JP2007126645A - Polymer having ion exchange group and use of the same - Google Patents

Polymer having ion exchange group and use of the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer capable of being used in preparing a polyelectrolyte membrane having a lower methanol permeability and a high ionic conductivity, to provide a polyelectrolyte membrane, a polyelectrolyte used in its preparation, and to provide use of the same. <P>SOLUTION: What is provided is: a polymer having ion exchange groups, wherein the branching number Bn as determined according to formula (1) is 10 or larger, and the ion exchange capacity is 1 meq/g or larger; a polyelectrolyte comprising the polymer, a polyelectrolyte membrane using the polyelectrolyte, a polyelectrolyte membrane obtained by the solution casting of the polyelectrolyte, a composite polyelectrolyte membrane prepared by using the polyelectrolyte membrane and a porous substrate, a catalyst composition containing the polyelectrolyte and a catalyst, and a polyelectrolyte type fuel cell using the polyelectrolyte. In formula (1), IV (M) is the limiting viscosity number of the polymer at a molecular weight M; and IVL (M) is the limiting viscosity number of a linear polymer at a molecular weight of M. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、イオン交換性基を有する重合体、高分子電解質、高分子電解質膜、高分子電解質複合膜、触媒組成物および高分子電解質型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer having an ion-exchange group, a polymer electrolyte, a polymer electrolyte membrane, a polymer electrolyte composite membrane, a catalyst composition, and a polymer electrolyte fuel cell.

近年、環境負荷の少ないエネルギー源を模索する試みが種々なされている。なかでも燃料電池、特に固体高分子電解質膜を用いる固体高分子電解質型燃料電池は、排出物質は水のみであるなどの利点から、自動車などの動力源としての応用が期待されている。   In recent years, various attempts have been made to search for an energy source having a low environmental load. Among them, fuel cells, in particular solid polymer electrolyte fuel cells using a solid polymer electrolyte membrane, are expected to be applied as power sources for automobiles and the like because of the advantage that the exhaust material is only water.

かかる固体高分子電解質型燃料電池用の高分子電解質膜として、ナフィオン(Nafion、デュポン社登録商標)に代表されるような、パーフルオロアルカン主鎖にパーフルオロアルキルスルホン酸を導入したパーフルオロアルキルスルホン酸などの高分子電解質から得られるフッ素系膜があるが、非常に高価であり、耐熱性が低いという問題が指摘されている。   As a polymer electrolyte membrane for such a solid polymer electrolyte fuel cell, a perfluoroalkyl sulfone having a perfluoroalkyl sulfonic acid introduced into a perfluoroalkane main chain, as represented by Nafion (registered trademark of DuPont), is used. There are fluorine-based membranes obtained from polymer electrolytes such as acids, but the problem is that they are very expensive and have low heat resistance.

上記高分子電解質に替わり得る安価な高分子電解質の開発が近年活発化している。なかでも耐熱性に優れフィルム強度の高い芳香族ポリエーテルにスルホン酸基を導入した高分子、すなわち側鎖にスルホン酸基を有し主鎖が、芳香環が連結された高分子である芳香族系高分子電解質が有望視されており、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン系高分子(特許文献1)や、スルホン化ポリエーテルスルホン系高分子(特許文献2、3)が提案されている。   In recent years, development of inexpensive polymer electrolytes that can replace the polymer electrolytes has been activated. Among them, a polymer obtained by introducing a sulfonic acid group into an aromatic polyether having excellent heat resistance and high film strength, that is, an aromatic polymer having a sulfonic acid group in the side chain and a main chain linked to an aromatic ring. For example, sulfonated polyetherketone polymers (Patent Document 1) and sulfonated polyethersulfone polymers (Patent Documents 2 and 3) have been proposed.

ところで、ノートパソコン、携帯電子機器などの電源に上記燃料電池を適用する試みも進められており、このような電源にはメタノールを燃料とする直接メタノール型燃料電池(以下、「DMFC」と呼ぶ)の適用が検討されている。しかしながら、該DMFCに該芳香族系高分子電解質からなる高分子電解質膜に用いると、DMFC運転時にメタノールが該高分子電解質膜を透過しやすく、このような場合、発電性能が低下してしまうといった問題が生じる。この問題の解決策として、該DMFCに適用される高分子電解質膜には、メタノール透過性が低いことが要求されている。   By the way, an attempt to apply the above fuel cell to a power source of a notebook computer, a portable electronic device, etc. is also in progress. The application of is being considered. However, if the DMFC is used for a polymer electrolyte membrane made of the aromatic polymer electrolyte, methanol easily permeates the polymer electrolyte membrane during DMFC operation, and in such a case, power generation performance decreases. Problems arise. As a solution to this problem, the polymer electrolyte membrane applied to the DMFC is required to have low methanol permeability.

メタノール透過性を下げる方法としては、一般的に高分子電解質自体のイオン交換容量を下げる方法があるが、これを行うと、同時にイオン伝導性が低い高分子電解質膜しか得られないため、やはりDMFCの発電性能を低下させる。このように、従来知られた芳香族高分子電解質から得られる膜では、発電性能に係るイオン伝導性と、低メタノール透過性とを高水準で達成することは困難であった。   As a method for lowering the methanol permeability, there is generally a method for lowering the ion exchange capacity of the polymer electrolyte itself. However, when this is done, only a polymer electrolyte membrane having low ion conductivity can be obtained at the same time. Reduce the power generation performance. As described above, it has been difficult for membranes obtained from conventionally known aromatic polymer electrolytes to achieve high levels of ionic conductivity related to power generation performance and low methanol permeability.

特表平11−502249号公報(特許請求の範囲)Japanese National Patent Publication No. 11-502249 (Claims) 特開平10−45913号公報(特許請求の範囲、段落[0010])JP 10-45913 (Claims, paragraph [0010]) 特開平10−21943号公報(特許請求の範囲)JP 10-211943 A (Claims)

本発明の目的は、DMFC用高分子電解質膜として好適な、低メタノール透過性と、イオン伝導性とを高水準で達成する高分子電解質膜に適用できる重合体を提供することにある。また本発明の目的は、該重合体を用いた高分子電解質膜およびその用途を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a polymer that is suitable as a polymer electrolyte membrane for DMFC and that can be applied to a polymer electrolyte membrane that achieves low methanol permeability and ionic conductivity at high levels. Another object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane using the polymer and its use.

本発明者らは、安価な高分子電解質を用いて上記課題を解決できる高分子電解質について鋭意検討した結果、通常、高分子電解質を構成する構成単位とメタノールの親和性に依存すると考えられていたメタノール透過性が、該高分子電解質の分子鎖をより分岐させることによっても、著しくメタノール透過性を低下できるとの新たな知見を得、かかる知見に基づいて本発明を完成するに至った。
即ち本発明は、
[1]イオン交換性基を有する重合体であって、下式に基づき求められる分岐度Bnが10以上であり、イオン交換容量が1meq/g以上である重合体
を提供するものである。

Figure 2007126645
(式中、IV(M)は該重合体の分子量Mにおける極限粘度であり、IVL(M)は分子量Mにおける直鎖状重合体の極限粘度である。) As a result of intensive studies on a polymer electrolyte that can solve the above-described problems using an inexpensive polymer electrolyte, the present inventors have generally considered that it depends on the affinity between the structural unit constituting the polymer electrolyte and methanol. The new knowledge that methanol permeability can be remarkably lowered by further branching the molecular chain of the polymer electrolyte has been obtained, and the present invention has been completed based on such knowledge.
That is, the present invention
[1] A polymer having an ion-exchange group, which has a degree of branching Bn calculated on the basis of the following formula of 10 or more and an ion-exchange capacity of 1 meq / g or more.
Figure 2007126645
(In the formula, IV (M) is an intrinsic viscosity at a molecular weight M of the polymer, and IVL (M) is an intrinsic viscosity of a linear polymer at a molecular weight M.)

さらに、本発明は上記[1]に係る好適な実施態様として、下記の[2]〜[5]を提供する。
[2]溶媒に可溶である[1]の重合体
[3]主鎖が、芳香族高分子である[1]または[2]の重合体
[4]重合体が、イオン交換性基を有するブロックとイオン交換性基を実質的に有さないブロックとを有するブロック共重合体である[1]〜[3]のいずれかの重合体
[5]イオン交換性基を有するブロックとイオン交換性基を実質的に有さないブロックとの重量組成比が、(イオン交換性基を有するブロック):(イオン交換性基を実質的に有さないブロック)で表して3:97〜70:30である[4]の重合体
Furthermore, the present invention provides the following [2] to [5] as preferred embodiments according to the above [1].
[2] Polymer [1] which is soluble in solvent [3] The main chain is an aromatic polymer [1] or [2] polymer [4] The polymer has an ion-exchange group. [5] The polymer according to any one of [1] to [3], which is a block copolymer having a block having a block and a block having substantially no ion-exchange group [5] A block having an ion-exchange group and an ion exchange The weight composition ratio of the block having substantially no functional group is represented by (block having an ion-exchange group): (block having substantially no ion-exchange group) 3:97 to 70: 30. The polymer of [4]

さらに、本発明は上記いずれかの重合体を用いてなる、下記の[6]〜[11]を提供する。
[6][1]〜[5]のいずれかの重合体からなる高分子電解質
[7][6]の高分子電解質を用いてなる高分子電解質膜
[8][6]の高分子電解質を用いて溶液キャスト法にて得られる高分子電解質膜
[9][6]の高分子電解質と多孔質基材とを用いてなる高分子電解質複合膜
[10][6]の高分子電解質および触媒を含有する触媒組成物
[11][6]の高分子電解質を用いてなる高分子電解質型燃料電池
Furthermore, the present invention provides the following [6] to [11] using any of the above polymers.
[6] A polymer electrolyte of a polymer electrolyte membrane [8] [6] comprising a polymer electrolyte [7] [6] comprising a polymer of any one of [1] to [5] Polymer electrolyte and catalyst of polymer electrolyte composite membrane [10] [6] using polymer electrolyte of polymer electrolyte membrane [9] [6] obtained by solution casting method and porous substrate Polymer electrolyte fuel cell comprising a polymer electrolyte of a catalyst composition [11] [6] containing

本発明によれば、高イオン伝導性を維持したまま、低メタノール透過性に優れ、DMFC用高分子電解質膜として好適な重合体を容易に得ることができる。また、該重合体を用いると、発電性能に優れたDMFCを得ることができる。   According to the present invention, it is possible to easily obtain a polymer excellent in low methanol permeability while maintaining high ion conductivity and suitable as a polymer electrolyte membrane for DMFC. Moreover, when this polymer is used, DMFC excellent in power generation performance can be obtained.

