JP5669170B2 - Polymer electrolyte, polymer electrolyte membrane, and use thereof - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子形燃料電池に用いられる高分子電解質、高分子電解質膜、またそれによって構成される膜/電極接合体、燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a polymer electrolyte used in a solid polymer fuel cell, a polymer electrolyte membrane, a membrane / electrode assembly formed thereby, and a fuel cell.
近年、地球温暖化等の環境問題等の観点から、高効率でクリーンなエネルギー源の開発が求められている。それに対する一つの候補として燃料電池が注目されている。燃料電池は、水素ガスやメタノール等の燃料と酸素等の酸化剤をそれぞれ電解質で隔てられた電極に供給し、一方で燃料の酸化を、他方で酸化剤の還元を行い、直接発電するものである。上述した燃料電池の材料のなかで、最も重要な部材の一つが電解質である。その電解質からなる燃料と酸化剤とを隔てる電解質膜としては、これまで様々なものが開発されているが、近年、特にスルホン酸基などのプロトン伝導性官能基を含有する高分子化合物から構成される高分子電解質の開発が盛んである。こうした高分子電解質は、固体高分子形燃料電池の他にも、例えば、湿度センサー、ガスセンサー、エレクトロクロミック表示素子などの電気化学素子の原料としても使用される。これら高分子電解質の利用法の中でも、特に、固体高分子形燃料電池は、新エネルギー技術の柱の一つとして期待されている。例えば、プロトン伝導性官能基を有する高分子化合物からなる電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴を有し、自動車などの移動体、家庭用コージェネレーションシステム、および民生用小型携帯機器などへの適用が検討されている。 In recent years, development of highly efficient and clean energy sources has been demanded from the viewpoint of environmental problems such as global warming. Fuel cells are attracting attention as one candidate for this. A fuel cell directly supplies power by supplying a fuel such as hydrogen gas or methanol and an oxidant such as oxygen to electrodes separated by an electrolyte, while oxidizing the fuel on the one hand and reducing the oxidant on the other. is there. Among the fuel cell materials described above, one of the most important members is an electrolyte. Various types of electrolyte membranes have been developed so far to separate the electrolyte fuel and oxidant, and in recent years, the electrolyte membrane is composed of a polymer compound containing a proton conductive functional group such as a sulfonic acid group. The development of polymer electrolytes is thriving. In addition to the solid polymer fuel cell, such a polymer electrolyte is used as a raw material for electrochemical elements such as a humidity sensor, a gas sensor, and an electrochromic display element. Among these polymer electrolyte utilization methods, in particular, polymer electrolyte fuel cells are expected as one of the pillars of new energy technology. For example, a polymer electrolyte fuel cell using an electrolyte membrane made of a polymer compound having a proton-conducting functional group has features such as operation at a low temperature and reduction in size and weight. Application to consumer cogeneration systems and consumer small portable devices is under consideration.
ここで、固体高分子形燃料電池に使用される電解質膜としては、1950年代に開発されたスチレン系の陽イオン交換膜があるが、燃料電池動作環境下における安定性に乏しく、充分な寿命を有する燃料電池を製造するには至っていない。一方、実用的な安定性を有する電解質膜としては、ナフィオン(Nafion)(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が広く検討されている。パーフルオロカーボンスルホン酸膜は、高いプロトン伝導性を有し、耐酸性、耐酸化性などの化学的安定性に優れているとされている。しかしながらナフィオン(登録商標)は、使用原料が高く、複雑な製造工程を経るため、非常に高価であるという欠点がある。また、電極反応で生じる過酸化水素やその副生物であるヒドロキシラジカルで劣化すると指摘されている。またその構造上、プロトン伝導基であるスルホン酸基の導入については限界がある。 Here, as the electrolyte membrane used in the polymer electrolyte fuel cell, there is a styrene-based cation exchange membrane developed in the 1950s, but it has poor stability in the fuel cell operating environment and has a sufficient life. No fuel cell has been produced. On the other hand, as an electrolyte membrane having practical stability, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane represented by Nafion (registered trademark) has been widely studied. Perfluorocarbon sulfonic acid membranes are said to have high proton conductivity and excellent chemical stability such as acid resistance and oxidation resistance. However, Nafion (registered trademark) has a drawback that it is very expensive because of the high raw materials used and the complicated manufacturing process. In addition, it has been pointed out that it is deteriorated by hydrogen peroxide generated by the electrode reaction and by-product hydroxy radical. In addition, due to its structure, there is a limit to the introduction of sulfonic acid groups that are proton conducting groups.
このような背景から、再び炭化水素系電解質膜の開発が期待されるようになってきた。その理由としては、炭化水素系電解質膜は化学構造の多様性を持たせやすく、スルホン酸基などのプロトン伝導基の導入の範囲が広く調整できる、他の材料との複合化、架橋の導入などが比較的容易であるという特徴があるからである。 Against this background, the development of hydrocarbon electrolyte membranes has come to be expected. The reason for this is that the hydrocarbon electrolyte membrane is easy to have a variety of chemical structures, the range of introduction of proton conducting groups such as sulfonic acid groups can be adjusted widely, compounding with other materials, introduction of crosslinking, etc. This is because there is a feature that is relatively easy.
例えば、非特許文献1では、スルホン化の容易なフェニル基を分子内に多く含む構造を有し、高温安定性を有するポリ(2,6−ジフェニル−4−フェニレンオキシド)(以下PPPOと略す)を用い、これをスルホン化処理することで得られる、イオン交換容量(以下IECと略す)が0.7〜2.8meq/gの高分子電解質(スルホン化ポリ(2,6−ジフェニル−4−フェニレンオキシド))が例示されている。しかしこの文献においては、IECが2.6meq/g以上では水に溶解してしまうことが示されており、燃料電池用電解質膜としては使用できないものであった。
For example, in
特許文献1ではベンゾニトリル構造を含むホモポリマーおよびランダム共重合体が例示されているが、ランダム共重合体やホモポリマーを用いた電解質膜では低湿度でのプロトン伝導度に有効なミクロ相分離状態になりにくいことが知られている。
特許文献2ではブロック共重合体が例示されているが、用いられる親水部、疎水部とも別の合成法により合成しなくてはならず、また用いられているポリパラフェニレン系のユニットの重合において副反応を抑えるために用いることのできるモノマーが限られるため、例示されているもの以外の合成は難しい。複雑な製造工程を経る必要があり、非常に高価であるという欠点がある。
本発明の目的は、加工性に優れ、かつ、プロトン伝導度、特に水分の少ない状況で優れたプロトン伝導度を持つ炭化水素系高分子電解質およびその膜を提供することである。 An object of the present invention is to provide a hydrocarbon polymer electrolyte having excellent processability and proton conductivity, particularly excellent proton conductivity in a low water content, and a membrane thereof.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、スルホン酸基導入率の高いユニット、スルホン酸基導入率の低いユニットからなるブロック共重合体において、スルホン酸基導入率の高いユニットに、屈曲した主鎖構造を持たせることによって部分的なスルホン酸基密度を高めると、水分の少ない状況において所望のプロトン伝導度を発揮できることを発見し、本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that in a block copolymer comprising a unit having a high sulfonic acid group introduction rate and a unit having a low sulfonic acid group introduction rate, It was discovered that when the density of a partial sulfonic acid group is increased by giving a bent unit main chain structure to a high unit, the desired proton conductivity can be exhibited in a low moisture state, and the present invention has been completed. .
すなわち、本発明は、スルホン酸基導入率の高いユニットおよびスルホン酸基導入率の低いユニットを含むブロック共重合体であり、スルホン酸基導入率の高いユニットとして下記式(1)で示される構造にスルホン酸基が導入されている構造を主鎖に有する、高分子電解質である。 That is, the present invention is a block copolymer including a unit having a high sulfonic acid group introduction rate and a unit having a low sulfonic acid group introduction rate, and has a structure represented by the following formula (1) as a unit having a high sulfonic acid group introduction rate. It is a polymer electrolyte having a structure in which a sulfonic acid group is introduced in the main chain.
(Ar1、Ar2、およびAr3は、各々置換基を有していてもよいベンゼン環、ナフタレン環または窒素を含むヘテロ芳香環を示す。ただし、Ar1〜Ar3の少なくとも一つはパラでない部位で結合しているものとする。X1は、各々O、直接結合またはフルオレニリデンを示す。aは0〜4である。)
上記式(1)におけるAr1、Ar2、およびAr3の少なくとも一つが、下記式(2)、(3)、(4)または(5)であることが好ましい。
(Ar 1 , Ar 2 , and Ar 3 each represents an optionally substituted benzene ring, naphthalene ring or nitrogen-containing heteroaromatic ring, provided that at least one of Ar 1 to Ar 3 is a para-ring. X 1 represents O, a direct bond or fluorenylidene, and a is 0 to 4.)
It is preferable that at least one of Ar 1 , Ar 2 , and Ar 3 in the above formula (1) is the following formula (2), (3), (4), or (5).
(R1はフッ素、塩素、臭素、シアノ基、ニトロ基、フッ素化されていてもよい炭素数1〜10のアルキル基、炭素数6〜12のアリール基、炭素数1〜9で窒素を含むヘテロ芳香環、炭素数1〜10のアルコキシ基、COZ、あるいはSO2Zを示し、Zは置換基が付いていてもよい炭素数1〜10のアルキル基、置換基が付いていてもよい炭素数6〜12のアリール基を示す。いくつかある場合はそれぞれ同一でも異なっていても良い。bは0〜4の整数を示す。) (R 1 is fluorine, chlorine, bromine, cyano group, nitro group, C 1-10 alkyl group which may be fluorinated, C 6-12 aryl group, C 1-9 and nitrogen. A heteroaromatic ring, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, COZ, or SO 2 Z, wherein Z is an optionally substituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or an optionally substituted carbon An aryl group having a number of 6 to 12. In some cases, they may be the same or different, and b represents an integer of 0 to 4.
(R1は上記と同様。bは上記と同様。) (R 1 is the same as above. B is the same as above.)
(R1は上記と同様。cは0〜6の整数を示す。ただし結合部位は互いにパラでない部位に限定される。) (R 1 is the same as above. C represents an integer of 0 to 6. However, the binding sites are limited to sites that are not para to each other.)
(ただし結合部位は互いにパラでない部位に限定される。)
上記式(1)におけるAr1、Ar2、およびAr3の少なくとも一つが、下記式(6)で示される構造であることが好ましい。
(However, the binding sites are limited to sites that are not para to each other.)
It is preferable that at least one of Ar 1 , Ar 2 , and Ar 3 in the above formula (1) has a structure represented by the following formula (6).
(ただし結合部位は互いにパラでない部位に限定される。)
上記スルホン酸基導入率の高いユニットが下記式(7)および/または(8)で示される構造を含むことが好ましい。
(However, the binding sites are limited to sites that are not para to each other.)
It is preferable that the unit having a high introduction rate of the sulfonic acid group includes a structure represented by the following formula (7) and / or (8).
(X1は上記と同様。R2はフッ素、塩素、臭素、フッ素化されていてもよい炭素数1〜10のアルキル基、炭素数6〜12のアリール基、炭素数1〜9で窒素を含むヘテロ芳香環、あるいは炭素数1〜10のアルコキシ基を示し、いくつかある場合はそれぞれ同一でも異なっていても良く、いくつかある場合はそれぞれ同一でも異なっていても良い。aおよびbは上記と同様。) (X 1 is the same as above. R 2 is fluorine, chlorine, bromine, an optionally fluorinated alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, and nitrogen having 1 to 9 carbon atoms. A heteroaromatic ring to be included, or an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, and in some cases, they may be the same or different, and in some cases, they may be the same or different. the same as.)
(X1は上記と同様。R2は上記と同様。aおよびcは上記と同様。)
上記スルホン酸基導入率の低いユニットが、下記構造式(9)で示される構造を含むことが好ましい。
(X 1 is the same as above. R 2 is the same as above. A and c are the same as above.)
It is preferable that the unit having a low introduction rate of the sulfonic acid group includes a structure represented by the following structural formula (9).
(X2はCO、またはSO2を示す。R3はフッ素で置換されていても良い炭素数1〜10のアルキル基、シアノ基、COZ、あるいはSO2Zを示し、Zは置換基が付いていてもよい炭素数1〜10のアルキル基、炭素数6〜12のアリール基を示す。いくつかある場合はそれぞれ同一でも異なっていても良い。dは0〜4の値を示す。Yは水素、金属イオン、あるいはアンモニウムイオンを示す。eは0〜2を示す。ただしaが1の場合、eの合計は2未満の値である。)
上記スルホン酸基導入率の低いユニットが下記式(10)で示される構造を含むことが好ましい。
(X 2 represents CO or SO 2. R 3 represents an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms which may be substituted with fluorine, a cyano group, COZ or SO 2 Z, and Z represents a substituent. And an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms and an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, which may be the same or different from each other, d is a value from 0 to 4, and Y is Represents hydrogen, metal ion, or ammonium ion, and e represents 0 to 2. However, when a is 1, the sum of e is less than 2.
