JP2003503510A - Novel ion conductive material suitable for use in electrochemical applications and related methods - Google Patents

Novel ion conductive material suitable for use in electrochemical applications and related methods

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ion conductive
polymer
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コバー,ロバート・エフ
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フオスター・ミラー・インコーポレイテツド
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Abstract

(57)【要約】 この発明は、燃料電池系を含む電気化学的応用における固体ポリマー電解質膜として用いる新規イオン伝導性材料に関する。より詳しくは、この新規イオン伝導性ポリマーは、スルホン化ポリアリールエーテルケトンポリマーおよびスルホン化ポリフェニルスルホンポリマー(これらのコポリマー、またはブレンドを含む)に基づいている。この発明は、これらイオン伝導性材料を製造するための新規方法にも関する。   (57) [Summary] The present invention relates to a novel ion conductive material used as a solid polymer electrolyte membrane in electrochemical applications including fuel cell systems. More specifically, the novel ion-conducting polymers are based on sulfonated polyaryletherketone polymers and sulfonated polyphenylsulfone polymers, including copolymers or blends thereof. The invention also relates to a new method for producing these ion-conducting materials.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】 本発明は、エネルギー省提供の委託番号DE−FC02−97EE50478
下ならびに国立科学財団による委託番号DMI−9760978下で政府の支援
を受けたものである。政府は本発明に一定の権利を有する。
The present invention is based on a consignment number DE-FC02-97EE50478 provided by the Ministry of Energy.
It is supported by the government under the consignment number DMI-9760978 under the National Science Foundation. The government has certain rights in this invention.

【0002】 (技術分野) 本発明は、燃料電池システムなどの電気化学的用途での固体ポリマー電解質膜
としての使用に好適な新規なイオン伝導性材料に関する。より具体的には、その
新規なイオン伝導性ポリマーは、共重合体を含むスルホン化ポリアリールエーテ
ルケトンポリマー類またはスルホン化ポリフェニルスルホンポリマー類あるいは
それらの混合物に基づいたものである。本発明はさらに、これらイオン導電性材
料の新規な製造方法に関するものでもある。
TECHNICAL FIELD This invention relates to novel ion-conducting materials suitable for use as solid polymer electrolyte membranes in electrochemical applications such as fuel cell systems. More specifically, the novel ion-conducting polymers are based on sulfonated polyaryletherketone polymers or copolymer-containing sulfonated polyphenylsulfone polymers or mixtures thereof. The present invention also relates to a novel method for producing these ion conductive materials.

【0003】 (背景技術) 改良された電力密度を有する静かで効果的な軽量の電力源が、軍事部門および
商業部門の両方でかなり必要とされている。軍事的用途には潜水艇、水上艦、携
帯用/移動型電界発生ユニットならびに低電力ユニット(すなわち、バッテリー
代替物)などがあるが、これらに限定されるものではない。例えば軍は、バッテ
リーに代わるものとして機能し得る低レンジ電力源(数ワットから数キロワット
)の開発に強い関心を持っている。商業的用途には、輸送(すなわち、自動車、
バス、トラックおよび鉄道)、通信、現地併給発電および据置き発電などがある
BACKGROUND OF THE INVENTION Quiet, effective, lightweight power sources with improved power density are in great need in both the military and commercial sectors. Military applications include, but are not limited to, submarines, surface ships, portable / mobile electric field generating units, and low power units (ie, battery replacements). For example, the military has a strong interest in developing low-range power sources (a few watts to a few kilowatts) that could serve as an alternative to batteries. Commercial use includes transportation (ie automobiles,
Bus, truck and rail), telecommunications, local cogeneration and stationary generation.

【0004】 他の関心が持たれている分野には、ラジオ、ビデオカメラおよびラップトップ
コンピュータなどの家庭用途がある。さらには、クリーンで効率の良い車両の運
転に使用することができる比較的大きい電力源または比較的高い電力密度の電力
源も関心が持たれている。据え置き発電が必要な場合にはいずれの場合でも、静
かで効果的な軽量の電力源が必要とされる。
Other areas of interest are household applications such as radios, video cameras and laptop computers. Further, there is also interest in a relatively large power source or a relatively high power density power source that can be used to drive a clean and efficient vehicle. In all cases where stationary power generation is required, a quiet and effective lightweight power source is needed.

【0005】 さらにガソリン内燃エンジンの使用は、排気ガス関連の重大な環境問題を引き
起こしている。その環境問題に対する一つの可能な解決法は、燃料電池の使用で
ある。燃料電気は、再生可能な燃料に由来する化学エネルギーを直接電気エネル
ギーに変換する非常に効率の高い電気化学エネルギー変換装置である。
Furthermore, the use of gasoline internal combustion engines poses significant environmental issues related to exhaust emissions. One possible solution to that environmental problem is the use of fuel cells. Fuel electricity is a highly efficient electrochemical energy conversion device that directly converts chemical energy derived from renewable fuels into electrical energy.

【0006】 かなりの研究開発努力が、燃料電池システムなどの各種電気化学的用途で使用
されるプロトン交換膜の開発に注がれてきた。プロトン交換膜燃料電池は、陽極
(カソード)と陰極(アノード)との間に配置されたポリマー電解質膜を有する
。そのポリマー電解質膜は、イオン交換ポリマー(すなわちイオノマー)製であ
る。それの役割は、イオン輸送の手段を提供し、分子型の燃料と酸化剤とが混合
するのを防止するというものである。
Considerable research and development efforts have been devoted to the development of proton exchange membranes for use in various electrochemical applications such as fuel cell systems. Proton exchange membrane fuel cells have a polymer electrolyte membrane disposed between an anode (cathode) and a cathode (anode). The polymer electrolyte membrane is made of an ion exchange polymer (ie ionomer). Its role is to provide a means of ion transport and prevent mixing of molecular fuels and oxidants.

【0007】 固体ポリマー電解質燃料電池(SPEFC)は、静かで効率の良い軽量の理想
的な電力源である。電池の構造内には最終的には使い切る反応物が入っているが
、燃料電池は空気と水素を用いて連続的に運転する。その燃料効率は高く(45
〜50%)、騒音は発生せず、広い電力範囲で動作し(10ワットから数百キロ
ワット)、設計、製造および運転が比較的簡単である。さらに現在のところSP
EFCは、あらゆる型の燃料電池で最も高い電力密度を有する。さらにSPEF
Cは、NOおよびSO(代表的な燃焼副産物)などの環境的に有害な放出物
を発生しない。
The Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell (SPEFC) is an ideal power source that is quiet, efficient and lightweight. The fuel cell operates continuously with air and hydrogen, although the cell structure contains reactants that will eventually be used up. Its fuel efficiency is high (45
-50%), it is noiseless, operates over a wide power range (10 Watts to hundreds of kilowatts) and is relatively simple to design, manufacture and operate. Furthermore, currently SP
EFC has the highest power density in any type of fuel cell. Furthermore SPEF
C does not generate environmentally harmful emissions such as NO x and SO x (typical combustion by-products).

【0008】 従来のSPEFCは、2つのガス拡散電極である陽極および陰極の間にある固
体ポリマーイオン交換膜を有し、各電極は共通に導電性材料によって支持された
金属触媒が含まれている。これらのガス拡散電極は個々の反応ガスである還元剤
ガスおよび酸化剤ガスに曝露される。これら電極の一方、電解質ポリマー膜およ
び反応ガスが接する2つの分岐点(3相境界)のそれぞれで電気化学反応が起こ
る。
A conventional SPEFC has a solid polymer ion exchange membrane between two gas diffusion electrodes, an anode and a cathode, each electrode commonly containing a metal catalyst supported by a conductive material. . These gas diffusion electrodes are exposed to the individual reaction gases reducing agent gas and oxidizing agent gas. An electrochemical reaction occurs at each of two branch points (three-phase boundary) where one of these electrodes, the electrolyte polymer film and the reaction gas come into contact.

【0009】 燃料電池を運転中には、水素が陽極を通って金属触媒と相互作用して、電子と
プロトンを発生する。その電子は導電性材料を介して外部回路から陰極に伝導さ
れ、プロトンは同時にイオン経路を介してポリマー電解質膜を通って陰極に移動
される。酸素は陰極の触媒部位まで通り、そこで電子を受け取り、プロトンと反
応して水を生成する。結果的に、SPEFCの反応の生成物は水、電気および熱
である。SPEFCでは、電流はイオン経路および電子経路によって同時に伝導
される。SPEFCの効率は、それらの電流に対するイオン抵抗および電子抵抗
の両方を低減する能力に大きく依存する。
During operation of the fuel cell, hydrogen interacts with the metal catalyst through the anode to generate electrons and protons. The electrons are conducted from the external circuit to the cathode through the conductive material, and the protons are simultaneously transferred to the cathode through the polymer electrolyte membrane through the ion path. Oxygen passes to the catalytic site of the cathode, where it receives electrons and reacts with protons to produce water. Consequently, the products of the SPEFC reaction are water, electricity and heat. In SPEFC, current is conducted simultaneously by the ionic and electronic paths. The efficiency of SPEFCs depends heavily on their ability to reduce both ionic and electronic resistance to current flow.

【0010】 イオン交換膜は、SPEFCを含む各種電気化学的用途で非常に重要な役割を
果たす。例えばSPEFCではイオン交換膜は、(1)陽極と陰極の間でのイオ
ン伝達を提供する電解質としての作用、ならびに(2)2つの反応ガス(例:O およびH)に対する分離体としての作用という2つの機能を有する。すなわ
ちイオン交換膜は、良好なプロトン輸送膜として役立つ一方で、反応ガスに対し
ては低い透過性を有することで、燃料電池の性能を低下させるクロスオーバー現
象を回避するものでもなければならない。これは、反応ガスが加圧下にあって燃
料電池を高温で運転する燃料電池用途では特に重要である。
[0010]   Ion exchange membranes play a very important role in various electrochemical applications including SPEFC.
Fulfill For example, in SPEFC, the ion exchange membrane is (1) the ion between the anode and the cathode.
And (2) two reaction gases (eg O Two And HTwo) Has the dual function of acting as a separator. Sanawa
While the ion exchange membrane serves as a good proton transport membrane,
Has a low permeability, which may reduce the performance of the fuel cell.
It must also avoid elephants. This is because the reaction gas is under pressure and burns.
It is especially important in fuel cell applications where the fuel cell is operated at high temperatures.

【0011】 燃料電池反応物は、電子受容体特性または電子供与体特性に基づいて酸化剤と
還元剤に分類される。酸化剤には、純粋な酸素、酸素含有ガス(例:空気)およ
びハロゲン類(塩素)などがある。還元剤には、水素、一酸化炭素、天然ガス、
メタン、エタン、ホルムアルデヒドおよびメタノールなどがある。
Fuel cell reactants are classified into oxidants and reducing agents based on their electron acceptor or electron donor properties. Oxidants include pure oxygen, oxygen-containing gases (eg air) and halogens (chlorine). Reducing agents include hydrogen, carbon monoxide, natural gas,
Examples include methane, ethane, formaldehyde and methanol.

【0012】 膜の最適なプロトン・水輸送ならびに適切な水管理も、有効な燃料電池用途に
は非常に重要である。膜が脱水するとプロトン伝導性が低下し、水が過剰である
と膜の膨潤を引き起こす場合がある。副産物である水の除去効率が低いと、ガス
の進入を妨害する電極の溢出が生じる場合がある。これらの状態のいずれも低い
電池性能につながる。
Optimal proton and water transport of the membrane as well as proper water management are also very important for effective fuel cell applications. When the membrane is dehydrated, the proton conductivity is lowered, and excessive water may cause swelling of the membrane. If the removal efficiency of water, which is a by-product, is low, there is a case where the electrode overflows which obstructs gas invasion. Either of these conditions leads to poor battery performance.

【0013】 多くの用途で有望であっても、未解決の技術的問題および高い全体コストのた
めにSPEFCはまだ商業化されていない。SPEFCの商業化に影響する大き
い欠点の一つは、今日主流となっている膜・電極アセンブリに固有の限界である
。SPEFCが商業的に生き残るには(特に自動車用途で)、使用する膜が高温
(>120℃)で動作することで電力密度を上げ、燃料不純物への触媒の感受性
を制限しなければならない。それによって、現場併給発電(電力に加えて高品質
の廃熱)などの用途が可能になると考えられる。現在の膜では、液体供給直接メ
タノール燃料電池における過剰のメタノールクロスオーバーも起こる(実際の運
転条件によって決まるが、代表的には0.5Vで約50〜200mA/cm
電流密度損失に相当)。概して、燃料クロスオーバーは、燃料電池において効率
を低下させ、性能を低下させ、熱を発生させる寄生反応である。そこで燃料クロ
スオーバー率を低減することが非常に望ましい。
Although promising for many applications, SPEFCs have not yet been commercialized due to unsolved technical problems and high overall costs. One of the major drawbacks affecting the commercialization of SPEFCs is the inherent limitations of today's mainstream membrane electrode assemblies. For SPEFCs to survive commercially (especially in automotive applications), the membranes used must operate at high temperatures (> 120 ° C) to increase power density and limit the catalyst's susceptibility to fuel impurities. This will enable applications such as on-site cogeneration (high-quality waste heat in addition to electricity). Excessive methanol crossover in liquid-fed direct methanol fuel cells also occurs with current membranes (depending on actual operating conditions but typically corresponds to about 50-200 mA / cm 2 current density loss at 0.5V). . Generally, fuel crossover is a parasitic reaction that reduces efficiency, reduces performance, and generates heat in a fuel cell. Therefore, it is highly desirable to reduce the fuel crossover rate.

【0014】 燃料電池システムを含む電気化学的酸化還元駆動用途で使用される固体ポリマ
ー電解質としての用途向けに、長年にわたっていくつかのポリマー電解質膜が開
発されてきた。しかしながらこれらの膜は、液体供給直接メタノール燃料電池や
水素燃料電池に利用する場合には重大な限界を有している。例えば、今日最も進
んだSPEFCにおける膜は、高温での運転に必要とされるイオン伝導性、機械
的強度、耐脱水性、化学的安定性および燃料非透過性(例:メタノールクロスオ
ーバー)の組合せを持たない。
Several polymer electrolyte membranes have been developed over the years for use as solid polymer electrolytes used in electrochemical redox driven applications, including fuel cell systems. However, these membranes have significant limitations for use in liquid-fed direct methanol fuel cells and hydrogen fuel cells. For example, the most advanced SPEFC membranes today have the combination of ionic conductivity, mechanical strength, dehydration resistance, chemical stability and fuel impermeability (eg methanol crossover) required for high temperature operation. Do not have.

【0015】 デュポン社(DuPont)は、ナフィオン(Nafion(登録商標))膜と称される一
連のパーフルオロスルホン酸膜を開発した。ナフィオン(登録商標)膜法は当業
界では公知であり、米国特許3282875号および同4330654号に記載
されている。本SPEFC用途におけるイオン交換膜としてはほとんど専ら、無
補強ナフィオン(登録商標)膜が使用される。この膜は、テトラフルオロエチレ
ン(TFE)とパーフルオロビニルエーテルスルホニルフルオライドとの共重合
体から構成される。ビニルエーテル共単量体をTFEと共重合して溶融成形可能
なポリマーを形成する。所望の形状としたら、スルホニルフルオライド基を加水
分解してイオン性のスルホン酸型とする。
DuPont has developed a series of perfluorosulfonic acid membranes called Nafion® membranes. The Nafion® membrane method is known in the art and is described in US Pat. Nos. 3,282,875 and 4,330,654. Almost exclusively non-reinforced Nafion® membranes are used as ion exchange membranes in this SPEFC application. This film is composed of a copolymer of tetrafluoroethylene (TFE) and perfluorovinyl ether sulfonyl fluoride. The vinyl ether comonomer is copolymerized with TFE to form a melt moldable polymer. Once in the desired shape, the sulfonyl fluoride group is hydrolyzed to the ionic sulfonic acid type.

【0016】 フルオロカーボン成分とイオン性基は非適合性であるか非混合性である(前者
は疎水性であり、後者は親水性である)。これによって相分離が起こり、それに
よって相互連結水和イオン性「クラスター」が形成される。プロトンは一方のイ
オン性クラスターから他方に「飛び移る」ことから膜を通って伝導されるため、
このクラスターの特性がポリマーの電気化学的特性を決定する。プロトンが確実
に流れるようにするために各イオン基は、周囲を取り囲み、クラスターを形成す
るために最小限の量の水を必要とする。イオン基濃度が低すぎると(または水和
が不十分であると)、プロトン輸送が起こらない。比較的高いイオン基濃度では
(または水和レベルが高いと)、プロトン伝導性が向上するが、膜の機械特性が
犠牲となる。
The fluorocarbon component and the ionic group are incompatible or immiscible (the former being hydrophobic and the latter hydrophilic). This results in phase separation, which forms interconnected hydrated ionic "clusters". Because protons “jump” from one ionic cluster to the other, they are conducted through the membrane,
The properties of this cluster determine the electrochemical properties of the polymer. To ensure the flow of protons, each ionic group surrounds and requires a minimal amount of water to form clusters. If the ionic group concentration is too low (or insufficient hydration), proton transport will not occur. Higher ionic group concentrations (or higher hydration levels) improve proton conductivity but at the expense of mechanical properties of the membrane.

