プロトン酸基を有さない芳香族ポリエーテルであっても、流動開始温度が上記範囲を超える場合があるが、この場合には熱融着可能な温度においてプロトン酸基の脱離が起こるため好ましくない。さらに、流動開始温度が１００〜２２０℃の範囲にある熱可塑性樹脂であっても、主鎖に脂肪族鎖を有するポリオレフィン類、脂肪族ポリエーテル類、脂肪族ポリアミド類や、加水分解を受けやすいポリカーボネート類、芳香族ポリアミド類、ポリイミド類などは、燃料電池に用いた際に変性を受けやすく、接着面の剥離も起こりやすいため好ましくない。
【００２９】
なお、本発明の流動開始温度が１００〜２２０℃である芳香族ポリエーテル（Ａ）は従来公知のモノマー類を用い、従来公知の方法により製造することができ、例えば、芳香族ジハライド化合物と芳香族ジヒドロキシ化合物を縮合重合することにより製造することができる。
【００３０】
本発明のプロトン酸基を有する芳香族ポリエーテル（Ｂ）とは、プロトン酸基を有する繰り返し構造単位を有する芳香族ポリエーテルである。ここで、プロトン酸基を有する芳香族ポリエーテル（Ｂ）は、プロトン酸基を有する繰り返し構造単位を有していれば、他にプロトン酸基を有さない繰り返し構造単位を含んでいても良い。すなわち、該芳香族ポリエーテルは、プロトン酸基を有する繰り返し構造単位とプロトン酸基を有さない繰り返し構造単位からなる、ランダムあるいはブロックコポリマーであっても良い。
【００３１】
ここで、本発明におけるプロトン酸基とは、具体的には、下記式（６）〜（８）で示されるスルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基などが挙げられる。中でも下記式（６）で示されるスルホン酸基が好ましく、下記式（６）においてｎ＝０、Ｙ＝Ｈで示されるスルホン酸基が特に好ましい。
−Ｃ_nＨ_2n−ＳＯ₃Ｙ(ｎは０〜１０の整数、ＹはＨ，ＮａまたはＫ)・・（６）
−Ｃ_nＨ_2n−ＣＯＯＹ(ｎは０〜１０の整数、ＹはＨ，ＮａまたはＫ)・・（７）
−Ｃ_nＨ_2n−ＰＯ₃Ｙ₂(ｎは０〜１０の整数、ＹはＨ，ＮａまたはＫ)・・（８）
【００３２】
本発明のプロトン酸基を有する芳香族ポリエーテル（Ｂ）のプロトン酸基含有量に特に制限はないが、好ましくは、イオン交換基当量にして２００〜５０００ｇ／ｍｏｌ、より好ましくは２００〜１０００ｇ／ｍｏｌである。ここで、イオン交換基当量とは、プロトン酸基１モル当たりの樹脂重量で定義され、樹脂単位重量当たりのプロトン酸基モル数の逆数を意味する。すなわち、イオン交換基当量が小さいほど、樹脂単位重量当たりのプロトン酸基量が多いことを示す。イオン交換基当量が小さすぎる場合には、樹脂の水への溶解性が著しく高く、樹脂の製造や精製（樹脂中からの無機酸や無機塩の除去）が困難となる。イオン交換基当量が大きすぎる場合には、プロトン伝導性が低く高出力の燃料電池を得ることができない。
【００３３】
本発明のプロトン酸基を有する芳香族ポリエーテル（Ｂ）としては、より具体的には、下記一般式（４）で表わされる繰り返し構造単位を有する芳香族ポリエーテルであることが好ましい。
【化１１】

［式（４）中、Ｘ¹〜Ｘ⁵の少なくとも１つがプロトン酸基であり、他はそれぞれ独立してＨまたはプロトン酸基であり、Ａ³およびＡ⁴はそれぞれ独立して直接結合，−ＣＨ₂−，−Ｃ（ＣＨ₃）₂−，−Ｃ（ＣＦ₃）₂−，−Ｏ−，−ＳＯ₂−または−ＣＯ−であり、ｊ，ｋ，ｌはそれぞれ独立して０または１を示し、芳香環の水素原子は、−Ｃ_mＨ_2m+1（ｍは１〜１０の整数），プロトン酸基，−Ｃｌ，−Ｆ，−ＣＦ₃または−ＣＮに置換されていても良い。］
【００３４】
本発明のプロトン酸基を有する芳香族ポリエーテル（Ｂ）の中でも、下記一般式（５）で表わされる繰り返し構造単位を有する芳香族ポリエーテルが特に好ましい。
【化１２】

