JP2005239850A - Ionically conductive macromolecular compound and method for producing the same, and article using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高分子電解質膜などとして有用なイオン性基含有高分子化合物及びその製法に関するものである。さらには、イオン伝導性高分子化合物を用いたイオン伝導膜、複合体、燃料電池、接着剤などの物品に関するものである。 The present invention relates to an ionic group-containing polymer compound useful as a polymer electrolyte membrane or the like and a method for producing the same. Further, the present invention relates to articles such as ion conductive membranes, composites, fuel cells, and adhesives using ion conductive polymer compounds.
液体電解質のかわりに高分子固体電解質をイオン伝導体として用いる電気化学的装置の例として、水電解槽や燃料電池を上げることができる。これらに用いられる高分子膜は、カチオン交換膜としてプロトン伝導率とともに化学的、熱的、電気化学的および力学的に十分安定なものでなくてはならない。このため、これまで主に米デュポン社製の「ナフィオン(登録商標)」を代表例とするパーフルオロカーボンスルホン酸膜が使用されてきた。しかしながら、ナフィオン膜は100℃を越える条件で運転しようとすると、膜の含水率が急激に落ちるほか、膜の軟化も顕著となる。また、低加湿条件で運転する際にも、膜の含水率が落ち、十分な発電特性が得られない。さらに、膜のコストが高すぎることも燃料電池技術の確立の障害として指摘されている。 As an example of an electrochemical device using a polymer solid electrolyte as an ionic conductor instead of a liquid electrolyte, a water electrolyzer and a fuel cell can be raised. The polymer membrane used for these must be sufficiently stable chemically, thermally, electrochemically and mechanically with proton conductivity as a cation exchange membrane. For this reason, perfluorocarbon sulfonic acid membranes, typically “Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont of the United States, have been used. However, when the Nafion membrane is operated under conditions exceeding 100 ° C., the moisture content of the membrane is drastically lowered, and the membrane is significantly softened. In addition, even when operating under low humidification conditions, the moisture content of the membrane decreases, and sufficient power generation characteristics cannot be obtained. Furthermore, it is pointed out that the cost of the membrane is too high as an obstacle to the establishment of fuel cell technology.
このような欠点を克服するため、非フッ素系芳香族環含有ポリマーにスルホン酸基を導入した高分子電解質膜が種々検討されている。ポリマー骨格としては、耐熱性や化学的安定性を考慮すると、芳香族ポリアリーレンエーテルケトン類や芳香族ポリアリーレンエーテルスルホン類などの、芳香族ポリアリーレンエーテル系化合物を有望な構造としてとらえることができ、ポリアリールエーテルスルホンをスルホン化したもの(例えば、非特許文献1参照。)、ポリエーテルエーテルケトンをスルホン化したもの(例えば、特許文献1参照。)、スルホン化ポリスチレン等が提案されている。しかしながら、これらのポリマーのスルホン化反応により芳香環上に導入されたスルホン酸基は一般に熱により脱離しやすい傾向にあり、これを改善する方法として電子吸引性芳香環上にスルホン酸基を導入したモノマーを用いて重合することで、熱的に安定性の高いスルホン化ポリアリーレンエーテルスルホン系化合物が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。この場合、モノマーの反応性が低いために、ポリマーを得るのに長時間の重合を必要とする問題が生じている(例えば、非特許文献2参照)。これらの非フッ素系高分子電解質はスルホン酸基の酸性度が低いこともあり、フッ素系高分子電解質膜と同レベルのプロトン伝導性を発現するためには、フッ素系高分子電解質の場合よりも多くのスルホン酸基を高分子鎖中に導入することが必要となる。しかし、スルホン酸基量を多くすると湿潤時の膜の膨潤が大きくなる傾向となり、特に高温側発電時の障害となる問題があり、より優れた膜が求められている。
本発明の目的は、非フッ素系高分子でありながらフッ素系高分子と同レベルのプロトン伝導性を発現し、良好な加工性と耐湿性を有し、高分子電解質膜とした場合にも湿潤時の寸法安定性に優れた特性を発揮できるスルホン酸基含有高分子化合物を提供することにあり、さらには、該スルホン酸基含有高分子化合物の特性を活かしたイオン伝導膜、該イオン伝導膜と電極との複合体、該複合体を用いた燃料電池、接着剤などを提供することにある。 The object of the present invention is to provide proton conductivity at the same level as that of a fluorinated polymer while being a non-fluorinated polymer, have good processability and moisture resistance, and are wet even when a polymer electrolyte membrane is formed. An object of the present invention is to provide a sulfonic acid group-containing polymer compound capable of exhibiting excellent dimensional stability at the time, and further, an ion conductive membrane utilizing the characteristics of the sulfonic acid group-containing polymer compound, and the ion conductive membrane And an electrode, a fuel cell using the composite, an adhesive, and the like.
本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、芳香環上にスルホン酸を導入した高分子電解質において、そのポリマー構造を工夫することにより、上記目的が達成されることを見いだすに至った。 As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above object can be achieved by devising the polymer structure of a polymer electrolyte in which a sulfonic acid is introduced onto an aromatic ring.
すなわち、本発明は下記(1)〜(11)の構成を採用するものである。 That is, the present invention employs the following configurations (1) to (11).
(1)芳香族主鎖上にスルホン酸基および/またはその誘導体と共にカルボキシル基および/またはその誘導体を同時に有していることを特徴とするイオン伝導性高分子化合物。 (1) An ion conductive polymer compound having a carboxyl group and / or a derivative thereof together with a sulfonic acid group and / or a derivative thereof on an aromatic main chain.
(2)一般式(1)および一般式(2)で示される構造単位を含むことを特徴とする第1の発明に記載のイオン伝導性高分子化合物。 (2) The ion conductive polymer compound according to the first invention, which includes structural units represented by general formula (1) and general formula (2).
(3)第1の発明または第2の発明の高分子化合物において、芳香族主鎖上にさらにシアノ基を有していることを特徴とするイオン伝導性高分子化合物。 (3) The ion conductive polymer compound according to the first or second invention, wherein the polymer further has a cyano group on the aromatic main chain.
(4)上記一般式(1)および(2)で示される構造単位と共に、一般式(3)で示される構造単位を含むことを特徴とする第3の発明に記載のイオン伝導性高分子化合物。 (4) The ion-conducting polymer compound according to the third invention, which comprises the structural unit represented by the general formula (3) together with the structural unit represented by the general formulas (1) and (2). .
(5)スルホン酸基含有量が0.3〜3.5mg/gの範囲にあることを特徴とする第1の発明〜第4の発明のいずれかに記載のイオン伝導性高分子化合物。 (5) The ion conductive polymer compound according to any one of the first to fourth inventions, wherein the sulfonic acid group content is in the range of 0.3 to 3.5 mg / g.
