JP4379130B2 - Proton conducting membrane for direct methanol fuel cell and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子型燃料電池、特にメタノールを水素に改質せずに直接セルに供給して発電を行わせる直接メタノール型燃料電池に用いられるプロトン伝導膜に関するものである。 The present invention relates to a proton conductive membrane used in a solid polymer fuel cell, particularly a direct methanol fuel cell in which methanol is directly supplied to a cell without reforming it to hydrogen to generate electric power.
メタノールを水素に改質せずに直接セルに供給して発電を行わせる直接メタノール型燃料電池(DMFC)は、発電性能、取扱いの容易さ、システムの簡略性等の特徴が認められ、携帯電話、パーソナルコンピューター等のポータブル用電源として従来のリチウムイオン電池に代わる電源として注目を集めている。 The direct methanol fuel cell (DMFC), which generates electricity by supplying methanol directly to the cell without reforming it into hydrogen, has features such as power generation performance, ease of handling, and simplicity of the system. As a portable power source for personal computers and the like, it is attracting attention as a power source that replaces the conventional lithium ion battery.
これまでDMFC用プロトン伝導膜としては、いわゆる陽イオン交換樹脂に属するポリマー、例えばポリスチレンスルホン酸などのビニル系ポリマーのスルホン化物、パーフルオロアルキルスルホン酸ポリマー、パーフルオロアルキルカルボン酸ポリマー等が挙げられ、その中でもナフィオン(商品名、デュポン社製)を代表とするパーフルオロアルキルスルホン酸系のプロトン伝導膜が広く使用されてきた。 So far, proton conduction membranes for DMFC include polymers belonging to so-called cation exchange resins, for example, sulfonated products of vinyl polymers such as polystyrene sulfonic acid, perfluoroalkyl sulfonic acid polymers, perfluoroalkyl carboxylic acid polymers, and the like. Among them, a perfluoroalkylsulfonic acid proton conductive membrane represented by Nafion (trade name, manufactured by DuPont) has been widely used.
しかしながら、上記パーフルオロアルキルスルホン酸系のプロトン伝導膜は、高いプロトン伝導度を有する反面、メタノール透過性が高いため水分子の移動に合わせてメタノールがアノードからカソード側にリークする、いわゆるクロスオーバーが発生し、電池性能を著しく低下させる問題点がある。そのため、低濃度のメタノール水溶液を燃料として使用せざるを得ず、発電効率の大幅な低下を余儀なくされているのが現状である。実際、現行使用されているリチウムイオン電池と比較しての優位性が期待される高メタノール濃度で使用するためには、高いプロトン伝導度を持つとともに、メタノール溶液に対しての耐性が改良されたプロトン伝導膜の適用が必要不可欠となる。 However, the perfluoroalkylsulfonic acid proton conductive membrane has high proton conductivity, but has high methanol permeability, so that there is a so-called crossover in which methanol leaks from the anode to the cathode as the water molecules move. There is a problem that the battery performance is remarkably deteriorated. For this reason, it is necessary to use a low-concentration aqueous methanol solution as a fuel, and the power generation efficiency has been greatly reduced. In fact, it has high proton conductivity and improved resistance to methanol solution for use at high methanol concentration, which is expected to be superior to currently used lithium ion batteries. Application of proton conducting membrane is indispensable.
また、パーフルオロアルキルスルホン酸系のプロトン伝導膜はコストが非常に高く、物性的には高温での使用、機械的強度にも問題がある。このような観点から、より安価で且つ熱的、機械的に安定でしかもプロトン伝導膜として優れたイオン伝導性を示す材料が待望されてきた。 In addition, perfluoroalkyl sulfonic acid proton conductive membranes are very expensive, and there are problems in physical properties such as use at high temperatures and mechanical strength. From this point of view, a material that is cheaper, is thermally and mechanically stable, and exhibits excellent ion conductivity as a proton conductive membrane has been awaited.
プロトン伝導膜は、親水性チャネル(イオン伝導チャネル)に形成される水のクラスターを通して、水素イオンを拡散させるとされている。そのため、イオン伝導度の観点から見ると膜中でイオン伝導成分が形成する空間的なチャネル構造が極めて重要であると考えられている。具体的には親水性チャネルを連続的に形成するような膜構造をもつプロトン伝導膜を提供することで、高いイオン伝導性を確保する考え方が一般的となっている。 The proton conducting membrane is supposed to diffuse hydrogen ions through a cluster of water formed in a hydrophilic channel (ion conducting channel). Therefore, from the viewpoint of ionic conductivity, it is considered that the spatial channel structure formed by the ionic conduction component in the film is extremely important. Specifically, the idea of ensuring high ionic conductivity by providing a proton conducting membrane having a membrane structure that continuously forms hydrophilic channels has become common.
一方、メタノールのクロスオーバーに着目してみると、メタノールは上述のような親水性チャンネルを通じて、水素イオン、水分子に併せて透過移動してしまう問題がある。メタノールの透過を抑制するためには、親水性チャネルの連続性を解消することが必要となるが、親水性チャネルの連続性がなくなるとプロトンの伝導パスが切断されるためプロトン伝導性が低下する欠点が挙げられている。 On the other hand, when focusing on the crossover of methanol, there is a problem that methanol permeates and moves together with hydrogen ions and water molecules through the hydrophilic channel as described above. In order to suppress the permeation of methanol, it is necessary to eliminate the continuity of the hydrophilic channel, but if the continuity of the hydrophilic channel is lost, the proton conduction path is cut and the proton conductivity decreases. There are drawbacks.
2種類以上の互いに非相溶なポリマー(ブロック鎖)が共有結合して1つのポリマー鎖を形成しているブロックコポリマーを用いると、ナノメートルスケールで化学的に異なる成分の配置を制御することができる。ブロックコポリマーにおいては、化学的に異なるブロック鎖間の反発から生じる短距離相互作用により、それぞれのブロック鎖からなる領域
(ミクロドメイン)に相分離するが、ブロック鎖が互いに共有結合していることから生じる長距離相互作用の効果により、各ミクロドメインが特定の秩序をもって配置せしめられる。各ブロック鎖からなるミクロドメインが集合して作り出す構造は、ミクロ相分離構造と呼ばれる。ブロックコポリマーの膜は、一般的に有機溶媒に溶かしたブロックコポリマーの溶液を適当な基板の上に展開したのち、溶媒を除去して作製される。作製された膜のミクロ相分離構造は、Bates,f.S.;Fredrickson,g.H.;Annu.Res.Phys.Chem.1990(41)525(非特許文献1)に開示されている様に、構成成分の組成によって、球状ミセル構造、シリンダー構造、ラメラ構造などの結晶状構造を示す。例えば、プロトン伝導性をもつ親水性セグメントと耐メタノール性をもつ疎水性セグメントからなるブロックコポリマーから得られるミクロ相分離構造を用いれば、膜中におけるイオン伝導部位およびメタノール透過抑制部位の空間的な配置をより詳細に制御することができることが予想される。
Using a block copolymer in which two or more kinds of mutually incompatible polymers (block chains) are covalently bonded to form one polymer chain can control the arrangement of chemically different components on the nanometer scale. it can. In block copolymers, short-range interaction resulting from repulsion between chemically different block chains causes phase separation into regions (microdomains) consisting of the respective block chains, but the block chains are covalently bonded to each other. The effect of the long-range interaction that occurs causes each microdomain to be arranged in a specific order. A structure created by the assembly of microdomains made up of block chains is called a microphase separation structure. A block copolymer film is generally produced by spreading a solution of a block copolymer dissolved in an organic solvent on a suitable substrate and then removing the solvent. The microphase-separated structure of the produced membrane is the composition of the constituents as disclosed in Bates, fS; Fredrickson, gH; Annu. Res. Phys. Chem. 1990 (41) 525 (Non-patent Document 1). Shows a crystalline structure such as a spherical micelle structure, a cylinder structure, or a lamellar structure. For example, if a microphase separation structure obtained from a block copolymer consisting of a hydrophilic segment with proton conductivity and a hydrophobic segment with methanol resistance is used, the spatial arrangement of ion conduction sites and methanol permeation suppression sites in the membrane It is expected that can be controlled in more detail.
ブロックコポリマーを用いたプロトン伝導性高分子固体電解質としては、特開平8−20704号公報(特許文献1)に開示されている。 A proton conductive polymer solid electrolyte using a block copolymer is disclosed in JP-A-8-20704 (Patent Document 1).
一方、特表平10−503788号公報(特許文献2)、特開2003−142125号公報(特許文献3)では、脂肪族ビニル化合物を原料としたトリブロックコポリマーをスルホン化した固体電解質膜の例が開示されている。
特許文献1に開示されたプロトン伝導性高分子固体電解質は、ブロック鎖として特定の化学構造の組み合わせを開示したもので、本発明が目的としている膜中におけるイオン伝導部位およびメタノール透過抑制部位の空間的な配置の制御による特性の改良に着目しているものとは技術的思想が相違している。 The proton conductive polymer solid electrolyte disclosed in Patent Document 1 discloses a combination of specific chemical structures as a block chain, and the space of ion conduction sites and methanol permeation suppression sites in the membrane targeted by the present invention. The technical idea is different from that which focuses on the improvement of the characteristics by controlling the general arrangement.
一方、特許文献2、特許文献3は、膜中におけるイオン伝導部位の空間的な配置制御に着目したものであり、親水性チャネル(イオン伝導チャネル)を連続相とすることで高いプロトン伝導性を確保することを目的とするものである。しかしながら、上述のようにこれらの方法では、高いプロトン伝導度とメタノール透過抑制を両立することは困難であり、メタノールの透過を抑制するための要素が別途必要となる。また、脂肪族を基本骨格とするブロック共重合体は、一般的にガラス転移点が低くいため熱的に不安定であり、熱履歴により相分離構造が変化し物性が変質してしまう問題があった。 On the other hand, Patent Document 2 and Patent Document 3 focus on spatial arrangement control of ion conduction sites in the membrane, and have high proton conductivity by using a hydrophilic channel (ion conduction channel) as a continuous phase. The purpose is to secure. However, as described above, in these methods, it is difficult to achieve both high proton conductivity and methanol permeation suppression, and an element for suppressing methanol permeation is required separately. In addition, block copolymers having an aliphatic basic skeleton generally have a low glass transition point and thus are thermally unstable, and there is a problem that the phase separation structure changes due to thermal history and the physical properties change. It was.
本発明は、上記のような従来技術を背景としてなされたものであって、膜中におけるイオン伝導部位およびメタノール透過抑制部位の空間的な配置をより詳細に制御することによって、高いプロトン伝導度とメタノール透過抑制を両立させることを目的としている。 The present invention has been made against the background of the prior art as described above. By controlling the spatial arrangement of ion conduction sites and methanol permeation suppression sites in the membrane in more detail, high proton conductivity and The purpose is to achieve both methanol permeation suppression.
本発明者は、このような従来技術における問題点に関して検討した結果、プロトン伝導性をもつ親水性セグメントと耐メタノール性をもつ疎水性セグメントからなるブロックコポリマーから得られるミクロ相分離構造を用い、膜中におけるイオン伝導部位およびメタノール透過抑制部位の空間的な配置をより詳細に制御することで高いプロトン伝導度とメタノール透過抑制を両立できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of studying such problems in the prior art, the present inventor has used a microphase separation structure obtained from a block copolymer composed of a hydrophilic segment having proton conductivity and a hydrophobic segment having methanol resistance. It has been found that high proton conductivity and methanol permeation suppression can be achieved by controlling the spatial arrangement of the ion conduction site and the methanol permeation suppression site in more detail, and the present invention has been completed.
