JP2006338928A - Reinforced polyelectrolyte, electrode-polyelectrolyte membrane assembly, and fuel cell as well as method of manufacturing them - Google Patents

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Shoichi Sasaki
晶市 佐々木
Koichi Uejima
浩一 上島
Iwao Fukuchi
巌 福地
Satoru Nakazawa
哲 中澤
Akihiro Oda
明博 織田
Shinji Takeda
信司 武田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polyelectrolyte membrane in which permeability of methanol can be suppressed while high proton conductivity is maintained, and in addition to this, swelling by water and methanol is small, and which has superior water resistance and methanol resistance, and provide an electrode-polyelectrolyte membrane assembly and a fuel cell using this membrane. <P>SOLUTION: This is a reinforced polyelectrolyte membrane, an electrode-polyelectrolyte membrane assembly using this, as well as a fuel cell in which a porous base material and a resin composition filled into the void and/or micro-pores of the porous base material are contained, and in which the resin composition contains the polyelectrolyte compound containing a copolymer having (a) a structural unit having a heterocyclic ring, (b) a structural unit having an aromatic ring into which a protonic acid group is introduced, and (c) a structural unit having an aromatic ring. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、補強高分子電解質膜、電極−高分子電解質膜接合体、これを用いた燃料電池並びにそれらの製造方法に関する。   The present invention relates to a reinforced polymer electrolyte membrane, an electrode-polymer electrolyte membrane assembly, a fuel cell using the same, and a method for producing them.

燃料電池は、発電効率が高く、環境に対する負荷が小さく、現在大きな課題となっている環境問題、エネルギ問題の解決に貢献可能な次世代の発電装置として期待されている。この燃料電池の中でも固体高分子型燃料電池は、他のいずれの方式に比べても小型かつ高出力であり、小規模オンサイト型、移動体(車載)用、携帯用の燃料電池として次世代の主力とされている。   A fuel cell is expected as a next-generation power generation device that has high power generation efficiency and a low environmental load, and that can contribute to solving environmental problems and energy problems that are currently a major issue. Among these fuel cells, solid polymer fuel cells are smaller and have higher output than any other system, and they are the next generation as small-scale on-site, mobile (on-vehicle) and portable fuel cells. It is said to be the main force.

現状では、固体高分子型燃料電池はまだ実用段階に至っていないが、試作、あるいはテスト段階で用いられている燃料電池の高分子電解質膜としては、パーフルオロアルキレン基を主骨格とし、一部にパーフルオロビニルエーテル側鎖の末端にスルホン酸基、カルボン酸基等のイオン交換基を有するフッ素系の高分子電解質膜として「ナフィオン(登録商標)」、「フレミオン(登録商標)」等が知られている。   At present, solid polymer fuel cells are not yet in practical use, but as polymer electrolyte membranes for fuel cells used in trial production or testing, perfluoroalkylene groups are the main skeleton, and some "Nafion (registered trademark)", "Flemion (registered trademark)" and the like are known as fluorine-based polymer electrolyte membranes having ion-exchange groups such as sulfonic acid groups and carboxylic acid groups at the end of perfluorovinyl ether side chain. Yes.

しかし、現状用いられている燃料電池の高分子電解質膜である「ナフィオン(登録商標)」等では、100℃を超える条件で運転しようとすると、高分子電解質膜の含水率が急激に落ちるほか、高分子電解質膜の軟化も顕著となる。特に将来が期待されている直接メタノール型燃料電池では、従来の「ナフィオン(登録商標)」の様なフッ素系プロトン伝導性高分子材料を電解質として用いた場合、アノードを通リ抜けたメタノールが電解質中に拡散して、カソードに到達し、そこでカソード電極上で酸化剤(O2)と直接反応するという短絡現象(クロスオーバー)を起こし、電池性能を著しく低下させることから十分な性能を発揮することができないという問題がある。 However, in the currently used fuel cell polymer electrolyte membrane “Nafion (registered trademark)” and the like, when the operation is performed at a temperature exceeding 100 ° C., the moisture content of the polymer electrolyte membrane drops rapidly, Softening of the polymer electrolyte membrane is also remarkable. In particular, in direct methanol fuel cells, where the future is expected, when a fluorine-based proton conductive polymer material such as the conventional “Nafion (registered trademark)” is used as the electrolyte, the methanol passing through the anode is the electrolyte. It diffuses in and reaches the cathode, where it reacts directly with the oxidant (O 2 ) on the cathode electrode, causing a short-circuit phenomenon (crossover), which significantly reduces battery performance and exhibits sufficient performance There is a problem that can not be.

このような問題を解決するため、従来からフッ素系膜の代わりとなる耐熱性の芳香族環にスルホン酸基を導入した高分子電解質膜の検討が種々行なわれている。高分子電解質膜の耐熱性や化学的安定性を考慮すると、高分子電解質膜に使用される高分子化合物の化合物骨格としては、芳香族ポリアリーレンエーテルケトン類、例えば、ポリエーテルエーテルケトンをスルホン化したもの(例えば、特許文献1)、スルホン化ポリスチレン等がある。このように、高分子化合物にスルホン酸基等の酸基を導入することによって、高分子電解質膜にプロトン伝導性を付与することができる。   In order to solve such problems, various studies have been made on polymer electrolyte membranes in which a sulfonic acid group is introduced into a heat-resistant aromatic ring instead of a fluorine-based membrane. Considering the heat resistance and chemical stability of the polymer electrolyte membrane, aromatic polyarylene ether ketones such as polyether ether ketone are sulfonated as the compound skeleton of the polymer compound used in the polymer electrolyte membrane. (For example, Patent Document 1) and sulfonated polystyrene. Thus, proton conductivity can be imparted to the polymer electrolyte membrane by introducing an acid group such as a sulfonic acid group into the polymer compound.

しかし、合成されたポリマーを硫酸、発煙硫酸等の強酸で直接スルホン酸化する方法では、スルホン酸基量を制御することが難しい。また、スルホン酸基量が制御できず多くのスルホン酸基がポリマー中に導入した際、スルホン酸基は親水性であることから高分子電解質膜の耐水性が悪化して、水の膨潤による高分子電解質膜の強度低下等により高分子電解質膜が破損してしまうことがある。また、直接メタノール燃料電池においては、燃料としてメタノール水溶液を使用するため、耐メタノール性も高分子電解質膜に必要な特性の一つとなることが考えられるが、従来のフッ素系膜及び芳香族にスルホン酸基を導入した膜は、メタノールに対する膨潤が大きく、耐メタノール性に劣るという問題もあった。   However, it is difficult to control the amount of sulfonic acid groups in a method in which the synthesized polymer is directly sulfonated with a strong acid such as sulfuric acid or fuming sulfuric acid. In addition, when the amount of sulfonic acid groups cannot be controlled and many sulfonic acid groups are introduced into the polymer, the water resistance of the polymer electrolyte membrane deteriorates due to the hydrophilicity of the sulfonic acid groups. The polymer electrolyte membrane may be damaged due to a decrease in strength of the molecular electrolyte membrane or the like. In direct methanol fuel cells, an aqueous methanol solution is used as the fuel, so methanol resistance may be one of the characteristics required for polymer electrolyte membranes. The membrane into which the acid group has been introduced has a problem that the swelling with respect to methanol is large and the methanol resistance is poor.

特開平6−93114号公報JP-A-6-93114

本発明の目的は、特に直接メタノール燃料電池用の高分子電解質膜として、水及びメタノールに対する膨潤が小さく、耐水性、耐メタノール性に優れ、且つ高いイオン導電性を併せ持つ補強高分子電解質膜、電極−高分子電解質膜接合体、それらの製造方法及びそれを用いた燃料電池を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、(a)複素環を有する構造単位と、(b)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位と、(c)芳香環を有する構造単位とを有する共重合体を含む高分子電解質化合物を含む樹脂組成物を多孔質基材の空隙及び/又は細孔中に充填された補強高分子電解質、及びこれを用いた電極−高分子電解質膜接合体並びに燃料電池を提供することである。
An object of the present invention is a reinforced polymer electrolyte membrane and electrode having a low swelling with respect to water and methanol, excellent water resistance, methanol resistance, and high ionic conductivity, particularly as a polymer electrolyte membrane for direct methanol fuel cells An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane assembly, a production method thereof, and a fuel cell using the same.
Another object of the present invention is to provide a co-polymer comprising (a) a structural unit having a heterocyclic ring, (b) a structural unit having an aromatic ring into which a protonic acid group is introduced, and (c) a structural unit having an aromatic ring. Reinforced polymer electrolyte filled with voids and / or pores of porous substrate with resin composition containing polymer electrolyte compound containing coal, electrode-polymer electrolyte membrane assembly and fuel cell using the same Is to provide.

本発明者らは、上記(a)〜(c)の構造単位を有する共重合体を含む高分子電解質化合物と、多孔質基材とを組み合わせることにより、耐水性、耐メタノール性に優れ、且つ高いイオン導電性を併せ持つ補強高分子電解質膜を見出した。
即ち、本発明は、
1.多孔質基材と、該多孔質基材の空隙及び/又は細孔中に充填された樹脂組成物とを含み、該樹脂組成物が、(a)複素環を有する構造単位と、(b)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位と、(c)芳香環を有する構造単位とを有する共重合体を含む高分子電解質化合物を含有することを特徴とする、補強高分子電解質膜に関する。
2.(a)複素環を有する構造単位が、ピロール、ピラゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、キノリン、イソキノリン、キノキサリン、イミダゾール、ベンズイミダゾール、インドール、プリン、トリアゾール、トリアジン、フラン、チオフェン、ベンゾフラン並びにこれらの誘導体からなる群から選択された少なくとも1種のヘテロ芳香族化合物である、上記1記載の補強高分子電解質膜に関する。
The inventors have excellent water resistance and methanol resistance by combining a polymer electrolyte compound containing a copolymer having the structural units (a) to (c) above and a porous substrate, and A reinforced polymer electrolyte membrane having high ionic conductivity has been found.
That is, the present invention
1. A porous substrate and a resin composition filled in voids and / or pores of the porous substrate, the resin composition comprising (a) a structural unit having a heterocyclic ring, and (b) A reinforced polymer electrolyte membrane comprising a polymer electrolyte compound comprising a copolymer having a structural unit having an aromatic ring having a proton acid group introduced therein and (c) a structural unit having an aromatic ring .
2. (A) The structural unit having a heterocyclic ring is pyrrole, pyrazole, pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, quinoline, isoquinoline, quinoxaline, imidazole, benzimidazole, indole, purine, triazole, triazine, furan, thiophene, benzofuran, and these 2. The reinforced polymer electrolyte membrane according to 1 above, which is at least one heteroaromatic compound selected from the group consisting of derivatives.

3.(a)複素環を有する構造単位が、下記の式(1)及び/又は式(2)及び/又は式(3)を含む、上記1又は2記載の補強高分子電解質膜に関する。
式(1):

Figure 2006338928
[式(1)中、Aは、直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)2−、−C(O)−、−P(O)(C6H5)−、−C(CH3)2−、−C(CF3)2−、−C6H4CC6H4−または炭素数1〜6のアルキリデン基を示し;Rは、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素、ヨウ素を示し;Xは、SO3H、COOH、PO3H2からなる群から選択されるプロトン酸基を示し;nは、1から5の置換基数を表し;mは、0〜(5−n)の置換基数を表わす。]








式(2):
Figure 2006338928
[式(2)中、Yは、直接結合、−NH−、−N(CH3)−、−NHC6H4O−、−N(CH3)C6H4O−または炭素数1〜6のアルキリデン基を示し;Zは、直接結合、−NH−、−N(CH3)−、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)2−、−C(O)−または炭素数1〜6のアルキリデン基を示し;Rは、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、メトキシ基、フェニル基、フェノキシ基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素、ヨウ素示し;Xは、SO3H、COOH、PO3H2からなる群から選択されるプロトン酸基を示し;nは、1から5の置換基数を表わし;mは、0〜(5−n)の置換基数を表わす。]
式(3):
Figure 2006338928
[式(3)中、各Qは、同一でも異なっていてもよく、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロフェニル基、アルコキシフェニル基、フルオロフェニル基、クロロフェニル基、ブロモフェニル基、ヨードフェニル基、シアノフェニル基、アセトフェニル基、‐OH基、塩素、臭素、ヨウ素を示し;Rは、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、メトキシ基、フェニル基、フェノキシ基、ニトロ基、塩素、臭素、ヨウ素を示し;Xは、SO3H、COOH、PO3H2からなる群から選択されるプロトン酸基を示し;nは、1から5の置換基数を表し;mは、0〜(5−n)の置換基数を表わす。] 3. (A) The reinforced polymer electrolyte membrane according to the above 1 or 2, wherein the structural unit having a heterocyclic ring comprises the following formula (1) and / or formula (2) and / or formula (3).
Formula (1):
Figure 2006338928
[In the formula (1), A represents a direct bond, -O-, -S-, -S (O)-, -S (O) 2- , -C (O)-, -P (O) (C 6 H 5 ) —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —C 6 H 4 CC 6 H 4 — or an alkylidene group having 1 to 6 carbon atoms; R is hydrogen Represents an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, phenyl group, nitro group, cyano group, alkoxy group, chlorine, bromine, iodine; X is selected from the group consisting of SO 3 H, COOH, PO 3 H 2 N represents the number of substituents from 1 to 5; and m represents the number of substituents from 0 to (5-n). ]








Formula (2):
Figure 2006338928
[In the formula (2), Y represents a direct bond, —NH—, —N (CH 3 ) —, —NHC 6 H 4 O—, —N (CH 3 ) C 6 H 4 O— 6 represents an alkylidene group; Z represents a direct bond, —NH—, —N (CH 3 ) —, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O)-or an alkylidene group having 1 to 6 carbon atoms; R represents hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a methoxy group, a phenyl group, a phenoxy group, a nitro group, a cyano group, an alkoxy group, X represents chlorine, bromine or iodine; X represents a protonic acid group selected from the group consisting of SO 3 H, COOH and PO 3 H 2 ; n represents the number of substituents from 1 to 5; This represents the number of substituents of (5-n). ]
Formula (3):
Figure 2006338928
[In the formula (3), each Q may be the same or different and is hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, a nitrophenyl group, an alkoxyphenyl group, a fluorophenyl group, a chlorophenyl group, A bromophenyl group, an iodophenyl group, a cyanophenyl group, an acetophenyl group, an —OH group, chlorine, bromine, iodine; R is hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a methoxy group, a phenyl group, X represents a protonic acid group selected from the group consisting of SO 3 H, COOH, and PO 3 H 2 ; n represents the number of substituents of 1 to 5; phenoxy group, nitro group, chlorine, bromine, iodine; And m represents the number of substituents from 0 to (5-n). ]

4.(b)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位が、下記の式(4)及び/又は下記の式(5)を含む、上記1〜3のいずれか1つに記載の補強高分子電解質膜に関する。
式(4):

Figure 2006338928
[式(4)中、Aは、直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)2−、−C(O)−、−P(O)(C6H5)−、−C(CH3)2−、−C(CF3)2−、−C6H4CC6H4−または炭素数1〜6のアルキリデン基を示し;Rは、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素、ヨウ素を示し;Xは、SO3H、COOH、PO3H2からなる群から選択されるプロトン酸基を示し;nは、1から4の置換基数を表わし、mは、0〜(4−n)の置換基数を表わす。]


式(5):
Figure 2006338928
[式(5)中、Rは、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素、ヨウ素を示し;Xは、SO3H、COOH、PO3H2からなる群から選択されるプロトン酸基を示し;nは、1から4の置換基数を表わし;mは、0〜(4−n)の置換基数を表わす。] 4). (B) The reinforced polymer according to any one of 1 to 3 above, wherein the structural unit having an aromatic ring into which a protonic acid group is introduced includes the following formula (4) and / or the following formula (5): The present invention relates to an electrolyte membrane.
Formula (4):
Figure 2006338928
[In the formula (4), A represents a direct bond, -O-, -S-, -S (O)-, -S (O) 2- , -C (O)-, -P (O) (C 6 H 5 ) —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —C 6 H 4 CC 6 H 4 — or an alkylidene group having 1 to 6 carbon atoms; R is hydrogen Represents an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, phenyl group, nitro group, cyano group, alkoxy group, chlorine, bromine, iodine; X is selected from the group consisting of SO 3 H, COOH, PO 3 H 2 N represents the number of substituents from 1 to 4, and m represents the number of substituents from 0 to (4-n). ]


Formula (5):
Figure 2006338928
[In the formula (5), R represents hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, a nitro group, a cyano group, an alkoxy group, chlorine, bromine or iodine; X represents SO 3 H; Represents a protonic acid group selected from the group consisting of COOH and PO 3 H 2 ; n represents the number of substituents of 1 to 4; and m represents the number of substituents of 0 to (4-n). ]

5.(c)芳香環を有する構造単位が、下記の式(6)及び/又は下記の式(7)を含む、上記1〜4のいずれか1つに記載の補強高分子電解質膜に関する。
式(6):

Figure 2006338928
[式(6)中、Aは、直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)2−、−C(O)−、−P(O)(C6H5)−、−C(CH3)2−、−C(CF3)2−、−C6H4CC6H4−または炭素数1〜6のアルキリデン基を示し;B,C,D及びEは、それぞれ独立に、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素又はヨウ素を示し;但し、B,C,D,Eのうち少なくとも2種は水素よりなる。]
式(7):
Figure 2006338928
[式(7)中、F及びGは、それぞれ独立に、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素又はヨウ素を示し;但し、F及びGのうち少なくとも1種は水素よりなる。] 5. (C) It is related with the reinforced polymer electrolyte membrane as described in any one of said 1-4 whose structural unit which has an aromatic ring contains following formula (6) and / or following formula (7).
Formula (6):
Figure 2006338928
[In the formula (6), A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —C 6 H 4 CC 6 H 4 — or an alkylidene group having 1 to 6 carbon atoms; D and E each independently represent hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, a nitro group, a cyano group, an alkoxy group, chlorine, bromine or iodine; provided that B, C, D, At least two of E consist of hydrogen. ]
Formula (7):
Figure 2006338928
[In formula (7), F and G each independently represent hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, a nitro group, a cyano group, an alkoxy group, chlorine, bromine or iodine; , F and G consist of hydrogen. ]

6.(b)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位において、前記プロトン酸基がスルホン酸基又は/及びリン酸基である、上記1〜5のいずれか1つに記載の補強高分子電解質膜に関する。
7.上記1〜6のいずれか1つに記載の補強高分子電解質膜を1層以上含む、補強高分子電解質膜に関する。
8.2つの電極と、該2つの電極の間に配置された上記1〜7のいずれか1つに記載の補強高分子電解質膜とからなる、電極−高分子電解質膜接合体に関する。
9.2つの電極の間に上記1〜7のいずれか1つ記載の補強高分子電解質膜を配置することを含む、上記8に記載の電極−高分子電解質膜接合体の製造方法に関する。
10.上記9記載の電極−高分子電解質膜接合体を含む燃料電池に関する。
6). (B) The reinforced polymer electrolyte according to any one of 1 to 5 above, wherein in the structural unit having an aromatic ring into which a proton acid group is introduced, the proton acid group is a sulfonic acid group or / and a phosphoric acid group. Relates to the membrane.
7). The present invention relates to a reinforced polymer electrolyte membrane comprising one or more reinforced polymer electrolyte membranes according to any one of 1 to 6 above.
8. An electrode-polymer electrolyte membrane assembly comprising two electrodes and the reinforced polymer electrolyte membrane according to any one of 1 to 7 disposed between the two electrodes.
9. A method for producing the electrode-polymer electrolyte membrane assembly according to 8 above, comprising disposing the reinforced polymer electrolyte membrane according to any one of 1 to 7 between two electrodes.
10. The present invention relates to a fuel cell comprising the electrode-polymer electrolyte membrane assembly according to 9 above.

上記(a)〜(c)の構造単位を有する共重合体を含む高分子電解質化合物と、多孔質基材とを組み合わせることにより、耐水性、耐メタノール性に優れ、且つ高いイオン導電性を併せ持つ補強高分子電解質膜を提供することができる。特に、電解質化合物を多孔質基材に保持することにより、電解質膜の膨潤率を有意に抑制でき、耐メタノール性に優れ、品質の安定した電解質膜を提供することができる。
従って、本発明の補強高分子電解質は、高いプロトン伝導率を維持したままメタノールの透過性を抑制できることに加え、水及びメタノールに対する膨潤が小さいので、耐水性、耐メタノール性にも優れた高分子電解質膜の素材として好適に用いることが可能である。
さらに、本発明の補強高分子電解質膜は、寸法安定性、耐熱性、耐薬品性に優れた多孔質基材を使用するため、高温条件下においても電解質の膨潤を抑制でき、メタノールや酸素ガスの透過を抑え、品質の安定した電解質膜を提供することができる。また、多孔質基材は、電解質内部で発生する過酸化水素等のラジカル化合物等に分解しないため、高い電池出力を長期間安定的に得ることができる。
また、本発明の補強高分子電解質膜は、高強度、加工性に優れており、電極−高分子電解質膜接合体の製造が容易であり、これを用いた燃料電池は電気化学特性に優れる。
By combining a polyelectrolyte compound containing a copolymer having the structural units (a) to (c) above and a porous substrate, it has excellent water resistance and methanol resistance, and also has high ionic conductivity. A reinforced polymer electrolyte membrane can be provided. In particular, by holding the electrolyte compound on the porous substrate, the swelling rate of the electrolyte membrane can be significantly suppressed, and an electrolyte membrane having excellent methanol resistance and stable quality can be provided.
Therefore, the reinforced polymer electrolyte of the present invention can suppress the permeability of methanol while maintaining a high proton conductivity, and has a small swelling with respect to water and methanol, so that the polymer has excellent water resistance and methanol resistance. It can be suitably used as a material for the electrolyte membrane.
Furthermore, since the reinforced polymer electrolyte membrane of the present invention uses a porous substrate excellent in dimensional stability, heat resistance, and chemical resistance, the swelling of the electrolyte can be suppressed even under high temperature conditions. Therefore, it is possible to provide an electrolyte membrane with stable quality. Further, since the porous substrate does not decompose into radical compounds such as hydrogen peroxide generated inside the electrolyte, a high battery output can be stably obtained for a long period of time.
Further, the reinforced polymer electrolyte membrane of the present invention has high strength and excellent workability, and it is easy to produce an electrode-polymer electrolyte membrane assembly, and a fuel cell using this has excellent electrochemical characteristics.