［式（５）中、Ｘ¹またはＸ²の少なくとも１つがプロトン酸基であり、他はそれぞれ独立してＨまたはプロトン酸基であり、Ａ³は−ＳＯ₂−または−ＣＯ−、Ａ⁴は直接結合，−ＣＨ₂−，−Ｃ（ＣＨ₃）₂−，−Ｃ（ＣＦ₃）₂−，−Ｏ−，−ＳＯ₂−または−ＣＯ−であり、ｋ，ｌはそれぞれ独立して０または１を示し、芳香環の水素原子は、−Ｃ_mＨ_2m+1（ｍは１〜１０の整数），プロトン酸基，−Ｃｌ，−Ｆ，−ＣＦ₃または−ＣＮに置換されていても良い。］
【００３５】
前記式（４）または（５）で示される繰り返し構造単位を有する、プロトン酸基を有さない芳香族ポリエーテルは、プロトン伝導性に優れ、さらに、熱水、酸、アルカリ、アルコールなどによる加水分解や、ラジカルの攻撃による変性を受けにくいため、燃料電池内で用いた際にも、プロトン伝導性を長期に渡り保持する。なお、プロトン酸基を有する高分子であっても、主鎖に脂肪族鎖を有するポリオレフィン類、脂肪族ポリエーテル類、脂肪族ポリアミド類や、加水分解を受けやすいポリカーボネート類、芳香族ポリアミド類、ポリイミド類などは、燃料電池内で用いた際に変性を受け、強度やプロトン伝導性が低下するため好ましくない。
【００３６】
また、前記式（５）で表わされる繰り返し構造単位を有する芳香族ポリエーテルは、プロトン酸基が電子吸引基である−ＳＯ₂−または−ＣＯ−に直接結合した芳香環に結合していることから、他の芳香環に結合したプロトン酸基に比べ、結合力が強く、分解、解離を受けにくい。なお、既存の芳香族ポリエーテルを発煙硫酸などでスルホン化した場合には、電子吸引基である−ＳＯ₂−または−ＣＯ−に直接結合していない芳香環にスルホン酸基が導入されることが知られている。
【００３７】
本発明のプロトン酸基を有する芳香族ポリエーテル（Ｂ）は従来公知のモノマー類を用い、従来公知の方法により製造することができ、例えば、プロトン酸基を有する芳香族ジハライド化合物およびプロトン酸基を有さない芳香族ジハライド化合物とプロトン酸基を有さない芳香族ジヒドロキシ化合物を、あるいはプロトン酸基を有さない芳香族ジハライド化合物とプロトン酸基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物およびプロトン酸基を有さない芳香族ジヒドロキシ化合物を縮合重合することにより製造することができる。また、従来公知の芳香族ポリエーテルを従来公知の方法によりスルホン化、アルキルスルホン化することにより得ることができる。
【００３８】
なお、流動開始温度が１００〜２２０℃である芳香族ポリエーテル（Ａ）およびプロトン酸基を有する芳香族ポリエーテル（Ｂ）の製造において用いることのできるモノマー類に特に制限はないが、代表的な具体例を以下に例示する。
【００３９】
芳香族ジハライド化合物としては、例えば、４，４’−ジフルオロベンゾフェノン、３，３’−ジフルオロベンゾフェノン、４，４’−ジクロロベンゾフェノン、３，３’−ジクロロベンゾフェノン、４，４’−ジフルオロジフェニルスルホン、４，４’−ジクロロジフェニルスルホン、１，４−ジフルオロベンゼン、１，３−ジフルオロベンゼン、２，６−ジクロロベンゾニトリル、４，４’−ジフルオロビフェニル、３，３’−ジブロモ−４，４’−ジフルオロビフェニル、４，４’−ジフルオロジフェニルメタン、４，４’−ジクロロジフェニルメタン、４，４’−ジフルオロジフェニルエーテル、２，２−ビス（４−フルオロフェニル）プロパン、２，２−ビス（４−クロロフェニル）プロパン、α，α’−ビス（４−フルオロフェニル）−１，４−ジイソプロピルベンゼン、３，３’−ジメチル−４，４’−ジフルオロベンゾフェノン、３，３’−ジエチル−４，４’−ジフルオロベンゾフェノン、３，３’，５，５’−テトラメチル−４，４’−ジフルオロベンゾフェノン、３，３’−ジメチル−４，４’−ジクロロベンゾフェノン、３，３’，４，４’−テトラメチル−５，５’−ジクロロベンゾフェノン、３，３’−ジメチル−４，４’−ジフルオロジフェニルスルホン、３，３’−ジメチル−４，４’−ジクロロジフェニルスルホン、２，５−ジフルオロトルエン、２，５−ジフルオロエチルベンゼン、２，５−ジフルオロ−ｐ−キシレンなどを挙げられ、単独あるいは２種以上を混合して用いることができる。
【００４０】
芳香族ジヒドロキシ化合物としては、例えば、ハイドロキノン、レゾルシン、カテコール、４，４’−ジヒドロキシビフェニル、４，４’−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、４，４’−ジヒドロキシジフェニルメタン、４，４’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、４，４’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、４，４’−ジヒドロキシベンゾフェノン、２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）プロパン、１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロ−２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）プロパン、１，４−ビス（４−ヒドロキシフェニル）ベンゼン、α，α’−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，４−ジメチルベンゼン、α，α’−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，４−ジイソプロピルベンゼン、α，α’−ビス（４−ヒドロキシフェニル）−１，３−ジイソプロピルベンゼン、４，４’−ジヒドロキシベンゾフェノン、1，４−ビス（４−ヒドロキシベンゾイル）ベンゼン、３，３−ジフルオロ−４，４’−ジヒドロキビフェニル、２−メチルハイドロキノン、２−エチルハイドロキノン、２−イソプロピルハイドロキノン、２−オクチルハイドロキノン、２，３−ジメチルハイドロキノン、２，３−ジエチルハイドロキノン、２，５−ジメチルハイドロキノン、２，５−ジエチルハイドロキノン、２，５−ジイソプロピルハイドロキノン、２，６−ジメチルハイドロキノン、２，３，５−トリメチルハイドロキノン、２，３，５，６−テトラメチルハイドロキノン、３，３’−ジメチル−４，４’−ジヒドロキシビフェニル、３，３’，５，５’−テトラメチル−４，４’−ジヒドロキシビフェニル、３，３’−ジメチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルメタン、３，３’，５，５’−テトラメチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルメタン、３，３’，５，５’−テトラエチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルメタン、３，３’−ジメチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、３，３’，５，５’−テトラメチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、３，３’−ジメチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、３，３’，５，５’−テトラメチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、３，３’−ジメチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、３，３’，５，５’−テトラメチル−４，４’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、２，２−ビス（３−メチル−４−ヒドロキシフェニル）プロパン、２，２−ビス（３−エチル−４−ヒドロキシフェニル）プロパン、２，２−ビス（３，５−ジメチル−４−ヒドロキシフェニル）プロパン、α，α’−ビス（３−メチル−４−ヒドロキシフェニル）−１，４−ジイソプロピルベンゼン、α，α’−ビス（３，５−ジメチル−４−ヒドロキシフェニル）−１，４−ジイソプロピルベンゼン、α，α’−ビス（３−メチル−４−ヒドロキシフェニル）−１，３−ジイソプロピルベンゼン、α，α’−ビス（３，５−ジメチル−４−ヒドロキシフェニル）−１，３−ジイソプロピルベンゼンなどを挙げられ、単独あるいは２種以上を混合して用いることができる。
【００４１】
プロトン酸基を有する芳香族ジハライド化合物としては、前記の芳香族ジハライド化合物のスルホン化物、アルキルスルホン化物のほか、２，５−ジクロロ安息香酸、２，５−ジフルオロ安息香酸、５，５’−カルボニルビス（２−フルオロ安息香酸）、５，５’−スルホニルビス（２−フルオロ安息香酸）、２，５−ジクロロフェニルホスホン酸、５，５’−カルボニルビス（２−フルオロベンゼンホスホン酸）およびそのアルカリ金属塩などを挙げることができる。
【００４２】
プロトン酸基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物としては、前記の芳香族ジヒドロキシ化合物のスルホン化物、アルキルスルホン化物のほか、２，５−ジヒドロキシ安息香酸、２，５−ジヒドロキシテレフタル酸、５，５’−メチレンジサリチル酸、５，５’−チオジサリチル酸、２，５−ジヒドロキシフェニルホスホン酸などのリン酸基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物およびそのアルカリ金属塩などを挙げることができる。
【００４３】
なお、芳香族ジハライド化合物及び芳香族ジヒドロキシ化合物のスルホン化物、アルキルスルホン化物は、前記芳香族ジハライド化合物及び前記芳香族ジヒドロキシ化合物を、発煙硫酸などの公知のスルホン化剤でMacromol. Chem. Phys., 199, 1421 (1998)に記載されているスルホン化する等の方法により得ることができる。
【００４４】
本発明のプロトン酸基を有する芳香族ポリエーテル（Ｂ）は、前述の方法の他に、従来公知の芳香族ポリエーテルを従来公知の方法によりスルホン化、アルキルスルホン化することによっても得ることができる。芳香族ポリエーテルをスルホン化する方法の具体例としては、公知のスルホン化剤、例えば濃硫酸（特開昭５７−２５３２８号公報）、発煙硫酸（特表平１１−５０２２４５号公報）、クロロスルホン酸（Journal of Applied Polymer Science, 70, 477 (1998)）、メタンスルホン酸（Macromolecules, 27 6267 (1994)）などによりスルホン化する方法が挙げられる。芳香族ポリエーテルをアルキルスルホン化する方法の具体例としては、サルトン化合物を用いる方法（J. Amer. Chem. Soc., 76, 5357 (1954)）、樹脂の芳香族環の水素をリチウムに置換し、次いでジハロゲノアルカンでハロゲノアルキル基に変え、スルホアルキル基に変換する方法やテトラメチレンハロゲニウムイオンを用いてハロゲノブチル基を導入し、次いでハロゲンをスルホン酸基に変換する方法などが挙げられる。これらの方法より得られるプロトン酸基を有する芳香族ポリエーテルは、水、塩酸水、有機溶剤などを用いて精製することにより、酸や塩を除去することができる。ここで、用いることのできる芳香族ポリエーテルに特に制限はないが、代表的な具体例としては、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリフェニレンオキシドや前述の流動開始温度が１００〜２２０℃である芳香族ポリエーテルなどが挙げられる。
【００４５】
本発明にかかる流動開始温度が１００〜２２０℃である芳香族ポリエーテル（Ａ）の分子量に特に制限はないが、還元粘度（濃度０．５ｇ／ｄｌ、３５℃で測定）にして０．３〜３．０ｄｌ／ｇの範囲が好ましく、０．５〜１．０ｄｌ／ｇの範囲が特に好ましい。分子量が低すぎると樹脂強度が低く、十分な接着力を得られない場合がある。また、分子量が高すぎると樹脂の溶融流動が不十分となり、十分な接着力を得られない場合がある。
【００４６】
本発明にかかるプロトン酸基を有する芳香族ポリエーテル（Ｂ）の分子量に特に制限はないが、還元粘度（濃度０．５ｇ／ｄｌ、３５℃で測定）にして０．３〜３．０ｄｌ／ｇの範囲が好ましく、０．５〜２．０ｄｌ／ｇの範囲が特に好ましい。分子量が低すぎると樹脂強度が低く、乾燥・吸湿時の収縮・膨張により膜が割れる場合がある。また、分子量が高すぎると溶媒への溶解が困難となり、組成物とするための混合操作やキャストによる製膜が困難となる場合がある。
【００４７】
本発明にかかるプロトン伝導性樹脂組成物の形態に特に制限はなく、流動開始温度が１００〜２２０℃である芳香族ポリエーテル（Ａ）の粉体とプロトン酸基を有する芳香族ポリエーテル（Ｂ）の粉体の混合物、該混合物を加熱圧縮して得られる膜や成形物、それぞれの芳香族ポリエーテルが溶剤に溶解あるいは分散したワニス、該ワニスから得られる膜などの形態を有することができる。ここで、膜や成形物の形態としては、それぞれの芳香族ポリエーテルが相溶し均一相を形成した膜や成形物であっても、相分離した膜や成形物であっても良い。
【００４８】
なお、本発明の組成物の調整にあたって溶剤を用いる場合、その溶剤に特に制限はなく、例えば、水、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ブタノールなどのアルコール類、トルエン、キシレンなどの炭化水素類、塩化メチル、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素類、ジクロロエチルエーテル、１，４−ジオキサン、テトラヒドロフランなどのエーテル類、酢酸メチル、酢酸エチルなどの脂肪酸エステル類、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン類のほか、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、炭酸ジメチルなどの非プロトン性極性溶剤類などを単独で、あるいは混合して使用できる。
【００４９】
本発明にかかるプロトン伝導膜は、本発明のプロトン伝導性樹脂組成物を含んでなる熱融着可能なプロトン伝導膜である。本発明のプロトン伝導膜は、本発明のプロトン伝導性樹脂組成物の熱プレスや溶液からのキャストにより得ることができる。ここで、本発明のプロトン伝導膜には、自立膜のみならず、基材、電極膜、熱融着性を有さないプロトン伝導膜等に密着した塗膜も含む。ここで、本発明にかかるプロトン伝導膜の厚みに特に制限はないが、自立膜である場合には１０〜２００μｍ、塗膜である場合には１〜１００μｍであることが好ましい。
【００５０】
本発明にかかるプロトン伝導膜は、本発明のプロトン伝導性樹脂組成物を含んでいればよく、電気導電性を有する導電材、水素の酸化反応、酸素の還元反応を促進する触媒、強度や吸水膨張を調整するための無機フィラーや他の高分子、プロトン伝導性や電極との接着性を改善するプロトン酸基含有フッ素系高分子等と複合化されていても良い。本発明のプロトン伝導膜において、本発明のプロトン伝導性樹脂組成物と他の材料との比率に特に制限はないが、本発明のプロトン伝導性樹脂組成物の比率が２０〜１００ｗｔ％であると、プロトン伝導性と熱融着性を両立できるので好ましい。
【００５１】
導電材としては、電気伝導性物質であればいずれのものでもよく、各種金属や炭素材料などが上げられる。例えば、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭および黒鉛等が挙げられ、これらは単独あるいは混合して、粉末状あるいはシート状で使用される。
【００５２】
触媒としては、水素の酸化反応および酸素の還元反応を促進する金属であれば特に限定されないが、例えば鉛、鉄、マンガン、コバルト、クロム、ガリウム、バナジウム、タングステン、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、白金、ロジウムまたはそれらの合金が挙げられる。
【００５３】
強度や吸水膨張を調整するための無機フィラーや他の高分子に特に限定はなく、例えば、金属、ガラスやカーボンからなる繊維、ポリオレフィンやポリイミドの多孔質膜などが上げられる。
【００５４】
本発明にかかるプロトン伝導膜は熱融着可能なプロトン伝導膜であり、１００〜２２０℃、好ましくは１４０〜２００℃、０．１〜１００ＭＰａ、好ましくは１〜２０ＭＰａで加熱加圧することにより、相手材料と熱融着することができる。ここで、加熱温度が低すぎる場合には、融着の役割を担う芳香族ポリエーテルが溶融流動せず、融着できないため、好ましくない。また、加熱温度が高すぎる場合には、プロトン伝導を担うプロトン酸基を有する芳香族ポリエーテルからプロトン酸基の脱離が起こるため、好ましくない。
【００５５】
なお、熱融着における被接着物である相手部材に特に制限はなく、本発明のプロトン伝導膜はもちろん、従来公知の高分子電解質膜、前述の導電材や触媒、および導電材や触媒を従来公知の高分子電解質で固めた電極等と熱融着することができる。中でも、熱融着の相手部材が本発明のプロトン伝導膜である場合には、極めて強固に融着するため、特に好ましい。ここで、従来公知の高分子電解質とは、イオンに解離し得るプロトン酸基を持たせた高分子であり、例えば、フッ素高分子、ポリエーテルケトン高分子、ポリエーテルサルホン高分子、ポリフェニレンサルファイド高分子、ポリイミド高分子、ポリアミド高分子、エポキシ高分子、ポリオレフィン高分子等にプロトン酸基を付与した高分子が挙げられる。フッ素高分子電解質としては、例えば、デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ」、旭硝子社製「Ｆｌｅｍｉｏｎ」、旭化成社製「Ａｃｉｐｌｅｘ」、ダウ社製「Ｄｏｗ膜」等が挙げられる。
【００５６】
本発明にかかるプロトン伝導膜の熱融着による接着強度に特に制限はなく、含有する融着の役割を担う芳香族ポリエーテルの種類や量、相手部材の種類、融着温度や圧力等により異なるため、一概にはいえないが、少なくとも、接着物の水浸漬と乾燥を繰り返した際に剥離しない程度の接着強度を有することが好ましい。
【００５７】
本発明のプロトン伝導性樹脂組成物および／またはプロトン伝導膜を用いることにより、信頼性に優れた燃料電池用膜−電極複合体を得ることができる。本発明のプロトン伝導性樹脂組成物および／またはプロトン伝導膜を用いた膜−電極複合体は、燃料電池の起動と停止に伴う温度や湿度の変化による接着界面の剥離が生じにくく、電池特性の低下が少ない。
