JP6292679B2 - Diphenylsulfone compound for polymer electrolyte, polymer electrolyte, membrane electrode assembly, solid polymer fuel cell, and method for producing polymer electrolyte - Google Patents
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Description
本開示の技術は、高分子電解質用のジフェニルスルホン化合物、高分子電解質、膜電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び高分子電解質の製造方法に関する。 The technology of the present disclosure relates to a diphenylsulfone compound for a polymer electrolyte, a polymer electrolyte, a membrane electrode assembly, a solid polymer fuel cell, and a method for producing a polymer electrolyte.
近年、環境問題やエネルギー問題の解決に有効な動力源として、燃料電池が注目されている。燃料電池では、水素などの燃料が酸素などの酸化剤によって酸化され、この際に生じる化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。燃料電池の中でも固体高分子形燃料電池の電池本体は小型であるから、車載電源や家庭据置電源として特に固体高分子形燃料電池は期待されている。 In recent years, fuel cells have attracted attention as an effective power source for solving environmental problems and energy problems. In a fuel cell, fuel such as hydrogen is oxidized by an oxidant such as oxygen, and chemical energy generated at this time is converted into electric energy. Among the fuel cells, since the polymer main body of the polymer electrolyte fuel cell is small, the polymer electrolyte fuel cell is particularly expected as an in-vehicle power source or a home stationary power source.
固体高分子形燃料電池では、電解質中をプロトンが伝導することによって、電極反応が進行する。固体高分子形燃料電池の電解質としては、現在まで、ナフィオン(デュポン社製:登録商標)に代表されるパーフルオロ系電解質が多く提案されている。しかし、パーフルオロ系電解質は、高いプロトン伝導性を示す一方で、その製造に複雑な合成経路を必要とする。そのため、固体高分子形燃料電池のコストが高くならざるを得ない。加えて、車載電源に求められる耐久温度よりもガラス転移温度が低いため、高温低湿度下における耐久性が低いことも問題となっている。 In a polymer electrolyte fuel cell, an electrode reaction proceeds by proton conduction in an electrolyte. As electrolytes for polymer electrolyte fuel cells, many perfluoro-based electrolytes represented by Nafion (DuPont: registered trademark) have been proposed so far. However, while perfluoro-based electrolytes exhibit high proton conductivity, they require complex synthetic routes for their production. Therefore, the cost of the polymer electrolyte fuel cell must be increased. In addition, since the glass transition temperature is lower than the endurance temperature required for in-vehicle power supplies, there is a problem that durability under high temperature and low humidity is low.
そこで、上述の固体高分子形燃料電池の電解質では、従来から、炭化水素系高分子電解質の開発が進められている。炭化水素系高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(特許文献1参照)や、スルホン化ポリエーテルスルホン(特許文献2参照)等、エンジニアリングプラスチックをスルホン化した芳香族炭化水素系高分子電解質が提案されている。これらの芳香族炭化水素系高分子電解質は、ナフィオンと比べて製造が容易であるため、製造コストを低くすることが可能である。 Therefore, development of hydrocarbon polymer electrolytes has been promoted for the electrolytes of the above-described polymer electrolyte fuel cells. Examples of the hydrocarbon polymer electrolyte include aromatic hydrocarbons obtained by sulfonating engineering plastics such as sulfonated polyetheretherketone (see Patent Document 1) and sulfonated polyethersulfone (see Patent Document 2). Molecular electrolytes have been proposed. Since these aromatic hydrocarbon polymer electrolytes are easier to manufacture than Nafion, the manufacturing costs can be reduced.
しかしながら、上述の芳香族炭化水素系高分子電解質では、プロトン伝導性やイオン交換容量を高めるために高分子中の親水基を増加させると、電解質が水分を含んで膨潤しやすくなる。それゆえに、上述の芳香族炭化水素系高分子電解質では、プロトン伝導性やイオン交換容量を高めるうえで、膨潤を抑えることが望まれている。 However, in the above-described aromatic hydrocarbon polymer electrolyte, when the hydrophilic group in the polymer is increased in order to increase proton conductivity and ion exchange capacity, the electrolyte easily swells with moisture. Therefore, in the above-described aromatic hydrocarbon polymer electrolyte, it is desired to suppress swelling in order to increase proton conductivity and ion exchange capacity.
本開示の技術は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、膨潤を抑えることの可能な高分子電解質用のジフェニルスルホン化合物、高分子電解質、膜電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び、高分子電解質の製造方法を提供することにある。 The technology of the present disclosure has been made in view of such circumstances, and the purpose thereof is a diphenylsulfone compound for a polymer electrolyte capable of suppressing swelling, a polymer electrolyte, a membrane electrode assembly, The object is to provide a molecular fuel cell and a method for producing a polymer electrolyte.
本開示における高分子電解質用のジフェニルスルホン化合物の一態様は、下記一般式(1)で示されることを要旨とする。 One aspect of the diphenylsulfone compound for polymer electrolytes in the present disclosure is represented by the following general formula (1).
R1及びR2は、それぞれ独立に−(CH2)a−、−O−(CH2)a−、−S−(CH2)a−、−NH−(CH2)a−、−(CF2)a−、−O−(CF2)a−、−S−(CF2)a−、及び、−NH−(CF2)a−からなる群から選択される連結基(aは2以上の整数)である。X1及びX2は、それぞれ独立にハロゲン原子を示し、Y1及びY2はそれぞれ独立に第1族元素及び第2族元素からなる群から選択された原子である。 R 1 and R 2 are each independently-(CH 2 ) a- , -O- (CH 2 ) a- , -S- (CH 2 ) a- , -NH- (CH 2 ) a -,-( CF 2) a -, - O- (CF 2) a -, - S- (CF 2) a -, and, -NH- (CF 2) a - linking group selected from the group consisting of (a 2 It is an integer above. X 1 and X 2 each independently represent a halogen atom, and Y 1 and Y 2 are each independently an atom selected from the group consisting of Group 1 elements and Group 2 elements.
本開示における高分子電解質用のジフェニルスルホン化合物の一態様によれば、連結基が設けられることによってイオン交換基がベンゼン環から遠ざけられている。したがって、ジフェニルスルホン基が繰り返し単位となる高分子電解質が、上記ジフェニルスルホン化合物に基づく基から形成されることによって、電解質の膨潤を抑えることができる。 According to one embodiment of the diphenylsulfone compound for polymer electrolyte in the present disclosure, the ion exchange group is kept away from the benzene ring by providing a linking group. Therefore, swelling of the electrolyte can be suppressed by forming the polymer electrolyte in which the diphenylsulfone group is a repeating unit from the group based on the diphenylsulfone compound.
本開示における高分子電解質用のジフェニルスルホン化合物の一態様は、下記一般式(2)で示されることを要旨とする。 One aspect of the diphenylsulfone compound for polymer electrolyte in the present disclosure is represented by the following general formula (2).
R1及びR2は、それぞれ独立に−(CH2)a−、−O−(CH2)a−、−S−(CH2)a−、−NH−(CH2)a−、−(CF2)a−、−O−(CF2)a−、−S−(CF2)a−、及び、−NH−(CF2)a−からなる群から選択される連結基(aは2以上の整数)である。X1及びX2は、それぞれ独立にハロゲン原子であり、Y1及びY2は、それぞれ独立に第1族元素及び第2族元素からなる群から選択される原子である。 R 1 and R 2 are each independently-(CH 2 ) a- , -O- (CH 2 ) a- , -S- (CH 2 ) a- , -NH- (CH 2 ) a -,-( CF 2) a -, - O- (CF 2) a -, - S- (CF 2) a -, and, -NH- (CF 2) a - linking group selected from the group consisting of (a 2 It is an integer above. X 1 and X 2 are each independently a halogen atom, and Y 1 and Y 2 are each independently an atom selected from the group consisting of Group 1 elements and Group 2 elements.
本開示における高分子電解質用のジフェニルスルホン化合物の一態様によれば、その製造に際して、合成が容易であるとともに収率も高められる。
本開示における高分子電解質の一態様は、下記一般式(3)で示される繰り返し単位を主鎖に含むことを要旨とする。
According to one embodiment of the diphenylsulfone compound for polymer electrolyte in the present disclosure, the production is easy and the yield is increased.
The gist of one aspect of the polymer electrolyte in the present disclosure is that the main chain contains a repeating unit represented by the following general formula (3).
R1及びR2は、それぞれ独立に−(CH2)a−、−O−(CH2)a−、−S−(CH2)a−、−NH−(CH2)a−、−(CF2)a−、−O−(CF2)a−、−S−(CF2)a−、及び、−NH−(CF2)a−からなる群から選択される連結基(aは2以上の整数)である。Y1及びY2は、それぞれ独立に第1族元素及び第2族元素からなる群から選択される原子である。 R 1 and R 2 are each independently-(CH 2 ) a- , -O- (CH 2 ) a- , -S- (CH 2 ) a- , -NH- (CH 2 ) a -,-( CF 2) a -, - O- (CF 2) a -, - S- (CF 2) a -, and, -NH- (CF 2) a - linking group selected from the group consisting of (a 2 It is an integer above. Y 1 and Y 2 are each independently an atom selected from the group consisting of Group 1 elements and Group 2 elements.
本開示における高分子電解質の一態様によれば、連結基が設けられることによって、主鎖を構成するベンゼン環とイオン交換基とが遠ざけられている。したがって、主鎖から親水基が遠ざけられるため、主鎖の親水性が低くなる結果、高分子電解質としての膨潤を抑えることができる。 According to one aspect of the polymer electrolyte in the present disclosure, the benzene ring constituting the main chain and the ion exchange group are kept away by providing the linking group. Therefore, since the hydrophilic group is moved away from the main chain, the hydrophilicity of the main chain is lowered, so that swelling as a polymer electrolyte can be suppressed.
本開示における高分子電解質の一態様は、当該高分子電解質が、上記一般式(3)で示される繰り返し単位を含むブロックと、イオン交換基を含まないブロックとを主鎖に含むブロック共重合体であることを要旨とする。 One aspect of the polymer electrolyte in the present disclosure is a block copolymer in which the polymer electrolyte includes a block containing a repeating unit represented by the general formula (3) and a block containing no ion exchange group in the main chain. It is a summary.
本開示における高分子電解質の一態様によれば、イオン交換性を有する相とイオン交換性を有さない相が分離するため、プロトン伝導性が向上される。
本開示における高分子電解質の一態様は、前記イオン交換基を含まないブロックが、下記一般式(4)で示されることを要旨とする。
According to one aspect of the polymer electrolyte in the present disclosure, a phase having ion exchange properties and a phase having no ion exchange properties are separated, and thus proton conductivity is improved.
One aspect of the polymer electrolyte in the present disclosure is that the block not including the ion exchange group is represented by the following general formula (4).
Ar1、Ar2、Ar3、及び、Ar4は、それぞれ独立に2価の芳香族基である。B1及びB2は、それぞれ独立に2価の連結基、もしくは、それぞれが独立に存在せず、2価の芳香族基がB1またはB2を介さずに直接結合していることを示す。C1及びC2は、それぞれ独立に酸素原子または硫黄原子である。b、c、d、及び、eは、それぞれ独立に0または1である。nは5以上の整数である。 Ar 1 , Ar 2 , Ar 3 , and Ar 4 are each independently a divalent aromatic group. B 1 and B 2 are each independently a divalent linking group, or each of them is not independently present, indicating that a divalent aromatic group is directly bonded without passing through B 1 or B 2. . C 1 and C 2 are each independently an oxygen atom or a sulfur atom. b, c, d, and e are each independently 0 or 1. n is an integer of 5 or more.
本開示における高分子電解質の一態様によれば、上述のイオン交換性を有さない相が、機械強度の高いポリマーによって構成されるため、電解質としての機械強度を高めることができる。 According to one aspect of the polymer electrolyte in the present disclosure, the above-described phase having no ion exchange properties is constituted by a polymer having high mechanical strength, and thus the mechanical strength as an electrolyte can be increased.
本開示における高分子電解質の一態様は、イオン交換容量が、0.5ミリ当量/g以上4.0ミリ当量/g以下であることを要旨とする。
本開示における高分子電解質の一態様によれば、イオン交換容量が上記の範囲であることにより、プロトン伝導性が向上されるとともに、耐水性や機械強度が高められる。
One aspect of the polymer electrolyte in the present disclosure is that the ion exchange capacity is 0.5 meq / g or more and 4.0 meq / g or less.
According to one aspect of the polymer electrolyte in the present disclosure, when the ion exchange capacity is in the above range, proton conductivity is improved, and water resistance and mechanical strength are increased.
本開示における高分子電解質の一態様は、当該高分子電解質のプロトン酸基以外の部分が架橋剤で架橋された架橋構造を含むことを要旨とする。
本開示における高分子電解質の一態様によれば、ポリマー中に架橋構造が形成されるため、電解質としての機械強度を高めることができる。
The gist of one aspect of the polymer electrolyte in the present disclosure is that it includes a crosslinked structure in which a portion other than the protonic acid group of the polymer electrolyte is crosslinked with a crosslinking agent.
According to one aspect of the polymer electrolyte in the present disclosure, since a crosslinked structure is formed in the polymer, the mechanical strength as the electrolyte can be increased.
本開示における高分子電解質の製造方法の一態様は、下記一般式(5)で示されるジフェニルスルホン化合物を金属錯体の存在下で重合することによって電解質に含まれる高分子を生成することを要旨とする。 One aspect of the method for producing a polymer electrolyte in the present disclosure is that a polymer contained in an electrolyte is produced by polymerizing a diphenylsulfone compound represented by the following general formula (5) in the presence of a metal complex. To do.
R1及びR2は、それぞれ独立に−(CH2)a−、−O−(CH2)a−、−S−(CH2)a−、−NH−(CH2)a−、−(CF2)a−、−O−(CF2)a−、−S−(CF2)a−、及び、−NH−(CF2)a−からなる群から選択される連結基(aは2以上の整数)であり、X1及びX2は、それぞれ独立にハロゲン原子であり、Y1及びY2は、それぞれ独立に第1族元素及び第2族元素からなる群から選択された原子である。 R 1 and R 2 are each independently-(CH 2 ) a- , -O- (CH 2 ) a- , -S- (CH 2 ) a- , -NH- (CH 2 ) a -,-( CF 2) a -, - O- (CF 2) a -, - S- (CF 2) a -, and, -NH- (CF 2) a - linking group selected from the group consisting of (a 2 X 1 and X 2 are each independently a halogen atom, and Y 1 and Y 2 are each independently an atom selected from the group consisting of a Group 1 element and a Group 2 element. is there.
本開示における高分子電解質の製造方法の一態様によれば、膨潤の抑えられた高分子電解質を得ることができる。
本開示における高分子電解質の製造方法の一態様は、前記金属錯体が、ニッケル錯体またはパラジウム錯体であることを要旨とする。
According to one aspect of the method for producing a polymer electrolyte in the present disclosure, a polymer electrolyte with suppressed swelling can be obtained.
One aspect of the method for producing a polymer electrolyte in the present disclosure is that the metal complex is a nickel complex or a palladium complex.
本開示における高分子電解質の製造方法の一態様によれば、重合反応の反応効率が高められるとともに、温和な条件で反応を行うことができる。
本開示における高分子電解質の製造方法の一態様は、前記金属錯体が、ニッケル錯体であり、該ニッケル錯体が、ビス(シクロオクタジエン)ニッケル(0)と2,2’−ビピリジルから得られる錯体であることを要旨とする。
According to one aspect of the method for producing a polymer electrolyte in the present disclosure, the reaction efficiency of the polymerization reaction can be increased and the reaction can be performed under mild conditions.
In one embodiment of the method for producing a polymer electrolyte in the present disclosure, the metal complex is a nickel complex, and the nickel complex is obtained from bis (cyclooctadiene) nickel (0) and 2,2′-bipyridyl. It is a summary.
本開示における高分子電解質の製造方法の一態様によれば、容易に入手可能な材料によって高分子電解質を製造することができる。また、特にブロック共重合体を合成する場合には、重合反応の反応効率を高めることができる。 According to one aspect of the method for producing a polymer electrolyte in the present disclosure, the polymer electrolyte can be produced from a readily available material. In particular, when synthesizing a block copolymer, the reaction efficiency of the polymerization reaction can be increased.
本開示における膜電極接合体の一態様は、電極触媒層と、前記電極触媒層に接合される固体高分子電解質膜とを備える膜電極接合体であって、前記固体高分子電解質膜が、上記の高分子電解質を含むことを要旨とする。 One aspect of the membrane electrode assembly in the present disclosure is a membrane electrode assembly including an electrode catalyst layer and a solid polymer electrolyte membrane bonded to the electrode catalyst layer, wherein the solid polymer electrolyte membrane is the above It is summarized that the polymer electrolyte is included.
