JP2005174800A - Solid polymer electrolyte, manufacturing method of the same, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子電解質及びその製造方法、並びに燃料電池に関し、さらに詳しくは、燃料電池、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、酸素及び/又は水素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種電気化学デバイスに用いられる電解質膜、触媒層内電解質等に好適な固体高分子電解質及びその製造方法、並びに、このような高分子電解質を用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid polymer electrolyte, a method for producing the same, and a fuel cell, and more particularly, a fuel cell, a water electrolysis device, a hydrohalic acid electrolysis device, a salt electrolysis device, an oxygen and / or hydrogen concentrator, and a humidity sensor. The present invention relates to an electrolyte membrane used in various electrochemical devices such as a gas sensor, a solid polymer electrolyte suitable for an electrolyte in a catalyst layer, a manufacturing method thereof, and a fuel cell using such a polymer electrolyte.
固体高分子電解質は、高分子鎖中にスルホン酸基等の電解質基を有する固体高分子材料である。固体高分子電解質は、特定のイオンと強固に結合したり、陽イオン又は陰イオンを選択的に透過する性質を有していることから、粒子、繊維、あるいは膜状に成形し、電気透析、拡散透析、電池隔膜等、各種の用途に利用されている。 The solid polymer electrolyte is a solid polymer material having an electrolyte group such as a sulfonic acid group in a polymer chain. Since the solid polymer electrolyte has a property of binding firmly to specific ions or selectively permeating cations or anions, it is formed into particles, fibers, or membranes, electrodialysis, It is used for various applications such as diffusion dialysis and battery diaphragm.
例えば、固体高分子型燃料電池や水電解装置などの各種電気化学デバイスにおいて、固体高分子電解質は、膜状に成形され、その両面に電極を接合した膜電極接合体(MEA)の状態で使用される。また、固体高分子型燃料電池において、電極は、一般に、拡散層と触媒層の二層構造をとる。拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボン繊維、カーボンペーパー等が用いられる。また、触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、電極触媒と固体高分子電解質との複合体からなる。 For example, in various electrochemical devices such as solid polymer fuel cells and water electrolysis devices, the solid polymer electrolyte is used in the form of a membrane electrode assembly (MEA) in which a membrane is formed and electrodes are bonded to both sides thereof. Is done. In the polymer electrolyte fuel cell, the electrode generally has a two-layer structure of a diffusion layer and a catalyst layer. The diffusion layer is for supplying reaction gas and electrons to the catalyst layer, and carbon fiber, carbon paper, or the like is used. The catalyst layer is a part that becomes a reaction field for electrode reaction, and is generally composed of a composite of an electrode catalyst and a solid polymer electrolyte.
このような各種電気化学デバイスに用いられる固体高分子電解質としては、デュポン社製ナフィオン(登録商標)に代表される各種のフッ素系電解質や、各種の炭化水素系電解質が知られている。電気化学デバイスの性能は、これに用いられる固体高分子電解質の性能に依存し、一般に、固体高分子電解質の電気伝導度が高くなるほど、電気化学デバイスの性能も向上する。 As solid polymer electrolytes used in such various electrochemical devices, various fluorine-based electrolytes represented by DuPont Nafion (registered trademark) and various hydrocarbon-based electrolytes are known. The performance of the electrochemical device depends on the performance of the solid polymer electrolyte used for the electrochemical device. Generally, the higher the electrical conductivity of the solid polymer electrolyte, the higher the performance of the electrochemical device.
固体高分子電解質の電気伝導度を高くする場合、通常は、固体高分子電解質内部の酸性基(例えば、スルホン酸基)の量を増加させる方法が用いられる。しかしながら、一般に、固体高分子電解質中の酸性基の量が多くなるほど、固体高分子電解質が水により膨潤し、あるいは水に可溶化しやすくなる傾向がある。そのため、このような方法では、耐久性、及び耐熱性に優れた固体高分子電解質は得られない。 In order to increase the electrical conductivity of the solid polymer electrolyte, a method of increasing the amount of acidic groups (for example, sulfonic acid groups) inside the solid polymer electrolyte is usually used. However, generally, as the amount of acidic groups in the solid polymer electrolyte increases, the solid polymer electrolyte tends to swell with water or become more soluble in water. Therefore, in such a method, a solid polymer electrolyte excellent in durability and heat resistance cannot be obtained.
また、例えば、固体高分子型燃料電池の場合、始動前の電解質膜は、乾燥した状態にある。一方、燃料電池が作動すると、反応ガスに含まれる加湿水や、電池反応により生成する生成水により膜が膨潤する。従って、固体高分子型燃料電池の始動・停止を繰り返すと、膜が膨潤・収縮を繰り返す。その結果、固体高分子電解質膜が裂けたり、あるいは、固体高分子電解質膜から電極が剥離し、性能低下の原因となっている。 For example, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, the electrolyte membrane before starting is in a dry state. On the other hand, when the fuel cell is operated, the membrane is swollen by humidified water contained in the reaction gas or generated water generated by the cell reaction. Therefore, when the polymer electrolyte fuel cell is repeatedly started and stopped, the membrane repeatedly swells and contracts. As a result, the solid polymer electrolyte membrane is torn or the electrode is peeled off from the solid polymer electrolyte membrane, which causes a decrease in performance.
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。例えば、特許文献1には、高分子電解質を含むエタノール溶液にヘキサメチレンジアミン(多官能性塩基性化合物)を加え、これをキャストすることにより得られる高分子電解質膜が記載されている。同文献には、高分子電解質に多官能性塩基性化合物を加えることによって、多官能性塩基性化合物がイオノマのスルホン酸基の一部とイオン結合し、3次元のネットワークが形成される点、及びこれによってイオノマの流出が抑制される点が記載されている。 In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made. For example, Patent Document 1 describes a polymer electrolyte membrane obtained by adding hexamethylenediamine (polyfunctional basic compound) to an ethanol solution containing a polymer electrolyte and casting it. In this document, by adding a polyfunctional basic compound to the polyelectrolyte, the polyfunctional basic compound is ionically bonded to a part of the sulfonic acid group of the ionomer, and a three-dimensional network is formed. And the point by which the outflow of ionomer is suppressed by this is described.
また、特許文献2には、パーフルオロ系高分子化合物を、ビススルホニルイミド基、スルホニルカルボニルイミド基、ビスカルボニルイミド基、又はビススルホニルメチレン基からなる強酸性架橋基を介して架橋させた高耐熱性高分子電解質が記載されている。同文献には、パーフルオロ−1,4−ジスルホニルフルオライドブタンのスルホンアミドナトリウム塩とヘキサメチルジシラザンとを反応させて架橋剤を合成し、これとナフィオン(登録商標)とを反応させることにより、ビススルホニルイミド基を介してナフィオン(登録商標)を架橋できる点、及びこれによって膜の耐高温クリープ性が向上する点が記載されている。 Patent Document 2 discloses a high heat resistance obtained by crosslinking a perfluoro-based polymer compound via a strongly acidic crosslinking group composed of a bissulfonylimide group, a sulfonylcarbonylimide group, a biscarbonylimide group, or a bissulfonylmethylene group. Functional polymer electrolytes are described. In this document, a sulfonamide sodium salt of perfluoro-1,4-disulfonylfluoridebutane is reacted with hexamethyldisilazane to synthesize a crosslinking agent, and this is reacted with Nafion (registered trademark). Describes that Nafion (registered trademark) can be cross-linked via a bissulfonylimide group and that the high-temperature creep resistance of the film is thereby improved.
また、特許文献3には、塩化スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(PEEK−SO2Cl)と、NH2SO2(CF2)4SO2NH2とを反応させることにより、ポリマー主鎖間がビススルホニルイミド基で架橋された架橋ポリマが得られる点が記載されている。同文献には、このような架橋ポリマの水吸収能力は、非架橋材料に比べて低下する点、及び、室温で測定した伝導率は、0.065S/cmである点が記載されている。 Patent Document 3 discloses that a chlorinated sulfonated polyetheretherketone (PEEK-SO 2 Cl) and NH 2 SO 2 (CF 2 ) 4 SO 2 NH 2 are reacted with each other so that the polymer main chain has a bismuth. It describes that a crosslinked polymer crosslinked with a sulfonylimide group is obtained. This document describes that the water absorption capability of such a crosslinked polymer is lower than that of a non-crosslinked material, and that the conductivity measured at room temperature is 0.065 S / cm.
さらに、特許文献4には、パーフルオロ高分子電解質又はその前駆体にアミン化合物を接触させる電解質の改質方法が記載されている。同文献には、ナフィオン(登録商標)膜に、アンモニア、リチウムビス(トリメチルシリル)アミド等のアミン化合物を接触させると、相対的に高い電気伝導度を維持したまま、耐クリープ性を向上させることができる点が記載されている。 Furthermore, Patent Document 4 describes a method for modifying an electrolyte in which an amine compound is brought into contact with a perfluoropolymer electrolyte or a precursor thereof. In this document, when an amine compound such as ammonia or lithium bis (trimethylsilyl) amide is brought into contact with a Nafion (registered trademark) film, creep resistance can be improved while maintaining a relatively high electrical conductivity. The points that can be done are described.
特許文献1に記載されるように、固体高分子電解質に多官能性塩基性化合物を加えると、固体高分子電解質の酸性基を介して、高分子鎖間をイオン架橋させることができる。しかしながら、イオン的な結合は、水が存在する環境下では切れやすい。そのため、これを燃料電池用の電解質膜、触媒層内電解質等として長期間に渡って用いた場合には、系内に存在する水によってイオン結合が切れ、高分子が流れ出すおそれがある。 As described in Patent Document 1, when a polyfunctional basic compound is added to the solid polymer electrolyte, the polymer chains can be ionically cross-linked via the acidic group of the solid polymer electrolyte. However, ionic bonds are easily broken in an environment where water is present. Therefore, when this is used for a long period of time as an electrolyte membrane for a fuel cell, an electrolyte in a catalyst layer, etc., there is a possibility that ionic bonds are broken by water existing in the system and the polymer flows out.
これに対し、特許文献2、3に記載されるように、固体高分子電解質の高分子鎖間を所定の架橋剤を用いて分子架橋させた場合、架橋点は、すべて共有結合で構成されている。そのため、水に対する膜の膨潤・収縮を抑制することができ、水が存在する環境下において長期間使用した場合であっても、高分子が流れ出すおそれは少ない。また、架橋によって、膜の強度が向上し、耐熱性及び耐久性が向上する。 On the other hand, as described in Patent Documents 2 and 3, when the polymer chains of the solid polymer electrolyte are molecularly cross-linked using a predetermined cross-linking agent, all of the cross-linking points are constituted by covalent bonds. Yes. Therefore, swelling / shrinkage of the film with respect to water can be suppressed, and even when the film is used for a long time in an environment where water exists, there is little possibility that the polymer flows out. Moreover, the strength of the film is improved by the crosslinking, and heat resistance and durability are improved.
しかしながら、固体高分子電解質を分子架橋させる方法では、到達可能な架橋密度に限界がある。例えば、当量重量(EW)が1000である固体高分子電解質の場合、架橋密度は、理論的には、最大でも0.5mmol/gが限界である。 However, the method of molecularly crosslinking a solid polymer electrolyte has a limit in the reachable crosslinking density. For example, in the case of a solid polymer electrolyte having an equivalent weight (EW) of 1000, the maximum crosslinking density is theoretically 0.5 mmol / g at the maximum.
さらに、特許文献4に記載されるように、アンモニア等を用いて架橋させる方法では、2個のスルホン酸基から1個のビススルホニルイミド基が生成するので、架橋密度の増加に伴う電気伝導度の低下率がより大きくなる。そのため、従来の方法では、架橋密度と電気伝導度の双方を同時に高くするのは困難であった。 Furthermore, as described in Patent Document 4, in the method of cross-linking using ammonia or the like, one bissulfonylimide group is generated from two sulfonic acid groups, so that the electric conductivity accompanying the increase in cross-linking density. The rate of decrease of becomes larger. Therefore, in the conventional method, it is difficult to increase both the crosslinking density and the electrical conductivity at the same time.
本発明が解決しようとする課題は、高い架橋密度と高い電気伝導度の双方を兼ね備えた固体高分子電解質及びその製造方法、並びに、このような固体高分子電解質を用いた燃料電池を提供することにある。また、本発明が解決しようとする他の課題は、高分子の水への流出がなく、水が存在する環境下において使用した場合であっても膨潤・収縮の少ない固体高分子電解質及びその製造方法、並びに、このような固体高分子電解質を用いた燃料電池を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a solid polymer electrolyte having both high crosslink density and high electrical conductivity, a method for producing the same, and a fuel cell using such a solid polymer electrolyte. It is in. In addition, another problem to be solved by the present invention is that the polymer does not flow out into water, and the solid polymer electrolyte is less swelled / shrinked even when used in an environment where water exists, and its production The present invention provides a method and a fuel cell using such a solid polymer electrolyte.
上記課題を解決するために、本発明に係る固体高分子電解質は、以下の条件を満たす1種又は2種以上の第1モノマと、1種又は2種以上の第2モノマとを反応させることにより得られるものからなる。
(1) 前記第1モノマは、分子量が10000以下であって、1分子内にn個(n≧2)の反応性官能基A及び/又は反応性官能基Bを含むものからなる。
(2) 前記第2モノマは、分子量が10000以下であって、1分子内にm個(m≧3、m≠n)の前記反応性官能基A及び/又は前記反応性官能基Bを含むものからなる。
(3) 前記反応性官能基A及び前記反応性官能基Bは、これらの反応によって、ビススルホンイミド基(−SO2NHSO2−)、スルホンカルボンイミド基(−SO2NHCO−)、又はビスカルボンイミド基(−CONHCO−)を形成するものからなる。
(4) 前記1種又は2種以上の第1モノマ及び前記1種又は2種以上の第2モノマは、これらのいずれかに、少なくとも1個の前記反応性官能基Aと、少なくとも1個の前記反応性官能基Bとを含むものからなる。
In order to solve the above-mentioned problems, the solid polymer electrolyte according to the present invention reacts one or more kinds of first monomers satisfying the following conditions with one or more kinds of second monomers. It consists of what is obtained by.
(1) The first monomer has a molecular weight of 10,000 or less and includes n (n ≧ 2) reactive functional groups A and / or reactive functional groups B in one molecule.
