JP2006032181A - Film/electrode structure for polymer electrolyte fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Nobuyuki Kaneoka
長之 金岡
Masaru Iguchi
勝 井口
Hiroshi Soma
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a film/electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell which has high proton conductivity even under low humidification condition and low temperature condition, and which is provided with a superior power generating performance, and provide the polymer electrolyte fuel cell. <P>SOLUTION: In the film/electrode structure for the polymer electrolyte fuel cell in which a polymer electrolyte film 2 is pinched by a pair of electrodes 1 containing a catalyst, the polymer electrolyte film 2 is composed of an ionic liquid, and a polyarylene based copolymer having a sulfonic acid group. The ionic liquid contains a proton donor, and the proton donor is chosen from a group composed of trifluoromethane sulfonic acid, bis (trifluoromethylsufonyl) imide acid, and tris (fluoromethylsulfonyl) methide acid. The ionic liquid is contained within a range of 0.5 to 200 pts. wt. to 100 pts. wt. of the polyarylene based copolymer. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体と、該膜・電極構造体を備える固体高分子型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a membrane / electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane / electrode structure.

石油資源が枯渇化する一方、化石燃料の消費による地球温暖化等の環境問題が深刻化しており、二酸化炭素の発生を伴わないクリーンな電動機用電力源として燃料電池が注目されて広範に開発されると共に、一部では実用化され始めている。前記燃料電池を自動車等に搭載する場合には、高電圧と大電流とが得やすいことから、高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池が好適に用いられる。   While petroleum resources are depleted, environmental problems such as global warming due to the consumption of fossil fuels have become serious, and fuel cells have been widely developed as a clean power source for motors without carbon dioxide generation. At the same time, some have begun to be put into practical use. When the fuel cell is mounted on an automobile or the like, a solid polymer fuel cell using a polymer electrolyte membrane is preferably used because a high voltage and a large current can be easily obtained.

前記固体高分子型燃料電池に用いる電極構造体として、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持されイオン伝導性高分子バインダーにより一体化されることにより形成されている1対の電極触媒層を備え、両電極触媒層の間にイオン伝導可能な高分子電解質膜を挟持すると共に、各電極触媒層の上に、拡散層を積層したものが知られている。前記電極構造体は、さらに各電極触媒層の上に、ガス通路を兼ねたセパレータを積層することにより、固体高分子型燃料電池を構成する。   As an electrode structure used in the polymer electrolyte fuel cell, a pair of electrode catalysts formed by a catalyst such as platinum being supported on a catalyst carrier such as carbon black and integrated with an ion conductive polymer binder There is known a structure in which a polymer electrolyte membrane capable of ion conduction is sandwiched between both electrode catalyst layers, and a diffusion layer is laminated on each electrode catalyst layer. The electrode structure further forms a polymer electrolyte fuel cell by laminating a separator also serving as a gas passage on each electrode catalyst layer.

前記固体高分子型燃料電池では、一方の電極触媒層を燃料極として前記拡散層を介して水素、メタノール等の還元性ガスを導入すると共に、他方の電極触媒層を酸素極として前記拡散層を介して空気、酸素等の酸化性ガスを導入する。このようにすると、燃料極側では、前記電極触媒層に含まれる触媒の作用により、前記還元性ガスからプロトン及び電子が生成し、前記プロトンは前記高分子電解質膜を介して、前記酸素極側の電極触媒層に移動する。そして、前記プロトンは、前記酸素極側の電極触媒層で、前記電極触媒層に含まれる触媒の作用により、該酸素極に導入される前記酸化性ガス及び電子と反応して水を生成する。従って、前記燃料極と酸素極とを導線により接続することにより、前記燃料極で生成した電子を前記酸素極に送る回路が形成され、電流を取り出すことができる。   In the polymer electrolyte fuel cell, a reducing gas such as hydrogen or methanol is introduced through the diffusion layer using one electrode catalyst layer as a fuel electrode, and the diffusion layer is formed using the other electrode catalyst layer as an oxygen electrode. An oxidizing gas such as air or oxygen is introduced. In this way, on the fuel electrode side, protons and electrons are generated from the reducing gas by the action of the catalyst contained in the electrode catalyst layer, and the protons pass through the polymer electrolyte membrane to the oxygen electrode side. To the electrode catalyst layer. The protons react with the oxidizing gas and electrons introduced into the oxygen electrode by the action of the catalyst contained in the electrode catalyst layer in the electrode catalyst layer on the oxygen electrode side to generate water. Therefore, by connecting the fuel electrode and the oxygen electrode with a conducting wire, a circuit for sending electrons generated at the fuel electrode to the oxygen electrode is formed, and a current can be taken out.

前記電極構造体では、前記高分子電解質膜としていわゆる陽イオン交換樹脂に属するポリマー、例えばポリスチレンスルホン酸等のビニル系ポリマーのスルホン化物、ナフィオン(商品名、デュポン社製)を代表とするパーフルオロアルキルスルホン酸ポリマー、パーフルオロアルキルカルボン酸ポリマー、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン等の耐熱性高分子に、スルホン酸基またはリン酸基を導入したポリマー等の有機系ポリマーが好適に用いられる。   In the electrode structure, a perfluoroalkyl typified by a polymer belonging to a so-called cation exchange resin as the polymer electrolyte membrane, for example, a sulfonated product of vinyl polymer such as polystyrene sulfonic acid, Nafion (trade name, manufactured by DuPont). An organic polymer such as a polymer in which a sulfonic acid group or a phosphoric acid group is introduced into a heat-resistant polymer such as a sulfonic acid polymer, a perfluoroalkylcarboxylic acid polymer, polybenzimidazole, or polyether ether ketone is preferably used.

一方、スルホン化された剛直ポリフェニレンからなる固体高分子電解質が知られている(例えば、特許文献1参照)。前記剛直ポリフェニレンは、フェニレン連鎖からなる芳香族化合物を重合して得られるポリマーを主成分とし、これをスルホン化剤と反応させてスルホン酸基を導入している。   On the other hand, solid polymer electrolytes made of sulfonated rigid polyphenylene are known (see, for example, Patent Document 1). The rigid polyphenylene is mainly composed of a polymer obtained by polymerizing an aromatic compound comprising a phenylene chain, and this is reacted with a sulfonating agent to introduce a sulfonic acid group.

しかしながら、これら固体高分子燃料電池に好適に用いられる高分子電解質膜は、いずれもそのプロトン伝導性が膜の水含量に依存するため、燃料電池として高い発電性能を発現させるためには、高湿度条件を維持する必要があり、加湿装置の負荷が大きくなるという不都合がある。また、前記高分子電解質膜は、氷点下では、プロトン伝導に関与する高分子電解質膜中の水が凍結するため、プロトン伝導性が大きく低下し、発電ができなくなるという不都合もある。
米国特許第5,403,675号明細書 特開平2−159号公報 特開平7−220741号公報 Polymer Preprints, Japan, Vol.42, No.3, p.730(1993) Polymer Preprints, Japan, Vol.43, No.3, p.736(1994) Polymer Preprints, Japan, Vol.42, No.7, p.2490〜2492(1993)
However, since polymer electrolyte membranes suitably used for these solid polymer fuel cells all have proton conductivity that depends on the water content of the membrane, in order to achieve high power generation performance as a fuel cell, a high humidity Conditions have to be maintained, and there is a disadvantage that the load on the humidifier becomes large. In addition, the polymer electrolyte membrane has a disadvantage that, under freezing, water in the polymer electrolyte membrane involved in proton conduction freezes, so that proton conductivity is greatly reduced and power generation cannot be performed.
US Pat. No. 5,403,675 JP-A-2-159 Japanese Patent Laid-Open No. 7-220741 Polymer Preprints, Japan, Vol.42, No.3, p.730 (1993) Polymer Preprints, Japan, Vol.43, No.3, p.736 (1994) Polymer Preprints, Japan, Vol.42, No.7, p.2490-2492 (1993)

本発明は、かかる不都合を解消して、低加湿条件下および低温条件下においても高いプロトン伝導性を有し、優れた発電性能を備える固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体を提供することを目的とする。   The present invention provides a membrane / electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell that eliminates such inconvenience, has high proton conductivity even under low humidification conditions and low temperature conditions, and has excellent power generation performance. For the purpose.

また、本発明の目的は、前記膜・電極構造体を備え、低加湿条件下および低温条件下においても優れた発電性能を備える固体高分子型燃料電池を提供することにもある。   Another object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane / electrode structure and having excellent power generation performance even under low humidification conditions and low temperature conditions.

かかる目的を達成するために、本発明の固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体は、高分子電解質膜を、触媒を含む1対の電極で挟持した固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体において、前記高分子電解質膜は、イオン性液体と、スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体とからなることを特徴とする。   In order to achieve such an object, the membrane / electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises a membrane for a polymer electrolyte fuel cell in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes containing a catalyst. In the electrode structure, the polymer electrolyte membrane includes an ionic liquid and a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group.

本発明の膜・電極構造体は、前記高分子電解質膜が、イオン性液体と、スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体とからなるので、該イオン性液体により、該ポリアリーレン系共重合体の含有水に依存しないプロトン伝導機構が構成される。従って、本発明の膜・電極構造体では、低加湿条件下あるいは、水が凍結するような低温条件下においても、前記イオン性液体によりプロトンの伝導が行われ、優れた発電性能を得ることができる。   In the membrane / electrode structure of the present invention, since the polymer electrolyte membrane is composed of an ionic liquid and a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group, the polyarylene copolymer can be coated with the ionic liquid. A proton conduction mechanism independent of the water contained in the coalescence is constructed. Therefore, in the membrane / electrode structure of the present invention, proton conduction is performed by the ionic liquid under low humidification conditions or low temperature conditions in which water freezes, and excellent power generation performance can be obtained. it can.

前記イオン性液体は、低加湿条件下あるいは低温条件下においても、プロトンの伝導を良好に行うために、プロトン供与体を含むことが好ましい。前記プロトン供与体としてはは、例えば、トリフルオロメタンスルホン酸、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド酸、トリス(トリフルオロメチルスルホニル)メチド酸からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を挙げることができる。   The ionic liquid preferably contains a proton donor in order to satisfactorily conduct protons even under low humidification conditions or low temperature conditions. Examples of the proton donor include at least one compound selected from the group consisting of trifluoromethanesulfonic acid, bis (trifluoromethylsulfonyl) imidic acid, and tris (trifluoromethylsulfonyl) methideic acid. .

前記イオン性液体は、低加湿条件下あるいは低温条件下においても、プロトンの伝導を良好に行うために、前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体100重量部に対して0.5〜200重量部の範囲で含有されていることが好ましい。   The ionic liquid is used in an amount of 0.5 to 200 with respect to 100 parts by weight of the polyarylene copolymer having a sulfonic acid group in order to conduct protons well even under low humidification conditions or low temperature conditions. It is preferably contained in the range of parts by weight.

前記イオン性液体の含有量が前記ポリアリーレン系共重合体100重量部に対して0.5重量部未満であるときには、低加湿条件下あるいは低温条件下において、充分なプロトンの伝導性が得られないことがある。また、前記イオン性液体の含有量が前記ポリアリーレン系共重合体100重量部に対して200重量部を超えると、ポリアリーレン系共重合体の持つプロトン伝導性を阻害するため、低加湿条件下及び低温条件下以外の条件で充分なプロトン伝導性が得られないことがある。   When the content of the ionic liquid is less than 0.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the polyarylene copolymer, sufficient proton conductivity can be obtained under low humidification conditions or low temperature conditions. There may not be. In addition, if the content of the ionic liquid exceeds 200 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polyarylene copolymer, the proton conductivity of the polyarylene copolymer is inhibited, and therefore, under low humidification conditions, In addition, sufficient proton conductivity may not be obtained under conditions other than low temperature conditions.

前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体としては、例えば、次の一般式(1)で表される構成単位と、一般式(2)で表される構成単位とを含むものを挙げることができる。   Examples of the polyarylene-based copolymer having a sulfonic acid group include those containing a structural unit represented by the following general formula (1) and a structural unit represented by the general formula (2). Can do.

