JP5144024B2 - Electrode electrolyte for polymer fuel cell and use thereof - Google Patents
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Description
本発明は、特定の構造単位からなる重合体を含む固体高分子型燃料電池用電極電解質、電極ペースト、電極、および膜−電極接合体に関する。 The present invention relates to an electrode electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell, an electrode paste, an electrode, and a membrane-electrode assembly containing a polymer composed of a specific structural unit.
固体高分子型燃料電池は、高出力密度が得られ、低温で作動可能であることから小型軽量化が可能であり、自動車用動力源、定置用発電電源、携帯機器用発電電源などとして実用化が期待されている。 Solid polymer fuel cells have high power density and can be operated at low temperatures, so they can be reduced in size and weight, and put into practical use as power sources for automobiles, stationary power sources, and portable devices. Is expected.
固体高分子型燃料電池はプロトン伝導性の固体高分子電解質膜の両面に一対の電極を設け、純水素あるいは改質水素を燃料ガスとして一方の電極(燃料極)へ供給し、酸素ガスあるいは空気を酸化剤としてもう一方の電極(空気極)へ供給し、発電を行うものである。 A polymer electrolyte fuel cell is provided with a pair of electrodes on both sides of a proton conductive solid polymer electrolyte membrane, supplies pure hydrogen or reformed hydrogen as a fuel gas to one electrode (fuel electrode), oxygen gas or air Is supplied as an oxidant to the other electrode (air electrode) to generate electricity.
かかる燃料電池の電極は触媒成分が分散した電極電解質から構成され(このため電極は、電極触媒層ということもある)、燃料極側の電極触媒層は、燃料ガスから、プロトンと電子を発生させ、空気極側の電極触媒層で酸素とプロトンと電子とから水を生成し、固体高分子電解質膜はプロトンをイオン伝導させる。そして、かかる電極触媒層を通して電力が取り出される。 The electrode of such a fuel cell is composed of an electrode electrolyte in which a catalyst component is dispersed (for this reason, the electrode is sometimes referred to as an electrode catalyst layer), and the electrode catalyst layer on the fuel electrode side generates protons and electrons from the fuel gas. Water is generated from oxygen, protons and electrons in the electrode catalyst layer on the air electrode side, and the solid polymer electrolyte membrane conducts protons in ionic conduction. And electric power is taken out through this electrode catalyst layer.
従来、固体高分子型燃料電池では、電極触媒層の電解質として、Nafion(商標)に代表されるパーフルオロアルキルスルホン酸系高分子が使用されている。この材料は優れたプロトン伝導性を有しているが、非常に高価であり、また分子内にフッ素原子を大量に有していることから、燃焼性が小さく、電極触媒に用いられる白金などの高価な貴金属の回収再利用を非常に困難にしている問題がある。 Conventionally, in a polymer electrolyte fuel cell, a perfluoroalkyl sulfonic acid polymer represented by Nafion (trademark) is used as an electrolyte of an electrode catalyst layer. Although this material has excellent proton conductivity, it is very expensive and has a large amount of fluorine atoms in the molecule, so that it has low combustibility and is used for the electrode catalyst such as platinum. There is a problem that makes it very difficult to recover and reuse expensive precious metals.
一方これにかわる材料として、種々の非パーフルオロアルキルスルホン酸系高分子の検討も行われている。特に発電効率の高い、高温条件で用いることを狙い、耐熱性の高い芳香族スルホン酸系高分子を電解質として用いることが試みられている。 On the other hand, various non-perfluoroalkylsulfonic acid polymers have been studied as alternative materials. In particular, an attempt has been made to use an aromatic sulfonic acid polymer having a high heat resistance as an electrolyte with the aim of using it under high temperature conditions with high power generation efficiency.
たとえば、特開2005−50726号公報(特許文献1)には、スルホン化ポリアリーレン重合体を電極電解質として用いることが開示されており、さらに、特開2004−253267号公報(特許文献2)には、特定のスルホン化ポリアリーレンを用いることが開示されている。
しかしながらこれらの従来より電解質として知られていた材料は、高温下ではスルホン酸基の可逆的な脱離反応やスルホン酸が関与する架橋反応が発生することがあった。これにより、プロトン伝導性が低下したり、膜の脆化等が生じたりして、燃料電池の発電出力の低下や、膜が破断することにより発電不能に至る問題があった。 However, these materials conventionally known as electrolytes sometimes cause a reversible elimination reaction of sulfonic acid groups or a crosslinking reaction involving sulfonic acid at high temperatures. As a result, there is a problem that proton conductivity is reduced, membrane embrittlement or the like occurs, power generation output of the fuel cell is reduced, or power generation is disabled when the membrane is broken.
また、このような問題をできるだけ回避するために、現状、燃料電池発電時の上限温度を限定し使用しており、発電出力に制限があった。
プロトン伝導性を上げるためにスルホン酸濃度を上げると、高温高湿条件下で、吸水に
よる膨潤が大きく、ガス流路を閉塞して、発電性能が低下する問題がある。
In order to avoid such problems as much as possible, the upper limit temperature at the time of fuel cell power generation is limited and used, and the power generation output is limited.
When the sulfonic acid concentration is increased in order to increase proton conductivity, there is a problem that the swelling due to water absorption is large under high-temperature and high-humidity conditions, the gas flow path is blocked, and the power generation performance decreases.
すなわち、本発明の課題は、前述のような、価格的な問題や、触媒金属の回収に関する問題を解決するとともに、プロトン伝導性や寸法安定性、熱水耐性、機械的特性に優れた、固体高分子型燃料電池用電極電解質を提供し、さらに該電解質を含む、電極ペースト、電極、触媒付電解質膜を提供するものである。 That is, the object of the present invention is to solve the above-mentioned problem of cost and the problem of recovery of the catalytic metal, and is a solid having excellent proton conductivity, dimensional stability, resistance to hot water, and mechanical properties. Provided is an electrode electrolyte for a polymer fuel cell, and further provides an electrode paste, an electrode, and an electrolyte membrane with a catalyst containing the electrolyte.
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、特定のポリアリーレン系重合体を使用することで、高いスルホン酸濃度の共重合体が合成でき、プロトン伝導度の高い材料設計が可能となり、高温条件下でのスルホン酸基の安定性を向上できるとともに、共重合体中のスルホン酸基を有さないユニットの組成比を増加させても、高いスルホン酸濃度の共重合体が合成でき、熱水耐性や機械的特性に優れた材料設計が可能となり、上記問題を解決することを見出した。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. By using a specific polyarylene polymer, a copolymer having a high sulfonic acid concentration can be synthesized, and a material having a high proton conductivity. Design is possible, the stability of sulfonic acid groups under high temperature conditions can be improved, and even if the composition ratio of units having no sulfonic acid groups in the copolymer is increased, the copolymer of high sulfonic acid concentration It has been found that coalescence can be synthesized, material design with excellent hot water resistance and mechanical properties becomes possible, and the above problems are solved.
さらにこの重合体は、フッ素原子を含まないか、あるいは含んでもその含有量が大幅に低減されており、前述のような触媒金属の回収再利用に対する問題の解決が可能できることを見出し、本発明を完成するに至った。 Furthermore, this polymer does not contain a fluorine atom, or even if it contains it, its content has been greatly reduced, and it has been found that the above-mentioned problems relating to the recovery and reuse of catalyst metals can be solved. It came to be completed.
本発明の構成は以下の通りである。
[1]一般式(1)で表される構造単位を含有するポリアリーレン系共重合体を含んでなるこ
と高分子型燃料電池用電極電解質。
The configuration of the present invention is as follows.
[1] An electrode electrolyte for a polymer type fuel cell, comprising a polyarylene copolymer containing a structural unit represented by the general formula (1).
[式(1)中、A、D、Eは直接結合、−O−、−S−、−CO−、−SO2−、−SO−
、−CONH−、−COO−、−(CF2)f−(fは1〜10の整数である)、−(CH2)h−(hは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基からな
る群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。
Wherein (1), A, D, E is a direct bond, -O -, - S -, - CO -, - SO 2 -, - SO-
, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) f — (f is an integer of 1 to 10), — (CH 2 ) h — (h is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2- (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group), at least one structure selected from the group consisting of a cyclohexylidene group and a fluorenylidene group.
Bは独立に酸素原子または硫黄原子を示し、Xはフッ素を除くハロゲン原子、−OSO2CH3および−OSO2CF3から選ばれる原子または基を示す。
R1〜R28は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル
基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基およびニトリル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示す。
B independently represents an oxygen atom or a sulfur atom, and X represents an atom or group selected from a halogen atom excluding fluorine, —OSO 2 CH 3 and —OSO 2 CF 3 .
R 1 to R 28 may be the same as or different from each other, and may be a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group in which some or all are halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group, and a nitrile group. At least one atom or group selected from the group consisting of
l、oは0〜4の整数を示し、mは1〜4の整数を示し、qは2以上の整数を示す。n、p、は各ユニットの組成比を示し0から1の値をとり、n+p=1である。ただし、nは0以外の値をとる。]
[2]前記(1)式で現される構造単位が、下記一般式(2)で表される構造単位である[1]の高分子型燃料電池用電極電解質。
l and o represent an integer of 0 to 4, m represents an integer of 1 to 4, and q represents an integer of 2 or more. n and p indicate the composition ratio of each unit and take a value of 0 to 1, where n + p = 1. However, n takes a value other than 0. ]
[2] The polymer electrolyte fuel cell electrode electrolyte according to [1], wherein the structural unit represented by the formula (1) is a structural unit represented by the following general formula (2).
[式(2)中、A、Eは直接結合、−O−、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CF2)f
−(fは1〜10の整数である)、−(CH2)h−(hは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シク
ロヘキシリデン基、フルオレニリデン基からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。
Wherein (2), A, E is a direct bond, -O -, - CO -, - SO 2 -, - SO -, - (CF 2) f
- (f is an integer of 1 to 10), - (CH 2) h - (h is an integer of 1 to 10), - CR '2 - ( R' is an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon A hydrogen group and a halogenated hydrocarbon group), at least one structure selected from the group consisting of a cyclohexylidene group and a fluorenylidene group.
Dは直接結合、−O−、−CO−、−(CH2)h−(hは1〜10の整数である)、−CR
’’2−(R’’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基)、Xはフッ素を除くハロゲン原
子から選ばれる原子を示す。R1〜R28は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子
、フッ素原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基およびニトリル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示す。また、l、oは0〜4の整数を示し、qは2以上の整数を示す。n、p、は各ユニットの組成比を示し0から1の値をとり、n+p=1である。ただし、nは0以外の値をとる。]
[3]下記一般式(3)で表される構造単位である[2]の高分子型燃料電池用電極電解質。
D is a direct bond, —O—, —CO—, — (CH 2 ) h — (h is an integer of 1 to 10), —CR
" 2- (R" represents an aliphatic hydrocarbon group or aromatic hydrocarbon group), and X represents an atom selected from halogen atoms excluding fluorine. R 1 to R 28 may be the same as or different from each other, and are selected from a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group, an allyl group, an aryl group, a nitro group, and a nitrile group, which are partially or completely halogenated. At least one atom or group selected from the group consisting of: L and o each represent an integer of 0 to 4, and q represents an integer of 2 or more. n and p indicate the composition ratio of each unit and take a value of 0 to 1, where n + p = 1. However, n takes a value other than 0. ]
[3] The polymer electrolyte fuel cell electrode electrolyte of [2], which is a structural unit represented by the following general formula (3).
[式(3)中、Xはフッ素を除くハロゲン原子から選ばれる原子を示し、Dは、−O−、−CR’’2−(R’’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基)を示す。Pは下記一般式(4−1)〜(4−3)で表される構造から選ばれる少なくとも一種の構造であり、Qは下記一
般式(5−1)〜(5−12)で表される構造から選ばれる少なくとも一種の構造である。また、qは2以上の整数を示す。n、p、は各ユニットの組成比を示し0から1の値をとり、n+p=1である。ただし、nは0以外の値をとる。]
[In the formula (3), X represents an atom selected from halogen atoms excluding fluorine, D represents —O—, —CR ″ 2 — (R ″ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group; ). P is at least one structure selected from structures represented by the following general formulas (4-1) to (4-3), and Q is represented by the following general formulas (5-1) to (5-12). At least one structure selected from the following structures. Q represents an integer of 2 or more. n and p indicate the composition ratio of each unit and take a value of 0 to 1, where n + p = 1. However, n takes a value other than 0. ]
[4]上記一般式(3)において、n=0.3〜1の値をとる[3]の高分子型燃料電池用電極電解質。
[5]上記ポリアリーレン系共重合体が、さらに下記一般式(6)で表される構造単位を含む[1]〜[4]の高分子型燃料電池用電極電解質。
[4] The polymer electrolyte fuel cell electrode electrolyte according to [3], wherein in the general formula (3), n = 0.3 to 1.
[5] The polymer electrolyte fuel cell electrode electrolyte according to [1] to [4], wherein the polyarylene copolymer further contains a structural unit represented by the following general formula (6).
(式中、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)f−(lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Zは直接結合または、−(CH2)h−(hは1〜10の整数である)、−C(CH3)2−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Arは−
SO3Hまたは−O(CH2)rSO3Hまたは−O(CF2)rSO3Hで表される置換基を有す
る芳香族基を示す。rは1〜12の整数を示し、jは0〜10の整数を示し、kは0〜10
の整数を示し、iは1〜4の整数を示す。)
[6][1]〜[5]の電解質と触媒粒子および溶媒を含む電極ペースト。
[7][1]〜[5]の電解質と触媒粒子とを含む固体高分子型燃料電池用電極。
[8][7]の電極を、高分子電解質膜の少なくとも片面に備える膜−電極接合体。
Wherein Y is —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) f — (l is an integer of 1 to 10), —C (CF 3) 2 - represents at least one structure selected from the group consisting of, Z is a direct bond or, - (CH 2) h - (h is an integer of 1 to 10), - C (CH 3) 2 represents at least one structure selected from the group consisting of —, —O—, and —S—, and Ar represents —
An aromatic group having a substituent represented by SO 3 H or —O (CH 2 ) r SO 3 H or —O (CF 2 ) r SO 3 H is shown. r represents an integer of 1 to 12, j represents an integer of 0 to 10, and k represents 0 to 10
I represents an integer of 1 to 4. )
[6] An electrode paste comprising the electrolyte of [1] to [5], catalyst particles, and a solvent.
[7] An electrode for a polymer electrolyte fuel cell comprising the electrolyte according to [1] to [5] and catalyst particles.
[8] A membrane-electrode assembly comprising the electrode according to [7] on at least one surface of a polymer electrolyte membrane.
本発明によれば、4,4’−(1,3−フェニレンジイソプロピリデン)ビスフェノールに代表される3つ以上連続するベンゼン環を有するモノマーから合成される化合物から導かれる疎水性を有する構造単位を含んでいるので、スルホン酸基を高い濃度で導入しても、メタノール耐性が高く、加工性に優れ、プロトン伝導度が高い電極電解質が得られる。また、本発明によれば安価で、触媒金属の回収が容易であり、プロトン伝導性や寸法安定性に優れ、熱水耐性や機械的特性に優れた、固体高分子型燃料電池用電極電解質が提供される。さらに該電解質を含む、電極ペースト、電極、触媒付電解質膜を提供し、固体高分子型燃料電池の発電性能向上に寄与するものである。 According to the present invention, a structural unit having hydrophobicity derived from a compound synthesized from a monomer having three or more continuous benzene rings represented by 4,4 ′-(1,3-phenylenediisopropylidene) bisphenol Therefore, even if a sulfonic acid group is introduced at a high concentration, an electrode electrolyte having high methanol resistance, excellent workability, and high proton conductivity can be obtained. In addition, according to the present invention, there is provided an electrode electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell that is inexpensive, easily recovers catalytic metal, has excellent proton conductivity and dimensional stability, and has excellent hot water resistance and mechanical properties. Provided. Furthermore, the present invention provides an electrode paste, an electrode, and a catalyst-attached electrolyte membrane containing the electrolyte, and contributes to improvement in power generation performance of a solid polymer fuel cell.
(電極電解質)
本発明の固体高分子型燃料電池用電極電解質は、4,4’−(1,3−フェニレンジイ
ソプロピリデン)ビスフェノールに代表される3つ以上連続するベンゼン環を有するモノ
マーから誘導される構造単位を含むポリアリーレン系共重合体を含む。
(Electrode electrolyte)
An electrode electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is a structural unit derived from a monomer having three or more continuous benzene rings represented by 4,4 ′-(1,3-phenylenediisopropylidene) bisphenol. A polyarylene-based copolymer.
