JPWO2008038702A1 - Sulfonic acid group-containing polymer, production method thereof, polymer electrolyte membrane using sulfonic acid group-containing polymer, membrane / electrode assembly, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】柔軟性、安定性に優れ、燃料電池などの用途に好適な新規スルホン酸基含有ポリマーを提供すること。【解決手段】少なくとも下記化学式1及び2で表される構造を構造単位として有することを特徴とするスルホン酸基含有ポリマー。【化1】[化学式1及び2において、Xは−S(=O)2−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、R1は炭素数1〜10のアルキレン基、アリーレン基、直接結合のいずれかを、R2は炭素数2〜20のアルキレン基又はアラルキレン基を、Ar1は電子吸引性基を有する2価の芳香族基を、n及びmはそれぞれの構造単位のモル数を表す。]【選択図】なしDisclosed is a novel sulfonic acid group-containing polymer which is excellent in flexibility and stability and is suitable for applications such as fuel cells. A sulfonic acid group-containing polymer having at least a structure represented by the following chemical formulas 1 and 2 as a structural unit. [In the chemical formulas 1 and 2, X represents —S (═O) 2 — or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and R 1 represents 1 to 1 carbon atoms. Any one of 10 alkylene groups, arylene groups, and direct bonds, R2 is an alkylene group or aralkylene group having 2 to 20 carbon atoms, Ar1 is a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group, and n and m are Represents the number of moles of each structural unit. ] [Selection figure] None
Description
本発明は、新規な構造のスルホン酸基含有ポリマー、その製造方法、該ポリマーを用いた高分子電解質膜、膜/電極接合体及び燃料電池などの用途に関する。 The present invention relates to a sulfonic acid group-containing polymer having a novel structure, a production method thereof, a polymer electrolyte membrane using the polymer, a membrane / electrode assembly, and a fuel cell.
近年、エネルギー効率や環境性に優れた新しい発電技術が注目を集めている。中でも高分子固体電解質膜を使用した固体高分子型燃料電池はエネルギー密度が高く、また、他の方式の燃料電池に比べて運転温度が低いため起動、停止が容易であるなどの特徴を有するため、電気自動車や分散発電などの電源装置としての開発が進んできている。 In recent years, new power generation technologies with excellent energy efficiency and environmental friendliness have attracted attention. Among them, polymer electrolyte fuel cells using polymer electrolyte membranes have high energy density, and have characteristics such as easy start and stop because of lower operating temperatures than other types of fuel cells. Developments as power supply devices for electric vehicles and distributed power generation are advancing.
高分子固体電解質膜には通常プロトン伝導性の高分子電解質膜が使用される。高分子固体電解質膜にはプロトン伝導性以外にも、燃料の水素などの透過を防ぐ燃料透過抑止性や機械的強度などの特性が必要である。このような高分子固体電解質膜としては、スルホン酸基を導入したパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含む膜が知られている。しかしながら、分子中にフッ素を含むため、使用条件によっては排気ガス中に有害なフッ酸が発生することや、廃棄時に環境への負荷が大きいことなどが問題視されている。 As the polymer solid electrolyte membrane, a proton conductive polymer electrolyte membrane is usually used. In addition to proton conductivity, the polymer solid electrolyte membrane must have characteristics such as fuel permeation deterrence and mechanical strength that prevent permeation of hydrogen and the like of the fuel. As such a polymer solid electrolyte membrane, a membrane containing a perfluorocarbon sulfonic acid polymer into which a sulfonic acid group has been introduced is known. However, since fluorine is contained in the molecule, harmful hydrofluoric acid is generated in the exhaust gas depending on the use conditions, and the environmental load is high at the time of disposal.
パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜は、燃料電池の電解質膜としてバランスのよい特性を示すものの、合成方法が複雑であり、コストや性能などで、より優れた膜を得るために、炭化水素系高分子電解質膜の開発が盛んに行われている。
多くの炭化水素系高分子電解質膜には、ポリイミドやポリスルホンなどの耐熱性ポリマーに、スルホン酸基などのイオン性基を導入したポリマーが用いられている(例えば特許文献1を参照)。Although perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membranes have well-balanced characteristics as fuel cell electrolyte membranes, the synthesis method is complicated, and in order to obtain better membranes in terms of cost and performance, hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes Polymer electrolyte membranes have been actively developed.
Many hydrocarbon polymer electrolyte membranes use a polymer in which an ionic group such as a sulfonic acid group is introduced into a heat-resistant polymer such as polyimide or polysulfone (see, for example, Patent Document 1).
一般に炭化水素系高分子電解質膜では、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜と同等のプロトン伝導性を発現させるためには、より多くのイオン性基を導入する必要がある。しかしながら、一般にイオン性基の量が多くなると、耐久性が低下する傾向にある。そのため、ポリマーの構造を改良し、より膨潤性を抑制した炭化水素系高分子電解質膜もある(例えば特許文献2を参照)。 In general, it is necessary to introduce more ionic groups in a hydrocarbon polymer electrolyte membrane in order to develop proton conductivity equivalent to that of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membrane. However, generally, when the amount of ionic groups increases, the durability tends to decrease. Therefore, there is also a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane in which the polymer structure is improved and the swelling property is further suppressed (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、芳香族系の炭化水素系高分子電解質膜は、乾燥した場合に脆さが大きくなる傾向があるため、主鎖構造に脂肪族基を組み込むことが提案されている(例えば特許文献3を参照)。しかしながら、具体的な構造として挙げられている、オキシアルキレン基やオキシアルキレンオキシ基のような脂肪族基は、酸化によって切断されやすく、燃料電池の高分子電解質膜には適していないという問題を有していた。また、両末端に芳香族基を有するアルキレン基も例示されているが、脂肪族基の導入効果が芳香族基で損なわれるため好ましくない場合があった。 However, since aromatic hydrocarbon polymer electrolyte membranes tend to become brittle when dried, it has been proposed to incorporate aliphatic groups into the main chain structure (see, for example, Patent Document 3). reference). However, aliphatic groups such as oxyalkylene groups and oxyalkyleneoxy groups listed as specific structures are susceptible to cleavage by oxidation and are not suitable for polymer electrolyte membranes of fuel cells. Was. Moreover, although the alkylene group which has an aromatic group at both ends is illustrated, since the effect of introducing an aliphatic group is impaired by the aromatic group, it may not be preferable.
本発明は従来技術の課題を背景になされたもので、主鎖構造に脂肪族基を導入しても上記の欠点のない安定な新規スルホン酸基含有ポリマーを提供することであり、優れたプロトン伝導性と耐久性を示す高分子電解質膜、該高分子電解質膜を用いた膜/電極接合体、燃料電池などの用途を提供することを課題とするものである。 The present invention has been made against the background of the problems of the prior art, and is to provide a stable novel sulfonic acid group-containing polymer that does not have the above-described drawbacks even when an aliphatic group is introduced into the main chain structure. It is an object of the present invention to provide uses such as a polymer electrolyte membrane exhibiting conductivity and durability, a membrane / electrode assembly using the polymer electrolyte membrane, and a fuel cell.
本発明者らは上記課題を解決するため、鋭意研究した結果、脂肪族鎖を導入する構造として、脂肪族ビススルフィド構造を用いると優れた特性が得られることを見出し、ついに本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、
(1)少なくとも下記化学式1及び2で表される構造単位を有することを特徴とするスルホン酸基含有ポリマー。
(2)下記化学式3及び4で表される構造をさらに構造単位として有する(1)に記載のスルホン酸基含有ポリマー。
(3)下記化学式5及び6で表される構造をさらに構造単位として有する(1)又は(2)に記載のスルホン酸基含有ポリマー。
(4)化学式2、4及び6におけるAr1が、下記化学式7〜10で表される構造単位のうちの少なくとも1種である(1)〜(3)に記載のスルホン酸基含有ポリマー。
(6)化学式1、3、5及び12におけるR1がSO3Y基との直接結合である(1)〜(3)に記載のスルホン酸基含有ポリマー。
(7)化学式1及び2におけるR2が直鎖のアルキレン基である(1)〜(3)に記載のスルホン酸基含有ポリマー。
(8)化学式3及び4におけるZ1が酸素原子である(2)に記載のスルホン酸基含有ポリマー。
(9)化学式3及び4におけるZ2がベンゼン環の直接結合である(2)に記載のスルホン酸基含有ポリマー。
(10)化学式3及び4におけるZ2が、−C(CH3)2−基、−C(CF3)2−基、シクロヘキシレン基のいずれかである(2)に記載のスルホン酸基含有ポリマー。
(11)化学式5及び6におけるZ3が酸素原子である(3)に記載のスルホン酸基含有ポリマー。
(12)化学式3及び4におけるAr2がベンゼン環である(3)に記載のスルホン酸基含有ポリマー。
(13)化学式5及び6におけるqが1である(3)に記載のスルホン酸基含有ポリマー。As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that excellent characteristics can be obtained by using an aliphatic bissulfide structure as a structure for introducing an aliphatic chain, and finally complete the present invention. It came to. That is, the present invention
(1) A sulfonic acid group-containing polymer having at least a structural unit represented by the following chemical formulas 1 and 2.
(2) The sulfonic acid group-containing polymer according to (1), further having a structure represented by the following chemical formulas 3 and 4 as a structural unit.
(3) The sulfonic acid group-containing polymer according to (1) or (2), further having a structure represented by the following chemical formulas 5 and 6 as a structural unit.
(4) The sulfonic acid group-containing polymer according to (1) to (3), wherein Ar 1 in chemical formulas 2, 4 and 6 is at least one of structural units represented by chemical formulas 7 to 10 below.
(6) The sulfonic acid group-containing polymer according to any one of (1) to (3), wherein R 1 in the chemical formulas 1, 3, 5 and 12 is a direct bond with the SO 3 Y group.
(7) R 2 in Chemical Formula 1 and 2 is a linear alkylene group (1) to (3) sulfonic acid group-containing polymer according to.
(8) The sulfonic acid group-containing polymer according to (2), wherein Z 1 in Chemical Formulas 3 and 4 is an oxygen atom.
(9) The sulfonic acid group-containing polymer according to (2), wherein Z 2 in Chemical Formulas 3 and 4 is a direct bond of a benzene ring.
(10) The sulfonic acid group-containing group according to (2), wherein Z 2 in Chemical Formulas 3 and 4 is any one of a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, and a cyclohexylene group. polymer.
(11) The sulfonic acid group-containing polymer according to (3), wherein Z 3 in chemical formulas 5 and 6 is an oxygen atom.
(12) The sulfonic acid group-containing polymer according to (3), wherein Ar 2 in Chemical Formulas 3 and 4 is a benzene ring.
(13) The sulfonic acid group-containing polymer according to (3), wherein q in Chemical Formulas 5 and 6 is 1.
(14)化学式1〜6におけるn、m、o、p、r、sが下記数式1〜3を満たす(1)〜(13)のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマー。
0.05≦(n+o+r)/(n+m+o+p+r+s)≦0.70 (数式1)
0.01≦(o+p)/(n+m+o+p+r+s)≦0.99 (数式2)
0≦(r+s)/(n+m+o+p+r+s)≦0.10 (数式3)
0.01≦(n+m)/(n+m+o+p+r+s)≦1.00 (数式4)
(15)(1)〜(14)に記載のスルホン酸基含有ポリマーからなる高分子電解質膜。
(16)化学式1〜6におけるn、m、o、p、r、sが下記数式4〜6を満たし、ダイレクトメタノール燃料電池用である(15)に記載の高分子電解質膜。
0.05≦(n+o+r)/(n+m+o+p+r+s)≦0.40 (数式5)
0.10≦(o+p)/(n+m+o+p+r+s)≦0.90 (数式6)
0≦(r+s)/(n+m+o+p+r+s)≦0.10 (数式7)
0.1≦(n+m)/(n+m+o+p+r+s)≦0.9 (数式8)
(17)化学式1〜6におけるn、m、o、p、r、sが下記数式7〜9を満たし、水素を燃料とする燃料電池用である(15)に記載の高分子電解質膜。
0.15≦(n+o+r)/(n+m+o+p+r+s)≦0.70 (数式9)
0.01≦(o+p)/(n+m+o+p+r+s)≦0.70 (数式10)
0≦(r+s)/(n+m+o+p+r+s)≦0.10 (数式11)
0.05≦(n+m)/(n+m+o+p+r+s)≦0.8 (数式12)(14) The sulfonic acid group-containing polymer according to any one of (1) to (13), wherein n, m, o, p, r, and s in chemical formulas 1 to 6 satisfy the following formulas 1 to 3.
0.05 ≦ (n + o + r) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.70 (Formula 1)
0.01 ≦ (o + p) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.99 (Formula 2)
0 ≦ (r + s) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.10 (Formula 3)
0.01 ≦ (n + m) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 1.00 (Formula 4)
(15) A polymer electrolyte membrane comprising the sulfonic acid group-containing polymer as described in (1) to (14).
(16) The polymer electrolyte membrane according to (15), wherein n, m, o, p, r, and s in chemical formulas 1 to 6 satisfy the following formulas 4 to 6 and are for direct methanol fuel cells.
0.05 ≦ (n + o + r) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.40 (Formula 5)
0.10 ≦ (o + p) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.90 (Formula 6)
0 ≦ (r + s) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.10 (Formula 7)
0.1 ≦ (n + m) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.9 (Formula 8)
(17) The polymer electrolyte membrane according to (15), wherein n, m, o, p, r, and s in chemical formulas 1 to 6 satisfy the following formulas 7 to 9 and are for a fuel cell using hydrogen as a fuel.
0.15 ≦ (n + o + r) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.70 (Equation 9)
0.01 ≦ (o + p) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.70 (Formula 10)
0 ≦ (r + s) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.10 (Formula 11)
0.05 ≦ (n + m) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.8 (Formula 12)
(18)(15)〜(17)に記載の高分子電解質膜と電極触媒層からなる膜/電極接合体。
(19)膜/電極接合体の電極触媒層に、(1)〜(14)のいずれかのスルホン酸基含有ポリマーを用いてなる膜/電極接合体。(18) A membrane / electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane according to (15) to (17) and an electrode catalyst layer.
(19) A membrane / electrode assembly using the sulfonic acid group-containing polymer of any one of (1) to (14) for the electrode catalyst layer of the membrane / electrode assembly.
(20)(18)又は(19)に記載の膜/電極接合体を用いてなる燃料電池。 (20) A fuel cell comprising the membrane / electrode assembly according to (18) or (19).
(21)(1)のスルホン酸基含有ポリマーの芳香族求核置換反応による製造方法であって、主鎖構造に脂肪族基を導入するに際し、化学式11で表される構造の化合物を反応成分の一つとして用いることを特徴とするスルホン酸基含有ポリマーの製造方法。
である。(21) A method for producing an aromatic nucleophilic substitution reaction of a sulfonic acid group-containing polymer of (1), wherein when introducing an aliphatic group into the main chain structure, a compound having a structure represented by Chemical Formula 11 is used as a reaction component. A method for producing a sulfonic acid group-containing polymer, characterized by being used as one of the following.