The unit having a low introduction rate of the sulfonic acid group preferably includes a structure represented by the following formula (10).
(X1およびX2は上記と同様。)
本発明の高分子電解質膜は、上記高分子電解質を含む。
(X 1 and X 2 are the same as above.)
The polymer electrolyte membrane of the present invention includes the polymer electrolyte.
本発明の膜電極接合体は、上記高分子電解質膜を含む。 The membrane electrode assembly of the present invention includes the polymer electrolyte membrane.
本発明の固体高分子形燃料電池は、上記高分子電解質膜および/または上記膜電極接合体を含む。 The polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes the polymer electrolyte membrane and / or the membrane electrode assembly.
本発明によれば、加工性に優れ、プロトン伝導度、特に水分の少ない状況で優れたプロトン伝導度を持つ高分子電解質を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the polymer electrolyte which is excellent in workability and has proton conductivity, especially the proton conductivity excellent in the condition with little water | moisture content can be provided.
本発明の一実施形態について説明すれば以下の通りである。なお、本発明は以下の説明に限定されるものではない。 An embodiment of the present invention will be described as follows. The present invention is not limited to the following description.
<本発明にかかる高分子電解質>
本発明の高分子電解質はスルホン酸基導入率の高いユニット、スルホン酸基導入率の低いユニットからなるブロック共重合体である。ここでブロック共重合体とは性質の異なるユニット同士が結合し、もとのユニットからなるホモポリマーとは異なる性質を有するものを指す。ユニットとは、連続した同一組成と見なせる構造からなる部位を指す。
<Polymer electrolyte according to the present invention>
The polymer electrolyte of the present invention is a block copolymer composed of units having a high sulfonic acid group introduction rate and units having a low sulfonic acid group introduction rate. Here, the block copolymer refers to a unit in which units having different properties are bonded to each other and has a property different from that of a homopolymer comprising the original unit. A unit refers to a site having a structure that can be regarded as a continuous and identical composition.
本発明の高分子電解質は、スルホン酸基導入率の高いユニットとして、下記式(1)で示される屈曲した構造にスルホン酸基が導入されている主鎖を持たせることにより、電解質膜中の部分的なスルホン酸基密度を高めることを特徴とするものである。 The polymer electrolyte of the present invention has a main chain in which a sulfonic acid group is introduced into a bent structure represented by the following formula (1) as a unit having a high sulfonic acid group introduction rate. The partial sulfonic acid group density is increased.
(Ar1、Ar2、およびAr3は、各々置換基を有していてもよいベンゼン環、ナフタレン環または窒素を含むヘテロ芳香環を示す。ただし、Ar1〜Ar3の少なくとも一つはパラでない部位で結合しているものとする。X1は、各々O、直接結合またはフルオレニリデンを示す。aは0〜4である。)
より具体的には、パラでない部位で結合しているベンゼン環としては、下記(2)および(3)が好ましい。
(Ar 1 , Ar 2 , and Ar 3 each represents an optionally substituted benzene ring, naphthalene ring or nitrogen-containing heteroaromatic ring, provided that at least one of Ar 1 to Ar 3 is a para-ring. X 1 represents O, a direct bond or fluorenylidene, and a is 0 to 4.)
More specifically, the following (2) and (3) are preferable as the benzene ring bonded at a non-para site.
(R1はフッ素、塩素、臭素、シアノ基、ニトロ基、フッ素化されていてもよい炭素数1〜10のアルキル基、炭素数6〜12のアリール基、炭素数1〜9で窒素を含むヘテロ芳香環、炭素数1〜10のアルコキシ基、COZ、あるいはSO2Zを示し、Zは置換基が付いていてもよい炭素数1〜10のアルキル基、置換基が付いていてもよい炭素数6〜12のアリール基を示す。いくつかある場合はそれぞれ同一でも異なっていても良い。bは0〜4の整数を示す。) (R 1 is fluorine, chlorine, bromine, cyano group, nitro group, C 1-10 alkyl group which may be fluorinated, C 6-12 aryl group, C 1-9 and nitrogen. A heteroaromatic ring, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, COZ, or SO 2 Z, wherein Z is an optionally substituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or an optionally substituted carbon An aryl group having a number of 6 to 12. In some cases, they may be the same or different, and b represents an integer of 0 to 4.
(R1は上記と同様。bは上記と同様。)
加工性を高める観点から、下記式(6)で示される構造が少なくとも1個含まれることが好ましい。
(R 1 is the same as above. B is the same as above.)
From the viewpoint of improving workability, it is preferable that at least one structure represented by the following formula (6) is included.
(ただし結合部位は互いにパラでない部位に限定される。)
ナフタレン環としては、下記化(4)で示される構造が好ましい。
(However, the binding sites are limited to sites that are not para to each other.)
As a naphthalene ring, the structure shown by following formula (4) is preferable.
(R1は上記と同様。cは0〜6の整数を示す。ただし結合部位は互いにパラでない部位に限定される。)
なお、ナフタレン環がパラでない部位で結合しているとは、結合部位が互いに1,4位でないことをいい、具体的にはナフタレン環の1,2位、1,3位、1,5位、1,6位、1,7位、1,8位、2,3位、2,6位、2,7位で結合しているものである。原料入手の点で1,2位、1,5位、1,6位、1,7位、1,8位、2,6位で結合しているものが好ましい。
(R 1 is the same as above. C represents an integer of 0 to 6. However, the binding sites are limited to sites that are not para to each other.)
In addition, that the naphthalene ring is bonded at a non-para site means that the bonded sites are not 1- and 4-positions, specifically, 1,2-position, 1,3-position, 1,5-position of the naphthalene ring. , 1, 6 position, 1, 7 position, 1, 8 position, 2, 3 position, 2, 6 position, 2, 7 position. From the viewpoint of obtaining raw materials, those bonded at the 1st, 2nd, 1st, 5th, 1st, 6th, 1st, 7th, 1st, 8th, 2nd and 6th positions are preferable.
パラでない部位で結合している窒素を含むヘテロ芳香環としては、下記式(5)で示される構造が好ましい。 As the heteroaromatic ring containing nitrogen bonded at a non-para site, a structure represented by the following formula (5) is preferable.
(ただし結合部位は互いにパラでない部位に限定される。)
式(1)においては、上記化(2)〜(5)を少なくとも一つ含有されることが好ましい。上記化(2)〜(5)が複数含有される場合は、各々同一であってもよいが、異なっていても良い。
(However, the binding sites are limited to sites that are not para to each other.)
In the formula (1), it is preferable that at least one of the above formulas (2) to (5) is contained. When a plurality of the above chemical formulas (2) to (5) are contained, they may be the same or different.
本発明の高分子電解質は、スルホン酸基導入率の高いユニットが下記式(7)および/または(8)で示される構造を含むことが好ましい。 In the polymer electrolyte of the present invention, the unit having a high sulfonic acid group introduction rate preferably includes a structure represented by the following formula (7) and / or (8).
(X1は上記と同様。R2はフッ素、塩素、臭素、フッ素化されていてもよい炭素数1〜10のアルキル基、炭素数6〜12のアリール基、炭素数1〜9で窒素を含むヘテロ芳香環、あるいは炭素数1〜10のアルコキシ基を示し、いくつかある場合はそれぞれ同一でも異なっていても良く、いくつかある場合はそれぞれ同一でも異なっていても良い。aおよびbは上記と同様。) (X 1 is the same as above. R 2 is fluorine, chlorine, bromine, an optionally fluorinated alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, and nitrogen having 1 to 9 carbon atoms. A heteroaromatic ring to be included, or an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, and in some cases, they may be the same or different, and in some cases, they may be the same or different. the same as.)
(X1は上記と同様。R2は上記と同様。aおよびcは上記と同様。)
加工性を高める観点から、上記式(7)、(8)におけるベンゼン環またはナフタレン環の少なくとも1つがパラでない部位で結合していることが好ましい。
(X 1 is the same as above. R 2 is the same as above. A and c are the same as above.)
From the viewpoint of improving workability, it is preferable that at least one of the benzene ring or naphthalene ring in the above formulas (7) and (8) is bonded at a site that is not para.
スルホン酸基導入率の低いユニットとしては、電子吸引性官能基と結合した芳香環を多く有するか、または置換基を有する芳香環を多く有することが好ましく、なかでもユニットに含まれる芳香環がいずれも一つ以上の電子吸引性官能基を有する、または置換基を1個以上有することが好ましい。具体的には、化学的安定性の観点から、式(9)で示される構造を含むことが好ましい。 The unit having a low introduction rate of sulfonic acid group preferably has a large number of aromatic rings bonded to an electron-withdrawing functional group or a large number of aromatic rings having a substituent. It is preferable to have one or more electron-withdrawing functional groups or one or more substituents. Specifically, from the viewpoint of chemical stability, the structure represented by the formula (9) is preferably included.
(X2はCO、SO2を示す。R3はフッ素で置換されていても良い炭素数1〜10のアルキル基、シアノ基、COZ、あるいはSO2Zを示し、Zは置換基が付いていてもよい炭素数1〜10のアルキル基、炭素数6〜12のアリール基を示す。いくつかある場合はそれぞれ同一でも異なっていても良い。dは0〜4の値を示す。Yは水素、金属イオン、あるいはアンモニウムイオンを示す。eは0〜2を示す。ただしaが1の場合、eの合計は2未満の値である。)
中でも、加工性の観点から、式(10)で示される構造を含むことが好ましい。
(X 2 represents CO or SO 2. R 3 represents an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms which may be substituted with fluorine, a cyano group, COZ or SO 2 Z, and Z has a substituent. An alkyl group having 1 to 10 carbon atoms and an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, which may be the same or different from each other, d is a value from 0 to 4, and Y is hydrogen. Represents a metal ion or an ammonium ion, and e represents 0 to 2. However, when a is 1, the sum of e is a value less than 2.
Especially, it is preferable that the structure shown by Formula (10) is included from a viewpoint of workability.
(X1およびX2は上記と同様。)
本発明において、スルホン酸基導入率の高いとは、特に限定するわけではないが、ユニットに含まれる全芳香環のうちスルホン酸基を有するものが25%以上であることが好ましく、40%以上であることがより好ましく、60%以上であることが更に好ましい。一方、スルホン酸基導入率の低いとは、ユニットに含まれる全芳香環のうちスルホン酸基を有するものが25%未満であることが好ましく、20%未満であることがより好ましく、15%未満であることが更に好ましい。
(X 1 and X 2 are the same as above.)
In the present invention, the high introduction rate of the sulfonic acid group is not particularly limited, but the total aromatic ring contained in the unit preferably has 25% or more of the sulfonic acid group, and 40% or more. It is more preferable that it is 60% or more. On the other hand, the low introduction rate of the sulfonic acid group means that the total aromatic ring contained in the unit is preferably less than 25%, more preferably less than 20%, and less than 15%. More preferably.
スルホン酸基導入率の高いユニットおよびスルホン酸基導入率の低いユニットは、各々、数平均分子量が200以上であることが好ましく、1000以上がより好ましく、2000以上が更に好ましい。 The unit having a high sulfonic acid group introduction rate and the unit having a low sulfonic acid group introduction rate each preferably have a number average molecular weight of 200 or more, more preferably 1000 or more, and still more preferably 2000 or more.
<高分子電解質の製造方法>
本発明の高分子電解質の製造法として、主に2通りの方法がありいずれの方法で行うこともできる。
<Method for producing polymer electrolyte>
There are mainly two methods for producing the polymer electrolyte of the present invention, and any method can be used.
第一の製法は、ユニット前駆体またはブロック共重合体を製造してからスルホン酸基へと変換する方法である。ただし、ここでのユニット前駆体またはブロック共重合体は、スルホン酸基、または酸化処理などによりスルホン酸基へと変換可能なスルフィド結合、スルホキシド結合、スルホン結合などの硫黄含有部位を有するモノマー、オリゴマー、またはポリマー、およびこれらのスルホン酸基誘導体のいずれかを使用して合成されるものである。 The first production method is a method in which a unit precursor or a block copolymer is produced and then converted into a sulfonic acid group. However, the unit precursor or block copolymer here is a monomer or oligomer having a sulfonic acid group or a sulfur-containing site such as a sulfide bond, a sulfoxide bond or a sulfone bond that can be converted into a sulfonic acid group by oxidation treatment or the like. Or a polymer and any of these sulfonic acid group derivatives.