[ポリアリーレン系共重合体]
本発明で使用されるポリアリーレン系共重合体は、下記一般式(1)で表される構造単位を含有する。この構造単位は、重合体に重合体に疎水部を付与する。
[Polyarylene copolymer]
The polyarylene copolymer used in the present invention contains a structural unit represented by the following general formula (1). This structural unit imparts a hydrophobic portion to the polymer.
また、このような3つ以上連続するベンゼン環を有しているため主鎖骨格が柔軟であり、熱変形温度を低下させることもできる。このため、ホットプレスを用いた燃料電池製作時の加工性ならびに電極との接合性を改善させる作用を有する。 Moreover, since it has three or more continuous benzene rings, the main chain skeleton is flexible and the heat distortion temperature can be lowered. For this reason, it has the effect | action which improves the workability at the time of fuel cell manufacture using a hot press, and joining property with an electrode.
このような疎水性を有する構造単位を含んでいるので、スルホン酸基を高い濃度で導入しても、メタノール耐性が高く、加工性に優れ、プロトン伝導度が高い高分子電解質およびプロトン伝導膜を形成できる。 Since such a hydrophobic structural unit is included, a polymer electrolyte and a proton conductive membrane having high methanol resistance, excellent processability, and high proton conductivity even when a sulfonic acid group is introduced at a high concentration. Can be formed.
なお、2つ以下の連続するベンゼン環を有する化合物では、スルホン酸基を高濃度で導入すると、メタノール耐性が低く、また、加工性が劣り、さらには電極などとの接着性が低下することがある。 In addition, in a compound having two or less continuous benzene rings, introduction of a sulfonic acid group at a high concentration may result in low methanol resistance, poor processability, and lower adhesion to electrodes and the like. is there.
式(1)中、l、oは0〜4の整数を示し、mは1〜4の整数を示し、qは2以上の整数を示す。n、pは各ユニットの組成比を示し0から1の値をとり、n+p=1である。ただし、nは0以外の値をとる。これらのうち、mは1が好ましく、lは、0か1が好ましい。また、nは0.3〜1の値をとることが好ましい。 In formula (1), l and o represent an integer of 0 to 4, m represents an integer of 1 to 4, and q represents an integer of 2 or more. n and p indicate the composition ratio of each unit and take a value of 0 to 1, where n + p = 1. However, n takes a value other than 0. Of these, m is preferably 1, and l is preferably 0 or 1. Moreover, it is preferable that n takes the value of 0.3-1.
A、Eは直接結合、−O−、−S−、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−
、−COO−、−(CF2)f−(fは1〜10の整数である)、−(CH2)h−(hは1〜10の
整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン
化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基からなる群より選ば
れた少なくとも1種の構造を示す。ここで、−CR’2−で表される構造の具体的な例と
して、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、プロピル基、オクチル基、デシル基、オクタデシル基、フェニル基、トリフルオロメチル基、などが挙げられる。
A and E are direct bonds, —O—, —S—, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—.
, —COO—, — (CF 2 ) f — (f is an integer of 1 to 10), — (CH 2 ) h — (h is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R 'Represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group), at least one structure selected from the group consisting of a cyclohexylidene group and a fluorenylidene group. Here, specific examples of the structure represented by —CR ′ 2 — include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, propyl group, octyl group, decyl group. Group, octadecyl group, phenyl group, trifluoromethyl group, and the like.
これらのうち、直接結合または、−O−、−CO−、−SO−、−SO2−、−CR’2−、−(CF2)f−、−(CH2)h−、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基が好ましい。 Among these, a direct bond or a, -O -, - CO -, - SO -, - SO 2 -, - CR '2 -, - (CF 2) f -, - (CH 2) h -, cyclohexylidene Group and fluorenylidene group are preferred.
Bは独立に酸素原子または硫黄原子を示し、酸素原子が好ましい。
Dは、直接結合、−O−、−S−、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、
−COO−、−(CF2)f−(fは1〜10の整数である)、−(CH2)h−(hは1〜10の整
数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化
炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基からなる群より選ばれ
た少なくとも1種の構造を示す。ここで、−CR’2−で表される構造の具体的な例とし
て、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、プロピル基、オクチル基、デシル基、オクタデシル基、フェニル基、トリフルオロメチル基、などが挙げられる。これらのうち、直接結合、−O−、−SO−、−(C
H2)h−、−CR'’2−(R’'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基示す)が好ましい。
B independently represents an oxygen atom or a sulfur atom, preferably an oxygen atom.
D is a direct bond, —O—, —S—, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—,
—COO—, — (CF 2 ) f — (f is an integer of 1 to 10), — (CH 2 ) h — (h is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ Represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group), and represents at least one structure selected from the group consisting of a cyclohexylidene group and a fluorenylidene group. Here, specific examples of the structure represented by —CR ′ 2 — include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, propyl group, octyl group, decyl group. Group, octadecyl group, phenyl group, trifluoromethyl group, and the like. Of these, direct bond, -O-, -SO-,-(C
H 2 ) h — and —CR ″ 2 — (R ″ represents an aliphatic hydrocarbon group or an aromatic hydrocarbon group) are preferred.
Xはフッ素を除くハロゲン原子、−OSO2CH2および−OSO2CF2から選ばれる原子または基を示し、特にフッ素を除くハロゲン原子が、特にClまたはBrが好ましい。
R1〜R28は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル
基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基およびニトリル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示す。
X represents a halogen atom excluding fluorine, an atom or group selected from —OSO 2 CH 2 and —OSO 2 CF 2, and a halogen atom excluding fluorine is particularly preferably Cl or Br.
R 1 to R 28 may be the same as or different from each other, and may be a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group in which some or all are halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group, and a nitrile group. At least one atom or group selected from the group consisting of
前記構造単位としては、下記(2)で示す構造単位が好適である。 As the structural unit, a structural unit represented by the following (2) is preferable.
[式(2)中、A、Eは直接結合、−O−、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CF2)f
−(fは1〜10の整数である)、−(CH2)h−(hは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シク
ロヘキシリデン基、フルオレニリデン基からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。
Wherein (2), A, E is a direct bond, -O -, - CO -, - SO 2 -, - SO -, - (CF 2) f
- (f is an integer of 1 to 10), - (CH 2) h - (h is an integer of 1 to 10), - CR '2 - ( R' is an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon A hydrogen group and a halogenated hydrocarbon group), at least one structure selected from the group consisting of a cyclohexylidene group and a fluorenylidene group.
Dは直接結合、−O−、−CO−、−(CH2)h−(hは1〜10の整数である)、−CR
’’2−(R’’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基)、Xはフッ素を除くハロゲン原
子から選ばれる原子を示す。R1〜R28は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子
、フッ素原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基およびニトリル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示す。また、l、oは0〜4の整数を示し、qは2以上の整数を示す。n、p、は各ユニットの組成比を示し0から1の値をとり、n+p=1である。ただし、nは0以外の値をとる。]
上記構造単位としては下記式(3)で表される化合物がより好適である。
D is a direct bond, —O—, —CO—, — (CH 2 ) h — (h is an integer of 1 to 10), —CR
" 2- (R" represents an aliphatic hydrocarbon group or aromatic hydrocarbon group), and X represents an atom selected from halogen atoms excluding fluorine. R 1 to R 28 may be the same as or different from each other, and are selected from a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group, an allyl group, an aryl group, a nitro group, and a nitrile group, which are partially or completely halogenated. At least one atom or group selected from the group consisting of: L and o each represent an integer of 0 to 4, and q represents an integer of 2 or more. n and p indicate the composition ratio of each unit and take a value of 0 to 1, where n + p = 1. However, n takes a value other than 0. ]
As the structural unit, a compound represented by the following formula (3) is more preferable.
[式(3)中、Xはフッ素を除くハロゲン原子から選ばれる原子を示し、Dは、−O−、−CR’’2−(R’’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基)を示す。Pは下記一般式(4−1)〜(4−3)で表される構造から選ばれる少なくとも一種の構造であり、Qは下記一
般。また、qは2以上の整数を示す。n、p、は各ユニットの組成比を示し0から1の値をとり、n+p=1である。ただし、nは0以外の値をとる。]
[In the formula (3), X represents an atom selected from halogen atoms excluding fluorine, D represents —O—, —CR ″ 2 — (R ″ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group; ). P is at least one structure selected from the structures represented by the following general formulas (4-1) to (4-3), and Q is the following general formula. Q represents an integer of 2 or more. n and p indicate the composition ratio of each unit and take a value of 0 to 1, where n + p = 1. However, n takes a value other than 0. ]
以上の式(1)で表される構造単位は、下記式(1')で現されるモノマーより誘導される。 The structural unit represented by the above formula (1) is derived from a monomer represented by the following formula (1 ′).
式(1')において、各符号および、好ましい範囲は、前記した式(1)で表される構造
単位と同様である。このようなモノマーは、たとえば、次のような反応により合成することができる。
In the formula (1 ′), each symbol and a preferable range are the same as those of the structural unit represented by the formula (1). Such a monomer can be synthesized, for example, by the following reaction.
まず、2価の原子もしくは有機基または直接結合で連結されたビスフェノールを、対応するビスフェノールのアルカリ金属塩とするために、N−メチル−2−ピロリドン、N,
N-ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジフェニルスルホン、ジメチルスルホキサイド
などの誘電率の高い極性溶媒中で、リチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属、水素化アルカリ金属、水酸化アルカリ金属、アルカリ金属炭酸塩などを加える。アルカリ金属はフェノールの水酸基に対し、過剰気味で反応させ、通常、1.1〜2倍当量、好ましくは1.2〜1.5倍当量で使用する。このとき、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、アニソールなどの水と共沸する溶媒を共存させて、反応の進行を促進させることが好ましい。
First, in order to convert a divalent atom or organic group or a bisphenol linked by a direct bond into an alkali metal salt of the corresponding bisphenol, N-methyl-2-pyrrolidone, N,
In polar solvents with high dielectric constant such as N-dimethylacetamide, sulfolane, diphenylsulfone, dimethylsulfoxide, alkali metals such as lithium, sodium and potassium, alkali metal hydrides, alkali metal hydroxides, alkali metal carbonates, etc. Add The alkali metal is reacted in excess with respect to the hydroxyl group of phenol, and is usually used in an amount of 1.1 to 2 times equivalent, preferably 1.2 to 1.5 times equivalent. At this time, it is preferable to promote the progress of the reaction by coexisting a solvent azeotropic with water such as benzene, toluene, xylene, chlorobenzene, and anisole.
次いで、上記ビスフェノールのアルカリ金属塩と、塩素等のハロゲン原子およびニトリル基で置換されたジハロゲン化物化合物とを反応させる。
上記ビスフェノール類のうち3つ以上連続するベンゼン環を有するものとして、4,4’−(1,3−フェニレンジイソプロピリデン)ビスフェノール、4,4’−(1,4−フ
ェニレンジイソプロピリデン)ビスフェノール、1,3−(4−ヒドロキシベンゾイルベンゼン)、1,4−(4−ヒドロキシベンゾイルベンゼン)、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ベンゼン、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ベンゼンな
どが挙げられる。なかでも、4,4’−(1,3−フェニレンジイソプロピリデン)ビスフェノール、4,4’−(1,4−フェニレンジイソプロピリデン)ビスフェノールが好ましい。
Next, the alkali metal salt of bisphenol is reacted with a dihalide compound substituted with a halogen atom such as chlorine and a nitrile group.
Among the above bisphenols, those having three or more continuous benzene rings include 4,4 ′-(1,3-phenylenediisopropylidene) bisphenol and 4,4 ′-(1,4-phenylenediisopropylidene) bisphenol. 1,3- (4-hydroxybenzoylbenzene), 1,4- (4-hydroxybenzoylbenzene), 1,3-bis (4-hydroxyphenoxy) benzene, 1,4-bis (4-hydroxyphenoxy) benzene 1,4-bis (4-hydroxyphenyl) benzene, 1,3-bis (4-hydroxyphenyl) benzene, and the like. Of these, 4,4 ′-(1,3-phenylenediisopropylidene) bisphenol and 4,4 ′-(1,4-phenylenediisopropylidene) bisphenol are preferable.
また、他のビスフェノールとして、4,4’−イソプロピリデンビフェノール、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)-1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロパン、4,4’−ビ
スヒドロキシベンゾフェノン、4,4’−ビスヒドロキシジフェニルスルホン、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、4,4’−ジヒドロキシビフェニル、ビス(4―ヒ
ドロキシフェニル)メタン、レゾルシノール、ヒドロキノン、2,6−ジヒドロキシナフ
タレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、4,4’−イソプロピリデンビス(2−フェニルフェノール)、4,4’−シクロヘキシリデンビス(2−シクロヘキ
シルフェノール)などが挙げられる。
Other bisphenols include 4,4′-isopropylidenebiphenol, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane, and 4,4′-bis. Hydroxybenzophenone, 4,4′-bishydroxydiphenyl sulfone, 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 4,4′-dihydroxybiphenyl, bis (4-hydroxyphenyl) methane, resorcinol, hydroquinone, 2,6-dihydroxynaphthalene, 9 , 9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 4,4′-isopropylidenebis (2-phenylphenol), 4,4′-cyclohexylidenebis (2-cyclohexylphenol), and the like.
上記ジハロゲン化合物としては、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4−クロロ−4’−フルオロベンゾフェノン、2−クロロ−4’−フルオロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、2,6−ジニトロベンゾニトリル、2,5−ジニトロベンゾニトリル、2,4−ジニトロベンゾニトリル、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,5−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,5−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、2−クロロ−6−フルオロベンゾニトリルなどが挙げられる。 Examples of the dihalogen compound include 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-difluorobenzophenone, 4-chloro-4′-fluorobenzophenone, 2-chloro-4′-fluorobenzophenone, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone. 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 2,6-dinitrobenzonitrile, 2,5-dinitrobenzonitrile, 2,4-dinitrobenzonitrile, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,5-dichlorobenzonitrile, Examples include 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,5-difluorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, 2-chloro-6-fluorobenzonitrile and the like.
上記ジハロゲン化合物は、ビスフェノールに対し1.0001〜3倍モル、好ましくは1.001〜2倍モルの量で用いられる。また両末端が塩素原子となるように、反応終了後に、例えば、ジクロロ化合物を過剰に加えてさらに反応させてもよい。ジフルオロ化合物やジニトロ化合物を用いた場合には、反応後半でジクロロ化合物を添加するなどの方法で、両末端が塩素原子となるよう反応を工夫することが必要である。 The dihalogen compound is used in an amount of 1.0001 to 1 mol, preferably 1.001 to 2 mol based on bisphenol. Further, after the completion of the reaction, for example, an excess of a dichloro compound may be further reacted so that both ends are chlorine atoms. When a difluoro compound or a dinitro compound is used, it is necessary to devise the reaction so that both ends are chlorine atoms by a method such as adding a dichloro compound in the latter half of the reaction.
これらの反応は、反応温度が60℃〜300℃で、好ましくは80℃〜250℃の範囲、反応時間が15分〜100時間、好ましくは1時間〜24時間の範囲で行われる。
得られたオリゴマーないしポリマーは、ポリマーの一般的な精製方法、たとえば、溶解−沈殿の操作によって精製することができる。分子量の調整は、過剰の芳香族ジクロライドとビスフェノールとの反応モル比によって行う。芳香族ジクロライドが過剰にあるため、得られるオリゴマーないしポリマーの分子末端は、芳香族クロライドになっている。
These reactions are performed at a reaction temperature of 60 ° C to 300 ° C, preferably in the range of 80 ° C to 250 ° C, and in a reaction time of 15 minutes to 100 hours, preferably in the range of 1 hour to 24 hours.
The obtained oligomer or polymer can be purified by a general polymer purification method, for example, a dissolution-precipitation operation. The molecular weight is adjusted by the reaction molar ratio of excess aromatic dichloride and bisphenol. Since the aromatic dichloride is excessive, the molecular ends of the obtained oligomer or polymer are aromatic chlorides.
上記の方法で合成される化合物の具体的な構造として、以下のものを挙げることができる。 Specific examples of the compound synthesized by the above method include the following.
これらの化合物の中でも、好ましくは、4,4’-(1,3−フェニレンジイソプロピリデン)ビスフェノール、4,4’-(1,4−フェニレンジイソプロピリデン)ビスフェノール、から合成される化合物である。 Among these compounds, a compound synthesized from 4,4 ′-(1,3-phenylenediisopropylidene) bisphenol and 4,4 ′-(1,4-phenylenediisopropylidene) bisphenol is preferable. .