Figure 2006032181
Figure 2006032181

また、本発明の固体高分子型燃料電池は、前記イオン性液体と、スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体とからなる高分子電解質膜を、触媒を含む1対の電極で挟持した固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体を備えることを特徴とする。   Further, the solid polymer fuel cell of the present invention is a solid in which a polymer electrolyte membrane comprising the ionic liquid and a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group is sandwiched between a pair of electrodes including a catalyst. A membrane / electrode structure for a polymer fuel cell is provided.

本発明の固体高分子型燃料電池は、前記膜・電極構造体を備えるので、低加湿条件下あるいは低温条件下においても、優れた発電性能を得ることができる。   Since the polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes the membrane / electrode structure, excellent power generation performance can be obtained even under low humidification conditions or low temperature conditions.

次に、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳しく説明する。図1は本実施形態の膜・電極構造体の構成を示す説明的断面図である。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory sectional view showing the configuration of the membrane / electrode structure of the present embodiment.

本実施形態の膜・電極構造体は、図1に示すように、一対の電極触媒層1,1と、両電極触媒層1,1に挟持された高分子電解質膜2と、各電極触媒層1,1の上に積層されたガス拡散層3,3とからなる。   As shown in FIG. 1, the membrane / electrode structure of this embodiment includes a pair of electrode catalyst layers 1, 1, a polymer electrolyte membrane 2 sandwiched between both electrode catalyst layers 1, 1, and each electrode catalyst layer. 1, gas diffusion layers 3 and 3 stacked on top of each other.

前記電極触媒層1は、触媒とイオン伝導性高分子電解質とからなる。   The electrode catalyst layer 1 is composed of a catalyst and an ion conductive polymer electrolyte.

前記触媒としては細孔の発達したカーボン材料に白金または白金合金を担持させた担持触媒が好ましい。細孔の発達したカーボン材料としては、カーボンブラックや活性炭等を好ましく使用することができる。前記カーボンブラックとしては、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック等を挙げることができ、また前記活性炭としては、種々の炭素原子を含む材料を炭化、賦活処理して得られたもの等を挙げることができる。また、これらのカーボン材料に黒鉛化処理を施したものを用いてもよい。   The catalyst is preferably a supported catalyst in which platinum or a platinum alloy is supported on a carbon material having developed pores. As the carbon material having developed pores, carbon black, activated carbon, or the like can be preferably used. Examples of the carbon black include channel black, furnace black, thermal black, acetylene black and the like, and the activated carbon includes those obtained by carbonizing and activating various carbon atom-containing materials. Can be mentioned. Moreover, you may use what carbonitized these carbon materials.

前記触媒は、カーボン担体に白金を担持させたものであってもよいが、白金合金を使用することにより、さらに電極触媒としての安定性や活性を付与することもできる。前記白金合金としては、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム等の白金以外の白金族金属、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛、及びスズからなる群から選ばれる1種以上の金属と白金との合金が好ましい。前記白金合金には白金と合金化される金属との金属間化合物が含有されていてよい。   The catalyst may be one in which platinum is supported on a carbon support, but by using a platinum alloy, stability and activity as an electrode catalyst can be further imparted. Examples of the platinum alloy include platinum group metals other than platinum such as ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, iron, titanium, gold, silver, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, rhenium, zinc, and tin. An alloy of one or more metals selected from the group consisting of and platinum is preferred. The platinum alloy may contain an intermetallic compound with a metal alloyed with platinum.

白金または白金合金の担持率(担持触媒の全質量に対する白金または白金合金の質量の割合)は、高出力を得るために、20〜80質量%、特に30〜55質量%の範囲であることが好ましい。前記担持率が20質量%未満では、充分な出力を得られないおそれがあり、80質量%を超えると、白金または白金合金の粒子を分散性よく担体となるカーボン材料に担持できないおそれがある。   The supported rate of platinum or platinum alloy (ratio of the mass of platinum or platinum alloy to the total mass of the supported catalyst) may be in the range of 20 to 80% by mass, particularly 30 to 55% by mass in order to obtain high output. preferable. If the loading rate is less than 20% by mass, sufficient output may not be obtained. If the loading rate exceeds 80% by mass, platinum or platinum alloy particles may not be supported on the carbon material serving as a carrier with good dispersibility.

また、白金または白金合金の一次粒子径は、高活性なガス拡散電極を得るためには1〜20nmであることが好ましく、特に反応活性の点で白金または白金合金の表面積を大きく確保できる2〜5nmであることが好ましい。また、白金または白金合金は触媒粒子中に0.1〜1.0mg/cmの範囲で含まれていることが好ましい。 Further, the primary particle diameter of platinum or platinum alloy is preferably 1 to 20 nm in order to obtain a highly active gas diffusion electrode, and in particular, a large surface area of platinum or platinum alloy can be ensured in terms of reaction activity. 5 nm is preferable. Moreover, it is preferable that platinum or a platinum alloy is contained in the range of 0.1-1.0 mg / cm < 2 > in a catalyst particle.

電極触媒層1は、前記担持触媒に加え、スルホン酸基を有するイオン伝導性高分子電解質を含む。通常、担持触媒は前記高分子電解質により被覆されており、該高分子電解質の繋がっている経路を通ってプロトン(H)が移動する。 The electrode catalyst layer 1 includes an ion conductive polymer electrolyte having a sulfonic acid group in addition to the supported catalyst. Usually, the supported catalyst is covered with the polymer electrolyte, and protons (H + ) move through a path where the polymer electrolyte is connected.

スルホン酸基を有するイオン伝導性高分子電解質としては、特に、デュポン社製ナフィオン(商品名)、旭硝子株式会社製フレミオン(商品名)、旭化成株式会社製アシプレックス(商品名)等に代表されるパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物が好適に用いられる。なおパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物だけでなく、本明細書に記載のスルホン化ポリアリーレン系共重合体等の芳香族系炭化水素化合物を主とするイオン伝導性高分子電解質を用いてもよい。   Examples of the ion conductive polymer electrolyte having a sulfonic acid group are represented by Nafion (trade name) manufactured by DuPont, Flemion (trade name) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and Aciplex (trade name) manufactured by Asahi Kasei Corporation. A perfluoroalkylenesulfonic acid polymer compound is preferably used. In addition to the perfluoroalkylene sulfonic acid polymer compound, an ion conductive polymer electrolyte mainly composed of an aromatic hydrocarbon compound such as a sulfonated polyarylene copolymer described in the present specification may be used. .

前記高分子電解質膜2は、イオン性液体と、スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体とからなる。   The polymer electrolyte membrane 2 is composed of an ionic liquid and a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group.

前記イオン性液体は、カチオン成分とアニオン成分とから構成され、融点が100℃以下、好ましくは80℃以下、さらに好ましくは50℃以下である。   The ionic liquid is composed of a cation component and an anion component, and has a melting point of 100 ° C. or lower, preferably 80 ° C. or lower, more preferably 50 ° C. or lower.

前記カチオン成分としては、イミダゾリウム、ピリジニウム、アンモニウム、ピロリジニウム、ルチジニウム、トリアゾリウム、インドリウム、ピラゾリウム、カルバゾリウム化合物等を挙げることができる。前記カチオン成分は、具体的には、1,3−ジメチルイミダゾリウムカチオン、1,3−ジエチルイミダゾリウムカチオン、1,2−ジメチルイミダゾリウムカチオン、1,2−ジエチルイミダゾリウムカチオン、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムカチオン、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムカチオン、2−エチル−1−メチルイミダゾリウムカチオン、1−エチル−2−メチルイミダゾリウムカチオン、1,2,3−トリメチルイミダゾリウムカチオン、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムカチオン、1−メチルイミダゾリウムカチオン、2−メチルイミダゾリウムカチオン、1−エチルイミダゾリウムカチオン、2−エチルイミダゾリウムカチオン、1−ビニルイミダゾリウムカチオン、1−メチルピロリジニウムカチオン、2,4−ルチジニウムカチオン、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムカチオン、1,2−ジメチル−1,2,4−トリアゾリウムカチオン、1−ブチルピリジニウムカチオン、2−メチル−1−ピロリウムカチオン、1−エチル−2−フェニルインドリウムカチオン、1,2−ジメチルインドリウムカチオン、1−エチルカルバゾリウムカチオン、1−メチルピラゾリウムカチオン等を挙げることができる。   Examples of the cationic component include imidazolium, pyridinium, ammonium, pyrrolidinium, lutidinium, triazolium, indolium, pyrazolium, and carbazolium compounds. Specific examples of the cation component include 1,3-dimethylimidazolium cation, 1,3-diethylimidazolium cation, 1,2-dimethylimidazolium cation, 1,2-diethylimidazolium cation, 1-ethyl- 3-methylimidazolium cation, 1-methyl-3-propylimidazolium cation, 2-ethyl-1-methylimidazolium cation, 1-ethyl-2-methylimidazolium cation, 1,2,3-trimethylimidazolium cation 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium cation, 1-methylimidazolium cation, 2-methylimidazolium cation, 1-ethylimidazolium cation, 2-ethylimidazolium cation, 1-vinylimidazolium cation, 1 -Methylpyrrolidi Cation, 2,4-lutidinium cation, 1-butyl-3-methylimidazolium cation, 1,2-dimethyl-1,2,4-triazolium cation, 1-butylpyridinium cation, 2-methyl-1 -Pyrrolium cation, 1-ethyl-2-phenylindolium cation, 1,2-dimethylindolium cation, 1-ethylcarbazolium cation, 1-methylpyrazolium cation and the like.

アニオン成分としては、カルボン酸、スルホン酸、スルホン酸化合物、無機酸等を挙げることができ、具体的には、CHCO 、CFCO 、CCO 、CFSO 、(CFSO、CSO 、(CFSO、BF 、PF 、ClO 、NO 、NO 、AlCl 、AlCl 、AlCl 等を挙げることができる。 Examples of the anionic component include carboxylic acid, sulfonic acid, sulfonic acid compound, inorganic acid, and the like. Specifically, CH 3 CO 2 , CF 3 CO 2 , C 3 F 7 CO 2 , CF 3 SO 3 , (CF 3 SO 2 ) 3 C , C 4 F 9 SO 3 , (CF 3 SO 2 ) 2 N , BF 4 , PF 6 , ClO 4 , NO 3 , NO 2 -, AlCl 4 -, Al 3 Cl 8 -, Al 2 Cl 2 - and the like.

前記カチオン成分とアニオン成分とから構成される具体的な化合物としては、例えば、N−エチルイミダゾール・ビス(トリフルオロメチルスルホニルイミド)等を挙げることができる。   Specific examples of the compound composed of the cation component and the anion component include N-ethylimidazole bis (trifluoromethylsulfonylimide).

また、分子内にカチオン成分とアニオン成分とを併せ持つ双性イオン(Zwitterion)型イオン性液体を使用することもできる。双性イオン型イオン性液体としては、下記の化合物を挙げることができる。   A zwitterion type ionic liquid having both a cation component and an anion component in the molecule can also be used. Examples of the zwitterionic ionic liquid include the following compounds.

Figure 2006032181
Figure 2006032181

前記イオン性液体は、通常、スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体100重量部に対して0.5〜200重量部、好ましくは5〜100重量部、より好ましくは7〜80重量部の量で用いられる。前記イオン性液体は、前記ポリアリーレン系共重合体に前記範囲で含有されていることにより、低加湿条件および低温度条件での高分子電解質膜2のプロトン伝導性を効果的に改善することができる。   The ionic liquid is usually 0.5 to 200 parts by weight, preferably 5 to 100 parts by weight, more preferably 7 to 80 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polyarylene copolymer having a sulfonic acid group. Used in quantity. When the ionic liquid is contained in the polyarylene-based copolymer within the above range, the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane 2 under low humidification conditions and low temperature conditions can be effectively improved. it can.

前記イオン性液体は、前記カチオン成分とアニオン成分とからなるイオン性液体を単独で用いることもできるが、該イオン性液体にプロトン供与体を組み合わせて複合化させたものを用いてもよい。このように、イオン性液体にプロトン供与体を含有させることにより、高分子電解質膜2のプロトン伝導性をさらに優れたものとすることができる。   As the ionic liquid, an ionic liquid composed of the cation component and the anion component can be used alone, or a combination of the ionic liquid combined with a proton donor may be used. Thus, the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane 2 can be further improved by adding a proton donor to the ionic liquid.

