JP2009224133A - Polymer electrolyte for direct methanol fuel cell, and its usage - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一次電池用電解質、二次電池用電解質、燃料電池用高分子固体電解質、表示素子、各種センサー、信号伝達媒体、固体コンデンサー、イオン交換膜などに利用可能なプロトン伝導性成分に無機を複合化したダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質に関する。 The present invention is an inorganic proton conductive component that can be used in electrolytes for primary batteries, electrolytes for secondary batteries, polymer solid electrolytes for fuel cells, display elements, various sensors, signal transmission media, solid capacitors, ion exchange membranes, and the like. The present invention relates to a polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell in which is combined.
燃料電池は、高い発電効率を有し、排出物も少ない環境への負担の低い発電システムである。近年の地球環境保護、化石燃料依存からの脱却への関心の高まりにつれて、脚光を浴びている。燃料電池は、小型の分散型発電施設、自動車や船舶等の移動体の駆動源としての発電装置、また、リチウムイオン電池等の二次電池に替わる携帯電話やモバイルパソコン等への搭載が期待されている。
高分子電解質型燃料電池は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜の両面に一対の電極を設け、純水素あるいは改質水素ガスを燃料として一方の電極(燃料極)へ供給し、酸素ガスあるいは空気を酸化剤として異なる電極(空気極)へ供給し、起電力を得るものである。また、水電解は、固体高分子電解質膜を用いて、水を電気分解することにより燃料電池反応の逆反応が起こり水素と酸素を製造するものである。
しかしながら、実際の燃料電池や水電解ではこれらの主反応の他に、副反応が起こる。その代表的なものが過酸化水素(H2O2)の生成であり、この過酸化水素に起因するラジカル種が固体高分子電解質膜を劣化させる原因となっている。
従来、固体高分子電解質膜としては、Nafion(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成工業(株)社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子(株)社製)の商品名で市販されているパーフルオロスルホン酸系膜が、その化学安定性が優れている点から用いられてきた。
しかしながら、Nafionのようなパーフルオロスルホン酸系膜は、製造が困難であるため、非常に高価であるという問題があり、燃料電池車や家庭用燃料電池発電システム等の民生用途への普及の大きな障害となっている。また、分子内に大量のフッ素原子を有しているため、使用後の廃棄処理についても、環境への大きな負荷という問題を抱えている。
また、燃料電池はより高温で、かつ電極間のプロトン伝導膜の膜厚が薄いほど、膜抵抗が小さく、発電出力を高めることができる。しかし、これらのパーフルオロ酸系膜は、熱変形温度が80〜100℃程度で、高温時のクリープ耐性が非常に乏しく、それゆえ燃料電池にこれらの膜を用いた際の発電温度を80℃以下に保たなければならず、発電出力に制限があるといった問題がある。また、長期に使用した際の膜厚の安定性にも乏しく、電極間の短絡(ショート)を防ぐために、ある程度の膜厚(50μm以上)が必要で、薄膜化が困難であると考えられている。
こういったパーフルオロスルホン酸系膜の問題を解決するために、フッ素原子を含まず、より安価で、エンジニアプラスチックにも用いられるような耐熱性主鎖骨格を有する固体高分子電解質膜が、現在、数多く研究されている。ポリアリーレン系、ポリエーテルエーテルケトン系、ポリエーテルスルホン系、ポリフェニレンスルフィド系、ポリイミド系、ポリベンザゾール系の主鎖芳香環をスルホン化したポリマーが提案されている(非特許文献1〜3)。
また、燃料を純水素あるいは改質水素ガスではなく、液体を供給、特にメタノール水溶液を供給する方式は、ダイレクトメタノール方式の燃料電池として、リチウムイオン電池に代わる電池として注目されている。ダイレクトメタノール型燃料電池用電解質膜としてNafionを用いた燃料電池が数多く研究されてきたが、高濃度のメタノール使用時にメタノールクロスオーバーを回避することが難しいという問題がある。そのため、ポリアリ
ーレン系、ポリエーテルエーテルケトン系、ポリエーテルスルホン系、ポリフェニレンスルフィド系、ポリイミド系、ポリベンザゾール系の主鎖芳香環をスルホン化したポリマーが非パーフルオロスルホン酸系膜として研究されているが、十分な耐メタノール透過抑制能は得られてはいない。
ところで、有機高分子材料に無機成分を複合化させた有機無機複合化材料は、ガスの透過性、強度、熱的安定性、光学特性、電気的特性などを改良するために古くから研究されている。複合化する際、ナノおよびマイクロオーダーで複合させることが物性の発現に重要であり、そのため、有機高分子材料と無機成分を化学的な相互作用を利用し複合化させる方法が一般に用いられている(非特許文献4〜6)。
メタノール透過を抑制するために複合化電解質膜も研究されており、無機成分と複合化することによりメタノール透過抑制に顕著な効果があることがわかっている。しかしながら、プロトン伝導性材料に無機成分を加えていくとプロトン伝導度が低下する傾向が一般的に見られる(非特許文献7、8、特許文献1〜3)。これは、無機成分添加によりプロトン伝導のパスが切断されることや、複合化のためにプロトン伝導に寄与するプロトン酸基と無機成分をイオン的あるいは共有結合的に結合することにより、プロトン伝導が阻害されることが原因となっていることが考えられる。
A polymer electrolyte fuel cell is provided with a pair of electrodes on both sides of a proton-conducting solid polymer electrolyte membrane, and supplies pure hydrogen or reformed hydrogen gas as fuel to one electrode (fuel electrode). Air is supplied as an oxidizing agent to different electrodes (air electrodes) to obtain an electromotive force. In water electrolysis, water is electrolyzed using a solid polymer electrolyte membrane to produce a reverse reaction of the fuel cell reaction to produce hydrogen and oxygen.
However, in actual fuel cells and water electrolysis, side reactions occur in addition to these main reactions. A typical example is the generation of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), and the radical species resulting from the hydrogen peroxide cause the solid polymer electrolyte membrane to deteriorate.
Conventionally, as solid polymer electrolyte membranes, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) Perfluorosulfonic acid membranes commercially available from U.S.A. have been used because of their excellent chemical stability.
However, since perfluorosulfonic acid membranes such as Nafion are difficult to manufacture, there is a problem that they are very expensive, and are widely used in consumer applications such as fuel cell vehicles and household fuel cell power generation systems. It is an obstacle. In addition, since it has a large amount of fluorine atoms in the molecule, the disposal treatment after use also has a problem of a heavy load on the environment.
In addition, the higher the temperature of the fuel cell and the thinner the proton conducting membrane between the electrodes, the smaller the membrane resistance and the higher the power generation output. However, these perfluoro acid-based membranes have a heat distortion temperature of about 80 to 100 ° C. and very poor creep resistance at high temperatures. Therefore, the power generation temperature when these membranes are used in a fuel cell is 80 ° C. There is a problem that power generation output is limited because it must be kept below. In addition, the film thickness is poor when used for a long period of time, and a certain degree of film thickness (50 μm or more) is necessary to prevent short-circuiting between the electrodes. Yes.
In order to solve such problems of perfluorosulfonic acid membranes, solid polymer electrolyte membranes that do not contain fluorine atoms, are cheaper, and have a heat-resistant main chain skeleton that is also used for engineer plastics are currently available. Many studies have been conducted. Polymers in which a main chain aromatic ring of polyarylene, polyether ether ketone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyimide, or polybenzazole is sulfonated have been proposed (Non-Patent Documents 1 to 3).
Further, a method of supplying a liquid instead of pure hydrogen or reformed hydrogen gas, particularly a methanol aqueous solution, is attracting attention as a direct methanol fuel cell as an alternative to a lithium ion battery. Many fuel cells using Nafion as an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell have been studied, but there is a problem that it is difficult to avoid a methanol crossover when using a high concentration of methanol. Therefore, polymers with sulfonated main chain aromatic rings such as polyarylene, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyimide, and polybenzazole have been studied as non-perfluorosulfonic acid membranes. However, sufficient methanol permeation suppression ability is not obtained.
By the way, organic-inorganic composite materials in which inorganic components are combined with organic polymer materials have been studied for a long time to improve gas permeability, strength, thermal stability, optical properties, electrical properties, etc. Yes. When compounding, it is important for the expression of physical properties to be compounded in nano and micro order, and therefore, a method of compounding organic polymer material and inorganic component using chemical interaction is generally used. (Non-Patent Documents 4 to 6).
In order to suppress methanol permeation, composite electrolyte membranes have also been studied, and it has been found that composite permeation with inorganic components has a remarkable effect on methanol permeation suppression. However, when an inorganic component is added to the proton conductive material, the tendency of the proton conductivity to decrease is generally observed (Non-patent Documents 7 and 8, Patent Documents 1 to 3). This is because the proton conduction path is cut by the addition of the inorganic component, and the proton conduction is achieved by ionic or covalent bonding of the protonic acid group that contributes to proton conduction and the inorganic component for complexation. It is thought that the cause is that it is inhibited.
非特許文献1〜3に記載されたものでは、主鎖芳香環がスルホン化されたポリマーは吸水
性が大きく、耐熱水性が劣ることから、スルホン酸基等の親水基の導入量に制限がある。また、発電耐久性の尺度とされるフェントン試薬耐性(ヒドロキシラジカル耐性)に乏しい材料であった。また、これらの電解質膜を長期間100℃以上の高温下に暴露した際、スルホン酸が脱離しプロトン伝導性能の低下を生じたり、また、スルホン酸基が導入されていない他の芳香環と架橋反応を起こし、脆化するという問題点を有していた。膜の脆化が進行すると、長期発電時に膜の破断(ピンホール)が発生し、発電不能となる可能性が高い。
また、非特許文献4〜8、特許文献1〜3のように、一般的に無機成分の添加によりメタノール透過を抑制出来る一方で、プロトン伝導度は低下(膜抵抗の場合、上昇)するという、いわゆるトレードオフの関係にある。
このように、従来、提案されていたものは、必ずしもプロトン伝導性と、メタノール透過
性などのバランスに優れてはいなかった。そこで本発明の目的は、従来検討されてきた複合化による問題点を解決し、無機成分の添加により伝導度を低下(膜抵抗を上昇)させずにメタノールの透過を抑制し、かつ、メタノール溶液中で寸法安定性に優れた高分子電解質、および該電解質を含むダイレクトメタノール型燃料電池用燃料電池を提供することにある。
In those described in Non-Patent Documents 1 to 3, a polymer in which a main chain aromatic ring is sulfonated has a large water absorption and inferior hot water resistance, so that the introduction amount of a hydrophilic group such as a sulfonic acid group is limited. . Moreover, it was a material with poor Fenton reagent resistance (hydroxy radical resistance), which is a measure of power generation durability. In addition, when these electrolyte membranes are exposed to a high temperature of 100 ° C. or higher for a long period of time, the sulfonic acid is eliminated, resulting in a decrease in proton conduction performance, or crosslinking with other aromatic rings into which sulfonic acid groups are not introduced. It had the problem of causing reaction and embrittlement. If the membrane becomes more brittle, there is a high possibility that the membrane will break (pinhole) during long-term power generation and power generation becomes impossible.
In addition, as in Non-Patent Documents 4 to 8 and Patent Documents 1 to 3, while methanol permeation can be generally suppressed by addition of inorganic components, proton conductivity decreases (in the case of membrane resistance), There is a so-called trade-off relationship.
Thus, what has been proposed heretofore has not always been excellent in balance between proton conductivity and methanol permeability. Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems caused by the complexization that has been studied in the past, to suppress the permeation of methanol without lowering the conductivity (increasing the membrane resistance) by adding an inorganic component, and to provide a methanol solution. It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte excellent in dimensional stability and a fuel cell for a direct methanol fuel cell containing the electrolyte.
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、プロトン伝導性材料(A)と、特定の含窒素シラン化合物および特定のプロトン酸基含有シラン化合物を含む組成物を加水分解・脱水縮合反応して得られる反応物(B)を必須として含む高分子電解質が、本発明の目的を満たす新規な材料であることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
[1](A)プロトン伝導性重合体、並びに、
(B)下記成分(B−a)および(B−b)を含む組成物を加水分解・脱水縮合反応して得られる反応物;
(B−a):下記式(6)で表される化合物
(B−b):下記式(7)で表される化合物、
を含んでなることを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質。
Si(OR20)E(R21)F(R22)G・・・・(6)
(式(6)中、Eは2〜3、Fは0〜1、Gは1〜2であり、E+F+G=4である。また、R20、R21は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。R22は、含窒素複素
環構造又は置換されていてもよいアミノ基を有する、ハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。)
Si(OR30)E'(R31)F'(R32)G'・・・・(7)
(式(7)中、E’は2〜3、F’は0〜1、G’は1〜2であり、E’+F’+G’=4である。また、R30、R31は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。R32は
、プロトン酸基を有する、ハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。)
[2](B)成分が、前記成分(B−a)、(B−b)および下記成分(B−c)を含む組
成物を加水分解・脱水縮合反応して得られる反応物である、[1]のダイレクトメタノール
型燃料電池用高分子電解質。
(B−c):(B−a)成分および(B−b)成分以外の、下記式(8)で表される化合物
Si(OR40)e(R41)f・・・(8)
(式(8)中、eは2〜4、fは0〜2であり、e+f=4である。R40およびR41は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。)
[3](B)成分が、前記成分(B−a)、(B−b)、(B−c)および下記成分(B−
d)を含む組成物を加水分解・脱水縮合反応して得られる反応物である、[2]のダイレク
トメタノール型燃料電池用高分子電解質。
(B−d):Al、Ti又はZrのアルコキシド
[4]前記成分(B−a)を表す式(6)中のR22で表される基が、ピロール基、チアゾール基、ベンゾチアゾール基、イソチアゾール基、オキサゾール基、ベンゾオキサゾール基、イソオキサゾール基、イミダゾール基、イミダゾリン基、イミダゾリジン基、ベンゾイミダゾール基、ピラゾール基、トリアジン基、ピリジン基、ピリミジン基、ピリダジン基、ピラジン基、インドール基、キノリン基、イソキノリン基、ブリン基、テトラゾール基、テトラジン基、トリアゾール基、カルバゾール基、アクリジン基、キノキサリン基、キナゾリン基、インドリジン基、イソインドール基、3H-インドール基、2H-ピロール基、1H-インダゾール基、プリン基、フタラジン基、ナフチリジン基、シンノリン基、プテリジン基、カルボリン基、フェナントリジン基、ペリミジン基、フェナントロリン基、フェナジン基、フェナルサジン基、フェノチアジン基、フラザン基、フェノキサジン基、ピロリ
ジン基、ピロリン基、ピラゾリン基、ピラゾリジン基、ピペリジン基、ピペラジン基、インドリン基、イソインドリン基、キヌクリジン基、1級アミノ基、2級アミノ基、3級アミノ基およびこれらの誘導体からなる群から選ばれる化合物から誘導される少なくとも1種の基である[1]〜[3]のダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質。
[5]前記、成分(B−a)を表す式(6)中のR22で表される基が、イミダゾール基、イミダゾリン基、ピリジン基、ピロール基、ベンズイミダゾール、ベンゾオキサゾール、トリアジン基、トリアゾール基、1級アミン基、2級アミン基、3級アミン基からなる群から選ばれた少なくとも一つの基を含む[1]〜[4]のダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質。
[6]前記、成分(B−c)を表す式(8)中の、R40およびR41で表される基が、メチル基、エチル基、プロピル基、iso−プロピル基、n−プロピル基、ブチル基、iso−ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、フェニル基、トリフルオロプロピル基からなる炭化水素基からなる群から選ばれた少なくとも一つの基を含む[1]〜[5]のダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質。
[7]前記、成分(B−d)が、チタンアルコキシドを含む[1]〜[6]のダイレクトメタノー
ル用高分子電解質。
[8]前記成分(A)が、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基およびフェノール性水酸
基からなる群より選ばれる少なくとも1種以上の基を有する[1]〜[7]のダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質。
[9]前記成分(A)が、パーフルオロスルホン酸系重合体、カルボキシル基およびスルホ
ン酸基を有するパーフルオロカーボン系重合体、およびスルホン酸又はアルキルスルホン酸基を有するポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルフィド、ポリホスファゼン、ポリアリーレン、ポリフェニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルホネート、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリチアゾール、ポリフェニルキノキサリン、ポリキノリン、ポリシロキサン、ポリトリアジンからなる群から選ばれる少なくとも1種である[1]〜[8]のダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質。
[10]前記成分(A)が、下記一般式(1)で表される構造単位を含むポリアリーレン系共重合体である[1]〜[9]のダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質。
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have added a proton conductive material (A), a composition containing a specific nitrogen-containing silane compound and a specific proton acid group-containing silane compound. The inventors have found that the polymer electrolyte containing the reaction product (B) obtained by the decomposition / dehydration condensation reaction as an essential material is a novel material that satisfies the object of the present invention, and has completed the present invention. That is, the gist of the present invention is as follows.