本開示における膜電極接合体の一態様によれば、膨潤の抑えられた高分子電解質が用いられることにより、膜電極接合体としての信頼性を高めることができる。
本開示における固体高分子形燃料電池の一態様は、上記の膜電極接合体を備えることを要旨とする。
According to one aspect of the membrane electrode assembly in the present disclosure, the reliability as a membrane electrode assembly can be increased by using a polymer electrolyte with suppressed swelling.
The gist of one aspect of the polymer electrolyte fuel cell according to the present disclosure includes the membrane electrode assembly.
本開示における固体高分子形燃料電池の一態様によれば、膨潤の抑えられた高分子電解質が用いられることにより、燃料電池としての発電性能が高められるとともに、長寿命とすることができる。 According to one aspect of the solid polymer fuel cell in the present disclosure, the use of a polymer electrolyte with suppressed swelling can improve the power generation performance as a fuel cell and extend the life.
本開示の技術によれば、高分子電解質の膨潤を抑えることが可能となる。 According to the technique of the present disclosure, it is possible to suppress swelling of the polymer electrolyte.
以下、本開示の高分子電解質用のジフェニルスルホン化合物、高分子電解質、膜電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び、高分子電解質の製造方法の一実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of a diphenylsulfone compound for a polymer electrolyte, a polymer electrolyte, a membrane electrode assembly, a solid polymer fuel cell, and a method for producing a polymer electrolyte of the present disclosure will be described.
[ジフェニルスルホン化合物の単量体]
まず、高分子電解質用のジフェニルスルホン化合物であるジフェニルスルホンモノマーについて説明する。
[Monomer of diphenylsulfone compound]
First, a diphenylsulfone monomer that is a diphenylsulfone compound for a polymer electrolyte will be described.
ジフェニルスルホンモノマーは、下記一般式(6)で表わされる。ジフェニルスルホンモノマーは、イオン交換基である−SO3Y基と、ハロゲン基である−Xを備えている。 The diphenylsulfone monomer is represented by the following general formula (6). The diphenylsulfone monomer includes —SO 3 Y group that is an ion exchange group and —X that is a halogen group.
イオン交換基は、重合体とされたジフェニルスルホン化合物が高分子電解質として用いられた場合に、イオン伝導に寄与する基である。特に、固体高分子形燃料電池の電解質として用いられた場合には、イオン交換基はプロトン伝導に寄与する。−SO3 −Y+基のY+は、水素イオン、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン等の第1族元素イオン、及び、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、ストロンチウムイオン、バリウムイオン等の第2族元素イオンからなる群から選択されるいずれかである。Y1とY2とは、異なるイオンであってもよいが、同じイオンであると、ジフェニルスルホンモノマーの合成が容易となる。また、重合体の製造を容易とするためには、Yは1族元素イオンであることが好ましく、ナトリウムイオンが最も好ましい。 An ion exchange group is a group that contributes to ionic conduction when a diphenylsulfone compound in a polymer is used as a polymer electrolyte. In particular, when used as an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell, the ion exchange group contributes to proton conduction. -SO 3 - Y + groups Y + is hydrogen ion, lithium ion, sodium ions, potassium ions, alkali metal ions of rubidium ions, and magnesium ions, calcium ions, strontium ions, and barium ions the Any one selected from the group consisting of group 2 element ions. Y 1 and Y 2 may be different ions, but if they are the same ion, synthesis of the diphenylsulfone monomer is facilitated. In order to facilitate the production of the polymer, Y is preferably a group 1 element ion, and most preferably a sodium ion.
ハロゲン基は、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素などハロゲン原子からなる基である。X1とX2とは、異なる原子であってもよいが、同じ原子であると、ジフェニルスルホンモノマーの合成が容易となる。また、重合体の製造を容易とするためには、ハロゲン基は、塩素または臭素が好ましい。ハロゲン基を塩素及び臭素のいずれとするかは、重合法に応じて選択される。 The halogen group is a group composed of halogen atoms such as fluorine, chlorine, bromine and iodine. X 1 and X 2 may be different atoms, but if they are the same atom, synthesis of the diphenylsulfone monomer is facilitated. In order to facilitate the production of the polymer, the halogen group is preferably chlorine or bromine. Whether the halogen group is chlorine or bromine is selected according to the polymerization method.
ジフェニルスルホンモノマーは、−SO3Y基とベンゼン環との間に、連結基であるRを備えている。Rは、−(CH2)a−、−O−(CH2)a−、−S−(CH2)a−、−NH−(CH2)a−、−(CF2)a−、−O−(CF2)a−、−S−(CF2)a−、及び、−NH−(CF2)a−からなる群から選択されるいずれかである。なお、aは2以上の整数を示す。ジフェニルスルホンモノマーの合成を容易とするためには、Rは、−O−(CH2)a−であることが好ましく、aは、3または4であることが好ましい。また、R1とR2とは、異なる連結基であってもよいが、同じ連結基であると、ジフェニルスルホンモノマーの合成が容易となる。 The diphenylsulfone monomer has R as a linking group between the —SO 3 Y group and the benzene ring. R is, - (CH 2) a - , - O- (CH 2) a -, - S- (CH 2) a -, - NH- (CH 2) a -, - (CF 2) a -, - It is any one selected from the group consisting of O— (CF 2 ) a —, —S— (CF 2 ) a —, and —NH— (CF 2 ) a —. A represents an integer of 2 or more. In order to facilitate the synthesis of the diphenylsulfone monomer, R is preferably —O— (CH 2 ) a —, and a is preferably 3 or 4. R 1 and R 2 may be different linking groups, but if they are the same linking group, synthesis of the diphenylsulfone monomer is facilitated.
下記一般式(7)に示されるように、ハロゲン基は、スルホニル基に対してメタ位に結合していることが好ましい。また、連結基は、スルホニル基に対してパラ位に結合していることが好ましい。スルホニル基に対して、ハロゲン基がメタ位に、連結基がパラ位に結合していると、ジフェニルスルホンモノマーの合成が容易となるとともに、その収率も高くなる。 As shown in the following general formula (7), the halogen group is preferably bonded to the meta position with respect to the sulfonyl group. The linking group is preferably bonded to the para position with respect to the sulfonyl group. When the halogen group is bonded to the meta position and the linking group is bonded to the para position with respect to the sulfonyl group, the synthesis of the diphenylsulfone monomer is facilitated and the yield is also increased.
上記一般式(7)に示されるジフェニルスルホンモノマーの具体例としては、下記一般式にて示される化合物が挙げられる。下記の化合物は、上記一般式(7)に示されるジフェニルスルホンモノマーの中でも、合成を比較的容易に行うことができる。 Specific examples of the diphenylsulfone monomer represented by the general formula (7) include compounds represented by the following general formula. The following compounds can be synthesized relatively easily among the diphenylsulfone monomers represented by the general formula (7).
一般に、主鎖が芳香環から構成されているポリアリーレン型の高分子電解質は、イオン交換基が芳香環に直接結合したものである。こうした構造では、主鎖自身が親水性を有するとともに高分子主鎖同士のスタックが阻害されるため、主鎖周囲での水分子の存在が安定する結果、高分子電解質が膨潤することになる。なお、スタックとは、ファンデルワールス力などの弱い相互作用により高分子主鎖同士が物理的に結びつくことを示す。 Generally, a polyarylene type polymer electrolyte whose main chain is composed of an aromatic ring has an ion exchange group directly bonded to the aromatic ring. In such a structure, since the main chain itself has hydrophilicity and the stack of polymer main chains is inhibited, the presence of water molecules around the main chain is stabilized, resulting in swelling of the polymer electrolyte. The term “stack” means that polymer main chains are physically connected by weak interaction such as van der Waals force.
これに対し、本実施形態のジフェニルスルホン化合物は、連結基が設けられることによってイオン交換基とベンゼン環が遠ざけられている。したがって、このジフェニルスルホン化合物を用いた高分子電解質では、耐水性の低下が抑制され、膨潤が起こりにくくなる。さらに、連結基の運動性によってイオン交換基が移動しやすくなるため、プロトン伝導性も向上される。 In contrast, in the diphenylsulfone compound of the present embodiment, the ion exchange group and the benzene ring are kept away by providing a linking group. Therefore, in the polymer electrolyte using this diphenylsulfone compound, the decrease in water resistance is suppressed, and swelling hardly occurs. Furthermore, since the ion exchange group easily moves due to the mobility of the linking group, proton conductivity is also improved.
[単量体の製造方法]
次に、上述のジフェニルスルホンモノマーの製造方法について説明する。なお、ここでは、上記一般式(7)にて示されるジフェニルスルホンモノマーのうち、R1及びR2が−O−(CH2)a−基、X1及びX2が臭素、Y1及びY2が1族原子の場合の製造方法について説明する。
[Monomer production method]
Next, the manufacturing method of the above-mentioned diphenyl sulfone monomer is demonstrated. Here, among the diphenylsulfone monomers represented by the general formula (7), R 1 and R 2 are —O— (CH 2 ) a — groups, X 1 and X 2 are bromine, Y 1 and Y A production method when 2 is a group 1 atom will be described.
まず、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホンを、無機塩基で処理し、モノハロアルカンと反応させる。これにより、ヒドロキシ基がアルコキシ化されて、下記一般式(8)に示される化合物が得られる。なお、下記一般式(8)において、Alkylはアルキル基を示す。ヒドロキシ基のアルコキシ化によってヒドロキシ基をアルキル基で保護することにより、次の工程における臭素化反応の位置選択性を向上させることができる。 First, 4,4'-dihydroxydiphenylsulfone is treated with an inorganic base and reacted with a monohaloalkane. Thereby, a hydroxy group is alkoxylated and the compound shown by following General formula (8) is obtained. In the following general formula (8), Alkyl represents an alkyl group. By protecting the hydroxy group with an alkyl group by alkoxylation of the hydroxy group, the regioselectivity of the bromination reaction in the next step can be improved.
無機塩基としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等が好ましい。無機塩基の量は、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン100モル%に対して、200モル%以上400モル%以下であることが好ましく、200モル%以上300モル%以下であることがより好ましい。 As the inorganic base, sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate and the like are preferable. The amount of the inorganic base is preferably 200 mol% or more and 400 mol% or less, and more preferably 200 mol% or more and 300 mol% or less with respect to 100 mol% of 4,4'-dihydroxydiphenylsulfone.
モノハロアルカンとしては、アルキル基が直鎖状であり、かつ、アルキル基の末端にハロゲン原子が結合したものが好ましい。例えば、クロロメタン、クロロエタン、1−クロロプロパン、1−クロロブタン、1−クロロペンタン、1−クロロヘキサン、ブロモメタン、ブロモエタン、1−ブロモプロパン、1−ブロモブタン、1−ブロモペンタン、1−ブロモヘキサン、ヨードメタン、ヨードエタン、1−ヨードプロパン、1−ヨードブタン、1−ヨードペンタン、1−ヨードヘキサン等が挙げられる。反応性を高める上では、炭素数が4以上であって、かつ、ハロゲン原子が臭素またはヨウ素であるものが好ましい。 As the monohaloalkane, those in which an alkyl group is linear and a halogen atom is bonded to the terminal of the alkyl group are preferable. For example, chloromethane, chloroethane, 1-chloropropane, 1-chlorobutane, 1-chloropentane, 1-chlorohexane, bromomethane, bromoethane, 1-bromopropane, 1-bromobutane, 1-bromopentane, 1-bromohexane, iodomethane, Examples include iodoethane, 1-iodopropane, 1-iodobutane, 1-iodopentane, 1-iodohexane and the like. In order to increase the reactivity, those having 4 or more carbon atoms and a halogen atom being bromine or iodine are preferable.
モノハロアルカンの量は、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン100モル%に対して、200モル%以上400モル%以下であることが好ましく、200モル%以上300モル%以下であることがより好ましい。 The amount of the monohaloalkane is preferably 200 mol% or more and 400 mol% or less, more preferably 200 mol% or more and 300 mol% or less, with respect to 100 mol% of 4,4'-dihydroxydiphenylsulfone.
モノハロアルカンと反応させる際の反応条件としては、反応温度は25℃以上100℃以下が好ましく、反応時間は10時間以上48時間以下であることが好ましい。この反応は、大気雰囲気下で行われてもよく、窒素雰囲気下で行われてもよい。反応溶媒としては、良溶媒であることが好ましく、極性溶媒がより好ましい。例えば、アセトン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、エタノールが好ましい。 As reaction conditions for the reaction with the monohaloalkane, the reaction temperature is preferably 25 ° C. or more and 100 ° C. or less, and the reaction time is preferably 10 hours or more and 48 hours or less. This reaction may be performed in an air atmosphere or a nitrogen atmosphere. The reaction solvent is preferably a good solvent, and more preferably a polar solvent. For example, acetone, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, and ethanol are preferable.
こうした材料及び反応条件によれば、上記一般式(8)に示される化合物を収率よく得ることができる。
次に、上記一般式(8)に示される化合物を臭素で処理する。これにより、下記一般式(9)で示されるジブロモ化された化合物が得られる。
According to such materials and reaction conditions, the compound represented by the general formula (8) can be obtained with high yield.
Next, the compound represented by the general formula (8) is treated with bromine. As a result, a dibrominated compound represented by the following general formula (9) is obtained.
臭素の量は、上記一般式(8)で表される化合物100モル%に対して、20モル%以上300モル%以下であることが好ましく、200モル%以上250モル%以下であることがより好ましい。 The amount of bromine is preferably 20 mol% or more and 300 mol% or less, more preferably 200 mol% or more and 250 mol% or less, relative to 100 mol% of the compound represented by the general formula (8). preferable.
臭素処理の際の反応条件としては、反応温度は80℃以上150℃以下が好ましく、反応時間は10時間以上48時間以下であることが好ましい。この反応は、大気雰囲気下で行われてもよく、窒素雰囲気下で行われてもよい。反応溶媒としては、臭化水素酸が好ましい。 As reaction conditions for the bromine treatment, the reaction temperature is preferably 80 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, and the reaction time is preferably 10 hours or longer and 48 hours or shorter. This reaction may be performed in an air atmosphere or a nitrogen atmosphere. As the reaction solvent, hydrobromic acid is preferable.
こうした材料及び反応条件によれば、上記一般式(9)に示される化合物を収率よく得ることができる。
次に、上記一般式(9)で示される化合物を、ルイス酸で処理する。これにより、アルコキシ基がヒドロキシ基に変換されて、下記一般式(10)に示される化合物が得られる。
According to such materials and reaction conditions, the compound represented by the general formula (9) can be obtained with high yield.
Next, the compound represented by the general formula (9) is treated with a Lewis acid. Thereby, an alkoxy group is converted into a hydroxy group, and a compound represented by the following general formula (10) is obtained.
ルイス酸の量は、上記一般式(9)で表される化合物100モル%に対して、200モル%以上400モル%以下であることが好ましく、200モル%以上300モル%以下であることがより好ましい。ルイス酸としては、13族元素のハロゲン化物が好ましく、塩化アルミニウムがより好ましい。 The amount of the Lewis acid is preferably 200 mol% or more and 400 mol% or less, and preferably 200 mol% or more and 300 mol% or less with respect to 100 mol% of the compound represented by the general formula (9). More preferred. As the Lewis acid, a halide of a group 13 element is preferable, and aluminum chloride is more preferable.
ルイス酸処理の際の反応条件としては、反応温度は0℃以上100℃以下が好ましく、25℃以上40℃以下がより好ましい。反応時間は0.5時間以上5時間以下であることが好ましい。この反応は、大気雰囲気下で行われることが好ましい。反応溶媒としては、良溶媒であることが好ましく、クロロホルム、ジクロロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ニトロベンゼンなどの極性溶媒が好ましい。 As reaction conditions for the Lewis acid treatment, the reaction temperature is preferably 0 ° C. or higher and 100 ° C. or lower, and more preferably 25 ° C. or higher and 40 ° C. or lower. The reaction time is preferably 0.5 hours or more and 5 hours or less. This reaction is preferably performed in an air atmosphere. The reaction solvent is preferably a good solvent, and polar solvents such as chloroform, dichloromethane, N, N-dimethylformamide, and nitrobenzene are preferred.
こうした材料及び反応条件によれば、上記一般式(10)に示される化合物を収率よく得ることができる。
次に、上記一般式(10)に示される化合物を、無機塩基で処理し、開環性化合物であるスルトンと反応させる。これにより、下記一般式(11)に示されるジフェニルスルホンモノマーが得られる。
According to such materials and reaction conditions, the compound represented by the general formula (10) can be obtained with high yield.