具体的には、疎水性セグメントがラメラ状の相を形成し、親水性セグメントからなる連続相(親水性チャネル)を部分的に分断することによって、メタノール透過を抑制するということが本発明の要点である。このとき、親水性チャネルが、疎水性セグメントによって空間的に網目状に完全に囲いこまれていないことが必要である。なぜなら、膜中でメタノールが親水性チャネルを透過移動する行程を延長させ、メタノール透過を抑制するという観点では、本発明のような親水チャネルを部分的に分断するラメラ構造も、親水チャネルを完全に囲い込む網目状構造も狙いは同じであるが、網目状構造が形成されてしまうとプロトン伝導度が大きく低下してしまうため、目的が達せられないことがあるためである。 Specifically, the essential point of the present invention is that the hydrophobic segment forms a lamellar phase and the methanol permeation is suppressed by partially dividing the continuous phase (hydrophilic channel) composed of the hydrophilic segment. It is. At this time, it is necessary that the hydrophilic channel is not completely surrounded by a hydrophobic segment in a spatial network. This is because, from the viewpoint of extending the process of methanol permeating through the hydrophilic channel and suppressing methanol permeation in the membrane, the lamellar structure that partially divides the hydrophilic channel as in the present invention is also capable of completely separating the hydrophilic channel. The aim is the same for the network structure to be enclosed, but if the network structure is formed, the proton conductivity is greatly lowered, and the purpose may not be achieved.
疎水性セグメントからなるラメラ構造による親水チャネルの分断を部分的なものにとどめることによって、メタノール透過抑制を損なうことなく、高いプロトン伝導性を確保することが可能となる。 By limiting the fragmentation of the hydrophilic channel by the lamellar structure composed of the hydrophobic segment to a partial one, it is possible to ensure high proton conductivity without impairing methanol permeation suppression.
すなわち、本発明の直接メタノール型燃料電池用プロトン伝導膜は以下のとおりである。
(1)イオン伝導性成分を有するポリマーセグメント(A)とイオン伝導性成分を有さないポリマーセグメント(B)からなる膜であり、
該膜のモルフォロジーがミクロ相分離構造を有し、その相分離構造において(A)が連続相を形成し、(B)が非連続なラメラ構造を形成していることを特徴とする直接メタノール型燃料電池用プロトン伝導膜。
(2)膜断面の電子顕微鏡によるモルフォロジー観察において、ミクロ相分離構造を形成するポリマーセグメント(B)からなるラメラ構造の幅が、
5〜200nmの範囲にあることを示すことを特徴とする(1)の直接メタノール型燃料電池用プロトン伝導膜。
(3)ポリマーセグメント(A)と(B)が共有結合しているブロック共重合体である(1)および(2)の直接メタノール型燃料電池用プロトン伝導膜。
(4)ポリマーセグメント(A)と(B)を有する共重合体を形成する主鎖骨格が芳香環を適当な結合基で共有結合させた構造を有し、かつポリマーセグメント(A)の骨格が側鎖にスルホン酸基を含有する(1)〜(3)の直接メタノール型燃料電池用プロトン伝導膜。
(5)ポリマーセグメント(A)と(B)からなる膜を製膜する際に用いる溶媒中に、イオン伝導成分を有するポリマーセグメント(A)と相互作用をしない有機溶媒を30重量%以上含有する(1)〜(4)の直接メタノール型燃料電池用プロトン伝導膜の製造方法。
(6)上記イオン伝導成分を有するポリマーセグメント(A)と相互作用をしない有機溶媒は、窒素原子上の置換基の結合様式として、一重または二重結合であるNを含まない有機溶剤であり、−O−、−OH、−CO−、−SO2−、−SO3−、−CN、−NO2お
よび−CO2−からなる基を少なくとも1種類以上有する有機溶剤を含有することを特徴
とする(5)の直接メタノール型燃料電池用プロトン伝導膜の製造方法。
That is, the proton conductive membrane for direct methanol fuel cell of the present invention is as follows.
(1) A film comprising a polymer segment (A) having an ion conductive component and a polymer segment (B) having no ion conductive component,
The direct methanol type wherein the morphology of the membrane has a micro phase separation structure, wherein (A) forms a continuous phase and (B) forms a discontinuous lamellar structure. Proton conducting membrane for fuel cells.
(2) In the morphological observation by the electron microscope of the film cross section, the width of the lamellar structure composed of the polymer segment (B) forming the microphase separation structure is
The proton conductive membrane for direct methanol fuel cells according to (1), characterized in that it is in the range of 5 to 200 nm.
(3) The proton conducting membrane for direct methanol fuel cells according to (1) and (2), which is a block copolymer in which polymer segments (A) and (B) are covalently bonded.
(4) The main chain skeleton forming the copolymer having the polymer segments (A) and (B) has a structure in which an aromatic ring is covalently bonded with an appropriate bonding group, and the skeleton of the polymer segment (A) is (1) to (3) a proton conductive membrane for a direct methanol fuel cell, which contains a sulfonic acid group in the side chain.
(5) The solvent used when forming the film composed of the polymer segments (A) and (B) contains 30% by weight or more of an organic solvent that does not interact with the polymer segment (A) having an ion conductive component. (1) to (4) a method for producing a proton conductive membrane for a direct methanol fuel cell.
(6) The organic solvent that does not interact with the polymer segment (A) having the ion conductive component is an organic solvent that does not contain N that is a single or double bond as the bonding mode of the substituent on the nitrogen atom, It contains an organic solvent having at least one group consisting of —O—, —OH, —CO—, —SO 2 —, —SO 3 —, —CN, —NO 2 and —CO 2 —. (5) A method for producing a proton conductive membrane for a direct methanol fuel cell.
本発明によれば、メタノール水溶液に対する耐性が高く、かつ高いプロトン伝導度を有する直接メタノール型燃料電池用プロトン伝導膜が提供できる。本発明のプロトン伝導膜を使用した直接メタノール型燃料電池は、高メタノール水溶液においても好適に使用することができ、高い発電特性が得られることが期待できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the tolerance to methanol aqueous solution is high, and the proton conductive membrane for direct methanol type fuel cells which has high proton conductivity can be provided. The direct methanol fuel cell using the proton conducting membrane of the present invention can be suitably used even in a high methanol aqueous solution, and high power generation characteristics can be expected.
以下、本発明に係るプロトン伝導膜について具体的に説明する。
(モルフォロジー)
本発明に係わるプロトン伝導膜は、イオン伝導性成分を有するポリマーセグメント(A)とイオン伝導性成分を有さないポリマーセグメント(B)からなり、(A)と(B)がミクロ相分離構造を形成した膜である。(A)は親水性セグメント、(B)は疎水性セグメントと考えて良く、直接メタノール型燃料電池で用いる場合、(A)の親水性セグメントがプロトン伝導、(B)の疎水性セグメントがメタノール透過抑制を主に担っている。
Hereinafter, the proton conductive membrane according to the present invention will be specifically described.
(Morphology)
The proton conductive membrane according to the present invention comprises a polymer segment (A) having an ion conductive component and a polymer segment (B) having no ion conductive component, and (A) and (B) have a microphase separation structure. It is the formed film. (A) may be considered as a hydrophilic segment, and (B) as a hydrophobic segment. When used in a direct methanol fuel cell, the hydrophilic segment in (A) is proton conducting, and the hydrophobic segment in (B) is methanol permeable. It is mainly responsible for restraint.
該膜中では、疎水性セグメントがラメラ状の相を形成し、このラメラ構造が親水性セグメントからなる連続相を部分的に分断している。プロトン伝導膜に対するメタノールの透過性は、膜の表裏面におけるメタノールの浸透および浸出の速度と膜中でのメタノールの拡散速度により規定されると考えられる。従って、本発明のプロトン伝導膜の特徴であるラメラ構造による親水相の部分的分断によって、メタノールが親水性チャネルを透過移動する行程が延長されてメタノールの膜中での拡散速度が低下し、膜厚方向でのメタノール透過を抑制することができると考えられる。 In the film, the hydrophobic segment forms a lamellar phase, and this lamellar structure partially divides the continuous phase composed of the hydrophilic segment. The permeability of methanol to the proton conducting membrane is considered to be defined by the rate of methanol penetration and leaching on the front and back surfaces of the membrane and the diffusion rate of methanol in the membrane. Therefore, due to the partial disruption of the hydrophilic phase due to the lamellar structure that is a feature of the proton conducting membrane of the present invention, the process in which methanol permeates and moves through the hydrophilic channel is extended, and the diffusion rate of methanol in the membrane is reduced. It is considered that methanol permeation in the thickness direction can be suppressed.
ここでいうラメラ構造とは、例えば透過型電子顕微鏡(TEM)などによって膜断面のモルフォロジーを観察した場合に、帯またはヒモ状に観測される疎水性の構造体を指す。このとき、膜中のラメラ構造は非連続な相であり、全てがつながっている一本のラメラになっているわけではない。また、ラメラ構造は直立している必要はなく曲がりくねっていてもよい。単位体積あたりに含まれる疎水性ラメラの本数や単位体積あたりに占める疎水性ラメラの体積分率は、ポリマーの構造や重合条件および製膜条件により変化させることができる。 The lamella structure here refers to a hydrophobic structure that is observed in a band or string shape when the morphology of the cross section of the film is observed with, for example, a transmission electron microscope (TEM). At this time, the lamellar structure in the film is a discontinuous phase, and not all are connected to each other. Also, the lamella structure need not be upright but may be winding. The number of hydrophobic lamellae contained per unit volume and the volume fraction of hydrophobic lamellae occupied per unit volume can be changed depending on the structure of the polymer, polymerization conditions, and film forming conditions.
さらに詳しく述べれば、TEMを用いた膜断面のモルフォロジー観察において、ミクロ相分離構造を形成する(B)からなるラメラ構造の幅(三次元のヒモ状ラメラの太さに対応するが、モルフォロジー観察は二次元で行うため、ここでは幅と表現する)が5〜200nmの範囲にある場合が、本発明には好適である。 More specifically, in morphological observation of the cross section of the film using TEM, the width of the lamellar structure consisting of (B) forming a microphase separation structure (corresponding to the thickness of the three-dimensional string-like lamellae, Since it is performed in two dimensions, it is expressed as width here), and the case where it is in the range of 5 to 200 nm is suitable for the present invention.
ミクロ相分離構造を形成する(B)からなる疎水性ラメラのサイズが上記の範囲外であると、5nmより小さい場合はミクロ相分離が不明確になり疎水性ラメラによるメタノール透過抑制の機能が発現しない。また、200nmより大きくなる場合は逆に、疎水性が強すぎて、プロトン伝導度が低下してしまう。
(ブロック共重合体)
本発明に係わるミクロ相分離構造を形成可能な膜構造は、ポリマーセグメント(A)と(B)が共有結合しているブロック共重合体であり、主鎖骨格が芳香環を適当な結合基で共有結合させた構造を有し、かつポリマーセグメント(A)の骨格が側鎖にスルホン酸基を含有することを特徴とするものである。
If the size of the hydrophobic lamella formed from (B) forming the microphase separation structure is outside the above range, the microphase separation becomes unclear when the size is smaller than 5 nm, and the function of methanol permeation suppression by the hydrophobic lamella is manifested. do not do. On the other hand, when it is larger than 200 nm, the hydrophobicity is too strong and the proton conductivity is lowered.
(Block copolymer)
The membrane structure capable of forming a microphase separation structure according to the present invention is a block copolymer in which polymer segments (A) and (B) are covalently bonded, and the main chain skeleton has an aromatic ring with an appropriate bonding group. It has a covalently bonded structure, and the skeleton of the polymer segment (A) contains a sulfonic acid group in the side chain.
上述のようなミクロ相分離構造を基質の構造を規定して制御する手段として、互いに非相溶なポリマーを共有結合させて一つのポリマー鎖を形成させるブロック共重合体の利用がある。イオン伝導性成分を有するポリマーセグメント(A)とイオン伝導性成分を有さないポリマーセグメント(B)からなる共重合体を用いるのが好適である。 As a means for controlling the microphase-separated structure as described above by defining the structure of the substrate, there is a use of a block copolymer in which incompatible polymers are covalently bonded to each other to form one polymer chain. It is preferable to use a copolymer comprising a polymer segment (A) having an ion conductive component and a polymer segment (B) having no ion conductive component.