[1] (A) a proton conductive polymer, and
(B) a reaction product obtained by subjecting a composition containing the following components (Ba) and (BB) to hydrolysis / dehydration condensation reaction;
(Ba): Compound represented by the following formula (6) (Bb): Compound represented by the following formula (7),
A polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell, comprising:
Si (OR 20 ) E (R 21 ) F (R 22 ) G ... (6)
(In the formula (6), E is 2 to 3, F is 0 to 1, G is 1 to 2, and E + F + G = 4. Also, R 20 and R 21 are hydrogen atoms or halogenated. R 22 is a nitrogen-containing heterocyclic structure or an optionally halogenated hydrocarbon group having an optionally substituted amino group.)
Si (OR 30 ) E ' (R 31 ) F' (R 32 ) G ' (7)
(In the formula (7), E ′ is 2 to 3, F ′ is 0 to 1, G ′ is 1 to 2, and E ′ + F ′ + G ′ = 4. Also, R 30 and R 31 are A hydrogen atom or an optionally halogenated hydrocarbon group, and R 32 is an optionally halogenated hydrocarbon group having a protonic acid group.)
[2] The component (B) is a reaction product obtained by hydrolysis / dehydration condensation reaction of a composition containing the components (Ba), (BB) and the following component (BC). [1] The polymer electrolyte for direct methanol fuel cells.
(Bc): Compound represented by the following formula (8) other than the components (Ba) and (Bb)
Si (OR 40 ) e (R 41 ) f (8)
(In the formula (8), e is 2 to 4, f is 0 to 2, and e + f = 4. R 40 and R 41 are a hydrogen atom or an optionally halogenated hydrocarbon group. )
[3] The component (B) is the component (Ba), (Bb), (Bc) and the following component (B-
The polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell according to [2], which is a reaction product obtained by subjecting a composition containing d) to hydrolysis / dehydration condensation reaction.
(Bd): Al, Ti or Zr alkoxide
[4] The group represented by R 22 in the formula (6) representing the component (Ba) is a pyrrole group, a thiazole group, a benzothiazole group, an isothiazole group, an oxazole group, a benzoxazole group, or an isoxazole. Group, imidazole group, imidazoline group, imidazolidine group, benzimidazole group, pyrazole group, triazine group, pyridine group, pyrimidine group, pyridazine group, pyrazine group, indole group, quinoline group, isoquinoline group, bromine group, tetrazole group, tetrazine Group, triazole group, carbazole group, acridine group, quinoxaline group, quinazoline group, indolizine group, isoindole group, 3H-indole group, 2H-pyrrole group, 1H-indazole group, purine group, phthalazine group, naphthyridine group, cinnoline Group, pteridine group, carboline group, phenanthate Lysine group, perimidine group, phenanthroline group, phenazine group, phenalsazine group, phenothiazine group, furazane group, phenoxazine group, pyrrolidine group, pyrroline group, pyrazoline group, pyrazolidine group, piperidine group, piperazine group, indoline group, isoindoline group, Direct methanol type [1] to [3] which is at least one group derived from a compound selected from the group consisting of quinuclidine group, primary amino group, secondary amino group, tertiary amino group and derivatives thereof Polymer electrolyte for fuel cells.
[5] The group represented by R 22 in the formula (6) representing the component (Ba) is an imidazole group, an imidazoline group, a pyridine group, a pyrrole group, a benzimidazole, a benzoxazole, a triazine group, or a triazole. [1] to [4] a polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell, comprising at least one group selected from the group consisting of a group, a primary amine group, a secondary amine group, and a tertiary amine group.
[6] The group represented by R 40 and R 41 in the formula (8) representing the component (Bc) is a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an iso-propyl group, or an n-propyl group. , At least one group selected from the group consisting of hydrocarbon groups consisting of butyl, iso-butyl, hexyl, octyl, decyl, dodecyl, cyclopentyl, cyclohexyl, phenyl, trifluoropropyl [1] to [5] comprising a polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell.
[7] The polymer electrolyte for direct methanol according to [1] to [6], wherein the component (Bd) contains a titanium alkoxide.
[8] The direct methanol type of [1] to [7], wherein the component (A) has at least one group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group and a phenolic hydroxyl group Polymer electrolyte for fuel cells.
[9] The component (A) is a perfluorosulfonic acid polymer, a perfluorocarbon polymer having a carboxyl group and a sulfonic acid group, and a polyether ketone or polyether ether ketone having a sulfonic acid or alkylsulfonic acid group , Polysulfide, polyphosphazene, polyarylene, polyphenylene, polybenzimidazole, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polyphenylene oxide, polyimide, polysulfone, polysulfonate, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzothiazole, polythiazole, poly For direct methanol fuel cells of [1] to [8], which is at least one selected from the group consisting of phenylquinoxaline, polyquinoline, polysiloxane, and polytriazine Molecular electrolyte.
[10] The polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell according to [1] to [9], wherein the component (A) is a polyarylene copolymer containing a structural unit represented by the following general formula (1).
(式中、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−からなる群より選ばれた少なくと
も1種の構造を示し、Zは直接結合または、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH3)2−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Arは−SO3Hまたは−O(CH2)pSO3Hまたは−O(CF2)pSO3Hで表
される置換基を有する芳香族基を示す。pは1〜12の整数を示し、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。)
[11]前記成分(A)が、下記一般式(2)で表される構造単位を含むポリアリーレン系
共重合体である[1]〜[10]のダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質。
Wherein Y is —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) represents at least one structure selected from the group consisting of 2 —, Z is a direct bond, or — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 represents at least one structure selected from the group consisting of —, —O—, and —S—, and Ar represents —SO 3 H or —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p An aromatic group having a substituent represented by SO 3 H. p represents an integer of 1 to 12, m represents an integer of 0 to 10, n represents an integer of 0 to 10, and k represents 1 Represents an integer of ~ 4.)
[11] The polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell according to [1] to [10], wherein the component (A) is a polyarylene copolymer containing a structural unit represented by the following general formula (2).
(式中、A、Dは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH
−、−COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基お
よびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、R1〜R16は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フ
ッ素原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。s、tは0〜4の整数を示し、rは0または1以上の整数を示す。
(In the formula, A and D are independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH.
-, - COO -, - ( CF 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - (CH 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - CR '2 - ( R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, and a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, —O—, and —S—. B represents independently an oxygen atom or a sulfur atom, R 1 to R 16 may be the same or different from each other, and a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, part or all of which are halogenated It represents at least one atom or group selected from the group consisting of halogenated alkyl groups, allyl groups, aryl groups, nitro groups, and nitrile groups. s and t represent an integer of 0 to 4, and r represents 0 or an integer of 1 or more.
[12]イオン交換容量が、0.1〜5meq/gである[1]〜[11]のダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質。
[13]下記(B−a)〜(B−d)成分を加水分解縮合して加水分解縮合物を得る工程、該加水分解縮合物中の溶媒を濃縮し溶媒組成を変更する工程、(A)と該加水分解縮合物とを溶媒に溶解した混合液を基材上に塗布して塗膜を形成する工程、および該塗膜中に含まれる溶媒の少なくとも一部を除去して高分子電解質膜を形成する工程を含む、ダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。
(B−a):下記式(6)で表される化合物
(B−b):下記式(7)で表される化合物、
(B−c):(B−a)成分および(B−b)成分以外の、下記式(8)で表される化合物、および
(B−d)Al、Ti又はZrのアルコキシド
Si(OR20)E(R21)F(R22)G・・・・(6)
(式(6)中、Eは2〜3、Fは0〜1、Gは1〜2であり、E+F+G=4である。また、R20、R21は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。R22は、含窒素複素
環構造又は置換されていてもよいアミノ基を有する、ハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。)
Si(OR30)E'(R31)F'(R32)G'・・・・(7)
(式(7)中、E’は2〜3、F’は0〜1、G’は1〜2であり、E’+F’+G’=4である。また、R30、R31は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。R32は
、プロトン酸基を有する、ハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。)
Si(OR40)e(R41)f・・・(8)
(式(8)中、eは2〜4、fは0〜2であり、e+f=4である。R40およびR41は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。)
[14]下記成分(B−a)および(B−b)を加水分解縮合して得られる反応物が、成分
(A)に相溶あるいは分散されてなる高分子電解質膜。
(A)プロトン伝導性重合体、
(B−a):下記式(6)で表される化合物、
Si(OR20)E(R21)F(R22)G・・・(6)
(式(6)中、Eは2〜3、Fは0〜1、Gは1〜2であり、E+F+G=4である。R20、R21は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。R22は、含窒素複素環構造
又は置換されていてもよいアミノ基を有する、ハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。)
(B−b):下記式(7)で表される化合物、
Si(OR30)E'(R31)F'(R32)G'・・・・(7)
(式(7)中、E’は2〜3、F’は0〜1、G’は1〜2であり、E’+F’+G’=4である。R30、R31は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。R32は、プロ
トン酸基を有する、ハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。)
[12] The polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell according to [1] to [11], having an ion exchange capacity of 0.1 to 5 meq / g.
[13] A step of hydrolyzing and condensing the following components (Ba) to (Bd) to obtain a hydrolysis condensate, a step of concentrating the solvent in the hydrolysis condensate to change the solvent composition, (A ) And the hydrolysis-condensation product in a solvent are coated on a substrate to form a coating film, and at least a part of the solvent contained in the coating film is removed to remove the polymer electrolyte. A method for producing a polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell, comprising a step of forming a membrane.
(Ba): Compound represented by the following formula (6) (Bb): Compound represented by the following formula (7),
(Bc): a compound represented by the following formula (8) other than the components (Ba) and (Bb), and (Bd) an alkoxide of Al, Ti, or Zr
Si (OR 20 ) E (R 21 ) F (R 22 ) G ... (6)
(In the formula (6), E is 2 to 3, F is 0 to 1, G is 1 to 2, and E + F + G = 4. Also, R 20 and R 21 are hydrogen atoms or halogenated. R 22 is a nitrogen-containing heterocyclic structure or an optionally halogenated hydrocarbon group having an optionally substituted amino group.)
Si (OR 30 ) E ' (R 31 ) F' (R 32 ) G ' (7)
(In the formula (7), E ′ is 2 to 3, F ′ is 0 to 1, G ′ is 1 to 2, and E ′ + F ′ + G ′ = 4. Also, R 30 and R 31 are A hydrogen atom or an optionally halogenated hydrocarbon group, and R 32 is an optionally halogenated hydrocarbon group having a protonic acid group.)
Si (OR 40 ) e (R 41 ) f (8)
(In the formula (8), e is 2 to 4, f is 0 to 2, and e + f = 4. R 40 and R 41 are a hydrogen atom or an optionally halogenated hydrocarbon group. )
[14] A polymer electrolyte membrane in which a reaction product obtained by hydrolytic condensation of the following components (Ba) and (BB) is compatible or dispersed in the component (A).
(A) a proton conductive polymer;
(Ba): a compound represented by the following formula (6),
Si (OR 20 ) E (R 21 ) F (R 22 ) G (6)
(In Formula (6), E is 2-3, F is 0-1, G is 1-2, and E + F + G = 4. R 20 and R 21 are hydrogen atoms or halogenated. R 22 is a nitrogen-containing heterocyclic structure or an optionally halogenated hydrocarbon group having an optionally substituted amino group.)
(Bb): a compound represented by the following formula (7),
Si (OR 30 ) E ' (R 31 ) F' (R 32 ) G ' (7)
(In the formula (7), E ′ is 2 to 3, F ′ is 0 to 1, G ′ is 1 to 2, and E ′ + F ′ + G ′ = 4. R 30 and R 31 are hydrogen. (It is an optionally halogenated hydrocarbon group. R 32 is an optionally halogenated hydrocarbon group having a protonic acid group.)
本発明のダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質は、第1に、メタノール透過を抑制しながらプロトン伝導度が向上している上に、第2に、メタノール水溶液中での寸法安定性が向上しているという従来見られなかった特性を有している。
したがって、本発明の高分子電解質は、一次電池用電解質、二次電池用電解質、ダイレクトメタノール型燃料電池用高分子固体電解質、表示素子、各種センサー、信号伝達媒体、固体コンデンサー、イオン交換膜などの伝導膜として利用可能であり、この工業的意義は極めて大である。
The polymer electrolyte for direct methanol fuel cell of the present invention has firstly improved proton conductivity while suppressing methanol permeation, and secondly improved dimensional stability in aqueous methanol solution. It has a characteristic that was not seen before.
Therefore, the polymer electrolyte of the present invention includes an electrolyte for primary batteries, an electrolyte for secondary batteries, a solid polymer electrolyte for direct methanol fuel cells, a display element, various sensors, a signal transmission medium, a solid capacitor, an ion exchange membrane, and the like. It can be used as a conductive film, and its industrial significance is extremely great.
以下、本発明について詳細に説明する。
[ダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質]
本発明に係るダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質は、(A)プロトン伝導性重合体、並びに、
(B)前記成分(B−a)および(B−b)を含む組成物、好ましくは前記成分(B−a)および(B−b)に加えて前記(B−c)および(B−d)から選択される1種以上の成分を含む組成物を加水分解・脱水縮合反応して得られる反応物を含んでなる。
以下、各成分について説明する。
(A)プロトン伝導性重合体
プロトン伝導性重合体(A)としては、
プロトン酸基を有する重合体であれば特に制限されない。プロトン酸基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、アルキルスルホン酸基、アルキルカルボン酸基、アルキルホスホン酸基及びフェノール性水酸基等からなる群より選ばれた少なくとも1種以上ものが好ましい。より好ましくは、スルホン酸、ホスホン酸、アルキルスルホン酸であり、特に好ましくはスルホン酸、アルキルスルホン酸である。このプロトン酸基によってプロトン伝導性が付与される。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[Polymer electrolyte for direct methanol fuel cell]
The polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell according to the present invention comprises (A) a proton conductive polymer, and
(B) A composition comprising the components (Ba) and (Bb), preferably the components (Bc) and (Bd) in addition to the components (Ba) and (BB). And a reaction product obtained by subjecting a composition containing one or more components selected from the above to hydrolysis / dehydration condensation reaction.
Hereinafter, each component will be described.
(A) Proton conductive polymer As the proton conductive polymer (A),
The polymer is not particularly limited as long as it is a polymer having a proton acid group. The protonic acid group includes at least one selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, an alkylsulfonic acid group, an alkylcarboxylic acid group, an alkylphosphonic acid group, a phenolic hydroxyl group, and the like. preferable. More preferred are sulfonic acid, phosphonic acid and alkylsulfonic acid, and particularly preferred are sulfonic acid and alkylsulfonic acid. Proton conductivity is imparted by the proton acid group.
プロトン伝導性重合体(A)としては、具体的には、パーフルオロスルホン酸系重合体、カルボキシル基およびスルホン酸基とを有するパーフルオロカーボン系重合体などのパーフルオロ系プロトン伝導性重合体が挙げられる。さらに、上記のプロトン酸基を含む、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルフィド、ポリホスファゼン、ポリアリーレン、ポリフェニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリアミド、ポリイミド、ポリ尿素、ポリスルホン、ポリスルホネート、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリチアゾール、ポリフェニルキノキサリン、ポリキノリン、ポリシロキサン、ポリトリアジン、ポリジエン、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリオキサチアゾール、ポリテトラザピレン、ポリオキサゾール、ポリビニルピリジン、ポリビニルイミダゾール、ポリピロリドン、ポリアクリレート誘導体、ポリメタクリレート誘導体、ポリスチレン誘導体等の非パーフルオロ系プロトン伝導性重合体なども用いることが可能である。 Specific examples of the proton conductive polymer (A) include perfluoro protonic polymers such as perfluorosulfonic acid polymers and perfluorocarbon polymers having a carboxyl group and a sulfonic acid group. It is done. Further, polyether ketone, polyether ether ketone, polysulfide, polyphosphazene, polyarylene, polyphenylene, polybenzimidazole, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polyphenylene oxide, polycarbonate, polyurethane, polyamide containing the above protonic acid group , Polyimide, polyurea, polysulfone, polysulfonate, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzothiazole, polythiazole, polyphenylquinoxaline, polyquinoline, polysiloxane, polytriazine, polydiene, polypyridine, polypyrimidine, polyoxathiazole, poly Tetrazapyrene, polyoxazole, polyvinyl pyridine, polyvinyl imidazole, polypyrrolidone, Li acrylate derivatives, polymethacrylate derivatives, may also be used such as a non-perfluorinated proton-conducting polymers such as polystyrene derivatives.