【００５８】
本発明のプロトン伝導性樹脂組成物および／またはプロトン伝導膜を用いた膜−電極複合体の製造方法に特に制限はなく、例えば次のような方法が例示できる。
１）本発明のプロトン伝導性樹脂組成物および／またはプロトン伝導膜を、カーボンペーパーなどの基材、導電材料、触媒、高分子電解質からなる、正負２枚の電極で挟み、熱融着する。
２）従来公知の高分子電解質膜表面に、本発明のプロトン伝導性樹脂組成物またはそのワニスを熱融着あるいは塗布し、正負２枚の電極で挟んで熱融着する。
３）本発明のプロトン伝導性樹脂組成物またはそのワニスを、正負２枚の電極表面に熱融着あるいは塗布し、従来公知の、あるいは本発明のプロトン伝導膜を挟んで熱融着する。
４）本発明のプロトン伝導性樹脂組成物またはそのワニスを、正負２枚の電極表面に熱融着あるいは塗布し、熱融着する。
５）導電材料、触媒などを含む本発明のプロトン伝導性樹脂組成物またはそのワニスをカーボンペーパーなどの基材に熱融着あるいは塗布して正負２枚の電極を作製し、従来公知の、あるいは本発明のプロトン伝導膜を挟んで熱融着する。
６）導電材料、触媒などを含む本発明のプロトン伝導性樹脂組成物またはそのワニスを、従来公知の、あるいは本発明のプロトン伝導膜の両面に熱融着あるいは塗布し、カーボンペーパーなどの基材で挟んで熱融着する。
【００５９】
本発明にかかるプロトン伝導性樹脂組成物は、熱融着が可能で、かつ、熱融着後にも優れたプロトン伝導性を有し、燃料電池用プロトン伝導材料として好適である。より具体的には、該組成物は、プロトン酸基を有する芳香族ポリエーテルの分解（プロトン酸基の脱離）温度以下の温度での熱プレスによる融着が可能であり、プロトン酸基の脱離がないため融着後にも優れたプロトン伝導性を有す。さらに、該組成物は接着力が高く、燃料電池のプロトン伝導材料として使用した際には、湿度や温度の変動による膜と電極あるいは触媒と結着剤の界面剥離が生じにくく、高効率で信頼性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００６０】
本発明のプロトン伝導性樹脂組成物および／またはプロトン伝導膜を用いた膜−電極複合体を用いることにより、電池の起動と停止を繰り返しても電池特性が低下しにくく、信頼性に優れた燃料電池の提供が可能となる。
【００６１】
【実施例】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００６２】
実施例中の各種試験の試験方法は次に示すとおりである。
（１）還元粘度（ηinh）
芳香族ポリエーテル０．５０ｇを溶媒１００ｍｌに溶解したのち、３５℃において、ウベローデ粘度計で測定した。
（２）５％重量減少温度、重量減少開始温度
空気中にてＤＴＡ−ＴＧ（マック・サイエンス社製ＴＧ−ＤＴＡ２０００）を用い、昇温速度１０℃／ｍｉｎで測定した。
（３）ガラス転移温度
示差走査熱量測定（ＤＳＣ、マック・サイエンス社製ＤＳＣ３１００）により昇温速度１０℃／ｍｉｎで４００℃まで測定した。
【００６３】
（４）流動開始温度（Ｆ．Ｓ．Ｔ）
高化式フローテスタ（島津製作所製・高化式フローテスターＣＦＴ５００Ｄ）を用い、孔径１．０ｍｍ、孔長１０．０ｍｍのダイを備えたシリンダー中に試料を装入、ピストンにより９．８ＭＰａで加圧したまま５℃／分の昇温速度で加熱した際に、試料がダイから流出を開始しピストンが移動し始める温度を測定した。
（５）熱融着性の有無
４０×４０ｍｍ角のフィルム状のプロトン伝導性樹脂組成物（プロトン伝導膜）２枚を加熱圧縮し、得られたフィルムを純水浸漬（室温２時間）および乾燥（１２０℃２時間）を４回繰り返した際の剥離の有無で判断した。
【００６４】
（６）イオン交換基当量
プロトン伝導性樹脂組成物（プロトン伝導膜）を密閉できるガラス容器中に精秤し、そこに過剰量の塩化カルシウム水溶液を添加して一晩攪拌した。系内に発生した塩化水素を０．１Ｎ水酸化ナトリウム標準水溶液にてフェノールフタレイン指示薬を用いて滴定し、計算した。
（７）イオン伝導度（９０℃、膜厚方向）
１Ｍ硫酸で湿潤したサンプルフィルムを、１ｃｍ²の空孔を有する１００μｍ厚ＰＥＴフィルムの片面に白金電極を貼った測定用セル２個で挟み、空孔を１Ｍ硫酸水で満たした。これを９０℃の恒温槽内に設置してその抵抗値を測定した。サンプルフィルムを挟まなかった場合の抵抗値との差から、サンプルフィルム単体の抵抗値を求め、イオン伝導度（９０℃、膜厚方向）を算出した。なお、イオン伝導度の計算に必要な膜厚は乾燥状態でマイクロメータを用いて測定した。
【００６５】
（合成例１）
窒素導入管、温度計、分液器を備えた冷却器、及び撹拌装置を備えたフラスコに、４，４’−ジフルオロベンゾフェノン２１．８２ｇ（０．１０ｍｏｌ）、レゾルシン１０．５７ｇ（０．０９６ｍｏｌ）および無水炭酸ナトリウム１１．０２ｇ（０．１０４ｍｏｌ）を精秤した。これにＮ−メチル−２−ピロリドン８６．５ｇおよび純水１．８ｇを加え、窒素ガスを通じ撹拌しながら、２００℃まで２時間かけて昇温した後、６時間反応を行った。この際、留出する水は分液器より回収した。得られた粘稠な反応マスを冷却、Ｎ−メチル−２−ピロリドン８０ｇで希釈した後、セライト濾過により副生する塩を除去した。このポリマー溶液を、水−メタノール（５／５，ｗｔ／ｗｔ）混合液５００ｍｌに排出し、析出したポリマーを濾集、５ｗｔ％塩酸水溶液、純水、メタノールで洗浄した後、１００℃４時間乾燥してポリアリールエーテルケトン粉２５．８ｇ（収率９０％）を得た。
得られたポリアリールエーテルケトン粉の還元粘度は０．５６ｄｌ／ｇ（p-クロロフェノール／フェノール（９／１，ｗｔ／ｗｔ）混合液で測定）、ガラス転移温度は１１８℃、５％重量減少温度は５３９℃、流動開始温度は１７５℃であった。
【００６６】
（合成例２）
レゾルシン１０．５７ｇ（０．０９６ｍｏｌ）の代わりに、レゾルシン５．２８ｇ（０．０４８ｍｏｌ）およびヒドロキノン５．２８ｇ（０．０４８ｍｏｌ）を用いた他は合成例１と同様にして、ポリアリールエーテルケトン粉２６．５ｇ（収率９３％）を得た。
得られたポリアリールエーテルケトン粉の還元粘度は０．５２ｄｌ／ｇ（p-クロロフェノール／フェノール（９／１，ｗｔ／ｗｔ）混合液で測定）、ガラス転移温度は１２４℃、５％重量減少温度は５３３℃、流動開始温度は１８０℃であった。
【００６７】
（合成例３）
レゾルシン１０．５７ｇ（０．０９６ｍｏｌ）の代わりに、ヒドロキノン１１．０１ｇ（０．１０ｍｏｌ）を用い、Ｎ−メチル−２−ピロリドン８６．５ｇの代わりにＮ−メチル−２−ピロリドン２５９．５ｇを用いた他は合成例１と同様にして６時間の反応を行った。なお、反応中ポリマーが析出し、固形物がスラリー状となった。反応終了後、固形物を濾過、ポリマーと副生塩を濾集し、純水、５ｗｔ％塩酸水溶液、純水、アセトンで洗浄した後、１００℃４時間乾燥してポリエーテルエーテルケトン粉２８．２ｇ（収率９８％）を得た。
得られたポリエーテルエーテルケトン粉の還元粘度は０．８６ｄｌ／ｇ（p-クロロフェノール／フェノール（９／１，ｗｔ／ｗｔ）混合液で測定）、ガラス転移温度は１４３℃、融点は３３４℃、５％重量減少温度は５３０℃、流動開始温度は３４０℃であった。
【００６８】
（合成例４）
窒素導入管、温度計、トルエンで満たした分液器を備えた冷却器、及び撹拌装置を備えたフラスコに、４，４’−ジクロロジフェニルスルホン２８．７２ｇ（０．１０ｍｏｌ）、レゾルシン１０．５７ｇ（０．０９６ｍｏｌ）および無水炭酸ナトリウム１１．０２ｇ（０．１０４ｍｏｌ）を精秤した。これにＮ−メチル−２−ピロリドン９７．３ｇおよびトルエン１０．８ｇを加え、窒素ガスを通じ撹拌しながら、１９５℃まで２時間かけて昇温した後、６時間反応を行った。反応はトルエン還流下に行い、留出する水は分液器により分液回収した。得られた粘稠な反応物を冷却、Ｎ−メチル−２−ピロリドン８０ｇで希釈した後、セライト濾過により複製する塩を除去した。このポリマー溶液を、メタノール５００ｍｌに排出し、析出したポリマーを濾集、５ｗｔ％塩酸水溶液、純水、メタノールで洗浄した後、１００℃４時間乾燥してポリエーテルスルホン粉３０．８ｇ（収率９５％）を得た。
得られたポリアリールエーテルスルホン粉の還元粘度は０．７１ｄｌ／ｇ（Ｎ−メチル−２−ピロリドンで測定）、ガラス転移温度は１６７℃、５％重量減少温度は５１８℃、流動開始温度は２１５℃であった。
【００６９】
（合成例５）
レゾルシン１０．５７ｇ（０．０９６ｍｏｌ）の代わりに、ビスフェノールＡ２１．９２ｇ（０．０９６ｍｏｌ）を用いた他は合成例４と同様にして、ポリスルホン粉４０．７ｇ（収率９２％）を得た。
得られたポリスルホン粉の還元粘度は０．８５ｄｌ／ｇ（Ｎ−メチル−２−ピロリドンで測定）、ガラス転移温度は１９０℃、５％重量減少温度は５１０℃、流動開始温度は２５５℃であった。
【００７０】
（合成例６）
４，４’−ジクロロジフェニルスルホン２８．７２ｇ（０．１０ｍｏｌ）の代わりに、２，６−ジクロロベンゾニトリル１７．２０ｇ（０．１０ｍｏｌ）を用い、Ｎ−メチル−２−ピロリドン９７．３ｇおよびトルエン１０．８ｇの代わりにＮ−メチル−２−ピロリドン６２．８ｇおよびトルエン７．０ｇを用いた他は合成例４と同様にして、ポリエーテルニトリル粉１９．０ｇ（収率９１％）を得た。
得られたポリエーテルニトリル粉の還元粘度は０．５０ｄｌ／ｇ（Ｎ−メチル−２−ピロリドンで測定）、ガラス転移温度は１４２℃、融点は３３７℃、５％重量減少温度は４９０℃、流動開始温度は３５０℃であった。
【００７１】
（合成例７）
レゾルシン１０．５７ｇ（０．０９６ｍｏｌ）の代わりに、レゾルシン５．２９ｇ（０．０４８ｍｏｌ）およびビスフェノールＡ１０．９６ｇ（０．０４８ｍｏｌ）を用い、Ｎ−メチル−２−ピロリドン９７．３ｇおよびトルエン１０．８ｇの代わりにＮ−メチル−２−ピロリドン８０．８ｇおよびトルエン９．０ｇを用いた他は合成例４と同様にして、ポリアリールエーテルニトリル粉２５．２ｇ（収率９４％）を得た。
得られたポリアリールエーテルニトリル粉の還元粘度は０．６３ｄｌ／ｇ（Ｎ−メチル−２−ピロリドンで測定）、ガラス転移温度は１６０℃、５％重量減少温度は４８２℃、流動開始温度は２１０℃であった。
【００７２】
（合成例８）
レゾルシン１０．５７ｇ（０．０９６ｍｏｌ）の代わりに、ビスフェノールＡ２１．９２ｇ（０．０４８ｍｏｌ）を用い、Ｎ−メチル−２−ピロリドン９７．３ｇおよびトルエン１０．８ｇの代わりにＮ−メチル−２−ピロリドン９８．２ｇおよびトルエン１０．９ｇを用いた他は合成例４と同様にして、ポリアリールエーテルニトリル粉３０．８ｇ（収率９１％）を得た。
得られたポリアリールエーテルニトリル粉の還元粘度は０．６９ｄｌ／ｇ（Ｎ−メチル−２−ピロリドンで測定）、ガラス転移温度は１７０℃、５％重量減少温度は４７３℃、流動開始温度は２２５℃であった。
【００７３】
（合成例９）
窒素導入管、温度計、トルエンで満たした分液器を備えた冷却器、及び撹拌装置を備えたフラスコに、３，３’−カルボニルビス（６−フルオロベンゼンスルホン酸ナトリウム）８４．４６ｇ（０．２０ｍｏｌ）、ビス（３−メチル−４ヒドロキシフェニル）メタン５１．２７ｇ（０．２０ｍｏｌ）および無水炭酸カリウム３３．１７ｇ（０．２４ｍｏｌ）を精秤した。これにジメチルスルホキシド５１０．９ｇおよびトルエン５６．８ｇを加え、窒素ガスを通じ撹拌しながら、１７６℃まで２時間かけて昇温した後、１０時間反応を行った。反応はトルエン還流下に行い、留出する水は分液器により分液回収した。得られた粘稠な反応物をジメチルスルホキシド３００ｇで希釈した後、セライト濾過により副生する塩を除去した。このポリマー溶液を、アセトン１０Ｌに排出し、析出したポリマーを濾集、アセトンで洗浄した後、１５０℃４時間乾燥してプロトン酸基（スルホン酸ナトリウム基）を有するポリアリールエーテルケトン粉１１２．１ｇ（収率８８％）を得た。
得られたポリアリールエーテルケトン粉の還元粘度は０．９１ｄｌ／ｇ（ジメチルスルホキシドで測定）、ガラス転移温度は２５０℃以上（２５０℃までの測定で未検出）であった。
【００７４】
（合成例１０）
３，３’−カルボニルビス（６−フルオロベンゼンスルホン酸ナトリウム）８４．４６ｇ（０．２０ｍｏｌ）の代わりに、３，３’−カルボニルビス（６−フルオロベンゼンスルホン酸ナトリウム）４２．２３ｇ（０．１０ｍｏｌ）および４，４’−ジフルオロベンゾフェノン２１．８２ｇ（０．１０ｍｏｌ）を用い、ジメチルスルホキシド５１０．９ｇおよびトルエン５６．８ｇの代わりにジメチルスルホキシド４２９．３ｇおよびトルエン４７．７ｇを用いた他は合成例９と同様にして、プロトン酸基（スルホン酸ナトリウム基）を有するポリアリールエーテルケトン粉９６．４ｇ（収率９０％）を得た。
得られたポリアリールエーテルケトン粉の還元粘度は１．２５ｄｌ／ｇ（ジメチルスルホキシドで測定）、ガラス転移温度は２５０℃以上（２５０℃までの測定で未検出）であった。
【００７５】
（合成例１１）
３，３’−カルボニルビス（６−フルオロベンゼンスルホン酸ナトリウム）８４．４６ｇ（０．２０ｍｏｌ）の代わりに、３，３’−スルホニルビス（６−クロロベンゼンスルホン酸ナトリウム）４９．１３ｇ（０．１０ｍｏｌ）および４，４’−ジクロロジフェニルスルホン２８．７２（０．１０ｍｏｌ）を用い、ジメチルスルホキシド５１０．９ｇおよびトルエン５６．８ｇの代わりにジメチルスルホキシド４０２．０ｇおよびトルエン４４．７ｇを用いた他は合成例９と同様にして、プロトン酸基（スルホン酸ナトリウム基）を有するポリアリールエーテルスルホン粉８７．７ｇ（収率８７％）を得た。
得られたポリアリールエーテルスルホン粉の還元粘度は１．０７ｄｌ／ｇ（ジメチルスルホキシドで測定）、ガラス転移温度は２５０℃以上（２５０℃までの測定で未検出）であった。
【００７６】
（実施例１）
合成例１で得られたポリアリールエーテルケトン粉２ｇと合成例９で得られたプロトン酸基（スルホン酸ナトリウム基）を有するポリアリールエーテルケトン２ｇをＮ−メチル−２−ピロリドンに加熱溶解し、ポリマー濃度１０％の若干濁ったワニスを得た。得られたワニスを、それぞれのスペーサー厚みを有するブレードを用いてガラス基板上にキャストし、窒素通風下室温から２００℃まで２時間かけて昇温乾燥し、厚さの異なる２種類の若干濁ったフィルムを得た。ここで、便宜上、厚さ３０μｍのものをフィルムＡ、５０μｍのものをフィルムＢと呼ぶ。
【００７７】
得られたフィルムＡおよびフィルムＢを２Ｎ硫酸水溶液および純水に１日づつ浸漬してスルホン酸ナトリウム基のプロトン交換を行い、フィルムＣ（プロトン交換前厚さ３０μｍ）とフィルムＤ（プロトン交換前厚さ５０μｍ）の２種のプロトン伝導膜を得た。
【００７８】
フィルムＣより４０×４０ｍｍの試験片を切り出し、未乾燥で膨潤したままの状態で２枚重ね、周囲に厚さ５０μｍのスペーサーをおいて、２００℃１０ＭＰａで５分間熱プレスしたところ、２枚が強固に接着した厚さ５０μｍのフィルムＥを得た。フィルムＥは、純水浸漬（室温２時間）および乾燥（１２０℃２時間）を４回繰り返しても剥離することはなかった。
【００７９】
表１に、熱融着により得られたフィルムＥ（厚さ５０μｍ）と熱融着をしていないフィルムＤ（厚さ５０μｍ）のイオン交換基当量およびイオン伝導性（９０℃、膜厚方向）を比較した。フィルムＥのイオン交換基当量はフィルムＤのものと同等で、スルホン酸基の脱離がないことがわかる。フィルムＥのイオン伝導性はフィルムＤのものより若干劣るが、これは接着界面の抵抗によるものである。
【００８０】
（実施例２）
合成例１で得られたポリアリールエーテルケトン粉０．８ｇと合成例１０で得られたプロトン酸基（スルホン酸ナトリウム基）を有するポリアリールエーテルケトン３．２ｇを用いた他は実施例１と同様にしてフィルムＡ〜Ｅを作製した。得られたフィルムＥは強固に接着しており、実施例１と同様の水浸漬及び乾燥処理においても剥離することはなかった。
【００８１】
表１に、熱融着により得られたフィルムＥ（厚さ５０μｍ）と熱融着をしていないフィルムＤ（厚さ５０μｍ）のイオン交換基当量およびイオン伝導性（９０℃、膜厚方向）を示す。フィルムＥのイオン交換基当量はフィルムＤのものと同等で、スルホン酸基の脱離がないことがわかる。フィルムＥのイオン伝導性はフィルムＤのものより若干劣るが、低下の程度は小さく、接着界面の抵抗が小さいことがわかる。
【００８２】
（比較例１）
合成例１０で得られたプロトン酸基（スルホン酸ナトリウム基）を有するポリアリールエーテルケトン４ｇのみを用いた他は実施例１と同様にしてフィルムＡ〜Ｅを作製した。得られたフィルムＥは接着しておらず、水に浸漬するとすぐに剥離した。
【００８３】
表１に、フィルムＥ（厚さ５０μｍ、剥離せず２枚が密着しているもの）と熱融着をしていないフィルムＤ（厚さ５０μｍ）のイオン交換基当量およびイオン伝導性（９０℃、膜厚方向）を示す。フィルムＥのイオン交換基当量はフィルムＤのものと同等で、スルホン酸基の脱離がないことがわかる。フィルムＥのイオン伝導性はフィルムＤのものより著しく低く、接着できていないため界面の抵抗が著しく大きいことがわかる。
【００８４】
（比較例２）
合成例１で得られたポリアリールエーテルケトン粉２．８ｇと合成例９で得られたプロトン酸基（スルホン酸ナトリウム基）を有するポリアリールエーテルケトン１．２ｇ用いた他は実施例１と同様にしてフィルムＡ〜Ｅを作製した。得られたフィルムＥは強固に接着しており、実施例１と同様の水浸漬及び乾燥処理においても剥離することはなかった。
【００８５】
表１に、熱融着により得られたフィルムＥ（厚さ５０μｍ）と熱融着をしていないフィルムＤ（厚さ５０μｍ）のイオン交換基当量およびイオン伝導性（９０℃、膜厚方向）を示す。フィルムＥのイオン交換基当量はフィルムＤのものと同等で、スルホン酸基の脱離がないことがわかる。フィルムＥのイオン伝導性はフィルムＤのものより著しく低く、接着界面の抵抗が著しく大きいことがわかる。
【００８６】
（実施例３〜５、比較例３〜６）
合成例２〜８で得られたポリアリールエーテルケトン粉０．８ｇと合成例１１で得られたプロトン酸基（スルホン酸ナトリウム基）を有するポリアリールエーテルスルホン３．２ｇ用いた他は実施例１と同様にしてフィルムＡ〜Ｅを作製した。表１に樹脂組成物の組成とフィルムＥ作製時の熱プレス温度、熱融着により得られたフィルムＥ（厚さ５０μｍ）と熱融着をしていないフィルムＤ（厚さ５０μｍ）のイオン交換基当量およびイオン伝導性（９０℃、膜厚方向）を示す。
【００８７】
【表１】