Next, the compound represented by the general formula (10) is treated with an inorganic base and reacted with sultone, which is a ring-opening compound. Thereby, the diphenyl sulfone monomer shown by the following general formula (11) is obtained.
塩基としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどが好ましい。塩基の量は、上記一般式(10)に示される化合物100モル%に対して、200モル%以上400モル%以下であることが好ましく、200モル%以上300モル%以下であることがより好ましい。 As the base, sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate and the like are preferable. The amount of the base is preferably 200 mol% or more and 400 mol% or less, more preferably 200 mol% or more and 300 mol% or less with respect to 100 mol% of the compound represented by the general formula (10). .
スルトンとしては、例えば1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、1,5−ペンタンスルトン、1,6−ヘキサンスルトン、1,7−ヘプタンスルトン、1,8−オクタンスルトン等が挙げられる。その中でも、1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトンが好ましい。また、上記スルトンにおける水素原子が全てフッ素原子に置換されたものを用いてもよい。 Examples of sultone include 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, 1,5-pentane sultone, 1,6-hexane sultone, 1,7-heptane sultone, 1,8-octane sultone, and the like. Among these, 1,3-propane sultone and 1,4-butane sultone are preferable. Moreover, you may use what substituted all the hydrogen atoms in the said sultone by the fluorine atom.
スルトンと反応させる際の反応条件としては、反応温度は25℃以上100℃以下が好ましく、反応時間は10時間以上48時間以下であると好ましい。この反応は、大気雰囲気下で行われてもよく、窒素雰囲気下で行われてもよい。反応溶媒としては、良溶媒であることが好ましく、極性溶媒がより好ましい。例えば、アセトン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、エタノールが好ましい。 As reaction conditions for reacting with sultone, the reaction temperature is preferably 25 ° C. or more and 100 ° C. or less, and the reaction time is preferably 10 hours or more and 48 hours or less. This reaction may be performed in an air atmosphere or a nitrogen atmosphere. The reaction solvent is preferably a good solvent, and more preferably a polar solvent. For example, acetone, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, and ethanol are preferable.
こうした材料及び反応条件によれば、上記一般式(11)に示されるジフェニルスルホンモノマーを収率よく得ることができる。
なお、上記一般式(11)にて示されるジフェニルスルホンモノマーと、R1、R2、X1、X2、Y1、Y2が異なる場合であっても、上述の製造方法に準じた方法によって、ジフェニルスルホンモノマーを得ることができる。
According to such materials and reaction conditions, the diphenylsulfone monomer represented by the general formula (11) can be obtained with high yield.
Even if the diphenylsulfone monomer represented by the general formula (11) is different from R 1 , R 2 , X 1 , X 2 , Y 1 , Y 2 , the method according to the above production method is used. Thus, a diphenylsulfone monomer can be obtained.
[高分子電解質]
次に、高分子電解質について説明する。高分子電解質は、下記一般式(12)で表される構成単位を主鎖中に有している。
[Polymer electrolyte]
Next, the polymer electrolyte will be described. The polymer electrolyte has a structural unit represented by the following general formula (12) in the main chain.
上記一般式(12)において、R1及びR2は、それぞれ独立に、−(CH2)a−、−O−(CH2)a−、−S−(CH2)a−、−NH−(CH2)a−、−(CF2)a−、−O−(CF2)a−、−S−(CF2)a−、及び、−NH−(CF2)a−からなる群から選択される連結基である。なお、aは2以上の整数である。Y1及びY2は第1族元素、及び、第2族元素からなる群から選択されるいずれかの原子である。この高分子電解質を、固体高分子形燃料電池の電解質膜として用いる場合には、Y1及びY2は全てが水素原子であると、プロトンを放出できるため好ましい。 In the general formula (12), R 1 and R 2 each independently represent — (CH 2 ) a —, —O— (CH 2 ) a —, —S— (CH 2 ) a —, —NH—. (CH 2) a -, - (CF 2) a -, - O- (CF 2) a -, - S- (CF 2) a -, and, -NH- (CF 2) a - from the group consisting of The linking group selected. A is an integer of 2 or more. Y 1 and Y 2 are any atoms selected from the group consisting of Group 1 elements and Group 2 elements. When this polymer electrolyte is used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, it is preferable that Y 1 and Y 2 are all hydrogen atoms because protons can be released.
高分子電解質は、上記一般式(12)の構成単位を有していれば、単独重合体であってもよく、共重合体であってもよい。共重合の様式としては、ランダム共重合、交互共重合、ブロック共重合、及び、グラフト共重合のいずれかから選択される。高分子電解質を固体高分子形燃料電池の電解質膜として用いる場合には、上記一般式(12)で示される構成単位からなるイオン交換基を有するブロックと、イオン交換基を有さないブロックとが直接結合して主鎖を形成するブロック共重合体であることが好ましい。 The polymer electrolyte may be a homopolymer or a copolymer as long as it has the structural unit of the general formula (12). The mode of copolymerization is selected from random copolymerization, alternating copolymerization, block copolymerization, and graft copolymerization. When the polymer electrolyte is used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, there are a block having an ion exchange group composed of the structural unit represented by the general formula (12) and a block having no ion exchange group. A block copolymer which is directly bonded to form a main chain is preferable.
ブロック共重合体では、イオン交換性を有する部分とイオン交換性を有さない部分がそれぞれ凝集して相分離が起こる。したがって、電解質膜とした場合に、イオン交換性を有する相によってプロトンが伝導される通り道が形成される。その結果、プロトン伝導性が向上される。 In the block copolymer, a portion having ion exchange properties and a portion having no ion exchange properties are aggregated to cause phase separation. Therefore, when the electrolyte membrane is used, a path through which protons are conducted by the phase having ion exchange properties is formed. As a result, proton conductivity is improved.
イオン交換基を有さないブロックとは、繰り返し単位あたり有しているイオン交換基の数が平均0.1個以下であるものである。固体高分子形燃料電池の電解質膜としてプロトン伝導性を高めるためには、繰り返し単位あたりのイオン交換基が0、すなわちイオン交換基を含まないことが好ましい。 The block having no ion exchange group is one having an average number of ion exchange groups of 0.1 or less per repeating unit. In order to increase proton conductivity as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, it is preferable that the number of ion exchange groups per repeating unit is 0, that is, no ion exchange groups are contained.
特に、イオン交換基を有さないブロックとしては、下記一般式(13)で表される構造単位を含むブロックであることが好ましい。 In particular, the block having no ion exchange group is preferably a block containing a structural unit represented by the following general formula (13).
上記一般式(13)において、Ar1、Ar2、Ar3、Ar4は互いに独立に2価の芳香族基を示す。B1、B2、C1、C2、b、c、d、eは一般式(4)におけるものと同一である。2価の芳香族基は、フッ素原子、炭素数1以上20以下のアルキル基、炭素数1以上20以下のアルコキシ基またはニトリル基等で置換されていてもよい。なお、これらのアルキル基、アルコキシ基は置換基を有していてもよい。 In the general formula (13), Ar 1 , Ar 2 , Ar 3 and Ar 4 each independently represent a divalent aromatic group. B 1 , B 2 , C 1 , C 2 , b, c, d, and e are the same as those in the general formula (4). The divalent aromatic group may be substituted with a fluorine atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, a nitrile group, or the like. In addition, these alkyl groups and alkoxy groups may have a substituent.
また、B1、B2は、互いに独立に2価の連結基、もしくは、それぞれが独立に存在せず、2価の芳香族基がB1またはB2を介さずに直接結合していることを示す。特に、カルボニル基、スルホニル基、2,2−イソプロピリデン基、2,2−ヘキサフルオロイソプロピリデン基または9,9−2置換フルオレンにもとづく基であると好ましい。 In addition, B 1 and B 2 are each independently a divalent linking group, or each of them is not present independently, and a divalent aromatic group is directly bonded without passing through B 1 or B 2 . Indicates. In particular, a group based on a carbonyl group, a sulfonyl group, a 2,2-isopropylidene group, a 2,2-hexafluoroisopropylidene group, or a 9,9-2 substituted fluorene is preferable.
C1、C2は、互いに独立に酸素原子または硫黄原子を示す。
また、b、c、d、及び、eは、互いに独立に0か1を表す。nは、5以上の整数を表し、5以上200以下であることが好ましく、10以上であることがより好ましい。nが5以上であると、高分子電解質を固体高分子形燃料電池の電解質膜として用いた場合に、膜の成膜性や機械強度、耐久性を十分に得ることができる。
C 1 and C 2 each independently represent an oxygen atom or a sulfur atom.
B, c, d, and e each independently represent 0 or 1. n represents an integer of 5 or more, preferably 5 or more and 200 or less, and more preferably 10 or more. When n is 5 or more, when the polymer electrolyte is used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, the film formability, mechanical strength, and durability can be sufficiently obtained.
上記一般式(13)で示されるイオン交換基を有さないブロックの構造単位としては、下記の構造が挙げられる。なお、nは上記一般式(13)と同様に定義される。下記の構造は、上記一般式(13)に示される構造の中でも、重合体の合成を比較的容易に行うことができる。 The following structure is mentioned as a structural unit of the block which does not have an ion exchange group shown by the said General formula (13). In addition, n is defined similarly to the said General formula (13). The following structure allows the polymer to be synthesized relatively easily among the structures represented by the general formula (13).
高分子電解質のイオン交換基導入量は、イオン交換容量で表して0.5ミリ当量/g以上4.0ミリ当量/g以下であることが好ましく、1.0ミリ当量/g以上3.0ミリ当量/g以下であるとより好ましい。イオン交換容量が0.5ミリ当量/g以上であると、固体高分子形燃料電池の電解質膜として用いた場合に、プロトン伝導性が向上されるため、燃料電池の発電性能が高くなる。また、イオン交換容量が4.0ミリ当量/g以下であると、固体高分子形燃料電池の電解質膜としての耐水性及び機械強度が高められる。 The amount of ion exchange groups introduced into the polymer electrolyte is preferably 0.5 meq / g or more and 4.0 meq / g or less, expressed as ion exchange capacity, and is 1.0 meq / g or more and 3.0 or less. It is more preferable that it is milliequivalent / g or less. When the ion exchange capacity is 0.5 meq / g or more, when used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, proton conductivity is improved, so that the power generation performance of the fuel cell is enhanced. Further, when the ion exchange capacity is 4.0 meq / g or less, water resistance and mechanical strength as an electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell are enhanced.
また、高分子電解質は、分子量がポリスチレン換算の数平均分子量で表して、5000〜1000000であることが好ましく、10000〜500000であることがより好ましい。分子量が5000以上であると、固体高分子形燃料電池の電解質膜として用いた場合に、膜の成膜性や機械強度が高められる。また、分子量が1000000以下であることで、膜の製造がより簡便になる。 In addition, the polymer electrolyte has a molecular weight expressed as a polystyrene-equivalent number average molecular weight, and is preferably 5,000 to 1,000,000, and more preferably 10,000 to 500,000. When the molecular weight is 5000 or more, when used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, the film formability and mechanical strength of the membrane are improved. Moreover, since the molecular weight is 1000000 or less, the production of the film becomes easier.
また、高分子電解質は、架橋剤が添加されることにより、架橋剤を介してプロトン酸基以外の部分が架橋された架橋構造を含んでもよい。この際、機械強度および耐水性の向上のために、他の高分子を添加してもよい。 In addition, the polymer electrolyte may include a crosslinked structure in which a portion other than the protonic acid group is crosslinked through the crosslinking agent by adding a crosslinking agent. At this time, another polymer may be added to improve mechanical strength and water resistance.
添加される他の高分子としては、芳香族ポリエーテル、芳香族ポリエーテルケトン、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリエーテルスルホン、芳香族ポリスルホン、芳香族ポリエーテルニトリル、芳香族ポリエーテルピリジン、芳香族ポリイミド、芳香族ポリアミド、芳香族ポリアミドイミド、芳香族ポリアゾール、芳香族ポリエステル、芳香族ポリカーボネート等が挙げられる。これらの高分子は、スルホン化されていてもよく、スルホン化されていなくてもよい。 Other polymers added include aromatic polyether, aromatic polyether ketone, aromatic polyether ether ketone, aromatic polyether sulfone, aromatic polysulfone, aromatic polyether nitrile, aromatic polyether pyridine, Aromatic polyimide, aromatic polyamide, aromatic polyamideimide, aromatic polyazole, aromatic polyester, aromatic polycarbonate and the like can be mentioned. These polymers may be sulfonated or may not be sulfonated.
架橋剤は、プロトン酸基を介さずにプロトン酸基以外の部分で架橋反応を進行させることができるとともに、架橋反応の前後においてプロトン伝導性材料のプロトン伝導性に大きな変化を及ぼさない架橋剤であればよい。特に、芳香環に−CH2OHで示されるメチロール基が結合した構造を有する架橋剤は、加熱により容易に架橋反応が進行するため好ましい。こうしたメチロール基を有する架橋剤としては、メチロール基を有する芳香環を分子内に少なくとも2つ以上有する化合物が好ましい。メチロール基を有する芳香環を分子内に少なくとも2つ以上有する化合物であれば、プロトン伝導性高分子に含まれるプロトン酸基を介さずに反応が進行するので、架橋反応によってプロトン伝導性が低下することを抑制することができる。この架橋剤の構造としては、下記に示される構造が挙げられる。 The cross-linking agent is a cross-linking agent that can cause the cross-linking reaction to proceed at a portion other than the proton acid group without using a proton acid group, and does not significantly change the proton conductivity of the proton conductive material before and after the cross-linking reaction. I just need it. In particular, a crosslinking agent having a structure in which a methylol group represented by —CH 2 OH is bonded to an aromatic ring is preferable because a crosslinking reaction easily proceeds by heating. As such a crosslinking agent having a methylol group, a compound having at least two aromatic rings having a methylol group in the molecule is preferable. If the compound has at least two methylol group-containing aromatic rings in the molecule, the reaction proceeds without going through the protonic acid group contained in the proton-conducting polymer, so that the proton conductivity is reduced by the crosslinking reaction. This can be suppressed. Examples of the structure of the crosslinking agent include the structures shown below.
架橋反応の反応方法としては、光照射法、加熱法、pH調整法等を用いることができる。特に、加熱法を用いると、装置やプロセスなどが簡便になるため、容易かつ経済的に架橋反応を行うことができる。加熱法における加熱温度は、架橋反応が起こる範囲であればよい。架橋剤として、上記のメチロール基を有する芳香環を分子内に少なくとも2つ以上有する化合物を用いる場合には、60℃以上250℃以下の間であることが好ましい。60℃以上であれば、架橋反応を進行させることができる。また、250℃以下であれば、プロトン伝導性高分子や架橋剤からのプロトン酸基の脱離や分解反応が起こりにくい。また、こうした架橋剤の反応は脱水縮合反応であるため、減圧下で乾燥を行うことにより、架橋反応を促進させることができる。 As a reaction method of the crosslinking reaction, a light irradiation method, a heating method, a pH adjustment method, or the like can be used. In particular, when a heating method is used, the apparatus and process are simplified, so that the crosslinking reaction can be performed easily and economically. The heating temperature in the heating method may be in a range where a crosslinking reaction occurs. When a compound having at least two aromatic rings having a methylol group in the molecule is used as the cross-linking agent, it is preferably between 60 ° C. and 250 ° C. If it is 60 degreeC or more, a crosslinking reaction can be advanced. Moreover, if it is 250 degrees C or less, the detachment | desorption and decomposition reaction of the proton acid group from a proton conductive polymer or a crosslinking agent will not occur easily. Moreover, since the reaction of such a crosslinking agent is a dehydration condensation reaction, the crosslinking reaction can be promoted by drying under reduced pressure.
[高分子電解質の製造方法]
次に、高分子電解質の製造方法について説明する。
高分子電解質は、先に述べた下記一般式(14)に示されるジフェニルスルホンモノマーを、遷移金属錯体を用いた縮合反応により単独重合または共重合することで合成することができる。なお、下記一般式(14)において、R1、R2、X1、X2、Y1、Y2は上述の一般式(7)の場合と同様に定義される。
[Production method of polymer electrolyte]
Next, a method for producing a polymer electrolyte will be described.
The polymer electrolyte can be synthesized by homopolymerizing or copolymerizing the diphenylsulfone monomer represented by the following general formula (14) described above by a condensation reaction using a transition metal complex. In the following general formula (14), R 1 , R 2 , X 1 , X 2 , Y 1 and Y 2 are defined in the same manner as in the general formula (7).