前記プロトン供与体としては、リン酸、硫酸、スルホン酸、無機固体酸およびこれらの誘導体を挙げることができる。具体的には、トリフルオロメタンスルホン酸、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド酸、トリス(トリフルオロメチルスルホニル)メチド酸を挙げることができる。これらの中では、トリフルオロメタンスルホン酸、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド酸、トリス(トリフルオロメチルスルホニル)メチド酸が好ましい。   Examples of the proton donor include phosphoric acid, sulfuric acid, sulfonic acid, inorganic solid acid, and derivatives thereof. Specific examples include trifluoromethanesulfonic acid, bis (trifluoromethylsulfonyl) imidic acid, and tris (trifluoromethylsulfonyl) methide acid. Among these, trifluoromethanesulfonic acid, bis (trifluoromethylsulfonyl) imidic acid, and tris (trifluoromethylsulfonyl) methide acid are preferable.

イオン性液体に対するプロトン供与体の混合比は、特に限定されないが、通常、イオン性液体のカチオン成分に対して0.001〜1当量、好ましくは0.01〜0.7当量、より好ましくは0.05〜0.5当量の範囲で混合される。プロトン供与体の混合量が過剰であると、プロトン伝導性が低下する傾向にあり、逆にプロトン供与体の混合量が少なすぎると、プロトン伝導度の向上効果が得られないことがある。   The mixing ratio of the proton donor to the ionic liquid is not particularly limited, but is usually 0.001 to 1 equivalent, preferably 0.01 to 0.7 equivalent, more preferably 0 to the cation component of the ionic liquid. It is mixed in the range of 0.05 to 0.5 equivalent. If the mixing amount of the proton donor is excessive, the proton conductivity tends to decrease. Conversely, if the mixing amount of the proton donor is too small, the effect of improving the proton conductivity may not be obtained.

前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体は、次の一般式(1)で表される構成単位と、一般式(2)で表される構成単位とを含んでおり、一般式(3)で表される単位を有する重合体である。   The polyarylene-based copolymer having a sulfonic acid group includes a structural unit represented by the following general formula (1) and a structural unit represented by the general formula (2). ).

Figure 2006032181
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一般式(1)中、Aは2価の電子吸引性基を示し、具体的には、−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF−(qは1〜10の整数である)、−C(CF−等を挙げることができる。なお、電子吸引性基とは、ハメット(Hammett)置換基常数がフェニル基のm位の場合、0.06以上、p位の場合、0.01以上の値となる基をいう。 In the general formula (1), A represents a divalent electron-withdrawing group, specifically, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ). q - (q is an integer of 1 to 10), - C (CF 3) 2 - and the like. The electron-withdrawing group refers to a group having a Hammett substituent constant of 0.06 or more when the phenyl group is in the m-position and 0.01 or more when it is in the p-position.

Bは2価の電子供与性基または直接結合を示し、電子供与性基の具体的としては、−CH−、−C(CH−、−O−、−S−、−CH=CH−、−C≡C−、 B represents a divalent electron-donating group or a direct bond. Specific examples of the electron-donating group include —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —O—, —S—, —CH═. CH-, -C≡C-,

Figure 2006032181
等を挙げることができる。
Figure 2006032181
Etc.

Arは−SOHで表される置換基を有する芳香族基を示す。前記芳香族基として、具体的には、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナンチル基等を挙げることができる。これらの芳香族基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。 Ar represents an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H. Specific examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, and a phenanthyl group. Of these aromatic groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable.

mは0〜10、好ましくは0〜2の整数を示し、nは0〜10、好ましくは0〜2の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。   m represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, n represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and k represents an integer of 1 to 4.

Figure 2006032181
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一般式(2)中、R〜Rは、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基、アリール基、シアノ基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。 In general formula (2), R 1 to R 8 may be the same as or different from each other, and are selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group. At least one atom or group selected.

アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基等を挙げることができるが、メチル基、エチル基等が好ましい。   Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, and a hexyl group, and a methyl group and an ethyl group are preferable.

フッ素置換アルキル基としては、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基等を挙げることができるが、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基が好ましい。   Examples of the fluorine-substituted alkyl group include a trifluoromethyl group, a pentafluoroethyl group, a perfluoroethyl group, a perfluoropropyl group, a perfluorobutyl group, a perfluoropentyl group, and a perfluorohexyl group. A fluoromethyl group and a pentafluoroethyl group are preferred.

アリル基としては、プロペニル基を挙げることができ、アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基等を挙げることができる。   Examples of the allyl group include a propenyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.

Wは単結合または2価の電子吸引性基を示し、Tは単結合または2価の有機基を示す。pは0または正の整数であり、上限は通常100、好ましくは10〜80である。   W represents a single bond or a divalent electron-withdrawing group, and T represents a single bond or a divalent organic group. p is 0 or a positive integer, and the upper limit is usually 100, preferably 10-80.

Figure 2006032181
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一般式(3)中、W,T,A,B,Ar,m,n,k,pおよびR〜Rは、それぞれ前記一般式(1)、一般式(2)中のW,T,A,B,Ar,m,n,k,pおよびR〜Rと同義である。xおよびyは、x+y=100(モル%)とした場合のモル比を示す。 In general formula (3), W, T, A, B, Ar, m, n, k, p and R 1 to R 8 are respectively W, T in general formula (1) and general formula (2). , A, B, Ar, m, n, k, p and R 1 to R 8 . x and y represent molar ratios when x + y = 100 (mol%).

前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体は、一般式(1)で表される構成単位を0.5〜100モル%、好ましくは10〜99.999モル%の割合で含有し、一般式(2)で表される構成単位を99.5〜0モル%、好ましくは90〜0.001モル%の割合で含有している。   The polyarylene copolymer having a sulfonic acid group contains the structural unit represented by the general formula (1) in a proportion of 0.5 to 100 mol%, preferably 10 to 99.999 mol%. The structural unit represented by the formula (2) is contained in a ratio of 99.5 to 0 mol%, preferably 90 to 0.001 mol%.

前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体は、例えば、前記一般式(1)においてスルホン酸基に代えてスルホン酸エステル基を有する構成単位となり得るモノマーと、前記一般式(2)で表される構造単位となり得るオリゴマーとを共重合させ、スルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系共重合体を製造し、このスルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系共重合体を加水分解して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基に変換することにより合成することができる。   The polyarylene-based copolymer having a sulfonic acid group includes, for example, a monomer that can be a structural unit having a sulfonic acid ester group in place of the sulfonic acid group in the general formula (1), and the general formula (2). To produce a polyarylene copolymer having a sulfonic acid ester group and hydrolyzing the polyarylene copolymer having a sulfonic acid ester group to obtain a sulfonic acid. It can be synthesized by converting an ester group to a sulfonic acid group.

また、前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体は、例えば、前記一般式(1)においてスルホン酸基を有しない構成単位と、前記一般式(2)で表される構成単位とからなるポリアリーレン系共重合体を予め合成し、この共重合体をスルホン化することにより合成することもできる。   The polyarylene-based copolymer having a sulfonic acid group includes, for example, a structural unit having no sulfonic acid group in the general formula (1) and a structural unit represented by the general formula (2). It is also possible to synthesize a polyarylene-based copolymer in advance and sulphonate the copolymer.

前記一般式(1)においてスルホン酸基に代えてスルホン酸エステル基を有する構成単位となりうるモノマーとしては、例えば、次の一般式(4)で表されるスルホン酸エステル(以下、モノマー(4)ということがある)を挙げることができる。   Examples of the monomer that can be a structural unit having a sulfonic acid ester group in place of the sulfonic acid group in the general formula (1) include a sulfonic acid ester represented by the following general formula (4) (hereinafter, monomer (4)) Can be mentioned).

Figure 2006032181
Figure 2006032181

一般式(4)中、Xはフッ素を除くハロゲン原子(塩素、臭素、ヨウ素)、−OSOZ(ここで、Zはアルキル基、フッ素置換アルキル基またはアリール基を示す)から選ばれる原子または基を示し、A,B,m,nおよびkは、それぞれ前記一般式(1)中のA,B,m,nおよびkと同義である。 In the general formula (4), X is an atom selected from halogen atoms other than fluorine (chlorine, bromine, iodine), —OSO 2 Z (wherein Z represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, or an aryl group) or A, B, m, n and k are the same as A, B, m, n and k in the general formula (1), respectively.

は炭素原子数1〜20、好ましくは4〜20の炭化水素基を示し、具体的には、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、tert−ブチル基、iso−ブチル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、ネオペンチル基、シクロペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、シクロペンチルメチル基、シクロへキシルメチル基、アダマンチル基、アダマンチルメチル基、2−エチルへキシル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基、テトラヒドロフルフリル基、2−メチルブチル基、3,3−ジメチル−2,4−ジオキソランメチル基、シクロヘキシルメチル基等の直鎖状炭化水素基、分岐状炭化水素基、脂環式炭化水素基、5員の複素環を有する炭化水素基等を挙げることができる。これらの中では、n−ブチル基、ネオペンチル基、テトラヒドロフルフリル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基が好ましく、特にネオペンチル基が好ましい。 R a represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, preferably 4 to 20 carbon atoms. Specifically, methyl group, ethyl group, n-propyl group, iso-propyl group, tert-butyl group, iso- Butyl group, n-butyl group, sec-butyl group, neopentyl group, cyclopentyl group, hexyl group, cyclohexyl group, cyclopentylmethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantyl group, adamantylmethyl group, 2-ethylhexyl group, bicyclo [ 2.2.1] heptyl group, bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group, tetrahydrofurfuryl group, 2-methylbutyl group, 3,3-dimethyl-2,4-dioxolanemethyl group, cyclohexylmethyl group, etc. Linear hydrocarbon groups, branched hydrocarbon groups, alicyclic hydrocarbon groups, hydrocarbon groups having a 5-membered heterocyclic ring, etc. wear. Among these, n-butyl group, neopentyl group, tetrahydrofurfuryl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group, and bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group are preferable, and neopentyl group is particularly preferable. preferable.

Arは−SOで表される置換基を有する芳香族基を示す。前記芳香族基として具体的にはフェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナンチル基等を挙げることができる。これらの基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。 Ar represents an aromatic group having a substituent represented by -SO 3 R b. Specific examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, and a phenanthyl group. Of these groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable.

置換基−SOは、芳香族基に1個または2個以上置換しており、置換基−SOが2個以上置換している場合には、これらの置換基は互いに同一でも異なっていてもよい。 Substituents -SO 3 R b is substituted one or two or more aromatic groups, when the substituent -SO 3 R b is substituted two or more, these substituents is each independently But it can be different.

ここで、Rは炭素原子数1〜20、好ましくは4〜20の炭化水素基を示し、具体的には前記炭化水素原子数1〜20の炭化水素基等を挙げることができる。これらの中では、n−ブチル基、ネオペンチル基、テトラヒドロフルフリル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基が好ましく、特にネオペンチル基が好ましい。 Here, R b represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, preferably 4 to 20 carbon atoms, and specific examples thereof include the hydrocarbon groups having 1 to 20 hydrocarbon atoms. Among these, n-butyl group, neopentyl group, tetrahydrofurfuryl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group, and bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group are preferable, and neopentyl group is particularly preferable. preferable.

一般式(4)で表されるスルホン酸エステルの具体例としては、以下のような化合物を挙げることができる。   Specific examples of the sulfonic acid ester represented by the general formula (4) include the following compounds.

Figure 2006032181
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また、一般式(4)で表されるスルホン酸エステルは、前記具体例の化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わった化合物、前記化合物において−CO−が−SO−に置き換わった化合物、前記化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わり、かつ、−CO−が−SO−に置き換わった化合物等も含む。 In addition, the sulfonate ester represented by the general formula (4) is a compound in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom in the compound of the specific example, a compound in which —CO— is replaced with —SO 2 — in the compound, or the compound in the chlorine atom is replaced with a bromine atom, and, -CO- is -SO 2 - also includes compounds such as replacing a.