【００８８】
実施例３において得られたフィルムＥは強固に接着しており、実施例１と同様の水浸漬及び乾燥処理においても剥離することはなかった。フィルムＥのイオン交換基当量はフィルムＤのものと同等で、スルホン酸基の脱離がないことがわかる。フィルムＥのイオン伝導性はフィルムＤのものより若干劣るが、低下の程度は小さく、接着界面の抵抗が小さいことがわかる。
【００８９】
比較例３においては、合成例３により得られたポリエーテルエーテルケトンがＮ−メチル−２−ピロリドンに溶解しなかったため、溶剤としてｐ−クロロフェノールを用いたワニスより製膜した。また、フィルムＣ２枚を２００℃および３００℃で熱プレスしたが、２枚は融着しなかった。３００℃で熱プレスしたフィルムＥ（未融着）は黒褐色に変色しており、イオン交換基当量も２０００ｇ／ｍｏｌを超えるまでに増加しており、スルホン酸基の脱離が起こっていることが確認された。
【００９０】
実施例４においては、熱プレス温度２００℃ではフィルムＣ２枚が融着しなかったため、熱プレス温度２２０℃でフィルムＥを作製した。得られたフィルムＥは強固に接着しており、実施例１と同様の水浸漬及び乾燥処理においても剥離することはなかった。フィルムＥのイオン交換基当量はフィルムＤのものより若干増加しており、僅かにスルホン酸基が脱離していた。フィルムＥのイオン伝導性はフィルムＤのものより劣るが十分なイオン伝導性を保持していた。
【００９１】
比較例４においては、熱プレス温度２００℃ではフィルムＣ２枚が融着しなかったため、熱プレス温度２６０℃でフィルムＥを作製した。得られたフィルムＥは強固に接着しており、実施例１と同様の水浸漬及び乾燥処理においても剥離することはなかったが、黒色に変色していた。フィルムＥのイオン交換基当量はフィルムＤのものより大幅に増加しており、スルホン酸基の脱離のため、イオン伝導性は極めて小さかった。
【００９２】
比較例５においては、フィルムＣ２枚を２００℃および３００℃で熱プレスしたが、２枚は融着しなかった。３００℃で熱プレスしたフィルムＥ（未融着）は黒褐色に変色しており、イオン交換基当量も２０００ｇ／ｍｏｌを超えるまでに増加しており、スルホン酸基の脱離が起こっていることが確認された。
【００９３】
実施例５においては、熱プレス温度２００℃ではフィルムＣ２枚が融着しなかったため、熱プレス温度２２０℃でフィルムＥを作製した。得られたフィルムＥは強固に接着しており、実施例１と同様の水浸漬及び乾燥処理においても剥離することはなかった。フィルムＥのイオン交換基当量はフィルムＤのものより若干増加しており、僅かにスルホン酸基が脱離していた。フィルムＥのイオン伝導性はフィルムＤのものより劣るが十分なイオン伝導性を保持していた。
【００９４】
比較例６においては、熱プレス温度２００℃ではフィルムＣ２枚が融着しなかったため、熱プレス温度２４０℃でフィルムＥを作製した。得られたフィルムＥは強固に接着しており、実施例１と同様の水浸漬及び乾燥処理においても剥離することはなかった。フィルムＥのイオン交換基当量はフィルムＤのものより増加していることからスルホン酸基が脱離していることが確認され、そのイオン伝導性も僅かであった。
【００９５】
（実施例６）
実施例２で得られたフィルムＤ（スルホン酸基を有するプロトン伝導膜）を純水に浸漬して膨潤させ、以下に示す市販の燃料電池用電極（空気極及び燃料極）で挟み、２００℃１０ＭＰａで５分間熱プレスした。
空気極：ＥｌｅｃｔｒｏＣｈｅｍ社製
ＥＣ−２０−１０−７白金担持電極
触媒担持量：Ｐｔ １ｍｇ／ｃｍ²
燃料極：ＥｌｅｃｔｒｏＣｈｅｍ社製
ＥＣ−２０−Ｃ−７ＲＵ白金・ルテニウム担持電極
触媒担持量：Ｐｔ １ｍｇ／ｃｍ²，Ｒｕ ０．５ｇ１ｍｇ／ｃｍ²
得られた電解質膜−電極複合体はほぼ乾燥しており、電極の剥離はなかった。
【００９６】
この電解質膜−電極複合体を、ＥｌｅｃｔｒｏＣｈｅｍ社製燃料電池試験セル（品番：ＥＦＣ−０５−ＲＥＦ）に組み込み、図１の燃料電池を組み立てた。この燃料電池は、電解質膜１を触媒付き電極２および２’がガスケット３を使用して挟み、さらにその外側にセパレータ４が置かれて、全体を加圧板５を用いて締め付けボルト７でしっかりと締め付けられた構造となっており、内部６にはガス流路が設けられている。
【００９７】
燃料として１Ｍメタノール水溶液を使用し、燃料電池の電池特性を図２の燃料電池評価装置を用いて測定した。この評価装置は、燃料電池セル８の中に、図１の燃料電池が組み込んである。図の上側のラインではメタノール水溶液を送液ポンプ１２により８を通して左側から右側に送液している。また、下側のラインでは空気を加湿用バブリングタンク９により加湿した状態で８を通して左側から右側に通気している。燃料極側の６の流路をメタノール水溶液が、空気極側の６の流路を空気が流れる様になっている。それぞれの流量はマスフローコントローラー１１で制御する。メタノール水溶液および空気を流すことにより生じる電圧および電流密度を電子負荷１０で測定することにより燃料電池を評価する仕組みになっている。
【００９８】
この評価装置を用い以下の条件で測定したところ、約１８．８ｍＷ／ｃｍ²の出力を得た。
測定条件 燃料電池温度： ８０℃
メタノール水溶液濃度：１Ｍ（３．２ｗｔ％）
メタノール水溶液流量：２ｃｃ／ｍｉｎ
空気圧力：０．０５ＭＰａ
空気流量：１００ＳＣＣＭ
空気バブリングタンク温度：５０℃
【００９９】
（比較例７）
比較例１で得られたフィルムＤ（スルホン酸基を有するプロトン伝導膜）を用い、実施例６と同様にして電解質膜−電極複合体の作製を試みたが、フィルムと電極は接着しなかった。
このフィルムと電極を燃料電池試験セルに組み込み、実施例６と同様にしてその電池特性を測定したところ、約３．６ｍＷ／ｃｍ²の出力を得た。実施例６に比べ、用いたフィルムのイオン伝導性が高いにもかかわらず、得られた出力が低いことから、本比較例においては、フィルム―電極界面の抵抗が大きいことがわかる。
【０１００】
（実施例７）
実施例２で得られたポリマー濃度１０％の若干濁ったワニスを、実施例６で用いたものと同じ燃料電池用電極（空気極及び燃料極）にキャストし、窒素通風下室温から２００℃まで２時間かけて昇温乾燥し、プロトン伝導性樹脂組成物からなる厚さ３０μｍの塗膜を有する電極（空気極及び燃料極）を作製した。得られた電極を２Ｎ硫酸水溶液及び純水に１日ずつ浸漬してスルホン酸ナトリウム基のプロトン交換を行った。得られた塗膜（スルホン酸基を有するプロトン伝導膜）を有する空気極及び燃料極を未乾燥のまま重ね、２００℃１０ＭＰａで５分間熱プレスし、電解質膜−電極複合体を作製した。得られた複合体はほぼ乾燥しており、電極の剥離はなかった。
この電解質膜−電極複合体を用い、実施例６と同様にして燃料電池の電池特性を測定したところ、約２２．０ｍＷ／ｃｍ²の出力を得た。
【０１０１】
【発明の効果】
本発明により、熱融着が可能で、かつ、熱融着後にも優れたプロトン伝導性を有するプロトン伝導性芳香族炭化水素系樹脂組成物が提供される。該組成物は接着力が高く、燃料電池のプロトン伝導膜などのプロトン伝導材料として使用した際に、湿度や温度の変動による膜と電極あるいは触媒と結着剤の界面剥離が生じにくいため、高効率で信頼性に優れた燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池の断面構造図を示す概略図である。
【図２】本発明において用いた燃料電池評価装置を示す図である。
【符号の説明】
１ 電解質膜
２、２’ 触媒付き電極
３ ガスケット
４ セパレーター
５ 加圧板
６ ガス流路
７ 締め付けボルト
８ 燃料電池セル
９ 加湿用バブリングタンク
１０ 電子負荷
１１ マスフローコントローラー
１２ 送液ポンプ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a proton conductive resin composition useful in a fuel cell using hydrogen, alcohol or the like as a fuel. More specifically, the present invention relates to a heat-sealable proton conductive membrane used in a fuel cell or the like.
[0002]
[Prior art]
[Polymer electrolyte fuel cell]
A polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell that uses a proton-conducting polymer as an electrolyte, and the chemical energy of the fuel is converted into electrical energy by electrochemically oxidizing hydrogen or methanol or other fuel using oxygen or air. It is to be converted and extracted. The polymer electrolyte fuel cell includes a type using pure hydrogen supplied from a cylinder, a pipe, or the like as a fuel, and a type using hydrogen generated from gasoline or methanol by a reformer. In addition, a direct methanol fuel cell (DMFC) that directly generates power using a methanol aqueous solution as a fuel has been developed. Since this DMFC does not require a reformer for generating hydrogen, a simple and compact system can be constructed, and it is especially attracting attention as a power source for portable devices.
[0003]
A polymer electrolyte fuel cell includes a polymer electrolyte membrane and a positive electrode and a negative electrode arranged in contact with both sides thereof. Fuel hydrogen or methanol is electrochemically oxidized at the negative electrode to generate protons and electrons. This proton moves in the polymer electrolyte membrane to the positive electrode to which oxygen is supplied. On the other hand, electrons generated at the negative electrode pass through a load connected to the battery and flow to the positive electrode, where protons and electrons react to generate water at the positive electrode. Therefore, high proton conductivity is required for a polymer material used as an electrolyte membrane, a binder that connects the membrane and the electrode, a binder that fixes a catalyst that promotes hydrogen oxidation and oxygen reduction reaction, and the like. In addition, when the adhesion between the interface between the membrane and the electrode, or the interface between the catalyst and the binder is insufficient, proton conduction is inhibited at the peeling interface, and thus the polymer material used for these is required to have high adhesion. .
[0004]
[Proton acid group-containing fluoropolymer]
Protonic acid group-containing fluorine-based polymers are known as polymer materials having high proton conductivity. However, this protonic acid group-containing fluorine-based polymer has a problem that it is very expensive, hydrofluoric acid gas is generated when incinerated at the time of disposal, and proton conductivity rapidly decreases under high temperature and low humidity. It was. Moreover, since this protonic acid group-containing fluorine-based polymer has high methanol permeability, when used as an electrolyte membrane of DMFC, there is a problem that voltage drop and power generation efficiency decrease due to methanol crossover.
[0005]
[Hydrocarbon polymer containing protonic acid group]
On the other hand, development of non-fluorine proton conducting materials using protonic acid group-containing hydrocarbon polymers is also underway. Protonic acid group-containing hydrocarbon-based polymers can be produced at low cost, do not generate halogen-based gas during incineration, and have a low decrease in proton conductivity under high temperature and low humidity.
However, for example, in sulfonated polystyrene, the tertiary carbon in the main chain structure is susceptible to radical attack, and the α-position hydrogen is easily released in the battery, so that the battery characteristics deteriorate over time. It has been known.
[0006]
Therefore, a large number of polymers containing protonic acid groups containing no aliphatic chain in the main chain, that is, aromatic hydrocarbons have been developed (Macromol. Chem. Phys., 199, 1421-1426 (1998), Polymer , 40, 795-799 (1999), Polymer, 42, 3293-3296 (2001)). In particular, it has been reported that a membrane made of sulfonated polyetheretherketone has excellent heat resistance and chemical durability and can withstand long-time use as a polymer electrolyte (Honma, 3rd Separation). Science & Technology Workshop Lecture Collection, “Fundamentals and Applications of Polymer Membrane Fuel Cells” p.17 (1999)).
[0007]
However, the fuel cell using the proton acid group-containing aromatic hydrocarbon polymer has a problem that the battery characteristics are deteriorated due to fluctuations in humidity and temperature. This is considered to be because the interface between the membrane and the electrode and the interface between the catalyst and the binder are peeled off as a result of the proton conductive material repeatedly expanding and contracting due to fluctuations in humidity and temperature.
Therefore, a proton acid group-containing aromatic hydrocarbon polymer having good adhesion has been demanded.
[0008]
In the case of a general thermoplastic resin, the resin can be melt-bonded at a temperature not lower than the flow start temperature and not higher than the decomposition temperature, but the protonic acid group-containing aromatic hydrocarbon polymer does not exhibit thermoplasticity and melt-bonding is not possible. Can not. This is because the proton acid group has a high polarity and a high cohesive force, so that the melt fluidity is remarkably inhibited, while the thermal stability of the proton acid group is low and desorbs at a relatively low temperature.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a proton conductive resin composition for fuel cells having good adhesion. Another object of the present invention is to provide a proton conductive membrane for a fuel cell that can be heat-sealed.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have found that a resin composition comprising a specific aromatic polyether and a protonic acid group-containing aromatic polyether can be heat-sealed and has excellent proton conductivity even after heat-sealing. The present inventors have found that it is suitable as a proton conductive material for fuel cells and have completed the present invention.
[0011]
  That is, the proton conductive resin composition of the present invention has a repeating structural unit represented by the following general formula (1) and has a flow start temperature of 100 to 220 ° C.Following formula (6)-(8)
  -C _n H _2n -SO _Three Y (n is an integer from 0 to 10, Y is H, Na or K) (6)
  -C _n H _2n -COOY (n is an integer of 0 to 10, Y is H, Na or K) (7)
  -C _n H _2n -PO _Three Y ₂ (N is an integer from 0 to 10, Y is H, Na or K) (8)
Indicated by eitherAn aromatic polyether having no proton acid group, the aromatic polyether (A) having a repeating structural unit represented by the following general formula (2) or (3): 60 to 10% by weight;
  Having a repeating structural unit represented by the following general formula (5),-SO _Three H groupAromatic polyether (B) having 40 to 90% by weight.
[0012]
[Formula 4]

