JP2008038043A - Sulfonic group-containing segmented block copolymer and its application - Google Patents

Sulfonic group-containing segmented block copolymer and its application Download PDF

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幸太 北村
Yoshimitsu Sakaguchi
佳充 坂口
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裕樹 山口
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全広 山下
Kosuke Sasai
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sulfonic group-containing segmented block copolymer that is more excellent in not only proton-conductivity but also bonding properties to an electrode than existing polymers, and to provide a polyelectrolyte membrane for a fuel cell, and a polyelectrolyte membrane/electrode assembly (MEA) and a fuel cell using the polymer. <P>SOLUTION: The sulfonic group-containing segmented block copolymer has at least one hydrophilic segment and at least one hydrophobic segment in the polymer molecule, where the hydrophilic segment is mainly constituted of a structure represented by chemical formula 1 (wherein X is H or a monovalent cation; Y is a sulfonic group or a carbonyl group; n is an integer of 3-50; and m is an integer of at least 2) and has a softening point of 180°C or lower. The polyelectrolyte membrane, the polyelectrolyte membrane/electrode assembly and the fuel cell are obtained using the polymer. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、新規構造のスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合ポリマー及びその用途に関する。さらには、該ポリマーを構成成分とする組成物、成形物、燃料電池用高分子電解質膜、燃料電池に関する。   The present invention relates to a sulfonate group-containing segmented block copolymer having a novel structure and its use. Furthermore, the present invention relates to a composition, a molded product, a polymer electrolyte membrane for fuel cells, and a fuel cell containing the polymer as a constituent component.

高分子膜を高分子電解質膜に用いた固体高分子形燃料電池(PEFC)や直接メタノール型燃料電池(DMFC)は、可搬性があり、小型化が可能であることから、自動車、家庭用分散発電システム、携帯機器用電源への応用が進められている。現在、高分子電解質膜としては、米国デュポン社製ナフィオン(登録商標)に代表されるようなパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー膜が広く用いられている。   Solid polymer fuel cells (PEFCs) and direct methanol fuel cells (DMFCs) that use polymer membranes as polymer electrolyte membranes are portable and can be miniaturized. Applications to power generation systems and power supplies for portable devices are being promoted. Currently, perfluorocarbon sulfonic acid polymer membranes represented by Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont of the United States are widely used as polymer electrolyte membranes.

しかしながらこれらの膜は100℃以上で軟化するため、運転温度が80℃以下に制限されていた。運転温度をさらに上げると、エネルギー効率、装置の小型化、触媒活性の向上など、さまざまな利点があるため、より耐熱性の高い高分子電解質膜が求められている。
耐熱性高分子電解質膜として、ポリスルホンやポリエーテルケトンなどの耐熱性ポリマーを発煙硫酸などのスルホン化剤で処理して得られるスルホン化ポリマーはよく知られている(例えば非特許文献1を参照)。しかしながら、一般的にスルホン化剤によるスルホン化反応の制御は困難である。そのため、スルホン化度が多すぎたり少なかったりしたりすることや、ポリマーの分解、不均一なスルホン化などが起こりやすいという問題があった。
However, since these films soften at 100 ° C. or higher, the operating temperature is limited to 80 ° C. or lower. When the operating temperature is further increased, there are various advantages such as energy efficiency, downsizing of the apparatus, and improvement of catalytic activity, so that a polymer electrolyte membrane having higher heat resistance is required.
A sulfonated polymer obtained by treating a heat-resistant polymer such as polysulfone or polyetherketone with a sulfonating agent such as fuming sulfuric acid is well known as a heat-resistant polymer electrolyte membrane (see, for example, Non-Patent Document 1). . However, it is generally difficult to control the sulfonation reaction with a sulfonating agent. For this reason, there are problems that the degree of sulfonation is too high or low, polymer decomposition, non-uniform sulfonation and the like are likely to occur.

そのため、スルホン酸基などの酸性基を有するモノマーから重合したポリマーを高分子電解質膜として用いることが検討されている。例えば、特許文献1にはプロトン伝導性ポリマーとして、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ソーダ、及び4,4’−ジクロロジフェニルスルホンと4,4’−ビフェノールの反応で得られる共重合ポリマーが示されている。このポリマーを構成成分とする高分子電解質膜は、前述のスルホン化剤を用いた場合のようなスルホン酸基の不均一性が少なく、スルホン酸基導入量及びポリマー分子量の制御が容易であった。しかしながら、燃料電池として実用化のためにはプロトン伝導性などさまざまな特性の改良が望まれている。   Therefore, the use of a polymer polymerized from a monomer having an acidic group such as a sulfonic acid group as a polymer electrolyte membrane has been studied. For example, in Patent Document 1, as a proton conductive polymer, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonic acid soda and 4,4′-dichlorodiphenylsulfone and 4,4′-biphenol are reacted. The resulting copolymer is shown. The polymer electrolyte membrane comprising this polymer as a constituent component has little sulfonic acid group heterogeneity as in the case of using the sulfonating agent described above, and it is easy to control the amount of sulfonic acid group introduced and the polymer molecular weight. . However, improvement of various characteristics such as proton conductivity is desired for practical use as a fuel cell.

特性向上のための試みとして、スルホン酸基を有するセグメント化ブロック共重合ポリマーの検討が行われている。セグメント化ブロック共重合ポリマーには、親水性セグメントが相分離によって親水性ドメインを形成することでプロトン伝導性が向上することが期待されている。例えば特許文献2では、スルホン化したポリエーテルスルホンセグメント化ブロック共重合ポリマーが記載されている。このポリマーを得る方法の一つは、スルホン化されやすいセグメントとされにくいセグメントから構成されたブロックポリマーのスルホン化である。しかしながらこの方法では、各セグメントにおけるベンゼン環の電子密度の差によってスルホン化反応を選択的に行わせており、各セグメントのポリマー構造が制限されてしまうという欠点があった。また、エーテル基の酸素原子や、アルキル基などの電子供与性基が結合したベンゼン環は容易にスルホン化されるが、熱や加水分解などによる逆反応も起こりやすい。そのため、上記のポリマーではポリマー中のスルホン酸基の安定性が低いという問題もあった。また、このポリマーの用途として分離膜が挙げられているが、燃料電池用高分子電解質膜としての用途に関しては記載されていなかった。   As an attempt to improve the properties, a segmented block copolymer having a sulfonic acid group has been studied. The segmented block copolymer is expected to improve proton conductivity because the hydrophilic segment forms a hydrophilic domain by phase separation. For example, Patent Document 2 describes a sulfonated polyethersulfone segmented block copolymer. One method of obtaining this polymer is sulfonation of a block polymer composed of segments that are easily and easily sulfonated. However, this method has a disadvantage that the sulfonation reaction is selectively performed by the difference in electron density of the benzene ring in each segment, and the polymer structure of each segment is limited. In addition, a benzene ring to which an oxygen atom of an ether group or an electron donating group such as an alkyl group is bonded is easily sulfonated, but a reverse reaction due to heat, hydrolysis, or the like easily occurs. Therefore, the above polymer also has a problem that the stability of the sulfonic acid group in the polymer is low. Moreover, although the separation membrane is mentioned as a use of this polymer, it was not described regarding the use as a polymer electrolyte membrane for fuel cells.

また、特許文献3では特定の繰り返し単位を有するセグメント化ブロック共重合ポリマーをスルホン化して得られるポリマーを燃料電池の高分子電解質膜として用いることが記載されている。しかしながらこのポリマーも特許文献2のポリマーと同様にスルホン化に対する反応性の差を利用しているため、疎水性セグメントの構造は制限されてしまっていた。   Patent Document 3 describes that a polymer obtained by sulfonating a segmented block copolymer having a specific repeating unit is used as a polymer electrolyte membrane of a fuel cell. However, since this polymer also utilizes the difference in reactivity to sulfonation as in the polymer of Patent Document 2, the structure of the hydrophobic segment has been limited.

他のスルホン化されたセグメント化ブロック共重合ポリマーの例としては特許文献4に記載されたポリマーを挙げることができる。特許文献4のポリマーはブロック移行部での主鎖の配列がブロック内部と同じであることが特徴であるが、それ故にポリマー構造も制限されてしまっていた。   Examples of other sulfonated segmented block copolymer include the polymers described in Patent Document 4. The polymer of Patent Document 4 is characterized in that the arrangement of the main chain at the block transition part is the same as the inside of the block, but the polymer structure has also been limited.

さらに特許文献5においてもスルホン化ポリエーテルスルホンセグメント化ブロック共重合ポリマーを用いた燃料電池用高分子電解質膜が記載されている。   Further, Patent Document 5 also describes a polymer electrolyte membrane for a fuel cell using a sulfonated polyethersulfone segmented block copolymer.

しかしながら、これらのスルホン化ブロック共重合ポリマーを燃料電池の高分子電解質膜として用いる場合、電極との接合性が十分でない場合があった。高分子電解質膜と電極との接合が不十分であると、高分子電解質膜/電極接合体において、高分子電解質膜と電極触媒層との界面抵抗が増大したり、燃料電池の運転時に高分子電解質膜と電極との剥離が生じたりして、燃料電池の出力低下や耐久性の低下の原因となる。従来のセグメント化ブロック共重合ポリマーでは、高分子電解質膜と電極との接合性が十分に鑑みられておらず、燃料電池に用いた場合に、問題点を有するものであった。   However, when these sulfonated block copolymer are used as a polymer electrolyte membrane of a fuel cell, there are cases where the bonding property with an electrode is not sufficient. Insufficient bonding between the polymer electrolyte membrane and the electrode increases the interfacial resistance between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer in the polymer electrolyte membrane / electrode assembly, or increases the polymer during fuel cell operation. Separation of the electrolyte membrane and the electrode may occur, which causes a decrease in output and durability of the fuel cell. The conventional segmented block copolymer does not sufficiently consider the bonding property between the polymer electrolyte membrane and the electrode, and has a problem when used in a fuel cell.

