JP2008291212A - Proton transporting material, ion exchanger using the same, membrane electrode assembly, fuel cell, sulfonic acid type liquid crystal polymer material, and material having phosphonic acid group - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton transporting material having excellent proton transporting property by setting phase transition temperature at 200°C or below to make the sulfonic group hard to leave and setting to express a crystal phase at low temperature, and having an excellent mechanical property, especially suitable for electrolyte membrane of fuel cell, and to provide a use and raw material for producing the proton transporting material. <P>SOLUTION: The problem is solved by the proton transporting material obtained by mixing a sulfonic acid type liquid crystal polymer material and a material having a phosphonic acid group as indispensable materials. The proton transporting material which has been prepared by adding and mixing a material having a mesogenic group and a phosphonic acid group with a specific molecular structure to a sulfonic acid type liquid crystal polymer material having a mesogenic group and a specific molecular structure, is preferred. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明はプロトン輸送材料、それを用いたイオン交換体、膜電極接合体、燃料電池およびスルホン酸型液晶ポリマー材料およびホスホン酸基を有する材料に関するものであり、さらに詳しくは、機械的特性に優れるとともに、低加湿下でも優れたプロトン輸送能を有し、かつ安定性に優れたプロトン輸送材料であって、イオン交換体、膜電極接合体(以下MEAと称す場合がある)、燃料電池用の電解質膜などの原料として有用なプロトン輸送材料およびそのようなプロトン輸送材料の原料となるスルホン酸型液晶ポリマー材料およびホスホン酸基を有する材料に関するものである。   The present invention relates to a proton transport material, an ion exchanger using the same, a membrane electrode assembly, a fuel cell, a sulfonic acid type liquid crystal polymer material, and a material having a phosphonic acid group, and more specifically, excellent mechanical properties. In addition, the proton transport material has excellent proton transport ability even under low humidification and excellent stability, and is used for an ion exchanger, a membrane electrode assembly (hereinafter sometimes referred to as MEA), and a fuel cell. The present invention relates to a proton transport material useful as a raw material for an electrolyte membrane, a sulfonic acid type liquid crystal polymer material and a material having a phosphonic acid group, which are raw materials for such a proton transport material.

近年、特に環境問題やエネルギー問題の有効な解決策として、燃料電池が注目を浴びている。燃料電池とは、水素等の燃料を酸素等の酸化剤を用いて酸化し、これに伴う化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
燃料電池は、電解質の種類によって、アルカリ型、リン酸型、固体高分子型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等に分類される。固体高分子型燃料電池(PEFC)は、低温作動、高出力密度であり、小型化・軽量化が可能であることから、携帯用電源、家庭用電源、車載用動力源としての応用が期待されている。
In recent years, fuel cells have attracted attention as an effective solution for environmental problems and energy problems. A fuel cell oxidizes a fuel such as hydrogen by using an oxidant such as oxygen and converts chemical energy associated therewith into electric energy.
Fuel cells are classified into alkali type, phosphoric acid type, solid polymer type, molten carbonate type, solid oxide type, etc., depending on the type of electrolyte. The polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is operated at a low temperature, has a high output density, and can be reduced in size and weight. Therefore, it is expected to be applied as a portable power source, a household power source, and an in-vehicle power source. ing.

固体高分子型燃料電池を用いて発電する際には、その発電性能を高めるため、アノードから加湿された水素をMEAに供給し、カソードから加湿された酸素をMEAに供給している。そのため、燃料電池システムには加湿器が必要となりコスト高になる問題がある。そこでコストの低下とコンパクト化のために、加湿器を必要としない燃料電池システムが求められており、低加湿あるいは無加湿型のMEAが望まれている。   When power is generated using a polymer electrolyte fuel cell, in order to improve the power generation performance, hydrogen humidified from the anode is supplied to the MEA and oxygen humidified from the cathode is supplied to the MEA. For this reason, the fuel cell system requires a humidifier, which increases the cost. Therefore, a fuel cell system that does not require a humidifier is required for cost reduction and compactness, and a low humidification or non-humidification type MEA is desired.

固体高分子型燃料電池(PEFC)用電解質膜としては、パーフルオロカーボンスルホン酸膜が広く用いられているが、フッ素を有するため廃棄時の環境負荷が高いことが問題である。
そのため、フッ素を有しない炭化水素膜(特許文献1参照)が開発されている。このフッ素を有しない炭化水素膜中のスルホン酸基は、水素イオンを解離できることから、優れたプロトン伝導性を示す。
しかしながら、上記フッ素を有しない炭化水素膜の場合、図6に示すようにスルホン酸基(−SO3 H基)が、ランダムな位置に存在することから、低加湿条件下において、プロトン伝導性が低くなりやすいという問題がある。
As an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a perfluorocarbon sulfonic acid membrane is widely used. However, since it contains fluorine, there is a problem that the environmental load at the time of disposal is high.
Therefore, a hydrocarbon film not containing fluorine (see Patent Document 1) has been developed. Since the sulfonic acid group in the hydrocarbon film not containing fluorine can dissociate hydrogen ions, it exhibits excellent proton conductivity.
However, in the case of the hydrocarbon film having no fluorine, since the sulfonic acid group (—SO 3 H group) is present at random positions as shown in FIG. 6, proton conductivity is low under low humidification conditions. There is a problem that it tends to be low.

この問題を解決するために、スメクチック相を有するスルホン酸型液晶モノマー材料の使用が検討されており、スルホン酸型液晶モノマー材料の液晶状態において、スルホン酸基のイオン伝導部位が密な状態で重ねられることが見出されており、さらに、スルホン酸型液晶モノマー材料の液晶状態という分子配列を維持した固体状態が、優れたプロトン伝導性を有することも見出されている(特許文献2参照)。   In order to solve this problem, the use of a sulfonic acid type liquid crystal monomer material having a smectic phase has been studied. In the liquid crystal state of the sulfonic acid type liquid crystal monomer material, the ion conduction sites of the sulfonic acid group are overlapped in a dense state. It has also been found that the solid state maintaining the molecular arrangement of the liquid crystal state of the sulfonic acid type liquid crystal monomer material has excellent proton conductivity (see Patent Document 2). .

しかしこのスルホン酸型液晶モノマー材料は、優れた材料であるが、スルホン酸型液晶モノマー材料をそのまま、燃料電池用電解質膜として使用するには、スルホン酸型液晶モノマー自体に機械特性がないので、実用化に当たっては困難や問題が生じやすい。   However, this sulfonic acid type liquid crystal monomer material is an excellent material, but in order to use the sulfonic acid type liquid crystal monomer material as it is as an electrolyte membrane for a fuel cell, the sulfonic acid type liquid crystal monomer itself has no mechanical properties. Difficulties and problems are likely to occur in practical use.

ところで液晶状態の分子配列を維持したままで固体状態にすることができれば、液晶状態の固体の膜が得られるので、液晶を保持する材料の添加が必要でなくなり、使い勝手が飛躍的に向上する。
このとき、固体状態で乱雑であった分子配列を、一旦液晶状態に相転移させ、乱雑な分子配列を整えることが必要となるが、この相転移温度が200℃以上となるとスルホン酸基が脱離し、分子の分解が起こってしまう。最悪の場合、分解がひどく液晶性を発現しないということが起こる。
By the way, if a solid state can be obtained while maintaining the molecular arrangement in the liquid crystal state, a solid film in the liquid crystal state can be obtained. Therefore, it is not necessary to add a material for holding the liquid crystal, and the usability is greatly improved.
At this time, it is necessary to temporarily change the molecular arrangement, which is disordered in the solid state, to a liquid crystal state and to arrange the disordered molecular arrangement. However, when the phase transition temperature is 200 ° C. or higher, the sulfonic acid group is removed. Release, causing molecular decomposition. In the worst case, decomposition occurs so that liquid crystallinity is not exhibited.

そこでスルホン酸型液晶モノマー材料を重合してポリマー化することが考えられるが、ポリマー化すると液晶となる相転移温度が極端に高くなる傾向があり、相転移温度が200℃以上となると前記のようにスルホン酸基が脱離し、分子の分解が起こってしまう。そのため、ポリマー化する場合にも、この相転移温度を低くする課題が生じる。   Therefore, it is conceivable to polymerize the sulfonic acid type liquid crystal monomer material, but when polymerized, the phase transition temperature to become liquid crystal tends to become extremely high, and when the phase transition temperature becomes 200 ° C. or higher, as described above. In this case, the sulfonic acid group is eliminated and the molecule is decomposed. Therefore, even when polymerizing, the subject which makes this phase transition temperature low arises.

一方、相転移温度を低くすることができ、スルホン酸基の脱離や分子の分解を抑えることができたとしても、液晶状態から固体状態に相転移させた場合に、図7に示すようにスルホン酸基(−SO3H基)が欠落した欠陥箇所が生じると、プロトン伝導性が低くなってしまう可能性がある。このため、欠陥を減少させる課題も生じる。
特開2006−179448 特開2003−55337
On the other hand, even if the phase transition temperature can be lowered and the elimination of the sulfonic acid group and the decomposition of the molecule can be suppressed, as shown in FIG. When a defective portion lacking a sulfonic acid group (—SO 3 H group) is generated, proton conductivity may be lowered. For this reason, the subject which reduces a defect also arises.
JP 2006-179448 A JP 2003-55337 A

本発明の第1の目的は、スルホン酸型液晶ポリマー材料の液晶状態から固体状態に戻す際に生じる欠陥を減少ないし無くし、かつスルホン基が脱離しないように相転移温度を200℃以下に低くして、低温で液晶相を発現させ、優れたプロトン伝導性を有する上、機械的特性に優れるので、特に燃料電池用の電解質膜に好適なプロトン輸送材料を提供することであり、
本発明の第2の目的は、このプロトン輸送材料を用いたイオン交換体、膜電極接合体(MEA)、燃料電池を提供することであり、
本発明の第3の目的は、このプロトン輸送材料の製造原料として使用できる原料を提供することである。
The first object of the present invention is to reduce or eliminate defects generated when the sulfonic acid type liquid crystal polymer material is returned from the liquid crystal state to the solid state, and to lower the phase transition temperature to 200 ° C. or lower so that the sulfone group is not eliminated. In addition, the liquid crystal phase is expressed at a low temperature, has excellent proton conductivity, and is excellent in mechanical properties. Therefore, the present invention is to provide a proton transport material particularly suitable for an electrolyte membrane for a fuel cell,
A second object of the present invention is to provide an ion exchanger, a membrane electrode assembly (MEA), and a fuel cell using the proton transport material,
The third object of the present invention is to provide a raw material that can be used as a raw material for producing the proton transport material.

以上の課題を解決するために、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、次のような知見を得た。
すなわち、スルホン酸型液晶モノマーを重合させてメソゲン基(芳香環などの環が二環以上連結した構造の剛直性に富むユニット)を持つ特定の分子構造を有するスルホン酸型液晶ポリマー材料を合成し、このスルホン酸型液晶ポリマー材料に、メソゲン基とともにホスホン酸基を有する特定の分子構造を有する材料を添加・混合することにより、両メソゲン基がスタックして、両メソゲン基間にスルホン酸基とホスホン酸基が存在するようになり、この結果、図1に示すように、液晶状態から固体状態に戻した際に生じる欠陥をホスホン酸基が補完し、しかもホスホン酸基を有する材料自体もプロトン輸送能を有するため、プロトン伝導性が向上するとともに、相転移温度が200℃以下に低くなり、低温で液晶相を発現できることを見い出し、本発明を成すに至った。
In order to solve the above problems, the present inventors have made extensive studies and as a result, obtained the following knowledge.
That is, a sulfonic acid type liquid crystal monomer is polymerized to synthesize a sulfonic acid type liquid crystal polymer material having a specific molecular structure having a mesogenic group (a unit having high rigidity of a structure in which two or more rings such as aromatic rings are connected). By adding and mixing a material having a specific molecular structure having a phosphonic acid group together with a mesogenic group to the sulfonic acid type liquid crystal polymer material, both mesogenic groups are stacked, and a sulfonic acid group and a sulfonic acid group are interposed between both mesogenic groups. As a result, as shown in FIG. 1, the phosphonic acid group complements the defects generated when the liquid crystal state is returned to the solid state, and the material having the phosphonic acid group itself is also protonated. It has the ability to transport, so that proton conductivity is improved and the phase transition temperature is lowered to 200 ° C. or lower, and a liquid crystal phase can be developed at a low temperature. And, thereby forming the basis of the present invention.

本発明の請求項1記載のプロトン輸送材料は、スルホン酸型液晶ポリマー材料と、ホスホン酸基を有する材料とを必須成分として混合したことを特徴とする。   The proton transport material according to claim 1 of the present invention is characterized in that a sulfonic acid type liquid crystal polymer material and a material having a phosphonic acid group are mixed as essential components.

本発明の請求項2記載のプロトン輸送材料は、請求項1記載のプロトン輸送材料において、前記スルホン酸型液晶ポリマー材料が、下記一般式(1)で表されることを特徴とする。   The proton transport material according to claim 2 of the present invention is characterized in that in the proton transport material according to claim 1, the sulfonic acid type liquid crystal polymer material is represented by the following general formula (1).