(2) The second monomer has a molecular weight of 10,000 or less and includes m (m ≧ 3, m ≠ n) of the reactive functional group A and / or the reactive functional group B in one molecule. Consists of things.
(3) The reactive functional group A and the reactive functional group B are bissulfonimide group (—SO 2 NHSO 2 —), sulfoncarbonimide group (—SO 2 NHCO—), or bis by these reactions. It consists of what forms a carbonimido group (-CONHCO-).
(4) The one or more types of the first monomer and the one or more types of the second monomer may include at least one reactive functional group A and at least one It comprises the reactive functional group B.
この場合、前記1種又は2種以上の第1モノマ及び前記1種又は2種以上の第2モノマは、これらのいずれかに、少なくとも2個の前記反応性官能基Aと、少なくとも2個の前記反応性官能基Bとを含むものが好ましい。また、固体高分子電解質は、多孔質膜に、1種又は2種以上の第1モノマ及び1種又は2種以上の第2モノマを含む溶液を含浸させ、前記1種又は2種以上の第1モノマ及び前記1種又は2種以上の第2モノマを反応させることにより得られるものでも良い。 In this case, the one or more kinds of the first monomers and the one or more kinds of the second monomers each include at least two of the reactive functional groups A and at least two of the reactive functional groups A. Those containing the reactive functional group B are preferred. The solid polymer electrolyte impregnates a porous membrane with a solution containing one or more kinds of first monomers and one or more kinds of second monomers, and the one or more kinds of first monomers are impregnated. It may be obtained by reacting one monomer and one or more second monomers.
また、本発明に係る固体高分子電解質の製造方法は、所定の条件を満たす1種又は2種以上の第1モノマと、所定の条件を満たす1種又は2種以上の第2モノマとを含む混合液を調製し、前記第1モノマと前記第2モノマとを反応させることを要旨とする。 In addition, the method for producing a solid polymer electrolyte according to the present invention includes one or more first monomers satisfying a predetermined condition and one or more second monomers satisfying a predetermined condition. The gist is to prepare a mixed solution and react the first monomer and the second monomer.
本発明に係る固体高分子電解質の2番目は、以下の条件を満たす1種又は2種以上の第3モノマを反応させることにより得られるものからなる。
(1) 前記第3モノマは、分子量が10000以下であり、1分子内にp個(p≧3)の反応性官能基A及び/又は反応性官能基Bを含むものからなる。
(2) 前記反応性官能基A及び前記反応性官能基Bは、これらの反応によって、ビススルホンイミド基(−SO2NHSO2−)、スルホンカルボンイミド基(−SO2NHCO−)、又はビスカルボンイミド基(−CONHCO−)を形成するものからなる。
(3) 前記1種又は2種以上の第3モノマは、これらのいずれかに、少なくとも1個の前記反応性官能基Aと、少なくとも1個の前記反応性官能基Bとを含むものからなる。
The second of the solid polymer electrolytes according to the present invention is obtained by reacting one or more third monomers that satisfy the following conditions.
(1) The third monomer has a molecular weight of 10,000 or less and includes p (p ≧ 3) reactive functional groups A and / or reactive functional groups B in one molecule.
(2) The reactive functional group A and the reactive functional group B are converted into a bissulfonimide group (—SO 2 NHSO 2 —), a sulfoncarbonimide group (—SO 2 NHCO—), or bis by these reactions. It consists of what forms a carbonimido group (-CONHCO-).
(3) The one kind or two or more kinds of third monomers are composed of any of these containing at least one reactive functional group A and at least one reactive functional group B. .
この場合、前記第3モノマは、1分子内に合計3個の前記反応性官能基A及び/又は前記反応性官能基Bを含む2種以上のモノマであって、これらのいずれかに、少なくとも2個の前記反応性官能基Aと、少なくとも2個の前記反応性官能基Bとを含むものが好ましい。また、前記第3モノマは、1分子内に合計4個以上の前記反応性官能基A及び/又は前記反応性官能基Bを含む1種又は2種以上のモノマであって、これらのいずれかに、少なくとも2個の前記反応性官能基Aと、少なくとも2個の前記反応性官能基Bとを含むものが好ましい。さらに、固体高分子電解質は、多孔質膜に、1種又は2種以上の第3モノマを含む溶液を含浸させ、前記1種又は2種以上の第3モノマを反応させることにより得られるものでも良い。 In this case, the third monomer is two or more types of monomers including a total of three reactive functional groups A and / or reactive functional groups B in one molecule, Those containing two reactive functional groups A and at least two reactive functional groups B are preferred. The third monomer is one or two or more monomers including a total of four or more of the reactive functional groups A and / or the reactive functional groups B in one molecule. In addition, those containing at least two of the reactive functional groups A and at least two of the reactive functional groups B are preferable. Furthermore, the solid polymer electrolyte may be obtained by impregnating a porous membrane with a solution containing one or more third monomers and reacting the one or more third monomers. good.
さらに、本発明に係る固体高分子電解質の製造方法の2番目は、所定の条件を満たす1種又は2種以上の第3モノマを含む混合液を調製し、前記第3モノマを反応させることを要旨とする。 Furthermore, the second method for producing a solid polymer electrolyte according to the present invention is to prepare a mixed liquid containing one or more third monomers satisfying a predetermined condition, and react the third monomers. The gist.
所定の条件を満たす1種又は2種以上のモノマを反応させると、1つのモノマに含まれる反応性官能基Aと他のモノマに含まれる反応性官能基Bとが反応し、結合点には、ビススルホニルイミド基等の酸性基が形成される。そのため、ポリマ化が進行するに伴い、酸性基が増加し、高い電気伝導度を有する固体高分子電解質が得られる。しかも、ポリマ化が進行するに伴い、高分子鎖間の物理的又は化学的な架橋も進行するので、電気伝導度及び架橋密度の双方を同時に向上させることができる。 When one or more monomers satisfying a predetermined condition are reacted, a reactive functional group A contained in one monomer reacts with a reactive functional group B contained in another monomer, Acid groups such as bissulfonylimide groups are formed. Therefore, as the polymerization proceeds, acidic groups increase, and a solid polymer electrolyte having high electrical conductivity can be obtained. Moreover, as the polymerization proceeds, physical or chemical crosslinking between the polymer chains also proceeds, so that both the electrical conductivity and the crosslinking density can be improved at the same time.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。本発明の第1の実施の形態に係る高分子電解質は、所定の条件を満たす1種又は2種以上の第1モノマと、1種又は2種以上の第2モノマとを反応させることにより得られるものからなる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The polymer electrolyte according to the first embodiment of the present invention is obtained by reacting one or more types of first monomers that satisfy a predetermined condition with one or more types of second monomers. It is made up of.
本発明において、「第1モノマ」とは、分子量が10000以下であって、1分子内にn個(n≧2)の反応性官能基A及び/又反応性官能基Bを含むものを言う。
また、「第2モノマ」とは、分子量が10000以下であって、1分子内にm個(m≧3、m≠n)の反応性官能基A及び/又は反応性官能基Bを含むものを言う。
さらに、「反応性官能基A」及び「反応性官能基B」とは、これらの反応によって、ビススルホンイミド基(−SO2NHSO2−)、スルホンカルボンイミド基(−SO2NHCO−)、又はビスカルボンイミド基(−CONHCO−)(以下、これらを総称して「イミド基」という)を形成することが可能な官能基を言う。
In the present invention, the “first monomer” has a molecular weight of 10,000 or less and includes n (n ≧ 2) reactive functional groups A and / or reactive functional groups B in one molecule. .
The “second monomer” has a molecular weight of 10,000 or less and includes m (m ≧ 3, m ≠ n) reactive functional groups A and / or reactive functional groups B in one molecule. Say.
Furthermore, “reactive functional group A” and “reactive functional group B” are bissulfonimide group (—SO 2 NHSO 2 —), sulfonecarbonimide group (—SO 2 NHCO—), Alternatively, it refers to a functional group capable of forming a biscarbonimide group (—CONHCO—) (hereinafter collectively referred to as “imide group”).
第1モノマ及び第2モノマの分子量は、特に限定されるものではなく、高分子電解質に要求される特性、用途等に応じて、最適な値を選択する。一般に、第1モノマ及び/又は第2モノマの分子量が小さくなるほど、架橋密度が高く、かつ、電気伝導度も高い固体高分子電解質が得られる。一方、第1モノマ及び/又は第2モノマの分子量が大きくなるほど、柔軟性に富んだ高分子電解質が得られる。但し、第1モノマ及び/又は第2モノマの分子量が大きくなりすぎると、高い架橋密度と、高い電気伝導度の双方を同時に達成するのが困難になる。そのため、第1モノマ及び第2モノマには、それぞれ、分子量が10000以下のものを用いるのが好ましい。 The molecular weights of the first monomer and the second monomer are not particularly limited, and optimum values are selected according to the characteristics and applications required for the polymer electrolyte. Generally, as the molecular weight of the first monomer and / or the second monomer decreases, a solid polymer electrolyte having a high crosslinking density and a high electrical conductivity can be obtained. On the other hand, the higher the molecular weight of the first monomer and / or the second monomer, the more flexible the polymer electrolyte is obtained. However, if the molecular weight of the first monomer and / or the second monomer is too large, it is difficult to achieve both high crosslink density and high electrical conductivity at the same time. Therefore, it is preferable to use those having a molecular weight of 10,000 or less for the first monomer and the second monomer, respectively.
例えば、本発明に係る高分子電解質を固体高分子型燃料電池の電解質膜として用いる場合、第1モノマ及び第2モノマの分子量は、それぞれ、130以上10000以下が好ましく、さらに好ましくは、130以上7000以下である。 For example, when the polymer electrolyte according to the present invention is used as an electrolyte membrane of a solid polymer fuel cell, the molecular weights of the first monomer and the second monomer are each preferably 130 or more and 10,000 or less, more preferably 130 or more and 7000. It is as follows.
また、例えば、本発明に係る高分子電解質を固体高分子型燃料電池の触媒層内電解質として用いる場合、第1モノマ及び第2モノマの分子量は、それぞれ、130以上10000以下が好ましく、さらに好ましくは、130以上7000以下である。 For example, when the polymer electrolyte according to the present invention is used as the electrolyte in the catalyst layer of the solid polymer fuel cell, the molecular weights of the first monomer and the second monomer are preferably 130 or more and 10,000 or less, respectively, more preferably 130 to 7000.
第1モノマ及び第2モノマに含まれる反応性官能基A及び反応性官能基Bは、これらを直接反応させることにより、又は、適当な官能基変換を加えた後に反応させることによって、結果的にイミド基を形成可能なものであれば良い。 As a result, the reactive functional group A and the reactive functional group B contained in the first monomer and the second monomer are reacted directly, or by reacting after adding an appropriate functional group conversion. Any material that can form an imide group may be used.
このような反応性官能基A及び反応性官能基Bとしては、種々の組み合わせがある。中でも、反応性官能基Aが、−SO2X、又は−COX(但し、Xは、F、Cl、Br、I、又はOH)(以下、これらを「ハライド系官能基」という)からなり、反応性官能基Bが、−SO2NZ1Z2、又は−CONZ1Z2(但し、Z1、Z2は、それぞれ、H、M、又はSiMe3。Mは、金属イオン。)(以下、これらを「イミド系官能基」という)からなる組み合わせ、又は、その逆が好ましい。また、金属イオンMは、Li、K、Na等の1価の金属イオンが好ましい。 There are various combinations of the reactive functional group A and the reactive functional group B. Among them, the reactive functional group A consists of —SO 2 X or —COX (where X is F, Cl, Br, I, or OH) (hereinafter, these are referred to as “halide functional groups”), The reactive functional group B is —SO 2 NZ 1 Z 2 , or —CONZ 1 Z 2 (where Z 1 and Z 2 are H, M, or SiMe 3 , respectively, M is a metal ion) (hereinafter referred to as “metal ion”). These are referred to as “imide functional groups”) or vice versa. The metal ion M is preferably a monovalent metal ion such as Li, K, or Na.
ハライド系官能基とイミド系官能基の組み合わせは、官能基変換を加えることなく、直接反応させることが容易である場合が多いので、反応性官能基A及び反応性官能基Bの組み合わせとして特に好適である。また、これらの官能基は、未反応のまま残った場合であっても、適当な処理を施すことによって、スルホン酸基又はカルボン酸基に変換できるので、高い電気伝導度を有する固体高分子電解質が得られる。 The combination of the halide functional group and the imide functional group is particularly suitable as a combination of the reactive functional group A and the reactive functional group B because it is often easy to directly react without adding functional group conversion. It is. In addition, even if these functional groups remain unreacted, they can be converted into sulfonic acid groups or carboxylic acid groups by performing an appropriate treatment, so that a solid polymer electrolyte having high electrical conductivity is obtained. Is obtained.
また、ハライド系官能基の中でも、XがF、Cl、Br又はIからなるものは、高い反応性を有しているので、反応性官能基A又は反応性官能基Bとして好適である。さらに、イミド系官能基の中でも、(Z1、Z2)の組み合わせが、(H、H)、(H、M)、(SiMe3、M)、又は、(H、SiMe3)からなるものは、高い反応性を有しているので、反応性官能基A又は反応性官能基Bとして好適である。 Among the halide functional groups, those in which X is F, Cl, Br or I have high reactivity, and therefore are suitable as the reactive functional group A or the reactive functional group B. Furthermore, among the imide-based functional groups, the combination of (Z 1 , Z 2 ) is composed of (H, H), (H, M), (SiMe 3 , M), or (H, SiMe 3 ) Is suitable as the reactive functional group A or the reactive functional group B because it has high reactivity.
1分子の第1モノマに含まれる反応性官能基A及び反応性官能基Bの総個数nは、2個以上であれば良い。一方、1分子の第2モノマに含まれる反応性官能基A及び反応性官能基Bの総個数mは、3個以上であって、第1モノマ中の官能基の総個数nとは異なるもの(m≠n)であればよい。 The total number n of the reactive functional group A and the reactive functional group B contained in one molecule of the first monomer may be two or more. On the other hand, the total number m of reactive functional groups A and reactive functional groups B contained in one molecule of the second monomer is 3 or more, and is different from the total number n of functional groups in the first monomer. (M ≠ n) may be sufficient.