米国特許出願公開第2002/0091225号明細書US Patent Application Publication No. 2002/0091225 特開昭63―258930号明細書JP 63-258930 A 特開2001−250567号明細書Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-250567 特開2001−278978号明細書Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-278978 特開2003−31232号明細書Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-3232 エフ ルフラノ(F. Lufrano)他3名著、「スルホネイテッド ポリスルホン アズ プロマイジング メンブランズ フォー ポリマー エレクトロライト フュエル セルズ」(Sulfonated Polysulfone as Promising Membranes for Polymer Electrolyte Fuel Cells)、ジャーナル オブ アプライド ポリマー サイエンス(Journal of AppLied Polymer Science)、(米国)、ジョン ワイリー アンド サンズ インク(John Wiley & Sons, Inc.)、2000年、77号、p.1250−1257F. Lufrano et al., “Sulfolated Polysulfone as Promising Membranes for Polymer Electrolite Fuel Cells,” Science), (USA), John Wiley & Sons, Inc., 2000, 77, p. 1250-1257

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その主要な課題は、既存のポリマーよりも優れたプロトン伝導性を示すだけでなく、電極との接合性にも優れた燃料電池用高分子電解質膜、及び該燃料電池用高分子電解質膜を構成するスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合ポリマー、該ポリマーを含む組成物、該ポリマーを用いた膜/電極接合体及び燃料電池を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and the main problem is that the fuel not only exhibits proton conductivity superior to existing polymers but also has excellent bondability with electrodes. Polymer electrolyte membrane for battery, sulfonic acid group-containing segmented block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane for fuel cell, composition containing the polymer, membrane / electrode assembly and fuel cell using the polymer Is to provide.

本発明者らは、親水性セグメント及び疎水性セグメントの構造と特性に関して鋭意検討し、特定の構造を分子中に導入することによって、スルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合ポリマーが、優れたプロトン伝導性を示し、かつ、電極との接合性にも優れることを見出し、本発明の完成に至った。   The present inventors have intensively studied the structure and characteristics of the hydrophilic segment and the hydrophobic segment, and introduced a specific structure into the molecule, whereby a sulfonate group-containing segmented block copolymer has excellent proton conductivity. The present invention has been found and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は、
(1) ポリマー分子中にそれぞれ一種以上の親水性セグメントと疎水性セグメントを有するブロック共重合ポリマーであって、親水性セグメントが下記化学式1;
That is, the present invention
(1) A block copolymer having at least one hydrophilic segment and a hydrophobic segment in the polymer molecule, wherein the hydrophilic segment has the following chemical formula 1;

Figure 2008038043
(式中、XはH又は1価の陽イオンを、Yはスルホン基又はカルボニル基を、nは3〜50の整数を、mは2以上の整数を、それぞれ表す。)
で表される構造で主に構成され、かつ、軟化温度が180℃以下であることを特徴とするスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合ポリマー。
Figure 2008038043
(In the formula, X represents H or a monovalent cation, Y represents a sulfone group or a carbonyl group, n represents an integer of 3 to 50, and m represents an integer of 2 or more.)
A sulfonic acid group-containing segmented block copolymer characterized by being mainly composed of a structure represented by the formula (II) and having a softening temperature of 180 ° C. or lower.

(2) 疎水性セグメントが、下記化学式2及び3のうちの少なくとも一方;

Figure 2008038043
(式中、Ar及びArは電子吸引性基を有する2価の芳香族基を、oは3〜50の整数を、pは2以上の整数を、それぞれ表す。)
で表される構造で主に構成される(1)に記載のスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合体ポリマー。 (2) the hydrophobic segment is at least one of the following chemical formulas 2 and 3;
Figure 2008038043
(In the formula, Ar 1 and Ar 2 represent a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group, o represents an integer of 3 to 50, and p represents an integer of 2 or more.)
The sulfonic acid group-containing segmented block copolymer polymer according to (1) mainly composed of a structure represented by:

(3) 化学式2のAr及び化学式3のArが、それぞれ独立して、下記化学式4〜7; (3) Ar 2 of Ar 1 and Formula 3 in Formula 2 are each independently of the following chemical formulas 4 to 7;

Figure 2008038043
で表される構造からなる群より選ばれる1種以上の構造である(2)に記載のスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合体ポリマー。
Figure 2008038043
The sulfonate group-containing segmented block copolymer polymer according to (2), which is at least one structure selected from the group consisting of structures represented by:

(4) 化学式1のn、化学式2及び3のoが25以下である(2)に記載のスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合ポリマー。 (4) The sulfonate group-containing segmented block copolymer according to (2), wherein n in Chemical Formula 1 and o in Chemical Formulas 2 and 3 are 25 or less.

(5) 化学式2及び3のoが20以下である(4)に記載のスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合体ポリマー。 (5) The sulfonate group-containing segmented block copolymer polymer according to (4), wherein o in Chemical Formulas 2 and 3 is 20 or less.

(6) (1)〜(5)に記載のスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合ポリマーを1〜100重量%含むポリマー組成物。 (6) A polymer composition comprising 1 to 100% by weight of the sulfonic acid group-containing segmented block copolymer according to (1) to (5).

(7) (6)に記載のポリマー組成物から得られる高分子電解質膜。
(8) (6)に記載ポリマー組成物を、高分子電解質膜及び電極触媒層のうちの少なくとも一方に有することを特徴とする高分子電解質膜/電極接合体。
(9) (8)に記載の高分子電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池。
である。
(7) A polymer electrolyte membrane obtained from the polymer composition according to (6).
(8) A polymer electrolyte membrane / electrode assembly comprising the polymer composition according to (6) on at least one of a polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer.
(9) A fuel cell using the polymer electrolyte membrane / electrode assembly according to (8).
It is.

本発明のスルホン酸基含有ブロック共重合ポリマーは、電極との接合性、プロトン伝導性のいずれにおいても本発明外のスルホン化ブロック共重合ポリマーに比べて優れており、高分子電解質膜、高分子電解質膜/電極接合体の特性が改善されて、燃料電池の性能をより向上させることができる。   The sulfonic acid group-containing block copolymer of the present invention is superior to the sulfonated block copolymer of the present invention both in terms of bondability with an electrode and proton conductivity. The characteristics of the electrolyte membrane / electrode assembly can be improved, and the performance of the fuel cell can be further improved.

本発明は、特定のセグメント構造を有するスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合ポリマー及びその用途であるが、以下、実施の形態を示して本発明をより詳細に説明する。なお、本発明における重量とは、質量を意味する。   The present invention relates to a sulfonic acid group-containing segmented block copolymer having a specific segment structure and its use. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments. In addition, the weight in this invention means mass.

本発明のスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合ポリマーは、スルホン酸基を有する親水性セグメントとスルホン酸基を有さない疎水性セグメントを有しており、本発明における親水性セグメントは、下記化学式1で表される構造を主とする。   The sulfonic acid group-containing segmented block copolymer of the present invention has a hydrophilic segment having a sulfonic acid group and a hydrophobic segment not having a sulfonic acid group. The hydrophilic segment in the present invention has the following chemical formula: The structure represented by 1 is mainly used.

Figure 2008038043
(式中、XはH又は1価の陽イオンを、Yはスルホン基又はカルボニル基を、nは3〜50の整数を、mは2以上の整数を、それぞれ表す。)
Figure 2008038043
(In the formula, X represents H or a monovalent cation, Y represents a sulfone group or a carbonyl group, n represents an integer of 3 to 50, and m represents an integer of 2 or more.)

高分子電解質膜として用いる場合には、XがHであるとプロトン伝導性が高くなるため好ましい。ポリマーを加工、成形する際には、XはNa、K、Liなど1価の金属イオンであると、ポリマーの安定性が高まり好ましい。またXはモノアミンなどの有機カチオンであってもよい。Yはスルホン基であるとポリマーの溶媒への溶解性が高まる傾向にあり好ましい。また、Yはカルボニル基であると電極との接合性がより高まるため、さらに好ましい。mは2以上の整数を表す。化学式1におけるmは複数の数からなる分布を有するものであってもよい。分布を持つ場合には、その平均値を小数点以下で四捨五入した値が3以上であればよい。より好ましくは3〜20の範囲であり、さらに好ましくは5〜10の範囲である。また、mが分布を有する場合、mは平均値として本発明の範囲にあればよく、一成分としてmが0〜2である部分を含んでいても平均値が本発明の範囲であれば、本発明の課題を解決する発明となる。   When used as a polymer electrolyte membrane, it is preferable that X is H because proton conductivity increases. When processing and molding the polymer, it is preferable that X is a monovalent metal ion such as Na, K, Li, because the stability of the polymer is increased. X may be an organic cation such as monoamine. Y is preferably a sulfone group because the solubility of the polymer in a solvent tends to increase. Y is more preferably a carbonyl group because the bondability with the electrode is further enhanced. m represents an integer of 2 or more. M in Chemical Formula 1 may have a distribution consisting of a plurality of numbers. In the case of having a distribution, the average value is rounded off to the nearest decimal point as long as it is 3 or more. More preferably, it is the range of 3-20, More preferably, it is the range of 5-10. Further, when m has a distribution, m only needs to be within the range of the present invention as an average value, and even if the component includes a portion where m is 0 to 2, the average value is within the range of the present invention. The present invention solves the problems of the present invention.

nは3〜50の整数を表すが、nが3より小さいとランダムポリマーに対する改善効果が失われてしまう。nが大きいと膜形態の保持効果はより大きくなるが、50よりも大きいと反応溶液の粘度が増大するので疎水性セグメントとの反応が困難になるため好ましくない。nが25以下であるとセグメント間の反応性も優れるためさらに好ましい。   n represents an integer of 3 to 50. If n is smaller than 3, the improvement effect on the random polymer is lost. When n is large, the retention effect of the film form becomes larger, but when it is larger than 50, the viscosity of the reaction solution increases, so that the reaction with the hydrophobic segment becomes difficult, which is not preferable. It is more preferable that n is 25 or less because the reactivity between segments is excellent.

本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、スルホン酸基が酸である場合の軟化温度が180℃以下であることが必要である。軟化温度は、例えば、動的粘弾性における弾性率が急激に低下する温度として測定することができる。軟化温度が180℃を超えると、電極との接合など加工性が悪化するため傾向がある。より好ましい軟化温度の範囲は、130〜170℃であり、さらに好ましい範囲は130〜160℃である。   The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention needs to have a softening temperature of 180 ° C. or lower when the sulfonic acid group is an acid. The softening temperature can be measured, for example, as a temperature at which the elastic modulus in dynamic viscoelasticity rapidly decreases. When the softening temperature exceeds 180 ° C., workability such as bonding with an electrode tends to deteriorate. A more preferable softening temperature range is 130 to 170 ° C, and a further preferable range is 130 to 160 ° C.

化学式1において、スルホン基又はカルボニル基といった電子吸引性の基が、結合したフェニル基の電子密度を小さくするので、スルホン酸基の脱離反応を抑制し、ポリマーの安定性を高めている。通常、ポリマーをスルホン化する場合には、電子密度が高い部分が優先的にスルホン化されるため、スルホン酸基を有さないブロックをスルホン化して化学式1の親水性セグメントを得ることは困難である。   In Chemical Formula 1, an electron-withdrawing group such as a sulfone group or a carbonyl group reduces the electron density of the bonded phenyl group, thereby suppressing the elimination reaction of the sulfonic acid group and improving the stability of the polymer. Usually, when a polymer is sulfonated, a portion having a high electron density is preferentially sulfonated, so that it is difficult to obtain a hydrophilic segment of Formula 1 by sulfonating a block having no sulfonic acid group. is there.