【0017】 膜温度が上昇するに連れて、膨潤力(浸透力)が規制力(フルオロカーボン鎖
)より高くなる。それによって、膜はより高い膨潤状態となり、最終的には膜の
脱水を促進する場合がある。温度が上昇するに連れて過酸化物ラジカルがより急
速に形成されるようになる。そのラジカルは膜を攻撃・分解し得るものである。
さらに高温では(230℃)、フルオロカーボン相が溶融し、イオン領域が「溶
解」するようになる(ナフィオン(登録商標)の転相)。
As the film temperature rises, the swelling force (penetration force) becomes higher than the regulation force (fluorocarbon chain). This may cause the membrane to become more swollen and ultimately promote dehydration of the membrane. Peroxide radicals form more rapidly as the temperature increases. The radicals can attack and decompose the membrane.
At higher temperatures (230 ° C.), the fluorocarbon phase melts and the ionic regions become “melted” (Nafion® phase inversion).

【0018】 燃料電池環境および他の電気化学的用途でのナフィオン(登録商標)膜の性能
を制限する機構がいくつかある。例えば、ナフィオン(登録商標)は熱に対して
感受性であり、約100℃の温度までしか効果的に使用することができない。実
際には、約80℃の温度であっても性能低下現象が開始する場合がある。ナフィ
オン(登録商標)の性能を制限する機構には、膜脱水、イオン導線性低下、膜に
おけるラジカル形成(固体ポリマー電界質膜を化学的に破壊し得る)、軟化を介
しての機械的強度の損失ならびに高燃料浸透による寄生損失の増加などがある。
There are several mechanisms that limit the performance of Nafion® membranes in fuel cell environments and other electrochemical applications. For example, Nafion® is sensitive to heat and can only be effectively used up to temperatures of about 100 ° C. In fact, the performance degradation phenomenon may start even at a temperature of about 80 ° C. Mechanisms that limit the performance of Nafion® include membrane dehydration, reduced ion conductivity, radical formation in the membrane (which can chemically destroy the solid polymer electrolyte membrane), and mechanical strength through softening. Loss and increased parasitic loss due to high fuel penetration.

【0019】 ナフィオン(登録商標)についてのクロスオーバーの問題は、過剰のメタノー
ル輸送(効率および電力密度を低下させる)が起こる液体供給直接メタノール燃
料電池用途では特に問題である。メタノールクロスオーバーは、燃料利用効率を
低下させるだけでなく、酸素カソード性能に悪影響を与えて、電池性能を大幅に
低下させるものでもある。さらに具体的には、このクロスオーバーによって混合
反応(酸化および還元)が起こって、陰極側で反応効率の低下が生じる。
The crossover problem for Nafion® is especially problematic in liquid fed direct methanol fuel cell applications where excessive methanol transport (which reduces efficiency and power density) occurs. Methanol crossover not only lowers fuel utilization efficiency, but also adversely affects oxygen cathode performance and significantly reduces cell performance. More specifically, this crossover causes a mixed reaction (oxidation and reduction), resulting in a decrease in reaction efficiency on the cathode side.

【0020】 ナフィオン(登録商標)/電極は製造が非常に高価であることから、結果的に
いまだに商業的に生き残れるものとはなっていない。膜コストを低下させること
が、SPEFCの商業化には必須である。SPEFCが商業的に魅力的なものと
なるには、ナフィオン(登録商標)モデルから1桁以上の膜コスト低下が必要が
あると推定される。
The Nafion® / electrode is so expensive to manufacture that it is not yet commercially viable as a result. Reducing membrane cost is essential to the commercialization of SPEFC. It is estimated from the Nafion® model that the SPEFC needs to reduce the membrane cost by an order of magnitude or more before it becomes commercially attractive.

【0021】 別の種類のイオン伝導膜であるゴアセレクト(Gore-Select;登録商標)(W.
L. Goreから市販)が、現在燃料電池用途に向けて開発中である。ゴアセレクト
(登録商標)については、一連の米国特許(米国特許5635041号、同55
47551号および同5599614号)に詳細に記載されている。
Another type of ion conducting membrane, Gore-Select® (W.
(Commercially available from L. Gore) is currently under development for fuel cell applications. Regarding Gore Select (registered trademark), a series of US patents (US Pat.
47551 and 5599614).

【0022】 ゴアは、ナフィオン(登録商標)またはナフィオン(登録商標)様のイオン伝
導溶液を充填した多孔質テフロン(登録商標)膜からなる複合膜を開示している
。それは高くイオン伝導度およびナフィオン(登録商標)膜より大きい寸法安定
性を示すと報告されているが、ゴアがそれぞれ膜物質およびイオン交換材料とし
て選択・使用しているテフロン(登録商標)材料およびナフィオン(登録商標)
材料は高温SPEFCでの動作には適さない可能性がある。テフロン(登録商標
)は80℃を超える温度では広範囲のクリープを生じ、ナフィオン(登録商標)
および同様のイオノマーはその温度を超えると膨潤・軟化を起こす。そのために
、膜における相互連結チャンネルが拡張して、特に高温・高圧では性能低下が生
じる場合がある。
Gore discloses a composite membrane consisting of a porous Teflon® membrane filled with Nafion® or Nafion®-like ion-conducting solution. Although it is reported to exhibit high ionic conductivity and greater dimensional stability than Nafion® membranes, the Teflon® and Nafion materials selected and used by Gore as the membrane material and ion exchange material, respectively. (Registered trademark)
The material may not be suitable for operation at high temperature SPEFC. Teflon (R) causes extensive creep at temperatures above 80 ° C, and Nafion (R)
And similar ionomers swell and soften above that temperature. As a result, the interconnecting channels in the membrane may expand, causing performance degradation, especially at high temperatures and pressures.

【0023】 さらにゴアセレクト(登録商標)、ならびに他の多くのパーフルオロイオン伝
導性膜(例:日本のアサヒケミカル(Asahi Chemical)からのアシプレックス(
Aciplex)、アサヒガラス(Asahi Glass)からのフレミオン(登録商標))は、
高いパーセントでパーフルオロイオノマーを用いていることから、ナフィオン(
登録商標)と同様に高コストである。
In addition, GoreSelect®, as well as many other perfluoroion conductive membranes (eg, Aciplex from Asahi Chemical of Japan)
Aciplex), Flemion® from Asahi Glass,
Due to the high percentage of perfluoroionomer used, Nafion (
It is as expensive as the registered trademark).

【0024】 SPEFCのコストを削減しその可能な工業化を推進し、すべての適当な電気
化学的用途における性能を改善することを目指して、ポリマー電解質膜燃料電池
に使用するためのより廉価に製造できるイオン交換膜が研究されてきた。
Aiming to reduce the cost of SPEFC and promote its possible industrialization and improve its performance in all suitable electrochemical applications, it can be manufactured cheaper for use in polymer electrolyte membrane fuel cells. Ion exchange membranes have been studied.

【0025】 ポリマー電解質膜燃料電池に使用する膜としてポリ(トリフルオロスチレン)
コポリマーが試験された。例えば、米国特許第5,422,411号参照。しか
しながらこれらの膜は、機械的特性及びフィルム形成特性がよくないという懸念
がある。更に、これらの膜は、フッ素化ポリマーの加工が本質的に難しいという
理由でコストが高い。
Polymer Electrolyte Membrane Poly (trifluorostyrene) as a membrane used in fuel cells
The copolymer was tested. See, for example, US Pat. No. 5,422,411. However, there is a concern that these films have poor mechanical properties and film forming properties. Moreover, these membranes are costly because the processing of fluorinated polymers is inherently difficult.

【0026】 電気化学的用途に使用するために種々のスルホン化ポリマーが試験された。[0026]   Various sulfonated polymers have been tested for use in electrochemical applications.

【0027】 米国特許第3,528,858号及び第3,226,361号に記載されてい
るようなスルホン化ポリ芳香族を基剤とする系もSPEFCの膜材料として研究
された。しかしながら、これらの材料は化学的耐性及び機械的耐性がよくないの
でSPEFC用途における使用には制約がある。
Sulfonated polyaromatic based systems such as those described in US Pat. Nos. 3,528,858 and 3,226,361 were also investigated as membrane materials for SPEFC. However, their poor chemical and mechanical resistance limits their use in SPEFC applications.

【0028】 スルホン化ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンオキシド)を単独で
またはポリ(フッ化ビニリデン)とのブレンドとして含む固体ポリマー膜も研究
されてきた。これらの膜は国際特許WO97/24777に開示されている。し
かしながら、これらの膜は、過酸化物ラジカルによって特に分解され易いことが
知られている。
Solid polymer membranes containing sulfonated poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) alone or as a blend with poly (vinylidene fluoride) have also been investigated. These membranes are disclosed in International Patent WO 97/24777. However, it is known that these films are particularly susceptible to decomposition by peroxide radicals.

【0029】 Hoechst AGによって開発されたスルホン化ポリ(アリールエーテル
ケトン)(PEK)ポリマーは欧州特許公開第574,891A2号に記載され
ている。これらのポリマーは第一級アミン及び第二級アミンによって架橋され得
る。しかしながら、ポリマー電解質膜燃料電池で膜として使用して試験すると、
凡庸な燃料性能しか観察されない。
Sulfonated poly (aryl ether ketone) (PEK) polymers developed by Hoechst AG are described in EP-A-574,891A2. These polymers can be crosslinked with primary and secondary amines. However, when used as a membrane in a polymer electrolyte membrane fuel cell and tested,
Only mediocre fuel performance is observed.

【0030】 また、米国特許第4,268,650号は、スルホン化PEKポリマーを記載
している。該特許に開示された方法は濃硫酸中のスルホン化のレベルを調節する
ためにPEKとポリエーテルエーテルケトン(PEEK)との共重合化に依存し
ている。これらの条件下のスルホン化はエーテル−フェニル−エーテル結合にの
み生じると考えられる。
US Pat. No. 4,268,650 also describes sulfonated PEK polymers. The method disclosed in that patent relies on the copolymerization of PEK with polyetheretherketone (PEEK) to control the level of sulfonation in concentrated sulfuric acid. Sulfonation under these conditions is believed to occur only at the ether-phenyl-ether bond.

【0031】 米国特許第4,273,903号は、ポリアリールエーテルスルホンコポリマ
ーを使用する同様の方法に関する。より詳細には該特許は、ポリエーテルエーテ
ルスルホン(スルホン化し易い)とポリエーテルスルホン(スルホン化し難い)
とのコポリマーを使用した濃硫酸中でのポリアリールエーテルスルホンコポリマ
ーの調節可能なスルホン化を開示している。該特許はまた、スルホン酸/発煙硫
酸、発煙硫酸またはクロロスルホン酸の使用がポリエーテルスルホンポリマーを
完全にスルホン化及び/または分解させると報告している。この参考文献に記載
されたスルホン化手順は均一系で行われる(即ち、スルホン化剤を添加する前に
ポリマーを溶液にする)。
US Pat. No. 4,273,903 relates to a similar method using polyaryl ether sulfone copolymers. More specifically, the patent describes polyetherethersulfone (which is easily sulfonated) and polyethersulfone (which is difficult to sulfonate).
Disclosed is the tunable sulfonation of polyarylether sulfone copolymers in concentrated sulfuric acid using the copolymer with. The patent also reports that the use of sulfonic acid / fuming sulfuric acid, fuming sulfuric acid or chlorosulfonic acid results in complete sulfonation and / or degradation of the polyethersulfone polymer. The sulfonation procedure described in this reference is carried out in a homogeneous system (ie the polymer is brought into solution before adding the sulfonating agent).

【0032】 米国特許第5,795,496号は、燃料電池に使用するための材料として、
スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)ポリマー及びスルホン化ポ
リ(p−フェニレンエーテルスルホン)(PES)ポリマーを製造する方法を開
示している。該特許の材料及び方法を使用して形成された非対称膜の目標性は目
標膜厚0.05−0.5mm(約2−20milに等価)である。該特許はまた
、薄い膜ほど、例えば0.05mm未満の膜は機械的強度及び寸法安定性が低下
すると報告している。この参考文献はまた、燃料クロスオーバーを最小にするた
めにこれらのスルホン化ポリマー材料を約120℃の温度で不特定時間を要して
架橋させると記載している。
US Pat. No. 5,795,496 discloses materials for use in fuel cells.
Disclosed are methods for making sulfonated polyetheretherketone (PEEK) polymers and sulfonated poly (p-phenylene ether sulfone) (PES) polymers. The target for an asymmetric film formed using the materials and methods of the patent is a target film thickness of 0.05-0.5 mm (equivalent to about 2-20 mil). The patent also reports that thinner films, such as films less than 0.05 mm, have reduced mechanical strength and dimensional stability. This reference also states that these sulfonated polymeric materials are cross-linked at a temperature of about 120 ° C. for an unspecified amount of time to minimize fuel crossover.

【0033】 米国特許第4,413,106号は塩素化炭化水素溶媒中のポリアリールエー
テルスルホン(PES)ポリマーをスルホン化剤で不均一スルホン化(例えば析
出したポリマー/溶媒の共晶(co−crystal)のスルホン化)する方法
を提供する。該特許は、スルホン結合の電子求引効果が隣接芳香環の求電子置換
を失活させるので芳香族PESポリマーの“スルホン化が難しいことは周知であ
る”と記載している。該特許は更に、これらのポリマーをクロロスルホン酸また
は発煙硫酸によって室温でスルホン化するとき、莫大な過剰量のスルホン化剤が
必要であり、極度に分解された生成物が生じ、スルホン化の程度を調節するのが
不可能であると報告している。
US Pat. No. 4,413,106 describes heterogeneous sulfonation of polyarylethersulfone (PES) polymers in chlorinated hydrocarbon solvents with sulfonating agents (eg precipitated polymer / solvent eutectic (co- A method for sulfonation of crystals) is provided. The patent states that it is well known that "sulfonation is difficult" for aromatic PES polymers because the electron-withdrawing effect of the sulfone bond deactivates electrophilic substitution on adjacent aromatic rings. The patent further states that when these polymers are sulfonated with chlorosulfonic acid or fuming sulfuric acid at room temperature, a huge excess of sulfonating agent is required, resulting in extremely decomposed products and the extent of sulfonation. Report that it is impossible to adjust.

【0034】 該特許は更に、容易にスルホン化できるPEES単位がいったんPESポリマ
ーに導入されると(PES/PEESコポリマー)、ポリマーのスルホン化を首
尾よく調節でき、式(PH−SO−Ph−O)のPESポリマーは、CH
、DMF、DMAcのような種々の溶媒から結晶化することが知られている
。結晶化は、撹拌または非溶媒の添加によって促進され、反応条件に大きく左右
される。ポリマー/溶媒の相互微結晶(直径<1ミクロン)が過剰量の溶媒中の
懸濁液として形成される。スルホン化剤の添加量がスルホン化度を調節する。好
ましい温度は−10℃から25℃の範囲であると指定されている。
The patent further states that once the easily sulphonatable PEES units are introduced into the PES polymer (PES / PEES copolymer), the sulphonation of the polymer can be successfully adjusted to the formula (PH-SO 2 -Ph- O) PES polymer is CH 2 C
It is known to crystallize from various solvents such as 12 , DMF, DMAc. Crystallization is facilitated by stirring or addition of non-solvent and is highly dependent on reaction conditions. Polymer / solvent mutual crystallites (diameter <1 micron) are formed as a suspension in excess solvent. The amount of sulfonating agent added controls the degree of sulfonation. Preferred temperatures are specified to be in the range of -10 ° C to 25 ° C.

【0035】 米国特許第5,013,765号は、三酸化イオウ(スルホン化剤)と硫酸(
溶媒)とを使用する芳香族PESポリマーの調節可能なスルホン化を報告してい
る。該特許は、副反応及び分解を調節するためには硫酸含有率が(溶媒を基準と
して)6重量%未満でなければならないこと及び温度が<30℃でなければなら
ないと示唆している。クロロスルホン酸及び発煙硫酸は過剰なスルホン化度及び
/またはポリマー分解度に導くのでスルホン化剤として好ましくない。別のソー
スを引用しながら該特許は、これらをスルホン化剤として使用した調節可能なス
ルホン化は可能でないと示唆している。該特許はまた、濃硫酸中で三酸化イオウ
を使用すると、特にO−Ph−SO−Ph基剤のポリマーの場合には、副生物
または分解産物のないスルホン化ポリマーを製造できると報告している。
US Pat. No. 5,013,765 discloses sulfur trioxide (a sulfonating agent) and sulfuric acid (
Solvent) and the tunable sulfonation of aromatic PES polymers. The patent suggests that the sulfuric acid content must be less than 6% by weight (based on solvent) and the temperature must be <30 ° C. to control side reactions and decomposition. Chlorosulfonic acid and fuming sulfuric acid are not preferred as sulfonating agents because they lead to excessive sulfonation and / or polymer degradation. Citing another source, the patent suggests that controllable sulfonation using them as sulfonating agents is not possible. The patent also, the use of sulfur trioxide in concentrated sulfuric acid, in particular in the case of the polymers of O-Ph-SO 2 -Ph bases, reported that can produce sulfonated polymer without byproducts or degradation products ing.