これらのなかでも、好ましくは、パーフルオロスルホン酸系重合体、カルボキシル基およびスルホン酸基とを有するパーフルオロカーボン系重合体、スルホン酸又はアルキルス
ルホン酸基を有するポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルフィド、ポリホスファゼン、ポリアリーレン、ポリフェニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルホネート、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリチアゾール、ポリフェニルキノキサリン、ポリキノリン、ポリシロキサン、ポリトリアジン、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリオキサチアゾール、ポリテトラザピレン、ポリオキサゾール、ポリビニルピリジン、ポリビニルイミダゾール、ポリピロリドン、ポリアクリレート誘導体、ポリメタクリレート誘導体、ポリスチレン誘導体等である。
より好ましくは、パーフルオロスルホン酸系重合体、カルボキシル基およびスルホン酸基とを有するパーフルオロカーボン系樹脂、スルホン酸又はアルキルスルホン酸基を有するポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルフィド、ポリホスファゼン、ポリアリーレン、ポリフェニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルホネート、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリチアゾール、ポリフェニルキノキサリン、ポリキノリン、ポリシロキサン、ポリトリアジン等である。
Among these, preferably, a perfluorosulfonic acid polymer, a perfluorocarbon polymer having a carboxyl group and a sulfonic acid group, a polyether ketone having a sulfonic acid or an alkyl sulfonic acid group, a polyether ether ketone, a polysulfide , Polyphosphazene, polyarylene, polyphenylene, polybenzimidazole, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polyphenylene oxide, polycarbonate, polyimide, polysulfone, polysulfonate, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzothiazole, polythiazole, poly Phenylquinoxaline, polyquinoline, polysiloxane, polytriazine, polypyridine, polypyrimidine, polyoxathiazole, poly Torazapiren, polyoxazole, polyvinyl pyridine, polyvinyl imidazole, polypyrrolidone, polyacrylate derivatives, polymethacrylate derivatives, polystyrene derivatives.
More preferably, a perfluorosulfonic acid polymer, a perfluorocarbon-based resin having a carboxyl group and a sulfonic acid group, a polyether ketone having a sulfonic acid or alkylsulfonic acid group, a polyether ether ketone, a polysulfide, a polyphosphazene, a poly Arylene, polyphenylene, polybenzimidazole, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polyphenylene oxide, polyimide, polysulfone, polysulfonate, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzothiazole, polythiazole, polyphenylquinoxaline, polyquinoline, polysiloxane And polytriazine.
本発明では、プロトン伝導性重合体(A)としては、下記一般式(1)で表されるスルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体であることが好ましい。 In the present invention, the proton conductive polymer (A) is preferably a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group represented by the following general formula (1).
一般式(1)において、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−CO
O−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。このうち、−CO−、−SO2−が好ましい。
In the general formula (1), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —CO.
It represents at least one structure selected from the group consisting of O—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), and —C (CF 3 ) 2 —. Among, -CO -, - SO 2 - is preferred.
Zは直接結合または、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH3)2−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。このうち直接結合、−O−が好ましい。Arは−SO3Hまたは−O(CH2)pSO3Hまたは−O(CF2)pSO3Hで表される置換基(pは1〜12の整数を示す)を有する芳香族基を示す
。
Z is a direct bond or at least one selected from the group consisting of — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O—, and —S—. The structure of the species is shown. Among these, a direct bond and -O- are preferable. Ar is an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H or —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p represents an integer of 1 to 12). Indicates.
芳香族基として具体的には、フェニル基、ナフチル基、アントリル基、フェナントリル基などが挙げられる。これらの基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。−SO3
Hまたは−O(CH2)pSO3Hまたは−O(CF2)pSO3Hで表される置換基(pは1〜12の整数を示す)は、少なくとも1個置換されていることが必要であり、ナフチル基である場合には2個以上置換していることが好ましい。
mは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、nは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、kは1〜4の整数を示す。
m、nの値とY、Z、Arの構造についての好ましい組み合わせとして、
(1)m=0、n=0であり、Yは−CO−であり、Arが置換基として−SO3Hを有
するフェニル基である構造、
(2)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、
(3)m=1、n=1、k=1であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが
置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、
(4)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Arが置換基として2個の−SO3
Hを有するナフチル基である構造、
(5)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−O(CH2)4SO3Hを有するフェニル基である構造などを挙げることができる。
より好ましくは、上記一般式(1)で表される構造および下記一般式(2)で表される構造を有するポリアリーレン系共重合体が好ましい。
Specific examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthryl group, and a phenanthryl group. Of these groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable. -SO 3
At least one substituent represented by H or —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p represents an integer of 1 to 12) is substituted. In the case of a naphthyl group, it is preferable that two or more are substituted.
m is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, n is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and k is an integer of 1 to 4.
As a preferable combination of the values of m and n and the structures of Y, Z and Ar,
(1) a structure in which m = 0, n = 0, Y is —CO—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(2) a structure in which m = 1, n = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(3) a structure in which m = 1, n = 1, k = 1, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(4) a m = 1, n = 0, Y is -CO-, 2 pieces of -SO 3 as Ar is a substituted group
A structure which is a naphthyl group having H,
(5) m = 1, n = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —O (CH 2 ) 4 SO 3 H as a substituent. Examples include structures.
More preferably, a polyarylene copolymer having a structure represented by the general formula (1) and a structure represented by the following general formula (2) is preferable.
一般式(2)において、A、Dは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO
−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香
族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。ここで、−CR’2−で表される構造の具体的な例として、メチル基、エチル基、プロピル基、
イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、プロピル基、オクチル基、デシル基、オクタデシル基、フェニル基、トリフルオロメチル基、などが挙げられる。
In the general formula (2), A and D are independently a direct bond or —CO—, —SO 2 —, —SO
-, - CONH -, - COO -, - (CF 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - (CH 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - CR ' 2- (R' represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, -O-, or -S- At least one structure is shown. Here, specific examples of the structure represented by —CR ′ 2 — include a methyl group, an ethyl group, a propyl group,
Examples include isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, propyl group, octyl group, decyl group, octadecyl group, phenyl group, trifluoromethyl group, and the like.
これらのうち、直接結合または、−CO−、−SO2−、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−が好ましい。
Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、酸素原子が好ましい。
Among these, a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group), cyclohexylidene Group, fluorenylidene group and -O- are preferred.
B is independently an oxygen atom or a sulfur atom, preferably an oxygen atom.
R1〜R16は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル
基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。
R 1 to R 16 may be the same as or different from each other, and are a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group in which a part or all of them are halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group, a nitrile group. At least one atom or group selected from the group consisting of
アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基などが挙げられる。ハロゲン化アルキル基としては、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基などが挙げられる。アリル基としては、プロペニル基などが挙げられ、アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基などが挙げられる。 Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, a hexyl group, a cyclohexyl group, and an octyl group. Examples of the halogenated alkyl group include a trifluoromethyl group, a pentafluoroethyl group, a perfluoropropyl group, a perfluorobutyl group, a perfluoropentyl group, and a perfluorohexyl group. Examples of the allyl group include a propenyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.
s、tは0〜4の整数を示す。rは0または1以上の整数を示し、上限は通常100、好ましくは1〜80である。s、tの値と、A、B、D、R1〜R16の構造についての好
ましい組み合わせとしては、
(1)s=1、t=1であり、Aが−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化
水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基であり、Bが酸素原子であり、Dが−CO−または、−SO2−であり、R1〜R16が水素原子またはフッ素原子である構造、
(2)s=1、t=0であり、Bが酸素原子であり、Dが−CO−または、−SO2−で
あり、R1〜R16が水素原子またはフッ素原子である構造、
(3)s=0、t=1であり、Aが−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化
水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン
基、Bが酸素原子であり、R1〜R16が水素原子またはフッ素原子またはニトリル基であ
る構造が挙げられる。
(4)s=1、t=1、2であり、Aが−C(CF3)2−または、−C(CR’2)2−(R’は炭化水素基または環状炭化水素基)であり、Bが酸素原子であり、R1〜R16が水
素原子またはフッ素原子である構造、
(5)s=0、t=1、2であり、Aが−C(CF3)2−または、−C(CR’2)2−(R’は炭化水素基または環状炭化水素基)であり、Bが酸素原子であり、R1〜R16が水
素原子またはフッ素原子またはニトリル基である構造が挙げられる。
s and t represent an integer of 0 to 4. r shows 0 or an integer greater than or equal to 1, and an upper limit is 100 normally, Preferably it is 1-80. Preferred combinations of the values of s and t and the structures of A, B, D, and R 1 to R 16 are as follows:
(1) s = 1, t = 1, A is —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, A structure which is a fluorenylidene group, B is an oxygen atom, D is —CO— or —SO 2 —, and R 1 to R 16 are a hydrogen atom or a fluorine atom,
(2) a structure in which s = 1, t = 0, B is an oxygen atom, D is —CO— or —SO 2 —, and R 1 to R 16 are hydrogen atoms or fluorine atoms,
(3) s = 0, t = 1, A is —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, Examples include a fluorenylidene group, B is an oxygen atom, and R 1 to R 16 are a hydrogen atom, a fluorine atom, or a nitrile group.
(4) s = 1, t = 1, 2 and A is —C (CF 3 ) 2 — or —C (CR ′ 2 ) 2 — (R ′ is a hydrocarbon group or a cyclic hydrocarbon group). A structure in which B is an oxygen atom, and R 1 to R 16 are a hydrogen atom or a fluorine atom,
(5) s = 0, t = 1, 2 and A is —C (CF 3 ) 2 — or —C (CR ′ 2 ) 2 — (R ′ is a hydrocarbon group or a cyclic hydrocarbon group). And a structure in which B is an oxygen atom, and R 1 to R 16 are a hydrogen atom, a fluorine atom, or a nitrile group.
上記一般式(1)で表される構造および上記一般式(2)で表される構造を有するポリアリーレン系共重合体としては、下記一般式(3)で表されるポリアリーレン系共重合体が挙げられる。 The polyarylene copolymer having the structure represented by the general formula (1) and the structure represented by the general formula (2) is a polyarylene copolymer represented by the following general formula (3). Is mentioned.
一般式(3)において、A、B、D、Y、Z、Ar、k、m、n、r、s、tおよびR1〜R16は、それぞれ上記一般式(1)および(2)中のA、B、D、Y、Z、Ar、k
、m、n、r、s、tおよびR1〜R16と同義である。x、yはx+y=100モル%と
した場合のモル比を示す。
In the general formula (3), A, B, D, Y, Z, Ar, k, m, n, r, s, t and R 1 to R 16 are respectively in the general formulas (1) and (2). A, B, D, Y, Z, Ar, k
, M, n, r, s, t, and R 1 to R 16 . x and y represent molar ratios when x + y = 100 mol%.
本発明で用いられるスルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体は、式(1)で表される構造単位すなわちxのユニットを0.5〜100モル%、好ましくは10〜99.999モル%の割合で、式(2)で表される構造単位すなわちyのユニットを99.5〜0モル%、好ましくは90〜0.001モル%の割合で含有している。
スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体の製造には、例えば下記に示すA法、B法、C法の3通りの方法を用いることができる。
The polyarylene copolymer having a sulfonic acid group used in the present invention is 0.5 to 100 mol%, preferably 10 to 99.999 mol%, of the structural unit represented by the formula (1), that is, the unit of x. The structural unit represented by the formula (2), that is, the y unit is contained in an amount of 99.5 to 0 mol%, preferably 90 to 0.001 mol%.
For the production of the polyarylene copolymer having a sulfonic acid group, for example, the following three methods A, B, and C can be used.
(A1法)
例えば、特開2004−137444号公報に記載の方法で、上記一般式(1)で表される構造単位となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーと、上記一般式(2)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを製造し、このスルホン酸エステル基を脱エステル化して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基に変換することにより合成することができる。(B1法)
例えば、特開2001−342241号公報に記載の方法で、上記一般式(1)で表される骨格を有しスルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しないモノマーと、上記一般式(2)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、この
重合体を、スルホン化剤を用いて、スルホン化することにより合成することもできる。
(C1法)
一般式(1)において、Arが−O(CH2)pSO3Hまたは−O(CF2)pSO3Hで表される置換基を有する芳香族基である場合には、例えば、特願2003−295974号(特開2005-60625号公報)に記載の方法で、上記一般式(1)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーと、上記一般式(2)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、次にアルキルスルホン酸またはフッ素置換されたアルキルスルホン酸を導入する方法で合成することもできる。
(A1 method)
For example, in the method described in JP-A No. 2004-137444, a monomer having a sulfonate group that can be a structural unit represented by the general formula (1) and a structural unit represented by the general formula (2) A polyarylene having a sulfonic acid ester group is produced by copolymerization with a monomer or oligomer that can be synthesized, and the sulfonic acid ester group is deesterified, and then the sulfonic acid ester group is converted into a sulfonic acid group. be able to. (B1 method)
For example, in the method described in JP-A No. 2001-342241, a monomer having a skeleton represented by the general formula (1) and not having a sulfonic acid group or a sulfonic acid ester group, and the general formula (2) It is also possible to synthesize this polymer by copolymerizing a monomer or oligomer that can be a structural unit represented and sulfonating the polymer using a sulfonating agent.
(C1 method)
In the general formula (1), when Ar is an aromatic group having a substituent represented by —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H, for example, In the method described in Japanese Patent Application No. 2003-295974 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-60625), a precursor monomer that can be a structural unit represented by the above general formula (1) and the above general formula (2) It can also be synthesized by copolymerizing monomers or oligomers that can be structural units and then introducing alkylsulfonic acid or fluorine-substituted alkylsulfonic acid.
(A1法)において用いることのできる、上記一般式(1)で表される構造単位となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーの具体的な例として、下記に示すようなスルホン酸エステル類を挙げることができる。 Specific examples of the monomer having a sulfonate group that can be used in (Method A1) and can be the structural unit represented by the general formula (1) include sulfonate esters as shown below. Can do.
(B1法)において用いることのできる、上記一般式(I)で表される構造単位となりう
るスルホン酸基、またはスルホン酸エステル基を有しないモノマーの具体的な例として、下記に示すようなスルホン酸エステル類を挙げることができる。
Specific examples of the monomer that does not have a sulfonic acid group or a sulfonic acid ester group that can be a structural unit represented by the general formula (I) that can be used in (Method B1) include sulfone as shown below. There may be mentioned acid esters.
(C1法)において用いることのできる、上記一般式(1)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーの具体的な例として、下記に示すようなモノマー類を挙げることができる。 Specific examples of the precursor monomer that can be used in (Method C1) and can be the structural unit represented by the general formula (1) include monomers as shown below.
また、いずれの方法においても用いられる、上記一般式(2)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーの具体的な例として、以下のものが挙げられる。
r=0の場合、例えば4,4'−ジクロロベンゾフェノン、4,4'−ジクロロベンズアニリド、2,2−ビス(4−クロロフェニル)ジフルオロメタン、2,2−ビス(4−クロ
ロフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、4−クロロ安息香酸−4−クロロフェニルエステル、ビス(4−クロロフェニル)スルホキシド、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、2,6−ジクロロベンゾニトリルが挙げられる。これらの化合物において塩素原子が臭素原子またはヨウ素原子に置き換わった化合物などが挙げられる。
Moreover, the following are mentioned as a specific example of the monomer or oligomer which can become a structural unit represented by the said General formula (2) used in any method.
When r = 0, for example, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzanilide, 2,2-bis (4-chlorophenyl) difluoromethane, 2,2-bis (4-chlorophenyl) -1, 1,1,3,3,3-hexafluoropropane, 4-chlorobenzoic acid-4-chlorophenyl ester, bis (4-chlorophenyl) sulfoxide, bis (4-chlorophenyl) sulfone, 2,6-dichlorobenzonitrile It is done. In these compounds, a compound in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom is exemplified.
r=1の場合、例えば特開2003−113136に記載の化合物を挙げることができる。
r≧2の場合、例えば特開2004−137444号公報、特開2004−244517号公報、特願2003−143914号(特開2004-346164号公報)、特願2003−
348523号(特開2005-112985号公報)、特願2003−348524号、特願20
04−211739号(特開2006-28414号公報)、特願2004−211740号(特開2006-28415号公報)に記載の化合物を挙げることができる。
In the case of r = 1, for example, compounds described in JP-A No. 2003-113136 can be exemplified.
In the case of r ≧ 2, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-137444, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-244517, Japanese Patent Application No. 2003-143914 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-346164), Japanese Patent Application No. 2003
No. 348523 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-112985), Japanese Patent Application No. 2003-348524, Japanese Patent Application No. 20
Examples include compounds described in Japanese Patent Application No. 04-2111739 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-28414) and Japanese Patent Application No. 2004- 211740 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-28415).
スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体を得るためは、まず、これらの、上記一般式(1)で表される構造単位となりうるモノマーと、上記一般式(2)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、前駆体のポリアリーレンを得ることが必要である。この共重合は、触媒の存在下に行われるが、この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系としては、(1)遷移金属塩および配位子となる化合物(以下、「配位子成分」という。)、または配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)、ならびに(2)還元剤を必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために、「塩」を添加してもよい。 In order to obtain a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group, first, a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (1) and a structural unit represented by the general formula (2). It is necessary to obtain a precursor polyarylene by copolymerizing with a monomer or oligomer that can be a precursor. This copolymerization is carried out in the presence of a catalyst, and the catalyst used in this case is a catalyst system containing a transition metal compound. This catalyst system is (1) a transition metal salt and a ligand. A compound (hereinafter referred to as “ligand component”) or a transition metal complex coordinated with a ligand (including a copper salt) and (2) a reducing agent as essential components, and further increase the polymerization rate. Therefore, “salt” may be added.