[前記一般式(1)中、R1 は水素原子またはメチル基、Aはアルキレン基、−C64 −CH2−、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−、Bはアルキレン基、Zはメソゲン基を示し、n1は2以上の整数を示し、n2 は1以上の整数を示す。] [In the general formula (1), R 1 is a hydrogen atom or a methyl group, A is an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—, B is An alkylene group, Z represents a mesogenic group, n1 represents an integer of 2 or more, and n2 represents an integer of 1 or more. ]

本発明の請求項3記載のプロトン輸送材料は、請求項2記載のプロトン輸送材料において、前記一般式(1)において、Zがビフェニルであり、前記スルホン酸型液晶ポリマー材料が下記一般式(2)で表されることを特徴とする。   The proton transport material according to claim 3 of the present invention is the proton transport material according to claim 2, wherein Z is biphenyl in the general formula (1), and the sulfonic acid type liquid crystal polymer material is represented by the following general formula (2). ).

[前記一般式(2)中、R1 は水素原子またはメチル基、Aはアルキレン基、−C64 −CH2−、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−、Bはアルキレン基、Zはメソゲン基を示し、n1は2以上の整数を示し、n2 は1以上の整数を示す。] [In the general formula (2), R 1 is a hydrogen atom or a methyl group, A is an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—, B is An alkylene group, Z represents a mesogenic group, n1 represents an integer of 2 or more, and n2 represents an integer of 1 or more. ]

本発明の請求項4記載のプロトン輸送材料は、請求項2あるいは請求項3記載のプロトン輸送材料において、前記スルホン酸型液晶ポリマー材料が、前記一般式(1)中のR1 がメチル基、Aが−CO−O(CH2 )n2 −、Bが−(CH2 )n3 −で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料であることを特徴とする。
[前記一般式(1)中、n2 は1以上の整数を示し、n3 は3以上の整数を示す。]
The proton transport material according to claim 4 of the present invention is the proton transport material according to claim 2 or claim 3, wherein the sulfonic acid type liquid crystal polymer material is such that R 1 in the general formula (1) is a methyl group, A is a sulfonic acid type liquid crystal polymer material in which A is represented by —CO—O (CH 2 ) n 2 — and B is represented by — (CH 2 ) n 3 —.
[In the general formula (1), n2 represents an integer of 1 or more, and n3 represents an integer of 3 or more. ]

本発明の請求項5記載のプロトン輸送材料は、請求項4記載のプロトン輸送材料において、前記スルホン酸型液晶ポリマー材料が、前記一般式(1)中のR1 がメチル基、n2 が1〜18、n3 が3〜10で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料であることを特徴とする。 The proton transporting material according to claim 5 of the present invention is the proton transporting material according to claim 4, wherein the sulfonic acid type liquid crystal polymer material is such that R 1 in the general formula (1) is a methyl group, and n2 is 1 to 18. A sulfonic acid type liquid crystal polymer material in which n3 is represented by 3-10.

本発明の請求項6記載のプロトン輸送材料は、請求項5記載のプロトン輸送材料において、前記スルホン酸型液晶ポリマー材料が、前記一般式(1)中のn2 が7〜18で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料であることを特徴とする。   The proton transport material according to claim 6 of the present invention is the proton transport material according to claim 5, wherein the sulfonic acid type liquid crystal polymer material is a sulfone represented by n2 in the general formula (1) of 7 to 18. It is characterized by being an acid type liquid crystal polymer material.

本発明の請求項7記載のプロトン輸送材料は、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料において、前記ホスホン酸基を有する材料が、下記一般式(3)で表されることを特徴とする。   The proton transport material according to claim 7 of the present invention is the proton transport material according to any one of claims 1 to 6, wherein the material having the phosphonic acid group is represented by the following general formula (3). It is characterized by being.

[前記一般式(3)中、Aはアルキレン基、−C64 −CH2 −、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−、Bはアルキレン基、Zはメソゲン基を示し、n2 は1以上の整数を示す。] [In the general formula (3), A represents an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—, B represents an alkylene group, and Z represents a mesogenic group. , N2 represents an integer of 1 or more. ]

本発明の請求項8記載のプロトン輸送材料は、請求項7記載のプロトン輸送材料において、前記一般式(3)において、Zがビフェニルであり、前記ホスホン酸基を有する材料が下記一般式(4)で表されることを特徴とする。   The proton transport material according to claim 8 of the present invention is the proton transport material according to claim 7, wherein Z is biphenyl in the general formula (3), and the material having the phosphonic acid group is represented by the following general formula (4). ).

[前記一般式(4)中、Aはアルキレン基、−C64 −CH2 −、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−、Bはアルキレン基を示し、n2 は1以上の整数を示す。] [In the general formula (4), A represents an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—, B represents an alkylene group, and n 2 represents 1 or more. Indicates an integer. ]

本発明の請求項9記載のプロトン輸送材料は、請求項7あるいは請求項8記載のプロトン輸送材料において、前記ホスホン酸基を有する材料が、前記一般式(4)中のAが−(CH2 )n4 −、Bが−(CH2 )n3 −で表されるホスホン酸基を有する材料であることを特徴とする。
[前記一般式(4)中、n3 、n4 は1以上の整数を示す。]
The proton transport material according to claim 9 of the present invention is the proton transport material according to claim 7 or claim 8, wherein the material having the phosphonic acid group is such that A in the general formula (4) is-(CH 2 ) n4 -, B is - (CH 2) n3 - characterized in that it is a material having a phosphonic acid group represented by.
[In the general formula (4), n3 and n4 each represent an integer of 1 or more. ]

本発明の請求項10記載のプロトン輸送材料は、請求項9記載のプロトン輸送材料において、前記ホスホン酸基を有する材料が、前記一般式(4)中のn4 が1〜17、n3 が3〜10で表されるホスホン酸基を有する材料であることを特徴とする。   The proton transport material according to claim 10 of the present invention is the proton transport material according to claim 9, wherein the material having the phosphonic acid group is such that n4 is 1 to 17 and n3 is 3 to 3 in the general formula (4). It is a material having a phosphonic acid group represented by 10.

本発明の請求項11記載のプロトン輸送材料は、請求項1から請求項10のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料において、前記スルホン酸型液晶ポリマー材料に対して0.1〜60質量%の前記ホスホン酸基を有する材料を混合したことを特徴とする。   The proton transport material according to an eleventh aspect of the present invention is the proton transport material according to any one of the first to tenth aspects, wherein 0.1 to 60 mass% with respect to the sulfonic acid type liquid crystal polymer material. The material having the phosphonic acid group is mixed.

本発明の請求項12記載のプロトン輸送材料は、請求項2から請求項11のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料において、前記一般式(1)で表されるスルホン酸型液晶ポリマーと、前記一般式(3)で表されるホスホン酸基を有する材料との混合物の液晶状態の分子配列を、液晶状態で利用することを特徴とする。   The proton transport material according to claim 12 of the present invention is the proton transport material according to any one of claims 2 to 11, wherein the sulfonic acid type liquid crystal polymer represented by the general formula (1); The molecular arrangement in a liquid crystal state of a mixture with a material having a phosphonic acid group represented by the general formula (3) is used in a liquid crystal state.

本発明の請求項13記載のプロトン輸送材料は、請求項2から請求項11のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料において、前記一般式(1)で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料と、前記一般式(3)で表されるホスホン酸基を有する材料の混合物との液晶状態の分子配列を、固体状態で利用することを特徴とする。   The proton transport material according to claim 13 of the present invention is the proton transport material according to any one of claims 2 to 11, wherein the sulfonic acid type liquid crystal polymer material represented by the general formula (1) is used. The molecular arrangement in a liquid crystal state with a mixture of materials having a phosphonic acid group represented by the general formula (3) is used in a solid state.

本発明の請求項14記載のプロトン輸送材料は、請求項12あるいは請求項13記載のプロトン輸送材料において、液晶状態がスメクチックであることを特徴とする。   The proton transport material according to claim 14 of the present invention is the proton transport material according to claim 12 or 13, wherein the liquid crystal state is smectic.

本発明の請求項15は、請求項1から請求項14のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料を用いたことを特徴とするイオン交換体である。   A fifteenth aspect of the present invention is an ion exchanger using the proton transport material according to any one of the first to fourteenth aspects.

本発明の請求項16は、請求項1から請求項14のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料を用いたことを特徴とする膜電極接合体(MEA)である。   A sixteenth aspect of the present invention is a membrane electrode assembly (MEA) using the proton transport material according to any one of the first to fourteenth aspects.

本発明の請求項17は、請求項1から請求項14のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料を用いたことを特徴とする燃料電池である。   A seventeenth aspect of the present invention is a fuel cell using the proton transport material according to any one of the first to fourteenth aspects.

本発明の請求項18は、下記一般式(1)で表されることを特徴とするスルホン酸型液晶ポリマー材料である。   An eighteenth aspect of the present invention is a sulfonic acid type liquid crystal polymer material represented by the following general formula (1).

[前記一般式(1)中、R1 は水素原子またはメチル基、Aはアルキレン基、−C64 −CH2−、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−、Bはアルキレン基、Zはメソゲン基を示し、n1は2以上の整数を示し、n2 は1以上の整数を示す。] [In the general formula (1), R 1 is a hydrogen atom or a methyl group, A is an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—, B is An alkylene group, Z represents a mesogenic group, n1 represents an integer of 2 or more, and n2 represents an integer of 1 or more. ]

本発明の請求項19は、請求項18記載のスルホン酸型液晶ポリマー材料において、前記一般式(1)において、Zがビフェニルであり、下記一般式(2)で表されることを特徴とする。   According to a nineteenth aspect of the present invention, in the sulfonic acid type liquid crystal polymer material according to the eighteenth aspect, in the general formula (1), Z is biphenyl, and is represented by the following general formula (2). .

[前記一般式(2)中、R1 は水素原子またはメチル基、Aはアルキレン基、−C64 −CH2−、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−、Bはアルキレン基、Zはメソゲン基を示し、n1は2以上の整数を示し、n2 は1以上の整数を示す。] [In the general formula (2), R 1 is a hydrogen atom or a methyl group, A is an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—, B is An alkylene group, Z represents a mesogenic group, n1 represents an integer of 2 or more, and n2 represents an integer of 1 or more. ]

本発明の請求項20は、請求項18あるいは請求項19記載のスルホン酸型液晶ポリマー材料において、前記一般式(1)中のR1 がメチル基、Aが−CO−O(CH2 )n2 −、Bが−(CH2 )n3 −で表されることを特徴とする。
[前記一般式(1)中、n2 は1以上の整数を示し、n3 は3以上の整数を示す。]
According to a twentieth aspect of the present invention, in the sulfonic acid type liquid crystal polymer material according to the eighteenth or nineteenth aspect, R 1 in the general formula (1) is a methyl group, and A is —CO—O (CH 2 ) n 2. -, B is - (CH 2) n3 - characterized by being represented by.
[In the general formula (1), n2 represents an integer of 1 or more, and n3 represents an integer of 3 or more. ]

本発明の請求項21は、請求項20記載のスルホン酸型液晶ポリマー材料において、前記一般式(1)中のR1 がメチル基、n2 が1〜18、n3 が3〜10で表されることを特徴とする。 According to a twenty-first aspect of the present invention, in the sulfonic acid type liquid crystal polymer material according to the twenty-first aspect, R 1 in the general formula (1) is a methyl group, n2 is 1 to 18, and n3 is 3 to 10. It is characterized by that.

本発明の請求項22は、請求項21記載のスルホン酸型液晶ポリマー材料において、前記一般式(1)中のn2 が7〜18で表されることを特徴とする。   According to a twenty-second aspect of the present invention, in the sulfonic acid type liquid crystal polymer material according to the twenty-first aspect, n2 in the general formula (1) is represented by 7-18.

本発明の請求項23は、下記一般式(3)で表されることを特徴とするホスホン酸基を有する材料である。   A twenty-third aspect of the present invention is a material having a phosphonic acid group represented by the following general formula (3).

[前記一般式(3)中、Aはアルキレン基、−C64 −CH2 −、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−、Bはアルキレン基、Zはメソゲン基を示し、n2 は1以上の整数を示す。] [In the general formula (3), A represents an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—, B represents an alkylene group, and Z represents a mesogenic group. , N2 represents an integer of 1 or more. ]

本発明の請求項24は、請求項23記載のホスホン酸基を有する材料において、前記一般式(3)において、Zがビフェニルであり、下記一般式(4)で表されることを特徴とする。   According to a twenty-fourth aspect of the present invention, in the material having a phosphonic acid group according to the twenty-third aspect, in the general formula (3), Z is biphenyl, and is represented by the following general formula (4). .

[前記一般式(4)中、Aはアルキレン基、−C64 −CH2 −、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−、Bはアルキレン基を示し、n2 は1以上の整数を示す。] [In the general formula (4), A represents an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—, B represents an alkylene group, and n 2 represents 1 or more. Indicates an integer. ]

本発明の請求項25は、請求項23あるいは請求項24記載のホスホン酸基を有する材料において、前記一般式(4)中のAが−(CH2 )n4 −、Bが−(CH2 )n3 −で表されることを特徴とする。
[前記一般式(4)中、n3 、n4 は1以上の整数を示す。]
According to a twenty-fifth aspect of the present invention, in the material having a phosphonic acid group according to the twenty- third or twenty-fourth aspect, A in the general formula (4) is — (CH 2 ) n 4 — and B is — (CH 2 ). It is represented by n3-.
[In the general formula (4), n3 and n4 each represent an integer of 1 or more. ]

本発明の請求項26は、請求項25記載のホスホン酸基を有する材料において、前記一般式(4)中のn4 が1〜17、n3 が3〜10で表されることを特徴とする。   According to a twenty-sixth aspect of the present invention, in the material having a phosphonic acid group according to the twenty-fifth aspect, n4 in the general formula (4) is represented by 1 to 17, and n3 is represented by 3 to 10.