【0036】 逆浸透のような用途にスルホン化ポリ(アリールエーテル)ポリマーを使用す
るのが望ましいことは、文献(D.Lloydら,Synthetic Mem
branes:Desalination,pp.327−350(1981)
)に記載されている。該参考文献は、このようなポリマーを使用する膜は極めて
望ましく研究を継続する価値があると報告している。この文献にはポリフェニル
スルホン(PPSU)ポリマーに対応する化学構造が有望なスルホン化剤候補と
して(特に)挙げられているが、PPSUのスルホン化に関する実験的証拠は与
えられていない。
The desirability of using sulfonated poly (aryl ether) polymers for applications such as reverse osmosis has been found in the literature (D. Lloyd et al., Synthetic Mem).
branes: Desalination, pp. 327-350 (1981)
)It is described in. The reference reports that membranes using such polymers are highly desirable and worth continuing research. While the chemical structure corresponding to polyphenylsulfone (PPSU) polymers is listed in this document (among others) as a promising sulfonating agent candidate, no experimental evidence for sulfonation of PPSU is given.

【0037】 PPSUのスルホン化は他の文献でも報告されている(例えば、O.Sava
dogo,J.New Mat.Electrochem.Systems 1
,47−66(1998))。しかしながら、この刊行物にも、PPSUの検討
に関して引用された参考文献にも、この特定ポリマーのスルホン化を示す実験デ
ータは欠如している。
Sulfonation of PPSU has also been reported in other literature (eg O. Sava
dogo, J .; New Mat. Electrochem. Systems 1
, 47-66 (1998)). However, neither this publication nor the references cited with respect to the PPSU study lacks experimental data showing the sulfonation of this particular polymer.

【0038】 過フッ素化アイオノマーに代替し得るスルホン化芳香族ポリマーの使用に関し
て膨大な研究が行われてきたにもかかわらず、広い範囲の電気化学的用途に好適
な新規なイオン伝導性材料を提供すること、及び、このような材料の新規な製造
方法を開発することが極めて要望されている。
Despite extensive research on the use of sulfonated aromatic polymers that can replace perfluorinated ionomers, they provide novel ion-conducting materials suitable for a wide range of electrochemical applications. There is a great need to do so and to develop new manufacturing methods for such materials.

【0039】 また、これらの新規なイオン伝導性材料を使用する改良された固体ポリマー電
解質膜を開発することが極めて要望されている。このような膜は、水素またはメ
タノール燃料電池系などの多様な電気化学的用途に使用するために好適であろう
There is also a great need to develop improved solid polymer electrolyte membranes using these novel ion-conducting materials. Such membranes would be suitable for use in a variety of electrochemical applications such as hydrogen or methanol fuel cell systems.

【0040】 (発明の概要) 本発明の主要な目的は、燃料電池系などの広い範囲の電気化学的用途に使用す
るために好適な新規なイオン伝導性材料を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION The main object of the present invention is to provide novel ion-conducting materials suitable for use in a wide range of electrochemical applications such as fuel cell systems.

【0041】 本発明の1つの実施態様においては、これらの新規なイオン伝導性材料はスル
ホン化ポリアリールエーテルケトン(PEK)ホモポリマーまたはPEKコポリ
マーまたはそのブレンドを基剤とする。別の実施態様においては、これらの新規
なイオン伝導性材料はスルホン化ポリフェニルスルホン(PPSU)ホモポリマ
ーまたはPPSUコポリマーまたはそのブレンドを基剤とする。
In one embodiment of the invention, these novel ion-conducting materials are based on sulfonated polyaryl ether ketone (PEK) homopolymers or PEK copolymers or blends thereof. In another embodiment, these novel ion-conducting materials are based on sulfonated polyphenylsulfone (PPSU) homopolymers or PPSU copolymers or blends thereof.

【0042】 本文中に開示されているPEK及びPPSUのホモポリマー、コポリマー及び
そのブレンドのクラスは、置換基が予定用途に望ましいポリマーの特性を実質的
に損なわないという条件付きで平均的な当業者が容易に決定できるような所望の
任意の置換基を含み得る。このような特性としては、イオン伝導性、化学的及び
構造的な安定性、膨潤性、などがある。従って、本文中で使用されたPEK及び
PPSUのホモポリマー、コポリマー及びそのブレンドは、置換及び未置換のP
EK及びPPSUのポリマーを包含する。
The classes of homopolymers, copolymers and blends thereof of PEK and PPSU disclosed herein are of average skill in the art, provided that the substituents do not substantially impair the desired polymer properties for the intended application. Can include any desired substituents that can be readily determined. Such properties include ionic conductivity, chemical and structural stability, swellability, and the like. Therefore, the homopolymers, copolymers and blends of PEK and PPSU used in the present text can be substituted and substituted with P
Includes polymers of EK and PPSU.

【0043】 本発明の別の目的は、このようなイオン伝導性材料の新規な製造方法を提供す
ることである。
Another object of the present invention is to provide a novel method for producing such an ion conductive material.

【0044】 本発明の別の目的は、直接メタノール燃料電池に使用されたときにメタノール
クロスオーバーに耐性であるような改良された固体ポリマー電解質膜を提供する
ことである。
Another object of the present invention is to provide an improved solid polymer electrolyte membrane that is resistant to methanol crossover when used in direct methanol fuel cells.

【0045】 本発明の別の目的は、SPEFCの工業化を可能にするような固体ポリマー電
解質膜の総製造コストを実質的に低下させることである。
Another object of the present invention is to substantially reduce the total manufacturing cost of solid polymer electrolyte membranes that enable the industrialization of SPEFC.

【0046】 本発明による1つの好ましいイオン伝導性材料は、少なくとも1つのポリアリ
ールエーテルケトン(PEK)ホモポリマーまたは少なくとも1つのPEKコポ
リマーまたはそのブレンド(本文中の以後の記載では“PEK基剤のイオン伝導
性材料”と呼ぶこともある)から成り、PEKホモポリマーがスルホン化されて
おり、イオン伝導性材料がエーテル−フェニル−エーテル結合を含まない。
One preferred ion-conducting material according to the present invention is at least one polyaryletherketone (PEK) homopolymer or at least one PEK copolymer or blends thereof (hereinafter “PEK-based ionic”). Sometimes referred to as "conductive material"), the PEK homopolymer is sulfonated, and the ion conductive material does not contain ether-phenyl-ether bonds.

【0047】 本発明の特に好ましい1つの実施態様においては、PEKホモポリマーが、式
In one particularly preferred embodiment of the invention, the PEK homopolymer has the formula:

【0048】[0048]

【化3】 の反復単位から成り、式中のフェニル環は置換でも未置換でもよい。[Chemical 3] The phenyl ring in the formula may be substituted or unsubstituted.

【0049】 PEK基剤のイオン伝導性材料が少なくとも約0.5meq./gから少なく
とも約4meq./gのIECを有するのが好ましい。
The PEK-based ionically conductive material is at least about 0.5 meq. / G to at least about 4 meq. It is preferred to have an IEC of / g.

【0050】 安定性が重要とされる用途では、PEK基剤のイオン伝導性材料が更にスルホ
ン架橋結合及び/または酸化防止剤を含み得る。
In applications where stability is important, the PEK-based ion-conducting material may further include sulfone crosslinks and / or antioxidants.

【0051】 本発明のPEK基剤のイオン伝導性材料は安定性を更に強化するためにハロゲ
ン化、例えば臭素化または塩素化されていてもよい。
The PEK-based ion-conducting material of the present invention may be halogenated, eg brominated or chlorinated, to further enhance stability.

【0052】 本発明のPEK基剤のイオン伝導性材料は固体ポリマー電解質膜の製造に有用
である。
The PEK-based ion-conducting material of the present invention is useful in the manufacture of solid polymer electrolyte membranes.

【0053】 本発明の電気化学的用途に使用するために好適なエーテル−フェニル−エーテ
ル結合を含まないイオン伝導性材料の好ましい製造方法は、少なくとも1つのP
EKホモポリマーの溶液を準備する段階と、PEKホモポリマー溶液にスルホン
化剤を添加してスルホン化PEKホモポリマーを形成する段階と、スルホン化P
EKホモポリマーを該溶液から単離する段階とから成る。この方法に使用するた
めに好ましいスルホン化剤は、三酸化イオウ、濃硫酸及び発煙硫酸の少なくとも
1つを含む。幾つかの方法では、スルホン化剤が遊離三酸化イオウを約0重量%
(約100%硫酸)から約30重量%(約70%硫酸)の含有率で含むのが好ま
しい。
A preferred method of making an ether-phenyl-ether bond free ion conductive material suitable for use in the electrochemical applications of the present invention is at least one P
Preparing a solution of EK homopolymer, adding a sulfonating agent to the PEK homopolymer solution to form a sulfonated PEK homopolymer, and sulfonate P
Isolating the EK homopolymer from the solution. Preferred sulfonating agents for use in this method include at least one of sulfur trioxide, concentrated sulfuric acid and fuming sulfuric acid. In some methods, the sulfonating agent provides about 0% by weight of free sulfur trioxide.
It is preferably included at a content of (about 100% sulfuric acid) to about 30% by weight (about 70% sulfuric acid).

【0054】 PEKホモポリマー溶液を約10℃−約60℃の反応温度に維持するのが好ま
しい。
The PEK homopolymer solution is preferably maintained at a reaction temperature of about 10 ° C to about 60 ° C.

【0055】 スルホン化PEK基剤のイオン伝導性材料を単離する好ましい1つの方法は、
スルホン化PEKホモポリマーを水、飽和食塩水、メタノールまたは他の非溶媒
に再沈殿させる段階から成る。
One preferred method of isolating the sulfonated PEK-based ionically conductive material is
It consists of reprecipitating the sulfonated PEK homopolymer in water, saturated saline, methanol or other non-solvent.

【0056】 別の好ましい方法では、スルホン化PEKホモポリマーの単離前または単離後
に酸化防止剤をスルホン化PEKホモポリマーに添加する。また別の好ましい方
法では、特にイオン伝導性材料がH(酸)形であるときにPEK基剤のイオン
伝導性材料を架橋させる。
In another preferred method, an antioxidant is added to the sulfonated PEK homopolymer before or after isolation of the sulfonated PEK homopolymer. In another preferred method, the PEK-based ionically conductive material is crosslinked, especially when the ionically conductive material is in the H + (acid) form.

【0057】 更に別の好ましい本発明方法では、PEK基剤のイオン伝導性材料をハロゲン
化段階で処理する。
In yet another preferred method of the present invention, the PEK-based ionically conductive material is treated with a halogenation step.

【0058】 本発明による別のイオン伝導性材料は、少なくとも1つのスルホン化ポリフェ
ニルスルホン(PPSU)ホモポリマーまたはPPSUコポリマーまたはそのブ
レンド(本文中の以後の記載では“PPSU基剤のイオン伝導性材料”と呼ぶこ
ともある)を含む。
Another ion-conducting material according to the present invention is at least one sulfonated polyphenyl sulfone (PPSU) homopolymer or PPSU copolymer or blends thereof (hereinafter “PPSU-based ion-conducting material”). "It is sometimes called).

【0059】 1つの好ましいPPSU基剤のイオン伝導性材料は、式:[0059]   One preferred PPSU-based ionically conductive material has the formula:

【0060】[0060]

【化4】 の反復単位から成り、式中のフェニル環は置換でも未置換でもよい。[Chemical 4] The phenyl ring in the formula may be substituted or unsubstituted.

【0061】 本発明のPPSU基剤のイオン伝導性材料は、少なくとも約0.5meq./
gから約4meq./gの範囲のIECを有している。幾つかの実施態様におい
ては、これらの材料は更にスルホン架橋結合及び/または酸化防止剤を含む。
The PPSU-based ion-conducting material of the present invention has at least about 0.5 meq. /
g to about 4 meq. It has an IEC in the range of / g. In some embodiments, these materials further include sulfone crosslinks and / or antioxidants.

【0062】 本発明のPPSU基剤のイオン伝導性材料は、固体ポリマー電解質膜の製造に
使用され得る。このような固体ポリマー電解質膜はスルホン架橋結合を含有し得
る。
The PPSU-based ion-conducting materials of the present invention can be used in the manufacture of solid polymer electrolyte membranes. Such solid polymer electrolyte membranes may contain sulfone crosslinks.

【0063】 電気化学的用途に使用するために適当な本発明のPPSU基剤のイオン伝導性
材料の1つの製造方法は、PPSUポリマー溶液を準備する段階と、PPSUポ
リマーを溶液から沈殿させる段階と、三酸化イオウから成るスルホン化剤を溶液
に添加してスルホン化PPSUポリマーを形成させる段階とから成り、方法の特
徴は、三酸化イオウを塩素化炭化水素から成る溶媒に希釈する段階と、スルホン
化PPSUポリマーを溶液から単離する段階とを含むことである。メチレンクロ
リドは本発明に使用するために好ましい塩素化炭化水素溶媒である。
One method of making the PPSU-based, ionically conductive material of the present invention suitable for use in electrochemical applications comprises providing a PPSU polymer solution and precipitating the PPSU polymer from the solution. , Adding a sulfonating agent comprising sulfur trioxide to the solution to form a sulfonated PPSU polymer, characterized by the steps of diluting sulfur trioxide into a solvent comprising chlorinated hydrocarbons, Isolating the modified PPSU polymer from the solution. Methylene chloride is the preferred chlorinated hydrocarbon solvent for use in the present invention.

【0064】 幾つかの実施態様において、方法は更に、イオン伝導性材料を精製してPPS
U基剤のイオン伝導性材料の過剰にスルホン化したもしくは分解した画分を除去
する段階を含む。好ましい1つの方法ではこれは、スルホン化PPSUポリマー
を溶媒に再溶解し、スルホン化PPSUポリマーを水、飽和食塩水溶液、メタノ
ールまたは他の非溶媒に再沈殿させることによって行われる。
[0064] In some embodiments, the method further comprises purifying the ionically conductive material to produce PPS.
Removing the over-sulfonated or degraded fraction of the U-based ion-conducting material. In one preferred method this is done by redissolving the sulfonated PPSU polymer in a solvent and reprecipitating the sulfonated PPSU polymer in water, saturated saline solution, methanol or other non-solvent.

【0065】 本発明のPPSU基剤のイオン伝導性ポリマーの形成方法は更に、特にイオン
伝導性材料がH形であるときに、イオン伝導性材料を架橋させる段階を含む。
The method of forming the PPSU-based ion-conducting polymer of the present invention further comprises the step of cross-linking the ion-conducting material, especially when the ion-conducting material is in the H + form.

【0066】 好ましい方法はまた、スルホン化PPSUポリマーの単離前または単離後にス
ルホン化PPSUポリマーに酸化防止剤を添加する段階を含む。また別の好まし
い方法は、PPSU基剤のイオン伝導性材料をハロゲン化、例えば塩素化または
臭素化する段階を含む。
The preferred method also includes the step of adding an antioxidant to the sulfonated PPSU polymer before or after isolation of the sulfonated PPSU polymer. Yet another preferred method involves halogenating, eg, chlorinating or brominated, the PPSU-based ionically conductive material.

【0067】 本発明の上記及びその他の目的、特徴及び利点は、以下の記載及び特許請求の
範囲の記載からより十分に理解されよう。
The above and other objects, features and advantages of the present invention will be more fully understood from the following description and claims.

【0068】 (詳細な説明) 本発明は、固体ポリマー電解質膜(SPEM)の製造に使用され得る新規なイ
オン伝導性材料に関する。これらの材料はまた、基体ポリマーとイオン伝導性材
料成分とから成る複合SPEMに使用され得る。
DETAILED DESCRIPTION The present invention relates to novel ion-conducting materials that can be used in the manufacture of solid polymer electrolyte membranes (SPEM). These materials can also be used in composite SPEMs consisting of a base polymer and an ionically conductive material component.

【0069】 本発明の新規なイオン伝導性材料及びSPEMは、現在の主流である固体ポリ
マー電解質膜、例えばNaflon(登録商標)膜またはGore−Selec
t(登録商標)のような別のNaflon(登録商標)類似膜、などの膜に見ら
れる欠点を処理するように設計されている。
The novel ion-conducting materials and SPEMs of the present invention can be found in current mainstream solid polymer electrolyte membranes such as Naflon® membranes or Gore-Select.
It is designed to address the drawbacks found in membranes such as another Naflon®-like membrane, such as t®.

【0070】 本発明の材料及び膜は、極性に基づく化学的分離;電気分解;燃料電池及び蓄
電池;過蒸発;逆浸透−水精製、ガス分離;透析分離;クロロアルカリ製造のよ
うな工業的電気化学及びその他の電気化学的用途;排水溶液からの水の分離及び
その後の酸及び塩基の回収;超酸触媒としての使用;例えば酵素固定用媒体とし
ての使用;または慣用の蓄電池の電極セパレーターとしての使用;を非限定例と
する多くの電気化学的用途に使用され得る。
The materials and membranes of the present invention are characterized by polarity-based chemical separations; electrolysis; fuel cells and accumulators; pervaporation; reverse osmosis-water purification, gas separations; dialysis separations; industrial electrolysis such as chloroalkali production. Chemical and other electrochemical applications; Separation of water from wastewater solutions and subsequent recovery of acids and bases; Use as superacid catalysts; for example as enzyme immobilization media; or as electrode separators in conventional accumulators Use; can be used for many electrochemical applications, including but not limited to.