また、第1モノマは、反応性官能基A又は反応性官能基Bのいずれか一方のみが含まれるものであっても良く、あるいは、双方が含まれるものであっても良い。また、第1モノマに2個以上の反応性官能基A(又は、反応性官能基B)が含まれる場合、これらの反応性官能基A(又は、反応性官能基B)は、同一種類の官能基(例えば、−SO2Xのみ)であっても良く、あるいは、異なる種類の官能基(例えば、−SO2Xと−COXの組み合わせ)であっても良い。この点は、第2モノマも同様である。 In addition, the first monomer may include only one of the reactive functional group A and the reactive functional group B, or may include both. When the first monomer contains two or more reactive functional groups A (or reactive functional groups B), these reactive functional groups A (or reactive functional groups B) are of the same type. It may be a functional group (for example, only —SO 2 X), or may be a different type of functional group (for example, a combination of —SO 2 X and —COX). This also applies to the second monomer.
このような第1モノマ及び第2モノマとしては、種々のモノマがある。中でも、次の化5の式に示すモノマ(1)からモノマ(8)、及び化6の式に示すモノマ(9)からモノマ(18)は、第1モノマとして好適である。また、化5の式に示すモノマ(5)からモノマ(8)、及び、化6の式に示すモノマ(15)からモノマ(18)は、第2モノマとして好適である。さらに、これらのモノマの内、その分子内にC−H結合を含まないものは、高分子鎖がパーフルオロ骨格となり、耐熱性及び耐酸化性に優れた固体高分子電解質が得られるので、特に好適である。 As such a first monomer and a second monomer, there are various monomers. Among them, the monomer (1) to monomer (8) shown in the following chemical formula 5 and the monomer (9) to monomer (18) shown in chemical formula 6 are suitable as the first monomer. Moreover, the monomer (5) to the monomer (8) shown in the chemical formula 5 and the monomer (15) to the monomer (18) shown in the chemical formula 6 are suitable as the second monomer. Further, among these monomers, those that do not contain a C—H bond in the molecule, the polymer chain becomes a perfluoro skeleton, and a solid polymer electrolyte excellent in heat resistance and oxidation resistance can be obtained. Is preferred.
なお、化6の式において、「Y1=Y2=Y3以外の組み合わせ」とは、Y1=Y2≠Y3である場合、Y1=Y3≠Y2である場合、Y1≠Y2=Y3である場合、Y1≠Y2≠Y3である場合等をいう。また、「P1=P2=P3=P4以外の組み合わせ」とは、P1=P2=P3≠P4である場合、P1=P2=P4≠P3である場合、P1=P3=P4≠P2である場合、P1≠P2=P3=P4である場合、P1=P2≠P3≠P4である場合、P1=P3≠P2≠P4である場合、P1=P4≠P2≠P3である場合、P1≠P2≠P3=P4である場合、P1≠P2≠P3≠P4である場合等をいう。また、化6の式に示すモノマ(17)において、中央部の繰り返し単位「−(CF2CFP2)B−」中のBが2以上であるときには、各官能基P2は、それぞれ、互いに同一の官能基であっても良く、あるいは、異なる官能基の組み合わせであっても良い。 Note that, in the formula (6), “a combination other than Y 1 = Y 2 = Y 3 ” means that Y 1 = Y 2 ≠ Y 3 , Y 1 = Y 3 ≠ Y 2 , Y 1 This is the case where ≠ Y 2 = Y 3 , the case where Y 1 ≠ Y 2 ≠ Y 3 , or the like. Further, “a combination other than P 1 = P 2 = P 3 = P 4 ” means that P 1 = P 2 = P 3 ≠ P 4 or P 1 = P 2 = P 4 ≠ P 3. P 1 = P 3 = P 4 ≠ P 2 , P 1 ≠ P 2 = P 3 = P 4 , P 1 = P 2 ≠ P 3 ≠ P 4 , P 1 = P 3 ≠ P 2 ≠ P 4 , P 1 = P 4 ≠ P 2 ≠ P 3 , P 1 ≠ P 2 ≠ P 3 = P 4 , P 1 ≠ P 2 ≠ P 3 ≠ refers to such case is a P 4. In the monomer (17) represented by the formula (6), when B in the central repeating unit “— (CF 2 CFP 2 ) B —” is 2 or more, each functional group P 2 is The same functional group may be used, or a combination of different functional groups may be used.
これ以外の第1モノマ及び第2モノマとしては、例えば、ナフィオンモノマ及び次の化7の式に示すモノマ(A)〜(F)から選ばれる2個〜15個の化合物からなる分子量が10000以下のオリゴマ、又はこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。 Other examples of the first monomer and the second monomer include a Nafion monomer and a molecular weight composed of 2 to 15 compounds selected from monomers (A) to (F) represented by the following formula 7 As an appropriate example, oligomers of these or derivatives thereof are mentioned.
このような1種又は2種以上の第1モノマと1種又は2種以上の第2モノマを用いて、本発明に係る固体高分子電解質を合成する場合、1種又は2種以上の第1モノマ及び1種又は2種以上の第2モノマは、これらのいずれかに、少なくとも1個の反応性官能基Aと、少なくとも1個の反応性官能基Bとを含むものである必要がある。さらに、固体高分子電解質内に化学的な架橋を導入するためには、1種又は2種以上の第1モノマ及び1種又は2種以上の第2モノマは、これらのいずれかに、少なくとも2個の反応性官能基Aと、少なくとも2個の反応性官能基Bとを含むものが好ましい。 In the case of synthesizing the solid polymer electrolyte according to the present invention using one or two or more kinds of first monomers and one or two or more kinds of second monomers, one or more kinds of first monomers are synthesized. The monomer and one or more second monomers need to include at least one reactive functional group A and at least one reactive functional group B in any of them. Further, in order to introduce chemical cross-linking into the solid polymer electrolyte, one or more of the first monomers and one or more of the second monomers may be at least 2 Those containing one reactive functional group A and at least two reactive functional groups B are preferred.
例えば、第1モノマとして、2個のイミド系官能基(A)を持つ2官能モノマ(例えば、化5の式に示すモノマ(1)又は(2)。以下、これを「AA」と略記する。)を用い、第2モノマとして、2個のイミド系官能基(A)と1個のハライド系官能基(B)を持つ3官能モノマ(例えば、化6の式に示すモノマ(15)。以下、これを「AAB」と略記する。)を用いた場合、これらを反応させると、2官能モノマAAの両端に3官能モノマAABが結合し、「AAB−AA−BAA」という構造を有するオリゴマが得られる。この場合、2官能モノマAAと3官能モノマAABの結合点には、合計2個のイミド基(「B−A」及び「A−B」)が形成される。 For example, as the first monomer, a bifunctional monomer having two imide-based functional groups (A) (for example, the monomer (1) or (2) shown in the formula 5). Hereinafter, this is abbreviated as “AA”. ) And a trifunctional monomer having two imide-based functional groups (A) and one halide-based functional group (B) (for example, a monomer (15) represented by the formula 6). In the following, when these are reacted, the trifunctional monomer AAB is bonded to both ends of the bifunctional monomer AA, and the oligomer having the structure of “AAB-AA-BAA” is used. Is obtained. In this case, a total of two imide groups (“BA” and “AB”) are formed at the bonding points of the bifunctional monomer AA and the trifunctional monomer AAB.
反応をさらに続行させると、オリゴマの端部にあるいずれかのイミド系官能基(A)に、3官能モノマAABのハライド系官能基(B)が結合し、結合点には、新たにイミド基(A−B)が形成される。以下、このような反応を順次繰り返すことにより、2官能モノマAAを中心として、高分子鎖が放射状に成長した、いわゆる「デンドリマ」を形成することができる。 When the reaction is further continued, the halide functional group (B) of the trifunctional monomer AAB is bonded to any of the imide functional groups (A) at the end of the oligomer, and a new imide group is added to the bonding point. (AB) is formed. Hereinafter, by sequentially repeating such a reaction, a so-called “dendrimer” in which polymer chains grow radially centering on the bifunctional monomer AA can be formed.
また、例えば、第1モノマとして、1個のイミド系官能基(A)と1個のハライド系官能基(B)とを持つ2官能モノマ(例えば、化6の式に示すモノマ(9)、(10)、(12)、又は(14)。以下、これを「AB」と略記する。)を用い、第2モノマとして、3個のハライド系官能基(B)を持つ3官能モノマ(例えば、化5の式に示すモノマ(5)。以下、これを「BBB」と略記する。)を用いた場合、これらを反応させることによって、「BA−BB(AB)B−AB」という構造を有するオリゴマが得られる。 Further, for example, as the first monomer, a bifunctional monomer having one imide functional group (A) and one halide functional group (B) (for example, a monomer (9) represented by the formula 6), (10), (12), or (14) (hereinafter abbreviated as “AB”), and a trifunctional monomer having three halide functional groups (B) as the second monomer (for example, In the case of using the monomer (5) represented by the formula of Chemical formula 5. (hereinafter abbreviated as “BBB”), the structure “BA-BB (AB) B-AB” is obtained by reacting them. The oligomer having is obtained.
反応をさらに続行させると、オリゴマの端部にあるいずれかのハライド系官能基(B)に、2官能モノマABのイミド系官能基(A)が結合し、結合点には、新たにイミド基(A−B)が形成される。以下、このような反応を順次繰り返すことにより、3官能モノマBBBを中心として、高分子鎖が放射状に成長した、いわゆる「デンドリマ」を形成することができる。 When the reaction is further continued, the imide functional group (A) of the bifunctional monomer AB is bonded to any halide functional group (B) at the end of the oligomer, and a new imide group is added to the bonding point. (AB) is formed. Hereinafter, by sequentially repeating such a reaction, a so-called “dendrimer” in which polymer chains are radially grown around the trifunctional monomer BBB can be formed.
また、例えば、第1モノマとして、2個のイミド系官能基(A)を有する2官能モノマAAを用い、第2モノマとして、3個のハライド系官能基(B)を有する3官能モノマBBBを用いた場合、これらを反応させると、「AA−BB(AA)B−AA」という構造を有するオリゴマが得られる。 Also, for example, a bifunctional monomer AA having two imide functional groups (A) is used as the first monomer, and a trifunctional monomer BBB having three halide functional groups (B) is used as the second monomer. When used, when these are reacted, an oligomer having the structure “AA-BB (AA) B-AA” is obtained.
反応をさらに続行させると、オリゴマの端部にあるいずれかのイミド系官能基(A)に、3官能モノマBBB及び2官能モノマAAがこの順で結合し、結合点には、それぞれ、新たにイミド基(A−B)が形成される。以下、このような反応を順次繰り返すことにより、成長した高分子鎖が2官能モノマAAを介して相互に架橋された、いわゆる「架橋ネットワーク型」の固体高分子電解質が得られる。 When the reaction is further continued, the trifunctional monomer BBB and the bifunctional monomer AA are bonded in this order to any of the imide-based functional groups (A) at the end of the oligomer. An imide group (AB) is formed. Hereinafter, by sequentially repeating such a reaction, a so-called “crosslinked network type” solid polymer electrolyte in which the grown polymer chains are mutually crosslinked via the bifunctional monomer AA is obtained.
また、例えば、第1モノマとして、2個のイミド系官能基(A)を有する2官能モノマAAを用い、第2モノマとして、1個のイミド系官能基(A)と2個のハライド系官能基(B)を有する3官能モノマBAB(例えば、化6の式に示すモノマ(15))を用いた場合、これらを反応させると、「AA−BAB−AA」という構造を有するオリゴマが得られる。 Further, for example, a bifunctional monomer AA having two imide functional groups (A) is used as the first monomer, and one imide functional group (A) and two halide functional groups are used as the second monomer. When a trifunctional monomer BAB having a group (B) (for example, the monomer (15) shown in the formula 6) is reacted, an oligomer having a structure of “AA-BAB-AA” is obtained. .
反応をさらに続行させると、オリゴマの端部又は中央にあるいずれかのイミド系官能基(A)に、新たに3官能モノマBABのハライド系官能基(B)が結合し、結合点には、新たにイミド基(A−B)が形成される。さらに、オリゴマの端部に残ったハライド系官能基(B)には、さらに、新たな3官能モノマBAB又は2官能モノマAAのイミド系官能基(A)が結合し、結合点には、新たにイミド基(A−B)が形成される。以下、このような反応を順次繰り返すことにより、成長した高分子鎖が2官能モノマAAを介して相互に架橋された、いわゆる「架橋ネットワーク型」の固体高分子電解質が得られる。 When the reaction is further continued, the halide functional group (B) of the trifunctional monomer BAB is newly bonded to any imide-based functional group (A) at the end or center of the oligomer. An imide group (AB) is newly formed. Furthermore, a new trifunctional monomer BAB or an imide functional group (A) of a bifunctional monomer AA is further bonded to the halide functional group (B) remaining at the end of the oligomer, An imide group (A-B) is formed. Hereinafter, by sequentially repeating such a reaction, a so-called “crosslinked network type” solid polymer electrolyte in which the grown polymer chains are mutually crosslinked via the bifunctional monomer AA is obtained.
また、例えば、第1モノマとして、1個のイミド系官能基(A)と1個のハライド系官能基(B)を有する2官能モノマABを用い、第2モノマとして、1個のイミド系官能基(A)と2個のハライド系官能基(B)を有する3官能モノマBABを用いた場合、これらを反応させると、「BA−BAB−AB」という構造を有するオリゴマが得られる。 For example, a bifunctional monomer AB having one imide functional group (A) and one halide functional group (B) is used as the first monomer, and one imide functional is used as the second monomer. When a trifunctional monomer BAB having a group (A) and two halide functional groups (B) is used, an oligomer having a structure of “BA-BAB-AB” is obtained by reacting them.
反応をさらに続行させると、オリゴマの端部にあるいずれかのハライド系官能基(B)には、2官能モノマAB又は3官能モノマBABのイミド系官能基(A)が結合し、結合点には、新たにイミド基(A−B)が形成される。また、オリゴマの端部にあるいずれかのイミド系官能基(A)には、2官能モノマAB又は3官能モノマBABのハライド系官能基(B)が結合し、結合点には、新たにイミド基(A−B)が形成される。以下、このような反応を順次繰り返すことにより、成長した高分子鎖が2官能モノマABによって相互に架橋された、いわゆる「架橋ネットワーク型」の固体高分子電解質が得られる。 When the reaction is further continued, the imide functional group (A) of the bifunctional monomer AB or the trifunctional monomer BAB is bonded to any halide functional group (B) at the end of the oligomer, and is bonded to the bonding point. Forms a new imide group (AB). In addition, a halide functional group (B) of a bifunctional monomer AB or a trifunctional monomer BAB is bonded to any imide functional group (A) at the end of the oligomer, and a new imide is bonded to the bonding point. A group (AB) is formed. Hereinafter, by sequentially repeating such a reaction, a so-called “crosslinked network type” solid polymer electrolyte in which the grown polymer chains are mutually crosslinked by the bifunctional monomer AB is obtained.