各ユニットの組成比をあらわすn、pの比を変えることにより、ポリマーのガラス転移温度を調整することができる。中でも、ポリマー加工性の観点から、n= 0.3〜1の値
をとる化合物が有用である。この範囲にあるものは、主鎖骨格が柔軟であるため、熱変形温度が低く、このため、ホットプレスを用いた燃料電池製作時の加工性ならびに電極との接合性を改善させることが可能となる。さらに、かかる芳香族化合物から導かれる疎水性を有する構造単位を含んでいるので、スルホン酸基を高い濃度で導入しても、メタノール耐性が高く、加工性に優れ、プロトン伝導度が高い電極電解質を形成できる。
The glass transition temperature of the polymer can be adjusted by changing the ratio of n and p representing the composition ratio of each unit. Among these, from the viewpoint of polymer processability, compounds having a value of n = 0.3 to 1 are useful. In this range, the main chain skeleton is flexible, so the thermal deformation temperature is low, and therefore it is possible to improve the workability and the bondability with the electrode when manufacturing a fuel cell using a hot press. Become. Furthermore, since it contains a structural unit having a hydrophobic property derived from such an aromatic compound, even when a sulfonic acid group is introduced at a high concentration, the electrode electrolyte has high methanol resistance, excellent workability, and high proton conductivity. Can be formed.
本発明で使用されるポリアリーレン系共重合体中に必須成分として含まれる構造単位は、かかるモノマーにおいて、末端のxが外れたものである。
本発明の電極電解質は、上記構造単位(1)以外に、プロトン伝導性を供与する構成単位を含んでいる。
The structural unit contained as an essential component in the polyarylene copolymer used in the present invention is a monomer in which the terminal x is removed in such a monomer.
In addition to the structural unit (1), the electrode electrolyte of the present invention includes a structural unit that provides proton conductivity.
このようなプロトン伝導性の構造単位としては、下記一般式(A)で表されるスルホン酸基を有する構造単位(スルホン酸ユニット)が好適である。
<スルホン酸ユニット>
As such a proton conductive structural unit, a structural unit (sulfonic acid unit) having a sulfonic acid group represented by the following general formula (A) is preferable.
<Sulphonic acid unit>
一般式(A)において、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO
−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。このうち、−CO−、−SO2−が好ましい。
In the general formula (A), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO.
It represents at least one structure selected from the group consisting of —, — (CF 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10) and —C (CF 3 ) 2 —. Of these, —CO— and —SO 2 — are preferable.
Zは直接結合または、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH3)2−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。このうち直接結合、−O−が好ましい。 Z is a direct bond or at least one selected from the group consisting of — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O—, and —S—. The structure of the species is shown. Among these, a direct bond and -O- are preferable.
Arは−SO3Hまたは−O(CH2)pSO3Hまたは−O(CF2)pSO3Hで表される置
換基(pは1〜12の整数を示す)を有する芳香族基を示す。
芳香族基として具体的には、フェニル基、ナフチル基、アントリル基、フェナントリル基などが挙げられる。これらの基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。−SO3
Hまたは−O(CH2)pSO3Hまたは−O(CF2)pSO3Hで表される置換基(pは1〜1
2の整数を示す)は、少なくとも1個置換されていることが必要であり、ナフチル基であ
る場合には2個以上置換していることが好ましい。
Ar is an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H or —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p represents an integer of 1 to 12). Indicates.
Specific examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthryl group, and a phenanthryl group. Of these groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable. -SO 3
A substituent represented by H or —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p is 1 to 1
2 represents an integer of 2), it is necessary that at least one is substituted, and in the case of a naphthyl group, two or more are preferably substituted.
jは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、kは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、iは1〜4の整数を示す。
j、kの値とY、Z、Arの構造についての好ましい組み合わせとして、(1)j=0、k=0であり、Yは−CO−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基
である構造、(2)j=1、k=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、(3)j=1、k=1、i=1
であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有す
るフェニル基である構造、(4)j=1、k=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として2個の−SO3Hを有するナフチル基である構造、(5)j=
1、k=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−O(
CH2)4SO3Hを有するフェニル基である構造などを挙げることができる。
j is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, k is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and i is an integer of 1 to 4.
As a preferred combination of the values of j and k and the structures of Y, Z and Ar, (1) j = 0, k = 0, Y is —CO—, and Ar is substituted with —SO 3 H. (2) j = 1, k = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent. A certain structure, (3) j = 1, k = 1, i = 1
Y is —CO—, Z is —O—, Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent, (4) j = 1, k = 0, Y Is —CO—, Z is —O—, and Ar is a naphthyl group having two —SO 3 H as a substituent, (5) j =
1, k = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is —O (
CH 2), such as structure that is a phenyl group having a 4 SO 3 H and the like.
電極電解質として好適に用いられるスルホン酸基を有するポリアリーレンは、具体的には下記一般式(C)で表される重合体である。
<ポリマー構造>
The polyarylene having a sulfonic acid group suitably used as an electrode electrolyte is specifically a polymer represented by the following general formula (C).
<Polymer structure>
一般式(C)において、A、B、D、E、Y、Z、Ar、i、k、j、l、m、n、o、p、qおよびR1〜R28は、それぞれ上記一般式(1)および(A)中のA、B、D、E、Y
、Z、Ar、i、k、j、l、m、n、o、p、qおよびR1〜R28と同義である。x、
yはx+y=100モル%とした場合のモル比を示す。
In the general formula (C), A, B, D, E, Y, Z, Ar, i, k, j, l, m, n, o, p, q, and R 1 to R 28 are each the above general formula. A, B, D, E, Y in (1) and (A)
, Z, Ar, i, k, j, l, m, n, o, p, q and R 1 to R 28 . x,
y represents the molar ratio when x + y = 100 mol%.
本発明で用いられるスルホン酸基を有するポリアリーレンは、式(A)で表される構造単位すなわちxのユニットを0.5〜99.999モル%、好ましくは10〜99.9モル%の割合で、式(B)で表される構造単位すなわちyのユニットを99.5〜0.001モル%、好ましくは90〜0.1モル%の割合で含有している。 The polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention is a proportion of 0.5 to 99.999 mol%, preferably 10 to 99.9 mol% of the structural unit represented by the formula (A), that is, the unit of x. The structural unit represented by the formula (B), that is, the unit of y is contained in a proportion of 99.5 to 0.001 mol%, preferably 90 to 0.1 mol%.
ポリアリーレン系重合体は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーで測定したポリスチレン換算の重量平均分子量(以下、単に「重量平均分子量」という)は1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。
<ポリマーの製造方法>
スルホン酸基を有するポリアリーレンの製造には、例えば下記に示すA法、B法、C法の3通りの方法を用いることができる。
The polyarylene polymer has a polystyrene-equivalent weight average molecular weight (hereinafter simply referred to as “weight average molecular weight”) measured by gel permeation chromatography is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000.
<Method for producing polymer>
For the production of polyarylene having a sulfonic acid group, for example, the following three methods, Method A, Method B and Method C, can be used.
(A法)
例えば、特開2004−137444号公報に記載の方法で、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーと、上記一般式(1)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを製造し、このスルホン酸エステル基を脱エステル化して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基に変換することにより合成することができる。
(Method A)
For example, in the method described in JP-A No. 2004-137444, a monomer having a sulfonate group that can be a structural unit represented by the general formula (A), and a structural unit represented by the general formula (1) A polyarylene having a sulfonic acid ester group is produced by copolymerization with a monomer or oligomer that can be synthesized, and the sulfonic acid ester group is deesterified, and then the sulfonic acid ester group is converted into a sulfonic acid group. be able to.
(B法)
例えば、特開2001−342241号公報に記載の方法で、上記一般式(A)で表される骨格を有しスルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しないモノマーと、上記一般式(1)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、この重合体を、スルホン化剤を用いて、スルホン化することにより合成することもできる。
(Method B)
For example, in the method described in JP-A-2001-342241, a monomer having a skeleton represented by the general formula (A) and not having a sulfonic acid group or a sulfonic acid ester group, and the general formula (1) It is also possible to synthesize this polymer by copolymerizing a monomer or oligomer that can be a structural unit represented and sulfonating the polymer using a sulfonating agent.
(C法)
一般式(A)において、Arが−O(CH2)pSO3Hまたは−O(CF2)pSO3Hで表される置換基を有する芳香族基である場合には、例えば、特開2005−60625号公報に記載の方法で、上記一般式(A)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーと、上記一般式(1)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合
させ、次にアルキルスルホン酸またはフッ素置換されたアルキルスルホン酸を導入する方法で合成することもできる。
(A法)において用いることのできる、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーの具体的な例として、特開2004−137444、特開2004−345997号公報、特開2004−346163号公報に記載されているスルホン酸エステル類を挙げることができる。
(B法)において用いることのできる、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるスルホン酸基、またはスルホン酸エステル基を有しないモノマーの具体的な例として、特開2001−342241号公報、特開2002−293889号公報に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。
(C法)において用いることのできる、上記一般式(A)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーの具体的な例として、特開2005−36125号公報に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。
(Method C)
In the general formula (A), when Ar is an aromatic group having a substituent represented by —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H, for example, A precursor monomer that can be the structural unit represented by the general formula (A) and a monomer or oligomer that can be the structural unit represented by the general formula (1) by the method described in JP-A-2005-60625 Can be synthesized by a method in which an alkylsulfonic acid or a fluorine-substituted alkylsulfonic acid is introduced.
As specific examples of the monomer having a sulfonic acid ester group that can be used in (Method A) and can be the structural unit represented by the general formula (A), JP-A Nos. 2004-137444 and 2004-345997 are disclosed. Examples thereof include sulfonic acid esters described in JP-A-2004-346163.
As a specific example of a monomer having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group that can be a structural unit represented by the above general formula (A) that can be used in (Method B), JP-A-2001-342241 Examples thereof include dihalides described in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-293889.
Specific examples of precursor monomers that can be used in (Method C) and can be structural units represented by the above general formula (A) include dihalides described in JP-A-2005-36125. Can be mentioned.
なお、一般式(1)で表される構造単位となりうる前駆体は前記した通り、式(1‘)で表されるモノマーである。
スルホン酸基を有するポリアリーレンを得るためは、まず、これらの、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるモノマーと、上記一般式(1)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、前駆体のポリアリーレンを得ることが必要である。この共重合は、触媒の存在下に行われるが、この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系としては、(1)遷移金属塩および配位子となる化合物(以下、「配位子成分」という。)、または配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)、ならびに(2)還元剤を必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために、「塩」を添加してもよい。
In addition, the precursor which can be a structural unit represented by the general formula (1) is a monomer represented by the formula (1 ′) as described above.
In order to obtain a polyarylene having a sulfonic acid group, first, a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (A), a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (1), Alternatively, it is necessary to copolymerize with an oligomer to obtain a precursor polyarylene. This copolymerization is carried out in the presence of a catalyst, and the catalyst used in this case is a catalyst system containing a transition metal compound. This catalyst system is (1) a transition metal salt and a ligand. A compound (hereinafter referred to as “ligand component”) or a transition metal complex coordinated with a ligand (including a copper salt) and (2) a reducing agent as essential components, and further increase the polymerization rate. Therefore, “salt” may be added.
これらの触媒成分の具体的な例、各成分の使用割合、反応溶媒、濃度、温度、時間等の重合条件としては、特開2001−342241号公報に記載の化合物を挙げることができる。 Specific examples of these catalyst components, the use ratio of each component, the polymerization conditions such as the reaction solvent, concentration, temperature, time, etc. include the compounds described in JP-A No. 2001-342241.
スルホン酸基を有するポリアリーレンは、この前駆体のポリアリーレンをスルホン酸基を有するポリアリーレンに変換して得ることができる。この方法としては、下記の3通りの方法がある。
(A法)前駆体のスルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを、特開2004−137444号公報に記載の方法で脱エステル化する方法。
(B法)前駆体のポリアリーレンを、特開2001−342241号公報に記載の方法でスルホン化する方法。
(C法)前駆体のポリアリーレンに、特開2005−60625号公報に記載の方法で、アルキルスルホン酸基を導入する方法。
The polyarylene having a sulfonic acid group can be obtained by converting the precursor polyarylene to a polyarylene having a sulfonic acid group. As this method, there are the following three methods.
(Method A) A method of deesterifying a polyarylene having a sulfonic acid ester group as a precursor by the method described in JP-A-2004-137444.
(Method B) A method of sulfonating a precursor polyarylene by the method described in JP-A-2001-342241.
(Method C) A method of introducing an alkylsulfonic acid group into the precursor polyarylene by the method described in JP-A-2005-60625.
上記のような方法により製造される、一般式(C)のスルホン酸基を有するポリアリーレンの、イオン交換容量は通常0.3〜5meq/g、好ましくは0.5〜3meq/g、さらに好ましくは0.8〜2.8meq/gである。0.3meq/g未満では、プロトン伝導度が低く発電性能が低い。一方、5meq/gを超えると、耐水性が大幅に低下してしまうことがあるため好ましくない。 The polyarylene having a sulfonic acid group of the general formula (C) produced by the above method has an ion exchange capacity of usually 0.3 to 5 meq / g, preferably 0.5 to 3 meq / g, more preferably Is 0.8 to 2.8 meq / g. If it is less than 0.3 meq / g, the proton conductivity is low and the power generation performance is low. On the other hand, if it exceeds 5 meq / g, the water resistance may be significantly lowered, which is not preferable.
上記のイオン交換容量は、例えば一般式(A)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーと、上記一般式(1)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーの種類、使用割合、組み合わせを変えることにより、調整することができる。具体的には、前記した組成比となるようにモノマーの割合を変えればよい。 The ion exchange capacity is, for example, a precursor monomer that can be a structural unit represented by the general formula (A), a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (1), or the kind of oligomer, and a use ratio. It can be adjusted by changing the combination. Specifically, the monomer ratio may be changed so that the composition ratio is as described above.
このようにして得られるスルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、ゲルパーミエションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。 The molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group thus obtained is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene-equivalent weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC).
このようなポリアリーレン系重合体は、特定の芳香族基を導入しておくことで、高いスルホン酸濃度の共重合体が合成でき、プロトン伝導度の高い材料設計が可能となり、高温条件下でのスルホン酸基の安定性を向上できるとともに、共重合体中のスルホン酸基を有さないユニットの組成比を増加させても、高いスルホン酸濃度の共重合体が合成でき、熱水耐性や機械的特性に優れた材料設計が可能となる。このような重合体は、燃料電池のプロトン伝導膜、電極電解質、結着剤として好適に使用できる。また、このようなポリアリーレン系重合体を含む電極電解質は、膜電極接合体としても好適である。 Such a polyarylene polymer can be synthesized by introducing a specific aromatic group so that a copolymer having a high sulfonic acid concentration can be synthesized, and a material design with high proton conductivity can be achieved. In addition to improving the stability of the sulfonic acid group, it is possible to synthesize a copolymer having a high sulfonic acid concentration even if the composition ratio of units having no sulfonic acid group in the copolymer is increased. Material design with excellent mechanical properties is possible. Such a polymer can be suitably used as a proton conductive membrane, an electrode electrolyte, and a binder for a fuel cell. An electrode electrolyte containing such a polyarylene polymer is also suitable as a membrane electrode assembly.
本発明に係る電極電解質は、上記した重合体を含むものであればよく、このため、上記重合体のみから構成されるものであっても、さらに他の電解質を含んでいてもよい。他の電解質としては、従来より用いられていたNafion、Flemion、Aciplexも代表されるパーフルオロカーボン重合体、ポリスチレンスルホン酸などのビニル系ポリマーのスルホン化物、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトンなどの耐熱性高分子に、スルホン酸基またはリン酸基を導入したポリマーなどの有機系ポリマーが挙げられる。他の電解質を含む場合、その使用割合は、全電極電解質中に50重量%以下、好適には30重量%であることが望ましい。
(電極ペースト)
本発明の電極ペーストは、上記の電極電解質、触媒粒子、溶媒からなり、必要に応じて分散剤、炭素繊維などの他の成分を含んでいてもよい。
触媒粒子
触媒粒子は、触媒が、カーボン、金属酸化物の担体に担持されたもの、または、触媒の単体からなる。
The electrode electrolyte according to the present invention only needs to include the above-described polymer, and therefore, the electrode electrolyte may be composed of only the above-described polymer or may further include another electrolyte. Other electrolytes include perfluorocarbon polymers such as Nafion, Flemion, and Aciplex that have been used in the past, sulfonated products of vinyl polymers such as polystyrene sulfonic acid, polybenzimidazole, polyether ether ketone, and other heat resistance Examples of the polymer include organic polymers such as a polymer in which a sulfonic acid group or a phosphoric acid group is introduced. When other electrolytes are included, the ratio of use is desirably 50% by weight or less, preferably 30% by weight in the total electrode electrolyte.