ブロック共重合体の構造としては、ポリマーセグメント(A)と(B)を有する共重合体を形成する主鎖骨格が芳香環を結合基で共有結合させた構造を有し、かつポリマーセグメント(A)の骨格が側鎖にスルホン酸基を含有するものが好ましい。 As the structure of the block copolymer, the main chain skeleton forming the copolymer having the polymer segments (A) and (B) has a structure in which an aromatic ring is covalently bonded with a linking group, and the polymer segment (A ) Having a sulfonic acid group in the side chain is preferred.
主鎖骨格としては、機械的強度、耐熱性を考慮して基本的に芳香環を結合基で共有結合させたものが好ましい。ミクロ相分離構造の形成は熱力学的支配の影響を受けるところが大きく、相分離構造は基質の組成や製膜時の熱履歴が重要であることが知られている。また、製膜後の膜物性の安定化を考慮すると熱履歴の影響を受けにくい材料、すなわち膜の
ガラス転移点の高い材料の選択が必要となり、このような観点からも芳香環を主鎖骨格に含有するブロック共重合体(ポリアリーレン)の選択が好適である。
As the main chain skeleton, a structure in which an aromatic ring is covalently bonded with a linking group in consideration of mechanical strength and heat resistance is preferable. The formation of a microphase separation structure is greatly affected by thermodynamic control, and it is known that the composition of the substrate and the thermal history during film formation are important for the phase separation structure. In addition, considering the stabilization of film properties after film formation, it is necessary to select a material that is not easily affected by thermal history, that is, a material having a high glass transition temperature. The selection of the block copolymer (polyarylene) contained in is preferable.
イオン伝導性成分に関しては、基質の安定性やプロトン伝導効率からスルホン酸基が好ましい。また、その導入位置については、ミクロ相分離構造形成および機械的強度の観点から考えると、主鎖へ直接導入するものよりも特定の結合基もしくは原子団を側鎖として介して導入したものが好ましい。主鎖に直接スルホン酸を導入したポリマーは、ミクロ相分離構造形成能および機械的強度が低いことに加えて、燃料電池用プロトン伝導膜の要求基本特性に関してのデメリットがいくつか挙げられている。 As for the ion conductive component, a sulfonic acid group is preferable from the standpoint of substrate stability and proton conduction efficiency. Further, the introduction position is preferably introduced through a specific bonding group or atomic group as a side chain rather than directly introduced into the main chain from the viewpoint of formation of a microphase-separated structure and mechanical strength. . A polymer in which a sulfonic acid is directly introduced into the main chain has several disadvantages regarding required basic characteristics of a proton conductive membrane for a fuel cell, in addition to low ability to form a microphase separation structure and low mechanical strength.
以下、本発明に係るスルホン酸基を含有するポリアリーレン共重合体、およびそれから得られるフィルムについて具体的に説明する。 Hereinafter, the polyarylene copolymer containing a sulfonic acid group according to the present invention and a film obtained therefrom will be described in detail.
本発明に使用されるスルホン酸基を有するポリアリーレンは、下記一般式(A)で表される繰り返し構成単位と、下記一般式(B)で表される繰り返し構成単位とを含んでおり、下記一般式(C)で表される重合体である。 The polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention includes a repeating structural unit represented by the following general formula (A) and a repeating structural unit represented by the following general formula (B). It is a polymer represented by general formula (C).
式中、Aは2価の電子吸引性基を示す。具体的には−CO−、−SO2−、−SO−、
−CONH−、−COO−、−(CF2)l−(ここで、lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−などが挙げられる。
In the formula, A represents a divalent electron-withdrawing group. Specifically, —CO—, —SO 2 —, —SO—,
—CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 — and the like can be mentioned.
Bは2価の電子供与基または直接結合を示す。電子供与基として具体例には、−(CH2)−、−C(CH3)2−、−O−、−S−、−CH=CH−、−C≡C―および B represents a divalent electron donating group or a direct bond. Specific examples of the electron donating group include — (CH 2 ) —, —C (CH 3 ) 2 —, —O—, —S—, —CH═CH—, —C≡C— and
などが挙げられる。なお、電子吸引性基とは、ハメット(Hammett)置換基常数がフェニ
ル基のm位の場合、0.06以上、p位の場合、0.01以上の値となる基をいう。
Etc. The electron-withdrawing group means a group having a Hammett substituent constant of 0.06 or more when the phenyl group is in the m-position and 0.01 or more when the p-position is p-position.
Arは−SO3Hで表される置換基を有する芳香族基を示し、芳香族基として具体的に
はフェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナンチル基などが挙げられる。これらの基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。
mは0〜10、好ましくは0〜2の整数、nは0〜10、好ましくは0〜2の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。
Ar represents an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H, and specific examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, and a phenanthyl group. Of these groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable.
m represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, n represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and k represents an integer of 1 to 4.
式(B)中、R1〜R8は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基、アリール基およびシアノ基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。 In formula (B), R 1 to R 8 may be the same as or different from each other, and are selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group. At least one atom or group is shown.
アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基などが挙げられ、メチル基、エチル基などが好ましい。 Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, and a hexyl group, and a methyl group and an ethyl group are preferable.
フッ素置換アルキル基としては、トリフルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基などが挙げられ、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基などが好ましい。 Examples of the fluorine-substituted alkyl group include trifluoromethyl group, perfluoroethyl group, perfluoropropyl group, perfluorobutyl group, perfluoropentyl group, perfluorohexyl group, trifluoromethyl group, pentafluoroethyl group, and the like. Etc. are preferable.
アリル基としては、プロペニル基などが挙げられ、
アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基などが挙げられる。
Examples of allyl groups include propenyl groups,
Examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.
Wは単結合または2価の電子吸引性基を示し、Tは単結合または2価の有機基を示す。 W represents a single bond or a divalent electron-withdrawing group, and T represents a single bond or a divalent organic group.
式(B)において、pは0または正の整数であり、上限は通常100、好ましくは10〜80である。 In the formula (B), p is 0 or a positive integer, and the upper limit is usually 100, preferably 10-80.
ブロック共重合体は以下に表される。 The block copolymer is represented below.
(式(C)中、W、T、A,B、Ar、m、n、k、pおよびR1〜R8は、それぞれ上記一般式(A)および(B)中のW、T、A,B、Ar、m、n、k、pおよびR1〜R8と同義である。x、yはx+y=100モル%とした場合のモル比を示す。)
本発明で用いられるスルホン酸基を有するポリアリーレンは、式(A)で表される繰り返し構成単位を0.05〜99.95モル%、好ましくは10〜99.5モル%の割合で、式(B)で表される繰り返し構成単位を0.05〜99.95モル%、好ましくは0.
5〜90モル%の割合で含有していることが望ましい。
(In the formula (C), W, T, A, B, Ar, m, n, k, p and R 1 to R 8 are W, T, A in the general formulas (A) and (B), respectively. , B, Ar, m, n, k, p, and R 1 to R 8 , x and y are molar ratios when x + y = 100 mol%.)
The polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention has a repeating structural unit represented by the formula (A) in a proportion of 0.05 to 99.95 mol%, preferably 10 to 99.5 mol%. The repeating structural unit represented by (B) is 0.05 to 99.95 mol%, preferably 0.8.
It is desirable to contain in the ratio of 5-90 mol%.
(スルホン酸基を有するブロック共重合体の製造方法)
本発明の共重合体は、一般式(A)で表されるブロックの繰り返し単位(a)を形成するモノマーと、一般式(B)で表されるブロックの繰り返し単位(b)を形成するモノマーまたはオリゴマーとを共重合させることにより合成することができる。
(Method for producing block copolymer having sulfonic acid group)
The copolymer of the present invention comprises a monomer that forms the repeating unit (a) of the block represented by the general formula (A) and a monomer that forms the repeating unit (b) of the block represented by the general formula (B). Alternatively, it can be synthesized by copolymerizing with an oligomer.
また、スルホン酸基を含有しない一般式(A)のブロックと、一般式(B)で表されるブロックとを有するポリマーを予め合成し、この重合体をスルホン化することにより合成することもできる。 Further, a polymer having a block of the general formula (A) not containing a sulfonic acid group and a block represented by the general formula (B) can be synthesized in advance, and the polymer can be synthesized by sulfonation. .
本発明の共重合体を合成する反応条件と、繰り返し単位(a)を形成するモノマーおよび繰り返し単位(b)を形成するモノマーの官能基としては、これらのモノマーから繰り返し単位(a)が繰り返された構造単位(重合体)、繰り返し単位(b)が繰り返された構造単位(重合体)を合成する際に用いられる公知の反応条件、官能基が選択される。 The reaction conditions for synthesizing the copolymer of the present invention, the monomer forming the repeating unit (a), and the functional group of the monomer forming the repeating unit (b), the repeating unit (a) is repeated from these monomers. Known reaction conditions and functional groups used for synthesizing the structural unit (polymer) and the structural unit (polymer) in which the repeating unit (b) is repeated are selected.
本発明の共重合体は、繰り返し単位(a)を形成するモノマーと、繰り返し単位(b)を形成するモノマーとのうち少なくとも一方を予め重合して前駆体を製造し、得られた前駆体に他の共重合成分を反応させて製造することができる。 The copolymer of the present invention is prepared by previously polymerizing at least one of the monomer that forms the repeating unit (a) and the monomer that forms the repeating unit (b) to produce a precursor. It can be produced by reacting other copolymer components.
上記一般式(A)の構造単位となりうるモノマーとしては、例えば下記一般式(D)で表される化合物が用いられる。 As the monomer that can be the structural unit of the general formula (A), for example, a compound represented by the following general formula (D) is used.
式(D)中、Xはフッ素を除くハロゲン原子(塩素、臭素、ヨウ素)、−OSO2Z(
ここで、Zはアルキル基、フッ素置換アルキル基またはアリール基を示す。)から選ばれる原子または基を示し、A、B、m、nおよびkは、それぞれ上記一般式(A)中のA、B、m、nおよびkと同義である。
In the formula (D), X represents a halogen atom other than fluorine (chlorine, bromine, iodine), —OSO 2 Z (
Here, Z represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group. A, B, m, n and k have the same meanings as A, B, m, n and k in the general formula (A), respectively.
Ar'は、スルホン酸化をしない場合は、−SO3Hまたは−SO3R基を有する芳香族
基を示し、スルホン酸化する場合は、−SO3Hまたは−SO3R基で表される置換基を有していない芳香族基を示し、芳香族基として具体的にはフェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナンチル基などが挙げられる。これらの基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。Rは炭素原子数1〜20、好ましくは4〜20の炭化水素基を示す。
Ar ′ represents an aromatic group having a —SO 3 H or —SO 3 R group when not sulfonated, and a substituent represented by —SO 3 H or —SO 3 R group when sulfonated. An aromatic group having no group is exemplified, and specific examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, and a phenanthyl group. Of these groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable. R represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, preferably 4 to 20 carbon atoms.
mは0〜10、好ましくは0〜2の整数、nは0〜10、好ましくは0〜2の整数を示し、kは0〜4の整数を示す(スルホン酸化する場合、kは0でもよい)。 m represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, n represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and k represents an integer of 0 to 4 (when sulfonating, k may be 0) ).
オリゴマー(E)としては、例えば下記一般式(E)で表される化合物が用いられる。 As the oligomer (E), for example, a compound represented by the following general formula (E) is used.