(1)補強高分子電解質膜
本発明の補強高分子電解質膜は、多孔質基材と、該多孔質基材の空隙及び/又は細孔中に充填された樹脂組成物とを含む。以下、説明する。
(1-1)多孔質基材
本発明で使用される多孔質基材としては、例えば、ポリエステル繊維、ガラス繊維、アラミド繊維やナイロン繊維からなる不織布や繊維シート、フィブリル化したポリ四弗化エチレンからなるシート、または多孔性の有機材料が挙げられる。このうち、ポリエステル繊維、ガラス繊維、アラミド繊維やナイロン繊維からなる不織布や繊維シートは後述する厚さ、空孔率、平均孔径等の条件を満たす汎用の不織布及び繊維シートを用いることができる。
多孔性の有機材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルケトン、ポリスルフィド、ポリホスファゼン、ポリフェニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリアミド、ポリイミド、ポリキノリン、ポリキノキサリン、ポリ尿素、ポリスルホン、ポリスルホネート、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリチアゾール、ポリフェニルキノキサリン、ポリキノリン、ポリシロキサン、ポリトリアジン、ポリジエン、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリオキサチアゾール、ポリテトラザピレン、ポリオキサゾール、ポリビニルピリジン、ポリビニルイミダゾール、ポリピロリドン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフロリド、ポリアクリレート誘導体、ポリメタクリレート誘導体、ポリスチレン誘導体等が挙げられる。この中で耐熱性、耐電解液性という点で、ポリエステル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドのいずれかを含むことがより好ましい。
これらの多孔質基材の厚さは、例えば、5〜200μm、好ましくは5〜100μmである。一般に5μm以上であれば十分な実用的強度を確保することができ、200μm以下であれば、取り扱い性、作業性の問題はない。
本発明の多孔質基材の空孔率は、例えば、10〜95%が好ましく、好ましくは40〜90%である。10%以上であれば、多孔質基材の空隙及び/又は細孔中に本発明の樹脂組成物を十分に充填することができ、充分なイオン伝導率が得られるので好ましい。また、95%以下であれば、十分な実用的強度を確保することができる。
本発明の多孔質基材の平均孔径は、例えば、0.001〜100μm、好ましくは、0.01〜10μmのものが好ましい。0.001μm以上であれば、本発明の樹脂組成物を十分に充填することができ、100μm以下であれば、本発明の樹脂組成物の固定化が容易であるので好ましい。
(1) Reinforced polymer electrolyte membrane The reinforced polymer electrolyte membrane of the present invention comprises a porous substrate and a resin composition filled in the voids and / or pores of the porous substrate. This will be described below.
(1-1) Porous base material Examples of the porous base material used in the present invention include non-woven fabrics and fiber sheets made of polyester fiber, glass fiber, aramid fiber and nylon fiber, and fibrillated polytetrafluoroethylene. The sheet | seat which consists of, or a porous organic material is mentioned. Among these, the nonwoven fabric and fiber sheet which consist of polyester fiber, glass fiber, aramid fiber, and nylon fiber can use the general purpose nonwoven fabric and fiber sheet which satisfy | fill conditions, such as the thickness mentioned later, a porosity, and an average hole diameter.
Examples of porous organic materials include polyethylene, polypropylene, polyether ketone, polysulfide, polyphosphazene, polyphenylene, polybenzimidazole, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyester, polycarbonate, polyurethane, polyamide, polyimide, polyquinoline, and polyquinoxaline. , Polyurea, polysulfone, polysulfonate, polybenzoxazole, polybenzothiazole, polythiazole, polyphenylquinoxaline, polyquinoline, polysiloxane, polytriazine, polydiene, polypyridine, polypyrimidine, polyoxathiazole, polytetrazapyrene, polyoxazole , Polyvinyl pyridine, polyvinyl imidazole, polypyrrolidone, polytetrafluoroethylene Emissions, polyvinylidene fluoride, polyacrylate derivatives, polymethacrylate derivatives, polystyrene derivatives, and the like. Among these, it is more preferable to contain any of polyester, polysulfone, polyethersulfone, polyarylate, polyamideimide, polyetherimide, and polyimide in terms of heat resistance and electrolytic solution resistance.
The thickness of these porous substrates is, for example, 5 to 200 μm, preferably 5 to 100 μm. Generally, if it is 5 μm or more, sufficient practical strength can be secured, and if it is 200 μm or less, there are no problems in handling and workability.
For example, the porosity of the porous substrate of the present invention is preferably 10 to 95%, and preferably 40 to 90%. If it is 10% or more, it is preferable because the resin composition of the present invention can be sufficiently filled in the voids and / or pores of the porous substrate, and sufficient ionic conductivity can be obtained. Moreover, if it is 95% or less, sufficient practical strength can be ensured.
The average pore diameter of the porous substrate of the present invention is, for example, 0.001 to 100 μm, preferably 0.01 to 10 μm. If it is 0.001 micrometer or more, the resin composition of this invention can fully be filled, and since it is easy to fix | immobilize the resin composition of this invention if it is 100 micrometers or less, it is preferable.

(1-2)樹脂組成物
本発明の樹脂組成物は、(a)複素環を有する構造単位と、(b)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位と、(c)芳香環を有する構造単位とを有する共重合体を含む高分子電解質化合物を含有する。また、本発明の樹脂組成物は、任意にその他の高分子化合物及びその他の添加剤を含む。
(1-2-1) 高分子電解質化合物
本発明の酸基含有高分子化合物は、(a)複素環を有する構造単位と、(b)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位と、(c)芳香環を有する構造単位と、任意に(d)上記(a)〜(d)の構造単位以外の構造単位とを有する共重合体を含む。
(1-2) Resin Composition The resin composition of the present invention comprises (a) a structural unit having a heterocyclic ring, (b) a structural unit having an aromatic ring having a proton acid group introduced therein, and (c) an aromatic ring. And a polyelectrolyte compound including a copolymer having a structural unit. Moreover, the resin composition of the present invention optionally contains other polymer compounds and other additives.
(1-2-1) Polyelectrolyte Compound The acid group-containing polymer compound of the present invention comprises (a) a structural unit having a heterocyclic ring, and (b) a structural unit having an aromatic ring into which a protonic acid group is introduced, (C) a copolymer having a structural unit having an aromatic ring and optionally (d) a structural unit other than the structural units (a) to (d) above.

(1-2-1-1) 高分子電解質化合物の構造
(a)複素環を有する構造単位
(a)複素環を有する構造単位は、特に制限はないが、ピロール、ピラゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、キノリン、イソキノリン、キノキサリン、イミダゾール、ベンズイミダゾール、インドール、プリン、トリアゾール、トリアジン、フラン、チオフェン、ベンゾフラン等のヘテロ芳香族化合物及びこれらの誘導体等が挙げられる。これらは、単独で、又は2種以上組み合わせて用いることができる。これらの中でも、耐水性、耐メタノール性及びプロトン伝導率の点から下記の式(1)又は/及び(2)又は/及び(3)で示される構造単位が好ましい。
式(1):

Figure 2006338928
[式(1)中、Aは、直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)2−、−C(O)−、−P(O)(C6H5)−、−C(CH3)2−、−C(CF3)2−、−C6H4CC6H4−または炭素数1〜6のアルキリデン基を示し;Rは、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素、ヨウ素を示し;Xは、SO3H、COOH、PO3H2からなる群から選択されるプロトン酸基を示し;nは、1から5の置換基数を表し;mは、0〜(5−n)の置換基数を表わす。]
















(1-2-1-1) Structure of polyelectrolyte compounds
(a) Structural unit having a heterocyclic ring
(a) The structural unit having a heterocyclic ring is not particularly limited, but pyrrole, pyrazole, pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, quinoline, isoquinoline, quinoxaline, imidazole, benzimidazole, indole, purine, triazole, triazine, furan, Examples include heteroaromatic compounds such as thiophene and benzofuran, and derivatives thereof. These can be used alone or in combination of two or more. Among these, a structural unit represented by the following formula (1) or / and (2) or / and (3) is preferable from the viewpoint of water resistance, methanol resistance and proton conductivity.
Formula (1):
Figure 2006338928
[In the formula (1), A represents a direct bond, -O-, -S-, -S (O)-, -S (O) 2- , -C (O)-, -P (O) (C 6 H 5 ) —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —C 6 H 4 CC 6 H 4 — or an alkylidene group having 1 to 6 carbon atoms; R is hydrogen Represents an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, phenyl group, nitro group, cyano group, alkoxy group, chlorine, bromine, iodine; X is selected from the group consisting of SO 3 H, COOH, PO 3 H 2 N represents the number of substituents from 1 to 5; and m represents the number of substituents from 0 to (5-n). ]
















式(1)の例としては、例えば

Figure 2006338928
等が挙げられる。 As an example of Formula (1), for example,
Figure 2006338928
Etc.

式(2):

Figure 2006338928
[式(2)中、Yは、直接結合、−NH−、−N(CH3)−、−NHC6H4O−、−N(CH3)C6H4O−または炭素数1〜6のアルキリデン基を示し;Zは、直接結合、−NH−、−N(CH3)−、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)2−、−C(O)−または炭素数1〜6のアルキリデン基を示し;Rは、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、メトキシ基、フェニル基、フェノキシ基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素、ヨウ素示し;Xは、SO3H、COOH、PO3H2からなる群から選択されるプロトン酸基を示し;nは、1から5の置換基数を表わし;mは、0〜(5−n)の置換基数を表わす。] Formula (2):
Figure 2006338928
[In the formula (2), Y represents a direct bond, —NH—, —N (CH 3 ) —, —NHC 6 H 4 O—, —N (CH 3 ) C 6 H 4 O— 6 represents an alkylidene group; Z represents a direct bond, —NH—, —N (CH 3 ) —, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O)-or an alkylidene group having 1 to 6 carbon atoms; R represents hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a methoxy group, a phenyl group, a phenoxy group, a nitro group, a cyano group, an alkoxy group, X represents chlorine, bromine or iodine; X represents a protonic acid group selected from the group consisting of SO 3 H, COOH and PO 3 H 2 ; n represents the number of substituents from 1 to 5; This represents the number of substituents of (5-n). ]

式(2)の例としては、例えば

Figure 2006338928
等が挙げられる。 As an example of Formula (2), for example,
Figure 2006338928
Etc.

式(3):

Figure 2006338928
[式(3)中、各Qは、同一でも異なっていてもよく、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロフェニル基、アルコキシフェニル基、フルオロフェニル基、クロロフェニル基、ブロモフェニル基、ヨードフェニル基、シアノフェニル基、アセトフェニル基、‐OH基、塩素、臭素、ヨウ素を示し;Rは、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、メトキシ基、フェニル基、フェノキシ基、ニトロ基、塩素、臭素、ヨウ素を示し;Xは、SO3H、COOH、PO3H2からなる群から選択されるプロトン酸基を示し;nは、1から5の置換基数を表し;mは、0〜(5−n)の置換基数を表わす。]
式(3)の例としては、例えば
Figure 2006338928
等が挙げられる。 Formula (3):
Figure 2006338928
[In the formula (3), each Q may be the same or different and is hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, a nitrophenyl group, an alkoxyphenyl group, a fluorophenyl group, a chlorophenyl group, A bromophenyl group, an iodophenyl group, a cyanophenyl group, an acetophenyl group, an —OH group, chlorine, bromine, iodine; R is hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a methoxy group, a phenyl group, X represents a protonic acid group selected from the group consisting of SO 3 H, COOH, and PO 3 H 2 ; n represents the number of substituents of 1 to 5; phenoxy group, nitro group, chlorine, bromine, iodine; And m represents the number of substituents from 0 to (5-n). ]
As an example of Formula (3), for example,
Figure 2006338928
Etc.

ここで、(a)成分の複素環を有する構造単位は、必ずしも一種類に限定されるものではなく、二種類以上の構造単位が含まれていてもよい。また、(a)成分の複素環を有する構造単位には、プロトン酸基が導入されていてもされていなくてもどちらでもよく、プロトン酸基が導入されている構造単位とプロトン酸基が導入されていない構造単位のどちらも含まれていてもよい。   Here, the structural unit having a heterocyclic ring as the component (a) is not necessarily limited to one type, and two or more types of structural units may be included. In addition, the structural unit having a heterocyclic ring as component (a) may or may not have a protonic acid group introduced, and a structural unit having a protonic acid group introduced and a protonic acid group are introduced. Both of the structural units that are not made may be included.

(b)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位
(b)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位は、特に制限はないが、耐熱性及びプロトン伝導率の点から下記の式(4)又は/及び(5)で示される構造単位が好ましい。
式(4):

Figure 2006338928
[式(4)中、Aは、直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)2−、−C(O)−、−P(O)(C6H5)−、−C(CH3)2−、−C(CF3)2−、−C6H4CC6H4−または炭素数1〜6のアルキリデン基を示し;Rは、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素、ヨウ素を示し;Xは、SO3H、COOH、PO3H2からなる群から選択されるプロトン酸基を示し;nは、1から4の置換基数を表わし、mは、0−(4−n)の置換基数を表わす。]



































(b) Structural unit having an aromatic ring into which a protonic acid group is introduced
(b) The structural unit having an aromatic ring into which a protonic acid group is introduced is not particularly limited, but the structural unit represented by the following formula (4) or / and (5) is preferable from the viewpoint of heat resistance and proton conductivity. preferable.
Formula (4):
Figure 2006338928
[In the formula (4), A represents a direct bond, -O-, -S-, -S (O)-, -S (O) 2- , -C (O)-, -P (O) (C 6 H 5 ) —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —C 6 H 4 CC 6 H 4 — or an alkylidene group having 1 to 6 carbon atoms; R is hydrogen Represents an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, phenyl group, nitro group, cyano group, alkoxy group, chlorine, bromine, iodine; X is selected from the group consisting of SO 3 H, COOH, PO 3 H 2 N represents the number of substituents of 1 to 4, and m represents the number of substituents of 0- (4-n). ]



































式(4)の例としては、例えば

Figure 2006338928
等が挙げられる。 As an example of Formula (4), for example,
Figure 2006338928
Etc.

式(5):

Figure 2006338928
[式(5)中、Rは、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素、ヨウ素を示し;Xは、SO3H、COOH、PO3H2からなる群から選択されるプロトン酸基を示し;nは、1から4の置換基数を表わし;mは、0−(4−n)の置換基数を表わす。] Formula (5):
Figure 2006338928
[In the formula (5), R represents hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, a nitro group, a cyano group, an alkoxy group, chlorine, bromine or iodine; X represents SO 3 H; A protonic acid group selected from the group consisting of COOH and PO 3 H 2 ; n represents the number of substituents 1 to 4; m represents the number of substituents 0- (4-n). ]

式(5)の例としては、例えば

Figure 2006338928
等が挙げられる。
ここで、(b)成分のプロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位は、式(4)又は/及び(5)で表わされる構造単位であればどのような構造であってもよく、必ずしも一種類に限定されるものではなく、二種類以上の構造単位が含まれていてもよい。 As an example of Formula (5), for example,
Figure 2006338928
Etc.
Here, the structural unit having an aromatic ring introduced with a protonic acid group as the component (b) may be any structure as long as it is a structural unit represented by the formula (4) or / and (5), It is not necessarily limited to one type, and two or more types of structural units may be included.

(c)芳香環を有する構造単位が、下記の式(6)及び/又は下記の式(7)を含む、請求項1〜4記載の補強高分子電解質膜。






式(6):

Figure 2006338928
[式(6)中、Aは、直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)2−、−C(O)−、−P(O)(C6H5)−、−C(CH3)2−、−C(CF3)2−、−C6H4CC6H4−または炭素数1〜6のアルキリデン基を示し;B,C,D及びEは、それぞれ独立に、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素又はヨウ素を示し;但し、B,C,D,Eのうち少なくとも2種は水素よりなる。]






































(C) The reinforced polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the structural unit having an aromatic ring includes the following formula (6) and / or the following formula (7).






Formula (6):
Figure 2006338928
[In the formula (6), A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —C 6 H 4 CC 6 H 4 — or an alkylidene group having 1 to 6 carbon atoms; D and E each independently represent hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, a nitro group, a cyano group, an alkoxy group, chlorine, bromine or iodine; provided that B, C, D, At least two of E consist of hydrogen. ]






































式(6)の例としては、例えば

Figure 2006338928
等が挙げられる。





As an example of Formula (6), for example,
Figure 2006338928
Etc.





式(7):

Figure 2006338928
[式(7)中、F及びGは、それぞれ独立に、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素又はヨウ素を示し;但し、F及びGのうち少なくとも1種は水素よりなる。] Formula (7):
Figure 2006338928
[In formula (7), F and G each independently represent hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, a nitro group, a cyano group, an alkoxy group, chlorine, bromine or iodine; , F and G consist of hydrogen. ]

式(7)の例としては、例えば

Figure 2006338928
等が挙げられる。 As an example of Formula (7), for example
Figure 2006338928
Etc.

ここで、(c)成分の芳香環を有する構造単位は、式(5)又は/及び(6)で表わされる構造単位であればどのような構造であってもよく、必ずしも一種類に限定されるものではなく、二種類以上の構造単位が含まれていてもよい。   Here, the structural unit having an aromatic ring as the component (c) may be any structure as long as it is a structural unit represented by the formula (5) or / and (6), and is not necessarily limited to one type. It is not a thing and two or more types of structural units may be included.

(d)上記(a)〜(d)の構造単位以外の構造単位
さらに、本発明において、(a)〜(c)の構造単位以外の構造単位が含まれていてもよい。
本発明における(a)〜(c)の構造単位以外の構造単位は、特に制限はないが、例えば、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、テトラメチレンオキシド等のアルキレンエーテル、パーフルオロアルキレンエーテル、芳香族イミド、アミド等の結合を有する芳香族エーテル等がある。
(D) Structural units other than the structural units (a) to (d) In the present invention, structural units other than the structural units (a) to (c) may be included.
The structural units other than the structural units (a) to (c) in the present invention are not particularly limited. For example, alkylene ethers such as ethylene oxide, propylene oxide, and tetramethylene oxide, perfluoroalkylene ethers, aromatic imides, and amides. And aromatic ethers having such bonds.

本発明における(a)複素環を有する構造単位と、(b)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位と、(c)芳香環を有する構造単位と、任意に(d)上記(a)〜(d)の構造単位以外の構造単位とが結合する場合には、ランダム共重合の形で結合していてもよく、ブロック共重合の形で結合していてもよい。   In the present invention, (a) a structural unit having a heterocyclic ring, (b) a structural unit having an aromatic ring into which a protonic acid group is introduced, (c) a structural unit having an aromatic ring, and optionally (d) the above (a ) To (d) other than the structural units are bonded, they may be bonded in the form of random copolymerization or may be bonded in the form of block copolymerization.

本発明の高分子電解質化合物中における(a)成分の含有量は、前記(a)〜(d)成分の総量に対して1〜50モル%とすることが好ましく、5〜45モル%とすることがより好ましく、10〜40モル%とすることが特に好ましい。この含有量が1モル%以上であれば、分子間での架橋密度が小さくなることもなく、水及びメタノールに対する膨潤を十分抑制できる傾向にあり、50モル%以下であれば、プロトン伝導率が低くなることもないので好適である。
本発明の高分子電解質化合物中における(b)成分の含有量は、前記(a)〜(d)成分の総量に対して10〜90モル%とすることが好ましく、20〜80モル%とすることがより好ましく、30〜70モル%とすることが特に好ましい。この含有量が10モル%以上であればプロトン伝導率が低くなることもなく、90モル%以下であれば水及びメタノールに対する膨潤を十分抑制できるので好適である。
本発明の高分子電解質化合物中における(c)成分の含有量は、前記(a)〜(d)成分の総量に対して9〜89モル%とすることが好ましく、15〜75モル%とすることがより好ましく、20〜60モル%とすることが特に好ましい。この含有量が9モル%以上であれば高分子電解質化合物の合成が容易であり、60モル%以下であればプロトン伝導率が低くなることもないので好適である。
本発明の高分子電解質化合物中における(d)成分の含有量は、前記(a)〜(d)成分の総量に対して30モル%以下とすることが好ましく、20モル%以下とすることがより好ましく、5モル%以下とすることが特に好ましい。この含有量が30モル%以下であれば、プロトン伝導率が低くなることもないので好適である。
The content of the component (a) in the polymer electrolyte compound of the present invention is preferably 1 to 50 mol%, and preferably 5 to 45 mol% with respect to the total amount of the components (a) to (d). It is more preferable that the content be 10 to 40 mol%. If this content is 1 mol% or more, there is a tendency that the intermolecular crosslinking density does not decrease and swelling with respect to water and methanol can be sufficiently suppressed, and if it is 50 mol% or less, proton conductivity is low. Since it does not become low, it is suitable.
The content of the component (b) in the polymer electrolyte compound of the present invention is preferably 10 to 90 mol% with respect to the total amount of the components (a) to (d), and is preferably 20 to 80 mol%. It is more preferable that the content be 30 to 70 mol%. If the content is 10 mol% or more, the proton conductivity is not lowered, and if it is 90 mol% or less, the swelling with respect to water and methanol can be sufficiently suppressed.
The content of the component (c) in the polymer electrolyte compound of the present invention is preferably 9 to 89 mol% with respect to the total amount of the components (a) to (d), and 15 to 75 mol%. It is more preferable to set it as 20 to 60 mol%. If the content is 9 mol% or more, the synthesis of the polymer electrolyte compound is easy, and if it is 60 mol% or less, the proton conductivity is not lowered, which is preferable.
The content of the component (d) in the polymer electrolyte compound of the present invention is preferably 30 mol% or less, and preferably 20 mol% or less, based on the total amount of the components (a) to (d). More preferred is 5 mol% or less. If the content is 30 mol% or less, the proton conductivity is not lowered, which is preferable.