(Electrode paste)
The electrode paste of the present invention is composed of the above-mentioned electrode electrolyte, catalyst particles, and solvent, and may contain other components such as a dispersant and carbon fiber as necessary.
Catalyst particles The catalyst particles are composed of a catalyst supported on carbon or a metal oxide support, or a single catalyst.
触媒としては、白金または白金合金が用いられる。白金合金を使用すると、電極触媒としての安定性や活性をさらに付与させることもできる。このような白金合金としては、白金以外の白金族の金属(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム)、鉄、コバルト、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛およびスズから選ばれる1種以上と白金との合金が好ましく、該白金合金には白金と合金化される金属との金属間化合物が含有されていてもよい。 Platinum or a platinum alloy is used as the catalyst. When a platinum alloy is used, stability and activity as an electrode catalyst can be further imparted. Such platinum alloys include platinum group metals other than platinum (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium), iron, cobalt, titanium, gold, silver, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, rhenium. An alloy of platinum and one or more selected from zinc and tin is preferable, and the platinum alloy may contain an intermetallic compound of a metal alloyed with platinum.
触媒は、単体でも、担体に担持された状態でも、触媒粒子を形成している。
上記触媒を担持する担体としては、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが、電子伝導性と比表面積の大きさから好ましく用いられる。また、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などを用いてもよい。
The catalyst forms catalyst particles, either alone or supported on a carrier.
As the carrier for supporting the catalyst, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black and acetylene black is preferably used in view of the electron conductivity and the specific surface area. Further, artificial graphite or carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, furan resin, and the like may be used.
上記オイルファーネスブラックとしては、キャボット社製「バルカンXC−72」、「バルカンP」、「ブラックパールズ880」、「ブラックパールズ1100」、「ブラックパールズ1300」、「ブラックパールズ2000」、「リーガル400」、ライオン社製「ケッチェンブラックEC」、三菱化学社製「#3150、#3250」などが挙げられる。また、上記アセチレンブラックとしては電気化学工業社製「デンカブラック」などが挙げられる。 Examples of the oil furnace black include “Vulcan XC-72”, “Vulcan P”, “Black Pearls 880”, “Black Pearls 1100”, “Black Pearls 1300”, “Black Pearls 2000”, and “Regal 400” manufactured by Cabot Corporation. “Ketjen Black EC” manufactured by Lion Corporation, “# 3150, # 3250” manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, and the like. Examples of the acetylene black include “DENKA BLACK” manufactured by Denki Kagaku Kogyo.
これらのカーボンの形態としては、粒子状のほか、繊維状も用いることができる。また
、カーボンに担持される触媒の量としては、有効に触媒活性が発揮できる量であれば特に制限されるものではないが、担持量がカーボン重量に対して、0.1〜9.0g-metal/g-carbon、好ましくは0.25〜2.4g-metal/g-carbonの範囲である。
As the form of these carbons, in addition to particles, fibers can also be used. Further, the amount of the catalyst supported on the carbon is not particularly limited as long as the catalyst activity can be effectively exhibited, but the supported amount is 0.1 to 9.0 g- with respect to the carbon weight. Metal / g-carbon, preferably in the range of 0.25 to 2.4 g-metal / g-carbon.
また、担体としては、カーボンの他に、金属酸化物、たとえば、チタニア、酸化亜鉛、シリカ、セリア、アルミナ、アルミナスピネル、マグネシア、ジルコニアなどであってもよい。 In addition to carbon, the carrier may be a metal oxide such as titania, zinc oxide, silica, ceria, alumina, alumina spinel, magnesia, zirconia, and the like.
溶媒
本発明の電極ペーストの溶媒としては、前記電解質を溶解または分散しうる溶媒であればよく、特に限定されるものではない。また1種類のみでなく、2種以上の溶媒を用いることもできる。
Solvent The solvent of the electrode paste of the present invention is not particularly limited as long as it can dissolve or disperse the electrolyte. Further, not only one type but also two or more types of solvents can be used.
具体的には、水、
メタノール、エタノール、n−プロピルアルコール、2−プロパノール、2−メチル−2−プロパノール、2−ブタノール、n−ブチルアルコール、2−メチル−1−プロパノール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、2−メチル−1−ブタノール、3−メチル−1−ブタノール、2−メチル−2−ブタノール、3−メチル−2−ブタノール、2,2−ジメチル1−プロパノール、シクロヘキサノール、1−ヘキサノー
ル、2−メチル−1−ペンタノール、2−メチル−2−ペンタノール、4−メチル−2−ペンタノール、2−エチル−1−ブタノール、1−メチルシクロヘキサノール、2−メチルシクロヘキサノール、3−メチルシクロヘキサノール、4−メチルシクロヘキサノール、1−オクタノール、2−オクタノール、2−エチル−1−ヘキサノール、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−(メトキシメトキシ)エタノール、2−イソプロポキシエタノール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノール、などのアルコール類、
エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセロールなどの多価アルコール類、
ジオキサン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジ−n−プロピルエーテル、ブチルエーテル、フェニルエーテル、イソペンチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、ビス(2−メトキシエチル)エーテル、ビス(2−エトキシエチル)エーテル、シネオール、ベンジルエチルエーテル、アニソール、フェネトール、アセタールなどのエーテル類、
アセトン、メチルエチルケトン、2−ペンタノン、3−ペンタノン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、2−ヘキサノン、4−メチル−2−ペンタノン、2−ヘプタノン、2,4−ジメチル−3−ペンタノン、2−オクタノンなどのケトン類、
γ-ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸−n−ブチル、酢酸イソブチル
、酢酸sec-ブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、3−メトキシブチルアセタート、酪酸メチル、酪酸エチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチルなどのエステル類、
ジメチルスルホキシド、N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリド
ン、テトラメチル尿素などの非プロトン性極性溶媒、
トルエン、キシレン、ヘプタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタンなどの炭化水素系溶媒、を挙げることができ、これらは1種類以上を組み合わせて用いることもできる。
Specifically, water,
Methanol, ethanol, n-propyl alcohol, 2-propanol, 2-methyl-2-propanol, 2-butanol, n-butyl alcohol, 2-methyl-1-propanol, 1-pentanol, 2-pentanol, 3- Pentanol, 2-methyl-1-butanol, 3-methyl-1-butanol, 2-methyl-2-butanol, 3-methyl-2-butanol, 2,2-dimethyl 1-propanol, cyclohexanol, 1-hexanol 2-methyl-1-pentanol, 2-methyl-2-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, 2-ethyl-1-butanol, 1-methylcyclohexanol, 2-methylcyclohexanol, 3- Methylcyclohexanol, 4-methylcyclohexanol, 1-octanol, 2-octa Nord, 2-ethyl-1-hexanol, 2-methoxyethanol, 2-ethoxyethanol, 2- (methoxymethoxy) ethanol, 2-isopropoxyethanol, 1-methoxy-2-propanol, 1-ethoxy-2-propanol, Alcohols such as
Polyhydric alcohols such as ethylene glycol, propylene glycol and glycerol,
Dioxane, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, diethyl ether, diisopropyl ether, di-n-propyl ether, butyl ether, phenyl ether, isopentyl ether, 1,2-dimethoxyethane, diethoxyethane, bis (2-methoxyethyl) ether, bis Ethers such as (2-ethoxyethyl) ether, cineol, benzyl ethyl ether, anisole, phenetole, acetal,
Ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, 2-pentanone, 3-pentanone, cyclopentanone, cyclohexanone, 2-hexanone, 4-methyl-2-pentanone, 2-heptanone, 2,4-dimethyl-3-pentanone, 2-octanone Kind,
γ-butyrolactone, ethyl acetate, propyl acetate, n-butyl acetate, isobutyl acetate, sec-butyl acetate, pentyl acetate, isopentyl acetate, 3-methoxybutyl acetate, methyl butyrate, ethyl butyrate, methyl lactate, ethyl lactate, lactic acid Esters such as butyl,
Aprotic polar solvents such as dimethyl sulfoxide, N-methylformamide, N, N-dimethylformamide, N, N-diethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, tetramethylurea,
Examples thereof include hydrocarbon solvents such as toluene, xylene, heptane, hexane, heptane, and octane, and these can be used in combination of one or more.
分散剤
必要に応じて含まれてよい分散剤としては、オレイン酸・N−メチルタウリン、オレイン酸カリウム・ジエタノールアミン塩、アルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、特殊変成ポリエーテルエステル酸のアミン塩、高級脂肪酸誘導体のアミン塩、特殊変成ポリエステル酸のアミン塩、高分子量ポリエーテルエステル酸のアミン塩、特殊変成燐酸
エステルのアミン塩、高分子量ポリエステル酸アミドアミン塩、特殊脂肪酸誘導体のアミドアミン塩、高級脂肪酸のアルキルアミン塩、高分子量ポリカルボン酸のアミドアミン塩、ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウムラウリル硫酸エステルナトリウム塩、セチル硫酸エステルナトリウム塩、ステアリル硫酸エステルナトリウム塩、オレイル硫酸エステルナトリウム塩、ラウリルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、αーオレフィンスルホン酸塩、高級アルコールリン酸モノエステルジナトリウム塩、高級アルコールリン酸ジエステルジナトリウム塩、ジアルキルジチオリン酸亜鉛等のアニオン界面活性剤、ベンジルジメチル{2−[2−(P−1,1,3,3−テトラメチルブチルフェノオキ
シ)エトオキシ]エチル}アンモニウムクロライド、オクタデシルアミン酢酸塩、テトラ
デシルアミン酢酸塩、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、牛脂トリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシジメチルベンジルアンモニウムクロライド、テトラデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、オクタデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、ジオレイルジメチルアンモニウムクロライド、1−ヒドロキシエチル-2-牛脂イミダゾリン4級塩、2−ヘプタデセニルーヒドロキシエチルイミダゾリン、
ステアラミドエチルジエチルアミン酢酸塩、ステアラミドエチルジエチルアミン塩酸塩、トリエタノールアミンモノステアレートギ酸塩、アルキルピリジウム塩、高級アルキルアミンエチレンオキサイド付加物、ポリアクリルアミドアミン塩、変成ポリアクリルアミドアミン塩、パーフルオロアルキル第4級アンモニウムヨウ化物等のカチオン界面活性剤、および
ジメチルヤシベタイン、ジメチルラウリルベタイン、ラウリルアミノエチルグリシンナトリウム、ラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン、アミドベタイン、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、3−[ω-フルオロアクカノイルーN−エチルアミノ]-1-プロパンスルホン酸ナトリウ
ム、N−[3-(パーフルオロオクタンスルホンアミド)プロピル]-N,N−ジメチル-N-カルボキシメチレンアンモニウムベタイン等の両性界面活性剤、およびヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、オレイン酸ジエタノールアミド(1:1型)、ヒドロキシエチルラウリルアミン、ポリエチレングリコールラウリルアミン、ポリエチレングリコールヤシアミン、ポリエチレングリコールステアリルアミン、ポリエチレングリコール牛脂アミン、ポリエチレングリコール牛脂プロピレンジアミン、ポリエチレングリコールジオレイルアミン、ジメチルラウリルアミンオキサイド、ジメチルステアリルアミンオキサイド、ジヒドロキシエチルラウリルアミンオキサイド、パーフルオロアルキルアミンオキサイド、ポリビニルピロリドン、高級アルコールエチレンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレンオキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物、グリセリンの脂肪酸エステル、ペンタエリスリットの脂肪酸エステル、ソルビットの脂肪酸エステル、ソルビタンの脂肪酸エステル、砂糖の脂肪酸エステル、等の非イオン界面活性剤、およびラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン等の両性界面活性剤などを挙げることができる。これらは1種単独で使用しても、2種類以上を組み合わせて用いることもできる。これらのなかでも、好ましくは、塩基性基を有する界面活性剤であり、より好ましくはアニオン性もしくは、カチオン性の界面活性剤であり、さらに好ましくは、分子量5千〜3万の界面活性剤である。
Dispersants Dispersants that may be included as necessary include oleic acid / N-methyltaurine, potassium oleate / diethanolamine salt, alkyl ether sulfate / triethanolamine salt, polyoxyethylene alkyl ether sulfate / triethanolamine salt , Amine salt of special modified polyether ester acid, amine salt of higher fatty acid derivative, amine salt of special modified polyester acid, amine salt of high molecular weight polyether ester acid, amine salt of special modified phosphoric acid ester, high molecular weight polyester acid amidoamine salt , Amidoamine salts of special fatty acid derivatives, alkylamine salts of higher fatty acids, amidoamine salts of high molecular weight polycarboxylic acids, sodium laurate, sodium stearate, sodium oleate sodium lauryl sulfate, Chyl sulfate sodium salt, stearyl sulfate sodium salt, oleyl sulfate sodium salt, lauryl ether sulfate ester salt, sodium alkylbenzene sulfonate, oil-soluble alkylbenzene sulfonate, α-olefin sulfonate, higher alcohol phosphate monoester di Anionic surfactants such as sodium salt, higher alcohol phosphate diester disodium salt, zinc dialkyldithiophosphate, benzyldimethyl {2- [2- (P-1,1,3,3-tetramethylbutylphenoxy) ethoxy] Ethyl} ammonium chloride, octadecylamine acetate, tetradecylamine acetate, octadecyltrimethylammonium chloride, tallow trimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium Chloride, palm trimethylammonium chloride, hexadecyltrimethylammonium chloride, behenyltrimethylammonium chloride, palm dimethylbenzylammonium chloride, tetradecyldimethylbenzylammonium chloride, octadecyldimethylbenzylammonium chloride, dioleyldimethylammonium chloride, 1-hydroxyethyl-2- Beef tallow imidazoline quaternary salt, 2-heptadecenyl-hydroxyethyl imidazoline,
Stearamide ethyl diethylamine acetate, stearamide ethyl diethylamine hydrochloride, triethanolamine monostearate formate, alkyl pyridium salt, higher alkyl amine ethylene oxide adduct, polyacrylamide amine salt, modified polyacrylamide amine salt, perfluoroalkyl Cationic surfactants such as quaternary ammonium iodide, and dimethyl coconut betaine, dimethyl lauryl betaine, sodium laurylaminoethylglycine, sodium laurylaminopropionate, stearyl dimethyl betaine, lauryl dihydroxyethyl betaine, amide betaine, imidazolinium betaine , Lecithin, sodium 3- [ω-fluoroaccanoyl-N-ethylamino] -1-propanesulfonate, N- [3- (perfluoro Octanesulfonamido) propyl] -N, N-dimethyl-N-carboxymethyleneammonium betaine and the like, coconut fatty acid diethanolamide (1: 2 type), coconut fatty acid diethanolamide (1: 1 type), cow Fatty acid diethanolamide (1: 2 type), bovine fatty acid diethanolamide (1: 1 type), oleic acid diethanolamide (1: 1 type), hydroxyethyl lauryl amine, polyethylene glycol lauryl amine, polyethylene glycol coconut amine, polyethylene glycol stearyl Amine, polyethylene glycol beef tallow amine, polyethylene glycol beef tallow propylene diamine, polyethylene glycol dioleyl amine, dimethyl lauryl amine oxide, dimethyl stearyl amine oxide, dihydroxy Ethyl lauryl amine oxide, perfluoroalkylamine oxide, polyvinyl pyrrolidone, higher alcohol ethylene oxide adduct, alkylphenol ethylene oxide adduct, fatty acid ethylene oxide adduct, polypropylene glycol ethylene oxide adduct, fatty acid ester of glycerin, fatty acid of pentaerythritol Nonionic surfactants such as esters, fatty acid esters of sorbitol, fatty acid esters of sorbitan, fatty acid esters of sugar, and amphoteric surfactants such as sodium laurylaminopropionate, stearyldimethylbetaine, lauryldihydroxyethylbetaine, etc. Can do. These can be used alone or in combination of two or more. Among these, a surfactant having a basic group is preferable, an anionic or cationic surfactant is more preferable, and a surfactant having a molecular weight of 5,000 to 30,000 is more preferable. is there.