また、例えば、第1モノマとして、1個のイミド系官能基(A)と1個のハライド系官能基(B)を有する2官能モノマABを用い、第2モノマとして、3個のイミド系官能基(A)を有する3官能モノマAAA(例えば、化5の式に示すモノマ(5))及び3個のハライド系官能基を有する3官能モノマBBBを用いた場合、これらを反応させると、まず、3官能モノマAAAと2官能モノマABが反応し、「AB−AA(BA)A−BA」という構造を有するオリゴマが得られる。 For example, a bifunctional monomer AB having one imide functional group (A) and one halide functional group (B) is used as the first monomer, and three imide functional groups are used as the second monomer. When a trifunctional monomer AAA having a group (A) (for example, a monomer (5) represented by the formula 5) and a trifunctional monomer BBB having three halide functional groups are used, The trifunctional monomer AAA and the bifunctional monomer AB react to obtain an oligomer having a structure of “AB-AA (BA) A-BA”.
反応をさらに続行させると、オリゴマの端部にあるいずれかのイミド系官能基(A)に、まず、3官能モノマBBB又は2官能モノマBAが結合し、結合点には、それぞれ、新たにイミド基(A−B)が形成される。次いで、その端部にあるハライド系官能基(B)には、さらに3官能モノマAAA又は2官能モノマABが結合し、また、イミド系官能基(A)には、さらに3官能モノマBBB又は2官能モノマBAが結合し、結合点には、それぞれ、新たにイミド基(A−B)が形成される。以下、このような反応を順次繰り返すことにより、成長した高分子鎖が相互に架橋された、いわゆる「架橋ネットワーク型」の固体高分子電解質が得られる。 When the reaction is further continued, the trifunctional monomer BBB or the bifunctional monomer BA is first bonded to any imide-based functional group (A) at the end of the oligomer. A group (AB) is formed. Next, the trifunctional monomer AAA or the bifunctional monomer AB is further bonded to the halide functional group (B) at the end, and the trifunctional monomer BBB or 2 is further bonded to the imide functional group (A). The functional monomer BA is bonded, and an imide group (AB) is newly formed at each bonding point. Hereinafter, by sequentially repeating such a reaction, a so-called “crosslinked network type” solid polymer electrolyte in which the grown polymer chains are crosslinked with each other can be obtained.
また、例えば、第1モノマとして、2個のイミド系官能基(A)を有する2官能モノマAA及び2個のハライド系官能基(B)を有する2官能モノマBBを用い、第2モノマとして、3個のハライド系官能基(B)を有する3官能モノマBBBを用いた場合、これらを反応させると、まず、3官能モノマBBBと2官能モノマAAが反応し、「AA−BB(AA)B−AA」という構造を有するオリゴマが得られる。 Further, for example, a bifunctional monomer AA having two imide functional groups (A) and a bifunctional monomer BB having two halide functional groups (B) are used as the first monomer, and the second monomer is When trifunctional monomer BBB having three halide functional groups (B) is used, when these are reacted, first, trifunctional monomer BBB and bifunctional monomer AA react, and “AA-BB (AA) B” An oligomer having the structure -AA "is obtained.
反応をさらに続行させると、オリゴマの端部にあるいずれかのイミド系官能基(A)に、まず、3官能モノマBBB又は2官能モノマBBが結合し、結合点には、それぞれ、新たにイミド基(A−B)が形成される。次いで、その端部にあるハライド系官能基(B)には、さらに2官能モノマAAが結合し、結合点には、それぞれ、新たにイミド基(A−B)が形成される。以下、このような反応を順次繰り返すことにより、成長した高分子鎖が相互に架橋された、いわゆる「架橋ネットワーク型」の固体高分子電解質が得られる。 When the reaction is further continued, the trifunctional monomer BBB or the bifunctional monomer BB is first bonded to any imide-based functional group (A) at the end of the oligomer, and each of the bonding points has a new imide. A group (AB) is formed. Next, the bifunctional monomer AA is further bonded to the halide functional group (B) at the end, and an imide group (AB) is newly formed at each bonding point. Hereinafter, by sequentially repeating such a reaction, a so-called “crosslinked network type” solid polymer electrolyte in which the grown polymer chains are crosslinked with each other can be obtained.
4個以上の反応性官能基を持つモノマを用いて合成する場合も同様であり、種類の異なる複数個のモノマのいずれかに、少なくとも1個の反応性官能基Aと、少なくとも1個の反応性官能基Bとを含む場合には、高分子鎖が放射状に成長したデンドリマが得られる。また、種類の異なる複数個のモノマのいずれかに、少なくとも2個の反応性官能基Aと、少なくとも2個の反応性官能基Bとを含む場合には、高分子鎖が相互に架橋された架橋ネットワーク型の固体高分子電解質が得られる。 The same applies when synthesizing using a monomer having four or more reactive functional groups. At least one reactive functional group A and at least one reaction are added to any of a plurality of different types of monomers. When the functional group B is included, a dendrimer having polymer chains grown radially can be obtained. In addition, when any of a plurality of different types of monomers includes at least two reactive functional groups A and at least two reactive functional groups B, the polymer chains are cross-linked with each other. A crosslinked network type solid polymer electrolyte is obtained.
1種又は2種以上の第1モノマと1種又は2種以上の第2モノマの配合比率は、合成される固体高分子電解質の形態、用途、要求特性等に応じて最適な比率を選択する。例えば、デンドリマを合成する場合、デンドリマの核となるモノマに対して、高分子鎖を構成するモノマの比率を相対的に多くするのが好ましい。 The mixing ratio of one or more kinds of first monomers and one or more kinds of second monomers is selected in accordance with the form, application, required characteristics, etc. of the synthesized solid polymer electrolyte. . For example, when synthesizing a dendrimer, it is preferable to relatively increase the ratio of the monomer constituting the polymer chain to the monomer serving as the nucleus of the dendrimer.
一般に、高分子鎖を構成するモノマの比率が多くなるほど、デンドリマの分子量を大きくすることができる。但し、高分子鎖を構成するモノマの比率が大きくなりすぎると、高分子量の電解質が得られない(分子量が上がらない)ので好ましくない。具体的には、デンドリマの核となるモノマ1モルに対して、高分子鎖を構成するモノマの比率は、10モル以上700モル以下が好ましく、さらに好ましくは、30モル以上300モル以下である。これらデンドリマは、例えば、末端基が反応性官能基Aのものと、反応性官能基Bのものとを互いにさらに反応させて、架橋ネットワーク型とすることもできる。 In general, the molecular weight of dendrimers can be increased as the proportion of monomers constituting the polymer chain increases. However, if the ratio of monomers constituting the polymer chain is too large, a high molecular weight electrolyte cannot be obtained (molecular weight does not increase), which is not preferable. Specifically, the ratio of the monomer constituting the polymer chain is preferably 10 mol or more and 700 mol or less, more preferably 30 mol or more and 300 mol or less, with respect to 1 mol of the monomer serving as the core of the dendrimer. These dendrimers can also be made into a crosslinked network type by, for example, further reacting a reactive functional group A with a reactive functional group A and a reactive functional group B with each other.
一方、架橋ネットワーク型の固体高分子電解質を合成する場合、第1モノマ及び第2モノマに含まれる反応性官能基Aのモル数と、反応性官能基Bのモル数とが同一となるように第1モノマ及び第2モノマを配合すると、理想的には、すべての反応性官能基A及び反応性官能基Bからイミド基を生成することができる。 On the other hand, when the crosslinked network type solid polymer electrolyte is synthesized, the number of moles of the reactive functional group A contained in the first monomer and the second monomer is equal to the number of moles of the reactive functional group B. When the first monomer and the second monomer are blended, an imide group can be generated from all the reactive functional groups A and B.
しかしながら、第1モノマ及び第2モノマに含まれる反応性官能基Aと反応性官能基Bのモル数は、完全に同数である必要はなく、いずれか一方に過不足があっても良い。これは、いずれか一方に過不足があっても、高分子鎖中に未反応の反応性官能基A又は反応性官能基Bがそのまま残るか、あるいは、ネットワーク状に架橋した高分子の周囲に直鎖状又は分岐状の高分子鎖が放射状に成長するだけと考えられるためである。 However, the number of moles of the reactive functional group A and the reactive functional group B contained in the first monomer and the second monomer need not be the same, and either one may be excessive or insufficient. Even if either one is excessive or insufficient, unreacted reactive functional group A or reactive functional group B remains in the polymer chain as it is, or around the polymer crosslinked in a network form. This is because it is considered that linear or branched polymer chains only grow radially.
但し、反応性官能基Aと反応性官能基Bの比率が理論値から大きく乖離すると、固体高分子電解質内部に未反応のモノマ又は低分子量のオリゴマが残留し、使用中にこれらのモノマ又はオリゴマが溶出するおそれがあるので好ましくない。従って、架橋ネットワーク型の固体高分子電解質を合成する場合において、いわゆるゲル化理論に従うのが良い。 However, when the ratio of the reactive functional group A and the reactive functional group B is greatly deviated from the theoretical value, unreacted monomers or low molecular weight oligomers remain in the solid polymer electrolyte, and these monomers or oligomers remain in use. Is not preferred because it may be eluted. Therefore, when synthesizing a crosslinked network type solid polymer electrolyte, it is preferable to follow the so-called gelation theory.
枝分かれ単位が2官能性モノマを経てつぎの枝分かれモノマに結合する確率をαとすると、(1−α)は分枝から出たある鎖がその先さらに分枝を通って伸びていない確率である。したがって枝分かれ点が3官能ならα>1/2、もし枝分かれ点がf官能性ならα>1/(f−1)の場合分子は無限に続く。ちょうど無限網目ができはじめたゲル化点でのαをα0とすると、
α0=1/(f−1)
である。いま一方がf官能性と2官能性モノマの混合物、他方が2官能性モノマのみとする。たとえば、f=3なら、AAAや、AA、BBの反応により両端が枝分かれした下記のような鎖、
If α is the probability that a branching unit will bind to the next branched monomer via a bifunctional monomer, (1-α) is the probability that a chain from the branch will not extend further through the branch. . Therefore, if the branching point is trifunctional, α> 1/2, and if the branching point is f-functional, the molecule continues indefinitely if α> 1 / (f−1). If α is α 0 at the gelation point where an infinite network has just begun,
α 0 = 1 / (f−1)
It is. One is a mixture of f-functional and bifunctional monomers, and the other is only a bifunctional monomer. For example, if f = 3, the following chain branched at both ends by the reaction of AAA, AA, and BB,
ができるが、その生成確率とモノマの反応率の関係を考えてみる。Aの初期濃度[A]0中のf官能性モノマに属するものの分率をρとする。AおよびBの官能基の反応率がpA、pBとなった段階では、上記のような両端がf官能性モノマに結合した鎖のできる確率は、
pA{pB(1−ρ)pA}npBρ (n=0〜∞)
になり、したがってnに無関係に任意の鎖の両端が枝分かれ点につながった確率、すなわちαは、
However, consider the relationship between the generation probability and the monomer reaction rate. The initial concentration of A [A] Let ρ be the fraction of those belonging to the f-functional monomer in 0 . At the stage where the reaction rates of the functional groups of A and B are p A and p B , the probability of forming a chain in which both ends are bonded to the f-functional monomer is as follows:
p A {p B (1-ρ) p A } n p B ρ (n = 0 to ∞)
Therefore, the probability that both ends of any chain are connected to the branching point regardless of n, that is, α is
になる。反応系のはじめのAおよびBの官能基濃度比をγとすると、pB=γpAで、この式を上式に入れて、
α=γpA 2ρ/{1−γpA 2(1−ρ)}=pB 2ρ/{γ−pB 2(1−ρ)}
が誘導される。したがって、pA、pBを実測してαを求めることができるし、ゲル化点では、α0=1/(f−1)であるから、γ、ρが既知であればゲル化点のpAまたはpBが予測できる。(高分子学会編、「高分子科学の基礎」、p250〜251、東京化学同人(1978)参照。)
become. When the functional group concentration ratio of A and B at the beginning of the reaction system is γ, p B = γp A , and this equation is put into the above equation,
α = γp A 2 ρ / {1-γp A 2 (1-ρ)} = p B 2 ρ / {γ-p B 2 (1-ρ)}
Is induced. Therefore, α can be obtained by actually measuring p A and p B. Since α 0 = 1 / (f−1) at the gel point, if γ and ρ are known, the gel point p A or p B can be predicted. (See Polymer Science Society, “Basics of Polymer Science”, p. 250-251, Tokyo Kagaku Dojin (1978).)
例えば、3官能モノマAAAと、2官能モノマBBの組み合わせの場合には、反応率が1と仮定すると、1モルの反応性官能基Aに対して反応性官能基Bの比率が0.5モル以上2モル以下となるように、第1モノマ及び第2モノマを配合するのが好ましい。1モルの反応性官能基Aに対する反応性官能基Bの比率は、さらに好ましくは、0.8モル以上1.2モル以下である。 For example, in the case of the combination of the trifunctional monomer AAA and the bifunctional monomer BB, assuming that the reaction rate is 1, the ratio of the reactive functional group B to 1 mole of the reactive functional group A is 0.5 mole. The first monomer and the second monomer are preferably blended so as to be 2 mol or less. The ratio of the reactive functional group B to 1 mol of the reactive functional group A is more preferably 0.8 mol or more and 1.2 mol or less.