ここで、本発明の高分子電解質化合物の数平均分子量は、例えば、1,000〜1,000,000であることが好ましく、成形体の強度と加工性の観点から、5,000〜500,000であることがより好ましく、10,000〜200,000であること特に好ましい。数平均分子量が1,000以上であれば、この高分子電解質化合物から得られる高分子電解質膜の十分な強度が得られるので好ましい。また、1,000,000以下であれば加工が困難となることもないので好ましい。   Here, the number average molecular weight of the polyelectrolyte compound of the present invention is preferably, for example, 1,000 to 1,000,000, and from the viewpoint of the strength and workability of the molded body, 5,000 to 500,000. 000 is more preferable, and 10,000 to 200,000 is particularly preferable. A number average molecular weight of 1,000 or more is preferable because sufficient strength of the polymer electrolyte membrane obtained from the polymer electrolyte compound can be obtained. Moreover, since it will not become difficult if it is 1,000,000 or less, it is preferable.

(1-2-1-2) プロトン酸基の導入
本発明における式(1)〜(5)で表わされる構造の複素環又は芳香族環は、プロトン酸基を有する又は有し得るものである。これらの複素環又は芳香環にプロトン酸基を導入する方法としては、例えば以下の方法がある。
(i)(1)〜(5)の各式に対応するプロトン酸基を持たないモノマー化合物と適当なプロトン酸基を有する化合物(プロトン化剤)とを有機溶媒中で反応させて、本発明の高分子電解質化合物に含まれる共重合体の合成に使用できるプロトン酸基含有モノマーを得る方法;
(ii)プロトン酸基含有モノマーの合成の際に、プロトン化剤を用いて合成を行う方法;
(iii) (1)〜(5)の各式に対応するプロトン酸基を持たないモノマー化合物からプロトン酸基を持たない共重合体を合成した後に、得られた共重合体とプロトン化剤とを反応させて共重合体中にプロトン酸基を導入する方法。
(1-2-1-2) Introduction of Protic Acid Group The heterocyclic ring or aromatic ring having a structure represented by formulas (1) to (5) in the present invention has or can have a protonic acid group. . Examples of a method for introducing a protonic acid group into these heterocycles or aromatic rings include the following methods.
(i) A monomer compound having no proton acid group corresponding to each of the formulas (1) to (5) and a compound having a suitable proton acid group (protonating agent) are reacted in an organic solvent to produce the present invention. A method for obtaining a protonic acid group-containing monomer that can be used for the synthesis of a copolymer contained in the polyelectrolyte compound;
(ii) a method of synthesizing a protonic acid group-containing monomer using a protonating agent;
(iii) After synthesizing a copolymer having no proton acid group from a monomer compound having no proton acid group corresponding to each formula of (1) to (5), the obtained copolymer, a protonating agent, To introduce protonic acid groups into the copolymer.

(a) プロトン酸基
上記プロトン酸基を持たないモノマー化合物及びプロトン酸基を持たない共重合体に導入されるプロトン酸基としては、プロトンを放出しやすい官能基が挙げられる。本発明で使用されるプロトン酸基としては、例えば、スルホン酸基(-SO3H)、カルボン酸基(-COOH)、リン酸基(-PO3H2)からなる群より選ばれた少なくとも1種以上含まれたものが挙げられる。上記スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基は、一部がアルキル基、ナトリウム、カリウム、カルシウム等で置換されていてもよい。上記酸基に含まれるアルキル基及びアルキレン基は、炭素数が1〜10個、好ましくは、1〜5個含有するものであり得る。
(a) Protonic acid group Examples of the protonic acid group introduced into the monomer compound having no protonic acid group and the copolymer having no protonic acid group include functional groups that readily release protons. The protonic acid group used in the present invention is, for example, at least selected from the group consisting of a sulfonic acid group (—SO 3 H), a carboxylic acid group (—COOH), and a phosphoric acid group (—PO 3 H 2 ). One or more types are included. A part of the sulfonic acid group, carboxylic acid group, and phosphoric acid group may be substituted with an alkyl group, sodium, potassium, calcium, or the like. The alkyl group and alkylene group contained in the acid group may contain 1 to 10 carbon atoms, preferably 1 to 5 carbon atoms.

(b) プロトン化剤
スルホン酸基、カルボン酸基及びリン酸基等の上記プロトン酸基を、上記プロトン酸基を持たないモノマー化合物及び共重合体に導入するためには、種々の既知の官能基導入反応を利用することができる。例えば、式(1)〜(5)で表わされる構造の複素環又は芳香族環にスルホン酸基を導入するためには、上記プロトン酸基を持たないモノマー化合物及び共重合体と、適当なスルホン化剤とを有機溶媒中で反応させればよい。このようなスルホン化剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、濃硫酸、発煙硫酸、クロロ硫酸、無水硫酸錯体等が挙げられる。
(b) Protonating agent In order to introduce the protonic acid group such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, and a phosphoric acid group into a monomer compound or copolymer having no protonic acid group, various known functional groups are used. A group introduction reaction can be used. For example, in order to introduce a sulfonic acid group into a heterocyclic ring or an aromatic ring having a structure represented by the formulas (1) to (5), a monomer compound and a copolymer having no proton acid group and an appropriate sulfone group are used. The agent may be reacted in an organic solvent. Such a sulfonating agent is not particularly limited, and examples thereof include concentrated sulfuric acid, fuming sulfuric acid, chlorosulfuric acid, and anhydrous sulfuric acid complex.

なかでもスルホン化剤としては、さらに、特許第2884189号公報に記載のスルホン化剤、すなわち、1,3,5−トリメチルベンゼン−2−スルホン酸、1,3,5−トリメチルベンゼン−2,4−ジスルホン酸、1,2,4−トリメチルベンゼン−5−スルホン酸、1,2,4−トリメチルベンゼン−3−スルホン酸、1,2,3−トリメチルベンゼン−4−スルホン酸、1,2,3,4−テトラメチルベンゼン−5−スルホン酸、1,2,3,5−テトラメチルベンゼン−4−スルホン酸、1,2,4,5−テトラメチルベンゼン−3−スルホン酸、1,2,4,5−テトラメチルベンゼン−3,6−ジスルホン酸、1,2,3,4,5−ペンタメチルベンゼン−6−スルホン酸、1,3,5−トリエチルベンゼン−2−スルホン酸、1−エチル−3,5−ジメチルベンゼン−2−スルホン酸、1−エチル−3,5−ジメチルベンゼン−4−スルホン酸、1−エチル−3,4−ジメチルベンゼン−6−スルホン酸、1−エチル−2,5−ジメチルベンゼン−3−スルホン酸、1,2,3,4−テトラエチルベンゼン−5−スルホン酸、1,2,4,5−テトラエチルベンゼン−3−スルホン酸、1,2,3,4,5−ペンタエチルベンゼン−6−スルホン酸、1,3,5−トリイソプロピルベンゼン−2−スルホン酸、1−プロピル−3,5−ジメチルベンゼン−4−スルホン酸等を用いることも可能である。   Among them, as the sulfonating agent, the sulfonating agent described in Japanese Patent No. 2884189, namely 1,3,5-trimethylbenzene-2-sulfonic acid, 1,3,5-trimethylbenzene-2,4 -Disulfonic acid, 1,2,4-trimethylbenzene-5-sulfonic acid, 1,2,4-trimethylbenzene-3-sulfonic acid, 1,2,3-trimethylbenzene-4-sulfonic acid, 1,2, 3,4-tetramethylbenzene-5-sulfonic acid, 1,2,3,5-tetramethylbenzene-4-sulfonic acid, 1,2,4,5-tetramethylbenzene-3-sulfonic acid, 1,2 , 4,5-tetramethylbenzene-3,6-disulfonic acid, 1,2,3,4,5-pentamethylbenzene-6-sulfonic acid, 1,3,5-triethylbenzene-2-sulfone 1-ethyl-3,5-dimethylbenzene-2-sulfonic acid, 1-ethyl-3,5-dimethylbenzene-4-sulfonic acid, 1-ethyl-3,4-dimethylbenzene-6-sulfonic acid, 1 -Ethyl-2,5-dimethylbenzene-3-sulfonic acid, 1,2,3,4-tetraethylbenzene-5-sulfonic acid, 1,2,4,5-tetraethylbenzene-3-sulfonic acid, 1,2 , 3,4,5-pentaethylbenzene-6-sulfonic acid, 1,3,5-triisopropylbenzene-2-sulfonic acid, 1-propyl-3,5-dimethylbenzene-4-sulfonic acid, etc. Is possible.

上記のスルホン化剤の中でも、スルホン酸基の両側のオルソ位に低級アルキルが置換された化合物、例えば、1,3,5−トリメチルベンゼン−2−スルホン酸、1,2,4,5−テトラメチルベンゼン−3−スルホン酸、1,2,3,5−テトラメチルベンゼン−4−スルホン酸、1,2,3,4,5−ペンタメチルベンゼン−6−スルホン酸、1,3,5−トリメチルベンゼン−2,4−ジスルホン酸、1,3,5−トリエチルベンゼン−2−スルホン酸、等が特に好ましく、さらには、1,3,5−トリメチルベンゼン−2−スルホン酸が最も好ましい。   Among the sulfonating agents described above, compounds in which a lower alkyl is substituted at both ortho positions of the sulfonic acid group, for example, 1,3,5-trimethylbenzene-2-sulfonic acid, 1,2,4,5-tetra Methylbenzene-3-sulfonic acid, 1,2,3,5-tetramethylbenzene-4-sulfonic acid, 1,2,3,4,5-pentamethylbenzene-6-sulfonic acid, 1,3,5- Trimethylbenzene-2,4-disulfonic acid, 1,3,5-triethylbenzene-2-sulfonic acid, and the like are particularly preferable, and 1,3,5-trimethylbenzene-2-sulfonic acid is most preferable.

(c) プロトン酸基の導入
プロトン酸基を持たないモノマー化合物又は共重合体にプロトン酸基を導入する方法としては、上記プロトン化剤を用い、化合物構造に応じた反応条件を選定することにより実施することができる。
例えば、プロトン酸基を持たないモノマー化合物又は共重合体とプロトン化剤とを、触媒の存在下、反応温度−20〜150℃の範囲、反応時間0.5〜50時間の範囲で反応させることにより、スルホン酸基を導入することができる。反応温度が−20℃以上であれば、プロトン化反応が速やかに進み、反応温度が150℃以下であれば、特定の芳香族環にのみプロトン酸基を導入することできるので好ましい。
ここで、触媒としては、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウム、炭酸セシウム等のアルカリ触媒やフッ化セシウム等の金属ハロゲン化物が使用できる。触媒量は、反応させるモノマー又は共重合体の全モル数に対して、0.1から100倍で使用できる。
(c) Introduction of a protonic acid group As a method for introducing a protonic acid group into a monomer compound or copolymer having no protonic acid group, the above protonating agent is used and reaction conditions are selected according to the compound structure. Can be implemented.
For example, a monomer compound or copolymer having no proton acid group and a protonating agent are reacted in the presence of a catalyst in a reaction temperature range of −20 to 150 ° C. and a reaction time range of 0.5 to 50 hours. Thus, a sulfonic acid group can be introduced. If the reaction temperature is −20 ° C. or higher, the protonation reaction proceeds rapidly, and if the reaction temperature is 150 ° C. or lower, it is preferable because a protonic acid group can be introduced only into a specific aromatic ring.
Here, as the catalyst, alkali catalysts such as potassium carbonate, sodium carbonate, calcium carbonate, and cesium carbonate, and metal halides such as cesium fluoride can be used. The catalyst amount can be 0.1 to 100 times the total number of moles of monomers or copolymers to be reacted.

プロトン酸基の導入は、水及び有機溶媒等の溶媒中で行ってもよい。有機溶媒としては、特に限定されるものではなく、プロトン酸基導入に悪影響を及ぼさないものであれば従来から公知のものを使用することができる。有機溶媒としては、特に限定されるものではなく、スルホン化反応に悪影響を及ぼさないものであれば従来から公知のものを使用することができる。具体例としては、クロロホルム、ジクロロメタン、1,2−ジクロロエタン、トリクロロエタン、テトラクロロエタン、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン等のハロゲン化脂肪族炭化水素類、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン化芳香族炭化水素類、N−メチルピロリドン、ニトロメタン、ニトロベンゼン、等のニトロ化合物類、トリメチルベンゼン、トリブチルベンゼン、テトラメチルベンゼン、ペンタメチルベンゼン等のアルキルベンゼン類、スルホラン等の複素環化合物類、オクタン、デカン、シクロヘキサン等の直鎖、分枝鎖または環状の脂肪族飽和炭化水素類、並びにアセトンが挙げられる。   The introduction of the protonic acid group may be performed in a solvent such as water and an organic solvent. The organic solvent is not particularly limited, and any conventionally known organic solvent can be used as long as it does not adversely affect the introduction of a protonic acid group. The organic solvent is not particularly limited, and any conventionally known organic solvent can be used as long as it does not adversely affect the sulfonation reaction. Specific examples include halogenated aliphatic hydrocarbons such as chloroform, dichloromethane, 1,2-dichloroethane, trichloroethane, tetrachloroethane, trichloroethylene and tetrachloroethylene, halogenated aromatic hydrocarbons such as dichlorobenzene and trichlorobenzene, N- Nitro compounds such as methylpyrrolidone, nitromethane and nitrobenzene, alkylbenzenes such as trimethylbenzene, tributylbenzene, tetramethylbenzene and pentamethylbenzene, heterocyclic compounds such as sulfolane, straight chain such as octane, decane and cyclohexane, Examples include branched or cyclic aliphatic saturated hydrocarbons, as well as acetone.

これらの溶媒は、一種または二種以上を混合して使用してもよく、その使用量は、適宜選択されるが、通常はスルホン化剤100質量部に対して100〜2000質量部の範囲にあることが好ましい。溶媒の量が100質量部以上の場合には、プロトン化反応を均一に進めることができ、溶媒の量が2,000質量部以下であれば、反応後の溶媒と試薬との分離、溶媒の回収が容易であるので好ましい。
本発明のプロトン酸基含有モノマーを製造する際は、モノマー100質量部に対して、これらのプロトン化剤は、例えば、30〜5000質量部の範囲で加えることが好ましく、50〜2000質量部の範囲で加えればさらに好ましい。プロトン化剤の添加量が30質量部以上であればプロトン酸基の導入が十分に行われ、またプロトン化剤の添加量が5000質量部以下であれば、反応後のプロトン化剤の処理が容易になるので好ましい。
また、本発明のプロトン酸基含有共重合体を製造する際は、共重合体100質量部に対して、これらのプロトン化剤は、例えば、1〜20000質量部の範囲で加えることが好ましく、5〜10000質量部の範囲で加えればさらに好ましい。プロトン化剤の添加量が1質量部以上であればプロトン酸基の導入が十分に行われ、またプロトン化剤の添加量が20000質量部以下であれば、反応後のプロトン化剤の処理が容易になるので好ましい。
These solvents may be used alone or in combination of two or more, and the amount used is appropriately selected, but is usually in the range of 100 to 2000 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the sulfonating agent. Preferably there is. When the amount of the solvent is 100 parts by mass or more, the protonation reaction can proceed uniformly. When the amount of the solvent is 2,000 parts by mass or less, separation of the solvent and the reagent after the reaction, It is preferable because recovery is easy.
When producing the protonic acid group-containing monomer of the present invention, these protonating agents are preferably added in the range of, for example, 30 to 5000 parts by mass, with respect to 100 parts by mass of the monomer, If it adds in the range, it is still more preferable. When the addition amount of the protonating agent is 30 parts by mass or more, the introduction of the protonic acid group is sufficiently performed, and when the addition amount of the protonating agent is 5000 parts by mass or less, the treatment with the protonating agent after the reaction is performed. Since it becomes easy, it is preferable.
Moreover, when producing the protonic acid group-containing copolymer of the present invention, it is preferable to add these protonating agents in the range of, for example, 1 to 20000 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the copolymer. It is more preferable to add in the range of 5 to 10000 parts by mass. When the addition amount of the protonating agent is 1 part by mass or more, the introduction of the protonic acid group is sufficiently performed, and when the addition amount of the protonating agent is 20000 parts by mass or less, the treatment of the protonating agent after the reaction is performed. Since it becomes easy, it is preferable.

(1-2-1-3) 高分子電解質化合物の製造方法
本発明における(a)複素環を有する構造単位と、(b)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位と、(c)芳香環を有する構造単位と、任意に(d)上記(a)〜(d)の構造単位以外の構造単位の各前駆体モノマーを化学結合させて共重合体を製造する方法には特に制限はなく、それぞれの構造単位の組み合わせに応じた適切な公知の方法を用いることができる。
(1-2-1-3) Method for Producing Polyelectrolyte Compound In the present invention, (a) a structural unit having a heterocyclic ring, (b) a structural unit having an aromatic ring into which a protonic acid group is introduced, and (c) There is no particular limitation on the method of producing a copolymer by chemically bonding a structural unit having an aromatic ring and optionally (d) each precursor monomer of a structural unit other than the structural units (a) to (d) above. Instead, a known method suitable for each combination of structural units can be used.

(a)モノマー
本発明の(a)〜(d)の各構造単位からなる高分子電解質化合物は、例えば、
(m)2個以上の置換反応可能な官能基を有する前駆体モノマーと、
(n)この前駆体モノマーと反応可能な2個以上の官能基を有する前駆体モノマーと
を縮合反応することにより合成することができる。
(a) Monomer The polymer electrolyte compound comprising the structural units (a) to (d) of the present invention is, for example,
(M) a precursor monomer having two or more functional groups capable of substitution reaction;
(N) The precursor monomer can be synthesized by a condensation reaction with a precursor monomer having two or more functional groups capable of reacting.

(m)成分の2個以上の置換反応可能な官能基を有する前駆体モノマーとしては、例えばジハロゲン、トリハロゲン又はテトラハロゲン化化合物であり、ハロゲンとしては、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素等が挙げられる。ジハロゲン化化合物の例としては、式(1)〜(7)の構造の末端のオキサ基(−O−)を直接結合に変え、両末端にハロゲンを結合させた構造の化合物が挙げられる。これらハロゲン化モノマーは、同一のハロゲン化モノマーでも異種類のハロゲン化モノマーでも良い。   Examples of the precursor monomer having two or more substitution-reactive functional groups as component (m) are dihalogen, trihalogen or tetrahalogenated compounds. Examples of halogen include fluorine, chlorine, bromine and iodine. It is done. Examples of the dihalogenated compounds include compounds having a structure in which the terminal oxa group (—O—) of the structures of formulas (1) to (7) is changed to a direct bond and halogens are bonded to both terminals. These halogenated monomers may be the same halogenated monomer or different types of halogenated monomers.

また、上記(m)モノマーと反応可能な(n)成分の2個以上の置換反応可能な官能基を有するモノマーとしては、ジヒドロキシ、トリヒドロキシ又はテトラヒドロキシ化合物;ジチオフェノール、トリチオフェノール又はテトラチオフェノール化合物;ジアミノ、トリアミノ又はテトラアミノ化合物;ジ一置換アミノ、トリ一置換アミノ又はテトラ一置換アミノ化合物等が挙げられる。好ましくは、p−アミノフェノールが挙げられる。ジヒドロキシ化合物の例としては、例えば、式(1)〜(7)の構造の末端のオキサ基(−O−)を直接結合に変え、両末端にヒドロキシ基を結合させた構造の化合物が挙げられる。
これら(m)及び(n)のモノマーは、互いに同一でも異種類の化合物でも良い。
The monomer (n) having two or more functional groups capable of undergoing substitution reaction that can react with the monomer (m) includes dihydroxy, trihydroxy or tetrahydroxy compounds; dithiophenol, trithiophenol or tetrathio Examples thereof include phenol compounds; diamino, triamino or tetraamino compounds; dimonosubstituted amino, trimonosubstituted amino or tetramonosubstituted amino compounds. Preferably, p-aminophenol is used. As an example of a dihydroxy compound, the compound of the structure which changed the oxa group (-O-) of the terminal of the structure of Formula (1)-(7) into the direct bond, and couple | bonded the hydroxyl group with the both terminal is mentioned, for example. .
These monomers (m) and (n) may be the same as or different from each other.