It is.
本発明による新規スルホン酸基含有ポリマーは、ポリマーの柔軟性が向上して脆さが改善され、高分子電解質膜とした場合に、従来の炭化水素系高分子電解質膜に比べて、プロトン伝導性と耐久性に優れるという長所を有している。
また、本発明の高分子電解質膜は、電極触媒層との接合性、出力特性、耐久性に優れ、燃料にメタノール、ジメチルエーテル、ギ酸などの液体や、水素などの気体などを用いる固体高分子型燃料電池に好適に用いることができる。さらに、電解膜、分離膜など、高分子電解質膜としても公知の任意の用途に用いることができる。The novel sulfonic acid group-containing polymer according to the present invention has improved polymer flexibility and improved brittleness, and when used as a polymer electrolyte membrane, the proton conductivity is higher than that of a conventional hydrocarbon polymer electrolyte membrane. And has the advantage of excellent durability.
In addition, the polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in bondability with the electrode catalyst layer, output characteristics and durability, and is a solid polymer type using a liquid such as methanol, dimethyl ether or formic acid or a gas such as hydrogen as the fuel. It can be suitably used for a fuel cell. Furthermore, it can be used for any known application as a polymer electrolyte membrane such as an electrolytic membrane and a separation membrane.
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、少なくとも化学式1及び化学式2で表される構造単位を有するポリマーである。それぞれの構造単位は、同じものが連続して結合していてもよいし、ランダムや交互に結合していてもよい。化学式1におけるn及び化学式2におけるmは、それぞれ独立して1〜1000の整数を表す。Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is a polymer having at least structural units represented by Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2. As for each structural unit, the same thing may be couple | bonded continuously and may be couple | bonded together randomly or alternately. N in Chemical Formula 1 and m in Chemical Formula 2 each independently represent an integer of 1 to 1000.
本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、化学式1及び2で表される構造単位に加えて、化学式3及び化学式4で表される構造単位を有していることがより好ましい。それぞれの構造単位は、同じものが連続して結合していてもよいし、ランダムや交互に結合していてもよい。化学式3におけるo及び化学式4におけるmは、それぞれ独立して1〜1000の整数を表す。 The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention more preferably has structural units represented by Chemical Formulas 3 and 4 in addition to the structural units represented by Chemical Formulas 1 and 2. As for each structural unit, the same thing may be couple | bonded continuously and may be couple | bonded together randomly or alternately. O in Chemical Formula 3 and m in Chemical Formula 4 each independently represent an integer of 1 to 1000.
本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、化学式1及び化学式2で表される構造単位に加えて、化学式5及び化学式6で表される構造単位を有していると、化学的な耐久性が向上するためより好ましい。さらに化学式1〜6で表される全ての構造単位を有しているとさらに好ましい。それぞれの構造単位は、同じものが連続して結合していてもよいし、ランダムや交互に結合していてもよい。化学式5におけるr及び化学式6におけるsは、それぞれ独立して1〜1000の整数を表す。 When the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention has a structural unit represented by Chemical Formula 5 and Chemical Formula 6 in addition to the structural unit represented by Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2, the chemical durability is improved. Therefore, it is more preferable. Furthermore, it is more preferable to have all the structural units represented by Chemical Formulas 1-6. As for each structural unit, the same thing may be couple | bonded continuously and may be couple | bonded together randomly or alternately. R in Chemical Formula 5 and s in Chemical Formula 6 each independently represent an integer of 1 to 1000.
化学式1、化学式3、及び化学式5におけるXは−S(=O)2−基又は−C(=O)−基を表すが、−S(=O)2−基であると、溶媒への溶解性が高まるため好ましい。また、−C(=O)−基であると、ポリマーに光架橋性を付与することが可能になるため好ましい。化学式1におけるYはH又は1価の陽イオンを表すが、燃料電池のプロトン交換膜として用いる場合には、YはHであることが好ましい。また、溶解、成形、製膜などの加工においては、YがHであるよりも1価の陽イオンであるほうが、スルホン酸基の熱安定性が高まるため好ましい。1価の陽イオンとしては、Na、K、Liなどのアルカリ金属イオンや、アンモニウムイオン、第四級アミン塩などが例として挙げることができ、Na、K、Liなどのアルカリ金属のイオンが好ましい。アルカリ金属塩となっているスルホン酸基は、硫酸、塩酸、過塩素酸などの強酸又はその水溶液でポリマーを処理することによって、スルホン酸基に変換することができる。スルホン酸基を有するポリマーは高いプロトン伝導性を示し、プロトン交換樹脂や、プロトン交換膜として用いることができる。中でもプロトン交換膜は、固体高分子形燃料電池の電解質として用いることができ、優れた高分子電解質膜となる。化学式1、化学式3、及び化学式5におけるR1は炭素数1〜10のアルキレン基、オキシアルキレン基、アリーレン基及びSO3Y基との直接結合のうちのいずれかを表すが、アルキレン基であるとプロトン伝導性が向上するため好ましい。また、スルホン酸基とベンゼン環が直接結合している直接結合であると、熱やラジカルなどに対するスルホン酸基の安定性が高まり、プロトン伝導性にも優れるため、より好ましい。アルキレン基は、分岐を有するものよりも、直鎖のものが好ましい。アルキレン基の炭素数は1〜5がより好ましく、3〜4がより好ましい。具体的には、n−プロピレン基、n−ブチレン基が好ましい。オキシアルキレン基の炭素数は1〜5がより好ましく、3〜4がより好ましい。具体的には、オキシ−n−プロピレン基、オキシ−n−ブチレン基が好ましい。アリーレン基としては、オキシフェニレン基、フェニレン基、などを挙げることができる。X in the chemical formula 1, the chemical formula 3, and the chemical formula 5 represents a —S (═O) 2 — group or a —C (═O) — group, and if it is a —S (═O) 2 — group, This is preferable because of increased solubility. Moreover, it is preferable that it is -C (= O)-group since it becomes possible to give photocrosslinkability to a polymer. Y in Chemical Formula 1 represents H or a monovalent cation, but when used as a proton exchange membrane of a fuel cell, Y is preferably H. In processing such as dissolution, molding, and film formation, it is preferable that Y is a monovalent cation rather than H because the thermal stability of the sulfonic acid group is increased. Examples of monovalent cations include alkali metal ions such as Na, K and Li, ammonium ions and quaternary amine salts, and alkali metal ions such as Na, K and Li are preferred. . The sulfonic acid group that is an alkali metal salt can be converted to a sulfonic acid group by treating the polymer with a strong acid such as sulfuric acid, hydrochloric acid, perchloric acid, or an aqueous solution thereof. A polymer having a sulfonic acid group exhibits high proton conductivity, and can be used as a proton exchange resin or a proton exchange membrane. Among them, the proton exchange membrane can be used as an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell, and becomes an excellent polymer electrolyte membrane. R 1 in Chemical Formula 1, Chemical Formula 3, and Chemical Formula 5 represents any one of a direct bond with an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms, an oxyalkylene group, an arylene group, and a SO 3 Y group, and is an alkylene group. And proton conductivity are improved. In addition, a direct bond in which a sulfonic acid group and a benzene ring are directly bonded is more preferable because stability of the sulfonic acid group with respect to heat, radicals, and the like is increased and proton conductivity is excellent. The alkylene group is preferably a straight chain rather than a branched one. As for carbon number of an alkylene group, 1-5 are more preferable, and 3-4 are more preferable. Specifically, an n-propylene group and an n-butylene group are preferable. 1-5 are more preferable and, as for carbon number of an oxyalkylene group, 3-4 are more preferable. Specifically, an oxy-n-propylene group and an oxy-n-butylene group are preferable. Examples of the arylene group include an oxyphenylene group and a phenylene group.
化学式1、化学式3、及び化学式5で表される構造単位における、下記化学式12; In the structural unit represented by Chemical Formula 1, Chemical Formula 3, and Chemical Formula 5, the following chemical formula 12;
で表される部分構造の具体例を以下に示すが、これらに限定されるわけではなく、スルホン酸基の一部及び全部が1価の陽イオンを形成しているものも含む。。下記の部分構造のうち、化学式12A、12B、12C、及び12Dがより好ましく、化学式12A及び化学式12Bがさらに好ましい。 Specific examples of the partial structure represented by formula (1) are shown below, but are not limited thereto, and include those in which a part and all of the sulfonic acid groups form a monovalent cation. . Of the following partial structures, chemical formulas 12A, 12B, 12C, and 12D are more preferable, and chemical formulas 12A and 12B are more preferable.
化学式1及び化学式2におけるR2は、硫黄原子又は酸素原子を含んでいてもよい炭素数2〜20のアルキレン基又はアラルキレン基を表すが、アルキレン基のほうが好ましい。炭素数は4〜10が好ましく、4〜6がより好ましい。アルキレン基は、分岐を有するものよりも直鎖のものが好ましい。化学式1及び化学式2におけるR2において、アルキレン基は、硫黄原子や酸素原子を含んでいてもよいが、含まないか、硫黄原子を含んでいることが好ましく、含まないことがより好ましい。化学式1におけるR2において、直鎖のアルキレン基としては、エチレン基、n−プロピレン基、n−ブチレン基、n−ペンチレン基、n−ヘキシレン基、n−ヘプチレン基、n−オクチレン基、n−ノニレン基、n−デシレン基、3,6−ジオキサオクチレン基、3,7−ジチアノニレン基、3−チア−n−ペンチレン基などを例としてあげることができるが、これらに限定されるものではない。中でもn−ブチレン基、n−ペンチレン基、n−ヘキシレン基、n−ヘプチレン基、n−オクチレン基、n−ノニレン基、n−デシレン基、3,7−ジチアノニレン基、3−チア−n−ペンチレン基が好ましく、n−ブチレン基、n−ペンチレン基、n−ヘキシレン基がより好ましい。化学式1及び化学式2におけるR2において、分岐のアルキレン基としては、1−メチルエチレン基、2,3−ジヒドロキシ−n−ブチレン基などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。化学式1及び化学式2におけるR2において、アラルキレン基とは、両端にアルキレン基を有する芳香族基を表し、o−キシリデン基、m−キシリデン基、p−キシリデン基などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。R 2 in Formulas 1 and 2, an alkylene group or a sulfur atom, or 2 to 20 carbon atoms which may contain an oxygen atom is an aralkylene group, more alkylene groups are preferred. 4-10 are preferable and, as for carbon number, 4-6 are more preferable. The alkylene group is preferably a straight chain rather than a branched one. In R 2 in Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2, the alkylene group may contain a sulfur atom or an oxygen atom, but preferably does not contain or contains a sulfur atom, and more preferably does not contain it. In R 2 in Chemical Formula 1, as the linear alkylene group, ethylene group, n-propylene group, n-butylene group, n-pentylene group, n-hexylene group, n-heptylene group, n-octylene group, n- Nonylene group, n-decylene group, 3,6-dioxaoctylene group, 3,7-dithianonylene group, 3-thia-n-pentylene group and the like can be mentioned as examples, but are not limited thereto. Absent. Among them, n-butylene group, n-pentylene group, n-hexylene group, n-heptylene group, n-octylene group, n-nonylene group, n-decylene group, 3,7-dithianonylene group, 3-thia-n-pentylene group Group is preferable, and n-butylene group, n-pentylene group and n-hexylene group are more preferable. In R 2 in Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2, examples of the branched alkylene group include 1-methylethylene group and 2,3-dihydroxy-n-butylene group, but are not limited thereto. In R 2 in Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2, an aralkylene group represents an aromatic group having an alkylene group at both ends, and examples thereof include an o-xylidene group, an m-xylidene group, and a p-xylidene group. It is not limited to.
化学式2、4及び6におけるAr1は電子吸引性基を有する二価の芳香族基を表す。電子吸引性基の例としては、スルホン基、カルボニル基、スルホニル基、ホスフィン基、シアノ基、トリフルオロメチル基などのパーフルオロアルキル基、ニトロ基、ハロゲン基などが挙げられ、シアノ基、スルホン基、カルボニル基が好ましい。芳香族基とは、芳香環を有する基を表す。芳香環を有する基としては、フェニレン基、ピリジレン基、ナフチレン基、アントラニレン基を挙げることができる。Ar1は、芳香環を有する基同士が電子吸引性基で連結されていてもよい。Ar 1 in chemical formulas 2, 4 and 6 represents a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group. Examples of electron withdrawing groups include sulfone groups, carbonyl groups, sulfonyl groups, phosphine groups, cyano groups, trifluoromethyl groups and other perfluoroalkyl groups, nitro groups, halogen groups, etc., cyano groups, sulfone groups A carbonyl group is preferred. The aromatic group represents a group having an aromatic ring. Examples of the group having an aromatic ring include a phenylene group, a pyridylene group, a naphthylene group, and an anthranylene group. In Ar 1 , groups having aromatic rings may be connected to each other with an electron-withdrawing group.
化学式2、4及び6におけるAr1の例を以下に示すが、これらに限定されるものではない。Examples of Ar 1 in Chemical Formulas 2, 4, and 6 are shown below, but are not limited thereto.
化学式2、4及び6におけるAr1のより好ましい例として、化学式7〜10で表される構造を挙げることができ、中でも化学式9又は10で表される構造がさらに好ましく、化学式10で表される構造が最も好ましい。More preferable examples of Ar 1 in Chemical Formulas 2, 4, and 6 include structures represented by Chemical Formulas 7 to 10, among which a structure represented by Chemical Formula 9 or 10 is more preferable, and is represented by Chemical Formula 10. The structure is most preferred.
化学式3及び化学式4において、Z1は酸素原子又は硫黄原子のいずれかを、Z3は、酸素原子、硫黄原子、−C(CH3)2−基、−C(CF3)2−基、−CH2−基、シクロヘキシレン基のいずれかを表す。Z1が酸素原子であると、モノマーのコストや毒性が高くならず、重合における着色などが起こりにくいため好ましい。Z1が酸素原子よりも硫黄原子であるほうが、耐酸化性が高くなるため好ましい。Z2は酸素原子、硫黄原子、−C(CH3)2−基、−C(CF3)2−基、シクロヘキシレン基であることが好ましく、酸素原子及び硫黄原子がより好ましい。In Chemical Formula 3 and Chemical Formula 4, Z 1 represents either an oxygen atom or a sulfur atom, Z 3 represents an oxygen atom, a sulfur atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, It represents either a —CH 2 — group or a cyclohexylene group. It is preferable that Z 1 is an oxygen atom because the cost and toxicity of the monomer do not increase, and coloring in the polymerization hardly occurs. It is preferable that Z 1 is a sulfur atom rather than an oxygen atom because oxidation resistance is increased. Z 2 is preferably an oxygen atom, a sulfur atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group or a cyclohexylene group, more preferably an oxygen atom or a sulfur atom.