第二の製法は、電子吸引基を有さない芳香環を多く有するユニット前駆体またはブロック共重合体を製造してからスルホン化反応によりスルホン酸基を導入する方法である。なかでも、製造工程の簡便化の観点から、ブロック共重合体を製造してから、スルホン化反応によりスルホン酸基導入率の高いユニットを形成することが好ましい。 The second production method is a method in which a sulfonic acid group is introduced by a sulfonation reaction after producing a unit precursor or a block copolymer having many aromatic rings having no electron withdrawing group. Among these, from the viewpoint of simplifying the production process, it is preferable to form a unit having a high introduction rate of sulfonic acid groups by sulfonation after the block copolymer is produced.
ここでは、第二の製法による高分子電解質の製造方法を説明する。 Here, a method for producing a polymer electrolyte by the second production method will be described.
(ユニット前駆体の合成法)
各ユニット前駆体の合成法としては様々な方法が可能であり、一般的な重合方法(例えば、「新高分子実験学3 高分子の合成法・反応(2)縮合系高分子の合成」p.7−57、p.399−401、(1996)共立出版株式会社、など)を適用することができる。
(Synthesis method of unit precursor)
Various methods can be used for synthesizing each unit precursor, such as general polymerization methods (for example, “
重合反応は酸素があまり存在しない雰囲気で行うことが好ましく、不活性ガス雰囲気、たとえば窒素ガス雰囲気下やアルゴンガス雰囲気下で行うのが好ましい。 The polymerization reaction is preferably performed in an atmosphere that does not contain much oxygen, and is preferably performed in an inert gas atmosphere, such as a nitrogen gas atmosphere or an argon gas atmosphere.
好ましい重合反応としては、ジハライドと、フェノール性水酸基を有するジオールとの重縮合反応が例示される。これらのモノマーはそれぞれ1種のみを使用してもよいが、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 As a preferable polymerization reaction, a polycondensation reaction between a dihalide and a diol having a phenolic hydroxyl group is exemplified. Each of these monomers may be used alone or in combination of two or more.
スルホン酸基導入率の高いユニットを合成する際に用いることのできるモノマーとしては、ベンゼン環を持つジオールとして、ヒドロキノン、レソルシノール、カテコール、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、2,2−ビス(2−ヒドロキシ−5−ビフェニルイル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、2,3−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,4−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,5−ジヒドロキシベンゾフェノン、3,4−ジヒドロキシベンゾフェノン、3,5−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,2´−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,3´−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン、3,3´−ジヒドロキシベンゾフェノン、3,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,3−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,4−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,5−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,4−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,5−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,2´−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,3´−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,4´−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3´−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,4´−ジ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スルホン、2,3−ジヒドロキシビフェニル、2,4−ジヒドロキシビフェニル、2,5−ジヒドロキシビフェニル、3,4−ジヒドロキシビフェニル、3,5−ジヒドロキシビフェニル、2,2´−ジヒドロキシビフェニル、2,3´−ジヒドロキシビフェニル、2,4´−ジヒドロキシビフェニル、3,3´−ジヒドロキシビフェニル、3,4´−ジヒドロキシビフェニル、4,4´−ジヒドロキシビフェニル、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシ−3−フェニルフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジフェニルフェニル)フルオレンおよびこれらの誘導体などが挙げられる。ベンゼン環は置換基を有していてもよく、置換基としては水素、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアリール基、炭素数1〜10のアルコキシ基、あるいはこれらの一部または全てがフッ素で置換されたもの等が例示される。化学的安定性の観点から水素、アリール基あるいは全てがフッ素で置換されたアルキル基が好ましい。 Monomers that can be used when synthesizing units having a high introduction rate of sulfonic acid groups include diols having a benzene ring, hydroquinone, resorcinol, catechol, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, 2,2 -Bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) propane, 2,2-bis (2-hydroxy-5-biphenylyl) propane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, 2, 3-dihydroxybenzophenone, 2,4-dihydroxybenzophenone, 2,5-dihydroxybenzophenone, 3,4-dihydroxybenzophenone, 3,5-dihydroxybenzophenone, 2,2'-dihydroxybenzophenone, 2,3'-dihydroxybenzophenone, 2, , 4'-dihydroxy Benzophenone, 3,3′-dihydroxybenzophenone, 3,4′-dihydroxybenzophenone, 4,4′-dihydroxybenzophenone, 2,3-dihydroxydiphenylsulfone, 2,4-dihydroxydiphenylsulfone, 2,5-dihydroxydiphenylsulfone, 3,4-dihydroxydiphenylsulfone, 3,5-dihydroxydiphenylsulfone, 2,2'-dihydroxydiphenylsulfone, 2,3'-dihydroxydiphenylsulfone, 2,4'-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3'-dihydroxydiphenyl Sulfone, 3,4'-dihydroxydiphenylsulfone, 4,4'-dihydroxydiphenylsulfone, 2,3-dihydroxybiphenyl, 2,4-dihydroxybiphenyl, 2,5-dihydroxybiff Nyl, 3,4-dihydroxybiphenyl, 3,5-dihydroxybiphenyl, 2,2'-dihydroxybiphenyl, 2,3'-dihydroxybiphenyl, 2,4'-dihydroxybiphenyl, 3,3'-dihydroxybiphenyl, 3, 4'-dihydroxybiphenyl, 4,4'-dihydroxybiphenyl, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (4-hydroxy-3-phenylphenyl) fluorene, 9,9-bis ( 4-hydroxy-3,5-diphenylphenyl) fluorene and derivatives thereof. The benzene ring may have a substituent, and examples of the substituent include hydrogen, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, or one of these. A part or all of which is substituted with fluorine is exemplified. From the viewpoint of chemical stability, hydrogen, an aryl group, or an alkyl group in which all are substituted with fluorine are preferable.
ベンゼン環を持つジハライドとして、2,3−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、2,5−ジフルオロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,3−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,5−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジクロロベンゾニトリルおよびこれらの誘導体などが挙げられる。ベンゼン環は置換基を有していてもよく、置換基としては水素、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアリール基、炭素数1〜10のアルコキシ基、あるいはこれらの一部または全てがフッ素で置換されたもの等が例示される。化学的安定性の観点から水素、アリール基あるいは全てがフッ素で置換されたアルキル基が好ましい。 As dihalides having a benzene ring, 2,3-difluorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, 2,5-difluorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,3-dichlorobenzonitrile, 2,4 -Dichlorobenzonitrile, 2,5-dichlorobenzonitrile, 2,6-dichlorobenzonitrile and derivatives thereof. The benzene ring may have a substituent, and examples of the substituent include hydrogen, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, or one of these. A part or all of which is substituted with fluorine is exemplified. From the viewpoint of chemical stability, hydrogen, an aryl group, or an alkyl group in which all are substituted with fluorine are preferable.
ナフタレン環をもつジオールとして、1,2−ジヒドロキシナフタレン、1,3−ジヒドロキシナフタレン、1,4−ジヒドロキシナフタレン、1,5−ジヒドロキシナフタレン、1,6−ジヒドロキシナフタレン、1,7−ジヒドロキシナフタレン、1,8−ジヒドロキシナフタレン、2,3−ジヒドロキシナフタレン、2,6−ジヒドロキシナフタレン、2,7−ジヒドロキシナフタレン、1,1´−ビ−2−ナフトール、1,1´−ビ−3−ナフトール、1,1´−ビ−4−ナフトール、1,1´−ビ−5−ナフトール、1,1´−ビ−6−ナフトール、1,1´−ビ−7−ナフトール、1,1´−ビ−8−ナフトール、2,2´−ビ−1−ナフトール、2,2´−ビ−3−ナフトール、2,2´−ビ−4−ナフトール、2,2´−ビ−5−ナフトール、2,2´−ビ−6−ナフトール、2,2´−ビ−7−ナフトール、2,2´−ビ−8−ナフトールおよびこれらの誘導体などが挙げられる。ナフタレン環は置換基を有していてもよく、置換基としては水素、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアリール基、炭素数1〜10のアルコキシ基、あるいはこれらの一部または全てがフッ素で置換されたもの等が例示される。化学的安定性の観点から、水素、アリール基あるいは全てがフッ素で置換されたアルキル基が好ましい。 Diols having a naphthalene ring include 1,2-dihydroxynaphthalene, 1,3-dihydroxynaphthalene, 1,4-dihydroxynaphthalene, 1,5-dihydroxynaphthalene, 1,6-dihydroxynaphthalene, 1,7-dihydroxynaphthalene, 1 , 8-dihydroxynaphthalene, 2,3-dihydroxynaphthalene, 2,6-dihydroxynaphthalene, 2,7-dihydroxynaphthalene, 1,1′-bi-2-naphthol, 1,1′-bi-3-naphthol, 1 , 1'-bi-4-naphthol, 1,1'-bi-5-naphthol, 1,1'-bi-6-naphthol, 1,1'-bi-7-naphthol, 1,1'-bi 8-naphthol, 2,2'-bi-1-naphthol, 2,2'-bi-3-naphthol, 2,2'-bi-4-naphthol, 2,2'-bi-5-na Examples include phthal, 2,2'-bi-6-naphthol, 2,2'-bi-7-naphthol, 2,2'-bi-8-naphthol, and derivatives thereof. The naphthalene ring may have a substituent, such as hydrogen, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, or one of these. A part or all of which is substituted with fluorine is exemplified. From the viewpoint of chemical stability, hydrogen, an aryl group, or an alkyl group in which all are substituted with fluorine are preferable.
窒素を含むヘテロ芳香環を持つジオールとして、2,3−ジヒドロキシピリジン、2,4−ジヒドロキシピリジン、2,5−ジヒドロキシピリジン、2,6−ジヒドロキシピリジンなどが挙げられる。窒素を含むヘテロ芳香環は置換基を有していてもよく、置換基としては水素、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアリール基、炭素数1〜10のアルコキシ基、あるいはこれらの一部または全てがフッ素で置換されたもの等が例示される。 Examples of the diol having a nitrogen-containing heteroaromatic ring include 2,3-dihydroxypyridine, 2,4-dihydroxypyridine, 2,5-dihydroxypyridine, and 2,6-dihydroxypyridine. The heteroaromatic ring containing nitrogen may have a substituent, such as hydrogen, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, Alternatively, those in which part or all of these are substituted with fluorine are exemplified.
窒素を含むヘテロ芳香環を持つジハライドとして、2,3−ジフルオロピリジン、2,4−ジフルオロピリジン、2,5−ジフルオロピリジン、2,6−ジフルオロピリジン、2,3−ジクロロピリジン、2,4−ジクロロピリジン、2,5−ジクロロピリジン、2,6−ジクロロピリジンなどが挙げられる。窒素を含むヘテロ芳香環は置換基を有していてもよく、置換基としては水素、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアリール基、炭素数1〜10のアルコキシ基、あるいはこれらの一部または全てがフッ素で置換されたもの等が例示される。
屈曲した構造であるためには、式(1)において少なくとも一つがパラでない部位で結合していることが必要であるが、好ましくは全てがパラでない部位で結合している構造である。
As dihalides having a heteroaromatic ring containing nitrogen, 2,3-difluoropyridine, 2,4-difluoropyridine, 2,5-difluoropyridine, 2,6-difluoropyridine, 2,3-dichloropyridine, 2,4- Examples include dichloropyridine, 2,5-dichloropyridine, and 2,6-dichloropyridine. The heteroaromatic ring containing nitrogen may have a substituent, such as hydrogen, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, Alternatively, those in which part or all of these are substituted with fluorine are exemplified.
In order to have a bent structure, it is necessary that at least one is bonded at a non-para site in formula (1), but a structure in which all are bonded at a non-para site is preferable.