本発明の親水性セグメントは下記化学式8で表されるスルホン化モノマーと下記化学式9で表されるビスフェノール化合物とを反応させて合成することができる。   The hydrophilic segment of the present invention can be synthesized by reacting a sulfonated monomer represented by the following chemical formula 8 with a bisphenol compound represented by the following chemical formula 9.

Figure 2008038043
Figure 2008038043

化学式8において、XはH又は1価の陽イオンを、Yはスルホン基又はカルボニル基を、Zはハロゲン元素をそれぞれ表す。XはNa又はKであることが、ZはF又はClであることがそれぞれ好ましい。化学式9においてmは3以上の整数を表す。mが異なる複数の化合物を混合して用いることもできるが、その場合は、mの平均値の小数点以下を四捨五入した値が3以上であればよい。mの好ましい範囲は3〜20であり、5〜10であるとさらに好ましい。   In Chemical Formula 8, X represents H or a monovalent cation, Y represents a sulfone group or a carbonyl group, and Z represents a halogen element. X is preferably Na or K, and Z is preferably F or Cl, respectively. In chemical formula 9, m represents an integer of 3 or more. A plurality of compounds having different m can also be used in combination, but in that case, the value obtained by rounding off the decimal point of the average value of m may be 3 or more. The preferable range of m is 3 to 20, and more preferably 5 to 10.

本発明のスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合ポリマーにおける疎水性セグメントは、下記化学式2及び3のうちの少なくとも一方;   The hydrophobic segment in the sulfonate group-containing segmented block copolymer of the present invention is at least one of the following chemical formulas 2 and 3;

Figure 2008038043
(式中、Ar及びArは電子吸引性基を有する2価の芳香族基を、oは3〜50の整数を、pは2以上の整数を、それぞれ表す。)
で表される構造で主に構成されることを特徴とする。
Figure 2008038043
(In the formula, Ar 1 and Ar 2 represent a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group, o represents an integer of 3 to 50, and p represents an integer of 2 or more.)
It is mainly comprised by the structure represented by these.

oは3〜50の整数を表すが、oが3より小さいとランダムポリマーに対する改善効果が失われてしまう。oが大きいと膜形態の保持効果はより大きくなるが、50よりも大きいと反応溶液の粘度が増大するので親水性セグメントとの反応が困難になるため好ましくない。oが25以下であるとより好ましく、oが20以下であるとセグメント間の反応性も優れるためさらに好ましい。なお、ポリマー分子中に化学式2と3の両方の構造を含む場合、oはそれぞれ同じであっても異なっていてもよい。   o represents an integer of 3 to 50, but if o is smaller than 3, the improvement effect on the random polymer is lost. When o is large, the retention effect of the film form becomes larger, but when it is larger than 50, the viscosity of the reaction solution increases, so that the reaction with the hydrophilic segment becomes difficult. o is more preferably 25 or less, and o is more preferably 20 or less because the reactivity between segments is excellent. When the polymer molecule contains both structures of chemical formulas 2 and 3, o may be the same or different.

Ar及びArは、それぞれ独立して、主として芳香族基からなり、Oが結合した芳香族基に電子吸引性基を有する2価の芳香族基を表す。電子吸引性基の例としてはスルホン基、シアノ基、スルホキシド基、カルボニル基、ハロゲン、ニトロ基を挙げることができ、スルホニル基、カルボニル基及びシアノ基が好ましい。具体的な構造として下記化学式10A〜Gで表される構造を挙げることができる。 Ar 1 and Ar 2 each independently represent a divalent aromatic group mainly composed of an aromatic group and having an electron-withdrawing group on the aromatic group to which O is bonded. Examples of the electron-withdrawing group include a sulfone group, a cyano group, a sulfoxide group, a carbonyl group, a halogen, and a nitro group, and a sulfonyl group, a carbonyl group, and a cyano group are preferable. Specific examples of the structure include structures represented by the following chemical formulas 10A to G.

Figure 2008038043
Figure 2008038043

これらの中でも化学式10A、10B、及び10Cで表される構造が好ましく、以下に示す化学式10A’、10A’’、10B’、10C’のいずれかで表される構造がより好ましく、10A’又は10B’のいずれかが最も好ましい。   Among these, structures represented by the chemical formulas 10A, 10B, and 10C are preferable, and structures represented by any of the following chemical formulas 10A ′, 10A ″, 10B ′, and 10C ′ are more preferable, and 10A ′ or 10B. One of 'is most preferred.

Figure 2008038043
Figure 2008038043

Ar及びArの好ましい例として、化学式4〜7で示した基を挙げることができる。 Preferable examples of Ar 1 and Ar 2 include groups represented by chemical formulas 4 to 7.

Figure 2008038043
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疎水性セグメントが化学式2の場合、液晶性のビフェニレン基によって高分子電解質膜の形態の保持性を向上させることができる。化学式2の疎水性セグメントは、4,4’−ビフェノールを、下記化学式11A〜11Dで表されるモノマーを反応させることで得ることができる。   In the case where the hydrophobic segment is represented by Chemical Formula 2, the retention of the form of the polymer electrolyte membrane can be improved by the liquid crystalline biphenylene group. The hydrophobic segment of Chemical Formula 2 can be obtained by reacting 4,4′-biphenol with a monomer represented by the following Chemical Formulas 11A to 11D.

Figure 2008038043
Figure 2008038043

化学式11A〜DにおいてZはハロゲン原子を表すが、中でもF又はClが好ましい。   In Chemical Formulas 11A to D, Z represents a halogen atom, and F or Cl is particularly preferable.

疎水性セグメントが化学式3の場合、電極との接合性をより向上させることができる。化学式3において、pは2以上の整数を表す。化学式1におけるpは複数の数からなる分布を有するものであってもよい。分布を持つ場合には、その平均値を小数点以下で四捨五入した値が3以上であればよい。より好ましくは3〜20の範囲であり、さらに好ましくは5〜10の範囲である。また、pが分布を有する場合、pは平均値として本発明の範囲にあればよく、一成分としてpが0〜2である部分を含んでいても平均値が本発明の範囲であれば、本発明の課題を解決する発明となる。化学式3の疎水性セグメントは、化学式12の化合物を、化学式11A〜Dで表される化合物と反応させて合成することができる。   When the hydrophobic segment is represented by Chemical Formula 3, the bonding property with the electrode can be further improved. In Chemical Formula 3, p represents an integer of 2 or more. P in Chemical Formula 1 may have a distribution consisting of a plurality of numbers. In the case of having a distribution, the average value is rounded off to the nearest decimal point as long as it is 3 or more. More preferably, it is the range of 3-20, More preferably, it is the range of 5-10. In addition, when p has a distribution, p may be within the range of the present invention as an average value, and even if the component includes a portion where p is 0 to 2, the average value is within the range of the present invention. The present invention solves the problems of the present invention. The hydrophobic segment of Chemical Formula 3 can be synthesized by reacting the compound of Chemical Formula 12 with the compounds represented by Chemical Formulas 11A to 11D.

Figure 2008038043
Figure 2008038043

化学式12においてpは3以上の整数を表す。pが異なる複数の化合物を混合して用いることもできるが、その場合は、pの平均値の小数点以下を四捨五入した値が3以上であればよい。pの好ましい範囲は3〜20であり、5〜10であるとさらに好ましい。   In chemical formula 12, p represents an integer of 3 or more. A plurality of compounds having different p can also be used in combination, but in that case, the value obtained by rounding off the decimal point of the average value of p may be 3 or more. The preferable range of p is 3 to 20, and 5 to 10 is more preferable.

本発明の疎水性セグメントは、化学式2又は3のいずれかからなるものであってもよいし、化学式2及び3のいずれもからなるものであってもよい。   The hydrophobic segment of the present invention may consist of either chemical formula 2 or 3, or may consist of chemical formulas 2 and 3.

本発明のセグメント化ブロック共重合ポリマーのイオン交換容量は、0.5〜2.5meq/gにあることが好ましい。0.5meq/g以下ではプロトン伝導性が低くなりすぎるため好ましくない。2.5meq/g以上であると、吸水性が大きくなりすぎて膨潤が大きくなりすぎるため好ましくない。0.7〜2.0meq/gの範囲であると、プロトン伝導性や耐膨潤性などでより好ましい特性を有する。さらに0.7〜1.6meq/gの範囲であると、メタノール透過性が小さいので、ダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質膜に特に適する。   The ion exchange capacity of the segmented block copolymer of the present invention is preferably from 0.5 to 2.5 meq / g. If it is 0.5 meq / g or less, the proton conductivity is too low, which is not preferable. If it is 2.5 meq / g or more, the water absorption becomes too large and the swelling becomes too large, which is not preferable. When it is in the range of 0.7 to 2.0 meq / g, it has more preferable characteristics such as proton conductivity and swelling resistance. Furthermore, when it is in the range of 0.7 to 1.6 meq / g, the methanol permeability is small, so that it is particularly suitable for a polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell.

本発明のセグメント化ブロック共重合ポリマーは、あらかじめ親水性セグメントと疎水性セグメントとをそれぞれ合成しておき、その後両者を反応させて得ることもできるし、あらかじめ重合しておいた片方のセグメントを、もう片方のセグメントを重合した溶液に加えてさらに反応させて得ることもできる。その際、各セグメントの末端基同士を直接反応させてもよいし、各セグメントの末端基を同じにしておいて、鎖延長剤を用いて両者を反応させてもよい。   The segmented block copolymer of the present invention can be obtained by previously synthesizing a hydrophilic segment and a hydrophobic segment in advance, and then reacting both, or one segment that has been polymerized in advance, The other segment can be added to the polymerized solution and further reacted. At that time, the end groups of each segment may be directly reacted with each other, or the end groups of each segment may be the same, and both may be reacted using a chain extender.

本発明のスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合体ポリマー及び各セグメントを芳香族求核置換反応により重合する場合、芳香族ビスハライド化合物と、芳香族ビスフェノール類を塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。   When the sulfonic acid group-containing segmented block copolymer polymer of the present invention and each segment are polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction, the aromatic bishalide compound and the aromatic bisphenol are reacted in the presence of a basic compound. A polymer can be obtained. The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed.