(6)第1の発明〜第5の発明のいずれかに記載のイオン伝導性高分子化合物を50〜100質量%含むことを特徴とする組成物。 (6) A composition comprising 50 to 100% by mass of the ion conductive polymer compound according to any one of the first to fifth inventions.
(7)第1の発明〜第5の発明のいずれかに記載のイオン伝導性高分子化合物および/または第6の発明に記載の組成物を含有することを特徴とするイオン伝導膜。 (7) An ion conductive membrane comprising the ion conductive polymer compound according to any one of the first to fifth inventions and / or the composition according to the sixth invention.
(8)第7の発明に記載のイオン伝導膜と電極とを含有することを特徴とする複合体。 (8) A composite comprising the ion conductive membrane according to the seventh invention and an electrode.
(9)第8の発明に記載の複合体を含有することを特徴とする燃料電池。 (9) A fuel cell comprising the composite according to the eighth invention.
(10)第1の発明から第5の発明のいずれかに記載のイオン伝導性高分子化合物を含有することを特徴とする接着剤。 (10) An adhesive comprising the ion conductive polymer compound according to any one of the first to fifth inventions.
(11)一般式(1)および(3)で示される構成成分を含む高分子化合物を酸性化合物で処理することにより第1の発明〜第5の発明のいずれかに記載のイオン伝導性高分子化合物を得る製法。 (11) The ion conductive polymer according to any one of the first to fifth inventions by treating the polymer compound containing the constituents represented by the general formulas (1) and (3) with an acidic compound. A process for obtaining a compound.
本発明のイオン性基含有高分子化合物は、非フッ素系高分子でありながらフッ素系高分子と同レベルのプロトン伝導性を有し、イオン伝導性だけでなく耐熱性、加工性および寸法安定性に優れている。このため、燃料電池などの高分子電解質として際立った性能を示すことができる。また、本発明のイオン性基含有高分子化合物は、メタノール透過性が低いという特徴もあり、ダイレクトメタノール型燃料電池用の高分子電解質膜としても有用である。 Although the ionic group-containing polymer compound of the present invention is a non-fluorine polymer, it has proton conductivity of the same level as that of a fluorine polymer, and not only ion conductivity but also heat resistance, workability and dimensional stability. Is excellent. For this reason, the outstanding performance as polymer electrolytes, such as a fuel cell, can be shown. The ionic group-containing polymer compound of the present invention is also characterized by low methanol permeability, and is useful as a polymer electrolyte membrane for direct methanol fuel cells.
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、芳香族主鎖上にスルホン酸基および/またはその誘導体と共にカルボキシル基および/またはその誘導体を同時に含有している特定構造の高分子化合物により、耐熱性、加工性、イオン伝導性にすぐれた、特にイオン伝導膜として有用な高分子材料を提供するものである。本発明のイオン性基含有高分子化合物のポリマー骨格の例としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリフェニルキノキサリン、ポリアリールケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリイミド等の構成成分の少なくとも1種を含むポリマーが挙げられる。なお、ここでいうポリスルホン、ポエーテルスルホン、ポリエーテルケトン等は、その分子鎖にスルホン結合、エーテル結合、ケトン結合を有しているポリマーの総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどと呼ばれるポリマー骨格構造を含むとともに、特定のポリマー構造を限定するものではない。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The present invention provides heat resistance, processability, and ion conductivity by a polymer compound having a specific structure that simultaneously contains a carboxyl group and / or a derivative thereof together with a sulfonic acid group and / or a derivative thereof on an aromatic main chain. The present invention provides an excellent polymer material particularly useful as an ion conductive membrane. Examples of the polymer skeleton of the ionic group-containing polymer compound of the present invention include polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, polyarylene polymer, polyphenylquinoxaline, and polyaryl ketone. , Polymers containing at least one component such as polyetherketone, polybenzoxazole, polybenzthiazole, and polyimide. Polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, and the like referred to here are generic names for polymers having a sulfone bond, an ether bond, and a ketone bond in their molecular chains. Polyetherketoneketone, polyetheretherketone, In addition to a polymer skeleton structure called polyether ether ketone ketone, polyether ketone ether ketone ketone, polyether ketone sulfone, etc., the specific polymer structure is not limited.
上記芳香族系ポリマーのうち、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリエーテルケトン等のポリマーが加工性と安定性の面から好ましいものと言えるが、下記一般式(1)とともに下記一般式(2)で示される構成成分を含む芳香族系ポリマーであることが特に好ましい。 Among the aromatic polymers, polymers such as polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, and polyether ketone are preferable in terms of processability and stability. It is particularly preferable that the polymer is an aromatic polymer containing a constituent represented by the general formula (2).
本発明のイオン性基含有高分子化合物はは、その芳香族主鎖上にさらにシアノ基を含有していることが好ましい。シアノ基によるポリマー主鎖の凝集のしやすさがイオン性基含有ポリマーとして湿潤時の寸法安定性を向上させると共に、カルボキシル基やカルボキシル基誘導体構造を与える前駆体構造としても利用できるためである。 The ionic group-containing polymer compound of the present invention preferably further contains a cyano group on the aromatic main chain. This is because the ease of aggregation of the polymer main chain by the cyano group improves the dimensional stability when wet as an ionic group-containing polymer, and can also be used as a precursor structure giving a carboxyl group or a carboxyl group derivative structure.
本発明のイオン性基含有高分子中に存在するシアノ基は、下記一般式(3)で示される構成成分よりなるものが好ましい。 The cyano group present in the ionic group-containing polymer of the present invention is preferably composed of a constituent represented by the following general formula (3).
なお、本発明のイオン性基含有高分子化合部においては上記一般式(1)、一般式(2)、および一般式(3)で示される以外の構造単位が含まれていてもかまわない。このとき、上記一般式(1)、一般式(2)、および一般式(3)で示される以外の構造単位は本発明のスルホン酸を導入したポリアリーレンエーテルの50質量%以下であることが好ましい。50質量%以下とすることにより、本発明のイオン性基含有高分子化合物の特性を活かした組成物とすることができる。 The ionic group-containing polymer compound part of the present invention may contain structural units other than those represented by the above general formula (1), general formula (2), and general formula (3). At this time, the structural units other than those represented by the general formula (1), the general formula (2), and the general formula (3) may be 50% by mass or less of the polyarylene ether into which the sulfonic acid of the present invention is introduced. preferable. By setting it as 50 mass% or less, it can be set as the composition which utilized the characteristic of the ionic group containing high molecular compound of this invention.