電極ペーストに上記の分散剤を添加すると、保存安定性および流動性に優れ、塗工時の生産性が向上する。
炭素繊維
本発明に係る電極ペーストでは、必要に応じてさらに触媒が担持されていない炭素繊維を添加することができる。
When the above dispersant is added to the electrode paste, the storage stability and fluidity are excellent, and the productivity during coating is improved.
Carbon fiber In the electrode paste according to the present invention, a carbon fiber on which a catalyst is not supported can be added as necessary.
本発明で必要に応じて用いられる炭素繊維しては、レーヨン系炭素繊維、PAN系炭素繊
維、リグニンポバー系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維等を用いることができ、好ましくは、気相成長炭素繊維である。
As carbon fibers used as necessary in the present invention, rayon-based carbon fibers, PAN-based carbon fibers, lignin pover-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, vapor-grown carbon fibers, and the like can be used, preferably Vapor grown carbon fiber.
電極ペーストに炭素繊維を添加すると、電極中の細孔容積が増加することにより、燃料ガスや酸素ガスの拡散性が向上し、また、生成する水によるフラッディング等を改善でき、発電性能が向上する。 When carbon fiber is added to the electrode paste, the pore volume in the electrode increases, thereby improving the diffusibility of fuel gas and oxygen gas, and improving the flooding caused by the generated water, thereby improving the power generation performance. .
その他の添加物
本発明に係る電極ペーストでは、必要に応じてさらに他の成分を添加することができる。例えば、フッ素系ポリマーやシリコン系ポリマーなどの撥水剤を添加してもよい。撥水剤は生成する水を効率よく排出する効果をもち、発電性能の向上に寄与する。
Other Additives In the electrode paste according to the present invention, other components can be added as necessary. For example, a water repellent such as a fluorine polymer or a silicon polymer may be added. The water repellent has an effect of efficiently discharging generated water and contributes to improvement of power generation performance.
組成
本発明に係るペースト中の触媒粒子の使用割合は、重量比で1重量%〜20重量%、好ましくは3重量%〜15重量%であることが望ましい。また、電極電解質の使用割合は、重量比で0.5重量%〜30重量%、好ましくは1重量%〜15重量%であることが望ましい。さらに、溶剤の使用割合は、重量比で5重量%〜95重量%、好ましくは15重量%〜90重量%であることが望ましい。
Composition The usage ratio of the catalyst particles in the paste according to the present invention is 1 to 20% by weight, preferably 3 to 15% by weight. Further, the usage ratio of the electrode electrolyte is 0.5 to 30% by weight, and preferably 1 to 15% by weight. Further, the ratio of the solvent used is 5 to 95% by weight, preferably 15 to 90% by weight.
必要に応じて用いられる分散剤の使用割合は、重量比で0重量%〜10重量%、好ましくは0重量%〜2重量%であり、必要に応じて用いられる炭素繊維の使用割合は、重量比で0重量%〜20重量%、好ましくは1重量%〜10重量%である。(なお、合計で100重量%を超えることはない)
触媒粒子の使用割合が、上記範囲未満であると、電極反応率が低下することがある。また、上記範囲より大きいと、電極ペーストの粘度が増加し、塗工時に塗りむらが発生することがある。
The use ratio of the dispersant used as necessary is 0% by weight to 10% by weight, preferably 0% by weight to 2% by weight, and the use ratio of the carbon fiber used as necessary is The ratio is 0 to 20% by weight, preferably 1 to 10% by weight. (The total amount does not exceed 100% by weight)
When the use ratio of the catalyst particles is less than the above range, the electrode reaction rate may be lowered. On the other hand, if it is larger than the above range, the viscosity of the electrode paste increases and uneven coating may occur during coating.
電解質の使用割合が、上記範囲未満であると、プロトン伝導度が低下する。さらに、バインダーとしての役割を果たせなくなり、電極を形成できない。また、上記範囲より大きいと、電極中の細孔容積が減少する。 When the use ratio of the electrolyte is less than the above range, the proton conductivity decreases. Furthermore, it cannot play the role of a binder, and an electrode cannot be formed. Moreover, when larger than the said range, the pore volume in an electrode will reduce.
溶剤の使用割合が、上記範囲内にあると、発電に必要な電極中の細孔容積が十分確保できる。また上記範囲にあれば、ペーストとしてのハンドリングに好適である。
分散剤の使用割合が、上記範囲内にあると保存安定性に優れた電極ペーストが得られる。炭素繊維の使用割合が、上記範囲未満であると、電極中の細孔容積の増加効果が低い。また、上記範囲より大きいと、電極反応率が低下することがある。
When the use ratio of the solvent is within the above range, a sufficient pore volume in the electrode necessary for power generation can be secured. Moreover, if it exists in the said range, it is suitable for the handling as a paste.
When the use ratio of the dispersant is within the above range, an electrode paste having excellent storage stability can be obtained. When the use ratio of the carbon fiber is less than the above range, the effect of increasing the pore volume in the electrode is low. Moreover, when larger than the said range, an electrode reaction rate may fall.
ペーストの調製
本発明に係る電極ペーストは、例えば上記各成分を所定の割合で混合し、従来公知の方法で混練することにより調製することができる。
Preparation of Paste The electrode paste according to the present invention can be prepared , for example, by mixing the above-mentioned components at a predetermined ratio and kneading by a conventionally known method.
各成分の混合順序は特に限定されないが、例えば全ての成分を混合して一定時間攪拌を行うか、分散剤以外の成分を混合して一定時間攪拌を行った後、必要に応じて分散剤を添加して一定時間攪拌を行うことが好ましい。また、必要に応じて、溶媒の量を調整して、ペーストの粘度を調整してもよい。
(電極および触媒付電解質膜)
以上のような本発明に係る電極ペーストを、転写基材上に塗布し、溶媒を除去すると本発明の電極が得られる。
The order of mixing each component is not particularly limited. For example, all components are mixed and stirred for a certain period of time, or components other than the dispersant are mixed and stirred for a certain period of time, and then a dispersant is added as necessary. It is preferable to add and stir for a certain time. Moreover, you may adjust the quantity of a solvent as needed and may adjust the viscosity of a paste.
(Electrode membrane with electrode and catalyst)
When the electrode paste according to the present invention as described above is applied onto a transfer substrate and the solvent is removed, the electrode of the present invention is obtained.
転写基材としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系ポリマーからなるシート、または表面を離型剤処理したガラス板や金属板、ポリエチレンテレフタレート(PET)のシートなども用いることができる。 As the transfer substrate, a sheet made of a fluoropolymer such as polytetrafluoroethylene (PTFE), a glass plate or a metal plate whose surface is treated with a release agent, a polyethylene terephthalate (PET) sheet, or the like can be used.
塗布方法としては、刷毛塗り、筆塗り、バーコーター塗布、ナイフコーター塗布、ドクターブレード法、スクリーン印刷、スプレー塗布などがある。
転写基材上に塗布された電極を、乾燥して溶媒を除去したのち、固体高分子電解質膜の両面に転写させると、本発明の触媒付電解質膜が得られる。
Examples of the coating method include brush coating, brush coating, bar coater coating, knife coater coating, doctor blade method, screen printing, and spray coating.
When the electrode applied on the transfer substrate is dried to remove the solvent and then transferred to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, the electrolyte membrane with catalyst of the present invention is obtained.
本発明の触媒付電解質膜に用いられる、固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性の固体高分子膜であれば、特に限定されない。
たとえば、Nafion(DuPont社製)、Flemion(旭硝子製)、Aciplex(旭化成製)などのパーフルオロアルキルスルホン酸ポリマーからなる電解質膜、
パーフルオロアルキルスルホン酸ポリマーに、ポリテトラフルオロエチレンの繊維や多孔質膜と複合化した補強型電解質膜、
ポリテトラフルオロエチレングラフトスルホン化ポリスチレンなどの部分フッ素化スルホン化ポリマーからなる電解質膜、
スルホン化ポリアリーレン、スルホン化ポリフェニレン、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルニトリル、スルホン化ポリフェニレンエーテル、スルホン化ポリフェニレンスルフィド、スルホン化ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリベンズオキサゾール、スルホン化ポリベンズチアゾールなどの芳香族スルホン化ポリマーからなる電解質膜、
スルホン化ポリスチレン、スルホン酸含有アクリル系ポリマーなどの脂肪族スルホン化ポリマーからなる電解質膜、
これらを多孔質膜と複合化した細孔フィリング型電解質膜、
ポリベンズオキサゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズチアゾールなどのポリマーにリン酸、硫酸などを含浸させた酸含浸型ポリマーからなる電解質膜、などがあげられる。これらのうち、芳香族スルホン化ポリマーからなる電解質膜が好ましい。
The solid polymer electrolyte membrane used for the catalyst-attached electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited as long as it is a proton conductive solid polymer membrane.
For example, an electrolyte membrane made of a perfluoroalkyl sulfonic acid polymer such as Nafion (DuPont), Flemion (Asahi Glass), Aciplex (Asahi Kasei),
Reinforced electrolyte membrane combined with polytetrafluoroethylene fiber and porous membrane to perfluoroalkylsulfonic acid polymer,
An electrolyte membrane comprising a partially fluorinated sulfonated polymer such as polytetrafluoroethylene graft sulfonated polystyrene,
Sulfonated polyarylene, sulfonated polyphenylene, sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether nitrile, sulfonated polyphenylene ether, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonated polybenzimidazole, sulfonated polybenzoxazole, sulfone Electrolyte membranes made of aromatic sulfonated polymers such as modified polybenzthiazole,
Electrolyte membranes composed of aliphatic sulfonated polymers such as sulfonated polystyrene and sulfonic acid-containing acrylic polymers,
A pore filling type electrolyte membrane in which these are combined with a porous membrane,
Examples thereof include an electrolyte membrane made of an acid-impregnated polymer in which a polymer such as polybenzoxazole, polybenzimidazole, or polybenzthiazole is impregnated with phosphoric acid or sulfuric acid. Among these, an electrolyte membrane made of an aromatic sulfonated polymer is preferable.
また、上記電極用電解質を構成する重合体を固体高分子電解質として使用することもできる。
電極を固体高分子電解質膜に転写するには、ホットプレス法を用いることができる。ホットプレス法では、カーボンペーパーまたは離型シートに前記電極ペーストを塗布したもものの、電極ペースト塗布面と電解質膜とを圧着する方法である。ホットプレスは、通常、50〜250℃の温度範囲で、1分〜180分の時間、10〜500kg/cm2の圧
力をかけて行う。
Moreover, the polymer which comprises the said electrolyte for electrodes can also be used as a solid polymer electrolyte.
In order to transfer the electrode to the solid polymer electrolyte membrane, a hot press method can be used. In the hot press method, the electrode paste is applied to carbon paper or a release sheet, but the electrode paste application surface and the electrolyte membrane are pressure-bonded. Hot pressing is usually performed in a temperature range of 50 to 250 ° C. and a pressure of 10 to 500 kg / cm 2 for a period of 1 minute to 180 minutes.
本発明の触媒付電解質膜を得るための別の方法として、触媒層と電解質膜とを段階的に塗布、乾燥を繰り返す方法がある。塗布や乾燥の順序に特に制限はない。
例えば、PETフィルム等の基材上に、電解質膜の溶液を塗布し乾燥して、電解質膜を作
成した後、この上に本発明の電極ペーストを塗布する。次に基材をはがして、もう一方の面に電極ペーストを塗布する。最後に溶媒を除去すると触媒付電解質膜が得られる。塗布方法は上記と同様の方法をあげることができる。
As another method for obtaining the catalyst-attached electrolyte membrane of the present invention, there is a method of repeatedly applying and drying the catalyst layer and the electrolyte membrane stepwise. There is no restriction | limiting in particular in the order of application | coating and drying.
For example, an electrolyte membrane solution is applied on a substrate such as a PET film and dried to form an electrolyte membrane, and then the electrode paste of the present invention is applied thereon. Next, the substrate is peeled off, and the electrode paste is applied to the other surface. Finally, when the solvent is removed, an electrolyte membrane with catalyst is obtained. Examples of the application method include the same methods as described above.
溶媒の除去は、乾燥温度20℃〜180℃、好ましくは50℃〜160℃、乾燥時間5分〜600分、好ましくは30分〜400分で行う。
必要に応じて、電解質膜を水浸漬して、溶媒を除去してもよい。水温は5℃〜120℃
、好ましくは15℃〜95℃、水浸漬時間は1分〜72時間、好ましくは5分〜48時間である。
The solvent is removed at a drying temperature of 20 ° C. to 180 ° C., preferably 50 ° C. to 160 ° C., and a drying time of 5 minutes to 600 minutes, preferably 30 minutes to 400 minutes.
If necessary, the electrolyte membrane may be immersed in water to remove the solvent. Water temperature is 5 to 120 ° C
The immersion time in water is preferably 1 minute to 72 hours, preferably 5 minutes to 48 hours.
また上記の方法とは逆に、先に電極ペーストを塗布し、電極層を形成したあとに、電解質膜の溶液を塗布して、電解質膜を作成し、次にもう一方の触媒層を塗布し、乾燥して触媒付電解質膜としてもよい。 Contrary to the above method, the electrode paste is first applied and the electrode layer is formed, and then the electrolyte membrane solution is applied to create the electrolyte membrane, and then the other catalyst layer is applied. It is good also as an electrolyte membrane with a catalyst by drying.
電極層の厚さは、特に制限されるものではないものの、触媒として担持された金属が、単位面積あたり、0.05〜4.0mg/cm2、好ましくは0.1〜2.0mg/cm2の範囲にあることが望ましい。この範囲にあれば、十分に高い触媒活性が発揮され、また効率的にプロトンを伝導することができる。 The thickness of the electrode layer is not particularly limited, but the metal supported as a catalyst is 0.05 to 4.0 mg / cm 2 , preferably 0.1 to 2.0 mg / cm 2 per unit area. It is desirable to be in the range of 2 . Within this range, sufficiently high catalytic activity is exhibited and protons can be efficiently conducted.
電極層の細孔容積は、0.05〜3.0ml/g、好ましくは0.1〜2.0ml/gの範囲にあることが望ましい。なお電極層の細孔容積は、水銀圧入法、ガス吸着法などの方法により測定される。 The pore volume of the electrode layer is 0.05 to 3.0 ml / g, preferably 0.1 to 2.0 ml / g. The pore volume of the electrode layer is measured by a method such as a mercury intrusion method or a gas adsorption method.
電解質膜の厚さとしては、特に制限されるものではないが、厚くなると発電効率が低下したり軽量化が困難となったりするので、10〜200μm程度の厚さであればよいが、この限りではない。
[実施例]
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお実施例における各種の測定項目は、下記のようにして求めた。
(分子量)
重合体の分子量は、GPCによって、ポリスチレン換算の重量平均分子量を求めた。溶媒として臭化リチウムを添加した、N−メチル−2−ピロリドンを用いた。
(イオン交換容量)
得られたスルホン化ポリマーの水洗水がpH4〜6になるまで洗浄して、フリーの残存している酸を除去後、十分に洗浄し、乾燥後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解し、フェノールフタレインを指示薬とし、NaOHの標準液にて滴定し、中和点からイオン交換容量を求めた。
(プロトン伝導度の測定)
得られた重合体を、キャスティング法により製膜し、膜厚約50μmの膜を試料とした。
The thickness of the electrolyte membrane is not particularly limited, but if the thickness is increased, the power generation efficiency is reduced or it is difficult to reduce the weight, so that the thickness may be about 10 to 200 μm. is not.
[Example]
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurement items in the examples were determined as follows.
(Molecular weight)
As for the molecular weight of the polymer, a polystyrene-reduced weight average molecular weight was determined by GPC. N-methyl-2-pyrrolidone to which lithium bromide was added was used as a solvent.
(Ion exchange capacity)
The obtained sulfonated polymer is washed until the washing water has a pH of 4 to 6, the free remaining acid is removed, washed thoroughly, dried, weighed, and mixed with THF / water. After dissolving in a solvent, phenolphthalein was used as an indicator, titration was performed with a standard solution of NaOH, and the ion exchange capacity was determined from the neutralization point.
(Measurement of proton conductivity)
The obtained polymer was formed into a film by a casting method, and a film having a film thickness of about 50 μm was used as a sample.