[In formula (1), A ¹ Are independently -SO ₂ -Or -CO- and A ² Is -C (CH _Three ) ₂ -, And g, h and i each independently represent 0 or 1. ]
[0013]
[Chemical formula 5]

[In the formulas (2) and (3), A ¹ Is -SO ₂ -Or -CO- is shown. ]
[0015]
[Formula 4]

[In Formula (5), X¹And X²At least one of-SO _Three HAnd the others are independently H or-SO _Three HAnd A^ThreeIs -SO₂-Or -CO-, A^FourIs -CH₂-, K and l each independently represent 0 or 1, and the hydrogen atom of the aromatic ring is -C_mH_{2m + 1}(M is an integer of 1 to 10) may be substituted. ]
[0016]
The protonic acid group is -C_nH_2n-SO_ThreeY (n is an integer of 0 to 10, Y is H, Na, or K) is a preferred embodiment of the proton conductive resin composition of the present invention.
[0017]
According to the present invention, there is provided a heat-sealable proton conductive membrane comprising the proton conductive resin composition.
[0018]
The present invention provides a fuel cell using the proton conductive membrane.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the proton conductive resin composition according to the present invention will be specifically described.
The proton conductive resin composition of the present invention has a flow initiation temperature of 100 to 220 ° C., an aromatic polyether (A) of 60 to 10% by weight, and an aromatic polyether (B) having a proton acid group of 40 to 90% by weight. %, Preferably 40 to 10% by weight of aromatic polyether (A) and 60 to 90% by weight of aromatic polyether (B), more preferably 30 to 20% by weight of aromatic polyether (A). And 70-80% by weight of aromatic polyether (B).
[0020]
Here, the aromatic polyether (A) having a flow start temperature of 100 to 220 ° C. plays a role of fusing with a counterpart material by being melt-flowed at the time of hot pressing, and an aromatic polyether having a proton acid group (B ) Is responsible for proton conduction. When the aromatic polyether (A) having a flow initiation temperature of 100 to 220 ° C. is within the above composition range, the amount of the aromatic polyether (B) having a protonic acid group per weight of the composition is appropriate. Therefore, good proton conductivity can be obtained, and problems such as an increase in interfacial resistance due to the aromatic polyether (A) covering the adhesive interface do not occur. Further, there is no problem that the adhesive strength is lowered and peeling occurs in the environment where the fuel cell is used, or that an unbonded portion is partially formed at the bonded interface and the interface resistance is increased.
[0021]
The aromatic polyether in the present invention refers to an aromatic polymer having two aromatic rings linked by an ether group in a repeating unit, and is linked by another linking group or an ether group in the repeating unit. It may contain non-aromatic rings. That is, the aromatic polyether in the present invention is not only an aromatic polyether in which an aromatic ring linking group is composed only of an ether group, such as polyphenylene oxide, but also a polyether ketone in which the linking group is composed of an ether group and a carbonyl group, Also included are polyether sulfone, polysulfone, polyether nitrile and the like in which the linking group comprises an ether group and a sulfone group.
[0022]
The aromatic polyether (A) having a flow start temperature of 100 to 220 ° C. of the present invention has a temperature at which the melt flow starts when the resin is heated to 100 to 220 ° C., preferably 120 to 200 ° C., more preferably. Is an aromatic polyether that is 140-180 ° C. When the flow start temperature is within the above range, when used in a fuel cell, there is no peeling of the adhesive surface or deformation of the film, electrode, etc. due to the flow of the resin during power generation. In addition, since the temperature for heat-sealing is low, detachment of proton acid groups does not occur during heat-sealing.
[0023]
Here, the flow start temperature indicates an outflow start temperature at which the sample starts to flow out of the die when measured by a temperature raising method using a Koka flow tester. More specifically, the flow start temperature is set to 5 ° C./min while a sample is placed in a cylinder having a die having a hole diameter of 1.0 mm and a hole length of 10.0 mm, and pressurized by a piston at 9.8 MPa. It indicates the temperature at which the sample begins to flow out of the die and the piston begins to move when heated at the rate of temperature increase.
[0024]
More specifically, the aromatic polyether (A) having a flow initiation temperature of 100 to 220 ° C. of the present invention has a repeating structural unit represented by the following general formula (1) and has a protonic acid group. Aromatic polyethers that are not preferred are preferred.
[Chemical 9]

[In formula (1), A¹And A²Are each independently a direct bond, -CH₂-, -C (CH_Three)₂-, -C (CF_Three)₂-, -O-, -SO₂-Or -CO-, g, h and i each independently represent 0 or 1, and the hydrogen atom of the aromatic ring is -C_mH_{2m + 1}(M is an integer from 1 to 10), -Cl, -F, -CF_ThreeAlternatively, it may be substituted with -CN. ]
[0025]
Among the aromatic polyethers (A) having a flow start temperature of 100 to 220 ° C. of the present invention, it has a repeating structural unit represented by the following general formula (2) or (3) and has no proton acid group Aromatic polyethers are particularly preferred.
Embedded image

[In the formulas (2) and (3), A¹Is a direct bond, -CH₂-, -C (CH_Three)₂-, -C (CF_Three)₂-, -O-, -SO₂-Or -CO-, and the hydrogen atom of the aromatic ring is -C_mH_{2m + 1}(M is an integer from 1 to 10), -Cl, -F, -CF_ThreeAlternatively, it may be substituted with -CN. ]
[0026]
Here, an aromatic compound having a repeating structural unit represented by any one of the formulas (1), (2), and (3), having no proton acid group, and having a flow initiation temperature of 100 to 220 ° C. The polyether (A) may contain other repeating structural units as long as the flow start temperature is within the above range. That is, the aromatic polyether may be a random or block copolymer composed of the repeating structural unit and another repeating structural unit.
[0027]
An aromatic polyether having a repeating structural unit represented by any one of the formulas (1), (2) and (3), having no proton acid group and having a flow initiation temperature of 100 to 220 ° C. A) has excellent melt fluidity in a temperature range in which the proton acid group is not eliminated, and is excellent in adhesion to an aromatic polyether having a proton acid group. In addition, the aromatic polyether is less susceptible to hydrolysis by hot water, acids, alkalis, alcohols, and the like, and denaturation due to radical attack, and therefore, it does not easily peel off when used in a fuel cell.
[0028]
In addition, the aromatic polyether (B) having a proton acid group is preferable because the proton acid group is highly polar and easily agglomerated so that melt fluidity is remarkably inhibited and may not melt and flow in the range of 100 to 220 ° C. Absent. Further, even when the aromatic polyether has a repeating structural unit represented by any one of the formulas (1), (2), and (3) and does not have a protonic acid group, the flow start temperature is in the above range. In this case, the protonic acid group is eliminated at a temperature at which heat fusion can be performed, which is not preferable. Furthermore, even if it is a thermoplastic resin whose flow start temperature is in the range of 100 to 220 ° C., it is susceptible to hydrolysis with polyolefins, aliphatic polyethers, aliphatic polyamides having an aliphatic chain in the main chain. Polycarbonates, aromatic polyamides, polyimides and the like are not preferable because they are easily denatured when used in a fuel cell and the adhesive surface is easily peeled off.
[0029]
The aromatic polyether (A) having a flow start temperature of 100 to 220 ° C. according to the present invention can be produced by a conventionally known method using conventionally known monomers, for example, an aromatic dihalide compound and an aromatic It can be produced by condensation polymerization of a group dihydroxy compound.
[0030]
The aromatic polyether (B) having a proton acid group of the present invention is an aromatic polyether having a repeating structural unit having a proton acid group. Here, as long as the aromatic polyether (B) having a proton acid group has a repeating structural unit having a proton acid group, the aromatic polyether (B) may contain another repeating structural unit having no proton acid group. . That is, the aromatic polyether may be a random or block copolymer comprising a repeating structural unit having a protonic acid group and a repeating structural unit having no protonic acid group.
[0031]
Here, specific examples of the proton acid group in the present invention include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and phosphonic acid groups represented by the following formulas (6) to (8). Among them, a sulfonic acid group represented by the following formula (6) is preferable, and a sulfonic acid group represented by n = 0 and Y = H in the following formula (6) is particularly preferable.
-C_nH_2n-SO_ThreeY (n is an integer from 0 to 10, Y is H, Na or K) (6)
-C_nH_2n-COOY (n is an integer from 0 to 10, Y is H, Na or K) (7)
-C_nH_2n-PO_ThreeY₂(n is an integer from 0 to 10, Y is H, Na or K) (8)
[0032]
Although there is no restriction | limiting in particular in the proton acid group content of the aromatic polyether (B) which has a proton acid group of this invention, Preferably, it is 200-5000 g / mol as an ion exchange group equivalent, More preferably, it is 200-1000 g / mol. Here, the ion exchange group equivalent is defined by the resin weight per mole of proton acid groups and means the reciprocal of the number of moles of proton acid groups per unit weight of the resin. That is, the smaller the ion exchange group equivalent, the greater the amount of proton acid groups per unit weight of the resin. When the ion exchange group equivalent is too small, the solubility of the resin in water is extremely high, making it difficult to produce and purify the resin (removal of inorganic acids and inorganic salts from the resin). When the ion exchange group equivalent is too large, a high-power fuel cell with low proton conductivity cannot be obtained.
[0033]
More specifically, the aromatic polyether (B) having a proton acid group of the present invention is preferably an aromatic polyether having a repeating structural unit represented by the following general formula (4).
Embedded image

[In formula (4), X¹~ X^FiveAt least one of them is a protonic acid group, the other is independently H or a protonic acid group, and A^ThreeAnd A^FourAre each independently a direct bond, -CH₂-, -C (CH_Three)₂-, -C (CF_Three)₂-, -O-, -SO₂-Or -CO-, j, k and l each independently represent 0 or 1, and the hydrogen atom of the aromatic ring is -C_mH_{2m + 1}(M is an integer of 1 to 10), protonic acid group, -Cl, -F, -CF_ThreeAlternatively, it may be substituted with -CN. ]
[0034]
Among the aromatic polyethers (B) having a proton acid group of the present invention, aromatic polyethers having a repeating structural unit represented by the following general formula (5) are particularly preferable.
Embedded image