【0071】 本発明のイオン伝導性材料の革新的な製造方法も開示されている。これらの方
法は、1つの範囲の処理条件及び/または用途に有用な固体ポリマー電解質膜を
製造するように設計され得る。
Innovative methods of making the ionically conductive materials of the present invention are also disclosed. These methods can be designed to produce solid polymer electrolyte membranes useful for a range of process conditions and / or applications.

【0072】 このような方法は一般に、ポリアリールエーテルケトン(PEK)ホモポリマ
ー、PEKコポリマーもしくはそのブレンド、または、ポリフェニルスルホン(
PPSU)ホモポリマー、PPSUコポリマーまたはそのブレンドの溶液を準備
する段階と、ポリマー溶液にスルホン化剤を添加する段階と、溶液からスルホン
化ポリマーを分離する段階とから成る。イオン伝導性材料及びこれらの材料から
成る膜の安定性を強化または改良するために、後処理段階(例えば、精製、架橋
、酸化防止剤の使用、芳香族ポリマー主鎖の塩素化または臭素化)を使用しても
よい。
Such methods generally include polyaryl ether ketone (PEK) homopolymers, PEK copolymers or blends thereof, or polyphenyl sulfone (
PPSU) homopolymers, PPSU copolymers or blends thereof are provided, the addition of a sulfonating agent to the polymer solution and the separation of the sulfonated polymer from the solution. Post-treatment steps (eg purification, crosslinking, use of antioxidants, chlorination or bromination of the aromatic polymer backbone) in order to enhance or improve the stability of ion-conducting materials and membranes made of these materials. May be used.

【0073】 本発明の1つの実施態様において、イオン伝導性材料は、スルホン化PEKホ
モポリマー、PEKコポリマーまたはそのブレンドから成る。
In one embodiment of the invention, the ionically conductive material comprises a sulfonated PEK homopolymer, PEK copolymer or blends thereof.

【0074】 好適PEKホモポリマーの1例は下記反復単位をもつ。[0074]   One example of a suitable PEK homopolymer has the following repeating units:

【0075】[0075]

【化5】 PEKホモポリマーのフェニル環は置換されていてもいなくてもよい。[Chemical 5] The phenyl ring of the PEK homopolymer may or may not be substituted.

【0076】 本発明の1つの特徴は、PEKホモポリマー、PEKコポリマー又はそのブレ
ンドをエーテル−フェニル−エーテル結合の不在下に(例えばPEK/PEEK
共重合の不在下に)スルホン化する点にある。
One feature of the present invention is that PEK homopolymers, PEK copolymers or blends thereof are prepared in the absence of ether-phenyl-ether bonds (eg PEK / PEEK).
Sulfonation (in the absence of copolymerization).

【0077】 これは、ポリマーの有意分解を防ぎながらスルホン化溶液のスルホン化能を増
すことによってもある程度達成される。従来技術の予想はこのような発想と異な
り、例えばプロトン化ケトンに隣接する芳香族基は有用な程度までスルホン化で
きないと考えられていた。
This is also achieved in part by increasing the sulfonation capacity of the sulfonation solution while preventing significant degradation of the polymer. The expectations of the prior art differ from this idea, and it was believed that, for example, aromatic groups adjacent to protonated ketones could not be sulfonated to a useful degree.

【0078】 1好適態様では、例えばVictrex USAから市販されているPEKホ
モポリマーを濃硫酸に溶かす。発煙硫酸をゆっくりと加えて溶液中に存在する水
と反応させ、(水全体が反応した後に)最終的に遊離SOを含むより濃厚形態
の硫酸溶媒を生成する。発煙硫酸を更に加え、溶液のスルホン化能を増す。(水
分を低下させ、溶液のスルホン化能を増す。)SO濃度が過剰になったり溶液
が過熱しないように注意し、ポリマー分解を最小限にする必要がある。溶液のオ
ーバーヘッド撹拌と室温水浴が強く推奨される。
In one preferred embodiment, PEK homopolymer, for example commercially available from Victrex USA, is dissolved in concentrated sulfuric acid. Fuming sulfuric acid is added slowly to react with the water present in the solution (after all the water has reacted) to finally produce a more concentrated form of the sulfuric acid solvent with free SO 3 . Further fuming sulfuric acid is added to increase the sulfonation capacity of the solution. (Water content reduces the increases the sulfone Kano solution.) SO 3 concentration careful excess since or solution from overheating, it is necessary to minimize polymer degradation. Overhead stirring of the solution and a room temperature water bath are highly recommended.

【0079】 反応体酸溶液の濃度を維持することは不可欠である。これらの溶液は吸湿性で
あるため、空気に触れると吸湿により濃度が変化し易い。溶液の不透明度を注意
深く監視して濃度を確認する。滴定を使用して濃度を監視してもよい。
Maintaining the concentration of the reactant acid solution is essential. Since these solutions are hygroscopic, the concentration is likely to change due to moisture absorption when exposed to air. Carefully monitor the opacity of the solution to confirm the concentration. Concentration may be monitored using titration.

【0080】 スルホン化PEKをベースとするイオン伝導性生成物は、生成物が水溶性にな
るほどスルホン化していないという条件で水中沈殿により単離することができる
(メタノール/水又は塩で飽和した水もスルホン化度増加の原因となる)。反応
時間が長くなるか、三酸化硫黄の量が増すにつれてスルホン化は進む。
Ion-conducting products based on sulfonated PEKs can be isolated by precipitation in water (methanol / water or water saturated with salt) provided that the product is not sulfonated enough to render the product water soluble. Also causes an increase in the degree of sulfonation). Sulfonation proceeds as the reaction time increases or the amount of sulfur trioxide increases.

【0081】 反応に好適な温度範囲は、発煙硫酸の添加前、添加後又は添加中の初期PEK
ポリマー溶液の冷却も含めて0〜80℃である。但し、純HSO溶液は約1
0℃で凝固するので、温度を10〜60℃に維持することが好ましい。
A suitable temperature range for the reaction is the initial PEK before, after or during the addition of fuming sulfuric acid.
The temperature is 0 to 80 ° C including the cooling of the polymer solution. However, pure H 2 SO 4 solution is about 1
Since it solidifies at 0 ° C, it is preferable to maintain the temperature at 10 to 60 ° C.

【0082】 他の好適反応条件としては、約0(約100%硫酸)〜約30重量%(約70
%硫酸)の遊離SO濃度の使用が挙げられる。最適濃度は他の反応条件(即ち
温度)によって異なるが、一般にSO濃度は1〜25重量%が好ましい。
Other suitable reaction conditions include about 0 (about 100% sulfuric acid) to about 30 wt% (about 70%).
Free SO 3 concentration used in% sulfuric acid) and the like. The optimum concentration varies depending on other reaction conditions (that is, temperature), but generally, the SO 3 concentration is preferably 1 to 25% by weight.

【0083】 ポリマーの最終濃度は出発硫酸濃度、所望遊離SO濃度及び添加する発煙硫
酸の濃度によって異なる。一般に好ましい濃度範囲は濃硫酸(好ましくは80〜
100%、より好ましくは90〜99%)中10重量%ポリマー(5〜30重量
%)である。
The final polymer concentration depends on the starting sulfuric acid concentration, the desired free SO 3 concentration and the concentration of oleum added. Generally, the preferred concentration range is concentrated sulfuric acid (preferably 80-
100%, more preferably 90-99%) 10% by weight polymer (5-30% by weight).

【0084】 発煙硫酸(SO/HSO)はPEKホモポリマー、コポリマー又はその
ブレンドをスルホン化するための好適SO源である。遊離SO濃度は好まし
くは10〜60重量%、より好ましくは約20〜30重量%である。但し、適当
な条件下では純SOも使用できる。
Fuming sulfuric acid (SO 3 / H 2 SO 4 ) is a preferred source of SO 3 for sulfonation of PEK homopolymers, copolymers or blends thereof. The free SO 3 concentration is preferably 10-60% by weight, more preferably about 20-30% by weight. However, pure SO 3 can also be used under suitable conditions.

【0085】 上記反応条件は少なくとも約0.5〜少なくとも約4meq/gのIECをも
つスルホン化PEKをベースとするイオン伝導性材料を生成するように調整する
ことができる。
The above reaction conditions can be adjusted to produce an ion-conducting material based on sulfonated PEK with an IEC of at least about 0.5 to at least about 4 meq / g.

【0086】 本発明によると、スルホン化度に応じて水(又は塩水)直接沈殿によりスルホ
ン化PEKホモポリマー、コポリマー又はそのブレンドを含むイオン伝導性材料
を単離することができる。
According to the present invention, ion-conducting materials comprising sulfonated PEK homopolymers, copolymers or blends thereof can be isolated by direct precipitation of water (or brine) depending on the degree of sulfonation.

【0087】 スルホン化PEKの過酸化物安定性は燃料電池での長期使用には十分とは言え
ないが、例えば、透析、電気透析もしくは電気分解システム、過気化もしくは気
体分離システム、廃水溶液から酸と塩基を回収するための水分離システム、又は
電池の電極セパレーター等の多くの電気化学用途ではこのレベルの加水分解安定
性を必要としない。
Although the peroxide stability of sulfonated PEK is not sufficient for long-term use in fuel cells, for example, dialysis, electrodialysis or electrolysis systems, pervaporation or gas separation systems, acidification from waste aqueous solutions. Many electrochemical applications, such as water separation systems for recovering bases and bases, or battery electrode separators, do not require this level of hydrolytic stability.

【0088】 本発明の別の好適態様において、イオン伝導性材料はスルホン化PPSUホモ
ポリマー、PPSUコポリマー又はそのブレンドの少なくとも1種を含む。この
ポリマーは下記反復単位をもつ。
In another preferred embodiment of the invention, the ionically conductive material comprises at least one of a sulfonated PPSU homopolymer, a PPSU copolymer or a blend thereof. This polymer has the following repeating units.

【0089】[0089]

【化6】 PPSUポリマーのフェニル環は置換されていてもいなくてもよい。[Chemical 6] The phenyl ring of the PPSU polymer may or may not be substituted.

【0090】 従来技術の教示によると、PEES単位はスルホン化し易いが、PES単位は
非常にスルホン化しにくい(例えば米国特許第5,013,765号参照)。P
PSUポリマーの化学構造によると、PPSUのスルホン化は硫酸(溶媒)/三
酸化硫黄(スルホン化剤)系を使用して実施できるとできると予想された。本発
明者らが検討した結果、硫酸溶媒ではPPSUの可制御スルホン化はできないと
思われた。
According to the teachings of the prior art, PEES units are easily sulfonated, while PES units are very difficult to sulfonate (see, eg, US Pat. No. 5,013,765). P
Due to the chemical structure of the PSU polymer, it was expected that the sulfonation of PPSU could be carried out using a sulfuric acid (solvent) / sulfur trioxide (sulfonating agent) system. As a result of examination by the present inventors, it was considered that controllable sulfonation of PPSU cannot be performed with a sulfuric acid solvent.

【0091】 DMF/三酸化硫黄の組み合わせを使用する別法が検討された。この方法もス
ルホン化PPSUポリマーを製造できないことが判明した。
An alternative method using a DMF / sulfur trioxide combination was investigated. It has been found that this method also fails to produce sulfonated PPSU polymer.

【0092】 クロロスルホン酸(溶媒)/三酸化硫黄(スルホン化剤)を用いるスルホン化
法を使用して更に別法が検討された。例えば米国特許第4,413,106号参
照。この方法も不十分であることが判明した。
Further alternatives were investigated using the sulfonation method with chlorosulfonic acid (solvent) / sulfur trioxide (sulfonating agent). See, for example, U.S. Pat. No. 4,413,106. This method also proved to be inadequate.

【0093】 本発明では塩化メチレン(溶媒)/三酸化硫黄(スルホン化剤)系を使用して
PPSUホモポリマー、コポリマー及びそのブレンドの可制御スルホン化を達成
できることが判明した。
It has been found in the present invention that controllable sulfonation of PPSU homopolymers, copolymers and blends thereof can be achieved using a methylene chloride (solvent) / sulfur trioxide (sulfonating agent) system.

【0094】 PPSUをベースとするイオン伝導性材料を製造するための本発明の1好適方
法を説明すると、まずポリマーを適当な溶媒、好ましくは塩化メチレン又は別の
非反応性溶媒(例えばハロゲン化炭化水素又はニトロベンゼン等)に溶かす。ポ
リマーが沈殿してスラッシュ様懸濁液が形成されるまでポリマー溶液を撹拌する
。PPSUポリマー懸濁液とスルホン化剤、好ましくは三酸化硫黄を混合するこ
とによりスルホン化を行う。スルホン化剤の添加量によりスルホン化度を調節す
る。温度は−10〜25℃に維持することが好ましい。
To describe one preferred method of the present invention for making PPSU-based ionically conductive materials, first the polymer is treated with a suitable solvent, preferably methylene chloride or another non-reactive solvent such as halogenated carbon. Dissolve in hydrogen or nitrobenzene). The polymer solution is stirred until the polymer precipitates and a slush-like suspension is formed. The sulfonation is carried out by mixing the PPSU polymer suspension with a sulfonating agent, preferably sulfur trioxide. The degree of sulfonation is controlled by the addition amount of the sulfonating agent. The temperature is preferably maintained at -10 to 25 ° C.

【0095】 本発明のPPSUをベースとするイオン伝導性材料の製造方法はポリマー溶液
を溶媒で更に希釈し、スルホン化剤の添加時間を延ばすことにより更に最適化す
ることができる。
The method for producing an ion-conducting material based on PPSU of the present invention can be further optimized by further diluting the polymer solution with a solvent and extending the addition time of the sulfonating agent.

【0096】 本発明の方法によると、スラッシュ様懸濁液に三酸化硫黄を加えてもスルホン
化中に凝集は生じなかった。反応生成物は懸濁液(例えば超微細分散粉末)とし
て維持され、濾過により回収した。その後、生成物を溶媒(例えば塩化メチレン
)で洗浄し、風乾した。驚くべきことに、ClSOH/CHClの使用は
このような懸濁液に適合しないことが判明した。
According to the method of the present invention, addition of sulfur trioxide to the slush-like suspension did not result in agglomeration during sulfonation. The reaction product was maintained as a suspension (e.g., an ultrafine dispersed powder) and collected by filtration. The product was then washed with solvent (eg methylene chloride) and air dried. Surprisingly, the use of ClSO 3 H / CH 2 Cl 2 was found to be incompatible with such suspensions.

【0097】 本発明のPPSUをベースとするイオン伝導性材料の一般に好ましい濃度範囲
は5〜30重量%、好ましくは10〜20重量%である(過剰溶媒の希釈前の初
期ポリマー溶液)。
A generally preferred concentration range of the PPSU-based ion-conducting material of the present invention is 5 to 30% by weight, preferably 10 to 20% by weight (initial polymer solution before dilution of excess solvent).

【0098】 この方法を使用すると、同等の高い伝導率(少なくとも約0.01〜約0.5
S/cmのIC)と最小限のポリマー分解で高度にスルホン化したポリマーフィ
ルム(少なくとも約0.5meq/g〜少なくとも約4.0meq/gのIEC
)を製造することができる。
Using this method, a comparable high conductivity (at least about 0.01 to about 0.5) is used.
S / cm IC) and highly sulfonated polymer films with minimal polymer degradation (at least about 0.5 meq / g to at least about 4.0 meq / g IEC.
) Can be manufactured.

【0099】 スルホン化処理によりスルホン化PPSUをベースとするイオン伝導性ポリマ
ーに多少の不均質が生じる場合がある。不均質はスルホン化処理中にポリマーが
沈殿するほど大きくないと思われるが、ポリマー微結晶が外側から内側にスルホ
ン化するにつれて多少の分配が見られることがある。即ち、スルホン化ポリマー
の一部が強くスルホン化されて水溶性になったり(燃料電池運転中に浸出する恐
れがある)、他の形態で分解することがある。
The sulfonation treatment may result in some inhomogeneities in the sulfonated PPSU-based ion-conducting polymer. The heterogeneity does not appear to be so great that the polymer precipitates during the sulfonation process, although some partitioning may be seen as the polymer crystallites are sulfonated from the outside to the inside. That is, a part of the sulfonated polymer may be strongly sulfonated to be water-soluble (it may be leached during the operation of the fuel cell) or may be decomposed in another form.

【0100】 これらのポリマーの過剰スルホン化又は分解部分は種々の精製法を使用して有
効に除去することができる。1好適態様では、精製処理としてイオン伝導性ポリ
マーを適当な溶媒(例えばNMP)に再溶解し、水又は飽和NaCl溶液に再沈
殿させる。イオン伝導性ポリマーを飽和塩溶液に再沈殿させると、過剰にスルホ
ン化又は分解したポリマーを除去しながら高収率のイオン伝導性ポリマーが得ら
れることが判明した。
The over-sulfonated or degraded moieties of these polymers can be effectively removed using various purification methods. In one preferred embodiment, the ion-conducting polymer is redissolved in a suitable solvent (eg NMP) and reprecipitated in water or saturated NaCl solution as a purification treatment. It has been found that reprecipitation of the ion-conducting polymer in a saturated salt solution yields a high yield of ion-conducting polymer while removing excess sulfonated or degraded polymer.