一般式(4)中のR基は1級アルコール由来で、β炭素が3級または4級炭素であることが、重合工程中の安定性に優れ、脱エステル化によるスルホン酸の生成に起因する重合阻害や架橋を引き起こさない点で好ましく、さらには、これらのエステル基は1級アルコール由来でβ位が4級炭素であることが好ましい。 The R b group in the general formula (4) is derived from a primary alcohol, and the β carbon is a tertiary or quaternary carbon, which is excellent in stability during the polymerization process and originates from the formation of sulfonic acid by deesterification. It is preferable in that it does not cause polymerization inhibition or crosslinking, and it is preferable that these ester groups are derived from primary alcohols and the β-position is a quaternary carbon.

また、前記一般式(1)において、スルホン酸基を有しない化合物の具体例としては、下記のような化合物を挙げることができる。   In the general formula (1), specific examples of the compound having no sulfonic acid group include the following compounds.

Figure 2006032181
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前記一般式(1)においてスルホン酸基を有しない化合物は、前記具体例の化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わった化合物、前記化合物において−CO−が−SO−に置き換わった化合物、前記化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わり、かつ、−CO−が−SO−に置き換わった化合物等も含む。 The compound having no sulfonic acid group in the general formula (1) is a compound in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom in the compound of the specific example, a compound in which —CO— is replaced with —SO 2 — in the compound, or the compound in the chlorine atom is replaced with a bromine atom, and, -CO- is -SO 2 - also includes compounds such as replacing a.

前記一般式(2)の構成単位となりうるオリゴマーとしては、例えば次の一般式(5)で表されるオリゴマー(以下「オリゴマー(5)」ということがある)を挙げることができる。   Examples of the oligomer that can be a constituent unit of the general formula (2) include an oligomer represented by the following general formula (5) (hereinafter sometimes referred to as “oligomer (5)”).

Figure 2006032181
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一般式(5)中、R’、R’’は互いに同一でも異なっていてもよく、フッ素原子を除くハロゲン原子(塩素、臭素、ヨウ素)、−OSOZ(ここで、Zはアルキル基、フッ素置換アルキル基またはアリール基を示す)から選ばれた原子または基を示す。Zが示すアルキル基としては、メチル基、エチル基等を挙げることができ、フッ素置換アルキル基としてはトリフルオロメチル基等を挙げることができ、アリール基としては、フェニル基、p−トリル基等を挙げることができる。 In the general formula (5), R ′ and R ″ may be the same or different from each other, and are a halogen atom excluding a fluorine atom (chlorine, bromine, iodine), —OSO 2 Z (where Z is an alkyl group, An atom or group selected from a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group. Examples of the alkyl group represented by Z include a methyl group and an ethyl group, examples of the fluorine-substituted alkyl group include a trifluoromethyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a p-tolyl group. Can be mentioned.

〜Rは互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基、アリール基およびシアノ基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。 R 1 to R 8 may be the same as or different from each other, and at least one atom selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, an aryl group, and a cyano group, or Indicates a group.

アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基等を挙げることができ、メチル基、エチル基等が好ましい。フッ素置換アルキル基としては、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基等を挙げることができ、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基等が好ましい。アリル基としては、プロペニル基等を挙げることができ、アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基等を挙げることができる。   Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, and a hexyl group, and a methyl group and an ethyl group are preferable. Examples of the fluorine-substituted alkyl group include a trifluoromethyl group, a pentafluoroethyl group, a perfluoroethyl group, a perfluoropropyl group, a perfluorobutyl group, a perfluoropentyl group, and a perfluorohexyl group. A methyl group, a pentafluoroethyl group and the like are preferable. Examples of the allyl group include a propenyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.

Wは2価の電子吸引性基または単結合を示し、電子吸引性基としては、一般式(1)について述べたものと同様の基を挙げることができる。Tは2価の有機基または単結合であって、前記有機基は電子吸引性基であっても電子供与性基であってもよい。電子吸引性基または電子供与性基としては、一般式(1)について述べたものと同様の基を挙げることができる。pは0または正の整数であり、上限は通常100、好ましくは10〜80である。   W represents a divalent electron-withdrawing group or a single bond, and examples of the electron-withdrawing group include the same groups as those described for the general formula (1). T is a divalent organic group or a single bond, and the organic group may be an electron-withdrawing group or an electron-donating group. Examples of the electron-withdrawing group or the electron-donating group include the same groups as those described for the general formula (1). p is 0 or a positive integer, and the upper limit is usually 100, preferably 10-80.

前記一般式(5)で表される化合物としては、2,2−ビス[4−{4−(4−クロロベンゾイル)フェノキシ}フェニル]―1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、ビス[4−{4−(4−クロロベンゾイル)フェノキシ}フェニル]スルホンに加え、以下のような化合物を挙げることができる。   Examples of the compound represented by the general formula (5) include 2,2-bis [4- {4- (4-chlorobenzoyl) phenoxy} phenyl] -1,1,1,3,3,3-hexafluoro. In addition to propane and bis [4- {4- (4-chlorobenzoyl) phenoxy} phenyl] sulfone, the following compounds can be exemplified.

Figure 2006032181
Figure 2006032181

前記一般式(5)で表される化合物は、例えば、以下に示す方法で合成することができる。   The compound represented by the general formula (5) can be synthesized, for example, by the method shown below.

まず、電子吸引性基で連結されたビスフェノールを、対応するビスフェノールのアルカリ金属塩とするために、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジフェニルスルホン、ジメチルスルホキサイド等の誘電率の高い極性溶媒中で、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属、水素化アルカリ金属、水酸化アルカリ金属、アルカリ金属炭酸塩等を加える。アルカリ金属はフェノールの水酸基に対し、過剰気味で反応させ、通常、1.1〜2倍当量、好ましくは1.2〜1.5倍当量で使用する。   First, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, sulfolane, diphenylsulfone, dimethylsulfoxide, etc. are used in order to convert the bisphenol linked with an electron-withdrawing group into the corresponding alkali metal salt of bisphenol. In a polar solvent having a high dielectric constant, an alkali metal such as lithium, sodium or potassium, an alkali metal hydride, an alkali metal hydroxide, an alkali metal carbonate or the like is added. The alkali metal is reacted in excess with respect to the hydroxyl group of phenol, and is usually used in an amount of 1.1 to 2 times equivalent, preferably 1.2 to 1.5 times equivalent.

このとき、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキサン、シクロヘキサン、オクタン、クロロベンゼン、ジオキサン、テトラヒドロフラン、アニソール、フェネトール等の水と共沸する溶媒を共存させて、電子吸引性基で活性化されたフッ素、塩素等のハロゲン原子で置換された芳香族ジハライド化合物を反応させる。前記芳香族ジハライド化合物としては、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、4,4’−クロロフルオロベンゾフェノン、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、ビス(4−フルオロフェニル)スルホン、4−フルオロフェニル−4’−クロロフェニルスルホン、ビス(3−ニトロ−4−クロロフェニル)スルホン、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、ヘキサフルオロベンゼン、デカフルオロビフェニル、2,5−ジフルオロベンゾフェノン、1,3−ビス(4−クロロベンゾイル)ベンゼン等を挙げることができる。前記芳香族ジハライド化合物は、反応性からいえばフッ素化合物が好ましいが、次いで芳香族カップリング反応を行うことを考慮した場合、末端が塩素原子となるように芳香族求核置換反応を組み立てることが好ましい。   At this time, fluorine, chlorine, etc. activated with an electron-withdrawing group in the presence of water and an azeotropic solvent such as benzene, toluene, xylene, hexane, cyclohexane, octane, chlorobenzene, dioxane, tetrahydrofuran, anisole, phenetole, etc. The aromatic dihalide compound substituted with the halogen atom is reacted. Examples of the aromatic dihalide compound include 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-chlorofluorobenzophenone, bis (4-chlorophenyl) sulfone, bis (4-fluorophenyl) sulfone, 4-fluorophenyl-4′-chlorophenylsulfone, bis (3-nitro-4-chlorophenyl) sulfone, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, hexafluorobenzene, decafluorobiphenyl, 2,5 -Difluorobenzophenone, 1,3-bis (4-chlorobenzoyl) benzene and the like can be mentioned. The aromatic dihalide compound is preferably a fluorine compound from the viewpoint of reactivity. However, in consideration of performing an aromatic coupling reaction, it is possible to assemble an aromatic nucleophilic substitution reaction so that the terminal is a chlorine atom. preferable.

前記電子吸引性基で活性化された芳香族ジハライド化合物は、前記ビスフェノールに対し、2〜4倍モル、好ましくは2.2〜2.8倍モル用いる。芳香族求核置換反応の前に予め、ビスフェノールのアルカリ金属塩としておいてもよい。反応温度は60〜300℃、好ましくは80〜250℃の範囲である。反応時間は15分〜100時間、好ましくは1〜24時間である。   The aromatic dihalide compound activated with the electron-withdrawing group is used in an amount of 2 to 4 times mol, preferably 2.2 to 2.8 times mol of the bisphenol. Prior to the aromatic nucleophilic substitution reaction, an alkali metal salt of bisphenol may be used. The reaction temperature is in the range of 60 to 300 ° C, preferably 80 to 250 ° C. The reaction time is 15 minutes to 100 hours, preferably 1 to 24 hours.

最も好ましい方法としては、次式で示されるように、前記電子吸引性基で活性化された芳香族ジハライド化合物として、反応性の異なるハロゲン原子を一個ずつ有するクロロフルオロ体を用いることである。前記クロロフルオロ体によれば、フッ素原子とフェノキシドとの間に優先的に求核置換反応が起きるので、目的の活性化された末端クロロ体を得るのに好都合である。   The most preferable method is to use a chlorofluoro compound having one halogen atom having a different reactivity as the aromatic dihalide compound activated with the electron-withdrawing group, as shown by the following formula. According to the chlorofluoro product, a nucleophilic substitution reaction occurs preferentially between the fluorine atom and phenoxide, which is convenient for obtaining the desired activated terminal chloro product.

Figure 2006032181
Figure 2006032181

式中、Wは一般式(5)と同義である。   In formula, W is synonymous with General formula (5).

また、求核置換反応と親電子置換反応とを組み合わせて、目的の電子吸引性基と、電子供与性基とを有する屈曲性化合物を合成してもよい(例えば、特許文献2参照)。   Further, a flexible compound having a target electron-withdrawing group and an electron-donating group may be synthesized by combining a nucleophilic substitution reaction and an electrophilic substitution reaction (see, for example, Patent Document 2).

具体的には、電子吸引性基で活性化された芳香族ジハライド化合物としては、前記化合物を挙げることができる。フェノール化合物は置換されていてもよいが、耐熱性や屈曲性の観点から無置換化合物が好ましい。尚、フェノールの置換反応にはアルカリ金属塩とすることが好ましく、使用可能なアルカリ金属化合物としては、前記化合物を挙げることができる。使用量はフェノール1モルに対し、1.2〜2倍モルである。反応に際し、前記極性溶媒または水との共沸溶媒を用いることができる。   Specifically, examples of the aromatic dihalide compound activated with an electron-withdrawing group include the aforementioned compounds. The phenol compound may be substituted, but an unsubstituted compound is preferable from the viewpoint of heat resistance and flexibility. In addition, it is preferable to set it as an alkali metal salt for the substitution reaction of a phenol, and the said compound can be mentioned as an alkali metal compound which can be used. The amount used is 1.2 to 2 moles per mole of phenol. In the reaction, the polar solvent or an azeotropic solvent with water can be used.

クロロ安息香酸クロライドは、ビスフェノキシ化合物に対し2〜4倍モル、好ましくは2.2〜3倍モルで用いる。また、ビスフェノキシ化合物と、アシル化剤であるクロロ安息香酸クロライドとのフリーデルクラフト反応は、塩化アルミニウム、三フッ化ホウ素、塩化亜鉛等のフリーデルクラフト活性化剤の存在下で行うことが好ましい。フリーデルクラフト活性化剤は、アシル化剤のクロロ安息香酸等の活性ハライド化合物1モルに対し、1.1〜2倍当量使用する。反応時間は15分〜10時間の範囲で、反応温度は−20〜80℃の範囲である。溶媒としては、フリーデルクラフト反応に不活性なクロロベンゼンやニトロベンゼン等を用いることができる。   Chlorobenzoic acid chloride is used in an amount of 2 to 4 times mol, preferably 2.2 to 3 times mol of the bisphenoxy compound. The Friedel-Craft reaction between the bisphenoxy compound and the acylating agent chlorobenzoic acid chloride is preferably performed in the presence of a Friedel-Craft activator such as aluminum chloride, boron trifluoride, or zinc chloride. . The Friedel-Craft activator is used in an amount of 1.1 to 2 times equivalent to 1 mol of an active halide compound such as chlorobenzoic acid as an acylating agent. The reaction time is in the range of 15 minutes to 10 hours, and the reaction temperature is in the range of -20 to 80 ° C. As the solvent, chlorobenzene, nitrobenzene and the like which are inert to Friedel-Craft reaction can be used.