[In Formula (5), X¹Or X²At least one of them is a protonic acid group, the other is independently H or a protonic acid group, and A^ThreeIs -SO₂-Or -CO-, A^FourIs a direct bond, -CH₂-, -C (CH_Three)₂-, -C (CF_Three)₂-, -O-, -SO₂-Or -CO-, k and l each independently represent 0 or 1, and the hydrogen atom of the aromatic ring is -C_mH_{2m + 1}(M is an integer of 1 to 10), protonic acid group, -Cl, -F, -CF_ThreeAlternatively, it may be substituted with -CN. ]
[0035]
The aromatic polyether having a repeating structural unit represented by the formula (4) or (5) and having no proton acid group is excellent in proton conductivity, and is further hydrolyzed by hot water, acid, alkali, alcohol or the like. Proton conductivity is maintained for a long time even when used in a fuel cell because it is less susceptible to degradation and denaturation due to radical attack. Even in the case of a polymer having a proton acid group, polyolefins having an aliphatic chain in the main chain, aliphatic polyethers, aliphatic polyamides, polycarbonates susceptible to hydrolysis, aromatic polyamides, Polyimides and the like are not preferable because they are denatured when used in a fuel cell and the strength and proton conductivity are lowered.
[0036]
In addition, the aromatic polyether having the repeating structural unit represented by the formula (5) has a protonic acid group as an electron withdrawing group.₂Since it is bonded to an aromatic ring directly bonded to-or -CO-, it has a stronger binding force than a protonic acid group bonded to another aromatic ring and is not easily decomposed or dissociated. In addition, when the existing aromatic polyether is sulfonated with fuming sulfuric acid or the like, -SO which is an electron withdrawing group is used.₂It is known that a sulfonic acid group is introduced into an aromatic ring not directly bonded to-or -CO-.
[0037]
The aromatic polyether (B) having a protonic acid group of the present invention can be produced by a conventionally known method using conventionally known monomers, such as an aromatic dihalide compound having a protonic acid group and a protonic acid group. Aromatic dihalide compounds that do not have protons and aromatic dihydroxy compounds that do not have protonic acid groups, or aromatic dihydroxy compounds that do not have protonic acid groups, aromatic dihydroxy compounds that have protonic acid groups, and protonic acid groups It can be produced by condensation polymerization of an aromatic dihydroxy compound. Further, a conventionally known aromatic polyether can be obtained by sulfonated or alkylsulfonated by a conventionally known method.
[0038]
The monomers that can be used in the production of the aromatic polyether (A) having a flow initiation temperature of 100 to 220 ° C. and the aromatic polyether (B) having a proton acid group are not particularly limited, but are representative. Specific examples are illustrated below.
[0039]
Examples of the aromatic dihalide compound include 4,4′-difluorobenzophenone, 3,3′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, 3,3′-dichlorobenzophenone, 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 1,4-difluorobenzene, 1,3-difluorobenzene, 2,6-dichlorobenzonitrile, 4,4′-difluorobiphenyl, 3,3′-dibromo-4,4 ′ -Difluorobiphenyl, 4,4'-difluorodiphenylmethane, 4,4'-dichlorodiphenylmethane, 4,4'-difluorodiphenyl ether, 2,2-bis (4-fluorophenyl) propane, 2,2-bis (4-chlorophenyl) ) Propane, α, α'-bis (4-fluoropheny) ) -1,4-diisopropylbenzene, 3,3′-dimethyl-4,4′-difluorobenzophenone, 3,3′-diethyl-4,4′-difluorobenzophenone, 3,3 ′, 5,5′- Tetramethyl-4,4′-difluorobenzophenone, 3,3′-dimethyl-4,4′-dichlorobenzophenone, 3,3 ′, 4,4′-tetramethyl-5,5′-dichlorobenzophenone, 3,3 '-Dimethyl-4,4'-difluorodiphenylsulfone, 3,3'-dimethyl-4,4'-dichlorodiphenylsulfone, 2,5-difluorotoluene, 2,5-difluoroethylbenzene, 2,5-difluoro-p -Xylene etc. are mentioned, It can use individually or in mixture of 2 or more types.
[0040]
Examples of the aromatic dihydroxy compound include hydroquinone, resorcin, catechol, 4,4′-dihydroxybiphenyl, 4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide, 4,4′-dihydroxydiphenylmethane, 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 4, 4′-dihydroxydiphenylsulfone, 4,4′-dihydroxybenzophenone, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2,2-bis (4 -Hydroxyphenyl) propane, 1,4-bis (4-hydroxyphenyl) benzene, α, α'-bis (4-hydroxyphenyl) -1,4-dimethylbenzene, α, α'-bis (4-hydroxyphenyl) ) -1,4-diisopropylbenzene, α, α′-bis (4-H Loxyphenyl) -1,3-diisopropylbenzene, 4,4′-dihydroxybenzophenone, 1,4-bis (4-hydroxybenzoyl) benzene, 3,3-difluoro-4,4′-dihydroxybiphenyl, 2-methyl Hydroquinone, 2-ethylhydroquinone, 2-isopropylhydroquinone, 2-octylhydroquinone, 2,3-dimethylhydroquinone, 2,3-diethylhydroquinone, 2,5-dimethylhydroquinone, 2,5-diethylhydroquinone, 2,5-diisopropyl Hydroquinone, 2,6-dimethylhydroquinone, 2,3,5-trimethylhydroquinone, 2,3,5,6-tetramethylhydroquinone, 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxybiphenyl, 3,3 ′, 5,5'-tetramethyl -4,4'-dihydroxybiphenyl, 3,3'-dimethyl-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3 ', 5,5'-tetramethyl-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3', 5,5′-tetraethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane, 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenyl ether 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3′-dimethyl-4,4 ′ -Dihydroxydiphenylsulfone, 3,3 ', 5,5'-tetramethyl-4,4'-dihydroxydiphenylsulfone, 2 2-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3-ethyl-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) propane , Α, α′-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) -1,4-diisopropylbenzene, α, α′-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) -1,4-diisopropylbenzene , Α, α′-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) -1,3-diisopropylbenzene, α, α′-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) -1,3-diisopropylbenzene Etc., and can be used alone or in admixture of two or more.
[0041]
Examples of the aromatic dihalide compound having a proton acid group include sulfonated products and alkylsulfonated products of the above-mentioned aromatic dihalide compounds, 2,5-dichlorobenzoic acid, 2,5-difluorobenzoic acid, and 5,5′-carbonyl. Bis (2-fluorobenzoic acid), 5,5′-sulfonylbis (2-fluorobenzoic acid), 2,5-dichlorophenylphosphonic acid, 5,5′-carbonylbis (2-fluorobenzenephosphonic acid) and alkalis thereof A metal salt etc. can be mentioned.
[0042]
Examples of the aromatic dihydroxy compound having a proton acid group include sulfonated products and alkylsulfonated products of the above aromatic dihydroxy compounds, 2,5-dihydroxybenzoic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, and 5,5′-methylene. Examples thereof include aromatic dihydroxy compounds having a phosphate group such as disalicylic acid, 5,5′-thiodisalicylic acid, and 2,5-dihydroxyphenylphosphonic acid, and alkali metal salts thereof.
[0043]
In addition, the aromatic dihalide compound and the sulfonated product of the aromatic dihydroxy compound, the alkyl sulfonated product, the aromatic dihalide compound and the aromatic dihydroxy compound, Macromol. Chem. Phys., With a known sulfonating agent such as fuming sulfuric acid. 199, 1421 (1998).
[0044]
The aromatic polyether (B) having a protonic acid group of the present invention can be obtained by sulfonating and alkylsulfonating a conventionally known aromatic polyether by a conventionally known method in addition to the above-mentioned method. it can. Specific examples of the method for sulfonating the aromatic polyether include known sulfonating agents such as concentrated sulfuric acid (Japanese Patent Laid-Open No. 57-25328), fuming sulfuric acid (Japanese Patent Publication No. 11-502245), chlorosulfone. Examples include sulfonation with acid (Journal of Applied Polymer Science, 70, 477 (1998)), methanesulfonic acid (Macromolecules, 27 6267 (1994)), and the like. Specific examples of the method for alkyl sulfonation of aromatic polyether include a method using a sultone compound (J. Amer. Chem. Soc., 76, 5357 (1954)), and replacing hydrogen in the aromatic ring of the resin with lithium. Then, a method of converting to a halogenoalkyl group with a dihalogenoalkane and converting it to a sulfoalkyl group, a method of introducing a halogenobutyl group using a tetramethylenehalogenium ion, and then converting a halogen to a sulfonic acid group, etc. . The aromatic polyether having a protonic acid group obtained by these methods can remove acids and salts by purification using water, aqueous hydrochloric acid, an organic solvent, or the like. Here, the aromatic polyether that can be used is not particularly limited, but representative examples include polyether ketone, polyether ether ketone, polyether ketone ketone, polyether sulfone, polysulfone, polyphenylene oxide, and the like. An aromatic polyether having a flow start temperature of 100 to 220 ° C.
[0045]
The molecular weight of the aromatic polyether (A) having a flow start temperature of 100 to 220 ° C. according to the present invention is not particularly limited, but the reduced viscosity (concentration 0.5 g / dl, measured at 35 ° C.) is 0.3. The range of -3.0 dl / g is preferable, and the range of 0.5-1.0 dl / g is particularly preferable. If the molecular weight is too low, the resin strength is low and sufficient adhesive strength may not be obtained. On the other hand, if the molecular weight is too high, the melt flow of the resin becomes insufficient, and sufficient adhesive strength may not be obtained.
[0046]
Although there is no restriction | limiting in particular in the molecular weight of aromatic polyether (B) which has a protonic acid group concerning this invention, 0.3-3.0dl / is made into reduced viscosity (concentration 0.5g / dl, measured at 35 degreeC). The range of g is preferable, and the range of 0.5 to 2.0 dl / g is particularly preferable. If the molecular weight is too low, the resin strength is low, and the film may break due to shrinkage and expansion during drying and moisture absorption. On the other hand, if the molecular weight is too high, it is difficult to dissolve in a solvent, and it may be difficult to perform film formation by mixing operation or casting to obtain a composition.
[0047]
There is no restriction | limiting in particular in the form of the proton conductive resin composition concerning this invention, Aromatic polyether (B) with the powder of aromatic polyether (A) whose flow start temperature is 100-220 degreeC, and a proton acid group ), A film or molded product obtained by heating and compressing the mixture, a varnish in which each aromatic polyether is dissolved or dispersed in a solvent, and a film obtained from the varnish. . Here, the form of the film or molded product may be a film or molded product in which each aromatic polyether is compatible to form a uniform phase, or may be a phase-separated film or molded product.
[0048]
In addition, when using a solvent in preparing the composition of the present invention, the solvent is not particularly limited, and examples thereof include water, alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, and butanol, toluene, xylene, and the like. Hydrocarbons, halogenated hydrocarbons such as methyl chloride and methylene chloride, ethers such as dichloroethyl ether, 1,4-dioxane and tetrahydrofuran, fatty acid esters such as methyl acetate and ethyl acetate, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone In addition to these, aprotic polar solvents such as N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, and dimethyl carbonate can be used alone or in combination.
[0049]
The proton conducting membrane according to the present invention is a heat-sealable proton conducting membrane comprising the proton conducting resin composition of the present invention. The proton conducting membrane of the present invention can be obtained by hot pressing of the proton conducting resin composition of the present invention or casting from a solution. Here, the proton conductive membrane of the present invention includes not only a self-supporting membrane but also a coating film in close contact with a base material, an electrode membrane, a proton conductive membrane having no heat-fusibility, and the like. Here, although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of the proton conductive film concerning this invention, when it is a self-supporting film | membrane, it is preferable that it is 10-100 micrometers in the case of being a coating film.
[0050]
The proton conductive membrane according to the present invention only needs to contain the proton conductive resin composition of the present invention, and is a conductive material having electrical conductivity, a hydrogen oxidation reaction, a catalyst that promotes oxygen reduction reaction, strength and water absorption. It may be combined with an inorganic filler for adjusting expansion, other polymers, a protonic acid group-containing fluorine-based polymer for improving proton conductivity and adhesion to electrodes, and the like. In the proton conductive membrane of the present invention, the ratio of the proton conductive resin composition of the present invention to other materials is not particularly limited, but the ratio of the proton conductive resin composition of the present invention is 20 to 100 wt%. It is preferable because both proton conductivity and heat-fusibility can be achieved.
[0051]
As the conductive material, any conductive material may be used, and various metals, carbon materials, and the like can be used. Examples thereof include carbon black such as acetylene black, activated carbon, graphite and the like, and these are used alone or mixed and used in the form of powder or sheet.
[0052]
The catalyst is not particularly limited as long as it promotes hydrogen oxidation reaction and oxygen reduction reaction. For example, lead, iron, manganese, cobalt, chromium, gallium, vanadium, tungsten, ruthenium, iridium, palladium, platinum, Rhodium or an alloy thereof.
[0053]
There are no particular limitations on the inorganic filler and other polymers for adjusting the strength and water absorption expansion, and examples thereof include fibers made of metal, glass and carbon, and porous films of polyolefin and polyimide.
[0054]
The proton conducting membrane according to the present invention is a proton conducting membrane that can be heat-sealed, and is heated and pressurized at 100 to 220 ° C., preferably 140 to 200 ° C., 0.1 to 100 MPa, preferably 1 to 20 MPa. Can be heat-sealed with the material. Here, when the heating temperature is too low, the aromatic polyether that plays the role of fusion does not flow and cannot be fused, which is not preferable. On the other hand, when the heating temperature is too high, the proton acid group is eliminated from the aromatic polyether having a proton acid group responsible for proton conduction.
[0055]
In addition, there is no restriction | limiting in particular in the other member which is an adherend in heat sealing | fusion, In addition to the proton conductive film of this invention, conventionally well-known polymer electrolyte membrane, the above-mentioned electrically conductive material and a catalyst, and an electrically conductive material and a catalyst are conventional. It can be heat-sealed with an electrode hardened with a known polymer electrolyte. Among these, when the heat fusion partner member is the proton conductive membrane of the present invention, it is particularly preferable because it is extremely firmly fused. Here, the conventionally known polymer electrolyte is a polymer having a protonic acid group capable of dissociating into ions, such as a fluorine polymer, a polyetherketone polymer, a polyethersulfone polymer, a polyphenylenesulfide. Examples include a polymer, a polyimide polymer, a polyamide polymer, an epoxy polymer, a polyolefin polymer, and the like, in which a proton acid group is added. Examples of the fluoropolymer electrolyte include “Nafion” manufactured by DuPont, “Flemion” manufactured by Asahi Glass, “Aciplex” manufactured by Asahi Kasei, and “Dow membrane” manufactured by Dow.
[0056]
There is no particular limitation on the adhesive strength of the proton conducting membrane according to the present invention by thermal fusion, and it depends on the type and amount of aromatic polyether that plays the role of contained fusion, the type of mating member, the fusion temperature and pressure, etc. For this reason, although it cannot be generally stated, it is preferable to have an adhesive strength that does not peel at least when the adhesive is repeatedly immersed in water and dried.
[0057]
By using the proton conductive resin composition and / or proton conductive membrane of the present invention, a fuel cell membrane-electrode assembly having excellent reliability can be obtained. The membrane-electrode composite using the proton conductive resin composition and / or proton conductive membrane of the present invention is less prone to peeling of the adhesive interface due to changes in temperature and humidity associated with the start and stop of the fuel cell, and has battery characteristics. There is little decrease.
[0058]
There is no restriction | limiting in particular in the manufacturing method of the membrane-electrode complex using the proton conductive resin composition and / or proton conductive membrane of this invention, For example, the following methods can be illustrated.
1) The proton conductive resin composition and / or proton conductive membrane of the present invention is sandwiched between two positive and negative electrodes made of a substrate such as carbon paper, a conductive material, a catalyst, and a polymer electrolyte, and heat-sealed.
2) The proton conductive resin composition of the present invention or its varnish is thermally fused or coated on the surface of a conventionally known polymer electrolyte membrane, and is thermally fused by sandwiching it between two positive and negative electrodes.
3) The proton conductive resin composition of the present invention or the varnish thereof is heat-sealed or coated on the surface of two positive and negative electrodes, and is heat-sealed with a conventionally known or sandwiched proton conductive membrane of the present invention.
4) The proton conductive resin composition of the present invention or its varnish is thermally fused or applied to the surfaces of two positive and negative electrodes and thermally fused.
5) The proton conductive resin composition of the present invention containing a conductive material, a catalyst, or the like or its varnish is thermally fused or applied to a substrate such as carbon paper to produce two positive and negative electrodes, Heat fusion is performed with the proton conducting membrane of the present invention interposed therebetween.
6) The proton conductive resin composition of the present invention or its varnish containing a conductive material, a catalyst and the like is heat-sealed or coated on both surfaces of the proton conductive film of the present invention, or a base material such as carbon paper. And heat-sealing.
[0059]
The proton conductive resin composition according to the present invention can be heat-sealed and has excellent proton conductivity even after heat-sealing, and is suitable as a proton conductive material for fuel cells. More specifically, the composition can be fused by hot pressing at a temperature lower than the decomposition (desorption of proton acid group) temperature of the aromatic polyether having a proton acid group. Since there is no desorption, it has excellent proton conductivity even after fusing. Furthermore, the composition has high adhesive strength, and when used as a proton conductive material for a fuel cell, the interface between the membrane and the electrode or the catalyst and the binder is less likely to be peeled off due to fluctuations in humidity and temperature. A fuel cell having excellent properties can be obtained.
[0060]
By using the proton-conductive resin composition and / or the membrane-electrode assembly using the proton conductive membrane of the present invention, the battery characteristics are hardly deteriorated even when the battery is repeatedly started and stopped, and the fuel has excellent reliability. A battery can be provided.
[0061]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not restrict | limited at all by this.
[0062]
Test methods of various tests in the examples are as follows.
(1) Reduced viscosity (ηinh)
After 0.50 g of aromatic polyether was dissolved in 100 ml of solvent, it was measured with an Ubbelohde viscometer at 35 ° C.
(2) 5% weight reduction temperature, weight reduction start temperature
The measurement was performed at a temperature rising rate of 10 ° C./min using DTA-TG (TG-DTA2000 manufactured by Mac Science) in the air.
(3) Glass transition temperature
It measured to 400 degreeC with the temperature increase rate of 10 degree-C / min by the differential scanning calorimetry (DSC, DSC3100 by a Mac Science company).
[0063]
(4) Flow start temperature (FST)
Using a Koka flow tester (manufactured by Shimadzu Corp., Koka Flow Tester CFT500D), a sample was placed in a cylinder equipped with a die having a hole diameter of 1.0 mm and a hole length of 10.0 mm, and the piston was applied at 9.8 MPa. When heated at a heating rate of 5 ° C./min with pressure, the temperature at which the sample started to flow out of the die and the piston started to move was measured.
(5) Presence or absence of heat-fusibility
Two 40 × 40 mm square film-form proton conductive resin compositions (proton conductive membranes) were heated and compressed, and the resulting film was immersed in pure water (room temperature for 2 hours) and dried (120 ° C. for 2 hours) four times. Judgment was made based on the presence or absence of peeling when repeated.
[0064]
(6) Ion exchange group equivalent
The proton conductive resin composition (proton conductive membrane) was precisely weighed in a glass container that could be sealed, and an excess amount of calcium chloride aqueous solution was added thereto and stirred overnight. The hydrogen chloride generated in the system was titrated with a 0.1N sodium hydroxide standard aqueous solution using a phenolphthalein indicator and calculated.
(7) Ionic conductivity (90 ° C, film thickness direction)
A sample film wetted with 1M sulfuric acid²Was sandwiched between two measuring cells each having a platinum electrode attached to one side of a 100 μm-thick PET film having pores, and the pores were filled with 1 M sulfuric acid water. This was installed in a 90 ° C. thermostat and the resistance value was measured. The resistance value of the sample film alone was determined from the difference from the resistance value when the sample film was not sandwiched, and the ionic conductivity (90 ° C., film thickness direction) was calculated. The film thickness necessary for calculating the ionic conductivity was measured using a micrometer in a dry state.
[0065]
(Synthesis Example 1)
In a flask equipped with a nitrogen introduction tube, a thermometer, a separator equipped with a separator, and a stirrer, 21.82 g (0.10 mol) of 4,4′-difluorobenzophenone and 10.57 g (0.096 mol) of resorcinol. And 11.02 g (0.104 mol) of anhydrous sodium carbonate was precisely weighed. 86.5 g of N-methyl-2-pyrrolidone and 1.8 g of pure water were added thereto, and the temperature was raised to 200 ° C. over 2 hours while stirring through nitrogen gas, followed by reaction for 6 hours. At this time, the distilled water was recovered from the separator. The obtained viscous reaction mass was cooled and diluted with 80 g of N-methyl-2-pyrrolidone, and then the by-product salt was removed by Celite filtration. This polymer solution is discharged into 500 ml of a water-methanol (5/5, wt / wt) mixed solution, and the precipitated polymer is collected by filtration, washed with a 5 wt% hydrochloric acid aqueous solution, pure water, and methanol, and then dried at 100 ° C. for 4 hours. As a result, 25.8 g (yield 90%) of polyaryl ether ketone powder was obtained.
The resulting polyaryletherketone powder has a reduced viscosity of 0.56 dl / g (measured with a p-chlorophenol / phenol (9/1, wt / wt) mixture), a glass transition temperature of 118 ° C., 5% weight loss The temperature was 539 ° C., and the flow start temperature was 175 ° C.
[0066]
(Synthesis Example 2)
In the same manner as in Synthesis Example 1, except that resorcin 5.28 g (0.048 mol) and hydroquinone 5.28 g (0.048 mol) were used instead of resorcin 10.57 g (0.096 mol), polyaryl ether ketone powder 26.5 g (yield 93%) was obtained.
The resulting polyaryletherketone powder has a reduced viscosity of 0.52 dl / g (measured with a p-chlorophenol / phenol (9/1, wt / wt) mixture), a glass transition temperature of 124 ° C., 5% weight loss The temperature was 533 ° C. and the flow starting temperature was 180 ° C.
[0067]
(Synthesis Example 3)
Instead of 10.57 g (0.096 mol) of resorcin, use 11.01 g (0.10 mol) of hydroquinone, and use 259.5 g of N-methyl-2-pyrrolidone instead of 86.5 g of N-methyl-2-pyrrolidone. In the same manner as in Synthesis Example 1, the reaction was performed for 6 hours. In addition, the polymer precipitated during the reaction, and the solid became a slurry. After completion of the reaction, the solid was filtered, the polymer and by-product salts were collected, washed with pure water, 5 wt% aqueous hydrochloric acid, pure water, and acetone, and then dried at 100 ° C. for 4 hours to obtain polyether ether ketone powder 28. 2 g (yield 98%) was obtained.
The resulting polyether ether ketone powder has a reduced viscosity of 0.86 dl / g (measured with a p-chlorophenol / phenol (9/1, wt / wt) mixture), a glass transition temperature of 143 ° C., and a melting point of 334 ° C. The 5% weight loss temperature was 530 ° C, and the flow start temperature was 340 ° C.
[0068]
(Synthesis Example 4)
In a flask equipped with a nitrogen inlet tube, a thermometer, a separator filled with toluene, and a stirrer, 28.72 g (0.10 mol) of 4,4′-dichlorodiphenylsulfone and 10.57 g of resorcin (0.096 mol) and 11.02 g (0.104 mol) of anhydrous sodium carbonate were precisely weighed. N-methyl-2-pyrrolidone (97.3 g) and toluene (10.8 g) were added thereto, and the mixture was heated to 195 ° C. over 2 hours with stirring through nitrogen gas, and then reacted for 6 hours. The reaction was performed under toluene reflux, and the distilled water was separated and collected by a separator. The obtained viscous reaction product was cooled, diluted with 80 g of N-methyl-2-pyrrolidone, and then duplicated salt was removed by Celite filtration. The polymer solution was discharged into 500 ml of methanol, and the precipitated polymer was collected by filtration, washed with a 5 wt% hydrochloric acid aqueous solution, pure water, and methanol, and then dried at 100 ° C. for 4 hours to obtain 30.8 g of a polyethersulfone powder (yield 95). %).
The resulting polyaryl ether sulfone powder has a reduced viscosity of 0.71 dl / g (measured with N-methyl-2-pyrrolidone), a glass transition temperature of 167 ° C., a 5% weight loss temperature of 518 ° C., and a flow initiation temperature of 215 ° C.
[0069]
(Synthesis Example 5)
40.7 g of polysulfone powder (yield 92%) was obtained in the same manner as in Synthesis Example 4 except that 21.92 g (0.096 mol) of bisphenol A was used instead of 10.57 g (0.096 mol) of resorcin.
The resulting polysulfone powder had a reduced viscosity of 0.85 dl / g (measured with N-methyl-2-pyrrolidone), a glass transition temperature of 190 ° C., a 5% weight loss temperature of 510 ° C., and a flow initiation temperature of 255 ° C. It was.
[0070]
(Synthesis Example 6)
Instead of 28.72 g (0.10 mol) of 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 17.20 g (0.10 mol) of 2,6-dichlorobenzonitrile was used, and 97.3 g of N-methyl-2-pyrrolidone and toluene were used. 19.0 g of polyethernitrile powder (yield 91%) was obtained in the same manner as in Synthesis Example 4 except that 62.8 g of N-methyl-2-pyrrolidone and 7.0 g of toluene were used instead of 10.8 g. .
The resulting polyether nitrile powder has a reduced viscosity of 0.50 dl / g (measured with N-methyl-2-pyrrolidone), a glass transition temperature of 142 ° C., a melting point of 337 ° C., and a 5% weight loss temperature of 490 ° C. The starting temperature was 350 ° C.
[0071]
(Synthesis Example 7)
Instead of 10.57 g (0.096 mol) of resorcin, 5.29 g (0.048 mol) of resorcin and 10.96 g (0.048 mol) of bisphenol A were used. 97.3 g of N-methyl-2-pyrrolidone and 10.8 g of toluene In the same manner as in Synthesis Example 4 except that 80.8 g of N-methyl-2-pyrrolidone and 9.0 g of toluene were used in place of, 25.2 g of polyaryl ether nitrile powder (yield 94%) was obtained.
The resulting polyaryl ether nitrile powder has a reduced viscosity of 0.63 dl / g (measured with N-methyl-2-pyrrolidone), a glass transition temperature of 160 ° C., a 5% weight loss temperature of 482 ° C., and a flow start temperature of 210 ° C.
[0072]
(Synthesis Example 8)
Instead of 10.57 g (0.096 mol) of resorcin, 21.92 g (0.048 mol) of bisphenol A was used and 97.3 g of N-methyl-2-pyrrolidone and N-methyl-2-pyrrolidone instead of 10.8 g of toluene 30.8 g of polyaryl ether nitrile powder (yield 91%) was obtained in the same manner as in Synthesis Example 4 except that 98.2 g and 10.9 g of toluene were used.
The resulting polyarylethernitrile powder has a reduced viscosity of 0.69 dl / g (measured with N-methyl-2-pyrrolidone), a glass transition temperature of 170 ° C., a 5% weight loss temperature of 473 ° C., and a flow initiation temperature of 225. ° C.
[0073]
(Synthesis Example 9)
Into a flask equipped with a nitrogen inlet tube, a thermometer, a cooler equipped with a separator filled with toluene, and a stirrer, 84.46 g of 0,3,3′-carbonylbis (sodium 6-fluorobenzenesulfonate) (0 .20 mol), 51.27 g (0.20 mol) of bis (3-methyl-4hydroxyphenyl) methane and 33.17 g (0.24 mol) of anhydrous potassium carbonate were precisely weighed. Dimethyl sulfoxide (510.9 g) and toluene (56.8 g) were added thereto, and the mixture was heated to 176 ° C. over 2 hours while stirring through nitrogen gas, and then reacted for 10 hours. The reaction was performed under toluene reflux, and the distilled water was separated and collected by a separator. The resulting viscous reaction product was diluted with 300 g of dimethyl sulfoxide, and then the by-product salt was removed by Celite filtration. This polymer solution is discharged into 10 L of acetone, and the precipitated polymer is collected by filtration, washed with acetone, dried at 150 ° C. for 4 hours, and 112.1 g of polyaryl ether ketone powder having protonic acid groups (sodium sulfonate groups). (Yield 88%) was obtained.
The polyaryletherketone powder obtained had a reduced viscosity of 0.91 dl / g (measured with dimethyl sulfoxide) and a glass transition temperature of 250 ° C. or higher (not detected by measurement up to 250 ° C.).
[0074]
(Synthesis Example 10)
Instead of 84.46 g (0.20 mol) of 3,3′-carbonylbis (sodium 6-fluorobenzenesulfonate), 42.23 g (0.003 g) of 3,3′-carbonylbis (sodium 6-fluorobenzenesulfonate). 10mol) and 4,4'-difluorobenzophenone (21.82 g, 0.10 mol), except that 510.9 g of dimethyl sulfoxide and 56.8 g of toluene were replaced with 429.3 g of dimethyl sulfoxide and 47.7 g of toluene. In the same manner as in Example 9, 96.4 g (yield 90%) of polyaryl ether ketone powder having a protonic acid group (sodium sulfonate group) was obtained.
The polyaryletherketone powder obtained had a reduced viscosity of 1.25 dl / g (measured with dimethyl sulfoxide) and a glass transition temperature of 250 ° C. or higher (not detected by measurement up to 250 ° C.).
[0075]
(Synthesis Example 11)
Instead of 84.46 g (0.20 mol) of 3,3′-carbonylbis (sodium 6-fluorobenzenesulfonate), 49.13 g (0.10 mol) of 3,3′-sulfonylbis (sodium 6-chlorobenzenesulfonate) ) And 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone (28.72 (0.10 mol)), except that dimethyl sulfoxide (510.9 g) and toluene (56.8 g) were replaced with dimethyl sulfoxide (402.0 g) and toluene (44.7 g). In the same manner as in Example 9, 87.7 g (yield 87%) of polyaryl ether sulfone powder having a protonic acid group (sodium sulfonate group) was obtained.
The resulting polyaryl ether sulfone powder had a reduced viscosity of 1.07 dl / g (measured with dimethyl sulfoxide) and a glass transition temperature of 250 ° C. or higher (not detected by measurement up to 250 ° C.).
[0076]
Example 1
2 g of the polyaryl ether ketone powder obtained in Synthesis Example 1 and 2 g of the polyaryl ether ketone having a protonic acid group (sodium sulfonate group) obtained in Synthesis Example 9 were dissolved by heating in N-methyl-2-pyrrolidone. A slightly turbid varnish with a polymer concentration of 10% was obtained. The obtained varnish was cast on a glass substrate using blades having respective spacer thicknesses, dried by heating from room temperature to 200 ° C. over 2 hours under nitrogen ventilation, and two types of slightly different turbidity were obtained. A film was obtained. Here, for convenience, a film having a thickness of 30 μm is referred to as a film A, and a film having a thickness of 50 μm is referred to as a film B.
[0077]
The obtained film A and film B were immersed in a 2N sulfuric acid aqueous solution and pure water for 1 day to conduct proton exchange of sodium sulfonate groups, and film C (thickness before proton exchange 30 μm) and film D (thickness before proton exchange) Two proton conductive membranes having a thickness of 50 μm) were obtained.
[0078]
A test piece of 40 × 40 mm was cut out from film C, two sheets were stacked in an undried and swollen state, a spacer having a thickness of 50 μm was placed around it, and hot pressing was performed at 200 ° C. and 10 MPa for 5 minutes. A film E having a thickness of 50 μm adhered firmly was obtained. The film E was not peeled even when the pure water immersion (room temperature 2 hours) and drying (120 ° C. 2 hours) were repeated four times.
[0079]
Table 1 shows the ion exchange group equivalent and ion conductivity (90 ° C., film thickness direction) of the film E (thickness 50 μm) obtained by thermal fusion and the film D (thickness 50 μm) which is not thermally fused. Compared. It can be seen that the ion-exchange group equivalent of film E is the same as that of film D, and no sulfonic acid group is eliminated. The ionic conductivity of film E is slightly inferior to that of film D, but this is due to the resistance of the adhesive interface.
[0080]
(Example 2)
Example 1 except that 0.8 g of the polyaryl ether ketone powder obtained in Synthesis Example 1 and 3.2 g of the polyaryl ether ketone having a protonic acid group (sodium sulfonate group) obtained in Synthesis Example 10 were used. Similarly, films A to E were produced. The obtained film E was firmly adhered and was not peeled off in the same water immersion and drying treatment as in Example 1.
[0081]
Table 1 shows the ion exchange group equivalent and ion conductivity (90 ° C., film thickness direction) of the film E (thickness 50 μm) obtained by thermal fusion and the film D (thickness 50 μm) which is not thermally fused. Indicates. It can be seen that the ion-exchange group equivalent of film E is the same as that of film D, and no sulfonic acid group is eliminated. Although the ionic conductivity of the film E is slightly inferior to that of the film D, it can be seen that the degree of decrease is small and the resistance of the adhesive interface is small.
[0082]
(Comparative Example 1)
Films A to E were produced in the same manner as in Example 1 except that only 4 g of the polyaryletherketone having a protonic acid group (sodium sulfonate group) obtained in Synthesis Example 10 was used. The obtained film E was not adhered and peeled off immediately after being immersed in water.
[0083]
Table 1 shows the ion exchange group equivalent and ion conductivity (90 ° C.) of film E (thickness 50 μm, two films that are not peeled and in close contact with each other) and film D (thickness 50 μm) that is not thermally fused. , Film thickness direction). It can be seen that the ion-exchange group equivalent of film E is the same as that of film D, and no sulfonic acid group is eliminated. It can be seen that the ionic conductivity of the film E is significantly lower than that of the film D and the resistance at the interface is remarkably large because the film E is not adhered.
[0084]
(Comparative Example 2)
The same as Example 1 except that 2.8 g of the polyaryl ether ketone powder obtained in Synthesis Example 1 and 1.2 g of the polyaryl ether ketone having a protonic acid group (sodium sulfonate group) obtained in Synthesis Example 9 were used. Thus, films A to E were produced. The obtained film E was firmly adhered and was not peeled off in the same water immersion and drying treatment as in Example 1.
[0085]
Table 1 shows the ion exchange group equivalent and ion conductivity (90 ° C., film thickness direction) of the film E (thickness 50 μm) obtained by thermal fusion and the film D (thickness 50 μm) which is not thermally fused. Indicates. It can be seen that the ion-exchange group equivalent of film E is the same as that of film D, and no sulfonic acid group is eliminated. It can be seen that the ionic conductivity of the film E is significantly lower than that of the film D and the resistance of the adhesive interface is remarkably large.
[0086]
(Examples 3-5, Comparative Examples 3-6)
Example 1 except that 0.8 g of the polyaryl ether ketone powder obtained in Synthesis Examples 2 to 8 and 3.2 g of polyaryl ether sulfone having a protonic acid group (sodium sulfonate group) obtained in Synthesis Example 11 were used. Films A to E were produced in the same manner as described above. Table 1 shows the ion exchange of the composition of the resin composition, the hot press temperature during the production of the film E, the film E (thickness 50 μm) obtained by thermal fusion and the film D (thickness 50 μm) which is not thermally fused. The group equivalent and ion conductivity (90 ° C., film thickness direction) are shown.
[0087]
[Table 1]