【0101】 更に、数種の方法により本発明のイオン伝導性材料の長期安定性(水性ヒドロ
ペルオキシド基)を改善できる。
Furthermore, the long-term stability (aqueous hydroperoxide groups) of the ionically conductive material of the invention can be improved by several methods.

【0102】 例えば、数種の後処理工程により本発明のイオン伝導性材料の安定性を強化で
きる。これらの工程としては、(i)H+形態のイオン伝導性ポリマーを架橋し
てスルホン架橋結合を形成する工程、(ii)少量の酸化防止剤(不溶性)をイ
オン伝導性ポリマーに加える工程、及び(iii)イオン伝導性ポリマー主鎖を
塩素化/臭素化して分解部位を減らす工程が挙げられる。
For example, several post-treatment steps can enhance the stability of the ion conductive material of the present invention. These steps include (i) a step of cross-linking an ion-conductive polymer in the H + form to form a sulfone cross-link, (ii) a step of adding a small amount of an antioxidant (insoluble) to the ion-conductive polymer, and ( iii) A step of chlorinating / brominating the ion-conducting polymer main chain to reduce decomposition sites can be mentioned.

【0103】 架橋法は過酸化物安定性を提供又は強化することができる。また、スルホン化
ポリマーを架橋してイオン伝導性ポリマーの遮断性を更に強化する種々の方法が
文献に記載されている。例えば米国特許第5,795,496号;Kerres
ら,“New Ionomers and their Applicatio
ns in PEM Fuel Cells”,ICE,Stuttgart,
Germany(1996);及びKerresら,J.Membrane S
ci.139:211−225(1998)参照。
The cross-linking method can provide or enhance peroxide stability. Further, various methods for crosslinking a sulfonated polymer to further enhance the barrier property of an ion conductive polymer are described in the literature. For example, US Pat. No. 5,795,496; Kerres.
Et al., “New Ionomers and ther Applicatio”
ns in PEM Fuel Cells ”, ICE, Stuttgart,
Germany (1996); and Kerres et al., J. Am. Membrane S
ci. 139: 211-225 (1998).

【0104】 例えば、米国特許第5,795,496号はSOH基(スルホン酸基)を介
してイオン伝導性ポリマーを架橋し、ポリマー鎖間にスルホン架橋結合を形成す
る方法を記載している。この方法は濃硫酸を使用してポリマー(例えばPEEK
)をスルホン化し、フィルムの流延後、フィルムを減圧下に120℃の温度まで
加熱する。加熱工程で架橋が生じる。
For example, US Pat. No. 5,795,496 describes a method of crosslinking ion-conducting polymers via SO 3 H groups (sulfonic acid groups) to form sulfone crosslinks between polymer chains. There is. This method uses concentrated sulfuric acid to polymer (eg PEEK
) Is sulfonated and the film is cast, the film is heated under vacuum to a temperature of 120 ° C. Crosslinking occurs in the heating process.

【0105】 架橋により遮断性は強化されるが、架橋処理の結果、ポリマーのイオン伝導率
、吸水性及び膨潤性が低下する。しかし、使用する架橋処理を調節してイオン伝
導率の低下を最小限にすることができる。
Although the barrier property is enhanced by the crosslinking, the ionic conductivity, water absorption and swelling property of the polymer are reduced as a result of the crosslinking treatment. However, the crosslinking treatment used can be adjusted to minimize the loss of ionic conductivity.

【0106】 添加剤を使用しても本発明のPEK及びPPSUをベースとするイオン伝導性
材料の過酸化物安定性を提供又は強化することができる。イオン伝導性材料又は
SPEMのイオン伝導性成分の内側でラジカルスカベンジャーとしてポリマー添
加剤を使用することができる。これらの例としては、Irganox 1135
(一次フェノール酸化防止剤、Ciba Geigy市販品)やDTTDP(ジ
(トリデシル)チオジプロピオネート、二次酸化防止剤、Hampshire市
販品)が挙げられる。
Additives can also be used to provide or enhance the peroxide stability of PEK and PPSU based ion conducting materials of the present invention. Polymer additives can be used as radical scavengers inside the ion conductive material or the ion conductive component of SPEM. Examples of these include Irganox 1135.
(Primary phenol antioxidant, Ciba Geigy commercial product) and DTTDP (di (tridecyl) thiodipropionate, secondary antioxidant, Hampshire commercial product).

【0107】 本発明のPEK及びPPSUをベースとするイオン伝導性材料は標準膜流延技
術を使用してSPEMを製造するために使用することができる。このような技術
は当業者に周知である。例えば、ポリマーを適当な溶媒に溶かし、ガラスプレー
ト(又は他の表面)に流延することによりフィルムを形成することができる。よ
り具体的には、イオン伝導性ポリマーをn−メチルピロリドン(NMP)に溶か
し、濾過した後、支持体上に流延することができる。フィルムを低湿チャンバー
でゆっくり蒸発させた後、完全に硬化するまで真空炉で乾燥する。乾燥したら、
水に浸漬して流延支持体からフィルムを剥離することができる。
The PEK- and PPSU-based ion-conducting materials of the present invention can be used to make SPEMs using standard membrane casting techniques. Such techniques are well known to those of ordinary skill in the art. For example, the polymer can be dissolved in a suitable solvent and cast onto a glass plate (or other surface) to form a film. More specifically, the ion conductive polymer can be dissolved in n-methylpyrrolidone (NMP), filtered, and then cast on a support. The film is slowly evaporated in a low humidity chamber and then dried in a vacuum oven until fully cured. When dry
The film can be peeled from the casting support by immersion in water.

【0108】 本発明のPEK及びPPSUをベースとするイオン伝導性材料並びにSPEM
は高温高圧でもメタノール透過性が低く(メタノール拡散性及び溶解性が低い)
、酸及び遊離基に対して実質的に化学的に安定しており、少なくとも約100℃
の温度まで熱/加水分解安定性である。
Ion-conducting materials and SPEMs based on PEK and PPSU of the invention
Has low methanol permeability even at high temperature and high pressure (low methanol diffusion and solubility)
, Substantially stable to acids and free radicals, at least about 100 ° C
It is heat / hydrolysis stable up to the temperature of.

【0109】 本発明のPEK及びPPSUをベースとするイオン伝導性膜は>1.0meq
/g乾燥膜(好ましくは1.5〜2.0meq/g)のイオン交換容量(IEC
)をもち、高イオン伝導性である(好ましくは約0.01〜約0.5S/cm、
より好ましくは>約0.1S/cm又は抵抗率<10Ωcm)。
The ion-conducting membranes based on PEK and PPSU of the present invention are> 1.0 meq.
/ G dry membrane (preferably 1.5 to 2.0 meq / g) ion exchange capacity (IEC
), And has high ionic conductivity (preferably about 0.01 to about 0.5 S / cm,
More preferably> about 0.1 S / cm or resistivity <10 Ωcm).

【0110】 本発明のイオン伝導性材料及びSPEMは耐久性であり、実質的に無欠陥であ
り、好ましくは少なくとも約100℃を越える温度でも寸法安定性である(湿潤
時から乾燥時への寸法変化約20%未満)。
The ion-conducting materials and SPEMs of the present invention are durable, substantially defect free, and preferably dimensionally stable at temperatures above at least about 100 ° C. (dimensions wet to dry). Change less than about 20%).

【0111】 特に好ましいPEK及びPPSUをベースとするイオン伝導性材料は少なくと
も約5000時間(例えば自動車用)にわたって燃料電池(即ちH/O、メ
タノール)での運転に耐える能力をもつ。
Particularly preferred PEK- and PPSU-based ion-conducting materials are capable of withstanding operation in fuel cells (ie H 2 / O 2 , methanol) for at least about 5000 hours (eg for automobiles).

【0112】 本発明で使用するPEK及びPPSUをベースとするイオン伝導性材料は置換
されていてもいなくてもよい。これらの材料はホモポリマー、コポリマー又は他
のブレンドとして存在することができる。本明細書に開示する類のPEK及びP
PSUホモポリマー、コポリマー及びそのブレンドは、当業者に容易に判断され
る通り、ポリマーの所期用途に所望される性質を実質的に損なわないという条件
で任意所望置換基を含むことができる。このような性質としては、イオン伝導率
、化学及び構造安定性、膨潤性等が挙げられる。
The ion-conducting materials based on PEK and PPSU used in the present invention may be substituted or not. These materials can be present as homopolymers, copolymers or other blends. PEKs and Ps of the type disclosed herein
PSU homopolymers, copolymers and blends thereof can include any desired substituents, as will be readily appreciated by those skilled in the art, provided that they do not substantially impair the properties desired for the intended use of the polymer. Such properties include ionic conductivity, chemical and structural stability, swelling and the like.

【0113】 ポリマーをブレンドして本発明のPEK及びPPSUをベースとするイオン伝
導性材料を形成すると、その性質の各々を最適化するのに有利である。単純混合
と異なり、ブレンドは2種の成分を分散した複合材料を形成するのではなく、全
体で組成が均一である。スルホン化ポリマーを非スルホン化ポリマーとブレンド
すると、膨潤性、耐燃料クロスオーバー性、伝導率、耐過酸化物性、加水分解安
定性等を最適化するために有用であると思われる。また、2種のスルホン化ポリ
マーをブレンドすると、個々の成分よりも性質を改善できると思われる。この概
念は本発明のイオン伝導性材料の強度、費用、加工性又は安定性を改善するため
にも利用できる。
Blending the polymers to form the PEK- and PPSU-based ion-conducting materials of the present invention is advantageous for optimizing each of their properties. Unlike simple mixing, the blend does not form a composite in which the two components are dispersed, but is homogeneous throughout. Blending a sulfonated polymer with a non-sulfonated polymer may be useful for optimizing swelling, fuel crossover resistance, conductivity, peroxide resistance, hydrolysis stability and the like. It is also believed that blending the two sulfonated polymers can improve properties over the individual components. This concept can also be used to improve the strength, cost, processability or stability of the ionically conductive materials of the present invention.

【0114】 本発明の革新的なPEK及びPPSUをベースとするイオン伝導性材料及び膜
を使用すると、電力密度が改善し、水素燃料中の一酸化炭素に対する感受性が低
下した本発明の比較的低コストのイオン伝導性材料を製造することができる。
Use of the innovative PEK- and PPSU-based ion-conducting materials and membranes of the present invention results in improved power density and reduced sensitivity to carbon monoxide in hydrogen fuel. Costly ion conductive materials can be manufactured.

【0115】 本発明のイオン伝導性材料は既存のNafion(登録商標)膜をベースとす
る燃料電池の効率を制限している水管理の問題も緩和する。
The ion-conducting materials of the present invention also alleviate water management issues that limit the efficiency of existing Nafion® membrane based fuel cells.

【0116】 本発明のイオン伝導性材料は分解及び加水分解に対する耐性と応力によるクリ
ープに対する耐性を示す。
The ion conductive material of the present invention exhibits resistance to decomposition and hydrolysis and resistance to creep due to stress.

【0117】 本発明のイオン伝導性材料はイオン伝導率が高く、耐脱水性が高く、機械的強
度が高く、酸化及び加水分解時に化学的に安定であり、気体透過性が低いため寄
生損が少なく、高温高圧で安定である。
The ion conductive material of the present invention has high ionic conductivity, high dehydration resistance, high mechanical strength, is chemically stable at the time of oxidation and hydrolysis, and has low gas permeability, thus causing parasitic loss. Low, stable at high temperature and high pressure.

【0118】 本発明のイオン伝導性材料は直接型メタノール燃料電池で使用した場合にメタ
ノールクロスオーバーに対して耐性である。この結果、効率が高く、電池性能が
改善する。
The ion conductive material of the present invention is resistant to methanol crossover when used in direct methanol fuel cells. As a result, efficiency is high and battery performance is improved.

【0119】 本発明のイオン伝導性材料は比較的低コストの原料と製造方法を使用するので
、Nafion(登録商標)及びNafion(登録商標)様イオノマーを使用
する膜のコストの一部で製造することができる。
The ion-conducting material of the present invention uses relatively low cost raw materials and manufacturing methods, so it is manufactured at a fraction of the cost of membranes using Nafion® and Nafion®-like ionomers. be able to.

【0120】 本発明のイオン伝導性材料は燃料電池用途で反応体(H、O及びメタノー
ル透過)に対する遮蔽として作用する。
The ion conductive material of the present invention acts as a shield for reactants (H 2 , O 2 and methanol permeation) in fuel cell applications.

【0121】 本発明のイオン伝導性材料を製造するには、疎水性部分と親水性部分をもつ界
面活性剤又は表面活性剤を使用することができる。これらの材料は当技術分野で
周知であり、例えばTriton X−100(Philadelphia,P
Aに所在のRohm & Haasの市販品)が挙げられる。
To produce the ion conductive material of the present invention, a surfactant or a surfactant having a hydrophobic portion and a hydrophilic portion can be used. These materials are well known in the art and are described, for example, in Triton X-100 (Philadelphia, P.
A commercial product of Rohm & Haas located in A) can be mentioned.

【0122】 本発明の膜の製造には相溶剤も利用できる。本明細書で使用する「相溶剤」と
は、通常はブレンドしにくい2種以上のポリマーのブレンド適性を高める物質で
ある。例えば、各成分の結合セグメントを含むブロックコポリマーが挙げられる
Compatibilizers can also be utilized in making the membranes of the present invention. As used herein, a "compatibilizer" is a substance that enhances the blendability of two or more polymers that are normally difficult to blend. For example, a block copolymer including a bonding segment of each component may be mentioned.

【0123】 以下、本発明のPEK及びPPSUをベースとするイオン伝導性材料、SPE
M並びに方法を表と実施例により更に説明する。
Hereinafter, the PEK- and PPSU-based ion conductive material of the present invention, SPE
M and the method will be further described with reference to tables and examples.

【0124】 下表は本発明のイオン伝導性材料及びSPEMを詳細に説明する。[0124]   The following table details the ion conductive materials and SPEMs of the present invention.

【0125】[0125]

【表1】 [Table 1]

【0126】[0126]

【実施例】 出発材料の市販入手 Radel(登録商標)ポリフェニルスルホンポリマーはアモコポリマーズ(Am
oco Polymers)から市販入手可能である。 Victrex(登録商標)ポリ(アリールエチルエーテル)ポリマーはビクト
レックス(Victrex)USAから市販入手可能である。
EXAMPLES Commercially available starting material Radel® polyphenylsulfone polymer is Ammo Copolymers (Am
commercially available from Oco Polymers). Victrex® poly (arylethyl ether) polymers are commercially available from Victrex USA.

【0127】 全般的手順 以下の手順が、本発明の材料、膜および方法により調製されたサンプルの製作
および試験に用いられた。
General Procedures The following procedures were used in the fabrication and testing of samples prepared by the materials, membranes and methods of the invention.

【0128】 IEC手順 1.スルホン化フィルムの小片を切断(目標重量0.2g、目標厚さ2mils
)する。 2.60℃にて真空乾燥する。乾燥重量を記録し、フィルムがH+型かNa+型
かを書留める。 3.ホットプレート上の別々のビーカー中で脱イオン化水を煮沸する。 4.沸騰水中にフィルムを投入する。 5.1/2時間フィルムを強度に煮沸する。 6.1.5NHSOを調製する。 7.フィルムをHSO中に入れ、1/2時間浸ける。 8.フィルムを取り出し、脱イオン水にてすすぐ。 9.再度脱イオン水中で煮沸する。これを繰返してフィルムを3回HSO
浸ける。 10.フィルムを沸騰水から取り出し、フィルム表面をペーパータオルで軽くた
たき、脱イオン水にて注意深くすすぐ。 11.フィルムを水が入った他のビーカー中に入れ、pHを調べる。 12.pHが中性になるまでフィルムの水洗浄を続け、フィルムの折り重ね内に
付いている過剰の酸を除く。 13.飽和NaCl溶液を調製する。 14.このNaCl溶液を煮沸し、ねじ込み蓋付きバイアル中にそそぎ込み、こ
れにフィルムを入れ蓋をする。 15.フィルムが入った蓋したビーカーを90℃の水浴中に30分入れる。 16.蓋したビーカーを水浴から取り出し、室温まで冷やす。 17.塩溶液を他のビーカーに注ぐことにより(保存)、フィルムをNaCl溶
液から取り出し、脱イオン水にてフィルムを洗浄する(すべての洗浄水を保存す
る、滴定に使用する)。 18.NaCl溶液を0.1NNaClにて滴定する。 19.フィルムを取り、ペーパータオルにて軽くたたき、湿重量を測定する(湿
重量はフィルムの水含量を測定するために使用する)。 20.フィルムを60℃、真空化にて重量が定常になるまで乾燥する。 21.乾燥重量を測定し、これをIECの計算に使用する。
IEC Procedure 1. Cut a small piece of sulfonated film (target weight 0.2g, target thickness 2mils
) Do. 2. Vacuum dry at 60 ° C. Record the dry weight and note whether the film is H + or Na + form. 3. Boil deionized water in a separate beaker on a hot plate. 4. Put the film in boiling water. 5. Boil the film vigorously for 1/2 hour. 6. Prepare 1.5 NH 2 SO 4 . 7. Place the film in H 2 SO 4 and soak for ½ hour. 8. Remove the film and rinse with deionized water. 9. Boil again in deionized water. By repeating this, the film is dipped in H 2 SO 4 three times. 10. Remove the film from boiling water, dab the surface of the film with a paper towel and carefully rinse with deionized water. 11. Place the film in another beaker of water and check the pH. 12. Continue washing the film with water until the pH is neutral to remove excess acid from the film fold. 13. Prepare a saturated NaCl solution. 14. The NaCl solution is boiled, poured into a vial with a screw-on lid, and a film is put into the vial and the lid is closed. 15. Place the covered beaker containing the film in a 90 ° C. water bath for 30 minutes. 16. Remove the covered beaker from the water bath and allow it to cool to room temperature. 17. The film is removed from the NaCl solution by pouring the salt solution into another beaker (storage) and washing the film with deionized water (store all wash water, use for titration). 18. The NaCl solution is titrated with 0.1 N NaCl. 19. Take the film and tap it with a paper towel to determine the wet weight (wet weight is used to measure the water content of the film). 20. The film is dried at 60 ° C. under vacuum until the weight becomes constant. 21. Dry weight is measured and used for IEC calculation.