本発明のイオン性基含有高分子化合物としては、スルホン酸基含有量が0.3〜3.5meq/gの範囲にあることが好ましい。0.3meq/gよりも少ない場合には、イオン伝導膜として使用したときに十分なイオン伝導性を示さない傾向があり、3.5meq/gよりも大きい場合にはイオン伝導膜を高温高湿条件においた場合に膜膨潤が大きくなりすぎて使用に適さなくなる傾向がある。なお、スルホン酸基含有量はポリマー組成より計算することができる。なお好ましくは1.0〜3.0meq/gである。 The ionic group-containing polymer compound of the present invention preferably has a sulfonic acid group content in the range of 0.3 to 3.5 meq / g. When it is less than 0.3 meq / g, there is a tendency that sufficient ion conductivity is not exhibited when used as an ion conductive membrane, and when it is greater than 3.5 meq / g, the ion conductive membrane is not heated and humidified. When the conditions are met, membrane swelling tends to be too large to be suitable for use. The sulfonic acid group content can be calculated from the polymer composition. In addition, Preferably it is 1.0-3.0 meq / g.
本発明のイオン性基含有高分子化合物において、スルホン酸基を含有するユニットの導入はスルホン酸基を含有するモノマーを含む重合反応を利用して行うことができると共に、前駆体ポリマーを適当なスルホン化試薬を用いてスルホン化することによっても行うことができる。スルホン酸基を含有するモノマーを含む重合反応を利用する場合は、例えば下記一般式(4)で表される化合物をモノマーとして含む芳香族求核置換反応により重合することができる。一般式(4)で表される化合物の具体例としては、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、およびそれらのスルホン酸基が1価カチオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価カチオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限される訳ではない。 In the ionic group-containing polymer compound of the present invention, the introduction of the unit containing a sulfonic acid group can be carried out by utilizing a polymerization reaction including a monomer containing a sulfonic acid group, and the precursor polymer is converted into an appropriate sulfone. It can also be carried out by sulfonation using a fluorinating reagent. When utilizing the polymerization reaction containing the monomer containing a sulfonic acid group, it can superpose | polymerize by the aromatic nucleophilic substitution reaction which contains the compound represented, for example by following General formula (4) as a monomer. Specific examples of the compound represented by the general formula (4) include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3, 3'-disulfo-4,4'-dichlorodiphenyl ketone, 3,3'-disulfo-4,4'-difluorodiphenyl sulfone, and those in which their sulfonic acid group is converted to a salt with a monovalent cationic species Can be mentioned. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto.
本発明のイオン性基含有高分子化合物において、カルボキシル基および/またはその誘導体を含有するユニットの導入は、例えばカルボキシル基および/またはその誘導体を含有するモノマーを含む重合反応を利用して行うことができる。カルボキシル基を含有するモノマーを含む重合反応を利用する場合は、例えばカルボキシル基やカルボン酸塩を含む芳香族ジクロロ化合物や芳香族ジフルオロ化合物を活性化ジハロゲン化合物の一部として用いる芳香族求核置換反応をあげることができ、具体構造としては3−カルボキシジフルオロジフェニルスルホンが例示される。また、芳香族求核置換反応においては、カルボキシル基やカルボン酸塩を含む芳香族ジオールを芳香族ジオール成分の一部として用いることもできる。 In the ionic group-containing polymer compound of the present invention, the introduction of a unit containing a carboxyl group and / or a derivative thereof can be performed using, for example, a polymerization reaction including a monomer containing a carboxyl group and / or a derivative thereof. it can. When utilizing a polymerization reaction including a monomer containing a carboxyl group, for example, an aromatic nucleophilic substitution reaction using an aromatic dichloro compound or aromatic difluoro compound containing a carboxyl group or a carboxylate as a part of the activated dihalogen compound. Specific examples of the structure include 3-carboxydifluorodiphenyl sulfone. In the aromatic nucleophilic substitution reaction, an aromatic diol containing a carboxyl group or a carboxylate can also be used as part of the aromatic diol component.
本発明のイオン性高分子化合物において、シアノ基を含有するユニットの導入は、使用するモノマーの一部にシアノ基を含むものを選定して行うことができるが、下記構造式(5)で示される化合物をモノマーとして含む芳香族求核置換反応により重合することができる。一般式(5)で表される化合物としては、2,6−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、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、等を挙げることができる。本発明において、上記2,6−ジクロロベンゾニトリルおよび2,4−ジクロロベンゾニトリルは、異性体の関係にあり、いずれを用いたとしても良好なイオン伝導性、耐熱性、加工性および寸法安定性を達成することができる。その理由としては両モノマーとも反応性に優れるとともに、小さな繰り返し単位を構成することで分子全体の構造をより硬いものとしていると考えられている。 In the ionic polymer compound of the present invention, the introduction of a unit containing a cyano group can be carried out by selecting a monomer containing a cyano group as a part of the monomer to be used, which is represented by the following structural formula (5). Can be polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction containing the compound as a monomer. Examples of the compound represented by the general formula (5) include 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, and the like. it can. In the present invention, the above 2,6-dichlorobenzonitrile and 2,4-dichlorobenzonitrile are in an isomer relationship, and any of them is used, good ion conductivity, heat resistance, workability and dimensional stability. Can be achieved. The reason is considered that both monomers are excellent in reactivity and that the structure of the whole molecule is made harder by constituting a small repeating unit.
上述の芳香族求核置換反応において、上記一般式(4)、(5)等で表される化合物とともに各種活性化ジフルオロ芳香族化合物やジクロロ芳香族化合物をモノマーとして併用することもできる。これらの化合物例としては、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、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、デカフルオロビフェニル等が挙げられるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。 In the above-described aromatic nucleophilic substitution reaction, various activated difluoroaromatic compounds and dichloroaromatic compounds can be used in combination with the compounds represented by the general formulas (4), (5) and the like as monomers. Examples of these compounds include 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, decafluorobiphenyl, and the like. However, other aromatic dihalogen compounds, aromatic dinitro compounds, aromatic dicyano compounds and the like that are active in aromatic nucleophilic substitution can also be used.
また、上述の一般式(1)、(2)、(3)で表される構成成分中のAr、Ar’、Ar”は、一般には芳香族求核置換重合において上述の一般式(4)、(5)等で表される化合物とともに使用される芳香族ジオール成分モノマーより導入される構造である。このような芳香族ジオールモノマーの例としては、4,4’−ビフェノール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、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、ハイドロキノン、レゾルシン、1,6−ナフタレンジオール、2,7−ナフタレンジオール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン等があげられるが、この他にも芳香族求核置換反応によるポリアリーレンエーテル系化合物の重合に用いることができる各種芳香族ジオールを使用することもできる。ここで、カルボキシル基および/またはその誘導体を含む芳香族ジオールをこれらの芳香族ジオールと共に使用することもできる。これら芳香族ジオールは、単独で使用することができるが、複数の芳香族ジオールを併用することも可能である。 In addition, Ar, Ar ′, and Ar ″ in the constituents represented by the above general formulas (1), (2), and (3) are generally represented by the above general formula (4) in aromatic nucleophilic substitution polymerization. , (5), etc. The structure is introduced from an aromatic diol component monomer used together with the compound represented by, for example, 4,4′-biphenol, bis (4- Hydroxyphenyl) sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) ) Butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, 2,2-bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) propane, bis (4-hydroxy-3,5- Methylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane, bis (4-hydroxyphenyl) diphenylmethane, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) Fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, hydroquinone, resorcin, 1,6-naphthalenediol, 2,7-naphthalene Diols, bis (4-hydroxyphenyl) ketones and the like can be mentioned. In addition, various aromatic diols that can be used for polymerization of polyarylene ether compounds by aromatic nucleophilic substitution reaction can also be used. Here, carboxyl group and / or derivative thereof Aromatic diols containing can also be used with these aromatic diols. These aromatic diols can be used alone, it is also possible to use a plurality of aromatic diols.