反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、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、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等が挙げられるが、芳香族ジオール類を活性なフェノキシド構造になしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。副生物として生成する水は、トルエンなどの共沸溶媒と溜去して系外に除去したり、モレキュラーシーブなどの吸水材を使用したり、重合溶媒と共に溜去したりすることで除去することができる。芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50重量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5重量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50重量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。   The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more. Examples of the basic compound include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, and the like, and any compound that can form an aromatic diol into an active phenoxide structure. It can be used without being limited to these. Water produced as a by-product should be removed by distillation with an azeotropic solvent such as toluene, or by using a water absorbing material such as molecular sieve, or by distillation with a polymerization solvent. Can do. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by weight. When the amount is less than 5% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by weight, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult. After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, the polymer can be obtained by precipitating the polymer as a solid by adding the reaction solution in a solvent having low polymer solubility, and collecting the precipitate by filtration.

各セグメントの連鎖長は重合に用いるモノマーのモル比によって調節することができる。また、各セグメントの末端基は重合で、どちらのモノマーを過剰にするかで決定することができる。セグメントの連鎖長は仕込み量からの計算値を用いることもできるが、NMRなどで定量することがより好ましい。セグメント同士を連結するには、各セグメントをマクロモノマーとして扱い、モノマーと同様にして反応することができる。   The chain length of each segment can be adjusted by the molar ratio of monomers used for polymerization. Further, the terminal group of each segment can be determined by polymerization, which monomer is excessive. The chain length of the segment can be calculated from the charged amount, but it is more preferably quantified by NMR or the like. In order to connect segments, each segment can be treated as a macromonomer and reacted in the same manner as the monomer.

親水性セグメントは上記で示された範囲の構造であれば特に限定されないが、好ましい構造の例を化学式13A及び13Bに示す。   The hydrophilic segment is not particularly limited as long as it has a structure in the range shown above. Examples of preferable structures are shown in Chemical Formulas 13A and 13B.

Figure 2008038043
Figure 2008038043

疎水性セグメントとして好ましい構造の例を化学式14A〜Hに示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Examples of structures preferable as the hydrophobic segment are shown in Chemical Formulas 14A to 14H, but the present invention is not limited to these.

Figure 2008038043
Figure 2008038043

本発明のスルホン酸基含有ブロック共重合体ポリマー分子量を、0.5g/dlのN−メチル−2−ピロリドン溶液を30℃で測定したときの対数粘度で表すと、0.3以上であることが物理特性の面から好ましく、0.5以上であることがより好ましく、0.9以上であることがさらに好ましい。0.3未満であると物理特性が著しく低下するため好ましくない。対数粘度が3.0を超えるとポリマーを溶解した溶液の粘度が著しく高くなりすぎて取り扱いが困難になる恐れがある。   The molecular weight of the sulfonic acid group-containing block copolymer of the present invention is 0.3 or more when expressed in terms of logarithmic viscosity when a 0.5 g / dl N-methyl-2-pyrrolidone solution is measured at 30 ° C. Is preferable from the viewpoint of physical properties, more preferably 0.5 or more, and still more preferably 0.9 or more. If it is less than 0.3, the physical properties are remarkably deteriorated. When the logarithmic viscosity is more than 3.0, the viscosity of the solution in which the polymer is dissolved becomes extremely high, which may make it difficult to handle.

本発明のスルホン酸基含有ブロック共重合体ポリマーは他の化合物を混合して組成物として用いることもできる。混合する化合物の例としては、リンタングステン酸、リンモリブデン酸などのヘテロポリ酸や、低分子のスルホン酸やホスホン酸、リン酸誘導体などの酸性化合物、ケイ酸化合物、ジルコニウムリン酸などの無機物などを挙げることができる。組成物中の無機物の含有量は50質量%未満あることが好ましい。50質量%以上であると成形性の物理特性が損なわれるため好ましくない。   The sulfonic acid group-containing block copolymer polymer of the present invention can also be used as a composition by mixing other compounds. Examples of compounds to be mixed include heteropolyacids such as phosphotungstic acid and phosphomolybdic acid, acidic compounds such as low molecular weight sulfonic acid, phosphonic acid and phosphoric acid derivatives, inorganic substances such as silicic acid compounds and zirconium phosphoric acid. Can be mentioned. The content of the inorganic substance in the composition is preferably less than 50% by mass. If it is 50% by mass or more, the physical properties of moldability are impaired, which is not preferable.

さらに、他のポリマーと混合した組成物として使用することもできる。これらのポリマーとしては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン12などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系ポリマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などの熱硬化性樹脂等、特に制限はない。ポリベンズイミダゾールやポリビニルピリジンなどの塩基性ポリマーとの組成物は、ポリマー寸法性の向上のために好ましい組み合わせと言える、これらの塩基性ポリマー中に、さらにスルホン酸基を導入しておくと、組成物の加工性がより好ましいものとなる。   Furthermore, it can also be used as a composition mixed with other polymers. Examples of these polymers include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, and polyethylene naphthalate, polyamides such as nylon 6, nylon 66, nylon 610, and nylon 12, polymethyl methacrylate, polymethacrylates, and polymethyl. Acrylate resins such as acrylates and polyacrylates, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, various polyolefins including polystyrene and diene polymers, polyurethane resins, cellulose acetate, cellulose such as ethyl cellulose Resin, polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, polyethers Thermal curing of aromatic polymers such as phon, polyetheretherketone, polyetherimide, polyimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, epoxy resin, phenol resin, novolac resin, benzoxazine resin There are no particular restrictions on the conductive resin. A composition with a basic polymer such as polybenzimidazole or polyvinylpyridine can be said to be a preferable combination for improving polymer dimensionality. If a sulfonic acid group is further introduced into these basic polymers, the composition The workability of the product becomes more preferable.

これら組成物として使用する場合には、本発明のスルホン酸基含有ブロック共重合体ポリマーは、組成物全体の50質量%以上100質量%未満含まれていることが好ましい。より好ましくは70質量%以上100質量%未満である。本発明のスルホン酸基含有ブロック共重合体ポリマーの含有量が組成物全体の50質量%未満の場合には、この組成物を含む高分子電解質膜のスルホン酸基濃度が低くなり良好なプロトン伝導性が得られない傾向にあり、また、スルホン酸基を含有するユニットが非連続相となり伝導するイオンの移動度が低下する傾向にある。なお、本発明の組成物は、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、などの各種添加剤を含んでいても良い。   When used as these compositions, the sulfonic acid group-containing block copolymer polymer of the present invention is preferably contained in an amount of 50% by mass or more and less than 100% by mass of the entire composition. More preferably, it is 70 mass% or more and less than 100 mass%. When the content of the sulfonic acid group-containing block copolymer of the present invention is less than 50% by mass of the entire composition, the sulfonic acid group concentration of the polymer electrolyte membrane containing this composition is lowered, and good proton conduction is achieved. Tend to be not obtained, and the unit containing a sulfonic acid group becomes a discontinuous phase and tends to lower the mobility of ions to be conducted. In addition, the composition of the present invention, if necessary, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a crosslinking agent, a viscosity modifier, an antistatic agent, an antibacterial agent, an antifoaming agent, Various additives such as a dispersant and a polymerization inhibitor may be included.

本発明のスルホン酸基含有ブロック共重合体ポリマーは適当な溶媒に溶解した溶液を組成物として用いることができる。溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、ジフェニルスルホン、N−メチル−2−ピロリドン、ヘキサメチルホスホンアミドなどの非プロトン性極性溶媒や、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。これらの中でも、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどに溶解することが好ましい。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。溶液中の化合物濃度は0.1〜50質量%の範囲であることが好ましい。溶液中の化合物濃度が0.1質量%未満であると良好な成形物を得るのが困難となる傾向にあり、50質量%を超えると加工性が悪化する傾向にある。溶液に、前記した化合物などをさらに混合して使用してもよい。   The sulfonic acid group-containing block copolymer of the present invention can be used as a composition in a solution dissolved in an appropriate solvent. Solvents include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, diphenylsulfone, N-methyl-2-pyrrolidone, hexamethylphosphonamide, methanol, ethanol, etc. However, the present invention is not limited to these alcohols. Among these, it is preferable to dissolve in N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide and the like. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The compound concentration in the solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by mass. If the compound concentration in the solution is less than 0.1% by mass, it tends to be difficult to obtain a good molded product, and if it exceeds 50% by mass, the workability tends to deteriorate. You may mix and use the above-mentioned compound etc. in a solution.

また、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどのアルコール類と水の混合物や、水などの非溶媒に分散してもよい。   Further, it may be dispersed in a mixture of alcohols such as methanol, ethanol, propanol and butanol and water, or in a non-solvent such as water.

本発明におけるスルホン酸基含有ブロック共重合体ポリマー組成物中のポリマーのスルホン酸基は、酸でも陽イオンとの塩であってもよいが、スルホン酸基の安定性の面からは陽イオンとの塩であることが好ましい。塩である場合、成形後など必要に応じて酸処理することで、酸へ変換することができる。   The sulfonic acid group of the polymer in the sulfonic acid group-containing block copolymer polymer composition in the present invention may be an acid or a salt with a cation, but from the viewpoint of the stability of the sulfonic acid group, It is preferable that it is a salt. When it is a salt, it can be converted to an acid by acid treatment as necessary, such as after molding.

本発明のスルホン酸基含有ブロック共重合体ポリマー及びその組成物は、押し出し、紡糸、圧延又はキャストなど任意の方法で繊維やフィルムなどの成形体とすることができる。中でも適当な溶媒に溶解した溶液から成形することが好ましい。   The sulfonic acid group-containing block copolymer of the present invention and the composition thereof can be formed into a molded body such as a fiber or a film by any method such as extrusion, spinning, rolling or casting. Among these, it is preferable to mold from a solution dissolved in an appropriate solvent.

溶液から成形体を得る方法は従来から公知の方法を用いて行うことができる。例えば、加熱、減圧乾燥、化合物を溶解する溶媒と混和することができる化合物非溶媒への浸漬等によって、溶媒を除去し成形体を得ることができる。溶媒が、有機溶媒の場合には、加熱又は減圧乾燥によって溶媒を留去させることが好ましい。この際、必要に応じて他の化合物と複合された形で繊維状、フィルム状、ペレット状、プレート状、ロッド状、パイプ状、ボール状、ブロック状などのさまざまな形状に成形することもできる。溶解挙動が類似する化合物と組み合わせた場合には、良好な成形ができる点で好ましい。このようにして得られた成形体中のスルホン酸基は陽イオンとの塩の形のものを含んでいても良いが、必要に応じて酸処理することによりフリーのスルホン酸基に変換することもできる。   A method of obtaining a molded body from a solution can be performed using a conventionally known method. For example, the molded product can be obtained by removing the solvent by heating, drying under reduced pressure, immersion in a compound non-solvent that can be mixed with a solvent that dissolves the compound, or the like. When the solvent is an organic solvent, the solvent is preferably distilled off by heating or drying under reduced pressure. At this time, it can be formed into various shapes such as a fiber shape, a film shape, a pellet shape, a plate shape, a rod shape, a pipe shape, a ball shape, and a block shape in a composite form with other compounds as required. . When combined with a compound having a similar dissolution behavior, it is preferable in that good molding can be achieved. The sulfonic acid group in the molded article thus obtained may contain a salt form with a cation, but if necessary, it can be converted to a free sulfonic acid group by acid treatment. You can also.