【0129】 パーオキサイド試験の手順 22.次のステップ1−12によりフィルムをH+型にする。 23.4ppmFeを3%過酸化水素に加えてパーオキサイド溶液を調製する(
過酸化水素1Lにつき28.5mg硫酸鉄(II)アンモニウム6水塩(Aldrich
より入手)) 24.パーオキサイド溶液を68℃の水浴中に置く。 25.68℃になっているパーオキサイド溶液中にフィルムを入れる。 26.8時間パーオキサイド試験を行い、フィルムの性質(機械的、色調、取り
扱い易さ)を記録する。 27.フィルムが試験に通過したら、フィルムを過酸化水素から取り出し、水で
洗浄して微量のパーオキサイド溶液を除く。 28.パーオキサイド試験後IECを得るために、ステップ13−21を行う。
Peroxide Test Procedure 22. The film is made H + type by the following steps 1-12. A peroxide solution is prepared by adding 23.4 ppm Fe to 3% hydrogen peroxide (
28.5 mg of iron (II) sulfate ammonium hexahydrate per 1 L of hydrogen peroxide (Aldrich
Obtained from)) 24. Place the peroxide solution in a 68 ° C. water bath. Place the film in the peroxide solution at 25.68 ° C. Perform a 26.8 hour peroxide test and record the film properties (mechanical, color, ease of handling). 27. Once the film passes the test, it is removed from the hydrogen peroxide and washed with water to remove traces of peroxide solution. 28. Perform steps 13-21 to obtain IEC after peroxide test.

【0130】 架橋手順 イオン伝導性ポリマーサンプルは、ICP安定性を改善するために、酸(H+
)型にて架橋することができる。通常、架橋は、酸素を系から除くために(酸素
はICP炭化を起こし得る)、真空下にて行う。真空オーブンは、少なくとも約
200℃の温度に予め加熱しておかなければならない。ICPサンプルはしたが
って延長された時間真空オーブン中にて加熱される。ICPサンプルは、架橋の
前後に、IECおよびパーオキサイド安定性について、長期間膜安定性を評価す
るために、試験しなければならない。例えば下記実施例5を参照。
Crosslinking Procedure The ion-conducting polymer sample was treated with acid (H +) to improve ICP stability.
) Molds can be crosslinked. Crosslinking is usually performed under vacuum to remove oxygen from the system (oxygen can cause ICP carbonization). The vacuum oven must be preheated to a temperature of at least about 200 ° C. The ICP sample is therefore heated in the vacuum oven for an extended period of time. ICP samples must be tested before and after crosslinking for IEC and peroxide stability to assess long term membrane stability. See, eg, Example 5 below.

【0131】 フィルム製作手順 フィルム成形 本発明のイオン伝導性材料は、標準的な膜成形技術を用いて製造することがで
きよう。このような技術は当業者によく知られている。例えば、フィルムは、ポ
リマーを適当な溶媒中に溶解後ガラス板(または他の表面)にて成形することに
より製造することができる。さらに詳細には、イオン伝導性ポリマーはn―メチ
ルピロリドン(NMP)中に溶解し、濾過し、基材上で成形することができる。
このフィルムを低湿度チャンバー中にてゆっくり乾燥させ、次いで真空オーブン
中にて完全な密度まで乾燥する。フィルムは、乾燥されたら、水浸積により基材
から取り出す。
Film Fabrication Procedure Film Molding The ion conductive materials of the present invention could be manufactured using standard membrane molding techniques. Such techniques are well known to those of ordinary skill in the art. For example, a film can be made by dissolving the polymer in a suitable solvent and then molding it on a glass plate (or other surface). More specifically, the ion-conducting polymer can be dissolved in n-methylpyrrolidone (NMP), filtered, and molded onto a substrate.
The film is dried slowly in a low humidity chamber and then in a vacuum oven to full density. Once dried, the film is removed from the substrate by water immersion.

【0132】 スルホン化手順 スルホン化手順I 芳香族PESポリマーは、スルホン化剤により制御された置換度にスルホン化
することができる。置換度は、スルホン化剤の選択とポリマーの芳香環に対する
スルホン化剤のモル比により制御する。この手順は、不均一手法にて、例えば沈
殿ポリマー結晶にてスルホン化を行う方法を提供する。
Sulfonation Procedures Sulfonation Procedures I Aromatic PES polymers can be sulfonated with a degree of substitution controlled by a sulfonating agent. The degree of substitution is controlled by the choice of sulfonating agent and the molar ratio of sulfonating agent to aromatic rings of the polymer. This procedure provides a way to carry out the sulfonation in a heterogeneous manner, for example on precipitated polymer crystals.

【0133】 ポリマー(好ましくはポリエーテルスルホン)は、まず適切な溶媒(好ましく
は塩化メチレン)中に溶解し、次いで沈殿させて微細結晶懸濁物にする。スルホ
ン化は、この懸濁物とスルホン化剤との単純な混合物で行うことができる。適切
なスルホン化剤はクロロスルホン酸、および好ましくは三酸化硫黄(塩化メチレ
ン中安定化SulfanB(登録商標)、Allied chemicals)が含まれる。使用されるス
ルホン化剤は、ポリマー上にスルホネート基の数を導入するために充分な比率で
なければならず、これは、重大でないが、ポリマー単位当たり0.4:1〜5:
1の範囲内である。スルホン化が起こる温度は、副反応を制限するために重要で
あるが、ポリマーのタイプにより変化する(好ましい温度は−50から80℃、
好ましくは−10から+25℃の範囲である)。
The polymer (preferably polyether sulfone) is first dissolved in a suitable solvent (preferably methylene chloride) and then precipitated to give a finely crystalline suspension. The sulfonation can be carried out with a simple mixture of this suspension and the sulfonating agent. Suitable sulfonating agents include chlorosulfonic acid, and preferably sulfur trioxide (Sulfan B® stabilized in methylene chloride, Allied chemicals). The sulfonating agent used must be in a sufficient ratio to introduce the number of sulfonate groups on the polymer, which is not critical but 0.4: 1 to 5: per polymer unit.
It is within the range of 1. The temperature at which sulfonation occurs is important to limit side reactions, but varies with the type of polymer (preferred temperature is -50 to 80 ° C,
It is preferably in the range of -10 to + 25 ° C).

【0134】 望ましいスルホン化度に達したら、スルホン化されたポリマーは、常套手段、
例えば濾過により反応混合物から分離し、洗浄し、乾燥することにより、反応混
合物から分離することができる。
Once the desired degree of sulfonation is reached, the sulfonated polymer can be prepared by conventional means,
It can be separated from the reaction mixture by separating it from the reaction mixture, for example by filtration, washing and drying.

【0135】 本発明のプロセスのポリマー産物は、炭酸水素ナトリウムのような塩基の添加
により中和することができ、そして必要ならばそのアルカリ塩にする。本発明の
ポリマー産物のアルカリ塩は親の酸ポリマーと同じ目的で使用できる。
The polymer product of the process of the present invention can be neutralized by the addition of a base such as sodium hydrogen carbonate and, if necessary, its alkali salt. The alkali salt of the polymer product of this invention can be used for the same purpose as the parent acid polymer.

【0136】 例えば、US特許4,413,106参照。[0136]   See, for example, US Pat. No. 4,413,106.

【0137】 スルホン化手順II この手順では濃硫酸が溶媒として使用される。スルホン化剤、三酸化硫黄、の
量は、反応混合物中に存在する純粋(100%無水)硫酸の全量に基づいていて
、スルホン化の全期間6重量%以下の値に保たれる。三酸化硫黄は、溶解形態(
オレウム、発煙硫酸)にて濃硫酸と混合することができる。出発硫酸とオレウム
の濃度は反応に使用する直前にその密度を測定することにより決定された。
Sulfonation Procedure II Concentrated sulfuric acid is used as solvent in this procedure. The amount of sulfonating agent, sulfur trioxide, is based on the total amount of pure (100% anhydrous) sulfuric acid present in the reaction mixture and is kept below 6% by weight for the entire duration of the sulfonation. Sulfur trioxide is in dissolved form (
Oleum, fuming sulfuric acid) can be mixed with concentrated sulfuric acid. The concentrations of starting sulfuric acid and oleum were determined by measuring their densities just before use in the reaction.

【0138】 反応混合物の温度は、反応の全期間、+30℃以下に保たれる。スルホン化手
順は、反応混合物に水を加えるか反応混合物を水に注ぐことにより、停止される
The temperature of the reaction mixture is kept below + 30 ° C. during the whole reaction. The sulfonation procedure is stopped by adding water to the reaction mixture or pouring the reaction mixture into water.

【0139】 より詳細には、ポリマーを、まず室温下高真空で、重量が一定になるまで乾燥
し、次いで濃硫酸中に溶解する。次に、オレウムを、撹拌しつつ、常に+30℃
以下に保ちつつ、全時間にわたって滴加する。すべてのオレウムを添加したら、
反応混合物をさらなる時間同じ温度にて撹拌する。得られた粘性溶液を、次に水
中に入れ、沈殿したポリマーを濾過する。このポリマーを、次いで酸性でなくな
るまで洗浄し、乾燥する。
More specifically, the polymer is first dried at room temperature under high vacuum until constant weight and then dissolved in concentrated sulfuric acid. Next, stir the oleum constantly at + 30 ° C.
Add dropwise over the entire time, keeping below. Once all the oleum has been added,
The reaction mixture is stirred for a further hour at the same temperature. The viscous solution obtained is then placed in water and the precipitated polymer is filtered off. The polymer is then washed until it is not acidic and dried.

【0140】 これらの条件が保たれれば、芳香族ポリエーテルスルホンのスルホン化の制御
が可能であり、ポリマーの劣化を実質的にまたは完全に防ぐことができる。
If these conditions are maintained, the sulfonation of the aromatic polyether sulfone can be controlled, and the deterioration of the polymer can be substantially or completely prevented.

【0141】 あまり好ましくはないが、この手順の他の改変は、三酸化硫黄を純粋固体状態
またはガス状態で濃硫酸中のポリマー溶液に加えることである。
Although less preferred, another modification of this procedure is to add sulfur trioxide in pure solid or gas state to a polymer solution in concentrated sulfuric acid.

【0142】 例えばUS特許5,013,765参照。[0142]   See, for example, US Pat. No. 5,013,765.

【0143】 イオン伝導性材料―試験方法 IEC、水含量%、膜劣化 この手順の間、フィルムは蒸留水中に浸し、30分沸騰させる。フィルムを次
いで室温下1.5NHSO溶液中に置き、30分浸ける。これを別々に三回
繰り返して、メンブラン中H+イオン交換を確実にする。フィルムを、酸を含ま
ないように洗浄し(洗浄水のpHは>5.0)、別の飽和NaCl溶液で満たし
た別のビーカーに入れる。この塩溶液を3時間沸騰させる。今やNa+型である
フィルムを塩溶液から取り出し、蒸留水で洗浄し、軽くたたいて過剰の水を除く
。サンプルの湿重量と厚みを測定する。Na+型であるが、このフィルムは、6
0℃の温度の空気オーブン中にて乾燥される。このフィルムの乾燥重量と厚みを
測定し、水含量百分率が計算される。塩溶液を0.1NNaOHにてフェノール
フタレインエンドポイントまで滴定し、IEC乾燥(meq/g)値が計算され
る。
Ion Conductive Material-Test Method IEC,% Water Content, Membrane Degradation During this procedure, the film is immersed in distilled water and boiled for 30 minutes. The film is then placed at room temperature in a 1.5 NH 2 SO 4 solution and soaked for 30 minutes. This is repeated three times separately to ensure H + ion exchange in the membrane. The film is washed free of acid (wash water pH> 5.0) and placed in another beaker filled with another saturated NaCl solution. The salt solution is boiled for 3 hours. The film, now in the Na + form, is removed from the salt solution, washed with distilled water and tapped to remove excess water. Measure the wet weight and thickness of the sample. Although it is a Na + type, this film has 6
Dry in an air oven at a temperature of 0 ° C. The dry weight and thickness of this film is measured and the water content percentage is calculated. The salt solution is titrated with 0.1 N NaOH to the phenolphthalein endpoint and the IEC dry (meq / g) value is calculated.

【0144】 イオン伝導度 フィルムサンプルについて、比抵抗(ohmcm)を決定するために、横
断イオン伝導度を測定する。イオン伝導度の測定に先立ち、フィルムサンプルを
、上に述べた標準方法を用いて、H+型とする。イオン伝導度を測定するために
、フィルムサンプルを、プラチナ板付きニオブ板のからなるダイ中に置く。試験
サンプルサイズは25cmである。測定装置に組み立てる前に、プラチナブラ
ックの電極をフィルムサンプルの両端に置いて、膜―電極アッセンブリー(ME
A)を作る。抵抗測定の間完全に接触するように、このMEAは、二つのプラチ
ナ板付きニオブスチールラム間で100から500psiにて押しつける。各フ
ィルムの抵抗は、1000Hz、1〜5Aで、4点プローブ抵抗測定装置にて測
定し、式1を用いて伝導度に変換する。
Ionic Conductivity For film samples, transverse ionic conductivity is measured to determine the specific resistance (ohm * cm 2 ). Prior to measurement of ionic conductivity, film samples are made H + type using the standard method described above. To measure ionic conductivity, the film sample is placed in a die consisting of a niobium plate with a platinum plate. The test sample size is 25 cm 2 . Place the platinum black electrodes on both ends of the film sample and assemble the membrane-electrode assembly (ME
Make A). The MEA is pressed between 100 and 500 psi between two platinum-plated niobium steel rams so that they are in full contact during resistance measurements. The resistance of each film is measured with a 4-point probe resistance measuring device at 1000 Hz and 1 to 5 A, and converted into conductivity using Equation 1.

【0145】 (1) C=t/RxA C=伝導度(S/cm) R=サンプルの抵抗(ohm) t=湿サンプル厚み(cm) A=サンプルの面積(cm)。(1) C = t / RxA C = conductivity (S / cm) R = sample resistance (ohm) t = wet sample thickness (cm) A = sample area (cm 2 ).

【0146】 測定値を伝導度(ohmcm)に対する厚みの比を計算することにより、
比抵抗に変換する。
By calculating the ratio of thickness to conductivity (ohm * cm 2 ) the measured value
Convert to resistivity.

【0147】 膜劣化 劣化促進試験を、促進剤として加えられた4ppmFe++を有する3%H溶液を用いて行う。フィルムを68℃の温度で8時間試験する。試験後、フ
ィルムサンプルのIEC低下%を測定する。8時間後、フィルムを溶液から取り
出し、1.5NHSOを用いて再変換する。IECを再度計算し、試験結果
をIECの損失%として示す。この試験は実際の燃料電池操作の長時間(数千時
間)に相当する。H燃料電池のためには、この試験での<10%IEC劣
化が許容できるものと考えられる。
Membrane Degradation A accelerated degradation test is performed using a 3% H 2 O 2 solution with 4 ppm Fe ++ added as an accelerator. The film is tested at a temperature of 68 ° C for 8 hours. After testing, the% IEC reduction of the film sample is measured. After 8 hours, the film is removed from the solution and reconverted with 1.5 NH 2 SO 4 . The IEC is recalculated and the test results are presented as% IEC loss. This test corresponds to a long time (thousands of hours) of actual fuel cell operation. For H 2 O 2 fuel cells, <10% IEC degradation in this test is considered acceptable.

【0148】 実施例1 SulfanB(登録商標)を用いるRadelR(登録商標)のスルホン化
(100%および150%スルホン化) 次の実施例においてスルホン化手順Iが用いられた。
Example 1 Sulfonation of RadelR® with SulfanB® (100% and 150% Sulfonation) Sulfonation Procedure I was used in the following examples.