本発明のイオン性基含有高分子化合物を芳香族求核置換反応により重合する場合、上記で例示した化合物を含む活性化ジフルオロ芳香族化合物及び/またはジハロゲン化芳香族化合物と芳香族ジオール類を塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等があげられるが、芳香族ジオール類を活性なフェノキシド構造にしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水材を使用することもできる。芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50質量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5質量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50質量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応終了後は、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に注ぐことによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることができる他、反応液から蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーを得ることもできる。 When the ionic group-containing polymer compound of the present invention is polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction, the activated difluoroaromatic compound and / or the dihalogenated aromatic compound and the aromatic diol containing the compound exemplified above are used as a base. A polymer can be obtained by reacting in the presence of a functional compound. The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more. Examples of the basic compound include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, and the like, and those that can convert an aromatic diol into an active phenoxide structure may be used. It can use without being limited to. In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. As a method for removing water out of the system, a water absorbing material such as molecular sieve can also be used. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by mass. When the amount is less than 5% by mass, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by mass, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult. After completion of the polymerization reaction, the polymer is precipitated as a solid by pouring the reaction solution into a solvent having low polymer solubility, and the polymer can be obtained by filtration of the precipitate. In addition, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation. The desired polymer can also be obtained by removing and washing the residue if necessary.
また、本発明のイオン性基含有高分子化合物は、例えば上記一般式(1)および(3)で表される構成成分を含む高分子化合物を酸処理することによりシアノ基の一部または全てを加水分解的に反応させて、カルボキシル基やその誘導体に変換することによっても得ることができる。この反応において、一部のシアノ基を未反応のまま残しておくことにより、本発明のイオン性基含有高分子化合物においてさらにシアノ基を含有する構造の高分子化合物とすることもできる。ここでの酸処理は、各種濃度の硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、ポリリン酸などの無機酸を用いることができる。後処理のしやすさを考え、これらの酸は水溶液として使用されることが好ましい。酸処理温度は、必要な加水分解の進行状態を制御するために適切な温度を選ぶことができるが、反応時間を短縮するため50℃以上の温度とすることが好ましい。さらに好ましくは100℃以上である。この反応は副反応を抑えるために、200℃以下で行うことが好ましい。酸濃度は、反応状況に応じ適宜選定することができる。反応後の溶剤処理を考慮し、10モル/リットル以下の濃度で行うことも好ましい。酸濃度、反応温度に応じて、ポリマー固体と酸溶液の不均一反応としたり、酸溶液にポリマーを溶かした均一反応として行うことができる。 In addition, the ionic group-containing polymer compound of the present invention can be obtained by, for example, subjecting a polymer compound containing the constituents represented by the general formulas (1) and (3) to a part or all of the cyano group. It can also be obtained by reacting hydrolytically and converting it to a carboxyl group or a derivative thereof. In this reaction, by leaving a part of the cyano group unreacted, the ionic group-containing polymer compound of the present invention can be made into a polymer compound having a structure further containing a cyano group. In this acid treatment, inorganic acids such as sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid and polyphosphoric acid having various concentrations can be used. In consideration of ease of post-treatment, these acids are preferably used as an aqueous solution. As the acid treatment temperature, an appropriate temperature can be selected in order to control the progress of the necessary hydrolysis, but it is preferably set to a temperature of 50 ° C. or higher in order to shorten the reaction time. More preferably, it is 100 degreeC or more. This reaction is preferably performed at 200 ° C. or lower in order to suppress side reactions. The acid concentration can be appropriately selected according to the reaction situation. Considering the solvent treatment after the reaction, it is also preferable to carry out at a concentration of 10 mol / liter or less. Depending on the acid concentration and reaction temperature, the reaction can be performed as a heterogeneous reaction between the polymer solid and the acid solution, or as a homogeneous reaction in which the polymer is dissolved in the acid solution.
また、本発明のイオン性基含有効分子化合物は、後で述べる方法により測定したポリマー対数粘度が0.1以上であることが好ましい。対数粘度が0.1よりも小さいと、イオン伝導膜として成形したときに、膜が脆くなりやすくなる。還元比粘度は、0.3以上であることがさらに好ましい。一方、還元比粘度が5を超えると、ポリマーの溶解が困難になるなど、加工性での問題が出てくるので好ましくない。なお、対数粘度を測定する溶媒としては、一般にN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどの極性有機溶媒を使用することができるが、これらに溶解性が低い場合には濃硫酸を用いて測定することもできる。 In addition, the ionic group-containing effective molecular compound of the present invention preferably has a polymer log viscosity measured by a method described later of 0.1 or more. When the logarithmic viscosity is less than 0.1, the membrane is likely to be brittle when formed as an ion conductive membrane. The reduced specific viscosity is more preferably 0.3 or more. On the other hand, if the reduced specific viscosity exceeds 5, problems in processability such as difficulty in dissolving the polymer occur, which is not preferable. As a solvent for measuring the logarithmic viscosity, polar organic solvents such as N-methylpyrrolidone and N, N-dimethylacetamide can be generally used. When the solubility in these is low, concentrated sulfuric acid is used. It can also be measured.