パラでない部位で結合しているベンゼン環を持つジオールとしては、レソルシノール、カテコール、2,2−ビス(2−ヒドロキシ−5−ビフェニルイル)プロパン、2,3−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,4−ジヒドロキシベンゾフェノン、3,4−ジヒドロキシベンゾフェノン、3,5−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,2´−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,3´−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン、3,3´−ジヒドロキシベンゾフェノン、3,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,3−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,4−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,4−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,5−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,2´−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,3´−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,4´−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3´−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,4´−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,3−ジヒドロキシビフェニル、2,4−ジヒドロキシビフェニル、3,4−ジヒドロキシビフェニル、3,5−ジヒドロキシビフェニル、2,2´−ジヒドロキシビフェニル、2,3´−ジヒドロキシビフェニル、2,4´−ジヒドロキシビフェニル、3,3´−ジヒドロキシビフェニル、3,4´−ジヒドロキシビフェニルおよびこれらの誘導体などが挙げられる。中でも3,5−ジヒドロキシビフェニル、2,2´−ジヒドロキシビフェニル、2,4´−ジヒドロキシビフェニルが好ましい。 Examples of diols having a benzene ring bonded at a non-para site include resorcinol, catechol, 2,2-bis (2-hydroxy-5-biphenylyl) propane, 2,3-dihydroxybenzophenone, and 2,4-dihydroxybenzophenone. 3,4-dihydroxybenzophenone, 3,5-dihydroxybenzophenone, 2,2'-dihydroxybenzophenone, 2,3'-dihydroxybenzophenone, 2,4'-dihydroxybenzophenone, 3,3'-dihydroxybenzophenone, 3,4 '-Dihydroxybenzophenone, 2,3-dihydroxydiphenylsulfone, 2,4-dihydroxydiphenylsulfone, 3,4-dihydroxydiphenylsulfone, 3,5-dihydroxydiphenylsulfone, 2,2'-dihydroxydiph Nyl sulfone, 2,3′-dihydroxydiphenyl sulfone, 2,4′-dihydroxydiphenyl sulfone, 3,3′-dihydroxydiphenyl sulfone, 3,4′-dihydroxydiphenyl sulfone, 2,3-dihydroxybiphenyl, 2,4-dihydroxy Biphenyl, 3,4-dihydroxybiphenyl, 3,5-dihydroxybiphenyl, 2,2'-dihydroxybiphenyl, 2,3'-dihydroxybiphenyl, 2,4'-dihydroxybiphenyl, 3,3'-dihydroxybiphenyl, 3, Examples thereof include 4'-dihydroxybiphenyl and derivatives thereof. Of these, 3,5-dihydroxybiphenyl, 2,2′-dihydroxybiphenyl, and 2,4′-dihydroxybiphenyl are preferable.
パラでない部位で結合しているベンゼン環を持つジハライドとしては、2,3−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、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,3−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−ジクロロベンゾニトリルおよびこれらの誘導体などが挙げられる。中でも2,4−ジフルオロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジクロロベンゾニトリルが好ましい。 Examples of the dihalide having a benzene ring bonded at a non-para site include 2,3-difluorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,3-dichlorobenzonitrile, 2, Examples include 4-dichlorobenzonitrile, 2,6-dichlorobenzonitrile and derivatives thereof. Of these, 2,4-difluorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, and 2,6-dichlorobenzonitrile are preferable.
パラでない部位で結合している窒素を含むヘテロ芳香環としては、原料入手の観点から、2,4−ジフルオロピリジン、2,6−ジフルオロピリジン、2,4−ジクロロピリジン、2,6−ジクロロピリジンが好ましい。 The heteroaromatic ring containing nitrogen bonded at a non-para site includes 2,4-difluoropyridine, 2,6-difluoropyridine, 2,4-dichloropyridine, and 2,6-dichloropyridine from the viewpoint of obtaining raw materials. Is preferred.
スルホン酸基導入率の低いユニット前駆体の合成には、ジハライドとして、上記スルホン酸基導入率の高いユニットの製造に使用できるジハライドを同様に使用でき、その他、4,4´−ジフルオロベンゾフェノン、4,4´−ジクロロベンゾフェノン、4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4´−ジクロロジフェニルスルホン、またはこれらの構造異性体を用いることが出来る。また、ハロゲン置換基を2つ以上芳香環に有する芳香族化合物、芳香族カルボニル化合物、または芳香族スルホニル化合物、芳香族ニトリル化合物、芳香族ニトロ化合物、芳香族フルオロアルキル化合物も用いることが出来る。 For the synthesis of a unit precursor having a low introduction rate of sulfonic acid group, a dihalide that can be used for the production of a unit having a high introduction rate of sulfonic acid group can be used as a dihalide. In addition, 4,4′-difluorobenzophenone, 4 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, or structural isomers thereof. An aromatic compound, an aromatic carbonyl compound, an aromatic sulfonyl compound, an aromatic nitrile compound, an aromatic nitro compound, or an aromatic fluoroalkyl compound having two or more halogen substituents on the aromatic ring can also be used.
ジオールとしては、スルホン酸基導入率の高いユニット前駆体の合成に使用できるジオールが同様に使用できる。中でも、スルホン酸基導入率の調整の観点から、
ヒドロキノン、レソルシノール、カテコール、あるいは電子吸引基を含むものが好ましい。
As the diol, a diol that can be used for the synthesis of a unit precursor having a high sulfonic acid group introduction rate can be used. Among them, from the viewpoint of adjusting the sulfonic acid group introduction rate,
Hydroquinone, resorcinol, catechol, or those containing an electron withdrawing group are preferred.
重縮合反応には炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウムなどの金属炭酸塩、水酸化カリウムや水酸化ナトリウムなどの金属水酸化物などの塩基を一種以上用いることができる。 In the polycondensation reaction, one or more bases such as metal carbonates such as potassium carbonate, sodium carbonate and calcium carbonate, and metal hydroxides such as potassium hydroxide and sodium hydroxide can be used.
溶媒としては、重合を禁止するものでなければ特に制限は無く、例えば、複素環化合物(3−メチル−2−オキサゾリジノン、1−メチル−2−ピロリドン(以下NMPと略す)、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン(以下DMIと略す))、環状エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、鎖状エーテル類(ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル等)、二トリル化合物類(アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル等)、非プロトン性極性物質(ジメチルスルホキシド(以下DMSOと略す)、スルホラン、ジメチルホルムアミド(以下DMFと略す)、ジメチルアセトアミド(以下DMAcと略す)等)、非極性溶媒(ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレン等)、ハロゲン系溶媒(クロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン等)、水等が列挙できる。溶解度の点から、DMIやNMPなどの複素環化合物やDMSOやDMF、DMAcなどの非プロトン性極性物質がポリマーの溶解性が高く好ましい。なかでもDMIやDMSO、DMF、DMAcが特にポリマーの溶解性が高く好ましい。これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。またシクロヘキサンやトルエンなどの溶媒を共に用い、重合により生じる水を系中から除いてもよい。 The solvent is not particularly limited as long as polymerization is not prohibited, and examples thereof include heterocyclic compounds (3-methyl-2-oxazolidinone, 1-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter abbreviated as NMP), 1,3-dimethyl. -2-imidazolidinone (hereinafter abbreviated as DMI)), cyclic ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), chain ethers (diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, etc.), nitrile compounds (acetonitrile, glutarodinitrile, Methoxyacetonitrile, etc.), aprotic polar substances (dimethyl sulfoxide (hereinafter abbreviated as DMSO), sulfolane, dimethylformamide (hereinafter abbreviated as DMF), dimethylacetamide (hereinafter abbreviated as DMAc)), nonpolar solvents (hexane, cyclohexane, Benzene, toluene, xyle Etc.), halogenated solvents (chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, etc.), water and the like can be enumerated. From the viewpoint of solubility, heterocyclic compounds such as DMI and NMP and aprotic polar substances such as DMSO, DMF, and DMAc are preferable because of high polymer solubility. Among these, DMI, DMSO, DMF, and DMAc are particularly preferable because of high polymer solubility. These may be used alone or in combination of two or more. Further, a solvent such as cyclohexane or toluene may be used together to remove water generated by polymerization from the system.
反応温度は重合反応に用いるモノマーの反応性、安定性に応じて適宜設定でき、好ましくは20℃〜300℃に設定すればよく、より好ましくは40℃〜250℃であり、さらに好ましくは70℃〜240℃である。この範囲よりも低温であれば反応速度が著しく低下する傾向があり、一方、高温であればモノマーおよびポリマーの分解が進行する恐れがある。 The reaction temperature can be appropriately set according to the reactivity and stability of the monomer used in the polymerization reaction, preferably 20 ° C to 300 ° C, more preferably 40 ° C to 250 ° C, and even more preferably 70 ° C. ~ 240 ° C. If the temperature is lower than this range, the reaction rate tends to be remarkably reduced. On the other hand, if the temperature is higher, the decomposition of the monomer and polymer may proceed.
重合反応工程では停止操作を行うことが好ましく、これは冷却、希釈、重合禁止剤の添加によって行うことができる。重合反応工程の後に生成した高分子を取り出してもよい。さらに精製工程を追加してもよい。 In the polymerization reaction step, it is preferable to perform a stopping operation, which can be performed by cooling, diluting, or adding a polymerization inhibitor. The polymer produced after the polymerization reaction step may be taken out. Further purification steps may be added.
ジハライドと、フェノール性水酸基を有するジオールとのモル比を変えることで、両末端にハロゲンの付いたハロゲン末端のポリマー、または両末端にフェノール性水酸基のついたフェノール性水酸基末端のポリマーを作ることができる。 By changing the molar ratio of dihalide and diol having phenolic hydroxyl groups, it is possible to produce halogen-terminated polymers with halogens at both ends, or phenolic hydroxyl-terminated polymers with phenolic hydroxyl groups at both ends. it can.
(ブロック共重合体の製造)
スルホン酸基導入率の高いユニット前駆体と、スルホン酸基導入率の低いユニット前駆体とを重縮合反応で合成することができ、重合条件等は上述と同様の条件で行うことができる。いずれかのユニット前駆体をフェノール性水酸基末端に、もう一方のユニット前駆体をハロゲン末端にしておき、これらの重縮合反応によりブロック共重合体を得ることができる。いずれのユニット前駆体もフェノール性水酸基末端にしておき、連結剤を用いて、これらユニット前駆体を連結させてブロック共重合体を得ることもできる。連結基としては、2価や3価の連結基、またはデカフルオロビフェニルなどの多価の連結基を用いることができる。いずれのユニット前駆体もハロゲン末端にしておき、ジオールを用いて、これらユニット前駆体を連結させてブロック共重合体を得ることもできる。ジオールには、前述のジオールが同様に適用されうる。
(Manufacture of block copolymer)
A unit precursor having a high sulfonic acid group introduction rate and a unit precursor having a low sulfonic acid group introduction rate can be synthesized by a polycondensation reaction, and the polymerization conditions and the like can be performed under the same conditions as described above. One of the unit precursors is terminated with a phenolic hydroxyl group and the other unit precursor is terminated with a halogen, and a block copolymer can be obtained by a polycondensation reaction. Any of the unit precursors may be terminated with a phenolic hydroxyl group, and these unit precursors may be linked using a linking agent to obtain a block copolymer. As the linking group, a divalent or trivalent linking group, or a polyvalent linking group such as decafluorobiphenyl can be used. Any of the unit precursors may be halogen-terminated, and a diol may be used to link these unit precursors to obtain a block copolymer. As the diol, the above-mentioned diols can be similarly applied.
合成工程の簡略化のために、いずれかのユニット前駆体をあらかじめ合成しておき、その反応容器にモノマーを追加し、もう一方のユニットを合成すると共にブロック共重合体を合成しても良い。 In order to simplify the synthesis process, one of the unit precursors may be synthesized in advance, a monomer may be added to the reaction vessel, the other unit may be synthesized, and a block copolymer may be synthesized.
(スルホン酸基導入)
スルホン酸基の導入は、ブロック共重合体の合成前でもよく、ブロック共重合体の合成後でもよい。
(Introduction of sulfonic acid group)
The introduction of the sulfonic acid group may be before the synthesis of the block copolymer or after the synthesis of the block copolymer.
スルホン化剤としては、例えば硫酸、クロロスルホン酸、発煙硫酸などが挙げられる。中でも、硫酸やクロロスルホン酸が適度な反応性を有しているため好ましい。 Examples of the sulfonating agent include sulfuric acid, chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid and the like. Among these, sulfuric acid and chlorosulfonic acid are preferable because they have appropriate reactivity.
溶媒としては反応を阻害するものでなければ特に制限は無く、環状エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、鎖状エーテル類(ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル等)、非極性溶媒(トルエン、キシレン等)塩素系溶媒(メチレンクロリド、1,2−ジクロロエタン、エチレンクロリド等)、スルホン酸類(メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸など)、硫酸、水が列挙できる。中でも、溶解度の点からメチレンクロリドや1,2−ジクロロエタンなどの塩素系溶媒が好ましい。これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。 The solvent is not particularly limited as long as it does not inhibit the reaction, and cyclic ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), chain ethers (diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, etc.), nonpolar solvents (toluene, xylene, etc.) Listed are chlorinated solvents (methylene chloride, 1,2-dichloroethane, ethylene chloride, etc.), sulfonic acids (methanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, etc.), sulfuric acid, and water. Of these, chlorinated solvents such as methylene chloride and 1,2-dichloroethane are preferred from the viewpoint of solubility. These may be used alone or in combination of two or more.