化学式3及び化学式4における、下記化学式14; In the chemical formula 3 and the chemical formula 4, the following chemical formula 14;
で表される部分構造の具体例を以下に示すが、これらに限定されるわけではない。中でも、化学式14A、14C、14D、14E、14G、14I、14K、及び14Mが好ましく、化学式14A、14C、14D、14E、14G、14K、及び14Mがより好ましく、化学式14A、14C、14D、14E、及び14Mがさらに好ましい。 Specific examples of the partial structure represented by are shown below, but are not limited thereto. Among them, the chemical formulas 14A, 14C, 14D, 14E, 14G, 14I, 14K, and 14M are preferable, the chemical formulas 14A, 14C, 14D, 14E, 14G, 14K, and 14M are more preferable, And 14M are more preferred.
化学式5及び化学式6において、Z5は硫黄原子又は酸素原子のいずれかを表すが、酸素原子であるとモノマーの入手や合成が容易であるため好ましく、硫黄原子であるとポリマーの耐酸化性が向上するため好ましい。Ar2は芳香族基を含む3価又は4価の基を表し、ベンゼン環、ナフタレン環、ジフェニルメタン基などを挙げることができ、フェニル環が好ましい。qは1又は2である。In Chemical Formula 5 and Chemical Formula 6, Z 5 represents either a sulfur atom or an oxygen atom, and an oxygen atom is preferable because it is easy to obtain and synthesize monomers, and a sulfur atom is preferable for the oxidation resistance of the polymer. It is preferable because it improves. Ar 2 represents a trivalent or tetravalent group containing an aromatic group, and examples thereof include a benzene ring, a naphthalene ring, a diphenylmethane group, and the like, and a phenyl ring is preferable. q is 1 or 2.
化学式5及び化学式6における、下記化学式15; In the chemical formulas 5 and 6, the following chemical formula 15;
本発明のスルホン酸基含有ポリマーの好ましい構造を以下に示すが、これらに限定されるわけではない。下記化学式において、()で囲まれた各構造単位は、記載の順に結合していることを表しているわけではなく、ポリマーを構成する成分を表しているものであり、同一のものが連続して結合していてもよいし、異なる構造単位がランダムに結合していても、交互に結合していてもよい。 Although the preferable structure of the sulfonic acid group containing polymer of this invention is shown below, it is not necessarily limited to these. In the following chemical formula, each structural unit surrounded by () does not represent that they are bonded in the order of description, but represents a component constituting the polymer, and the same thing is continuous. They may be bonded together, or different structural units may be bonded randomly or alternately.
化学式16〜159において、添字A〜Pは、Ar及びAr1の構造の組合せを表す。A〜Pに対するAr及びAr1の構造の組合せを表1に示す。 In the chemical formulas 16 to 159, the subscripts A to P represent a combination of the structures of Ar and Ar1. Table 1 shows combinations of Ar and Ar1 structures for A to P.
本発明のスルホン酸基含有ポリマーにおける構造単位の繰り返し数である、n、m、o、p、r、sは、数式1〜3を満たすことが好ましい。本発明のスルホン酸基含有ポリマースルホン酸基含有ポリマーが、化学式3及び化学式4で表される構造単位を有していない場合には、数式1〜3において、o及びpは0とする。また、本発明のスルホン酸基含有ポリマースルホン酸基含有ポリマーが、化学式5及び化学式6で表される構造単位を有していない場合には、数式1〜3において、r及びsは0とする。 It is preferable that n, m, o, p, r, and s, which are the number of repeating structural units in the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention, satisfy Formulas 1 to 3. When the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention does not have the structural unit represented by Chemical Formula 3 and Chemical Formula 4, o and p are 0 in Formulas 1-3. In addition, when the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention does not have the structural unit represented by Chemical Formula 5 and Chemical Formula 6, r and s are 0 in Formulas 1-3. .
0.05≦(n+o+r)/(n+m+o+p+r+s)≦0.70 (数式1)
0.01≦(o+p)/(n+m+o+p+r+s)≦0.99 (数式2)
0≦(r+s)/(n+m+o+p+r+s)≦0.10 (数式3)0.05 ≦ (n + o + r) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.70 (Formula 1)
0.01 ≦ (o + p) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.99 (Formula 2)
0 ≦ (r + s) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.10 (Formula 3)
数式1において、(n+o+r)/(n+m+o+p+r+s)が0.05よりも小さいと、高分子電解質膜としたときに、プロトン伝導性が著しく低くなり、燃料電池としての使用が困難になる場合があり好ましくない。(n+o+r)/(n+m+o+p+r+s)が0.70よりも大きいと、高分子電解質膜としたときに、膨潤性が著しく増大し、機械強度や耐久性が低下するため好ましくない。(n+o+r)/(n+m+o+p+r+s)のより好ましい範囲は、0.05〜0.50の範囲である。 In Formula 1, when (n + o + r) / (n + m + o + p + r + s) is smaller than 0.05, proton conductivity is remarkably lowered when used as a polymer electrolyte membrane, which may be difficult to use as a fuel cell. Absent. When (n + o + r) / (n + m + o + p + r + s) is greater than 0.70, when a polymer electrolyte membrane is obtained, the swellability is remarkably increased and the mechanical strength and durability are lowered, which is not preferable. A more preferable range of (n + o + r) / (n + m + o + p + r + s) is a range of 0.05 to 0.50.
数式2において、(o+p)/(n+m+o+p+r+s)が0.01よりも小さいと、ポリマーの溶解性や、ポリマー溶液の安定性が低下する傾向がある。(o+p)/(n+m+o+p+r+s)が0.99よりも大きいと、高分子電解質膜としたときにプロトン伝導性や耐久性が低下する傾向がある。(o+p)/(n+m+o+p+r+s)のより好ましい範囲は0.1〜0.9であり、さらに好ましい範囲は0.2〜0.8である。 In Formula 2, when (o + p) / (n + m + o + p + r + s) is smaller than 0.01, the solubility of the polymer and the stability of the polymer solution tend to be lowered. When (o + p) / (n + m + o + p + r + s) is larger than 0.99, proton conductivity and durability tend to be lowered when a polymer electrolyte membrane is formed. A more preferable range of (o + p) / (n + m + o + p + r + s) is 0.1 to 0.9, and a more preferable range is 0.2 to 0.8.
数式3において、(r+s)/(n+m+o+p+r+s)が0.10よりも大きいと、重合度の低いポリマーしか得られない場合があり、機械強度や耐久性が低下する傾向がある。(r+s)/(n+m+o+p+r+s)のより好ましい範囲は0.001〜0.07であり、さらに好ましい範囲は0.01〜0.05である。 In Formula 3, when (r + s) / (n + m + o + p + r + s) is larger than 0.10, only a polymer having a low polymerization degree may be obtained, and mechanical strength and durability tend to be lowered. A more preferable range of (r + s) / (n + m + o + p + r + s) is 0.001 to 0.07, and a more preferable range is 0.01 to 0.05.
数式4において、(n+m)/(n+m+o+p+r+s)が0.01よりも小さいと、高分子電解質膜としたときの耐久性やプロトン伝導性の向上効果が小さくなりすぎる傾向がある。(n+m)/(n+m+o+p+r+s)のより好ましい範囲は、0.05〜0.9であり、さらに好ましい範囲は0.1〜0.8である。(n+m)/(n+m+o+p+r+s)が1の場合、ポリマーの溶解性や、ポリマー溶液の安定性が低下する場合がある。 In Formula 4, when (n + m) / (n + m + o + p + r + s) is smaller than 0.01, the durability and proton conductivity improving effect when the polymer electrolyte membrane is formed tends to be too small. A more preferable range of (n + m) / (n + m + o + p + r + s) is 0.05 to 0.9, and a more preferable range is 0.1 to 0.8. When (n + m) / (n + m + o + p + r + s) is 1, the solubility of the polymer and the stability of the polymer solution may decrease.
本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、イオン交換樹脂や、高分子電解質膜、吸湿樹脂、吸湿膜、透湿膜、電解膜などに用いることができ、特に高分子電解質膜として用いることが好ましい。さらに、本発明のスルホン酸基含有ポリマーを用いた高分子電解質膜は、スルホン酸基をスルホン酸型にすることでプロトン交換膜として用いることができ、燃料電池用プロトン交換膜に特に適している。また、本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、高分子電解質膜などを、電極、触媒と接合する際に、接着剤として用いることにも適している。本発明のスルホン酸基含有ポリマーを、高分子電解質膜や、高分子電解質膜の接着剤に用いる場合には、化学式1、3及び5で表される構造単位において、YがH(水素イオン)であることが好ましい。 The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention can be used for an ion exchange resin, a polymer electrolyte membrane, a moisture absorbent resin, a moisture absorbent membrane, a moisture permeable membrane, an electrolyte membrane, and the like, and particularly preferably used as a polymer electrolyte membrane. Furthermore, the polymer electrolyte membrane using the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention can be used as a proton exchange membrane by converting the sulfonic acid group to a sulfonic acid type, and is particularly suitable for a proton exchange membrane for a fuel cell. . The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is also suitable for use as an adhesive when a polymer electrolyte membrane or the like is bonded to an electrode or a catalyst. When the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is used for a polymer electrolyte membrane or an adhesive for a polymer electrolyte membrane, Y is H (hydrogen ion) in the structural units represented by the chemical formulas 1, 3, and 5. It is preferable that
本発明の高分子電解質膜を、メタノール、蟻酸、エタノールなどの液体を燃料とする燃料電池に用いる場合には、本発明のスルホン酸基含有ポリマーにおける構造単位の繰り返し数である、n、m、o、p、r、sは、数式5〜8を満たすことが好ましい。本発明のスルホン酸基含有ポリマースルホン酸基含有ポリマーが、化学式3及び化学式4で表される構造単位を有していない場合には、数式5〜8において、o及びpは0とする。また、本発明のスルホン酸基含有ポリマースルホン酸基含有ポリマーが、化学式5及び化学式6で表される構造単位を有していない場合には、数式5〜8において、r及びsは0とする。 When the polymer electrolyte membrane of the present invention is used in a fuel cell using a liquid such as methanol, formic acid, or ethanol as a fuel, the number of structural units in the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is n, m, o, p, r, and s preferably satisfy Formulas 5 to 8. When the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention does not have the structural unit represented by Chemical Formula 3 and Chemical Formula 4, o and p are 0 in Formulas 5-8. In addition, when the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention does not have the structural unit represented by Chemical Formula 5 and Chemical Formula 6, r and s are 0 in Formulas 5-8. .
数式5において、(n+o+r)/(n+m+o+p+r+s)が0.05よりも小さいと、プロトン伝導性が著しく低くなり、燃料電池としての使用が困難になる場合があり好ましくない。(n+o+r)/(n+m+o+p+r+s)が0.40よりも大きいと、メタノールなどの燃料透過性が著しく増大し、発電出力や効率が低下する傾向がある。(n+o+r)/(n+m+o+p+r+s)のより好ましい範囲は、0.1〜0.3である。 In Formula 5, when (n + o + r) / (n + m + o + p + r + s) is smaller than 0.05, proton conductivity is remarkably lowered, and use as a fuel cell may be difficult. When (n + o + r) / (n + m + o + p + r + s) is larger than 0.40, fuel permeability such as methanol is remarkably increased, and power generation output and efficiency tend to decrease. A more preferable range of (n + o + r) / (n + m + o + p + r + s) is 0.1 to 0.3.
数式6において、(o+p)/(n+m+o+p+r+s)が0.10よりも小さいと、ポリマーの溶解性や、ポリマー溶液の安定性が低下する場合がある。(o+p)/(n+m+o+p+r+s)が0.9よりも大きいと、耐久性やプロトン伝導性が低下する場合がある。(o+p)/(n+m+o+p+r+s)のより好ましい範囲は0.2〜0.9であり、さらに好ましい範囲は0.3〜0.8である。 In Formula 6, when (o + p) / (n + m + o + p + r + s) is smaller than 0.10, the solubility of the polymer and the stability of the polymer solution may be lowered. When (o + p) / (n + m + o + p + r + s) is larger than 0.9, durability and proton conductivity may be lowered. A more preferable range of (o + p) / (n + m + o + p + r + s) is 0.2 to 0.9, and a more preferable range is 0.3 to 0.8.
数式7において、(r+s)/(n+m+o+p+r+s)が0.10よりも大きいと、重合度の低いポリマーしか得られない場合があり、高分子電解質膜の機械強度や耐久性が低下する傾向がある。(r+s)/(n+m+o+p+r+s)のより好ましい範囲は0.001〜0.07であり、さらに好ましい範囲は0.01〜0.05である。 In Formula 7, when (r + s) / (n + m + o + p + r + s) is larger than 0.10, only a polymer having a low degree of polymerization may be obtained, and the mechanical strength and durability of the polymer electrolyte membrane tend to be lowered. A more preferable range of (r + s) / (n + m + o + p + r + s) is 0.001 to 0.07, and a more preferable range is 0.01 to 0.05.
数式8において、(n+m)/(n+m+o+p+r+s)が0.1よりも小さいと、高分子電解質膜の耐久性やプロトン伝導性の向上効果が小さくなりすぎる傾向がある。(n+m)/(n+m+o+p+r+s)が0.9よりも大きい場合、ポリマーの溶解性や、ポリマー溶液の安定性が低下する場合がある。(n+m)/(n+m+o+p+r+s)のより好ましい範囲は、0.2〜0.8であり、さらに好ましい範囲は0.2〜0.5である。 In Formula 8, when (n + m) / (n + m + o + p + r + s) is smaller than 0.1, the durability and proton conductivity improving effect of the polymer electrolyte membrane tends to be too small. When (n + m) / (n + m + o + p + r + s) is larger than 0.9, the solubility of the polymer and the stability of the polymer solution may be lowered. A more preferable range of (n + m) / (n + m + o + p + r + s) is 0.2 to 0.8, and a more preferable range is 0.2 to 0.5.
本発明の高分子電解質膜を、水素などの気体を燃料とする燃料電池に用いる場合には、本発明のスルホン酸基含有ポリマーにおける構造単位の繰り返し数である、n、m、o、p、r、sは、数式9〜12を満たすことが好ましい。本発明のスルホン酸基含有ポリマースルホン酸基含有ポリマーが、化学式3及び化学式4で表される構造単位を有していない場合には、数式9〜12において、o及びpは0とする。また、本発明のスルホン酸基含有ポリマースルホン酸基含有ポリマーが、化学式5及び化学式6で表される構造単位を有していない場合には、数式9〜12において、r及びsは0とする。 When the polymer electrolyte membrane of the present invention is used in a fuel cell using a gas such as hydrogen as a fuel, n, m, o, p, which are the number of repeating structural units in the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention. It is preferable that r and s satisfy Expressions 9 to 12. When the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention does not have the structural unit represented by Chemical Formula 3 and Chemical Formula 4, o and p are 0 in Formulas 9-12. In addition, when the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention does not have the structural unit represented by Chemical Formula 5 and Chemical Formula 6, r and s are 0 in Formulas 9-12. .