[0088]
The film E obtained in Example 3 was firmly adhered, and was not peeled off in the same water immersion and drying treatment as in Example 1. It can be seen that the ion-exchange group equivalent of film E is the same as that of film D, and no sulfonic acid group is eliminated. Although the ionic conductivity of the film E is slightly inferior to that of the film D, it can be seen that the degree of decrease is small and the resistance of the adhesive interface is small.
[0089]
In Comparative Example 3, since the polyether ether ketone obtained in Synthesis Example 3 was not dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone, a film was formed from a varnish using p-chlorophenol as a solvent. Further, two films C were hot-pressed at 200 ° C. and 300 ° C., but the two sheets were not fused. Film E (unfused) hot-pressed at 300 ° C. has turned dark brown, the ion exchange group equivalent has increased to over 2000 g / mol, and sulfonic acid group elimination has occurred. confirmed.
[0090]
In Example 4, since two films C were not fused at a hot press temperature of 200 ° C., a film E was produced at a hot press temperature of 220 ° C. The obtained film E was firmly adhered and was not peeled off in the same water immersion and drying treatment as in Example 1. The ion exchange group equivalent of film E was slightly increased from that of film D, and the sulfonic acid groups were slightly eliminated. Although the ionic conductivity of the film E was inferior to that of the film D, it maintained a sufficient ionic conductivity.
[0091]
In Comparative Example 4, since the two films C were not fused at a hot press temperature of 200 ° C., a film E was produced at a hot press temperature of 260 ° C. The obtained film E adhered firmly and did not peel off in the same water immersion and drying treatment as in Example 1, but was discolored to black. The ion exchange group equivalent of film E was greatly increased from that of film D, and the ionic conductivity was extremely small due to elimination of sulfonic acid groups.
[0092]
In Comparative Example 5, two films C were hot-pressed at 200 ° C. and 300 ° C., but the two sheets were not fused. Film E (unfused) hot-pressed at 300 ° C. has turned dark brown, the ion exchange group equivalent has increased to over 2000 g / mol, and sulfonic acid group elimination has occurred. confirmed.
[0093]
In Example 5, since two films C were not fused at a hot press temperature of 200 ° C., a film E was produced at a hot press temperature of 220 ° C. The obtained film E was firmly adhered and was not peeled off in the same water immersion and drying treatment as in Example 1. The ion exchange group equivalent of film E was slightly increased from that of film D, and the sulfonic acid groups were slightly eliminated. Although the ionic conductivity of the film E was inferior to that of the film D, it maintained a sufficient ionic conductivity.
[0094]
In Comparative Example 6, since two films C were not fused at a hot press temperature of 200 ° C., a film E was produced at a hot press temperature of 240 ° C. The obtained film E was firmly adhered and was not peeled off in the same water immersion and drying treatment as in Example 1. Since the ion exchange group equivalent of the film E increased from that of the film D, it was confirmed that the sulfonic acid group was eliminated, and the ionic conductivity was also slight.
[0095]
(Example 6)
The film D (proton conductive membrane having a sulfonic acid group) obtained in Example 2 is immersed in pure water to swell, and is sandwiched between commercially available fuel cell electrodes (air electrode and fuel electrode) shown below, and 200 ° C. Hot pressing was performed at 10 MPa for 5 minutes.
Air electrode: manufactured by ElectroChem
EC-20-10-7 Platinum supported electrode
Catalyst loading: Pt 1mg / cm²
Fuel electrode: manufactured by ElectroChem
EC-20-C-7RU platinum / ruthenium supported electrode
Catalyst loading: Pt 1mg / cm², Ru 0.5g 1mg / cm²
The obtained electrolyte membrane-electrode composite was almost dry, and there was no peeling of the electrode.
[0096]
This electrolyte membrane-electrode composite was assembled into a fuel cell test cell (product number: EFC-05-REF) manufactured by ElectroChem, and the fuel cell of FIG. 1 was assembled. In this fuel cell, the electrolyte membrane 1 is sandwiched between the electrodes 2 and 2 ′ with the catalyst using the gasket 3, and the separator 4 is placed on the outside, and the whole is firmly fixed with the fastening bolt 7 using the pressure plate 5. The inner structure 6 is provided with a gas flow path.
[0097]
A 1M methanol aqueous solution was used as the fuel, and the cell characteristics of the fuel cell were measured using the fuel cell evaluation apparatus shown in FIG. In this evaluation apparatus, the fuel cell of FIG. 1 is incorporated in the fuel cell 8. In the upper line of the figure, the methanol aqueous solution is fed from the left side to the right side through 8 by the liquid feed pump 12. In the lower line, air is ventilated from the left side to the right side through 8 while being humidified by the humidifying bubbling tank 9. A methanol aqueous solution flows through the six flow paths on the fuel electrode side, and air flows through the six flow paths on the air electrode side. Each flow rate is controlled by the mass flow controller 11. The fuel cell is evaluated by measuring the voltage and current density generated by flowing an aqueous methanol solution and air with the electronic load 10.
[0098]
When measured under the following conditions using this evaluation apparatus, it was about 18.8 mW / cm.²Got the output.
Measurement conditions Fuel cell temperature: 80 ° C
Methanol aqueous solution concentration: 1M (3.2wt%)
Methanol aqueous solution flow rate: 2cc / min
Air pressure: 0.05 MPa
Air flow rate: 100 SCCM
Air bubbling tank temperature: 50 ° C
[0099]
(Comparative Example 7)
Using the film D (proton conductive membrane having a sulfonic acid group) obtained in Comparative Example 1, an attempt was made to produce an electrolyte membrane-electrode composite in the same manner as in Example 6, but the film and the electrode did not adhere. .
When this film and electrode were incorporated into a fuel cell test cell and the battery characteristics were measured in the same manner as in Example 6, it was about 3.6 mW / cm.²Got the output. Compared to Example 6, the obtained output is low despite the high ion conductivity of the film used, indicating that the resistance of the film-electrode interface is large in this Comparative Example.
[0100]
(Example 7)
The slightly turbid varnish with a polymer concentration of 10% obtained in Example 2 was cast on the same fuel cell electrode (air electrode and fuel electrode) used in Example 6, and from room temperature to 200 ° C. under nitrogen ventilation. It was heated and dried over 2 hours to prepare electrodes (air electrode and fuel electrode) having a coating film having a thickness of 30 μm made of a proton conductive resin composition. The obtained electrode was immersed in a 2N aqueous sulfuric acid solution and pure water for 1 day to perform proton exchange of sodium sulfonate groups. The air electrode and the fuel electrode having the obtained coating film (proton conductive membrane having a sulfonic acid group) were stacked in an undried state and hot-pressed at 200 ° C. and 10 MPa for 5 minutes to prepare an electrolyte membrane-electrode composite. The obtained composite was almost dry and there was no peeling of the electrode.
Using this electrolyte membrane-electrode composite, the cell characteristics of the fuel cell were measured in the same manner as in Example 6, and the result was about 22.0 mW / cm.²Got the output.
[0101]
【The invention's effect】
The present invention provides a proton-conductive aromatic hydrocarbon-based resin composition that can be heat-sealed and has excellent proton conductivity even after heat-sealing. The composition has high adhesive strength, and when used as a proton conductive material such as a proton conductive membrane of a fuel cell, the interface between the membrane and the electrode or the catalyst and the binder due to fluctuations in humidity and temperature is unlikely to occur. An efficient and reliable fuel cell can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a cross-sectional structure of a fuel cell.
FIG. 2 is a diagram showing a fuel cell evaluation apparatus used in the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Electrolyte membrane
2, 2 'Catalyzed electrode
3 Gasket
4 Separator
5 Pressure plate
6 Gas flow path
7 Tightening bolt
8 Fuel cells
9 Humidifying bubbling tank
10 Electronic load
11 Mass flow controller
12 Liquid feed pump