遷移金属錯体は、配位子が遷移金属と配位結合を形成したものである。遷移金属錯体としては、例えばニッケル錯体、パラジウム錯体、白金錯体、銅錯体、ロジウム錯体、ジルコニウム錯体、鉄錯体などが挙げられる。これらの中でも、ニッケル錯体やパラジウム錯体を用いると、反応効率が高められるとともに、温和な条件で反応を行うことができる。遷移金属錯体は市販品でもよく、別途合成したものでもよい。遷移金属錯体の合成方法としては、遷移金属のハロゲン化物または遷移金属酸化物と配位子とを反応させて合成する方法が挙げられる。合成した遷移金属錯体は、反応系中から取り出して使用してもよく、あるいは取り出さずにin situで使用してもよい。 The transition metal complex is one in which a ligand forms a coordinate bond with a transition metal. Examples of the transition metal complex include a nickel complex, a palladium complex, a platinum complex, a copper complex, a rhodium complex, a zirconium complex, and an iron complex. Among these, when a nickel complex or a palladium complex is used, the reaction efficiency can be increased and the reaction can be performed under mild conditions. The transition metal complex may be a commercially available product or may be synthesized separately. Examples of the method for synthesizing the transition metal complex include a method in which a transition metal halide or transition metal oxide is reacted with a ligand to synthesize the transition metal complex. The synthesized transition metal complex may be taken out from the reaction system and used, or may be used in situ without being taken out.
配位子としては、2,2’−ビピリジル、1,10−フェナントロリン、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン、アセチルアセトナート、トリフェニルホスフィン、トリトリルホスフィン、トリブチルホスフィン、1,2−ビス(ジフェニルホスフィノ)エタン、1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン、1,4−ビス(ジフェニルホスフィノ)ブタン、及び、1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセンのいずれかを少なくとも1つ有していることが好ましい。遷移金属錯体は、これらの配位子について、1種類を単独で有していてもよく、2種以上を併せて有していてもよい。 As the ligand, 2,2′-bipyridyl, 1,10-phenanthroline, N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine, acetylacetonate, triphenylphosphine, tolylphosphine, tributylphosphine, 1, Any of 2-bis (diphenylphosphino) ethane, 1,3-bis (diphenylphosphino) propane, 1,4-bis (diphenylphosphino) butane, and 1,1′-bis (diphenylphosphino) ferrocene It is preferable to have at least one of these. The transition metal complex may have one kind of these ligands, or may have two or more kinds in combination.
以下では、ブロック共重合体からなる高分子電解質の製造方法について説明する。
ブロック共重合体を合成する際には、遷移金属錯体としてはゼロ価ニッケル錯体やゼロ価パラジウム錯体等のゼロ価遷移金属錯体を用いることが好ましく、特にゼロ価ニッケル錯体を用いることが望ましい。
Below, the manufacturing method of the polymer electrolyte which consists of a block copolymer is demonstrated.
When synthesizing the block copolymer, it is preferable to use a zero-valent transition metal complex such as a zero-valent nickel complex or a zero-valent palladium complex as the transition metal complex, and it is particularly preferable to use a zero-valent nickel complex.
ゼロ価ニッケル錯体としては、例えば、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)、(エチレン)ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケル(0)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)ニッケル(0)等が挙げられる。特に、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)は、容易に入手が可能であるため、高分子電解質の合成に用いることに適している。 Examples of the zerovalent nickel complex include bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0), (ethylene) bis (triphenylphosphine) nickel (0), tetrakis (triphenylphosphine) nickel (0), and the like. Can be mentioned. In particular, bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) is suitable for use in the synthesis of polymer electrolytes because it is readily available.
ゼロ価遷移金属錯体は、上述のように市販品を用いてもよく、別途合成したものを用いてもよい。ゼロ価遷移金属錯体の合成方法は、遷移金属化合物を亜鉛やマグネシウムなどの還元剤を用いて還元してゼロ価とする方法等、公知の方法を用いることができる。合成したゼロ価遷移金属錯体は、反応系中から取り出して使用してもよく、あるいは取り出さずにin situで使用してもよい。 As the zero-valent transition metal complex, a commercially available product may be used as described above, or a separately synthesized product may be used. As a method for synthesizing the zero-valent transition metal complex, a known method such as a method of reducing the transition metal compound to a zero valence by using a reducing agent such as zinc or magnesium can be used. The synthesized zero-valent transition metal complex may be used after being taken out from the reaction system, or may be used in situ without being taken out.
上記還元剤としては、例えば、鉄、亜鉛、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、ナトリウム、またはカルシウム等が挙げられる。これらのうち、亜鉛、マグネシウム、マンガンが好ましい。これらの還元剤は、有機酸などの酸に接触させることにより、より活性化して用いることができる。また、必要に応じて、フッ化ナトリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、硫酸ナトリウムなどのナトリウム化合物;フッ化カリウム、塩化カリウム、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、硫酸カリウムなどのカリウム化合物;フッ化テトラエチルアンモニウム、塩化テトラエチルアンモニウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウム、硫酸テトラエチルアンモニウムなどのアンモニウム化合物を併用してもよい。 Examples of the reducing agent include iron, zinc, manganese, aluminum, magnesium, sodium, and calcium. Of these, zinc, magnesium and manganese are preferred. These reducing agents can be used after being more activated by bringing them into contact with an acid such as an organic acid. If necessary, sodium compounds such as sodium fluoride, sodium chloride, sodium bromide, sodium iodide and sodium sulfate; potassium compounds such as potassium fluoride, potassium chloride, potassium bromide, potassium iodide and potassium sulfate An ammonium compound such as tetraethylammonium fluoride, tetraethylammonium chloride, tetraethylammonium bromide, tetraethylammonium iodide, and tetraethylammonium sulfate may be used in combination.
ゼロ価遷移金属錯体を合成する際には、通常、2価の遷移金属化合物が用いられるが、0価のものを用いても構わない。2価の遷移金属化合物としては、2価ニッケル化合物、2価パラジウム化合物を用いることが好ましい。2価ニッケル化合物としては、例えば、塩化ニッケル、臭化ニッケル、ヨウ化ニッケル、ニッケルアセテート、ニッケルアセチルアセトナート、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、臭化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、ヨウ化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)等が挙げられる。2価パラジウム化合物としては、例えば、塩化パラジウム、臭化パラジウム、ヨウ化パラジウム、塩化パラジウムビス(トリフェニルホスフィン)、臭化パラジウムビス(トリフェニルホスフィン)、ヨウ化パラジウムビス(トリフェニルホスフィン)等が挙げられる。 In synthesizing a zero-valent transition metal complex, a divalent transition metal compound is usually used, but a zero-valent transition metal compound may be used. As the divalent transition metal compound, it is preferable to use a divalent nickel compound or a divalent palladium compound. Examples of the divalent nickel compound include nickel chloride, nickel bromide, nickel iodide, nickel acetate, nickel acetylacetonate, nickel chloride bis (triphenylphosphine), nickel bromide bis (triphenylphosphine), nickel iodide. And bis (triphenylphosphine). Examples of the divalent palladium compound include palladium chloride, palladium bromide, palladium iodide, palladium chloride bis (triphenylphosphine), palladium bromide bis (triphenylphosphine), and palladium iodide bis (triphenylphosphine). Can be mentioned.
ブロック共重合体は、上記一般式(14)に示されるジフェニルスルホンモノマーと、下記一般式(15)に示されるイオン交換基を有さないブロックの前駆体(マクロモノマー)とを、ゼロ価遷移金属錯体の存在下で縮重合することによって合成される。なお、下記一般式(15)において、Ar1、Ar2、Ar3、Ar4、B1、B2、C1、C2、b、c、d、e、nは、上記一般式(13)と同様に定義される。また、Zは、縮合反応における脱離基を示し、それぞれ同じであってもよく、異なっていてもよい。 The block copolymer is a divalent sulfone monomer represented by the above general formula (14) and a block precursor (macromonomer) having no ion exchange group represented by the following general formula (15). It is synthesized by condensation polymerization in the presence of a metal complex. In the following general formula (15), Ar 1 , Ar 2 , Ar 3 , Ar 4 , B 1 , B 2 , C 1 , C 2 , b, c, d, e, and n are represented by the general formula (13). ). Z represents a leaving group in the condensation reaction, and may be the same or different.
上記脱離基としては、例えば、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子などのハロゲン原子、p−トルエンスルホニルオキシ基(CH3C6H4−p−SO3−)、メタンスルホニルオキシ基(CH3SO3−)、トリフルオロメタンスルホニルオキシ基(CF3SO3−)等が挙げられる。 Examples of the leaving group, for example, a chlorine atom, a bromine atom, a halogen atom such as iodine atom, p- toluenesulfonyloxy group (CH 3 C 6 H 4 -p -SO 3 -), methanesulfonyloxy group (CH 3 SO 3 —), trifluoromethanesulfonyloxy group (CF 3 SO 3 —) and the like.
上記一般式(15)で示されるマクロモノマーとしては、下記構造の化合物が挙げられる。これらのマクロモノマーは、市場から容易に入手可能であるか、市場から容易に入手可能な原料を用いて公知の方法で製造することができる。なお、Zは上記一般式(15)と同様に定義される。 Examples of the macromonomer represented by the general formula (15) include compounds having the following structure. These macromonomers are easily available from the market, or can be produced by a known method using raw materials that are easily available from the market. Z is defined as in the general formula (15).
上記一般式(16)に示される化合物で、Zが塩素原子のものは、既知の方法をもとに、下記の反応式(18)または反応式(19)のように合成することができる。また、上記一般式(17)に示される化合物で、Zが塩素原子のものは、公知の方法をもとに、下記の反応式(20)のように合成することができる。なお、nは上記一般式(13)と同様に定義される。重合反応の終了間際に、出発原料であるジクロロ体を加えることで、両末端が塩素原子である該マクロモノマーを合成することができる。 The compound represented by the above general formula (16), in which Z is a chlorine atom, can be synthesized as shown in the following reaction formula (18) or reaction formula (19) based on a known method. A compound represented by the above general formula (17), in which Z is a chlorine atom, can be synthesized as shown in the following reaction formula (20) based on a known method. In addition, n is defined similarly to the said General formula (13). By adding a dichloro compound as a starting material just before the end of the polymerization reaction, it is possible to synthesize the macromonomer whose both ends are chlorine atoms.
上記一般式(14)に表されるジフェニルスルホンモノマーと、上記一般式(15)に表されるマクロモノマーとを、上記遷移金属錯体を用いて縮合反応する際には、用いた遷移金属錯体の配位子となり得る化合物を添加しておくことが好ましい。これにより、重合反応の反応性が向上されてブロック共重合体の収率や重合度が高められる。添加する化合物は、用いた遷移金属錯体の配位子と同じでもよいし、異なっていてもよい。例えば、トリフェニルホスフィンや2,2’−ビピリジルは、汎用性が高く安価であるため好ましい。特に、2,2’−ビピリジルはビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)と組み合わせて用いると、ブロック共重合体の高収率化や高分子量化が可能となる。 When the diphenylsulfone monomer represented by the general formula (14) and the macromonomer represented by the general formula (15) are subjected to a condensation reaction using the transition metal complex, the transition metal complex used It is preferable to add a compound that can be a ligand. Thereby, the reactivity of a polymerization reaction is improved and the yield of a block copolymer and a polymerization degree are raised. The compound to be added may be the same as or different from the ligand of the transition metal complex used. For example, triphenylphosphine and 2,2'-bipyridyl are preferable because they are versatile and inexpensive. In particular, when 2,2'-bipyridyl is used in combination with bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0), it becomes possible to increase the yield and molecular weight of the block copolymer.
配位子の添加量としては、ゼロ価遷移金属錯体100モル%に対して、10モル%以上1000モル%以下であることが好ましく、100モル%以上500モル%以下であるとより好ましい。 The addition amount of the ligand is preferably 10 mol% or more and 1000 mol% or less, and more preferably 100 mol% or more and 500 mol% or less with respect to 100 mol% of the zero-valent transition metal complex.
ゼロ価遷移金属錯体の使用量としては、上記一般式(14)に示されるジフェニルスルホンモノマー100モル%に対して、10モル%以上である。特に、100モル%以上が好ましく、200モル%以上がより好ましい。使用量が10モル%以上であると、収率や重合度が低下することを抑制することができる。使用量の上限について特に制限はないが、500モル%以下であると、重合の後処理をする際の処理が容易となる。 The amount of the zero-valent transition metal complex used is 10 mol% or more with respect to 100 mol% of the diphenylsulfone monomer represented by the general formula (14). In particular, 100 mol% or more is preferable and 200 mol% or more is more preferable. It can suppress that a yield and a polymerization degree fall that the usage-amount is 10 mol% or more. Although there is no restriction | limiting in particular about the upper limit of usage-amount, The process at the time of post-processing of superposition | polymerization will become easy as it is 500 mol% or less.
縮重合反応の条件としては、反応温度は0℃以上200℃以下が好ましく、50℃以上100℃以下がより好ましい。反応時間は、0.5時間以上100時間以下で行われることが好ましく、1時間以上40時間以下であるとより好ましい。縮重合反応は、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気下で行われることが好ましい。こうした条件によれば、縮重合反応の収率や重合度が高められる。 As conditions for the condensation polymerization reaction, the reaction temperature is preferably 0 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, and more preferably 50 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. The reaction time is preferably 0.5 hours or more and 100 hours or less, and more preferably 1 hour or more and 40 hours or less. The condensation polymerization reaction is preferably performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon. According to such conditions, the yield and degree of polymerization of the condensation polymerization reaction are increased.
縮重合の反応溶媒としては、例えば、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、ジメチルスルホキシド、スルホラン、等の非プロトン性極性溶媒、トルエン、キシレン、メシチレン、ベンゼン、ブチルベンゼン等の芳香族炭化水素系溶媒、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、ジブチルエーテル、tert−ブチルメチルエーテル等のエーテル系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル、安息香酸メチルなどのエステル系溶媒、クロロホルム、ジクロロエタン等のハロゲン化アルキル系溶媒等が挙げられる。これらの重合溶媒は、十分に脱水してから用いることが好ましい。 Examples of the condensation polymerization reaction solvent include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, toluene, xylene, and mesitylene. , Aromatic hydrocarbon solvents such as benzene and butylbenzene, ether solvents such as tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, dibutyl ether and tert-butyl methyl ether, and ester solvents such as ethyl acetate, butyl acetate and methyl benzoate And alkyl halide solvents such as chloroform and dichloroethane. These polymerization solvents are preferably used after sufficiently dehydrated.
縮重合反応の収率や重合度を高めるためには、高分子が溶媒に十分溶解していることが望ましい。したがって、高分子に対して良溶媒であるテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、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、ジメチルスルホキシド、スルホラン、トルエン等を用いることが好ましい。特に、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、ジメチルスルホキシド、スルホラン、及びこれら2種類以上の混合物が好ましく用いられる。 In order to increase the yield and degree of polymerization of the condensation polymerization reaction, it is desirable that the polymer is sufficiently dissolved in the solvent. Therefore, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, toluene and the like, which are good solvents for the polymer, are used. It is preferable. In particular, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, and a mixture of two or more of these are preferably used.
重合溶媒中における上記一般式(14)に示されるジフェニルスルホンモノマーの総量の濃度は、1重量%以上90重量%以下であることが好ましい。また、重合溶媒中における上記一般式(15)に示されるマクロモノマーの総量の濃度は、5重量%以上40重量%以下であることが好ましい。濃度の下限がこうした値であれば、生成した高分子化合物の回収が容易となる。また、濃度の上限がこうした値であれば、反応中の撹拌が容易となる。 The total concentration of the diphenylsulfone monomer represented by the general formula (14) in the polymerization solvent is preferably 1% by weight or more and 90% by weight or less. Moreover, it is preferable that the density | concentration of the total amount of the macromonomer shown by the said General formula (15) in a polymerization solvent is 5 to 40 weight%. If the lower limit of the concentration is such a value, the produced polymer compound can be easily recovered. Further, when the upper limit of the concentration is such a value, stirring during the reaction becomes easy.
こうした方法によって、ブロック共重合体が合成される。生成したブロック共重合体を反応混合物から取り出す際には、常法が適用できる。例えば、反応混合物に貧溶媒を添加することでポリマーを析出させ、濾別等により目的物を得ることができる。また、必要に応じて、更に水洗や良溶媒と貧溶媒を用いての再沈殿等の通常の精製方法によって精製することができる。 A block copolymer is synthesized by such a method. When taking out the produced block copolymer from a reaction mixture, a conventional method can be applied. For example, the polymer can be precipitated by adding a poor solvent to the reaction mixture, and the target product can be obtained by filtration or the like. Moreover, it can refine | purify by normal purification methods, such as reprecipitation using water washing and a good solvent and a poor solvent, as needed.