数式9において、(n+o+r)/(n+m+o+p+r+s)が0.15よりも小さいと、プロトン伝導性が著しく低くなり、燃料電池としての使用が困難になる場合があり好ましくない。(n+o+r)/(n+m+o+p+r+s)が0.70よりも大きいと、膨潤性が著しく増大し、発電出力や効率が低下する傾向がある。(n+o+r)/(n+m+o+p+r+s)のより好ましい範囲は、0.15〜0.50であり、さらに好ましい範囲は0.2〜0.4である。 In Expression 9, when (n + o + r) / (n + m + o + p + r + s) is smaller than 0.15, proton conductivity is remarkably lowered, and use as a fuel cell may be difficult. When (n + o + r) / (n + m + o + p + r + s) is larger than 0.70, the swellability is remarkably increased, and the power generation output and efficiency tend to decrease. A more preferable range of (n + o + r) / (n + m + o + p + r + s) is 0.15 to 0.50, and a more preferable range is 0.2 to 0.4.
数式10において、(o+p)/(n+m+o+p+r+s)が0.01よりも小さいと、ポリマーの溶解性や、ポリマー溶液の安定性が低下する場合がある。(o+p)/(n+m+o+p+r+s)が0.70よりも大きいと、耐久性やプロトン伝導性が低下する場合がある。(o+p)/(n+m+o+p+r+s)のより好ましい範囲は0.1〜0.7であり、さらに好ましい範囲は0.2〜0.6である。 In Formula 10, when (o + p) / (n + m + o + p + r + s) is smaller than 0.01, the solubility of the polymer and the stability of the polymer solution may be lowered. When (o + p) / (n + m + o + p + r + s) is larger than 0.70, durability and proton conductivity may be lowered. A more preferable range of (o + p) / (n + m + o + p + r + s) is 0.1 to 0.7, and a more preferable range is 0.2 to 0.6.
数式11において、(r+s)/(n+m+o+p+r+s)が0.10よりも大きいと、重合度の低いポリマーしか得られない場合があり、高分子電解質膜の機械強度や耐久性が低下する傾向がある。(r+s)/(n+m+o+p+r+s)のより好ましい範囲は0.01〜0.07であり、さらに好ましい範囲は0.02〜0.05である。 In Formula 11, when (r + s) / (n + m + o + p + r + s) is larger than 0.10, only a polymer having a low degree of polymerization may be obtained, and the mechanical strength and durability of the polymer electrolyte membrane tend to be lowered. A more preferable range of (r + s) / (n + m + o + p + r + s) is 0.01 to 0.07, and a more preferable range is 0.02 to 0.05.
数式12において、(n+m)/(n+m+o+p+r+s)が0.05よりも小さいと、高分子電解質膜の耐久性やプロトン伝導性の向上効果が小さくなりすぎる傾向がある。(n+m)/(n+m+o+p+r+s)が0.8よりも大きい場合、ポリマーの溶解性や、ポリマー溶液の安定性が低下する場合がある。(n+m)/(n+m+o+p+r+s)のより好ましい範囲は、0.1〜0.7であり、さらに好ましい範囲は0.2〜0.6である。 In Expression 12, when (n + m) / (n + m + o + p + r + s) is smaller than 0.05, the durability and proton conductivity improving effect of the polymer electrolyte membrane tends to be too small. When (n + m) / (n + m + o + p + r + s) is larger than 0.8, the solubility of the polymer and the stability of the polymer solution may be lowered. A more preferable range of (n + m) / (n + m + o + p + r + s) is 0.1 to 0.7, and a more preferable range is 0.2 to 0.6.
本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、適当な溶媒に溶解、分散して組成物として用いることもできる。用いることのできる溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホンアミド、N−モルフォリンオキサイドなどの非プロトン性有機極性溶媒や、メタノール、エタノールなどのアルコール系溶媒、アセトンなどのケトン系溶媒、ジエチルエーテルなどのエーテル系溶媒などの極性溶媒、及びこれらの有機溶媒の混合物、並びに水との混合物を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。 The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention can be dissolved and dispersed in an appropriate solvent and used as a composition. Solvents that can be used include N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, hexamethylphosphonamide, N-morpholine oxide, and the like. Polar solvents such as aprotic organic polar solvents, alcohol solvents such as methanol and ethanol, ketone solvents such as acetone, ether solvents such as diethyl ether, mixtures of these organic solvents, and mixtures with water However, it is not limited to these.
ポリマー溶液の濃度は0.1〜50質量%の範囲が好ましい。溶液から、膜、繊維などを成形する場合には、濃度が5〜50質量%の範囲にあることがより好ましく、10〜40質量%の範囲がさらに好ましい。溶液を接着剤として用いる場合には、濃度が0.1〜20質量%の範囲であるとより好ましい。溶液を接着剤として用いる場合には、Pt、Pt−Ruなどの触媒を担持したカーボン粒子や、フッ素樹脂など、他の成分を含んでいてもよい。 The concentration of the polymer solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by mass. When forming a film, fiber, or the like from a solution, the concentration is more preferably in the range of 5 to 50% by mass, and further preferably in the range of 10 to 40% by mass. When the solution is used as an adhesive, the concentration is more preferably in the range of 0.1 to 20% by mass. When the solution is used as an adhesive, it may contain other components such as carbon particles carrying a catalyst such as Pt and Pt—Ru, and a fluororesin.
本発明のスルホン酸基含有ポリマーにおいて、化学式1及び2で表される構造単位が、ポリマーの柔軟性を高めて変形に対する破壊を抑制して耐久性を向上させ、ガラス転移温度を低下させて電極との接合性を高めることなどの効果をもたらしている。また、化学式3及び4で表される構造単位は、ポリマー全体の膨潤性を小さくしたり、メタノール透過性を小さくしたり、ポリマーの溶解性を向上させたり、ポリマー溶液の安定性を向上させたりする効果をもたらしている。化学式1、3、及び5で表される構造単位は、イオン伝導性やプロトン伝導性を付与する効果をもたらしている。化学式5及び6で表される構造単位は、化学的な劣化を抑制し、耐久性をさらに向上させる効果をもたらしている。 In the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention, the structural unit represented by the chemical formulas 1 and 2 increases the flexibility of the polymer, suppresses breakage against deformation, improves durability, and lowers the glass transition temperature. It brings about effects such as improving the bondability. In addition, the structural units represented by the chemical formulas 3 and 4 can reduce the swelling property of the whole polymer, reduce the methanol permeability, improve the solubility of the polymer, and improve the stability of the polymer solution. Has an effect. The structural units represented by Chemical Formulas 1, 3, and 5 have the effect of imparting ionic conductivity and proton conductivity. The structural units represented by Chemical Formulas 5 and 6 have the effect of suppressing chemical deterioration and further improving durability.
本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、化学式160〜162で表される化合物を必須成分として含むモノマーの混合物から芳香族求核置換反応により重合することができる。 The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention can be polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction from a mixture of monomers containing compounds represented by chemical formulas 160 to 162 as essential components.
化学式160において、Xは−S(=O)2−基又は−C(=O)−基を、R3は炭素数1〜10のアルキレン基、オキシアルキレン基、アリーレン基及び直接結合(ベンゼン環とSO3Y基との)のうちのいずれかを表すが、アルキレン基であるとプロトン伝導性が向上するため好ましい。また、スルホン酸基とベンゼン環が直接結合している直接結合であると、熱やラジカルなどに対するスルホン酸基の安定性が高まり、プロトン伝導性にも優れるため、より好ましい。アルキレン基は、分岐を有するものよりも、直鎖のものが好ましい。アルキレン基の炭素数は1〜5がより好ましく、3〜4がより好ましい。具体的には、n−プロピレン基、n−ブチレン基が好ましい。オキシアルキレン基の炭素数は1〜5がより好ましく、3〜4がより好ましい。具体的には、オキシ−n−プロピレン基、オキシ−n−ブチレン基が好ましい。アリーレン基としては、オキシフェニレン基、フェニレン基、などを挙げることができる。YはH又は1価の陽イオンを表すが、Na、K、Liなどのアルカリ金属イオンが好ましい。Z4はフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子、ニトロ基からなる群より選ばれる1種以上の基を表す。In Chemical Formula 160, X represents an —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, R 3 represents an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms, an oxyalkylene group, an arylene group, and a direct bond (benzene ring). And an SO 3 Y group), an alkylene group is preferable because proton conductivity is improved. In addition, a direct bond in which a sulfonic acid group and a benzene ring are directly bonded is more preferable because stability of the sulfonic acid group with respect to heat, radicals, and the like is increased and proton conductivity is excellent. The alkylene group is preferably a straight chain rather than a branched one. As for carbon number of an alkylene group, 1-5 are more preferable, and 3-4 are more preferable. Specifically, an n-propylene group and an n-butylene group are preferable. 1-5 are more preferable and, as for carbon number of an oxyalkylene group, 3-4 are more preferable. Specifically, an oxy-n-propylene group and an oxy-n-butylene group are preferable. Examples of the arylene group include an oxyphenylene group and a phenylene group. Y represents H or a monovalent cation, and alkali metal ions such as Na, K, and Li are preferred. Z 4 represents one or more groups selected from the group consisting of a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, an iodine atom, and a nitro group.
化学式160で表される化合物の具体例としては、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、及びそれらのスルホン酸基が1価陽イオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価陽イオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限されるわけではない。化学式160で表される化合物のうち、スルホン酸基が塩になっている化合物の例としては、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルケトンなどを挙げることができる。 Specific examples of the compound represented by Chemical Formula 160 include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, and 3,3′-. Disulfo-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfobutyl-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfobutyl- 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfobutyl-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfobutyl-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, and their sulfonic acid groups are monovalent Examples include salts with cation species. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. Examples of the compound represented by the chemical formula 160 in which the sulfonic acid group is a salt include sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfonic acid. Sodium-4,4′-difluorodiphenylsulfone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylketone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3 'Sodium disulfonate-4,4'-difluorodiphenyl ketone, potassium 3,3'-disulfonate 4,4'-dichlorodiphenyl sulfone, potassium 3,3'-disulfonate 4,4'-difluorodiphenyl sulfone, 3, 3,3′-Disulfonic acid potassium 4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfate Potassium phosphate 4,4'-difluoro diphenyl sulfone, 3,3'-like disulfonic acid potassium 4,4'-difluoro diphenyl ketone and the like.
化学式161において、Ar3は電子吸引性基を有する2価の芳香族基を、Z5はフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子、ニトロ基からなる群より選ばれる1種以上の基を表す。Ar3における、電子吸引性基の例としては、スルホン基、カルボニル基、スルホニル基、ホスフィン基、シアノ基、トリフルオロメチル基などのパーフルオロアルキル基、ニトロ基、ハロゲン基などが挙げられ、シアノ基、スルホン基、カルボニル基が好ましい。Ar3における、芳香族基とは、芳香環を有する基を表す。芳香環を有する基としては、フェニレン基、ピリジレン基、ナフチレン基、アントラニレン基を挙げることができる。Ar3は、芳香環を有する基同士が電子吸引性基で連結されていてもよい。In Chemical Formula 161, Ar 3 represents a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group, and Z 5 represents one or more groups selected from the group consisting of a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, an iodine atom, and a nitro group. To express. Examples of the electron withdrawing group in Ar 3 include a sulfo group, a carbonyl group, a sulfonyl group, a phosphine group, a perfluoroalkyl group such as a cyano group, a trifluoromethyl group, a nitro group, a halogen group, and the like. Group, sulfone group and carbonyl group are preferred. The aromatic group in Ar 3 represents a group having an aromatic ring. Examples of the group having an aromatic ring include a phenylene group, a pyridylene group, a naphthylene group, and an anthranylene group. In Ar 3 , groups having an aromatic ring may be linked with an electron-withdrawing group.
化学式161で表される化合物としては、同一芳香環にハロゲン、ニトロ基などの求核置換反応における脱離基と、それを活性化する電子吸引性基を有する化合物を挙げることができる。具体例としては、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、デカフルオロビフェニル等が挙げられるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。 Examples of the compound represented by Chemical Formula 161 include a compound having a leaving group in a nucleophilic substitution reaction such as halogen or nitro group and an electron-withdrawing group for activating it in the same aromatic ring. Specific examples include 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 4,4 ′. -Difluorodiphenyl sulfone, 4,4'-difluorobenzophenone, 4,4'-dichlorobenzophenone, decafluorobiphenyl, and the like, but not limited thereto, other aromatics active in aromatic nucleophilic substitution reaction A group dihalogen compound, an aromatic dinitro compound, an aromatic dicyano compound, and the like can also be used.
化学式161で表される化合物の具体例を以下に示すが、これらに限定されるものではない。中でも化学式161A、161B、161C、161D、161O、161P、161Q、及び161Rが好ましく、161C、161D、161Q、及び161Rがより好ましく、161D及び161Rがさらに好ましい。 Specific examples of the compound represented by Chemical Formula 161 are shown below, but are not limited thereto. Among them, the chemical formulas 161A, 161B, 161C, 161D, 161O, 161P, 161Q, and 161R are preferable, 161C, 161D, 161Q, and 161R are more preferable, and 161D and 161R are more preferable.