また、一般式(5)において、pが2以上である化合物は、例えば、一般式(5)における電子供与性基Tであるエーテル性酸素の供給源となるビスフェノールと、電子吸引性基Wである、−CO−、−SO−、−C(CF−から選ばれる少なくとも1種の基とを組み合わせた化合物、具体的には2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン等のビスフェノールのアルカリ金属塩と、過剰の4,4−ジクロロベンゾフェノン、ビス(4−クロロフェニル)スルホン等の活性芳香族ハロゲン化合物との置換反応を、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、スルホラン等の極性溶媒の存在下で、前記単量体の合成手法に順次重合して得られる。このような化合物の例として、以下のような化合物を挙げることができる。 Further, in the general formula (5), the compound in which p is 2 or more is, for example, a bisphenol serving as a source of etheric oxygen that is the electron donating group T in the general formula (5) and an electron withdrawing group W. A compound in combination with at least one group selected from —CO—, —SO 2 —, and —C (CF 3 ) 2 —, specifically 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1 , 1,1,3,3,3-hexafluoropropane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) sulfone and other alkali metal salts of bisphenol and excess A substitution reaction with an active aromatic halogen compound such as 4,4-dichlorobenzophenone and bis (4-chlorophenyl) sulfone, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetami , In the presence of a polar solvent such as sulfolane, obtained by sequentially polymerizing the synthesis method of the monomer. Examples of such compounds include the following compounds.

Figure 2006032181
Figure 2006032181

前記化合物において、pは0または正の整数であり、上限は通常100、好ましくは10〜80である。   In the compound, p is 0 or a positive integer, and the upper limit is usually 100, preferably 10-80.

スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンは、モノマー(4)とオリゴマー(5)とを触媒の存在下に反応させることにより合成される。   The polyarylene having a sulfonate group is synthesized by reacting the monomer (4) and the oligomer (5) in the presence of a catalyst.

この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、このような触媒系としては、(i)遷移金属塩および配位子となる化合物(以下「配位子成分」という)、または、配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)と、(ii)還元剤とを必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために「塩」を添加してもよい。   The catalyst used in this case is a catalyst system containing a transition metal compound, and as such a catalyst system, (i) a compound that becomes a transition metal salt and a ligand (hereinafter referred to as “ligand component”), Alternatively, a transition metal complex coordinated with a ligand (including a copper salt) and (ii) a reducing agent may be essential components, and a “salt” may be added to increase the polymerization rate.

ここで、遷移金属塩としては、塩化ニッケル、臭化ニッケル等を挙げることができる。   Here, examples of the transition metal salt include nickel chloride and nickel bromide.

また、配位子成分としては、トリフェニルホスフィン、2,2’−ビピリジン等を挙げることができる。前記配位子成分である化合物は、1種単独で、あるいは2種以上を併用してもよい。   Examples of the ligand component include triphenylphosphine and 2,2'-bipyridine. The compound which is the said ligand component may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together.

さらに、配位子が配位された遷移金属錯体としては、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケル(2,2’−ビピリジン)を挙げることができる。   Furthermore, examples of the transition metal complex in which a ligand is coordinated include nickel chloride bis (triphenylphosphine) and nickel chloride (2,2'-bipyridine).

前記触媒系に使用することができる還元剤としては、亜鉛、マグネシウム、マンガン等を挙げることができる。これらの還元剤は、有機酸等の酸に接触させることにより、より活性化して用いることができる。   Examples of the reducing agent that can be used in the catalyst system include zinc, magnesium, manganese, and the like. These reducing agents can be used after being more activated by contacting with an acid such as an organic acid.

また、前記触媒系に用いられる「塩」としては、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化カリウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウム等を挙げることができる。   Examples of the “salt” used in the catalyst system include sodium bromide, sodium iodide, potassium bromide, tetraethylammonium bromide, tetraethylammonium iodide and the like.

各成分の使用割合は、遷移金属塩または遷移金属錯体が、前記モノマーの総計(モノマー(4)とオリゴマー(5)との合計)1モルに対し、通常、0.0001〜10モル、好ましくは0.01〜0.5モルである。0.0001モル未満では、重合反応が十分に進行しないことがあり、一方、10モルを超えると、得られたポリアリーレン系共重合体の分子量が低下することがある。   The proportion of each component used is usually from 0.0001 to 10 mol, preferably from 0.0001 to 10 mol, preferably 1 to 1 mol of the total amount of monomers (total of monomer (4) and oligomer (5)) of the transition metal salt or transition metal complex. 0.01 to 0.5 mol. When the amount is less than 0.0001 mol, the polymerization reaction may not proceed sufficiently. On the other hand, when the amount exceeds 10 mol, the molecular weight of the obtained polyarylene copolymer may be decreased.

前記触媒系において、遷移金属塩および配位子成分を用いる場合、この配位子成分の使用割合は、遷移金属塩1モルに対し、通常0.1〜100モル、好ましくは1〜10モルである。0.1モル未満では、触媒活性が不十分となることがあり、一方、100モルを超えると、得られたポリアリーレン系共重合体の分子量が低下することがある。   In the catalyst system, when a transition metal salt and a ligand component are used, the ratio of the ligand component used is usually 0.1 to 100 mol, preferably 1 to 10 mol, per 1 mol of the transition metal salt. is there. If the amount is less than 0.1 mol, the catalytic activity may be insufficient. On the other hand, if the amount exceeds 100 mol, the molecular weight of the obtained polyarylene copolymer may be lowered.

また、還元剤の使用割合は、前記モノマーの総計1モルに対し、通常、0.1〜100モル、好ましくは1〜10モルである。0.1モル未満では、重合が十分進行しないことがあり、100モルを超えると、得られたポリアリーレン系共重合体の精製が困難になることがある。   Moreover, the usage-amount of a reducing agent is 0.1-100 mol normally with respect to the total of 1 mol of the said monomer, Preferably it is 1-10 mol. If the amount is less than 0.1 mol, polymerization may not proceed sufficiently. If the amount exceeds 100 mol, purification of the resulting polyarylene copolymer may be difficult.

さらに、「塩」を使用する場合、その使用割合は、前記モノマーの総計1モルに対し、通常、0.001〜100モル、好ましくは0.01〜1モルである。0.001モル未満では、重合速度を上げる効果が不十分であることがあり、100モルを超えると、得られたポリアリーレン系共重合体の精製が困難となることがある。   Furthermore, when using "salt", the usage-ratio is 0.001-100 mol normally with respect to the total of 1 mol of the said monomer, Preferably it is 0.01-1 mol. If the amount is less than 0.001 mol, the effect of increasing the polymerization rate may be insufficient. If the amount exceeds 100 mol, purification of the obtained polyarylene copolymer may be difficult.

モノマー(4)とオリゴマー(5)とを反応させる際に使用することのできる重合溶媒としては、テトラヒドロフラン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、N,N’−ジメチルイミダゾリジノンが好ましい。これらの重合溶媒は、十分に乾燥してから用いることが好ましい。   As a polymerization solvent that can be used when the monomer (4) and the oligomer (5) are reacted, tetrahydrofuran, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, N N'-dimethylimidazolidinone is preferred. These polymerization solvents are preferably used after sufficiently dried.

前記重合溶媒中における前記モノマーの総計の濃度は、通常、1〜90重量%、好ましくは5〜40重量%である。重合する際の重合温度は、通常、0〜200℃、好ましくは50〜120℃である。また、重合時間は、通常、0.5〜100時間、好ましくは1〜40時間である。   The total concentration of the monomers in the polymerization solvent is usually 1 to 90% by weight, preferably 5 to 40% by weight. The polymerization temperature for the polymerization is usually 0 to 200 ° C, preferably 50 to 120 ° C. The polymerization time is usually 0.5 to 100 hours, preferably 1 to 40 hours.

モノマー(4)を用いて得られたスルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系共重合体は、スルホン酸エステル基を加水分解して、スルホン酸基に変換することによりスルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体とすることができる。   The polyarylene-based copolymer having a sulfonic acid ester group obtained by using the monomer (4) is a polyarylene-based copolymer having a sulfonic acid group by hydrolyzing the sulfonic acid ester group and converting it into a sulfonic acid group. It can be a copolymer.

加水分解の方法としては、(i)少量の塩酸を含む過剰量の水またはアルコールに、前記スルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系共重合体を投入し、5分間以上攪拌する方法、(ii)トリフルオロ酢酸中で前記スルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系共重合体を80〜120℃程度の温度で5〜10時間程度反応させる方法、(iii)スルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系共重合体中のスルホン酸エステル基(−SO)1モルに対して1〜3倍モルのリチウムブロマイドを含む溶液、例えばN−メチル−2−ピロリドン等の溶液中で前記ポリアリーレン系共重合体を80〜150℃程度の温度で3〜10時間程度反応させた後、塩酸を添加する方法、等を挙げることができる。 As the hydrolysis method, (i) a method in which the polyarylene copolymer having a sulfonate group is added to an excess amount of water or alcohol containing a small amount of hydrochloric acid and stirred for 5 minutes or more, (ii) A method of reacting the polyarylene copolymer having a sulfonate group in trifluoroacetic acid at a temperature of about 80 to 120 ° C. for about 5 to 10 hours; (iii) a polyarylene copolymer having a sulfonate group. In a solution containing 1 to 3 moles of lithium bromide with respect to 1 mole of the sulfonate group (—SO 3 R b ) in the coalescence, for example, a solution of N-methyl-2-pyrrolidone, the polyarylene-based copolymer A method of adding hydrochloric acid after reacting the coalescence at a temperature of about 80 to 150 ° C. for about 3 to 10 hours can be mentioned.

前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体は、前記オリゴマー(5)と、前記一般式(1)においてスルホン酸基を有しないモノマーとを共重合させることにより、スルホン酸基を有しないポリアリーレン系共重合体を予め合成し、このポリアリーレン系共重合体をスルホン化することにより合成することもできる。この場合、前記合成方法に準じた方法によりスルホン酸基を有しないポリアリーレン系共重合体を製造した後、スルホン化剤を用いてスルホン酸基を導入することにより、スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体を得ることができる。   The polyarylene-based copolymer having a sulfonic acid group is obtained by copolymerizing the oligomer (5) and a monomer having no sulfonic acid group in the general formula (1) to obtain a polyarylene-based copolymer having no sulfonic acid group. It is also possible to synthesize an arylene copolymer by synthesizing it in advance and sulfonate the polyarylene copolymer. In this case, after producing a polyarylene copolymer having no sulfonic acid group by a method according to the synthesis method, a polyarylene having a sulfonic acid group is introduced by introducing a sulfonic acid group using a sulfonating agent. A system copolymer can be obtained.

スルホン酸基を導入する方法は、特に制限されず、一般的な方法で行うことができる。例えば、前記スルホン酸基を有しないポリアリーレン系共重合体を、無溶媒下または溶媒存在下で、無水硫酸、発煙硫酸、クロルスルホン酸、硫酸、亜硫酸水素ナトリウム等の公知のスルホン化剤を用いて、公知の条件でスルホン化する方法を挙げることができる(非特許文献1〜3参照)。   The method for introducing the sulfonic acid group is not particularly limited, and can be performed by a general method. For example, the polyarylene copolymer having no sulfonic acid group is used in the absence of a solvent or in the presence of a solvent using a known sulfonating agent such as sulfuric anhydride, fuming sulfuric acid, chlorosulfonic acid, sulfuric acid, sodium hydrogen sulfite and the like. Examples of sulfonation under known conditions can be given (see Non-Patent Documents 1 to 3).