本発明のイオン性基含有高分子化合物は、単体として使用することができるが、他のポリマーとの組み合わせによる樹脂組成物として使用することもできる。これらのポリマーとしては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン12などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系ポリマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などの熱硬化性樹脂等、特に制限はない。ポリベンズイミダゾールやポリビニルピリジンなどの塩基性ポリマーとの樹脂組成物は、ポリマー寸法性の向上のために好ましい組み合わせと言える、これらの塩基性ポリマー中に、さらにスルホン酸基を導入しておくと、組成物の加工性がより好ましいものとなる。これら樹脂組成物として使用する場合には、本発明のイオン性基含有高分子化合物は、樹脂組成物全体の50質量%以上100質量%未満含まれていることが好ましい。より好ましくは70質量%以上100質量%未満である。本発明のイオン性基含有高分子化合物の含有量が樹脂組成物全体の50質量%未満の場合には、この樹脂組成物を含むイオン伝導膜のイオン性基濃度が低くなり良好なイオン伝導性が得られない傾向にあり、また、イオン性基を含有するユニットが非連続相となり伝導するイオンの移動度が低下する傾向にある。なお、本発明の組成物は、必要に応じて、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、などの各種添加剤を含んでいても良い。
The ionic group-containing polymer compound of the present invention can be used as a simple substance, but can also be used as a resin composition in combination with other polymers. Examples of these polymers include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, and polyethylene naphthalate, polyamides such as
本発明のイオン性基含有高分子化合物およびその樹脂組成物は、押し出し、紡糸、圧延またはキャストなど任意の方法で繊維やフィルムなどの成形体とすることができる。中でも適当な溶媒に溶解した溶液から成形することが好ましい。この溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、ヘキサメチルホスホンアミドなどの非プロトン性極性溶媒や、メタノール、エタノール等のアルコール類から適切なものを選ぶことができるがこれらに限定されるものではない。これらの溶媒は、可能な範囲で複数を混合して使用してもよい。溶液中の化合物濃度は0.1〜50質量%の範囲であることが好ましい。溶液中の化合物濃度が0.1質量%未満であると良好な成形物を得るのが困難となる傾向にあり、50質量%を超えると加工性が悪化する傾向にある。溶液から成形体を得る方法は従来から公知の方法を用いて行うことができる。たとえば、加熱、減圧乾燥、化合物を溶解する溶媒と混和することができる化合物非溶媒への浸漬等によって、溶媒を除去し成形体を得ることができる。溶媒が、有機溶媒の場合には、加熱又は減圧乾燥によって溶媒を留去させることが好ましい。この際、必要に応じて他の化合物と複合された形で繊維状、フィルム状、ペレット状、プレート状、ロッド状、パイプ状、ボール状、ブロック状などの様々な形状に成形することもできる。溶解挙動が類似する化合物と組み合わせた場合には、良好な成形ができる点で好ましい。このようにして得られた成形体中のスルホン酸基はカチオン種との塩の形のものを含んでいても良いが、必要に応じて酸処理することによりフリーのスルホン酸基に変換することもできる。 The ionic group-containing polymer compound of the present invention and the resin composition thereof can be formed into a molded body such as a fiber or a film by any method such as extrusion, spinning, rolling, or casting. Among these, it is preferable to mold from a solution dissolved in an appropriate solvent. Examples of the solvent include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone and hexamethylphosphonamide, and alcohols such as methanol and ethanol. An appropriate one can be selected, but is not limited thereto. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The compound concentration in the solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by mass. If the compound concentration in the solution is less than 0.1% by mass, it tends to be difficult to obtain a good molded product, and if it exceeds 50% by mass, the workability tends to deteriorate. A method of obtaining a molded body from a solution can be performed using a conventionally known method. For example, the molded product can be obtained by removing the solvent by heating, drying under reduced pressure, immersion in a compound non-solvent that can be mixed with a solvent that dissolves the compound, or the like. When the solvent is an organic solvent, the solvent is preferably distilled off by heating or drying under reduced pressure. At this time, it can be formed into various shapes such as a fiber shape, a film shape, a pellet shape, a plate shape, a rod shape, a pipe shape, a ball shape, and a block shape in a composite form with other compounds as necessary. . When combined with a compound having a similar dissolution behavior, it is preferable in that good molding can be achieved. The sulfonic acid group in the molded article thus obtained may contain a salt form with a cationic species, but it can be converted to a free sulfonic acid group by acid treatment as necessary. You can also.
本発明のイオン性基含有高分子化合物およびその樹脂組成物からイオン伝導膜を作製することもできる。イオン伝導膜を成形する手法として最も好ましいのは、溶液からのキャストであり、キャストした溶液から上記のように溶媒を除去してイオン伝導膜を得ることができる。当該溶液としてはN−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の有機溶媒を用いた溶液や、場合によってはアルコール系溶媒等も挙げることができる。溶媒の除去は、乾燥によることがイオン伝導膜の均一性からは好ましい。また、化合物や溶媒の分解や変質を避けるため、減圧下でできるだけ低い温度で乾燥することもできる。また、溶液の粘度が高い場合には、基板や溶液を加熱して高温でキャストすると溶液の粘度が低下して容易にキャストすることができる。キャストする際の溶液の厚みは特に制限されないが、10〜1500μmであることが好ましい。より好ましくは50〜500μmである。溶液の厚みが10μmよりも薄いとイオン伝導膜としての形態を保てなくなる傾向にあり、1500μmよりも厚いと不均一な高分子電解質膜ができやすくなる傾向にある。溶液のキャスト厚を制御する方法は公知の方法を用いることができる。例えば、ガラス板、ポリマーシート、金属板などの基材上にアプリケーター、ドクターブレードなどを用いて一定の厚みに流延したり、ガラスシャーレなどを用いてキャスト面積を一定にして溶液の量や濃度で厚みを制御することができる。キャストした溶液は、溶媒の除去速度を調整することでより均一な膜を得ることができる。例えば、加熱する場合には最初の段階では低温にして蒸発速度を下げたりすることができる。また、水などの非溶媒に浸漬する場合には、溶液を空気中や不活性ガス中に適当な時間放置しておくなどして化合物の凝固速度を調整することができる。本発明のイオン伝導膜は目的に応じて任意の膜厚にすることができるが、イオン伝導性の面からはできるだけ薄いことが好ましい。具体的には5〜250μmであることが好ましく、5〜50μmであることがさらに好ましく、5〜20μmであることが最も好ましい。イオン伝導膜の厚みが5μmより薄いとイオン伝導膜の取扱が困難となり燃料電池を作製した場合に短絡等が起こる傾向にあり、250μmよりも厚いとイオン伝導膜の電気抵抗値が高くなり燃料電池の発電性能が低下する傾向にある。イオン伝導膜として使用する場合、膜中のスルホン酸基は金属塩になっているものを含んでいても良いが、適当な酸処理によりフリーのスルホン酸に変換することもできる。この場合、硫酸、塩酸、等の水溶液中に加熱下あるいは加熱せずに膜を浸漬処理することで行うことも効果的である。また、イオン伝導膜のイオン伝導率は1.0×10-3S/cm以上であることが好ましい。イオン伝導率が1.0×10-3S/cm以上である場合には、そのイオン伝導膜を用いた燃料電池において良好な出力が得られる傾向にあり、1.0×10-3S/cm未満である場合には燃料電池の出力低下が起こる傾向にある。 An ion conductive membrane can also be produced from the ionic group-containing polymer compound of the present invention and the resin composition thereof. The most preferable method for forming the ion conductive membrane is casting from a solution, and the ion conductive membrane can be obtained by removing the solvent from the cast solution as described above. Examples of the solution include a solution using an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, and dimethyl sulfoxide, and in some cases, an alcohol solvent. The removal of the solvent is preferably by drying from the uniformity of the ion conductive membrane. Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and alteration of a compound or a solvent, it can also dry at the lowest temperature possible under reduced pressure. Further, when the viscosity of the solution is high, when the substrate or the solution is heated and cast at a high temperature, the viscosity of the solution is lowered and can be easily cast. The thickness of the solution at the time of casting is not particularly limited, but is preferably 10 to 1500 μm. More preferably, it is 50-500 micrometers. If the thickness of the solution is thinner than 10 μm, the form as an ion conductive membrane tends to be not maintained, and if it is thicker than 1500 μm, a non-uniform polymer electrolyte membrane tends to be easily formed. As a method for controlling the cast thickness of the solution, a known method can be used. For example, the amount and concentration of the solution can be cast on a substrate such as a glass plate, a polymer sheet, or a metal plate to a certain thickness using an applicator or doctor blade, or the cast area can be constant using a glass petri dish or the like. The thickness can be controlled. The cast solution can obtain a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, in the case of heating, the evaporation rate can be reduced by lowering the temperature in the first stage. In addition, when immersed in a non-solvent such as water, the coagulation rate of the compound can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time. The ion conductive film of the present invention can have any film thickness depending on the purpose, but it is preferably as thin as possible from the viewpoint of ion conductivity. Specifically, it is preferably 5 to 250 μm, more preferably 5 to 50 μm, and most preferably 5 to 20 μm. If the thickness of the ion conductive membrane is less than 5 μm, handling of the ion conductive membrane becomes difficult and a short circuit or the like tends to occur when a fuel cell is produced. If the thickness is greater than 250 μm, the electric resistance value of the ion conductive membrane increases and the fuel cell The power generation performance tends to decrease. When used as an ion conductive membrane, the sulfonic acid group in the membrane may contain a metal salt, but it can be converted to free sulfonic acid by an appropriate acid treatment. In this case, it is also effective to immerse the membrane in an aqueous solution of sulfuric acid, hydrochloric acid, etc. with or without heating. The ion conductivity of the ion conductive membrane is preferably 1.0 × 10 −3 S / cm or more. When the ion conductivity of 1.0 × 10 -3 S / cm or higher, tend to better output is obtained in the fuel cell using the ion conductive membrane, 1.0 × 10 -3 S / When it is less than cm, the output of the fuel cell tends to decrease.
本発明のイオン伝導膜は、メタノールを燃料とするダイレクトメタノール型燃料電池にも有用であることが特徴である。平均厚さ50μmの膜を作製し、5Mメタノール水溶液を用いて25℃で測定したメタノール透過速度が7mmol/m2・sec以下の値を示すイオン伝導膜が好ましい。メタノール透過速度は4mmol/m2・sec以下であればさらに好ましく、1mmol/m2・sec以下であればより好ましい。このようなメタノール透過性を示すときに特に優れた発電特性を示すためである。メタノール透過性評価は平均厚み50μmの試料を作成して評価しているが、実際に燃料電池用イオン伝導膜として使用する際には、特に膜厚を限定しているわけではない。平均厚み50μmの膜とは、実質上は平均厚み48μmから平均厚み52μmの範囲に入っているものを示すものとする。 The ion conductive membrane of the present invention is also useful for direct methanol fuel cells using methanol as fuel. An ion conductive membrane having a methanol permeation rate of 7 mmol / m 2 · sec or less measured at 25 ° C. using a 5 M aqueous methanol solution and having an average thickness of 50 μm is preferable. The methanol permeation rate is more preferably 4 mmol / m 2 · sec or less, and more preferably 1 mmol / m 2 · sec or less. This is because power generation characteristics particularly excellent when such methanol permeability is exhibited. Methanol permeability evaluation is performed by preparing a sample having an average thickness of 50 μm, but when actually used as an ion conductive membrane for a fuel cell, the thickness is not particularly limited. The film having an average thickness of 50 μm substantially indicates a film having an average thickness in the range of 48 μm to 52 μm.
また、上述した本発明のイオン伝導膜またはフィルム等を電極に設置することによって、本発明のイオン伝導膜またはフィルム等と電極との接合体を得ることができる。この接合体の作製方法としては、従来から公知の方法を用いて行うことができ、例えば、電極表面に接着剤を塗布しイオン伝導膜と電極とを接着する方法またはイオン伝導膜と電極とを加熱加圧する方法等がある。この中でも本発明のイオン性基含有高分子化合物およびその樹脂組成物を主成分とした接着剤を電極表面に塗布して接着する方法が好ましい。イオン伝導膜と電極との接着性が向上し、また、イオン伝導膜のイオン伝導性を損なうことが少なくなると考えられるためである。 Further, by installing the above-described ion conductive membrane or film of the present invention on an electrode, a joined body of the ion conductive membrane or film of the present invention and the electrode can be obtained. As a method for producing this joined body, a conventionally known method can be used. For example, an adhesive is applied to the electrode surface and the ion conductive film and the electrode are bonded, or the ion conductive film and the electrode are bonded. There is a method of heating and pressurizing. Among these, the method of applying and bonding the adhesive mainly composed of the ionic group-containing polymer compound of the present invention and the resin composition to the electrode surface is preferable. This is because it is considered that the adhesion between the ion conductive film and the electrode is improved, and that the ion conductivity of the ion conductive film is less impaired.
上述したイオン伝導膜またはフィルム等と電極との接合体を用いて、燃料電池を作製することもできる。本発明のイオン伝導膜またはフィルム等は、耐熱性、加工性、イオン伝導性および寸法安定性に優れているため、高温での運転にも耐えることができ、作製が容易で、良好な出力を有する燃料電池を提供することができる。また、メタノールを直接燃料とする燃料電池として使用することも好ましい。 A fuel cell can also be produced using the above-described joined body of an ion conductive membrane or film and an electrode. Since the ion conductive membrane or film of the present invention is excellent in heat resistance, processability, ion conductivity and dimensional stability, it can withstand operation at high temperatures, is easy to produce, and has good output. A fuel cell can be provided. It is also preferable to use it as a fuel cell using methanol as a direct fuel.
以下本発明を実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。なお、各種測定は次のように行った。
・溶液粘度:ポリマー粉末を0.5g/dlの濃度でN−メチルピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度ln[ta/tb]/c)で評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度)。
・IR測定:分光器にBiorad社FTS-40、顕微鏡にBiorad社UMA-300Aを用いた顕微法により測定した。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.
Solution viscosity: The polymer powder was dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dl, the viscosity was measured using an Ubbelohde viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C., and the logarithmic viscosity ln [ta / tb] / C) (ta is the drop time of the sample solution, tb is the drop time of the solvent only, and c is the polymer concentration).
IR measurement: Measured by a microscopic method using Biorad FTS-40 as a spectroscope and Biorad UMA-300A as a microscope.