化学式162において、R4は、硫黄原子又は酸素原子を含んでいてもよい炭素数2〜20のアルキレン基又はアラルキレン基を表すが、アルキレン基のほうが好ましい。炭素数は4〜10が好ましく、4〜6がより好ましい。アルキレン基は、分岐を有するものよりも直鎖のものが好ましい。化学式1及び化学式2におけるR2において、アルキレン基は、硫黄原子や酸素原子を含んでいてもよいが、含まないか、硫黄原子を含んでいることが好ましく、含まないことがより好ましい。化学式162におけるR4において、直鎖のアルキレン基としては、エチレン基、n−プロピレン基、n−ブチレン基、n−ペンチレン基、n−ヘキシレン基、n−ヘプチレン基、n−オクチレン基、n−ノニレン基、n−デシレン基、3,6−ジオキサオクチレン基、3,7−ジチアノニレン基、3−チア−n−ペンチレン基などを例としてあげることができるが、これらに限定されるものではない。中でもn−ブチレン基、n−ペンチレン基、n−ヘキシレン基、n−ヘプチレン基、n−オクチレン基、n−ノニレン基、n−デシレン基、3,7−ジチアノニレン基、3−チア−n−ペンチレン基が好ましく、n−ブチレン基、n−ペンチレン基、n−ヘキシレン基がより好ましい。化学式162におけるR4において、分岐のアルキレン基としては、1−メチルエチレン基、2,3−ジヒドロキシ−n−ブチレン基などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。化学式162におけるR4において、アラルキレン基とは、両端にアルキレン基を有する芳香族基を表し、o−キシリデン基、m−キシリデン基、p−キシリデン基などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。In Chemical Formula 162, R 4 represents an alkylene group or aralkylene group having 2 to 20 carbon atoms which may contain a sulfur atom or an oxygen atom, but an alkylene group is more preferable. 4-10 are preferable and, as for carbon number, 4-6 are more preferable. The alkylene group is preferably a straight chain rather than a branched one. In R 2 in Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2, the alkylene group may contain a sulfur atom or an oxygen atom, but preferably does not contain or contains a sulfur atom, and more preferably does not contain it. In R 4 in Chemical Formula 162, the linear alkylene group includes an ethylene group, an n-propylene group, an n-butylene group, an n-pentylene group, an n-hexylene group, an n-heptylene group, an n-octylene group, an n- Nonylene group, n-decylene group, 3,6-dioxaoctylene group, 3,7-dithianonylene group, 3-thia-n-pentylene group and the like can be mentioned as examples, but are not limited thereto. Absent. Among them, n-butylene group, n-pentylene group, n-hexylene group, n-heptylene group, n-octylene group, n-nonylene group, n-decylene group, 3,7-dithianonylene group, 3-thia-n-pentylene group Group is preferable, and n-butylene group, n-pentylene group and n-hexylene group are more preferable. In R 4 in Chemical Formula 162, examples of the branched alkylene group include, but are not limited to, 1-methylethylene group and 2,3-dihydroxy-n-butylene group. In R 4 in Chemical Formula 162, the aralkylene group represents an aromatic group having an alkylene group at both ends, and examples thereof include, but are not limited to, an o-xylidene group, an m-xylidene group, and a p-xylidene group. It is not something.
化学式162におけるZ6はメルカプト基、及びその誘導体を表す。化学式162における、メルカプト基の誘導体とは、Na、K、Liなどのアルカリ金属塩、イソシアネート化合物との反応によるカルバモイル化物などを挙げることができる。Z 6 in Chemical Formula 162 represents a mercapto group and derivatives thereof. Examples of the mercapto group derivative in Chemical Formula 162 include alkali metal salts such as Na, K, and Li, and carbamoylated compounds obtained by reaction with isocyanate compounds.
化学式162で表される化合物の例として、1,2−エタンジチオール、1,3−プロパンジチオール、1,2−プロパンジチオール、1,4−ブタンジチオール、2,3−ジヒドロキシ−1,4−ブタンジチオール、1,5−ペンタンジチオール、1,6−ヘキサンジチオール、1,7−ヘプタンジチオール、1,8−オクタンジチオール、1,9−ノナンジチオール、1,10−デカンジチオール、1,11−ウンデカンジチオール、1,12−ドデカンジチオール、1,13−トリデカンジチオール、1,14−テトラデカンジチオール、1,15−ペンタデカンジチオール、1,16−ヘキサデカンジチオール、1,17−ヘプタデカンジチオール、1,18−オクタデカンジチオール、1,19−ノナデカンジチオール、1,20−イコサンジチオール、3,6−ジオキサ−1,8−オクタンジチオール、3,7−ジチア−1,9−ノナンジチオール、3−チア−1,5−ペンタンジチオール、2,3−ジヒドロキシ−1,4−ブタンジチオール、1,4−ビス(メルカプトメチル)ベンゼン、1,3−ビス(メルカプトメチル)ベンゼン、1,2−ビス(メルカプトメチル)ベンゼンなどを挙げることができるが、これらに限定されるものではなく、これ以外にも化学式162の範囲内であれば任意の化合物を用いることができる。また、 Examples of the compound represented by Chemical Formula 162 include 1,2-ethanedithiol, 1,3-propanedithiol, 1,2-propanedithiol, 1,4-butanedithiol, 2,3-dihydroxy-1,4-butane. Dithiol, 1,5-pentanedithiol, 1,6-hexanedithiol, 1,7-heptanedithiol, 1,8-octanedithiol, 1,9-nonanedithiol, 1,10-decanedithiol, 1,11-undecanedithiol 1,12-dodecanedithiol, 1,13-tridecanedithiol, 1,14-tetradecanedithiol, 1,15-pentadecanedithiol, 1,16-hexadecanedithiol, 1,17-heptadecanedithiol, 1,18-octadecane Dithiol, 1,19-nonadecanedithiol, 1,20 Icosanedithiol, 3,6-dioxa-1,8-octanedithiol, 3,7-dithia-1,9-nonanedithiol, 3-thia-1,5-pentanedithiol, 2,3-dihydroxy-1,4 -Butanedithiol, 1,4-bis (mercaptomethyl) benzene, 1,3-bis (mercaptomethyl) benzene, 1,2-bis (mercaptomethyl) benzene, and the like, but are not limited thereto Instead, any compound can be used as long as it is within the range of chemical formula 162. Also,
本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、化学式160〜162で表される化合物に加えて、下記化学式163で表される化合物を用いることで、高分子電解質膜としたときの膜の形態安定性や、ポリマーの溶解性、ポリマー溶液の安定性などを向上させることができる。 The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention uses a compound represented by the following chemical formula 163 in addition to the compounds represented by the chemical formulas 160 to 162, so that the shape stability of the membrane when used as a polymer electrolyte membrane is increased. The solubility of the polymer, the stability of the polymer solution, etc. can be improved.
化学式163において、Z7はOH基又はSH基のいずれかを、Z9は、酸素原子、硫黄原子、−C(CH3)2−基、−C(CF3)2−基、−CH2−基、シクロヘキシレン基、直接結合のいずれかを表す。Z7がOH基であると、化合物の合成や入手が容易であり好ましい。Z7がSH基であると、得られるポリマーの耐酸化性を向上させることが可能であり、反応性が高いので高重合度のポリマーが得られやすいので好ましいが、得られるポリマーの着色が大きい場合がある。Z9は、酸素原子、硫黄原子、−C(CH3)2−基、−C(CF3)2−基、シクロヘキシレン基、直接結合がより好ましく、硫黄原子、−C(CH3)2−基、−C(CF3)2−基、シクロヘキシレン基、直接結合(ベンゼン環同士の)がさらに好ましい。Z9が硫黄原子、−C(CH3)2−基、−C(CF3)2−基、シクロヘキシレン基であると、ポリマーの溶解性やポリマー溶液の安定性を向上させることができるので好ましい。Z9が直接結合であると、高分子電解質膜としたときの形態安定性を高めることができるので好ましい。In Chemical Formula 163, Z 7 represents either an OH group or an SH group, Z 9 represents an oxygen atom, a sulfur atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, —CH 2. -Represents a group, a cyclohexylene group, or a direct bond. It is preferable that Z 7 is an OH group because synthesis and availability of the compound are easy. When Z 7 is an SH group, it is possible to improve the oxidation resistance of the obtained polymer, and it is preferable because a polymer having a high degree of polymerization is easily obtained because of high reactivity, but the resulting polymer is highly colored. There is a case. Z 9 is preferably an oxygen atom, a sulfur atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a cyclohexylene group, or a direct bond, a sulfur atom, —C (CH 3 ) 2. - group, -C (CF 3) 2 - group, cyclohexylene group, a direct bond (between the benzene ring) is more preferable. When Z 9 is a sulfur atom, —C (CH 3 ) 2 — group, —C (CF 3 ) 2 — group, or cyclohexylene group, the solubility of the polymer and the stability of the polymer solution can be improved. preferable. It is preferable that Z 9 is a direct bond because the morphological stability of the polymer electrolyte membrane can be improved.
化学式163で表される化合物の具体例としては2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−チオビスベンゼンチオール、4,4’−オキシビスベンゼンチオール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、4,4’−ビフェノールなどを挙げることができ、4,4’−チオビスベンゼンチオール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、4,4’−ビフェノールが好ましい。 Specific examples of the compound represented by Formula 163 include 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, 4 , 4′-thiobisbenzenethiol, 4,4′-oxybisbenzenethiol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, 4, , 4′-biphenol and the like, and 4,4′-thiobisbenzenethiol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis ( 4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, 1,1-bis (4-hydroxy) Eniru) cyclohexane, 4,4'-biphenol are preferable.
本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、化学式160〜162で表される化合物だけでなく、下記化学式164で表される構造の化合物をモノマーの一成分として用いることによって、化学的な耐久性を高めることができる。 The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention enhances chemical durability by using not only the compounds represented by the chemical formulas 160 to 162 but also a compound having the structure represented by the following chemical formula 164 as one component of the monomer. be able to.
化学式164において、Z9はOH基又はSH基のいずれかを表すが、OH基であるとモノマーの入手や合成が容易であるため好ましく、SH基であるとポリマーの耐酸化性が向上するため好ましい。Ar4は芳香族基を含む3価又は4価の基を表し、ベンゼン環、ナフタレン環、ジフェニルメタン基などを挙げることができ、ベンゼン環が好ましい。tは1又は2であり、1が好ましい。In Chemical Formula 164, Z 9 represents either an OH group or an SH group, but an OH group is preferable because it is easy to obtain and synthesize monomers, and an SH group improves the oxidation resistance of the polymer. preferable. Ar 4 represents a trivalent or tetravalent group containing an aromatic group, and examples thereof include a benzene ring, a naphthalene ring, and a diphenylmethane group, and a benzene ring is preferable. t is 1 or 2, and 1 is preferable.
化学式164で表される構造の好ましい例を以下に示すが、これらに限定されるものではない。中でも化学式164Aが好ましい。 Although the preferable example of the structure represented by Chemical formula 164 is shown below, it is not limited to these. Of these, chemical formula 164A is preferred.
化学式160〜164で表される化合物は、その構造の範囲内で複数の化合物を混合して用いてもよい。 The compounds represented by the chemical formulas 160 to 164 may be used by mixing a plurality of compounds within the range of the structure.
その他にも、他の芳香族ジオール化合物又は芳香族ジチオール化合物をモノマー成分の一つとして用いることができる。他の芳香族ジオール化合物又は芳香族ジチオール化合物の例としては、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ハイドロキノン、レゾルシン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、1,4−ベンゼンジチオール、1,3−ベンゼンジチオール、フェノールフタレイン、4−エチルレゾルシノール、4−ヘキシルレゾルシノール、2−ヘキシルハイドロキノン、2−オクチルハイドロキノン、2−オクダデシルハイドロキノン、2−ターシャリーブチルハイドロキノン、2,5−ジターシャリーブチルハイドロキノン、2,5−ジターシャリーアミルハイドロキノン、2,2’−ジヘキシル−4,4’−ジヒドロキシビフェニル、1−オクチル−2,6−ジヒドロキシナフタレン、2−ヘキシル−1,5−ジヒドロキシナフタレン等が挙げられるが、この他にも芳香族求核置換反応によるポリアリーレンエーテル系化合物の重合に用いることができる各種芳香族ジオール又は各種芳香族ジチオールを使用することもでき、上記の化合物に限定されるものではない。 In addition, other aromatic diol compounds or aromatic dithiol compounds can be used as one of the monomer components. Examples of other aromatic diol compounds or aromatic dithiol compounds include 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, bis (4- Hydroxyphenyl) sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, 2,2-bis ( 4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) propane, bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) Phenylmethane, hydroquinone, resorcin, bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 1,4-benzenedithio 1,3-benzenedithiol, phenolphthalein, 4-ethylresorcinol, 4-hexylresorcinol, 2-hexylhydroquinone, 2-octylhydroquinone, 2-octadecylhydroquinone, 2-tertiarybutylhydroquinone, 2,5 -Ditertiary butyl hydroquinone, 2,5-ditertiary amyl hydroquinone, 2,2'-dihexyl-4,4'-dihydroxybiphenyl, 1-octyl-2,6-dihydroxynaphthalene, 2-hexyl-1,5-dihydroxy In addition to these, various aromatic diols or various aromatic dithiols that can be used for the polymerization of polyarylene ether compounds by aromatic nucleophilic substitution reaction can also be used. Limited Not.
本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーを芳香族求核置換反応により重合する場合、化学式160〜164で表される構造の化合物と、必要に応じて他の活性化ジハロゲン芳香族化合物やジニトロ芳香族化合物や芳香族ジオール類又は芳香族ジチオール類を加えて、塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。モノマー中の、反応性のハロゲン基又はニトロ基の合計と、反応性のヒドロキシ基及びチオール基の合計とのモル比を、任意のモル比にすることで、得られるポリマーの重合度を調整することができるが、0.8〜1.2であることが好ましく、0.9〜1.1の範囲であることがより好ましく、0.95〜1.05の範囲であることが好ましく、1であると高重合度のポリマーを得ることができるため最も好ましい。 When the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention is polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction, a compound having a structure represented by chemical formulas 160 to 164, and other activated dihalogen aromatic compounds or dinitroaromatic compounds as necessary. And aromatic diols or aromatic dithiols can be added and reacted in the presence of a basic compound to obtain a polymer. The polymerization degree of the resulting polymer is adjusted by adjusting the molar ratio of the total of reactive halogen groups or nitro groups and the total of reactive hydroxy groups and thiol groups in the monomer to an arbitrary molar ratio. However, it is preferably 0.8 to 1.2, more preferably 0.9 to 1.1, and preferably 0.95 to 1.05. It is most preferable because a polymer having a high degree of polymerization can be obtained.
重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の範囲であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。 The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C, but preferably in the range of 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more.
塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等が挙げられるが、脂肪族ジチオール類、芳香族ジオール類、及び芳香族ジメルカプト化合物を活性なフェノキシド構造になしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。塩基性化合物は、脂肪族ジチオール化合物、芳香族ジオール化合物、及び芳香族ジチオール化合物の、それぞれのモル数の総和に対して100モル%以上の量を用いると良好に重合することができ、好ましくは脂肪族ジチオール類、芳香族ジオール化合物、及び芳香族ジチオール化合物の、それぞれのモル数の総和に対して105〜125モル%の範囲である。125モル%よりも多
いと、分解などの副反応の原因となる場合があり好ましくなく、100モル%未満では反応を十分に進行させることができない場合があり好ましくない。Examples of basic compounds include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, etc., but activate aliphatic dithiols, aromatic diols, and aromatic dimercapto compounds. Any phenoxide structure can be used without limitation. The basic compound can be polymerized satisfactorily when used in an amount of 100 mol% or more based on the total number of moles of the aliphatic dithiol compound, aromatic diol compound, and aromatic dithiol compound, preferably It is the range of 105-125 mol% with respect to the sum total of each mole number of aliphatic dithiols, aromatic diol compounds, and aromatic dithiol compounds. If it is more than 125 mol%, it may cause side reactions such as decomposition, which is not preferable, and if it is less than 100 mol%, the reaction may not be allowed to proceed sufficiently.