また、4官能モノマAAAAと、2官能モノマBBの場合には、反応率が1と仮定すると、1モルの反応性官能基Aに対して反応性官能基Bの比率が0.3モル以上3モル以下となるように、第1モノマ及び第2モノマを配合するのが好ましい。1モルの反応性官能基Aに対する反応性官能基Bの比率は、さらに好ましくは、0.6モル以上1.5モル以下である。 Further, in the case of the tetrafunctional monomer AAAA and the bifunctional monomer BB, assuming that the reaction rate is 1, the ratio of the reactive functional group B to 1 mole of the reactive functional group A is 0.3 mol or more 3 The first monomer and the second monomer are preferably blended so as to be less than or equal to a mole. The ratio of the reactive functional group B to 1 mol of the reactive functional group A is more preferably 0.6 mol or more and 1.5 mol or less.
本実施の形態に係る固体高分子電解質は、上述した第1モノマ及び第2モノマから合成される高分子のみによって構成されていても良く、あるいは、補強材としての多孔膜、フィブリル繊維等との複合体であっても良い。 The solid polymer electrolyte according to the present embodiment may be composed only of the polymer synthesized from the first monomer and the second monomer described above, or may be a porous film, a fibril fiber, or the like as a reinforcing material. It may be a composite.
また、本実施の形態に係る固体高分子電解質と多孔膜とを複合化させる場合、多孔膜は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、ポリエチレン、ポリエチレンテトラフルオロエチレン、PFA(テトラフルオロエチレンパーフルオロビニルエーテル共重合体)、FEP(テトラフルオロエチレン六フッ化プロピレン共重合体)、多孔質シリカ、多孔質セラミックス等からなるものを用いるのが好ましい。この場合、多孔膜の気孔率、平均気孔径、厚さ等は、固体高分子電解質膜の用途、要求特性等に応じて最適な値を選択する。また、固体高分子電解質は、多孔膜中に均一に分散していても良く、あるいは、多孔膜の表面又は内部に偏在していても良い。 When the solid polymer electrolyte according to the present embodiment and the porous membrane are combined, the porous membrane is made of polytetrafluoroethylene, polyimide, polyethylene, polyethylene tetrafluoroethylene, PFA (tetrafluoroethylene perfluorovinyl ether copolymer). It is preferable to use those composed of FEP (tetrafluoroethylene hexafluoropropylene copolymer), porous silica, porous ceramics and the like. In this case, the porosity, average pore diameter, thickness, and the like of the porous membrane are selected as optimum values according to the use of the solid polymer electrolyte membrane, required characteristics, and the like. The solid polymer electrolyte may be uniformly dispersed in the porous film, or may be unevenly distributed on the surface or inside of the porous film.
さらに、本実施の形態に係る固体高分子電解質は、合成に使用される第1モノマ及び第2モノマの種類、配合比率等の合成条件に応じて、その内部に架橋構造が導入される。ここで、本発明において、「架橋」とは、高分子鎖が物理的に絡み合うことにより形成される「物理架橋」と、高分子鎖が第1モノマ又は第2モノマによって分子架橋された「化学架橋」の双方を意味する。 Furthermore, in the solid polymer electrolyte according to the present embodiment, a cross-linked structure is introduced into the interior thereof according to the synthesis conditions such as the types and blending ratios of the first monomer and the second monomer used for synthesis. Here, in the present invention, “crosslinking” means “physical crosslinking” formed by physical entanglement of polymer chains, and “chemistry” in which the polymer chains are molecularly crosslinked by the first monomer or the second monomer. It means both “cross-linking”.
架橋密度は、合成条件を最適化することによって、調製することができる。一般に、架橋密度が高くなるほど、水に対する膨潤・収縮が少なく、耐熱性及び耐久性に優れた固体高分子電解質が得られる。架橋密度は、具体的には、0.1mmol/g以上が好ましく、さらに好ましくは、0.5mmol/g以上である。 The crosslink density can be prepared by optimizing the synthesis conditions. In general, the higher the crosslinking density, the less the swelling / shrinkage with respect to water, and the solid polymer electrolyte excellent in heat resistance and durability can be obtained. Specifically, the crosslinking density is preferably 0.1 mmol / g or more, and more preferably 0.5 mmol / g or more.
また、本実施の形態に係る固体高分子電解質は、架橋点がそのまま強酸基として機能するので、架橋密度の増加に伴い、電気伝導度も増加する。すなわち、従来の方法では困難であった、高い架橋密度と高い電気伝導度とを同時に達成することができる。電気伝導度は、合成条件を最適化することによって、調製することができる。高い性能を有する電気化学デバイスを得るためには、固体高分子電解質の電気伝導度は、具体的には、0.01S/cm以上が好ましく、さらに好ましくは、0.05S/cm以上である。 In the solid polymer electrolyte according to the present embodiment, the cross-linking point functions as a strong acid group as it is, so that the electrical conductivity increases as the cross-linking density increases. That is, it is possible to simultaneously achieve a high crosslink density and a high electrical conductivity, which are difficult with the conventional method. The electrical conductivity can be adjusted by optimizing the synthesis conditions. In order to obtain an electrochemical device having high performance, specifically, the electrical conductivity of the solid polymer electrolyte is preferably 0.01 S / cm or more, and more preferably 0.05 S / cm or more.
次に、本実施の形態に係る固体高分子電解質の製造方法について説明する。本実施の形態に係る固体高分子電解質は、1種又は2種以上の第1モノマと、1種又は2種以上の第2モノマとを含む混合液を調製し、第1モノマと第2モノマとを反応させることにより合成することができる。 Next, the manufacturing method of the solid polymer electrolyte which concerns on this Embodiment is demonstrated. The solid polymer electrolyte according to the present embodiment is prepared by preparing a mixed solution containing one or more kinds of first monomers and one or more kinds of second monomers, and the first monomer and the second monomer. Can be synthesized by reacting with.
この場合、第1モノマ及び第2モノマは、そのまま反応させても良く、あるいは、適当な官能基変換を行った後に反応させても良い。また、第1モノマ及び第2モノマは、双方を溶解可能な溶媒中に溶解させるのが好ましい。溶媒は、第1モノマ及び第2モノマの種類に応じて、最適なものを選択すれば良く、特に限定されるものではない。また、溶液中に含まれる第1モノマ及び第2モノマの濃度も特に限定されるものではなく、第1モノマ及び第2モノマの種類に応じて最適なものを選択すればよい。 In this case, the first monomer and the second monomer may be reacted as they are, or may be reacted after appropriate functional group conversion. The first monomer and the second monomer are preferably dissolved in a solvent that can dissolve both. The solvent is not particularly limited as long as an optimum solvent is selected according to the types of the first monomer and the second monomer. Further, the concentrations of the first monomer and the second monomer contained in the solution are not particularly limited, and an optimal one may be selected according to the types of the first monomer and the second monomer.
また、第1モノマ及び第2モノマを反応させる際、これらに対し、反応性官能基Aと反応性官能基Bの反応速度を大きくする(すなわち、触媒作用を有する)試薬を加えても良い。このような試薬としては、具体的には、トリエチルアミン、トリメチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、DBU(ジアザバイシクロウンデセン)等の塩基性化合物が好適である。触媒作用を有する試薬の量は、固体高分子電解質の用途、要求特性等に応じて最適な量を選択する。試薬の量を最適化すると、混合液の粘度を調節することができる。 Further, when the first monomer and the second monomer are reacted, a reagent for increasing the reaction rate of the reactive functional group A and the reactive functional group B (that is, having a catalytic action) may be added thereto. As such a reagent, specifically, basic compounds such as triethylamine, trimethylamine, tripropylamine, tributylamine, DBU (diazabicycloundecene) are suitable. The amount of the reagent having a catalytic action is selected in accordance with the use of the solid polymer electrolyte, required characteristics, and the like. By optimizing the amount of reagent, the viscosity of the mixture can be adjusted.
次に、このようにして調製された混合液を、適当な容器に流し込む。例えば、膜状の電解質を作製する場合には、浅い容器に少量の混合液を流し込んで膜化し、この状態で反応させればよい。この時、流し込む混合液の量を調製することによって、膜厚を調製することができる。また、例えば、塊状の電解質を作製する場合には、深い容器に多量の混合液を流し込み、そのまま反応させればよい。 Next, the mixed solution thus prepared is poured into a suitable container. For example, when a membrane electrolyte is produced, a small amount of a mixed solution is poured into a shallow container to form a membrane, and the reaction may be performed in this state. At this time, the film thickness can be adjusted by adjusting the amount of the mixed solution to be poured. Further, for example, when producing a massive electrolyte, a large amount of the mixed solution may be poured into a deep container and allowed to react as it is.
また、多孔膜で補強された複合電解質膜を作製する場合には、浅い容器の底に多孔膜を配置し、その上から少量の混合液を流し込み、多孔膜内部に混合液を含浸させれば良い。また、混合液に触媒作用を有する試薬が含まれている場合、既に混合液内部で反応がある程度進行し、混合液の粘度が増加している場合がある。このような混合液を用いて複合電解質膜を作製する場合には、多孔膜の上から少量の混合液を流し込んだ後、圧力を加えて、混合液を多孔膜内部に圧入すればよい。この時、混合液の粘度及び/又は圧力を調節することによって、多孔質膜内部に混合液を均一に充填したり、あるいは、混合液を部分的に充填することが可能となる。 Also, when preparing a composite electrolyte membrane reinforced with a porous membrane, place the porous membrane on the bottom of a shallow container, pour a small amount of mixed liquid from above, and impregnate the mixed liquid inside the porous membrane. good. Moreover, when the reagent which has a catalytic action is contained in the liquid mixture, reaction may already advance to some extent inside the liquid mixture, and the viscosity of the liquid mixture may increase. When a composite electrolyte membrane is produced using such a mixed solution, a small amount of the mixed solution is poured from above the porous membrane, and then pressure is applied to press the mixed solution into the porous membrane. At this time, by adjusting the viscosity and / or pressure of the mixed liquid, it is possible to uniformly fill the porous film with the mixed liquid or to partially fill the mixed liquid.
第1モノマ及び第2モノマの反応は、第1モノマ及び第2モノマの加水分解等の変質を防ぐために、Ar、N2等の不活性雰囲気下で行うのが好ましい。また、反応温度、反応時間、及び反応時の圧力は、特に限定されるものではなく、第1モノマ及び第2モノマの種類、混合液の濃度、触媒作用を有する試薬の種類及び量等に応じて最適な値を選択する。 The reaction of the first monomer and the second monomer is preferably performed in an inert atmosphere such as Ar or N 2 in order to prevent alteration such as hydrolysis of the first monomer and the second monomer. The reaction temperature, reaction time, and pressure during the reaction are not particularly limited, depending on the type of the first monomer and the second monomer, the concentration of the mixed solution, the type and amount of the reagent having a catalytic action, and the like. Select the optimum value.
反応が完了したところで、得られた高分子を容器から取り出し、架橋点及び未反応の反応性官能基A及び反応性官能基Bを酸性基に変換する。酸性基に変換する方法としては、種々の方法を用いることができ、特に限定されるものではない。具体的には、合成された高分子を硝酸等の酸で処理してプロトン化する方法、合成された高分子をアルカリ溶液でケン化し、次いで酸で処理してプロトン化する方法等が好適である。 When the reaction is completed, the resulting polymer is removed from the container, and the crosslinking points and unreacted reactive functional groups A and B are converted into acidic groups. Various methods can be used as a method for converting to an acidic group, and the method is not particularly limited. Specifically, a method in which the synthesized polymer is protonated by treatment with an acid such as nitric acid, and a method in which the synthesized polymer is saponified with an alkaline solution and then treated with an acid to be protonated are suitable. is there.
次に、本発明の第2の実施の形態に係る固体高分子電解質について説明する。本実施の形態に係る固体高分子電解質は、1種又は2種以上の第3モノマを反応させることにより得られるものからなる。 Next, a solid polymer electrolyte according to a second embodiment of the present invention will be described. The solid polymer electrolyte according to the present embodiment is obtained by reacting one kind or two or more kinds of third monomers.
本実施の形態において、「第3モノマ」とは、分子量が10000以下であり、1分子内にp個(p≧3)の反応性官能基A及び/又は反応性官能基Bを含むものを言う。すなわち、本実施の形態においては、1分子当たりの官能基の数が等しい1種又は2種以上の第3モノマを出発原料として用いる点に特徴がある。 In the present embodiment, the “third monomer” has a molecular weight of 10,000 or less and includes p (p ≧ 3) reactive functional groups A and / or reactive functional groups B in one molecule. say. That is, the present embodiment is characterized in that one or two or more third monomers having the same number of functional groups per molecule are used as starting materials.
なお、第3モノマの分子量、第3モノマに含まれる反応性官能基A及び反応性官能基Bの種類及び組み合わせに関する点ついては、上述した第1モノマ及び第2モノマと同様であるので、説明を省略する。 Note that the molecular weight of the third monomer and the types and combinations of the reactive functional group A and the reactive functional group B contained in the third monomer are the same as those of the first monomer and the second monomer described above. Omitted.
1分子の第3モノマに含まれる反応性官能基A及び反応性官能基Bの総個数は、p個(p≧3)であればよい。また、第3モノマは、反応性官能基A又は反応性官能基Bのいずれか一方のみが含まれるものであっても良く、あるいは、双方が含まれるものであっても良い。さらに、第3モノマに2個以上の反応性官能基A(又は、反応性官能基B)が含まれる場合、これらの反応性官能基A(又は、反応性官能基B)は、同一種類の官能基(例えば、−SO2Xのみ)であっても良く、あるいは、異なる種類の官能基(例えば、−SO2Xと−COXの組み合わせ)であっても良い。 The total number of reactive functional groups A and reactive functional groups B contained in one molecule of the third monomer may be p (p ≧ 3). In addition, the third monomer may include only one of the reactive functional group A and the reactive functional group B, or may include both. Further, when the third monomer contains two or more reactive functional groups A (or reactive functional groups B), these reactive functional groups A (or reactive functional groups B) are of the same type. It may be a functional group (for example, only —SO 2 X), or may be a different type of functional group (for example, a combination of —SO 2 X and —COX).
このような第3モノマとしては、種々のモノマがある。中でも、化9の式に示すモノマ(5)からモノマ(8)、及び、化10の式に示すモノマ(15)からモノマ(18)は、第3モノマとして好適である。さらに、これらのモノマの内、その分子内にC−H結合を含まないものは、高分子鎖がパーフルオロ骨格となり、耐熱性及び耐酸化性に優れた固体高分子電解質が得られるので、特に好適である。 As such a third monomer, there are various monomers. Among these, the monomer (5) to the monomer (8) shown in the chemical formula 9 and the monomer (15) to the monomer (18) shown in the chemical formula 10 are suitable as the third monomer. Further, among these monomers, those that do not contain a C—H bond in the molecule, the polymer chain becomes a perfluoro skeleton, and a solid polymer electrolyte excellent in heat resistance and oxidation resistance can be obtained. Is preferred.