また、固体高分子形燃料電池の電解質膜として利用する場合には、生成したブロック共重合体中のスルホン酸基がナトリウム塩などの塩の形である場合、スルホン酸基を遊離酸の形に変換することが好ましい。遊離酸への変換は、通常、酸性溶媒での洗浄によって行われる。使用される酸としては、例えば、塩酸、硫酸、硝酸などが挙げられ、特に塩酸が好ましい。 When used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, when the sulfonic acid group in the produced block copolymer is in the form of a salt such as sodium salt, the sulfonic acid group is converted into a free acid form. It is preferable to convert. Conversion to the free acid is usually performed by washing with an acidic solvent. Examples of the acid used include hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid and the like, and hydrochloric acid is particularly preferable.
なお、ブロック共重合体以外の重合体についても、公知の方法を用いて、上述の製造方法に準じて製造することが可能である。
[電解質膜の製造方法]
上述の製造方法によって得られる高分子電解質は、燃料電池等の電気化学デバイスのプロトン伝導膜として使用することができる。こうした電解質膜の製造方法について説明する。
It should be noted that polymers other than the block copolymer can also be produced according to the above production method using a known method.
[Method of manufacturing electrolyte membrane]
The polymer electrolyte obtained by the above-described production method can be used as a proton conductive membrane for electrochemical devices such as fuel cells. A method for manufacturing such an electrolyte membrane will be described.
膜へ転化する方法としては、例えば、溶液状態の高分子電解質を基材上に塗工し、フィルム状に成膜する方法(キャスティング法等)が好ましく用いられる。基材としては、通常の溶液キャスティング法に用いられる基材であればよく、例えば、ガラス製、プラスチック製、金属製などの基材が用いられる。特に、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好ましく用いられる。 As a method for converting into a film, for example, a method (such as a casting method) in which a polymer electrolyte in a solution state is coated on a substrate and formed into a film is preferably used. As a base material, what is necessary is just a base material used for the normal solution casting method, for example, glass, plastics, metal, etc. are used. In particular, a substrate made of a thermoplastic resin such as a polyethylene terephthalate (PET) film is preferably used.
成膜に用いる溶媒は、高分子電解質が溶解可能であり、その後に除去し得るものであればよい。例えば、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、ジメチルスルホキシド、スルホラン、等の非プロトン性極性溶媒、または、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶媒、または、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類等が好ましく用いられる。これらの溶媒は、単独で用いてもよく、必要に応じて2種類以上の溶媒を混合して用いてもよい。中でも、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、ジメチルスルホキシド、スルホラン等は、ポリマーの溶解性が高いため好ましい。 The solvent used for film formation is not particularly limited as long as the polymer electrolyte can be dissolved and can be removed thereafter. For example, aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, or dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene Chlorinated solvents such as dichlorobenzene or alcohols such as methanol, ethanol and propanol are preferably used. These solvents may be used alone, or two or more kinds of solvents may be mixed and used as necessary. Among them, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane and the like are preferable because of high polymer solubility.
高分子電解質を溶解させた溶液の濃度は、5重量%以上40重量%以下が好ましく、7重量%以上25重量%以下であるとより好ましい。濃度が5重量%以上であれば、厚膜化が容易となり、ピンホールの生成を抑制することができる。一方、濃度が40重量%以下であれば、成膜が容易に行える程度に溶液粘度が保たれ、表面平滑性が向上される。 The concentration of the solution in which the polymer electrolyte is dissolved is preferably 5% by weight or more and 40% by weight or less, and more preferably 7% by weight or more and 25% by weight or less. When the concentration is 5% by weight or more, it is easy to increase the film thickness, and the generation of pinholes can be suppressed. On the other hand, when the concentration is 40% by weight or less, the solution viscosity is maintained to the extent that film formation can be easily performed, and the surface smoothness is improved.
膜の厚みは、5μm以上300μm以下が好ましく、10μm以上80μm以下がより好ましい。膜厚が5μm以上であると強度が実用的な大きさまで高められる。また、膜厚が300μm以下であると膜抵抗が小さくなるため、電気化学デバイスの特性がより向上する。膜厚は、溶液の濃度および基材上への塗布厚により制御することが可能である。 The thickness of the film is preferably 5 μm or more and 300 μm or less, and more preferably 10 μm or more and 80 μm or less. When the film thickness is 5 μm or more, the strength is increased to a practical size. Moreover, since film resistance becomes it small that a film thickness is 300 micrometers or less, the characteristic of an electrochemical device improves more. The film thickness can be controlled by the concentration of the solution and the coating thickness on the substrate.
また、膜の各種物性の改良を目的とし、通常の高分子に用いられる可塑剤、安定剤、離型材等を添加することが可能である。また、同一溶媒中で混合し共キャスティングする等の方法により、他のポリマーと本実施形態の高分子電解質とを複合アロイ化することも可能である。 In addition, for the purpose of improving various physical properties of the film, it is possible to add plasticizers, stabilizers, mold release materials and the like used in ordinary polymers. It is also possible to composite-alloy other polymers with the polymer electrolyte of the present embodiment by a method such as mixing and co-casting in the same solvent.
さらに、固体高分子形燃料電池の電解質膜として利用する場合には、水管理を容易にするために、無機あるいは有機の微粒子を保水剤として添加してもよい。また、膜の機械強度の向上等を目的として、電子線、放射線等を照射して架橋してもよい。 Further, when used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, inorganic or organic fine particles may be added as a water retention agent in order to facilitate water management. Further, for the purpose of improving the mechanical strength of the film, it may be crosslinked by irradiating with an electron beam, radiation or the like.
また、膜の強度や柔軟性、耐久性の向上のために、本実施形態の高分子電解質を有効成分とし、これを多孔質基材に含浸させた複合電解質膜の作製も可能である。複合化方法は公知の方法を使用可能である。 Further, in order to improve the strength, flexibility and durability of the membrane, it is possible to produce a composite electrolyte membrane in which the polymer electrolyte of the present embodiment is used as an active ingredient and this is impregnated into a porous substrate. A known method can be used as the compounding method.
多孔質基材としては、上述の目的に応じて選択される。例えば、多孔質膜、不織布、フィブリル等は、その形状や材質によらず用いることが可能である。多孔質基材の材質としては、脂肪族系、芳香族系高分子、またはフッ素系高分子を用いると、耐熱性が向上するとともに、物理的強度が高められる。 The porous substrate is selected according to the above-mentioned purpose. For example, porous membranes, nonwoven fabrics, fibrils and the like can be used regardless of their shapes and materials. When an aliphatic, aromatic polymer, or fluorine polymer is used as the material for the porous substrate, the heat resistance is improved and the physical strength is increased.
なお、本実施形態の高分子電解質は、上述の固体高分子形燃料電池の他、リチウムイオン二次電池や、電気二重層キャパシタ、アクチュエーター等の電気化学デバイスの電解質として用いることができる。 The polymer electrolyte of the present embodiment can be used as an electrolyte for electrochemical devices such as lithium ion secondary batteries, electric double layer capacitors, and actuators in addition to the above-described solid polymer fuel cells.
[固体高分子形燃料電池]
次に、固体高分子形燃料電池について説明する。まず、固体高分子形燃料電池の構成について図1を参照して説明する。
[Polymer fuel cell]
Next, the polymer electrolyte fuel cell will be described. First, the structure of the polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to FIG.
図1に示されるように、固体高分子形燃料電池10は、上述の高分子電解質からなる固体高分子電解質膜1を中心とする積層体として構成される。固体高分子電解質膜1には、固体高分子電解質膜1を挟んで互いに向い合う一対の電極触媒層2a,2bが敷設されている。これら固体高分子電解質膜1及び電極触媒層2a,2bにより膜電極接合体3が構成される。 As shown in FIG. 1, a solid polymer fuel cell 10 is configured as a laminate centering on a solid polymer electrolyte membrane 1 made of the above-described polymer electrolyte. The solid polymer electrolyte membrane 1 is provided with a pair of electrode catalyst layers 2a and 2b facing each other with the solid polymer electrolyte membrane 1 interposed therebetween. A membrane / electrode assembly 3 is constituted by the solid polymer electrolyte membrane 1 and the electrode catalyst layers 2a and 2b.
電極触媒層2a,2bの各々には、固体高分子電解質膜1及びこれら電極触媒層2a,2bを挟んで互いに向い合う一対のガス拡散層4a,4bが覆設されている。このうち、固体高分子電解質膜1の一方側の電極触媒層2aとガス拡散層4aとが空気極(カソード)5となり、他方側の電極触媒層2bとガス拡散層4bとが燃料極(アノード)6となる。 Each of the electrode catalyst layers 2a and 2b is covered with a solid polymer electrolyte membrane 1 and a pair of gas diffusion layers 4a and 4b facing each other with the electrode catalyst layers 2a and 2b interposed therebetween. Among these, the electrode catalyst layer 2a and the gas diffusion layer 4a on one side of the solid polymer electrolyte membrane 1 serve as an air electrode (cathode) 5, and the electrode catalyst layer 2b and the gas diffusion layer 4b on the other side serve as a fuel electrode (anode). ) 6.
さらに、膜電極接合体3及びガス拡散層4a,4bは、互いに向い合う一対のセパレーター7a,7bによって挟持されている。セパレーター7a,7bは、導電性でかつ不透過性の材料から形成される。セパレーター7a,7bの各々にて、ガス拡散層4a,4bと互いに向かい合う側面には、ガス流路8a,8bが凹設され、またガス拡散層4a,4bとは反対側の側面には、冷却水流路9a,9bが凹設されている。 Further, the membrane electrode assembly 3 and the gas diffusion layers 4a and 4b are sandwiched between a pair of separators 7a and 7b facing each other. Separator 7a, 7b is formed from an electroconductive and impermeable material. In each of the separators 7a and 7b, gas flow paths 8a and 8b are recessed on the side surfaces facing the gas diffusion layers 4a and 4b, and cooling is provided on the side surface opposite to the gas diffusion layers 4a and 4b. Water flow paths 9a and 9b are recessed.
このように構成される固体高分子形燃料電池10では、空気極5に対面するセパレーター7aのガス流路8aに、酸化剤ガスとして、例えば酸素を含むガスが流され、燃料極6に対面するセパレーター7bのガス流路8bに、燃料ガスとして、例えば水素ガスが流される。また、セパレーター7a,7bの冷却水流路9a,9bの各々には、冷却水が流される。そして、空気極5と燃料極6に上記ガス流路8a,8bからガスが供給されることによって、固体高分子電解質膜1中でのプロトン伝導を伴う電極反応が進行することにより、空気極5と燃料極6との間に起電力が生じる。 In the polymer electrolyte fuel cell 10 configured as described above, a gas containing oxygen, for example, flows as an oxidant gas in the gas flow path 8 a of the separator 7 a facing the air electrode 5, and faces the fuel electrode 6. For example, hydrogen gas is allowed to flow as a fuel gas through the gas flow path 8b of the separator 7b. Further, cooling water flows through each of the cooling water flow paths 9a and 9b of the separators 7a and 7b. Then, by supplying gas from the gas flow paths 8a and 8b to the air electrode 5 and the fuel electrode 6, an electrode reaction accompanied by proton conduction in the solid polymer electrolyte membrane 1 proceeds, whereby the air electrode 5 An electromotive force is generated between the fuel electrode 6 and the fuel electrode 6.
なお、図1に示される固体高分子形燃料電池10は、一組のセパレーター7a,7bに固体高分子電解質膜1、電極触媒層2a,2b、ガス拡散層4a,4bが挟持された単セル構造の固体高分子形燃料電池であるが、セパレーター7a,7bを介して複数のセルを積層して直列接続することによって1つの燃料電池として用いるようにしてもよい。 1 is a single cell in which a solid polymer electrolyte membrane 1, electrode catalyst layers 2a and 2b, and gas diffusion layers 4a and 4b are sandwiched between a pair of separators 7a and 7b. Although the polymer electrolyte fuel cell has a structure, it may be used as one fuel cell by stacking a plurality of cells via separators 7a and 7b and connecting them in series.
続いて、固体高分子形燃料電池を構成する各部の材料及び製造方法について説明する。
(電極触媒層)
電極触媒層に用いられる触媒は、水素または酸素との酸化還元反応を活性化できるものであれば公知の材料を用いることができる。特に、白金または白金系合金の微粒子を用いることが好ましい。白金または白金系合金の微粒子としては、活性炭や黒鉛などの粒子状のものや繊維状のカーボンに担持されたものが好ましく用いられる。
Subsequently, materials and manufacturing methods of respective parts constituting the polymer electrolyte fuel cell will be described.
(Electrocatalyst layer)
As the catalyst used for the electrode catalyst layer, a known material can be used as long as it can activate a redox reaction with hydrogen or oxygen. In particular, it is preferable to use fine particles of platinum or a platinum-based alloy. As the fine particles of platinum or platinum-based alloy, particulate particles such as activated carbon and graphite and those supported on fibrous carbon are preferably used.
電極触媒層は、上記触媒担持炭素粒子が、本実施形態の高分子電解質、または有機物が混合、酸処理除去された本実施形態の高分子電解質で包埋されたものである。電極触媒層は、上記触媒担持炭素粒子と高分子電解質とを溶媒に分散させた電極触媒インクを基材に塗布し、乾燥させることにより得られる。 The electrode catalyst layer is formed by embedding the catalyst-supporting carbon particles in the polymer electrolyte of the present embodiment or the polymer electrolyte of the present embodiment in which organic substances are mixed and removed by acid treatment. The electrode catalyst layer is obtained by applying an electrode catalyst ink in which the catalyst-supporting carbon particles and the polymer electrolyte are dispersed in a solvent to a substrate and drying the substrate.
電極触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒粒子や高分子電解質または有機物が混合、酸処理除去された高分子電解質を侵食することなく、高分子電解質が流動性の高い状態で溶解または微細ゲルとして分散されるものであればよい。特に、少なくとも揮発性の液体有機溶媒が含まれることが望ましく、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、イソブチルアルコール、tert−ブチルアルコール、ペンタノール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトンなどのケトン系溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテル等のエーテル系溶剤、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−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノール等の極性溶剤等が好ましい。また、これらの溶媒のうちの二種以上を混合させたものを用いてもよい。 The solvent used as a dispersion medium for the electrode catalyst ink is a solution in which the polymer electrolyte is dissolved in a highly fluid state without eroding the polymer electrolyte mixed with the catalyst particles, the polymer electrolyte, or the organic matter and removed by the acid treatment. What is necessary is just to be disperse | distributed as a fine gel. In particular, it is desirable that at least a volatile liquid organic solvent is contained, and alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, pentanol, etc. , Ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, heptanone, cyclohexanone, methyl cyclohexanone, acetonyl acetone, diisobutyl ketone, ether solvents such as tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxy toluene, dibutyl ether , N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethyleneglycol Le, diacetone alcohol, 1-methoxy-2-propanol polar solvents such as is preferred. Moreover, you may use what mixed 2 or more types of these solvents.
また、溶媒として低級アルコールを用いる場合には、水との混合溶媒にすると、発火の可能性を抑制することができる。水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であればよい。 Further, when a lower alcohol is used as a solvent, the possibility of ignition can be suppressed by using a mixed solvent with water. The amount of water added is not limited as long as the polymer electrolyte is separated to cause white turbidity or gelation.
電極触媒インク中の固形分含有量は、1質量%以上50質量%以下であることが好ましい。固形分含有量が1質量%以上であれば、電極触媒インクの粘度が高くなりすぎないため、電極触媒層表面にクラックが入りにくくなる。また、固形分含有量が50質量%以下であれば、成膜レートが適切に維持されるため、生産性が向上される。 The solid content in the electrode catalyst ink is preferably 1% by mass or more and 50% by mass or less. If the solid content is 1% by mass or more, the viscosity of the electrode catalyst ink does not become too high, and cracks are unlikely to occur on the surface of the electrode catalyst layer. In addition, when the solid content is 50% by mass or less, the film formation rate is appropriately maintained, so that productivity is improved.
電極触媒インクを塗布する基材としては、電極触媒層を挟むガス拡散層、電極触媒層に挟まれる固体高分子電解質膜、または転写シートを用いることができる。転写シートとしては、転写性がよい材質であればよい。電極触媒インクの塗布方法としては、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などを用いることができる。 As the substrate on which the electrode catalyst ink is applied, a gas diffusion layer sandwiching the electrode catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the electrode catalyst layers, or a transfer sheet can be used. The transfer sheet may be any material that has good transferability. As a method for applying the electrode catalyst ink, a doctor blade method, a dipping method, a screen printing method, a roll coating method, a spray method, or the like can be used.