本発明の請求項1記載のプロトン輸送材料は、スルホン酸型液晶ポリマー材料と、ホスホン酸基を有する材料とを必須成分として混合したことを特徴とするものであり、
スルホン酸型液晶ポリマー材料と、このスルホン酸型液晶ポリマー材料にホスホン酸基を有する材料を添加・混合することにより、液晶状態から固体状態に戻した際に生じる欠陥をホスホン酸基が補完し、しかもホスホン酸基を有する材料自体もプロトン輸送能を有するため、プロトン伝導性が向上するとともに、相転移温度が200℃以下に低くなり、低温で液晶相を発現でき、スルホン酸基の脱離によるプロトン伝導の低下を避けることができる上、機械的特性に優れるのでイオン交換体としても利用可能であり、特に燃料電池用の電解質膜に好適であるという顕著な効果を奏する。
The proton transport material according to claim 1 of the present invention is characterized in that a sulfonic acid type liquid crystal polymer material and a material having a phosphonic acid group are mixed as essential components,
By adding and mixing a sulfonic acid type liquid crystal polymer material and a material having a phosphonic acid group to this sulfonic acid type liquid crystal polymer material, the phosphonic acid group complements the defects that occur when the liquid crystal state is returned to the solid state. Moreover, since the material having a phosphonic acid group itself also has a proton transporting ability, the proton conductivity is improved, the phase transition temperature is lowered to 200 ° C. or lower, and a liquid crystal phase can be developed at a low temperature. In addition to being able to avoid a decrease in proton conductivity, it is excellent in mechanical properties, so it can be used as an ion exchanger, and has a remarkable effect that it is particularly suitable for an electrolyte membrane for a fuel cell.

本発明の請求項2記載のプロトン輸送材料は、請求項1記載のプロトン輸送材料において、前記スルホン酸型液晶ポリマー材料が、前記一般式(1)で表されることを特徴とするものであり、
スルホン酸型液晶モノマーを重合させてメソゲン基を持つ前記一般式(1)で表される特定の分子構造を有するスルホン酸型液晶ポリマー材料を合成し、このスルホン酸型液晶ポリマー材料に、ホスホン酸基を有する材料を添加・混合することにより、液晶状態から固体状態に戻した際に生じる欠陥をホスホン酸基が補完し、しかもホスホン酸基を有する材料自体もプロトン輸送能を有するため、プロトン伝導性が向上するとともに、相転移温度が200℃以下に低くなり、低温で液晶相を発現でき、スルホン酸基の脱離によるプロトン伝導の低下を避けることができる上、このスルホン酸型液晶ポリマー材料とホスホン酸基を有する材料の混合物は、スルホン酸基とホスホン酸基が密に連なっているため、低加湿でプロトン伝導性が高く、燃料電池などの低温での作動も期待され、燃料電池のコストダウンも見込まれ、そして、スルホン酸型液晶モノマーを重合させて高分子量から超高分子量までのスルホン酸型液晶ポリマー材料が容易に得られるので、機械的特性により優れ、燃料電池の電解質膜としてより好適に使用することができるというさらなる顕著な効果を奏する。
The proton transport material according to claim 2 of the present invention is characterized in that, in the proton transport material according to claim 1, the sulfonic acid type liquid crystal polymer material is represented by the general formula (1). ,
The sulfonic acid type liquid crystal monomer is polymerized to synthesize a sulfonic acid type liquid crystal polymer material having a specific molecular structure represented by the general formula (1) having a mesogenic group, and the sulfonic acid type liquid crystal polymer material is synthesized with phosphonic acid. By adding / mixing a material having a group, the phosphonic acid group supplements the defect that occurs when the liquid crystal state is returned to the solid state, and the material having the phosphonic acid group itself also has a proton transporting ability, so that proton conduction In addition to improving the properties, the phase transition temperature is lowered to 200 ° C. or lower, the liquid crystal phase can be developed at a low temperature, the decrease in proton conduction due to the elimination of the sulfonic acid group can be avoided, and the sulfonic acid type liquid crystal polymer material And a mixture of materials having a phosphonic acid group, since the sulfonic acid group and the phosphonic acid group are closely connected, the proton conductivity is low with low humidification, Expected to operate at low temperatures, such as in fuel cells, and is expected to reduce the cost of fuel cells, and by polymerizing sulfonic acid type liquid crystal monomers, sulfonic acid type liquid crystal polymer materials of high to ultra high molecular weight can be easily obtained. Therefore, it is excellent in mechanical characteristics and has a further remarkable effect that it can be used more suitably as an electrolyte membrane of a fuel cell.

本発明の請求項3記載のプロトン輸送材料は、請求項2記載のプロトン輸送材料において、前記一般式(1)において、Zがビフェニルであり、前記スルホン酸型液晶ポリマー材料が前記一般式(2)で表されることを特徴とするものであり、液晶性をさらに示し易いというさらなる顕著な効果を奏する。   The proton transport material according to claim 3 of the present invention is the proton transport material according to claim 2, wherein Z is biphenyl in the general formula (1), and the sulfonic acid type liquid crystal polymer material is the general formula (2). ) And has a further remarkable effect that the liquid crystallinity is more easily exhibited.

本発明の請求項4記載のプロトン輸送材料は、請求項2あるいは請求項3記載のプロトン輸送材料において、前記スルホン酸型液晶ポリマー材料が、前記一般式(1)中のR1 がメチル基、Aが−CO−O(CH2 )n2 −、Bが−(CH2 )n3 −で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料であることを特徴とするものであり、液晶性をさらに示し易いというさらなる顕著な効果を奏する。 The proton transport material according to claim 4 of the present invention is the proton transport material according to claim 2 or claim 3, wherein the sulfonic acid type liquid crystal polymer material is such that R 1 in the general formula (1) is a methyl group, A is a sulfonic acid type liquid crystal polymer material in which A is represented by —CO—O (CH 2 ) n 2 — and B is represented by — (CH 2 ) n 3 —, and it is easier to exhibit liquid crystallinity. There is a further remarkable effect.

本発明の請求項5記載のプロトン輸送材料は、請求項4記載のプロトン輸送材料において、前記スルホン酸型液晶ポリマー材料が、前記一般式(1)中のR1 がメチル基、n2 が1〜18、n3 が3〜10で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料であることを特徴とするものであり、疎水性が高まり過ぎず、液晶性を示しやすいといというさらなる顕著な効果を奏する。 The proton transporting material according to claim 5 of the present invention is the proton transporting material according to claim 4, wherein the sulfonic acid type liquid crystal polymer material is such that R 1 in the general formula (1) is a methyl group, and n2 is 1 to 18, characterized in that it is a sulfonic acid type liquid crystal polymer material in which n3 is represented by 3 to 10, and has a further remarkable effect that it is easy to show liquid crystallinity without excessively increasing hydrophobicity.

本発明の請求項6記載のプロトン輸送材料は、請求項5記載のプロトン輸送材料において、前記スルホン酸型液晶ポリマー材料が、前記一般式(1)中のn2 が7〜18で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料であることを特徴とするものであり、耐水性を有しつつ、液晶性を示すさらなる顕著な効果を奏する。   The proton transport material according to claim 6 of the present invention is the proton transport material according to claim 5, wherein the sulfonic acid type liquid crystal polymer material is a sulfone represented by n2 in the general formula (1) of 7 to 18. It is characterized by being an acid-type liquid crystal polymer material, and has a further remarkable effect of exhibiting liquid crystal properties while having water resistance.

本発明の請求項7記載のプロトン輸送材料は、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料において、前記ホスホン酸基を有する材料が、前記一般式(3)で表されることを特徴とするものであり、
スルホン酸型液晶モノマーを重合させてメソゲン基を持つ前記一般式(1)で表される特定の分子構造を有するスルホン酸型液晶ポリマー材料を合成し、このスルホン酸型液晶ポリマー材料に、前記一般式(3)で表されるメソゲン基とともにホスホン酸基を有する特定の分子構造を有する材料を添加・混合することにより、図1に示すように、両メソゲン基がスタックして液晶性を示し易く、両メソゲン基間にスルホン酸基とホスホン酸基が密に連なって存在するようになり、この結果、液晶状態から固体状態に戻した際に生じる欠陥をホスホン酸基が補完し、しかも、ホスホン酸基を有する材料自体もプロトン輸送能を有するため、プロトン伝導性が向上するとともに、相転移温度が200℃以下に低くなり、低温で液晶相を発現できるとともに、機械的特性に優れ、燃料電池の電解質膜として好適に使用できるというさらなる顕著な効果を奏する。
The proton transport material according to claim 7 of the present invention is the proton transport material according to any one of claims 1 to 6, wherein the material having the phosphonic acid group is represented by the general formula (3). It is characterized by being
The sulfonic acid type liquid crystal monomer is polymerized to synthesize a sulfonic acid type liquid crystal polymer material having a specific molecular structure represented by the general formula (1) having a mesogenic group, By adding and mixing a material having a specific molecular structure having a phosphonic acid group together with the mesogenic group represented by the formula (3), both mesogenic groups can easily be stacked to exhibit liquid crystallinity as shown in FIG. As a result, a sulfonic acid group and a phosphonic acid group are closely connected to each other between the mesogenic groups. As a result, the phosphonic acid group compensates for a defect that occurs when the liquid crystal state is returned to the solid state. Since the acid group-containing material itself also has proton transportability, the proton conductivity is improved and the phase transition temperature is lowered to 200 ° C. or lower, so that a liquid crystal phase can be developed at a low temperature. Both exhibits the additional remarkable effect that excellent mechanical properties, suitable for use as an electrolyte membrane of a fuel cell.

本発明の請求項8記載のプロトン輸送材料は、請求項7記載のプロトン輸送材料において、前記一般式(3)において、Zがビフェニルであり、ホスホン酸基を有する材料が前記一般式(4)で表されることを特徴とするものであり、前記一般式(2)で表される特定の分子構造を有するスルホン酸型液晶ポリマー材料にこのホスホン酸基を有する材料を添加・混合することで、液晶性をさらに示し易いというさらなる顕著な効果を奏する。   The proton transport material according to claim 8 of the present invention is the proton transport material according to claim 7, wherein in the general formula (3), Z is biphenyl, and the material having a phosphonic acid group is the general formula (4). The material having a phosphonic acid group is added to and mixed with the sulfonic acid type liquid crystal polymer material having the specific molecular structure represented by the general formula (2). In addition, the liquid crystallinity can be further easily exhibited.

本発明の請求項9記載のプロトン輸送材料は、請求項7あるいは請求項8記載のプロトン輸送材料において、前記ホスホン酸基を有する材料が、前記一般式(4)中のAが−(CH2 )n4 −、Bが−(CH2 )n3 −で表されるホスホン酸基を有する材料であることを特徴とするものであり、前記一般式(3)で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料のメソゲン基とさらにスタックして液晶性を示し易いというさらなる顕著な効果を奏する。 The proton transport material according to claim 9 of the present invention is the proton transport material according to claim 7 or claim 8, wherein the material having the phosphonic acid group is such that A in the general formula (4) is-(CH 2 ) n4 -, B is - (CH 2) n3 - in which is characterized in that the a material having a phosphonic acid group represented, sulfonic acid-type liquid crystal polymer material represented by the general formula (3) It is possible to further stack with the mesogenic group and to exhibit a liquid crystallinity, which is further remarkable.

本発明の請求項10記載のプロトン輸送材料は、請求項9記載のプロトン輸送材料において、前記ホスホン酸基を有する材料が、前記一般式(4)中のn4 が1〜17、n3 が3〜10で表されるホスホン酸基を有する材料であることを特徴とするものであり、前記一般式(3)で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料のメソゲン基とさらにスタックして液晶性を示し易いというさらなる顕著な効果を奏する。   The proton transport material according to claim 10 of the present invention is the proton transport material according to claim 9, wherein the material having the phosphonic acid group is such that n4 is 1 to 17 and n3 is 3 to 3 in the general formula (4). It is characterized by being a material having a phosphonic acid group represented by 10 and exhibits a liquid crystal property by further stacking with a mesogenic group of the sulfonic acid type liquid crystal polymer material represented by the general formula (3). There is a further remarkable effect that it is easy.

本発明の請求項11記載のプロトン輸送材料は、請求項1から請求項10のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料において、前記スルホン酸型液晶ポリマー材料に対して0.1〜60質量%の前記ホスホン酸基を有する材料を混合したことを特徴とするものであり、液晶性を確実に示し易く、プロトン伝導性が確実に向上するとともに、相転移温度が200℃以下に低くなり、低温で液晶相を発現でき、機械的特性に優れ、燃料電池の電解質膜として好適に使用できるというさらなる顕著な効果を奏する。   The proton transport material according to an eleventh aspect of the present invention is the proton transport material according to any one of the first to tenth aspects, wherein 0.1 to 60 mass% with respect to the sulfonic acid type liquid crystal polymer material. The phosphonic acid group-containing material is mixed, and it is easy to reliably exhibit liquid crystallinity, the proton conductivity is surely improved, and the phase transition temperature is lowered to 200 ° C. or lower. In addition, the liquid crystal phase can be exhibited, the mechanical properties are excellent, and it can be suitably used as an electrolyte membrane of a fuel cell.

本発明の請求項12記載のプロトン輸送材料は、請求項2から請求項11のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料において、前記一般式(1)で表されるスルホン酸型液晶ポリマーと、前記一般式(3)で表されるホスホン酸基を有する材料との混合物の液晶状態の分子配列を、液晶状態で利用することを特徴とするものであり、例えばプロトン伝導性に優れた電解液として使用できるというさらなる顕著な効果を奏する。   The proton transport material according to claim 12 of the present invention is the proton transport material according to any one of claims 2 to 11, wherein the sulfonic acid type liquid crystal polymer represented by the general formula (1); A liquid crystal state molecular arrangement of a mixture with a material having a phosphonic acid group represented by the general formula (3) is used in a liquid crystal state, for example, an electrolyte solution excellent in proton conductivity It can be used as a further remarkable effect.