また、上記重合反応において、塩基性化合物を用いずに、脂肪族ジチオール類、芳香族ジオール化合物、及び芳香族ジチオール化合物を、イソシアネート化合物と反応させてカルバモイル化したものと、活性化ジハロゲン芳香族化合物や活性化ジニトロ芳香族化合物とを直接反応させることもできる。 In the above polymerization reaction, an aliphatic dithiol, an aromatic diol compound, and an aromatic dithiol compound reacted with an isocyanate compound without using a basic compound and carbamoylated, and an activated dihalogen aromatic compound Or an activated dinitroaromatic compound can be directly reacted.
芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水材を使用することもできる。脂肪族ジチオールとして沸点が250℃以下のものを用いる場合には、蒸発を防ぐため還流下で反応させることが好ましく、モレキュラーシーブなどの脱水剤を反応溶液内に加えておくことも好ましい。芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50質量%の範囲となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5質量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50質量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。また副生する塩類を濾過によって取り除いてポリマー溶液を得ることもできる。 In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. As a method for removing water out of the system, a water absorbing material such as molecular sieve can also be used. When an aliphatic dithiol having a boiling point of 250 ° C. or lower is used, it is preferably reacted under reflux to prevent evaporation, and a dehydrating agent such as molecular sieve is preferably added to the reaction solution. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is in the range of 5 to 50% by mass. When the amount is less than 5% by mass, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by mass, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult. After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, the polymer can be obtained by precipitating the polymer as a solid by adding the reaction solution in a solvent having low polymer solubility, and collecting the precipitate by filtration. In addition, a polymer solution can be obtained by removing by-product salts by filtration.
また、本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーは、後で述べる方法により測定したポリマー対数粘度が0.1dL/g以上であることが好ましい。対数粘度が0.1dL/gよりも小さいと、高分子電解質膜として成形したときに、膜が脆くなりやすくなる。対数粘度は、0.3dL/g以上であることがさらに好ましい。一方、対数粘度が5dL/gを超えると、ポリマーの溶解が困難になるなど、加工性での問題が出てくるので好ましくない。なお、対数粘度を測定する溶媒としては、一般にN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどの極性有機溶媒を使用することができるが、これらに溶解性が低い場合には濃硫酸を用いて測定することもできる。 In addition, the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention preferably has a polymer log viscosity measured by a method described later of 0.1 dL / g or more. When the logarithmic viscosity is less than 0.1 dL / g, the membrane tends to become brittle when molded as a polymer electrolyte membrane. The logarithmic viscosity is more preferably 0.3 dL / g or more. On the other hand, when the logarithmic viscosity exceeds 5 dL / g, problems in processability such as difficulty in dissolving the polymer occur, which is not preferable. As a solvent for measuring the logarithmic viscosity, polar organic solvents such as N-methylpyrrolidone and N, N-dimethylacetamide can be generally used. When the solubility in these is low, concentrated sulfuric acid is used. It can also be measured.
本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーのイオン交換容量は、0.1meq/g以上であることが好ましいが、3.5meq/g以下であることがさらに好ましい。イオン交換容量が小さくなるとプロトン伝導性が低下するため好ましくない。イオン交換容量が大きくなると、プロトン伝導性は増大するが、同時に膜が膨潤したり、水に溶解してしまったりする問題が起きやすくなる。本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーのイオン交換容量は、0.3〜3.5meq/gの範囲にあることがより好ましく、0.4〜2.5meq/gの範囲であることがさらに好ましい。 The ion exchange capacity of the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention is preferably 0.1 meq / g or more, more preferably 3.5 meq / g or less. A small ion exchange capacity is not preferable because proton conductivity decreases. As the ion exchange capacity increases, proton conductivity increases, but at the same time, problems such as membrane swelling and water dissolution are likely to occur. The ion exchange capacity of the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention is more preferably in the range of 0.3 to 3.5 meq / g, and further preferably in the range of 0.4 to 2.5 meq / g.
本発明における高分子電解質膜は任意の厚みにすることができるが、10μm以下だと所定の特性を満たすことが困難になるので10μm以上であることが好ましく、20μm以上であることがより好ましい。また、300μm以上になると製造が困難になるため、300μm以下であることが好ましい。 The polymer electrolyte membrane in the present invention can have any thickness, but if it is 10 μm or less, it becomes difficult to satisfy the predetermined characteristics, and therefore it is preferably 10 μm or more, and more preferably 20 μm or more. Moreover, since manufacture will become difficult when it becomes 300 micrometers or more, it is preferable that it is 300 micrometers or less.
本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーは、単体として使用することができるが、他のポリマーとの組み合わせによる樹脂組成物として使用することもできる。これらのポリマーとしては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン12などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系ポリマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などの熱硬化性樹脂等、特に制限はない。ポリベンズイミダゾールやポリビニルピリジンなどの塩基性ポリマーとの樹脂組成物は、ポリマー寸法性の向上のために好ましい組み合わせといえる、これらの塩基性ポリマー中に、さらにスルホン酸基を導入しておくと、組成物の加工性がより好ましいものとなる。これら樹脂組成物として使用する場合には、本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、樹脂組成物全体の50質量%以上100質量%未満含まれていることが好ましい。より好ましくは70質量%以上100質量%未満である。本発明のスルホン酸基含有ポリマーの含有量が樹脂組成物全体の50質量%未満の場合には、この樹脂組成物を含む高分子電解質膜のスルホン酸基濃度が低くなり良好なイオン伝導性が得られない傾向にあり、また、スルホン酸基を含有するユニットが非連続相となり伝導するイオンの移動度が低下する傾向にある。なお、本発明の組成物は、必要に応じて、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、などの各種添加剤を含んでいても良い。 The sulfonic acid group-containing polymer in the present invention can be used as a simple substance, but can also be used as a resin composition in combination with other polymers. Examples of these polymers include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, and polyethylene naphthalate, polyamides such as nylon 6, nylon 66, nylon 610, and nylon 12, polymethyl methacrylate, polymethacrylates, and polymethyl. Acrylate resins such as acrylates and polyacrylates, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, various polyolefins including polystyrene and diene polymers, polyurethane resins, cellulose acetate, cellulose such as ethyl cellulose Resin, polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, polyethers Thermal curing of aromatic polymers such as phon, polyetheretherketone, polyetherimide, polyimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, epoxy resin, phenol resin, novolac resin, benzoxazine resin There are no particular restrictions on the conductive resin. A resin composition with a basic polymer such as polybenzimidazole or polyvinylpyridine can be said to be a preferable combination for improving the polymer dimensionality, and when a sulfonic acid group is further introduced into these basic polymers, The processability of the composition becomes more preferable. When used as these resin compositions, the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is preferably contained in an amount of 50% by mass or more and less than 100% by mass of the entire resin composition. More preferably, it is 70 mass% or more and less than 100 mass%. When the content of the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention is less than 50% by mass of the entire resin composition, the sulfonic acid group concentration of the polymer electrolyte membrane containing this resin composition is lowered and good ion conductivity is obtained. In addition, the unit containing a sulfonic acid group tends to be a discontinuous phase, and the mobility of ions to be conducted tends to decrease. In addition, the composition of the present invention, if necessary, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a crosslinking agent, a viscosity modifier, an antistatic agent, an antibacterial agent, an antifoaming agent, Various additives such as a dispersant and a polymerization inhibitor may be included.
本発明の高分子電解質膜は、本発明のスルホン酸基含有イオン交換樹脂を含む組成物から、押し出し、圧延又はキャストなど任意の方法で得ることができる。中でも適当な溶媒に溶解した溶液から成形することが好ましい。溶液から成形体を得る方法は従来から公知の方法を用いて行うことができる。例えば、加熱、減圧乾燥、化合物を溶解する溶媒と混和することができる化合物非溶媒への浸漬等によって、溶媒を除去し成形体を得ることができる。溶媒が、有機溶媒の場合には、加熱又は減圧乾燥によって溶媒を留去させることが好ましい。この際、必要に応じて他の化合物と複合された形で成形することもできる。溶解挙動が類似する化合物と組み合わせた場合には、良好な成形ができる点で好ましい。このようにして得られた成形体中のスルホン酸基は陽イオン種との塩の形のものを含んでいても良いが、必要に応じて酸処理することによりフリーのスルホン酸基に変換することもできる。 The polymer electrolyte membrane of the present invention can be obtained from the composition containing the sulfonic acid group-containing ion exchange resin of the present invention by any method such as extrusion, rolling or casting. Among these, it is preferable to mold from a solution dissolved in an appropriate solvent. A method of obtaining a molded body from a solution can be performed using a conventionally known method. For example, the molded product can be obtained by removing the solvent by heating, drying under reduced pressure, immersion in a compound non-solvent that can be mixed with a solvent that dissolves the compound, or the like. When the solvent is an organic solvent, the solvent is preferably distilled off by heating or drying under reduced pressure. At this time, if necessary, it can be molded in a form combined with other compounds. When combined with a compound having a similar dissolution behavior, it is preferable in that good molding can be achieved. The sulfonic acid group in the molded article thus obtained may contain a salt form with a cationic species, but it is converted to a free sulfonic acid group by acid treatment if necessary. You can also.
本発明におけるスルホン酸基含有ポリマー及びその樹脂組成物から高分子電解質膜を成形する手法として最も好ましいのは、溶液からのキャストであり、キャストした溶液から上記のように溶媒を除去して高分子電解質膜を得ることができる。当該溶液としてはN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の有機溶媒を用いた溶液や、場合によってはアルコール系溶媒等も挙げることができる。溶媒の除去は、乾燥によることが高分子電解質膜の均一性からは好ましい。また、化合物や溶媒の分解や変質を避けるため、減圧下できるだけ低い温度で乾燥することもできる。また、溶液の粘度が高い場合には、基板や溶液を加熱して高温でキャストすると溶液の粘度が低下して容易にキャストすることができる。キャストする際の溶液の厚みは特に制限されないが、10〜2000μmの範囲であることが好ましい。より好ましくは50〜1500μmである。溶液の厚みが10μmよりも薄いと高分子電解質膜としての形態を保てなくなる傾向にあり、2000μmよりも厚いと不均一な膜ができやすくなる傾向にある。溶液のキャスト厚を制御する方法は公知の方法を用いることができる。例えば、アプリケーター、ドクターブレードなどを用いて一定の厚みにしたり、ガラスシャーレなどを用いてキャスト面積を一定にしたりして溶液の量や濃度で厚みを制御することができる。キャストした溶液は、溶媒の除去速度を調整することでより均一な膜を得ることができる。例えば、加熱する場合には最初の段階では低温にして蒸発速度を下げたりすることができる。また、水などの非溶媒に浸漬する場合には、溶液を空気中や不活性ガス中に適当な時間放置しておくなどして化合物の凝固速度を調整することができる。高分子電解質膜として使用する場合、膜中のスルホン酸基は金属塩になっているものを含んでいても良いが、適当な酸処理によりフリーのスルホン酸に変換することもできる。この場合、硫酸、塩酸等の水溶液中に加熱下あるいは加熱せずに膜を浸漬処理することで行うことも効果的である。 The most preferable method for forming a polymer electrolyte membrane from a sulfonic acid group-containing polymer and a resin composition thereof in the present invention is casting from a solution, and the polymer is removed from the cast solution by removing the solvent as described above. An electrolyte membrane can be obtained. Examples of the solution include a solution using an organic solvent such as N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylformamide, and dimethyl sulfoxide, and in some cases, an alcohol solvent. The removal of the solvent is preferably by drying in view of the uniformity of the polymer electrolyte membrane. Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and alteration of a compound or a solvent, it can also dry at the lowest temperature possible under reduced pressure. Further, when the viscosity of the solution is high, when the substrate or the solution is heated and cast at a high temperature, the viscosity of the solution is lowered and the casting can be easily performed. The thickness of the solution at the time of casting is not particularly limited, but is preferably in the range of 10 to 2000 μm. More preferably, it is 50-1500 micrometers. If the thickness of the solution is less than 10 μm, the form as a polymer electrolyte membrane tends to be not maintained, and if it is more than 2000 μm, a non-uniform film tends to be easily formed. As a method for controlling the cast thickness of the solution, a known method can be used. For example, the thickness can be controlled by the amount and concentration of the solution by making the thickness constant using an applicator, a doctor blade or the like, or making the cast area constant using a glass petri dish or the like. The cast solution can obtain a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, in the case of heating, the evaporation rate can be reduced by lowering the temperature in the first stage. In addition, when immersed in a non-solvent such as water, the coagulation rate of the compound can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time. When used as a polymer electrolyte membrane, the sulfonic acid group in the membrane may contain a metal salt, but can be converted to free sulfonic acid by an appropriate acid treatment. In this case, it is also effective to immerse the membrane in an aqueous solution of sulfuric acid, hydrochloric acid or the like with or without heating.
本発明の膜/電極接合体は、本発明の高分子電解質膜を電極と接合することによって得ることができる。
電極は、電極材料と、その表面に形成された触媒を含む層(電極触媒層)とからなり、電極材料としては、公知の材料を用いることができる。例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスなど、導電性の多孔質材料を用いることができるが、それらに限定されるものではない。カーボンペーパーやカーボンクロスなど、導電性の多孔質材料は、撥水処理、親水処理などの表面処理がされたものを用いることもできる。触媒には、公知の材料を用いることができる。例えば、白金、白金とルテニウムなどの合金などを挙げることができるが、それらに限定されるものではない。
触媒は公知の任意の形態で用いることができ、例えば触媒微粒子を坦持させたカーボン粒子を用いることができるが、それらに限定されるものではない。
触媒や触媒を坦持した粒子を含む電極触媒層には、接着剤を用いることができ、接着剤としては、プロトン伝導性を有する樹脂を用いることができる。The membrane / electrode assembly of the present invention can be obtained by bonding the polymer electrolyte membrane of the present invention to an electrode.
An electrode consists of an electrode material and a layer (electrode catalyst layer) containing a catalyst formed on the surface thereof, and a known material can be used as the electrode material. For example, a conductive porous material such as carbon paper or carbon cloth can be used, but is not limited thereto. As the conductive porous material such as carbon paper or carbon cloth, a material subjected to surface treatment such as water repellent treatment or hydrophilic treatment can be used. A known material can be used for the catalyst. For example, platinum, an alloy of platinum and ruthenium, and the like can be given, but the invention is not limited to them.
The catalyst can be used in any known form, and for example, carbon particles carrying catalyst fine particles can be used, but are not limited thereto.
An adhesive can be used for the catalyst and the electrode catalyst layer including the particles carrying the catalyst, and as the adhesive, a resin having proton conductivity can be used.