(固体高分子電解質膜)
固体高分子電解質膜は、本実施形態の高分子電解質を用いて、上述の電解質膜の製造方法によって製造される。
(Solid polymer electrolyte membrane)
The solid polymer electrolyte membrane is manufactured by the above-described method for manufacturing an electrolyte membrane using the polymer electrolyte of the present embodiment.
(膜電極接合体)
膜電極接合体は、固体高分子電解質膜に、電極触媒層と集電体としての導電性物質を接合することによって得られる。集電体としての導電性物質は、公知の材料を用いることができる。特に、多孔質性のカーボン織布、カーボン不織布やカーボンペーパーが、好ましく用いられる。これらの材料は原料ガスを触媒へ効率的に輸送することができるため、ガス拡散層として用いることが可能である。
(Membrane electrode assembly)
The membrane / electrode assembly is obtained by bonding an electrode catalyst layer and a conductive material as a current collector to a solid polymer electrolyte membrane. A known material can be used as the conductive material as the current collector. In particular, porous carbon woven fabric, carbon nonwoven fabric and carbon paper are preferably used. Since these materials can efficiently transport the source gas to the catalyst, they can be used as a gas diffusion layer.
電極触媒層を形成する基材として転写シートを用いた場合には、固体高分子電解質膜に電極触媒層を接合後に転写シートを剥離することにより、固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層を備える膜電極接合体が得られる。 When a transfer sheet is used as the substrate for forming the electrode catalyst layer, the electrode catalyst layer is formed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane by peeling the transfer sheet after bonding the electrode catalyst layer to the solid polymer electrolyte membrane. A membrane electrode assembly is provided.
なお、有機物の酸処理洗浄による除去は、有機物が含有した高分子電解質膜及び電極触媒層を作製し、膜電極接合体を作製した後に行ってもよい。
(ガス拡散層及びセパレーター)
ガス拡散層およびセパレーターとしては、公知の燃料電池に用いられているものを用いることができる。ガス拡散層は、ガス拡散性と導電性とを有する材質のものであればよく、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、不織布等のポーラスカーボン材を用いることができる。セパレーターは、カーボンタイプあるいは金属タイプのもの等を用いることができる。
The removal of the organic substance by acid treatment washing may be performed after the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer containing the organic substance are produced and the membrane / electrode assembly is produced.
(Gas diffusion layer and separator)
As the gas diffusion layer and the separator, those used in known fuel cells can be used. The gas diffusion layer may be made of a material having gas diffusibility and conductivity, and for example, a porous carbon material such as carbon cloth, carbon paper, and non-woven fabric can be used. As the separator, a carbon type or metal type can be used.
固体高分子形燃料電池は、上述の各部と、ガス供給装置、冷却装置等の付随する装置を組み立てることによって製造される。本実施形態の高分子電解質からなる固体高分子電解質膜は、耐水性及び耐久性が高められているため、こうした固体高分子電解質膜を備えた固体高分子形燃料電池は、発電性能に優れた長寿命の燃料電池となる。 A polymer electrolyte fuel cell is manufactured by assembling the above-described components and accompanying devices such as a gas supply device and a cooling device. Since the solid polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte of the present embodiment has improved water resistance and durability, the solid polymer fuel cell equipped with such a solid polymer electrolyte membrane has excellent power generation performance. It becomes a long-life fuel cell.
上述した高分子電解質用のジフェニルスルホン化合物、高分子電解質、膜電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び高分子電解質の製造方法について、以下に具体的な実施例を挙げて説明する。なお、実施例において、イオン交換容量、プロトン伝導度、熱水膨潤率、引張破断強度、分子量は以下のようにして求めた。 The above-described diphenylsulfone compound for polymer electrolyte, polymer electrolyte, membrane electrode assembly, solid polymer fuel cell, and method for producing the polymer electrolyte will be described below with specific examples. In Examples, the ion exchange capacity, proton conductivity, hot water swelling ratio, tensile breaking strength, and molecular weight were determined as follows.
(イオン交換容量)
高分子電解質中のスルホン酸基が遊離酸の状態のものを、乾燥後、所定量を秤量し、2M塩化ナトリウム水溶液中で1晩撹拌し、濾別した。濾液を、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、中和点からイオン交換容量を求めた。
(Ion exchange capacity)
A polymer electrolyte in which the sulfonic acid group is in a free acid state was dried, weighed in a predetermined amount, stirred in a 2M aqueous sodium chloride solution overnight, and filtered. The filtrate was titrated with NaOH standard solution using phenolphthalein as an indicator, and the ion exchange capacity was determined from the neutralization point.
(プロトン伝導度)
交流抵抗は、短冊状の高分子電解質膜の表面に、白金線(φ=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80℃において、所定の湿度環境下で交流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、株式会社エヌエフ回路設計ブロック製5800Frequency Response AnalyzerまたはSolartron社製SI1260を用いた。恒温恒湿装置には、エスペック社製小型環境試験機SH−221またはSH−241を使用した。白金線は、5mm間隔に4本を押し当てて、線間距離を5〜15mmに変化させ、交流抵抗を測定した。線間距離と抵抗の値から膜抵抗を算出し、この値から、プロトン伝導度を算出した。
(Proton conductivity)
The AC resistance was obtained from the measurement of AC impedance between platinum wires by pressing a platinum wire (φ = 0.5 mm) against the surface of the strip-shaped polymer electrolyte membrane and holding the sample in a constant temperature and humidity device. That is, the impedance in alternating current was measured at 80 ° C. under a predetermined humidity environment. As a resistance measuring device, 5800 Frequency Response Analyzer manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd. or SI1260 manufactured by Solartron was used. A small environmental tester SH-221 or SH-241 manufactured by Espec Co., Ltd. was used as the constant temperature and humidity device. Four platinum wires were pressed at intervals of 5 mm, the distance between the wires was changed to 5 to 15 mm, and the AC resistance was measured. Membrane resistance was calculated from the distance between lines and the resistance value, and proton conductivity was calculated from this value.
(熱水膨潤率)
電解質膜を2cm×2cmの正方形にカットし、これを80℃の熱水に30分浸漬させたのち、1辺の長さを測定し、膨潤率を測定した。
(Hot water swelling rate)
The electrolyte membrane was cut into a 2 cm × 2 cm square, immersed in hot water at 80 ° C. for 30 minutes, the length of one side was measured, and the swelling rate was measured.
(引張破断強度)
インストロン社製の万能試験機(Type 4443)を用い、膜の幅1cm、チャック間距離1cm、引張速度1cm/minの条件で行った。
(Tensile strength at break)
A universal testing machine (Type 4443) manufactured by Instron was used, and the conditions were a film width of 1 cm, a distance between chucks of 1 cm, and a tensile speed of 1 cm / min.
(分子量)
ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定した。
・GPC装置:HLC−8220GPC(東ソー製)
・カラム:TSKgel SuperAWM−H(6.0mmI.D.×15cm)を2本直列に接続
・検出器:示差屈折率計(RI検出器)、Polarity=(+)
・溶離液:N,N−ジメチルホルムアミド
・流速:0.6mL/min
・カラム温度:40℃
・試料濃度:1mg/mL
・試料注入量:20μL
また、プロトンNMRはJEOL JNM−LA300 spectrometerを用い、重溶媒には重クロロホルム、重ジメチルスルホキシドまたは重水を用いて測定を行った。IRはJASCO FT/IR−460plusを用いてKBrペレット法で測定を行った。
(Molecular weight)
Measured by gel permeation chromatography (GPC).
・ GPC device: HLC-8220GPC (manufactured by Tosoh Corporation)
Column: TSKgel SuperAWM-H (6.0 mm ID × 15 cm) connected in series. Detector: Differential refractometer (RI detector), Polarity = (+)
・ Eluent: N, N-dimethylformamide ・ Flow rate: 0.6 mL / min
-Column temperature: 40 ° C
Sample concentration: 1 mg / mL
Sample injection volume: 20 μL
Proton NMR was measured using a JEOL JNM-LA300 spectrometer, and deuterated chloroform, deuterated dimethyl sulfoxide or deuterated water as a heavy solvent. IR was measured by the KBr pellet method using JASCO FT / IR-460plus.
(ジフェニルスルホンモノマーの合成)
[実施例1]
<ビス(4−(3’−スルホプロポキシ)−3−ブロモフェニル)スルホンの二ナトリウム塩の合成>
(1)ビス(4−ドデシルオキシフェニル)スルホン(m1)の合成
(Synthesis of diphenylsulfone monomer)
[Example 1]
<Synthesis of disodium salt of bis (4- (3′-sulfopropoxy) -3-bromophenyl) sulfone>
(1) Synthesis of bis (4-dodecyloxyphenyl) sulfone (m1)
4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン 50.0g(0.20mol)を1Lのナスフラスコに入れ、DMF400mLを加え溶解させた。続いて炭酸カリウム69.1g (0.50mol)1−ブロモドデカン124.9g(0.50mol)を加え、80℃、12時間撹拌した。反応後、水を加えて析出物を濾過。濾残物をクロロホルムに溶解させ、メタノールで2回再沈殿を行った。得られた固体を減圧乾燥し、ビス(4−ドデシルオキシフェニル)スルホンを114.75g(収率98%、白色固体)得た。 50.0 g (0.20 mol) of 4,4′-dihydroxydiphenylsulfone was placed in a 1 L eggplant flask, and 400 mL of DMF was added and dissolved. Subsequently, 69.1 g (0.50 mol) of potassium carbonate 124.9 g (0.50 mol) of 1-bromododecane was added and stirred at 80 ° C. for 12 hours. After the reaction, water was added and the precipitate was filtered. The filter residue was dissolved in chloroform and reprecipitated twice with methanol. The obtained solid was dried under reduced pressure to obtain 114.75 g of bis (4-dodecyloxyphenyl) sulfone (yield 98%, white solid).
この得られた白色固体の1H−NMRスペクトルを図2に示す。なお、重溶媒には重クロロホルムを用いた。また、得られた白色固体のIRスペクトルを図3に示す。
(2)ビス(4−ドデシルオキシ−3−ブロモフェニル)スルホン(m2)の合成
The 1 H-NMR spectrum of the obtained white solid is shown in FIG. In addition, deuterated chloroform was used as the heavy solvent. Moreover, IR spectrum of the obtained white solid is shown in FIG.
(2) Synthesis of bis (4-dodecyloxy-3-bromophenyl) sulfone (m2)
ビス(4−ドデシルオキシフェニル)スルホン50.2g(85.5mmol)を500mLナスフラスコに入れ、臭化水素酸80mLに懸濁させて、臭素11mL(213mmol)を加えた。これを80℃、12時間撹拌後、亜硫酸水素ナトリウム水溶液を加え、臭素の色が消えたことを確認してクロロホルムを加えて分液操作を行った。クロロホルム溶液を炭酸水素ナトリウム溶液で洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥、濃縮し、メタノールに再沈殿を行った。析出した固体を濾過によって回収し、減圧乾燥後、ビス(4−ドデシルオキシ−3−ブロモフェニル)スルホンを 56.4g(収率88%、白色固体)得た。 Bis (4-dodecyloxyphenyl) sulfone (50.2 g, 85.5 mmol) was placed in a 500 mL eggplant flask, suspended in hydrobromic acid (80 mL), and bromine (11 mL, 213 mmol) was added. After stirring this at 80 ° C. for 12 hours, an aqueous sodium hydrogen sulfite solution was added, and after confirming that the color of bromine had disappeared, chloroform was added to carry out a liquid separation operation. The chloroform solution was washed with a sodium hydrogen carbonate solution, dried over magnesium sulfate, concentrated, and reprecipitated in methanol. The precipitated solid was collected by filtration and dried under reduced pressure to obtain 56.4 g (yield 88%, white solid) of bis (4-dodecyloxy-3-bromophenyl) sulfone.
この得られた白色固体の1H−NMRスペクトルを図4に示す。なお、重溶媒には重クロロホルムを用いた。また、得られた白色固体のIRスペクトルを図5に示す。
(3)ビス(4−ヒドロキシル−3−ブロモフェニル)スルホン(m3)の合成
FIG. 4 shows the 1 H-NMR spectrum of the obtained white solid. In addition, deuterated chloroform was used as the heavy solvent. Moreover, IR spectrum of the obtained white solid is shown in FIG.
(3) Synthesis of bis (4-hydroxyl-3-bromophenyl) sulfone (m3)
ビス(4−ドデシルオキシ−3−ブロモフェニル)スルホン30.4g(40.8mmol)を500mLのナスフラスコに入れてクロロホルム200mLに溶解させた。フラスコを氷浴で冷却し、塩化アルミニウム17.0g(127.5mmol)を加えて2時間撹拌した。その後、徐々に室温に戻してさらに2時間撹拌した。反応後、溶液を氷水に入れ、30分撹拌を続けた。析出物を濾過で回収し、濾物を再度エタノールに溶解させ、クロロホルム、ヘキサン、水を加え、分離した油層を除去後、析出物を回収した。この操作を2回繰り返した。得られた固体を1N塩酸に入れて一晩撹拌した。固体を濾過して蒸留水で洗浄後、減圧乾燥し、ビス(4−ヒドロキシル−3−ブロモフェニル)スルホンを15.7g(白色固体、収率94%)得た。 Bis (4-dodecyloxy-3-bromophenyl) sulfone (30.4 g, 40.8 mmol) was placed in a 500 mL eggplant flask and dissolved in chloroform (200 mL). The flask was cooled in an ice bath, and 17.0 g (127.5 mmol) of aluminum chloride was added and stirred for 2 hours. Thereafter, the mixture was gradually returned to room temperature and further stirred for 2 hours. After the reaction, the solution was put into ice water and stirring was continued for 30 minutes. The precipitate was collected by filtration, the filtrate was dissolved again in ethanol, chloroform, hexane and water were added, the separated oil layer was removed, and the precipitate was collected. This operation was repeated twice. The resulting solid was placed in 1N hydrochloric acid and stirred overnight. The solid was filtered, washed with distilled water, and dried under reduced pressure to obtain 15.7 g (white solid, 94% yield) of bis (4-hydroxyl-3-bromophenyl) sulfone.
この得られた白色固体の1H−NMRスペクトルを図6に示す。なお、重溶媒には重ジメチルスルホキシドを用いた。また、得られた白色固体のIRスペクトルを図7に示す。(4)ビス(4−(3’−スルホプロポキシ)−3−ブロモフェニル)スルホンの二ナトリウム塩(M1)の合成 FIG. 6 shows the 1 H-NMR spectrum of the obtained white solid. Heavy dimethyl sulfoxide was used as the heavy solvent. The IR spectrum of the obtained white solid is shown in FIG. (4) Synthesis of disodium salt of bis (4- (3′-sulfopropoxy) -3-bromophenyl) sulfone (M1)
ビス(4−ヒドロキシル−3−ブロモフェニル)スルホン4.5g(11.0mmol)を200mLフラスコに入れ、80mLのエタノールに溶解させた。0.96g(24.0mmol)の水酸化ナトリウムを加えて80℃で30分撹拌した。2.86g(23.4mmol)の1,3−プロパンスルトンを加え、80℃で20時間撹拌した。反応後、析出物を濾過により回収した。回収した固体を水/エタノール溶液で洗浄後、再度、濾過を行い、濾物を回収、減圧乾燥後、実施例1のジフェニルスルホン化合物であるM1を6.59g(白色固体、収率86%)得た。 Bis (4-hydroxyl-3-bromophenyl) sulfone 4.5 g (11.0 mmol) was placed in a 200 mL flask and dissolved in 80 mL ethanol. 0.96 g (24.0 mmol) of sodium hydroxide was added and stirred at 80 ° C. for 30 minutes. 2.86 g (23.4 mmol) of 1,3-propane sultone was added and stirred at 80 ° C. for 20 hours. After the reaction, the precipitate was collected by filtration. The collected solid was washed with a water / ethanol solution and then filtered again. The filtrate was collected and dried under reduced pressure, and then 6.59 g of M1, which is the diphenylsulfone compound of Example 1, (white solid, yield 86%) Obtained.
この得られた白色固体の1H−NMRスペクトルを図8に示す。なお、重溶媒には重水を用いた。また、得られた白色固体のIRスペクトルを図9に示す。
[実施例2]
<ビス(4−(3’−スルホプロポキシ)−3−クロロフェニル)スルホンの二ナトリウム塩(M2)の合成>
The 1 H-NMR spectrum of the obtained white solid is shown in FIG. Heavy water was used as the heavy solvent. Moreover, IR spectrum of the obtained white solid is shown in FIG.