本発明の重合体が有するイオン交換性基としては、特に限定されるものではなく、例えば、−SO3H、−COOH、-PO(OH)2、-SO2NHSO2-、-Ph(OH)(Phはフェニレン基を表す)などの陽イオン交換性基、-NH2、-NHR、-NRR'、-NRR'R"+、-NH3 +(R、R'、およびR"はそれぞれ独立にアルキル基、シクロアルキル基、またはアリール基を表す)などの陰イオン交換性基などが挙げられる。中でも、陽イオン交換性基が好ましく、とりわけ−SO3H(スルホン酸基)が好ましい。これらの基は、その一部または全部が対イオンとの塩を形成していてもよいが、燃料電池のイオン伝導膜として使用する際には、実質的に、このような塩形成がなされていないイオン交換性基が好ましい。 The ion-exchange groups which polymer has the present invention, is not particularly limited, for example, -SO 3 H, -COOH, -PO (OH) 2, -SO 2 NHSO 2 -, - Ph (OH ) (Ph represents a phenylene group) and other cation exchange groups, -NH 2 , -NHR, -NRR ', -NRR'R " + , -NH 3 + (R, R', and R" are respectively Anion exchange groups such as independently representing an alkyl group, a cycloalkyl group, or an aryl group). Among them, a cation exchange group is preferable, and —SO 3 H (sulfonic acid group) is particularly preferable. Some or all of these groups may form a salt with a counter ion, but when used as an ion conductive membrane of a fuel cell, such a salt is substantially formed. No ion exchange groups are preferred.

本発明の重合体は、上記イオン交換性基を有する繰り返し単位を有し、且つ上記式に基づき求められる分岐度Bnが10以上となる櫛型分岐高分子またはランダム型分岐高分子である。ここで、Bnとは、高分子における長鎖分岐度を示す公知の指標であり、重合体が線状(分岐を有さない)であればBnは0であり、重合体が長鎖分岐鎖を持っているとBnは正の値となり、Bnが高くなるにつれ、高分子鎖1つ当たりにある分岐点、すなわち分岐鎖が多くなることを意味する。本発明者らは、Bnが高い分岐高分子を得ると、該分岐高分子は、イオン伝導性と低メタノール透過性とを高水準で達成できることを見出し、かかるBnが10を下回ると、メタノール透過性が上昇してDMFCに適用することが困難であることを見出した。Bnは、好ましくは15以上であり、より好ましくは20以上である。このようにBnが高いほど、低メタノール透過性となりえるが、本発明の重合体を燃料電池用イオン伝導膜に適用する上で、溶液キャスト法で膜の形態へと成形できることが好ましく、Bnが大きすぎると溶媒への溶解性が低下し、製膜加工性やリサイクル性に劣る場合がある。該Bnは通常は250以下であり、好ましくは150以下、より好ましくは100以下である。なお、上記溶液キャスト法に関する詳細は後述する。   The polymer of the present invention is a comb-type branched polymer or a random-type branched polymer having a repeating unit having the ion-exchange group and having a degree of branching Bn calculated on the basis of the above formula of 10 or more. Here, Bn is a known index indicating the degree of long-chain branching in a polymer. If the polymer is linear (does not have branching), Bn is 0, and the polymer is long-chain branching. Bn has a positive value, and as Bn increases, it means that there are more branch points per polymer chain, that is, more branch chains. The inventors have found that when a branched polymer having a high Bn is obtained, the branched polymer can achieve ion conductivity and low methanol permeability at a high level. It has been found that it is difficult to apply to DMFC due to the increase in properties. Bn is preferably 15 or more, more preferably 20 or more. Thus, the higher the Bn, the lower the methanol permeability. However, when the polymer of the present invention is applied to an ion conductive membrane for a fuel cell, it is preferable that it can be formed into a membrane by a solution casting method. If it is too large, the solubility in a solvent will be reduced, and film forming processability and recyclability may be inferior. The Bn is usually 250 or less, preferably 150 or less, more preferably 100 or less. Details of the solution casting method will be described later.

分岐度Bnは、示差屈折率計および粘度検出器に加えて、90°光散乱検出器を使用したゲル・パーミエーション・クロマトグラフィー(GPC)−トリプル検出器法を使用して求めることができる。詳細はCarbohydrate Polymers、第45巻、293-303頁(2001年)に記載されている。最近では、装置に付属のコンピュータソフトウェアにより、容易に分岐度Bnを求めることができる。
本発明において、かかるコンピュータソフトウェアを用いて分岐度Bnを算出するにあたっては、下式に基づいて求めるものとする。

Figure 2007126645
ここで、IV(M)は対象とする重合体の分子量Mにおける極限粘度であり、IVL(M)は分子量Mにおける直鎖状重合体の極限粘度である。なお、lnは自然対数を表す。 The degree of branching Bn can be determined using a gel permeation chromatography (GPC) -triple detector method using a 90 ° light scattering detector in addition to a differential refractometer and a viscosity detector. Details are described in Carbohydrate Polymers, Vol. 45, pages 293-303 (2001). Recently, the branching degree Bn can be easily obtained by computer software attached to the apparatus.
In the present invention, when the branching degree Bn is calculated using such computer software, it is obtained based on the following equation.
Figure 2007126645
Here, IV (M) is the intrinsic viscosity at the molecular weight M of the polymer of interest, and IVL (M) is the intrinsic viscosity of the linear polymer at the molecular weight M. Note that ln represents a natural logarithm.

本発明の重合体のようなイオン交換容量の高い重合体のGPC測定においては、イオン結合性の高い重合体のGPC測定において多用されている手法を用いる。例えば、カラムは試料がカラムの排除限界を超えず、さらには試料を吸着または反発しないカラムを使用する。移動相には、必要に応じて臭化リチウムなどの塩を溶解させて、分子量の大きい順に溶出する条件を使用する。
蛍光材料など光散乱検出器を使用できない場合においては、示差屈折率計および粘度検出器を備えたGPCを用いて、粘度―GPC法によりBnを算出してもよい。詳細は日本ゴム協会誌、第45巻、第2号、105〜118頁(1972年)に記載されている。
このように、本発明の重合体のBnを求めるには、上記のような装置を備えた市販のGPCを用いれば、容易に実施可能である。
In the GPC measurement of a polymer having a high ion exchange capacity such as the polymer of the present invention, a technique frequently used in the GPC measurement of a polymer having a high ion binding property is used. For example, the column uses a column in which the sample does not exceed the exclusion limit of the column and does not adsorb or repel the sample. The mobile phase is used under conditions where a salt such as lithium bromide is dissolved if necessary and eluted in descending order of molecular weight.
When a light scattering detector such as a fluorescent material cannot be used, Bn may be calculated by the viscosity-GPC method using GPC equipped with a differential refractometer and a viscosity detector. Details are described in Journal of the Japan Rubber Association, Vol. 45, No. 2, pp. 105-118 (1972).
As described above, the Bn of the polymer of the present invention can be easily obtained by using a commercially available GPC equipped with the above-described apparatus.

本発明の重合体においては、それを構成する分子鎖が、脂肪族高分子、芳香族高分子、脂肪族鎖と芳香族鎖を併せ持つ高分子のいずれでもよいが、燃料電池用高分子電解質膜として用いる場合、実用的な耐熱性を得る観点からは、少なくとも分岐高分子鎖の中で、最長の分子鎖を当該分岐高分子の主鎖としたとき、主鎖を形成する分子鎖としては、芳香環が直接連結しているか、原子あるいは原子団を連結基として連結された芳香族高分子が好ましく、上記イオン交換性基を有する繰り返し単位としては、芳香環を有するものが好ましい。   In the polymer of the present invention, the molecular chain constituting the polymer may be any of an aliphatic polymer, an aromatic polymer, and a polymer having both an aliphatic chain and an aromatic chain. When used as, from the viewpoint of obtaining practical heat resistance, at least among the branched polymer chains, when the longest molecular chain is the main chain of the branched polymer, as the molecular chain forming the main chain, An aromatic polymer in which the aromatic rings are directly connected or connected with atoms or atomic groups as a connecting group is preferred, and the repeating unit having an ion-exchange group is preferably one having an aromatic ring.