前記スルホン化の際に用いられる溶媒としては、例えば、n−ヘキサン等の炭化水素溶媒、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル系溶媒、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の非プロトン系極性溶媒、テトラクロロエタン、ジクロロエタン、クロロホルム、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素系溶媒等を挙げることができる。反応温度は、特に限定されないが、通常−50〜200℃、好ましくは−10〜100℃である。また、反応時間は、通常0.5〜1,000時間、好ましくは1〜200時間である。   Examples of the solvent used in the sulfonation include hydrocarbon solvents such as n-hexane, ether solvents such as tetrahydrofuran and dioxane, aprotic polar solvents such as dimethylacetamide, dimethylformamide and dimethylsulfoxide, and tetrachloroethane. And halogenated hydrocarbon solvents such as dichloroethane, chloroform and methylene chloride. Although reaction temperature is not specifically limited, Usually, -50-200 degreeC, Preferably it is -10-100 degreeC. Moreover, reaction time is 0.5 to 1,000 hours normally, Preferably it is 1 to 200 hours.

前記のような方法により製造されるスルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体中のスルホン酸基量は、通常0.3〜5meq/g、好ましくは0.5〜3meq/g、さらに好ましくは0.8〜2.8meq/gである。0.3meq/g未満では、プロトン伝導度が低く実用的ではなく、5meq/gを超えると、耐水性が低下することがある。   The amount of sulfonic acid group in the polyarylene copolymer having a sulfonic acid group produced by the method as described above is usually 0.3 to 5 meq / g, preferably 0.5 to 3 meq / g, more preferably. 0.8 to 2.8 meq / g. If it is less than 0.3 meq / g, the proton conductivity is low and not practical, and if it exceeds 5 meq / g, the water resistance may be lowered.

前記スルホン酸基量は、例えば、モノマー(4)またはオリゴマー(5)の種類、使用割合、組み合わせを変えることにより、調整することができる。   The amount of the sulfonic acid group can be adjusted, for example, by changing the type, use ratio, and combination of the monomer (4) or oligomer (5).

このようにして得られるスルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体の分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体は、分子量が1万未満では成形したフィルムにクラックが発生する等、塗膜性が不充分であり、また強度的性質にも問題がある。一方、100万を超えると溶解性が不充分となり、また溶液粘度が高くなるため加工性が悪化する等の問題がある。   The molecular weight of the polyarylene copolymer having a sulfonic acid group thus obtained is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene-equivalent weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC). It is. When the molecular weight is less than 10,000, the polyarylene copolymer having a sulfonic acid group has insufficient coating properties such as cracking in the formed film, and has a problem in strength properties. On the other hand, if it exceeds 1,000,000, the solubility becomes insufficient, and the solution viscosity becomes high, so that the processability is deteriorated.

固体高分子電解質膜2は、前記イオン性液体と、スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体とからなる高分子電解質を用いてフィルム状に成形することにより製造される。   The solid polymer electrolyte membrane 2 is manufactured by forming into a film using a polymer electrolyte composed of the ionic liquid and a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group.

前記高分子電解質を用いてフィルムを製造する方法としては、例えばキャスティングにより基体上に流延してフィルム状に成形するキャスティング法等を挙げることができる。
前記キャスティング法において、前記高分子電解質を溶解する溶媒は、特に限定されないが、例えば、γ−ブチロラクトン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、ジメチル尿素等の非プロトン系極性溶媒等を挙げることができる。これらの溶媒には、さらにメタノール、エタノール、N−プロピルアルコール、iso−プロピルアルコール、1−メトキシ−2−プロパノール等のアルコール系溶媒が混合されていても良い。
Examples of a method for producing a film using the polymer electrolyte include a casting method in which a film is cast on a substrate by casting and formed into a film shape.
In the casting method, the solvent that dissolves the polymer electrolyte is not particularly limited, and examples thereof include aprotic systems such as γ-butyrolactone, dimethylacetamide, dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylsulfoxide, and dimethylurea. A polar solvent etc. can be mentioned. These solvents may be further mixed with alcohol solvents such as methanol, ethanol, N-propyl alcohol, iso-propyl alcohol, 1-methoxy-2-propanol.

この際の前記高分子電解質の濃度は、前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体の分子量にもよるが、通常、5〜40重量%、好ましくは7〜25重量%である。5重量%未満では厚膜化し難く、また、ピンホールが発生しやすい。一方、40重量%を超えると、溶液粘度が高すぎてフィルム化し難く、また、表面平滑性に欠けることがある。   The concentration of the polymer electrolyte in this case is usually 5 to 40% by weight, preferably 7 to 25% by weight, although it depends on the molecular weight of the polyarylene copolymer having a sulfonic acid group. If it is less than 5% by weight, it is difficult to increase the film thickness, and pinholes are likely to occur. On the other hand, if it exceeds 40% by weight, the solution viscosity is so high that it is difficult to form a film, and surface smoothness may be lacking.

前記高分子電解質の溶液粘度は、前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体の分子量や、固形分濃度にもよるが、通常、2,000〜100,000mPa・s、好ましくは3,000〜50,000mPa・sの範囲である。2,000Pa・s未満では、加工中の溶液の滞留性が悪く、基体から流れてしまうことがある。一方、100,000mPa・sを超えると、粘度が高すぎて、ダイからの押し出しができず、キャスティング法によるフィルム化が困難となることがある。   The solution viscosity of the polymer electrolyte is usually 2,000 to 100,000 mPa · s, preferably 3,000, although it depends on the molecular weight and solid content concentration of the polyarylene copolymer having a sulfonic acid group. It is the range of -50,000 mPa * s. If it is less than 2,000 Pa · s, the retentivity of the solution during processing is poor and it may flow from the substrate. On the other hand, if it exceeds 100,000 mPa · s, the viscosity is too high to be extruded from the die, and it may be difficult to form a film by a casting method.

前記基体としては、通常の溶液キャスティング法に用いられる基体であれば特に限定されず、例えばプラスチック製、金属製等の基体を用いることができ、好ましくは、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム等の熱可塑性樹脂からなる基体を用いることができる。   The substrate is not particularly limited as long as it is a substrate used in an ordinary solution casting method. For example, a substrate made of plastic or metal can be used, and preferably a thermoplastic such as a polyethylene terephthalate (PET) film. A substrate made of a resin can be used.

前記キャスティング法による成膜後、未乾燥フィルムを30〜160℃、好ましくは50〜150℃で、3〜180分、好ましくは5〜120分乾燥することにより、フィルムを得ることができる。前記のような方法により得られるフィルムの乾燥膜厚は、通常10〜100μm、好ましくは20〜80μmである。   After film formation by the casting method, the film can be obtained by drying the undried film at 30 to 160 ° C., preferably 50 to 150 ° C. for 3 to 180 minutes, preferably 5 to 120 minutes. The dry film thickness of the film obtained by the method as described above is usually 10 to 100 μm, preferably 20 to 80 μm.

固体高分子電解質膜2は、老化防止剤、好ましくは分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物を含有してもよく、前記老化防止剤を含有することで固体高分子電解質膜2としての耐久性をより向上させることができる。   The solid polymer electrolyte membrane 2 may contain an anti-aging agent, preferably a hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more. By containing the anti-aging agent, the durability of the solid polymer electrolyte membrane 2 can be improved. It can be improved further.

固体高分子電解質膜2に使用することのできるヒンダードフェノール系化合物としては、ペンタエリスリチル−テトラキス〔3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート〕(チバ・スペシャルティ・ケミカルズ株式会社製IRGANOX 1010(商品名))、N,N−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ヒドロシンナマミド)(チバ・スペシャルティ・ケミカルズ株式会社製IRGANOX 1098(商品名))、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)ベンゼン(チバ・スペシャルティ・ケミカルズ株式会社製IRGANOX 1330(商品名))等を挙げることができる。   As a hindered phenol compound that can be used for the solid polymer electrolyte membrane 2, pentaerythrityl-tetrakis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (Ciba Specialty)・ IRGANOX 1010 (trade name) manufactured by Chemicals Co., Ltd.), N, N-hexamethylenebis (3,5-di-t-butyl-4-hydroxy-hydrocinnamamide) (IRGANOX manufactured by Ciba Specialty Chemicals Co., Ltd.) 1098 (trade name)), 1,3,5-trimethyl-2,4,6-tris (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl) benzene (IRGANOX 1330, manufactured by Ciba Specialty Chemicals Co., Ltd.) (Product name)).

分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物は、前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体100重量部に対して0.01〜10重量部の量で使用することが好ましい。   The hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more is preferably used in an amount of 0.01 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the polyarylene copolymer having a sulfonic acid group.

本実施形態において、膜・電極構造体は、アノード、カソードの電極触媒層1,1と、電極触媒層1,1に挟持される固体高分子電解質膜(プロトン伝導膜)2とのみからなっていてもよいが、アノード、カソードともに電極触媒層1の外側にカーボンペーパーやカーボンクロスのような導電性多孔質基材からなるガス拡散層3が配置されるとさらに好ましい。また、この導電性多孔質基材は撥水化加工処理を施してもよい。さらに、このガス拡散層3には、カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粒子を混合したスラリーを塗布する等して、撥水性を付与した下地層を形成してもよい。ガス拡散層3は集電体としても機能するので、本明細書ではガス拡散層3を有する場合はガス拡散層3と電極触媒層1とを合わせて電極というものとする。   In the present embodiment, the membrane / electrode structure is composed of only the anode and cathode electrode catalyst layers 1 and 1 and the solid polymer electrolyte membrane (proton conducting membrane) 2 sandwiched between the electrode catalyst layers 1 and 1. However, it is more preferable that the gas diffusion layer 3 made of a conductive porous substrate such as carbon paper or carbon cloth is disposed outside the electrode catalyst layer 1 for both the anode and the cathode. In addition, this conductive porous substrate may be subjected to a water repellent treatment. Furthermore, a base layer imparted with water repellency may be formed on the gas diffusion layer 3 by applying a slurry in which carbon black and polytetrafluoroethylene (PTFE) particles are mixed. Since the gas diffusion layer 3 also functions as a current collector, in this specification, when the gas diffusion layer 3 is provided, the gas diffusion layer 3 and the electrode catalyst layer 1 are collectively referred to as an electrode.

図1に示す膜・電極構造体を備える固体高分子型燃料電池では、カソードには酸素を含むガス、アノードには水素を含むガスが供給される。具体的には、例えばガスの流路となる溝が形成されたセパレータを膜・電極構造体の両方の電極(ガス拡散層3)の外側に配置し、該ガスの流路にガスを流すことにより膜・電極構造体に燃料となるガスを供給する。   In the polymer electrolyte fuel cell having the membrane / electrode structure shown in FIG. 1, a gas containing oxygen is supplied to the cathode, and a gas containing hydrogen is supplied to the anode. Specifically, for example, a separator in which a groove to be a gas flow path is formed is disposed outside both electrodes (gas diffusion layer 3) of the membrane / electrode structure, and the gas is allowed to flow through the gas flow path. To supply gas as fuel to the membrane / electrode structure.

図1に示す膜・電極構造体を製造する方法としては、固体高分子電解質膜2の上に電極触媒層1を直接形成し必要に応じガス拡散層3で挟み込む方法、カーボンペーパー等のガス拡散層3となる基材上に電極触媒層1を形成しこれを固体高分子電解質膜2と接合する方法、平板上に電極触媒層1を形成しこれを固体高分子電解質膜2に転写した後、平板を剥離し、さらに必要に応じガス拡散層3で挟み込む方法等の各種の方法を採用することができる。   As a method for producing the membrane / electrode structure shown in FIG. 1, a method in which the electrode catalyst layer 1 is directly formed on the solid polymer electrolyte membrane 2 and sandwiched between the gas diffusion layers 3 as necessary, or gas diffusion such as carbon paper A method of forming the electrode catalyst layer 1 on the base material to be the layer 3 and bonding it to the solid polymer electrolyte membrane 2, and after forming the electrode catalyst layer 1 on a flat plate and transferring it to the solid polymer electrolyte membrane 2 Various methods such as a method of peeling the flat plate and sandwiching it with the gas diffusion layer 3 as required can be employed.