Claims (3)

The following formulas (6) to (8) having a repeating structural unit represented by the following general formula (1) and having a flow start temperature of 100 to 220 ° C.
_{-C n H 2n -SO 3 Y (} n is an integer of 0, Y is H, Na or K) ·· (6)
-C _n H _2n -COOY _(n is an integer of 0, Y is H, Na or K) ·· (7)
_{-C n H 2n -PO 3 Y 2} (n is an integer of 0, Y is H, Na or K) ·· (8)
The aromatic polyether having no proton acid group represented by any one of the following, wherein the aromatic polyether (A) has a repeating structural unit represented by the following general formula (2) or (3): 60 to 10 wt. %When,
A proton conductive resin composition comprising 40 to 90% by weight of an aromatic polyether (B) having a —SO ₃ H group , having a repeating structural unit represented by the following general formula (5).

[In Formula (1), A ¹ is independently —SO ₂ — or —CO—, A ² is —C (CH ₃ ) ₂ —, and g, h, and i are each independently 0. Or 1 is shown. ]

[In the formulas (2) and (3), A ¹ represents —SO ₂ — or —CO—. ]

[In the formula (5), at least one of X ¹ and X ² is —SO ₃ H , the other is independently H or —SO ₃ H , and A ³ is —SO ₂ — or —CO—, A ⁴ is —CH ₂ —, k and l each independently represent 0 or 1, and the hydrogen atom of the aromatic ring is substituted with —C _m H _{2m + 1} (m is an integer of 1 to 10). May be. ] A heat-sealable proton conductive membrane comprising the proton conductive resin composition according to claim 1 . A fuel cell using the proton conducting membrane according to claim 2 .

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