具体的に、上記イオン交換性基を有する繰り返し単位を例示すると、下記(1)を挙げることができる。なお、例示する繰り返し単位にあるイオン交換性基は、上記の好ましいイオン交換性基であるスルホン酸基が対イオンと塩を形成していない、いわゆる遊離酸の形態である繰り返し単位を挙げるが、このスルホン酸基が、ホスホン酸基、カルボン酸基など他のイオン交換性基に置き換わった繰り返し単位でもよく、該他のイオン交換性基が対イオンとともに塩を形成していてもよい。
(1)イオン交換性基を有する繰り返し単位:

Figure 2007126645
Specific examples of the repeating unit having an ion exchange group include the following (1). In addition, the ion-exchange group in the exemplified repeating unit includes a repeating unit in the form of a so-called free acid in which the sulfonic acid group, which is the preferred ion-exchange group, does not form a salt with a counter ion, The sulfonic acid group may be a repeating unit in which another ion exchange group such as a phosphonic acid group or a carboxylic acid group is substituted, and the other ion exchange group may form a salt with a counter ion.
(1) Repeating unit having an ion-exchange group:
Figure 2007126645

Figure 2007126645
Figure 2007126645

また、本発明の重合体は、上記に例示したイオン交換性基を有する繰り返し単位に加え、イオン交換性基を有さない繰り返し単位をともに有する共重合体であると、かかる高分子電解質から得られる高分子電解質膜が、より機械強度に優れるため好ましく、以下の(2)にイオン交換性基を有さない繰り返し単位を例示する。
(2)イオン交換性基を実質的に有さないモノマーに基づく繰り返し単位:

Figure 2007126645
Further, the polymer of the present invention is obtained from such a polymer electrolyte as a copolymer having both a repeating unit having an ion-exchange group exemplified above and a repeating unit having no ion-exchange group. The polymer electrolyte membrane to be obtained is preferable because it is more excellent in mechanical strength, and the following (2) illustrates a repeating unit having no ion-exchange group.
(2) Repeating units based on monomers substantially having no ion-exchange groups:

Figure 2007126645

本発明に重合体にある主鎖および/または該主鎖から分岐された分岐鎖を構成する繰り返し単位はそれぞれ上記に例示したイオン交換性基を有する繰り返し単位(以下、「繰り返し単位1」と呼ぶ)と、イオン交換性基を有さない繰り返し単位(以下、「繰り返し単位2」と呼ぶ)から形成されると好ましく、それぞれの共重合様式はランダム共重合、交互共重合あるいは繰り返し単位1が連結してなるブロックと繰り返し単位2が連結してなるブロックとをともに有するブロック共重合のいずれでもよく、繰り返し単位1が連結してなる主鎖(または分岐鎖)と繰り返し単位2が連結してなる分岐鎖(または主鎖)からなる共重合様式でもよい。   In the present invention, the repeating unit constituting the main chain and / or the branched chain branched from the main chain in the polymer is a repeating unit having an ion-exchange group exemplified above (hereinafter referred to as “repeating unit 1”). ) And a repeating unit having no ion-exchange group (hereinafter referred to as “repeating unit 2”), and each copolymerization mode is random copolymerization, alternating copolymerization, or repeating unit 1 is linked. Any block copolymer having both a block formed by repeating unit 2 and a block formed by connecting repeating unit 2 may be used, and a main chain (or branched chain) formed by connecting repeating unit 1 and repeating unit 2 may be connected. A copolymerization mode consisting of a branched chain (or main chain) may also be used.

ここで、本発明の重合体を得る製造方法について、好適な繰り返し単位として例示した上記の繰り返し単位1、繰り返し単位2を有する分岐高分子の製造方法を典型的な例として説明する。
上記の繰り返し単位1、繰り返し単位2は、エーテル結合を介して、すなわち酸素原子を連結基として有する2価の基であり、通常エーテル結合を介して芳香環同士を連結する際には、ハロゲン原子、メシル基またはトシル基で表される脱離基と、フェノール性水酸基または該フェノール性水酸基がアルカリ金属イオンなどで塩を形成した金属フェノラート基で表される求核基とが、縮合してエーテル結合を形成する反応を単位反応とすることで、重合を進行させることができる。具体的に、この反応の一例を下記に示す。

Figure 2007126645
このように、2つの脱離基(塩素原子)を有するモノマーと、2つの求核基(フェノール性水酸基)を有するモノマーとを縮合させることで、エーテル基を有する繰り返し単位からなる線状高分子(重合度j)が得られる。
分岐高分子を得るためには、繰り返し単位1および繰り返し単位2を誘導しうる、2つの反応基(脱離基または求核基)を有するモノマーに加え、該反応基を分子内に3つ以上有するモノマー(以下、「多官能性モノマー」と呼ぶ)を用いることにより、分岐高分子を得ることができる。 Here, as a typical example of the production method for obtaining the polymer of the present invention, the production method of the branched polymer having the above repeating unit 1 and repeating unit 2 exemplified as suitable repeating units will be described.
The above repeating unit 1 and repeating unit 2 are divalent groups having an oxygen atom as a linking group via an ether bond, and usually a halogen atom when linking aromatic rings via an ether bond. A leaving group represented by a mesyl group or a tosyl group and a nucleophilic group represented by a phenolic hydroxyl group or a metal phenolate group in which the phenolic hydroxyl group forms a salt with an alkali metal ion or the like to form an ether The polymerization can be advanced by making the reaction for forming a bond a unit reaction. Specifically, an example of this reaction is shown below.
Figure 2007126645
Thus, a linear polymer comprising a repeating unit having an ether group by condensing a monomer having two leaving groups (chlorine atoms) and a monomer having two nucleophilic groups (phenolic hydroxyl groups). (Polymerization degree j) is obtained.
In order to obtain a branched polymer, in addition to a monomer having two reactive groups (leaving group or nucleophilic group) capable of deriving the repeating unit 1 and the repeating unit 2, three or more reactive groups are present in the molecule. A branched polymer can be obtained by using a monomer having the same (hereinafter referred to as “polyfunctional monomer”).

上記多官能性モノマーである、分子内に脱離基を3つ以上有する化合物としては、ヘキサフルオロベンゼン、デカフルオロビフェニルが挙げられ、分子内に求核基を3つ以上有する化合物としては、フロログルシノール、4,4’,4''−トリヒドロキシトリフェニルメタンが挙げられる。   Examples of the compound having three or more leaving groups in the molecule that are the above polyfunctional monomers include hexafluorobenzene and decafluorobiphenyl, and examples of the compound having three or more nucleophilic groups in the molecule include Loglucinol, 4,4 ′, 4 ″ -trihydroxytriphenylmethane.

また、予め主鎖を構成する線状高分子を、2つの脱離基を有するモノマーと2つの求核基を有するモノマーとで製造しておき、得られた線状高分子にある芳香環に脱離基あるいは求核基を導入することで、新たに反応基を側鎖に有する線状高分子とし、かかる側鎖の反応基に新たにモノマーを反応させることによっても、分岐高分子を得ることができる。   In addition, a linear polymer constituting the main chain is prepared in advance with a monomer having two leaving groups and a monomer having two nucleophilic groups, and the resulting aromatic polymer in the linear polymer By introducing a leaving group or a nucleophilic group, a linear polymer having a reactive group in the side chain is newly obtained, and a branched polymer is also obtained by reacting a monomer with the reactive group in the side chain. be able to.

さらには上記と同様にして線状高分子を得た後、該線状高分子に電子線、放射線などの高エネルギー線を照射することで、線状高分子を再配列反応させるか、該高エネルギー線の照射で上記線状高分子鎖にラジカルを発生させ、かかるラジカルを反応基点とすることでも分岐高分子を得ることができる。   Further, after obtaining a linear polymer in the same manner as described above, the linear polymer is irradiated with a high energy beam such as an electron beam or radiation to cause the linear polymer to undergo a rearrangement reaction or the high molecular beam. A branched polymer can also be obtained by generating radicals in the linear polymer chain by irradiation with energy rays and using these radicals as reaction base points.

工業的に煩雑な設備を必要としない利点からは、上記多官能性モノマーを用いた分岐高分子の製造方法が好ましく、より製造を簡便にする観点からは、繰り返し単位1および/または繰り返し単位2を連結してなる線状高分子を予め製造し、該線状高分子の少なくとも片末端、好ましくは両末端に上記多官能性モノマーを結合させることで、末端に、3つ以上の反応基点を有する分岐高分子前駆体を得、該分岐高分子前駆体と分岐鎖を誘導するモノマーを反応させるか、該分岐高分子前駆体を2種以上製造しておき、これら複数種の分岐高分子前駆体同士を互いに結合させることでも分岐高分子を製造することができる。
より好適には、繰り返し単位2(または繰り返し単位1)が主として連結してなる分岐高分子前駆体を得、該分岐高分子前駆体の末端に多官能性モノマーを結合させた後、かかる分岐高分子前駆体と、繰り返し単位1(または繰り返し単位2)を誘導するモノマーを主として含むモノマーとを重合させると、得られる分岐高分子は、繰り返し単位1を主として有するイオン交換性基を有するブロックと、繰り返し単位2を主として有するイオン交換性基を実質的に有さないブロックとを有するブロック重合体となり、該ブロック共重合体は、高水準の低メタノール透過性とイオン伝導性とを有し、さらに機械強度や耐熱性に優れた高分子電解質となる。
なお、上記イオン交換性基を有するブロックとは、該ブロックを構成する繰り返し単位1個当たりの平均イオン交換性基数で表して、0.5個以上有するブロックを意味し、1個以上有するブロックが好ましい。一方、上記イオン交換性基を実質的に有さないブロックとは、該ブロックを構成する繰り返し単位1個当たりの平均イオン交換性基数で表して、0.1個以下であるブロックを意味し、0.05個以下のブロックがさらに好ましい。
From the viewpoint of not requiring industrially complicated equipment, a method for producing a branched polymer using the above polyfunctional monomer is preferred. From the viewpoint of simplifying the production, repeating unit 1 and / or repeating unit 2 are preferred. Are prepared in advance, and the polyfunctional monomer is bonded to at least one end, preferably both ends of the linear polymer, so that three or more reactive base points are formed at the ends. The branched polymer precursor is obtained, and the branched polymer precursor is reacted with a monomer that induces a branched chain, or two or more kinds of the branched polymer precursors are produced, and the plurality of types of branched polymer precursors are prepared. A branched polymer can also be produced by bonding bodies together.
More preferably, a branched polymer precursor mainly composed of repeating units 2 (or repeating units 1) is obtained, and after a multifunctional monomer is bonded to the terminal of the branched polymer precursor, such a branched polymer precursor is obtained. When polymerizing a molecular precursor and a monomer mainly containing a monomer that induces repeating unit 1 (or repeating unit 2), the resulting branched polymer has a block having an ion-exchange group mainly having repeating unit 1. A block polymer having a block mainly having an ion-exchange group mainly having the repeating unit 2, the block copolymer having a high level of low methanol permeability and ion conductivity, and The polymer electrolyte is excellent in mechanical strength and heat resistance.
In addition, the block having the ion exchange group means a block having 0.5 or more expressed by the average number of ion exchange groups per repeating unit constituting the block, and the block having one or more blocks. preferable. On the other hand, the block having substantially no ion-exchange group means a block having an average number of ion-exchange groups per repeating unit constituting the block of 0.1 or less, More preferred is a block of 0.05 or less.