(b) 高分子電解質化合物の調製
高分子電解質化合物又は炭化水素系ポリマーの重合には、縮重合、付加重合、ラジカル重合及び開環重合等、既知の重合方法を用いることができる。重合温度は、重合方法にもよるが、例えば、0〜350℃であり、好ましくは40〜260℃である。重合時間は、重合方法にもよるが、例えば、2〜500時間である。
また、重合は、触媒存在下溶媒中で行うことができる。触媒としては、炭酸カリウム、炭酸カルシウム、炭酸セシウム等のアルカリ触媒やフッ化セシウム等の金属ハロゲン化物が使用できる。触媒量は、反応させるモノマーの全モル数に対して、0.1から100倍で使用できる。
反応溶媒としては、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、N−メチル−2−ピロリドン、ヘキサメチルホスホンアミド等の非プロトン極性溶媒や、メタノール、エタノール等のアルコール類から適切なものを選ぶことができるがこれらに限定されるものではない。これらの溶媒は、可能な範囲で複数を混合して使用してもよい。溶媒量は、反応させるモノマーおよび触媒の総質量に対して0.01〜2倍の範囲で用いることができる。
(b) Preparation of polyelectrolyte compound For the polymerization of the polyelectrolyte compound or hydrocarbon polymer, known polymerization methods such as condensation polymerization, addition polymerization, radical polymerization and ring-opening polymerization can be used. Although superposition | polymerization temperature is based also on the superposition | polymerization method, it is 0-350 degreeC, for example, Preferably it is 40-260 degreeC. The polymerization time is, for example, 2 to 500 hours although it depends on the polymerization method.
The polymerization can be carried out in a solvent in the presence of a catalyst. As the catalyst, alkali catalysts such as potassium carbonate, calcium carbonate and cesium carbonate and metal halides such as cesium fluoride can be used. The catalyst amount can be 0.1 to 100 times the total number of moles of monomers to be reacted.
As a reaction solvent, aprotic polar solvents such as N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, N-methyl-2-pyrrolidone, hexamethylphosphonamide, methanol, ethanol, etc. However, the present invention is not limited to these alcohols. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The amount of the solvent can be used in a range of 0.01 to 2 times the total mass of the monomer and catalyst to be reacted.

得られた高分子電解質化合物の数平均分子量は、例えば、1,000〜1,000,000、好ましくは5,000〜500,000、より好ましくは10,000〜100,000であることが適当である。
数平均分子量が1,000以上であれば、プロトン酸基を導入した高分子電解質化合物及びこのポリマーから得られる高分子電解質膜の十分な強度が得られるので好ましい。また、1,000,000以下であれば加工が困難となることもないので好ましい。
The number average molecular weight of the obtained polymer electrolyte compound is, for example, 1,000 to 1,000,000, preferably 5,000 to 500,000, and more preferably 10,000 to 100,000. It is.
A number average molecular weight of 1,000 or more is preferable because sufficient strength of a polymer electrolyte compound into which a protonic acid group is introduced and a polymer electrolyte membrane obtained from the polymer can be obtained. Moreover, since it will not become difficult if it is 1,000,000 or less, it is preferable.

(c) 高分子電解質化合物の精製
本発明の高分子電解質化合物の精製方法は、従来から公知の精製方法を好適に使用可能であるが、例えば、得られたプロトン酸基を含有する高分子電解質化合物が固体状の場合には濾過後に溶剤で洗浄して乾燥することにより、オイル状の場合には分液することにより、反応溶液に溶解している場合には有機溶媒を蒸発除去することにより、精製することができる。また、本発明の高分子電解質化合物が含まれる反応液に水を加え、必要に応じてアルカリ成分を加えて溶解し、溶剤相と水相に分離した後に、水相より酸析や塩析等の方法により沈殿させ、濾過後に溶剤で洗浄して乾燥させることにより精製することもできる。
また、濃硫酸等のスルホン化剤のみで反応を行なう場合には、反応液を水中に注ぐことにより化合物を沈殿させて、回収および精製を行なうことも有効である。
(c) Purification of polyelectrolyte compound As the polyelectrolyte compound purification method of the present invention, conventionally known purification methods can be suitably used. For example, the obtained polyelectrolyte containing a protonic acid group If the compound is in a solid state, it is washed with a solvent after filtration and dried.If the compound is in an oily state, it is separated, and if dissolved in the reaction solution, the organic solvent is removed by evaporation. Can be purified. In addition, water is added to the reaction solution containing the polymer electrolyte compound of the present invention, and if necessary, an alkali component is added and dissolved, and after separation into a solvent phase and an aqueous phase, acid precipitation, salting out, etc. from the aqueous phase It is also possible to purify by precipitation by the above method, washing with a solvent after filtration and drying.
In the case where the reaction is carried out only with a sulfonating agent such as concentrated sulfuric acid, it is also effective to precipitate the compound by pouring the reaction solution into water for recovery and purification.

(1-2-2)その他の高分子化合物
本発明の樹脂組成物は、本発明の高分子電解質化合物一種のみからなる樹脂組成物であってもよく、また、本発明の高分子電解質化合物を二種以上含有する樹脂組成物であってもよい。
また、本発明の樹脂組成物は、本発明の高分子電解質化合物のみからなる樹脂組成物であってもよいが、その特性を著しく低下しない範囲で、1種以上の構造の異なる他の高分子化合物(樹脂)を含有していてもよい。
(1-2-2) Other polymer compound The resin composition of the present invention may be a resin composition comprising only one type of the polymer electrolyte compound of the present invention. Two or more types of resin compositions may be used.
In addition, the resin composition of the present invention may be a resin composition comprising only the polymer electrolyte compound of the present invention, but other polymers having one or more different structures within a range that does not significantly deteriorate the characteristics. A compound (resin) may be contained.

このようなその他の高分子化合物としては、具体的には、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ABS樹脂およびAS樹脂等の汎用樹脂、ポリアセテート(POM)、ポリカーボネート(PC)、ポリアミド(PA:ナイロン)、ポリエチレンテレフタレート(PET)およびポリブチレンテレフタレート(PBT)等のエンジニアリングプラスチック、ならびにポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリケトン(PK)、ポリイミド(PI)、ポリシクロヘキサンジメタノールテレフタレート(PCT)、ポリアリレート(PAR)及び各種液晶ポリマー(LCP)等の熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂等の熱硬化性樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。   Specific examples of such other polymer compounds include polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), ABS resin, AS resin, and other general-purpose resins, polyacetate (POM), polycarbonate (PC), polyamide (PA: nylon), engineering plastics such as polyethylene terephthalate (PET) and polybutylene terephthalate (PBT), and polyphenylene sulfide (PPS), polyethersulfone (PES), polyketone (PK) ), Polyimide (PI), polycyclohexanedimethanol terephthalate (PCT), polyarylate (PAR), and various liquid crystal polymers (LCP), epoxy resins, phenol resins, Rack resin thermosetting resins such as including but not limited to.

(1-2-3)その他の添加剤
本発明の樹脂組成物は、必要に応じて、例えば、酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、等の各種添加剤を含んでいてもよい。
(1-2-3) Other Additives The resin composition of the present invention is, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a crosslinking agent, a viscosity modifier, if necessary. Various additives such as an antistatic agent, an antibacterial agent, an antifoaming agent, a dispersant, and a polymerization inhibitor may be contained.

(1-2-4)樹脂組成物の組成
本発明の樹脂組成物は、本発明の高分子電解質化合物を、樹脂組成物全体の好ましくは50質量%〜100質量%、より好ましくは70質量%以上100質量%未満含むことが望ましい。本発明の高分子化合物の含有量が樹脂組成物全体の50質量%以上であれば、この樹脂組成物を含む高分子電解質膜の樹脂組成物中の酸基濃度を十分に保持でき、良好なプロトン伝導率が得られる。また、酸基を含有するユニットが非連続相となることもなく、伝導するイオンの移動度を十分に維持できる。
また、本発明の樹脂組成物は、その他の高分子化合物を、樹脂組成物全体の好ましくは、50質量%以下、より好ましくは30質量%以下含むことが望ましい。本発明の樹脂組成物中、本発明の高分子化合物とその他の高分子化合物との割合は、例えば、7:3〜8:2、好ましくは、8:2〜9:1であることが適当である。さらに、本発明の樹脂組成物は、その他の添加剤を、樹脂組成物全体の好ましくは、10質量%以下、より好ましくは5質量%以下含むことが望ましい。
(1-2-4) Composition of Resin Composition In the resin composition of the present invention, the polymer electrolyte compound of the present invention is preferably 50% by mass to 100% by mass, more preferably 70% by mass of the entire resin composition. It is desirable to contain more than 100% by mass. If the content of the polymer compound of the present invention is 50% by mass or more of the entire resin composition, the acid group concentration in the resin composition of the polymer electrolyte membrane containing this resin composition can be sufficiently maintained, and good Proton conductivity is obtained. Moreover, the mobility of the ion to conduct can fully be maintained, without the unit containing an acid group becoming a discontinuous phase.
Further, the resin composition of the present invention preferably contains other polymer compound in an amount of preferably 50% by mass or less, more preferably 30% by mass or less, based on the entire resin composition. In the resin composition of the present invention, the ratio of the polymer compound of the present invention to the other polymer compound is, for example, 7: 3 to 8: 2, preferably 8: 2 to 9: 1. It is. Furthermore, the resin composition of the present invention preferably contains other additives, preferably 10% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, based on the entire resin composition.

(1-3) 多孔質基材の空隙及び/又は細孔中への樹脂組成物の充填
本発明の樹脂組成物は、多孔質基材の空隙及び/又は細孔中に充填され、本発明の補強高分子電解質膜となる。多孔質基材に本発明の樹脂組成物を充填する方法は、特に限定されないが、例えば、(a)多孔質基材の細孔中でモノマーを重合する方法、及び、(b)多孔質基材を樹脂組成物の溶媒溶液に含浸して多孔質基材の細孔中に樹脂組成物を導入する方法が挙げられる。
(a)多孔質基材の細孔中でモノマーを重合する方法は、以下の工程、
(1)多孔質基材の細孔中に樹脂組成物を形成するためのモノマーを保持する工程;及び
(2)上記モノマーを細孔中において重合する工程、
を含むことが適当である。
この重合方法は、本発明の多孔質基材の細孔の一部と樹脂組成物の一部とを反応させ、架橋を作ることができるという点で好ましい。得られた補強高分子電解質膜は、十分に膨潤を抑制することができ、かつ、低減されたメタノール透過性を有する。また、多孔質基材の細孔に保持された樹脂組成物は、細孔外部へ溶出することもなく、もって、長寿命の補強高分子電解質膜を製造することができる。特に、上記細孔の一部と、樹脂組成物(高分子電解質化合物)の芳香族炭化水素樹脂の一部、好ましくは、芳香族炭化水素樹脂の端部とを架橋し、芳香族炭化水素樹脂を含むプロトン伝導性高分子組成物を細孔中に固定することが好ましい。
(1-3) Filling the resin composition into the voids and / or pores of the porous substrate The resin composition of the present invention is filled into the voids and / or pores of the porous substrate. This is a reinforced polymer electrolyte membrane. The method of filling the porous substrate with the resin composition of the present invention is not particularly limited.For example, (a) a method of polymerizing monomers in the pores of the porous substrate, and (b) a porous group Examples thereof include a method of introducing a resin composition into the pores of a porous substrate by impregnating a material with a solvent solution of the resin composition.
(a) The method of polymerizing the monomer in the pores of the porous substrate comprises the following steps:
(1) a step of holding a monomer for forming a resin composition in the pores of the porous substrate; and
(2) a step of polymerizing the monomer in the pores;
It is appropriate to include.
This polymerization method is preferable in that a part of the pores of the porous substrate of the present invention and a part of the resin composition can be reacted to form a crosslink. The obtained reinforced polymer electrolyte membrane can sufficiently suppress swelling and has reduced methanol permeability. Further, the resin composition held in the pores of the porous substrate does not elute to the outside of the pores, so that a long-life reinforced polymer electrolyte membrane can be produced. In particular, a part of the pores and a part of the aromatic hydrocarbon resin of the resin composition (polymer electrolyte compound), preferably an end part of the aromatic hydrocarbon resin, are cross-linked, and the aromatic hydrocarbon resin It is preferable to fix the proton conductive polymer composition containing s in the pores.

具体的な反応方法は、まず細孔中に本発明の樹脂組成物又は高分子電解質化合物を形成するためのモノマーを保持する。即ち、本発明の樹脂組成物又は高分子電解質化合物を形成するためのモノマーをそのまま又は溶媒に溶かした溶液を準備する。
ここで、モノマーとしては、上記(1-2-1-3)(a)に記載したモノマーを使用することができる。
また、溶媒としては、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、N−メチル−2−ピロリドン、ヘキサメチルホスホンアミド等の非プロトン極性溶媒や、メタノール、エタノール等のアルコール類から適切なものを選ぶことができるがこれらに限定されるものではない。これらの溶媒は、可能な範囲で複数を混合して使用してもよい。
次いで、モノマーを細孔中で重合する。重合条件は、上記モノマーを重合する通常の条件が採用され得る。例えば、60〜200℃、好ましくは、80〜180℃で1〜24時間、好ましくは2〜12時間熱処理後、さらに前記温度より高い150〜250℃、好ましくは、160〜200℃の温度に昇温し、さらに8〜64時間、好ましくは、12〜48時間保持する。
A specific reaction method first holds a monomer for forming the resin composition or the polymer electrolyte compound of the present invention in the pores. That is, a solution in which the monomer for forming the resin composition or the polymer electrolyte compound of the present invention is used as it is or in a solvent is prepared.
Here, as the monomer, the monomers described in the above (1-2-1-3) (a) can be used.
Examples of the solvent include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethylsulfoxide, N-methylpyrrolidone, N-methyl-2-pyrrolidone, hexamethylphosphonamide, methanol, ethanol An appropriate alcohol can be selected from alcohols such as, but not limited to. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range.
The monomer is then polymerized in the pores. As the polymerization conditions, normal conditions for polymerizing the above monomers can be adopted. For example, after heat treatment at 60 to 200 ° C, preferably 80 to 180 ° C for 1 to 24 hours, preferably 2 to 12 hours, the temperature is further increased to 150 to 250 ° C, preferably 160 to 200 ° C higher than the above temperature. Warm and hold for an additional 8-64 hours, preferably 12-48 hours.

重合の際、多孔質基材の細孔を密閉することが好ましい。細孔を密閉するとは、細孔内部にある溶媒の飛散を防ぐことを意味し、密閉をすることによって、溶媒が飛散しにくくなり、上記重合にかかる時間をかけてゆっくりと溶媒が除去されるようになる。この意味から、ここでいう密閉は、溶媒が全く飛散しない完全な密閉をいうものではなく、溶媒の飛散が、完全に解放された状態と比べて、例えば、少なくとも70%、好ましくは80%〜99.9%、より好ましくは、90〜99%抑制された状態をいう。密閉は、多孔質基材を非多孔質のポリイミド等の樹脂フィルム又はガラス基板等で基材の両表面を覆うことによって行われる。
重合反応終了後、水洗し、40〜120℃、好ましくは、80〜100℃で0.5〜10時間、好ましくは1〜5時間真空乾燥し、水を除去して本発明の補強高分子電解質膜を得る。
なお、プロトン酸基の導入は、上記モノマーの細孔中での重合後、又は、樹脂組成物の充填後に行ってもよい。
During the polymerization, it is preferable to seal the pores of the porous substrate. Sealing the pores means that the solvent inside the pores is prevented from scattering. By sealing, the solvent is less likely to be scattered, and the solvent is slowly removed over the time required for the polymerization. It becomes like this. In this sense, the sealing here does not mean a complete sealing in which the solvent does not scatter at all, and the scatter of the solvent is, for example, at least 70%, preferably 80% to 99.9%, more preferably, refers to a state in which 90 to 99% is suppressed. Sealing is performed by covering the both surfaces of the porous substrate with a resin film such as non-porous polyimide or a glass substrate.
After completion of the polymerization reaction, it is washed with water and vacuum-dried at 40 to 120 ° C., preferably 80 to 100 ° C. for 0.5 to 10 hours, preferably 1 to 5 hours to remove water, and the reinforced polymer electrolyte of the present invention. Get a membrane.
In addition, you may perform introduction | transduction of a proton acid group after superposition | polymerization in the pore of the said monomer, or after filling with a resin composition.

(b)多孔質基材を樹脂組成物の溶媒溶液に含浸して多孔質基材の細孔中に樹脂組成物を導入する方法
多孔質基材を樹脂組成物の溶媒溶液に含浸する方法は、以下の工程、
(1)前記多孔質基材を前記樹脂組成物の溶媒溶液に浸漬して前記多孔質基材の前記細孔中に前記樹脂組成物を導入する工程;及び
(2)前記樹脂組成物を保持した前記多孔質基材を、60℃以上の温度で少なくとも1時間保持する工程;
を含むことが適当である。
具体的には、まず多孔質基材を樹脂組成物の溶媒溶液に浸漬する。これにより、多孔質基材の前記細孔中に前記樹脂組成物が導入される。
得られる溶媒溶液は、樹脂組成物(不揮発分)を、例えば、5〜40質量%、好ましくは、10〜30質量%含むことが適当である。溶媒としては、例えば、上述の(a)の方法で使用された溶媒と同じものを使用することができるが、特に、アセトンを利用することにより、多孔質基材中及び溶媒溶液中の不純物を除去することができるので好ましい。
さらに、多孔質基材を浸漬する際に、減圧脱気しながら浸漬することが好ましい。加えて、細孔の一部とプロトン伝導性高分子組成物の一部とを架橋するために架橋剤を添加してもよい。架橋させるためには、樹脂組成物として、ビスマレイミド、エポキシ基、アクリレートを含む芳香族炭化水素樹脂を使用することが好ましい。
(b) A method of introducing a resin composition into pores of a porous substrate by impregnating a porous substrate with a solvent solution of the resin composition A method of impregnating a porous substrate with a solvent solution of a resin composition The following steps,
(1) introducing the resin composition into the pores of the porous substrate by immersing the porous substrate in a solvent solution of the resin composition; and
(2) A step of holding the porous substrate holding the resin composition at a temperature of 60 ° C. or higher for at least 1 hour;
It is appropriate to include.
Specifically, the porous substrate is first immersed in a solvent solution of the resin composition. Thereby, the resin composition is introduced into the pores of the porous substrate.
The obtained solvent solution contains the resin composition (nonvolatile content) in an amount of, for example, 5 to 40% by mass, preferably 10 to 30% by mass. As the solvent, for example, the same solvent as that used in the above method (a) can be used. In particular, by using acetone, impurities in the porous substrate and the solvent solution can be removed. This is preferable because it can be removed.
Furthermore, it is preferable to immerse the porous substrate while degassing under reduced pressure. In addition, a crosslinking agent may be added to crosslink part of the pores and part of the proton conductive polymer composition. In order to make it bridge | crosslink, it is preferable to use the aromatic hydrocarbon resin containing a bismaleimide, an epoxy group, and an acrylate as a resin composition.

次いで、前記樹脂組成物を保持した前記多孔質基材を熱処理する。この熱処理によって、多孔質基材の前記細孔中に前記樹脂組成物がさらに導入され、かつ、溶媒が除去され、細孔中に前記樹脂組成物が充填(固定化・保持)される。
上記熱処理温度は、例えば、常圧で、60℃〜200℃、好ましくは、80℃〜180℃の熱処理温度であることが適当である。また、熱処理時間は、少なくとも1時間、例えば、1〜36時間、好ましくは1〜30時間、より好ましくは2時間〜24時間であることが適当である。60℃以上の温度にすることにより、多孔質基材の細孔中にプロトン伝導性高分子組成物をすみやかに導入・固定化することができる。また、1時間以上であれば、プロトン伝導性高分子組成物が細孔中に十分浸透し、36時間以下であれば、多孔質基材が熱分解することもない。
その後、例えば、50〜200℃、好ましくは60〜150℃で、3〜30分間、より好ましくは、5〜10分間乾燥し、溶媒を除去して、本発明の補強高分子電解質を得る。
上記熱処理の際、上記(a)工程と同様にして、多孔質基材の細孔を密閉することが好ましい。
なお、プロトン酸基の導入を、樹脂組成物の充填後に行ってもよい。
Next, the porous substrate holding the resin composition is heat-treated. By this heat treatment, the resin composition is further introduced into the pores of the porous substrate, the solvent is removed, and the resin composition is filled (fixed / held) in the pores.
The heat treatment temperature is, for example, normal pressure and 60 ° C. to 200 ° C., preferably 80 ° C. to 180 ° C. The heat treatment time is suitably at least 1 hour, for example, 1 to 36 hours, preferably 1 to 30 hours, more preferably 2 hours to 24 hours. By setting the temperature to 60 ° C. or higher, the proton conductive polymer composition can be promptly introduced and fixed in the pores of the porous substrate. Further, if it is 1 hour or longer, the proton-conductive polymer composition will sufficiently penetrate into the pores, and if it is 36 hours or shorter, the porous substrate will not be thermally decomposed.
Then, for example, it is dried at 50 to 200 ° C., preferably 60 to 150 ° C. for 3 to 30 minutes, more preferably 5 to 10 minutes, and the solvent is removed to obtain the reinforced polymer electrolyte of the present invention.
During the heat treatment, the pores of the porous substrate are preferably sealed in the same manner as in the step (a).
In addition, you may introduce | transduce a proton acid group after filling with a resin composition.