反応温度は反応に応じて適宜設定すればよく、具体的にはスルホン化剤の最適使用範囲である−80℃〜200℃に設定するのが好ましく、−50℃〜160℃がより好ましく、−20℃〜140℃がさらに好ましい。この範囲よりも低温であれば反応が遅くなる傾向があり、高温であれば急激な反応が起こり目的とする部位以外にもスルホン化が進行してしまう恐れがある。 What is necessary is just to set reaction temperature suitably according to reaction, Specifically, it is preferable to set to -80 degreeC-200 degreeC which is the optimal use range of a sulfonating agent, -50 degreeC-160 degreeC is more preferable,- 20 to 140 ° C. is more preferable. If the temperature is lower than this range, the reaction tends to be slow, and if the temperature is high, a rapid reaction occurs and sulfonation may progress to other than the intended site.
<高分子電解質膜>
本発明の高分子電解質は、それ単独で、またはその他成分を含有した複合体の形態で、膜状に成型して高分子電解質膜に使用することができる。
<Polymer electrolyte membrane>
The polymer electrolyte of the present invention can be used alone or in the form of a complex containing other components and formed into a membrane to be used as a polymer electrolyte membrane.
製膜方法としては、公知の方法が適宜使用され得る。例えば、ホットプレス法、インフレーション法、Tダイ法などの溶融押出成形、キャスト法、エマルション法などの溶液からの製膜方法が例示され得る。例えば、高分子電解質を、Tダイがセットされた押出機に投入し、溶融混練しながら製膜を行なう方法が挙げられる。製膜工程で前記複合化を行うことも可能である。キャスト法の場合、粘度を調整した高分子電解質、または高分子電解質複合体の溶液を、ガラス板などの平板上に、バーコーター、ブレードコーターなどを用いて塗布し、溶媒を気化させて膜を得ることができる。工業的には溶液を連続的にコートダイからベルト上に塗布し、溶媒を気化させて長尺物を得る方法も一般的である。 As a film forming method, a known method can be appropriately used. For example, a film forming method from a solution such as a hot extrusion method, an inflation method, a melt extrusion molding method such as a T-die method, a casting method, or an emulsion method can be exemplified. For example, there is a method in which a polymer electrolyte is put into an extruder in which a T die is set, and film formation is performed while melt kneading. It is also possible to perform the composite in the film forming process. In the case of the casting method, a polymer electrolyte or polymer electrolyte complex solution with adjusted viscosity is applied onto a flat plate such as a glass plate using a bar coater, blade coater, etc., and the solvent is evaporated to form a membrane. Can be obtained. Industrially, it is also common to apply a solution continuously from a coating die onto a belt and vaporize the solvent to obtain a long product.
高分子電解質膜の分子配向などを制御するために、得られた高分子電解質膜に対して二軸延伸などの処理を施したり、結晶化度を制御するための熱処理を施したりしてもよい。高分子電解質膜の機械的強度を向上させるために各種フィラーを添加したり、ガラス不織布などの補強剤と高分子電解質膜とをプレスにより複合化させてもよい。 In order to control the molecular orientation of the polymer electrolyte membrane, the obtained polymer electrolyte membrane may be subjected to a treatment such as biaxial stretching or a heat treatment for controlling the crystallinity. . In order to improve the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane, various fillers may be added, or a reinforcing agent such as a glass nonwoven fabric and the polymer electrolyte membrane may be combined by pressing.
高分子電解質膜の厚さは、用途に応じて任意の厚さを選択することができる。例えば、得られる高分子電解質膜の内部抵抗を低減することを考慮した場合、高分子フィルムの厚みは薄い程よい。一方、得られた高分子電解質膜のガス、メタノール遮断性やハンドリング性を考慮すると、高分子電解質膜の厚みは薄すぎると好ましくない場合がある。これらを考慮すると、高分子電解質膜の厚みは、1.2μm以上350μm以下であることが好ましい。高分子電解質膜の厚さが上記数値の範囲内であれば、取り扱いが容易であり、破損が生じ難いなどハンドリング性が向上する。高分子電解質膜のプロトン伝導性も所望の範囲で発現させることができる。 As the thickness of the polymer electrolyte membrane, any thickness can be selected according to the application. For example, in consideration of reducing the internal resistance of the obtained polymer electrolyte membrane, the polymer film is preferably as thin as possible. On the other hand, when the gas, methanol barrier property and handling property of the obtained polymer electrolyte membrane are taken into consideration, it may not be preferable if the thickness of the polymer electrolyte membrane is too thin. Considering these, the thickness of the polymer electrolyte membrane is preferably 1.2 μm or more and 350 μm or less. When the thickness of the polymer electrolyte membrane is within the above range, handling is improved, such as easy handling and less damage. The proton conductivity of the polymer electrolyte membrane can also be expressed within a desired range.
高分子電解質膜は、製膜してからスルホン酸基を導入することも可能である。その場合、高分子電解質膜の製膜方法は、高分子電解質膜前駆体フィルムの製膜方法と読み替えることができる。つまり、スルホン酸基を導入する高分子、あるいはスルホン酸基を導入する高分子を含んだ複合体からフィルムを作製する方法を例示したことになる。この場合、フィルムをスルホン化することによって、最終的に高分子電解質膜を得ることになる。 It is also possible to introduce a sulfonic acid group after forming a polymer electrolyte membrane. In that case, the method for forming the polymer electrolyte membrane can be read as the method for forming the polymer electrolyte membrane precursor film. That is, a method for producing a film from a polymer that introduces a sulfonic acid group or a complex that includes a polymer that introduces a sulfonic acid group is exemplified. In this case, the polymer electrolyte membrane is finally obtained by sulfonating the film.
本発明の高分子電解質膜の特性をさらに向上させるために、電子線、γ線、イオンビーム等の放射線を照射させることも可能である。これらにより、高分子電解質膜中に架橋構造などが導入でき、さらに性能が向上する場合がある。またプラズマ処理やコロナ処理などの各種表面処理により、高分子電解質膜表面の触媒層との接着性を上げるなどの特性向上を図ることもできる。 In order to further improve the properties of the polymer electrolyte membrane of the present invention, it is possible to irradiate radiation such as electron beam, γ-ray, ion beam and the like. As a result, a crosslinked structure or the like can be introduced into the polymer electrolyte membrane, and the performance may be further improved. In addition, various surface treatments such as plasma treatment and corona treatment can improve properties such as improving adhesion to the catalyst layer on the surface of the polymer electrolyte membrane.
<本発明にかかる高分子電解質膜>
本発明にかかる高分子電解質膜は、上記高分子電解質、高分子電解質複合体を任意の方法で膜状に成型したものである。このような製膜方法としては、公知の方法が適宜使用され得る。上記放置の方法としては、例えば、ホットプレス法、インフレーション法、Tダイ法などの溶融押出成形、キャスト法、エマルション法などの溶液からの製膜方法が例示され得る。溶融成型方法の例としては、溶融押出成形で高分子電解質膜を製造することが挙げられる。具体的には、材料を、Tダイがセットされた押出機に投入し、溶融混練しながら製膜を行なう方法が適用され得る。さらには、この工程で前記複合化を行うことも可能である。溶液からの製膜方法としては、キャスト法が例示される。これは粘度を調整した高分子電解質、あるいは高分子電解質複合体の溶液を、ガラス板などの平板上に、バーコーター、ブレードコーターなどを用いて塗布し、溶媒を気化させて膜を得る方法である。工業的には溶液を連続的にコートダイからベルト上に塗布し、溶媒を気化させて長尺物を得る方法も一般的である。
<Polymer electrolyte membrane according to the present invention>
The polymer electrolyte membrane according to the present invention is obtained by molding the above polymer electrolyte and polymer electrolyte composite into a film shape by an arbitrary method. As such a film forming method, a known method can be appropriately used. Examples of the leaving method include a film forming method from a solution such as a hot extrusion method, an inflation method, a melt extrusion molding method such as a T-die method, a casting method, and an emulsion method. As an example of the melt molding method, a polymer electrolyte membrane is produced by melt extrusion molding. Specifically, a method in which a material is put into an extruder in which a T die is set and film formation is performed while melt kneading can be applied. Furthermore, it is also possible to perform the above-mentioned combination in this step. An example of a film forming method from a solution is a casting method. This is a method in which a polymer electrolyte or polymer electrolyte complex solution with adjusted viscosity is applied onto a flat plate such as a glass plate using a bar coater, blade coater, etc., and the solvent is evaporated to obtain a film. is there. Industrially, it is also common to apply a solution continuously from a coating die onto a belt and vaporize the solvent to obtain a long product.
さらに、高分子電解質膜の分子配向などを制御するために、得られた高分子電解質膜に対して二軸延伸などの処理を施したり、結晶化度を制御するための熱処理を施したりしてもよい。また、高分子電解質膜の機械的強度を向上させるために各種フィラーを添加したり、ガラス不織布などの補強剤と高分子電解質膜とをプレスにより複合化させたりすることも、本発明の範疇である。 Furthermore, in order to control the molecular orientation of the polymer electrolyte membrane, the obtained polymer electrolyte membrane is subjected to a treatment such as biaxial stretching or a heat treatment for controlling the crystallinity. Also good. In addition, it is also within the scope of the present invention to add various fillers in order to improve the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane or to combine a reinforcing agent such as a glass nonwoven fabric with the polymer electrolyte membrane by pressing. is there.
製造される高分子電解質膜の厚さは、用途に応じて任意の厚さを選択することができる。例えば、得られる高分子電解質膜の内部抵抗を低減することを考慮した場合、高分子フィルムの厚みは薄い程よい。一方、得られた高分子電解質膜のガス、メタノール遮断性やハンドリング性を考慮すると、高分子電解質膜の厚みは薄すぎると好ましくない場合がある。これらを考慮すると、高分子電解質膜の厚みは、1.2μm以上350μm以下であることが好ましい。上記高分子電解質膜の厚さが上記数値の範囲内であれば、取り扱いが容易であり、破損が生じ難いなどハンドリング性が向上する。また、得られた高分子電解質膜のプロトン伝導性も所望の範囲で発現させることができる。 The thickness of the manufactured polymer electrolyte membrane can be selected arbitrarily depending on the application. For example, in consideration of reducing the internal resistance of the obtained polymer electrolyte membrane, the polymer film is preferably as thin as possible. On the other hand, when the gas, methanol barrier property and handling property of the obtained polymer electrolyte membrane are taken into consideration, it may not be preferable if the thickness of the polymer electrolyte membrane is too thin. Considering these, the thickness of the polymer electrolyte membrane is preferably 1.2 μm or more and 350 μm or less. When the thickness of the polymer electrolyte membrane is within the range of the above numerical values, handling is improved such that handling is easy and damage is unlikely to occur. In addition, the proton conductivity of the obtained polymer electrolyte membrane can be expressed within a desired range.
なお、高分子電解質膜は、製膜してからスルホン酸基を導入することも可能である。その場合、上記高分子電解質膜の製膜方法は、高分子電解質膜前駆体フィルムの製膜方法と読み替えることができる。つまり、スルホン酸基を導入する高分子、あるいはスルホン酸基を導入する高分子を含んだ複合体からフィルムを作製する方法を例示したことになる。この場合、フィルムをスルホン化することによって、最終的に高分子電解質膜を得ることになる。 The polymer electrolyte membrane can be introduced with a sulfonic acid group after being formed. In that case, the method for forming the polymer electrolyte membrane can be read as the method for forming the polymer electrolyte membrane precursor film. That is, a method for producing a film from a polymer that introduces a sulfonic acid group or a complex that includes a polymer that introduces a sulfonic acid group is exemplified. In this case, the polymer electrolyte membrane is finally obtained by sulfonating the film.
なお、本発明の高分子電解質膜の特性をさらに向上させるために、電子線、γ線、イオンビーム等の放射線を照射させることも可能である。これらにより、高分子電解質膜中に架橋構造などが導入でき、さらに性能が向上する場合がある。またプラズマ処理やコロナ処理などの各種表面処理により、高分子電解質膜表面の触媒層との接着性を上げるなどの特性向上を図ることもできる。 In order to further improve the characteristics of the polymer electrolyte membrane of the present invention, it is possible to irradiate radiation such as electron beam, γ-ray, ion beam and the like. As a result, a crosslinked structure or the like can be introduced into the polymer electrolyte membrane, and the performance may be further improved. In addition, various surface treatments such as plasma treatment and corona treatment can improve properties such as improving adhesion to the catalyst layer on the surface of the polymer electrolyte membrane.