本発明のスルホン酸基含有ブロック共重合体ポリマー及びその組成物からイオン伝導膜を作製することもできる。イオン伝導膜は、本発明のスルホン酸基含有共重合体ポリマーだけでなく、多孔質膜、不織布、フィブリル、紙などの支持体との複合膜であってもよい。得られたイオン伝導膜は、燃料電池用の高分子電解質膜として用いることができる。   An ion conductive membrane can also be produced from the sulfonic acid group-containing block copolymer of the present invention and the composition thereof. The ion conductive membrane is not limited to the sulfonic acid group-containing copolymer of the present invention, and may be a composite membrane with a support such as a porous membrane, a nonwoven fabric, fibril, or paper. The obtained ion conductive membrane can be used as a polymer electrolyte membrane for fuel cells.

イオン伝導膜を成形する手法として最も好ましいのは、溶液からのキャストであり、キャストした溶液から上記のように溶媒を除去してイオン伝導膜を得ることができる。溶媒の除去は、乾燥によることがイオン伝導膜の均一性からは好ましい。また、化合物や溶媒の分解や変質を避けるため、減圧下でできるだけ低い温度で乾燥することもできる。また、溶液の粘度が高い場合には、基板や溶液を加熱して高温でキャストすると溶液の粘度が低下して容易にキャストすることができる。キャストする際の溶液の厚みは特に制限されないが、10〜1000μmであることが好ましい。より好ましくは50〜500μmである。溶液の厚みが10μmよりも薄いとイオン伝導膜としての形態を保てなくなる傾向にあり、1000μmよりも厚いと不均一なイオン伝導膜ができやすくなる傾向にある。溶液のキャスト厚を制御する方法は公知の方法を用いることができる。例えば、アプリケーター、ドクターブレードなどを用いて一定の厚みにしたり、ガラスシャーレなどを用いてキャスト面積を一定にしたりするなどして、溶液の量や濃度で厚みを制御することができる。キャストした溶液は、溶媒の除去速度を調整することでより均一な膜を得ることができる。例えば、加熱する場合には最初の段階では低温にして蒸発速度を下げたりすることができる。また、水などの非溶媒に浸漬する場合には、溶液を空気中や不活性ガス中に適当な時間放置しておくなどして化合物の凝固速度を調整することができる。   The most preferable method for forming the ion conductive membrane is casting from a solution, and the ion conductive membrane can be obtained by removing the solvent from the cast solution as described above. The removal of the solvent is preferably by drying from the uniformity of the ion conductive membrane. Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and alteration of a compound or a solvent, it can also dry at the lowest temperature possible under reduced pressure. Further, when the viscosity of the solution is high, when the substrate or the solution is heated and cast at a high temperature, the viscosity of the solution is lowered and the casting can be easily performed. The thickness of the solution at the time of casting is not particularly limited, but is preferably 10 to 1000 μm. More preferably, it is 50-500 micrometers. If the thickness of the solution is thinner than 10 μm, the form as an ion conductive film tends to be not maintained, and if it is thicker than 1000 μm, a non-uniform ion conductive film tends to be easily formed. As a method for controlling the cast thickness of the solution, a known method can be used. For example, the thickness can be controlled by the amount and concentration of the solution by making the thickness constant using an applicator, a doctor blade or the like, or making the cast area constant using a glass petri dish or the like. The cast solution can obtain a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, in the case of heating, the evaporation rate can be reduced by lowering the temperature in the first stage. In addition, when immersed in a non-solvent such as water, the coagulation rate of the compound can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time.

本発明の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、プロトン伝導性の面からはできるだけ薄いことが好ましい。具体的には5〜200μmであることが好ましく、5〜100μmであることがさらに好ましく、20〜80μmであることが最も好ましい。高分子電解質膜の厚みが5μmより薄いと高分子電解質膜の取り扱いが困難となり燃料電池を作製した場合に短絡等が起こる傾向にあり、200μmよりも厚いと高分子電解質膜の電気抵抗値が高くなり燃料電池の発電性能が低下する傾向がある。高分子電解質膜として使用する場合、膜中のスルホン酸基は金属塩になっているものを含んでいても良いが、適当な酸処理によりフリーのスルホン酸に変換することもできる。この場合、硫酸、塩酸、等の水溶液中に加熱下あるいは加熱せずに得られた膜を浸漬処理することで行うことも効果的である。また、高分子電解質膜のプロトン伝導率は1.0×10−3S/cm以上であることが好ましい。プロトン伝導率が1.0×10−3S/cm以上である場合には、その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にあり、1.0×10−3S/cm未満である場合には燃料電池の出力低下が起こる傾向にある。 The polymer electrolyte membrane of the present invention can have any thickness depending on the purpose, but is preferably as thin as possible from the viewpoint of proton conductivity. Specifically, the thickness is preferably 5 to 200 μm, more preferably 5 to 100 μm, and most preferably 20 to 80 μm. When the thickness of the polymer electrolyte membrane is less than 5 μm, the handling of the polymer electrolyte membrane becomes difficult and a short circuit or the like tends to occur when a fuel cell is produced. When the thickness is greater than 200 μm, the electrical resistance value of the polymer electrolyte membrane is high. Therefore, the power generation performance of the fuel cell tends to decrease. When used as a polymer electrolyte membrane, the sulfonic acid group in the membrane may contain a metal salt, but it can be converted to free sulfonic acid by an appropriate acid treatment. In this case, it is also effective to immerse the membrane obtained in an aqueous solution of sulfuric acid, hydrochloric acid, etc. with or without heating. The proton conductivity of the polymer electrolyte membrane is preferably 1.0 × 10 −3 S / cm or more. When the proton conductivity is 1.0 × 10 −3 S / cm or more, a good output tends to be obtained in a fuel cell using the polymer electrolyte membrane, and 1.0 × 10 −3 S When it is less than / cm, the output of the fuel cell tends to decrease.

高分子電解質膜中における、親水性セグメントと疎水性セグメントの相分離を促進する目的で、水などの非溶媒をポリマー溶液中に加えて製膜することもできる。   In order to promote the phase separation of the hydrophilic segment and the hydrophobic segment in the polymer electrolyte membrane, a film can be formed by adding a non-solvent such as water to the polymer solution.

また、上述した本発明の高分子電解質膜又はフィルム等を電極に設置することによって、本発明の高分子電解質膜又はフィルム等と電極との接合体を得ることができる。この接合体の作製方法としては、従来から公知の方法を用いて行うことができ、例えば、電極表面に接着剤を塗布し高分子電解質膜と電極とを接着する方法又は高分子電解質膜と電極とを加熱加圧する方法等がある。この中でも本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物及びその組成物を主成分とした接着剤を電極表面に塗布して接着する方法が好ましい。高分子電解質膜と電極との接着性が向上し、また、高分子電解質膜のプロトン伝導性を損なうことが少なくなると考えられるためである。   Moreover, the assembly of the polymer electrolyte membrane or film of the present invention and the electrode can be obtained by installing the above-described polymer electrolyte membrane or film of the present invention on the electrode. As a method for producing this joined body, a conventionally known method can be used. For example, a method of applying an adhesive to the electrode surface and bonding the polymer electrolyte membrane and the electrode, or a polymer electrolyte membrane and the electrode There is a method of heating and pressurizing. Among these, the method of applying and bonding an adhesive mainly composed of the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention and the composition thereof to the electrode surface is preferable. This is because the adhesion between the polymer electrolyte membrane and the electrode is improved, and it is considered that the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane is less impaired.

本発明の燃料電池は、本発明の高分子電解質膜又は高分子電解質膜/電極接合体を用いて作製することができる。本発明の燃料電池は、例えば酸素極と、燃料極と、それぞれの極に挟まれて配置された高分子電解質膜と、酸素極側に設けられた酸化剤の流路と、燃料極側に設けられた燃料の流路を有するものである。このような一つの単位セルを導電性のセパレーターで連結することによって燃料電池スタックを得ることができる。   The fuel cell of the present invention can be produced using the polymer electrolyte membrane or the polymer electrolyte membrane / electrode assembly of the present invention. The fuel cell of the present invention includes, for example, an oxygen electrode, a fuel electrode, a polymer electrolyte membrane sandwiched between the electrodes, an oxidant flow path provided on the oxygen electrode side, and a fuel electrode side. The fuel flow path is provided. A fuel cell stack can be obtained by connecting such unit cells with a conductive separator.

本発明の高分子電解質膜は、水素を燃料とする固体高分子形燃料電池(PEFC)の他にも、メタノール透過性が小さいため、メタノールを燃料とするメタノール直接型燃料電池(DMFC)にも適している。また、耐熱性やバリアー性に優れるため、メタノール、ガソリン、エーテルなどの炭化水素から改質器によって水素を取り出して用いるタイプの燃料電池にも適している。   Since the polymer electrolyte membrane of the present invention has a low methanol permeability in addition to a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using hydrogen as a fuel, it also applies to a methanol direct fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel. Is suitable. Moreover, since it is excellent in heat resistance and barrier properties, it is also suitable for a fuel cell of a type in which hydrogen is taken out from a hydrocarbon such as methanol, gasoline, ether, etc. by a reformer.

以下本発明を、実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。なお、各種測定は次のように行った。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.

<溶液粘度>
ポリマー粉末を0.5g/dlの濃度でN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度ln[ta/tb]/cで評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度を表す)。
<Solution viscosity>
The polymer powder was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dl, the viscosity was measured using a Ubbelohde viscometer in a thermostatic bath at 30 ° C., and the logarithmic viscosity ln [ta / tb] / Evaluation was carried out by c (ta represents the falling seconds of the sample solution, tb represents the falling seconds of the solvent alone, and c represents the polymer concentration).