本発明において、多孔質基材と本発明の樹脂組成物をより高い充填性で充填させるためには、減圧脱気しながら含浸させるのが好ましい。例えば、上記熱処理を、0.1〜70Pa、好ましくは、0.1〜30Pa下、5〜50℃、好ましくは、10〜40℃、より好ましくは、室温(25℃)で行ってもよい。
また、多孔質基材中に本発明の樹脂組成物を充填する際、必要に応じて架橋剤を入れて上記細孔の一部と樹脂組成物の一部とを架橋しても良い。
以上のようにして得られた膜状物は、必要に応じてこれを、公知の例えばスルホン化、クロルスルホン化、ホスホニウム化、加水分解等の処理により所望の陽イオン交換基を導入して、陽イオン交換樹脂膜とすることができる。
In the present invention, in order to fill the porous substrate and the resin composition of the present invention with higher fillability, it is preferable to impregnate while degassing under reduced pressure. For example, the heat treatment may be performed at 0.1 to 70 Pa, preferably 0.1 to 30 Pa, 5 to 50 ° C., preferably 10 to 40 ° C., more preferably room temperature (25 ° C.).
Moreover, when filling the resin composition of this invention in a porous base material, you may insert a crosslinking agent as needed and may bridge | crosslink a part of said pore and a part of resin composition.
The film-like material obtained as described above is introduced as necessary by introducing a desired cation exchange group by a known treatment such as sulfonation, chlorosulfonation, phosphoniumation, hydrolysis, etc. A cation exchange resin membrane can be obtained.

(1-4)補強高分子電解質膜の性質
上述のようにして本発明の樹脂組成物を多孔質基材の空隙及び/又は細孔中に充填して得た本発明の補強高分子電解質膜は、目的に応じて任意の膜厚にすることができるが、プロトン伝導率の面からはできるだけ薄いことが好ましい。具体的には乾燥膜厚で好ましくは5〜200μm、より好ましくは20〜150μm、最も好ましくは40〜100μmである。高分子電解質膜の厚みが5μm以下であれば、補強高分子電解質膜の取り扱いが容易であり、燃料電池を作製した場合に短絡等が起こりにくくなる傾向にあり、200μm以下であれば、補強高分子電解質膜の電気抵抗値が高くなりすぎることもなく、燃料電池の発電性能が十分に発揮できる。
本発明の補強高分子電解質膜のプロトン伝導率は、0.08S/cm以上であることが好ましい。プロトン伝導率が0.08S/cm以上である場合には、本発明の補強高分子電解質膜を用いた燃料電池において良好な出力が得られる傾向がある。
(1-4) Properties of Reinforced Polymer Electrolyte Membrane Reinforced polymer electrolyte membrane of the present invention obtained by filling the voids and / or pores of the porous substrate with the resin composition of the present invention as described above. The film thickness can be set to an arbitrary film thickness depending on the purpose, but is preferably as thin as possible from the viewpoint of proton conductivity. Specifically, the dry film thickness is preferably 5 to 200 μm, more preferably 20 to 150 μm, and most preferably 40 to 100 μm. If the thickness of the polymer electrolyte membrane is 5 μm or less, handling of the reinforced polymer electrolyte membrane is easy, and there is a tendency that short circuit or the like does not easily occur when a fuel cell is manufactured. The electric power generation performance of the fuel cell can be sufficiently exhibited without the electric resistance value of the molecular electrolyte membrane becoming too high.
The proton conductivity of the reinforced polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably 0.08 S / cm or more. When the proton conductivity is 0.08 S / cm or more, a good output tends to be obtained in a fuel cell using the reinforced polymer electrolyte membrane of the present invention.

(1-5)補強高分子電解質膜の構成
上述のようにして得られた本発明の補強高分子電解質膜は、1層或いは2層以上を積層したものであってもよい。具体的には、同種又は種類の異なる本発明の補強高分子電解質膜又はその他の高分子電解質膜を張り合わせ、2種類以上積層された多層の補強高分子電解質膜にすることもできる。さらに、本発明の補強高分子電解質膜を少なくとも1層含む多層の補強高分子電解質膜であってもよい。例えば、本発明における補強高分子電解質膜の片面、或いは両面に「ナフィオン(登録商標)」、「フレミオン(登録商標)」等の公知のフッ素系高分子電解質膜を張り合わせ多層化したもの、本発明の範囲内で作製された種類の異なる高分子電解質膜同士を張り合わせ多層化したもの、及び、本発明の樹脂組成物を多孔質基材を使用せずに薄膜化した高分子電解質膜と本発明の補強高分子電解質膜とを張り合わせ多層化したものなどが挙げられる。これらの多層化においてその積層構造に特に制限は無く、少なくとも1種類の本発明の補強高分子電解質膜が含まれていればよい。積層構造において隣接する層との間に電気的に不導部分となる隙間がないよう、互いに接着接触していることが好ましい。層間に独立した隙間が存在するとその部分が電池の電気抵抗上昇の原因となることがある。多層の本補強高分子電解質膜の厚さは5.0〜200μmであり、好ましくは、1.0〜150μmである。厚さが5μm以上であれば、多層の本補強高分子電解質膜の取り扱いが容易であり、燃料電池を作製した場合に短絡等が起こりにくくなる傾向にあり、200μm以下であれば、多層の本補強高分子電解質膜の電気抵抗値が高くなりすぎることもなく、燃料電池の発電性能が十分に発揮できる。
(1-5) Configuration of Reinforced Polymer Electrolyte Membrane The reinforced polymer electrolyte membrane of the present invention obtained as described above may be a single layer or a laminate of two or more layers. Specifically, the same or different types of reinforced polymer electrolyte membranes of the present invention or other polymer electrolyte membranes may be laminated to form a multilayer reinforced polymer electrolyte membrane in which two or more types are laminated. Further, it may be a multilayer reinforced polymer electrolyte membrane including at least one reinforced polymer electrolyte membrane of the present invention. For example, the reinforced polymer electrolyte membrane according to the present invention may be formed by laminating a known fluorine-based polymer electrolyte membrane such as “Nafion (registered trademark)” or “Flemion (registered trademark)” on one side or both sides of the present invention. A polymer electrolyte membrane produced by laminating different types of polymer electrolyte membranes produced within the range of the above, and a polymer electrolyte membrane obtained by thinning the resin composition of the present invention without using a porous substrate and the present invention And a multi-layered laminate of the reinforced polymer electrolyte membrane. There are no particular restrictions on the multilayer structure in these multilayers, and it is sufficient that at least one type of the reinforced polymer electrolyte membrane of the present invention is included. In the laminated structure, it is preferable that they are in adhesive contact with each other so that there is no gap as an electrically nonconductive portion between adjacent layers. If there are independent gaps between the layers, the portion may cause an increase in the electric resistance of the battery. The thickness of the multilayer reinforced polymer electrolyte membrane is 5.0 to 200 μm, preferably 1.0 to 150 μm. If the thickness is 5 μm or more, handling of the multilayer reinforced polymer electrolyte membrane is easy, and there is a tendency that short circuit or the like does not easily occur when a fuel cell is manufactured. The electric resistance value of the reinforced polymer electrolyte membrane does not become too high, and the power generation performance of the fuel cell can be sufficiently exhibited.

本発明の範囲内で作製された種類の異なる補強高分子電解質膜同士を張り合わせ多層化する場合、少なくとも1種類の高分子電解質膜のイオン交換容量とその他の高分子電解質膜のイオン交換容量の差が、0.01〜4.0meq./gであることが好ましい。また、高分子電解質膜のイオン交換容量が最大で4.5meq./gであることが好ましい。
また、本発明の補強高分子電解質膜のイオン交換容量は、0.03〜4.5meq./gが好ましい。0.03meq./g以上であれば、電池の電気抵抗が過度に上昇することもなく、4.5meq./g以下であれば、高分子電解質膜の十分な機械強度が保持できるので好ましい。
When different types of reinforced polymer electrolyte membranes produced within the scope of the present invention are laminated to form a multilayer, the difference between the ion exchange capacity of at least one polymer electrolyte membrane and the ion exchange capacity of other polymer electrolyte membranes Is preferably 0.01 to 4.0 meq./g. Moreover, it is preferable that the ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane is 4.5 meq./g at the maximum.
The ion exchange capacity of the reinforced polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably 0.03 to 4.5 meq./g. If it is 0.03 meq./g or more, the electric resistance of the battery does not increase excessively, and if it is 4.5 meq./g or less, it is preferable because sufficient mechanical strength of the polymer electrolyte membrane can be maintained.

(2) 電極−高分子電解質膜接合体
本発明の電極−高分子電解質膜接合体は、1種以上の上記補強高分子電解質膜又は本発明の補強高分子電解質膜と他の高分子電解質膜とを含む積層体(以下、これらの膜を単に高分子電解質膜という)と、この高分子電解質膜の少なくとも1面、通常高分子電解質膜の両面に設けた電極とを含む。
(2-1)電極
本発明の電極は、ガス拡散層と、このガス拡散層上及び/又は内部に設けた触媒層とを有する。
(2-1-1)ガス拡散層
ガス拡散層としては、例えば、カーボン繊維織布、カーボンペーパー等、通気性を有する既知の基体が使用され得る。好ましくは、これらの基体等を撥水処理したものが使用される。撥水処理は、例えば、これら基体を、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などのフッ素樹脂等からなる撥水剤の水溶液中に浸漬し、乾燥し、焼成することにより行われる。
(2) Electrode-Polymer Electrolyte Membrane Assembly The electrode-polymer electrolyte membrane assembly of the present invention is one or more of the above-mentioned reinforced polymer electrolyte membranes or the reinforced polymer electrolyte membrane of the present invention and other polymer electrolyte membranes. (Hereinafter, these membranes are simply referred to as polymer electrolyte membranes) and electrodes provided on at least one side of the polymer electrolyte membrane, usually both sides of the polymer electrolyte membrane.
(2-1) Electrode The electrode of the present invention has a gas diffusion layer and a catalyst layer provided on and / or in the gas diffusion layer.
(2-1-1) Gas Diffusion Layer As the gas diffusion layer, for example, a known substrate having air permeability such as carbon fiber woven fabric or carbon paper can be used. Preferably, those substrates and the like that have been subjected to water repellent treatment are used. The water-repellent treatment is performed, for example, by immersing these substrates in an aqueous solution of a water-repellent agent made of a fluororesin such as polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, drying, and firing. Done.

(2-1-2)触媒層
触媒層に使用される触媒物質としては、例えば、白金,ロジウム,ルテニウム,イリジウム,パラジウム,オスニウムなどの白金族金属及びその合金が適している。これら触媒物質及び触媒物質の塩類を単独または混合して用いてもよい。中でも、金属塩や錯体、特に[Pt(NH3)4]X2または[Pt(NH3)6]X4(Xは1価の陰イオン)であらわされるアンミン錯体が好ましい。また、触媒として金属化合物を用いる場合、いくつかの化合物の混合物を用いても良いし、複塩でもよい。例えば、白金化合物とルテニウム化合物を混ぜて用いることで、還元工程により、白金−ルテニウム合金の形成が期待できる。
触媒の粒径は、特に限定されないが、触媒活性の大きくなる適当な大きさの観点から平均粒径が0.5〜20nmであることが好ましい。なお、K. Kinoshita等の研究(J. Electrochem. Soc., 137, 845(1990))では、酸素の還元に対して活性の高い白金の粒径は3nm程度であることが報告されている。
本発明で用いる触媒には、更に助触媒を添加することができる。助触媒としては、微粉状炭素が挙げられる。微粉状炭素としては共存する触媒が高い活性を示すものが好ましく、例えば、触媒として白金族金属の化合物を用いる場合には、Denka Black, Valcan XC-72,Black Pearl 2000等の、アセチレンブラック等が適当である。
触媒の量は、付着方法等により異なるが、ガス拡散層の表面に例えば、約0.02〜約20mg/cm2の範囲、好ましくは約0.02〜約20mg/cm2の範囲で付着されていることが適当である。また、電極の総量に対し、例えば、0.01〜10質量%、好ましくは、0.3〜5質量%の量で存在することが適当である。
(2-1-2) Catalyst layer As the catalyst material used in the catalyst layer, for example, platinum group metals such as platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, osnium and alloys thereof are suitable. These catalytic materials and salts of the catalytic materials may be used alone or in combination. Among them, metal salts and complexes, particularly ammine complexes represented by [Pt (NH 3 ) 4 ] X 2 or [Pt (NH 3 ) 6 ] X 4 (X is a monovalent anion) are preferable. Moreover, when using a metal compound as a catalyst, the mixture of several compounds may be used and double salt may be sufficient. For example, by using a mixture of a platinum compound and a ruthenium compound, formation of a platinum-ruthenium alloy can be expected by a reduction process.
The particle size of the catalyst is not particularly limited, but it is preferable that the average particle size is 0.5 to 20 nm from the viewpoint of an appropriate size that increases the catalyst activity. In addition, in a study by K. Kinoshita et al. (J. Electrochem. Soc., 137, 845 (1990)), it is reported that the particle size of platinum having a high activity with respect to oxygen reduction is about 3 nm.
A cocatalyst can be further added to the catalyst used in the present invention. Examples of the cocatalyst include finely divided carbon. The finely divided carbon is preferably one in which the coexisting catalyst exhibits high activity.For example, when a platinum group metal compound is used as the catalyst, acetylene black such as Denka Black, Valcan XC-72, and Black Pearl 2000 is used. Is appropriate.
The amount of the catalyst varies depending on the deposition method and the like, but is deposited on the surface of the gas diffusion layer in the range of, for example, about 0.02 to about 20 mg / cm 2 , preferably about 0.02 to about 20 mg / cm 2. It is appropriate. Moreover, it is appropriate that it exists in the quantity of 0.01-10 mass% with respect to the total amount of an electrode, for example, Preferably, it is 0.3-5 mass%.

(2-1-3)結着剤
本発明の電極は、電極の中及び/又は表面に結着剤を有するものが好ましい。このような結着剤は、上記ガス拡散層と触媒層との結合、及び電極と高分子電解質膜との結合を促進する。結着剤としては、例えば、本発明で使用され得るすべてのポリマー、その他、ナフィオン(R)やフレミオン(R)などのフッ素系等の固体高分子電解質を使用することができる。
(2-1-4)電極の性質
得られる電極は、多孔質である。電極の平均孔直径は、例えば、0.01〜50μm、好ましくは0.1〜40μmであることが適当である。さらに、電極の間隙率は、例えば、10〜99%、好適には10〜60%であることが適当である。
(2-1-3) Binder The electrode of the present invention preferably has a binder in and / or on the surface of the electrode. Such a binder promotes the bond between the gas diffusion layer and the catalyst layer and the bond between the electrode and the polymer electrolyte membrane. As the binder, for example, all polymers that can be used in the present invention, and fluorine-based solid polymer electrolytes such as Nafion (R) and Flemion (R) can be used.
(2-1-4) Properties of electrode The obtained electrode is porous. The average pore diameter of the electrode is, for example, 0.01 to 50 μm, preferably 0.1 to 40 μm. Furthermore, the porosity of the electrode is, for example, 10 to 99%, preferably 10 to 60%.

(2-2) 電極−高分子電解質膜接合体の製造
本発明の電極−高分子電解質膜接合体は、高分子電解質膜上に、上記電極を設けることにより製造される。好ましくは、高分子電解質膜側に電極の触媒層側が接合される。この、電極−高分子電解質膜接合体の製造方法としては、たとえば以下の3つの方法が挙げられる。
(1) 高分子電解質膜上に、直接触媒物質を適用して触媒層を形成し、さらに形成した触媒層上にガス拡散層を形成する方法。例えば、特表2000-516014号公報に記載の方法によりイオン交換基を有するパーフルオロカーボンポリマー、白金族触媒、微粉状炭素(カーボンブラック)その他添加物を含む触媒物質を高分子電解質膜上に塗布、噴霧、印刷等することにより適用して触媒層を形成し、この触媒層上に、ガス拡散層を熱プレス等により加熱圧着する方法がある。
(2)あらかじめ基板上に触媒物質を適用して触媒層を作成し、得られた触媒層を高分子電解質膜上に転写し、さらに形成した触媒層上にガス拡散層を形成する方法。例えば、あらかじめポリ四弗化エチレンと、トーマス法等で合成した白金黒とを均一に混合し、テフロン(登録商標)シート基板上に適用して加圧成型した後、高分子電解質膜上に転写し、さらにガス拡散層を配置し、得られた積層物を加圧圧着する方法がある。
(3)ガス拡散層を触媒物質の溶液に浸漬等させてあらかじめ電極を作成し、得られた電極を高分子電解質膜上に設ける方法。例えば、可溶性白金族塩の溶液(ペースト)に、ガス拡散層を浸漬し、可溶性白金族塩をガス拡散層上及び内に吸着(イオン交換)させる。次いで、ヒドラジン、Na2BO4のような還元剤溶液に浸漬してガス拡散層上に触媒となる金属を析出させる方法がある。
(2-2) Production of Electrode-Polymer Electrolyte Membrane Assembly The electrode-polymer electrolyte membrane assembly of the present invention is produced by providing the above electrode on a polymer electrolyte membrane. Preferably, the catalyst layer side of the electrode is joined to the polymer electrolyte membrane side. Examples of the method for producing the electrode-polymer electrolyte membrane assembly include the following three methods.
(1) A method of directly forming a catalyst layer on a polymer electrolyte membrane to form a catalyst layer and further forming a gas diffusion layer on the formed catalyst layer. For example, a perfluorocarbon polymer having an ion exchange group, a platinum group catalyst, a finely powdered carbon (carbon black) or other catalytic material containing an additive on the polymer electrolyte membrane by a method described in JP-T-2000-516014, There is a method in which a catalyst layer is formed by spraying, printing or the like, and a gas diffusion layer is heat-pressed on the catalyst layer by hot pressing or the like.
(2) A method of forming a catalyst layer by previously applying a catalyst material on a substrate, transferring the obtained catalyst layer onto a polymer electrolyte membrane, and forming a gas diffusion layer on the formed catalyst layer. For example, polytetrafluoroethylene in advance and platinum black synthesized by the Thomas method, etc., are uniformly mixed, applied onto a Teflon (registered trademark) sheet substrate, press-molded, and then transferred onto a polymer electrolyte membrane. Further, there is a method in which a gas diffusion layer is further disposed and the obtained laminate is pressure-bonded.
(3) A method in which an electrode is prepared in advance by immersing the gas diffusion layer in a solution of a catalyst substance and the obtained electrode is provided on the polymer electrolyte membrane. For example, the gas diffusion layer is immersed in a solution (paste) of a soluble platinum group salt to adsorb (ion exchange) the soluble platinum group salt on and in the gas diffusion layer. Next, there is a method in which a metal serving as a catalyst is deposited on a gas diffusion layer by dipping in a reducing agent solution such as hydrazine or Na 2 BO 4 .

より好ましい本発明の電極−高分子電解質膜接合体の製造方法としては、触媒物質とガス拡散層材料とを含む電極材料を直接高分子電解質膜上に適用する方法が挙げられる。具体的には、触媒物質として、白金−ルテニウム(Pt-Ru)白金(Pt)等の触媒物質を担持した触媒担持カーボン粒子を用い、この触媒物質を、水のような溶媒、固体高分子電解質のような結着剤、及び任意にガス拡散層の製造に使用されるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粒子のような撥水剤と共に混合してペーストを作成する。このペーストを直接本発明の高分子電解質膜上に塗布あるいは噴霧により適用して製膜し、その後加熱乾燥して、高分子電解質上に触媒層(撥水剤を含む場合はガス拡散層の一部をなす撥水性層を含む)を形成する。この触媒層上に、任意に撥水処理されたカーボンペーパー等のガス拡散層を熱プレス等することによって電極が作製される。
このときの触媒層の厚さは、例えば、0.1〜1000μm、好ましくは、1〜500μmであることが好ましい。
A more preferable method for producing an electrode-polymer electrolyte membrane assembly of the present invention includes a method in which an electrode material containing a catalyst substance and a gas diffusion layer material is directly applied on the polymer electrolyte membrane. Specifically, catalyst-supporting carbon particles supporting a catalyst material such as platinum-ruthenium (Pt-Ru) platinum (Pt) are used as the catalyst material, and the catalyst material is used as a solvent such as water, a solid polymer electrolyte. And a water repellent such as polytetrafluoroethylene (PTFE) particles optionally used in the manufacture of the gas diffusion layer to make a paste. This paste is directly applied or sprayed onto the polymer electrolyte membrane of the present invention to form a film, and then heated and dried to form a catalyst layer (one of the gas diffusion layer when a water repellent is included) on the polymer electrolyte. Part of the water-repellent layer). On this catalyst layer, a gas diffusion layer such as carbon paper optionally treated with water repellency is hot-pressed to produce an electrode.
The thickness of the catalyst layer at this time is, for example, 0.1 to 1000 μm, preferably 1 to 500 μm.

上記ペーストは、粘度を0.1〜1000Pa・Sの範囲に調節しておくことが望ましい。この粘度は、(i)各粒子サイズを選択するか、(ii)触媒の粒子と結着剤との組成を調節するか、(iii)水の含有量を調節するか、或は(iv)好適には粘度調節剤、例えばカルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースおよびセルロースなど、およびポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸ナトリウムおよびポリメチルビニルエーテルなどを添加することなどで調節可能である。   As for the said paste, it is desirable to adjust the viscosity to the range of 0.1-1000 Pa * S. This viscosity can either (i) select each particle size, (ii) adjust the composition of the catalyst particles and binder, (iii) adjust the water content, or (iv) The viscosity can be adjusted preferably by adding viscosity modifiers such as carboxymethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose and cellulose, and polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, sodium polyacrylate and polymethyl vinyl ether.