【0149】 Nインレット、添加用ファネルおよびオーバーヘッドスターラーが取り付け
られた三首樹脂ケトル(リブ付き)に、340mlのジクロロメタンおよび50
.00gのRadelR(登録商標)ポリフェニルスルホンポリマー(ビーズ)
を入れた。この混合物を溶液が形成されるまで撹拌した(約.25時間)。溶液
が形成されたら、混合物は、約0℃の温度の氷冷浴中で冷却された(氷冷浴は添
加および反応の間保たれた)。(RadelR(登録商標)は70℃、完全動的
真空下に約12時間乾燥して吸収されている水分を完全に除いた事に注意。) この溶液を冷却しつつ、以下の量のSulfanB(登録商標)を二つの別々
の添加用ファネルでジクロロメタンと合わせた。ファネル#1(100%スルホ
ン化)にて10.00gのSulfanB(登録商標)が120mlのジクロロ
メタンと合わされた。ファネル#2(150%スルホン化)にて15.00gの
SulfanB(登録商標)が120mlのジクロロメタンと合わされた。
A three-neck resin kettle (ribbed) fitted with N 2 inlet, addition funnel and overhead stirrer was charged with 340 ml of dichloromethane and 50
. 00 g of RadelR® polyphenylsulfone polymer (beads)
I put it in. The mixture was stirred until a solution formed (about 0.25 hours). Once a solution had formed, the mixture was cooled in an ice-cold bath at a temperature of about 0 ° C (the ice-cold bath was kept during the addition and reaction). (Note that RadelR® was dried at 70 ° C. under full dynamic vacuum for about 12 hours to completely remove the absorbed water.) While cooling this solution, the following amount of Sulfan B (registered trademark) was added. ™) was combined with dichloromethane in two separate addition funnels. In Funnel # 1 (100% sulphonated) 10.00 g Sulfan B® was combined with 120 ml dichloromethane. In Funnel # 2 (150% sulphonated) 15.00 g Sulfan B® was combined with 120 ml dichloromethane.

【0150】 ポリマー溶液を冷却したところ、ポリマーが溶液から沈殿し、粘性ペーストを
形成した。これらポリマーは、懸濁物が均一になるように、120mlのジクロ
ロメタンと合体された。この希釈された懸濁物を次いでもう一度氷冷浴温度に冷
却された。
Upon cooling the polymer solution, the polymer precipitated out of solution forming a viscous paste. The polymers were combined with 120 ml of dichloromethane so that the suspension was homogeneous. The diluted suspension was then cooled once again to ice bath temperature.

【0151】 急速に撹拌され、冷却され希釈されたポリマー懸濁物に、SulfanB(登
録商標)を3.5から4時間の間滴加した。
Sulfan B® was added dropwise to the rapidly stirred, cooled and diluted polymer suspension over 3.5 to 4 hours.

【0152】 SulfanB(登録商標)/ジクロロメタン溶液の添加が完了した後、反応
混合物をさらに2.5時間氷冷浴温度にて撹拌し、次いで、反応を各反応混合物
に約10mlの蒸留水を添加して停止させた。
After the addition of the Sulfan B® / dichloromethane solution was complete, the reaction mixture was stirred for an additional 2.5 hours at ice-cold bath temperature, then the reaction was added to each reaction mixture with about 10 ml of distilled water. And then stopped.

【0153】 反応混合物(白い分散物)を、ガラス製品を用いて濾過して回収した。産物(
白い粉)をジクロロメタンの100ml部により3X洗浄した。洗浄産物を次い
でフード中で空気乾燥した。NMP中の乾燥産物の20%溶液を調製し、ソーダ
石灰ガラス板の上に成形した。成形されてすぐのフィルムを5%以下の比湿度の
乾燥ボックス中に24時間の間置いた。この成形フィルムを、蒸留水にて浮遊分
離する前に、完全動的真空下に70℃に1時間加熱した。次いで浮遊分離したフ
ィルムを一夜乾燥した。
The reaction mixture (white dispersion) was collected by filtration through glassware. product(
The white powder) was washed 3X with 100 ml portions of dichloromethane. The wash product was then air dried in a hood. A 20% solution of dry product in NMP was prepared and molded onto soda lime glass plates. The as-formed film was placed in a dry box with a specific humidity of 5% or less for 24 hours. The formed film was heated to 70 ° C. for 1 hour under full dynamic vacuum before being float-separated with distilled water. The floated film was then dried overnight.

【0154】 100%スルホン化産物および150%スルホン化産物は、水中にて大きく膨
潤し、不透明となるが、このフィルムを乾燥すると、縮み再び透明となる。この
フィルムの機械的強度は、裂けることなく折りたたみできるものである。100
%産物フィルムおよび150%産物フィルムは沸騰水中に不溶で、この条件下で
機械的性質を保っている。
The 100% and 150% sulfonated products swell significantly in water and become opaque, but when the film is dried it shrinks and becomes clear again. The mechanical strength of this film is such that it can be folded without tearing. 100
The% product film and the 150% product film are insoluble in boiling water and retain their mechanical properties under these conditions.

【0155】 IEC:100%スルホン化RadelR(登録商標)未精製=1.39me
q/g 150%スルホン化RadelR(登録商標)未精製=1.58me
q/g。
IEC: 100% sulfonated RadelR® crude = 1.39me
q / g 150% sulfonated RadelR® crude = 1.58 me
q / g.

【0156】 これらポリマーをNMPに(20重量%にて)溶解してさらに精製し、過剰の
飽和塩水溶液中にて沈殿させた。得られたポリマーを炭酸水素ナトリウム中に浸
け、数回水にて洗浄し、真空下に乾燥した(〜100℃)。これらポリマーを特
性調査のために上述のようにしてフィルムに成形された。
These polymers were dissolved in NMP (at 20% by weight) for further purification and precipitated in excess saturated aqueous salt solution. The polymer obtained was dipped in sodium hydrogen carbonate, washed several times with water and dried under vacuum (-100 ° C). These polymers were cast into films as described above for characterization.

【0157】 IEC:100%スルホン化RadelR(登録商標)精製=1.26meq
/g 150%スルホン化RadelR(登録商標)精製=1.44meq
/g。
IEC: 100% Sulfonated RadelR® Purification = 1.26 meq
/ G 150% sulfonated RadelR® purification = 1.44 meq
/ G.

【0158】 水ピックアップ(重量%) 100%スルホン化RadelR(登録商標)精製=56% 150%スルホン化RadelR(登録商標)精製=110%。[0158]   Water pickup (% by weight)           100% Sulfonated RadelR® Purification = 56%           150% Sulfonated RadelR® Purification = 110%.

【0159】 実施例2 SulfanB(登録商標)を用いるRadelR(登録商標)の200%
化学量論的スルホン化でのスルホン化 手順 ここでのスルホン化反応は実施例1(SulfanB(登録商標)による10
0、150%スルホン化)にて先に述べたときわめて似た方法にて、以下に述べ
る調整を行って、実施した。
Example 2 200% of RadelR® with SulfanB®
Sulfonation Procedure with Stoichiometric Sulfonation The sulfonation reaction here is performed according to Example 1 (Sulfan B® 10
(0,150% sulfonation) was carried out in a manner very similar to that described above, with the following adjustments.

【0160】 −最初のジクロロメタンからのポリマーの沈殿後、新たな溶媒200mlだけ
を撹拌を促進するために加えた(実施例1では追加350mlが使用された)。
-After the first precipitation of the polymer from dichloromethane, only 200 ml of fresh solvent was added to facilitate stirring (an additional 350 ml was used in Example 1).

【0161】 −前述のデータは、6時間、0−5℃ではSO全部がポリマーと反応してい
ない事を示唆している。したがって、一つの反応は、氷冷浴温度で8(またはそ
れ以上)時間行い、次いで室温に暖めた。得られたスルホン化RadelR(登
録商標)は、6時間だけで反応停止したバッチのより、より暗色であったが、こ
のポリマーは、なお水不溶であり、良好なフィルム性状を示した。これらICP
の性質は以下の通りであった。
The above data suggests that not all SO 3 has reacted with the polymer at 0-5 ° C. for 6 hours. Therefore, one reaction was run at ice bath temperature for 8 (or more) hours and then warmed to room temperature. The resulting sulfonated RadelR® was darker than the batch that was quenched in only 6 hours, but the polymer was still insoluble in water and showed good film properties. These ICP
Was as follows.

【0162】 200%スルホン化RadelR(6時間後に0−5℃で反応停止): IEC=1.67meq/g、水ピックアップ=144%、伝導性=0.073
S/cm 200%スルホン化RadelR(暖めた後反応停止): IEC=1.90meq/g、水ピックアップ=174%、伝導性=0.091
S/cm。
200% sulfonated RadelR (stopped at 0-5 ° C. after 6 hours): IEC = 1.67 meq / g, water pickup = 144%, conductivity = 0.073
S / cm 200% sulfonated Radel R (reaction stopped after warming): IEC = 1.90 meq / g, water pickup = 174%, conductivity = 0.091.
S / cm.

【0163】 −SOをより長く反応させ、反応の間温度を冷却して(0−5℃)、同様の
反応を行った。この反応から単離された産物はIEC値(1.71meq/g)
を有していた。この値は上に述べた二つのバッチの中間であった。
A similar reaction was carried out by reacting —SO 3 for a longer time, cooling the temperature during the reaction (0-5 ° C.). The product isolated from this reaction has an IEC value (1.71 meq / g)
Had. This value was midway between the two batches mentioned above.

【0164】 注:化学量論的意味でのスルホン化パーセント、例えば200%スルホン化、
は、各ポリマー反復単位に対し特定の過剰量の、例えば200%スルホン化の場
合には2モルの、使用を言う。
Note: Percent sulphonation in the stoichiometric sense, eg 200% sulphonation,
Refers to the use of a certain excess amount for each polymer repeat unit, for example 2 mol in the case of 200% sulphonation.

【0165】 実施例3 SulfanB(登録商標)を用いるRadelR(登録商標)の220%化
学量論的スルホン化でのスルホン化 手順 2つのスルホン化実験を、実施例1および2の方法で、以下に述べる調整を行
って、実施した。
Example 3 Sulfonation of RadelR® with SulfanB® at 220% Stoichiometric Sulfonation Procedure Two sulfonation experiments were carried out by the method of Examples 1 and 2 below. The adjustments described were made and carried out.

【0166】 −最初の溶液からポリマーを沈殿させた後、撹拌を助けるために、350ml
のジクロロメタンを加えた。
-350 ml after precipitation of the polymer from the first solution to aid in stirring
Dichloromethane was added.

【0167】 −22gSulfanBを約115mlのジクロロメタンと合わせた(モノマ
ー単位の220%スルホン化に対応)。この溶液を各ポリマー懸濁液(事前に氷
冷浴中にて冷却した)に4時間にわたり滴加した。
-22 g SulfanB was combined with approximately 115 ml dichloromethane (corresponding to 220% sulfonation of the monomer units). This solution was added dropwise to each polymer suspension (previously cooled in an ice-cooled bath) over 4 hours.

【0168】 −添加後、反応物は約10時間氷中にパックし、次いで室温に暖めた。[0168]   -After addition, the reaction was packed in ice for about 10 hours and then warmed to room temperature.

【0169】 −数mlの水にて反応停止後、それぞれ濾過し、ジクロロメタンおよびテトラ
ヒドロフランにて洗浄した。
After stopping the reaction with a few ml of water, the reaction mixture was filtered and washed with dichloromethane and tetrahydrofuran.

【0170】 −スルホン化ポリマーを一夜乾燥し、NMPに(20重量%にて)溶解し、次
いで大過剰の蒸留水中に沈殿させ、次に炭酸水素ナトリウム溶液に浸けた(ナト
リウム塩形態にするために)。中和後、ゲル様ポリマー沈殿を脱イオン水にて数
回すすいだ。
The sulfonated polymer was dried overnight, dissolved in NMP (at 20% by weight), then precipitated in a large excess of distilled water and then immersed in sodium hydrogen carbonate solution (to obtain the sodium salt form) To). After neutralization, the gel-like polymer precipitate was rinsed several times with deionized water.

【0171】 −一つの反応物(サンプルA)を濾過し、乾燥した。第二の反応物(サンプル
B)に約4Lのアセトンを加えた。アセトンは水膨潤ポリマーを崩壊させる。そ
のポリマーを次いで濾過にて単離した。アセトンはまたかなりの部分を溶解させ
た。溶解部分をアセトン/水混合物を乾燥することにより単離した(サンプルB
−1)。サンプルBとサンプルB−1は、概ね同量のポリマーを含んでいたが、
異なる性質を示した。特に、アセトン中に抽出されなかったポリマーは、わずか
に低いIECと、かなり低い水ピックアップを示した。
-One reaction (Sample A) was filtered and dried. About 4 L of acetone was added to the second reactant (Sample B). Acetone causes the water swollen polymer to collapse. The polymer was then isolated by filtration. Acetone also dissolved a significant portion. The dissolved portion was isolated by drying the acetone / water mixture (Sample B
-1). Sample B and Sample B-1 contained approximately the same amount of polymer,
It showed different properties. In particular, the polymer that was not extracted in acetone showed slightly lower IEC and much lower water pickup.

【0172】 220%スルホン化RadelR: サンプルA:IEC=2.08meq/g、 水ピックアップ=306重量%、 IC=0.179(S/cm) サンプルB:IEC=1.82meq/g、 水ピックアップ=128重量%、 IC=0.155(S/cm) サンプルB−1:IEC=2.12meq/g、 水ピックアップ=432重量%、 IC=0.132(S/cm)。[0172]   220% sulfonated RadelR:   Sample A: IEC = 2.08 meq / g,               Water pickup = 306% by weight,               IC = 0.179 (S / cm)   Sample B: IEC = 1.82 meq / g,               Water pickup = 128% by weight,               IC = 0.155 (S / cm)   Sample B-1: IEC = 2.12 meq / g,               Water pickup = 432% by weight,               IC = 0.132 (S / cm).

【0173】 実施例4 HSO/SOを用いるVictrex(登録商標)ポリ(エーテルケト
ン)のスルホン化 以下の実施例では手順IIが用いられた。
Example 4 Sulfonation of Victrex® poly (ether ketone) with H 2 SO 4 / SO 3 Procedure II was used in the following examples.

【0174】 手順 30.00gPEKポリマーを窒素下270gの濃硫酸(93.5重量%)に
溶解し、オーバーヘッド機械撹拌機にて撹拌した。このポリマーを数日間分散さ
せて暗赤色濃厚溶液を得た。
Procedure 30.00 g PEK polymer was dissolved in 270 g concentrated sulfuric acid (93.5 wt%) under nitrogen and stirred with an overhead mechanical stirrer. The polymer was dispersed for several days to give a dark red concentrated solution.

【0175】 この溶液の176gをオーバーヘッスターラーおよびN等を有する三首フラ
スコ中に置いた。このフラスコに、208.4gの発煙硫酸(25.5重量%の
遊離SO)を、常時撹拌しつつ数分間にわたって添加して、溶液の遊離SO 含量を2重量%に上げた。得られた溶液を室温浴に入れて温度を調節した。
176 g of this solution was placed in a three-necked flask with overhester and N 2 etc. To this flask was added 208.4 g fuming sulfuric acid (25.5 wt% free SO 3 ) over a few minutes with constant stirring to raise the solution's free SO 3 content to 2 wt%. The resulting solution was placed in a room temperature bath to control the temperature.

【0176】 サンプル約1時間、3時間および16時間後に取り、脱イオン水中に沈殿させ
て反応停止させた。
Samples were taken after about 1 hour, 3 hours and 16 hours and quenched by precipitation in deionized water.

【0177】 フィルムを作成するために、1時間産物および3時間産物を脱イオン水で数回
洗浄し、約0.5MNaOHに一夜浸け、次いで中性になるまで洗浄した。これ
らを吸い取り紙で乾燥し、真空オーブン中に50℃に置いた。乾燥サンプルをN
MPに溶解して20重量%溶液を作成した。このために一夜60℃に加熱した。
約6milのフィルムを新たに清浄化したガラス板上で成形した。2日間乾燥後
、脱イオン水に浸積することによりフィルムを取り出した。
To make films, the 1 hour and 3 hour products were washed several times with deionized water, soaked in approximately 0.5 M NaOH overnight, and then washed until neutral. These were blotted dry and placed in a vacuum oven at 50 ° C. Dry sample to N
A 20 wt% solution was prepared by dissolving in MP. For this purpose it was heated to 60 ° C. overnight.
A film of about 6 mil was cast on a freshly cleaned glass plate. After drying for 2 days, the film was taken out by dipping in deionized water.

【0178】 このフィルムを水に浸けると(室温にて)、大幅な膨潤を引き起こし、濁った
ゲル様密度を与えたが、1時間サンプルと3時間サンプルは溶解しなかった。1
時間産物のフィルムは水和でき、引き裂き抵抗を維持しつつ脱水できた。1時間
スルホン化PEKフィルムIECは2.3meq/gであった。
Soaking the film in water (at room temperature) caused a significant swelling, giving a cloudy gel-like density, but the 1 hour and 3 hour samples did not dissolve. 1
The time product film could be hydrated and dehydrated while maintaining tear resistance. The 1-hour sulfonated PEK film IEC was 2.3 meq / g.