電極触媒層1の形成方法としては、担持触媒とスルホン酸基を有するパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物とを分散媒に分散させた分散液を用いて(必要に応じて撥水剤、造孔剤、増粘剤、希釈溶媒等を加え)、固体高分子電解質膜2、ガス拡散層3、または平板上に噴霧、塗布、濾過等により形成させる公知の方法を採用することができる。電極触媒層1を固体高分子電解質膜2上に直接形成しない場合は、電極触媒層3と固体高分子電解質膜2とは、ホットプレス法、接着法等により接合することが好ましい(例えば特許文献3参照)。   The electrode catalyst layer 1 is formed by using a dispersion in which a supported catalyst and a perfluoroalkylenesulfonic acid polymer compound having a sulfonic acid group are dispersed in a dispersion medium (if necessary, a water repellent, a pore-forming agent). A known method can be employed in which a solid agent electrolyte membrane 2, a gas diffusion layer 3 or a flat plate is formed by spraying, coating, filtration or the like. When the electrode catalyst layer 1 is not directly formed on the solid polymer electrolyte membrane 2, the electrode catalyst layer 3 and the solid polymer electrolyte membrane 2 are preferably joined by a hot press method, an adhesion method, or the like (for example, Patent Documents). 3).

本実施例では、始めに、以下のようにして一般式(5)で表されるオリゴマーを調製した。   In this example, first, an oligomer represented by the general formula (5) was prepared as follows.

まず、攪拌機、温度計、Dean-stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた1Lの三口フラスコに、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン(ビスフェノールAF)67.3g(0.20モル)、4,4’−ジクロロベンゾフェノン(4,4’−DCBP)60.3g(0.24モル)、炭酸カリウム71.9g(0.52モル)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)300ml、トルエン150mlをとり、オイルバス中、窒素雰囲気下で加熱し攪拌下130℃で反応させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Dean-stark管で系外に除去しながら反応させると、約3時間で水の生成がほとんど認められなくなった。その後、反応温度を130℃から徐々に150℃まで上げながら大部分のトルエンを除去し、150℃で10時間反応を続けた後、4,4’−DCBP10.0g(0.040モル)を加え、さらに5時間反応させた。得られた反応液を放冷後、副生した無機化合物の沈殿物を濾過して除去し、濾液を4Lのメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収して乾燥後、テトラヒドロフラン300mlに溶解した。これをメタノール4Lに投入して再沈殿させ、目的の化合物95g(収率85%)を得た。   First, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-into a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, Dean-stark tube and nitrogen-introduced three-way cock. Hexafluoropropane (bisphenol AF) 67.3 g (0.20 mol), 4,4′-dichlorobenzophenone (4,4′-DCBP) 60.3 g (0.24 mol), potassium carbonate 71.9 g (0. 52 mol), 300 ml of N, N-dimethylacetamide (DMAc) and 150 ml of toluene were taken and heated in an oil bath in a nitrogen atmosphere and reacted at 130 ° C. with stirring. When water produced by the reaction was azeotroped with toluene and reacted while being removed from the system with a Dean-stark tube, almost no water was produced in about 3 hours. Thereafter, most of the toluene was removed while gradually raising the reaction temperature from 130 ° C. to 150 ° C., and the reaction was continued at 150 ° C. for 10 hours, and then 10.0 g (0.040 mol) of 4,4′-DCBP was added. The mixture was further reacted for 5 hours. The resulting reaction solution was allowed to cool, and then the by-product inorganic compound precipitate was removed by filtration, and the filtrate was put into 4 L of methanol. The precipitated product was separated by filtration, collected, dried, and dissolved in 300 ml of tetrahydrofuran. This was put into 4 L of methanol and reprecipitated to obtain 95 g (yield 85%) of the target compound.

得られた化合物について、THFを溶媒とするGPCで求めたポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)は11,200であった。また、得られた化合物は、THF、NMP、DMAc、スルホラン等に可溶で、Tg(ガラス転移温度)が110℃、熱分解温度が498℃であり、次の化学式(6)で表されるオリゴマー(以下、BCPAFオリゴマーという)であった。   About the obtained compound, the number average molecular weight (Mn) in terms of polystyrene determined by GPC using THF as a solvent was 11,200. The obtained compound is soluble in THF, NMP, DMAc, sulfolane and the like, has a Tg (glass transition temperature) of 110 ° C. and a thermal decomposition temperature of 498 ° C., and is represented by the following chemical formula (6). It was an oligomer (hereinafter referred to as a BCPAF oligomer).

Figure 2006032181
Figure 2006032181

次に、以下のようにして、スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体を調製した。   Next, a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group was prepared as follows.

まず、攪拌機、温度計、冷却管、Dean-stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた1Lの三口のフラスコに、4−[4−(2,5−ジクロロベンゾイル)フェノキシ]ベンゼンスルホン酸neo−ペンチル(以下、A−SOneo−Peという)39.58g(98.64ミリモル)、本実施例で得られたBCPAFオリゴマー(Mn=11,200)15.23g(1.36ミリモル)、Ni(PPhCl1.67g(2.55ミリモル)、PPh10.49g(40ミリモル)、NaI0.45g(3ミリモル)、亜鉛末15.69g(240ミリモル)、乾燥NMP390mlを窒素下で加えた。反応系を攪拌下に加熱し(最終的には75℃まで加温)、3時間反応させた。重合反応液をTHF250mlで希釈し、30分攪拌し、セライトを濾過助剤に用いて濾過し、濾液を大過剰のメタノール(1500ml)に注いで凝固させた。凝固物を濾集、風乾し、さらにTHF200mlとNMP300mlとの混合溶媒に再溶解し、大過剰のメタノール(1500ml)で凝固析出させた。風乾後、加熱乾燥により目的の黄色繊維状のネオペンチル基で保護されたスルホン酸誘導体からなる共重合体(以下、PolyAB−SOneo−Peという)47.0g(収率99%)を得た。GPCによる分子量は、数平均分子量(Mn)が47,600、重量平均分子量(Mw)が159,000であった。 First, 4- [4- (2,5-dichlorobenzoyl) phenoxy] benzenesulfonic acid neo- was added to a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, a condenser tube, a Dean-stark tube, and a nitrogen-introduced three-way cock. Pentyl (hereinafter referred to as A-SO 3 neo-Pe) 39.58 g (98.64 mmol), BCPAF oligomer (Mn = 11,200) obtained in this example 15.23 g (1.36 mmol), Ni (PPh 3 ) 2 Cl 2 1.67 g (2.55 mmol), PPh 3 10.49 g (40 mmol), NaI 0.45 g (3 mmol), zinc dust 15.69 g (240 mmol), dry NMP 390 ml under nitrogen Added in. The reaction system was heated with stirring (finally heated to 75 ° C.) and allowed to react for 3 hours. The polymerization reaction solution was diluted with 250 ml of THF, stirred for 30 minutes, filtered using Celite as a filter aid, and the filtrate was poured into a large excess of methanol (1500 ml) to coagulate. The solidified product was collected by filtration, air-dried, redissolved in a mixed solvent of 200 ml of THF and 300 ml of NMP, and solidified and precipitated with a large excess of methanol (1500 ml). After air drying, 47.0 g (yield 99%) of a copolymer (hereinafter referred to as PolyAB-SO 3 neo-Pe) comprising a sulfonic acid derivative protected with a target yellow fibrous neopentyl group was obtained by heat drying. . Regarding the molecular weight by GPC, the number average molecular weight (Mn) was 47,600, and the weight average molecular weight (Mw) was 159,000.

得られたPolyAB−SOneo−Pe5.1gをNMP60mlに溶解し、90℃に加温した。反応系に、メタノール50mlと濃塩酸8mlとの混合物を一時に加えて懸濁状態とし、温和な還流条件で10時間反応させた。次に、蒸留装置を設置し、過剰のメタノールを溜去し、淡緑色の透明液体を得た。この溶液を大量の水/メタノール混合液(水:メタノール=1:1(重量比))中に注いで、共重合体を凝固させた後、洗浄水のpHが6以上となるまで、イオン交換水で共重合体を洗浄した。こうして得られた共重合体のIRスペクトルおよびイオン交換容量の定量分析から、スルホン酸エステル基(−SO)は定量的にスルホン酸基(−SOH)に転換されていることがわかった。 5.1 g of the obtained PolyAB-SO 3 neo-Pe was dissolved in 60 ml of NMP and heated to 90 ° C. To the reaction system, a mixture of 50 ml of methanol and 8 ml of concentrated hydrochloric acid was added at a time to form a suspended state and reacted for 10 hours under mild reflux conditions. Next, a distillation apparatus was installed, and excess methanol was distilled off to obtain a light green transparent liquid. This solution is poured into a large amount of water / methanol mixture (water: methanol = 1: 1 (weight ratio)) to solidify the copolymer, and then ion exchange until the pH of the washing water becomes 6 or more. The copolymer was washed with water. From the quantitative analysis of the IR spectrum and ion exchange capacity of the copolymer thus obtained, it was confirmed that the sulfonic acid ester group (—SO 3 R a ) was quantitatively converted to the sulfonic acid group (—SO 3 H). all right.

得られたスルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体(以下、スルホン化ポリマーということがある)について、溶媒として臭化リチウムとリン酸を添加したN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶離液として用い、GPCによってポリスチレン換算の分子量として求めた分子量は、数平均分子量(Mn)が53,200、重量平均分子量(Mw)が185,000であった。   Elution of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to which lithium bromide and phosphoric acid were added as a solvent from the resulting polyarylene copolymer having a sulfonic acid group (hereinafter sometimes referred to as a sulfonated polymer) The number average molecular weight (Mn) was 53,200, and the weight average molecular weight (Mw) was 185,000.

また、得られたスルホン化ポリマーについて、水洗水がpH4〜6になるまで洗浄して、残存している遊離の酸を充分に除去して乾燥後、所定量を秤量してTHF/水の混合溶媒に溶解し、フェノールフタレインを指示薬としてNaOHの標準液にて滴定し、中和点からイオン交換容量を求めた。得られたスルホン化ポリマーのイオン交換容量(スルホン酸当量)は1.9meq/gであった。   Further, the obtained sulfonated polymer is washed until the washing water has a pH of 4 to 6, the remaining free acid is sufficiently removed and dried, and a predetermined amount is weighed to mix THF / water. The sample was dissolved in a solvent, titrated with a standard solution of NaOH using phenolphthalein as an indicator, and the ion exchange capacity was determined from the neutralization point. The sulfonated polymer obtained had an ion exchange capacity (sulfonic acid equivalent) of 1.9 meq / g.

次に、本実施例で得られたスルホン化ポリマー10gと、イオン性液体としてのN−エチルイミダゾール・ビス(トリフルオロメチルスルホニルイミド)1gとを、N−メチル−2−ピロリドン100mlに溶解した。この溶液をガラス板上に流延し、80℃で1時間、次いで140℃で60分間乾燥することにより、膜厚40μmの均一な膜を得た。   Next, 10 g of the sulfonated polymer obtained in this example and 1 g of N-ethylimidazole bis (trifluoromethylsulfonylimide) as an ionic liquid were dissolved in 100 ml of N-methyl-2-pyrrolidone. This solution was cast on a glass plate and dried at 80 ° C. for 1 hour and then at 140 ° C. for 60 minutes to obtain a uniform film having a thickness of 40 μm.

次に、前記膜を用い、以下のようにして膜・電極構造体を作製した。   Next, using the membrane, a membrane / electrode structure was produced as follows.

まず、平均径50nmのカーボンブラック(ファーネスブラック)に白金粒子を、カーボンブラック:白金=1:1の重量比で担持させ、触媒粒子を作製した。次に、イオン伝導性バインダーとしてのパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物(デュポン社製ナフィオン(商品名))溶液に、前記触媒粒子を、イオン伝導性バインダー:触媒粒子=8:5の重量比で均一に分散させ、触媒ペーストを調製した。   First, platinum particles were supported on carbon black (furnace black) having an average diameter of 50 nm at a weight ratio of carbon black: platinum = 1: 1 to prepare catalyst particles. Next, the catalyst particles are placed in a perfluoroalkylenesulfonic acid polymer compound solution (Nafion (trade name) manufactured by DuPont) as an ion conductive binder at a weight ratio of ion conductive binder: catalyst particles = 8: 5. A catalyst paste was prepared by uniformly dispersing.