ここで、遷移金属塩としては、塩化ニッケル、臭化ニッケル、ヨウ化ニッケル、ニッケルアセチルアセトナートなどのニッケル化合物、塩化パラジウム、臭化パラジウム、ヨウ化パラジウムなどのパラジウム化合物、塩化鉄、臭化鉄、ヨウ化鉄などの鉄化合物、塩化コバルト、臭化コバルト、ヨウ化コバルトなどのコバルト化合物などが挙げられる。これらのうち特に、塩化ニッケル、臭化ニッケルなどが好ましい。また、配位子としては、トリフェニルホスフィン、トリ(2ーメチル)フェニルホスフィン、トリ(3ーメチル)フェニルホスフィン、トリ(4ーメチル)フェニルホスフィン、2,2'−ビピリジン、1
,5−シクロオクタジエン、1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパンなどが挙げられるが、トリフェニルホスフィン、トリ(2ーメチル)フェニルホスフィン、2,2'
−ビピリジンが好ましい。上記配位子は、1種単独で、あるいは2種以上を併用することができる。
Here, transition metal salts include nickel compounds such as nickel chloride, nickel bromide, nickel iodide and nickel acetylacetonate, palladium compounds such as palladium chloride, palladium bromide and palladium iodide, iron chloride and iron bromide. And iron compounds such as iron iodide and cobalt compounds such as cobalt chloride, cobalt bromide and cobalt iodide. Of these, nickel chloride, nickel bromide and the like are particularly preferable. As the ligand, triphenylphosphine, tri (2-methyl) phenylphosphine, tri (3-methyl) phenylphosphine, tri (4-methyl) phenylphosphine, 2,2′-bipyridine, 1
, 5-cyclooctadiene, 1,3-bis (diphenylphosphino) propane, etc., but triphenylphosphine, tri (2-methyl) phenylphosphine, 2,2 ′
-Bipyridine is preferred. The said ligand can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
さらに、あらかじめ配位子が配位された遷移金属(塩)としては、例えば、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケルビス(トリ(2ーメチル)フェニルホスフィン)、臭化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、ヨウ化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、硝酸ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケル(2,2'ビピリジン)、臭化ニッケル(2,2'ビピリジン)、ヨウ化ニッケル(2,2'
ビピリジン)、硝酸ニッケル(2,2'ビピリジン)、ビス(1,5−シクロオクタジエ
ン)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスフィン)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスファイト)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウムなどが挙げられるが、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケルビス(トリ(2ーメチル)フェニルホスフィン)、塩化ニッケル(2,2'ビピリジン)が好ましい
。
Furthermore, as the transition metal (salt) in which the ligand is coordinated in advance, for example, nickel chloride bis (triphenylphosphine), nickel chloride bis (tri (2-methyl) phenylphosphine), nickel bromide bis (triphenyl) Phosphine), nickel iodide bis (triphenylphosphine), nickel nitrate bis (triphenylphosphine), nickel chloride (2,2′bipyridine), nickel bromide (2,2′bipyridine), nickel iodide (2,2) '
Bipyridine), nickel nitrate (2,2′bipyridine), bis (1,5-cyclooctadiene) nickel, tetrakis (triphenylphosphine) nickel, tetrakis (triphenylphosphite) nickel, tetrakis (triphenylphosphine) palladium, etc. Among them, nickel chloride bis (triphenylphosphine), nickel chloride bis (tri (2-methyl) phenylphosphine), and nickel chloride (2,2′bipyridine) are preferable.
本発明の触媒系において使用することができる上記還元剤としては、例えば、鉄、亜鉛
、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、ナトリウム、カルシウムなどを挙げることできるが、亜鉛、マグネシウム、マンガンが好ましい。これらの還元剤は、有機酸などの酸に接触させることにより、より活性化して用いることができる。
Examples of the reducing agent that can be used in the catalyst system of the present invention include iron, zinc, manganese, aluminum, magnesium, sodium, and calcium, and zinc, magnesium, and manganese are preferable. These reducing agents can be used after being more activated by contacting with an acid such as an organic acid.
また、本発明の触媒系において使用することのできる「塩」としては、フッ化ナトリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、硫酸ナトリウムなどのナトリウム化合物、フッ化カリウム、塩化カリウム、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、硫酸カリウムなどのカリウム化合物、フッ化テトラエチルアンモニウム、塩化テトラエチルアンモニウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウム、硫酸テトラエチルアンモニウムなどのアンモニウム化合物などが挙げられるが、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化カリウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウムが好ましい。 “Salts” that can be used in the catalyst system of the present invention include sodium compounds such as sodium fluoride, sodium chloride, sodium bromide, sodium iodide, sodium sulfate, potassium fluoride, potassium chloride, bromide. Examples include potassium compounds such as potassium, potassium iodide, and potassium sulfate, and ammonium compounds such as tetraethylammonium fluoride, tetraethylammonium chloride, tetraethylammonium bromide, tetraethylammonium iodide, and tetraethylammonium sulfate. Sodium iodide, potassium bromide, tetraethylammonium bromide and tetraethylammonium iodide are preferred.
触媒系における各成分の使用割合は、遷移金属塩または配位子が配位された遷移金属(塩)が、上記一般式(1)であらわされる構造体となりうるモノマー前駆体、上記一般式(2)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーの前駆体の総計1モルに対し、通常、0.0001〜10モル、好ましくは0.01〜0.5モルである。0.0001モル未満では、重合反応が充分に進行せず、一方、10モルを超えると、分子量が低下するという問題がある。触媒系において、遷移金属塩および配位子を用いる場合、この配位子の使用割合は、遷移金属塩1モルに対し、通常、0.1〜100モル、好ましくは1〜10モルである。0.1モル未満では、触媒活性が不充分となり、一方、100モルを超えると、分子量が低下するという問題がある。 The proportion of each component used in the catalyst system is such that the transition metal salt or the transition metal (salt) coordinated with the ligand can be a structure represented by the above general formula (1), the monomer precursor, It is usually 0.0001 to 10 mol, preferably 0.01 to 0.5 mol, based on 1 mol of the total of the monomers or oligomer precursors that can be the structural unit represented by 2). When the amount is less than 0.0001 mol, the polymerization reaction does not proceed sufficiently. On the other hand, when the amount exceeds 10 mol, the molecular weight is lowered. In the catalyst system, when a transition metal salt and a ligand are used, the proportion of the ligand used is usually 0.1 to 100 mol, preferably 1 to 10 mol, per 1 mol of the transition metal salt. If the amount is less than 0.1 mol, the catalytic activity becomes insufficient. On the other hand, if the amount exceeds 100 mol, the molecular weight decreases.
また、触媒系における還元剤の使用割合は、上記一般式(1)であらわされる構造体となりうるモノマー前駆体、上記一般式(2)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーの前駆体の総計1モルに対し、通常、0.1〜100モル、好ましくは1〜10モルである。0.1モル未満では、重合が充分進行せず、一方、100モルを超えると、得られる重合体の精製が困難になるという問題がある。 The ratio of the reducing agent used in the catalyst system is such that the monomer precursor that can be a structure represented by the above general formula (1), the monomer that can be the structural unit represented by the above general formula (2), or an oligomer precursor The total amount is generally 0.1 to 100 mol, preferably 1 to 10 mol. When the amount is less than 0.1 mol, the polymerization does not proceed sufficiently. On the other hand, when the amount exceeds 100 mol, there is a problem that it is difficult to purify the resulting polymer.
さらに、触媒系に「塩」を使用する場合、その使用割合は、上記一般式(1)であらわされる構造体となりうるモノマー前駆体、上記一般式(2)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーの前駆体の総計1モルに対し、通常、0.001〜100モル、好ましくは0.01〜1モルである。0.001モル未満では、重合速度を上げる効果が不充分であり、一方、100モルを超えると、得られる重合体の精製が困難となるという問題がある。 Furthermore, when “salt” is used in the catalyst system, the proportion used is a monomer precursor that can be a structure represented by the above general formula (1), and a monomer that can be a structural unit represented by the above general formula (2). Or, it is usually 0.001 to 100 mol, preferably 0.01 to 1 mol, per 1 mol of the total of oligomer precursors. When the amount is less than 0.001 mol, the effect of increasing the polymerization rate is insufficient. On the other hand, when the amount exceeds 100 mol, there is a problem that it is difficult to purify the resulting polymer.
本発明で使用することのできる重合溶媒としては、例えば、テトラヒドロフラン、シクロヘキサノン、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、1−メチル−2−ピロリドン、γ−ブチロラクトン、γ−ブチロラクタムなどが挙げられ、テトラヒドロフラン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、1−メチル−2−ピロリドンが好ましい。これらの重合溶媒は、充分に乾燥してから用いることが好ましい。重合溶媒中における上記一般式(2)であらわされる構造体となりうるモノマー前駆体、上記一般式(2)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーの前駆体の総計の濃度は、通常、1〜90重量%、好ましくは5〜40重量%である。 Examples of the polymerization solvent that can be used in the present invention include tetrahydrofuran, cyclohexanone, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, 1-methyl-2-pyrrolidone, γ-butyrolactone, γ- Examples include butyrolactam, and tetrahydrofuran, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, and 1-methyl-2-pyrrolidone are preferable. These polymerization solvents are preferably used after sufficiently dried. In the polymerization solvent, the total concentration of the monomer precursor that can be a structure represented by the general formula (2), the monomer that can be a structural unit represented by the general formula (2), or the precursor of the oligomer is usually, 1 to 90% by weight, preferably 5 to 40% by weight.
また、本発明の重合体を重合する際の重合温度は、通常、0〜200℃、好ましくは50〜80℃である。また、重合時間は、通常、0.5〜100時間、好ましくは1〜40時間である。 Moreover, the polymerization temperature at the time of superposing | polymerizing the polymer of this invention is 0-200 degreeC normally, Preferably it is 50-80 degreeC. The polymerization time is usually 0.5 to 100 hours, preferably 1 to 40 hours.
スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体は、この前駆体のポリアリーレンを、スルホン酸基を有するポリアリーレンに変換して得ることができる。この方法としては、下記の3通りの方法がある。
(A2法)前駆体のスルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを、特開2004−137444に記載の方法で脱エステル化する方法。
(B2法)前駆体のポリアリーレンを、特開2001−342241号公報に記載の方法でスルホン化する方法。
(C2法)前駆体のポリアリーレンに、特願2003−295974号(特開2005-60625号公報)に記載の方法で、アルキルスルホン酸基を導入する方法。
A polyarylene copolymer having a sulfonic acid group can be obtained by converting the polyarylene of the precursor into a polyarylene having a sulfonic acid group. As this method, there are the following three methods.
(Method A2) A method in which polyarylene having a sulfonate group as a precursor is deesterified by the method described in JP-A-2004-137444.
(Method B2) A method of sulfonating a precursor polyarylene by the method described in JP-A-2001-342241.
(Method C2) A method of introducing an alkylsulfonic acid group into the precursor polyarylene by the method described in Japanese Patent Application No. 2003-295974 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-60625).
(A2法)は、
加水分解によりスルホン酸エステル基(−SO3R)をスルホン酸基(−SO3H)に転換する方法である。
具体的には、
(1)少量の塩酸を含む過剰量の水またはアルコールに、上記ポリアリーレンを投入し、5分間以上撹拌する方法
(2)トリフルオロ酢酸中で上記ポリアリーレンを80〜120℃程度の温度で5〜10時間程度反応させる方法
(3)ポリアリーレン中のスルホン酸エステル基(−SO3R)1モルに対して1〜5倍
モルのリチウムブロマイドを含む溶液、例えばN−メチルピロリドンなどの溶液中で上記ポリアリーレンを80〜150℃程度の温度で3〜10時間程度反応させた後、塩酸を添加する方法
などを挙げることができる
(B2法)は、
スルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しない前駆体のポリアリーレンを、無水硫酸、発煙硫酸、クロルスルホン酸、硫酸、亜硫酸水素ナトリウムなどの公知のスルホン化剤を用いて、公知の条件でスルホン化することができる〔PolymerPreprints,Japan,Vol.42,No.3,p.730(1993);PolymerPreprints,Japan,Vol.42,No.3,p.736(1994);PolymerPreprints,Japan,Vol.42,No.7,p.2490〜2492(1993)〕。すなわち、このスルホン化の反応条件としては、スルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しない前駆体のポリアリーレンを、無溶剤下、あるいは溶剤存在下で、上記スルホン化剤と反応させる。溶剤としては、例えばn−ヘキサンなどの炭化水素溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどのエーテル系溶剤、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドのような非プロトン系極性溶剤のほか、テトラクロロエタン、ジクロロエタン、クロロホルム、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素などが挙げられる。反応温度は特に制限はないが、通常、−50〜200℃、好ましくは−10〜100℃である。また、反応時間は、通常、0.5〜1,000時間、好ましくは1〜200時間である
(C2法)は、
上記(C1法)に示すモノマー類を上記一般式(2)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させることにより、−OM基あるいは−SM基(Mは、水素原子あるいはアルカリ金属原子を示す)を有する前駆体ポリアリーレンを得た後、下記一般式(4)又は(5)で表される化合物をアルカリ条件下で反応させることによってスルホン化することが出来る。
(Method A2)
In this method, a sulfonic acid ester group (—SO 3 R) is converted into a sulfonic acid group (—SO 3 H) by hydrolysis.
In particular,
(1) A method in which the polyarylene is added to an excess amount of water or alcohol containing a small amount of hydrochloric acid and stirred for 5 minutes or more. (2) The polyarylene is heated at a temperature of about 80 to 120 ° C. in trifluoroacetic acid. Method of reacting for about 10 hours (3) In a solution containing 1 to 5 moles of lithium bromide per mole of sulfonic acid ester group (—SO 3 R) in polyarylene, for example, in a solution such as N-methylpyrrolidone Examples include a method of reacting polyarylene for about 3 to 10 hours at a temperature of about 80 to 150 ° C. and then adding hydrochloric acid (Method B2).
Sulfonating precursor polyarylene without sulfonic acid group or sulfonic acid ester group under known conditions using known sulfonating agents such as sulfuric anhydride, fuming sulfuric acid, chlorosulfonic acid, sulfuric acid, sodium hydrogen sulfite [Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, no. 3, p. 730 (1993); Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, no. 3, p. 736 (1994); Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, no. 7, p. 2490-2492 (1993)]. That is, as the reaction conditions for the sulfonation, a precursor polyarylene having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group is reacted with the sulfonating agent in the absence of a solvent or in the presence of a solvent. Examples of the solvent include hydrocarbon solvents such as n-hexane, ether solvents such as tetrahydrofuran and dioxane, aprotic polar solvents such as dimethylacetamide, dimethylformamide, and dimethylsulfoxide, tetrachloroethane, dichloroethane, chloroform, and chloride. And halogenated hydrocarbons such as methylene. The reaction temperature is not particularly limited, but is usually −50 to 200 ° C., preferably −10 to 100 ° C. The reaction time is usually 0.5 to 1,000 hours, preferably 1 to 200 hours (Method C2):
By copolymerizing the monomers shown in the above (Method C1) with a monomer or oligomer that can be the structural unit represented by the general formula (2), an —OM group or an —SM group (M is a hydrogen atom or After obtaining a precursor polyarylene having an alkali metal atom), it can be sulfonated by reacting the compound represented by the following general formula (4) or (5) under alkaline conditions.
式(4)中、R40は水素原子、フッ素原子、アルキル基、およびフッ素置換アルキル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示し、gは1〜20の整数を示す。 In the formula (4), R 40 represents at least one atom or group selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, and a fluorine-substituted alkyl group, and g represents an integer of 1 to 20.
式(5)中、Lは、塩素原子、臭素原子、およびヨウ素原子のいずれかを示し、Mは水素原子あるいはアルカリ金属原子を示す。R40、gは、式(4)中のR40、gと同義である。
一般式(4)で表される化合物の具体例としては、以下のような化合物が挙げられる。
In formula (5), L represents any of a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom, and M represents a hydrogen atom or an alkali metal atom. R 40, g has the same meaning as R 40, g in the formula (4).
Specific examples of the compound represented by the general formula (4) include the following compounds.
一般式(5)で表される化合物の具体例としては、以下のような化合物が挙げられる。 Specific examples of the compound represented by the general formula (5) include the following compounds.
一般式(4)又は(5)とアルカリ条件下で反応させる場合、前駆体ポリアリーレンを溶解させても良く、例えば、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジフェニルスルホン、ジメチルスルホキサイドなどの誘電率の高い極性溶媒を挙げる事ができる。 When reacting with the general formula (4) or (5) under alkaline conditions, the precursor polyarylene may be dissolved, for example, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, sulfolane, diphenyl sulfone. And polar solvents having a high dielectric constant such as dimethyl sulfoxide.