実施例1
3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩(略号:S−DCDPS)68.44g(0.1393mole)、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)23.97g(0.1393mole)、4,4’−ビフェノール51.78g(0.2781mole)、炭酸カリウム44.20(0.3198mole)を1000ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。400mlのNMPを入れて、150℃で一時間撹拌した後、反応温度を195−200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約9時間)。放冷の後、水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄した後、乾燥した。ポリマーの対数粘度は1.18を示した。
ポリマー30gをNMP70mlに溶解し、加熱したガラス板に約350μm厚にキャストし、フィルム状になるまでNMPを留去した後、水中に一晩以上浸漬した。得られたフィルムは、70℃の希硫酸(濃硫酸6ml、水300ml)中で1時間処理して塩をはずした後、純水でさらに一晩放置することで酸成分を除去した。得られたフィルムのIRスペクトルを図1に示す。
得られたフィルムを70%ポリリン酸中に浸漬し、オイルバスで130℃に加熱して18時間処理した。処理後のフィルムは1規定硫酸水溶液に再浸漬して120℃オイルバス上で8時間処理した。得られたフィルムは水洗、乾燥した。得られたフィルムのIRスペクトルを図2に示す。処理前に見られた2234cm-1のシアノ基吸収が消滅し、1689cm-1にシアノ基が加水分解した吸収の出現が認められ、本発明のポリマー構造になっていることが確認された。
自作測定用プローブ(テフロン(R)製)上で短冊状としたこのフィルムの表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、80℃95%RHの恒温・恒湿オーブン(株式会社ナガノ科学機械製作所、LH−20−01)中に試料を保持し、白金線間のインピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−Cプロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾配から以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルしたプロトン導電率(導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]x膜厚[cm]x抵抗極間勾配[Ω/cm])を算出したところ、0.24S/cmの値を示した。
Example 1
3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt (abbreviation: S-DCDPS) 68.44 g (0.1393 mole), 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN) 23.97 g ( 0.1393 mole), 4,4′-biphenol 51.78 g (0.2781 mole) and potassium carbonate 44.20 (0.3198 mole) were weighed into a 1000 ml four-necked flask and flushed with nitrogen. After adding 400 ml of NMP and stirring at 150 ° C. for 1 hour, the reaction was continued by raising the reaction temperature to 195-200 ° C. and sufficiently increasing the viscosity of the system (about 9 hours). After cooling, it was precipitated in strands in water. The obtained polymer was washed in boiling water for 1 hour and then dried. The logarithmic viscosity of the polymer was 1.18.
30 g of the polymer was dissolved in 70 ml of NMP, cast to a thickness of about 350 μm on a heated glass plate, NMP was distilled off until it became a film, and then immersed in water overnight. The obtained film was treated in dilute sulfuric acid at 70 ° C. (concentrated
The obtained film was immersed in 70% polyphosphoric acid, heated to 130 ° C. in an oil bath and treated for 18 hours. The treated film was re-immersed in a 1N aqueous sulfuric acid solution and treated on a 120 ° C. oil bath for 8 hours. The obtained film was washed with water and dried. The IR spectrum of the obtained film is shown in FIG. The absorption of the cyano group at 2234 cm −1 observed before the treatment disappeared, and the appearance of absorption by hydrolysis of the cyano group was observed at 1689 cm −1 , confirming the polymer structure of the present invention.
A platinum wire (diameter: 0.2 mm) was pressed against the surface of this film which was formed into a strip shape on a self-made measuring probe (manufactured by Teflon (R)), and a constant temperature / humidity oven at 80 ° C. and 95% RH (Nagano Co., Ltd.) The specimen was held in Science Machine Mfg. Co., Ltd., LH-20-01), and the impedance between the platinum wires was measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. Proton conductivity (conductivity) measured by changing the distance between the electrodes and canceling the contact resistance between the membrane and the platinum wire according to the following formula from the gradient obtained by plotting the resistance measured values estimated from the distance between the electrodes and the CC plot. [S / cm] = 1 / film width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm]) was calculated to be 0.24 S / cm.
実施例2
S−DCDPSとDCBNのモル比を55:45とする以外は実施例1と同様にしてポリマーを合成した。得られたポリマーの対数粘度は1.15であった。実施例1と同様にして得られたフィルムを70%硫酸水溶液に浸漬し、130℃のオイルバス上で19時間処理した。得られたフィルムは水洗、乾燥した。硫酸処理前後のフィルムのIRスペクトルを図3,4に示す。処理前に見られた2234cm-1のシアノ基吸収が減少し、1685cm-1にシアノ基が加水分解した吸収の出現が認められ、本発明のポリマー構造になっていることが確認された。実施例1と同様に測定したプロトン導電率は0.29S/cmの値を示した。
Example 2
A polymer was synthesized in the same manner as in Example 1 except that the molar ratio of S-DCDPS and DCBN was 55:45. The logarithmic viscosity of the obtained polymer was 1.15. The film obtained in the same manner as in Example 1 was immersed in a 70% aqueous sulfuric acid solution and treated on an oil bath at 130 ° C. for 19 hours. The obtained film was washed with water and dried. IR spectra of the film before and after the sulfuric acid treatment are shown in FIGS. The absorption of the cyano group at 2234 cm −1 observed before the treatment decreased, and the appearance of absorption by hydrolysis of the cyano group was observed at 1685 cm −1 , confirming the polymer structure of the present invention. The proton conductivity measured in the same manner as in Example 1 was 0.29 S / cm.