本発明の請求項13記載のプロトン輸送材料は、請求項2から請求項11のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料において、前記一般式(1)で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料と、前記一般式(3)で表されるホスホン酸基を有する材料の混合物との液晶状態の分子配列を、固体状態で利用することを特徴とするものであり、
液晶状態の分子配列を保持した固体であるので、優れた機械的特性や優れたプロトン輸送能などを有する例えば燃料電池用の電解質膜に好適であるというさらなる顕著な効果を奏する。
The proton transport material according to claim 13 of the present invention is the proton transport material according to any one of claims 2 to 11, wherein the sulfonic acid type liquid crystal polymer material represented by the general formula (1) is used. The molecular arrangement in a liquid crystal state with a mixture of materials having a phosphonic acid group represented by the general formula (3) is used in a solid state,
Since it is a solid having a molecular arrangement in a liquid crystal state, it has a further remarkable effect that it is suitable for, for example, an electrolyte membrane for fuel cells having excellent mechanical properties and excellent proton transport ability.

本発明の請求項14記載のプロトン輸送材料は、請求項12あるいは請求項13記載のプロトン輸送材料において、液晶状態がスメクチックであることを特徴とするものであり、より優れた機械的特性や優れたプロトン輸送能などを有する例えば燃料電池用の電解質膜に好適であるというさらなる顕著な効果を奏する。   The proton transport material according to claim 14 of the present invention is characterized in that, in the proton transport material according to claim 12 or claim 13, the liquid crystal state is smectic, and more excellent mechanical properties and excellent In addition, it has a further remarkable effect that it is suitable for, for example, an electrolyte membrane for a fuel cell having a proton transporting ability.

本発明の請求項15は、請求項1から請求項14のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料を用いたことを特徴とするイオン交換体であり、
優れたイオン交換特性を有するイオン交換体として利用できるという顕著な効果を奏する。
A fifteenth aspect of the present invention is an ion exchanger using the proton transport material according to any one of the first to fourteenth aspects,
There is a remarkable effect that it can be used as an ion exchanger having excellent ion exchange characteristics.

本発明の請求項16は、請求項1から請求項14のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料を用いたことを特徴とする膜電極接合体(MEA)であり、優れた機械的特性を有し、低加湿でプロトン伝導性が高く、燃料電池などの低温での作動も期待され、燃料電池のコストダウンも図れるという顕著な効果を奏する。   A sixteenth aspect of the present invention is a membrane electrode assembly (MEA) characterized by using the proton transport material according to any one of the first to fourteenth aspects, and has excellent mechanical properties. It has a high proton conductivity with low humidification, is expected to operate at a low temperature such as a fuel cell, and has the remarkable effect of reducing the cost of the fuel cell.

本発明の請求項17は、請求項1から請求項14のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料を用いたことを特徴とする燃料電池であり、
高い発電効率および低温での作動も期待され、燃料電池のコストダウンも図れるという顕著な効果を奏する。
A seventeenth aspect of the present invention is a fuel cell using the proton transport material according to any one of the first to fourteenth aspects,
High power generation efficiency and low temperature operation are also expected, and the fuel cell cost can be reduced.

本発明の請求項18は、前記一般式(1)で表されることを特徴とするスルホン酸型液晶ポリマー材料であり、
スルホン酸型液晶モノマーを重合させて容易に高分子量から超高分子量までのスルホン酸型液晶ポリマーを合成でき、機械的特性に優れ、液晶相を発現でき、プロトン伝導性が高く、イオン交換体や燃料電池の電解質膜などとして好適に使用することができるという顕著な効果を奏する。
Claim 18 of the present invention is a sulfonic acid type liquid crystal polymer material represented by the general formula (1),
Sulfonic acid type liquid crystal monomers can be easily polymerized to synthesize sulfonic acid type liquid crystal polymers from high molecular weight to ultra high molecular weight, excellent in mechanical properties, capable of expressing liquid crystal phase, high proton conductivity, ion exchanger and There is a remarkable effect that it can be suitably used as an electrolyte membrane of a fuel cell.

本発明の請求項19は、請求項18記載のスルホン酸型液晶ポリマー材料において、前記一般式(1)において、Zがビフェニルであり、前記一般式(2)で表されることを特徴とするものであり、 スルホン酸型液晶モノマーを重合させて容易に高分子量から超高分子量までのスルホン酸型液晶ポリマーを合成でき、より機械的特性に優れ、液晶性をさらに示し易く、プロトン伝導性が高く、イオン交換体や燃料電池の電解質膜などとして好適に使用することができるというさらなる顕著な効果を奏する。   According to a nineteenth aspect of the present invention, in the sulfonic acid-type liquid crystal polymer material according to the eighteenth aspect, in the general formula (1), Z is biphenyl, and is represented by the general formula (2). It is easy to synthesize sulfonic acid type liquid crystal polymer from high molecular weight to ultra high molecular weight by polymerizing sulfonic acid type liquid crystal monomer, and has better mechanical properties, easier to show liquid crystallinity, and proton conductivity. It has a high remarkable effect that it can be suitably used as an ion exchanger or an electrolyte membrane of a fuel cell.

本発明の請求項20は、請求項18あるいは請求項19記載のスルホン酸型液晶ポリマー材料において、前記一般式(1)中のR1 がメチル基、Aが−CO−O(CH2 )n2 −、Bが−(CH2 )n3 −で表されることを特徴とするものであり、液晶性を示し易く、スルホン酸基の耐熱性がさらに向上するというさらなる顕著な効果を奏する。 According to a twentieth aspect of the present invention, in the sulfonic acid type liquid crystal polymer material according to the eighteenth or nineteenth aspect, R 1 in the general formula (1) is a methyl group, and A is —CO—O (CH 2 ) n 2. -, B is represented by-(CH 2 ) n 3-, and it is easy to show liquid crystallinity and has a further remarkable effect of further improving the heat resistance of the sulfonic acid group.

本発明の請求項21は、請求項20記載のスルホン酸型液晶ポリマー材料において、前記一般式(1)中のR1 がメチル基、n2 が1〜18、n3 が3〜10で表されることを特徴とするものであり、液晶性を示し易く、スルホン酸基の耐熱性がさらに向上するというさらなる顕著な効果を奏する。 According to a twenty-first aspect of the present invention, in the sulfonic acid type liquid crystal polymer material according to the twenty-first aspect, R 1 in the general formula (1) is a methyl group, n2 is 1 to 18, and n3 is 3 to 10. The liquid crystallinity is easily exhibited and the heat resistance of the sulfonic acid group is further improved.

本発明の請求項22は、請求項21記載のスルホン酸型液晶ポリマー材料において、前記一般式(1)中のn2 が7〜18で表されることを特徴とするものであり、耐水性を有しつつ、液晶性を示し易く、スルホン酸基の耐熱性がさらに向上するというさらなる顕著な効果を奏する。   According to a twenty-second aspect of the present invention, in the sulfonic acid-type liquid crystal polymer material according to the twenty-first aspect, n2 in the general formula (1) is represented by 7 to 18, and water resistance is improved. In addition, the liquid crystallinity is easily exhibited and the heat resistance of the sulfonic acid group is further improved.

本発明の請求項23は、前記一般式(3)で表されることを特徴とするホスホン酸基を有する材料であり、前記スルホン酸型液晶ポリマーの補填機能が高く、両者を混合した混合物は、液晶状態から固体状態に戻した際に生じる欠陥をホスホン酸基が補完し、しかもホスホン酸基を有する材料自体もプロトン輸送能を有するため、プロトン伝導性が向上するとともに、相転移温度が200℃以下に低くなり、低温で液晶相を発現でき、機械的特性に優れるという顕著な効果を奏する。   Claim 23 of the present invention is a material having a phosphonic acid group, which is represented by the general formula (3), and has a high compensation function for the sulfonic acid type liquid crystal polymer. In addition, since the phosphonic acid group complements the defects generated when the liquid crystal state is returned to the solid state, and the material having the phosphonic acid group also has a proton transporting ability, the proton conductivity is improved and the phase transition temperature is 200. It has a remarkable effect that the liquid crystal phase can be developed at a low temperature and has excellent mechanical properties.

本発明の請求項24は、請求項23記載のホスホン酸基を有する材料において、前記一般式(3)において、Zがビフェニルであり、前記一般式(4)で表されることを特徴とするものであり、液晶性をさらに示し易く、前記スルホン酸型液晶ポリマーとの混合物は、スルホン酸基の耐熱性がさらに向上するというさらなる顕著な効果を奏する。   According to a twenty-fourth aspect of the present invention, in the material having a phosphonic acid group according to the twenty-third aspect, in the general formula (3), Z is biphenyl, and is represented by the general formula (4). It is easy to show liquid crystallinity, and the mixture with the sulfonic acid type liquid crystal polymer has a further remarkable effect that the heat resistance of the sulfonic acid group is further improved.

本発明の請求項25は、請求項23あるいは請求項24記載のホスホン酸基を有する材料において、前記一般式(4)中のAが−(CH2 )n4 −、Bが−(CH2 )n3 −で表されることを特徴とするものであり、液晶性をさらに示し易く、前記スルホン酸型液晶ポリマーとの混合物は、スルホン酸基の耐熱性がさらに向上するというさらなる顕著な効果を奏する。 According to a twenty-fifth aspect of the present invention, in the material having a phosphonic acid group according to the twenty- third or twenty-fourth aspect, A in the general formula (4) is — (CH 2 ) n 4 — and B is — (CH 2 ). It is characterized by being represented by n @ 3-, and it is easy to show liquid crystallinity, and the mixture with the sulfonic acid type liquid crystal polymer has a further remarkable effect that the heat resistance of the sulfonic acid group is further improved. .

本発明の請求項26は、請求項25記載のホスホン酸基を有する材料において、前記一般式(4)中のn4 が1〜17、n3 が3〜10で表されることを特徴とするものであり、スタックしやすく、さらに液晶性を示しやすいというさらなる顕著な効果を奏する。   A twenty-sixth aspect of the present invention is the material having a phosphonic acid group according to the twenty-fifth aspect, wherein n4 is represented by 1 to 17 and n3 is represented by 3 to 10 in the general formula (4). Thus, there is a further remarkable effect that it is easy to stack and liquid crystal properties are easily exhibited.

図1は、液晶状態の分子配列を有する本発明のプロトン輸送材料のプロトン輸送の状態を模式的に説明する説明図である。
スルホン酸型液晶モノマー材料を重合してポリマー化した従来のスルホン酸型液晶ポリマーが、図7に示すようにスルホン酸基(−SO3 H基)が欠落した欠陥箇所が生じて、プロトン伝導性が低くなってしまう可能性があるのに対して、図1に示す本発明のプロトン輸送材料は、スルホン酸型液晶ポリマー材料にホスホン酸基を有する材料を添加・混合することにより、液晶状態から固体状態に戻した際に生じる欠陥をホスホン酸基が補完するために、このような欠陥がなくなり、図1に示すようにプロトンが容易に伝導できるようになる。しかもホスホン酸基を有する材料自体もプロトン輸送能を有するため、プロトン伝導性がさらに向上するとともに、相転移温度が200℃以下に低くなり、低温で液晶相を発現できるので、スルホン酸基の脱離によるプロトン伝導の低下を避けることができる効果や、機械的特性に優れるなどの効果を得ることができる。
FIG. 1 is an explanatory view schematically illustrating the proton transport state of the proton transport material of the present invention having a liquid crystal state molecular arrangement.
As shown in FIG. 7, a conventional sulfonic acid type liquid crystal polymer obtained by polymerizing a sulfonic acid type liquid crystal monomer material has a defect portion lacking a sulfonic acid group (—SO 3 H group), and proton conductivity. In contrast, the proton transport material of the present invention shown in FIG. 1 can be removed from the liquid crystal state by adding and mixing a material having a phosphonic acid group to the sulfonic acid type liquid crystal polymer material. Since the phosphonic acid group complements the defects generated when the solid state is returned to the solid state, such defects are eliminated, and protons can be easily conducted as shown in FIG. Moreover, since the material having a phosphonic acid group itself has a proton transporting capability, the proton conductivity is further improved, and the phase transition temperature is lowered to 200 ° C. or lower, and a liquid crystal phase can be developed at a low temperature. It is possible to obtain effects such as avoiding a decrease in proton conduction due to separation and excellent mechanical properties.

(プロトン輸送材料)
本発明のプロトン輸送材料は、スルホン酸型液晶ポリマー材料と、ホスホン酸基を有する材料とを必須成分として混合したプロトン輸送材料であり、好ましくは、例えば前記一般式(1)または前記一般式(2)で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料と、前記一般式(3)で表されるホスホン酸基を有する材料を含有した混合物である。
かかる混合物は、前記一般式(3)で表されるホスホン酸基を有する材料を、前記一般式(1)で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料に対して、0.1〜60質量%、好ましくは3〜20質量%含有する。
0.1質量%未満では、前記一般式(3)で表されるホスホン酸基を有する材料の補完効果が低く、60質量%を超えると液晶性を発現しにくくなる恐れがある。
(Proton transport material)
The proton transport material of the present invention is a proton transport material in which a sulfonic acid type liquid crystal polymer material and a material having a phosphonic acid group are mixed as essential components. Preferably, for example, the general formula (1) or the general formula ( It is a mixture containing a sulfonic acid type liquid crystal polymer material represented by 2) and a material having a phosphonic acid group represented by the general formula (3).
Such a mixture contains 0.1 to 60% by mass of the material having a phosphonic acid group represented by the general formula (3) with respect to the sulfonic acid type liquid crystal polymer material represented by the general formula (1). Preferably it contains 3-20 mass%.
If it is less than 0.1% by mass, the complementation effect of the material having a phosphonic acid group represented by the general formula (3) is low, and if it exceeds 60% by mass, liquid crystallinity may be hardly exhibited.