Mが水素原子の場合、アルカリ金属、水素化アルカリ金属、またはアルカリ金属炭酸塩などを必要に応じて加えることによりアルカリ金属塩とすることができる。
アルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、カリウムなどが例示でき、水素化アルカリ金属、水酸化アルカリ金属、およびアルカリ金属炭酸塩としてはそれぞれ、上記アルカリ金属の水素化物、水酸化物、炭酸塩が例示できる。通常、アルカリ金属は前駆体ポリアリーレン中の−OM基あるいは−SM基に対して過剰気味で反応させ、通常、−OM基あるいは−SM基の1.1〜4倍当量を使用する。好ましくは、1.2〜3倍当量の使用である。
When M is a hydrogen atom, an alkali metal salt can be obtained by adding an alkali metal, an alkali metal hydride, an alkali metal carbonate or the like as required.
Examples of the alkali metal include lithium, sodium, and potassium, and examples of the alkali metal hydride, alkali metal hydroxide, and alkali metal carbonate include the alkali metal hydride, hydroxide, and carbonate, respectively. . Usually, the alkali metal is reacted in excess with respect to the -OM group or -SM group in the precursor polyarylene, and usually 1.1 to 4 times equivalent of the -OM group or -SM group is used. Preferably, 1.2 to 3 times equivalent is used.
上記のイオン交換容量は、例えば一般式(1)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーと、上記一般式(2)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーの種類、使用割合、組み合わせを変えることにより、調整することができる。 The ion exchange capacity is, for example, a precursor monomer that can be a structural unit represented by the general formula (1), a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (2), or the type of oligomer or the proportion of use. It can be adjusted by changing the combination.
このようにして得られるポリアリーレン系共重合体の分子量は、ゲルパーミエションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。
上記、プロトン酸基を有するプロトン伝導性材料のイオン交換容量は通常0.3〜5meq/g、好ましくは0.5〜4meq/g、さらに好ましくは0.8〜3meq/gである。0.3meq/g未満では、プロトン伝導度が低く発電性能が低い。一方、5meq/gを超えると、耐水性が大幅に低下してしまうことがある。
成分(B)
成分(B)は、以下に述べる成分(B−a)および(B−b)成分を含む組成物を加水分解・脱水縮合反応(以下、「加水分解縮合反応」という。)して得られる反応物である。成分(B)は、成分(B−a)および(B−b)に加えて、以下に述べる成分(B−c)および成分(B−d)から選択される1種以上の成分を含む組成物を加水分解縮合反応して得られる反応物であることが好ましい。
成分(B−a)
成分(B−a)は、下記式(6)で表される化合物である。
Si(OR20)E(R21)F(R22)G・・・(6)
式中、Eは2〜3、Fは0〜1、Gは1〜2であり、E+F+G=4である。R20、R21は、水素
原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。R22は、含窒素複素環構造又は
置換されていてもよいアミノ基を有する、ハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。
The molecular weight of the polyarylene copolymer thus obtained is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene-equivalent weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC).
The ion exchange capacity of the proton conductive material having a protonic acid group is usually 0.3 to 5 meq / g, preferably 0.5 to 4 meq / g, and more preferably 0.8 to 3 meq / g. If it is less than 0.3 meq / g, the proton conductivity is low and the power generation performance is low. On the other hand, if it exceeds 5 meq / g, the water resistance may be significantly lowered.
Ingredient (B)
Component (B) is a reaction obtained by subjecting a composition containing components (Ba) and (Bb) described below to hydrolysis / dehydration condensation reaction (hereinafter referred to as “hydrolysis condensation reaction”). It is a thing. The component (B) contains, in addition to the components (Ba) and (Bb), one or more components selected from the components (Bc) and (Bd) described below. A reaction product obtained by subjecting a product to a hydrolytic condensation reaction is preferred.
Ingredient (Ba)
The component (Ba) is a compound represented by the following formula (6).
Si (OR 20 ) E (R 21 ) F (R 22 ) G (6)
In the formula, E is 2 to 3, F is 0 to 1, G is 1 to 2, and E + F + G = 4. R 20 and R 21 are a hydrogen atom or an optionally halogenated hydrocarbon group. R 22 is an optionally halogenated hydrocarbon group having a nitrogen-containing heterocyclic structure or an optionally substituted amino group.
成分(B−a)は、含窒素複素環構造又は置換されていてもよいアミノ基を有する炭化水素基を有しているため、成分(A)との相溶性に優れており、均一な高分子電解質を得ることができる。 The component (Ba) has a nitrogen-containing heterocyclic structure or a hydrocarbon group having an optionally substituted amino group, and thus has excellent compatibility with the component (A), and has a uniform high A molecular electrolyte can be obtained.
上記式(6)中のR20、R21又はR22が取り得る炭化水素基は、脂肪族基、脂環族基、芳
香族基の何れであってもよい。かかる炭化水素基は、好ましくは炭素数1〜24、より好ましくは炭素数1〜10の炭化水素基である。炭素数が24を越えると、金属アルコシキドが過度に安定であり、反応性が悪くなる。
The hydrocarbon group that can be taken by R 20 , R 21 or R 22 in the above formula (6) may be any of an aliphatic group, an alicyclic group, and an aromatic group. Such a hydrocarbon group is preferably a hydrocarbon group having 1 to 24 carbon atoms, more preferably 1 to 10 carbon atoms. When the number of carbon atoms exceeds 24, the metal alkoxide is excessively stable and the reactivity becomes poor.
これらの炭化水素基としては、具体的には、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso-プロピル基、sec−プロピル基、ブチル基、iso-ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、アミル基、ヘキシル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、フェニル基、ナフチル基、グリシドキシプロピル基、エポキシシクロヘキシルエチル基、ビニル基、アリル基、メタクロキシプロピル基などが挙げられる。好ましくは、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso-プロピル基、ブチル基、iso-ブチル基、ヘキシル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、フェニル基である。より好ましくは、メチル基、エチル基、フェニル基である。 Specific examples of these hydrocarbon groups include methyl, ethyl, n-propyl, iso-propyl, sec-propyl, butyl, iso-butyl, sec-butyl, tert-butyl. Group, amyl group, hexyl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, octyl group, decyl group, dodecyl group, phenyl group, naphthyl group, glycidoxypropyl group, epoxycyclohexylethyl group, vinyl group, allyl group, methacryloxypropyl group Etc. Preferred are methyl group, ethyl group, n-propyl group, iso-propyl group, butyl group, iso-butyl group, hexyl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, octyl group, decyl group, dodecyl group and phenyl group. More preferably, they are a methyl group, an ethyl group, and a phenyl group.
ハロゲン化された炭化水素基としては、トリフルオロメチル基、トリフルオロプロピル基、ペンタフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基、パーフルオロフェニル基、パーフルオロビフェニル基などが挙げられる。好ましくは、トリフルオロプロピル基である。 Examples of the halogenated hydrocarbon group include trifluoromethyl group, trifluoropropyl group, pentafluoroethyl group, perfluoropropyl group, perfluorobutyl group, perfluoropentyl group, perfluorohexyl group, perfluorophenyl group, Examples include perfluorobiphenyl groups. Preferably, it is a trifluoropropyl group.
上記式(6)中のR22が取り得る含窒素複素環構造としては、ピロール基、チアゾール
基、ベンゾチアゾール基、イソチアゾール基、オキサゾール基、ベンゾオキサゾール基、イソオキサゾール基、イミダゾール基、イミダゾリン基、イミダゾリジン基、ベンゾイミダゾール基、ピラゾール基、トリアジン基、ピリジン基、ピリミジン基、ピリダジン基、ピラジン基、インドール基、キノリン基、イソキノリン基、ブリン基、テトラゾール基、テトラジン基、トリアゾール基、カルバゾール基、アクリジン基、キノキサリン基、キナゾリン基、インドリジン基、イソインドール基、3H-インドール基、2H-ピロール基、1H-インダゾール基、プリン基、フタラジン基、ナフチリジン基、シンノリン基、プテリジン基、カルボリン基、フェナントリジン基、ペリミジン基、フェナントロリン基、フェナジン基、フェナルサジン基、フェノチアジン基、フラザン基、フェノキサジン基、ピロリジン基、ピロリン基、ピラゾリン基、ピラゾリジン基、ピペリジン基、ピペラジン基、インドリン基、イソインドリン基、キヌクリジン基があげられる。
このうち、イミダゾール基、イミダゾリン基、ピリジン基、ピロール基、ベンズイミダゾール基、ベンゾオキサゾール基、トリアジン基、トリアゾール基がより望ましい。
Examples of the nitrogen-containing heterocyclic structure that can be taken by R 22 in the above formula (6) include a pyrrole group, a thiazole group, a benzothiazole group, an isothiazole group, an oxazole group, a benzoxazole group, an isoxazole group, an imidazole group, and an imidazoline group. , Imidazolidine group, benzimidazole group, pyrazole group, triazine group, pyridine group, pyrimidine group, pyridazine group, pyrazine group, indole group, quinoline group, isoquinoline group, bromine group, tetrazole group, tetrazine group, triazole group, carbazole group , Acridine group, quinoxaline group, quinazoline group, indolizine group, isoindole group, 3H-indole group, 2H-pyrrole group, 1H-indazole group, purine group, phthalazine group, naphthyridine group, cinnoline group, pteridine group, carboline group , Phenanthri Gin group, perimidine group, phenanthroline group, phenazine group, phenalsazine group, phenothiazine group, furazane group, phenoxazine group, pyrrolidine group, pyrroline group, pyrazoline group, pyrazolidine group, piperidine group, piperazine group, indoline group, isoindoline group, An example is a quinuclidine group.
Of these, an imidazole group, an imidazoline group, a pyridine group, a pyrrole group, a benzimidazole group, a benzoxazole group, a triazine group, and a triazole group are more preferable.
上記式(6)中のR22が取り得る置換基アミノ基としては、メチル基、エチル基、n−
プロピル基、iso−プロピル基、tert-ブチル基、iso-ブチル基、n−ブチル基、se
c−ブチル基、オクチル基、ネオペンチル基、シクロペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、シクロペンチルメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチル基、アダマンタンメチル基、2−エチルヘキシル基、ビシクロ[2.2.1]へプチル基、ビシクロ[2.2.1]へプチルメチル基、テトラヒドロフルフリル基、2−メチルブチル基、3,3
−ジメチル−2,4−ジオキソランメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメ
チル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基、アリル基、2−ヒドロキシエチル基などの直鎖状炭化水素基、分岐状炭化水素基、脂環式炭化水素基、5員の複素環を有する炭化水素基や、フェニル基、ナフチル基、トルイル基などの芳香族環基が挙げられ、このうち、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、tert-ブチル基、iso-
ブチル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、シクロヘキシル基、フェニル基等により置換されたアミノ基の他、2−アミノエチル基、6−アミノヘキシル基、アミノ(ポリプロピレンオキシ)基、ウレイド基、イソシアネート基等が挙げられる。
Examples of the substituent amino group that R 22 in formula (6) can take include a methyl group, an ethyl group, and n-
Propyl, iso-propyl, tert-butyl, iso-butyl, n-butyl, se
c-butyl group, octyl group, neopentyl group, cyclopentyl group, hexyl group, cyclohexyl group, cyclopentylmethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantyl group, adamantanemethyl group, 2-ethylhexyl group, bicyclo [2.2.1] heptyl Group, bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group, tetrahydrofurfuryl group, 2-methylbutyl group, 3,3
-Linear hydrocarbon group such as dimethyl-2,4-dioxolanemethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group, bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group, allyl group, 2-hydroxyethyl group, etc. Examples include hydrocarbon groups, alicyclic hydrocarbon groups, hydrocarbon groups having 5-membered heterocycles, and aromatic ring groups such as phenyl groups, naphthyl groups, and toluyl groups. Among these, methyl groups, ethyl groups, n-propyl group, iso-propyl group, tert-butyl group, iso-
Amino group substituted by butyl group, n-butyl group, sec-butyl group, cyclohexyl group, phenyl group, 2-aminoethyl group, 6-aminohexyl group, amino (polypropyleneoxy) group, ureido group, An isocyanate group etc. are mentioned.
成分(B−a)の具体的としては、下記の化合物が挙げられる。 Specific examples of the component (Ba) include the following compounds.
また、上記化合物においてSiに結合するメトキシ基が、エトキシ基、プロピキシ基、ブチロキシ基、iso−プロピキシ基に置き換わった化合物なども挙げられる。
成分(B−b)
成分(B−b)は、下記一般式(7)であらわされる化合物である。
Moreover, the compound etc. in which the methoxy group couple | bonded with Si in the said compound replaced the ethoxy group, propoxy group, butyroxy group, and iso-propoxy group are mentioned.
Ingredient (Bb)
The component (Bb) is a compound represented by the following general formula (7).
式(7)中、E’は2〜3、F’は0〜1、G’は1〜2であり、E’+F’+G’=4である。式中、R30、R31は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。R32は、
プロトン酸基を有するハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。
In the formula (7), E ′ is 2 to 3, F ′ is 0 to 1, G ′ is 1 to 2, and E ′ + F ′ + G ′ = 4. In the formula, R 30 and R 31 are a hydrogen atom or an optionally halogenated hydrocarbon group. R 32 is
An optionally halogenated hydrocarbon group having a proton acid group.
成分(B−b)は、成分(B−a)とは異なりプロトン酸基を有するハロゲン化されていてもよい炭化水素基を有している。プロトン酸基を有していることによって、プロトン伝導度を向上させることが可能である。
成分(B−b)を添加することにより、成分(B−a)(B−c)(B−d)からなる無機成分と比較して、寸法安定性を維持しつつ、プロトン伝導度を向上させることが出来る。
The component (Bb) has an optionally halogenated hydrocarbon group having a protonic acid group, unlike the component (Ba). Proton conductivity can be improved by having a proton acid group.
Addition of component (Bb) improves proton conductivity while maintaining dimensional stability compared to inorganic components consisting of components (Ba), (Bc) and (Bd) It can be made.
プロトン酸基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、アルキルスルホン酸基、アルキルカルボン酸基、アルキルホスホン酸基及びフェノール性水酸基等からなる群より選ばれた少なくとも1種以上ものが好ましい。より好ましくは、スルホン酸、ホスホン酸、アルキルスルホン酸であり、特に好ましくはスルホン酸、アルキルスルホン酸である。このプロトン酸基によってプロトン伝導性が付与される。また、プロトン酸基は、リチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属塩の状態でも良い。 The protonic acid group includes at least one selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, an alkylsulfonic acid group, an alkylcarboxylic acid group, an alkylphosphonic acid group, a phenolic hydroxyl group, and the like. preferable. More preferred are sulfonic acid, phosphonic acid and alkylsulfonic acid, and particularly preferred are sulfonic acid and alkylsulfonic acid. Proton conductivity is imparted by the proton acid group. The proton acid group may be in the form of an alkali metal salt such as lithium, sodium, or potassium.
上記式(7)中のR30又はR31又はR32が取り得る炭化水素基は、上記式(6)中のR20、R21又はR22が取り得る炭化水素基と同様である。式(7)中の炭化水素基と式(6)中の炭化水素基は、同一であっても異なっていてもよい。 The hydrocarbon group which R 30 or R 31 or R 32 in the above formula (7) can take is the same as the hydrocarbon group which R 20 , R 21 or R 22 in the above formula (6) can take. The hydrocarbon group in formula (7) and the hydrocarbon group in formula (6) may be the same or different.
成分(B−b)としては、具体的には、以下のような化合物が挙げられる。 Specific examples of the component (Bb) include the following compounds.
プロトン酸基を有する金属アルコシキドは、プロトン酸基を有しない金属アルコキド(以下、前駆体金属アルコキシドとも言う)を公知の条件でスルホン化することによっても合成することが出来る〔Biomacromolecules,Vol.6,No.1,
368−373(2005)〕。すなわち、無溶剤下、あるいは溶剤存在下で、無水硫酸、発煙硫酸、クロルスルホン酸、硫酸、亜硫酸水素ナトリウムなどの公知のスルホン化剤と反応させる。溶剤としては、例えばn−ヘキサンなどの炭化水素溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどのエーテル系溶剤、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドのような非プロトン系極性溶剤のほか、テトラクロロエタン、ジクロロエタン、クロロホルム、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素などが挙げられる。反応温度は特に制限はないが、通常、−50〜200℃、好ましくは−10〜100℃である。また、反応時間は、通常、0.5〜1,000時間、好ましくは1〜200時間である
前駆体金属アルコキシドとしては、具体的には、以下のような化合物が挙げられる。
A metal alkoxide having a proton acid group can also be synthesized by sulfonating a metal alkoxide having no proton acid group (hereinafter, also referred to as a precursor metal alkoxide) under known conditions [Biomacromolecules, Vol. 6, no. 1,
368-373 (2005)]. That is, it is reacted with a known sulfonating agent such as sulfuric anhydride, fuming sulfuric acid, chlorosulfonic acid, sulfuric acid, sodium hydrogen sulfite or the like in the absence of a solvent or in the presence of a solvent. Examples of the solvent include hydrocarbon solvents such as n-hexane, ether solvents such as tetrahydrofuran and dioxane, aprotic polar solvents such as dimethylacetamide, dimethylformamide, and dimethylsulfoxide, tetrachloroethane, dichloroethane, chloroform, and chloride. And halogenated hydrocarbons such as methylene. The reaction temperature is not particularly limited, but is usually −50 to 200 ° C., preferably −10 to 100 ° C. The reaction time is usually 0.5 to 1,000 hours, preferably 1 to 200 hours. Specific examples of the precursor metal alkoxide include the following compounds.