上記分岐高分子前駆体を得るには公知の反応が適用される。具体的には、上記の特許文献1〜3に記載された方法を用いることができる。なお、2つの脱離基を有するモノマーと2つの求核基を有するモノマーから線状高分子を得る際、脱離基の当量数と求核基の当量数のうち、どちらかを過剰にすることにより、得られる分岐高分子前駆体の末端に残存する反応基の種類は制御できるので、所望の反応基を末端に有するものを容易に得ることができる。次いで、該末端の反応基に多官能性モノマーを反応させて、末端に3つ以上の反応基を有する分岐高分子前駆体を得、該分岐高分子前駆体の末端にある反応基を反応基点として、他のモノマーあるいは他の分岐高分子前駆体とを反応溶媒の存在下で反応させ、所定時間おきに反応溶液をサンプリングして、上記に説明したGPCによる分析からBnを求め、Bnが10以上の所望の分岐高分子が得られた段階で反応を終了させる。好ましい繰り返し単位として例示した繰り返し単位1と繰り返し単位2とからなる分岐高分子である場合、使用するモノマーにある反応基(脱離基、求核基)の種類によって反応条件は適宜最適化できるが、通常80〜180℃、好ましくは100〜150℃の反応温度であり、反応時間としては10時間以上が採用される。また、求核基であるフェノール性水酸基の反応性を向上させるため、炭酸カリウムなどのアルカリを脱酸剤として使用することが好ましく、副生する水分を共沸脱水などで除去することが好ましい。より高いBnを得るためには、反応温度をより高温にして長時間反応させるとよい。なお、Bnが高くなると、副反応として架橋反応が生じる場合もあるが、このように架橋反応が生じた高分子はゲルと呼ばれる、溶媒に対する溶解性が著しく低下した高分子となるので、公知の固液分離を用いれば、容易に除去できる。   A known reaction is applied to obtain the branched polymer precursor. Specifically, the methods described in the above Patent Documents 1 to 3 can be used. When obtaining a linear polymer from a monomer having two leaving groups and a monomer having two nucleophilic groups, either the number of equivalents of the leaving group or the number of equivalents of the nucleophilic group is excessive. By this, since the kind of the reactive group remaining at the terminal of the obtained branched polymer precursor can be controlled, it is possible to easily obtain the terminal having a desired reactive group at the terminal. Next, the reactive group at the terminal is reacted with a polyfunctional monomer to obtain a branched polymer precursor having three or more reactive groups at the terminal, and the reactive group at the terminal of the branched polymer precursor is set as the reactive base point. As described above, another monomer or another branched polymer precursor is reacted in the presence of a reaction solvent, the reaction solution is sampled every predetermined time, and Bn is obtained from the analysis by GPC described above. The reaction is terminated when the desired branched polymer is obtained. In the case of a branched polymer composed of the repeating unit 1 and the repeating unit 2 exemplified as preferred repeating units, the reaction conditions can be appropriately optimized depending on the type of reactive group (leaving group, nucleophilic group) in the monomer used. The reaction temperature is usually 80 to 180 ° C., preferably 100 to 150 ° C., and the reaction time is 10 hours or more. In order to improve the reactivity of the phenolic hydroxyl group that is a nucleophilic group, it is preferable to use an alkali such as potassium carbonate as a deoxidizing agent, and it is preferable to remove by-product water by azeotropic dehydration or the like. In order to obtain higher Bn, the reaction temperature is preferably set to a higher temperature for a long time. In addition, when Bn becomes high, a cross-linking reaction may occur as a side reaction, but the polymer in which such a cross-linking reaction has occurred is a polymer called a gel, which has a significantly reduced solubility in a solvent. If solid-liquid separation is used, it can be easily removed.

さらに、本発明の重合体は、そのイオン交換容量が1meq/g以上の重合体である。該イオン交換容量が小さい場合は、燃料電池用イオン伝導膜として用いた場合、イオン伝導性が低くなるので好ましくない。該イオン交換容量として好ましくは1.5meq/g以上であり、より好ましくは1.6meq/g以上である。該イオン交換容量が大きすぎると、耐水性が不良になる傾向があり、該イオン交換容量は好ましくは4meq/g以下であり、より好ましくは3meq/g以下である。
イオン交換容量は重合体単位重量あたりのイオン交換性基の当量数であり、重合体に導入するイオン交換性基の量をコントロールすることにより、イオン交換容量は制御することができる。具体的には、イオン交換性基を有する繰り返し単位とイオン交換性基を有さない繰り返し単位の共重合比を、それぞれの繰り返し単位を誘導するモノマーの量から制御すればよい。本発明の重合体が、好適な共重合様式として説明したブロック共重合である場合、イオン交換性基を有するブロックと、イオン交換性基を実質的に有さないブロックとの共重合比率によっても制御することができる。
該ブロック共重合体は、イオン交換性基を有するブロックとイオン交換性基を実質的に有さないブロックとの重量組成比を(イオン交換性基を有するブロック):(イオン交換性基を実質的に有さないブロック)で表すと、3:97〜70:30であることが好ましく、5:95〜60:40がより好ましく、10:90〜50:50が更に好ましく、20:80〜40:60が特に好ましい。該重量組成比がこの範囲において、高度のイオン伝導性を維持したまま、耐水性をより良好にすることができる。
Furthermore, the polymer of the present invention is a polymer having an ion exchange capacity of 1 meq / g or more. When the ion exchange capacity is small, it is not preferable because the ion conductivity is lowered when used as an ion conductive membrane for a fuel cell. The ion exchange capacity is preferably 1.5 meq / g or more, more preferably 1.6 meq / g or more. If the ion exchange capacity is too large, the water resistance tends to be poor, and the ion exchange capacity is preferably 4 meq / g or less, more preferably 3 meq / g or less.
The ion exchange capacity is the equivalent number of ion exchange groups per unit weight of the polymer, and the ion exchange capacity can be controlled by controlling the amount of ion exchange groups introduced into the polymer. Specifically, the copolymerization ratio between the repeating unit having an ion-exchange group and the repeating unit having no ion-exchange group may be controlled from the amount of the monomer that derives each repeating unit. When the polymer of the present invention is a block copolymer described as a preferred copolymerization mode, also depending on a copolymerization ratio of a block having an ion-exchange group and a block having substantially no ion-exchange group. Can be controlled.
The block copolymer has a weight composition ratio of a block having an ion-exchange group and a block having substantially no ion-exchange group (a block having an ion-exchange group): (substantially containing an ion-exchange group) It is preferably from 3:97 to 70:30, more preferably from 5:95 to 60:40, still more preferably from 10:90 to 50:50, and from 20:80 to 40:60 is particularly preferred. When the weight composition ratio is within this range, the water resistance can be improved while maintaining a high level of ionic conductivity.

上記に例示した繰り返し単位1と繰り返し単位2の組合わせの中でも、より好ましいブロック共重合体としては、具体的には各ブロックを構成する繰り返し単位の組合せが以下の(I)〜(IV)のいずれかのものがより好ましい。

Figure 2007126645
Among the combinations of the repeating unit 1 and the repeating unit 2 exemplified above, as a more preferable block copolymer, specifically, combinations of repeating units constituting each block are the following (I) to (IV): Any one is more preferable.
Figure 2007126645

Figure 2007126645
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Figure 2007126645
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Figure 2007126645
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本発明の重合体は、上記のとおり、GPC分析に適用できる程度の溶媒溶解性を有するものであるが、1重量%の濃度で溶媒に可溶であることが好ましい。該溶媒としては、有機溶媒や水など特に限定されるものではない。さらに、単一溶媒である必要はなく、2種以上の混合溶媒に可溶な場合でもよい。なお、可溶であるとは、溶媒に該重合体を1重量%溶解させた場合に、1μmのフィルターにてろ過した時の残渣が、溶媒と混合した該重合体の総重量に対して通常10重量%以下であることを意味する。好ましくは該残渣が8重量%以下であり、5重量%以下であると特に好ましい。このような溶媒溶解性を有する重合体は、一旦膜の形態とした重合体を再度リサイクルできるという利点がある。また、該重合体は、1重量%以上で溶媒に可溶であると好ましいが、2〜30重量%程度の濃度で溶媒に可溶であると、後述する溶液キャスト法に適用する場合、その成膜加工性に優れるという利点もある。   As described above, the polymer of the present invention has solvent solubility enough to be applied to GPC analysis, but is preferably soluble in a solvent at a concentration of 1% by weight. The solvent is not particularly limited, such as an organic solvent or water. Furthermore, it is not necessary to be a single solvent, and it may be soluble in two or more mixed solvents. The term “soluble” means that when 1% by weight of the polymer is dissolved in a solvent, the residue when filtered through a 1 μm filter is usually based on the total weight of the polymer mixed with the solvent. It means 10% by weight or less. The residue is preferably 8% by weight or less and particularly preferably 5% by weight or less. Such a solvent-soluble polymer has an advantage that the polymer once in the form of a film can be recycled again. In addition, the polymer is preferably 1% by weight or more and soluble in a solvent. However, when the polymer is soluble in a solvent at a concentration of about 2 to 30% by weight, There is also an advantage that the film forming processability is excellent.