(3) 燃料電池
本発明の燃料電池は、上記電極−高分子電解質膜接合体を用いたものである。本発明の燃料電池としては、固体高分子型(PEFC)及び直接メタノール供給型燃料電池(DMFC)が挙げられる。
また、本発明の燃料電池の製造方法は、上記高分子電解質膜を2つの電極の間に配置して電極−高分子電解質膜接合体を得る工程を含む。
具体的には、例えば、本発明の高分子電解質膜の各面上に触媒層を付着させ、さらにガス拡散層を設けた電極−高分子電解質膜接合体の各面に、さらにアノード極及びカソード極の2つの極板を配置又は挟持し、得られた積層体の一方の面に常圧或いは加圧された水素ガス、加圧されたメタノールガス或いはメタノール水溶液を保持できる燃料室を配置し、積層体の他方の面に常圧或いは加圧された酸素或いは空気を保持できるガス室を配置することにより燃料電池が作製される。このように作製された燃料電池は、水素或いはメタノールと酸素が反応して生じた電気エネルギーを取り出すものである。
また、必要な電力を取り出すために、この電極−高分子電解質膜接合体又は積層体を1単位として直列或いは並列に多数の単位を配してもよい。
(3) Fuel cell The fuel cell of the present invention uses the electrode-polymer electrolyte membrane assembly. Examples of the fuel cell of the present invention include a solid polymer type (PEFC) and a direct methanol supply type fuel cell (DMFC).
The method for producing a fuel cell of the present invention includes a step of obtaining the electrode-polymer electrolyte membrane assembly by disposing the polymer electrolyte membrane between two electrodes.
Specifically, for example, a catalyst layer is attached on each surface of the polymer electrolyte membrane of the present invention, and further, an anode electrode and a cathode are further formed on each surface of the electrode-polymer electrolyte membrane assembly provided with a gas diffusion layer. Two electrode plates of electrodes are arranged or sandwiched, and a fuel chamber capable of holding normal pressure or pressurized hydrogen gas, pressurized methanol gas or aqueous methanol solution is arranged on one surface of the obtained laminate, A fuel cell is fabricated by disposing a gas chamber capable of holding atmospheric or pressurized oxygen or air on the other surface of the laminate. The fuel cell produced in this way takes out electrical energy generated by the reaction of hydrogen or methanol and oxygen.
Moreover, in order to take out required electric power, you may arrange | position many units in series or in parallel by setting this electrode-polymer electrolyte membrane assembly or laminated body as one unit.

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.

<(a)成分の複素環を有する構造単位の前駆体モノマーの合成>
以下、(a)成分の複素環を有する構造単位である前駆体モノマーの合成について説明する。なお、得られた化合物の検出に用いた測定方法は、以下の(1)〜(5)の通りである。
(1)熱質量減少の測定
熱質量減少の測定には、SEIKO社製 TG/DTA SII EXTAR-6300を用いた。10〜20mgのサンプルを計り取り、空気中10℃/minの昇温速度で室温から500℃まで加熱を行い、5質量%が減少した時点の温度を求めた。
(2)NMRスペクトルの測定
1H−NMRスペクトル、及び13C−NMRスペクトルの測定には、BRUKER社製AC400Pを用いた。サンプル濃度は5〜10mg/mlとし、テトラメチルシラン(TMS)を用いた。
(3)IRスペクトルの測定
IRスペクトルの測定には日本分光社製FT-IR JASCO7300を用いた。サンプルをKBrと一緒にすり潰し、ディスク状に成型して測定した。
(4)元素分析
元素分析には、柳本製作所社製 yanaco CHN CORDER MT-5型を用いた。
(5)融点測定
融点測定には、Lavo DEVICES社製 MEL-TEMP IIを用いた。
<Synthesis of (a) component precursor monomer having a heterocyclic ring>
Hereinafter, synthesis of a precursor monomer which is a structural unit having a heterocyclic ring as the component (a) will be described. In addition, the measuring method used for the detection of the obtained compound is as the following (1)-(5).
(1) Measurement of thermal mass reduction For measurement of thermal mass reduction, TG / DTA SII EXTAR-6300 manufactured by SEIKO was used. A sample of 10 to 20 mg was weighed and heated from room temperature to 500 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min in air, and the temperature when 5% by mass decreased was determined.
(2) NMR spectrum measurement
AC400P manufactured by BRUKER was used for measurement of 1 H-NMR spectrum and 13 C-NMR spectrum. The sample concentration was 5 to 10 mg / ml, and tetramethylsilane (TMS) was used.
(3) IR spectrum measurement
FT-IR JASCO7300 manufactured by JASCO Corporation was used for IR spectrum measurement. The sample was ground together with KBr, molded into a disk shape and measured.
(4) Elemental analysis For elemental analysis, a yanaco CHN CORDER MT-5 type manufactured by Yanagimoto Seisakusho was used.
(5) Melting point measurement MEL-TEMP II manufactured by Lavo DEVICES was used for melting point measurement.

[合成例1]6,6'−オキシ−ビス(2−(4−フルオロフェニル)−4−フェニルキノリンの合成
6−フルオロニトロベンゼン5.9gと4−ニトロフェノール5.84gとフッ化カリウム5.2gを200mlのジメチルスルホキシドに溶解し、温度を180℃に上げて30分攪拌した。室温まで冷却後、反応溶液を100mlの蒸留水に加えて、析出した沈殿物を濾過し蒸留水で十分に洗浄後、12時間減圧乾燥することで黄色結晶の4,4’−ジニトロジフェニルエーテルを得た。つづいて、メタノール80gに水酸化ナトリウム15gを溶解し、25℃で2時間攪拌した後、フェニルアセトニトリル8.7gを徐々に滴下した。この溶液に先に得られた4,4’−ジニトロジフェニルエーテル9.6gを徐々に加えて70℃で6時間攪拌した。この反応溶液を室温まで冷却後、メタノール70gを加えて、析出した沈殿物を濾過し、得られた個体をトルエンにより再結晶することで褐色結晶の5,5’−オキシビス(3−フェニル−2,1−ベンゾイソオキサゾール)を得た。得られた5,5’−オキシビス(3−フェニル−2,1−ベンゾイソオキサゾール)3.5gとパラジウム-カーボン0.3gとトリエチルアミン1gとテトラヒドロフラン30gをオートクレーブに入れ、70℃に加熱した後、水素ガスを20kg/m2まで加えた。反応溶液を冷却後濾過し、濾液を減圧下で溶媒留去し、残った固体をトルエンにより再結晶することで黄色結晶を得た。ここで得られた黄色結晶2gと4−フルオロアセトフェノン1.4gとp−トルエンスルホン酸0.04gをキシレン50mlに溶解し、温度を140℃に上げて6時間攪拌した。室温まで冷却後、この反応溶液に0.1N水酸化ナトリウム水溶液を加えて洗浄した後、キシレン相を減圧下で溶媒留去し、残った固体をトルエンにより再結晶することで目的物である6,6'−オキシ−ビス(2−(4−フルオロフェニル)−4−フェニルキノリンの黄色結晶を得た。
[Synthesis Example 1] Synthesis of 6,6'-oxy-bis (2- (4-fluorophenyl) -4-phenylquinoline 5.9 g of 6-fluoronitrobenzene, 5.84 g of 4-nitrophenol, and potassium fluoride 5. 2 g was dissolved in 200 ml of dimethyl sulfoxide, the temperature was raised to 180 ° C., and the mixture was stirred for 30 minutes, and after cooling to room temperature, the reaction solution was added to 100 ml of distilled water, and the deposited precipitate was filtered and sufficiently washed with distilled water. After washing, the crystals were dried under reduced pressure for 12 hours to obtain 4,4′-dinitrodiphenyl ether as yellow crystals, followed by dissolving 15 g of sodium hydroxide in 80 g of methanol and stirring at 25 ° C. for 2 hours. To this solution, 9.6 g of 4,4′-dinitrodiphenyl ether obtained earlier was gradually added and stirred at 70 ° C. for 6 hours. After cooling the reaction solution to room temperature, 70 g of methanol was added, the deposited precipitate was filtered, and the solid obtained was recrystallized from toluene to give brown crystals of 5,5′-oxybis (3-phenyl- 2,1-benzoisoxazole) 3.5 g of 5,5′-oxybis (3-phenyl-2,1-benzisoxazole) obtained, 0.3 g of palladium-carbon, 1 g of triethylamine and 30 g of tetrahydrofuran Was put in an autoclave and heated to 70 ° C., and hydrogen gas was added up to 20 kg / m 2. The reaction solution was cooled and filtered, the filtrate was evaporated under reduced pressure, and the remaining solid was recrystallized from toluene. As a result, 2 g of the yellow crystal obtained, 1.4 g of 4-fluoroacetophenone and 0.04 g of p-toluenesulfonic acid were mixed with xylene 50. The mixture was dissolved in 1 and stirred for 6 hours after raising the temperature to 140 ° C. After cooling to room temperature, the reaction solution was washed with 0.1N aqueous sodium hydroxide solution, and then the xylene phase was evaporated under reduced pressure. The remaining solid was recrystallized from toluene to obtain 6,6′-oxy-bis (2- (4-fluorophenyl) -4-phenylquinoline yellow crystals, which were the target product.

[合成例2]6−フェノキシ−2,3,5−トリアジン−2,4−ジクロリドの合成
2,4,6−トリクロロ−1,3,5−トリアジン3.9gとテトラブチルアンモニウムブロミド0.34gをアセトン40mlに溶解させ、0〜5℃に冷却した。ここにフェノール2gをアセトン10mlに溶解させた溶液を、0〜5℃に保ちながら徐々に滴下し1時間攪拌した。この溶液に、0〜10℃を保ちながら炭酸ナトリウム1.25gの10ml水溶液を徐々に加えて反応液のpHを7〜8に保つようにした。2時間攪拌後、この溶液を200mlの氷水に加え、析出した沈殿物を濾過し、蒸留水で十分に洗浄後、室温下12時間減圧乾燥することで6−フェノキシ−2,3,5−トリアジン−2,4−ジクロリドの白色固体を得た。
[合成例3]6−アニリノ−1,3,5−トリアジン−2,4−ジクロリドの合成
三ロフラスコ(500mL)に攪拌子、塩化シアヌル(55.31g,0.3mol)及びTHF(150mL)を入れ、温度計、側管付滴下ロート(100mL)および塩化カルシウム管を取り付けて攪拌し、塩化シアヌルを完全に溶解させた後、氷浴上で0℃〜5℃に冷却した。
ビーカーにアニリン(27.94g,0.3mol)を入れ、これにTHF(80ml)を加えて攪拌
し、溶解させた。この溶液を滴下ロートに移し、反応温度が5℃以上ならない様に注意しながらゆっくりと滴下した。滴下後、反応温度0〜5℃で2時間攪拌した。
ついで、ビーカーに炭酸ナトリウム(19.94g,0.15mol)を入れ、これに蒸留水(90ml)を加え、攪拌して完全に溶解させた。この溶液を滴下ロートに移し、反応温度が5℃以上ならない様に注意しながらゆっくりと滴下し、副生する塩酸塩を中和した。滴下後、0〜5℃で1時間攪拌した。この時点で反応溶液が酸性である場合には、中性になるまで炭酸ナトリウム水溶液を加え、さらに1時間攪拌した。
反応溶液をなす型フラスコに移し、THFをエバボレーターで除去し、固体をクロロホルムにより溶解させ分液ロートに移した。有機層と水層に分離した後、有機層を攪拌子の入った三角フラスコに移し、これに無水硫酸ナトリウムを入れ、一晩攪拌して脱水した。ろ過により無水硫酸ナトリウム除去した後、エバボレーターでクロロホルムを留去すると、黄色の粗生成物が得られた。
これを再結晶(ヘキサン/トルエン、二回)した後、昇華装置で昇華精製(113℃/27Pa(0.2Torr))して6−アニリノ−1,3,5−トリアジン−2,4−ジクロリドを得た。
形状:淡黄色状結晶 収率:70% 収量:50.63g 融点:133℃
1H−NMRスペクトル400MHz [CDCI3,TMS]:δ=7.22(t,1H),7.41(t,2H),7.73(d,2H),9.86(s,1H);13C−NMRスペクトル 101MHz [CDCI3,TMS]:δ=122.4,126.0,129.7,137.9,165.3,170.5,171・4;FT-IRスペクトルKBr (cm-1):3371(N‐H),1604(arom.C=C),1553(triazine C=N),1173(triazine C−N);Elemental Anals〔C9H6Cl2N4 (241.08)〕:Calcd. for C 44.84,H 2.51,N 23.24;Found C 44.96,H 2.62,N 23.46
[Synthesis Example 2] Synthesis of 6-phenoxy-2,3,5-triazine-2,4-dichloride 3.9 g of 2,4,6-trichloro-1,3,5-triazine and 0.34 g of tetrabutylammonium bromide Was dissolved in 40 ml of acetone and cooled to 0-5 ° C. A solution prepared by dissolving 2 g of phenol in 10 ml of acetone was gradually added dropwise while maintaining the temperature at 0 to 5 ° C. and stirred for 1 hour. To this solution, a 10 ml aqueous solution of 1.25 g of sodium carbonate was gradually added while maintaining 0 to 10 ° C. so that the pH of the reaction solution was maintained at 7 to 8. After stirring for 2 hours, this solution was added to 200 ml of ice water, and the deposited precipitate was filtered, washed thoroughly with distilled water, and then dried under reduced pressure at room temperature for 12 hours to give 6-phenoxy-2,3,5-triazine. A white solid of -2,4-dichloride was obtained.
[Synthesis Example 3] Synthesis of 6-anilino-1,3,5-triazine-2,4-dichloride A stirrer, cyanuric chloride (55.31 g, 0.3 mol) and THF (150 mL) were placed in a three-flask (500 mL). Then, a thermometer, a dropping funnel with a side tube (100 mL) and a calcium chloride tube were attached and stirred to completely dissolve cyanuric chloride, and then cooled to 0 ° C. to 5 ° C. on an ice bath.
Aniline (27.94 g, 0.3 mol) was placed in a beaker, and THF (80 ml) was added to this and stirred to dissolve. This solution was transferred to a dropping funnel and slowly dropped with care so that the reaction temperature did not exceed 5 ° C. After dropping, the mixture was stirred at a reaction temperature of 0 to 5 ° C. for 2 hours.
Next, sodium carbonate (19.94 g, 0.15 mol) was placed in a beaker, and distilled water (90 ml) was added to the beaker and stirred until completely dissolved. This solution was transferred to a dropping funnel and slowly dropped while taking care that the reaction temperature did not exceed 5 ° C. to neutralize the by-product hydrochloride. After dropping, the mixture was stirred at 0 to 5 ° C. for 1 hour. If the reaction solution was acidic at this point, an aqueous sodium carbonate solution was added until neutrality, and the mixture was further stirred for 1 hour.
The reaction solution was transferred to a mold flask, THF was removed with an evaporator, and the solid was dissolved in chloroform and transferred to a separatory funnel. After the organic layer and the aqueous layer were separated, the organic layer was transferred to an Erlenmeyer flask containing a stirrer, and anhydrous sodium sulfate was added thereto and stirred overnight to dehydrate. After removing anhydrous sodium sulfate by filtration, chloroform was distilled off with an evaporator to obtain a yellow crude product.
This was recrystallized (hexane / toluene, twice), and then purified by sublimation (113 ° C./27 Pa (0.2 Torr)) with a sublimation apparatus to give 6-anilino-1,3,5-triazine-2,4-dichloride. Got.
Shape: Light yellow crystals Yield: 70% Yield: 50.63 g Melting point: 133 ° C
1 H-NMR spectrum 400 MHz [CDCI 3 , TMS]: δ = 7.22 (t, 1H), 7.41 (t, 2H), 7.73 (d, 2H), 9.86 (s, 1H); 13 C-NMR spectrum 101 MHz [ CDCI 3 , TMS]: δ = 122.4, 126.0, 129.7, 137.9, 165.3, 170.5, 171.4; FT-IR spectrum KBr (cm −1 ): 3371 (N−H), 1604 (arom. C = C) , 1553 (triazine C = N), 1173 (triazine C-N); Elemental Anals [C 9 H 6 Cl 2 N 4 (241.08)]: Calcd. For C 44.84, H 2.51, N 23.24; Found C 44.96, H 2.62, N 23.46

[合成例4]6‐(N−メチルアニリノ)−1,3,5−トリアジン‐2,4‐ジクロリドの合成
アニリンの代わりにN−メチルアニリン(32.15g,0.3mol)を用いた以外は、全て合成例2と同様にして6‐(N−メチルアニリノ)−1,3,5−トリアジン‐2,4‐ジクロリドを得た。
形状:淡黄色針状結晶 収率:73% 収量:56.9g 融点:136℃
1H−NMRスペクトル400MHz [CDCI3,TMS]:δ=3.54(s,3H),7.25(d,2H),7.35〈t,1H〉,7.45(t,2H);13C−NMRスペクトル 101MHz [CDCI3,TMS]:δ=39.2,126.0,127.8,129.5,142.0,166.1,169.9,170.4;Elemental Analsis〔C10H8Cl2N4 (255.10)〕:Calcd. for C 47.08,H 3.16,N 21.96;Found C 47.26,H 3.26,N 22.18
[合成例5]2,4−ビス(4一ヒドロキシアニリノ)−6−アニリノ−1,3,5−トリアジンの合成
三ロフラスコ(300ml)に攪拌子、p−アミノフェノール5.457g(50mmol)、N−メチルピロリドン(80ml)を入れ連結管、玉入り冷却管を取り付け、窒素気流下で攪拌し完全に溶解させた。その後、合成例2で合成した6‐アニリノ‐1,3,5‐トリアジン‐2,4‐ジクロリド6.028g(25mmol)を加え100℃で24時間攪拌した。
反応終了後、副生したHClを中和するために、水酸化ナトリウム水溶液を投入しアルカリ性にしてから、わずかな不溶分をろ別した。ろ液を2Lの蒸留水に投入し、希塩酸で中和し、さらに弱酸性(pH=5〜6)にした。発生した沈殿物をろ過し、水洗いを行った後、減圧乾燥(100℃、12時間、1torr)し、粗生成物を得た。これを再結晶(メタノール/水)し、さらに減圧乾燥(100℃、12時間、1torr)を行って2,4−ビス(4一ヒドロキシアニリノ)−6−アニリノ−1,3,5−トリアジンを得た。
形状:白色針状結晶 収量:4.31g 収率:45% 融点:217℃
1H−NMRスペクトル400MHz [Acetpne-d6,TMS]:δ=6.78(d,4H),6.97(t,1H),7.25(t,2H),7.54(d,4H),7.79(t,2H),8.05(s,2H),8.27(s,2H),8.42(s,1H);13C−NMRスペクトル 101MHz [Acetpne-d6,TMS]:δ=115.7,120.9,122.7,123.4,129.1,132.8,141.1,153.9,165.5,165.6;FT-IRスペクトルKBr (cm-1):3411,3324(OH),3253,3030(N‐H),1608(arom.C=C),1578(triazine C=N),1168(triazine C−N),833(arom.C‐H);Elemental Analsis [C21H18NO2(386.41)]:Calcd. for C 65.25,H 4.70,N 21.75;Found C 65.22,H 4.74,N 21.61
Synthesis Example 4 Synthesis of 6- (N-methylanilino) -1,3,5-triazine-2,4-dichloride Except that N-methylaniline (32.15 g, 0.3 mol) was used instead of aniline, All in the same manner as in Synthesis Example 2, 6- (N-methylanilino) -1,3,5-triazine-2,4-dichloride was obtained.
Shape: Pale yellow needles Yield: 73% Yield: 56.9 g Melting point: 136 ° C
1 H-NMR spectrum 400 MHz [CDCI 3 , TMS]: δ = 3.54 (s, 3H), 7.25 (d, 2H), 7.35 <t, 1H>, 7.45 (t, 2H); 13 C-NMR spectrum 101 MHz [ CDCI 3 , TMS]: δ = 39.2, 126.0, 127.8, 129.5, 142.0, 166.1, 169.9, 170.4; Elemental Analysis [C 10 H 8 Cl 2 N 4 (255.10)]: Calcd. For C 47.08, H 3.16, N 21.96; Found C 47.26, H 3.26, N 22.18
[Synthesis Example 5] Synthesis of 2,4-bis (4 monohydroxyanilino) -6-anilino-1,3,5-triazine In a three-flask (300 ml), a stirrer, 5.457 g (50 mmol) of p-aminophenol, N-methylpyrrolidone (80 ml) was added, a connecting tube and a ball-containing cooling tube were attached, and the mixture was stirred and dissolved completely under a nitrogen stream. Thereafter, 6.028 g (25 mmol) of 6-anilino-1,3,5-triazine-2,4-dichloride synthesized in Synthesis Example 2 was added and stirred at 100 ° C. for 24 hours.
After the reaction was completed, in order to neutralize by-produced HCl, an aqueous sodium hydroxide solution was added to make it alkaline, and then a slight insoluble matter was filtered off. The filtrate was poured into 2 L of distilled water, neutralized with dilute hydrochloric acid, and further made weakly acidic (pH = 5-6). The generated precipitate was filtered, washed with water, and then dried under reduced pressure (100 ° C., 12 hours, 1 torr) to obtain a crude product. This was recrystallized (methanol / water) and dried under reduced pressure (100 ° C., 12 hours, 1 torr) to give 2,4-bis (4-hydroxyanilino) -6-anilino-1,3,5-triazine. Got.
Shape: White needle crystal Yield: 4.31 g Yield: 45% Melting point: 217 ° C
1 H-NMR spectrum 400 MHz [Acetpne-d6, TMS]: δ = 6.78 (d, 4H), 6.97 (t, 1H), 7.25 (t, 2H), 7.54 (d, 4H), 7.79 (t, 2H) , 8.05 (s, 2H), 8.27 (s, 2H), 8.42 (s, 1H); 13 C-NMR spectrum 101 MHz [Acetpne-d6, TMS]: δ = 115.7, 120.9, 122.7, 123.4, 129.1, 132.8, 141.1, 153.9, 165.5, 165.6; FT-IR spectrum KBr (cm -1 ): 3411, 3324 (OH), 3253, 3030 (NH), 1608 (arom. C = C), 1578 (triazine C = N ), 1168 (triazine C-N), 833 (arom. CH); Elemental Analyzes [C 21 H 18 NO 2 (386.41)]: Calcd. For C 65.25, H 4.70, N 21.75; Found C 65.22, H 4.74, N 21.61