これ以外の第3モノマとしては、例えば、ナフィオンモノマ及び次の化11の式に示すモノマ(A)〜(F)から選ばれる3個〜15個の化合物からなる分子量が10000以下のオリゴマ、又はこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。 As the third monomer other than this, for example, an oligomer having a molecular weight of 10,000 or less consisting of 3 to 15 compounds selected from Nafion monomer and monomers (A) to (F) represented by the following formula 11 These derivatives are mentioned as a suitable example.
このような1種又は2種以上の第3モノマを用いて、本発明に係る固体高分子電解質を合成する場合、1種又は2種以上の第3モノマは、これらのいずれかに、少なくとも1個の反応性官能基Aと、少なくとも1個の反応性官能基Bとを含むものである必要がある。 In the case of synthesizing the solid polymer electrolyte according to the present invention using such one or more third monomers, one or more of the third monomers is at least 1 in any of these. It is necessary to include one reactive functional group A and at least one reactive functional group B.
さらに、固体高分子電解質内に化学的な架橋を導入する場合において、第3モノマとして、1分子内に3個の反応性官能基を有するものを用いるときには、2種以上の第3モノマであって、これらのいずれかに、少なくとも2個の反応性官能基Aと、少なくとも2個の反応性官能基Bとを含むものを用いるのが好ましい。また、第3モノマとして、1分子内に4個以上の反応性官能基を有するものを用いるときには、1種又は2種以上の第3モノマであって、これらのいずれかに、少なくとも2個の反応性官能基Aと、少なくとも2個の反応性官能基Bとを含むものを用いるのが好ましい。 Further, when chemical cross-linking is introduced into the solid polymer electrolyte, when a third monomer having three reactive functional groups in one molecule is used, there are two or more third monomers. In any of these, it is preferable to use those containing at least two reactive functional groups A and at least two reactive functional groups B. Moreover, when using what has a 4 or more reactive functional group in 1 molecule as a 3rd monomer, it is 1 type (s) or 2 or more types of 3rd monomer, Comprising: At least 2 in these either It is preferable to use those containing a reactive functional group A and at least two reactive functional groups B.
例えば、第3モノマとして、2個のイミド系官能基(A)と1個のハライド系官能基(B)を持つ3官能モノマAABを用いた場合、これを反応させると、1つの3官能モノマAABのハライド系官能基(B)に、他の3官能モノマAABのイミド系官能基(A)が結合し、「AAB−AAB」という構造を有するオリゴマが得られる。また、結合点には、1個のイミド基(B−A)が形成される。 For example, when a trifunctional monomer AAB having two imide functional groups (A) and one halide functional group (B) is used as the third monomer, when this is reacted, one trifunctional monomer is obtained. The imide functional group (A) of another trifunctional monomer AAB is bonded to the halide functional group (B) of AAB, and an oligomer having a structure of “AAB-AAB” is obtained. In addition, one imide group (B-A) is formed at the bonding point.
反応をさらに続行させると、オリゴマの端部にあるイミド系官能基(A)には、新たな3官能モノマAABのハライド系官能基(B)が結合し、また、オリゴマの端部にあるハライド系官能基(B)には、新たな3官能モノマAABのイミド系官能基(A)が結合し、結合点には、それぞれ、新たにイミド基(A−B)が形成される。以下、このような反応を順次繰り返すことにより、最初に形成されたオリゴマを中心として、高分子鎖が放射状に成長した、いわゆる「デンドリマ」を形成することができる。 When the reaction is further continued, the halide functional group (B) of the new trifunctional monomer AAB is bonded to the imide functional group (A) at the end of the oligomer, and the halide at the end of the oligomer. The imide functional group (A) of a new trifunctional monomer AAB is bonded to the system functional group (B), and an imide group (AB) is newly formed at each bonding point. Hereinafter, by sequentially repeating such a reaction, it is possible to form a so-called “dendrimer” in which polymer chains are radially grown around the initially formed oligomer.
また、例えば、第3モノマとして、3個のイミド系官能基(A)を有する3官能モノマAAAと、3個のハライド系官能基(B)とを持つ3官能モノマBBBを用いた場合、これらを反応させることによって、「AAA−BB(AAA)B−AAA」という構造を有するオリゴマが得られる。 For example, when a trifunctional monomer AAA having three imide functional groups (A) and a trifunctional monomer BBB having three halide functional groups (B) are used as the third monomer, Is reacted to give an oligomer having a structure of “AAA-BB (AAA) B-AAA”.
反応をさらに続行させると、オリゴマの端部にあるいずれかのイミド系官能基(A)に、3官能モノマBBBが結合し、結合点には、それぞれ、新たにイミド基(A−B)が形成される。以下、このような反応を順次繰り返すことにより、成長した高分子鎖が相互に架橋された、いわゆる「架橋ネットワーク型」の固体高分子電解質が得られる。 When the reaction is further continued, the trifunctional monomer BBB is bonded to any one of the imide functional groups (A) at the end of the oligomer, and imide groups (AB) are newly added to the bonding points. It is formed. Hereinafter, by sequentially repeating such a reaction, a so-called “crosslinked network type” solid polymer electrolyte in which the grown polymer chains are crosslinked with each other can be obtained.
また、例えば、第3モノマとして、3個のイミド系官能基(A)と1個のハライド系官能基(B)を持つ4官能モノマAAABを用いた場合、これを反応させると、1つの4官能モノマAAABのハライド系官能基(B)に、他の3官能モノマAAABのイミド系官能基(A)が結合し、「AAAB−AAAB」という構造を有するオリゴマが得られる。また、結合点には、1個のイミド基(B−A)が形成される。 In addition, for example, when a tetrafunctional monomer AAAB having three imide functional groups (A) and one halide functional group (B) is used as the third monomer, when this is reacted, one 4 The imide functional group (A) of another trifunctional monomer AAAAB is bonded to the halide functional group (B) of the functional monomer AAAAB to obtain an oligomer having a structure of “AAAB-AAAB”. In addition, one imide group (B-A) is formed at the bonding point.
反応をさらに続行させると、オリゴマの端部にあるイミド系官能基(A)には、新たな4官能モノマAAABのハライド系官能基(B)が結合し、また、オリゴマの端部にあるハライド系官能基(B)には、新たな4官能モノマAAABのイミド系官能基(A)が結合し、結合点には、新たにイミド基(A−B)が形成される。以下、このような反応を順次繰り返すことにより、最初に形成されたオリゴマを中心として、高分子鎖が放射状に成長した、いわゆる「デンドリマ」を形成することができる。 When the reaction is further continued, the halide functional group (B) of the new tetrafunctional monomer AAAB is bonded to the imide functional group (A) at the end of the oligomer, and the halide at the end of the oligomer. The imide functional group (A) of the new tetrafunctional monomer AAAB is bonded to the system functional group (B), and an imide group (AB) is newly formed at the bonding point. Hereinafter, by sequentially repeating such a reaction, it is possible to form a so-called “dendrimer” in which polymer chains are radially grown around the initially formed oligomer.
また、例えば、第3モノマとして、2個のイミド系官能基(A)と2個のハライド系官能基(B)を有する4官能モノマAABBを用いた場合、これを反応させることによって、「AABB−AABB」という構造を有するオリゴマが得られる。 Further, for example, when a tetrafunctional monomer AABB having two imide functional groups (A) and two halide functional groups (B) is used as the third monomer, by reacting them, “AABB” An oligomer having the structure “-AABB” is obtained.
反応をさらに続行させると、オリゴマの端部にあるいずれかのイミド系官能基(A)には、新たな4官能モノマAABBのハライド系官能基(B)が結合し、また、オリゴマの端部にあるいずれかのハライド系官能基(B)には、新たな4官能モノマAABBのイミド系官能基(A)が結合し、結合点には、それぞれ、新たにイミド基(A−B)が形成される。以下、このような反応を順次繰り返すことにより、成長した高分子鎖が相互に架橋された、いわゆる「架橋ネットワーク型」の固体高分子電解質が得られる。 When the reaction is further continued, the halide functional group (B) of the new tetrafunctional monomer AABB is bonded to any imide-based functional group (A) at the end of the oligomer. The imide functional group (A) of the new tetrafunctional monomer AABB is bonded to any one of the halide functional groups (B), and a new imide group (AB) is newly added to each bonding point. It is formed. Hereinafter, by sequentially repeating such a reaction, a so-called “crosslinked network type” solid polymer electrolyte in which the grown polymer chains are crosslinked with each other can be obtained.
5個以上の反応性官能基を持つモノマを用いて合成する場合も同様であり、1種又は2種以上の第3モノマのいずれかに、少なくとも1個の反応性官能基Aと、少なくとも1個の反応性官能基Bとを含む場合には、高分子鎖が放射状に成長したデンドリマが得られる。また、1種又は2種以上の第3モノマのいずれかに、少なくとも2個の反応性官能基Aと、少なくとも2個の反応性官能基Bとを含む場合には、高分子鎖が相互に架橋された架橋ネットワーク型の固体高分子電解質が得られる。 The same applies to the case of synthesizing using a monomer having 5 or more reactive functional groups, and at least one reactive functional group A and at least 1 In the case of containing one reactive functional group B, a dendrimer in which polymer chains are grown radially can be obtained. In addition, in the case where at least two reactive functional groups A and at least two reactive functional groups B are included in either one or two or more third monomers, the polymer chains are mutually A crosslinked network type solid polymer electrolyte is obtained.
なお、2種以上の第3モノマを用いて合成する場合において、その配合比率は、適宜最適な比率を選択するのが好ましい点、並びに、デンドリマを形成するための好適な配合比率、及び架橋ネットワーク型の固体高分子電解質を形成するための好適な配合比率は、第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。 In addition, in the case of synthesizing using two or more kinds of third monomers, it is preferable to select an optimal ratio as appropriate, and a suitable mixing ratio for forming a dendrimer, and a crosslinked network The suitable blending ratio for forming the solid polymer electrolyte of the type is the same as that in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
また、本実施の形態に係る固体高分子電解質は、第3モノマのみから合成されるものでも良く、あるいは、多孔膜等との複合体であっても良い点、並びに、好適な架橋密度及び電気伝導度に関する点は、第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。 In addition, the solid polymer electrolyte according to the present embodiment may be synthesized only from the third monomer, or may be a composite with a porous film, etc. Since the point regarding conductivity is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
次に、本実施の形態に係る固体高分子電解質の製造方法について説明する。本実施の形態に係る固体高分子電解質は、1種又は2種以上の第3モノマとを含む混合液を調製し、第3モノマを反応させることにより合成することができる。本実施の形態に係る製造方法は、出発原料として1種又は2種以上の第3モノマを用いた以外は、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。 Next, the manufacturing method of the solid polymer electrolyte which concerns on this Embodiment is demonstrated. The solid polymer electrolyte according to the present embodiment can be synthesized by preparing a mixed liquid containing one or more third monomers and reacting the third monomers. The manufacturing method according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment except that one or more types of third monomers are used as the starting material, and thus the description thereof is omitted.
次に、本発明に係る固体高分子電解質の作用について説明する。1分子内に反応性官能基A及び/又は反応性官能基Bを有し、かつ所定の条件を満たす1種又は2種以上のモノマを反応させると、2つのモノマが反応性官能基A及び反応性官能基Bを介して結合し、結合点には、強酸基として機能するイミド基が形成される。そのため、ポリマ化が進行するに伴って酸性基が増加し、高い電気伝導度を有する固体高分子電解質が得られる。 Next, the operation of the solid polymer electrolyte according to the present invention will be described. When one or more monomers having a reactive functional group A and / or a reactive functional group B in one molecule and satisfying a predetermined condition are reacted, the two monomers are reacted with the reactive functional group A and Bonding via the reactive functional group B, an imide group that functions as a strong acid group is formed at the bonding point. Therefore, as the polymerization proceeds, acidic groups increase, and a solid polymer electrolyte having high electrical conductivity can be obtained.
また、ポリマ化が進行するに伴い、高分子鎖間には、物理的又は化学的な架橋も形成される。そのため、高分子電解質を出発原料に用いて、高分子鎖を架橋させる従来の方法に比べて、高い架橋密度が容易に得られる。さらに、従来の方法では困難であった、電気伝導度と架橋密度の双方を同時に向上させることができ、耐熱性及び耐久性に優れた固体高分子電解質が得られる。 As the polymerization proceeds, physical or chemical crosslinks are also formed between the polymer chains. Therefore, a high crosslinking density can be easily obtained as compared with the conventional method of crosslinking a polymer chain using a polymer electrolyte as a starting material. Furthermore, it is possible to simultaneously improve both the electrical conductivity and the crosslinking density, which is difficult with the conventional method, and a solid polymer electrolyte excellent in heat resistance and durability can be obtained.
また、本発明に係る固体高分子電解質を燃料電池用の電解質膜として用いた場合には、膜内に物理的又は化学的な架橋が形成されているので、高分子の流出が抑制される。また、架橋によって膜の膨潤・収縮が抑制されるので、膜の裂け、あるいは、電極の剥離に起因する性能低下を抑制することができる。さらに、膜が裂けることによる燃料水素のリークも抑制されるので、燃料水素の燃費も向上する。特に、架橋ネットワーク型の固体高分子電解質は、高分子鎖間が化学架橋されているので、酸性基の量が増加しても、高分子が流出するおそれはなく、膜の膨潤・収縮に対して高い耐性を示す。 Further, when the solid polymer electrolyte according to the present invention is used as an electrolyte membrane for a fuel cell, the outflow of the polymer is suppressed because a physical or chemical crosslink is formed in the membrane. Moreover, since the swelling / shrinkage of the film is suppressed by the cross-linking, it is possible to suppress performance degradation due to film tearing or electrode peeling. In addition, fuel hydrogen leakage due to the tearing of the membrane is suppressed, so the fuel consumption of fuel hydrogen is improved. In particular, a crosslinked network type solid polymer electrolyte is chemically cross-linked between polymer chains, so even if the amount of acidic groups is increased, there is no risk that the polymer will flow out, and against swelling and shrinkage of the membrane. High resistance.