交流抵抗は、5mm幅の短冊状の試料膜の表面に、白金線(f=0.5mm)を押し当て、恒温恒湿装置中に試料を保持し、白金線間の交流インピーダンス測定から求めた。すなわち、85℃、相対湿度90%の環境下で交流10kHzにおけるインピーダンスを測定した。抵抗測定装置として、(株)NF回路設計ブロック製のケミカルインピーダンス測定システムを用い、恒温恒湿装置には、(株)ヤマト科学製のJW241を使用した。白金線は、5mm間隔に5本押し当てて、線間距離を5〜20mmに変化させ、交流抵抗を測定した。線間距離と抵抗の勾配から、膜の比抵抗を算出し、比抵抗の逆数からプロトン伝導度を算出した。 The AC resistance was obtained by pressing a platinum wire (f = 0.5 mm) on the surface of a strip-shaped sample film having a width of 5 mm, holding the sample in a constant temperature and humidity device, and measuring AC impedance between the platinum wires. . That is, the impedance at AC 10 kHz was measured in an environment of 85 ° C. and relative humidity 90%. A chemical impedance measurement system manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd. was used as the resistance measurement device, and JW241 manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd. was used as the constant temperature and humidity device. Five platinum wires were pressed at intervals of 5 mm, the distance between the wires was changed to 5 to 20 mm, and the AC resistance was measured. The specific resistance of the membrane was calculated from the line-to-line distance and the resistance gradient, and the proton conductivity was calculated from the reciprocal of the specific resistance.
比抵抗R(Ω・cm)=0.5(cm)×膜厚(cm)×抵抗線間勾配(Ω/cm)
(熱水耐性)
上記の膜を、120℃の熱水中に24時間浸漬し、取り出した直後の膜の重量と寸法を、浸漬前の膜と比較し、含水率と寸法変化率を求めた。
(発電評価)
触媒付電解質膜をカーボンペーパーに挟んで、圧力100kg/cm2下で、160℃
×15minの条件でホットプレス成形して、膜電極接合体(MEA)を作成した。このMEAを2枚のチタン製の集電体で挟み、さらにその外側にヒーターを配置し、有効面積25cm2の燃料電池を組み立てた。
Specific resistance R (Ω · cm) = 0.5 (cm) × film thickness (cm) × resistance line gradient (Ω / cm)
(Hot water resistance)
The membrane was immersed in hot water at 120 ° C. for 24 hours, and the weight and size of the membrane immediately after taking out were compared with the membrane before immersion, and the water content and dimensional change rate were determined.
(Power generation evaluation)
The catalyst-attached electrolyte membrane is sandwiched between carbon papers and 160 ° C under a pressure of 100 kg / cm 2.
A membrane electrode assembly (MEA) was formed by hot press molding under conditions of × 15 min. The MEA was sandwiched between two titanium current collectors, and a heater was placed outside the MEA to assemble a fuel cell having an effective area of 25 cm 2 .
燃料電池の温度を85℃に保ち、湿度35%RHおよび100%RHで、水素および酸素を2気圧で供給した。それぞれの条件で、電流密度0.5A/cm2と1.0A/cm2のときの端子間電圧を測定した。 The temperature of the fuel cell was maintained at 85 ° C., and hydrogen and oxygen were supplied at 2 atm at a humidity of 35% RH and 100% RH. Under each condition, the voltage between terminals at current densities of 0.5 A / cm 2 and 1.0 A / cm 2 was measured.
また、燃料電池の温度を85℃に保ち、湿度35%RHで水素および酸素を2気圧で供給し、電流密度0.5A/cm2のときの端子間電圧を150時間測定した。
[合成例1]
(1)疎水ユニットの合成
撹拌羽根、温度計、窒素導入管、Dean-Stark管、冷却管を取り付けた1Lセ
パラブル3口フラスコに4、4’−ジクロロベンゾフェノン 60.3g (240mmol)、4,4’−(1,4−フェニレンジイソプロピリデン)ビスフェノール(Bis−P) 69.3g (200mmol)、炭酸カリウム 35.9g (260mmol)をはかりとった。スルホラン 370mL、トルエン 190mLを加え、窒素雰囲気下、150℃で加熱還流した。反応によって生成する水をトルエンとの共沸により、Dean-St
ark管から取り除いた。3時間後に水の生成が認められなくなったところで、トルエンを系外に取り除き、180℃で7時間撹拌した後、4、4’−ジクロロベンゾフェノン
20.1g (80mmol)を加え、さらに3時間撹拌した。
Further, the temperature of the fuel cell was kept at 85 ° C., hydrogen and oxygen were supplied at 2 atm at a humidity of 35% RH, and the voltage between terminals at a current density of 0.5 A / cm 2 was measured for 150 hours.
[Synthesis Example 1]
(1) Synthesis of hydrophobic unit 4, 4′-dichlorobenzophenone 60.3 g (240 mmol), 4, 4 in a 1 L separable three-necked flask equipped with a stirring blade, thermometer, nitrogen introduction tube, Dean-Stark tube, and cooling tube '-(1,4-phenylenediisopropylidene) bisphenol (Bis-P) 69.3 g (200 mmol) and potassium carbonate 35.9 g (260 mmol) were weighed. Sulfolane (370 mL) and toluene (190 mL) were added, and the mixture was heated to reflux at 150 ° C. in a nitrogen atmosphere. Water produced by the reaction is azeotroped with toluene to produce Dean-St.
Removed from arc tube. When no more water was observed after 3 hours, toluene was removed from the system and stirred at 180 ° C. for 7 hours, and then 4,4′-dichlorobenzophenone.
20.1 g (80 mmol) was added, and the mixture was further stirred for 3 hours.
放冷後、反応溶液に不溶の無機物を、セライトをろ過助剤に用いたろ過によって除いた。ついでろ液をメタノール 2.0Lに注ぎ、反応物を凝固させた。沈殿した凝固物をろ
過し、少量のメタノールで洗浄し、真空乾燥した。乾燥した生成物を、テトラヒドロフラン 200mLに再溶解した。この溶液をメタノール 2.0Lに注ぎ、再沈殿した。凝
固物をろ過し、真空乾燥して、103g(収率92%)の目的物を得た。GPCで求めたポリスチレン換算の数平均分子量は4500、重量平均分子量は6800であった。得られた化合物は式(I)で表されるオリゴマーであることを確認した。
After standing to cool, inorganic substances insoluble in the reaction solution were removed by filtration using Celite as a filter aid. The filtrate was then poured into 2.0 L of methanol to solidify the reaction product. The precipitated coagulum was filtered, washed with a small amount of methanol, and vacuum dried. The dried product was redissolved in 200 mL of tetrahydrofuran. This solution was poured into 2.0 L of methanol and reprecipitated. The coagulated product was filtered and dried under vacuum to obtain 103 g (yield 92%) of the desired product. The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC was 4500, and the weight average molecular weight was 6800. It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the formula (I).
[合成例2]スルホン化ポリマーの合成
攪拌機、温度計、窒素導入管をとりつけた1Lの三口フラスコに、3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル53.3g(133mmol)、合成例1で得られた数平均分子量4,500の疎水性ユニット74.7g(16.6mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド2.94g(5.0mmol)、ヨウ化ナトリウム0.67g(5.0mmol)、トリフェニルホスフィン15.7g(60mmol)、亜鉛23.5g(360mmol)をはかりとり、乾燥窒素置換した。ここにN,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)320mLを加え、反応温度を80℃に保持しながら3時間攪拌を続けた後、DMAc540mLを加えて希釈し、不溶物を濾過した。
[Synthesis Example 2] Synthesis of Sulfonated Polymer In a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube, 53.3 g (133 mmol) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate was synthesized. 1, 74.7 g (16.6 mmol) of a hydrophobic unit having a number average molecular weight of 4,500, 2.94 g (5.0 mmol) of bis (triphenylphosphine) nickel dichloride, 0.67 g of sodium iodide (5. 0 mmol), 15.7 g (60 mmol) of triphenylphosphine, and 23.5 g (360 mmol) of zinc were weighed and substituted with dry nitrogen. 320 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc) was added thereto, and stirring was continued for 3 hours while maintaining the reaction temperature at 80 ° C., and then diluted by adding 540 mL of DMAc, and insoluble matter was filtered off.
得られた溶液を攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた2Lの三口フラスコに入れた。115℃に加熱攪拌し、臭化リチウム23.2g(266mmol)を加えた。7時間攪拌後、アセトン3.5Lに注いで生成物を沈殿させた。ついで、1N塩酸、純水の順で洗浄後、乾燥して目的の重合体92gを得た。得られた重合体の重量平均分子量(Mw)は85,000であった。得られた化合物は式(II)で表されるポリマーであることを確認した
。
The obtained solution was put into a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube. The mixture was heated and stirred at 115 ° C., and 23.2 g (266 mmol) of lithium bromide was added. After stirring for 7 hours, the product was precipitated by pouring into 3.5 L of acetone. Subsequently, after washing in order of 1N hydrochloric acid and pure water, it was dried to obtain 92 g of the desired polymer. The weight average molecular weight (Mw) of the obtained polymer was 85,000. It was confirmed that the obtained compound was a polymer represented by the formula (II).
得られたスルホン化ポリマーの10重量%N-メチル-2-ピロリドン(NMP)溶液を、ガ
ラス板上にキャストして製膜し、膜厚40μmのフィルムを得た。
[合成例3] 疎水ユニットの合成
撹拌羽根、温度計、窒素導入管、Dean-Stark管、冷却管を取り付けた1Lセ
パラブル3口フラスコに4、4’−ジフルオロベンゾフェノン 52.4g(240mmol)、4−クロロ−4’−フルオロベンゾフェノン 14.1g(60.0mmol)、4,4’−(1,3−フェニレンジイソプロピリデン)ビスフェノール(Bis−M) 70.2
g(203mmol)、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン 23.7g(67.5mmol)、炭酸カリウム48.5g(351mmol)をはかりとった。DMAc 430mL、トルエン 220mLを加え、窒素雰囲気下、150℃で加熱還流した。反応によっ
て生成する水をトルエンとの共沸により、Dean-Stark管から取り除いた。3時
間後に水の生成が認められなくなったところで、トルエンを系外に取り除き、160℃で7時間撹拌した後、4−クロロ−、4’−フルオロベンゾフェノン 7.0g(20.0mmol)を加え、さらに3時間撹拌した。
A 10% by weight N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution of the obtained sulfonated polymer was cast on a glass plate to form a film having a film thickness of 40 μm.
[Synthesis Example 3] Synthesis of hydrophobic unit 4, 4'-difluorobenzophenone 52.4 g (240 mmol), 4 L in a 1 L separable three-necked flask equipped with a stirring blade, thermometer, nitrogen introduction tube, Dean-Stark tube, and cooling tube -Chloro-4'-fluorobenzophenone 14.1 g (60.0 mmol), 4,4 '-(1,3-phenylenediisopropylidene) bisphenol (Bis-M) 70.2
g (203 mmol), 23.7 g (67.5 mmol) of bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, and 48.5 g (351 mmol) of potassium carbonate were weighed. DMAc 430mL and toluene 220mL were added, and it heated and refluxed at 150 degreeC by nitrogen atmosphere. The water produced by the reaction was removed from the Dean-Stark tube by azeotroping with toluene. When no more water was observed after 3 hours, toluene was removed from the system and stirred at 160 ° C. for 7 hours. Then, 7.0 g (20.0 mmol) of 4-chloro-4′-fluorobenzophenone was added, The mixture was further stirred for 3 hours.
放冷後、反応溶液に不溶の無機物を、セライトをろ過助剤に用いたろ過によって除いた。ろ液をメタノール2.0Lに注ぎ、反応物を凝固させた。沈殿した凝固物をろ過し、少
量のメタノールで洗浄し、真空乾燥した。乾燥した生成物を、テトラヒドロフラン200mLに再溶解した。この溶液をメタノール2.0Lに注ぎ、再沈殿した。凝固物をろ過し
、真空乾燥して、110g(収率80%)の目的物を得た。GPCで求めたポリスチレン換算の数平均分子量は6000、重量平均分子量は8300であった。得られた化合物は式(III)で表されるオリゴマーであることを確認した。
After standing to cool, inorganic substances insoluble in the reaction solution were removed by filtration using Celite as a filter aid. The filtrate was poured into 2.0 L of methanol to solidify the reaction product. The precipitated coagulum was filtered, washed with a small amount of methanol, and vacuum dried. The dried product was redissolved in 200 mL of tetrahydrofuran. This solution was poured into 2.0 L of methanol and reprecipitated. The solidified product was filtered and dried under vacuum to obtain 110 g (yield 80%) of the desired product. The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC was 6000, and the weight average molecular weight was 8,300. It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the formula (III).
nとpの組成比は、nが0.75で、pが0.25であった。
[合成例4]スルホン化ポリマーの合成
攪拌機、温度計、窒素導入管をとりつけた1Lの三口フラスコに、3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル56.1g(140mmol)、合成例3で得られたMn6000の疎水性ユニット61.1g(10.2mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド2.94g(5.0mmol)、ヨウ化ナトリウム0.67g(5.0mmol)、トリフェニルホスフィン15.7g(60mmol)、亜鉛23.5g(360mmol)をはかりとり、乾燥窒素置換した。ここにN,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)290mLを加え、反応温度を80℃に保持しながら3時間攪拌を続けた後、DMAc490mLを加えて希釈し、不溶物を濾過した。
As for the composition ratio of n and p, n was 0.75 and p was 0.25.
[Synthesis Example 4] Synthesis of Sulfonated Polymer In a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube, 56.1 g (140 mmol) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate was synthesized. Hydrophobic unit 61.1 g (10.2 mmol) of Mn 6000 obtained in Step 3, bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 2.94 g (5.0 mmol), sodium iodide 0.67 g (5.0 mmol), triphenyl 15.7 g (60 mmol) of phosphine and 23.5 g (360 mmol) of zinc were weighed and substituted with dry nitrogen. 290 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc) was added thereto, and stirring was continued for 3 hours while maintaining the reaction temperature at 80 ° C. Then, 490 mL of DMAc was added for dilution, and insoluble matters were filtered off.
得られた溶液を攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた2Lの三口フラスコに入れた。115℃に加熱攪拌し、臭化リチウム24.3g(280mmol)を加えた。7時間攪拌後、アセトン3.0Lに注いで生成物を沈殿させた。ついで、1N塩酸、純水の順で洗浄後、乾燥して目的の重合体97gを得た。得られた重合体の重量平均分子量(Mw)は105,000であった。得られた化合物は式(IV)で表されるポリマーであることを確認した。 The obtained solution was put into a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube. The mixture was heated and stirred at 115 ° C., and 24.3 g (280 mmol) of lithium bromide was added. After stirring for 7 hours, the product was precipitated by pouring into 3.0 L of acetone. Subsequently, after washing in order of 1N hydrochloric acid and pure water, it was dried to obtain 97 g of the desired polymer. The weight average molecular weight (Mw) of the obtained polymer was 105,000. It was confirmed that the obtained compound was a polymer represented by the formula (IV).
得られたスルホン化ポリマーの10重量%N−メチル-2-ピロリドン(NMP)溶液を、
ガラス板上にキャストして製膜し、膜厚40μmのフィルムを得た。
[合成例5] 疎水ユニットの合成
撹拌羽根、温度計、窒素導入管、Dean-Stark管、冷却管を取り付けた1Lセ
パラブル3口フラスコに2,6−ジクロロベンゾニトリル 48.2g(280mmol)
、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン 38.3g(130mmol)、9
,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン 45.6g(130mmol)、炭酸カ
リウム46.7g(338mmol)をはかりとった。スルホラン 370mL、トルエン 190mLを加え、窒素雰囲気下、150℃で加熱還流した。反応によって生成する水をトルエンとの共沸により、Dean-Stark管から取り除いた。3時間後に水の生成
が認められなくなったところで、トルエンを系外に取り除き、180℃で7時間撹拌した後、2,6−ジクロロベンゾニトリル 6.88g(40mmol)を加え、さらに3時間
撹拌した。
A 10 wt% N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution of the resulting sulfonated polymer was
The film was cast on a glass plate to obtain a film having a thickness of 40 μm.