[合成例6]2,4−ビス(N‐メチル‐4‐ヒドロキシアニリノ)−6−アニリノ−1,3,5−トリアジンの合成
p‐アミノフェノールの代わりにN‐メチル‐p‐アミノフェノール6.158g(50mmol)を用いた。また、反応時間を12時間、再結晶溶媒をクロロホルム/ヘキサン系とした以外は、全て合成例4と同様にして2,4−ビス(N‐メチル‐4‐ヒドロキシアニリノ)−6−アニリノ−1,3,5−トリアジンを得た。
形状:桃色固体融点:収量:4.6g 収率:45% 融点:207.5〜208℃
1H−NMRスペクトル400MHz [DMSO-d6,TMS]:δ=3.40(s,3H),3.34(s,3H),6.78‐6.83(m,5H),7.02(s(br.),2H),7.06(d,4H),7.53(s(bT.),2H),8.87(s,1H),9.39(s,2H);13C−NMRスペクトル 101MHz [DMSO-d6,TMS]:δ=37.5,115.1,119.2,120.9,127.9,136.0,140.4,155.1,165.2;FT-IRスペクトルKBr (cm-1):3384(N‐H),1531(triazine C=N),1391(Ph‐N),1232(C‐N)
Synthesis Example 6 Synthesis of 2,4-bis (N-methyl-4-hydroxyanilino) -6-anilino-1,3,5-triazine
Instead of p-aminophenol, 6.158 g (50 mmol) of N-methyl-p-aminophenol was used. In addition, 2,4-bis (N-methyl-4-hydroxyanilino) -6-anilino- was used in the same manner as in Synthesis Example 4 except that the reaction time was 12 hours and the recrystallization solvent was chloroform / hexane. 1,3,5-Triazine was obtained.
Shape: Pink solid Melting point: Yield: 4.6 g Yield: 45% Melting point: 207.5-208 ° C
1 H-NMR spectrum 400 MHz [DMSO-d6, TMS]: δ = 3.40 (s, 3H), 3.34 (s, 3H), 6.78-6.83 (m, 5H), 7.02 (s (br.), 2H ), 7.06 (d, 4H), 7.53 (s (bT.), 2H), 8.87 (s, 1H), 9.39 (s, 2H); 13 C-NMR spectrum 101 MHz [DMSO-d6, TMS]: δ = 37.5, 115.1, 119.2, 120.9, 127.9, 136.0, 140.4, 155.1, 165.2; FT-IR spectrum KBr (cm −1 ): 3384 (N−H), 1531 (triazine C = N), 1391 (Ph− N), 1232 (CN)

[合成例7]2,4−ビス(4‐ヒドロキシアニリノ)−6−(N‐メチルアニリノ)−1,3,5−トリアジンの合成
6‐アニリノ‐1,3,5‐トリアジン‐2,4‐ジクロリドの代わりに、合成例3で合成した6‐(N−メチルアニリノ)−1,3,5−トリアジン‐2,4‐ジクロリド6.378g(25mmol)を用いた。また、反応時間を12時間、再結晶溶媒をテトラヒドロフラン/ヘキサン系とした以外は、全て合成例4と同様にして2,4−ビス(4‐ヒドロキシアニリノ)−6−(N‐メチルアニリノ)−1,3,5−トリアジンを得た。
形状:桃色固体融点 収量:4.3g 収率:43% 融点:245.7−245.8℃
1H−NMRスペクトル400MHz [DMSO-d6,TMS]:δ=3.44(s,3H),6.59(s,4H),7.25(t,1H),7.34−7.44(m,8H),8.75(s,2H),8.98(s,2H);13C−NMRスペクトル 101MHz [DMSO-d6,TMS]:δ=37.4,114.6,121.6,125.3,127.0,128.6,131.7,133.9,144.9,152.2,163.7,165.4;FT-IRスペクトルKBr (cm-1):3275(NH),1492(C=C),1551(triazine C=N),1166(triazine C‐N)
Synthesis Example 7 Synthesis of 2,4-bis (4-hydroxyanilino) -6- (N-methylanilino) -1,3,5-triazine
Instead of 6-anilino-1,3,5-triazine-2,4-dichloride, 6.378 g of 6- (N-methylanilino) -1,3,5-triazine-2,4-dichloride synthesized in Synthesis Example 3 (25 mmol) was used. In addition, 2,4-bis (4-hydroxyanilino) -6- (N-methylanilino)-was used in the same manner as in Synthesis Example 4 except that the reaction time was 12 hours and the recrystallization solvent was tetrahydrofuran / hexane. 1,3,5-Triazine was obtained.
Shape: Melting point of pink solid Yield: 4.3 g Yield: 43% Melting point: 245.7-245.8 ° C
1 H-NMR spectrum 400 MHz [DMSO-d6, TMS]: δ = 3.44 (s, 3H), 6.59 (s, 4H), 7.25 (t, 1H), 7.34-7.44 (m, 8H), 8.75 (s, 2H), 8.98 (s, 2H); 13 C-NMR spectrum 101 MHz [DMSO-d6, TMS]: δ = 37.4, 114.6, 121.6, 125.3, 127.0, 128.6, 131.7, 133.9, 144.9, 152.2, 163.7, 165.4; FT-IR spectrum KBr (cm -1 ): 3275 (NH), 1492 (C = C), 1551 (triazine C = N), 1166 (triazine C-N)

[合成例8]2,4−ビス(N‐メチル‐4‐ヒドロキシアニリノ)−6−(N‐メチルアニリノ)−1,3,5−トリアジンの合成
p‐アミノフェノールの代わりにN‐メチル‐p‐アミノフェノール6.158g(50mmol)、6‐アニリノ‐1,3,5‐トリアジン‐2,4‐ジクロリドの代わりに、合成例3で合成した6‐(N−メチルアニリノ)−1,3,5−トリアジン‐2,4‐ジクロリド6.378g(25mmol)を用いた。また、反応時間を12時間、再結晶溶媒をクロロホルム/ヘキサン系とした以外は、全て合成例4と同様にして2,4−ビス(N‐メチル‐4‐ヒドロキシアニリノ)−6−(N‐メチルアニリノ)−1,3,5−トリアジンを得た。
形状:桃色固体融点:収量:7.49g 収率:70% 融点:245.3‐246.0℃
1H−NMRスペクトル400MHz [DMSO-d6,TMS]:δ=3.28(d,6H),3.86〈8,3H〉,6.69(d,4 H),7.08(d,5H),7.22‐7.30(m,4H),9.27(s,2H);13C−NMRスペクトル 101MHz [DMSO-d6,TMS]:δ=36.6,37.1,114.6,125.7,125.7,127.2,127.8,135.8,144.3,154.5;Analsis [C24H24N6O2(428.49)]:Calcd. for C 67.27,H 5.65,N 19.61;Found C 67.24,H 5.88,N 19.64
[Synthesis Example 8] Synthesis of 2,4-bis (N-methyl-4-hydroxyanilino) -6- (N-methylanilino) -1,3,5-triazine
6.158 g (50 mmol) of N-methyl-p-aminophenol instead of p-aminophenol, 6-synthesized in Synthesis Example 3 instead of 6-anilino-1,3,5-triazine-2,4-dichloride (N-methylanilino) -1,3,5-triazine-2,4-dichloride 6.378 g (25 mmol) was used. Further, 2,4-bis (N-methyl-4-hydroxyanilino) -6- (N was used in the same manner as in Synthesis Example 4 except that the reaction time was 12 hours and the recrystallization solvent was chloroform / hexane. -Methylanilino) -1,3,5-triazine was obtained.
Shape: Pink solid Melting point: Yield: 7.49 g Yield: 70% Melting point: 245.3-246.0 ° C
1 H-NMR spectrum 400 MHz [DMSO-d6, TMS]: δ = 3.28 (d, 6H), 3.86 <8, 3H>, 6.69 (d, 4H), 7.08 (d, 5H), 7.22-7.30 (m , 4H), 9.27 (s, 2H); 13 C-NMR spectrum 101 MHz [DMSO-d6, TMS]: δ = 36.6, 37.1, 114.6, 125.7, 125.7, 127.2, 127.8, 135.8, 144.3, 154.5; Analsis [C 24 H 24 N 6 O 2 (428.49)]: Calcd. For C 67.27, H 5.65, N 19.61; Found C 67.24, H 5.88, N 19.64

[合成例9]2,4−ビス(4−ヒドロキシアニリノ)−6−(4−(4−ヒドロキシスルホニル)アニリノ−1,3,5−トリアジンの合成
2,4,6−トリクロロ−1,3,5−トリアジン3.7gをアセトン10mlに溶解し、振動ミキサで十分に攪拌後、20mlの氷水中に投入し、得られたスラリにスルファニル酸3.5gと炭酸ナトリウム1.1gの20ml水溶液を、氷冷下(約0℃)で加えた。さらに炭酸ナトリウム1.1gの5ml水溶液を徐々に加えて反応液のpHを7〜8に保つようにした。2時間反応後、析出した沈殿を濾過し、蒸留水で十分に洗浄後、10mlのアセトンで洗浄して室温下12時間減圧乾燥した。この化合物3gとp−アミノフェノール1.91gをN−メチルピロリドン10mlに溶解し、温度を100℃に上げて12時間攪拌した後、N−メチルピロリドンを減圧下で留去し、残った固形物を熱水から再結晶することにより2,4−ビス(4−ヒドロキシアニリノ)−6−(4−(4−ヒドロキシスルホニル)アニリノ−1,3,5−トリアジンの白色粉末を得た。
Synthesis Example 9 Synthesis of 2,4-bis (4-hydroxyanilino) -6- (4- (4-hydroxysulfonyl) anilino-1,3,5-triazine 2,4,6-trichloro-1, 3.7 g of 3,5-triazine is dissolved in 10 ml of acetone, sufficiently stirred with a vibration mixer, and then poured into 20 ml of ice water, and the resulting slurry is added with a 20 ml aqueous solution of 3.5 g of sulfanilic acid and 1.1 g of sodium carbonate. Was added under ice cooling (about 0 ° C.) A 5 ml aqueous solution of 1.1 g of sodium carbonate was gradually added so as to keep the pH of the reaction solution at 7 to 8. This was filtered, washed thoroughly with distilled water, washed with 10 ml of acetone and dried under reduced pressure for 12 hours at room temperature.3 g of this compound and 1.91 g of p-aminophenol were dissolved in 10 ml of N-methylpyrrolidone, and the temperature was adjusted. 10 After stirring at 12 ° C. for 12 hours, N-methylpyrrolidone was distilled off under reduced pressure, and the remaining solid was recrystallized from hot water to give 2,4-bis (4-hydroxyanilino) -6- (A white powder of 4- (4-hydroxysulfonyl) anilino-1,3,5-triazine was obtained.

<高分子電解質化合物(A)〜(L)の合成>
(a)複素環を有する構造単位の前駆体モノマーとして上記合成例1〜9の前駆体モノマーを用い、(b)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位の前駆体モノマーとして、4,4'-ジクロロジフェニルスルホン-3,3'-ジスルホン酸ナトリウム塩1水和物を用い、(c)芳香環を有する構造単位の前駆体モノマーとして4,4'-ジクロロジフェニルスルホン、4,4'-ジヒドロキシジフェニルスルホン、ジヒドロキシジフェニルスルホンを用いた。
ディーンスタークトラップ、コンデンサー、撹拌機および窒素供給管を備えた50mlの4つ口丸底フラスコに、溶媒であるN-メチルピロリドンを20ml加え、表1に示す各配合物(a)〜(c)の各成分を加え、さらに、触媒として炭酸カリウムを加え、100℃に加熱した後トルエン20mlを加えて160℃に加熱して4時間還流に供してトルエンを留去した。温度を180℃に昇温して72時間攪拌した。冷却後、この溶液を250mlの10%硫酸水溶液中に注ぎ1時間撹拌し、次いで、この溶液を蒸留水中に注ぎ、化合物を析出させ、沈殿物を濾過し蒸留水で十分に洗浄後、室温下12時間減圧乾燥することで目的物である高分子電解質化合物(A)〜(L)を得た。










































<Synthesis of Polymer Electrolyte Compounds (A) to (L)>
(A) The precursor monomers of Synthesis Examples 1 to 9 are used as the precursor monomer of the structural unit having a heterocyclic ring, and (b) the precursor monomer of the structural unit having an aromatic ring into which a protonic acid group is introduced is 4, 4'-dichlorodiphenylsulfone-3,3'-disulfonic acid sodium salt monohydrate is used, and (c) 4,4'-dichlorodiphenylsulfone as a precursor monomer of a structural unit having an aromatic ring, -Dihydroxydiphenylsulfone and dihydroxydiphenylsulfone were used.
20 ml of N-methylpyrrolidone as a solvent was added to a 50 ml four-necked round bottom flask equipped with a Dean-Stark trap, a condenser, a stirrer, and a nitrogen supply pipe, and the respective formulations (a) to (c) shown in Table 1 were added. In addition, potassium carbonate was added as a catalyst, heated to 100 ° C., 20 ml of toluene was added, heated to 160 ° C. and refluxed for 4 hours to distill off the toluene. The temperature was raised to 180 ° C. and stirred for 72 hours. After cooling, the solution was poured into 250 ml of 10% aqueous sulfuric acid solution and stirred for 1 hour, and then the solution was poured into distilled water to precipitate the compound, the precipitate was filtered, washed thoroughly with distilled water, and then at room temperature. The target polymer electrolyte compounds (A) to (L) were obtained by drying under reduced pressure for 12 hours.










































Figure 2006338928
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[高分子電解質膜の作製]
<実施例1>
高分子電解質化合物(C)3gを溶媒であるN−メチルピロリドン27gに溶解し、高分子電解質化合物(C)の溶媒溶液(不揮発分10質量%)を準備した。また、多孔質基材として、ポリエステル不織布基材(旭化成株式会社製、EH-5035、厚さ45μm)を準備した。このポリエステル不織布基材を上記高分子電解質化合物(C)の溶媒溶液に浸漬し、室温、真空(0.5Pa)中で30分間放置し、ポリエステル不織布基材の空隙に高分子電解質化合物(C)を充填した。その後、懸垂法により余分な高分子電解質化合物(C)を除去し、さらに乾燥機(750℃)で1時間乾燥するにより溶媒を除去し、厚さ約80μmの補強高分子電解質膜Cを得た。
[Production of polymer electrolyte membrane]
<Example 1>
3 g of the polymer electrolyte compound (C) was dissolved in 27 g of N-methylpyrrolidone as a solvent to prepare a solvent solution (nonvolatile content 10% by mass) of the polymer electrolyte compound (C). Moreover, the polyester nonwoven fabric base material (The Asahi Kasei Co., Ltd. make, EH-5035, thickness 45 micrometers) was prepared as a porous base material. This polyester nonwoven fabric substrate is immersed in a solvent solution of the above-mentioned polymer electrolyte compound (C) and allowed to stand at room temperature in a vacuum (0.5 Pa) for 30 minutes, and the polymer electrolyte compound (C) is placed in the voids of the polyester nonwoven fabric substrate. Filled. Thereafter, the excess polymer electrolyte compound (C) was removed by a suspension method, and the solvent was removed by drying for 1 hour in a dryer (750 ° C.) to obtain a reinforced polymer electrolyte membrane C having a thickness of about 80 μm. .

<実施例2>
高分子電解質化合物(C)の代わりに高分子電解質化合物(E)を用いる以外は、実施例1と同様にして補強高分子電解質膜Eを作製した。
<実施例3>
高分子電解質化合物(C)の代わりに高分子電解質化合物(G)を用いる以外は、実施例1と同様にして補強高分子電解質膜Gを作製した。
<実施例4>
高分子電解質化合物(C)の代わりに高分子電解質化合物(I)を用いる以外は、実施例1と同様にして補強高分子電解質膜Iを作製した。
<Example 2>
A reinforced polymer electrolyte membrane E was produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte compound (E) was used instead of the polymer electrolyte compound (C).
<Example 3>
A reinforced polymer electrolyte membrane G was produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte compound (G) was used instead of the polymer electrolyte compound (C).
<Example 4>
A reinforced polymer electrolyte membrane I was produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte compound (I) was used instead of the polymer electrolyte compound (C).

<実施例5>
高分子電解質化合物(D)9gを溶媒であるN−メチルピロリドン21gに溶解し、高分子電解質化合物(D)の溶媒溶液(不揮発分30質量%)を準備した。この溶媒溶液を、実施例1で得られた補強高分子電解質膜Cの両面に流延した後、乾燥機(150℃)で1時間乾燥することにより溶媒を留去して高分子電解質膜D及び補強高分子電解質膜Cを、D-C-Dのように積層した厚さ約120μmの多層の補強高分子電解質膜Mを得た。
<実施例6>
高分子電解質化合物(H)9gを溶媒であるN−メチルピロリドン21gに溶解し、高分子電解質化合物(H)の溶媒溶液(不揮発分30質量%)を準備した。この溶媒溶液を、実施例3で得られた補強高分子電解質膜Gの片面に流延した後、乾燥機(150℃)で1時間乾燥することにより溶媒を留去することで厚さ約100μmの高分子電解質膜H及び補強高分子電解質膜Gを、H-Gのように積層した厚さ約120μmの多層高分子電解質膜Nを得た。
<Example 5>
9 g of the polymer electrolyte compound (D) was dissolved in 21 g of N-methylpyrrolidone as a solvent to prepare a solvent solution (non-volatile content 30% by mass) of the polymer electrolyte compound (D). After casting this solvent solution on both surfaces of the reinforced polymer electrolyte membrane C obtained in Example 1, the solvent is distilled off by drying with a dryer (150 ° C.) for 1 hour to polymer electrolyte membrane D. A multilayer reinforced polymer electrolyte membrane M having a thickness of about 120 μm was obtained by laminating the reinforced polymer electrolyte membrane C as in D-C-D.
<Example 6>
9 g of the polymer electrolyte compound (H) was dissolved in 21 g of N-methylpyrrolidone as a solvent to prepare a solvent solution (non-volatile content 30% by mass) of the polymer electrolyte compound (H). After casting this solvent solution on one side of the reinforced polymer electrolyte membrane G obtained in Example 3, the solvent was distilled off by drying for 1 hour in a dryer (150 ° C.) to obtain a thickness of about 100 μm. A multilayer polymer electrolyte membrane N having a thickness of about 120 μm was obtained by laminating the polymer electrolyte membrane H and the reinforced polymer electrolyte membrane G like HG.

<比較例1>
高分子電解質化合物(C)の代わりに高分子電解質化合物(L)を用いる以外は、実施例1と同様にして参考高分子電解質膜1を作製した。
<比較例2>
「ナフィオン(登録商標)112」を用いて、厚さ約50μmの参考高分子電解質膜2を得た。
<Comparative Example 1>
A reference polymer electrolyte membrane 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte compound (L) was used instead of the polymer electrolyte compound (C).
<Comparative Example 2>
A reference polymer electrolyte membrane 2 having a thickness of about 50 μm was obtained using “Nafion (registered trademark) 112”.

<測定方法および評価方法>
(1)水及びメタノールに対する膨潤率の評価
膨潤率は、2cm×2cmに切り出した厚さ50〜150μmの実施例及び比較例の高分子電解質膜を、60℃の水又は25℃のメタノールに1時間浸漬させて、その前後の面積変化を下記式から求めた。浸漬後の面積は、電解質膜表面をペーパータオルにて軽く拭き取り、2枚の透明なガラス板で挟んだものの画像をスキャナで取り込み、画像解析により膜部分のピクセル数をカウントした。
λ(面積%)={(p−p0)/p}×100
λ:膨潤率(面積%)
p0:膨潤前の高分子電解質膜のピクセル数
p:膨潤後の高分子電解質膜のピクセル数
膨潤率が5%以下、好ましくは、2%以下であれば、良好な耐膨潤性があるといえる。
<Measurement method and evaluation method>
(1) Evaluation of swelling ratio with respect to water and methanol The swelling ratio is 1 to 60 ° C. water or 25 ° C. methanol / polymer electrolyte membranes of 50 to 150 μm thickness cut into 2 cm × 2 cm. It was immersed for a period of time, and the area change before and after that was determined from the following formula. As for the area after immersion, the surface of the electrolyte membrane was lightly wiped with a paper towel, an image of what was sandwiched between two transparent glass plates was captured with a scanner, and the number of pixels in the membrane portion was counted by image analysis.
λ (area%) = {(p−p 0 ) / p} × 100
λ: swelling rate (area%)
p 0 : number of pixels of the polymer electrolyte membrane before swelling
p: Number of pixels of the polymer electrolyte membrane after swelling If the swelling rate is 5% or less, preferably 2% or less, it can be said that there is good swelling resistance.