実施例3
3,3’,4,4‘−テトラアミノジフェニルスルホン(略号:TAS)1.500g(5.389x10-3mole)、2,5−ジカルボキシベンゼンスルホン酸モノナトリウム(略号:STA、純度99%)1.445g(5.389x10-3mole)、ポリリン酸(五酸化リン含量75%)20.48g、五酸化リン16.41gを重合容器に量り取る。窒素を流し、オイルバス上ゆっくり撹拌しながら100℃まで昇温 する。100℃で1時間保持した後、150℃に昇温 して1時間、200℃に昇温 して4時間重合した。重合終了後放冷し、水を加えて重合物を取り出し、家庭用ミキサーを用いてpH試験紙中性になるまで水洗を繰り返した。得られたポリマーは80℃で終夜減圧乾燥した。ポリマーの対数粘度は、1.07を示した。このポリマー1gと実施例1で得られたポリマー2gをNMP20mlに溶解し、加熱したガラス板に約350μm厚にキャストし、フィルム状になるまでNMPを留去した後、水中に一晩以上浸漬した。得られたフィルムは、70℃の希硫酸(濃硫酸6ml、水300ml)中で1時間処理して塩をはずした後、純水でさらに一晩放置することで酸成分を除去した。得られたフィルムを70%ポリリン酸中に浸漬し、オイルバスで130℃に加熱して16時間処理した。処理後のフィルムは1規定硫酸水溶液に再浸漬して120℃オイルバス上で8時間処理した。得られたフィルムは水洗、乾燥した。得られたフィルムのIRスペクトルは、処理前に見られた2234cm-1のシアノ基吸収が減少し、1682cm-1にシアノ基が加水分解した吸収の出現が認められた。実施例1と同様にして測定したプロトン導電率は0.10S/cmの値を示した。
Example 3
3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylsulfone (abbreviation: TAS) 1.500 g (5.389 × 10 −3 mole),
実施例4
Pt/Ru触媒担持カーボン(田中貴金属工業株式会社TEC61E54)に少量の超純水およびイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン溶液(品番:SE−20192)を、Pt/Ru触媒担持カーボンとナフィオンの重量比が2.5:1になるように加え、撹拌してアノード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、ガス拡散層となる東レ製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が2mg/cm2になるようにスクリーン印刷により塗布乾燥して、アノード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。また、Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業株式会社TEC10V40E)に少量の超純水およびイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン溶液(品番:SE−20192)を、Pt触媒担持カーボンとナフィオンの重量比が2.5:1となるように加え、撹拌してカソード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、撥水加工を施した東レ製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が1mg/cm2となるように塗布・乾燥して、カソード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。上記2種類の電極触媒層付きカーボンペーパーの間に、実施例1で作製したフィルムを、電極触媒層がフィルム試料に接するように挟み、ホットプレス法により130℃、8MPaにて3分間加圧、加熱することにより、膜−電極複合体とした。この接合体をElectrochem社製評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込み、燃料電池発電試験機(株式会社東陽テクニカ製)を用いて発電試験を行った。発電は、セル温度40℃で、アノードおよびカソードにそれぞれ40℃に調整した2mol/lのメタノール水溶液(1.5ml/min)および高純度酸素ガス(80ml/min)を供給しながら行ったところ、100mAの電流密度において0.3Vと、良好な発電特性が得られた。
Example 4
After adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to Pt / Ru catalyst-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. TEC61E54) and moistening it, a DuPont 20% Nafion solution (product number: SE-20192) was added to Pt / Ru. The catalyst-supporting carbon and Nafion were added at a weight ratio of 2.5: 1 and stirred to prepare an anode catalyst paste. The catalyst paste was applied and dried by screen printing on carbon paper TGPH-060 manufactured by Toray as a gas diffusion layer so that the amount of platinum deposited was 2 mg / cm 2 , thereby producing a carbon paper with an electrode catalyst layer for anode. . Further, after adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to a Pt catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. TEC10V40E) and moistening it, a 20% Nafion solution (product number: SE-20192) manufactured by DuPont was added to the Pt catalyst-supporting carbon. A cathode catalyst paste was prepared by adding carbon and Nafion at a weight ratio of 2.5: 1 and stirring. This catalyst paste was applied and dried on a carbon paper TGPH-060 manufactured by Toray made with a water-repellent finish so that the amount of platinum deposited was 1 mg / cm 2 , thereby producing a carbon paper with an electrode catalyst layer for cathode. The film produced in Example 1 was sandwiched between the two types of carbon paper with an electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer was in contact with the film sample, and pressurized at 130 ° C. and 8 MPa for 3 minutes by a hot press method. By heating, a membrane-electrode composite was obtained. This joined body was incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and a power generation test was performed using a fuel cell power generation tester (manufactured by Toyo Corporation). Power generation was performed while supplying a 2 mol / l aqueous methanol solution (1.5 ml / min) and high-purity oxygen gas (80 ml / min) adjusted to 40 ° C. to the anode and the cathode, respectively, at a cell temperature of 40 ° C. Good power generation characteristics of 0.3 V at a current density of 100 mA were obtained.
実施例5
実施例1で得られたポリマーをNMPに8wt%になるように溶解し、Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業株式会社TEC10V40E)と該ポリマーの重量比が2.5:1となるように加え、撹拌してカソード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、撥水加工を施した東レ製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が1mg/cm2となるように塗布・乾燥して、電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。得られた2枚の電極触媒層付きカーボンペーパーの間に、実施例1で得られたフィルムを、電極触媒層がフィルム試料に接するように挟み、ホットプレス法により150℃、8MPaにて3分間加圧、加熱することにより、該ポリマーを接着剤とする膜−電極接合体とした。電解質膜−電極接合体をElectrochem社製評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込んでセル温度80℃、ガス加湿温度80℃、燃料ガスとして水素300mL/min、酸化ガスとして酸素1000mL/minのガス流量において発電特性評価を行ったところ、500mAの電流密度において0.6Vと、良好な発電特性が得られた。
Example 5
The polymer obtained in Example 1 was dissolved in NMP so as to be 8 wt%, and added so that the weight ratio of Pt catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. TEC10V40E) to the polymer was 2.5: 1. The catalyst paste for cathode was prepared by stirring. This catalyst paste was applied and dried on Toray carbon paper TGPH-060 which was subjected to water repellent treatment so that the amount of platinum deposited was 1 mg / cm 2 , thereby producing a carbon paper with an electrode catalyst layer. The film obtained in Example 1 was sandwiched between the two obtained carbon papers with an electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer was in contact with the film sample, and the hot press method was performed at 150 ° C. and 8 MPa for 3 minutes. By applying pressure and heating, a membrane-electrode assembly using the polymer as an adhesive was obtained. The electrolyte membrane-electrode assembly is incorporated in an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and the cell temperature is 80 ° C., the gas humidification temperature is 80 ° C., the fuel gas is 300 mL / min, the oxidizing gas is 1000 mL / min. When the power generation characteristics were evaluated, a favorable power generation characteristic of 0.6 V at a current density of 500 mA was obtained.
本発明のイオン性基含有高分子化合物により、イオン伝導性だけでなく耐熱性、加工性および寸法安定性に優れた、高分子電解質材料を提供することができる。これらは、イオン伝導膜として、水素やメタノールを原料として使用する燃料電池や水電解槽に使うことが可能であり、各種電池用電解質、表示素子、センサー、バインダー類、添加剤などとしても利用が期待できるものである。 The ionic group-containing polymer compound of the present invention can provide a polymer electrolyte material that is excellent not only in ion conductivity but also in heat resistance, workability, and dimensional stability. These can be used as ion-conducting membranes in fuel cells and water electrolyzers using hydrogen or methanol as raw materials, and can also be used as various battery electrolytes, display elements, sensors, binders, additives, etc. It can be expected.
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WO2010047251A1 (en) * | 2008-10-22 | 2010-04-29 | トヨタ自動車株式会社 | Polymer electrolyte synthesis method, polymer electrolyte membrane, and solid polymer fuel cell |
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- 2004-02-26 JP JP2004050752A patent/JP2005239850A/en active Pending
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