[Example 2]
<Synthesis of disodium salt of bis (4- (3′-sulfopropoxy) -3-chlorophenyl) sulfone (M2)>
ビス(4−ヒドロキシ−3−クロロフェニル)スルホン6.38g(20.0mmol)を500mLナスフラスコに入れ70mLのエタノールに溶かした。水酸化ナトリウム1.68g(42.0mmol)を加えて70℃で30分間撹拌した。次に1,3−プロパンスルトン4.94g(40.5mmol)を加えて20時間加熱還流を行った。析出した白色固体を濾過により回収した。回収した固体を水/エタノール溶液で洗浄後、再度、濾過を行い、濾物を回収、減圧乾燥後、実施例2のジフェニルスルホン化合物であるM2を7.84g(白色固体、収率65%)得た。 6.38 g (20.0 mmol) of bis (4-hydroxy-3-chlorophenyl) sulfone was placed in a 500 mL eggplant flask and dissolved in 70 mL of ethanol. 1.68 g (42.0 mmol) of sodium hydroxide was added and stirred at 70 ° C. for 30 minutes. Next, 1.94 g (40.5 mmol) of 1,3-propane sultone was added, and the mixture was heated to reflux for 20 hours. The precipitated white solid was collected by filtration. The collected solid was washed with a water / ethanol solution, and then filtered again. The filtrate was collected and dried under reduced pressure. Then, 7.84 g of M2, which is the diphenylsulfone compound of Example 2, (white solid, yield 65%) Obtained.
この得られた白色固体の1H−NMRスペクトルを図10に示す。なお、重溶媒は重水を用いた。また、得られた白色固体のIRスペクトルを図11に示す。
(単独重合体の合成)
[実施例3]
<ジフェニルスルホン化合物の単独重合体(P1)の合成>
A 1 H-NMR spectrum of the obtained white solid is shown in FIG. Heavy water was used as the heavy solvent. Moreover, IR spectrum of the obtained white solid is shown in FIG.
(Synthesis of homopolymer)
[Example 3]
<Synthesis of Diphenylsulfone Compound Homopolymer (P1)>
50mLシュレンク管にM2を1.0g(1.64mmol)、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド0.06g(0.16mmol)を入れ、シュレンク管を窒素置換し、2,2’−ビピリジル718mg(4.60mmol)、脱水ジメチルスルホキシドを8mL加え、80℃で溶解させた。すべて溶解したことを確認した後、ビス(シクロオクタジエン)ニッケル(0)を1.26g(4.58mmol)加えて80℃、24時間撹拌した。反応後溶液をメタノールに滴下し、ポリマーを析出させ、濾過により回収した。回収したポリマーは再度メタノール洗浄し、1N塩酸にポリマーを溶解させ、透析膜により2日間、水を交換しながら透析を行った。透析後のポリマーは溶媒を減圧留去し、80℃、2時間減圧乾燥することで、実施例3の高分子電解質であるP1(113mg、こげ茶色粉末)を得た。 A 50 mL Schlenk tube was charged with 1.0 g (1.64 mmol) of M2 and 0.06 g (0.16 mmol) of hexadecyltrimethylammonium bromide, and the Schlenk tube was purged with nitrogen to give 718 mg (4.60 mmol) of 2,2′-bipyridyl. 8 mL of dehydrated dimethyl sulfoxide was added and dissolved at 80 ° C. After confirming that all were dissolved, 1.26 g (4.58 mmol) of bis (cyclooctadiene) nickel (0) was added and stirred at 80 ° C. for 24 hours. After the reaction, the solution was added dropwise to methanol to precipitate a polymer, which was collected by filtration. The recovered polymer was washed again with methanol, dissolved in 1N hydrochloric acid, and dialyzed while exchanging water for 2 days using a dialysis membrane. The polymer after dialysis was distilled off the solvent under reduced pressure and dried under reduced pressure at 80 ° C. for 2 hours to obtain P1 (113 mg, dark brown powder) which is the polymer electrolyte of Example 3.
この得られたこげ茶色固体の1H−NMRスペクトルを図12に示す。なお、重溶媒は重水を用いた。また、得られたこげ茶色固体のIRスペクトルを図13に示す。
(交互共重合体の合成)
[実施例4]
<ジフェニルスルホン化合物の交互共重合体(P2)の合成>
FIG. 12 shows the 1 H-NMR spectrum of the obtained dark brown solid. Heavy water was used as the heavy solvent. Further, FIG. 13 shows an IR spectrum of the obtained dark brown solid.
(Synthesis of alternating copolymer)
[Example 4]
<Synthesis of Alternate Copolymer (P2) of Diphenylsulfone Compound>
50mLのシュレンク管にM1を5.14g(7.38mmol)、1,4−フェニレンジボロン酸を1.22g(7.36mmol)、炭酸カリウムを3.12g(22.6mmol)入れて窒素置換した。さらに、N,N−ジメチルホルムアミドを80mL、水50mL、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)20.0mg(0.0173mmol)を加えて、80℃で3日間撹拌した。反応後、溶媒を留去し、再び水を加えてセロファン製の筒を用いて透析を行った。その後、イオン交換樹脂(アンバーライトIR−120、アルドリッチ製)を用いて2回プロトン化(SO3Na基のSO3H基への変換)を行った。この溶液を濃縮して減圧乾燥後、実施例4の高分子電解質であるP2を3.35g(収率80%、茶色固体)得た。P2は水に可溶であった。 In a 50 mL Schlenk tube, 5.14 g (7.38 mmol) of M1, 1.22 g (7.36 mmol) of 1,4-phenylenediboronic acid, and 3.12 g (22.6 mmol) of potassium carbonate were substituted with nitrogen. . Further, 80 mL of N, N-dimethylformamide, 50 mL of water, and 20.0 mg (0.0173 mmol) of tetrakis (triphenylphosphine) palladium (0) were added and stirred at 80 ° C. for 3 days. After the reaction, the solvent was distilled off, water was added again, and dialysis was performed using a cellophane tube. Thereafter, protonation (conversion of SO 3 Na group to SO 3 H group) was performed twice using an ion exchange resin (Amberlite IR-120, manufactured by Aldrich). After concentrating this solution and drying under reduced pressure, 3.35 g (yield 80%, brown solid) of P2 which is the polymer electrolyte of Example 4 was obtained. P2 was soluble in water.
この得られた茶色固体の1H−NMRスペクトルを図14に示す。なお、重溶媒には重水を用いた。また、得られた茶色固体のIRスペクトルを図15に示す。
得られたP2の10重量%γ-ブチロラクトン溶液に、P2に対して20重量%のp−キシリレングリコールを添加した。調整した溶液をPET基材にキャストし、加熱乾燥した。このときp−キシリレングリコールの−CH2OH基とP2におけるC−H基の間で脱水反応が起こり、P2はp−キシリレングリコールにより架橋されたものと考えられる。実際、この熱処理の後ではP2は水に不溶となった。この加熱乾燥後、2M塩酸と純水で洗浄し、再び加熱乾燥し膜厚60μmの高分子電解質膜を得た。
FIG. 14 shows the 1 H-NMR spectrum of the obtained brown solid. Heavy water was used as the heavy solvent. Moreover, IR spectrum of the obtained brown solid is shown in FIG.
20% by weight of p-xylylene glycol with respect to P2 was added to the obtained 10% by weight γ-butyrolactone solution of P2. The prepared solution was cast on a PET substrate and dried by heating. At this time, a dehydration reaction occurs between the —CH 2 OH group of p-xylylene glycol and the C—H group in P2, and P2 is considered to be crosslinked by p-xylylene glycol. In fact, P2 became insoluble in water after this heat treatment. After this heat-drying, it was washed with 2M hydrochloric acid and pure water and again heat-dried to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 60 μm.
イオン交換容量、プロトン伝導度、熱水膨潤率、引張破断強度の測定結果は以下の通りであった。
・イオン交換容量:3.0meq/g
・プロトン伝導度:0.26S/cm(80℃相対湿度95%)
・熱水膨潤率:40%
・引張破断強度:13MPa
(ブロック共重合体の合成)
[実施例5]
<ジフェニルスルホン化合物のブロック共重合体(P3)の合成>
The measurement results of ion exchange capacity, proton conductivity, hot water swelling ratio, and tensile strength at break were as follows.
-Ion exchange capacity: 3.0 meq / g
Proton conductivity: 0.26 S / cm (80 ° C. relative humidity 95%)
-Hot water swelling rate: 40%
-Tensile strength at break: 13 MPa
(Synthesis of block copolymer)
[Example 5]
<Synthesis of diphenylsulfone compound block copolymer (P3)>
50mLシュレンク管にM2を0.50g(0.823mmol)入れ、120℃のオイルバスで減圧乾燥した。乾燥後、シュレンク管を窒素置換し、ポリエーテルスルホン(公知の方法でビス(4−クロロフェニル)スルホンとビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホンから、ビス(4−クロロフェニル)スルホンを過剰に用いる事により製造。重量平均分子量Mw=5.3×104)200mg、2,2’−ビピリジル359mg(2.30mmol)、脱水ジメチルスルホキシドを4mL加え、120℃で溶解させた。すべて溶解したことを確認した後、温度を80℃まで下げ、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)(Ni(cod)2)を0.63g(2.29mmol)加えて80℃、24時間撹拌した。反応後溶液をメタノールに滴下し、ポリマーを析出させ、濾過により回収した。回収したポリマーは再度メタノール洗浄し、3N塩酸中で撹拌することにより、プロトン化を行った。ポリマーを再度濾過により回収し、水で洗浄後、80℃、2時間減圧乾燥することで実施例5の高分子電解質であるP3(314mg、茶色固体)を得た。 A 50 mL Schlenk tube was charged with 0.50 g (0.823 mmol) of M2, and dried under reduced pressure in an oil bath at 120 ° C. After drying, the Schlenk tube is replaced with nitrogen, and polyether sulfone (produced from bis (4-chlorophenyl) sulfone and bis (4-hydroxyphenyl) sulfone by a known method by using bis (4-chlorophenyl) sulfone in excess. Weight average molecular weight Mw = 5.3 × 10 4 ) 200 mg, 2,2′-bipyridyl 359 mg (2.30 mmol), and 4 mL of dehydrated dimethyl sulfoxide were added and dissolved at 120 ° C. After confirming that all were dissolved, the temperature was lowered to 80 ° C., 0.63 g (2.29 mmol) of bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) (Ni (cod) 2 ) was added, and 80 ° C. For 24 hours. After the reaction, the solution was added dropwise to methanol to precipitate a polymer, which was collected by filtration. The recovered polymer was washed with methanol again and protonated by stirring in 3N hydrochloric acid. The polymer was collected again by filtration, washed with water, and dried under reduced pressure at 80 ° C. for 2 hours to obtain P3 (314 mg, brown solid) as the polymer electrolyte of Example 5.
得られたポリマーの10重量%ジメチルスルホキシド溶液から、PET基材上にキャストして成膜した。加熱乾燥後、2M塩酸と純水で洗浄し、再び加熱乾燥し膜厚30μmの高分子電解質膜を得た。 A 10% by weight dimethyl sulfoxide solution of the obtained polymer was cast on a PET substrate to form a film. After drying by heating, it was washed with 2M hydrochloric acid and pure water, and again dried by heating to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 30 μm.
イオン交換容量、プロトン伝導度、熱水膨潤率、引張破断強度の測定結果は以下の通りであった。
・イオン交換容量:1.4meq/g
・プロトン伝導度:0.17S/cm(80℃相対湿度95%)
・熱水膨潤率:20%
・引張破断強度:59MPa
[実施例6]
<ジフェニルスルホン化合物のブロック共重合体(P4:P3と同様の構造を持つ高分子の別途合成により得られた高分子)の合成>
The measurement results of ion exchange capacity, proton conductivity, hot water swelling ratio, and tensile strength at break were as follows.
・ Ion exchange capacity: 1.4 meq / g
Proton conductivity: 0.17 S / cm (80 ° C. relative humidity 95%)
-Hot water swelling rate: 20%
-Tensile strength at break: 59 MPa
[Example 6]
<Synthesis of diphenylsulfone compound block copolymer (P4: polymer obtained by separately synthesizing a polymer having the same structure as P3)>
200mLシュレンク管にM2を3.97g(6.53mmol)を入れ、120℃のオイルバスで減圧乾燥した。乾燥後、シュレンク管を窒素置換し、ポリエーテルスルホン(公知の方法でビス(4−クロロフェニル)スルホンとビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホンから、ビス(4−クロロフェニル)スルホンを過剰に用いる事により製造。重量平均分子量Mw=5.3×104)1.59g、2,2’−ビピリジル2.85g(18.2mmol)、脱水ジメチルスルホキシドを32mL加え、120℃で溶解させた。すべて溶解したことを確認した後、温度を80℃まで下げ、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)(Ni(cod)2)を5.0g(18.2mmol)加えて80℃、24時間撹拌した。反応後溶液をメタノールに滴下し、ポリマーを析出させ、濾過により回収した。回収したポリマーは再度メタノール洗浄し、3N塩酸中で撹拌することにより、プロトン化を行った。ポリマーを再度濾過により回収し、水で洗浄後、80℃、2時間減圧乾燥することで実施例6の高分子電解質であるP4(3.29g、茶色固体)を得た。 A 200 mL Schlenk tube was charged with 3.97 g (6.53 mmol) of M2, and dried under reduced pressure in an oil bath at 120 ° C. After drying, the Schlenk tube is replaced with nitrogen, and polyether sulfone (produced from bis (4-chlorophenyl) sulfone and bis (4-hydroxyphenyl) sulfone by a known method by using bis (4-chlorophenyl) sulfone in excess. (Weight average molecular weight Mw = 5.3 × 10 4 ) 1.59 g, 2.85 g (18.2 mmol) of 2,2′-bipyridyl and 32 mL of dehydrated dimethyl sulfoxide were added and dissolved at 120 ° C. After confirming that all were dissolved, the temperature was lowered to 80 ° C., and 5.0 g (18.2 mmol) of bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) (Ni (cod) 2 ) was added to the mixture at 80 ° C. For 24 hours. After the reaction, the solution was added dropwise to methanol to precipitate a polymer, which was collected by filtration. The recovered polymer was washed with methanol again and protonated by stirring in 3N hydrochloric acid. The polymer was recovered again by filtration, washed with water, and then dried under reduced pressure at 80 ° C. for 2 hours to obtain P4 (3.29 g, brown solid) as the polymer electrolyte of Example 6.
この得られた茶色固体の1H−NMRスペクトルを図16に示す。なお、重溶媒には、重ジメチルスルホキシドを用いた。また、得られた茶色固体P4のIRスペクトルを図17に示す。 FIG. 16 shows the 1 H-NMR spectrum of the obtained brown solid. Heavy dimethyl sulfoxide was used as the heavy solvent. Moreover, IR spectrum of the obtained brown solid P4 is shown in FIG.
得られたポリマーの10重量%ジメチルスルホキシド溶液から、PET基材上にキャストして成膜した。加熱乾燥後、2M塩酸と純水で洗浄し、再び加熱乾燥し膜厚30μmの高分子電解質膜を得た。 A 10% by weight dimethyl sulfoxide solution of the obtained polymer was cast on a PET substrate to form a film. After drying by heating, it was washed with 2M hydrochloric acid and pure water, and again dried by heating to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 30 μm.
イオン交換容量、プロトン伝導度の測定結果は以下の通りであった。
・イオン交換容量:1.51meq/g
・プロトン伝導度:0.27S/cm(80℃相対湿度95%)
(燃料電池セルの作製)
[実施例7]
<膜電極接合体の作成>
白金担持量が50質量%である白金担持カーボン触媒(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業製)と、20質量%高分子電解質分散溶液(ナフィオン:登録商標、DuPont社製)を溶媒中で混合し、遊星ボールミル(商品名:Pulverisette7、Fritsch製)で分散処理を行った。ボールミルのポット、ボールにはジルコニア製のものを用いた。出発原料の組成比を白金担持カーボン粒子とナフィオンの質量比で2:1としたものを電極触媒インクとした。
The measurement results of ion exchange capacity and proton conductivity were as follows.