[Synthesis Example 5] Synthesis of hydrophobic unit 48.2 g (280 mmol) of 2,6-dichlorobenzonitrile in a 1 L separable three-necked flask equipped with a stirring blade, a thermometer, a nitrogen introduction tube, a Dean-Stark tube, and a cooling tube
1,3-bis (4-hydroxyphenoxy) benzene 38.3 g (130 mmol), 9
, 9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene (45.6 g, 130 mmol) and potassium carbonate (46.7 g, 338 mmol) were weighed. Sulfolane (370 mL) and toluene (190 mL) were added, and the mixture was heated to reflux at 150 ° C. in a nitrogen atmosphere. The water produced by the reaction was removed from the Dean-Stark tube by azeotroping with toluene. When no more water was observed after 3 hours, toluene was removed from the system and stirred at 180 ° C. for 7 hours. Then, 6.88 g (40 mmol) of 2,6-dichlorobenzonitrile was added, and the mixture was further stirred for 3 hours. .
放冷後、反応溶液に不溶の無機物を、セライトをろ過助剤に用いたろ過によって除いた。ろ液をメタノール2.0Lに注ぎ、反応物を凝固させた。沈殿した凝固物をろ過し、少
量のメタノールで洗浄し、真空乾燥した。乾燥した生成物を、テトラヒドロフラン200mLに再溶解させた。この溶液をメタノール2.0Lに注ぎ、再沈殿した。凝固物をろ過
し、真空乾燥して、106g(収率91%)の目的物を得た。GPCで求めたポリスチレン換算の数平均分子量は8100、重量平均分子量は9500であった。得られた化合物は式(V)で表されるオリゴマーであることを確認した。
After standing to cool, inorganic substances insoluble in the reaction solution were removed by filtration using Celite as a filter aid. The filtrate was poured into 2.0 L of methanol to solidify the reaction product. The precipitated coagulum was filtered, washed with a small amount of methanol, and vacuum dried. The dried product was redissolved in 200 mL of tetrahydrofuran. This solution was poured into 2.0 L of methanol and reprecipitated. The coagulated product was filtered and dried under vacuum to obtain 106 g (yield 91%) of the desired product. The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC was 8,100, and the weight average molecular weight was 9,500. It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the formula (V).
nとpの組成比は、nが0.50で、pが0.50であった。
[合成例6]スルホン化ポリマーの合成
攪拌機、温度計、窒素導入管をとりつけた1Lの三口フラスコに、3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル56.8g(141mmol)、合成例5で得られたMn8100の疎水性ユニット69.5g(8.6mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド2.94g(5.0mmol)、ヨウ化ナトリウム0.67g(5.0mmol)、トリフェニルホスフィン15.7g(60mmol)、亜鉛23.5g(360mmol)をはかりとり、乾燥窒素置換した。ここにN,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)320mLを加え、反応温度を80℃に保持しながら3時間攪拌を続けた後、DMAc530mLを加えて希釈し、不溶物を濾過した。
As for the composition ratio of n and p, n was 0.50 and p was 0.50.
[Synthesis Example 6] Synthesis of Sulfonated Polymer In a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube, 56.8 g (141 mmol) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate was synthesized. Hydrophobic unit 69.5 g (8.6 mmol) of Mn8100 obtained in No. 5, 2.94 g (5.0 mmol) of bis (triphenylphosphine) nickel dichloride, 0.67 g (5.0 mmol) of sodium iodide, triphenyl 15.7 g (60 mmol) of phosphine and 23.5 g (360 mmol) of zinc were weighed and substituted with dry nitrogen. N, N-dimethylacetamide (DMAc) (320 mL) was added thereto, and stirring was continued for 3 hours while maintaining the reaction temperature at 80 ° C., and then DMAc (530 mL) was added for dilution, and insoluble matters were filtered.
得られた溶液を攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた2Lの三口フラスコに入れた。115℃に加熱攪拌し、臭化リチウム24.6g(282mmol)を加えた。7時間攪拌後、アセトン3.4Lに注いで生成物を沈殿させた。ついで、1N塩酸、純水の順で洗浄後、乾燥して目的の重合体103gを得た。得られた重合体の重量平均分子量(Mw)は97,000であった。得られた化合物は式(VI)で表されるポリマーであることを
確認した。
The obtained solution was put into a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube. The mixture was heated and stirred at 115 ° C., and 24.6 g (282 mmol) of lithium bromide was added. After stirring for 7 hours, the product was precipitated by pouring into 3.4 L of acetone. Subsequently, it was washed with 1N hydrochloric acid and pure water in this order and dried to obtain 103 g of the desired polymer. The weight average molecular weight (Mw) of the obtained polymer was 97,000. It was confirmed that the obtained compound was a polymer represented by the formula (VI).
得られたスルホン化ポリマーの10重量%N-メチル-2-ピロリドン(NMP)溶液を、ガ
ラス板上にキャストして製膜し、膜厚40μmのフィルムを得た。
[合成例7] 疎水ユニットの合成
撹拌羽根、温度計、窒素導入管、Dean-Stark管、冷却管を取り付けた1Lセ
パラブル3口フラスコに4、4’−ジクロロベンゾフェノン 45.2g(180mmol)、4,4’−(1,4−フェニレンジイソプロピリデン)ビスフェノール(Bis−P) 33.3g(96.0mmol)、4,4’−ビフェノール 11.9g(64.0mmol)
、炭酸カリウム28.7g(208mmol)をはかりとった。スルホラン270mL、トルエン135mLを加え、窒素雰囲気下、150℃で加熱還流した。反応によって生成する水をトルエンとの共沸により、Dean-Stark管から取り除いた。3時間後に水
の生成が認められなくなったところで、トルエンを系外に取り除き、180℃で7時間撹拌した後、4、4’−ジクロロベンゾフェノン 15.1g(60mmol)を加え、さら
に3時間撹拌した。
A 10% by weight N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution of the obtained sulfonated polymer was cast on a glass plate to form a film having a film thickness of 40 μm.
Synthesis Example 7 Synthesis of Hydrophobic Unit 4, 4′-Dichlorobenzophenone 45.2 g (180 mmol), 4 L in a 1 L separable three-necked flask equipped with a stirring blade, thermometer, nitrogen introduction tube, Dean-Stark tube, and condenser tube , 4 ′-(1,4-phenylenediisopropylidene) bisphenol (Bis-P) 33.3 g (96.0 mmol), 4,4′-biphenol 11.9 g (64.0 mmol)
Then, 28.7 g (208 mmol) of potassium carbonate was weighed. 270 mL of sulfolane and 135 mL of toluene were added, and the mixture was heated to reflux at 150 ° C. in a nitrogen atmosphere. The water produced by the reaction was removed from the Dean-Stark tube by azeotroping with toluene. When no more water was observed after 3 hours, toluene was removed from the system and stirred at 180 ° C. for 7 hours. Then, 15.1 g (60 mmol) of 4,4′-dichlorobenzophenone was added, and the mixture was further stirred for 3 hours. .
放冷後、反応溶液に不溶の無機物をセライトをろ過助剤に用いたろ過によって除いた。ろ液をメタノール2.0Lに注ぎ、反応物を凝固させた。沈殿した凝固物をろ過し、少量
のメタノールで洗浄し、真空乾燥した。乾燥した生成物を、テトラヒドロフラン150mLに再溶解させた。この溶液をメタノール2.0Lに注ぎ、再沈殿した。凝固物をろ過し
、真空乾燥して、65g(収率85%)の目的物を得た。GPCで求めたポリスチレン換算の数平均分子量は6400、重量平均分子量は7800であった。得られた化合物は式(VII)で表されるオリゴマーであることを確認した。
After standing to cool, inorganic substances insoluble in the reaction solution were removed by filtration using Celite as a filter aid. The filtrate was poured into 2.0 L of methanol to solidify the reaction product. The precipitated coagulum was filtered, washed with a small amount of methanol, and vacuum dried. The dried product was redissolved in 150 mL of tetrahydrofuran. This solution was poured into 2.0 L of methanol and reprecipitated. The coagulated product was filtered and vacuum-dried to obtain 65 g (yield 85%) of the desired product. The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC was 6400, and the weight average molecular weight was 7800. It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the formula (VII).
nとpの組成比は、nが0.60で、pが0.40であった。
[合成例8]スルホン化ポリマーの合成
攪拌機、温度計、窒素導入管をとりつけた1Lの三口フラスコに、3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル56.8g(141mmol)、合成例7で得られたMn6400の疎水性ユニット55.0g(8.6mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド2.94g(5.0mmol)、ヨウ化ナトリウム0.67g(5.0mmol)、トリフェニルホスフィン15.7g(60mmol)、亜鉛23.5g(360mmol)をはかりとり、乾燥窒素置換した。ここにN,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)280mLを加え、反応温度を80℃に保持しながら3時間攪拌を続けた後、DMAc460mLを加えて希釈し、不溶物を濾過した。
As for the composition ratio of n and p, n was 0.60 and p was 0.40.
[Synthesis Example 8] Synthesis of Sulfonated Polymer In a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube, 56.8 g (141 mmol) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate was synthesized. Hydrophobic unit 55.0 g (8.6 mmol) of Mn6400 obtained in No. 7, 2.94 g (5.0 mmol) of bis (triphenylphosphine) nickel dichloride, 0.67 g (5.0 mmol) of sodium iodide, triphenyl 15.7 g (60 mmol) of phosphine and 23.5 g (360 mmol) of zinc were weighed and substituted with dry nitrogen. 280 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc) was added thereto, and stirring was continued for 3 hours while maintaining the reaction temperature at 80 ° C. Then, 460 mL of DMAc was added for dilution, and insoluble matters were filtered off.
得られた溶液を攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた2Lの三口フラスコに入れた。115℃に加熱攪拌し、臭化リチウム24.6g(285mmol)を加えた。7時間攪拌後、アセトン5.0Lに注いで生成物を沈殿させた。ついで、1N塩酸、純水の順で洗浄後、乾燥して目的の重合体82gを得た。得られた重合体の重量平均分子量(Mw)は93,000であった。得られた化合物は式(VIII)で表されるポリマーであることを確認した。 The obtained solution was put into a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube. The mixture was heated and stirred at 115 ° C., and 24.6 g (285 mmol) of lithium bromide was added. After stirring for 7 hours, the product was precipitated by pouring into 5.0 L of acetone. Subsequently, it was washed with 1N hydrochloric acid and pure water in this order, and then dried to obtain 82 g of the desired polymer. The weight average molecular weight (Mw) of the obtained polymer was 93,000. It was confirmed that the obtained compound was a polymer represented by the formula (VIII).
得られたスルホン化ポリマーの10重量%N-メチル-2-ピロリドン(NMP)溶液を、ガ
ラス板上にキャストして製膜し、膜厚40μmのフィルムを得た。
[合成例9](比較例に相当)
撹拌羽根、温度計、窒素導入管、Dean-Stark管、冷却管を取り付けた1Lセ
パラブル3口フラスコに4、4’−ジクロロベンゾフェノン 50.2g(200mmol)、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン 11.1g(55.0mmol)、4,4’-ジヒドロキシジフェニルエーテル57.8g(165mmol)、炭酸カリウム
39.5g(286mmol)をはかりとった。スルホラン340mL、トルエン170mLを加え、窒素雰囲気下、150℃で加熱還流した。反応によって生成する水をトルエンとの共沸により、Dean-Stark管から取り除いた。3時間後に水の生成が認めら
れなくなったところで、トルエンを系外に取り除き、180℃で7時間撹拌した後、4、4’−ジクロロベンゾフェノン 10.0g(40.0mmol)を加え、さらに3時間撹
拌した。
A 10% by weight N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution of the obtained sulfonated polymer was cast on a glass plate to form a film having a film thickness of 40 μm.
[Synthesis Example 9] (equivalent to Comparative Example)
To a 1 L separable three-necked flask equipped with a stirring blade, a thermometer, a nitrogen introduction tube, a Dean-Stark tube, and a cooling tube, 4,4′-dichlorobenzophenone 50.2 g (200 mmol), 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) ) Weighed 11.1 g (55.0 mmol) of fluorene, 57.8 g (165 mmol) of 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, and 39.5 g (286 mmol) of potassium carbonate. Sulfolane (340 mL) and toluene (170 mL) were added, and the mixture was heated to reflux at 150 ° C. in a nitrogen atmosphere. The water produced by the reaction was removed from the Dean-Stark tube by azeotroping with toluene. When no more water was observed after 3 hours, toluene was removed from the system and stirred at 180 ° C. for 7 hours. Then, 10.0 g (40.0 mmol) of 4,4′-dichlorobenzophenone was added, and another 3 hours Stir.
放冷後、反応溶液に不溶の無機物をセライトをろ過助剤に用いたろ過によって除いた。ろ液をメタノール2.0Lに注ぎ、反応物を凝固させた。沈殿した凝固物をろ過し、少量
のメタノールで洗浄し、真空乾燥した。乾燥した生成物を、テトラヒドロフラン150m
Lに再溶解した。この溶液をメタノール1.5Lに注ぎ、再沈殿した。凝固物をろ過し、
真空乾燥して、87g(収率83%)の目的物を得た。GPCで求めたポリスチレン換算の数平均分子量は5500、重量平均分子量は8500であった。得られた化合物は式(IX)で表されるオリゴマーであることを確認した。
After standing to cool, inorganic substances insoluble in the reaction solution were removed by filtration using Celite as a filter aid. The filtrate was poured into 2.0 L of methanol to solidify the reaction product. The precipitated coagulum was filtered, washed with a small amount of methanol, and vacuum dried. The dried product is added to 150 ml of tetrahydrofuran.
Redissolved in L. This solution was poured into 1.5 L of methanol and reprecipitated. Filter the coagulum,
Vacuum drying gave 87 g (yield 83%) of the desired product. The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC was 5,500, and the weight average molecular weight was 8,500. It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the formula (IX).
[合成例10] (比較例) スルホン化ポリマーの合成
攪拌機、温度計、窒素導入管をとりつけた1Lの三口フラスコに、3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル55.2g(138mmol)、合成例9で得られたMn5500の疎水性ユニット67.9g(12.3mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド2.94g(5.0mmol)、ヨウ化ナトリウム0.67g(5.0mmol)、トリフェニルホスフィン15.7g(60mmol)、亜鉛23.5g(360mmol)をはかりとり、乾燥窒素置換した。ここにN,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)300mLを加え、反応温度を80℃に保持しながら3時間攪拌を続けた後、DMAc520mLを加えて希釈し、不溶物を濾過した。
[Synthesis Example 10] (Comparative Example) Synthesis of Sulfonated Polymer Into a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube, 55.2 g (138 mmol) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate. ), 67.9 g (12.3 mmol) of hydrophobic unit of Mn5500 obtained in Synthesis Example 9, 2.94 g (5.0 mmol) of bis (triphenylphosphine) nickel dichloride, 0.67 g (5.0 mmol) of sodium iodide. ), 15.7 g (60 mmol) of triphenylphosphine and 23.5 g (360 mmol) of zinc were weighed and purged with dry nitrogen. N, N-dimethylacetamide (DMAc) (300 mL) was added thereto, and stirring was continued for 3 hours while maintaining the reaction temperature at 80 ° C. Then, DMAc (520 mL) was added to dilute, and insoluble matters were filtered.
得られた溶液を攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた2Lの三口フラスコに入れた。115℃に加熱攪拌し、臭化リチウム23.9g(275mmol)を加えた。7時間攪拌後、アセトン3.2Lに注いで生成物を沈殿させた。ついで、1N塩酸、純水の順で洗浄後、乾燥して目的の重合体88gを得た。得られた重合体の重量平均分子量(Mw)は93,000であった。得られた化合物は式(X)で表されるポリマーであることを確認した
。
The obtained solution was put into a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube. The mixture was heated and stirred at 115 ° C., and 23.9 g (275 mmol) of lithium bromide was added. After stirring for 7 hours, the product was precipitated by pouring into 3.2 L of acetone. Subsequently, it was washed with 1N hydrochloric acid and pure water in this order, and then dried to obtain 88 g of the desired polymer. The weight average molecular weight (Mw) of the obtained polymer was 93,000. It was confirmed that the obtained compound was a polymer represented by the formula (X).
得られたスルホン化ポリマーの10重量%N-メチル-2-ピロリドン(NMP)溶液を、ガ
ラス板上にキャストして製膜し、膜厚40μmのフィルムを得た。
[評価]
合成例2および4、6、8、また合成例10で合成したスルホン化ポリマーおよびフィルム(プロトン伝導膜)の物性を評価した。結果を表1に示す。
A 10% by weight N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution of the obtained sulfonated polymer was cast on a glass plate to form a film having a film thickness of 40 μm.