<本発明にかかる膜/電極接合体、燃料電池>
本発明にかかる高分子電解質、高分子電解質複合体は、様々な産業上の利用が考えられ、その利用(用途)については、特に制限されるものではないが、例えば、膜/電極接合体(以下MEAと表記する)を挙げることができる。かかるMEAは、例えば、燃料電池、特に、固体高分子形燃料電池、および直接メタノール形燃料電池等の燃料電池に用いることができる。
<Membrane / electrode assembly and fuel cell according to the present invention>
The polyelectrolyte and polyelectrolyte composite according to the present invention are considered to have various industrial uses, and the use (use) is not particularly limited. For example, a membrane / electrode assembly ( (Hereinafter referred to as MEA). Such MEAs can be used, for example, in fuel cells, particularly solid polymer fuel cells, and fuel cells such as direct methanol fuel cells.
すなわち、本発明には、上記高分子電解質、高分子電解質複合体を用いてなるMEA、燃料電池が含まれていてもよい。 That is, the present invention may include MEA and fuel cell using the polymer electrolyte and polymer electrolyte composite.
上記膜/電極接合体や燃料電池によれば、上述したような安価で化学構造の多様性を持つ炭化水素系材料であって、伝導度、特に水分の少ない状況での伝導度に有利な高イオン交換容量部位を持ち、優れたプロトン伝導度を持つ高分子電解質膜、触媒層バインダーを備えているため、高い発電特性を有する。 According to the membrane / electrode assembly or the fuel cell, it is a hydrocarbon-based material having a variety of chemical structures as described above, which is advantageous in terms of conductivity, particularly conductivity in a low moisture state. Since it has an ion exchange capacity site, a polymer electrolyte membrane having excellent proton conductivity, and a catalyst layer binder, it has high power generation characteristics.
次に、本発明の高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池の一実施形態について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、固体高分子形燃料電池を例に挙げて説明する。 Next, an embodiment of a polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a polymer electrolyte fuel cell will be described as an example.
図1は、本実施の形態にかかる高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池の要部断面の構造を模式的に示す図である。同図に示すように、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池10は、高分子電解質膜1、触媒層2・2、拡散層3・3、セパレーター4・4を備えている。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a main part of a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane according to the present embodiment. As shown in the figure, a polymer
高分子電解質膜1は、固体高分子形燃料電池10のセルの略中心部に位置している。触媒層2は、高分子電解質膜1に接触するように設けられている。拡散層3は、触媒層2に隣接して設けられており、さらにその外側にセパレーター4が配置されている。セパレーター4には、燃料ガスまたは液体(メタノール水溶液など)、並びに、酸化剤を送り込むための流路5が形成されている。これらの部材は、固体高分子形燃料電池10のセルとして構成されていると換言できる。
The
一般的に、高分子電解質膜1に触媒層2を接合したものや、高分子電解質膜1に触媒層2と拡散層3を接合したものは、膜/電極接合体(本明細中ではMEAとも表記)といわれ、固体高分子形燃料電池の基本部材として使用される。
Generally, a
MEAを作製する方法は、従来検討されている、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜やその他の炭化水素系高分子電解質膜(例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンサルファイドなど)で行われる公知の方法が適用可能である。 Methods for producing MEA are conventionally studied polymer electrolyte membranes made of perfluorocarbon sulfonic acid and other hydrocarbon polymer electrolyte membranes (for example, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfone). A known method performed with a sulfonated polysulfone, a sulfonated polyimide, a sulfonated polyphenylene sulfide, or the like is applicable.
MEAの具体的作製方法の一例を下記に示すが、本発明はこれに限定されるものではない。 An example of a specific method for producing MEA is shown below, but the present invention is not limited to this.
触媒層2の形成は、高分子電解質である触媒層バインダーの溶液あるいは分散液に、金属担持触媒を分散させて、触媒層形成用の分散溶液を調合する。この分散溶液をPTFEなどの離型フィルム上にスプレーで塗布して分散溶液中の溶媒を乾燥・除去し、離型フィルム上に所定の触媒層2を形成させる。この離型フィルム上に形成した触媒層2を高分子電解質膜1の両面に配置し、所定の加熱・加圧条件下でホットプレスし、高分子電解質膜1と触媒層2を接合し、離型フィルムをはがすことによって、高分子電解質膜1の両面に触媒層2が形成されたMEAが作製できる。
The
また、上記分散溶液を、コーターなどを用いて拡散層3上に塗工して、分散溶液中の溶媒を乾燥・除去し、拡散層3上に触媒層2が形成された触媒担持ガス拡散電極を作製し、高分子電解質膜1の両側にその触媒担持ガス拡散電極の触媒層2側を配置し、所定の加熱・加圧条件下でホットプレスすることによって、高分子電解質膜1の両面に触媒層2と拡散層3とが形成されたMEAが製造できる。なお、上記触媒担持ガス拡散電極には、市販のガス拡散電極(米国E−TEK社製、など)を使用しても構わない。
Also, a catalyst-carrying gas diffusion electrode in which the dispersion solution is coated on the
上記高分子電解質の溶液としては、パーフルオロカーボンスルホン酸高分子化合物のアルコール溶液(アルドリッチ社製ナフィオン(登録商標)溶液など)やスルホン化された芳香族高分子化合物(例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンサルファイドなど)の有機溶媒溶液などが使用でき、もちろん本発明における触媒層バインダーを用いることもできる。上記金属担持触媒としては、高比表面積の導電性粒子が担体として使用可能であり、例えば、活性炭、カーボンブラック、ケッチェンブラック、バルカン、カーボンナノホーン、フラーレン、カーボンナノチューブなどの炭素材料が例示できる。 Examples of the polymer electrolyte solution include an alcohol solution of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer compound (such as Nafion (registered trademark) solution manufactured by Aldrich) or a sulfonated aromatic polymer compound (eg, sulfonated polyether ether ketone). , Sulfonated polyethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polyimide, sulfonated polyphenylene sulfide, etc.) can be used. Of course, the catalyst layer binder of the present invention can also be used. As the metal-supported catalyst, conductive particles having a high specific surface area can be used as a carrier, and examples thereof include carbon materials such as activated carbon, carbon black, ketjen black, vulcan, carbon nanohorn, fullerene, and carbon nanotube.
金属触媒としては、燃料の酸化反応および酸素の還元反応を促進するものであれば使用可能であり、燃料極と酸化剤極で同じであっても異なっていても構わない。例えば、白金、ルテニウムなどの貴金属あるいはそれらの合金などが例示でき、それらの触媒活性の促進や、反応副生物による被毒を抑制するための助触媒を添加しても構わない。 Any metal catalyst may be used as long as it promotes the fuel oxidation reaction and oxygen reduction reaction, and the fuel electrode and the oxidant electrode may be the same or different. For example, noble metals such as platinum and ruthenium or alloys thereof can be exemplified, and a promoter for promoting their catalytic activity or suppressing poisoning by reaction by-products may be added.
上記触媒層形成用の分散溶液は、スプレーで塗布したり、コーターで塗工したりしやすい粘度に調整するため、水や有機溶媒で適宜希釈しても構わない。また、必要に応じて触媒層2に撥水性を付与するため、テトラフルオロエチレンなどのフッ素系化合物を混合してもよい。
The dispersion solution for forming the catalyst layer may be appropriately diluted with water or an organic solvent in order to adjust the viscosity so that it can be easily applied by spraying or coated by a coater. Moreover, you may mix fluorine-type compounds, such as tetrafluoroethylene, in order to provide water repellency to the
上記拡散層3としては、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの多孔質の導電性材料が使用可能である。これらは燃料や酸化剤の拡散性や反応副生物や未反応物質の排出性を促進するため、テトラフルオロエチレンなどで被覆して撥水性を付与したものを使用するのが好ましい。また、高分子電解質膜1と触媒層2との間に必要に応じて前述したような高分子電解質からなる接着層を設けてもよい。
As the
高分子電解質膜1と触媒層2を加熱・加圧条件下でホットプレスする条件は、使用する高分子電解質膜1や触媒層2に含まれる高分子電解質の種類に応じて適宜設定する必要がある。上記条件としては、一般的に高分子電解質膜1や触媒層2に含まれる高分子電解質の熱劣化や熱分解温度以下であって、高分子電解質膜1あるいは触媒層2に含まれる高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度、さらには高分子電解質膜1および触媒層2に含まれる高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度条件下であることが好ましい。
The conditions for hot pressing the
加圧条件としては、概ね0.1MPa以上20MPa以下の範囲であることが、高分子電解質膜1と触媒層2が充分に接触するとともに、使用材料の著しい変形にともなう特性低下がなく好ましい。特にMEAが高分子電解質膜1と触媒層2とからのみ形成される場合は、拡散層3を触媒層2の外側に配置して特に接合することなく接触させるのみで使用しても構わない。
As the pressurizing condition, it is preferable that the pressure is in the range of about 0.1 MPa or more and 20 MPa or less because the
上記のような方法で得られたMEAを、燃料ガスまたは液体、並びに、酸化剤を送り込む流路5が形成された一対のセパレーター4などの間に挿入することにより、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池10が得られる。
The MEA obtained by the above method is inserted between a pair of
上記セパレーター4としてはカーボングラファイトやステンレス鋼の導電性材料のものが使用できる。特にステンレス鋼などの金属製材料を使用する場合は、耐腐食性の処理を施していることが好ましい。
As the
上記の固体高分子形燃料電池10に対して、燃料ガスまたは液体として、水素を主たる成分とするガスや、メタノールを主たる成分とするガスまたは液体を、酸化剤として、酸素を含むガス(酸素あるいは空気)を、それぞれ別個の流路5より、拡散層3を経由して触媒層2に供給することにより、固体高分子形燃料電池は発電する。このとき燃料として、例えば、含水素液体を使用する場合には直接液体形燃料電池となるし、メタノールを使用する場合には直接メタノール形燃料電池となる。つまり、固体高分子形燃料電池10について例示した上記実施形態は、そのまま直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池についても適用可能といえる。
For the polymer
なお、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池10を単独で、あるいは複数積層して、スタックを形成し使用することや、それらを組み込んだ燃料電池システムとすることもできる。
In addition, the polymer
なお、上述した例以外にも、本発明にかかる高分子電解質膜は、特開2001−313046号公報、特開2001−313047号公報、特開2001−93551号公報、特開2001−93558号公報、特開2001−93561号公報、特開2001−102069号公報、特開2001−102070号公報、特開2001−283888号公報、特開2000−268835号公報、特開2000−268836号公報、特開2001−283892号公報等で公知になっている固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池の電解質膜として、使用可能である。これらの公知の特許文献に基づけば、当業者であれば、本発明の高分子電解質膜を用いて容易に固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池を構成することができる。 In addition to the examples described above, the polymer electrolyte membrane according to the present invention is disclosed in JP 2001-313046, JP 2001-313047, JP 2001-93551, and JP 2001-93558. JP-A-2001-93561, JP-A-2001-102069, JP-A-2001-102070, JP-A-2001-283888, JP-A-2000-268835, JP-A-2000-268836, It can be used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell or a direct methanol fuel cell, which is publicly known in Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2001-283893. Based on these known patent documents, those skilled in the art can easily construct a solid polymer fuel cell or a direct methanol fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention.
以下実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。さらに、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 Hereinafter, examples will be shown, and the embodiment of the present invention will be described in more detail. Of course, the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims, and the present invention is also applied to the embodiments obtained by appropriately combining the disclosed technical means. It is included in the technical scope of the invention.
ポリマーの分子量、高分子電解質のイオン交換容量およびプロトン伝導度の各測定方法は以下のとおりである。 The measurement methods of the molecular weight of the polymer, the ion exchange capacity of the polymer electrolyte, and the proton conductivity are as follows.
〔分子量の測定方法〕
GPC法により分子量を測定した。条件は以下の通り。
[Measurement method of molecular weight]
The molecular weight was measured by GPC method. The conditions are as follows.