次に、本発明に係る固体高分子電解質の製造に用いられる第1〜第3モノマの製造方法について説明する。第1〜第3モノマは、これらに類似の分子構造を有する市販のモノマを出発原料に用い、これに対して公知の方法を用いて所定の官能基変換を行うことにより合成することができる。 Next, the manufacturing method of the 1st-3rd monomer used for manufacture of the solid polymer electrolyte which concerns on this invention is demonstrated. The first to third monomers can be synthesized by using a commercially available monomer having a similar molecular structure as a starting material, and performing a predetermined functional group conversion using a known method.
例えば、3個のスルホニルフロライド基(ハライド系官能基)を備えた3官能モノマ「FO2S−CF2−C(F)(SO2F)−CF2−SO2F」は、次の化12の式に示す手順により合成することができる。 For example, a trifunctional monomer “FO 2 S—CF 2 —C (F) (SO 2 F) —CF 2 —SO 2 F” having three sulfonyl fluoride groups (halide functional groups) is: It can be synthesized by the procedure shown in Formula 12.
すなわち、まず、市販のモノマ「Cl−CF2−C(F)(Cl)−CF2−Cl」1gを165gのジメチルアセトアミド(DMAC)に溶解させる。次に、硫化カリウム(K2S、6.6g)と、イオウ(S、3.6g)と、フッ化セシウム(CsF、0.6g)を加え、窒素雰囲気下、190℃で6時間撹拌する。これにより、クロライド基がイオウ(Sx)に置換されたモノマ「Sx−CF2−C(F)(Sx)−CF2−Sx」が得られる(反応式(1))。 That is, first, 1 g of a commercially available monomer “Cl—CF 2 —C (F) (Cl) —CF 2 —Cl” is dissolved in 165 g of dimethylacetamide (DMAC). Next, potassium sulfide (K 2 S, 6.6 g), sulfur (S, 3.6 g), and cesium fluoride (CsF, 0.6 g) are added, and the mixture is stirred at 190 ° C. for 6 hours in a nitrogen atmosphere. . Thereby, a monomer “S x —CF 2 —C (F) (S x ) —CF 2 —S x ” in which the chloride group is substituted with sulfur (S x ) is obtained (reaction formula (1)).
次に、このモノマを、30%過酸化水素水溶液に室温で72時間浸漬させる。次いで、1規定硫酸で100℃×1時間の処理を行い、イオン交換水で洗浄する。これにより、末端のイオウ(Sx)がスルホン酸基(SO3H基)に置換されたモノマ「HO3S−CF2−C(F)(SO3H)−CF2−SO3H」が得られる(反応式(2))。 Next, this monomer is immersed in a 30% aqueous hydrogen peroxide solution at room temperature for 72 hours. Next, treatment with 1N sulfuric acid is performed at 100 ° C. for 1 hour, followed by washing with ion-exchanged water. As a result, the monomer “HO 3 S—CF 2 —C (F) (SO 3 H) —CF 2 —SO 3 H” in which the terminal sulfur (S x ) is substituted with a sulfonic acid group (SO 3 H group). Is obtained (reaction formula (2)).
次に、このモノマを、五塩化リン(PCl5)100g、オキシ塩化リン(POCl3)250gを入れた溶液に溶解させ、90℃で12時間反応させる。反応後、溶媒を除去し、四塩化炭素(CCl4)で洗浄する(60℃、3時間、撹拌)。これにより、末端のスルホン酸基(SO3H基)がスルホニルクロライド基(SO2Cl基)に置換されたモノマ「ClO2S−CF2−C(F)(SO2Cl)−CF2−SO2Cl」が得られる(反応式(3))。 Next, this monomer is dissolved in a solution containing 100 g of phosphorus pentachloride (PCl 5 ) and 250 g of phosphorus oxychloride (POCl 3 ), and reacted at 90 ° C. for 12 hours. After the reaction, the solvent is removed and washed with carbon tetrachloride (CCl 4 ) (60 ° C., 3 hours, stirring). As a result, the monomer “ClO 2 S—CF 2 —C (F) (SO 2 Cl) —CF 2 —— in which the terminal sulfonic acid group (SO 3 H group) was substituted with a sulfonyl chloride group (SO 2 Cl group) was obtained. SO 2 Cl ”is obtained (Scheme (3)).
さらに、このモノマを、乾燥テトラヒドロフラン(300ml)にジメチルアミノサルファトリフロライド((CH3)2NSF3)15gと一緒に溶解させ、45℃で48時間反応させると、目的のモノマ「FO2S−CF2−C(F)(SO2F)−CF2−SO2F」が得られる(反応式(4))。 Further, when this monomer was dissolved in dry tetrahydrofuran (300 ml) together with 15 g of dimethylaminosulfur trifluoride ((CH 3 ) 2 NSF 3 ) and reacted at 45 ° C. for 48 hours, the target monomer “FO 2 S” was obtained. -CF 2 -C (F) (SO 2 F) -CF 2 -SO 2 F "is obtained (reaction formula (4)).
また、例えば、3個のスルホニルクロライド基(ハライド系官能基)を備えた3官能モノマ「1,3,5−ベンゼントリスルホニルクロライド」は、次の化13の式に示す手順により合成することができる。 Further, for example, a trifunctional monomer “1,3,5-benzenetrisulfonyl chloride” having three sulfonyl chloride groups (halide functional groups) can be synthesized by the procedure shown in the following chemical formula 13. it can.
すなわち、まず、3Lの反応容器に、ベンゼンスルホン酸ナトリウム塩一水和物(C6H5SO3Na・H2O)495g(2.49mol)、濃硫酸(H2SO4)650g、硫酸ナトリウム(NaHSO4)370.5gを仕込み、300〜330℃で30分間反応させる。反応混合物を冷却後、水1.3L、水酸化ナトリウム(NaOH)310gを加え、アルカリ性とする。これを濃硫酸にてpH6に調整する。活性炭を加え、70℃で30分間撹拌し、熱時ろ過してろ液を5℃で一晩放置する。析出結晶をろ過し、ろ液を濃縮して結晶が析出し始めたところで止め、5℃で一晩放置する。析出した結晶をろ過、乾燥すると、1,3,5−ベンゼントリスルホン酸ナトリウム塩(収量576g、収率60.2%)が得られる(反応式(1))。 That is, first, benzenesulfonic acid sodium salt monohydrate (C 6 H 5 SO 3 Na · H 2 O) 495 g (2.49 mol), concentrated sulfuric acid (H 2 SO 4 ) 650 g, sulfuric acid were added to a 3 L reaction vessel. 370.5 g of sodium (NaHSO 4 ) is charged and reacted at 300 to 330 ° C. for 30 minutes. After cooling the reaction mixture, 1.3 L of water and 310 g of sodium hydroxide (NaOH) are added to make it alkaline. This is adjusted to pH 6 with concentrated sulfuric acid. Activated carbon is added, stirred at 70 ° C. for 30 minutes, filtered while hot and the filtrate is left at 5 ° C. overnight. The precipitated crystals are filtered, and the filtrate is concentrated to stop when crystals start to precipitate, and left at 5 ° C. overnight. The precipitated crystals are filtered and dried to obtain 1,3,5-benzenetrisulfonic acid sodium salt (yield 576 g, yield 60.2%) (reaction formula (1)).
次に、5Lの反応容器に、1,3,5−ベンゼントリスルホン酸ナトリウム550g(1.43mol)、塩化チオニル(SOCl2)2.5Lを仕込み、室温にてDMF330mlを30分かけて滴下する。滴下後、12時間加熱還流させる。反応混合物を冷却後、氷36kgに注加し、析出結晶をろ過し、水洗後乾燥する。得られた粗結晶を酢酸エチルにて再結晶させると、目的とするモノマ「1,3,5−ベンゼントリスルホニルクロライド(収量208g、収率37.8%)」が得られる(反応式(2))。 Next, 550 g (1.43 mol) of sodium 1,3,5-benzenetrisulfonate and 2.5 L of thionyl chloride (SOCl 2 ) are charged into a 5 L reaction vessel, and 330 ml of DMF is added dropwise over 30 minutes at room temperature. . After dropping, the mixture is heated to reflux for 12 hours. The reaction mixture is cooled, poured into 36 kg of ice, the precipitated crystals are filtered, washed with water and dried. When the obtained crude crystals are recrystallized with ethyl acetate, the target monomer “1,3,5-benzenetrisulfonyl chloride (yield 208 g, yield 37.8%)” is obtained (reaction formula (2 )).
ハライド系官能基を有する他のモノマも同様であり、上述と同一又は類似の手順により合成することができる。また、イミド系官能基を備えたモノマは、まず、上述と同一又は類似の手順によりハライド系官能基を備えたモノマを合成し、次いで、これをアンモニア、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、ヘキサメチルジシラザンリチウム(LiHMDS)等と反応させ、ハライド系官能基の全部又は一部をイミド系官能基に変換することにより得られる。 Other monomers having a halide functional group are the same, and can be synthesized by the same or similar procedure as described above. A monomer having an imide functional group is first synthesized with a halide functional group by the same or similar procedure as described above, and then synthesized with ammonia, hexamethyldisilazane (HMDS), hexamethyl. It can be obtained by reacting with disilazane lithium (LiHMDS) or the like to convert all or part of the halide functional group into an imide functional group.
以下の手順に従い、固体高分子電解質膜を作製した。まず、次の化14の式に示す3官能モノマ(分子量:315、白色パウダー。以下、これを「A1モノマ」という。)2gを50mlの丸底フラスコに取り、これに脱水テトラヒドロフラン(THF)30mlを加え、Ar(N2)気流下、1時間撹拌しながら、A1モノマをTHFに溶解させた。 A solid polymer electrolyte membrane was prepared according to the following procedure. First, 2 g of a trifunctional monomer (molecular weight: 315, white powder; hereinafter referred to as “A 1 monomer”) represented by the following chemical formula 14 was placed in a 50 ml round bottom flask, and dehydrated tetrahydrofuran (THF). 30 ml was added, and the A 1 monomer was dissolved in THF while stirring for 1 hour under an Ar (N 2 ) stream.
次に、この溶液に、トリエチルアミン(TEA)6mlを加えて、30分間撹拌した。さらに、この溶液に、A1モノマに対して1.5倍モルの2官能モノマ「FO2S(CF2)3SO2F」(分子量:316、密度:1.776g/cm3、透明の液体。以下、これを「B1モノマ」という。)3.01gを加え、50℃で1時間撹拌した(モル比:A1/B1=1/1.5)。 Next, 6 ml of triethylamine (TEA) was added to this solution and stirred for 30 minutes. Further, to this solution, difunctional monomers of 1.5 mols per mol of the A 1 monomer "FO 2 S (CF 2) 3 SO 2 F " (molecular weight: 316, density: 1.776g / cm 3, the transparency Liquid (hereinafter referred to as “B 1 monomer”) (3.01 g) was added and stirred at 50 ° C. for 1 hour (molar ratio: A 1 / B 1 = 1 / 1.5).
溶液が透明になった時点で、溶液をガラスシャーレに移した。この時、膜厚が50μmとなるように溶液量を調節した。次いで、ガラスシャーレをAr(N2)雰囲気下のガラス容器に入れて栓をした。さらに、ガラス容器ごとオートクレーブに入れ、50℃を維持しながら、Ar(N2)フローを行った。この状態で7日間放置し、ゲル化反応を完了させた。得られた膜を15wt%硝酸に浸漬して60℃で2時間の加熱処理を行い、洗浄した。これにより、茶色の膜が透明な膜となった。 When the solution became transparent, the solution was transferred to a glass petri dish. At this time, the amount of the solution was adjusted so that the film thickness was 50 μm. Next, the glass petri dish was put in a glass container under an Ar (N 2 ) atmosphere and capped. Furthermore, placed in a glass vessel for each autoclave, while maintaining the 50 ° C., were Ar (N 2) flow. This state was left for 7 days to complete the gelation reaction. The obtained film was immersed in 15 wt% nitric acid and subjected to heat treatment at 60 ° C. for 2 hours for washing. As a result, the brown film became a transparent film.
得られた膜について、当量重量、電気伝導度及び架橋密度を測定した。なお、当量重量の測定には、NaCl法を用いた。また、電気伝導度の測定には、2端子交流法(10kHz)法を用いた。さらに、架橋密度の測定には、膨潤平衡法を用いた。その結果、膜の当量重量(EW)は、250g/eq、電気伝導度は、0.18S/cm、架橋密度は、0.65mmol/gであった。 About the obtained film | membrane, the equivalent weight, the electrical conductivity, and the crosslinking density were measured. The NaCl method was used for measuring the equivalent weight. Moreover, the two-terminal alternating current method (10 kHz) method was used for the measurement of electrical conductivity. Furthermore, the swelling equilibrium method was used for the measurement of the crosslinking density. As a result, the equivalent weight (EW) of the film was 250 g / eq, the electric conductivity was 0.18 S / cm, and the crosslink density was 0.65 mmol / g.
A1モノマに対するB1モノマの比率を1.0倍モル(2.01g)とした以外は、実施例1と同一の手順に従い、固体高分子電解質膜を作製した(モル比:A1/A2=1/1)。得られた膜について、実施例1と同一の手順に従い、当量重量、電気伝導度及び架橋密度を測定した。その結果、当量重量(EW)は、370g/eq、電気伝導度は、0.12S/cm、架橋密度は、0.4mmol/gであった。 Except that the ratio of B 1 monomer for A 1 monomer and 1.0 moles (2.01 g) are the same steps as in Example 1 to prepare a solid polymer electrolyte membrane (molar ratio: A 1 / A 2 = 1/1). About the obtained film | membrane, according to the same procedure as Example 1, an equivalent weight, an electrical conductivity, and a crosslinking density were measured. As a result, the equivalent weight (EW) was 370 g / eq, the electrical conductivity was 0.12 S / cm, and the crosslinking density was 0.4 mmol / g.