スルホン化により得られた金属アルコキシドの例は以下の通りである。 Examples of metal alkoxides obtained by sulfonation are as follows.
成分(B−c)
成分(B−c)は、(B−a)成分および(B−b)成分以外の、下記式(8)で表される化合物である。
Ingredient (Bc)
The component (Bc) is a compound represented by the following formula (8) other than the components (Ba) and (Bb).
Si(OR40)e(R41)f・・・(8)
式(8)中、eは2〜4、fは0〜2であり、e+f=4である。R40およびR41は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。
Si (OR 40 ) e (R 41 ) f (8)
In the formula (8), e is 2 to 4, f is 0 to 2, and e + f = 4. R 40 and R 41 are a hydrogen atom or an optionally halogenated hydrocarbon group.
成分(B−c)は、成分(B−a)や成分(B−b)とは異なり含窒素複素環構造および置換されていてもよいアミノ基、あるいは、プロトン酸基を有する炭化水素基を有していない。成分(B−c)は、プロトン伝導度や寸法安定性などの膜物性の観点から、プロトン酸基と相互作用可能な窒素を含む複素環化合物やアミノ基あるいは置換基アミノ基を有する無機成分(B−a)の成分量、プロトン伝導度の向上可能なプロトン酸基を有する無機成分(B−b)の成分量や金属酸化物(B−d)の成分量を制御するために添加される。 Component (Bc) is different from Component (Ba) and Component (Bb) in that it contains a nitrogen-containing heterocyclic structure and an optionally substituted amino group or a hydrocarbon group having a protonic acid group. I don't have it. Component (Bc) is an inorganic component having a heterocyclic compound containing nitrogen that can interact with a protonic acid group, an amino group, or a substituent amino group from the viewpoint of film properties such as proton conductivity and dimensional stability. It is added to control the component amount of Ba), the component amount of the inorganic component (Bb) having a protonic acid group capable of improving the proton conductivity, and the component amount of the metal oxide (Bd). .
上記式(8)中のR40又はR41はが取り得る炭化水素基は、上記式(6)中のR20、R21又はR22が取り得る炭化水素基と同様である。式(8)中の炭化水素基と式(6)中の炭化
水素基は、同一であっても異なっていてもよい。
The hydrocarbon group which R 40 or R 41 in the above formula (8) can take is the same as the hydrocarbon group which R 20 , R 21 or R 22 in the above formula (6) can take. The hydrocarbon group in formula (8) and the hydrocarbon group in formula (6) may be the same or different.
成分(B−c)としては、具体的には、以下化合物が挙げられる。 Specific examples of the component (Bc) include the following compounds.
また、上記化合物においてSiに結合するメトキシ基が、エトキシ基、プロピキシ基、ブチロキシ基、iso−プロピキシ基に置き換わった化合物なども挙げられる。
このうち、特にテトラメトキシシラン(TMOS)、テトラエトキシラン(TEOS)、メチルトリエトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、フェニルトリエトキシシランが特に好ましい。
成分(B−d)
成分(B−d)は、Al、Ti又はZrのアルコキシドである。成分(B−d)の添加により、本発明の高分子電解質から得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性を向上(膜抵抗の場合、低減)させることが可能になる。また、成分(A)のプロトン伝導性重合体に成分(B−a)のみを添加するとプロトン伝導性が低下する場合があるが、成分(B−d)を添加することにより、かかる悪影響を低減して、プロトン伝導性に優れた高分子電解質膜を得ることができる。
Moreover, the compound etc. in which the methoxy group couple | bonded with Si in the said compound replaced the ethoxy group, propoxy group, butyroxy group, and iso-propoxy group are mentioned.
Of these, tetramethoxysilane (TMOS), tetraethoxylane (TEOS), methyltriethoxysilane, ethyltriethoxysilane, and phenyltriethoxysilane are particularly preferable.
Ingredient (Bd)
Component (Bd) is an alkoxide of Al, Ti, or Zr. Addition of the component (Bd) makes it possible to improve (decrease in the case of membrane resistance) the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane obtained from the polymer electrolyte of the present invention. In addition, when only the component (Ba) is added to the proton conductive polymer of the component (A), the proton conductivity may be reduced. However, the addition of the component (Bd) reduces such adverse effects. Thus, a polymer electrolyte membrane excellent in proton conductivity can be obtained.
成分(B−d)のアルコキシド基は直鎖状及び分岐鎖状のいずれであってもよく、好ましくは炭素数1〜24、より好ましくは炭素数1〜10のアルコキシド基である。炭素数が24を越えると、金属アルコシキドが過度に安定となって、反応性が悪くなる。かかるアルコキシド基の具体例は、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、iso−プロピル基、iso−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、2−エチルヘキシル基、t−オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、2−ヘキシルデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、シクロヘキシルメチル基、オクチルシクロヘキシル基等である。この内、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、iso−プロピル基、iso−ブチル基が好ましい。
成分(B−d)の具体例は、アルミニウムトリ−n−ブトキシド、アルミニウムトリ−sec−ブトキシド、アルミニウムトリ−tert−ブトキシド、アルミニウムトリメトキシド、アルミニウムトリエトキシド、アルミニウムトリ−iso−プロポキシドなどのアルミニウムアルコキシド、チタニウムテトラエトキシド、チタニウムテトラ−iso−プロポキシド、チタニウムテトラ−n−ブトキシド、チタニウムテトラ−tert−ブトキシド、クロロチタニウムトリ−iso−プロポキシドなどのチタニウムアルコキシド、ジ
ルコニウムテトラ−n−ブトキシド、ジルコニウムテトラ−tert−ブトキシド、ジルコニウムテトラ−iso−プロポキシド、ジルコニウムテトラエトキシドなどのジルコニウムアルコキシドなどが挙げられる。
The alkoxide group of component (Bd) may be either linear or branched, and is preferably an alkoxide group having 1 to 24 carbon atoms, more preferably 1 to 10 carbon atoms. When the number of carbon atoms exceeds 24, the metal alkoxide becomes excessively stable and the reactivity becomes poor. Specific examples of such alkoxide groups include, for example, methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, iso-propyl group, iso-butyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, pentyl group, hexyl group, octyl group, 2-ethylhexyl group, t-octyl group, decyl group, dodecyl group, tetradecyl group, 2-hexyldecyl group, hexadecyl group, octadecyl group, cyclohexylmethyl group, octylcyclohexyl group and the like. Among these, a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an iso-propyl group, and an iso-butyl group are preferable.
Specific examples of component (Bd) include aluminum tri-n-butoxide, aluminum tri-sec-butoxide, aluminum tri-tert-butoxide, aluminum trimethoxide, aluminum triethoxide, aluminum tri-iso-propoxide, etc. Aluminum alkoxide, titanium tetraethoxide, titanium tetra-iso-propoxide, titanium tetra-n-butoxide, titanium tetra-tert-butoxide, chlorotitanium tri-iso-propoxide, etc., titanium alkoxide, zirconium tetra-n-butoxide And zirconium alkoxides such as zirconium tetra-tert-butoxide, zirconium tetra-iso-propoxide and zirconium tetraethoxide. It is.
これらの中では、チタニウムテトラエトキシド、チタニウムテトラ−iso−プロポキシド、チタニウムテトラ−n−ブトキシド、チタニウムテトラ−tert−ブトキシドが好ましい。
各成分の配合量
成分(B−a)〜(B−d)の配合比は、(B−a)〜(B−d)成分の合計量を100モル%として、(B−a)が1〜99mol%が良く、より好ましくは5〜95mol%、さらに好ましくは10〜90mol%であり、(B−b)が1〜99mol%が良く、より好ましくは5〜95mol%、さらに好ましくは10〜90mol%であり、(B−c)が0〜95mol%が良く、より好ましくは0〜90mol%、さらに好ましくは0〜85mol%であり、(B−d)が0〜50mol%が良く、より好ましくは0〜45mol%、さらに好ましくは0〜40mol%である。
高分子電解質の製造方法
高分子電解質は、以下の(A法)、(B法)により製造することが出来る。
Among these, titanium tetraethoxide, titanium tetra-iso-propoxide, titanium tetra-n-butoxide, and titanium tetra-tert-butoxide are preferable.
Compounding ratio of the amount component of the components (B-a) ~ (B -d) as 100 mol% of the total amount of (B-a) ~ (B -d) component is (B-a) 1 -99 mol% is good, More preferably, it is 5-95 mol%, More preferably, it is 10-90 mol%, (Bb) is 1-99 mol% good, More preferably, it is 5-95 mol%, More preferably, it is 10- 90 mol%, (Bc) is 0 to 95 mol%, more preferably 0 to 90 mol%, still more preferably 0 to 85 mol%, and (Bd) is 0 to 50 mol%, more Preferably it is 0-45 mol%, More preferably, it is 0-40 mol%.
Production Method of Polymer Electrolyte A polymer electrolyte can be produced by the following (Method A) and (Method B).
(A法)(B)成分を調製するための各原料成分を混合するために溶媒中で攪拌した後、水を添加して、加水分解縮合反応させて加水分解縮合液(以下、「ゾル溶液」という。)を得る。一方、成分(A)を溶解させた溶液(以下、ポリマー液とも呼ぶ)を調製し、ゾル溶液とポリマー液とを混合して、高分子電解質を製造する方法である。 (Method A) After stirring in a solvent to mix each raw material component for preparing the component (B), water is added to cause a hydrolytic condensation reaction to produce a hydrolytic condensate (hereinafter referred to as “sol solution”). "). On the other hand, this is a method for preparing a polymer electrolyte by preparing a solution (hereinafter also referred to as a polymer solution) in which the component (A) is dissolved, and mixing the sol solution and the polymer solution.
(B法)(B)成分を調製するための各原料成分を、成分(A)からなるポリマー溶液中で混合した後、水を添加し加水分解縮合反応させ高分子電解質を製造する方法である。
(A法)について以下に詳細に説明する。
ゾル溶液の調整法
(B)成分を調製するための各原料成分を溶解させる溶媒は、溶解するものであれば特に制限はないが、好ましくはカーボネート化合物(エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等)、複素環化合物(3−メチル−2−オキサゾリジノン、N−メチルピロリドン等)、環状エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、鎖状エーテル類(ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールジアルキルエーテル等)、アルコール類(メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテル等)、多価アルコール類(エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリン等)、ニトリル化合物(アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等)、エステル類(カルボン酸エステル、リン酸エステル、ホスホン酸エステル等)、非プロトン極性物質(ジメチルスルホキシド、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等)、非極性溶媒(トルエン、キシレン等)、塩素系溶媒(メチレンクロリド、エチレンクロリド等)等を用いることができる。
(Method B) In this method, each raw material component for preparing the component (B) is mixed in a polymer solution composed of the component (A), and then water is added to carry out a hydrolytic condensation reaction to produce a polymer electrolyte. .
(Method A) will be described in detail below.
Sol Sol Preparation Method (B) The solvent for dissolving each raw material component for preparing the component is not particularly limited as long as it dissolves, but is preferably a carbonate compound (ethylene carbonate, propylene carbonate, etc.), a heterocyclic ring. Compounds (3-methyl-2-oxazolidinone, N-methylpyrrolidone, etc.), cyclic ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), chain ethers (diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl ether, polyethylene glycol dialkyl ether, Polypropylene glycol dialkyl ether, etc.), alcohols (methanol, ethanol, isopropanol, ethylene glycol monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene) Glycol monoalkyl ether, polypropylene glycol monoalkyl ether, etc.), polyhydric alcohols (ethylene glycol, propylene glycol, polyethylene glycol, polypropylene glycol, glycerin, etc.), nitrile compounds (acetonitrile, glutaronitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, Benzonitrile, etc.), esters (carboxylic acid ester, phosphoric acid ester, phosphonic acid ester, etc.), aprotic polar substances (dimethyl sulfoxide, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide, etc.), nonpolar solvents (toluene, xylene, etc.), Chlorine solvents (methylene chloride, ethylene chloride, etc.) can be used.
このうち、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール類、複素環化合物(3−メチル−2−オキサゾリジノン、N−メチルピロリドン等)、非プロトン極性物質(ジメチルスルホキシド、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等)等が好ましい。
これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。溶媒の量は、金属アルコキシドに対して0〜95質量%が好ましく、より好ましくは5〜95質量%である。
Among these, alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol, heterocyclic compounds (3-methyl-2-oxazolidinone, N-methylpyrrolidone, etc.), aprotic polar substances (dimethyl sulfoxide, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide, etc.), etc. Is preferred.
These may be used alone or in combination of two or more. The amount of the solvent is preferably 0 to 95% by mass, more preferably 5 to 95% by mass with respect to the metal alkoxide.
加水分解縮合反応における前駆体の反応性を制御する目的で、金属原子とキレート化しうる安定化剤を用いてもよい。安定化剤としては、例えばアセト酢酸エステル類(アセト酢酸エチル等)、1,3−ジケトン類(アセチルアセトン等)、アセトアセタミド類(N,N−ジメチルアミノアセトアセタミド等)等が挙げられる。この内、アセチルアセトンが好ましい。 For the purpose of controlling the reactivity of the precursor in the hydrolysis condensation reaction, a stabilizer capable of chelating with a metal atom may be used. Examples of the stabilizer include acetoacetic esters (such as ethyl acetoacetate), 1,3-diketones (such as acetylacetone), and acetoacetamides (such as N, N-dimethylaminoacetoacetamide). Of these, acetylacetone is preferred.
これら安定化剤を用いる場合、その使用量は、ゾル−ゲル反応に影響しない範囲であれば特に制限されるものではないが、金属アルコキシド(中の金属)に対して0.01〜2等量が好ましく、より好ましくは0.01〜1等量である。2等量を超えると、ゾル−ゲル反応が遅くなる傾向がある。 When these stabilizers are used, the amount used is not particularly limited as long as it does not affect the sol-gel reaction, but is 0.01 to 2 equivalents with respect to the metal alkoxide (the metal in it). Is more preferable, and 0.01 to 1 equivalent is more preferable. If it exceeds 2 equivalents, the sol-gel reaction tends to be slow.
さらに、加水分解縮合反応を調節する触媒として酸若しくは塩基からなる触媒を用いることもできる。アルカリ塩基触媒としては、水酸化ナトリウムなどのアルカリ金属の水酸化物、アンモニア等が一般的である。酸触媒としては、無機又は有機のプロトン酸を用いることができる。無機プロトン酸としては、塩酸、硫酸、硼酸、硝酸、過塩素酸、テトラフルオロ硼酸、ヘキサフルオロ砒素酸、臭化水素酸等が挙げられる。有機プロトン酸としては、酢酸、シュウ酸、メタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、マレイン酸等が挙げられ、これらのうち、塩酸、硫酸、ベンゼンスルホン酸、マレイン酸が好ましい。触媒の添加量は、全金属アルコキシドを100mol%としたとき、0.01から20mol%、好ましくは0.02から10mol%で添加するのが良い。で添加するのが良い。触媒の量が多すぎると加水分解及び脱水縮合反応の反応速度が速く制御しにくくなり、少な過ぎると十分に反応が進行しない場合がある。 Furthermore, a catalyst comprising an acid or a base can be used as a catalyst for controlling the hydrolysis condensation reaction. As the alkali base catalyst, alkali metal hydroxide such as sodium hydroxide, ammonia and the like are generally used. An inorganic or organic proton acid can be used as the acid catalyst. Examples of the inorganic protonic acid include hydrochloric acid, sulfuric acid, boric acid, nitric acid, perchloric acid, tetrafluoroboric acid, hexafluoroarsenic acid, hydrobromic acid and the like. Examples of the organic protonic acid include acetic acid, oxalic acid, methanesulfonic acid, benzenesulfonic acid, maleic acid and the like. Among these, hydrochloric acid, sulfuric acid, benzenesulfonic acid, and maleic acid are preferable. The catalyst is added in an amount of 0.01 to 20 mol%, preferably 0.02 to 10 mol%, when the total metal alkoxide is 100 mol%. It is good to add. If the amount of the catalyst is too large, the reaction rate of the hydrolysis and dehydration condensation reaction is fast and difficult to control, and if it is too small, the reaction may not proceed sufficiently.
添加する水の量は、全アルコキシ基に対して、モル比で0.1から3の範囲にあることが望ましく、好ましくは、0.2から2.5の範囲にある。水の量が多すぎると加水分解及び脱水縮合反応の反応速度が速く制御しにくくなり、少な過ぎると十分に反応が進行しない場合がある。 The amount of water added is desirably in the range of 0.1 to 3 and preferably in the range of 0.2 to 2.5 in terms of molar ratio with respect to the total alkoxy groups. If the amount of water is too large, the reaction rate of hydrolysis and dehydration condensation reaction is fast and difficult to control, and if it is too small, the reaction may not proceed sufficiently.