GPC測定装置 TOSOH社製 HLC−8220
カラム SHOWA DENKO社製 SuperAW4000、S uperAW2500の2本を直列に接続
カラム温度 40℃
移動相溶媒 NMP(LiBrを10mmol/dm3になるように添加)
溶媒流量 0.3mL/min
〔イオン交換容量(以下IECと略す)の測定方法〕
対象となる高分子電解質(約100mg:十分に乾燥)を25℃での塩化ナトリウム飽和水溶液20mLに浸漬し、ウォーターバス中で60℃、3時間イオン交換反応させた。25℃まで冷却し、次いで膜をイオン交換水で充分に洗浄し、塩化ナトリウム飽和水溶液および洗浄水をすべて回収した。この回収した溶液に、指示薬としてフェノールフタレイン溶液を加え、0.01Nの水酸化ナトリウム水溶液で中和滴定し、IECを算出した。
GPC measuring device HLC-8220 manufactured by TOSOH
Two columns, Super AW 4000 and Super AW 2500, manufactured by SHOWA DENKO, are connected in series. Column temperature 40 ° C
Mobile phase solvent NMP (LiBr added to 10 mmol / dm 3 )
Solvent flow rate 0.3 mL / min
[Measurement method of ion exchange capacity (hereinafter abbreviated as IEC)]
The target polymer electrolyte (about 100 mg: sufficiently dried) was immersed in 20 mL of a saturated aqueous sodium chloride solution at 25 ° C., and subjected to an ion exchange reaction in a water bath at 60 ° C. for 3 hours. After cooling to 25 ° C., the membrane was thoroughly washed with ion exchanged water, and all of the saturated aqueous sodium chloride solution and the washing water were collected. To this collected solution, a phenolphthalein solution was added as an indicator, and neutralization titration was performed with a 0.01N sodium hydroxide aqueous solution to calculate IEC.
〔プロトン伝導度の測定方法〕
プロトン伝導度測定は恒温恒湿器(ESPEC社製、SH−221)を用いて温度と湿度を一定に保ち(約3時間)、インピーダンスアナライザー(日置社製、3532−50)を用いて、電解質の抵抗を測定した。具体的にはインピーダンスアナライザーにより50kHz〜5MHzまでの周波数応答性を測定し、次式からプロトン伝導性を算出した。
プロトン伝導度(S/cm)=D/(W×T×R)
ここでDは電極間距離(cm)、Wは膜幅(cm)、Tは膜厚(cm)、Rは測定した抵抗値(Ω)である。本測定においては、D=1cm、W=1cmで行い、膜厚はそれぞれのサンプルについてマイクロメーターを用いて測定した値を用いた。温度と湿度はそれぞれ85℃、30%RHとした。
[Measurement method of proton conductivity]
Proton conductivity measurement is performed using a constant temperature and humidity chamber (manufactured by ESPEC, SH-221), keeping the temperature and humidity constant (about 3 hours), and using an impedance analyzer (manufactured by Hioki, 3532-50) The resistance of was measured. Specifically, the frequency response from 50 kHz to 5 MHz was measured with an impedance analyzer, and the proton conductivity was calculated from the following equation.
Proton conductivity (S / cm) = D / (W × T × R)
Here, D is a distance between electrodes (cm), W is a film width (cm), T is a film thickness (cm), and R is a measured resistance value (Ω). In this measurement, D = 1 cm and W = 1 cm, and the film thickness was a value measured using a micrometer for each sample. The temperature and humidity were 85 ° C. and 30% RH, respectively.
〔合成例1〕
4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン12.2g、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン10.2g、炭酸カリウム8.6g、DMAc50mlおよびトルエン15mlを窒素雰囲気下混合し、180度に加熱した。8時間後室温まで冷却後反応溶液を水に加え、析出したポリマーをミキサーで細かく粉砕し濾過後乾燥し、ポリマー(以下P1と呼ぶ)を得た。得られたP1の分子量はMn=44000であった。
[Synthesis Example 1]
12.4 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 10.2 g of 4,4′-dihydroxybenzophenone, 8.6 g of potassium carbonate, 50 ml of DMAc and 15 ml of toluene were mixed in a nitrogen atmosphere and heated to 180 degrees. After 8 hours, the reaction solution was added to water after cooling to room temperature, and the precipitated polymer was finely pulverized with a mixer, filtered and dried to obtain a polymer (hereinafter referred to as P1). The molecular weight of the obtained P1 was Mn = 44000.
また、このP1を2gジクロロメタン100mlに溶解し、10mlのクロロスルホン酸を加えてスルホン化を行ったが、IECは0.05meq/gであった。スルホン酸基導入率は0.01%であった。 Further, this P1 was dissolved in 100 g of 2 g dichloromethane, and sulfonation was carried out by adding 10 ml of chlorosulfonic acid. The IEC was 0.05 meq / g. The sulfonic acid group introduction rate was 0.01%.
〔合成例2〕
合成例1において、4,4´−ジフルオロジフェニルスルホンおよび4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノンの代わりに、2,6−ジフルオロベンゾニトリル3.0gおよび2,2´−ジヒドロキシビフェニル4.2gを使用したほかは、同様に合成を行い、白色ポリマー(以下、P2と呼ぶ。)を得た。得られたP2の分子量はMn=10000であった。また、このP2をP1と同様にスルホン化したところIECは3.62meq/gであった。スルホン酸基導入率は52%であった。
[Synthesis Example 2]
In Synthesis Example 1, 3.0 g of 2,6-difluorobenzonitrile and 4.2 g of 2,2′-dihydroxybiphenyl were used in place of 4,4′-difluorodiphenylsulfone and 4,4′-dihydroxybenzophenone. Were synthesized in the same manner to obtain a white polymer (hereinafter referred to as P2). The molecular weight of the obtained P2 was Mn = 10000. When P2 was sulfonated in the same manner as P1, IEC was 3.62 meq / g. The introduction rate of sulfonic acid group was 52%.
〔合成例3〕
合成例1において、4,4´−ジフルオロジフェニルスルホンおよび4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノンの代わりに、2,6−ジフルオロベンゾニトリル3.0gおよび4,4´−ジヒドロキシビフェニル4.2gおよび2,2´−ジヒドロキシビフェニル4.2gを使用したほかは、同様に合成を行い、白色ポリマー(以下、P3と呼ぶ。)を得た。得られたP3の分子量はMn=11000であった。また、このP3をP1と同様にスルホン化したところIECは3.48meq/gであった。スルホン酸基導入率は46%であった。
[Synthesis Example 3]
In Synthesis Example 1, instead of 4,4′-difluorodiphenyl sulfone and 4,4′-dihydroxybenzophenone, 3.0 g of 2,6-difluorobenzonitrile and 4.2 g of 4,4′-dihydroxybiphenyl and 2,2 A white polymer (hereinafter referred to as P3) was obtained in the same manner except that 4.2 g of '-dihydroxybiphenyl was used. The molecular weight of the obtained P3 was Mn = 11000. Further, when this P3 was sulfonated in the same manner as P1, the IEC was 3.48 meq / g. The introduction rate of sulfonic acid group was 46%.
〔合成例4〕
合成例1において、4,4´−ジフルオロジフェニルスルホンおよび4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノンの代わりに、2,6−ジフルオロベンゾニトリル2.6gおよび4,4´−(9−フルオレニリデン)ジフェノール6.0gを使用したほかは、同様に合成を行い、白色ポリマー(以下、P4と呼ぶ。)を得た。得られたP4の分子量はMn=8000であった。また、このP4をP1と同様にスルホン化したところIECは4.03meq/gであった。スルホン酸基導入率は53%であった。
[Synthesis Example 4]
In Synthesis Example 1, 2.6 g of 2,6-difluorobenzonitrile and 4,4 ′-(9-fluorenylidene) diphenol in place of 4,4′-difluorodiphenylsulfone and 4,4′-dihydroxybenzophenone A white polymer (hereinafter referred to as P4) was obtained in the same manner except that 0 g was used. The molecular weight of the obtained P4 was Mn = 8000. Further, when this P4 was sulfonated in the same manner as P1, the IEC was 4.03 meq / g. The introduction rate of sulfonic acid group was 53%.
〔合成例5〕
合成例1において、4,4´−ジフルオロジフェニルスルホンおよび4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノンの代わりに、2,6−ジフルオロベンゾニトリル7.1gおよび1,1´−ビ−2−ナフトール13.9gを使用したほかは、同様に合成を行い、白色ポリマー(以下、P5と呼ぶ。)を得た。得られたP5の分子量はMn=13000であった。また、このP5をP1と同様にスルホン化したところIECは2.88meq/gであった。スルホン酸基導入率は48%であった。
[Synthesis Example 5]
In Synthesis Example 1, instead of 4,4′-difluorodiphenylsulfone and 4,4′-dihydroxybenzophenone, 7.1 g of 2,6-difluorobenzonitrile and 13.9 g of 1,1′-bi-2-naphthol were used. A white polymer (hereinafter referred to as P5) was obtained in the same manner except that it was used. The molecular weight of the obtained P5 was Mn = 13000. Further, when this P5 was sulfonated in the same manner as P1, the IEC was 2.88 meq / g. The sulfonic acid group introduction rate was 48%.
〔合成例6〕
合成例1において、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノンの代わりにヒドロキノン4.5gを使用したほかは同様に合成を行い、白色ポリマーを得た(以下P6と呼ぶ)。P6の分子量はMn=4400であった。また、このP6をP1と同様にスルホン化したところIECは2.05meq/gであった。スルホン酸基導入率は26%であった。
[Synthesis Example 6]
Synthesis was performed in the same manner as in Synthesis Example 1 except that 4.5 g of hydroquinone was used instead of 4,4′-dihydroxybenzophenone, and a white polymer was obtained (hereinafter referred to as P6). The molecular weight of P6 was Mn = 4400. Further, when this P6 was sulfonated in the same manner as P1, the IEC was 2.05 meq / g. The introduction rate of sulfonic acid group was 26%.
〔実施例1〕
4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン1.14g、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン1.00g、炭酸カリウム0.9g、DMAc5ml、トルエン2mlを窒素雰囲気下混合し、180度に加熱した。1.5時間後冷却し、P2を1.5g加え、さらに135度で7時間反応させた。反応後室温まで冷却し、反応溶液を水に加え、白色固体を得た。ミキサーで粉砕、ろ過、メタノールで洗浄後80度減圧乾燥を行った。得られたポリマーの分子量はMn58000であった。得られたポリマー3gを100mlのジクロロメタンに溶解し、10mlのクロロスルホン酸を加え、スルホン化を行った。上澄み溶液を除き、沈殿物を多量の水中に加え、ミキサーで粉砕後ろ過をしながらpHが7になるまで多量の水で洗浄した。得られた個体を乾燥し高分子電解質を得た。
[Example 1]
1.14 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 1.00 g of 4,4′-dihydroxybenzophenone, 0.9 g of potassium carbonate, 5 ml of DMAc, and 2 ml of toluene were mixed in a nitrogen atmosphere and heated to 180 degrees. After 1.5 hours, the mixture was cooled, 1.5 g of P2 was added, and the mixture was further reacted at 135 degrees for 7 hours. After the reaction, the reaction solution was cooled to room temperature, and the reaction solution was added to water to obtain a white solid. The mixture was pulverized with a mixer, filtered, washed with methanol, and then dried at 80 ° C. under reduced pressure. The molecular weight of the obtained polymer was Mn 58000. 3 g of the obtained polymer was dissolved in 100 ml of dichloromethane, and 10 ml of chlorosulfonic acid was added to carry out sulfonation. The supernatant solution was removed, the precipitate was added to a large amount of water, washed with a large amount of water until pH reached 7 while being crushed with a mixer and filtered. The obtained solid was dried to obtain a polymer electrolyte.
得られた高分子電解質1gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス基板上に流延塗布し、80℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、自己支持性のある高分子電解質膜を得た。 After dissolving 1 g of the obtained polymer electrolyte in DMSO, the solution was cast-coated on a glass substrate, vacuum-dried at 80 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours to be self-supporting. As a result, a polymer electrolyte membrane was obtained.
得られた高分子電解質膜のイオン交換容量は1.70meq/gであった。低加湿条件においてプロトン伝導度を測定したところ3.2×10-4S/cmであった。 The obtained polymer electrolyte membrane had an ion exchange capacity of 1.70 meq / g. The proton conductivity measured under low humidification conditions was 3.2 × 10 −4 S / cm.
〔実施例2〕
4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン3.04g、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン2.66g、炭酸カリウム2.2g、DMAc10ml、トルエン4mlを窒素雰囲気下混合し、180度に加熱した。1.5時間後冷却し、P3を3.98g加え、さらに135度で5時間反応させた。反応後室温まで冷却し、反応溶液を水に加え、白色固体を得た。ミキサーで粉砕、ろ過、メタノールで洗浄後80度減圧乾燥を行った。得られたポリマーの分子量はMn79000であった。得られたポリマー3gを60mlのジクロロメタンに溶解し、10mlのクロロスルホン酸を加え、スルホン化を行った。上澄み溶液を除き、沈殿物を多量の水中に加え、ミキサーで粉砕後ろ過をしながらpHが7になるまで多量の水で洗浄した。得られた個体を乾燥し高分子電解質を得た。
[Example 2]
3.04 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 2.66 g of 4,4′-dihydroxybenzophenone, 2.2 g of potassium carbonate, 10 ml of DMAc and 4 ml of toluene were mixed in a nitrogen atmosphere and heated to 180 degrees. After 1.5 hours, the mixture was cooled, 3.98 g of P3 was added, and further reacted at 135 degrees for 5 hours. After the reaction, the reaction solution was cooled to room temperature, and the reaction solution was added to water to obtain a white solid. The mixture was pulverized with a mixer, filtered, washed with methanol, and then dried at 80 ° C. under reduced pressure. The molecular weight of the obtained polymer was Mn79000. 3 g of the obtained polymer was dissolved in 60 ml of dichloromethane, and 10 ml of chlorosulfonic acid was added to carry out sulfonation. The supernatant solution was removed, the precipitate was added to a large amount of water, washed with a large amount of water until pH reached 7 while being crushed with a mixer and filtered. The obtained solid was dried to obtain a polymer electrolyte.