式(E)中、R'およびR''は互いに同一でも異なっていてもよく、フッ素原子を除く
ハロゲン原子または−OSO2Z(ここで、Zはアルキル基、フッ素置換アルキル基また
はアリール基を示す。)で表される基を示す。Zが示すアルキル基としてはメチル基、エチル基などが挙げられ、フッ素置換アルキル基としてはトリフルオロメチル基などが挙げられ、アリール基としてはフェニル基、p−トリル基などが挙げられる。
In the formula (E), R ′ and R ″ may be the same as or different from each other, and a halogen atom or —OSO 2 Z excluding a fluorine atom (where Z is an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group) The group represented by this is shown. Examples of the alkyl group represented by Z include a methyl group and an ethyl group, examples of the fluorine-substituted alkyl group include a trifluoromethyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a p-tolyl group.
R1〜R8は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基、アリール基およびシアノ基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。 R 1 to R 8 may be the same or different from each other, and are at least one atom selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group, or Indicates a group.
アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基などが挙げられ、メチル基、エチル基などが好ましい。 Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, and a hexyl group, and a methyl group and an ethyl group are preferable.
フッ素置換アルキル基としては、トリフルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基などが挙げられ、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基などが好ましい。 Examples of the fluorine-substituted alkyl group include trifluoromethyl group, perfluoroethyl group, perfluoropropyl group, perfluorobutyl group, perfluoropentyl group, perfluorohexyl group, trifluoromethyl group, pentafluoroethyl group, and the like. Etc. are preferable.
アリル基としては、プロペニル基などが挙げられ、
アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基などが挙げられる。
Examples of allyl groups include propenyl groups,
Examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.
Wは単結合または2価の電子吸引性基を示し、電子吸引基としては、上述したものと同様のものが挙げられる。
Tは単結合または2価の有機基であって、電子吸引性基であっても電子供与基であってもよい。電子吸引性基および電子供与性基としては、上述したものと同様のものが挙げられる。
W represents a single bond or a divalent electron-withdrawing group, and examples of the electron-withdrawing group include those described above.
T is a single bond or a divalent organic group, and may be an electron-withdrawing group or an electron-donating group. Examples of the electron-withdrawing group and the electron-donating group include the same groups as described above.
pは0または正の整数であり、上限は通常100、好ましくは10〜80である。 p is 0 or a positive integer, and the upper limit is usually 100, preferably 10-80.
上記一般式(E)で表される化合物として具体的には、p=0の場合、例えば4,4'−ジクロロベンゾフェノン、4,4'−ジクロロベンズアニリド、ビス(クロロフェニル)ジフルオロメタン、2,2−ビス(4−クロロフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4−ク
ロロ安息香酸−4−クロロフェニル、ビス(4−クロロフェニル)スルホキシド、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、2,6−ジクロロベンゾニトリル、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレンが挙げられる。これらの化合物において塩素原子が臭素原子またはヨウ素原子に置き換わった化合物、さらにこれらの化合物において4位に置換したハロゲン原子の少なくとも1つ以上が3位に置換した化合物などが挙げられる。
Specifically, as the compound represented by the general formula (E), when p = 0, for example, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzanilide, bis (chlorophenyl) difluoromethane, 2, 2-bis (4-chlorophenyl) hexafluoropropane, 4-chlorobenzoic acid-4-chlorophenyl, bis (4-chlorophenyl) sulfoxide, bis (4-chlorophenyl) sulfone, 2,6-dichlorobenzonitrile, 9,9- Bis (4-hydroxyphenyl) fluorene is mentioned. In these compounds, compounds in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom, and compounds in which at least one of halogen atoms substituted in the 4-position in these compounds are substituted in the 3-position are exemplified.
またp=1の場合、上記一般式(E)で表される具体的な化合物としては、例えば4,
4'−ビス(4−クロロベンゾイル)ジフェニルエーテル、4,4'−ビス(4−クロロベ
ンゾイルアミノ)ジフェニルエーテル、4,4'−ビス(4−クロロフェニルスルホニル)ジフェニルエーテル、4,4'−ビス(4−クロロフェニル)ジフェニルエーテルジカルボキシレート、4,4'−ビス〔(4−クロロフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフル
オロプロピル〕ジフェニルエーテル、4,4'−ビス〔(4−クロロフェニル)テトラフルオロエチル〕ジフェニルエーテル、これらの化合物において塩素原子が臭素原子またはヨウ素原子に置き換わった化合物、さらにこれらの化合物において4位に置換したハロゲン原子が3位に置換した化合物、さらにこれらの化合物においてジフェニルエーテルの4位に置換した基の少なくとも1つが3位に置換した化合物などが挙げられる。
When p = 1, the specific compound represented by the general formula (E) is, for example, 4,
4′-bis (4-chlorobenzoyl) diphenyl ether, 4,4′-bis (4-chlorobenzoylamino) diphenyl ether, 4,4′-bis (4-chlorophenylsulfonyl) diphenyl ether, 4,4′-bis (4- Chlorophenyl) diphenyl ether dicarboxylate, 4,4′-bis [(4-chlorophenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropyl] diphenyl ether, 4,4′-bis [(4-chlorophenyl) Tetrafluoroethyl] diphenyl ether, compounds in which the chlorine atom is replaced with a bromine atom or iodine atom in these compounds, compounds in which the halogen atom substituted in the 4-position in these compounds is substituted in the 3-position, and further in these compounds, the diphenyl ether At least one of the groups substituted in the 4-position is in the 3-position And the like.
モノマー(D)とオリゴマー(E)とを反応させる際に使用することのできる重合溶媒としては、例えばテトラヒドロフラン、シクロヘキサノン、ジメチルスルホキシド、N,
N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリド
ン、γ−ブチロラクトン、N,N'−ジメチルイミダゾリジノンなどが挙げられる。これらのうち、テトラヒドロフラン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、N,N'−ジメチルイミダゾリジノンが好ましい。これらの重合溶媒は、十分に乾燥してから用いることが好ましい。
Examples of the polymerization solvent that can be used when the monomer (D) and the oligomer (E) are reacted include tetrahydrofuran, cyclohexanone, dimethyl sulfoxide, N,
N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, γ-butyrolactone, N, N′-dimethylimidazolidinone and the like can be mentioned. Of these, tetrahydrofuran, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, and N, N′-dimethylimidazolidinone are preferable. These polymerization solvents are preferably used after sufficiently dried.
重合溶媒中における上記モノマーの総計の濃度は、通常、1〜90重量%、好ましくは5〜40重量%である。 The total concentration of the monomers in the polymerization solvent is usually 1 to 90% by weight, preferably 5 to 40% by weight.
また、重合する際の重合温度は、通常、0〜200℃、好ましくは50〜120℃である。また、重合時間は、通常、0.5〜100時間、好ましくは1〜40時間である。 Moreover, the superposition | polymerization temperature at the time of superposing | polymerizing is 0-200 degreeC normally, Preferably it is 50-120 degreeC. The polymerization time is usually 0.5 to 100 hours, preferably 1 to 40 hours.
得られたブロック共重合体であるポリアリーレンに、スルホン酸基を導入する場合、スルホン化剤を使用する。この際、無溶剤下、あるいは溶剤存在下であってもよい。溶剤としては、例えばn−ヘキサンなどの炭化水素溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどのエーテル系溶剤、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドのような非プロトン系極性溶剤のほか、テトラクロロエタン、ジクロロエタン、クロロホルム、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素などが挙げられる。 When a sulfonic acid group is introduced into the resulting polyarylene, which is a block copolymer, a sulfonating agent is used. At this time, it may be in the absence of a solvent or in the presence of a solvent. Examples of the solvent include hydrocarbon solvents such as n-hexane, ether solvents such as tetrahydrofuran and dioxane, aprotic polar solvents such as dimethylacetamide, dimethylformamide, and dimethylsulfoxide, tetrachloroethane, dichloroethane, chloroform, and chloride. And halogenated hydrocarbons such as methylene.
スルホン酸基を導入する方法としては、例えば、得られたポリアリーレンを、無水硫酸、発煙硫酸、クロルスルホン酸、硫酸、亜硫酸水素ナトリウムなどの公知のスルホン化剤を用いて、公知の条件でスルホン化することができる〔Polymer Preprints,Japan,Vol.42,No.3,p.730(1993);Polymer Preprints,Japan,Vol.43,No.3,p.736(1994);Polymer Preprints,Japan,Vol.42,No.7,p.2490〜2492(1993)〕。 As a method for introducing a sulfonic acid group, for example, the obtained polyarylene is sulfonated under known conditions using a known sulfonating agent such as sulfuric anhydride, fuming sulfuric acid, chlorosulfonic acid, sulfuric acid, sodium hydrogen sulfite and the like. (Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, No. 3, p. 730 (1993); Polymer Preprints, Japan, Vol. 43, No. 3, p. 736 (1994); Polymer Preprints, Japan , Vol. 42, No. 7, p. 2490-2492 (1993)].
具体的に、このスルホン化の反応条件としては、特に制限されるものではないものの、温度は特に制限はないが、通常、−50〜200℃、好ましくは−10〜100℃であり、また反応時間は、通常、0.5〜1,000時間、好ましくは1〜200時間である。 Specifically, the reaction conditions for the sulfonation are not particularly limited, but the temperature is not particularly limited, but is usually −50 to 200 ° C., preferably −10 to 100 ° C. The time is usually 0.5 to 1,000 hours, preferably 1 to 200 hours.
例えば、4,4'−ジヒドロキシベンゾフェノンと4,4'−ジクロロジフェニルスルホンとを塩基存在下において高温で反応させることにより両末端が塩素原子であるオリゴマーを合成し、一般式(B)のブロックを構成するポリエーテルケトンスルホン前躯体を得る。次いで、2,5−ジクロロ−4’−(4−フェノキシ)フェノキシベンゾフェノンとのカップリング重合を行いポリエーテルケトンスルホン共重合体を合成した後、スルホン化することにより本発明の共重合体を合成することができる。 For example, by reacting 4,4′-dihydroxybenzophenone and 4,4′-dichlorodiphenylsulfone at high temperature in the presence of a base, an oligomer having both ends of a chlorine atom is synthesized, and a block of the general formula (B) is synthesized. A polyether ketone sulfone precursor is obtained. Next, coupling polymerization with 2,5-dichloro-4 ′-(4-phenoxy) phenoxybenzophenone is performed to synthesize a polyether ketone sulfone copolymer, and then the sulfone is synthesized to synthesize the copolymer of the present invention. can do.
本発明の共重合体中におけるスルホン酸基量は0.3〜5meq/g、好ましくは0.5〜3meq/g、より好ましくは0.8〜2.8meq/gである。0.3meq/g未満では、プロトン伝導度が低く、一方、5meq/gを超えると、親水性が高まり、耐溶媒性が大幅に低下してしまうことがある。 The amount of sulfonic acid group in the copolymer of the present invention is 0.3 to 5 meq / g, preferably 0.5 to 3 meq / g, more preferably 0.8 to 2.8 meq / g. If it is less than 0.3 meq / g, the proton conductivity is low. On the other hand, if it exceeds 5 meq / g, the hydrophilicity may increase and the solvent resistance may be greatly reduced.
上記のスルホン酸基量は、繰り返し単位(a)を形成するモノマーと繰り返し単位(b)を形成するモノマーとの使用割合、さらにモノマーの種類、組み合わせを変えることにより調整することができる。 The amount of the sulfonic acid group can be adjusted by changing the use ratio of the monomer that forms the repeating unit (a) and the monomer that forms the repeating unit (b), and the type and combination of the monomers.