(スルホン酸型液晶ポリマー材料)
前記一般式(1)で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料は、下記一般式(5)で表されるスルホン酸型液晶モノマーを単独重合して得られるホモポリマーであってもよく、あるいは共重合成分として、アクリル酸、メタクリル酸又はスチレン等の共重合成分を共重合して誘導される繰り返し単位を有する共重合体であってもよい。
前記一般式(1)で表される繰り返し単位は、共重合体中50モル%以上であることが好ましい。その中でもスルホン酸基のイオン伝導部位を密な状態で重ねられることから異成分のない100モル%のホモポリマーが特に好ましい。
ポリマーの分子量は、数平均分子量が1000〜数千万の範囲、好ましくは数万〜数百万の範囲である。数平均分子量が1000未満であると、機械特性が得られず、数千万を超えるとポリマーの製造が難しくなり、収率が悪くなる恐れがある。
前記一般式(1)中のn1は、2以上の整数であり、好ましくは2〜数万、さらに好ましくは20〜2000の範囲である。
(Sulphonic acid type liquid crystal polymer material)
The sulfonic acid type liquid crystal polymer material represented by the general formula (1) may be a homopolymer obtained by homopolymerizing a sulfonic acid type liquid crystal monomer represented by the following general formula (5), or a co-polymer. The polymerization component may be a copolymer having a repeating unit derived by copolymerizing a copolymer component such as acrylic acid, methacrylic acid or styrene.
The repeating unit represented by the general formula (1) is preferably 50 mol% or more in the copolymer. Among them, 100 mol% of a homopolymer having no different components is particularly preferable because the ion conduction sites of the sulfonic acid group can be stacked in a dense state.
The molecular weight of the polymer is such that the number average molecular weight is in the range of 1000 to tens of millions, preferably in the range of tens of thousands to millions. If the number average molecular weight is less than 1000, mechanical properties cannot be obtained, and if it exceeds tens of millions, the production of the polymer becomes difficult and the yield may be deteriorated.
N1 in the general formula (1) is an integer of 2 or more, preferably 2 to tens of thousands, and more preferably 20 to 2000.

[一般式(5)中、R1 は水素原子またはメチル基、Aはアルキレン基、−C64 −CH2 −、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−、Bはアルキレン基、Zはメソゲン基を示し、n2 は1以上の整数を示す。] [In the general formula (5), R 1 represents a hydrogen atom or a methyl group, A represents an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—, B represents an alkylene group. Group Z represents a mesogenic group, and n2 represents an integer of 1 or more. ]

本発明で用いるスルホン酸型液晶ポリマー材料の製造方法を次に述べる。
例えば、スルホン酸型液晶モノマーである前記一般式(5)のホモポリマー、あるいは共重合体、あるいは架橋剤により架橋されている高分子量のスルホン酸型液晶ポリマー材料を製造するには、所望のスルホン酸型液晶モノマーまたは所望のスルホン酸型液晶モノマーと共重合成分や架橋剤とを重合開始剤の存在下に、公知の重合法、例えば、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法、バルク重合法、光重合、熱重合、気相重合法などのラジカル重合法により重合反応を行うことにより製造することができる。中でも溶液重合法は操作し易いので好ましく使用できる。
A method for producing the sulfonic acid type liquid crystal polymer material used in the present invention will be described below.
For example, in order to produce a high molecular weight sulfonic acid type liquid crystal polymer material crosslinked with a homopolymer, a copolymer, or a crosslinking agent of the general formula (5) which is a sulfonic acid type liquid crystal monomer, a desired sulfone is used. In the presence of a polymerization initiator, an acid type liquid crystal monomer or a desired sulfonic acid type liquid crystal monomer and a copolymerization component or a crosslinking agent are used in a known polymerization method, for example, solution polymerization method, suspension polymerization method, emulsion polymerization method, bulk It can be produced by carrying out a polymerization reaction by a radical polymerization method such as a polymerization method, photopolymerization, thermal polymerization or gas phase polymerization method. Among them, the solution polymerization method can be preferably used because it is easy to operate.

ここで、前記一般式(1)で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料において式中、メソゲン基Zとしては以下のようなものが挙げられる。メソゲン基Zは、通常2〜3個の環と結合基から構成される。
環構造としては、ベンゼン環、ビフェニル環、シクロヘキサン環、ビシクロオクタン環、ピリジン環、ピリダジン環、ピリミジン環、ピラジン環などの六員環、フラン環などの五員環が挙げられる。
一方、結合基は三重結合や二重結合などの直線性や分極性に寄与する場合のほか、形状にも極性にも影響の大きいエステル結合、アゾ結合、オキシアゾ結合、アゾメチレン結合、ジメチレンやオキシメチレンなども挙げられる。また、液晶の種類としては、液晶分子同士がより密につらなることができるスメクチック液晶が好ましい。
Here, in the sulfonic acid type liquid crystal polymer material represented by the general formula (1), the mesogenic group Z includes the following. The mesogenic group Z is usually composed of 2 to 3 rings and a linking group.
Examples of the ring structure include a benzene ring, a biphenyl ring, a cyclohexane ring, a bicyclooctane ring, a pyridine ring, a pyridazine ring, a pyrimidine ring and a pyrazine ring, and a five-membered ring such as a furan ring.
On the other hand, the linking group contributes to linearity and polarizability such as triple bond and double bond, as well as ester bond, azo bond, oxyazo bond, azomethylene bond, dimethylene and oxymethylene, which have great influence on both shape and polarity. And so on. Moreover, as a kind of liquid crystal, a smectic liquid crystal in which liquid crystal molecules can be more densely formed is preferable.

前記一般式(1)で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料の中でも一般式(2)で表されるようなビフェニル骨格を持つスルホン酸型液晶ポリマー材料は、液晶性を有し易く、特に優れている。   Among the sulfonic acid type liquid crystal polymer materials represented by the general formula (1), the sulfonic acid type liquid crystal polymer material having a biphenyl skeleton as represented by the general formula (2) is easy to have liquid crystallinity and particularly excellent. ing.

前記一般式(1)または前記一般式(2)中のR1 は水素原子またはメチル基、Aはアルキレン基、−C64 −CH2 −、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−で表される基を示し、アルキレン基は直鎖状または分岐状のどちらでもよい。
このアルキレン基としては、具体的には、炭素数1〜18のものが好ましく、例えばメチレン基、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基、エチルエチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ヘキシレン基、オクタデシレン基、ノニレン基、デシレン基、ドデシレン基等が挙げられ、この中、炭素数6〜10のアルキレン基がさらに好ましい。
また、−CO−O(CH2 )n2 −のn2 は1〜18のものが好ましく、n2 が7〜18のものは耐水性を有しつつ、液晶性が発現しやすく、特に好ましい。その理由は、n2 が7未満であると耐水性に乏しくなり、18を超える疎水性が強まるためである。
In the general formula (1) or the general formula (2), R 1 is a hydrogen atom or a methyl group, A is an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or The group represented by -CO- is shown, and the alkylene group may be linear or branched.
Specifically, the alkylene group is preferably one having 1 to 18 carbon atoms, for example, methylene group, ethylene group, trimethylene group, tetramethylene group, pentamethylene group, ethylethylene group, propylene group, butylene group, hexylene. Group, octadecylene group, nonylene group, decylene group, dodecylene group and the like. Among these, an alkylene group having 6 to 10 carbon atoms is more preferable.
In addition, n 2 of —CO—O (CH 2 ) n 2 — is preferably 1 to 18, and n 2 of 7 to 18 is particularly preferable because it has water resistance and easily exhibits liquid crystallinity. The reason is that when n2 is less than 7, the water resistance is poor and the hydrophobicity exceeding 18 is enhanced.

前記一般式(1)または前記一般式(2)中のBはアルキレン基[ −(CH2 )n3 −]を表し、直鎖状又は分岐状のどちらでもよい。
具体的には、炭素数1〜18のものが好ましく、例えばメチレン基、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基、エチルエチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ヘキシレン基、オクタデシレン基、ノニレン基、デシレン基、ドデシレン基等が挙げられ、この中、炭素数(n3)3〜10のアルキレン基が好ましい。この理由は、炭素数(n3)が3未満であると耐水性に乏しく、また液晶性を示しにくく、(n3)が10を超えると疎水性が高まるためである。AおよびBは同じアルキレン基であっても、異なるアルキレン基であってもよい。
B in the general formula (1) or the general formula (2) represents an alkylene group [— (CH 2 ) n 3 —], which may be linear or branched.
Specifically, those having 1 to 18 carbon atoms are preferable, for example, methylene group, ethylene group, trimethylene group, tetramethylene group, pentamethylene group, ethylethylene group, propylene group, butylene group, hexylene group, octadecylene group, nonylene. Group, decylene group, dodecylene group and the like. Among them, an alkylene group having 3 to 10 carbon atoms (n3) is preferable. This is because when the carbon number (n3) is less than 3, the water resistance is poor and liquid crystallinity is hardly exhibited, and when (n3) exceeds 10, the hydrophobicity increases. A and B may be the same alkylene group or different alkylene groups.

(ホスホン酸基を有する材料)
本発明で用いるホスホン酸基を有する材料としては、前記一般式(3)で表されるホスホン酸基を有する材料が好ましく使用できる。前記一般式(3)中、前記一般式(1)と同様、Aはアルキレン基、−C64 −CH2 −、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−で表される基を示し、アルキレン基は直鎖状または分岐状のどちらでもよい。n2 は1以上の整数を示し、1〜17が好ましい。
このアルキレン基[ −(CH2 )n4 −]としては、例えば、ヘキシレン基、オクタデシレン基、ノニレン基、デシレン基、ドデシレン基、テトラデシレン基等が挙げられ、炭素数(n4)1〜17のものが好ましい。これは、スルホン酸型液晶ポリマーのビフェニル骨格とホスホン酸基を有する材料のビフェニル骨格がスタックしやすく、液晶相温度を低下させる効果が高まるためである。
(Materials with phosphonic acid groups)
As the material having a phosphonic acid group used in the present invention, a material having a phosphonic acid group represented by the general formula (3) can be preferably used. In the general formula (3), as in the general formula (1), A is represented by an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—. The alkylene group may be either linear or branched. n2 represents an integer of 1 or more, preferably 1-17.
Examples of the alkylene group [— (CH 2 ) n 4 —] include a hexylene group, an octadecylene group, a nonylene group, a decylene group, a dodecylene group, a tetradecylene group, and the like, and those having a carbon number (n4) of 1 to 17 preferable. This is because the biphenyl skeleton of the sulfonic acid type liquid crystal polymer and the biphenyl skeleton of the material having a phosphonic acid group are easily stacked, and the effect of lowering the liquid crystal phase temperature is increased.

前記一般式(3)において、前記一般式(1)と同様、Bはアルキレン基[ −(CH2 )n3 −]を表し、直鎖状又は分岐状のどちらでもよい。
具体的は、炭素数(n3)3〜10のものが好ましく、例えばトリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基、エチルメチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ヘキシレン基、オクタデシレン基、ノニレン基、デシレン基、ドデシレン基等が挙げられる。A及びBは同じアルキレン基であってもよいし、異なるアルキレン基であってもよい。
In the general formula (3), as in the general formula (1), B represents an alkylene group [— (CH 2 ) n 3 —], which may be linear or branched.
Specifically, those having 3 to 10 carbon atoms (n3) are preferable, for example, trimethylene group, tetramethylene group, pentamethylene group, ethylmethylene group, propylene group, butylene group, hexylene group, octadecylene group, nonylene group, decylene group. , Dodecylene group and the like. A and B may be the same alkylene group or different alkylene groups.

前記一般式(1)中のA、Z、Bは、前記一般式(3)中のA、Z、Bと同じであってもよく、異なっていてもよい。   A, Z and B in the general formula (1) may be the same as or different from A, Z and B in the general formula (3).

前記スルホン酸型液晶ポリマー材料として、前記一般式(1)中のR1 がメチル基、Aが−CO−O(CH2 )n2 −、Bが−(CH2 )n3 −で表され、且つ、n2 が7〜18、n3 が3〜10のスルホン酸型液晶ポリマー材料を用い、前記ホスホン酸基を有する材料として、前記一般式(3)中のAが−(CH2 )n4 −、Bが−(CH2 )n3 −で表されるホスホン酸基を有する材料を用い、両者を混合した混合物からなるプロトン輸送材料はより好ましい。
それは、耐水性を有しつつ、メソゲン基からスルホン酸基やホスホン酸基などのイオン伝導部位を密に連ねることができるからであり、前記ホスホン酸基を有する材料の添加量を増加させても液晶性を失わなく、且つ、プロトン伝導性を向上させることができるためである。この場合、ホスホン酸基を有する材料が液晶材料であると特に好ましい。
As the sulfonic acid-type liquid crystal polymer material, R 1 is a methyl group in the general formula (1), A is -CO-O (CH 2) n2 -, B is - (CH 2) n3 - expressed in, and , N2 is 7 to 18, n3 is 3 to 10 and a phosphonic acid type liquid crystal polymer material is used. As the material having the phosphonic acid group, A in the general formula (3) is-(CH 2 ) n4-, B A proton transport material made of a mixture of phosphonic acid groups represented by — (CH 2 ) n 3 — and a mixture of the two is more preferable.
This is because, while having water resistance, ion conduction sites such as a sulfonic acid group and a phosphonic acid group can be closely linked from a mesogenic group, and even if the amount of the material having the phosphonic acid group is increased. This is because liquid crystallinity is not lost and proton conductivity can be improved. In this case, the material having a phosphonic acid group is particularly preferably a liquid crystal material.