本発明の重合体の平均分子量としては、ポリスチレン換算の数平均分子量で表して5,000〜1,000,000が好ましく、中でも10,000〜500,000のものが好ましく、とりわけ15,000〜300,000のものが特に好ましい。
また、本発明の重合体がブロック共重合体である場合のイオン交換性基を有するブロックの平均分子量としては、ポリスチレン換算の数平均分子量で表して2,000〜200,000が好ましく、中でも4,000〜100,000が特に好ましく、イオン交換性基を実質的に有さないブロックの平均分子量としては、ポリスチレン換算の数平均分子量で表して5,000〜400,000が好ましく、中でも10,000〜200,000が特に好ましい。かかるブロックごとの分子量の特定は、NMRなどで特定したブロック組成比と重合体全体の分子量とから求めたり、各ブロックを段階的重合により調製する、即ち上記分岐高分子前駆体を用いて、ブロック共重合体を得る場合には、各ブロックを誘導する前駆体の分子量を測定して差分処理して各ブロックごとの分子量を求めてもよい。
The average molecular weight of the polymer of the present invention is preferably 5,000 to 1,000,000, more preferably 10,000 to 500,000, especially 15,000 to the number average molecular weight in terms of polystyrene. 300,000 is particularly preferred.
Further, the average molecular weight of the block having an ion-exchange group when the polymer of the present invention is a block copolymer is preferably 2,000 to 200,000 in terms of polystyrene-equivalent number average molecular weight. The average molecular weight of the block having substantially no ion-exchange group is preferably 5,000 to 400,000 in terms of polystyrene-equivalent number average molecular weight. 000 to 200,000 is particularly preferred. The molecular weight for each block is determined from the block composition ratio specified by NMR or the like and the molecular weight of the entire polymer, or each block is prepared by stepwise polymerization, that is, using the branched polymer precursor, When obtaining a copolymer, the molecular weight of each block may be determined by measuring the molecular weight of the precursor that induces each block and performing differential processing.

なお、本発明の重合体において、上記の好適な繰り返し単位である繰り返し単位1と繰り返し単位2を有する共重合体について説明したが、脱離基や求核基の種類を変更することで、酸素原子以外の原子または原子団で芳香環が連結されてなる、種々の諸元の異なる重合体の場合も容易に実施可能である。   In the polymer of the present invention, the copolymer having the repeating unit 1 and the repeating unit 2 which are the above preferred repeating units has been described. However, by changing the type of the leaving group or nucleophilic group, oxygen The present invention can also be easily carried out in the case of polymers having various specifications in which aromatic rings are connected by atoms or atomic groups other than atoms.

次に、本発明の重合体に係る用途、特に燃料電池に適用することについて説明する。
燃料電池の高分子電解質膜は通常、燃料電池セル・スタック内でセパレータやガスケット、ガス拡散層などに挟持され、かつ高い面圧がかけられて用いられる。このような条件下で吸水率の高い膜を使用すると、膨潤が激しくて面圧に耐えられず、変形やブリードを起こしたり、一部溶け出したりする恐れがある。そこで、高分子電解質膜は吸水率が高すぎないほうがよい。本発明の重合体は耐水性に優れた高分子電解質膜に転化できるので、この用途にも好適に用いることができる。
Next, the use according to the polymer of the present invention, particularly application to a fuel cell will be described.
A polymer electrolyte membrane of a fuel cell is usually used by being sandwiched between a separator, a gasket, a gas diffusion layer, and the like in a fuel cell stack and applied with a high surface pressure. If a film having a high water absorption rate is used under such conditions, the film may swell so much that it cannot withstand the surface pressure, causing deformation, bleeding, or partial dissolution. Therefore, it is better that the polymer electrolyte membrane does not have a too high water absorption rate. Since the polymer of the present invention can be converted into a polymer electrolyte membrane having excellent water resistance, it can be suitably used for this purpose.

なお、本発明の重合体は低メタノール透過性に優れるので、メタノールを燃料として直接供給するDMFCに特に好適であるが、水素ガスを燃料とした固体高分子型燃料電池に適用することもできる。   Since the polymer of the present invention is excellent in low methanol permeability, it is particularly suitable for a DMFC that directly supplies methanol as a fuel, but can also be applied to a solid polymer fuel cell using hydrogen gas as a fuel.

かかる高分子電解質膜として用いる場合、本発明の重合体は通常、フィルムの形態で使用される。フィルムへ転化する方法に特に制限はないが、溶液状態より製膜する方法(溶液キャスト法)が好ましく使用される。
具体的には、該重合体を適当な溶媒に溶解し、その溶液をガラス板上などに流延塗布し、溶媒を除去することにより成膜される。製膜に用いる溶媒は、重合体を溶解可能であり、その後に除去し得るものであるならば特に制限はなく、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)などの非プロトン性極性溶媒;ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼンなどの塩素化溶媒;メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテルなどのアルキレングリコールモノアルキルエーテルが好適に用いられる。これらは単独で用いることもできるが、必要に応じて2種以上の溶媒を混合して用いることもできる。環境に配慮すると非プロトン性極性溶媒、アルコールまたはアルキレングリコールモノアルキルエーテルがより好ましく用いられる。中でもN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、またはジメチルスルホキシド(DMSO)がポリマーの溶解性が高くさらに好ましい。
When used as such a polymer electrolyte membrane, the polymer of the present invention is usually used in the form of a film. Although there is no restriction | limiting in particular in the method to convert into a film, The method (solution casting method) which forms into a film from a solution state is used preferably.
Specifically, the polymer is formed by dissolving the polymer in a suitable solvent, casting the solution on a glass plate, and removing the solvent. The solvent used for film formation is not particularly limited as long as it can dissolve the polymer and can be removed thereafter, and N, N-dimethylformamide (DMF), N, N-dimethylacetamide (DMAc), Aprotic polar solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and dimethyl sulfoxide (DMSO); Chlorinated solvents such as dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene and dichlorobenzene; Methanol, ethanol, propanol and the like Alcohol glycol monoalkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether are preferably used. These can be used singly, but two or more solvents can be mixed and used as necessary. Considering the environment, an aprotic polar solvent, alcohol or alkylene glycol monoalkyl ether is more preferably used. Among them, N, N-dimethylformamide (DMF), N, N-dimethylacetamide (DMAc), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), or dimethyl sulfoxide (DMSO) is more preferable because of high polymer solubility.

フィルムの厚みは、特に制限はないが10〜300μmが好ましく、20〜100μmが特に好ましい。フィルムが薄すぎると実用的な強度が十分でない場合があり、フィルムが厚すぎると膜抵抗が大きくなり電気化学デバイスの特性が低下する傾向にある。膜厚は溶液の濃度および基板上への塗布厚により制御できる。   Although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of a film, 10-300 micrometers is preferable and 20-100 micrometers is especially preferable. If the film is too thin, the practical strength may not be sufficient. If the film is too thick, the membrane resistance tends to increase and the characteristics of the electrochemical device tend to deteriorate. The film thickness can be controlled by the concentration of the solution and the coating thickness on the substrate.

またフィルムの各種物性改良を目的として、通常の高分子に使用される可塑剤、安定剤、離型剤などを用いることができる。また、同一溶剤に混合して共キャストするなどの方法により、他のポリマーを本発明の重合体と複合化することも可能である。
燃料電池用途では他に、含水量の管理を容易にするために、無機あるいは有機の微粒子を保水剤として添加することも知られている。これら公知の方法はいずれも本発明の目的に反しない限り使用できる。
また、リサイクル性を求められない場合には、フィルムの機械的強度の向上などを目的として、電子線・放射線などを照射して架橋することもできる。
For the purpose of improving various physical properties of the film, plasticizers, stabilizers, mold release agents, and the like used in ordinary polymers can be used. In addition, other polymers can be combined with the polymer of the present invention by a method such as mixing in the same solvent and co-casting.
In addition to fuel cell applications, it is also known to add inorganic or organic fine particles as a water retention agent in order to facilitate the water content control. Any of these known methods can be used as long as they are not contrary to the object of the present invention.
If recyclability is not required, crosslinking can be performed by irradiating with an electron beam or radiation for the purpose of improving the mechanical strength of the film.

また、高分子電解質膜の強度や柔軟性、耐久性の更なる向上のために、本発明の重合体を多孔質基材に含浸させ複合化することにより、複合膜として高分子電解質膜に用いることも可能である。複合化方法は公知の方法を使用し得る。多孔質基材としては上述の使用目的を満たすものであれば特に制限はなく、例えば多孔質膜、織布、不織布、フィブリルなどが挙げられ、その形状や材質によらず用いることができる。   In addition, in order to further improve the strength, flexibility and durability of the polymer electrolyte membrane, the polymer of the present invention is impregnated into a porous base material and combined to form a composite membrane for use in the polymer electrolyte membrane. It is also possible. A known method can be used as the compounding method. The porous substrate is not particularly limited as long as it satisfies the above-mentioned purpose of use, and examples thereof include porous membranes, woven fabrics, nonwoven fabrics, fibrils, and the like, which can be used regardless of their shapes and materials.

本発明の重合体を用いた高分子電解質複合膜を高分子電解質型燃料電池の隔膜として使用する場合、多孔質基材の膜厚は通常1〜100μm、好ましくは3〜30μm、さらに好ましくは、5〜20μmであり、その孔径は通常0.01〜100μm、好ましくは0.02〜10μmであり、その空隙率は通常20〜98%、好ましくは40〜95%である。
多孔質基材の膜厚が薄すぎると複合化後の強度補強の効果あるいは柔軟性や耐久性を付与するといった補強効果が不十分となる場合がある。また膜厚が厚すぎると電気抵抗が高くなり、得られた複合膜が固体高分子型燃料電池の隔膜として不十分なものとなる。孔径が小さすぎると高分子電解質の充填が困難となり、大きすぎると高分子電解質への補強効果が弱くなる。空隙率が小さすぎると固体電解質膜としての抵抗が大きくなり、大きすぎると一般に多孔質基材自体の強度が弱くなり補強効果が低減する。
耐熱性の観点や、物理的強度の補強効果を鑑みれば、多孔質基材の材質としては、脂肪族系もしくは芳香族系高分子、または含フッ素高分子が好ましい。
When the polymer electrolyte composite membrane using the polymer of the present invention is used as a diaphragm of a polymer electrolyte fuel cell, the thickness of the porous substrate is usually 1 to 100 μm, preferably 3 to 30 μm, more preferably The pore diameter is usually 0.01 to 100 μm, preferably 0.02 to 10 μm, and the porosity is usually 20 to 98%, preferably 40 to 95%.
If the film thickness of the porous substrate is too thin, the effect of reinforcing the strength after the combination or the reinforcing effect of imparting flexibility and durability may be insufficient. On the other hand, if the film thickness is too thick, the electric resistance becomes high, and the obtained composite film becomes insufficient as a diaphragm of the polymer electrolyte fuel cell. If the pore size is too small, it is difficult to fill the polymer electrolyte, and if it is too large, the reinforcing effect on the polymer electrolyte is weakened. If the porosity is too small, the resistance as a solid electrolyte membrane is increased. If it is too large, the strength of the porous substrate itself is generally weakened and the reinforcing effect is reduced.
From the viewpoint of heat resistance and the effect of reinforcing physical strength, the porous base material is preferably an aliphatic or aromatic polymer, or a fluorine-containing polymer.