本発明のスルホン酸基を含有するブロック共重合体の前駆体、すなわちスルホン酸誘導もしくは導入前のベースポリマーの分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。1万未満では、成形フィルムにクラックが発生するなど、塗膜性が不十分であり、また強度的性質にも問題がある。一方、100万を超えると、溶解性が不十分となり、また溶液粘度が高く、乾燥後に表面の平滑性が悪く
なることがある。
(プロトン伝導膜)
本発明のプロトン伝導膜は、例えば、上述した本発明のスルホン酸基を有するポリアリーレン共重合体(以下、単に「スルホン酸基を有するポリアリーレン」という)を溶剤に溶解して溶液とした後、基材上に流延し、フィルム状に成形する方法(溶剤キャスト法)などにより、フィルム状に成形して製造される。基材としては、通常の溶液キャスト法に用いられる基材であれば特に限定されず、例えばプラスチック製、金属製などの基体が用いられ、好ましくは、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムなどの熱可塑性樹脂からなる基材が用いられる。キャスト時に、バーコーターと呼ばれる所定の厚みの溝を切った金属板または金属棒を用いて、流延させた液体の膜厚を調整することもできる(バーコート法)。
The molecular weight of the block copolymer precursor containing the sulfonic acid group of the present invention, that is, the base polymer before sulfonic acid induction or introduction, is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 80 in terms of polystyrene-converted weight average molecular weight. Ten thousand. If it is less than 10,000, the coating film properties are insufficient, such as cracks occurring in the molded film, and there are also problems with the strength properties. On the other hand, when it exceeds 1,000,000, the solubility becomes insufficient, the solution viscosity is high, and the smoothness of the surface may be deteriorated after drying.
(Proton conducting membrane)
The proton conducting membrane of the present invention can be obtained, for example, by dissolving the above-described polyarylene copolymer having a sulfonic acid group of the present invention (hereinafter simply referred to as “polyarylene having a sulfonic acid group”) in a solvent. It is produced by being cast into a film by a method (solvent casting method) or the like, which is cast on a substrate and molded into a film. The substrate is not particularly limited as long as it is a substrate used in an ordinary solution casting method. For example, a substrate made of plastic or metal is used, and preferably a thermoplastic such as a polyethylene terephthalate (PET) film. A base material made of resin is used. At the time of casting, the thickness of the cast liquid can be adjusted by using a metal plate or a metal bar called a bar coater having a predetermined thickness cut (bar coating method).
プロトン伝導膜を調製する際には、スルホン酸基を有するポリアリーレン以外に、硫酸、リン酸などの無機酸、カルボン酸を含む有機酸、適量の水などを併用してもよい。 In preparing the proton conducting membrane, in addition to polyarylene having a sulfonic acid group, an inorganic acid such as sulfuric acid or phosphoric acid, an organic acid containing a carboxylic acid, an appropriate amount of water, or the like may be used in combination.
具体的に、本発明に係る直接メタノール方燃料電池用プロトン伝導膜の製造方法は、ポリマーセグメント(A)と(B)からなる膜を製膜する際に、
ポリマーセグメント(A)および(B)をキャスト溶媒に溶解させる溶媒中に、ポリマーセグメント(A)と相互作用をしない有機溶媒を30重量%以上含有する。
Specifically, the method for producing a proton conducting membrane for a direct methanol fuel cell according to the present invention, when producing a membrane comprising polymer segments (A) and (B),
An organic solvent that does not interact with the polymer segment (A) is contained in an amount of 30% by weight or more in the solvent in which the polymer segments (A) and (B) are dissolved in the casting solvent.
本発明において、プロトン伝導膜のキャスト溶媒として用いられるイオン伝導成分を有するポリマーセグメント(A)と相互作用をしない有機溶媒としては、窒素原子上の置換基の結合様式として、一重または二重結合であるNを含まない有機溶媒を用いることができる。(すなわち、アミノ、イミノ、アミド、イミド化合物ではない)
たとえば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、n−ブチルアルコール、2−メチル−1−プロパノール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、2−メチル−1−ブタノール、3−メチル−1−ブタノール、2−メチル−2−ブタノール、3−メチル−2−ブタノール、2,2−ジメチル−1−プロパノ
ール、シクロヘキサノール、ジシクロヘキサノール、1−ヘキサノール、2−メチル−1−ペンタノール、2−メチル−2−ペンタノール、4−メチル−2−ペンタノール、2−エチル−1−ブタノール、1−メチルシクロヘキサノール、2−メチルシクロヘキサノール、3−メチルシクロヘキサノール、4−メチルシクロヘキサノール、1−オクタノール、2−オクタノール、2−エチル−1−ヘキサノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、1.3―ブタンジオール、グリセロール、m−クレゾール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、ジアセトンアルコール、ジオキサン、ブチルエーテル、フェニルエーテル、イソペンチルエーテル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、ビス(2−メトキシエチル)エーテル、ビス(2−エトキシエチル)エーテル、シネオール、ベンジルエチルエーテル、フラン、テトラヒドロフラン、アニソール、フェネトール、アセタール、アセトン、メチルエチルケトン、2−ペンタノン、3−ペンタノン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、2−ヘキサノン、4−メチル−2−ペンタノン、2−ヘプタノン、2,4−ジメチル−3−ペンタノン、2−オクタノン、アセトフェノン、メシ
チルオキサイド、ベンズアルデヒド、酢酸エチル、酢酸−n−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸sec-ブチル、酢酸イソアミル、酢酸ペンチル)、酢酸イソペンチル、3−メトキシブチルアセタート、酪酸メチル、酪酸エチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチル、γ―ブチロラクトン、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−(メトキシメトキシ)エタノール、2−イソプロポキシエタノール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノール、ジメチルジエチレングリコール、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、ジエチルサルフィド、アセトニトリル、ブチロニトリル、ニトロメタン、ニトロエタン、2−ニトロプロパン、ニトロベンゼン、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキサン、シクロヘキサンなどを挙げることができる。これらは2種類以上を
組み合わせて用いることもでき、そのうち1種類以上は、−O−、−OH、−CO−、−SO2−、−SO3−、−CN、−NO2および−CO2−からなる基を少なくとも1種類以上有する有機溶媒であることが好ましい。
In the present invention, the organic solvent that does not interact with the polymer segment (A) having an ion conducting component used as a casting solvent for the proton conducting membrane includes a single or double bond as the bonding mode of the substituent on the nitrogen atom. Some N-free organic solvents can be used. (Ie, not amino, imino, amide, imide compounds)
For example, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, n-butyl alcohol, 2-methyl-1-propanol, 1-pentanol, 2-pentanol, 3-pentanol, 2-methyl-1-butanol, 3-methyl-1-butanol, 2-methyl-2-butanol, 3-methyl-2-butanol, 2,2-dimethyl-1-propanol, cyclohexanol, dicyclohexanol, 1-hexanol, 2-methyl-1 -Pentanol, 2-methyl-2-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, 2-ethyl-1-butanol, 1-methylcyclohexanol, 2-methylcyclohexanol, 3-methylcyclohexanol, 4- Methylcyclohexanol, 1-octanol, 2-octanol, 2-ethyl -1-hexanol, ethylene glycol, propylene glycol, 1.3-butanediol, glycerol, m-cresol, diethylene glycol, dipropylene glycol, diacetone alcohol, dioxane, butyl ether, phenyl ether, isopentyl ether, dimethoxyethane, diethoxy Ethane, bis (2-methoxyethyl) ether, bis (2-ethoxyethyl) ether, cineol, benzylethyl ether, furan, tetrahydrofuran, anisole, phenetole, acetal, acetone, methyl ethyl ketone, 2-pentanone, 3-pentanone, cyclopenta Non, cyclohexanone, 2-hexanone, 4-methyl-2-pentanone, 2-heptanone, 2,4-dimethyl-3-pentanone, 2-octanone Acetophenone, mesityl oxide, benzaldehyde, ethyl acetate, n-butyl acetate, isobutyl acetate, sec-butyl acetate, isoamyl acetate, pentyl acetate), isopentyl acetate, 3-methoxybutyl acetate, methyl butyrate, ethyl butyrate, lactic acid Methyl, ethyl lactate, butyl lactate, γ-butyrolactone, 2-methoxyethanol, 2-ethoxyethanol, 2- (methoxymethoxy) ethanol, 2-isopropoxyethanol, 1-methoxy-2-propanol, 1-ethoxy-2- Propanol, dimethyldiethylene glycol, dimethyl sulfoxide, dimethyl sulfone, diethyl sulfide, acetonitrile, butyronitrile, nitromethane, nitroethane, 2-nitropropane, nitrobenzene, benzene, toluene, xyle , It may be mentioned hexane, cyclohexane and the like. These may be used in combination of two or more, and one or more of them may be —O—, —OH, —CO—, —SO 2 —, —SO 3 —, —CN, —NO 2 and —CO 2. An organic solvent having at least one group consisting of — is preferred.
また、上記有機溶媒に対して、イオン伝導成分を有するポリマーセグメント(A)と相互作用する有機溶剤としては、ピリジン、nーメチルー2−ピロリドン、2−ピロリドン、ジメチルアセトアミド、テトラメチル尿素、ジメチルホルムアミドなどの塩基性有機溶媒が挙げられる。本発明では、目的を損なわない範囲で、このような溶媒を含んでいてもよい。 Examples of the organic solvent that interacts with the polymer segment (A) having an ion conductive component with respect to the organic solvent include pyridine, n-methyl-2-pyrrolidone, 2-pyrrolidone, dimethylacetamide, tetramethylurea, dimethylformamide, and the like. Of the basic organic solvent. In the present invention, such a solvent may be included as long as the object is not impaired.
上記イオン伝導成分を有するポリマーセグメント(A)と相互作用をしない有機溶媒は、全溶媒中に30重量%以上含有することが必要である。さらに、60重量%以上含有することが好ましく、より好ましくは、90%重量以上である。 The organic solvent that does not interact with the polymer segment (A) having the ion conductive component needs to be contained in an amount of 30% by weight or more in the total solvent. Furthermore, it is preferable to contain 60 weight% or more, More preferably, it is 90 weight% or more.
上記範囲未満であると、イオン伝導成分を有するポリマーセグメント(A)と相互作用する有機溶剤の影響が大きくなり、溶剤がイオン伝導成分を有するポリマーセグメント(A)に配位して局所的に凝集構造を形成してしまい、その周囲に疎水性セグメント(B)が集まり、結果(A)を(B)が取り囲む網目状構造が形成されてしまうことがある。 If it is less than the above range, the influence of the organic solvent interacting with the polymer segment (A) having the ion conductive component becomes large, and the solvent coordinates to the polymer segment (A) having the ion conductive component and locally aggregates. In some cases, a structure is formed, and the hydrophobic segments (B) are gathered around the structure, and a network structure in which (B) surrounds the result (A) may be formed.
一方、上記のような有機溶剤が上述の範囲以内であると、親水性セグメント(A)と溶剤の相互作用が小さく、(A)は連続相を取りやすい。(B)がラメラ構造を形成する理由は断定はできないが、(B)同士の疎水性相互作用による凝集と(A)との親和性などを考えた場合、最終的に熱力学的に安定な構造としてラメラ構造をとるものと思料される。 On the other hand, when the organic solvent as described above is within the above range, the interaction between the hydrophilic segment (A) and the solvent is small, and (A) tends to take a continuous phase. The reason why (B) forms a lamellar structure cannot be determined, but when considering the agglomeration due to the hydrophobic interaction between (B) and the affinity with (A), it is finally thermodynamically stable. It is thought to have a lamellar structure.
スルホン酸基を有するポリアリーレンを溶解させた溶液のポリマー濃度は、スルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量にもよるが、通常、5〜40質量%、好ましくは7〜25質量%である。5質量%未満では、厚膜化し難く、また、ピンホールが生成しやすい。一方、40重量%を超えると、溶液粘度が高すぎてフィルム化し難く、また、表面平滑性に欠けることがある。 The polymer concentration of the solution in which the polyarylene having a sulfonic acid group is dissolved is usually 5 to 40% by mass, preferably 7 to 25% by mass, although it depends on the molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group. If it is less than 5% by mass, it is difficult to form a thick film, and pinholes are easily generated. On the other hand, if it exceeds 40% by weight, the solution viscosity is so high that it is difficult to form a film, and surface smoothness may be lacking.