この接合体の作製方法としては、従来から公知の方法を用いて行うことができ、例えば、電極表面に接着剤を塗布し高分子電解質膜と電極とを接着する方法又は高分子電解質膜と電極とを加熱加圧する方法等がある。接着剤としては、ナフィオン(商品名)溶液など公知のものを用いてもよいし、本発明の高分子電解質膜を構成するポリマーと同種のポリマー組成物を主成分としたものを用いてもよいし、他の炭化水素系プロトン伝導性ポリマーを主成分とするものを用いてもよい。電極反応に必要な白金、白金―ルテニウム合金などの触媒は、カーボンなどの導電性粒子に坦持させたものを、上記接着剤中に分散させておくことで、電極触媒層を得ることができる。電極と高分子電解質膜の接合体を作製する方法は、電極表面に塗布して接着する方法が好ましい。本発明の高分子電解質膜及びポリマー組成物は適度な軟化温度を有するため、加圧加熱によって高分子電解質膜と電極とを接合する方法に特に適している。 As a method for producing this joined body, a conventionally known method can be used. For example, a method of applying an adhesive to the electrode surface and bonding the polymer electrolyte membrane and the electrode, or a polymer electrolyte membrane and the electrode There is a method of heating and pressurizing. As the adhesive, a known material such as a Nafion (trade name) solution may be used, or an adhesive mainly composed of the same polymer composition as that of the polymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention may be used. However, other hydrocarbon-based proton conductive polymers may be used as the main component. A catalyst such as platinum or platinum-ruthenium alloy necessary for the electrode reaction can be obtained by dispersing the catalyst supported on conductive particles such as carbon in the adhesive. . The method for producing a joined body of an electrode and a polymer electrolyte membrane is preferably a method of applying and bonding to the electrode surface. Since the polymer electrolyte membrane and the polymer composition of the present invention have an appropriate softening temperature, they are particularly suitable for a method of joining a polymer electrolyte membrane and an electrode by pressure heating.
本発明の燃料電池は、本発明の高分子電解質膜又は高分子電解質膜/電極接合体を用いて作製することができる。本発明の燃料電池は、例えば酸素極と、燃料極と、それぞれの極に挟まれて配置された高分子電解質膜と、酸素極側に設けられた酸化剤の流路と、燃料極側に設けられた燃料の流路を有するものである。このような一つの単位セルを導電性のセパレーターで連結することによって燃料電池スタックを得ることができる。 The fuel cell of the present invention can be produced using the polymer electrolyte membrane or the polymer electrolyte membrane / electrode assembly of the present invention. The fuel cell of the present invention includes, for example, an oxygen electrode, a fuel electrode, a polymer electrolyte membrane sandwiched between the electrodes, an oxidant flow path provided on the oxygen electrode side, and a fuel electrode side. The fuel flow path is provided. A fuel cell stack can be obtained by connecting such unit cells with a conductive separator.
以下本発明を、実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。なお、各種測定は次のように行った。
<対数粘度>
ポリマー粉末を0.5g/dLの濃度でN−メチルピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度ln[ta/tb]/cで評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度)。EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.
<Logarithmic viscosity>
The polymer powder was dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dL, the viscosity was measured using a Ubbelohde viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C., and the logarithmic viscosity ln [ta / tb] / c was evaluated. (Ta is the drop time of the sample solution, tb is the drop time of the solvent only, and c is the polymer concentration).
<プロトン伝導性>
自作測定用プローブ(テトラフルオロエチレン樹脂製)上で短冊状膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、25℃の水中又は80℃、95%RHの恒湿恒温槽に試料を保持し、白金線間のインピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−Cプロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾配から以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルした導電率を算出した。
導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]×抵抗極間勾配[Ω/cm]<Proton conductivity>
A platinum wire (diameter: 0.2 mm) is pressed on the surface of the strip-shaped membrane sample on a probe for self-made measurement (made of tetrafluoroethylene resin) and placed in water at 25 ° C. or in a constant temperature and humidity chamber at 80 ° C. and 95% RH. The sample was held, and the impedance between the platinum wires was measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. The measurement was performed while changing the distance between the electrodes, and the conductivity obtained by canceling the contact resistance between the film and the platinum wire was calculated from the gradient obtained by plotting the distance measured between the electrodes and the resistance measurement value estimated from the CC plot.
Conductivity [S / cm] = 1 / film width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm]
<メタノール透過性>
高分子電解質膜の液体燃料透過速度はメタノールの透過速度として、以下の方法で測定した。25℃に調整した5M(モル/リットル)の濃度のメタノール水溶液に24時間浸漬した高分子電解質膜をH型セルに挟み込み、セルの片側に100mLの5Mメタノール水溶液を、他方のセルに100mLの超純水(18MΩ・cm)を注入し、25℃で両側のセルを撹拌しながら、高分子電解質膜を通って超純水中に拡散してくるメタノール量を、ガスクロマトグラフを用いて測定することで算出した(高分子電解質膜の面積は、2.0cm2)。得られたメタノール透過速度とサンプルの膜厚から、メタノール透過係数を求めた。<Methanol permeability>
The liquid fuel permeation rate of the polymer electrolyte membrane was measured as the methanol permeation rate by the following method. A polymer electrolyte membrane immersed in a 5 M (mol / liter) aqueous methanol solution adjusted to 25 ° C. for 24 hours is sandwiched between H-type cells, 100 mL of 5 M aqueous methanol solution is added to one side of the cell, and 100 mL of the other cell is over 100 mL. Inject pure water (18 MΩ · cm) and measure the amount of methanol diffusing into ultrapure water through the polymer electrolyte membrane while stirring the cells on both sides at 25 ° C using a gas chromatograph. (The area of the polymer electrolyte membrane was 2.0 cm 2 ). A methanol permeability coefficient was determined from the obtained methanol permeation rate and the film thickness of the sample.
<水素を燃料とする燃料電池(PEFC)の発電評価>
デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液に、40%Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業社製燃料電池用触媒:TEC10V40E)と、少量の超純水及びイソプロパノールを加えた後、均一になるまで撹拌し、触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、カーボンペーパー(東レ社製TGPH−060)に白金の付着量が0.5mg/cm2になるように均一に塗布・乾燥して、電極触媒層付きガス拡散層を作製した。上記の電極触媒層付きガス拡散層の間に、高分子電解質膜を、電極触媒層が膜に接するように挟み、ホットプレス法により5MPaにて3分間加圧、加熱することにより、膜−電極接合体とした。加熱温度は、評価に用いる高分子電解質膜ごとに電極触媒層と膜との剥離が生じない温度に適宜調整した。この接合体をElectrochem社製の評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込んでセル温度80℃で、アノードに75℃で加湿した水素を、カソードに75℃で加湿した空気を、それぞれ供給して発電特性を評価した。開始直後における電流密度が0.5A/cm2における出力電圧を初期特性とした。また、耐久性評価として、1時間に3回の割合で開回路電圧を測定しつつ上記の条件で連続運転を行った。開回路電圧が開始直後の値よりも10%以上低下したときの時間を耐久時間とした。耐久性評価は2000時間を上限として行った。<Power generation evaluation of hydrogen-fueled fuel cell (PEFC)>
After adding 40% Pt catalyst-supporting carbon (catalyst for fuel cell manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: TEC10V40E), a small amount of ultrapure water and isopropanol, to DuPont 20% Nafion (registered trademark) solution, until uniform Stir to prepare a catalyst paste. This catalyst paste was uniformly applied to carbon paper (TGPH-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) so that the amount of platinum deposited was 0.5 mg / cm 2 and dried to prepare a gas diffusion layer with an electrode catalyst layer. By sandwiching the polymer electrolyte membrane between the gas diffusion layers with the electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane, and pressurizing and heating at 5 MPa for 3 minutes by a hot press method, the membrane-electrode A joined body was obtained. The heating temperature was appropriately adjusted to a temperature at which peeling between the electrode catalyst layer and the membrane did not occur for each polymer electrolyte membrane used for evaluation. This joined body is incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and at a cell temperature of 80 ° C., hydrogen humidified at 75 ° C. to the anode and air humidified at 75 ° C. to the cathode are supplied to generate electricity. The characteristics were evaluated. The output voltage at a current density of 0.5 A / cm 2 immediately after the start was taken as the initial characteristics. Moreover, as durability evaluation, the continuous operation was performed on said conditions, measuring an open circuit voltage 3 times per hour. The time when the open circuit voltage decreased by 10% or more from the value immediately after the start was defined as the endurance time. Durability evaluation was performed with 2000 hours as the upper limit.
<ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)の発電評価>
Pt/Ru触媒担持カーボン(田中貴金属工業社製TEC61E54)に少量の超純水及びイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液(品番:SE−20192)を、Pt/Ru触媒担持カーボンとナフィオン(登録商標)の質量比が2.5:1になるように加えた。次いで撹拌してアノード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、ガス拡散層となるカーボンペーパー(東レ社製TGPH−060)に白金の付着量が2mg/cm2になるようにスクリーン印刷により塗布乾燥して、アノード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。また、Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業社TEC10V40E)に少量の超純水及びイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液(品番:SE−20192)を、Pt触媒担持カーボンとナフィオン(登録商標)の質量比が2.5:1となるように加え、撹拌してカソード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、撥水加工を施したカーボンペーパー(東レ社製TGPH−060)に白金の付着量が1mg/cm2となるように塗布・乾燥して、カソード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。上記2種類の電極触媒層付きカーボンペーパーの間に、膜試料を、電極触媒層が膜試料に接するように挟み、ホットプレス法により5MPaにて3分間加圧、加熱することにより、膜−電極接合体とした。加熱温度は、評価に用いる高分子電解質膜ごとに電極触媒層と膜との剥離が生じない温度に適宜調整した。この接合体をElectrochem社製評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込み、燃料電池発電試験機(株式会社東陽テクニカ製)を用いて発電試験を行った。発電は、セル温度40℃で、アノードに40℃に調整した5mol/Lのメタノール水溶液(1.5ml/min)を、カソードに40℃に調整した高純度空気ガス(80ml/min)を、それぞれ供給しながら行った。電流密度が0.05A/cm2における出力電圧を測定した。<Power generation evaluation of direct methanol fuel cell (DMFC)>
After adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to a Pt / Ru catalyst-supporting carbon (TEC61E54 manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) and moistening, a 20% Nafion (registered trademark) solution (product number: SE-20192) manufactured by DuPont is used. The Pt / Ru catalyst-carrying carbon and Nafion (registered trademark) were added at a mass ratio of 2.5: 1. Next, stirring was performed to prepare an anode catalyst paste. This catalyst paste is applied to a carbon paper (TGPH-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) serving as a gas diffusion layer by screen printing so that the amount of platinum deposited is 2 mg / cm 2, and then carbon paper with an electrode catalyst layer for an anode. Was made. Moreover, after adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to a Pt catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo TEC10V40E) and moistening, a 20% Nafion (registered trademark) solution (product number: SE-20192) manufactured by DuPont, A cathode catalyst paste was prepared by adding Pt catalyst supporting carbon and Nafion (registered trademark) so that the mass ratio was 2.5: 1 and stirring. The catalyst paste was applied and dried on carbon paper (TGPH-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) subjected to water repellent treatment so that the amount of platinum deposited was 1 mg / cm 2. Produced. A membrane sample is sandwiched between the above two types of carbon paper with an electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane sample, and heated and pressurized at 5 MPa for 3 minutes by a hot press method, whereby a membrane-electrode is obtained. A joined body was obtained. The heating temperature was appropriately adjusted to a temperature at which peeling between the electrode catalyst layer and the membrane did not occur for each polymer electrolyte membrane used for evaluation. This joined body was incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and a power generation test was performed using a fuel cell power generation tester (manufactured by Toyo Corporation). For power generation, a 5 mol / L methanol aqueous solution (1.5 ml / min) adjusted to 40 ° C. at the cell temperature and a high-purity air gas (80 ml / min) adjusted to 40 ° C. at the cathode, respectively. It went while supplying. The output voltage at a current density of 0.05 A / cm 2 was measured.
<イオン交換容量>
100℃で1時間乾燥し、窒素雰囲気下室温で一晩放置した試料の質量をはかり、水酸化ナトリウム水溶液と撹拌処理した後、塩酸水溶液による逆滴定でイオン交換容量を求めた。<Ion exchange capacity>
The weight of a sample dried at 100 ° C. for 1 hour and allowed to stand overnight at room temperature in a nitrogen atmosphere was weighed, stirred with an aqueous sodium hydroxide solution, and then ion exchange capacity was determined by back titration with an aqueous hydrochloric acid solution.
<合成例1>
3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(略号:SDS)25.00g、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCB)64.19g、1,6−ヘキサンジチオール(略号:HDT)63.74g、炭酸カリウム64.47g、乾燥したモレキュラーシーブ3−A60gを冷却還流管を取り付けた2000mL四つ口フラスコに計り取り、0.5L/分で窒素を流した。400mlのN−メチル−2−ピロリドン(略号:NMP)を入れて、オイルバスに入れ、オイルバスの温度を150℃にして30分撹拌した後、オイルバスの温度を215℃にして12時間反応させた。放冷の後、沈降しているモレキュラーシーブを1G25ガラスフィルターで濾過して除き、重合溶液を水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、常温の水で6回洗浄し、110℃乾燥した。<Synthesis Example 1>
Sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone (abbreviation: SDS) 25.00 g, 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCB) 64.19 g, 1,6-hexanedithiol (abbreviation) : HDT) 63.74 g, potassium carbonate 64.47 g, and dried molecular sieve 3-A 60 g were weighed into a 2000 mL four-necked flask equipped with a cooling reflux tube and flushed with nitrogen at 0.5 L / min. Add 400 ml of N-methyl-2-pyrrolidone (abbreviation: NMP), put in oil bath, stir oil bath temperature at 150 ° C. for 30 minutes, then set oil bath temperature at 215 ° C. and react for 12 hours. I let you. After allowing to cool, the precipitated molecular sieve was removed by filtration through a 1G25 glass filter, and the polymerization solution was precipitated in water into a strand. The obtained polymer was washed 6 times with normal temperature water and dried at 110 ° C.
<合成例2〜20>
各モノマー成分、及びそのモル比を変更した他は、合成例1と同様にして合成例2〜20のポリマーを合成した。炭酸カリウムは、脂肪族ジチオール化合物、芳香族ジオール化合物、及び芳香族ジチオール化合物のモル数の合計に対して10%過剰になるような量を用いた。モレキュラーシーブは、炭酸カリウムとほぼ同量の量を用いた。NMPは、計算上のポリマー量に対して約2.6倍の質量の量を用いた。<Synthesis Examples 2-20>
The polymers of Synthesis Examples 2 to 20 were synthesized in the same manner as in Synthesis Example 1 except that each monomer component and the molar ratio thereof were changed. Potassium carbonate was used in an amount that would be 10% excess relative to the total number of moles of the aliphatic dithiol compound, aromatic diol compound, and aromatic dithiol compound. The molecular sieve was used in approximately the same amount as potassium carbonate. NMP was used in an amount of about 2.6 times the mass of the calculated polymer amount.