<イオン交換容量>
乾燥したサンプル100mgを、0.01NのNaOH水溶液50mlに浸漬し、25℃で一晩攪拌した。その後、0.05NのHCl水溶液で中和滴定した。中和滴定には、平沼産業(株)製、電位差滴定装置COMTITE−980を用いた。イオン交換当量は下記式で計算して求めた。
イオン交換容量[meq/g]=(10−滴定量[ml])/2
<Ion exchange capacity>
100 mg of the dried sample was immersed in 50 ml of 0.01N NaOH aqueous solution and stirred at 25 ° C. overnight. Then, neutralization titration with 0.05N HCl aqueous solution was performed. For neutralization titration, a potentiometric titrator COMMITE-980 manufactured by Hiranuma Sangyo Co., Ltd. was used. The ion exchange equivalent was calculated by the following formula.
Ion exchange capacity [meq / g] = (10-titration [ml]) / 2

<プロトン伝導性>
自作測定用プローブ(テフロン(登録商標)製)上で短冊状膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、80℃95%RHの恒温・恒湿オーブン(ナガノ科学機械製作所社、LH−20−01)中に試料を保持し、白金線間のインピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。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以下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た。
導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]×抵抗極間勾配[Ω/cm]
<Proton conductivity>
A platinum wire (diameter: 0.2 mm) is pressed against the surface of a strip-shaped film sample on a self-made measuring probe (manufactured by Teflon (registered trademark)), and a constant temperature and humidity oven at 80 ° C. and 95% RH (Nagano Science Machinery Co., Ltd.) LH-20-01), and the impedance between the platinum wires was measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. The measurement was performed while changing the distance between the electrodes, and the conductivity obtained by canceling the contact resistance between the film and the platinum wire was calculated from the gradient obtained by plotting the distance measured between the electrodes and the resistance measurement value estimated from the CC plot.
Conductivity [S / cm] = 1 / film width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm]

<軟化温度>
5mm幅の酸型の膜を、チャック幅10mmで、50℃から250℃まで2℃/分で加熱しながら、10Hzの動歪を与えて動的粘弾性を、Rheogel E−4000(東機産業社製)を用いて測定した。E’が大きく低下する変曲点の温度を軟化温度とした。
<Softening temperature>
While heating a 5 mm wide acid-type film at a chuck width of 10 mm from 50 ° C. to 250 ° C. at a rate of 2 ° C./min, a dynamic strain of 10 Hz is applied to give dynamic viscoelasticity, Rheogel E-4000 (Toki Sangyo) The measurement was performed using The temperature at the inflection point at which E ′ greatly decreased was defined as the softening temperature.

<メタノール透過性>
25℃の室内において、二つのガラス水槽を、サンプルを隔膜として連結し、片方の水槽に5Mのメタノール水溶液、もう片方に蒸留水をそれぞれ入れ、蒸留水を入れた側のメタノール濃度を適当な時間ごとに定量した。メタノールの定量はガスクロマトグラフィー法で行い、あらかじめ所定の濃度のメタノール溶液を注入したときのピーク面積から作成した検量線を用いてメタノール濃度を算出した。得られたメタノール濃度を経過時間に対してプロットしたときの傾きから、以下の式によりメタノール透過係数を求めた。
メタノール透過速度(mmol・m−2・sec−1)=プロットの傾き(mmol・sec−1)÷膜面積(m)×膜厚(m)
<Methanol permeability>
In a room at 25 ° C, two glass water tanks are connected with a sample as a diaphragm, 5M aqueous methanol solution is added to one water tank, distilled water is added to the other water tank, and the methanol concentration on the side containing distilled water is determined for an appropriate time. Quantified every time. Methanol was quantified by gas chromatography, and the methanol concentration was calculated using a calibration curve prepared from the peak area when a methanol solution having a predetermined concentration was injected in advance. From the slope when the obtained methanol concentration was plotted against the elapsed time, the methanol permeability coefficient was determined by the following equation.
Methanol permeation rate (mmol · m −2 · sec −1 ) = slope of plot (mmol · sec −1 ) ÷ membrane area (m 2 ) × film thickness (m)

ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)の発電評価:Pt/Ru触媒担持カーボン(田中貴金属工業社TEC61E54)に少量の超純水及びイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液(品番:SE−20192)を、Pt/Ru触媒担持カーボンとナフィオンの重量比が2.5:1になるように加えた。次いで撹拌してアノード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、ガス拡散層となる東レ社製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が2mg/cmになるようにスクリーン印刷により塗布乾燥して、アノード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。また、Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業社TEC10V40E)に少量の超純水及びイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液(品番:SE−20192)を、Pt触媒担持カーボンとナフィオンの重量比が2.5:1となるように加え、撹拌してカソード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、撥水加工を施した東レ社製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が1mg/cmとなるように塗布・乾燥して、カソード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。上記2種類の電極触媒層付きカーボンペーパーの間に、膜試料を、電極触媒層が膜試料に接するように挟み、ホットプレス法により150℃、6MPaにて3分間加圧、加熱し、高分子電解質膜と電極触媒層とが良好に接合した場合は「○」、剥離が起こった場合を「×」とした。 Power generation evaluation of direct methanol fuel cell (DMFC): After adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to carbon supported on Pt / Ru catalyst (TEC61E54, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), DuPont 20% Nafion (registered) (Trademark) solution (product number: SE-20192) was added so that the weight ratio of Pt / Ru catalyst-carrying carbon to Nafion was 2.5: 1. Next, stirring was performed to prepare an anode catalyst paste. The catalyst paste is applied and dried by screen printing on carbon paper TGPH-060 manufactured by Toray Industries, Inc. as a gas diffusion layer so that the amount of platinum deposited is 2 mg / cm 2 , thereby producing a carbon paper with an electrode catalyst layer for the anode. did. Moreover, after adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to a Pt catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo TEC10V40E) and moistening, a 20% Nafion (registered trademark) solution (product number: SE-20192) manufactured by DuPont, A cathode catalyst paste was prepared by adding the Pt catalyst-carrying carbon and Nafion in a weight ratio of 2.5: 1 and stirring. The catalyst paste was applied and dried on carbon paper TGPH-060 manufactured by Toray Industries, Ltd., which had been subjected to water repellent treatment, so that the amount of platinum deposited was 1 mg / cm 2 , thereby producing a carbon paper with an electrode catalyst layer for cathode. . A membrane sample is sandwiched between the above two types of carbon paper with an electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane sample, and heated and pressurized at 150 ° C. and 6 MPa for 3 minutes by a hot press method. When the electrolyte membrane and the electrode catalyst layer were satisfactorily joined, “◯” was given, and when peeling occurred, “x” was given.

<高分子電解質膜の作製方法>
ポリマー(スルホン酸基が塩型のもの)5.0gをN−メチル−2−ピロリドン(略号:NMP)15mlに溶解し、アプリケーターを用いてガラス板上に250μmの厚みでキャストし、100℃で1時間、150℃で1時間加熱して乾燥した。その後、ガラス板を室温付近まで放冷し、膜ごと水につけて膜を剥離した。剥離した膜は純水に浸漬した後、2mol/リットルの硫酸に1時間浸漬し、さらに新たな2mol/リットルの硫酸に1時間浸漬して、スルホン酸基を酸型に変換し、純水で10回洗浄して遊離の硫酸を除き、ろ紙に挟んだ上からガラス板で押さえて2日間放置して乾燥し高分子電解質膜を得た。
<Production method of polymer electrolyte membrane>
A polymer (with a sulfonic acid group in a salt form) (5.0 g) is dissolved in 15 ml of N-methyl-2-pyrrolidone (abbreviation: NMP), cast on a glass plate with a thickness of 250 μm using an applicator, and 100 ° C. It was dried by heating at 150 ° C. for 1 hour for 1 hour. Thereafter, the glass plate was allowed to cool to near room temperature, and the membrane was peeled off with water attached to the membrane. The peeled membrane is immersed in pure water, then immersed in 2 mol / liter sulfuric acid for 1 hour, and further immersed in new 2 mol / liter sulfuric acid for 1 hour to convert the sulfonic acid group into an acid form. The polymer was washed 10 times to remove free sulfuric acid, and was sandwiched between filter papers, pressed with a glass plate, allowed to stand for 2 days and dried to obtain a polymer electrolyte membrane.

<合成例1:疎水性セグメントA>
4,4−ジクロロジフェニルスルホン(略号:DCDPS)35.07g、末端ヒドロキシル基含有フェニレンエーテルオリゴマー(大日本インキ化学工業社製SPECIANOL DPE−PL;化学式9においてnが1〜8の成分を含む混合物でnの平均値は5である構造であるもの)(略号:DPE)63.80g、炭酸カリウム17.64g、NMP350ml、トルエン150mlを、窒素導入管、攪拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた1000ml枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で攪拌しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による脱水を140℃で行った後、トルエンをすべて留去した。その後、200℃に昇温し、13時間加熱した。続いて、室温まで冷却した溶液を1000mlの純水に注ぎ再沈させ、沸騰水で3回洗浄した後、ポリマーを濾別し減圧乾燥して疎水性セグメントAを得た。
<Synthesis Example 1: Hydrophobic segment A>
35.07 g of 4,4-dichlorodiphenylsulfone (abbreviation: DCDPS), terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer (SPECIANOL DPE-PL manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc .; a mixture containing 1 to 8 components in chemical formula 9 (The structure is such that the average value of n is 5) (abbreviation: DPE) 63.80 g, potassium carbonate 17.64 g, NMP 350 ml, toluene 150 ml, a nitrogen introduction tube, a stirring blade, a Dean-Stark trap, and a thermometer were attached. It put into a 1000 ml branch flask, and heated under nitrogen stream, stirring in an oil bath. After dehydration by azeotropy with toluene at 140 ° C., all toluene was distilled off. Then, it heated up at 200 degreeC and heated for 13 hours. Subsequently, the solution cooled to room temperature was poured into 1000 ml of pure water, re-precipitated, washed with boiling water three times, and then the polymer was separated by filtration and dried under reduced pressure to obtain a hydrophobic segment A.

<合成例2〜6:疎水性セグメントB〜F>
モノマー及びモル比を変更した他は合成例1と同様にして疎水性セグメントを重合した。結果を表1に示す。
<Synthesis Examples 2-6: Hydrophobic Segments B-F>
The hydrophobic segment was polymerized in the same manner as in Synthesis Example 1 except that the monomer and the molar ratio were changed. The results are shown in Table 1.