なお、溶液粘度は、スルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量や、ポリマー濃度にもよるが、通常、2,000〜100,000mPa・s、好ましくは3,000〜50,000mPa・sである。2,000mPa・s未満では、成膜中の溶液の滞留性が悪く、
基体から流れてしまうことがある。一方、100,000mPa・sを超えると、粘度が
高過ぎて、ダイからの押し出しができず、流延法によるフィルム化が困難となることがある。
The solution viscosity is usually 2,000 to 100,000 mPa · s, preferably 3,000 to 50,000 mPa · s, although it depends on the molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group and the polymer concentration. If it is less than 2,000 mPa · s, the retention of the solution during film formation is poor,
May flow from the substrate. On the other hand, if it exceeds 100,000 mPa · s, the viscosity is too high to be extruded from the die and it may be difficult to form a film by the casting method.
上記のようにして成膜した後、得られた未乾燥フィルムを水に浸漬することにより、未乾燥フィルム中の有機溶剤が水と置換され、得られるプロトン伝導膜の残留溶媒量を低減することができる。 After forming the film as described above, by immersing the obtained undried film in water, the organic solvent in the undried film is replaced with water, and the residual solvent amount of the resulting proton conducting membrane is reduced. Can do.
なお、成膜後に未乾燥フィルムを水へ浸漬する前に、未乾燥フィルムを予備乾燥してもよい。予備乾燥は、未乾燥フィルムを通常50〜150℃の温度で、0.1〜10時間保持することにより行われる。 In addition, you may pre-dry an undried film before immersing an undried film in water after film-forming. The preliminary drying is performed by holding the undried film at a temperature of usually 50 to 150 ° C. for 0.1 to 10 hours.
未乾燥フィルムを水に浸漬する際には、例えば、枚葉を水に浸漬するバッチ方式が採用される。あるいは、PETなどの基板フィルム上に成膜された状態で、この積層フィルムごと水に浸漬させるか、または基板から分離した膜を水に浸漬させて巻き取っていく連続方式が採用される。 When immersing an undried film in water, for example, a batch method in which a sheet is immersed in water is employed. Alternatively, a continuous method is adopted in which the laminated film is immersed in water in a state where the film is formed on a substrate film such as PET, or the film separated from the substrate is immersed in water and wound.
バッチ方式の場合には、処理フィルムを枠に嵌める方式が、処理されたフィルムの表面における皺形成が抑制される点で好ましい。 In the case of the batch method, a method of fitting the treated film to the frame is preferable in that wrinkle formation on the surface of the treated film is suppressed.
未乾燥フィルムを水に浸漬する際には、未乾燥フィルム1質量部に対し、水が10質量部以上、好ましくは30質量部以上の接触比となるようにすることが好ましい。また、得られるプロトン伝導膜の残存溶媒量をできるだけ少なくするためには、できるだけ大きな接触比を維持するのが好ましい。さらに、浸漬に使用する水を交換したり、オーバーフローさせたりして、常に水中の有機溶媒濃度を一定濃度以下に維持しておくことも、得られるプロトン伝導膜の残存溶媒量の低減に有効である。プロトン伝導膜中に残存する有機溶媒量の面内分布を小さく抑えるためには、水中の有機溶媒濃度を撹拌等によって均質化させることが好ましい。 When immersing an undried film in water, it is preferable that water has a contact ratio of 10 parts by mass or more, preferably 30 parts by mass or more with respect to 1 part by mass of the undried film. In order to minimize the amount of residual solvent in the resulting proton conducting membrane, it is preferable to maintain a contact ratio as large as possible. In addition, it is effective in reducing the amount of residual solvent in the resulting proton conducting membrane by changing the water used for immersion or allowing it to overflow so that the organic solvent concentration in the water is always kept below a certain level. is there. In order to suppress the in-plane distribution of the amount of the organic solvent remaining in the proton conductive membrane, it is preferable to homogenize the concentration of the organic solvent in water by stirring or the like.
未乾燥フィルムを水に浸漬する際の水の温度は、好ましくは5〜80℃である。高温ほど、有機溶媒と水との置換速度は速くなるが、フィルムの吸水量も大きくなるので、乾燥後に得られるプロトン伝導膜の表面が荒れる場合がある。置換速度と取り扱い易さを考慮すると、10〜60℃の温度範囲がより好ましい。 The temperature of water when the undried film is immersed in water is preferably 5 to 80 ° C. The higher the temperature, the higher the rate of substitution between the organic solvent and water, but the greater the amount of water absorbed by the film, so the surface of the proton conducting membrane obtained after drying may become rough. Considering the replacement speed and ease of handling, a temperature range of 10 to 60 ° C. is more preferable.
浸漬時間は、初期の残存溶媒量や接触比、処理温度にもよるが、通常10分〜240時間であり、好ましくは30分〜100時間である。 The immersion time is usually 10 minutes to 240 hours, preferably 30 minutes to 100 hours, although depending on the initial residual solvent amount, contact ratio, and treatment temperature.
このように、未乾燥フィルムを水に浸漬してから乾燥すると、残存溶媒量が低減されたプロトン伝導膜が得られ、プロトン伝導膜中における残存溶媒量は、通常5質量%以下である。 Thus, when an undried film is immersed in water and then dried, a proton conductive membrane with a reduced amount of residual solvent is obtained, and the residual solvent amount in the proton conductive membrane is usually 5% by mass or less.
また、例えば、未乾燥フィルムと水との接触比を、未乾燥フィルム1質量部に対して水が50質量部以上とし、浸漬する際の水の温度を10〜60℃、浸漬時間を10分〜10時間とすることによって、得られるプロトン伝導膜の残存溶媒量を1質量%以下とすることができる。 Further, for example, the contact ratio between the undried film and water is 50 parts by mass or more of water with respect to 1 part by mass of the undried film, the temperature of water at the time of immersion is 10 to 60 ° C., and the immersion time is 10 minutes. By setting it to 10 hours, the residual solvent amount of the proton conductive membrane obtained can be made 1 mass% or less.
以上説明したように未乾燥フィルムを水に浸漬した後、フィルムを30〜100℃、好ましくは50〜80℃で、10〜180分、好ましくは15〜60分乾燥し、次いで、50〜150℃で、0.5〜24時間乾燥することによってプロトン伝導膜が得られる。 As described above, after immersing the undried film in water, the film is dried at 30 to 100 ° C., preferably 50 to 80 ° C., for 10 to 180 minutes, preferably 15 to 60 minutes, and then 50 to 150 ° C. Thus, a proton conducting membrane is obtained by drying for 0.5 to 24 hours.
こうして得られるプロトン伝導膜は、その乾燥膜厚が、通常10〜300μm、好ましくは20〜200μmである。 The proton conductive membrane thus obtained has a dry film thickness of usually 10 to 300 μm, preferably 20 to 200 μm.
本発明のプロトン伝導膜は、老化防止剤、好ましくは分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物を含有してもよく、老化防止剤を含有することでプロトン伝導膜としての耐久性をより向上させることができる。 The proton conducting membrane of the present invention may contain an anti-aging agent, preferably a hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more. By containing an anti-aging agent, the durability of the proton conducting membrane is further improved. Can do.
このような分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物としては、具体的には、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−t−ブチル−5−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロオネート](商品名:IRGANOX 245)、1,6−ヘキサンジオール−ビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX 259)、2,4−ビス−(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジ−t−ブチルアニリノ)−3,5−トリアジン(商品名:IRGANOX 565)、ペンタエリスリチルーテトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネー
ト](商品名:IRGANOX 1010)、2,2−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX 1035)、オクタデシ
ル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート)(商品名
:IRGANOX 1076)、N,N−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチルー4−ヒドロキ
シ−ヒドロシンナマミド)(IRGAONOX 1098)、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリ
ス(3,5−ジ−t−ブチル−4―ヒドロキシベンジル)ベンゼン(商品名:IRGANOX 1330)、トリス−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレイ
ト(商品名:IRGANOX 3114)、3,9−ビス[2−〔3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキ
シ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ〕−1,1−ジメチルエチル]−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカン(商品名:Sumilizer GA-80)などが挙げられる。
As such a hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more, specifically, triethylene glycol-bis [3- (3-t-butyl-5-methyl-4-hydroxyphenyl) proonate] (trade name: IRGANOX 245) 1,6-hexanediol-bis [3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 259), 2,4-bis- (n- Octylthio) -6- (4-hydroxy-3,5-di-t-butylanilino) -3,5-triazine (trade name: IRGANOX 565), pentaerythrityl-tetrakis [3- (3,5-di-t -Butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 1010), 2,2-thio-diethylenebis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade) Product name: IRGANOX 1035), octadecyl-3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate) (trade name: IRGANOX 1076), N, N-hexamethylenebis (3,5-di-) t-butyl-4-hydroxy-hydrocinnamamide) (IRGAONOX 1098), 1,3,5-trimethyl-2,4,6-tris (3,5-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl) benzene ( Trade name: IRGANOX 1330), tris- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl) -isocyanurate (trade name: IRGANOX 3114), 3,9-bis [2- [3- (3 -T-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl) propionyloxy] -1,1-dimethylethyl] -2,4,8,10-tetraoxaspiro [5.5] undecane (trade name: Sumilizer GA- 80).
これらのヒンダードフェノール系化合物は、スルホン酸基を有するポリアリーレン100質量部に対して0.01〜10質量部の量で使用することが好ましい。 These hindered phenol compounds are preferably used in an amount of 0.01 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the polyarylene having a sulfonic acid group.
これらのヒンダードフェノール系化合物は、スルホン酸基を有するポリアリーレンを溶解した溶液中に添加しておけばよい。 These hindered phenol compounds may be added to a solution in which polyarylene having a sulfonic acid group is dissolved.
本発明のプロトン伝導膜は、高いプロトン伝導度を保持しつつ、優れた耐メタノール透過性、耐熱性、耐酸化性、靭性を示すので、家庭用電源向け燃料電池、燃料電池自動車、携帯電話用燃料電池、パソコン用燃料電池、携帯端末用燃料電池、デジタルカメラ用燃料電池、ポータブルCD、MD用燃料電池、ヘッドホンステレオ用燃料電池、ペットロボット用燃料電池、電動アシスト自転車用燃料電池、電動スクーター用燃料電池等の用途に好適に使用することができる。 The proton conducting membrane of the present invention exhibits excellent methanol permeability, heat resistance, oxidation resistance, and toughness while maintaining high proton conductivity, so that it is used for fuel cells for household power sources, fuel cell vehicles, and mobile phones. Fuel cell, fuel cell for personal computer, fuel cell for portable terminal, fuel cell for digital camera, portable CD, MD fuel cell, fuel cell for headphone stereo, fuel cell for pet robot, fuel cell for electric assist bicycle, electric scooter It can be suitably used for applications such as fuel cells.
実施例
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
実施例において、スルホン酸当量、分子量、プロトン伝導度、耐メタノール水溶液性(フィルムの面積変化率)、メタノール透過性は以下のようにして求めた。 In the examples, sulfonic acid equivalent, molecular weight, proton conductivity, methanol aqueous solution resistance (film area change rate), and methanol permeability were determined as follows.
1.スルホン酸当量
得られたスルホン酸基を有する重合体の水洗水が中性になるまで洗浄し、フリーに残存している酸を除いて充分に水洗し、乾燥後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解したフェノールフタレインを指示薬とし、NaOHの標準液を用いて滴定を行い、中和点から、スルホン酸当量を求めた。
1. Sulfonic acid equivalent The polymer having the sulfonic acid group was washed with water until the water was neutral, thoroughly washed with water except for free remaining acid, dried, weighed a predetermined amount, THF / Phenolphthalein dissolved in a mixed solvent of water was used as an indicator, titration was performed using a standard solution of NaOH, and the sulfonic acid equivalent was determined from the neutralization point.