<比較合成例1〜4>及びそのモル比を変更した他は、合成例1と同様にして比較合成例1〜7のポリマーを合成した。炭酸カリウムは、芳香族ジオール化合物のモル数の合計に対して10%過剰になるような量を用いた。モレキュラーシーブは、炭酸カリウムとほぼ同量の量を用いた。NMPは、計算上のポリマー量に対して約2.6倍の質量の量を用いた。 <Comparative Synthesis Examples 1 to 4> The polymers of Comparative Synthesis Examples 1 to 7 were synthesized in the same manner as Synthesis Example 1 except that the molar ratio was changed. Potassium carbonate was used in an amount that would be 10% excess relative to the total number of moles of aromatic diol compound. The molecular sieve was used in approximately the same amount as potassium carbonate. NMP was used in an amount of about 2.6 times the mass of the calculated polymer amount.
<合成例21>
SDS 50.00g、DCB 45.02g、1,10−デカンジチオール(略号:DDT) 15.01g、BP 54.15g、炭酸カリウム 53.76g 、乾燥したモレキュラーシーブ3−A 60gを冷却還流管を取り付けた2000mL四つ口フラスコに計り取り、0.5L/分で窒素を流した。320mlのN−メチル−2−ピロリドン(略号:NMP)を入れて、オイルバスに入れ、オイルバスの温度を150℃にして30分撹拌した後、オイルバスの温度を215℃にして12時間反応させた。放冷の後、沈降しているモレキュラーシーブを1G25ガラスフィルターで濾過して除き、重合溶液を水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、常温の水で6回洗浄し、110℃で乾燥した。
合成例1〜21、及び比較合成例1〜4のポリマーについて、組成及び対数粘度を表2に示す。表2における略号は以下の化合物を表す。
SDS:3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン
SBP:3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロベンゾフェノン
DCB:2,6−ジクロロベンゾニトリル
DCS:4,4’−ジクロロジフェニルスルホン
CBP:4,4’−ジクロロベンゾフェノン
HDT:1,6−ヘキサンジチオール
DDT:1,10−デカンジチオール
NDT:3,6−ジチア−1,9−ノナンジチオール
PDT:2−メルカプトエチルスルフィド
XDT:1,4−ビス(メルカプトメチル)ベンゼン
BDT:2,3−ジヒドロキシ−1,4−ブタンジチオール
BPS:ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド
BP :4,4’−ビフェノール
TBT:4,4’−チオビスベンゼンチオール
DHE:4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル
BPA:2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン
BPF:2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン
BPH:1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン
DHM:4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン
HCQ:10−(2,5−ジヒドロキシフェニル)−9,10−ジヒドロ−9−オキサ−10−フォスファフェナントレン−10−オキシド<Synthesis Example 21>
50.00 g of SDS, 45.02 g of DCB, 1,10-decanedithiol (abbreviation: DDT) 15.01 g, BP 54.15 g, 53.76 g of potassium carbonate, 60 g of dried molecular sieve 3-A were attached to a cooling reflux tube. Weighed into a 2000 mL four-necked flask and flushed with nitrogen at 0.5 L / min. Add 320 ml of N-methyl-2-pyrrolidone (abbreviation: NMP), put it in an oil bath, stir the oil bath at 150 ° C. for 30 minutes, then set the oil bath temperature at 215 ° C. and react for 12 hours. I let you. After allowing to cool, the precipitated molecular sieve was removed by filtration through a 1G25 glass filter, and the polymerization solution was precipitated in water into a strand. The obtained polymer was washed 6 times with normal temperature water and dried at 110 ° C.
Table 2 shows the compositions and logarithmic viscosities of the polymers of Synthesis Examples 1 to 21 and Comparative Synthesis Examples 1 to 4. The abbreviations in Table 2 represent the following compounds.
SDS: sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone SBP: sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorobenzophenone DCB: 2,6-dichlorobenzonitrile DCS: 4, 4'-dichlorodiphenyl sulfone CBP: 4,4'-dichlorobenzophenone HDT: 1,6-hexanedithiol DDT: 1,10-decanedithiol NDT: 3,6-dithia-1,9-nonanedithiol PDT: 2-mercapto Ethyl sulfide XDT: 1,4-bis (mercaptomethyl) benzene BDT: 2,3-dihydroxy-1,4-butanedithiol BPS: Bis (4-hydroxyphenyl) sulfide BP: 4,4′-biphenol TBT: 4, 4′-thiobisbenzenethiol DHE: 4,4′-di Droxydiphenyl ether BPA: 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane BPF: 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane BPH: 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane DHM: 4 , 4'-dihydroxydiphenylmethane HCQ: 10- (2,5-dihydroxyphenyl) -9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide
表2における化学式166〜168で表されるポリマー構造を以下に示す。 The polymer structures represented by chemical formulas 166 to 168 in Table 2 are shown below.
<実施例1〜21>
合成例1〜21で得られたポリマーについて、それぞれ7gをNMP28gに溶解し、ホットプレート上ガラス板に約400μm厚にキャストして80℃で0.5時間、120℃で0.5時間、150℃で0.5時間加熱した後、窒素雰囲気の150℃のオーブン中で1時間乾燥し、ガラス板からフィルムを剥離した。得られたフィルムは室温の純水に1日浸漬した後、2mol/Lの硫酸水溶液に1時間浸漬し、さらに別の2mol/Lの硫酸水溶液に1時間浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、ろ紙で表面の水分を除去した後、清浄なろ紙に挟み、さらに両面をガラス板で挟み、荷重をかけながら室内に2日間放置して乾燥し、高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜について評価を行った。
<比較例1〜4>
合成例1〜4で得られたポリマーについて、実施例と同様にして高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜について評価を行った。比較例2〜4の発電評価では、予め高分子電解質膜を25℃100%RH下の雰囲気に1時間放置してから、ホットプレスして膜/電極接合体を作製した。
評価結果を表3に示す。<Examples 1 to 21>
About each of the polymers obtained in Synthesis Examples 1 to 21, 7 g was dissolved in 28 g of NMP, cast on a glass plate on a hot plate to a thickness of about 400 μm, cast at 80 ° C. for 0.5 hours, 120 ° C. for 0.5 hours, 150 After heating at 50 ° C. for 0.5 hour, the film was dried in an oven at 150 ° C. in a nitrogen atmosphere for 1 hour to peel the film from the glass plate. The obtained film was immersed in pure water at room temperature for 1 day, then immersed in a 2 mol / L sulfuric acid aqueous solution for 1 hour, and further immersed in another 2 mol / L sulfuric acid aqueous solution for 1 hour. Then, the film is washed with pure water until the washing water becomes neutral, the surface moisture is removed with filter paper, and then sandwiched between clean filter papers. The polymer electrolyte membrane was obtained by leaving it to dry. The obtained polymer electrolyte membrane was evaluated.
<Comparative Examples 1-4>
About the polymer obtained by the synthesis examples 1-4, it carried out similarly to the Example, and obtained the polymer electrolyte membrane. The obtained polymer electrolyte membrane was evaluated. In power generation evaluation of Comparative Examples 2 to 4, the polymer electrolyte membrane was previously left in an atmosphere at 25 ° C. and 100% RH for 1 hour, and then hot pressed to produce a membrane / electrode assembly.
The evaluation results are shown in Table 3.
表3から、本発明における水素を燃料とする燃料電池(PEFC)用の高分子電解質膜(実施例17〜21)は、比較例の高分子電解質膜(比較例3〜4)の高分子電解質膜に対して、初期電圧は同等であるが、耐久時間が大きく向上しており、優れた高分子電解質膜であることが分かる。また、本発明における、ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)用の高分子電解質膜(実施例1〜16)は、比較例の高分子電解質膜(比較例1〜2)に対して、出力電圧が高く、優れた高分子電解質膜であることが明らかである。また、本発明の高分子電解質膜は、イオン交換容量が同等である比較例の高分子電解質膜に対して、高いプロトン伝導性を示しており、燃料電池の高出力化に寄与している。また、本発明の高分子電解質膜は、110〜160℃という温和な温度で良好に膜と電極を接合することができ、取り扱い性にも優れている。 From Table 3, the polymer electrolyte membrane (Examples 17 to 21) for the fuel cell (PEFC) using hydrogen as a fuel in the present invention is the polymer electrolyte membrane of the comparative example (Comparative Examples 3 to 4). The initial voltage is equivalent to that of the membrane, but the durability time is greatly improved, indicating that the membrane is an excellent polymer electrolyte membrane. In the present invention, the polymer electrolyte membranes (Examples 1 to 16) for direct methanol fuel cells (DMFC) have an output voltage higher than that of the comparative polymer electrolyte membranes (Comparative Examples 1 and 2). It is clear that the polymer electrolyte membrane is high and excellent. In addition, the polymer electrolyte membrane of the present invention exhibits high proton conductivity as compared with the polymer electrolyte membrane of the comparative example having the same ion exchange capacity, and contributes to high output of the fuel cell. In addition, the polymer electrolyte membrane of the present invention can favorably bond the membrane and the electrode at a moderate temperature of 110 to 160 ° C., and is excellent in handleability.
本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、ポリマーの柔軟性が向上して脆さが改善され、高分子電解質膜とした場合に、従来の炭化水素系高分子電解質膜に比べて、プロトン伝導性と耐久性に優れるという長所を有しているため、燃料電池用高分子電解質膜として有用であり、さらには、電解膜、分離膜など、高分子電解質膜としても公知の任意の用途に用いることができ、産業界に寄与すること大である。 The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention has improved polymer flexibility and improved brittleness, and when it is used as a polymer electrolyte membrane, it has proton conductivity and is higher than that of a conventional hydrocarbon polymer electrolyte membrane. Since it has the advantage of being excellent in durability, it is useful as a polymer electrolyte membrane for fuel cells. Furthermore, it can be used for any known application as a polymer electrolyte membrane such as an electrolytic membrane and a separation membrane. It is possible to contribute to the industry.
Claims (21)
[化学式1及び2において、Xは−S(=O)2−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、R1は炭素数1〜10のアルキレン基、オキシアルキレン基、アリーレン基及び直接結合(ベンゼン環とSO3Y基との)のうちのいずれかを、R2は硫黄原子又は酸素原子を含んでいてもよい炭素数2〜20のアルキレン基又はアラルキレン基を、Ar1は電子吸引性基を有する2価の芳香族基を、n及びmはそれぞれの構造単位のポリマー分子中のモル数で1〜1000の整数を表す。]A sulfonic acid group-containing polymer having at least a structural unit represented by the following chemical formulas 1 and 2.
[In Chemical Formulas 1 and 2, X represents an —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and R 1 represents an alkylene having 1 to 10 carbon atoms. Any one of a group, an oxyalkylene group, an arylene group and a direct bond (with a benzene ring and a SO 3 Y group), R 2 is an alkylene having 2 to 20 carbon atoms which may contain a sulfur atom or an oxygen atom. A group or an aralkylene group, Ar 1 represents a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group, and n and m represent an integer of 1 to 1000 in terms of the number of moles of each structural unit in the polymer molecule. ]
[化学式3及び4において、Xは−S(=O)2−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、R1は炭素数1〜10のアルキレン基、オキシアルキレン基、アリーレン基及び直接結合(ベンゼン環とSO3Y基との)のうちのいずれかを、Ar1は電子吸引性基を有する2価の芳香族基を、Z1は酸素原子又は硫黄原子のいずれかを、Z2は、酸素原子、硫黄原子、−C(CH3)2−基、−C(CF3)2−基、−CH2−基、シクロヘキシレン基、直接結合(ベンゼン環同士の)のうちのいずれかを、o及びpはそれぞれの構造単位のポリマー分子中のモル数で1〜1000の整数を表す。]The sulfonic acid group-containing polymer according to claim 1, further comprising structural units represented by the following chemical formulas 3 and 4.
[In the chemical formulas 3 and 4, X represents an —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and R 1 represents an alkylene having 1 to 10 carbon atoms. Any one of a group, an oxyalkylene group, an arylene group and a direct bond (a benzene ring and an SO 3 Y group), Ar 1 is a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group, and Z 1 is oxygen Either an atom or a sulfur atom, Z 2 is an oxygen atom, a sulfur atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, a cyclohexylene group, a direct In any of the bonds (between benzene rings), o and p each represents an integer of 1 to 1000 in terms of the number of moles of each structural unit in the polymer molecule. ]
The sulfonic acid group-containing polymer according to claim 1, wherein Ar 1 in Chemical Formulas 2, 4 and 6 is at least one of structural units represented by Chemical Formulas 7 to 10 below.
0.05≦(n+o+r)/(n+m+o+p+r+s)≦0.70 (数式1)
0.01≦(o+p)/(n+m+o+p+r+s)≦0.99 (数式2)
0≦(r+s)/(n+m+o+p+r+s)≦0.10 (数式3)
0.01≦(n+m)/(n+m+o+p+r+s)≦1.00 (数式4)The sulfonic acid group-containing polymer according to claim 1, wherein n, m, o, p, r, and s in chemical formulas 1 to 6 satisfy the following formulas 1 to 3.
0.05 ≦ (n + o + r) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.70 (Formula 1)
0.01 ≦ (o + p) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.99 (Formula 2)
0 ≦ (r + s) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.10 (Formula 3)
0.01 ≦ (n + m) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 1.00 (Formula 4)
0.05≦(n+o+r)/(n+m+o+p+r+s)≦0.40 (数式5)
0.10≦(o+p)/(n+m+o+p+r+s)≦0.90 (数式6)
0≦(r+s)/(n+m+o+p+r+s)≦0.10 (数式7)
0.1≦(n+m)/(n+m+o+p+r+s)≦0.9 (数式8)16. The polymer electrolyte membrane according to claim 15, wherein n, m, o, p, r, and s in chemical formulas 1 to 6 satisfy the following formulas 4 to 6 and are used for direct methanol fuel cells.
0.05 ≦ (n + o + r) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.40 (Formula 5)
0.10 ≦ (o + p) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.90 (Formula 6)
0 ≦ (r + s) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.10 (Formula 7)
0.1 ≦ (n + m) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.9 (Formula 8)
0.15≦(n+o+r)/(n+m+o+p+r+s)≦0.70 (数式9)
0.01≦(o+p)/(n+m+o+p+r+s)≦0.70 (数式10)
0≦(r+s)/(n+m+o+p+r+s)≦0.10 (数式11)
0.05≦(n+m)/(n+m+o+p+r+s)≦0.8 (数式12)16. The polymer electrolyte membrane according to claim 15, wherein n, m, o, p, r, and s in chemical formulas 1 to 6 satisfy the following formulas 7 to 9 and are for fuel cells using hydrogen as fuel.
0.15 ≦ (n + o + r) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.70 (Equation 9)
0.01 ≦ (o + p) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.70 (Formula 10)
0 ≦ (r + s) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.10 (Formula 11)
0.05 ≦ (n + m) / (n + m + o + p + r + s) ≦ 0.8 (Formula 12)
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