本発明のプロトン輸送材料の調製の1例を次に説明する。
例えばスルホン酸型液晶ポリマー材料とホスホン酸基を有する材料の両者を溶解できる溶媒に溶かした後、溶媒を撹拌、混合しした後、例えば基材上に広げて加熱、減圧することにより溶媒を除去してフィルム、シート状の製品を調製できる。
One example of the preparation of the proton transport material of the present invention will now be described.
For example, after dissolving both a sulfonic acid type liquid crystal polymer material and a material having a phosphonic acid group in a solvent capable of dissolving, the solvent is stirred and mixed, and then spread on a substrate, for example, heated and decompressed to remove the solvent. Thus, a film or sheet-like product can be prepared.

本発明のプロトン輸送材料は、プロトン輸送性に優れ、また、イオン交換容量も高いことから、電解質や電解質膜やイオン交換体として利用できる。更に、本発明のプロトン輸送材料を利用して固体電解質膜を作製し、これを用いて膜電極接合体(MEA)や燃料電池を作製することも可能である。
本発明のプロトン輸送材料を用いて、MEAを製造する方法の一例としては、以下の方法を示すことができる。まず、本発明のプロトン輸送材料を支持体に積層し乾燥などを行う。次に液晶状態にして分子配列を整えた後、その分子配列を維持したまま固体状態にして電解質層を形成する。この時、分子配向膜やラビング等を行うと分子配列がさらに整然と並び、プロトン伝導性が向上することがある。
必要に応じて電解質層へ保護フィルムを積層して保存してもよい。使用時、この支持体、保護フィルムを剥離させた後、電解質層の両側にガス拡散層、触媒層を含有する電極層を形成し、これによりMEAが得られる。ここにセパーレタや補助的な装置(ガス供給装置、冷却装置など)を組み立て、単一あるいは積層することにより燃料電池を作製することができる。
また、本発明におけるプロトン輸送材料によって形成された電解質層の好適な厚さは、通常0.1〜500μm程度であるが、より好ましくは10μm〜150μmである。これは形成された抵抗素子が厚すぎると抵抗値が大きくなり、薄すぎると電解質層の機械特性が悪くなってしまうためである。
Since the proton transport material of the present invention is excellent in proton transportability and has a high ion exchange capacity, it can be used as an electrolyte, an electrolyte membrane or an ion exchanger. Furthermore, it is also possible to produce a solid electrolyte membrane using the proton transport material of the present invention, and to produce a membrane electrode assembly (MEA) and a fuel cell using this.
The following method can be shown as an example of a method for producing MEA using the proton transport material of the present invention. First, the proton transport material of the present invention is laminated on a support and dried. Next, after adjusting the molecular arrangement in the liquid crystal state, the electrolyte layer is formed in the solid state while maintaining the molecular arrangement. At this time, if a molecular alignment film, rubbing, or the like is performed, the molecular arrangement may be more orderly arranged, and proton conductivity may be improved.
If necessary, a protective film may be laminated and stored on the electrolyte layer. In use, after the support and the protective film are peeled off, an electrode layer containing a gas diffusion layer and a catalyst layer is formed on both sides of the electrolyte layer, thereby obtaining an MEA. A fuel cell can be manufactured by assembling a separator or an auxiliary device (a gas supply device, a cooling device, or the like), and singly or stacking them.
Moreover, the suitable thickness of the electrolyte layer formed of the proton transport material in the present invention is usually about 0.1 to 500 μm, more preferably 10 μm to 150 μm. This is because if the formed resistance element is too thick, the resistance value becomes large, and if it is too thin, the mechanical properties of the electrolyte layer are deteriorated.

図8は本発明の膜電極結合体の一実施態様の断面説明図である。
前記電解質膜1をその両面に常法により電極触媒層2、3を接合・積層して膜電極結合体12が形成される。
FIG. 8 is a cross-sectional explanatory view of one embodiment of the membrane electrode assembly of the present invention.
The membrane electrode assembly 12 is formed by joining and laminating the electrode catalyst layers 2 and 3 on both surfaces of the electrolyte membrane 1 by a conventional method.

図9は、この膜電極結合体12を装着した固体高分子型燃料電池の単セルの一実施態様の構成を示す分解断面図である。膜電極結合体12の電極触媒層2および電極触媒層3と対向して、それぞれカーボンペーパーにカーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の混合物を塗布した構造を持つ空気極側ガス拡散層4および燃料極側ガス拡散層5が配置される。これによりそれぞれ空気極6および燃料極7が構成される。そして、単セルに面して反応ガス流通用のガス流路8を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路9を備えた導電性でかつガス不透過性の材料よりなる一組のセパレータ10により挟持して単セル11が構成される。単セル11あるいは単セル11を積層することにより燃料電池を作製することができる。   FIG. 9 is an exploded cross-sectional view showing the configuration of an embodiment of a single cell of a polymer electrolyte fuel cell equipped with the membrane electrode assembly 12. The air electrode side gas diffusion layer 4 having a structure in which a mixture of carbon black and polytetrafluoroethylene (PTFE) is applied to carbon paper, facing the electrode catalyst layer 2 and the electrode catalyst layer 3 of the membrane electrode assembly 12, and The fuel electrode side gas diffusion layer 5 is disposed. Thereby, the air electrode 6 and the fuel electrode 7 are comprised, respectively. A set of conductive and gas-impermeable materials having a gas flow path 8 for reaction gas flow facing a single cell and a cooling water flow path 9 for cooling water flow on the opposing main surface. A single cell 11 is formed by being sandwiched by the separator 10. A fuel cell can be manufactured by stacking the single cells 11 or the single cells 11.

本発明のプロトン輸送材料は、液状若しくは、フィルムとして用いることができる。フィルムとして用いる場合に支持体を用いることが出来る。例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、シクロオレフィン、ノルボルネン、アルミペット、アルミニウム箔などからなるフィルムが用いられる。これらに表面加工を施したり、数種類のフィルムを積層して用いてもよい。液状のプロトン輸送材料を支持体に均一に塗布し、熱風等による乾燥を行った後、溶剤を除去して電解質層を形成する。このままでも用いることもできるが、通常は電解質層保護のために電解質層上に保護フィルムを積層し、例えばロール状に巻くなどして保存される。   The proton transport material of the present invention can be used in liquid form or as a film. A support can be used when used as a film. For example, a film made of polyimide, polyethylene terephthalate, polypropylene, polyethylene, polyethersulfone, polycarbonate, cycloolefin, norbornene, aluminum pet, aluminum foil, or the like is used. These may be subjected to surface processing, or several kinds of films may be laminated. A liquid proton transport material is uniformly applied to a support, dried with hot air, and then the solvent is removed to form an electrolyte layer. Although it can be used as it is, it is usually preserved by laminating a protective film on the electrolyte layer and winding it in a roll, for example, in order to protect the electrolyte layer.

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが本発明はこれらに限定されるものではない。
<一般式(1)で表されるスルホン酸化液晶ポリマー材料の合成>
50mlのなす型フラスコにジメチルホルムアミド(DMF)溶媒を5ml加え、一般式(5)で表されるスルホン化液晶型モノマー[一般式(5)中のR1 がメチル基、Aが−CO−O(CH26 −、Bが−(CH23 −であって、分子量476のスルホン化液晶モノマー]を500mg、アゾビスイソブチルニトリル(AIBN)を7mgを加え、窒素置換を行い、減圧状態にした。その後、オイルバスにて約60℃で96時間攪拌、反応させた。
反応後、アセトン100ml中に注ぎ、沈殿をろ過し、目的物を得た(収率:72.0%)。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to these.
<Synthesis of Sulfonated Liquid Crystal Polymer Material Represented by General Formula (1)>
5 ml of a dimethylformamide (DMF) solvent is added to a 50 ml eggplant type flask, and a sulfonated liquid crystal monomer represented by the general formula (5) [R 1 in the general formula (5) is a methyl group, A is —CO—O (CH 2 ) 6 —, B is — (CH 2 ) 3 —, sulfonated liquid crystal monomer having a molecular weight of 476] and 7 mg of azobisisobutyl nitrile (AIBN) are added, nitrogen substitution is performed, and the pressure is reduced. I made it. Thereafter, the mixture was stirred and reacted at about 60 ° C. for 96 hours in an oil bath.
After the reaction, the mixture was poured into 100 ml of acetone, and the precipitate was filtered to obtain the desired product (yield: 72.0%).

<熱重合によって得られたスルホン酸型液晶ポリマー材料のGPC測定>
(1)試料の調整
0.5質量%のスルホン酸型液晶ポリマー溶液(溶媒:DMF)を作成し、メンブレンフィルタ(孔径:0.2μm)でろ過する。次に、ろ液20μlをGPCに注入する。
(2)分析条件
カラム:SHIMAZU GPC−P(ガードカラム)、GPC−80MD(8mm×300mm)
移動相:ジメチルホルムアミド(DMF)
流量:1.0ml/min
検出器:アライアンスGPC2695・2414(RI) Water製
<GPC measurement of sulfonic acid type liquid crystal polymer material obtained by thermal polymerization>
(1) Preparation of sample A 0.5% by mass sulfonic acid type liquid crystal polymer solution (solvent: DMF) is prepared and filtered through a membrane filter (pore size: 0.2 μm). Next, 20 μl of the filtrate is injected into the GPC.
(2) Analysis condition column: SHIMAZU GPC-P (guard column), GPC-80MD (8 mm × 300 mm)
Mobile phase: Dimethylformamide (DMF)
Flow rate: 1.0 ml / min
Detector: Alliance GPC2695 / 2414 (RI) manufactured by Water

(3)分析結果
上記分析条件で分析した結果を、図2[縦軸:信号強度、横軸:保持時間(分)]に示す。
図2はスルホン酸型液晶ポリマー材料を示差屈折率検出器で検出したクロマトグラフである。60℃で96時間熱重合することにより、分子量約161万という高分子量のポリマーが得られたことが確認できた。これは液晶モノマーを使うことで、効率的に重合ができたからだと考えられる。
(3) Analysis results The results analyzed under the above analysis conditions are shown in FIG. 2 [vertical axis: signal intensity, horizontal axis: retention time (min)].
FIG. 2 is a chromatograph in which a sulfonic acid type liquid crystal polymer material is detected by a differential refractive index detector. It was confirmed that a polymer having a high molecular weight of about 16.1 million was obtained by thermal polymerization at 60 ° C. for 96 hours. This is thought to be due to efficient polymerization using liquid crystal monomers.

<スルホン酸型液晶モノマー材料と熱重合によって得られたスルホン酸型液晶ポリマー材料の熱分析>
(1)熱分析条件
試料:約5mg
熱分析装置:EXSTAR6000 Tg/DTA6200(エスアイアイ・ナノテクノロジー製)
窒素流量:200ml/min
[Tg:熱重量測定、 Thermo−Gravimetry]、[示差熱重量分析:DTA:Differntial Thermal Analysis]、[微分熱重量:DTg:Differential Thermo−Gravimetry]
(2)スルホン酸型液晶モノマー材料とスルホン酸型液晶ポリマー材料のDTG
上記の条件で分析した結果を図3[縦軸:重量変化を単位時間で微分した値(μg/min)、横軸:試料温度(℃)]に示す。
スルホン酸型液晶モノマー材料では150℃付近からスルホン酸基の脱離と推測される立ち上がりが観察され、スルホン酸型液晶ポリマー材料では、200℃付近からスルホン酸基の脱離と推測される立ち上がりが観察され、ピークが確認された。
スルホン酸型液晶モノマーを高分子量化することで耐熱性が向上するとともにスルホン酸基の脱離を起こしにくくなることが判る。
<Thermal analysis of sulfonic acid type liquid crystal monomer material and sulfonic acid type liquid crystal polymer material obtained by thermal polymerization>
(1) Thermal analysis condition sample: about 5 mg
Thermal analyzer: EXSTAR6000 Tg / DTA6200 (made by SII Nanotechnology)
Nitrogen flow rate: 200 ml / min
[Tg: Thermogravimetry, Thermo-Gravimetry], [Differential Thermogravimetry: DTA: Differential Thermal Analysis], [Differential Thermogravimetry: DTg: Differential Thermo-Gravimetry]
(2) DTG of sulfonic acid type liquid crystal monomer material and sulfonic acid type liquid crystal polymer material
The results analyzed under the above conditions are shown in FIG. 3 [vertical axis: value obtained by differentiating weight change per unit time (μg / min), horizontal axis: sample temperature (° C.)].
In the sulfonic acid type liquid crystal monomer material, a rise estimated to be the elimination of the sulfonic acid group is observed from around 150 ° C., and in the sulfonic acid type liquid crystal polymer material, the rise is assumed to be the elimination of the sulfonic acid group from around 200 ° C. Observed and confirmed a peak.
It can be seen that by increasing the molecular weight of the sulfonic acid type liquid crystal monomer, the heat resistance is improved and the sulfonic acid group is hardly eliminated.