2.分子量の測定
スルホン酸不含のポリアリーレン重量平均分子量は、溶剤としてテトラヒドロフラン(THF)を用い、GPCによって、ポリスチレン換算の分子量を求めた。スルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、溶剤として臭化リチウムと燐酸を添加したN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶離液として用い、GPCによって、ポリスチレン換算の分子量を求めた。
2. Measurement of molecular weight The polyarylene weight-average molecular weight containing no sulfonic acid was determined by GPC using polystyrene (THF) as a solvent and the molecular weight in terms of polystyrene. The molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group was determined by GPC using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to which lithium bromide and phosphoric acid were added as a solvent as an eluent.
3.プロトン伝導度の測定
交流抵抗は、5mm幅の短冊状のプロトン伝導膜試料の表面に、白金線(f=0.5mm)を押し当て、恒温恒湿装置中に試料を保持し、白金線間の交流インピーダンス測定から求めた。すなわち、25℃、60℃、相対湿度80%の環境下で交流10kHzにおけるインピーダンスを測定した。抵抗測定装置として、(株)NF回路設計ブロック製のケミカルインピーダンス測定システムを用い、恒温恒湿装置には、(株)ヤマト科学製のJW241を使用した。白金線は、5mm間隔に5本押し当てて、線間距離を5〜20mm
に変化させ、交流抵抗を測定した。線間距離と抵抗の勾配から、膜の比抵抗を算出し、比抵抗の逆数からプロトン伝導度を算出した。
比抵抗R(Ω・cm)=0.5(cm)×膜厚(cm)×抵抗線間勾配(Ω/cm)
4.耐メタノール水溶液性
(メタノール水溶液に対する溶解性および膨潤性)
メタノール水溶液に対する耐性評価は、プロトン伝導膜を所定濃度(10重量%)のメタノール水溶液に20時間室温浸漬し、浸積前後の面積測定により行った。尚、評価フィルムは、18重量%溶液からキャスト法で製膜し、150℃で乾燥後、水洗により溶媒除去したフィルムを40×30mmにカットしたものをサンプルとした。
3. Measurement of proton conductivity AC resistance was measured by pressing a platinum wire (f = 0.5 mm) against the surface of a 5 mm wide strip-shaped proton conducting membrane sample, holding the sample in a constant temperature and humidity device, and between the platinum wires It was obtained from AC impedance measurement. That is, the impedance at an alternating current of 10 kHz was measured in an environment of 25 ° C., 60 ° C., and a relative humidity of 80%. A chemical impedance measurement system manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd. was used as the resistance measurement device, and JW241 manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd. was used as the constant temperature and humidity device. 5 platinum wires are pressed at 5mm intervals, and the distance between the wires is 5-20mm.
The AC resistance was measured. The specific resistance of the membrane was calculated from the line-to-line distance and the resistance gradient, and the proton conductivity was calculated from the reciprocal of the specific resistance.
Specific resistance R (Ω · cm) = 0.5 (cm) × film thickness (cm) × resistance-to-resistance gradient (Ω / cm)
4). Resistance to aqueous methanol (solubility and swelling in aqueous methanol)
Resistance evaluation with respect to the methanol aqueous solution was performed by immersing the proton conductive membrane in a methanol aqueous solution having a predetermined concentration (10% by weight) at room temperature for 20 hours and measuring the area before and after immersion. The evaluation film was formed by casting from an 18% by weight solution, dried at 150 ° C., and then the solvent removed by washing with water was cut into a 40 × 30 mm sample.
面積変化率(%)=(浸積後面積)/(浸積前面積)×100
DMFCとしての実用性を考えた場合、上記条件で測定した膜の面積変化率は120%以下であることが好ましい。
(メタノール透過性)
メタノール透過性の評価は、直径60mmの所定のセルに切り出したプロトン伝導膜試料をセットし、表面側から10重量%のメタノール水溶液を供給、裏面側から減圧し、透過液を液体窒素でトラップして回収する浸透気化測定法(パーベーパレーション法)により行った。温度は25℃条件とし、減圧条件下でのメタノール透過量(メタノールFlux)およびメタノールと水との選択透過性を示す分離係数から特性評価を実施した。メタノールFluxと分離係数は以下の式で求めた。メタノールFlux、分離係数ともに、値が小さくなる方が特性は良好となる。なお、透過液とは、液体窒素のトラップで回収した透過液を示すものとし、透過液濃度とは透過液中のメタノールの重量濃度を示すものとする。
Area change rate (%) = (Area after immersion) / (Area before immersion) × 100
In consideration of practicality as a DMFC, the area change rate of the film measured under the above conditions is preferably 120% or less.
(Methanol permeability)
For evaluation of methanol permeability, a proton conducting membrane sample cut into a predetermined cell with a diameter of 60 mm is set, a 10% by weight methanol aqueous solution is supplied from the front side, the pressure is reduced from the back side, and the permeate is trapped with liquid nitrogen. The permeation vaporization measurement method (pervaporation method) was used. The temperature was set to 25 ° C., and the characteristics were evaluated from the methanol permeation amount (methanol flux) under reduced pressure conditions and the separation coefficient showing the selective permeability between methanol and water. The methanol flux and the separation factor were determined by the following formula. The smaller the values of both the methanol flux and the separation factor, the better the characteristics. The permeate refers to the permeate collected with a liquid nitrogen trap, and the permeate concentration refers to the weight concentration of methanol in the permeate.
メタノールFlux(g/(m2・h))=(透過液重量(g)/回収時間(h)/試料面積(m2))×透過液濃
度(%)
分離係数=(透過液濃度(%)/(100-透過液濃度(%)))/(供給液濃度(%)/(100-供給液濃度(%)))
DMFCとしての実用性を考えた場合、上記条件で測定したメタノールFluxは240以下である必要があり、好ましくは220以下であることが求められる。また、分離係数は2.0以下であることが最低条件として求められる。
Methanol Flux (g / (m 2 · h)) = (permeate weight (g) / recovery time (h) / sample area (m 2 )) × permeate concentration (%)
Separation factor = (permeate concentration (%) / (100-permeate concentration (%))) / (feed solution concentration (%) / (100-feed solution concentration (%)))
When considering practicality as DMFC, the methanol flux measured under the above conditions needs to be 240 or less, and preferably 220 or less. The separation factor is required to be 2.0 or less as a minimum condition.
合成例1
オリゴマーの調製
撹拌機、温度計、冷却管、Dean−Stark管、および窒素導入の三方コックを取り付けた2Lの三つ口のフラスコに、4,4'-ジヒドロキシベンゾフェノン(4,4'-DHBP)99.4g(0.46mol)、4,4'-ジクロロジフェニルスルホン(4,4'-D
CDS)148.2g(0.52mol)、炭酸カリウム86.9g(0.63mol)
、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン(DMI)500mL、およびトルエン200mLを加え、オイルバスで加熱を行い、窒素雰囲気下で撹拌しながら150℃で反応させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Dean−Stark管で系外に除去しながら反応させると、約3時間で水の生成がほとんど認められなくなった。次いで、反応温度を徐々に180℃まで上げながら大部分のトルエンを除去し、180℃で8時間反応を続けた後、4,4'-DCDS9.2g(0.032mol)を加え、さらに2時間反応さ
せた。得られた反応液を放冷後、副生した無機化合物の沈殿物を濾過によって除去し、濾液を4Lのメタノール中に投入した。これにより沈殿した生成物を濾別して回収し、乾燥した後、DMI500mLに溶解した。この溶液をメタノール4Lに加えて再沈殿させ、目的の化合物175g(収率77%)を得た。
Synthesis example 1
Preparation of oligomer 4,4′-dihydroxybenzophenone (4,4′-DHBP) was added to a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, condenser, Dean-Stark tube, and nitrogen-introduced three-way cock. 99.4 g (0.46 mol), 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone (4,4′-D
CDS) 148.2 g (0.52 mol), potassium carbonate 86.9 g (0.63 mol)
1,3-Dimethyl-2-imidazolidinone (DMI) 500 mL and toluene 200 mL were added, heated in an oil bath, and reacted at 150 ° C. with stirring under a nitrogen atmosphere. When water produced by the reaction was azeotroped with toluene and reacted while being removed from the system with a Dean-Stark tube, almost no water was observed in about 3 hours. Subsequently, most of the toluene was removed while gradually raising the reaction temperature to 180 ° C., and the reaction was continued at 180 ° C. for 8 hours. Then, 9.2 g (0.032 mol) of 4,4′-DCDS was added, and another 2 hours. Reacted. After allowing the resulting reaction solution to cool, precipitates of inorganic compounds produced as a by-product were removed by filtration, and the filtrate was put into 4 L of methanol. The precipitated product was collected by filtration, dried, and then dissolved in 500 mL of DMI. This solution was added to 4 L of methanol and reprecipitated to obtain 175 g (yield 77%) of the target compound.
得られた重合体のGPC(THF溶媒)で求めたポリスチレン換算の数平均分子量は3
4000であった。また、得られた重合体はNMP、DMAc、DMIなどに可溶であり、Tgは157℃、熱分解温度は500℃であった。
The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (THF solvent) of the obtained polymer is 3
4000. Further, the obtained polymer was soluble in NMP, DMAc, DMI and the like, Tg was 157 ° C., and thermal decomposition temperature was 500 ° C.
得られた重合体は下記式(I): The resulting polymer has the following formula (I):
で表される構造を有することが推定された。 It was presumed to have a structure represented by
合成例2
(ポリアリーレン共重合体の合成)
合成例1で得られたオリゴマー17.6g(1.8mmol)、2,5−ジクロロ−4’−(4−フェノキシ)フェノキシベンゾフェノン(DCPPB)25.4g(58.4mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド1.18g(1.8mmol)、よう化ナトリウム1.17g(7.8mmol)、トリフェニルホスフィン6.30g(24.0mmol)、および亜鉛末9.41g(144mmol)をフラスコに加え、乾燥窒素置換した。次いで、N−メチル−2−ピロリドン100mlをフラスコに加え、80℃に加熱し、攪拌しながら4時間重合を行った。得られた重合溶液をNMPで希釈した後、セライトを濾過助剤に用いて濾過し、濾液を大過剰のメタノール1000mLに注いで凝固、析出させた。この凝固物を濾集して風乾し、さらにNMP200mLに再溶解し、大過剰のメタノール1500mLに注いで凝固、析出させた。この凝固物を濾集して真空乾燥し、目的の共重合体35.7g(92%)を得た。GPC(NMP)で求めたポリスチレン換算の数平均分子量は57000、重量平均分子量は165000であった。
Synthesis example 2
(Synthesis of polyarylene copolymer)
17.6 g (1.8 mmol) of the oligomer obtained in Synthesis Example 1, 25.4 g (58.4 mmol) of 2,5-dichloro-4 ′-(4-phenoxy) phenoxybenzophenone (DCPPB), bis (triphenylphosphine) ) 1.18 g (1.8 mmol) of nickel dichloride, 1.17 g (7.8 mmol) of sodium iodide, 6.30 g (24.0 mmol) of triphenylphosphine, and 9.41 g (144 mmol) of zinc dust are added to the flask. Replaced with dry nitrogen. Next, 100 ml of N-methyl-2-pyrrolidone was added to the flask, heated to 80 ° C., and polymerized for 4 hours with stirring. After the obtained polymerization solution was diluted with NMP, it was filtered using Celite as a filter aid, and the filtrate was poured into 1000 mL of a large excess of methanol to coagulate and precipitate. The coagulated product was collected by filtration, air-dried, redissolved in 200 mL of NMP, poured into 1500 mL of a large excess of methanol, and coagulated and precipitated. The coagulated product was collected by filtration and dried in vacuo to obtain 35.7 g (92%) of the desired copolymer. The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (NMP) was 57000, and the weight average molecular weight was 165000.