加水分解及び脱水縮合反応は、通常、0から100℃の範囲で行われ、好ましくは、10から70℃、より好ましくは20から60℃の範囲である。反応温度が高過ぎると加水分解及び脱水縮合反応の反応速度が速く制御しにくくなり、低過ぎると十分に反応が進行しない場合がある。 The hydrolysis and dehydration condensation reaction is usually performed in the range of 0 to 100 ° C, preferably 10 to 70 ° C, more preferably 20 to 60 ° C. If the reaction temperature is too high, the reaction rate of the hydrolysis and dehydration condensation reaction is fast and difficult to control, and if too low, the reaction may not proceed sufficiently.
また、反応時に圧力を加えても良く、通常1から5気圧(0.101〜0.505MPa
)の範囲、より好ましくは1から3気圧(0.101〜0.303MPa)の範囲である。
前駆体を加水分解及び脱水縮合反応した後に、反応したゾル溶液の溶媒を濃縮し、反応時に使用した溶媒と異なる溶媒に置換しても良い。置換する溶媒は、後述するポリマー溶液に用いる溶媒と同じものが好ましい。このような溶媒を使用することによって、ゾル溶液をポリマー溶液に均一に分散させることが可能になる。
ゾル溶液中の成分(B−a)および(B−b)を加水分解・脱水縮合反応して得られる反応物の濃度は、通常、5〜75質量%、好ましくは7〜55質量%である。また、さらに成分(B−c)および(B−d)を加えた加水分解・脱水縮合反応して得られる反応物の濃度も上記と同様である。
ポリマー溶液の調整法
成分(A)を溶解させる溶媒としては、溶解するものであれば特に制限はないが、たとえば、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、γ−ブチロラクト
ン、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチル尿素、ジメチルイ
ミダゾリジノン、アセトニトリルなどの非プロトン系極性溶剤や、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶剤
、メタノール、エタノール、プロパノール、iso−プロピルアルコール、sec−ブチルアルコール、tert−ブチルアルコール等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル類、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、γ−ブチルラクトン等のケトン類、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキサン等のエーテル類などが挙げられる。これらの溶剤は、1種単独で、ま
たは2種以上を組み合わせて用いることができる。特に溶解性、溶液粘度の面から、N−メチル−2−ピロリドン(以下「NMP」ともいう。)が好ましい。
Further, pressure may be applied during the reaction, usually 1 to 5 atm (0.101 to 0.505 MPa).
), More preferably in the range of 1 to 3 atmospheres (0.101 to 0.303 MPa).
After hydrolysis and dehydration condensation of the precursor, the solvent of the reacted sol solution may be concentrated and replaced with a solvent different from the solvent used during the reaction. The solvent to be substituted is preferably the same as that used for the polymer solution described later. By using such a solvent, the sol solution can be uniformly dispersed in the polymer solution.
The concentration of the reaction product obtained by hydrolysis / dehydration condensation reaction of the components (Ba) and (BB) in the sol solution is usually 5 to 75% by mass, preferably 7 to 55% by mass. . Further, the concentration of the reaction product obtained by the hydrolysis / dehydration condensation reaction in which components (Bc) and (Bd) are further added is the same as described above.
Method for preparing polymer solution The solvent for dissolving the component (A) is not particularly limited as long as it dissolves. For example, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, γ-butyrolactone, N , N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, dimethylurea, dimethylimidazolidinone, acetonitrile and other aprotic polar solvents, dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorinated solvents such as chlorobenzene and dichlorobenzene, methanol, ethanol , Alcohols such as propanol, iso-propyl alcohol, sec-butyl alcohol, tert-butyl alcohol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monoethyl ether Alkylene glycol monoalkyl ethers, acetone, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, ketones such as γ- butyrolactone, tetrahydrofuran, ethers 1,3-dioxane and the like. These solvents can be used alone or in combination of two or more. In particular, N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter also referred to as “NMP”) is preferable in terms of solubility and solution viscosity.
2種以上の混合溶媒を使用する場合、非プロトン系極性溶剤と他の溶剤との混合物を用いることが望ましく、該混合溶媒の組成は、非プロトン系極性溶剤が95〜25質量%、好ましくは90〜25質量%、他の溶剤が5〜75質量%、好ましくは10〜75質量%(但し、合計は100質量%)であることが望ましい。他の溶剤の量が上記範囲内にあると、溶液粘度を下げる効果に優れる。この場合の非プロトン系極性溶剤と他の溶剤との組み合わせとしては、非プロトン系極性溶剤としてNMP、他の溶剤として幅広い組成範囲で溶液粘度を下げる効果があるメタノールが好ましい。 When two or more kinds of mixed solvents are used, it is desirable to use a mixture of an aprotic polar solvent and another solvent, and the composition of the mixed solvent is 95 to 25% by mass of the aprotic polar solvent, preferably 90 to 25% by mass and other solvents are 5 to 75% by mass, preferably 10 to 75% by mass (however, the total is 100% by mass). When the amount of the other solvent is within the above range, the effect of lowering the solution viscosity is excellent. As a combination of the aprotic polar solvent and the other solvent in this case, NMP is preferable as the aprotic polar solvent, and methanol having an effect of lowering the solution viscosity in a wide composition range is preferable as the other solvent.
ポリマー溶液中の成分(A)の濃度は、通常、5〜40質量%、好ましくは7〜25質量%である。
なお、ポリマー溶液の粘度は、プロトン酸基を有するプロトン伝導性材料の分子量や、ポリマー濃度や、添加剤の濃度にもよるが、通常、1,000〜100,000mPa・s、好ましくは2,000〜50,000mPa・sである。なお粘度が高過ぎると、ゾル溶液との混合が困難になることがある。
The density | concentration of the component (A) in a polymer solution is 5-40 mass% normally, Preferably it is 7-25 mass%.
The viscosity of the polymer solution depends on the molecular weight of the proton conductive material having a proton acid group, the polymer concentration, and the concentration of the additive, but is usually 1,000 to 100,000 mPa · s, preferably 2, 000 to 50,000 mPa · s. If the viscosity is too high, mixing with the sol solution may be difficult.
上記、ゾル溶液とポリマー溶液を混合することにより、ダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質を得ることが出来る。このうち、粉体で使用する場合は、混合した状態から、さらに溶媒を留去することにより製造することが出来る。また、膜として使用する場合は、後述のようにフィルム状に成形するキャスティング法などによりを製造することができる。 By mixing the sol solution and the polymer solution, a polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell can be obtained. Among these, when using with powder, it can manufacture by distilling a solvent further from the mixed state. Moreover, when using as a film | membrane, it can manufacture by the casting method etc. which shape | mold into a film form as mentioned later.
高分子電解質のイオン交換容量は通常0.1〜4.5meq/g、好ましくは0.3〜3.5meq/g、さらに好ましくは0.5〜3.0meq/gである。
次に(B法)について以下に詳細に説明する。
The ion exchange capacity of the polymer electrolyte is usually 0.1 to 4.5 meq / g, preferably 0.3 to 3.5 meq / g, and more preferably 0.5 to 3.0 meq / g.
Next, (Method B) will be described in detail below.
(B法)では、成分(A)からなるポリマー溶液中で、(B)成分を調製するための各原
料成分を混合したのち、水を添加して加水分解・脱水縮合反応を行う。また、それぞれの前駆体を可溶な溶媒に溶解させてからポリマー溶液に溶解させても良い。使用する溶媒としては、上記(A法)のゾル溶液調製に例示した溶媒が挙げられる。
B法に用いられるポリマー溶液その他の成分は、それぞれA法の場合と同様である。
In (Method B), each raw material component for preparing the component (B) is mixed in a polymer solution composed of the component (A), and then water is added to perform a hydrolysis / dehydration condensation reaction. Alternatively, each precursor may be dissolved in a soluble solvent and then dissolved in the polymer solution. Examples of the solvent to be used include the solvents exemplified in the preparation of the sol solution in the above (Method A).
The polymer solution and other components used in Method B are the same as in Method A.
(A法)(B法)により得られたダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質は、成分(A)中に、成分(B)が分散された構造を有している。
また、電解質中の(B−a)および(B−b)成分の合計量は、(A)成分と(B−a)(B−b)成分の合計量100質量%に対して、1〜50質量%、好ましく5〜45質量%は、更に好ましくは10〜40質量%である。また、(B−c)のみ、あるいは、(B−c)および(B−d)成分を加えた場合、(B−a)〜(B−d)成分の合計量は、(A)成分と(B−a)〜(B−d)成分の合計量100質量%に対して上記と同様の範囲が好ましい。
[高分子電解質膜の製造]
本発明のダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質は、一次電池用電解質、二次
電池用電解質、燃料電池用高分子固体電解質、表示素子、各種センサー、信号伝達媒体、固体コンデンサー、イオン交換膜などに好適であり、膜状態、溶液状態、粉体状態で用いることができる。これらの使用態様のうち膜状態、溶液状態が好ましい(以下、膜状態のことを高分子電解質膜と呼ぶ)。
(Method A) The polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell obtained by (Method B) has a structure in which the component (B) is dispersed in the component (A).
The total amount of the components (B-a) and (B-b) in the electrolyte is 1 to 1% with respect to 100% by mass of the total amount of the components (A) and (B-a) and (B-b). 50 mass%, preferably 5-45 mass% is more preferably 10-40 mass%. In addition, when (Bc) alone or (Bc) and (Bd) components are added, the total amount of (Ba) to (Bd) components is A range similar to the above is preferable with respect to 100% by mass of the total amount of the components (Ba) to (Bd).
[Manufacture of polymer electrolyte membranes]
The polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell according to the present invention includes an electrolyte for a primary battery, an electrolyte for a secondary battery, a solid polymer electrolyte for a fuel cell, a display element, various sensors, a signal transmission medium, a solid capacitor, an ion exchange membrane, and the like. It can be used in a film state, a solution state, and a powder state. Among these usage modes, a membrane state and a solution state are preferable (hereinafter, the membrane state is referred to as a polymer electrolyte membrane).
高分子電解質膜は、高分子電解質を基体上に流延してフィルム状に成形するキャスティング法などによりを製造することができる。
キャスティング法により製膜する場合、電解質は溶液状態にし、その際の成分(A)と
(B−a)〜(B−d)を加水分解縮合して得られる反応物からなる全固形分の濃度は、通常、5〜40質量%、好ましくは7〜25質量%である。5質量%未満では、製膜時に厚膜化し難く、また、ピンホールが生成しやすい。一方、40質量%を越えると、溶液粘度が高すぎてフィルム化し難く、また、表面平滑性に欠けることがある。
また、電解質膜中の(B−a)〜(B−d)成分の合計量は、(A)成分、(B−a)〜(B−d)成分の合計量100質量%に対して、1〜50質量%、好ましく5〜45質量%は、更に好ましくは10〜40質量%である。成分(B−a)〜(B−d)の配合量の合計が上記範囲内であれば、電解質膜のプロトン伝導度、メタノール透過性、メタノール水溶液中での寸法安定性が優れている。
The polymer electrolyte membrane can be produced by a casting method in which the polymer electrolyte is cast on a substrate and formed into a film shape.
In the case of forming a film by the casting method, the electrolyte is in a solution state, and the concentration of the total solid content consisting of the reaction product obtained by hydrolytic condensation of components (A) and (Ba) to (Bd) at that time Is usually 5 to 40% by mass, preferably 7 to 25% by mass. If it is less than 5% by mass, it is difficult to increase the thickness during film formation, and pinholes are likely to be generated. On the other hand, if it exceeds 40% by mass, the solution viscosity is too high to form a film, and surface smoothness may be lacking.
Further, the total amount of the components (Ba) to (Bd) in the electrolyte membrane is 100% by mass with respect to the total amount of the components (A) and (Ba) to (Bd). 1-50 mass%, Preferably 5-45 mass% is still more preferably 10-40 mass%. When the total amount of components (Ba) to (Bd) is within the above range, the proton conductivity, methanol permeability, and dimensional stability in aqueous methanol solution of the electrolyte membrane are excellent.
基体としては、通常の溶液キャスティング法に用いられる基体であれば特に限定されず、たとえばプラスチック製、金属製などの基体が用いられ、好ましくは、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムなどの熱可塑性樹脂からなる基体が用いられる。
成膜後、得られた未乾燥フィルムを水に浸漬すると、未乾燥フィルム中の有機溶剤を水と置換することができ、得られる高分子電解質膜の残留溶媒量を低減することができる。
なお、成膜後、未乾燥フィルムを水に浸漬する前に、未乾燥フィルムを予備乾燥してもよい。予備乾燥は、未乾燥フィルムを通常50〜150℃の温度で、0.1〜10時間保持することにより行われる。
未乾燥フィルム(予備乾燥後のフィルムも含む。以下同じ。)を水に浸漬する際は、枚葉を水に浸漬するバッチ方式でもよく、基板フィルム(たとえば、PET)上に成膜された状態の積層フィルムのまま、または基板から分離した膜を水に浸漬させて、巻き取っていく連続方式でもよい。また、バッチ方式の場合は、処理後のフィルム表面に皺が形成されるのを抑制するために、未乾燥フィルムを枠にはめるなどの方法で、水に浸漬させることが望ましい。
The substrate is not particularly limited as long as it is a substrate used in an ordinary solution casting method. For example, a substrate made of plastic or metal is used, and preferably made of a thermoplastic resin such as a polyethylene terephthalate (PET) film. A substrate is used.
When the obtained undried film is immersed in water after film formation, the organic solvent in the undried film can be replaced with water, and the amount of residual solvent in the resulting polymer electrolyte membrane can be reduced.
In addition, after film formation, before immersing an undried film in water, you may predry an undried film. The preliminary drying is performed by holding the undried film at a temperature of usually 50 to 150 ° C. for 0.1 to 10 hours.
When immersing an undried film (including a pre-dried film; the same shall apply hereinafter) in water, a batch method in which a single wafer is immersed in water may be used, and a film is formed on a substrate film (for example, PET). A continuous method may be used in which the laminated film is left as it is, or a film separated from the substrate is immersed in water and wound. Moreover, in the case of a batch system, in order to suppress wrinkles from being formed on the film surface after the treatment, it is desirable to immerse the film in water by a method such as placing an undried film on a frame.
未乾燥フィルムを水に浸漬する際の水の使用量は、未乾燥フィルム1重量部に対して、10重量部以上、好ましくは30重量部以上、より好ましくは50重量部以上の割合である。水の使用量が上記範囲であれば、得られる高分子電解質膜の残存溶媒量を少なくすることができる。また、浸漬に使用する水を交換したり、オーバーフローさせたりして、常に水中の有機溶媒濃度を一定濃度以下に維持しておくことも、得られる高分子電解質膜の残存溶媒量を低減することに有効である。さらに、高分子電解質膜中に残存する有機溶媒量の面内分布を小さく抑えるためには、水中の有機溶媒濃度を撹拌等によって均質化させることが効果的である。
未乾燥フィルムを水に浸漬する際の水の温度は、置換速度および取り扱いやすさの点から、通常5〜80℃、好ましくは10〜60℃の範囲である。水温が高いと、有機溶媒と水との置換速度は速くなるが、フィルムの吸水量も大きくなるので、乾燥後に得られる高分子電解質膜の表面状態が悪化することがある。水温が低ければ置換速度が低く、また冷却する必要があるなどの効率的ではない。
The amount of water used when the undried film is immersed in water is 10 parts by weight or more, preferably 30 parts by weight or more, more preferably 50 parts by weight or more with respect to 1 part by weight of the undried film. If the usage-amount of water is the said range, the residual solvent amount of the polymer electrolyte membrane obtained can be decreased. In addition, it is possible to reduce the amount of residual solvent in the resulting polymer electrolyte membrane by changing the water used for immersion or overflowing it so that the organic solvent concentration in the water is always kept below a certain level. It is effective for. Furthermore, in order to suppress the in-plane distribution of the amount of the organic solvent remaining in the polymer electrolyte membrane, it is effective to homogenize the concentration of the organic solvent in water by stirring or the like.
The temperature of water when the undried film is immersed in water is usually in the range of 5 to 80 ° C., preferably 10 to 60 ° C., from the viewpoint of the replacement speed and ease of handling. When the water temperature is high, the replacement rate of the organic solvent and water increases, but the water absorption of the film also increases, so that the surface state of the polymer electrolyte membrane obtained after drying may deteriorate. If the water temperature is low, the replacement rate is low and the cooling is not efficient.
また、フィルムの浸漬時間は、初期の残存溶媒量、水の使用量および処理温度にもよるが、通常10分〜240時間、好ましくは30分〜100時間の範囲である。
上記のように未乾燥フィルムを水に浸漬した後乾燥すると、残存溶媒量が低減された膜
が得られるが、このようにして得られる膜の残存溶媒量は、通常5質量%以下である。また、浸漬条件によっては、得られる膜の残存溶媒量を1質量%以下とすることができる。このような条件としては、たとえば、未乾燥フィルム1重量部に対する水の使用量が50重量部以上であり、浸漬する際の水の温度が10〜60℃、浸漬時間が10分〜10時間である。
Further, the immersion time of the film is usually in the range of 10 minutes to 240 hours, preferably 30 minutes to 100 hours, although it depends on the initial residual solvent amount, the amount of water used and the treatment temperature.