Figure 2008038043
Figure 2008038043

<実施例1>
3,3’―ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(略号:S−DCDPS) 30.00g、BPE 34.12g、炭酸カリウム9.43g、NMP 150ml、トルエン100mlを、窒素導入管、攪拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた500ml枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で攪拌しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による脱水を140℃で行った後、トルエンをすべて留去した。その後、200℃に昇温し、18時間加熱した。溶液を室温まで冷却した後、70mlのNMPに溶解した疎水性セグメントA 14.99gを加え、210度に加熱し12時間反応させ、1000mlの純水に注ぎ再沈させ、沸騰水で3回洗浄し、ポリマーを濾別し減圧乾燥してポリマーを得た。ポリマーの構造は、H−NMR測定で、S−DCDPSのスルホン酸基に隣接するプロトンが8.3ppmに、DPEのフェニル基のプロトンが7.1ppmに、それぞれシグナルを有することで確認した。得られたポリマーから上記の方法によって高分子電解質膜を得た。
<Example 1>
Sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone (abbreviation: S-DCDPS) 30.00 g, BPE 34.12 g, potassium carbonate 9.43 g, NMP 150 ml, toluene 100 ml, a nitrogen introduction tube, It put into the 500 ml branch flask equipped with the stirring blade, the Dean-Stark trap, and the thermometer, and heated under nitrogen stream, stirring in an oil bath. After dehydration by azeotropy with toluene at 140 ° C., all toluene was distilled off. Then, it heated up at 200 degreeC and heated for 18 hours. After the solution is cooled to room temperature, 14.99 g of hydrophobic segment A dissolved in 70 ml of NMP is added, heated to 210 ° C. for 12 hours, poured into 1000 ml of pure water, re-precipitated, and washed three times with boiling water. The polymer was filtered off and dried under reduced pressure to obtain a polymer. The structure of the polymer was confirmed by 1 H-NMR measurement that the proton adjacent to the sulfonic acid group of S-DCDPS had a signal at 8.3 ppm and the proton of the phenyl group of DPE had a signal at 7.1 ppm, respectively. A polymer electrolyte membrane was obtained from the obtained polymer by the above method.

<実施例2>
S−DCDPS 30.00g、BPE 34.39g、炭酸カリウム9.51g、NMP150ml、トルエン100mlを、窒素導入管、攪拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた500ml枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で攪拌しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による脱水を140℃で行った後、トルエンをすべて留去した。その後、200℃に昇温し、13時間加熱した。溶液を室温まで冷却した後、70mlのNMPに溶解した疎水性セグメントB 14.53を加え、210度に加熱し9時間反応させ、1000mlの純水に注ぎ再沈させ、沸騰水で3回洗浄し、ポリマーを濾別し減圧乾燥してポリマーを得た。得られたポリマーから上記の方法によって高分子電解質膜を得た。
<Example 2>
S-DCDPS 30.00 g, BPE 34.39 g, potassium carbonate 9.51 g, NMP 150 ml, toluene 100 ml were placed in a 500 ml branch flask equipped with a nitrogen inlet tube, stirring blade, Dean-Stark trap, thermometer, and in an oil bath. The mixture was heated under a nitrogen stream with stirring. After dehydration by azeotropy with toluene at 140 ° C., all toluene was distilled off. Then, it heated up at 200 degreeC and heated for 13 hours. After cooling the solution to room temperature, 144.53 of hydrophobic segment B dissolved in 70 ml of NMP was added, heated to 210 degrees, reacted for 9 hours, poured into 1000 ml of pure water, re-precipitated, and washed 3 times with boiling water The polymer was filtered off and dried under reduced pressure to obtain a polymer. A polymer electrolyte membrane was obtained from the obtained polymer by the above method.

<実施例3>
S−DCBP30.00g、BPE36.82g、炭酸カリウム10.18g、NMP150ml、トルエン100mlを、窒素導入管、攪拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた500ml枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で攪拌しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による脱水を140℃で行った後、トルエンをすべて留去した。その後、200℃に昇温し、10時間加熱した。溶液を室温まで冷却した後、70mlのNMPに溶解した疎水性セグメントC 15.88gを加え、200度に加熱し13時間反応させ、1000mlの純水に注ぎ再沈させ、沸騰水で3回洗浄し、ポリマーを濾別し減圧乾燥してポリマーを得た。ポリマーの構造は、H−NMR測定で、S−DCBPのスルホン酸基に隣接するプロトンが8.2ppmに、DPEのフェニル基のプロトンが7.1ppmに、それぞれシグナルを有することで確認した。得られたポリマーから上記の方法によって高分子電解質膜を得た。
<Example 3>
S-DCBP (30.00 g), BPE (36.82 g), potassium carbonate (10.18 g), NMP (150 ml) and toluene (100 ml) were placed in a 500 ml branch flask equipped with a nitrogen inlet tube, stirring blade, Dean-Stark trap and thermometer, and stirred in an oil bath. While heating, it was heated under a nitrogen stream. After dehydration by azeotropy with toluene at 140 ° C., all toluene was distilled off. Then, it heated up at 200 degreeC and heated for 10 hours. After the solution is cooled to room temperature, 15.88 g of hydrophobic segment C dissolved in 70 ml of NMP is added, heated to 200 ° C. for 13 hours, poured into 1000 ml of pure water, re-precipitated, and washed with boiling water three times. The polymer was filtered off and dried under reduced pressure to obtain a polymer. The structure of the polymer was confirmed by 1 H-NMR measurement that the proton adjacent to the sulfonic acid group of S-DCBP had a signal at 8.2 ppm and the proton of the phenyl group of DPE had a signal at 7.1 ppm, respectively. A polymer electrolyte membrane was obtained from the obtained polymer by the above method.

<実施例4>
S−DCDPS 30.00g、BPE 40.38、炭酸カリウム 11.17g、NMP120ml、トルエン100mlを、窒素導入管、攪拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた500ml枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で攪拌しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による脱水を140℃で行った後、トルエンをすべて留去した。その後、200℃に昇温し、8時間加熱した。溶液を室温まで冷却した後、120mlのNMPに溶解した疎水性セグメントD 64.73gを加え、200度に加熱し11時間反応させ、1000mlの純水に注ぎ再沈させ、沸騰水で3回洗浄し、ポリマーを濾別し減圧乾燥してポリマーを得た。得られたポリマーから上記の方法によって高分子電解質膜を得た。
<Example 4>
S-DCDPS 30.00 g, BPE 40.38, potassium carbonate 11.17 g, NMP 120 ml, toluene 100 ml were placed in a 500 ml branch flask equipped with a nitrogen inlet tube, stirring blade, Dean-Stark trap, thermometer, and in an oil bath. The mixture was heated under a nitrogen stream with stirring. After dehydration by azeotropy with toluene at 140 ° C., all toluene was distilled off. Then, it heated up at 200 degreeC and heated for 8 hours. After cooling the solution to room temperature, 64.73 g of hydrophobic segment D dissolved in 120 ml of NMP is added, heated to 200 ° C. for 11 hours, poured into 1000 ml of pure water, re-precipitated, and washed three times with boiling water. The polymer was filtered off and dried under reduced pressure to obtain a polymer. A polymer electrolyte membrane was obtained from the obtained polymer by the above method.

<実施例5>
S−DCDPS 30.00g、BPE 42.05g、炭酸カリウム11.63g、NMP120ml、トルエン100mlを、窒素導入管、攪拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた500ml枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で攪拌しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による脱水を140℃で行った後、トルエンをすべて留去した。その後、200℃に昇温し、10時間加熱した。溶液を室温まで冷却した後、150mlのNMPに溶解した疎水性セグメントE 70.27gを加え、200度に加熱し15時間反応させ、1000mlの純水に注ぎ再沈させ、沸騰水で3回洗浄し、ポリマーを濾別し減圧乾燥してポリマーを得た。得られたポリマーから上記の方法で高分子電解質膜を得た。
<Example 5>
S-DCDPS 30.00 g, BPE 42.05 g, potassium carbonate 11.63 g, NMP 120 ml, toluene 100 ml were placed in a 500 ml branch flask equipped with a nitrogen inlet tube, stirring blade, Dean-Stark trap, thermometer, and in an oil bath. The mixture was heated under a nitrogen stream with stirring. After dehydration by azeotropy with toluene at 140 ° C., all toluene was distilled off. Then, it heated up at 200 degreeC and heated for 10 hours. After cooling the solution to room temperature, 70.27 g of hydrophobic segment E dissolved in 150 ml of NMP is added, heated to 200 ° C., reacted for 15 hours, poured into 1000 ml of pure water, re-precipitated, and washed three times with boiling water. The polymer was filtered off and dried under reduced pressure to obtain a polymer. A polymer electrolyte membrane was obtained from the obtained polymer by the above method.

<実施例6>
S−DCDPS 30.00g、BPE 38.48g、炭酸カリウム10.64g、NMP120ml、トルエン100mlを、窒素導入管、攪拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた500ml枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で攪拌しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による脱水を140℃で行った後、トルエンをすべて留去した。その後、200℃に昇温し、10時間加熱した。溶液を室温まで冷却した後、120mlのNMPに溶解した疎水性セグメントF 89.01gを加え、200度に加熱し13時間反応させ、1000mlの純水に注ぎ再沈させ、沸騰水で3回洗浄し、ポリマーを濾別し減圧乾燥してポリマーを得た。得られたポリマーから上記の方法で高分子電解質膜を得た。
<Example 6>
S-DCDPS 30.00 g, BPE 38.48 g, potassium carbonate 10.64 g, NMP 120 ml, toluene 100 ml were placed in a 500 ml branch flask equipped with a nitrogen inlet tube, stirring blade, Dean-Stark trap, thermometer, and in an oil bath. The mixture was heated under a nitrogen stream with stirring. After dehydration by azeotropy with toluene at 140 ° C., all toluene was distilled off. Then, it heated up at 200 degreeC and heated for 10 hours. After cooling the solution to room temperature, 89.01 g of hydrophobic segment F dissolved in 120 ml of NMP was added, heated to 200 ° C., reacted for 13 hours, poured into 1000 ml of pure water, re-precipitated, and washed three times with boiling water. The polymer was filtered off and dried under reduced pressure to obtain a polymer. A polymer electrolyte membrane was obtained from the obtained polymer by the above method.

実施例1〜6における親水性セグメントの組成を表2に示す。   Table 2 shows the composition of the hydrophilic segments in Examples 1 to 6.

Figure 2008038043
Figure 2008038043

<比較例1〜6>
実施例1〜6と同じモノマー組成で、すべてのモノマーを同時に反応させた他は、実施例と同様にしてポリマーを得た。得られたポリマーから上記の方法で高分子電解質膜を得た。ポリマー組成を表3に示す。
<Comparative Examples 1-6>
A polymer was obtained in the same manner as in Example except that all monomers were reacted simultaneously with the same monomer composition as in Examples 1-6. A polymer electrolyte membrane was obtained from the obtained polymer by the above method. The polymer composition is shown in Table 3.