このようにして得られた、高分子電解質膜および/または高分子電解質複合膜は、その両面に、触媒層、ガス拡散層を接合することにより、膜−電極接合体、膜−電極−ガス拡散層接合体を製造することができる。ガス拡散層としては公知の材料を用いることができるが、多孔質性のカーボン織布、カーボン不織布またはカーボンペーパーが、原料ガスを触媒へ効率的に輸送するため好ましい。   The polymer electrolyte membrane and / or the polymer electrolyte composite membrane thus obtained are joined to the membrane layer-electrode assembly, membrane-electrode-gas diffusion layer by joining the catalyst layer and the gas diffusion layer on both sides. A layered assembly can be produced. A known material can be used for the gas diffusion layer, but a porous carbon woven fabric, carbon non-woven fabric or carbon paper is preferable because the raw material gas is efficiently transported to the catalyst.

ここで触媒としては、水素または酸素の酸化還元反応を活性化できるものであれば特に制限はなく、公知のものを用いることができるが、燃料電池用触媒として公知のものが好ましく用いられ、白金の微粒子を用いることが特に好ましい。白金の微粒子はしばしば活性炭や黒鉛などの粒子状または繊維状のカーボンに担持されて用いられる。かかる触媒は通常、パーフルオロアルキルスルホン酸樹脂などの高分子電解質のアルコール溶液とともに混合して触媒組成物を得て、それをペースト化し、該ペーストを、ガス拡散層および/または高分子電解質膜および/または高分子電解質複合膜に塗布して乾燥させることにより触媒層を形成して、用いられる。具体的な方法としては例えば、J.Electrochem.Soc.:Electrochemical Science and Technology,1988,135(9),2209に記載されている方法などの公知の方法を用いることができる。   Here, the catalyst is not particularly limited as long as it can activate the oxidation-reduction reaction of hydrogen or oxygen, and a known catalyst can be used, but a known catalyst for a fuel cell is preferably used. It is particularly preferable to use the fine particles. Platinum fine particles are often used by being supported on particulate or fibrous carbon such as activated carbon or graphite. Such a catalyst is usually mixed with an alcohol solution of a polymer electrolyte such as a perfluoroalkyl sulfonic acid resin to obtain a catalyst composition, which is pasted into a gas diffusion layer and / or a polymer electrolyte membrane and It is used by forming a catalyst layer by applying to a polymer electrolyte composite membrane and / or drying. As a specific method, for example, J. Org. Electrochem. Soc. : Known methods such as those described in Electrochemical Science and Technology, 1988, 135 (9), 2209 can be used.

本発明の重合体は、かかる触媒組成物中の高分子電解質として使用することもでき、具体的には、前述の触媒組成物を構成する高分子電解質として例示したパーフルオロアルキルスルホン酸樹脂の代わりに本発明の重合体を用いればよい。本発明の重合体を用いて触媒組成物を得る際に用いられる溶媒としては、前述の重合体の製膜に用いる溶媒として挙げたものと同じものを挙げることができる。本発明の重合体を用いた触媒組成物を使用する場合、その燃料電池における高分子電解質膜としては、本発明の重合体を用いた膜に限定されずに公知の高分子電解質膜を用いることができる。   The polymer of the present invention can also be used as a polymer electrolyte in such a catalyst composition. Specifically, in place of the perfluoroalkyl sulfonic acid resin exemplified as the polymer electrolyte constituting the above-described catalyst composition. The polymer of the present invention may be used for the above. Examples of the solvent used in obtaining the catalyst composition using the polymer of the present invention include the same solvents as those mentioned as the solvent used for film formation of the polymer. When the catalyst composition using the polymer of the present invention is used, the polymer electrolyte membrane in the fuel cell is not limited to the membrane using the polymer of the present invention, and a known polymer electrolyte membrane is used. Can do.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these.

分子量の測定
ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により下記条件でポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)を測定した。
カラム 東ソー製 TSKgel GMHHR-M
カラム温度 40℃
移動相溶媒 DMF(LiBrを10mmol/dm3になるように添加)
溶媒流量 0.5ml/分
試料濃度 0.05%(W/V)
注入量 200μl
Measurement of molecular weight The number average molecular weight (Mn) in terms of polystyrene was measured by gel permeation chromatography (GPC) under the following conditions.
Column Tosoh TSKgel GMH HR -M
Column temperature 40 ° C
Mobile phase solvent DMF (LiBr added to 10 mmol / dm 3 )
Solvent flow rate 0.5 ml / min Sample concentration 0.05% (W / V)
Injection volume 200 μl

Bnの算出
上述のGPC測定において検出器として示差屈折率検出器以外に、粘度検出器と90°光散乱検出器を備えた検出器(Viscotek社製 Model270)を使用して、GPC-トリプル検出器法による測定を行い、その結果より、装置付属のコンピュータソフトウェアOmnisec Ver.3.1を用いて、Bnの算出を本明細書記載の式に基づいて行った。
Calculation of Bn In addition to the differential refractive index detector as a detector in the above GPC measurement, a detector (model 270 manufactured by Viscotek) equipped with a viscosity detector and a 90 ° light scattering detector is used to make a GPC-triple detector. Based on the results, Bn was calculated based on the formula described in this specification using the computer software Omnisec Ver.3.1 attached to the apparatus.

メタノール透過性試験
セルAとセルBからなるH字型隔膜セルの中央に、測定する高分子電解質膜を挟持させ、セルAに10重量%濃度のメタノール水溶液を、セルBに純水を入れ、単位時間、単位膜厚当りに透過するメタノールの量を測定し、メタノール透過係数D(cm2/s)を求めた。
A polymer electrolyte membrane to be measured is sandwiched in the center of an H-shaped diaphragm cell consisting of a methanol permeability test cell A and a cell B, a 10% by weight aqueous methanol solution is added to the cell A, and pure water is added to the cell B. The amount of methanol permeating per unit time and unit film thickness was measured, and the methanol permeation coefficient D (cm 2 / s) was determined.

イオン交換容量の測定
滴定法により求めた。
The ion exchange capacity was determined by a titration method.

プロトン伝導度の測定
温度80℃、相対湿度90%の条件で交流法で測定した。
The proton conductivity was measured by an alternating current method at a temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 90%.

吸水率の測定
測定する高分子電解質膜(約200mg)を100℃の熱水に2時間浸漬させ、その前後の重量変化より求めた。

Figure 2007126645
The polymer electrolyte membrane (about 200 mg) to be measured for water absorption was immersed in hot water at 100 ° C. for 2 hours, and was determined from the weight change before and after that.
Figure 2007126645

参考例1
ポリエーテルスルホン(フッ素末端型)の製造
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、窒素雰囲気下、スミカエクセルPES4003P(住友化学製、水酸基末端型のポリエーテルスルホン)を1000g、炭酸カリウムを7.59g、DMAcを2500ml、およびトルエンを500ml加え、160℃にて加熱撹拌して共沸脱水した。室温にて放冷後、デカフルオロビフェニル53.6gを加え80℃にて3.5時間加熱撹拌した。反応液を大量の水に滴下し、得られた沈殿物をろ過回収し、メタノール/アセトン混合溶媒で洗浄後、80℃にて乾燥して、連結剤が末端に結合した下記オリゴマー(以下P1)を得た。
Mn=3.2×104

Figure 2007126645
Reference example 1
Production of polyethersulfone (fluorine-terminated type) In a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, under a nitrogen atmosphere, 1000 g of Sumika Excel PES4003P (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., hydroxyl-terminated polyethersulfone), 7.59 g of potassium carbonate, 2,500 ml of DMAc and 500 ml of toluene were added, and azeotropic dehydration was performed by heating and stirring at 160 ° C. After allowing to cool at room temperature, 53.6 g of decafluorobiphenyl was added and the mixture was heated and stirred at 80 ° C. for 3.5 hours. The reaction solution was dropped into a large amount of water, and the resulting precipitate was collected by filtration, washed with a methanol / acetone mixed solvent, dried at 80 ° C., and the following oligomer (hereinafter referred to as P1) in which a linking agent was bonded to the terminal. Got.
Mn = 3.2 × 10 4
Figure 2007126645

実施例1
1)高分子電解質の製造
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、Ar雰囲気下、2,5−ジヒドロキシベンゼンスルホン酸カリウム130.00g、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウム278.17g、炭酸カリウム81.86gを加え、DMSO1200mLおよびトルエン240mLを添加した。その後バス温130℃でトルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水し、170℃にて4時間保温攪拌した。続いて、反応液を室温まで十分に放冷し、親水性オリゴマー溶液を得た。また、共沸蒸留装置を備えたフラスコに、Ar雰囲気下、参考例1に準拠して合成したフッ素末端型ポリエーテルスルホン(P1)420.0g、DMSO2000mLおよびトルエン250mLを加えた。その後バス温130℃でトルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水し、室温まで放冷後、前記の親水性オリゴマー溶液に加えて混合した。その後、炭酸カリウム2.32gを加え150℃まで昇温させながら合計47時間保温攪拌した。反応液を放冷した後、大量の塩酸水に滴下し、生成した沈殿物を濾過回収した。さらに洗液が中性になるまで水で濾過洗浄を繰返した後、60℃にて減圧乾燥してブロック共重合体A1を得た。該A1をDMFに1重量%溶解させたのち、1μmのフィルターにてろ過した際の残渣は、0.1重量%以下であった。
Mn=4.0×104
分岐度Bn=22.3
イオン交換容量=1.68 meq/g
イオン交換容量から、イオン交換性基を有するセグメント(親水性オリゴマーに基づくセグメント)とイオン交換性基を実質的に有さないセグメント(疎水性オリゴマーに基づくセグメント)の重量組成比は32:68と算出された。
想定されるブロック共重合体A1の構造:連結基を介して、疎水性オリゴマーと親水性オリゴマーが連結していると思われ、またBnが22.3であることから分岐を有しており、特に連結基において、4,4’−位以外の位置でも疎水性オリゴマーまたは親水性オリゴマーと連結していると思われる。