<スルホン酸型液晶ポリマー材料とホスホン酸基を有する材料を混合してなる本発明のプロトン輸送材料の調製>
前記スルホン酸型液晶ポリマー材料に対して10質量%の前記一般式(4)中のAが−(CH2n4−、Bが−(CH2n3 −で表されるホスホン酸基を有する材料(n4 =9、n3 =3)を用い、両者を溶解できる溶媒(DMF)に溶解し、攪拌混合した後、加熱、減圧して混合した混合物からなるプロトン輸送材料を調整した。
次に、前記スルホン酸型液晶モノマー材料(AM )、得られた前記スルホン酸型液晶ポリマー材料(AP )、および本発明の前記プロトン輸送材料(AP +B)の液晶相への相転移温度(℃)を下記の方法で測定した。
測定した結果を図4に示す。
M :スルホン酸型液晶モノマー材料
P :スルホン酸型液晶ポリマー材料
B:ホスホン酸基を有する材料
P +B:本発明のプロトン輸送材料
<Preparation of proton transport material of the present invention by mixing sulfonic acid type liquid crystal polymer material and material having phosphonic acid group>
In the general formula (4), 10% by mass of the sulfonic acid type liquid crystal polymer material, A in the formula (4) has a phosphonic acid group represented by — (CH 2 ) n4 —, and B represents — (CH 2 ) n3 —. A material (n4 = 9, n3 = 3) was used, dissolved in a solvent (DMF) capable of dissolving both, stirred and mixed, and then heated and decompressed to prepare a proton transport material composed of the mixture.
Next, the phase transition of the sulfonic acid type liquid crystal monomer material (A M ), the obtained sulfonic acid type liquid crystal polymer material (A P ), and the proton transport material (A P + B) of the present invention to a liquid crystal phase The temperature (° C.) was measured by the following method.
The measurement results are shown in FIG.
A M : sulfonic acid type liquid crystal monomer material A P : sulfonic acid type liquid crystal polymer material B: material having phosphonic acid group A P + B: proton transport material of the present invention

(相転移温度測定方法)
装置
1.偏光顕微鏡:オリンパス製BX51
2.ホットステージ:ジャパンハイテック(株)製LK−600FTIR
3.プレパラート:MATSUNAMI MICRO COVER GLASS
測定手順
1.試料をプレパラート2枚の間に入れる。
2.ホットステージに1つプレパラートをセットする。
3.偏光顕微鏡をクロスニコルにする(偏光板2枚を直交にして光が通らないようにする)。
4.ホットステージを5℃/min.で昇温する。
5.試料が固体状態では暗いが、液晶転移温度になると、流動性がでるとともに暗かった映像が明るくなる。そのときが、相転移温度である。
6.さらに昇温して均一に溶融した液体状態になると暗くなる。
(Phase transition temperature measurement method)
Apparatus 1. Polarization microscope: Olympus BX51
2. Hot stage: LK-600FTIR manufactured by Japan High-Tech Co., Ltd.
3. Preparation: MATSUAMI MICRO COVER GLASS
Measurement procedure Place the sample between two slides.
2. Set one preparation on the hot stage.
3. Set the polarizing microscope to crossed Nicols (Two polarizing plates are orthogonal to prevent light from passing through).
4). Hot stage at 5 ° C./min. Raise the temperature.
5. Although the sample is dark in the solid state, when the liquid crystal transition temperature is reached, the fluidity appears and the dark image becomes brighter. This is the phase transition temperature.
6). When the temperature is further raised and the liquid state is uniformly melted, it becomes dark.

図4に示した結果から、スルホン酸型液晶モノマーを熱重合により高分子量化すると、液晶への相転移温度が、スルホン酸型液晶モノマー(AM )が100℃以下であるのに対して、スルホン酸型液晶ポリマー材料(AP)の場合は300℃以上に上昇することがわかった。スルホン酸基が脱離する温度は100℃であるので、スルホン酸型液晶ポリマー材料(AP )の場合は液晶にして分子配向する前に、スルホン酸基が脱離してしまい、耐熱性が不足することがわかった。
しかし、図4に示した結果から、スルホン酸化液晶ポリマー材料(AP )にホスホン酸基を有する材料(B)を加えた本発明のプロトン輸送材料(Ap+B)は、液晶相温度が大きく低下し、スルホン酸基が脱離しない100℃付近から液晶相を発現することがわかった。
From the results shown in FIG. 4, when the sulfonic acid type liquid crystal monomer is polymerized by thermal polymerization, the phase transition temperature to the liquid crystal is 100 ° C. or lower for the sulfonic acid type liquid crystal monomer (A M ). In the case of the sulfonic acid type liquid crystal polymer material (AP), it was found that the temperature rose to 300 ° C. or higher. Since the temperature at which the sulfonic acid group is eliminated is 100 ° C., in the case of the sulfonic acid type liquid crystal polymer material (A P ), the sulfonic acid group is eliminated before the molecules are aligned in the liquid crystal, resulting in insufficient heat resistance. I found out that
However, from the results shown in FIG. 4, the proton transport material (Ap + B) of the present invention in which the material (B) having a phosphonic acid group is added to the sulfonated liquid crystal polymer material (A P ) greatly decreases the liquid crystal phase temperature. It was found that a liquid crystal phase was developed around 100 ° C. at which the sulfonic acid group was not eliminated.

一方、本発明の前記プロトン輸送材料は、図10に示す液晶状態におけるX線回折と図5に示す偏光顕微鏡から得られるテクスチャーから、スメクチック液晶を示すことを確認した。   On the other hand, it was confirmed that the proton transport material of the present invention shows smectic liquid crystal from the X-ray diffraction in the liquid crystal state shown in FIG. 10 and the texture obtained from the polarization microscope shown in FIG.

(液晶状態におけるX線回折測定方法)
本発明の前記プロトン輸送材料の液晶状態におけるX線回折測定結果を、図10[縦軸:cps、横軸:2θ/deg.]に示す。
(X-ray diffraction measurement method in liquid crystal state)
The X-ray diffraction measurement result in the liquid crystal state of the proton transport material of the present invention is shown in FIG. 10 [Vertical axis: cps, Horizontal axis: 2θ / deg. ].

プロトン輸送能の評価は下記の測定方法で行った。
装置
NF ELECTRONIC INSTRUMENTS Frequency ResponseAnalyzer50580
1.試料をDMF溶媒に80℃で溶解する。
2.この溶液を濃縮する。
3.ガラス上に濃縮した液を流し、乾燥して膜にする。
4.5mm間隔に4本配置された白金ワイヤーとこの膜を貼り合わせ、測定する。
得られたCole−Coleプロットから抵抗値を読み取り、プロトン伝導度を算出した。測定は、室温にて加湿をしない条件で行った。
得られた結果を表1に示す。
The proton transport ability was evaluated by the following measurement method.
Equipment NF ELECTRONIC INSTRUMENTS Frequency Response Analyzer 50580
1. Dissolve the sample in DMF solvent at 80 ° C.
2. Concentrate the solution.
3. The concentrated liquid is poured onto glass and dried to form a film.
Four platinum wires arranged at intervals of 4.5 mm and this film are bonded together and measured.
The resistance value was read from the obtained Cole-Cole plot, and the proton conductivity was calculated. The measurement was performed under the condition of not humidifying at room temperature.
The obtained results are shown in Table 1.

表1中のAp はスルホン酸型液晶ポリマー材料、Bはホスホン酸基を有する材料を示す。
表1から、スルホン酸型液晶ポリマー材料AP にホスホン酸基を有する材料Bを添加することにより、本発明のプロトン輸送材料(AP +B)はプロトン伝導性も向上することが確認された。これはホスホン酸を有する材料(B)が図1に示されるように欠陥を埋めたためと推察される。
In Table 1, Ap represents a sulfonic acid type liquid crystal polymer material, and B represents a material having a phosphonic acid group.
From Table 1, it was confirmed that by adding the material B having a phosphonic acid group to the sulfonic acid type liquid crystal polymer material A P , the proton transport material (A P + B) of the present invention also improves the proton conductivity. This is presumably because the material (B) having phosphonic acid filled in the defects as shown in FIG.

<スルホン酸型液晶ポリマー材料の耐水性評価>
前記一般式(2)中のR1 がメチル基、Aが−CO−O(CH26 −(n2 =6)、Bが−(CH23 −のスルホン酸型液晶ポリマー材料(試料1)と前記一般式(2)中のR1 がメチル基、Aが−CO−O(CH210−(n2 =10)、Bが−(CH23 −のスルホン酸型液晶ポリマー材料(試料2)を合成し、下記の方法で室温および80℃における耐水性を評価した。
得られた試料1、試料2を室温において十分量の純水中に浸漬することにより耐水性評価をおこなった結果、n2=6の試料1のスルホン酸型液晶ポリマー材料とn2=10の試料2のスルホン酸型液晶ポリマー材料はともにある程度の耐水性を示すことが確認された。さらに、n2=10の試料2のスルホン酸型液晶ポリマー材料にあっては、室温及び80℃の十分量の純水中で30分浸漬しても全く溶解せず、非常に高い耐水性を有していることが確認された。n2=10の試料2のスルホン酸型液晶ポリマー材料は、n2=6の試料1のスルホン酸型液晶ポリマー材料と比較して高い耐水性を示すことが確認された。
<Water resistance evaluation of sulfonic acid type liquid crystal polymer material>
In the general formula (2), R 1 is a methyl group, A is —CO—O (CH 2 ) 6 — (n 2 = 6), and B is — (CH 2 ) 3 — (sample) In 1) and the general formula (2), R 1 is a methyl group, A is —CO—O (CH 2 ) 10 — (n 2 = 10), and B is — (CH 2 ) 3 —. A material (sample 2) was synthesized, and water resistance at room temperature and 80 ° C. was evaluated by the following method.
The obtained samples 1 and 2 were immersed in a sufficient amount of pure water at room temperature to evaluate the water resistance. As a result, n2 = 6 sample 1 sulfonic acid type liquid crystal polymer material and n2 = 10 sample 2 Both of the sulfonic acid type liquid crystal polymer materials were confirmed to exhibit a certain level of water resistance. Further, the sulfonic acid type liquid crystal polymer material of Sample 2 with n2 = 10 does not dissolve at all even when immersed in a sufficient amount of pure water at room temperature and 80 ° C. for 30 minutes, and has very high water resistance. It was confirmed that It was confirmed that the sulfonic acid type liquid crystal polymer material of Sample 2 with n2 = 10 exhibits higher water resistance than the sulfonic acid type liquid crystal polymer material of Sample 1 with n2 = 6.

本発明のプロトン輸送材料は、スルホン酸型液晶ポリマー材料と、ホスホン酸基を有する材料とを必須成分として混合したことを特徴とするものであり、
スルホン酸型液晶ポリマー材料と、このスルホン酸型液晶ポリマー材料にホスホン酸基を有する材料を添加・混合することにより、液晶状態から固体状態に戻した際に生じる欠陥をホスホン酸基が補完し、しかもホスホン酸基を有する材料自体もプロトン輸送能を有するため、プロトン伝導性が向上するとともに、相転移温度が200℃以下に低くなり、低温で液晶相を発現でき、スルホン酸基の脱離によるプロトン伝導の低下を避けることができる上、機械的特性に優れるのでイオン交換体としても利用可能であり、特に燃料電池用の電解質膜に好適であるという顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。
The proton transport material of the present invention is characterized in that a sulfonic acid type liquid crystal polymer material and a material having a phosphonic acid group are mixed as essential components,
By adding and mixing a sulfonic acid type liquid crystal polymer material and a material having a phosphonic acid group to this sulfonic acid type liquid crystal polymer material, the phosphonic acid group complements the defects that occur when the liquid crystal state is returned to the solid state. Moreover, since the material having a phosphonic acid group itself also has a proton transporting ability, the proton conductivity is improved, the phase transition temperature is lowered to 200 ° C. or lower, and a liquid crystal phase can be developed at a low temperature. In addition to being able to avoid a decrease in proton conductivity, it can be used as an ion exchanger because of its excellent mechanical properties, and is particularly suitable for an electrolyte membrane for fuel cells. High value.