Figure 2008038043
Figure 2008038043

<比較例7>
DCDPS 52.60g、BP 33.54g、炭酸カリウム27.40g、NMP300ml、トルエン250mlを、窒素導入管、攪拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた1000ml枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で攪拌しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による脱水を140℃で行った後、トルエンをすべて留去した。その後、200℃に昇温し、13時間加熱した。続いて、室温まで冷却した溶液を2000mlの純水に注ぎ再沈させ、沸騰水で3回洗浄した後、ポリマーを濾別し減圧乾燥して疎水性セグメントGを得た。S−DCDPS 30.00g、BP 11.66g、炭酸カリウム9.52g、NMP150ml、トルエン100mlを、窒素導入管、攪拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた500ml枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で攪拌しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による脱水を140℃で行った後、トルエンをすべて留去した。その後、200℃に昇温し、11時間加熱した。溶液を室温まで冷却した後、70mlのNMPに溶解した疎水性セグメントG 24.74gを加え、210度に加熱し14時間反応させ、1000mlの純水に注ぎ再沈させ、沸騰水で3回洗浄し、ポリマーを濾別し減圧乾燥してポリマーを得た。得られたポリマーから上記の方法で高分子電解質膜を得た。
<Comparative Example 7>
DCDPS 52.60 g, BP 33.54 g, potassium carbonate 27.40 g, NMP 300 ml, toluene 250 ml were placed in a 1000 ml branch flask equipped with a nitrogen inlet tube, stirring blade, Dean-Stark trap and thermometer, and stirred in an oil bath. While heating, it was heated under a nitrogen stream. After dehydration by azeotropy with toluene at 140 ° C., all toluene was distilled off. Then, it heated up at 200 degreeC and heated for 13 hours. Subsequently, the solution cooled to room temperature was poured into 2000 ml of pure water, re-precipitated, washed 3 times with boiling water, and then the polymer was filtered and dried under reduced pressure to obtain a hydrophobic segment G. S-DCDPS 30.00 g, BP 11.66 g, potassium carbonate 9.52 g, NMP 150 ml, toluene 100 ml were placed in a 500 ml branch flask equipped with a nitrogen inlet tube, stirring blade, Dean-Stark trap, thermometer, and in an oil bath. The mixture was heated under a nitrogen stream with stirring. After dehydration by azeotropy with toluene at 140 ° C., all toluene was distilled off. Then, it heated up at 200 degreeC and heated for 11 hours. After cooling the solution to room temperature, 24.74 g of hydrophobic segment G dissolved in 70 ml of NMP was added, heated to 210 ° C., reacted for 14 hours, poured into 1000 ml of pure water, re-precipitated and washed with boiling water three times. The polymer was filtered off and dried under reduced pressure to obtain a polymer. A polymer electrolyte membrane was obtained from the obtained polymer by the above method.

<比較例7>
DCDPS 159.78g、BP 102.35g、炭酸カリウム83.56g、NMP800ml、トルエン300mlを、窒素導入管、攪拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた2000ml枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で攪拌しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による脱水を140℃で行った後、トルエンをすべて留去した。その後、200℃に昇温し、14時間加熱した。続いて、室温まで冷却した溶液を3000mlの純水に注ぎ再沈させ、沸騰水で3回洗浄した後、ポリマーを濾別し減圧乾燥して疎水性セグメントHを得た。S−DCDPS 30.00g、BP 12.00g、炭酸カリウム9.80g、NMP300ml、トルエン150mlを、窒素導入管、攪拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた500ml枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で攪拌しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による脱水を140℃で行った後、トルエンをすべて留去した。その後、210℃に昇温し、12時間加熱した。溶液を室温まで冷却した後、200mlのNMPに溶解した疎水性セグメントG 110.78gを加え、210度に加熱し14時間反応させ、2000mlの純水に注ぎ再沈させ、沸騰水で3回洗浄し、ポリマーを濾別し減圧乾燥してポリマーを得た。得られたポリマーから上記の方法で高分子電解質膜を得た。
<Comparative Example 7>
Add 159.78 g of DCDPS, 102.35 g of BP, 83.56 g of potassium carbonate, 800 ml of NMP, and 300 ml of toluene into a 2000 ml branch flask equipped with a nitrogen introduction tube, a stirring blade, a Dean-Stark trap, and a thermometer, and stir in an oil bath. While heating, it was heated under a nitrogen stream. After dehydration by azeotropy with toluene at 140 ° C., all toluene was distilled off. Then, it heated up at 200 degreeC and heated for 14 hours. Subsequently, the solution cooled to room temperature was poured into 3000 ml of pure water and reprecipitated, washed with boiling water three times, and then the polymer was separated by filtration and dried under reduced pressure to obtain a hydrophobic segment H. S-DCDPS 30.00 g, BP 12.00 g, potassium carbonate 9.80 g, NMP 300 ml, toluene 150 ml were placed in a 500 ml branch flask equipped with a nitrogen inlet tube, stirring blade, Dean-Stark trap, thermometer, and in an oil bath. The mixture was heated under a nitrogen stream with stirring. After dehydration by azeotropy with toluene at 140 ° C., all toluene was distilled off. Then, it heated up at 210 degreeC and heated for 12 hours. After cooling the solution to room temperature, 110.78 g of hydrophobic segment G dissolved in 200 ml of NMP was added, heated to 210 ° C., reacted for 14 hours, poured into 2000 ml of pure water, re-precipitated, and washed with boiling water three times. The polymer was filtered off and dried under reduced pressure to obtain a polymer. A polymer electrolyte membrane was obtained from the obtained polymer by the above method.

実施例及び比較例の高分子電解質膜の評価結果を表4に示す。   Table 4 shows the evaluation results of the polymer electrolyte membranes of Examples and Comparative Examples.

Figure 2008038043
Figure 2008038043

表4より、本発明のセグメント化ブロック共重合体からなる高分子電解質膜は、同組成のランダム共重合体からなる高分子電解質膜に比べて、メタノール透過性は同等であるにもかかわらず高いプロトン伝導性に優れていることが分かる。また、比較例7〜8の本発明の範囲外のブロック共重合体からなる高分子電解質膜は電極との接合性が不良であるのに対して、本発明のセグメント化ブロック共重合体からなる高分子電解質膜は電極との接合性が良好であり、加工性にも優れていることが分かる。   From Table 4, the polymer electrolyte membrane made of the segmented block copolymer of the present invention has a higher methanol permeability than the polymer electrolyte membrane made of a random copolymer having the same composition, although the methanol permeability is equivalent. It can be seen that the proton conductivity is excellent. Further, the polymer electrolyte membranes made of the block copolymers outside the scope of the present invention in Comparative Examples 7 to 8 have poor bonding properties with the electrodes, whereas they consist of the segmented block copolymers of the present invention. It can be seen that the polymer electrolyte membrane has good bondability with the electrode and excellent workability.

本発明のスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合体からなる高分子電解質膜は、プロトン伝導性及び加工性に優れ、耐久性に優れた高分子電解質膜/電極接合体を得ることができ、燃料電池の分野で、従来の炭化水素系高分子電解質膜に比べて、高耐久性と高出力を可能にし、産業界に寄与すること大である。   The polymer electrolyte membrane comprising the sulfonic acid group-containing segmented block copolymer of the present invention can provide a polymer electrolyte membrane / electrode assembly excellent in proton conductivity and processability and excellent in durability, In the field of batteries, compared to conventional hydrocarbon polymer electrolyte membranes, it is possible to achieve higher durability and higher output, contributing to the industry.

Claims (9)

ポリマー分子中にそれぞれ一種以上の親水性セグメントと疎水性セグメントを有するブロック共重合ポリマーであって、親水性セグメントが下記化学式1;
Figure 2008038043
(式中、XはH又は1価の陽イオンを、Yはスルホン基又はカルボニル基を、nは3〜50の整数を、mは2以上の整数を、それぞれ表す。)
で表される構造で主に構成され、かつ、軟化温度が180℃以下であることを特徴とするスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合ポリマー。
A block copolymer having at least one hydrophilic segment and hydrophobic segment in each polymer molecule, wherein the hydrophilic segment has the following chemical formula 1;
Figure 2008038043
(In the formula, X represents H or a monovalent cation, Y represents a sulfone group or a carbonyl group, n represents an integer of 3 to 50, and m represents an integer of 2 or more.)
A sulfonic acid group-containing segmented block copolymer characterized by being mainly composed of a structure represented by the formula (II) and having a softening temperature of 180 ° C. or lower.
疎水性セグメントが、下記化学式2及び3のうちの少なくとも一方;
Figure 2008038043
(式中、Ar及びArは電子吸引性基を有する2価の芳香族基を、oは3〜50の整数を、pは2以上の整数を、それぞれ表す。)
で表される構造で主に構成される請求項1に記載のスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合体ポリマー。
The hydrophobic segment is at least one of the following chemical formulas 2 and 3;
Figure 2008038043
(In the formula, Ar 1 and Ar 2 represent a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group, o represents an integer of 3 to 50, and p represents an integer of 2 or more.)
The sulfonate group-containing segmented block copolymer polymer according to claim 1 mainly composed of a structure represented by:
化学式2のAr及び化学式3のArが、それぞれ独立して、下記化学式4〜7;
Figure 2008038043
で表される構造からなる群より選ばれる1種以上の構造である請求項2に記載のスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合体ポリマー。
Ar 2 in formula 2 of the Ar 1 and Formula 3 are each independently, the following chemical formula 4-7;
Figure 2008038043
The sulfonic acid group-containing segmented block copolymer polymer according to claim 2, which has at least one structure selected from the group consisting of structures represented by:
化学式1のn、化学式2及び3のoが、25以下であることを特徴とする請求項2に記載のスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合ポリマー。   The sulfonate group-containing segmented block copolymer according to claim 2, wherein n in Chemical Formula 1 and o in Chemical Formulas 2 and 3 are 25 or less. 化学式2及び3のoが、20以下である請求項4に記載のスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合体ポリマー。   The sulfonate group-containing segmented block copolymer polymer according to claim 4, wherein o in Chemical Formulas 2 and 3 is 20 or less. 請求項1〜5に記載のスルホン酸基含有セグメント化ブロック共重合ポリマーを1〜100重量%含むポリマー組成物。   A polymer composition comprising 1 to 100% by weight of the sulfonic acid group-containing segmented block copolymer according to claim 1. 請求項6に記載のポリマー組成物から得られる高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane obtained from the polymer composition according to claim 6. 請求項6に記載ポリマー組成物を、高分子電解質膜及び電極触媒層のうちの少なくとも一方に有することを特徴とする高分子電解質膜/電極接合体。   A polymer electrolyte membrane / electrode assembly comprising the polymer composition according to claim 6 on at least one of a polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer. 請求項8に記載の高分子電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池。   A fuel cell using the polymer electrolyte membrane / electrode assembly according to claim 8.
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