Figure 2007126645
Example 1
1) Production of polymer electrolyte In a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, 130.00 g of potassium 2,5-dihydroxybenzenesulfonate, 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonic acid in an Ar atmosphere Dipotassium (278.17 g) and potassium carbonate (81.86 g) were added, and DMSO (1200 mL) and toluene (240 mL) were added. Thereafter, toluene was distilled off by heating at a bath temperature of 130 ° C. to azeotropically dehydrate water in the system, and the mixture was stirred while keeping at 170 ° C. for 4 hours. Subsequently, the reaction solution was sufficiently cooled to room temperature to obtain a hydrophilic oligomer solution. Further, 420.0 g of fluorine-terminated polyethersulfone (P1) synthesized according to Reference Example 1, 2000 mL of DMSO, and 250 mL of toluene were added to a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus under an Ar atmosphere. Thereafter, toluene was distilled off by heating at a bath temperature of 130 ° C. to azeotropically dehydrate water in the system, allowed to cool to room temperature, and then added to the hydrophilic oligomer solution and mixed. Thereafter, 2.32 g of potassium carbonate was added, and the mixture was heated and stirred for a total of 47 hours while raising the temperature to 150 ° C. The reaction solution was allowed to cool and then added dropwise to a large amount of hydrochloric acid, and the resulting precipitate was collected by filtration. Further, filtration and washing with water was repeated until the washing solution became neutral, and then dried under reduced pressure at 60 ° C. to obtain a block copolymer A1. After 1% by weight of A1 was dissolved in DMF, the residue when filtered through a 1 μm filter was 0.1% by weight or less.
Mn = 4.0 × 10 4
Branch degree Bn = 22.3
Ion exchange capacity = 1.68 meq / g
From the ion exchange capacity, the weight composition ratio of the segment having an ion exchange group (segment based on a hydrophilic oligomer) and the segment having substantially no ion exchange group (segment based on a hydrophobic oligomer) is 32:68. Calculated.
Assumed structure of block copolymer A1: Hydrophobic oligomer and hydrophilic oligomer are considered to be linked via a linking group, and have a branch because Bn is 22.3. In particular, it seems that the linking group is linked to the hydrophobic oligomer or the hydrophilic oligomer at positions other than the 4,4′-position.
Figure 2007126645

2)高分子電解質膜の製造
得られた高分子電解質A1をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に溶かして溶液とし、バーコーターを用いて塗工し、80℃常圧で2時間乾燥した。その後、1.5mol/Lの塩酸に浸漬し、さらにイオン交換水で洗浄することによって高分子電解質膜(膜厚=34μm)を得た。得られた高分子電解質膜のメタノール透過係数およびプロトン伝導度は以下の通りであった。
メタノール透過係数= 4.0×10-7cm2/s
プロトン伝導度= 1.3×10-1S/cm
吸水率= 97%
2) Production of polymer electrolyte membrane The obtained polymer electrolyte A1 was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to form a solution, which was applied using a bar coater, and dried at 80 ° C. and normal pressure for 2 hours. . Thereafter, the polymer electrolyte membrane (film thickness = 34 μm) was obtained by immersing in 1.5 mol / L hydrochloric acid and further washing with ion exchange water. The methanol permeability coefficient and proton conductivity of the obtained polymer electrolyte membrane were as follows.
Methanol permeability coefficient = 4.0 × 10 −7 cm 2 / s
Proton conductivity = 1.3 × 10 −1 S / cm
Water absorption rate = 97%

実施例2
実施例1と同様にして、2,5−ジヒドロキシベンゼンスルホン酸カリウム140.00g、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウム300.03g、炭酸カリウム88.16gを用いて親水性オリゴマー溶液を得、フッ素末端型ポリエーテルスルホン(P1)の量を452.1gに変更して、その後、実施例1と同様に操作した。但し、150℃まで昇温させながら保温攪拌する時間を合計60時間に変更した。実施例1と同様の後処理を行い、520gの共重合体A2を得た。該A2をDMFに1重量%溶解させたのち、1μmのフィルターにてろ過した際の残渣は、0.1%以下であった。
Mn= 4.7×104
分岐度Bn= 23.6
イオン交換容量= 1.53 meq/g
イオン交換容量から、イオン交換性基を有するセグメントとイオン交換性基を実質的に有さないセグメントの重量組成比は29:71と算出された。
実施例1と同様の方法にて高分子電解質膜(膜厚=37μm)を得た。得られた高分子電解質膜のメタノール透過係数およびプロトン伝導度は以下の通りであった。
メタノール透過係数= 4.4×10-7 cm2/s
プロトン伝導度= 8.7×10-2S/cm
吸水率= 84%
Example 2
In the same manner as in Example 1, 140.00 g of potassium 2,5-dihydroxybenzenesulfonate, 300.03 g of dipotassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonate, and 88.16 g of potassium carbonate were used. A hydrophilic oligomer solution was obtained, the amount of fluorine-terminated polyethersulfone (P1) was changed to 452.1 g, and then the same operation as in Example 1 was performed. However, the time for stirring while keeping the temperature up to 150 ° C. was changed to a total of 60 hours. The post-process similar to Example 1 was performed and the 520-g copolymer A2 was obtained. After 1% by weight of A2 was dissolved in DMF, the residue when filtered through a 1 μm filter was 0.1% or less.
Mn = 4.7 × 10 4
Branch degree Bn = 23.6
Ion exchange capacity = 1.53 meq / g
From the ion exchange capacity, the weight composition ratio of the segment having an ion exchange group and the segment having substantially no ion exchange group was calculated to be 29:71.
A polymer electrolyte membrane (film thickness = 37 μm) was obtained in the same manner as in Example 1. The methanol permeability coefficient and proton conductivity of the obtained polymer electrolyte membrane were as follows.
Methanol permeability coefficient = 4.4 × 10 −7 cm 2 / s
Proton conductivity = 8.7 × 10 −2 S / cm
Water absorption rate = 84%

比較例1
実施例1と同様にして、2,5−ジヒドロキシベンゼンスルホン酸カリウム138.34g、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウム289.88g、炭酸カリウム87.95gを用いて親水性オリゴマー溶液を得た。その中に、フッ素末端型ポリエーテルスルホン(P1)500.0gを混合し、140℃まで昇温させながら合計46時間保温攪拌した。実施例1と同様の後処理を行い、550gの共重合体B1を得た。該B1をDMFに1重量%溶解させたのち、1μmのフィルターにてろ過した際の残渣は、0.1%以下であった。
Mn= 3.2×104
分岐度Bn= 8.5
イオン交換容量= 1.50 meq/g
イオン交換容量から、イオン交換性基を有するセグメントとイオン交換性基を実質的に有さないセグメントの重量組成比は28:72と算出された。
実施例1と同様の方法にて高分子電解質膜(膜厚=49μm)を得た。得られた高分子電解質膜のメタノール透過係数は以下の通りであった。
メタノール透過係数= 8.6×10-7cm2/s
プロトン伝導度= 1.2×10-1S/cm
吸水率= 74%
Comparative Example 1
In the same manner as in Example 1, 138.34 g of potassium 2,5-dihydroxybenzenesulfonate, 289.88 g of dipotassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonate, and 87.95 g of potassium carbonate were used. A hydrophilic oligomer solution was obtained. The mixture was mixed with 500.0 g of fluorine-terminated polyethersulfone (P1) and stirred while keeping the temperature up to 140 ° C. for a total of 46 hours. The post-process similar to Example 1 was performed and the 550-g copolymer B1 was obtained. After 1% by weight of B1 was dissolved in DMF, the residue when filtered through a 1 μm filter was 0.1% or less.
Mn = 3.2 × 10 4
Branch degree Bn = 8.5
Ion exchange capacity = 1.50 meq / g
From the ion exchange capacity, the weight composition ratio of the segment having an ion exchange group and the segment having substantially no ion exchange group was calculated as 28:72.
A polymer electrolyte membrane (film thickness = 49 μm) was obtained in the same manner as in Example 1. The methanol permeability coefficient of the obtained polymer electrolyte membrane was as follows.
Methanol permeability coefficient = 8.6 × 10 −7 cm 2 / s
Proton conductivity = 1.2 × 10 −1 S / cm
Water absorption rate = 74%

比較例2
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、Ar雰囲気下、2,5−ジヒドロキシベンゼンスルホン酸カリウム40.0g、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウム94.2g、炭酸カリウム25.5gを加え、DMSO585mLおよびトルエン92mLを添加した。その後バス温140℃でトルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水し、150℃にて15時間保温攪拌した。続いて、反応液を室温まで十分に放冷し、親水性オリゴマー溶液を得た。また、共沸蒸留装置を備えたフラスコに、Ar雰囲気下、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン81.4g、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン79.4g、炭酸カリウム49.5gを加え、DMSO706mLおよびトルエン111mLを添加した。その後バス温140℃でトルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水し、150℃にて6時間保温攪拌することで、疎水性オリゴマー溶液を得た。続いて、この疎水性オリゴマー溶液を室温まで放冷した後、前記親水性オリゴマー溶液を疎水性オリゴマー溶液に加え、150℃まで昇温させながら合計24時間保温攪拌した。反応液を放冷した後、大量の塩酸水に滴下し、生成した沈殿物を濾過回収した。さらに洗液が中性になるまで水で濾過洗浄を繰返した後、60℃にて減圧乾燥して、211.6gの下記ブロック共重合体B2を得た。該B2をDMFに1重量%溶解させたのち、1μmのフィルターにてろ過した際の残渣は、0.1%以下であった。