合成例3
(スルホン酸基を含有するポリアリーレン共重合体の合成−1)
合成例2で得た共重合体16gを攪拌装置、温度計を取り付けた500mlのセパラブルフラスコに加え、次いで濃度98%の硫酸160mlを加え、フラスコ内の温度を25℃に保ちながら窒素気流下で24時間攪拌した。得られた溶液を大量のイオン交換水の中に注ぎ入れ、重合体を沈殿させた。次いで、洗浄水のpHが5になるまで重合体の洗浄を繰り返した後、乾燥して、18g(収率91%)のスルホン酸基含有重合体を得た。このスルホン酸基含有重合体のGPC(NMP)で求めたポリスチレン換算の数平均分子量は56000、重量平均分子量は171000であり、実測されたスルホン酸当量は2.1meq/gであった。
Synthesis example 3
(Synthesis of polyarylene copolymer containing sulfonic acid group-1)
16 g of the copolymer obtained in Synthesis Example 2 was added to a 500 ml separable flask equipped with a stirrer and a thermometer, and then 160 ml of sulfuric acid having a concentration of 98% was added, and the temperature in the flask was kept at 25 ° C. under a nitrogen stream. For 24 hours. The obtained solution was poured into a large amount of ion exchange water to precipitate a polymer. Next, the polymer was repeatedly washed until the pH of the washing water reached 5, and then dried to obtain 18 g (yield 91%) of a sulfonic acid group-containing polymer. The polystyrene-equivalent number average molecular weight determined by GPC (NMP) of this sulfonic acid group-containing polymer was 56000, the weight average molecular weight was 171,000, and the actually measured sulfonic acid equivalent was 2.1 meq / g.
実施例1
合成例3で得られたスルホン酸基を含有するポリマー5.0gをγ−ブチロラクトン18.3gおよびテトラヒドロフラン12.3gを入れた50ccのスクリュー管に加え、ウエーブローターで24時間攪拌を行い、粘度5000cpの均一なポリマー溶液を得た。
Example 1
5.0 g of the sulfonic acid group-containing polymer obtained in Synthesis Example 3 was added to a 50 cc screw tube containing 18.3 g of γ-butyrolactone and 12.3 g of tetrahydrofuran, and the mixture was stirred for 24 hours with a wafer blower, and the viscosity was 5000 cp. A homogeneous polymer solution was obtained.
上記の溶液をPETフィルム上にバーコート法によりキャストし、80℃で30分間、150℃で60分間、乾燥することで、膜厚100μmの均一且つ透明なフィルムを得た。フィルムの断面モルフォロジーは、フィルムを1M/L濃度の硝酸鉛水溶液に3晩浸漬
して染色した後、ミクロトーム法を用いて超薄切片を切り出し、透過型電子顕微鏡(TEM,日立製作所製HF-100FA)で観察した。
The above solution was cast on a PET film by a bar coating method, and dried at 80 ° C. for 30 minutes and 150 ° C. for 60 minutes to obtain a uniform and transparent film having a thickness of 100 μm. The cross-sectional morphology of the film was determined by immersing the film in an aqueous lead nitrate solution having a concentration of 1 M / L for 3 nights, and then cutting out an ultrathin section using a microtome method. Transmission electron microscope (TEM, HF-100FA manufactured by Hitachi, Ltd.) ).
TEM観察では、スルホン酸を含有する親水性セグメント(A)からなるドメインとスルホン酸を含有しない疎水性セグメント(B)からなるドメインがミクロ相分離している様子が観察された。(B)からなるドメインは曲がりくねったヒモ状のラメラ構造を形成しており、そのラメラの幅は30−34nmであった。(A)は(B)によって部分的に分断されているものの、膜全体で見ると連続相を形成していると考えられる。 In the TEM observation, it was observed that the domain consisting of the hydrophilic segment (A) containing sulfonic acid and the domain consisting of the hydrophobic segment (B) not containing sulfonic acid were microphase-separated. The domain consisting of (B) formed a twisted string-like lamella structure, and the width of the lamella was 30-34 nm. Although (A) is partially divided by (B), it is considered that a continuous phase is formed when viewed in the whole film.
作製したフィルム(膜厚100μm)のメタノールFluxは80(g/h/m2)で
あった。面積変化率は115%(10重量%メタノール水溶液)、伝導度は、0.141S/cm(60℃/80%RH)、0.067S/cm(25℃/80%RH)であった。
The produced film (film thickness: 100 μm) had a methanol flux of 80 (g / h / m 2 ). The area change rate was 115% (10% by weight aqueous methanol solution), and the conductivity was 0.141 S / cm (60 ° C./80% RH) and 0.067 S / cm (25 ° C./80% RH).
比較例1
パーフルオロアルキルスルホン酸(商品名:Nafion117(登録商標)、DuPont社製)のキャストフィルム(膜厚180μm)のメタノールFluxは228(g/h/m2)であった。面積変化率は125%(10重量%メタノール水溶液)であった
。伝導度は、0.090S/cm(60℃/80%RH)、0.047S/cm(25℃/80%RH)であった。Nafion117は、多くの文献(例えば「携帯機器用燃料電池の実用化」技術情報協会,2002)に紹介されているように、疎水性の連続相の中に、数ナノメートルの球状の親水性ドメインが点在する断面モルフォロジーをとり、本発明のような親水部の連続相および疎水部のラメラ構造は観測されない。
Comparative Example 1
The methanol flux of the cast film (film thickness: 180 μm) of perfluoroalkylsulfonic acid (trade name: Nafion 117 (registered trademark), manufactured by DuPont) was 228 (g / h / m 2 ). The area change rate was 125% (10% by weight aqueous methanol solution). The conductivities were 0.090 S / cm (60 ° C./80% RH) and 0.047 S / cm (25 ° C./80% RH). Nafion 117 is a spherical hydrophilic domain of several nanometers in a hydrophobic continuous phase, as introduced in many literatures (for example, “Practical application of fuel cell for portable devices” Technical Information Association, 2002). The continuous phase of the hydrophilic part and the lamellar structure of the hydrophobic part as in the present invention are not observed.
結果を併せて表1に示す。 The results are also shown in Table 1.
Claims (4)
ポリマーセグメント(A)が下記一般式(A)で表される繰り返し構成単位からなり、
ポリマーセグメント(B)が下記一般式(B)で表される繰り返し構成単位からなり、
該膜のモルフォロジーがミクロ相分離構造を有し、その相分離構造において(A)が連続相を形成し、(B)が非連続なラメラ構造を形成していることを特徴とする直接メタノール型燃料電池用プロトン伝導膜。
The polymer segment (A) is composed of repeating structural units represented by the following general formula (A),
The polymer segment (B) is composed of repeating structural units represented by the following general formula (B),
The direct methanol type wherein the morphology of the membrane has a micro phase separation structure, wherein (A) forms a continuous phase and (B) forms a discontinuous lamellar structure. Proton conducting membrane for fuel cells.
ポリマーセグメント(A)および(B)をキャスト溶媒に溶解させる溶媒中に、
ポリマーセグメント(A)と相互作用をしない有機溶媒であって、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、n−ブチルアルコール、2−メチル−1−プロパノール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、2−メチル−1−ブタノール、3−メチル−1−ブタノール、2−メチル−2−ブタノール、3−メチル−2−ブタノール、2,2−ジメチル−1−プロパノール、シクロヘキサノール、ジシクロヘキサノール、1−ヘキサノール、2−メチル−1−ペンタノール、2−メチル−2−ペンタノール、4−メチル−2−ペンタノール、2−エチル−1−ブタノール、1−メチルシクロヘキサノール、2−メチルシクロヘキサノール、3−メチルシクロヘキサノール、4−メチルシクロヘキサノール、1−オクタノール、2−オクタノール、2−エチル−1−ヘキサノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、1.3―ブタンジオール、グリセロール、m−クレゾール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、ジアセトンアルコール、ジオキサン、ブチルエーテル、フェニルエーテル、イソペンチルエーテル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、ビス(2−メトキシエチル)エーテル、ビス(2−エトキシエチル)エーテル、シネオール、ベンジルエチルエーテル、フラン、テトラヒドロフラン、アニソール、フェネトール、アセタール、アセトン、メチルエチルケトン、2−ペンタノン、3−ペンタノン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、2−ヘキサノン、4−メチル−2−ペンタノン、2−ヘプタノン、2,4−ジメチル−3−ペンタノン、2−オクタノン、アセトフェノン、メシチルオキサイド、ベンズアルデヒド、酢酸エチル、酢酸−n−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸sec-ブチル、酢酸イソアミル、酢酸ペンチル)、酢酸イソペンチル、3−メトキシブチルアセタート、酪酸メチル、酪酸エチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチル、γ―ブチロラクトン、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−(メトキシメトキシ)エタノール、2−イソプロポキシエタノール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノール、ジメチルジエチレングリコール、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、ジエチルサルフィド、アセトニトリル、ブチロニトリル、ニトロメタン、ニトロエタン、2−ニトロプロパン、ニトロベンゼン、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキサン、シクロヘキサンからなる群から選ばれる1種以上の有機溶媒を30重量%以上含有することを特徴とする請求項1または2に記載の直接メタノール型燃料電池用プロトン伝導膜の製造方法。 When forming a film composed of polymer segments (A) and (B),
In a solvent in which the polymer segments (A) and (B) are dissolved in a casting solvent,
An organic solvent that does not interact with the polymer segment (A) and is methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, n-butyl alcohol, 2-methyl-1-propanol, 1-pentanol, 2-pentanol 3-pentanol, 2-methyl-1-butanol, 3-methyl-1-butanol, 2-methyl-2-butanol, 3-methyl-2-butanol, 2,2-dimethyl-1-propanol, cyclohexanol Dicyclohexanol, 1-hexanol, 2-methyl-1-pentanol, 2-methyl-2-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, 2-ethyl-1-butanol, 1-methylcyclohexanol, 2-methylcyclohexanol, 3-methylcyclohexanol, 4-methylcyclohexanol 1-octanol, 2-octanol, 2-ethyl-1-hexanol, ethylene glycol, propylene glycol, 1.3-butanediol, glycerol, m-cresol, diethylene glycol, dipropylene glycol, diacetone alcohol, dioxane, butyl ether , Phenyl ether, isopentyl ether, dimethoxyethane, diethoxyethane, bis (2-methoxyethyl) ether, bis (2-ethoxyethyl) ether, cineol, benzylethyl ether, furan, tetrahydrofuran, anisole, phenetole, acetal, acetone , Methyl ethyl ketone, 2-pentanone, 3-pentanone, cyclopentanone, cyclohexanone, 2-hexanone, 4-methyl-2-pentanone, 2-heptano 2,4-dimethyl-3-pentanone, 2-octanone, acetophenone, mesityl oxide, benzaldehyde, ethyl acetate, acetic acid-n-butyl, acetic acid isobutyl, sec-butyl acetate, isoamyl acetate, pentyl acetate), isopentyl acetate, 3-methoxybutyl acetate, methyl butyrate, ethyl butyrate, methyl lactate, ethyl lactate, butyl lactate, γ-butyrolactone, 2-methoxyethanol, 2-ethoxyethanol, 2- (methoxymethoxy) ethanol, 2-isopropoxyethanol, 1-methoxy-2-propanol, 1-ethoxy-2-propanol, dimethyl diethylene glycol, dimethyl sulfoxide, dimethyl sulfone, diethyl sulfide, acetonitrile, butyronitrile, nitromethane, nitroethane, 2-nitrop 3. The direct methanol fuel cell according to claim 1, comprising at least 30 wt% of one or more organic solvents selected from the group consisting of pan, nitrobenzene, benzene, toluene, xylene, hexane, and cyclohexane. For Proton Proton Conductive Membrane.
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