得られた高分子電解質1gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス基板上に流延塗布し、80℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、自己支持性のある高分子電解質膜を得た。 After dissolving 1 g of the obtained polymer electrolyte in DMSO, the solution was cast-coated on a glass substrate, vacuum-dried at 80 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours to be self-supporting. As a result, a polymer electrolyte membrane was obtained.
得られた高分子電解質膜のイオン交換容量は1.63meq/gであった。低加湿条件においてプロトン伝導度を測定したところ3.5×10-4S/cmであった。 The obtained polymer electrolyte membrane had an ion exchange capacity of 1.63 meq / g. The proton conductivity measured under low humidification conditions was 3.5 × 10 −4 S / cm.
〔実施例3〕
4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン2.24g、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン1.96g、炭酸カリウム1.6g、DMAc5ml、トルエン2mlを窒素雰囲気下混合し、180度に加熱した。2時間後冷却し、P4を1.85g加え、さらに135度で3時間反応させた。反応後室温まで冷却し、反応溶液を水に加え、白色固体を得た。ミキサーで粉砕、ろ過、メタノールで洗浄後80度減圧乾燥を行った。得られたポリマーの分子量はMn56000であった。得られたポリマー5gを200mlのジクロロメタンに溶解し、10mlのクロロスルホン酸を加え、スルホン化を行った。上澄み溶液を除き、沈殿物を多量の水中に加え、ミキサーで粉砕後ろ過をしながらpHが7になるまで多量の水で洗浄した。得られた個体を乾燥し高分子電解質を得た。
Example 3
2.24 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 1.96 g of 4,4′-dihydroxybenzophenone, 1.6 g of potassium carbonate, 5 ml of DMAc, and 2 ml of toluene were mixed in a nitrogen atmosphere and heated to 180 degrees. After 2 hours, the mixture was cooled, 1.85 g of P4 was added, and further reacted at 135 degrees for 3 hours. After the reaction, the reaction solution was cooled to room temperature, and the reaction solution was added to water to obtain a white solid. The mixture was pulverized with a mixer, filtered, washed with methanol, and then dried at 80 ° C. under reduced pressure. The molecular weight of the obtained polymer was Mn 56000. 5 g of the obtained polymer was dissolved in 200 ml of dichloromethane, and 10 ml of chlorosulfonic acid was added to carry out sulfonation. The supernatant solution was removed, the precipitate was added to a large amount of water, washed with a large amount of water until pH reached 7 while being crushed with a mixer and filtered. The obtained solid was dried to obtain a polymer electrolyte.
得られた高分子電解質1gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス基板上に流延塗布し、80℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、自己支持性のある高分子電解質膜を得た。 After dissolving 1 g of the obtained polymer electrolyte in DMSO, the solution was cast-coated on a glass substrate, vacuum-dried at 80 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours to be self-supporting. As a result, a polymer electrolyte membrane was obtained.
得られた高分子電解質膜のイオン交換容量は1.55meq/gであった。低加湿条件においてプロトン伝導度を測定したところ3.0×10-3S/cmであった。 The obtained polymer electrolyte membrane had an ion exchange capacity of 1.55 meq / g. When proton conductivity was measured under low humidification conditions, it was 3.0 × 10 −3 S / cm.
〔実施例4〕
4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン1.68g、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン1.47g、炭酸カリウム1.2g、DMAc5ml、トルエン2mlを窒素雰囲気下混合し、180度に加熱した。2時間後冷却し、P4を3.00g加え、さらに135度で3時間反応させた。反応後室温まで冷却し、反応溶液を水に加え、白色固体を得た。ミキサーで粉砕、ろ過、メタノールで洗浄後80度減圧乾燥を行った。得られたポリマーの分子量はMn39000であった。得られたポリマー3gを60mlのジクロロメタンに溶解し、10mlのクロロスルホン酸を加え、スルホン化を行った。上澄み溶液を除き、沈殿物を多量の水中に加え、ミキサーで粉砕後ろ過をしながらpHが7になるまで多量の水で洗浄した。得られた個体を乾燥し高分子電解質を得た。
Example 4
1.68 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 1.47 g of 4,4′-dihydroxybenzophenone, 1.2 g of potassium carbonate, 5 ml of DMAc, and 2 ml of toluene were mixed in a nitrogen atmosphere and heated to 180 degrees. After 2 hours, the mixture was cooled, 3.00 g of P4 was added, and further reacted at 135 degrees for 3 hours. After the reaction, the reaction solution was cooled to room temperature, and the reaction solution was added to water to obtain a white solid. The mixture was pulverized with a mixer, filtered, washed with methanol, and then dried at 80 ° C. under reduced pressure. The molecular weight of the obtained polymer was Mn 39000. 3 g of the obtained polymer was dissolved in 60 ml of dichloromethane, and 10 ml of chlorosulfonic acid was added to carry out sulfonation. The supernatant solution was removed, the precipitate was added to a large amount of water, washed with a large amount of water until pH reached 7 while being crushed with a mixer and filtered. The obtained solid was dried to obtain a polymer electrolyte.
得られた高分子電解質1gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス基板上に流延塗布し、80℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、自己支持性のある高分子電解質膜を得た。 After dissolving 1 g of the obtained polymer electrolyte in DMSO, the solution was cast-coated on a glass substrate, vacuum-dried at 80 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours to be self-supporting. As a result, a polymer electrolyte membrane was obtained.
得られた高分子電解質膜のイオン交換容量は1.81meq/gであった。低加湿条件においてプロトン伝導度を測定したところ3.7×10-4S/cmであった。 The obtained polymer electrolyte membrane had an ion exchange capacity of 1.81 meq / g. The proton conductivity measured under low humidification conditions was 3.7 × 10 −4 S / cm.
〔比較例1〕
合成例1において、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノンの代わりに4,4´−ジヒドロキシジフェニルスルホン4.5gを使用したほかは同様の方法で合成したポリマー(Mn=47200)10gを30%発煙硫酸に加え、100℃で20時間かけてスルホン化し、高分子電解質を得た。得られた高分子電解質を多量の水に加え、濾過および水洗を行った。得られた高分子電解質は水に溶けやすく、1.2gしか得られなかった。
[Comparative Example 1]
In Synthesis Example 1, 10 g of a polymer (Mn = 47200) synthesized in the same manner except that 4.5 g of 4,4′-dihydroxydiphenyl sulfone was used instead of 4,4′-dihydroxybenzophenone in 30% fuming sulfuric acid. In addition, sulfonation was performed at 100 ° C. for 20 hours to obtain a polymer electrolyte. The obtained polymer electrolyte was added to a large amount of water, and filtered and washed with water. The obtained polymer electrolyte was easily soluble in water, and only 1.2 g was obtained.
水洗処理した高分子電解質1gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス板上に流延塗布し、60℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、ガラス板から剥がすときに水をかけると溶けてしまった。 After dissolving 1 g of the washed polymer electrolyte in DMSO, the solution was cast on a glass plate, vacuum-dried at 60 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours. When it was peeled off, it melted when water was applied.
〔比較例2〕
合成例1において、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノンの代わりに4,4´−ジヒドロキシジフェニルエーテル4.5gを使用したほかは同様の方法で合成したポリマー(Mn=47200)6gを実施例1と同様にスルホン化し、高分子電解質を得た。スルホン化後多量の水に加え、濾過および水洗を行った。高分子電解質は水を吸うことによる膨潤が激しいが、5g得ることができた。
[Comparative Example 2]
In Synthesis Example 1, 6 g of a polymer (Mn = 47200) synthesized in the same manner as in Example 1 except that 4.5 g of 4,4′-dihydroxydiphenyl ether was used instead of 4,4′-dihydroxybenzophenone. Sulfonation gave a polymer electrolyte. After sulfonation, in addition to a large amount of water, filtration and washing with water were performed. The polymer electrolyte swelled severely by sucking water, but 5 g could be obtained.
得られた高分子電解質0.5gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス板上に流延塗布し、60℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、ガラス板から剥がすときに水をかけると溶けてしまった。 After 0.5 g of the obtained polymer electrolyte was dissolved in DMSO, the solution was cast on a glass plate, vacuum-dried at 60 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours. When it was peeled from the board, it melted when water was applied.
〔比較例3〕
実施例1において、P2の代わりにP6を1g用いたほかは同様に合成を行い、高分子電解質を得た。
[Comparative Example 3]
In Example 1, a polymer electrolyte was obtained in the same manner except that 1 g of P6 was used instead of P2.
得られた高分子電解質1gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス板上に流延塗布し、60℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、ガラス板から剥がすときに水をかけ、膨潤させると簡単に剥がれた。再び120℃で12時間真空乾燥し、自己支持性のある高分子電解質膜を得た。 After dissolving 1 g of the obtained polymer electrolyte in DMSO, the solution was cast on a glass plate, vacuum-dried at 60 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours. It was easily peeled off when swollen and swollen. Again, it was vacuum-dried at 120 ° C. for 12 hours to obtain a self-supporting polymer electrolyte membrane.
得られた高分子電解質膜のイオン交換容量は1.63meq/gであった。低加湿条件においては膜の抵抗率が高くプロトン伝導度が測定不可であった。 The obtained polymer electrolyte membrane had an ion exchange capacity of 1.63 meq / g. Under low humidification conditions, the membrane resistivity was high and proton conductivity could not be measured.
実施例1〜4と、比較例1及び2との比較から、本発明のブロック共重合体(高分子電解質)は、良好な耐水性を有することが分かる。 From comparison between Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, it can be seen that the block copolymer (polymer electrolyte) of the present invention has good water resistance.
実施例1〜4と、比較例3との比較から、本発明のブロック共重合体(高分子電解質)は、低加湿条件において優れたプロトン伝導度を示すことが分かる。 From comparison between Examples 1 to 4 and Comparative Example 3, it can be seen that the block copolymer (polymer electrolyte) of the present invention exhibits excellent proton conductivity under low humidification conditions.
よって本発明の高分子電解質は固体高分子形燃料電池の材料として有用であり、特に高分子電解質膜として有用であることが示された。 Therefore, it was shown that the polymer electrolyte of the present invention is useful as a material for a solid polymer fuel cell, and particularly useful as a polymer electrolyte membrane.
1 高分子電解質膜
2 触媒層
3 拡散層
4 セパレーター
5 流路
10 固体高分子形燃料電池
DESCRIPTION OF
Claims (7)
スルホン酸基導入率の高いユニットが下記式(1)
で示される構造にスルホン酸基が導入されている構造を含み、
a=0の場合はAr 1 およびAr 2 の少なくとも一つが、a=1〜4の場合はAr1、Ar2、およびAr3の少なくとも一つが、下記式(6)
で示される構造であり、
スルホン酸基導入率の低いユニットが下記式(10)
で示される構造を含む高分子電解質。 A block copolymer including a unit having a sulfonic acid group introduction rate higher than a unit described later, and a unit having a lower sulfonic acid group introduction rate than the unit;
A unit having a high introduction rate of sulfonic acid group is represented by the following formula (1).
Including a structure in which a sulfonic acid group is introduced in the structure represented by
When a = 0, at least one of Ar 1 and Ar 2 is represented, and when a = 1 to 4, at least one of Ar 1 , Ar 2 , and Ar 3 is represented by the following formula (6):
It is a structure shown by
A unit having a low sulfonic acid group introduction rate is represented by the following formula ( 10 ):
A polymer electrolyte comprising a structure represented by:
である、請求項1に記載の高分子電解質。 At least one of Ar 1 , Ar 2 , and Ar 3 other than the structure represented by the formula (6) is represented by the following formula (2), (3), (4) or (5)
The polymer electrolyte according to claim 1, wherein
で示される構造を含む請求項1または2に記載の高分子電解質。 A unit having a high sulfonic acid group introduction rate is represented by the following formula (7) and / or (8):
The polymer electrolyte according to claim 1, comprising a structure represented by:
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