【0179】 実施例5 スルホン化PPSUの架橋 イオン伝導性ポリマーサンプルは、酸(H+)型にて架橋してIPC安定性を
改善することができる。通常、架橋は、系から酸素を除くために(IPC炭化を
起こしうる)、真空下で行われる。例えば、SPPSUを、200、225およ
び250℃の温度に予め加熱した真空オーブン中にて8時間以下の時間架橋させ
た。これら条件下で、サンプルはわずかなIEC損失(〜10%)と、長期間安
定性(パーオキサイド試験)のわずかな改善を示した。サンプルを250℃に完
全真空に20時間以上曝すことにより、より過酷な条件を与えた。パーオキシド
試験では、少なくとも32時間加熱するまでは、SPPU架橋フィルムとSPP
U対照フィルムとで、重要な相違はみられなかった。250℃にて32時間およ
び72時間架橋フィルムは、パーオキサイド促進過酷保存試験の間、フィルムの
完全さを保っていた。これらサンプルのIECは大きく減少した。詳しくは、3
2時間サンプルについて63%(1.90meq/gが0.69meq/gに)
の損失が、72時間サンプルについて73%(1.90meq/gが0.51m
eq/gに)の損失が算出された。多くのSOH酸基が芳香族スルホン(Ar
−SO3−Ar)架橋をポリマー鎖間で形成したと予想される。この傾向は、ス
ルホン化ポリマーの架橋(H+型)は長期膜安定性の改善に使用できる事を裏付
けている。
Example 5 Crosslinking of Sulfonated PPSU Ion conducting polymer samples can be crosslinked in the acid (H +) form to improve IPC stability. Crosslinking is usually done under vacuum to remove oxygen from the system (which can cause IPC carbonization). For example, SPPSU was cross-linked for up to 8 hours in a vacuum oven preheated to temperatures of 200, 225 and 250 ° C. Under these conditions, the sample showed a slight IEC loss (-10%) and a slight improvement in long-term stability (peroxide test). More severe conditions were given by exposing the sample to full vacuum at 250 ° C. for 20 hours or more. In the peroxide test, until heated for at least 32 hours, the SPPU crosslinked film and SPP
No significant difference was seen with the U control film. The 32 hour and 72 hour crosslinked films at 250 ° C maintained the integrity of the film during the peroxide accelerated severe storage test. The IEC of these samples was greatly reduced. Specifically, 3
63% for 2-hour samples (1.90 meq / g to 0.69 meq / g)
Loss of 73% for a 72 hour sample (0.50 m for 1.90 meq / g)
eq / g) was calculated. Many SO 3 H acid groups are aromatic sulfones (Ar
It is expected that -SO3-Ar) crosslinks were formed between the polymer chains. This tendency confirms that the cross-linking (H + type) of the sulfonated polymer can be used to improve long-term membrane stability.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C08J 5/22 101 C08J 5/22 101 CEZ CEZ C08K 5/00 C08K 5/00 C08L 81/06 C08L 81/06 H01M 8/02 H01M 8/02 P (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,UG,ZW),E A(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB ,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU,CZ, DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,GH,G M,HR,HU,ID,IL,IS,JP,KE,KG ,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT, LU,LV,MD,MG,MK,MN,MW,MX,N O,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG ,SI,SK,SL,TJ,TM,TR,TT,UA, UG,US,UZ,VN,YU,ZW (72)発明者 オースナー,ポール アメリカ合衆国、マサチユーセツツ・ 02472、ウオータータウン、ウオルサム・ ストリート・ナンバー・9・100 (72)発明者 コバー,ロバート・エフ アメリカ合衆国、マサチユーセツツ・ 02093、レンサム、ビーチ・ストリート・ 203 (72)発明者 ランドロー,ネルソン アメリカ合衆国、マサチユーセツツ・ 01752、モールバラ、ピー・オー・ボツク ス・625 Fターム(参考) 4F071 AA51C AA64C AE02C AE05C AH12 4J002 CH091 CN031 EJ016 EV106 FD076 GD01 4J005 AA24 BD04 BD06 4J030 BA09 BA42 BA48 BD03 BG06 CA02 5H026 AA06 BB01 BB08 BB10 CX05 EE18 HH00 HH05 HH08 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) C08J 5/22 101 C08J 5/22 101 CEZ CEZ C08K 5/00 C08K 5/00 C08L 81/06 C08L 81 / 06 H01M 8/02 H01M 8/02 P (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW) , SD, SL, SZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU , AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO , RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZW (72) Inventor Aussner, Paul United States, Masachi Youtsutsu 02472, Watertown, Waltham Street No. 9/100 (72) Inventor Kovar, Robert F. USA, Masachi Yousets 02093, Wrentham, Beach Street 203 (72) Inventor Landrough, Nell United States, Masachi Youths 01752, Morbara, Poo Boxes 625 F Term (reference) 4F071 AA51C AA64C AE02C AE05C AH12 4J002 CH091 CN031 EJ016 EV106 FD076 GD01 4J005 AA24 BD04 BD06 4J030 BA0 BA0 BA42 BA42 BA42 BA42 BA42 BA42 BB10 CX05 EE18 HH00 HH05 HH08

Claims (39)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 1以上のポリアリールエーテルケトン(PEK)単独重合体
または1以上のPEK共重合体あるいはそれらの混合物を含むイオン伝導性材料
において、前記PEK単独重合体、PEK共重合体またはそれらの混合物がスル
ホン化されており、前記イオン伝導性材料がエーテル−フェニル−エーテル連結
を持たないことを特徴とするイオン伝導性材料。
1. An ion conductive material comprising one or more polyaryletherketone (PEK) homopolymers, one or more PEK copolymers or a mixture thereof, wherein said PEK homopolymer, PEK copolymer or them. The ionic conductive material is characterized in that the mixture is sulfonated and the ion conductive material does not have an ether-phenyl-ether linkage.
【請求項2】 前記PEK単独重合体が下記式の反復単位を有する請求項1
に記載のイオン伝導性材料。 【化1】 (式中、フェニル環は置換されていても未置換であっても良い。)
2. The PEK homopolymer has repeating units of the formula:
The ion conductive material according to. [Chemical 1] (In the formula, the phenyl ring may be substituted or unsubstituted.)
【請求項3】 少なくとも約0.5meq/gから少なくとも4meq/g
のIECを有する請求項1に記載のイオン伝導性材料。
3. At least about 0.5 meq / g to at least 4 meq / g
The ion conductive material according to claim 1, having an IEC of.
【請求項4】 さらにスルホン架橋部を有する請求項1に記載のイオン伝導
性材料。
4. The ion conductive material according to claim 1, further comprising a sulfone cross-linking portion.
【請求項5】 さらに酸化防止剤を含む請求項1に記載のイオン伝導性材料
5. The ion conductive material according to claim 1, further comprising an antioxidant.
【請求項6】 前記イオン伝導性材料がハロゲン化されている請求項1に記
載のイオン伝導性材料。
6. The ion conductive material according to claim 1, wherein the ion conductive material is halogenated.
【請求項7】 前記イオン伝導性材料が臭素化または塩素化されている請求
項6に記載のイオン伝導性材料。
7. The ion conductive material according to claim 6, wherein the ion conductive material is brominated or chlorinated.
【請求項8】 請求項1に記載のイオン伝導性材料を有してなる固体ポリマ
ー電解質膜。
8. A solid polymer electrolyte membrane comprising the ion conductive material according to claim 1.
【請求項9】 前記イオン伝導性材料がスルホン架橋部を有する請求項8に
記載の固体ポリマー電解質膜。
9. The solid polymer electrolyte membrane according to claim 8, wherein the ion conductive material has a sulfone cross-linking portion.
【請求項10】 電気化学的用途での使用に好適なエーテル−フェニル−エ
ーテル連結を持たないイオン伝導性材料の製造方法において、 1以上のPEK単独重合体、PEK共重合体またはそれらの混合物の溶液を提
供する段階; 前記PEK単独重合体、PEK共重合体またはそれらの混合物の溶液にスルホ
ン化剤を加えて、スルホン化PEK単独重合体、PEK共重合体またはそれらの
混合物を形成する段階;ならびに 前記スルホン化PEK単独重合体、PEK共重合体またはそれらの混合物を溶
液から単離する段階 を有することを特徴とする方法。
10. A method of making an ionically conductive material free of ether-phenyl-ether linkages suitable for use in electrochemical applications, comprising one or more PEK homopolymers, PEK copolymers or mixtures thereof. Providing a solution; adding a sulfonating agent to the solution of the PEK homopolymer, PEK copolymer or a mixture thereof to form a sulfonated PEK homopolymer, PEK copolymer or a mixture thereof; And a step of isolating the sulfonated PEK homopolymer, PEK copolymer or a mixture thereof from a solution.
【請求項11】 前記スルホン化剤が三酸化硫黄、濃硫酸および発煙硫酸の
うちの1以上を含む請求項10に記載の方法。
11. The method of claim 10, wherein the sulfonating agent comprises one or more of sulfur trioxide, concentrated sulfuric acid and fuming sulfuric acid.
【請求項12】 前記スルホン化剤が、約0(約100%硫酸)〜約30重
量%(約70%硫酸)の遊離三酸化硫黄含有量を有する請求項11に記載の方法
12. The method of claim 11, wherein the sulfonating agent has a free sulfur trioxide content of about 0 (about 100% sulfuric acid) to about 30 wt% (about 70% sulfuric acid).
【請求項13】 前記PEKポリマー溶液を約10℃〜約60℃の反応温度
に維持する請求項10に記載の方法。
13. The method of claim 10, wherein the PEK polymer solution is maintained at a reaction temperature of about 10 ° C to about 60 ° C.
【請求項14】 前記イオン伝導性材料の膜を鋳造する段階をさらに有する
請求項10に記載の方法。
14. The method of claim 10, further comprising casting a membrane of the ion conductive material.
【請求項15】 前記イオン伝導性材料を架橋する段階をさらに有する請求
項10に記載の方法。
15. The method of claim 10, further comprising the step of crosslinking the ionically conductive material.
【請求項16】 前記イオン伝導性材料を熱プロセスによってH型で架橋
させる請求項15に記載の方法。
16. The method of claim 15, wherein the ionically conductive material is crosslinked in the H + form by a thermal process.
【請求項17】 前記スルホン化PEK単独重合体、PEK共重合体または
それらの混合物の単離段階が、前記スルホン化PEK単独重合体、PEK共重合
体またはそれらの混合物を、水、塩化ナトリウムで飽和した水、メタノールその
他の非溶媒中に再沈殿させる段階を含む請求項10に記載の方法。
17. The step of isolating the sulfonated PEK homopolymer, PEK copolymer or a mixture thereof comprises adding the sulfonated PEK homopolymer, PEK copolymer or a mixture thereof with water, sodium chloride. 11. The method of claim 10, comprising reprecipitating in saturated water, methanol or other non-solvent.
【請求項18】 前記スルホン化PEK単独重合体、PEK共重合体または
それらの混合物に酸化防止剤を加える段階をさらに有する請求項10に記載の方
法。
18. The method of claim 10, further comprising the step of adding an antioxidant to the sulfonated PEK homopolymer, PEK copolymer, or mixture thereof.
【請求項19】 前記酸化剤を、前記スルホン化PEK単独重合体、PEK
共重合体またはそれらの混合物の単離後に導入する請求項18に記載の方法。
19. The oxidant, the sulfonated PEK homopolymer, PEK
The method according to claim 18, which is introduced after isolation of the copolymer or a mixture thereof.
【請求項20】 前記スルホン化PEK単独重合体、PEK共重合体または
それらの混合物の芳香族骨格をハロゲン化する段階をさらに有する請求項10に
記載の方法。
20. The method of claim 10, further comprising halogenating the aromatic backbone of the sulfonated PEK homopolymer, PEK copolymer, or mixture thereof.
【請求項21】 前記スルホン化PEK単独重合体、PEK共重合体または
それらの混合物の芳香族骨格を塩素化または臭素化する段階をさらに有する請求
項10に記載の方法。
21. The method of claim 10, further comprising the step of chlorinating or brominating the aromatic backbone of the sulfonated PEK homopolymer, PEK copolymer, or mixtures thereof.
【請求項22】 1以上のスルホン化ポリフェニルスルホン(PPSU)単
独重合体、PPSU共重合体またはそれらの混合物を含むイオン伝導性材料。
22. An ion conductive material comprising one or more sulfonated polyphenyl sulfone (PPSU) homopolymers, PPSU copolymers or mixtures thereof.
【請求項23】 下記式の反復単位を有する請求項22に記載のイオン伝導
性材料。 【化2】 (式中、フェニル環は置換されていても未置換であっても良い。)
23. The ion conductive material according to claim 22, having a repeating unit of the formula: [Chemical 2] (In the formula, the phenyl ring may be substituted or unsubstituted.)
【請求項24】 少なくとも約0.5meq/gから少なくとも4meq/
gのIECを有する請求項22に記載のイオン伝導性材料。
24. At least about 0.5 meq / g to at least 4 meq / g.
23. The ion conductive material of claim 22, having an IEC of g.
【請求項25】 さらにスルホン架橋部を有する請求項22に記載のイオン
伝導性材料。
25. The ion conductive material according to claim 22, further having a sulfone cross-linking portion.
【請求項26】 さらに酸化防止剤を含む請求項22に記載のイオン伝導性
材料。
26. The ion conductive material according to claim 22, further comprising an antioxidant.
【請求項27】 請求項22に記載のイオン伝導性材料を有してなる固体ポ
リマー電解質膜。
27. A solid polymer electrolyte membrane comprising the ion conductive material according to claim 22.
【請求項28】 前記イオン伝導性材料がスルホン架橋部を有する請求項2
7に記載の固体ポリマー電解質膜。
28. The ion-conductive material has a sulfone cross-linking portion.
7. The solid polymer electrolyte membrane according to 7.
【請求項29】 電気化学的用途での使用に好適なイオン伝導性材料の製造
方法において、 PPSU単独重合体、PPSU共重合体またはそれらの混合物の溶液を提供す
る段階; 前記PPSU単独重合体、PPSU共重合体またはそれらの混合物を溶液から
沈殿させる段階; 前記溶液に三酸化硫黄を含むスルホン化剤を加えて、スルホン化PPSU単独
重合体、PPSU共重合体またはそれらの混合物を形成する段階であって、前記
三酸化硫黄はハロゲン化炭化水素またはニトロベンゼン溶媒で希釈している段階
;ならびに 前記スルホン化PPSUポリマーを溶液から単離する段階 を有することを特徴とする方法。
29. A method of making an ionically conductive material suitable for use in electrochemical applications, comprising providing a solution of PPSU homopolymer, PPSU copolymer or a mixture thereof; said PPSU homopolymer, Precipitating a PPSU copolymer or a mixture thereof from a solution; adding a sulfonating agent containing sulfur trioxide to the solution to form a sulfonated PPSU homopolymer, a PPSU copolymer or a mixture thereof. A step of diluting the sulfur trioxide with a halogenated hydrocarbon or nitrobenzene solvent; and isolating the sulfonated PPSU polymer from a solution.
【請求項30】 前記ハロゲン化炭化水素溶媒が塩化メチレンを含む請求項
29に記載の方法。
30. The method of claim 29, wherein the halogenated hydrocarbon solvent comprises methylene chloride.
【請求項31】 前記イオン伝導性材料を精製して、前記イオン伝導性材料
の過剰にスルホン化された部分または分解した部分を除去する段階をさらに有す
る請求項29に記載の方法。
31. The method of claim 29, further comprising purifying the ionically conductive material to remove excess sulfonated or degraded portions of the ionically conductive material.
【請求項32】 前記イオン伝導性材料の精製段階が、前記スルホン化PP
SUポリマーを溶媒に再溶解する段階ならびに前記スルホン化PPSUポリマー
を水、塩化ナトリウムで飽和した水、メタノールまたは他の非溶媒中で再沈殿さ
せる段階を有する請求項31に記載の方法。
32. The step of purifying the ion-conducting material comprises:
32. The method of claim 31, comprising redissolving the SU polymer in a solvent and reprecipitating the sulfonated PPSU polymer in water, water saturated with sodium chloride, methanol or other non-solvent.
【請求項33】 前記イオン伝導性材料の膜を鋳造する段階をさらに有する
請求項29に記載の方法。
33. The method of claim 29, further comprising casting the membrane of ion conductive material.
【請求項34】 前記イオン伝導性材料を架橋する段階をさらに有する請求
項29に記載の方法。
34. The method of claim 29, further comprising cross-linking the ionically conductive material.
【請求項35】 前記イオン伝導性材料を熱プロセスによってH型で架橋
させる請求項34に記載の方法。
35. The method of claim 34, wherein the ionically conductive material is crosslinked in the H + form by a thermal process.
【請求項36】 前記スルホン化PPSUポリマーに酸化防止剤を加える段
階をさらに有する請求項29に記載の方法。
36. The method of claim 29, further comprising adding an antioxidant to the sulfonated PPSU polymer.
【請求項37】 前記酸化剤を、前記スルホン化PPSUポリマーの単離後
に導入する請求項29に記載の方法。
37. The method of claim 29, wherein the oxidizing agent is introduced after isolation of the sulfonated PPSU polymer.
【請求項38】 前記イオン伝導性材料をハロゲン化する段階をさらに有す
る請求項29に記載の方法。
38. The method of claim 29, further comprising halogenating the ionically conductive material.
【請求項39】 前記イオン伝導性材料を塩素化または臭素化する段階をさ
らに有する請求項29に記載の方法。
39. The method of claim 29, further comprising chlorinating or brominating the ion conductive material.
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