液晶状態の分子配列を有する本発明のプロトン輸送材料のプロトン輸送の状態を模式的に説明する説明図である。It is explanatory drawing which illustrates typically the state of the proton transport of the proton transport material of this invention which has the molecular arrangement | sequence of a liquid crystal state. 本発明のプロトン輸送材料のGPC測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the GPC measurement result of the proton transport material of this invention. スルホン酸型液晶モノマー材料とスルホン酸型液晶ポリマー材料のDTG測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the DTG measurement result of a sulfonic acid type liquid crystal monomer material and a sulfonic acid type liquid crystal polymer material. スルホン酸型液晶モノマー材料、スルホン酸型液晶ポリマー材料、本発明のプロトン輸送材料の相転移温度の測定結果を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the measurement result of the phase transition temperature of a sulfonic acid type liquid crystal monomer material, a sulfonic acid type liquid crystal polymer material, and the proton transport material of this invention. 本発明のプロトン輸送材料がスメクチック液晶を示すことを示す偏光顕微鏡写真である。It is a polarization micrograph which shows that the proton transport material of this invention shows a smectic liquid crystal. 従来のフッ素を有しない炭化水素膜のプロトン輸送の状態を模式的に説明する説明図である。It is explanatory drawing which illustrates typically the state of the proton transport of the hydrocarbon film | membrane which does not have a conventional fluorine. スルホン酸型液晶ポリマー材料のみからなる材料のプロトン輸送の状態を模式的に説明する説明図である。It is explanatory drawing which illustrates typically the state of the proton transport of the material which consists only of sulfonic acid type liquid crystal polymer materials. 電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極結合体の一実施態様の断面説明図である。It is sectional explanatory drawing of one embodiment of the membrane electrode assembly which formed the electrode catalyst layer on both surfaces of the electrolyte membrane. 図8に示した膜電極結合体を装着した固体高分子型燃料電池の単セルの構成を示す分解断面図である。FIG. 9 is an exploded cross-sectional view showing the configuration of a single cell of a polymer electrolyte fuel cell equipped with the membrane electrode assembly shown in FIG. 8. 本発明のプロトン輸送材料の液晶状態におけるX線回折図である。It is an X-ray diffraction pattern in the liquid crystal state of the proton transport material of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質膜
2、3 電極触媒層
4 空気極側ガス拡散層
5 燃料極側ガス拡散層
6 空気極
7 燃料極
8 ガス流路
9 冷却水流路
10 セパレータ
11 単セル
12 膜電極結合体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2, 3 Electrode catalyst layer 4 Air electrode side gas diffusion layer 5 Fuel electrode side gas diffusion layer 6 Air electrode 7 Fuel electrode 8 Gas flow path 9 Cooling water flow path 10 Separator 11 Single cell 12 Membrane electrode assembly

Claims (26)

スルホン酸型液晶ポリマー材料と、ホスホン酸基を有する材料とを必須成分として混合したことを特徴とするプロトン輸送材料。   A proton transport material comprising a sulfonic acid type liquid crystal polymer material and a material having a phosphonic acid group mixed as essential components. 前記スルホン酸型液晶ポリマー材料が、下記一般式(1)で表されることを特徴とする請求項1記載のプロトン輸送材料。
[前記一般式(1)中、R1 は水素原子またはメチル基、Aはアルキレン基、−C64 −CH2−、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−、Bはアルキレン基、Zはメソゲン基を示し、n1は2以上の整数を示し、n2 は1以上の整数を示す。]
The proton transport material according to claim 1, wherein the sulfonic acid type liquid crystal polymer material is represented by the following general formula (1).
[In the general formula (1), R 1 is a hydrogen atom or a methyl group, A is an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—, B is An alkylene group, Z represents a mesogenic group, n1 represents an integer of 2 or more, and n2 represents an integer of 1 or more. ]
前記一般式(1)において、Zがビフェニルであり、前記スルホン酸型液晶ポリマー材料が下記一般式(2)で表されることを特徴とする請求項2記載のプロトン輸送材料。
[前記一般式(2)中、R1 は水素原子またはメチル基、Aはアルキレン基、−C64 −CH2−、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−、Bはアルキレン基、Zはメソゲン基を示し、n1は2以上の整数を示し、n2 は1以上の整数を示す。]
The proton transport material according to claim 2, wherein, in the general formula (1), Z is biphenyl, and the sulfonic acid type liquid crystal polymer material is represented by the following general formula (2).
[In the general formula (2), R 1 is a hydrogen atom or a methyl group, A is an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—, B is An alkylene group, Z represents a mesogenic group, n1 represents an integer of 2 or more, and n2 represents an integer of 1 or more. ]
前記スルホン酸型液晶ポリマー材料が、前記一般式(1)中のR1 がメチル基、Aが−CO−O(CH2 )n2 −、Bが−(CH2 )n3 −で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料であることを特徴とする請求項2あるいは請求項3記載のプロトン輸送材料。
[前記一般式(1)中、n2 は1以上の整数を示し、n3 は3以上の整数を示す。]
The sulfonic acid-type liquid crystal polymer material, R 1 is a methyl group in the general formula (1), A is -CO-O (CH 2) n2 -, B is - (CH 2) n3 - sulfonic represented 4. The proton transport material according to claim 2, wherein the proton transport material is an acid type liquid crystal polymer material.
[In the general formula (1), n2 represents an integer of 1 or more, and n3 represents an integer of 3 or more. ]
前記スルホン酸型液晶ポリマー材料が、前記一般式(1)中のR1 がメチル基、n2 が1〜18、n3 が3〜10で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料であることを特徴とする請求項4記載のプロトン輸送材料。 The sulfonic acid type liquid crystal polymer material is a sulfonic acid type liquid crystal polymer material in which R 1 in the general formula (1) is a methyl group, n 2 is 1 to 18, and n 3 is 3 to 10. The proton transport material according to claim 4. 前記スルホン酸型液晶ポリマー材料が、前記一般式(1)中のn2 が7〜18で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料であることを特徴とする請求項5記載のプロトン輸送材料。   6. The proton transport material according to claim 5, wherein the sulfonic acid type liquid crystal polymer material is a sulfonic acid type liquid crystal polymer material in which n2 in the general formula (1) is represented by 7-18. 前記ホスホン酸基を有する材料が、下記一般式(3)で表されることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料。
[前記一般式(3)中、Aはアルキレン基、−C64 −CH2 −、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−、Bはアルキレン基、Zはメソゲン基を示し、n2 は1以上の整数を示す。]
The proton transport material according to any one of claims 1 to 6, wherein the material having the phosphonic acid group is represented by the following general formula (3).
[In the general formula (3), A represents an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—, B represents an alkylene group, and Z represents a mesogenic group. , N2 represents an integer of 1 or more. ]
前記一般式(3)において、Zがビフェニルであり、前記ホスホン酸基を有する材料が下記一般式(4)で表されることを特徴とする請求項7記載のプロトン輸送材料。
[前記一般式(4)中、Aはアルキレン基、−C64 −CH2 −、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−、Bはアルキレン基を示し、n2 は1以上の整数を示す。]
The proton transport material according to claim 7, wherein, in the general formula (3), Z is biphenyl, and the material having the phosphonic acid group is represented by the following general formula (4).
[In the general formula (4), A represents an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—, B represents an alkylene group, and n 2 represents 1 or more. Indicates an integer. ]
前記ホスホン酸基を有する材料が、前記一般式(4)中のAが−(CH2 )n4 −、Bが−(CH2 )n3 −で表されるホスホン酸基を有する材料であることを特徴とする請求項7あるいは請求項8記載のプロトン輸送材料。
[前記一般式(4)中、n3 、n4 は1以上の整数を示す。]
It is a material having a phosphonic acid group represented by - material having a phosphonic acid group, the general formula (4) A in the - (CH 2) n4 -, B is - (CH 2) n3 The proton transport material according to claim 7 or claim 8, wherein
[In the general formula (4), n3 and n4 each represent an integer of 1 or more. ]
前記ホスホン酸基を有する材料が、前記一般式(4)中のn4 が1〜17、n3 が3〜10で表されるホスホン酸基を有する材料であることを特徴とする請求項9記載のプロトン輸送材料。   The material having a phosphonic acid group is a material having a phosphonic acid group in which n4 is 1 to 17 and n3 is 3 to 10 in the general formula (4). Proton transport material. 前記スルホン酸型液晶ポリマー材料に対して0.1〜60質量%の前記ホスホン酸基を有する材料を混合したことを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料。   The proton transport according to any one of claims 1 to 10, wherein a material having 0.1 to 60% by mass of the phosphonic acid group is mixed with the sulfonic acid type liquid crystal polymer material. material. 前記一般式(1)で表されるスルホン酸型液晶ポリマーと、前記一般式(3)で表されるホスホン酸基を有する材料との混合物の液晶状態の分子配列を、液晶状態で利用することを特徴とする請求項2から請求項11のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料。   Utilizing the molecular arrangement of the liquid crystal state of a mixture of the sulfonic acid type liquid crystal polymer represented by the general formula (1) and the material having a phosphonic acid group represented by the general formula (3) in the liquid crystal state. The proton transport material according to any one of claims 2 to 11, wherein: 前記一般式(1)で表されるスルホン酸型液晶ポリマー材料と、前記一般式(3)で表されるホスホン酸基を有する材料の混合物との液晶状態の分子配列を、固体状態で利用することを特徴とする請求項2から請求項11のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料。   The molecular arrangement of the liquid crystal state of the sulfonic acid type liquid crystal polymer material represented by the general formula (1) and the mixture of the material having a phosphonic acid group represented by the general formula (3) is used in a solid state. The proton transport material according to any one of claims 2 to 11, wherein the material is a proton transport material. 液晶状態がスメクチックであることを特徴とする請求項12あるいは請求項13に記載のプロトン輸送材料。   The proton transport material according to claim 12 or 13, wherein the liquid crystal state is smectic. 請求項1から請求項14のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料を用いたことを特徴とするイオン交換体。   An ion exchanger using the proton transport material according to any one of claims 1 to 14. 請求項1から請求項14のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料を用いたことを特徴とする膜電極接合体(MEA)。   A membrane electrode assembly (MEA), wherein the proton transport material according to any one of claims 1 to 14 is used. 請求項1から請求項14のいずれか1項に記載のプロトン輸送材料を用いたことを特徴とする燃料電池。   A fuel cell using the proton transport material according to any one of claims 1 to 14. 下記一般式(1)で表されることを特徴とするスルホン酸型液晶ポリマー材料。
[前記一般式(1)中、R1 は水素原子またはメチル基、Aはアルキレン基、−C64 −CH2−、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−、Bはアルキレン基、Zはメソゲン基を示し、n1は2以上の整数を示し、n2 は1以上の整数を示す。]
A sulfonic acid type liquid crystal polymer material represented by the following general formula (1):
[In the general formula (1), R 1 is a hydrogen atom or a methyl group, A is an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—, B is An alkylene group, Z represents a mesogenic group, n1 represents an integer of 2 or more, and n2 represents an integer of 1 or more. ]
前記一般式(1)において、Zがビフェニルであり、下記一般式(2)で表されることを特徴とする請求項18記載のスルホン酸型液晶ポリマー材料。
[前記一般式(2)中、R1 は水素原子またはメチル基、Aはアルキレン基、−C64 −CH2−、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−、Bはアルキレン基、Zはメソゲン基を示し、n1は2以上の整数を示し、n2 は1以上の整数を示す。]
In the said General formula (1), Z is biphenyl and is represented by following General formula (2), The sulfonic-acid type liquid crystal polymer material of Claim 18 characterized by the above-mentioned.
[In the general formula (2), R 1 is a hydrogen atom or a methyl group, A is an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—, B is An alkylene group, Z represents a mesogenic group, n1 represents an integer of 2 or more, and n2 represents an integer of 1 or more. ]
前記一般式(1)中のR1 がメチル基、Aが−CO−O(CH2 )n2 −、Bが−(CH2 )n3−で表されることを特徴とする請求項18あるいは請求項19記載のスルホン酸型液晶ポリマー材料。
[前記一般式(1)中、n2 は1以上の整数を示し、n3 は3以上の整数を示す。]
R 1 is a methyl group in the general formula (1), A is -CO-O (CH 2) n2 -, B is - (CH 2) n3- characterized by being represented by claim 18 or claim Item 20. A sulfonic acid type liquid crystal polymer material according to Item 19.
[In the general formula (1), n2 represents an integer of 1 or more, and n3 represents an integer of 3 or more. ]
前記一般式(1)中のR1 がメチル基、n2 が1〜18、n3 が3〜10で表されることを特徴とする請求項20記載のスルホン酸型液晶ポリマー材料。 R 1 is a methyl group in the general formula (1), n2 is 1-18, sulfonic acid-type liquid crystal polymer material according to claim 20, wherein the n3 is represented by 3 to 10. 前記一般式(1)中のn2 が7〜18で表されることを特徴とする請求項21記載のスルホン酸型液晶ポリマー材料。   The sulfonic acid type liquid crystal polymer material according to claim 21, wherein n2 in the general formula (1) is represented by 7-18. 下記一般式(3)で表されることを特徴とするホスホン酸基を有する材料。
[前記一般式(3)中、Aはアルキレン基、−C64 −CH2 −、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−、Bはアルキレン基、Zはメソゲン基を示し、n2 は1以上の整数を示す。]
A material having a phosphonic acid group represented by the following general formula (3):
[In the general formula (3), A represents an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—, B represents an alkylene group, and Z represents a mesogenic group. , N2 represents an integer of 1 or more. ]
前記一般式(3)において、Zがビフェニルであり、下記一般式(4)で表されることを特徴とする請求項23記載のホスホン酸基を有する材料。
[前記一般式(4)中、Aはアルキレン基、−C64 −CH2 −、−CO−O(CH2 )n2 −または−CO−、Bはアルキレン基を示し、n2 は1以上の整数を示す。]
24. The material having a phosphonic acid group according to claim 23, wherein, in the general formula (3), Z is biphenyl and is represented by the following general formula (4).
[In the general formula (4), A represents an alkylene group, —C 6 H 4 —CH 2 —, —CO—O (CH 2 ) n 2 — or —CO—, B represents an alkylene group, and n 2 represents 1 or more. Indicates an integer. ]
前記一般式(4)中のAが−(CH2 )n4 −、Bが−(CH2 )n3 −で表されることを特徴とする請求項23あるいは請求項24記載のホスホン酸基を有する材料。
[前記一般式(4)中、n3 、n4 は1以上の整数を示す。]
Formula (4) A in the - (CH 2) n4 -, B is - has represented by that in which said claim 23 or claim 24 phosphonic acid groups described - (CH 2) n3 material.
[In the general formula (4), n3 and n4 each represent an integer of 1 or more. ]
前記一般式(4)中のn4 が1〜17、n3 が3〜10で表されることを特徴とする請求項25記載のホスホン酸基を有する材料。   26. The material having a phosphonic acid group according to claim 25, wherein n4 in the general formula (4) is 1 to 17 and n3 is 3 to 10.
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