次に、カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粒子とを、カーボンブラック:PTFE粒子=4:6の重量比で混合し、得られた混合物をエチレングリコールに均一に分散させたスラリーをカーボンペーパーの片面に塗布、乾燥させて下地層とし、該下地層とカーボンペーパーとからなるガス拡散層3を2つ作製した。   Next, carbon black and polytetrafluoroethylene (PTFE) particles are mixed at a weight ratio of carbon black: PTFE particles = 4: 6, and a slurry in which the resulting mixture is uniformly dispersed in ethylene glycol is mixed with carbon paper. The base layer was coated and dried on one side, and two gas diffusion layers 3 composed of the base layer and carbon paper were produced.

次に、固体高分子電解質膜2としての前記膜の両面に、前記触媒ペーストを、白金含有量が0.5mg/cmとなるようにバーコーター塗布し、乾燥させることにより電極塗布膜(CCM)を得た。前記乾燥は、100℃で15分間の乾燥を行なった後、140℃で10分間の二次乾燥を行なった。 Next, the catalyst paste is applied on both sides of the membrane as the solid polymer electrolyte membrane 2 with a bar coater so that the platinum content is 0.5 mg / cm 2, and dried to form an electrode coating membrane (CCM). ) The drying was performed at 100 ° C. for 15 minutes, followed by secondary drying at 140 ° C. for 10 minutes.

次に、前記CCMを前記ガス拡散層3の下地層側で狭持し、ホットプレスを行なって図1に示す膜・電極構造体を得た。前記ホットプレスは、80℃、5MPaで2分間の一次ホットプレスの後、160℃、4MPaで1分間の二次ホットプレスを行なった。   Next, the CCM was sandwiched between the gas diffusion layers 3 and the base layer side, and hot pressing was performed to obtain the membrane / electrode structure shown in FIG. The hot press was a primary hot press at 80 ° C. and 5 MPa for 2 minutes followed by a secondary hot press at 160 ° C. and 4 MPa for 1 minute.

本実施例で得られた膜・電極構造体は、ガス拡散層の上にさらにガス通路を兼ねるセパレーターを積層することにより、固体高分子型燃料電池を構成することができる。   The membrane / electrode structure obtained in this example can constitute a solid polymer fuel cell by further laminating a separator that also serves as a gas passage on the gas diffusion layer.

次に、本実施例で得られた固体高分子電解質膜2のプロトン伝導度と、膜・電極構造体の発電特性とを、以下のようにして評価した。結果を表1に示す。   Next, the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane 2 obtained in this example and the power generation characteristics of the membrane / electrode structure were evaluated as follows. The results are shown in Table 1.

固体高分子電解質膜2のプロトン伝導度は、まず、固体高分子電解質膜2を5mm幅の短冊状の試料とし、該試料の表面に、白金線(直径0.5mm)を押し当て、恒温恒湿装置中に試料を保持し、白金線間の交流インピーダンス測定から交流抵抗を求めた。抵抗測定装置として、Solartron社製SI1260インピーダンスアナライザ(商品名)を用い、恒温恒湿装置にはエスペック社製小型環境試験機SH−241(商品名)を使用した。白金線を5mm間隔に5本押し当てて、線間距離を5〜20mmに変化させて交流抵抗を測定した。次に、線間距離と抵抗との勾配とから次式により固体高分子電解質膜2の比抵抗を算出し、比抵抗の逆数から交流インピーダンスを算出し、このインピーダンスからプロトン伝導度を算出した。   The proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane 2 is determined by first using the solid polymer electrolyte membrane 2 as a strip-like sample having a width of 5 mm and pressing a platinum wire (diameter 0.5 mm) on the surface of the sample. The sample was held in a wet device, and the AC resistance was determined from the AC impedance measurement between the platinum wires. A SI1260 impedance analyzer (trade name) manufactured by Solartron was used as the resistance measuring device, and a small environmental tester SH-241 (trade name) manufactured by Espec was used as the constant temperature and humidity device. Five platinum wires were pressed at intervals of 5 mm, and the AC resistance was measured while changing the distance between the wires to 5 to 20 mm. Next, the specific resistance of the solid polymer electrolyte membrane 2 was calculated from the gradient of the distance between the lines and the resistance by the following formula, the AC impedance was calculated from the reciprocal of the specific resistance, and the proton conductivity was calculated from this impedance.

比抵抗R(Ω・cm)=0.5(cm)×膜厚(cm)×抵抗線間勾配(Ω/cm)
膜・電極構造体の発電特性は、次のようにして評価した。まず、90℃の温度で、燃料極側と酸素極側との相対湿度をともに20%ととした発電条件により、燃料極側には純水素を、酸素極側には空気をそれぞれ供給し、電流密度1A/cmでセル電位の測定を行うことにより、高温低加湿環境下での発電性能を評価した。
Specific resistance R (Ω · cm) = 0.5 (cm) × film thickness (cm) × resistance-to-resistance gradient (Ω / cm)
The power generation characteristics of the membrane / electrode structure were evaluated as follows. First, pure hydrogen is supplied to the fuel electrode side and air is supplied to the oxygen electrode side under a power generation condition in which the relative humidity between the fuel electrode side and the oxygen electrode side is 20% at a temperature of 90 ° C. By measuring the cell potential at a current density of 1 A / cm 2 , the power generation performance in a high temperature and low humidity environment was evaluated.

また、本実施例で得られた膜・電極構造体を用い、−30℃の条件下で低温始動性を評価した。結果は、30秒以内に起動できれば良好として「○」で表示し、起動に30秒以上を要するか、または始動不可であった場合には不良として「×」で表示した。   Moreover, the low temperature startability was evaluated under the condition of −30 ° C. using the membrane / electrode structure obtained in this example. The result was indicated as “Good” if it could be started within 30 seconds, and “X” as bad if it took 30 seconds or more to start or could not be started.

実施例1で得られたスルホン化ポリマー10gと、イオン性液体としてのN−エチルイミダゾール・ビス(トリフルオロメチルスルホニルイミド)1gとに、さらにプロトン供与体としてのトリフルオロメタンスルホン酸0.15gとを加え、N−メチル−2−ピロリドン100mlに溶解した溶液を用いた以外は、実施例1と全く同一にして膜厚40μmの均一な膜を得た。   10 g of the sulfonated polymer obtained in Example 1, 1 g of N-ethylimidazole bis (trifluoromethylsulfonylimide) as an ionic liquid, and 0.15 g of trifluoromethanesulfonic acid as a proton donor In addition, a uniform film having a film thickness of 40 μm was obtained in the same manner as in Example 1 except that a solution dissolved in 100 ml of N-methyl-2-pyrrolidone was used.

次に、本実施例で得られた前記膜を固体高分子電解質膜2として用いた以外は、実施例1と全く同一にして、図1に示す膜・電極構造体を作製した。   Next, a membrane / electrode structure shown in FIG. 1 was produced in exactly the same manner as in Example 1 except that the membrane obtained in this example was used as the solid polymer electrolyte membrane 2.

次に、本実施例で得られた固体高分子電解質膜2のプロトン伝導度と、膜・電極構造体の発電特性とを、実施例1と全く同一にして、評価した。結果を表1に示す。
〔比較例1〕
実施例1で得られたスルホン化ポリマー10gのみをN−メチル−2−ピロリドン100mlに溶解した溶液を用いた以外は、実施例1と全く同一にして膜厚40μmの均一な膜を得た。
Next, the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane 2 obtained in this example and the power generation characteristics of the membrane / electrode structure were evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
[Comparative Example 1]
A uniform film having a thickness of 40 μm was obtained in exactly the same manner as in Example 1, except that a solution obtained by dissolving only 10 g of the sulfonated polymer obtained in Example 1 in 100 ml of N-methyl-2-pyrrolidone was used.

次に、本比較例で得られた前記膜を固体高分子電解質膜2として用いた以外は、実施例1と全く同一にして、図1に示す膜・電極構造体を作製した。   Next, a membrane / electrode structure shown in FIG. 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the membrane obtained in this comparative example was used as the solid polymer electrolyte membrane 2.

次に、本比較例で得られた固体高分子電解質膜2のプロトン伝導度と、膜・電極構造体の発電特性とを、実施例1と全く同一にして、評価した。結果を表1に示す。   Next, the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane 2 obtained in this comparative example and the power generation characteristics of the membrane / electrode structure were evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

Figure 2006032181
Figure 2006032181

表1から、スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体とイオン性液体とからなる固体高分子電解質膜2(実施例1)、スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体とイオン性液体とからなり、さらにプロトン供与体を含む固体高分子電解質膜2(実施例2)によれば、膜の水含量に依存しないプロトン伝導機構が付与されるため、低加湿条件での運転が可能となりまた、水が凍結する低温領域においても、良好な発電性能を有する膜・電極構造体を得ることができることが明らかである。   From Table 1, a solid polymer electrolyte membrane 2 (Example 1) comprising a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group and an ionic liquid, a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group, and an ionic liquid Furthermore, according to the solid polymer electrolyte membrane 2 (Example 2) containing a proton donor, a proton conduction mechanism that does not depend on the water content of the membrane is provided, so that it can be operated under low humidification conditions. It is apparent that a membrane / electrode structure having good power generation performance can be obtained even in a low temperature region where water freezes.

これに対して、スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体のみからなる固体高分子電解質膜2(比較例1)では、膜・電極構造体の低加湿条件での発電性能(セル電位)が低く、低温始動性が不良であることが明らかである。   On the other hand, in the solid polymer electrolyte membrane 2 (Comparative Example 1) made only of the polyarylene copolymer having a sulfonic acid group, the power generation performance (cell potential) of the membrane / electrode structure is low. It is clear that the low temperature startability is poor.

本発明の膜・電極構造体の一構成例を示す説明的断面図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Explanatory sectional drawing which shows the example of 1 structure of the film | membrane and electrode structure of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…電極触媒層、 2…高分子電解質膜、 3…ガス拡散層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrode catalyst layer, 2 ... Polymer electrolyte membrane, 3 ... Gas diffusion layer.

Claims (6)

高分子電解質膜を、触媒を含む1対の電極で挟持した固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体において、
前記高分子電解質膜は、イオン性液体と、スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体とからなることを特徴とする固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体。
In a membrane / electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes containing a catalyst,
The polymer electrolyte membrane comprises an ionic liquid and a polyarylene-based copolymer having a sulfonic acid group, and a membrane / electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that:
前記イオン性液体は、プロトン供与体を含むことを特徴とする請求項1記載の固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体。   The membrane / electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the ionic liquid contains a proton donor. 前記プロトン供与体は、トリフルオロメタンスルホン酸、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド酸、トリス(トリフルオロメチルスルホニル)メチド酸からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物であることを特徴とする請求項2記載の固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体。   The proton donor is at least one compound selected from the group consisting of trifluoromethanesulfonic acid, bis (trifluoromethylsulfonyl) imidic acid, and tris (trifluoromethylsulfonyl) methideic acid. 2. The membrane / electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to 2. 前記イオン性液体は、前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体100重量部に対して0.5〜200重量部の範囲で含有されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体。   The ionic liquid is contained in a range of 0.5 to 200 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polyarylene copolymer having the sulfonic acid group. The membrane / electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of the above. 前記スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体は、次の一般式(1)で表される構成単位と、一般式(2)で表される構成単位とを含むことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載の固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体。
Figure 2006032181
The polyarylene-based copolymer having a sulfonic acid group includes a structural unit represented by the following general formula (1) and a structural unit represented by the general formula (2). The membrane / electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 4.
Figure 2006032181
イオン性液体と、スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体とからなる高分子電解質膜を、触媒を含む1対の電極で挟持した固体高分子型燃料電池用膜・電極構造体を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。   A solid polymer fuel cell membrane / electrode structure in which a polymer electrolyte membrane comprising an ionic liquid and a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group is sandwiched between a pair of electrodes containing a catalyst is provided. A polymer electrolyte fuel cell characterized by the above.
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