(2)メタノール透過性の評価
メタノール透過性の評価は、図1に示すセル(1)を用いて行った。実施例及び比較例の高分子電解質膜を精製水に2時間浸漬後、この高分子電解質膜をセル(1)に設置した。高分子電解質膜(2)は、A室及びB室を8cm2の面積で分離する。さらに、A室には3.2%メタノール水溶液200mlを、B室には精製水200mlを入れた。その後、25℃で10,30,60,120,180分放置後、精製水を入れたB室のメタノール濃度をガスクロマトグラフィーで測定し、これを時間に対してプロットした際の傾きの値を求めた。得られた値はナフィオン112を使用した比較例2の値を100とし、各実施例及び比較例の高分子電解質膜と相対比較して、メタノール透過係数を求めた。
メタノール透過係数が、100以下であれば、良好な耐メタノール透過性を有すると言える。
(2) Evaluation of methanol permeability Methanol permeability was evaluated using the cell (1) shown in FIG. The polymer electrolyte membranes of Examples and Comparative Examples were immersed in purified water for 2 hours, and then this polymer electrolyte membrane was placed in the cell (1). The polymer electrolyte membrane (2) separates the A chamber and the B chamber with an area of 8 cm 2 . Furthermore, chamber A was charged with 200 ml of a 3.2% aqueous methanol solution, and chamber B was charged with 200 ml of purified water. Then, after leaving at 25 ° C. for 10, 30, 60, 120, 180 minutes, the methanol concentration in the B chamber containing purified water was measured by gas chromatography, and the slope value when this was plotted against time was determined. The value obtained in Comparative Example 2 using Nafion 112 was set to 100, and the methanol permeation coefficient was determined relative to the polymer electrolyte membranes of Examples and Comparative Examples.
If the methanol permeability coefficient is 100 or less, it can be said that it has good methanol permeability resistance.

(3)プロトン伝導率の測定
自作測定用プローブ(テフロン(登録商標)製)上で、得られた高分子電解質膜からなる短冊状膜試料の表面に白金板(幅:5mm)を押しあて、60℃、恒温層中に試料及びプローブを浸漬し、白金板間のインピーダンスをSOLARTRON社製、1260FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。
測定の際には、極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−Cプロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾配から、下記の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルした導電率を算出し、当該高分子電解質膜のプロトン伝導率とした。
伝導率の計算式:伝導率[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]×抵抗極間勾配[Ω/cm]
プロトン伝導率が、0.08S/cm以上であれば、良好なプロトン伝導率を有すると言える。
上記(1)〜(3)の結果を、下記表3に示す。
(3) Measurement of proton conductivity On a probe for self-made measurement (manufactured by Teflon (registered trademark)), a platinum plate (width: 5 mm) was pressed against the surface of the strip-shaped membrane sample made of the polymer electrolyte membrane, The sample and the probe were immersed in a constant temperature layer at 60 ° C., and the impedance between the platinum plates was measured by 1260 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER manufactured by SOLARTRON.
When measuring, change the distance between the poles, and cancel the contact resistance between the membrane and the platinum wire using the following formula from the gradient plotting the distance measured between the poles and the resistance measurement value estimated from the CC plot. And the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane was calculated.
Formula for calculating conductivity: conductivity [S / cm] = 1 / film width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm]
If the proton conductivity is 0.08 S / cm or more, it can be said that the proton conductivity is good.
The results of the above (1) to (3) are shown in Table 3 below.

Figure 2006338928
Figure 2006338928

表3に示されるように、実施例1〜6の補強高分子電解質膜は、水及びメタノールに対する膨潤率が低く、高いプロトン伝導性を維持したままメタノールの透過を抑制できることが分かる。
これに対し、本発明外の高分子電解質化合物(L)を用いた比較例1は、膨潤率は低いもののメタノールの透過性が大きく、ナフィオン112を用いた比較例2の高分子電解質膜は、実施例1〜6の補強高分子電解質膜と比べてメタノールに対する膨潤率が大きく、またメタノールの透過性も大きいことが分かる。
As shown in Table 3, it can be seen that the reinforced polymer electrolyte membranes of Examples 1 to 6 have a low swelling rate with respect to water and methanol, and can suppress the permeation of methanol while maintaining high proton conductivity.
On the other hand, Comparative Example 1 using the polymer electrolyte compound (L) outside of the present invention has a low swell ratio but large methanol permeability, and the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 2 using Nafion 112 is Compared with the reinforced polymer electrolyte membranes of Examples 1 to 6, the swelling ratio with respect to methanol is large, and the permeability of methanol is also large.

[電極-高分子電解質膜接合体の作製]
<実施例7>
白金担持量が30質量%である触媒担持カーボン粒子(田中貴金属株式会社製、TEC10V30E)0.72gを水に湿らせた後に、ナフィオン(登録商標)溶液(デュポン社製、「ナフィオン(登録商標)」溶液5%)8.6gとを、均一になるように混合分散することによって、触媒ペーストCを調製した。次いで、テフロン(登録商標)フィルムの一方の面に、この触媒ペーストCをアプリケーターを用いて塗布、乾燥することにより、テフロン(登録商標)フィルム上に触媒層C(厚さ150μm)を形成した。また、白金担持量が33wt%である触媒担持カーボン粒子(田中貴金属株式会社製、TEC61V33E)0.72gを水に湿らせた後に、ナフィオン(登録商標)溶液(デュポン社製、「ナフィオン(登録商標)」溶液5%)8.6gとを、均一になるように混合分散することによって、触媒ペーストAを調製した。次いで、テフロン(登録商標)フィルムの一方の面に、この触媒ペーストAをアプリケーターを用いて塗布、乾燥することにより、テフロン(登録商標)フィルム上に触媒層A(厚さ150μm)を形成した。続けて、平板プレスのプレス板の間に、触媒層C及びAが実施例1で得られた補強高分子電解質膜Cと接触するように配置し、160℃、5MPaの条件で3分間挟持した後に、テフロン(登録商標)フィルムを補強高分子電解質膜Cから剥離することにより、触媒層を補強高分子電解質膜Cに転写した。さらに、撥水処理が施されたカーボンペーパーを両面から挟み込み、160℃、5MPaの条件で3分間、再度、熱プレスすることで、電極-高分子電解質膜接合体Cを作製した。このとき、電極の平均孔直径は、2μmであり、間隙率は、40%であった。
[Production of electrode-polymer electrolyte membrane assembly]
<Example 7>
After 0.72 g of catalyst-supported carbon particles (Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., TEC10V30E) having a platinum loading of 30% by mass were wetted with water, a Nafion (registered trademark) solution (DuPont, “Nafion (registered trademark) Catalyst paste C was prepared by mixing and dispersing 8.6 g of “5% solution” uniformly. Next, the catalyst paste C was applied to one side of the Teflon (registered trademark) film using an applicator and dried to form a catalyst layer C (thickness 150 μm) on the Teflon (registered trademark) film. Further, after 0.72 g of catalyst-supported carbon particles having a platinum loading of 33 wt% (Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., TEC61V33E) were moistened with water, Nafion (registered trademark) solution (DuPont, “Nafion (registered trademark) Catalyst paste A was prepared by mixing and dispersing 8.6 g)) solution 5%) in a uniform manner. Next, the catalyst paste A (thickness 150 μm) was formed on the Teflon (registered trademark) film by applying and drying the catalyst paste A on one surface of the Teflon (registered trademark) film using an applicator. Subsequently, between the press plates of the flat plate press, the catalyst layers C and A are arranged so as to be in contact with the reinforced polymer electrolyte membrane C obtained in Example 1, and after being sandwiched for 3 minutes at 160 ° C. and 5 MPa, The catalyst layer was transferred to the reinforced polymer electrolyte membrane C by peeling the Teflon (registered trademark) film from the reinforced polymer electrolyte membrane C. Further, a carbon paper subjected to a water repellent treatment was sandwiched from both sides, and heat-pressed again at 160 ° C. and 5 MPa for 3 minutes to produce an electrode-polymer electrolyte membrane assembly C. At this time, the average pore diameter of the electrode was 2 μm, and the porosity was 40%.

<実施例8>
補強高分子電解質膜Cの替わりに実施例5で得られた多層高分子電解質膜Mを用いた以外は実施例7と同様にして、電極-高分子電解質膜接合体Mを作製した。
<比較例3>
補強高分子電解質膜Cの替わりに比較例2で用いた高分子電解質膜「ナフィオン(登録商標)112」を用いた以外は実施例7と同様にして、参考電極-高分子電解質膜接合体Pを作製した。
<Example 8>
An electrode-polymer electrolyte membrane assembly M was produced in the same manner as in Example 7 except that the multilayer polymer electrolyte membrane M obtained in Example 5 was used instead of the reinforced polymer electrolyte membrane C.
<Comparative Example 3>
Reference electrode-polymer electrolyte membrane assembly P in the same manner as in Example 7 except that the polymer electrolyte membrane “Nafion (registered trademark) 112” used in Comparative Example 2 was used instead of the reinforced polymer electrolyte membrane C. Was made.

[燃料電池の作製]
<実施例9>
実施例7において得られた電極-高分子電解質膜接合体Cの両側にステンレス製の極板を設け、前記各極板の背面にメタノール燃料室・空気室を構成する燃料電池Cを作製した。
<実施例10>
実施例8の電極-高分子電解質膜接合体Mを用いた以外は、実施例9と同様にして燃料電池Mを作製した。
<比較例4>
比較例3の参考電極-高分子電解質膜接合体Pを用いた以外は、実施例9と同様にして参考燃料電池Pを作製した。
[Fabrication of fuel cell]
<Example 9>
A stainless steel electrode plate was provided on both sides of the electrode-polymer electrolyte membrane assembly C obtained in Example 7, and a fuel cell C comprising a methanol fuel chamber and an air chamber on the back of each electrode plate was produced.
<Example 10>
A fuel cell M was produced in the same manner as in Example 9 except that the electrode-polymer electrolyte membrane assembly M of Example 8 was used.
<Comparative Example 4>
A reference fuel cell P was produced in the same manner as in Example 9 except that the reference electrode-polymer electrolyte membrane assembly P of Comparative Example 3 was used.

[燃料電池の評価]
実施例9、実施例10及び比較例4において得られた燃料電池C及びM、並びに参考燃料電池Pの評価を、電気化学的試験によって行った。メタノール室(アノード側)に30質量%メタノール水溶液を10ml/分、空気室(カソード側)に酸素を100ml/分、セル温度50℃の条件下で電気化学的評価を行った。その結果を図2にまとめる。
[Evaluation of fuel cell]
The fuel cells C and M obtained in Example 9, Example 10, and Comparative Example 4 and the reference fuel cell P were evaluated by an electrochemical test. Electrochemical evaluation was performed under the conditions of a 30% by weight methanol aqueous solution in the methanol chamber (anode side) at 10 ml / min, oxygen in the air chamber (cathode side) at 100 ml / min, and a cell temperature of 50 ° C. The results are summarized in FIG.

図2に示す結果は、実施例9、10の燃料電池C、Mは、比較例4の燃料電池Pよりも、高出力であることを明瞭に示している。   The results shown in FIG. 2 clearly show that the fuel cells C and M of Examples 9 and 10 have a higher output than the fuel cell P of Comparative Example 4.

メタノール透過性の評価に使用したセルの概略図である。It is the schematic of the cell used for evaluation of methanol permeability. 燃料電池の評価結果を示すグラフである。It is a graph which shows the evaluation result of a fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

1 セル
2 高分子電解質膜
3 メタノール水溶液
4 精製水
1 Cell 2 Polymer Electrolyte Membrane 3 Methanol Aqueous Solution 4 Purified Water

Claims (10)

多孔質基材と、該多孔質基材の空隙及び/又は細孔中に充填された樹脂組成物とを含み、該樹脂組成物が、(a)複素環を有する構造単位と、(b)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位と、(c)芳香環を有する構造単位とを有する共重合体を含む高分子電解質化合物を含有することを特徴とする、補強高分子電解質膜。   A porous substrate and a resin composition filled in voids and / or pores of the porous substrate, the resin composition comprising (a) a structural unit having a heterocyclic ring, and (b) A reinforced polymer electrolyte membrane comprising a polymer electrolyte compound comprising a copolymer having a structural unit having an aromatic ring having a proton acid group introduced therein and (c) a structural unit having an aromatic ring. (a)複素環を有する構造単位が、ピロール、ピラゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、キノリン、イソキノリン、キノキサリン、イミダゾール、ベンズイミダゾール、インドール、プリン、トリアゾール、トリアジン、フラン、チオフェン、ベンゾフラン並びにこれらの誘導体からなる群から選択された少なくとも1種のヘテロ芳香族化合物である、請求項1記載の補強高分子電解質膜。   (A) The structural unit having a heterocyclic ring is pyrrole, pyrazole, pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, quinoline, isoquinoline, quinoxaline, imidazole, benzimidazole, indole, purine, triazole, triazine, furan, thiophene, benzofuran, and these The reinforced polymer electrolyte membrane according to claim 1, which is at least one heteroaromatic compound selected from the group consisting of derivatives. (a)複素環を有する構造単位が、下記の式(1)及び/又は式(2)及び/又は式(3)を含む、請求項1又は2記載の補強高分子電解質膜。
式(1):
Figure 2006338928
[式(1)中、Aは、直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)2−、−C(O)−、−P(O)(C6H5)−、−C(CH3)2−、−C(CF3)2−、−C6H4CC6H4−または炭素数1〜6のアルキリデン基を示し;Rは、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素、ヨウ素を示し;Xは、SO3H、COOH、PO3H2からなる群から選択されるプロトン酸基を示し;nは、1から5の置換基数を表し;mは、0〜(5−n)の置換基数を表わす。]
式(2):
Figure 2006338928
[式(2)中、Yは、直接結合、−NH−、−N(CH3)−、−NHC6H4O−、−N(CH3)C6H4O−または炭素数1〜6のアルキリデン基を示し;Zは、直接結合、−NH−、−N(CH3)−、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)2−、−C(O)−または炭素数1〜6のアルキリデン基を示し;Rは、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、メトキシ基、フェニル基、フェノキシ基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素、ヨウ素示し;Xは、SO3H、COOH、PO3H2からなる群から選択されるプロトン酸基を示し;nは、1から5の置換基数を表わし;mは、0〜(5−n)の置換基数を表わす。]
式(3):
Figure 2006338928
[式(3)中、各Qは、同一でも異なっていてもよく、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロフェニル基、アルコキシフェニル基、フルオロフェニル基、クロロフェニル基、ブロモフェニル基、ヨードフェニル基、シアノフェニル基、アセトフェニル基、‐OH基、塩素、臭素、ヨウ素を示し;Rは、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、メトキシ基、フェニル基、フェノキシ基、ニトロ基、塩素、臭素、ヨウ素を示し;Xは、SO3H、COOH、PO3H2からなる群から選択されるプロトン酸基を示し;nは、1から5の置換基数を表し;mは、0〜(5−n)の置換基数を表わす。]
(A) The reinforced polymer electrolyte membrane according to claim 1 or 2, wherein the structural unit having a heterocyclic ring comprises the following formula (1) and / or formula (2) and / or formula (3).
Formula (1):
Figure 2006338928
[In the formula (1), A represents a direct bond, -O-, -S-, -S (O)-, -S (O) 2- , -C (O)-, -P (O) (C 6 H 5 ) —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —C 6 H 4 CC 6 H 4 — or an alkylidene group having 1 to 6 carbon atoms; R is hydrogen Represents an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, phenyl group, nitro group, cyano group, alkoxy group, chlorine, bromine, iodine; X is selected from the group consisting of SO 3 H, COOH, PO 3 H 2 N represents the number of substituents from 1 to 5; and m represents the number of substituents from 0 to (5-n). ]
Formula (2):
Figure 2006338928
[In the formula (2), Y represents a direct bond, —NH—, —N (CH 3 ) —, —NHC 6 H 4 O—, —N (CH 3 ) C 6 H 4 O— 6 represents an alkylidene group; Z represents a direct bond, —NH—, —N (CH 3 ) —, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O)-or an alkylidene group having 1 to 6 carbon atoms; R represents hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a methoxy group, a phenyl group, a phenoxy group, a nitro group, a cyano group, an alkoxy group, X represents chlorine, bromine or iodine; X represents a protonic acid group selected from the group consisting of SO 3 H, COOH and PO 3 H 2 ; n represents the number of substituents from 1 to 5; This represents the number of substituents of (5-n). ]
Formula (3):
Figure 2006338928
[In the formula (3), each Q may be the same or different and is hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, a nitrophenyl group, an alkoxyphenyl group, a fluorophenyl group, a chlorophenyl group, A bromophenyl group, an iodophenyl group, a cyanophenyl group, an acetophenyl group, an —OH group, chlorine, bromine, iodine; R is hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a methoxy group, a phenyl group, X represents a protonic acid group selected from the group consisting of SO 3 H, COOH, and PO 3 H 2 ; n represents the number of substituents of 1 to 5; phenoxy group, nitro group, chlorine, bromine, iodine; And m represents the number of substituents from 0 to (5-n). ]
(b)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位が、下記の式(4)及び/又は下記の式(5)を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の補強高分子電解質膜。
式(4):
Figure 2006338928
[式(4)中、Aは、直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)2−、−C(O)−、−P(O)(C6H5)−、−C(CH3)2−、−C(CF3)2−、−C6H4CC6H4−または炭素数1〜6のアルキリデン基を示し;Rは、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素、ヨウ素を示し;Xは、SO3H、COOH、PO3H2からなる群から選択されるプロトン酸基を示し;nは、1から4の置換基数を表わし、mは0〜(4−n)の置換基数を表わす。]
式(5):
Figure 2006338928
[式(5)中、Rは、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素、ヨウ素を示し;Xは、SO3H、COOH、PO3H2からなる群から選択されるプロトン酸基を示し;nは、1から4の置換基数を表わし;mは、0〜(4−n)の置換基数を表わす。]
(B) The reinforcing unit according to any one of claims 1 to 3, wherein the structural unit having an aromatic ring into which a protonic acid group is introduced includes the following formula (4) and / or the following formula (5). Molecular electrolyte membrane.
Formula (4):
Figure 2006338928
[In the formula (4), A represents a direct bond, -O-, -S-, -S (O)-, -S (O) 2- , -C (O)-, -P (O) (C 6 H 5 ) —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —C 6 H 4 CC 6 H 4 — or an alkylidene group having 1 to 6 carbon atoms; R is hydrogen Represents an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, phenyl group, nitro group, cyano group, alkoxy group, chlorine, bromine, iodine; X is selected from the group consisting of SO 3 H, COOH, PO 3 H 2 N represents the number of substituents from 1 to 4, and m represents the number of substituents from 0 to (4-n). ]
Formula (5):
Figure 2006338928
[In the formula (5), R represents hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, a nitro group, a cyano group, an alkoxy group, chlorine, bromine or iodine; X represents SO 3 H; Represents a protonic acid group selected from the group consisting of COOH and PO 3 H 2 ; n represents the number of substituents of 1 to 4; and m represents the number of substituents of 0 to (4-n). ]
(c)芳香環を有する構造単位が、下記の式(6)及び/又は下記の式(7)を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の補強高分子電解質膜。
式(6):
Figure 2006338928
[式(6)中、Aは、直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)2−、−C(O)−、−P(O)(C6H5)−、−C(CH3)2−、−C(CF3)2−、−C6H4CC6H4−または炭素数1〜6のアルキリデン基を示し;B,C,D及びEは、それぞれ独立に、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素又はヨウ素を示し;但し、B,C,D,Eのうち少なくとも2種は水素よりなる。]
式(7):
Figure 2006338928
[式(7)中、F及びGは、それぞれ独立に、水素、炭素1〜6個を含む脂肪族基、フェニル基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシ基、塩素、臭素又はヨウ素を示し;但し、F及びGのうち少なくとも1種は水素よりなる。]
(C) The reinforced polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the structural unit having an aromatic ring comprises the following formula (6) and / or the following formula (7).
Formula (6):
Figure 2006338928
[In the formula (6), A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —C 6 H 4 CC 6 H 4 — or an alkylidene group having 1 to 6 carbon atoms; D and E each independently represent hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, a nitro group, a cyano group, an alkoxy group, chlorine, bromine or iodine; provided that B, C, D, At least two of E consist of hydrogen. ]
Formula (7):
Figure 2006338928
[In formula (7), F and G each independently represent hydrogen, an aliphatic group containing 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, a nitro group, a cyano group, an alkoxy group, chlorine, bromine or iodine; , F and G consist of hydrogen. ]
(b)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位において、前記プロトン酸基がスルホン酸基又は/及びリン酸基である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の補強高分子電解質膜。   (B) In the structural unit having an aromatic ring into which a proton acid group is introduced, the reinforced polymer according to any one of claims 1 to 5, wherein the proton acid group is a sulfonic acid group or / and a phosphoric acid group. Electrolyte membrane. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の補強高分子電解質膜を1層以上含む、補強高分子電解質膜。   A reinforced polymer electrolyte membrane comprising at least one reinforced polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6. 2つの電極と、該2つの電極の間に配置された請求項1〜7のいずれか1項に記載の補強高分子電解質膜とからなる、電極−高分子電解質膜接合体。   An electrode-polymer electrolyte membrane assembly comprising two electrodes and the reinforced polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 7 disposed between the two electrodes. 2つの電極の間に請求項1〜7いずれか1項に記載の補強高分子電解質膜を配置することを含む、請求項8記載の電極−高分子電解質膜接合体の製造方法。   The manufacturing method of the electrode-polymer electrolyte membrane assembly of Claim 8 including arrange | positioning the reinforcement polymer electrolyte membrane of any one of Claims 1-7 between two electrodes. 請求項9記載の電極−高分子電解質膜接合体を含む燃料電池。   A fuel cell comprising the electrode-polymer electrolyte membrane assembly according to claim 9.
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