-Ion exchange capacity: 1.51 meq / g
Proton conductivity: 0.27 S / cm (80 ° C. relative humidity 95%)
(Production of fuel cell)
[Example 7]
<Creation of membrane electrode assembly>
A platinum-supported carbon catalyst (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) having a platinum-supported amount of 50% by mass and a 20% by mass polymer electrolyte dispersion solution (Nafion: registered trademark, manufactured by DuPont) are mixed in a solvent. The dispersion treatment was performed with a planetary ball mill (trade name: Pulverisette 7, manufactured by Fritsch). Ball mill pots and balls made of zirconia were used. The electrocatalyst ink was prepared by setting the composition ratio of the starting material to 2: 1 by mass ratio of the platinum-supported carbon particles and Nafion.
電極触媒層インクをETFE(エチレンとテトラフルオロエチレンの共重合体)基材上に塗布し、アプリケーターにより塗工した。塗工した電極触媒層を60℃で10分間乾燥させて作製した。 The electrode catalyst layer ink was applied onto an ETFE (ethylene / tetrafluoroethylene copolymer) substrate and coated with an applicator. The coated electrode catalyst layer was produced by drying at 60 ° C. for 10 minutes.
また、電極触媒層の厚さは、白金担持量が約0.3mg/cm2になるように調整し、電極触媒層の電極面積は5cm2の正方形になるようにカッティングした。5cm2の正方形に切り抜かれた電極触媒層を実施例5の高分子P3から得られた電解質膜の両面に対面するように転写シートを配置し、130℃の条件で15分間ホットプレスして膜電極接合体を作製した。
<燃料電池セルの作製>
市販の株式会社エヌエフ回路設計ブロック製の標準セルを用いた。上記膜電極接合体の両外側にガス通路用の溝を切削加工したカーボン製セパレーター、さらにその外側に集電体、エンドプレートを配置し、ボルトで締め付けることによって、有効膜面積5cm2の燃料電池セルを組み立てて実施例7の燃料電池セルを得た。
<燃料電池セルの発電性能評価>
実施例7の燃料電池セルを80℃に保ち、アノードに加湿水素、カソードに加湿空気を供給した。加湿はバブラーにガスを通すことで行い、水素用のバブラーの水温は80℃、空気用のバブラーの水温は80℃とした。水素のガス流量は500mL/min、空気のガス流量は1000mL/minとした。電流密度が1.0A/cm2の時の電圧を測定したところ、0.6Vであった。
The thickness of the electrode catalyst layer was adjusted so that the amount of platinum supported was about 0.3 mg / cm 2, and the electrode area of the electrode catalyst layer was cut so as to be a square of 5 cm 2 . A transfer sheet is placed so that the electrode catalyst layer cut into a square of 5 cm 2 faces both surfaces of the electrolyte membrane obtained from the polymer P3 of Example 5, and the membrane is hot-pressed at 130 ° C. for 15 minutes. An electrode assembly was produced.
<Fabrication of fuel cell>
A standard cell made by a commercially available NF circuit design block was used. A fuel cell having an effective membrane area of 5 cm 2 by disposing a carbon separator having gas passage grooves cut on both outer sides of the membrane electrode assembly, and further arranging a current collector and an end plate on the outer side and tightening them with bolts. The cell was assembled to obtain a fuel cell of Example 7.
<Evaluation of power generation performance of fuel cells>
The fuel cell of Example 7 was kept at 80 ° C., and humidified hydrogen was supplied to the anode and humidified air was supplied to the cathode. Humidification was performed by passing gas through a bubbler. The water temperature of the bubbler for hydrogen was 80 ° C, and the water temperature of the bubbler for air was 80 ° C. The hydrogen gas flow rate was 500 mL / min, and the air gas flow rate was 1000 mL / min. The voltage when the current density was 1.0 A / cm 2 was measured and found to be 0.6V.
[実施例8]
<OCV耐久性試験評価>
実施例7と同様に作製した燃料電池セルを100℃に保ち、アノードに加湿水素、カソードに加湿空気の代わりに加湿酸素を供給した。加湿はバブラーにガスを通すことで行い、水素用のバブラーの水温は65℃、酸素用のバブラーの水温は65℃とした。水素のガス流量は200mL/min、酸素のガス流量は400mL/minとした。セルを開回路状態で所定の時間、電圧値をモニタリングした(OCV耐久性試験)。実施例8の燃料電池セルは、140時間経過後も、初期電圧値の90%以上を保持していた。試験後にセルを開き、電解質膜を観察したが、特に目立った劣化の形跡は見られなかった。
[Example 8]
<OCV durability test evaluation>
A fuel cell produced in the same manner as in Example 7 was kept at 100 ° C., and humidified oxygen was supplied to the anode instead of humidified hydrogen and humidified air to the cathode. Humidification was performed by passing a gas through a bubbler. The water temperature of the hydrogen bubbler was 65 ° C., and the water temperature of the oxygen bubbler was 65 ° C. The hydrogen gas flow rate was 200 mL / min, and the oxygen gas flow rate was 400 mL / min. The voltage value was monitored for a predetermined time in an open circuit state of the cell (OCV durability test). The fuel cell of Example 8 maintained 90% or more of the initial voltage value even after 140 hours. After the test, the cell was opened and the electrolyte membrane was observed, but no particularly noticeable signs of deterioration were observed.
[比較例1]
実施例5の電解質膜の代わりに、市販のナフィオン211膜を用いて実施例7と同様に比較例1の燃料電池セルを作製し、実施例8と同様にOCV耐久性試験を実施したところ、20時間ほどで電圧値は50%以下まで低下した。試験後にセルを開き、電解質膜を観察してみると、劣化し複数の穴が生じていた。
[Comparative Example 1]
A fuel cell of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 7 using a commercially available Nafion 211 membrane instead of the electrolyte membrane in Example 5, and the OCV durability test was conducted in the same manner as in Example 8. In about 20 hours, the voltage value decreased to 50% or less. When the cell was opened after the test and the electrolyte membrane was observed, it deteriorated and a plurality of holes were formed.
以上のように、実施例4及び実施例5の高分子電解質は、熱水膨潤率が40%以下となることが認められた。これに対し、スルホン化ポリエーテルケトンやスルホン化ポリエーテルスルホン等の従来からある芳香族炭化水素系高分子電解質の熱水膨潤率は50%以上であると推測される。すなわち、本実施形態の高分子電解質は、膨潤が抑えられていることが示唆される。これは、上述のように、連結基によってイオン交換基とベンゼン環が遠ざけられていることに起因する。 As described above, it was confirmed that the polymer electrolytes of Examples 4 and 5 had a hot water swelling rate of 40% or less. On the other hand, the hot water swelling rate of conventional aromatic hydrocarbon polymer electrolytes such as sulfonated polyetherketone and sulfonated polyethersulfone is estimated to be 50% or more. That is, it is suggested that the polymer electrolyte of this embodiment has suppressed swelling. As described above, this is because the ion exchange group and the benzene ring are separated by the linking group.
また、交互共重合体である実施例4よりも、ブロック共重合体である実施例5の方が、引張破断強度が高くなることが認められた。すなわち、交互共重合体よりも、ブロック共重合体の方が機械強度を高められることが示唆される。なお、比較例1で用いたナフィオン211膜の引張破断強度は25MPaであった。したがって、実施例5の高分子電解質は、ナフィオンよりも高い機械強度を有することが示唆される。 Moreover, it was recognized that the tensile break strength becomes higher in Example 5 which is a block copolymer than in Example 4 which is an alternating copolymer. That is, it is suggested that the mechanical strength of the block copolymer is higher than that of the alternating copolymer. The tensile strength at break of the Nafion 211 film used in Comparative Example 1 was 25 MPa. Therefore, it is suggested that the polymer electrolyte of Example 5 has higher mechanical strength than Nafion.
また、比較例1の燃料電池セルよりも、実施例7の燃料電池セルの方が、高温低湿度下における耐久性が高くなることが認められた。すなわち、本実施形態の高分子電解質は、ナフィオンよりも高温低湿度下における耐久性が高められていることが示唆される。 Moreover, it was recognized that the fuel cell of Example 7 has higher durability under high temperature and low humidity than the fuel cell of Comparative Example 1. That is, it is suggested that the polymer electrolyte of the present embodiment has higher durability under high temperature and low humidity than Nafion.
1…固体高分子電解質膜、2a,2b…電極触媒層、3…膜電極接合体、4a,4b…ガス拡散層、5…空気極、6…燃料極、7a,7b…セパレーター、8a,8b…ガス流路、9a,9b…冷却水流路、10…固体高分子形燃料電池。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid polymer electrolyte membrane, 2a, 2b ... Electrode catalyst layer, 3 ... Membrane electrode assembly, 4a, 4b ... Gas diffusion layer, 5 ... Air electrode, 6 ... Fuel electrode, 7a, 7b ... Separator, 8a, 8b ... gas flow path, 9a, 9b ... cooling water flow path, 10 ... solid polymer fuel cell.
Claims (12)
X1及びX2は、それぞれ独立にハロゲン原子であり、
Y1及びY2は、それぞれ独立に第1族元素及び第2族元素からなる群から選択される原子である。 The polymer represented by any one of the following general formula (1-1), the following general formula (1-2), the following general formula (1-3), and the following general formula (1-4) Diphenyl sulfone compound for electrolyte.
X 1 and X 2 are each independently a halogen atom,
Y 1 and Y 2 are each independently an atom selected from the group consisting of Group 1 elements and Group 2 elements.
Y1及びY2は、それぞれ独立に、第1族元素及び第2族元素からなる群から選択される原子であり、
mは、2以上の整数である。 The main chain includes a structure represented by any of the following general formula (3-1), the following general formula (3-2), the following general formula (3-3), and the following general formula (3-4). A polymer electrolyte characterized by
Y 1 and Y 2, each independently, Ri Ah with atoms selected from the group consisting of alkali metal and a Group 2 element,
m is an integer of 2 or more .
当該高分子電解質が、
前記一般式(3−1)、前記一般式(3−2)、前記一般式(3−3)、及び、前記一般式(3−4)のいずれかで示される構造を含むブロックと、イオン交換基を含まないブロックとを主鎖に含むブロック共重合体であることを特徴とする高分子電解質。 The polymer electrolyte according to claim 2, wherein
The polymer electrolyte is
A block including a structure represented by any one of the general formula (3-1), the general formula (3-2), the general formula (3-3), and the general formula (3-4); A polymer electrolyte, characterized in that it is a block copolymer containing a block containing no exchange group in its main chain.
前記構造は、前記一般式(3−2)、前記一般式(3−3)、及び、前記一般式(3−4)のいずれかで示される構造であり、
前記イオン交換基を含まないブロックが、下記一般式(4)で示されることを特徴とする高分子電解質。
B1及びB2は、それぞれ独立に2価の連結基、もしくは、それぞれが独立に存在せず、2価の芳香族基がB1またはB2を介さずに直接結合していることを示す。
C1及びC2は、それぞれ独立に酸素原子または硫黄原子である。
b、c、d、及び、eは、それぞれ独立に0または1である。
nは、5以上の整数である。 The polymer electrolyte according to claim 3, wherein
The structure is a structure represented by any one of the general formula (3-2), the general formula (3-3), and the general formula (3-4),
The polymer electrolyte, wherein the block not containing the ion exchange group is represented by the following general formula (4).
B 1 and B 2 are each independently a divalent linking group, or each of them is not independently present, indicating that a divalent aromatic group is directly bonded without passing through B 1 or B 2. .
C 1 and C 2 are each independently an oxygen atom or a sulfur atom.
b, c, d, and e are each independently 0 or 1.
n is an integer of 5 or more.
イオン交換容量が、0.5ミリ当量/g以上4.0ミリ当量/g以下であることを特徴とする高分子電解質。 The polymer electrolyte according to any one of claims 2 to 4, wherein
An ion exchange capacity is 0.5 meq / g or more and 4.0 meq / g or less.
当該高分子電解質のプロトン酸基以外の部分が架橋剤で架橋された架橋構造を含むことを特徴とする高分子電解質。 The polymer electrolyte according to any one of claims 2 to 5, wherein
A polymer electrolyte comprising a crosslinked structure in which a portion other than the protonic acid group of the polymer electrolyte is crosslinked with a crosslinking agent.
下記一般式(5−2)で示されるジフェニルスルホン化合物を金属錯体の存在下で重合することによって、電解質に含まれる高分子として下記一般式(5−6)で示される構造を主鎖に含む高分子を生成することを特徴とする高分子電解質の製造方法。
X1及びX2は、それぞれ独立にハロゲン原子であり、
Y1及びY2は、それぞれ独立に第1族元素及び第2族元素からなる群から選択された原子であり、
mは、2以上の整数である。 A method for producing a polymer electrolyte, comprising:
By the diphenyl sulfone compound represented by the following following general formula (5-2) polymerized in the presence of a metal complex in the main chain structure represented by the following general formula (5-6) as the polymer contained in the electrolyte A method for producing a polymer electrolyte, comprising producing a polymer containing the polymer electrolyte.
X 1 and X 2 are each independently a halogen atom,
Y 1 and Y 2, Ri Ah each independently alkali metal and the atomic selected from the group consisting of a Group 2 element,
m is an integer of 2 or more .
下記一般式(5−3)で示されるジフェニルスルホン化合物を金属錯体の存在下で重合することによって、電解質に含まれる高分子として下記一般式(5−7)で示される構造を主鎖に含む高分子を生成することを特徴とする高分子電解質の製造方法。
X1及びX2は、それぞれ独立にハロゲン原子であり、
Y1及びY2は、それぞれ独立に第1族元素及び第2族元素からなる群から選択された原子であり、
mは、2以上の整数である。 A method for producing a polymer electrolyte, comprising:
By the diphenyl sulfone compound represented by the following following general formula (5-3) polymerized in the presence of a metal complex in the main chain structure represented by the following general formula (5-7) as the polymer contained in the electrolyte A method for producing a polymer electrolyte, comprising producing a polymer containing the polymer electrolyte.
X 1 and X 2 are each independently a halogen atom,
Y 1 and Y 2, Ri Ah each independently alkali metal and the atomic selected from the group consisting of a Group 2 element,
m is an integer of 2 or more .
下記一般式(5−4)で示されるジフェニルスルホン化合物を金属錯体の存在下で重合することによって、電解質に含まれる高分子として下記一般式(5−8)で示される構造を主鎖に含む高分子を生成することを特徴とする高分子電解質の製造方法。
X1及びX2は、それぞれ独立にハロゲン原子であり、
Y1及びY2は、それぞれ独立に第1族元素及び第2族元素からなる群から選択された
原子であり、
mは、2以上の整数である。 A method for producing a polymer electrolyte, comprising:
By the diphenyl sulfone compound represented by the following following general formula (5-4) polymerized in the presence of a metal complex in the main chain structure represented by the following general formula (5-8) as the polymer contained in the electrolyte A method for producing a polymer electrolyte, comprising producing a polymer containing the polymer electrolyte.
X 1 and X 2 are each independently a halogen atom,
Y 1 and Y 2, Ri Ah each independently alkali metal and the atomic selected from the group consisting of a Group 2 element,
m is an integer of 2 or more .
前記金属錯体の存在下での重合は、前記ジフェニルスルホン化合物と下記一般式(5−5)で示される化合物とのブロック共重合体を生成する共重合であることを特徴とする高分子電解質の製造方法。
B1及びB2は、それぞれ独立に2価の連結基、もしくは、それぞれが独立に存在せず、2価の芳香族基がB1またはB2を介さずに直接結合していることを示し、
C1及びC2は、それぞれ独立に酸素原子または硫黄原子であり、
b、c、d、及び、eは、それぞれ独立に0または1であり、
nは、5以上の整数であり、
Zは、縮合反応における脱離基を示す。 It is a manufacturing method of the polymer electrolyte as described in any one of Claims 7-9, Comprising :
Polymerization in the presence of the metal complex is a copolymer that forms a block copolymer of the diphenylsulfone compound and a compound represented by the following general formula (5-5). Production method.
B 1 and B 2 each independently represent a divalent linking group, or each independently represents a divalent aromatic group bonded directly without B 1 or B 2. ,
C 1 and C 2 are each independently an oxygen atom or a sulfur atom,
b, c, d, and e are each independently 0 or 1,
n is an integer of 5 or more,
Z represents a leaving group in the condensation reaction.
前記電極触媒層に接合される固体高分子電解質膜と、
を備える膜電極接合体であって、
前記固体高分子電解質膜が、請求項2〜6のいずれか一項に記載の高分子電解質を含むことを特徴とする膜電極接合体。 An electrode catalyst layer;
A solid polymer electrolyte membrane bonded to the electrode catalyst layer;
A membrane electrode assembly comprising:
The said solid polymer electrolyte membrane contains the polymer electrolyte as described in any one of Claims 2-6, The membrane electrode assembly characterized by the above-mentioned.
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