[Evaluation]
The physical properties of the sulfonated polymers and films (proton conducting membranes) synthesized in Synthesis Examples 2 and 4, 6, 8, and Synthesis Example 10 were evaluated. The results are shown in Table 1.
[実施例1]
[ペーストAの調製]
50mlのガラス瓶に直径10mmのジルコニアボール(商品名:YTZボール、株式会社ニッカトー製)25gを入れ、白金担持カーボン粒子(Pt:46重量%担持、(田中貴金属工業株式会社製:TEC10E50E)1.51g、蒸留水0.88g、合成例2の重合
体の15%水−1,2ジメトキシエタン溶液(重量比10:90)3.23g、1,2−ジメトキシエタン13.97g、気相法炭素繊維(商品名:VGCF、昭和電工社製)0.1gおよび分散剤(商品名:DA234、楠本化成株式会社製)0.028gを加え、ウエーブローターで60分間攪拌し、粘度50cp(25℃)のペーストAを得た。
[Example 1]
[Preparation of paste A]
Put 50 g of zirconia balls (trade name: YTZ ball, manufactured by Nikkato Co., Ltd.) 25 g in a 50 ml glass bottle, and carry platinum-supported carbon particles (Pt: 46 wt%, (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: TEC10E50E) 1.51 g. 0.88 g of distilled water, 3.23 g of 15% water-1, dimethoxyethane solution (weight ratio 10:90) of the polymer of Synthesis Example 2, 13.97 g of 1,2-dimethoxyethane, vapor grown carbon fiber (Product name: VGCF, manufactured by Showa Denko Co., Ltd.) 0.1 g and a dispersant (trade name: DA234, manufactured by Enomoto Kasei Co., Ltd.) 0.028 g were added, and the mixture was stirred for 60 minutes with a wave blower. Paste A was obtained.
[電極の作成]
離型剤処理したPETフィルム上に、ペーストAを白金塗布量が0.5mg/cm2になるようにドクターブレードを用いて塗布した。これを95℃で10分間加熱乾燥し、電極層を形成させた。
[Create electrode]
On the PET film treated with a release agent, paste A was applied using a doctor blade so that the platinum coating amount was 0.5 mg / cm 2 . This was heated and dried at 95 ° C. for 10 minutes to form an electrode layer.
[触媒付電解質膜の作成]
下記一般式(XI)で表される構造の重量平均分子量(Mw)170,000の重合体
からなる膜厚50μmの電解質膜を1枚用意し、2枚の電極層で挟み、圧力100kg/cm2下で、160℃×15minの条件でホットプレス成形して、触媒付電解質膜を作
成した。
[Creating electrolyte membrane with catalyst]
One electrolyte membrane having a film thickness of 50 μm made of a polymer having a weight average molecular weight (Mw) of 170,000 having a structure represented by the following general formula (XI) is prepared, sandwiched between two electrode layers, and a pressure of 100 kg / cm. 2 and hot press molding under the conditions of 160 ° C. × 15 min to prepare an electrolyte membrane with a catalyst.
[実施例2]
[ペーストBの調製]
50mlのガラス瓶に直径10mmのジルコニアボール(商品名:YTZボール、株式会社ニッカトー製)25gを入れ、白金担持カーボン粒子(Pt:46重量%担持、(田中貴金属工業株式会社製:TEC10E50E)1.51g、蒸留水0.88g、合成例4の重合
体の15%水−1,2ジメトキシエタン溶液(重量比10:90)3.23g、1,2−ジメトキシエタン13.97g、気相法炭素繊維(商品名:VGCF、昭和電工社製)0.1gおよび分散剤(商品名:DA234、楠本化成株式会社製)0.028gを加え、ウエーブローターで60分間攪拌し、粘度50cp(25℃)のペーストBを得た。
[Example 2]
[Preparation of paste B]
Put 50 g of zirconia balls (trade name: YTZ ball, manufactured by Nikkato Co., Ltd.) 25 g in a 50 ml glass bottle, and carry platinum-supported carbon particles (Pt: 46 wt%, (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: TEC10E50E) 1.51 g. 0.88 g of distilled water, 3.23 g of 15% water-1,2 dimethoxyethane solution (weight ratio 10:90) of the polymer of Synthesis Example 4, 13.97 g of 1,2-dimethoxyethane, vapor grown carbon fiber (Product name: VGCF, manufactured by Showa Denko Co., Ltd.) 0.1 g and a dispersant (trade name: DA234, manufactured by Enomoto Kasei Co., Ltd.) 0.028 g were added, and the mixture was stirred for 60 minutes with a wave blower. Paste B was obtained.
[電極の作成]
離型剤処理したPETフィルム上に、ペーストBを白金塗布量が0.5mg/cm2になるようにドクターブレードを用いて塗布した。これを95℃で10分間加熱乾燥し、電極層を形成させた。
[Create electrode]
On the PET film treated with a release agent, paste B was applied using a doctor blade so that the platinum coating amount was 0.5 mg / cm 2 . This was heated and dried at 95 ° C. for 10 minutes to form an electrode layer.
[触媒付電解質膜の作成]
上記一般式(XI)で表される構造の重量平均分子量(Mw)170,000の重合体
からなる膜厚50μmの電解質膜を1枚用意し、2枚の電極層で挟み、圧力100kg/cm2下で、160℃×15minの条件でホットプレス成形して、触媒付電解質膜を作
成した。
[実施例3]
[ペーストCの調製]
50mlのガラス瓶に直径10mmのジルコニアボール(商品名:YTZボール、株式会社ニッカトー製)25gを入れ、白金担持カーボン粒子(Pt:46重量%担持、(田中貴金属工業株式会社製:TEC10E50E)1.51g、蒸留水0.88g、合成例6の重合
体の15%水−1,2ジメトキシエタン溶液(重量比10:90)3.23g、1,2−ジメトキシエタン13.97g、気相法炭素繊維(商品名:VGCF、昭和電工社製)0.1gおよび分散剤(商品名:DA234、楠本化成株式会社製)0.028gを加え、ウエーブローターで60分間攪拌し、粘度50cp(25℃)のペーストCを得た。
[Creating electrolyte membrane with catalyst]
One electrolyte membrane having a thickness of 50 μm made of a polymer having a weight average molecular weight (Mw) of 170,000 having a structure represented by the above general formula (XI) is prepared, and sandwiched between two electrode layers, and a pressure of 100 kg / cm 2 and hot press molding under the conditions of 160 ° C. × 15 min to prepare an electrolyte membrane with a catalyst.
[Example 3]
[Preparation of paste C]
Put 50 g of zirconia balls (trade name: YTZ ball, manufactured by Nikkato Co., Ltd.) 25 g in a 50 ml glass bottle, and carry platinum-supported carbon particles (Pt: 46 wt%, (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: TEC10E50E) 1.51 g. 0.88 g of distilled water, 3.23 g of 15% water-1, dimethoxyethane solution of the polymer of Synthesis Example 6 (weight ratio 10:90), 13.97 g of 1,2-dimethoxyethane, vapor grown carbon fiber (Product name: VGCF, manufactured by Showa Denko Co., Ltd.) 0.1 g and a dispersant (trade name: DA234, manufactured by Enomoto Kasei Co., Ltd.) 0.028 g were added, and the mixture was stirred for 60 minutes with a wave blower, and the viscosity was 50 cp (25 ° C.). Paste C was obtained.
[電極の作成]
離型剤処理したPETフィルム上に、ペーストCを白金塗布量が0.5mg/cm2になるようにドクターブレードを用いて塗布した。これを95℃で10分間加熱乾燥し、電極層を形成させた。
[Create electrode]
Paste C was applied onto a PET film treated with a release agent using a doctor blade so that the platinum coating amount was 0.5 mg / cm 2 . This was heated and dried at 95 ° C. for 10 minutes to form an electrode layer.
[触媒付電解質膜の作成]
上記一般式(XI)で表される構造の重量平均分子量(Mw)170,000の重合体
からなる膜厚50μmの電解質膜を1枚用意し、2枚の電極層で挟み、圧力100kg/cm2下で、160℃×15minの条件でホットプレス成形して、触媒付電解質膜を作
成した。
[実施例4]
[ペーストDの調製]
50mlのガラス瓶に直径10mmのジルコニアボール(商品名:YTZボール、株式会社ニッカトー製)25gを入れ、白金担持カーボン粒子(Pt:46重量%担持、(田中貴金属工業株式会社製:TEC10E50E)1.51g、蒸留水0.88g、合成例8の重合
体の15%水−1,2ジメトキシエタン溶液(重量比10:90)3.23g、1,2−ジメトキシエタン13.97g、気相法炭素繊維(商品名:VGCF、昭和電工社製)0.1gおよび分散剤(商品名:DA234、楠本化成株式会社製)0.028gを加え、ウエーブローターで60分間攪拌し、粘度50cp(25℃)のペーストDを得た。
[Creating electrolyte membrane with catalyst]
One electrolyte membrane having a thickness of 50 μm made of a polymer having a weight average molecular weight (Mw) of 170,000 having a structure represented by the above general formula (XI) is prepared, and sandwiched between two electrode layers, and a pressure of 100 kg / cm. 2 and hot press molding under the conditions of 160 ° C. × 15 min to prepare an electrolyte membrane with a catalyst.
[Example 4]
[Preparation of paste D]
Put 50 g of zirconia balls (trade name: YTZ ball, manufactured by Nikkato Co., Ltd.) 25 g in a 50 ml glass bottle, and carry platinum-supported carbon particles (Pt: 46 wt%, (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: TEC10E50E) 1.51 g. 0.88 g of distilled water, 3.23 g of 15% water-1,2 dimethoxyethane solution of the polymer of Synthesis Example 8 (weight ratio 10:90), 13.97 g of 1,2-dimethoxyethane, vapor grown carbon fiber (Product name: VGCF, manufactured by Showa Denko Co., Ltd.) 0.1 g and a dispersant (trade name: DA234, manufactured by Enomoto Kasei Co., Ltd.) 0.028 g were added, and the mixture was stirred for 60 minutes with a wave blower. Paste D was obtained.
[電極の作成]
離型剤処理したPETフィルム上に、ペーストDを白金塗布量が0.5mg/cm2になるようにドクターブレードを用いて塗布した。これを95℃で10分間加熱乾燥し、電極層を形成させた。
[Create electrode]
On the PET film treated with a release agent, paste D was applied using a doctor blade so that the platinum coating amount was 0.5 mg / cm 2 . This was heated and dried at 95 ° C. for 10 minutes to form an electrode layer.
[触媒付電解質膜の作成]
上記一般式(XI)で表される構造の重量平均分子量(Mw)170,000の重合体からなる膜厚50μmの電解質膜を1枚用意し、2枚の電極層で挟み、圧力100kg/cm2下で、160℃×15minの条件でホットプレス成形して、触媒付電解質膜を作成した。
[比較例]
[ペーストEの調製]
50mlのガラス瓶に直径10mmのジルコニアボール(商品名:YTZボール、株式会社ニッカトー製)25gを入れ、白金担持カーボン粒子(Pt:46重量%担持、(田中貴金属工業株式会社製:TEC10E50E)1.51g、蒸留水0.88g、合成例10の重合体の15%水−1,2ジメトキシエタン溶液(重量比10:90)3.23g、1,2−ジメトキシエタン13.97g、気相法炭素繊維(商品名:VGCF、昭和電工社製)0.1gおよび分散剤(商品名:DA234、楠本化成株式会社製)0.028gを加え、ウエーブローターで60分間攪拌し、粘度50cp(25℃)のペーストEを得た。
[Creating electrolyte membrane with catalyst]
One electrolyte membrane having a thickness of 50 μm made of a polymer having a weight average molecular weight (Mw) of 170,000 having a structure represented by the above general formula (XI) is prepared, and sandwiched between two electrode layers, and a pressure of 100 kg / cm. 2 and hot press molding under the conditions of 160 ° C. × 15 min to prepare an electrolyte membrane with a catalyst.
[Comparative example]
[Preparation of paste E]
Put 50 g of zirconia balls (trade name: YTZ ball, manufactured by Nikkato Co., Ltd.) 25 g in a 50 ml glass bottle, and carry platinum-supported carbon particles (Pt: 46 wt%, (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: TEC10E50E) 1.51 g. 0.88 g of distilled water, 3.23 g of 15% water-1,2 dimethoxyethane solution of the polymer of Synthesis Example 10 (weight ratio 10:90), 13.97 g of 1,2-dimethoxyethane, vapor grown carbon fiber (Product name: VGCF, manufactured by Showa Denko Co., Ltd.) 0.1 g and a dispersant (trade name: DA234, manufactured by Enomoto Kasei Co., Ltd.) 0.028 g were added, and the mixture was stirred for 60 minutes with a wave blower. Paste E was obtained.
[電極の作成]
離型剤処理したPETフィルム上に、ペーストEを白金塗布量が0.5mg/cm2になるようにドクターブレードを用いて塗布した。これを95℃で10分間加熱乾燥し、電極層を形成させた。
[Create electrode]
Paste E was applied onto a PET film treated with a release agent using a doctor blade so that the platinum coating amount was 0.5 mg / cm 2 . This was heated and dried at 95 ° C. for 10 minutes to form an electrode layer.
[触媒付電解質膜の作成]
上記一般式(XI)で表される構造の重量平均分子量(Mw)170,000の重合体
からなる膜厚50μmの電解質膜を1枚用意し、2枚の電極層で挟み、圧力100kg/cm2下で、160℃×15minの条件でホットプレス成形して、触媒付電解質膜を作
成した。
[評価]
次に発電特性の評価結果を表2に示す。本発明の電解質から作成した電極付電解質膜は、電極と膜との密着性に優れていることにより、高温高湿下、高温低湿の条件下の測定においても、各電流密度で高い端子電圧を示し発電性能に優れていることがわかる。
[Creating electrolyte membrane with catalyst]
One electrolyte membrane having a thickness of 50 μm made of a polymer having a weight average molecular weight (Mw) of 170,000 having a structure represented by the above general formula (XI) is prepared, and sandwiched between two electrode layers, and a pressure of 100 kg / cm. 2 and hot press molding under the conditions of 160 ° C. × 15 min to prepare an electrolyte membrane with a catalyst.
[Evaluation]
Next, Table 2 shows the evaluation results of the power generation characteristics. The electrode-attached electrolyte membrane prepared from the electrolyte of the present invention is excellent in the adhesion between the electrode and the membrane, so that a high terminal voltage can be obtained at each current density even in measurement under conditions of high temperature and high humidity. It can be seen that the power generation performance is excellent.
Claims (8)
Bは独立に酸素原子または硫黄原子を示す。
R1〜R28は、水素原子またはニトリル基を示す。
l、oは0〜4の整数を示し、mは1〜4の整数を示し、qは2以上の整数を示す。n、p、は各ユニットの組成比を示し0から1の値をとり、n+p=1である。ただし、nは0以外の値をとる。] A polymer electrolyte fuel cell electrode electrolyte comprising a polyarylene copolymer containing a structural unit represented by the general formula (1) and a structural unit that provides proton conductivity.
B is shows the oxygen atom or a sulfur atom independently.
R 1 to R 28 each represent a hydrogen atom or a nitrile group.
l and o represent an integer of 0 to 4, m represents an integer of 1 to 4, and q represents an integer of 2 or more. n and p indicate the composition ratio of each unit and take a value of 0 to 1, where n + p = 1. However, n takes a value other than 0. ]
Dは直接結合、−O−、−CO−、−(CH2)h−(hは1〜10の整数である)、−CR''2−(R''は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基)を示す。R1〜R28は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基およびニトリル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示す。また、l、oは0〜4の整数を示し、qは2以上の整数を示す。n、p、は各ユニットの組成比を示し0から1の値をとり、n+p=1である。ただし、nは0以外の値をとる。] 2. The polymer electrolyte fuel cell electrode electrolyte according to claim 1, wherein the structural unit represented by the formula (1) is a structural unit represented by the following general formula (2).
D is a direct bond, —O—, —CO—, — (CH 2 ) h — (h is an integer of 1 to 10), —CR ″ 2 — (R ″ is an aliphatic hydrocarbon group, aromatic It shows the family hydrocarbon group). R 1 to R 28 may be the same as or different from each other, and are selected from a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group, an allyl group, an aryl group, a nitro group, and a nitrile group, which are partially or completely halogenated. At least one atom or group selected from the group consisting of: L and o each represent an integer of 0 to 4, and q represents an integer of 2 or more. n and p indicate the composition ratio of each unit and take a value of 0 to 1, where n + p = 1. However, n takes a value other than 0. ]
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