A1モノマに対するB1モノマの比率を1.7倍モル(3.41g)とした以外は、実施例1と同一の手順に従い、固体高分子電解質膜を作製した(モル比:A1/B1=1/1.7)。得られた膜について、実施例1と同一の手順に従い、当量重量、電気伝導度及び架橋密度を測定した。その結果、当量重量(EW)は、210g/eq、電気伝導度は、0.20S/cm、架橋密度は、0.5mmol/gであった。 Except that the ratio of B 1 monomer for A 1 monomer and 1.7 moles (3.41 g) are the same steps as in Example 1 to prepare a solid polymer electrolyte membrane (molar ratio: A 1 / B 1 = 1 / 1.7). About the obtained film | membrane, according to the same procedure as Example 1, an equivalent weight, an electrical conductivity, and a crosslinking density were measured. As a result, the equivalent weight (EW) was 210 g / eq, the electrical conductivity was 0.20 S / cm, and the crosslinking density was 0.5 mmol / g.
A1モノマに対するB1モノマの比率を1.25倍モル(2.51g)とした以外は、実施例1と同一の手順に従い、固体高分子電解質膜を作製した(モル比:A1/B1=1/1.25)。得られた膜について、実施例1と同一の手順に従い、当量重量、電気伝導度及び架橋密度を測定した。その結果、当量重量(EW)は、310g/eq、電気伝導度は、0.15S/cm、架橋密度は、0.5mmol/gであった。 Except that the ratio of B 1 monomer for A 1 monomer and 1.25 mole (2.51 g) are the same steps as in Example 1 to prepare a solid polymer electrolyte membrane (molar ratio: A 1 / B 1 = 1 / 1.25). About the obtained film | membrane, according to the same procedure as Example 1, an equivalent weight, an electrical conductivity, and a crosslinking density were measured. As a result, the equivalent weight (EW) was 310 g / eq, the electrical conductivity was 0.15 S / cm, and the crosslinking density was 0.5 mmol / g.
2官能モノマ「H2NO2S(CF2)3SO2NH2」(分子量:310、白色パウダー。以下、これを「B2モノマ」という。)2.49gを50mlの丸底フラスコに取り、これに脱水テトラヒドロフラン(THF)30mlを加え、Ar(N2)気流下、1時間撹拌しながら、B2モノマをTHFに溶解させた。 Bifunctional monomer “H 2 NO 2 S (CF 2 ) 3 SO 2 NH 2 ” (molecular weight: 310, white powder; hereinafter referred to as “B 2 monomer”) 2.49 g was placed in a 50 ml round bottom flask. Then, 30 ml of dehydrated tetrahydrofuran (THF) was added thereto, and the B 2 monomer was dissolved in THF while stirring for 1 hour under a flow of Ar (N 2 ).
次に、この溶液に、トリエチルアミン(TEA)6mlを加えて、30分間撹拌した。さらに、この溶液に、B2モノマに対して2/3倍モルに相当する、化15の式に示す3官能モノマ(分子量:373.5、白色パウダー。以下、これを「A2モノマ」という。)2gを加え、50℃で1時間撹拌した(モル比:A2/B2=1/1.5)。以下、実施例1と同一の手順に従い、膜を合成した。 Next, 6 ml of triethylamine (TEA) was added to this solution and stirred for 30 minutes. Further, in this solution, a trifunctional monomer (molecular weight: 373.5, white powder. This is referred to as “A 2 monomer”), which corresponds to 2/3 times the mole of B 2 monomer. 2 g was added and stirred at 50 ° C. for 1 hour (molar ratio: A 2 / B 2 = 1 / 1.5). The membrane was then synthesized according to the same procedure as in Example 1.
得られた膜について、実施例1と同一の手順に従い、当量重量、電気伝導度及び架橋密度を測定した。その結果、当量重量(EW)は、250g/eq、電気伝導度は、0.18S/cm、架橋密度は、0.65mmol/gであった。 About the obtained film | membrane, according to the same procedure as Example 1, an equivalent weight, an electrical conductivity, and a crosslinking density were measured. As a result, the equivalent weight (EW) was 250 g / eq, the electric conductivity was 0.18 S / cm, and the crosslinking density was 0.65 mmol / g.
A1モノマ2gを100mlの丸底フラスコに取り、これに脱水テトラヒドロフラン(THF)50mlを加え、Ar(N2)気流下、1時間撹拌しながら、A1モノマをTHFに溶解させた。次いで、この溶液に、A1モノマに対して1.5倍モルのB2モノマ2.95gを加え、1時間撹拌した。 2 g of A 1 monomer was placed in a 100 ml round bottom flask, 50 ml of dehydrated tetrahydrofuran (THF) was added thereto, and the A 1 monomer was dissolved in THF while stirring for 1 hour under an Ar (N 2 ) stream. Next, 2.95 g of 1.5 times moles of B 2 monomer with respect to A 1 monomer was added to this solution and stirred for 1 hour.
次に、この溶液に、トリエチルアミン(TEA)10mlを加えて、30分間撹拌した。さらに、この溶液に、A1モノマに対して3.0倍モルのB1モノマ2.95gを加え、50℃で1時間撹拌した(A1/B1/B2=1/3/1.5)。以下、実施例1と同一の手順に従い、膜を合成した。 Next, 10 ml of triethylamine (TEA) was added to this solution and stirred for 30 minutes. Further, to this solution, a 3.0 fold molar B 1 monomer 2.95g added to A 1 monomers, and stirred for 1 hour at 50 ℃ (A 1 / B 1 / B 2 = 1/3/1. 5). The membrane was then synthesized according to the same procedure as in Example 1.
得られた膜について、実施例1と同一の手順に従い、当量重量、電気伝導度及び架橋密度を測定した。その結果、当量重量(EW)は、270g/eq、電気伝導度は、0.15S/cm、架橋密度は、0.35mmol/gであった。 About the obtained film | membrane, according to the same procedure as Example 1, an equivalent weight, an electrical conductivity, and a crosslinking density were measured. As a result, the equivalent weight (EW) was 270 g / eq, the electric conductivity was 0.15 S / cm, and the crosslink density was 0.35 mmol / g.
B2モノマ4.98gを100mlの丸底フラスコに取り、これに脱水テトラヒドロフラン(THF)50mlを加え、Ar(N2)気流下、1時間撹拌しながら、B2モノマをTHFに溶解させた。 4.98 g of B 2 monomer was placed in a 100 ml round bottom flask, 50 ml of dehydrated tetrahydrofuran (THF) was added thereto, and the B 2 monomer was dissolved in THF while stirring for 1 hour under a stream of Ar (N 2 ).
次に、この溶液に、トリエチルアミン(TEA)10mlを加えて、30分間撹拌した。さらに、この溶液に、B2モノマに対して1/3倍モルのA2モノマ2.0gと、B2モノマに対して1/2倍モルのB1モノマ2.45gを加え、50℃で1時間撹拌した(A2/B1/B2=1/1.5/3)。以下、実施例1と同一の手順に従い、膜を合成した。 Next, 10 ml of triethylamine (TEA) was added to this solution and stirred for 30 minutes. Further, to this solution, and A 2 monomers 2.0g 1/3 mol per mol of B 2 monomer, a half mole of B 1 monomer 2.45g against B 2 monomer added, at 50 ° C. The mixture was stirred for 1 hour (A 2 / B 1 / B 2 = 1 / 1.5 / 3). The membrane was then synthesized according to the same procedure as in Example 1.
得られた膜について、実施例1と同一の手順に従い、当量重量、電気伝導度及び架橋密度を測定した。その結果、当量重量(EW)は、270g/eq、電気伝導度は、0.15S/cm、架橋密度は、0.35mmol/gであった。 About the obtained film | membrane, according to the same procedure as Example 1, an equivalent weight, an electrical conductivity, and a crosslinking density were measured. As a result, the equivalent weight (EW) was 270 g / eq, the electrical conductivity was 0.15 S / cm, and the crosslinking density was 0.35 mmol / g.
3官能モノマ「H2NO2SCF2CF(SO2NH2)CF2SO2NH2」(分子量:371、白色パウダー。以下、これを「A3モノマ」という。)2gを50mlの丸底フラスコに取り、これに脱水テトラヒドロフラン(THF)30mlを加え、Ar(N2)気流下、1時間撹拌しながら、A3モノマをTHFに溶解させた。 Trifunctional monomer “H 2 NO 2 SCF 2 CF (SO 2 NH 2 ) CF 2 SO 2 NH 2 ” (molecular weight: 371, white powder; hereinafter referred to as “A 3 monomer”) 2 g of 50 ml round bottom taken in a flask, to which a dehydrated tetrahydrofuran (THF) 30 ml was added, Ar (N 2) under a stream with stirring for 1 hour to dissolve a 3 monomer in THF.
次に、この溶液に、トリエチルアミン(TEA)6mlを加えて、30分間撹拌した。さらに、この溶液に、A3モノマに対して1.5倍モルのB1モノマ2.56gを加え、50℃で1時間撹拌した(A3/B1=1/1.5)。以下、実施例1と同一の手順に従い、膜を合成した。 Next, 6 ml of triethylamine (TEA) was added to this solution and stirred for 30 minutes. Further, 2.56 g of a 1.5-fold molar amount of B 1 monomer with respect to A 3 monomer was added to this solution, and the mixture was stirred at 50 ° C. for 1 hour (A 3 / B 1 = 1 / 1.5). The membrane was then synthesized according to the same procedure as in Example 1.
得られた膜について、実施例1と同一の手順に従い、当量重量、電気伝導度及び架橋密度を測定した。その結果、当量重量(EW)は、280g/eq、電気伝導度は、0.17S/cm、架橋密度は、0.6mmol/gであった。 About the obtained film | membrane, according to the same procedure as Example 1, an equivalent weight, an electrical conductivity, and a crosslinking density were measured. As a result, the equivalent weight (EW) was 280 g / eq, the electric conductivity was 0.17 S / cm, and the crosslinking density was 0.6 mmol / g.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
本発明に係る高分子電解質は、固体高分子型燃料電池用の電解質膜及び触媒層内電解質として特に好適であるが、本発明の用途はこれに限定されるものではなく、各種電気化学デバイスに用いられる電解質膜、触媒層内電解質等としても使用することができる。
The polymer electrolyte according to the present invention is particularly suitable as an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell and an electrolyte in a catalyst layer, but the application of the present invention is not limited to this, and is applicable to various electrochemical devices. It can also be used as an electrolyte membrane to be used, an electrolyte in a catalyst layer, and the like.
Claims (17)
(1) 前記第1モノマは、分子量が10000以下であって、1分子内にn個(n≧2)の反応性官能基A及び/又は反応性官能基Bを含むものからなる。
(2) 前記第2モノマは、分子量が10000以下であって、1分子内にm個(m≧3、m≠n)の前記反応性官能基A及び/又は前記反応性官能基Bを含むものからなる。
(3) 前記反応性官能基A及び前記反応性官能基Bは、これらの反応によって、ビススルホンイミド基(−SO2NHSO2−)、スルホンカルボンイミド基(−SO2NHCO−)、又はビスカルボンイミド基(−CONHCO−)を形成するものからなる。
(4) 前記1種又は2種以上の第1モノマ及び前記1種又は2種以上の第2モノマは、これらのいずれかに、少なくとも1個の前記反応性官能基Aと、少なくとも1個の前記反応性官能基Bとを含むものからなる。 A solid polymer electrolyte obtained by reacting one or more first monomers satisfying the following conditions with one or more second monomers.
(1) The first monomer has a molecular weight of 10,000 or less and includes n (n ≧ 2) reactive functional groups A and / or reactive functional groups B in one molecule.
(2) The second monomer has a molecular weight of 10,000 or less and includes m (m ≧ 3, m ≠ n) of the reactive functional group A and / or the reactive functional group B in one molecule. Consists of things.
(3) The reactive functional group A and the reactive functional group B are bissulfonimide group (—SO 2 NHSO 2 —), sulfoncarbonimide group (—SO 2 NHCO—), or bis by these reactions. It consists of what forms a carbonimido group (-CONHCO-).
(4) The one or more types of the first monomer and the one or more types of the second monomer may include at least one reactive functional group A and at least one It comprises the reactive functional group B.
前記第2モノマは、前記モノマ(5)から前記モノマ(8)、及び、前記モノマ(15)から前記モノマ(18)のいずれか1種以上からなる請求項1から3までのいずれかに記載の固体高分子電解質。
The said 2nd monomer consists of any one or more of the said monomer (5) to the said monomer (8), and the said monomer (15) to the said monomer (18). Solid polymer electrolyte.
(1) 前記第3モノマは、分子量が10000以下であり、1分子内にp個(p≧3)の反応性官能基A及び/又は反応性官能基Bを含むものからなる。
(2) 前記反応性官能基A及び前記反応性官能基Bは、これらの反応によって、ビススルホンイミド基(−SO2NHSO2−)、スルホンカルボンイミド基(−SO2NHCO−)、又はビスカルボンイミド基(−CONHCO−)を形成するものからなる。
(3) 前記1種又は2種以上の第3モノマは、これらのいずれかに、少なくとも1個の前記反応性官能基Aと、少なくとも1個の前記反応性官能基Bとを含むものからなる。 A solid polymer electrolyte obtained by reacting one or more third monomers satisfying the following conditions.
(1) The third monomer has a molecular weight of 10,000 or less and includes p (p ≧ 3) reactive functional groups A and / or reactive functional groups B in one molecule.
(2) The reactive functional group A and the reactive functional group B are converted into a bissulfonimide group (—SO 2 NHSO 2 —), a sulfoncarbonimide group (—SO 2 NHCO—), or bis by these reactions. It consists of what forms a carbonimido group (-CONHCO-).
(3) The one kind or two or more kinds of third monomers are composed of any of these containing at least one reactive functional group A and at least one reactive functional group B. .
これらのいずれかに、少なくとも2個の前記反応性官能基Aと、少なくとも2個の前記反応性官能基Bとを含むものからなる請求項9に記載の固体高分子電解質。 The third monomer is two or more types of monomers including a total of three reactive functional groups A and / or reactive functional groups B in one molecule,
The solid polymer electrolyte according to claim 9, wherein any of these includes at least two of the reactive functional groups A and at least two of the reactive functional groups B.
これらのいずれかに、少なくとも2個の前記反応性官能基Aと、少なくとも2個の前記反応性官能基Bとを含むものからなる請求項9に記載の固体高分子電解質。 The third monomer is one or more monomers including a total of four or more reactive functional groups A and / or reactive functional groups B in one molecule,
The solid polymer electrolyte according to claim 9, wherein any of these includes at least two of the reactive functional groups A and at least two of the reactive functional groups B.
A fuel cell using the solid polymer electrolyte according to any one of claims 9 to 15.
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