Figure 2007126645
Mn= 4.6×104
分岐度Bn= 0.0
イオン交換容量 1.63 meq/g
イオン交換容量から、イオン交換性基を有するセグメントとイオン交換性基を実質的に有さないセグメントの重量組成比は31:69と算出された。
実施例1と同様の方法にて高分子電解質膜(膜厚=44μm)を得た。得られた高分子電解質膜のメタノール透過係数は以下の通りであった。
メタノール透過係数= 6.7×10-7cm2/s
プロトン伝導度= 1.6×10-1S/cm
吸水率= 133% Comparative Example 2
In a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, in an Ar atmosphere, 40.0 g of potassium 2,5-dihydroxybenzenesulfonate, 94.2 g of dipotassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonate, potassium carbonate 25.5 g was added and 585 mL DMSO and 92 mL toluene were added. Thereafter, toluene was distilled off by heating at a bath temperature of 140 ° C. to azeotropically dehydrate water in the system, and the mixture was stirred while keeping at 150 ° C. for 15 hours. Subsequently, the reaction solution was sufficiently cooled to room temperature to obtain a hydrophilic oligomer solution. In addition, 81.4 g of 4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 79.4 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, and 49.5 g of potassium carbonate were added to a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus under an Ar atmosphere. Toluene 111 mL was added. Thereafter, toluene was distilled off by heating at a bath temperature of 140 ° C. to azeotropically dehydrate the water in the system, and the mixture was stirred at 150 ° C. for 6 hours to obtain a hydrophobic oligomer solution. Subsequently, the hydrophobic oligomer solution was allowed to cool to room temperature, and then the hydrophilic oligomer solution was added to the hydrophobic oligomer solution and stirred while keeping the temperature up to 150 ° C. for a total of 24 hours. The reaction solution was allowed to cool and then added dropwise to a large amount of hydrochloric acid, and the resulting precipitate was collected by filtration. Further, filtration and washing were repeated with water until the washing solution became neutral, and then dried under reduced pressure at 60 ° C. to obtain 211.6 g of the following block copolymer B2. After 1% by weight of B2 was dissolved in DMF, the residue when filtered through a 1 μm filter was 0.1% or less.
Figure 2007126645
Mn = 4.6 × 10 4
Branch degree Bn = 0.0
Ion exchange capacity 1.63 meq / g
From the ion exchange capacity, the weight composition ratio of the segment having an ion exchange group and the segment having substantially no ion exchange group was calculated to be 31:69.
A polymer electrolyte membrane (film thickness = 44 μm) was obtained in the same manner as in Example 1. The methanol permeability coefficient of the obtained polymer electrolyte membrane was as follows.
Methanol permeability coefficient = 6.7 × 10 −7 cm 2 / s
Proton conductivity = 1.6 × 10 −1 S / cm
Water absorption rate = 133%

比較例3
比較例2と同様にして、2,5−ジヒドロキシベンゼンスルホン酸カリウム45.1g、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウム119.5g、炭酸カリウム28.80gを用いて親水性オリゴマー溶液を得た。また、比較例2と同様にして、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン118.0g、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン110.3g、炭酸カリウム75.0gを用いて疎水性オリゴマー溶液を得た。これらを比較例2と同様に混合した後、150℃まで昇温させながら合計17.5時間保温攪拌し、比較例2と同様の後処理にて292.0gのブロック共重合体B3を得た。該B3をDMFに1重量%溶解させたのち、1μmのフィルターにてろ過した際の残渣は、0.1%以下であった。
Mn= 4.7×104
分岐度Bn= 0.0
イオン交換容量= 1.72 meq/g
イオン交換容量から、イオン交換性基が導入されたセグメントとイオン交換性基が実質的に導入されていないセグメントの重量組成比は32:68と算出された。
実施例1と同様の方法にて高分子電解質膜(膜厚=35μm)を得た。得られた高分子電解質膜のメタノール透過係数は以下の通りであった。
メタノール透過係数= 8.7×10-7cm2/s
プロトン伝導度= 1.2×10-1S/cm
吸水率= 194%
Comparative Example 3
In the same manner as in Comparative Example 2, 45.1 g of potassium 2,5-dihydroxybenzenesulfonate, 119.5 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonate dipotassium, and 28.80 g of potassium carbonate were used. A hydrophilic oligomer solution was obtained. Further, in the same manner as in Comparative Example 2, a hydrophobic oligomer solution was obtained using 118.0 g of 4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 110.3 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, and 75.0 g of potassium carbonate. After mixing these in the same manner as in Comparative Example 2, the mixture was stirred while keeping the temperature up to 150 ° C. for a total of 17.5 hours, and 292.0 g of block copolymer B3 was obtained by the same post treatment as in Comparative Example 2. . After 1% by weight of B3 was dissolved in DMF, the residue when filtered through a 1 μm filter was 0.1% or less.
Mn = 4.7 × 10 4
Branch degree Bn = 0.0
Ion exchange capacity = 1.72 meq / g
From the ion exchange capacity, the weight composition ratio of the segment into which the ion exchange group was introduced and the segment into which the ion exchange group was not substantially introduced was calculated as 32:68.
A polymer electrolyte membrane (film thickness = 35 μm) was obtained in the same manner as in Example 1. The methanol permeability coefficient of the obtained polymer electrolyte membrane was as follows.
Methanol permeability coefficient = 8.7 × 10 −7 cm 2 / s
Proton conductivity = 1.2 × 10 −1 S / cm
Water absorption rate = 194%

実施例1と比較例2および3、実施例2と比較例1の共重合体は同程度のイオン交換容量を有する共重合体であるが、分岐度が大きい実施例1〜2のほうがメタノール透過係数が小さくなっていた。   The copolymer of Example 1 and Comparative Examples 2 and 3, and the copolymer of Example 2 and Comparative Example 1 are copolymers having the same degree of ion exchange capacity, but Examples 1-2 having a higher degree of branching are more permeable to methanol. The coefficient was small.

以上詳述したように、本発明によれば、よりメタノール透過性が低く、プロトン伝導度の高い高分子電解質膜の調製に用いられる重合体が提供され、また、よりメタノール透過性が低く、プロトン伝導度の高い高分子電解質膜およびその調製に用いられる高分子電解質ならびにそれらの用途として高分子電解質膜、高分子電解質複合膜、触媒組成物および高分子電解質型燃料電池が提供される。また本発明によれば、吸水率の高すぎない高分子電解質膜を得ることもできるので、本発明の産業上の利用価値は頗る大きい。

As described above in detail, according to the present invention, a polymer used for the preparation of a polymer electrolyte membrane having a lower methanol permeability and a higher proton conductivity is provided. A polymer electrolyte membrane having high conductivity, a polymer electrolyte used for the preparation thereof, and a polymer electrolyte membrane, a polymer electrolyte composite membrane, a catalyst composition, and a polymer electrolyte fuel cell are provided as their uses. Further, according to the present invention, it is possible to obtain a polymer electrolyte membrane having a water absorption rate that is not too high. Therefore, the industrial utility value of the present invention is very large.

Claims (11)

イオン交換性基を有する重合体であって、下式に基づき求められる分岐度Bnが10以上であり、イオン交換容量が1meq/g以上である重合体。
Figure 2007126645
(式中、IV(M)は該重合体の分子量Mにおける極限粘度であり、IVL(M)は分子量Mにおける直鎖状重合体の極限粘度である。
A polymer having an ion-exchange group, wherein the degree of branching Bn calculated based on the following formula is 10 or more and the ion-exchange capacity is 1 meq / g or more.
Figure 2007126645
(In the formula, IV (M) is the intrinsic viscosity at the molecular weight M of the polymer, and IVL (M) is the intrinsic viscosity of the linear polymer at the molecular weight M.
溶媒に可溶である請求項1記載の重合体。   The polymer according to claim 1, which is soluble in a solvent. 主鎖が、芳香族高分子である請求項1または2に記載の重合体。   The polymer according to claim 1 or 2, wherein the main chain is an aromatic polymer. 重合体が、イオン交換性基を有するブロックとイオン交換性基を実質的に有さないブロックとを有するブロック共重合体である請求項1〜3のいずれかに記載の重合体。   The polymer according to any one of claims 1 to 3, wherein the polymer is a block copolymer having a block having an ion-exchange group and a block having substantially no ion-exchange group. イオン交換性基を有するブロックとイオン交換性基を実質的に有さないブロックとの重量組成比が、(イオン交換性基を有するブロック):(イオン交換性基を実質的に有さないブロック)で表して3:97〜70:30である請求項4記載の重合体。   The weight composition ratio of the block having an ion-exchange group and the block having substantially no ion-exchange group is (block having an ion-exchange group): (block having substantially no ion-exchange group) The polymer according to claim 4, wherein the polymer is 3:97 to 70:30. 請求項1〜5のいずれかに記載の重合体からなる高分子電解質。   A polymer electrolyte comprising the polymer according to claim 1. 請求項6記載の高分子電解質を用いてなる高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte according to claim 6. 請求項6記載の高分子電解質を用いて溶液キャスト法にて得られる高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane obtained by a solution casting method using the polymer electrolyte according to claim 6. 請求項6記載の高分子電解質と多孔質基材とを用いてなる高分子電解質複合膜。   A polymer electrolyte composite membrane comprising the polymer electrolyte according to claim 6 and a porous substrate. 請求項6記載の高分子電解質および触媒を含有する触媒組成物。   A catalyst composition comprising the polymer electrolyte according to claim 6 and a catalyst. 請求項6記載の高分子電解質を用いてなる高分子電解質型燃料電池。

A polymer electrolyte fuel cell comprising the polymer electrolyte according to claim 6.

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