When the undried film is immersed in water and dried as described above, a film with a reduced amount of residual solvent is obtained. The amount of residual solvent in the film thus obtained is usually 5% by mass or less. Further, depending on the immersion conditions, the amount of residual solvent in the obtained film can be set to 1% by mass or less. As such conditions, for example, the amount of water used relative to 1 part by weight of the undried film is 50 parts by weight or more, the temperature of the water when immersed is 10 to 60 ° C., and the immersion time is 10 minutes to 10 hours. is there.
上記のように未乾燥フィルムを水に浸漬した後、フィルムを30〜100℃、好ましくは50〜80℃で、10〜180分、好ましくは15〜60分乾燥し、次いで、50〜150℃で、好ましくは500mmHg〜0.1mmHgの減圧下、0.5〜24時間、真空乾燥することにより、膜を得ることができる。 After immersing the undried film in water as described above, the film is dried at 30-100 ° C, preferably 50-80 ° C, for 10-180 minutes, preferably 15-60 minutes, and then at 50-150 ° C. The film can be obtained by vacuum drying under reduced pressure of 500 mmHg to 0.1 mmHg for 0.5 to 24 hours.
また、高分子電解質膜を製造する際に、硫酸、リン酸などの無機酸、リン酸ガラス、タングステン酸、リン酸塩水和物、β-アルミナプロトン置換体、プロトン導入酸化物等の
無機プロトン伝導体粒子、カルボン酸を含む有機酸、スルホン酸を含む有機酸、ホスホン酸を含む有機酸、適量の水などを併用してもよい。
以上のようにして得られる高分子電解質膜は、その乾燥膜厚が、通常10〜100μm、好ましくは15〜80μmである。
In addition, when producing polymer electrolyte membranes, inorganic proton conduction such as inorganic acids such as sulfuric acid and phosphoric acid, phosphate glass, tungstic acid, phosphate hydrate, β-alumina proton substitution products, proton-introduced oxides, etc. Body particles, an organic acid containing a carboxylic acid, an organic acid containing a sulfonic acid, an organic acid containing a phosphonic acid, an appropriate amount of water, and the like may be used in combination.
The polymer electrolyte membrane obtained as described above has a dry film thickness of usually 10 to 100 μm, preferably 15 to 80 μm.
高分子電解質膜のイオン交換容量は通常0.1〜4.5meq/g、好ましくは0.3〜3.5meq/g、さらに好ましくは0.5〜3.0meq/gである。0.1meq/g未満では、プロトン伝導度が低く発電性能が低い。一方、5meq/gを超えると、耐水性が大幅に低下してしまうことがある。
[実施例]
以下、実施例を挙げ本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。実施例中の各種の測定項目は、下記のようにして求めた。実施例において、「%」とは特に断りのない限り「質量%」を意味する。
<評価方法>
[スルホン酸基の当量]
得られたスルホン化ポリマーの水洗水が中性になるまで蒸留水で洗浄して、フリーの残存している酸を除去した後、乾燥させた。この後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解させ、フェノールフタレインを指示薬として、NaOHの標準液にて滴定し、中和点から、スルホン酸基の当量(イオン交換容量)(meq/g)を求めた。
[破断強度および弾性率の測定]
破断強度および弾性率の測定は、JISK7113に準じて行った(引っ張り速度:50mm/min)。ただし、弾性率は、標線間距離をチャック間距離とし算出した。JI
SK7113に従い、温度23±2℃、相対湿度50±5%の条件下で48時間試料の状態調整を行った。ただし、試料の打ち抜きは、JISK6251に記載の7号ダンベルを用いた。引っ張り試験測定装置は、INSTRON製5543を用いた。
[膜抵抗の測定]
膜を濃度1mol/lの硫酸を介して上下から導電性カーボン板ではさみ、室温でカーボン板間の交流抵抗を測定し、下記の式で求めた。
膜抵抗(Ω・cm2)=膜をはさんだカーボン間の抵抗値(Ω)−ブランク値(Ω)×接
触面積(cm2)
伝導度(S/cm)=膜厚/(膜抵抗×10000)
[メタノール水溶液浸漬試験]
50vol%の70℃メタノール水溶液に、伝導膜を6時間浸漬した。浸漬前後の面積を測定し、面積変化率(%)を計算した。
面積変化率(%)=(浸漬後の面積/浸漬前の面積)×100
[メタノール透過性]
浸透気化測定法(パーベーパレーション法)により測定した。所定のセルにフィルムを
セットし、表面側から10質量%のメタノール水溶液を供給、裏面から減圧し、透過液を液体窒素でトラップした。メタノール透過量は下記の式から計算した。
メタノール透過量(g/m2/h)=[透過液重量(g)/回収時間(h)/試料面積(m2)]×透過液のメタノール濃度
[合成例1;成分(A)の合成]
撹拌羽根、温度計、窒素導入管、Dean-Stark管、冷却管を取り付けた1Lセ
パラブル3口フラスコに4、4’−ジフルオロベンゾフェノン52.4g(240mmo
l)、4−クロロ−4'−フルオロベンゾフェノン14.1g(60.0mmol)、4,4'−(1,3−フェニレンジイソプロピリデン)ビスフェノール(Bis−M)70.2g(203mmol)、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン23.7g(67.5mmol)、炭酸カリウム44.8g(324mmol)をはかりとった。DMAc320mL、ト
ルエン130mLを加え、窒素雰囲気下、150℃で加熱還流した。反応によって生成する水をトルエンとの共沸により、Dean-Stark管から取り除いた。3時間後に水
の生成が認められなくなったところで、トルエンを系外に取り除き、160℃で7時間撹拌した後、4−クロロ−4’−フルオロベンゾフェノン7.7g(33.0mmol)を加え、さらに3時間撹拌した。
The ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane is usually 0.1 to 4.5 meq / g, preferably 0.3 to 3.5 meq / g, more preferably 0.5 to 3.0 meq / g. If it is less than 0.1 meq / g, the proton conductivity is low and the power generation performance is low. On the other hand, if it exceeds 5 meq / g, the water resistance may be significantly lowered.
[Example]
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples. Various measurement items in the examples were determined as follows. In the examples, “%” means “% by mass” unless otherwise specified.
<Evaluation method>
[Equivalent of sulfonic acid group]
The resulting sulfonated polymer was washed with distilled water until the washing water became neutral to remove free remaining acid, and then dried. Thereafter, a predetermined amount is weighed, dissolved in a mixed solvent of THF / water, titrated with a standard solution of NaOH using phenolphthalein as an indicator, and the equivalent of sulfonic acid groups (ion exchange capacity) from the neutral point. (Meq / g) was determined.
[Measurement of breaking strength and elastic modulus]
The breaking strength and elastic modulus were measured according to JISK7113 (tensile speed: 50 mm / min). However, the elastic modulus was calculated with the distance between marked lines as the distance between chucks. JI
According to SK7113, the sample was conditioned for 48 hours under conditions of a temperature of 23 ± 2 ° C. and a relative humidity of 50 ± 5%. However, the No. 7 dumbbell described in JISK6251 was used for punching the sample. As the tensile test measurement device, 5543 manufactured by INSTRON was used.
[Measurement of membrane resistance]
The membrane was sandwiched between conductive carbon plates from above and below via sulfuric acid having a concentration of 1 mol / l, the AC resistance between the carbon plates was measured at room temperature, and the following formula was obtained.
Membrane resistance (Ω · cm 2 ) = resistance value between carbons across the membrane (Ω) −blank value (Ω) × contact area (cm 2 )
Conductivity (S / cm) = film thickness / (membrane resistance × 10000)
[Methanol aqueous solution immersion test]
The conductive membrane was immersed in 50 vol% 70 ° C. methanol aqueous solution for 6 hours. The area before and after immersion was measured, and the area change rate (%) was calculated.
Area change rate (%) = (Area after immersion / Area before immersion) × 100
[Methanol permeability]
It measured by the pervaporation measuring method (pervaporation method). A film was set in a predetermined cell, a 10% by mass aqueous methanol solution was supplied from the front side, the pressure was reduced from the back side, and the permeate was trapped with liquid nitrogen. The methanol permeation amount was calculated from the following formula.
Methanol permeation amount (g / m 2 / h) = [permeate weight (g) / recovery time (h) / sample area (m 2 )] × methanol concentration of permeate [Synthesis Example 1; synthesis of component (A) ]
In a 1 L separable three-necked flask equipped with a stirring blade, a thermometer, a nitrogen introduction tube, a Dean-Stark tube, and a cooling tube, 52.4 g (240 mmo) of 4,4′-difluorobenzophenone was added.
l), 14.1 g (60.0 mmol) of 4-chloro-4′-fluorobenzophenone, 70.2 g (203 mmol) of 4,4 ′-(1,3-phenylenediisopropylidene) bisphenol (Bis-M), bis 23.7 g (67.5 mmol) of (4-hydroxyphenyl) fluorene and 44.8 g (324 mmol) of potassium carbonate were weighed. DMAc (320 mL) and toluene (130 mL) were added, and the mixture was heated to reflux at 150 ° C. in a nitrogen atmosphere. The water produced by the reaction was removed from the Dean-Stark tube by azeotroping with toluene. When no more water was observed after 3 hours, toluene was removed from the system and stirred at 160 ° C. for 7 hours. Then, 7.7 g (33.0 mmol) of 4-chloro-4′-fluorobenzophenone was added, and Stir for 3 hours.
放冷後、反応溶液に不溶の無機物を、セライトをろ過助剤に用いたろ過によって除いた。ろ液をメタノール2.0Lに注ぎ、反応物を凝固させた。沈殿した凝固物をろ過し、少
量のメタノールで洗浄し、真空乾燥した。乾燥した生成物を、テトラヒドロフラン200mLに再溶解した。この溶液をメタノール2.0Lに注ぎ、再沈殿した。凝固物をろ過し
、真空乾燥して、110g(収率74%)の目的物を得た。GPCで求めたポリスチレン換算の数平均分子量は5500、重量平均分子量は8300であった。得られた化合物は下記式(9)であらわされる構造で表されるオリゴマーであることを確認した。
After standing to cool, inorganic substances insoluble in the reaction solution were removed by filtration using Celite as a filter aid. The filtrate was poured into 2.0 L of methanol to solidify the reaction product. The precipitated coagulum was filtered, washed with a small amount of methanol, and vacuum dried. The dried product was redissolved in 200 mL of tetrahydrofuran. This solution was poured into 2.0 L of methanol and reprecipitated. The coagulated product was filtered and dried under vacuum to obtain 110 g (yield 74%) of the desired product. The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC was 5,500, and the weight average molecular weight was 8,300. It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the structure represented by the following formula (9).
・・・(9)
スルホン化ポリマーの合成
攪拌機、温度計、窒素導入管をとりつけた1Lの三口フラスコに、3−(2,5−ジクロ
ロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル56.1g(140mmol)、上記化合
物(Mn5500)38.71g(7.0mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド2.88g(4.0mmol)、ヨウ化ナトリウム0.66g(4.0mm
ol)、トリフェニルホスフィン15.4g(60mmol)、亜鉛23.0g(352mmol)をはかりとり、乾燥窒素置換した。ここにN,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)
253mLを加え、反応温度を80℃に保持しながら3時間攪拌を続けた後、DMAc780mLを加えて希釈し、不溶物を濾過した。
... (9)
Synthesis of sulfonated polymer Stirrer, thermometer, 1 L three-necked flask equipped with a nitrogen inlet tube was charged with 56.1 g (140 mmol) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate, the above compound (Mn5500) 38. 71 g (7.0 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 2.88 g (4.0 mmol), sodium iodide 0.66 g (4.0 mm)
ol), 15.4 g (60 mmol) of triphenylphosphine, and 23.0 g (352 mmol) of zinc were weighed and substituted with dry nitrogen. Here, N, N-dimethylacetamide (DMAc)
253 mL was added and stirring was continued for 3 hours while maintaining the reaction temperature at 80 ° C. Then, 780 mL of DMAc was added for dilution, and insoluble matters were filtered.
得られた溶液を攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた2Lの三口フラスコに入れた。115℃に加熱攪拌し、臭化リチウム40.1g(462mmol)を加えた。7時間攪拌後、アセトン3.7Lに注いで生成物を沈殿させた。ついで、1N塩酸、純水の順で洗浄後、乾燥して目的の重合体67gを得た。得られた重合体の重量平均分子量(Mw)は165,000であった。ここで得られたプロトン伝導性重合体(成分(A))を「ポリマーA1」とする。ポリマーA1は、下記式(10)で表される重合体である。ポリマーA
2のイオン交換容量は、1.7meq/gであった。
The obtained solution was put into a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube. The mixture was heated and stirred at 115 ° C., and 40.1 g (462 mmol) of lithium bromide was added. After stirring for 7 hours, the product was precipitated by pouring into 3.7 L of acetone. Subsequently, after washing in order of 1N hydrochloric acid and pure water, it was dried to obtain 67 g of the intended polymer. The weight average molecular weight (Mw) of the obtained polymer was 165,000. The proton conductive polymer (component (A)) obtained here is referred to as “polymer A1”. The polymer A1 is a polymer represented by the following formula (10). Polymer A
The ion exchange capacity of 2 was 1.7 meq / g.
・・・(10)
[実施例1]
100mLサンプル管に、3−(トリヒドロキシシリル)−1−プロパンスルホン酸(成分(B−b);下記式(11))5.06g、ベンゼンスルホン酸・1水和物0.12g、水0.67gを加え、5分間攪拌した。その後、N−メチルピロリドン4.2g、下記式(12)で表されるイミダゾール含有成分(B−a)3.07gを追加添加し、加水分解及び脱水縮重合反応をさせた。反応終了後、エバポレーターにより濃縮し、成分(B−a)、(B−b)の合計濃度が20wt%になるようにN−メチルピロリドン/メタノール=3/1(質量比)の混合溶媒を追加し、ゾル溶液を作製した。
(HO)3-Si-CH2CH2CH2-SO3H 式(11)
... (10)
[Example 1]
In a 100 mL sample tube, 5.06 g of 3- (trihydroxysilyl) -1-propanesulfonic acid (component (Bb); the following formula (11)), 0.12 g of benzenesulfonic acid monohydrate, water 0 .67 g was added and stirred for 5 minutes. Thereafter, 4.2 g of N-methylpyrrolidone and 3.07 g of an imidazole-containing component (Ba) represented by the following formula (12) were additionally added to cause hydrolysis and dehydration condensation polymerization reaction. After completion of the reaction, the mixture is concentrated by an evaporator, and a mixed solvent of N-methylpyrrolidone / methanol = 3/1 (mass ratio) is added so that the total concentration of components (Ba) and (BB) is 20 wt%. A sol solution was prepared.
(HO) 3 -Si-CH 2 CH 2 CH 2 -SO 3 H (11)
合成例1で得られたポリマーA1 2gをN−メチルピロリドン/メタノール=3/1
(質量比)の混合溶媒12.3gに溶解させたポリマー溶液に、上述のゾル溶液2.5gを少量ずつ滴下しながら撹拌することにより混合溶液を作製した(表1)。
2 g of the polymer A1 obtained in Synthesis Example 1 was added to N-methylpyrrolidone / methanol = 3/1.
A mixed solution was prepared by stirring 2.5 g of the above-mentioned sol solution dropwise into a polymer solution dissolved in 12.3 g of (mass ratio) mixed solvent (Table 1).
混合溶液をPET基板上にドクターブレードで製膜し、乾燥機により80℃30分、100℃30分、140℃1時間乾燥した後、水に25℃1時間を4回浸漬することにより有機溶媒を留去し、膜厚40μmの高分子電解質膜(20−1)を得た。 The mixed solution is formed into a film on a PET substrate with a doctor blade, dried at 80 ° C. for 30 minutes, 100 ° C. for 30 minutes, and 140 ° C. for 1 hour, and then immersed in water four times for 1 hour at 25 ° C. Was distilled off to obtain a polymer electrolyte membrane (20-1) having a thickness of 40 μm.
得られた高分子電解質膜の機械的性質、膜抵抗、メタノール溶液中での膨潤度、メタノール透過性について測定した結果を表2に示す。
[実施例2]
100mLサンプル管に、TEOS(成分(B−c))6.09g、3−(トリヒドロキシシリル)−1−プロパンスルホン酸(成分(B−b))0.92g、ベンゼンスルホン酸・1水和物0.12g、水0.67gを加え、5分間攪拌した。その後、N−メチルピロリドン4.2g、前記式(12)で表されるイミダゾール含有成分(B−a)0.48gを追加添加し、加水分解及び脱水縮重合反応をさせた。反応終了後、エバポレーターにより濃縮し、成分(B−a)〜(B−d)の合計濃度が20wt%になるようにN−メチルピロリドン/メタノール=3/1(質量比)の混合溶媒を追加し、ゾル溶液を作製した。
Table 2 shows the measurement results of mechanical properties, membrane resistance, degree of swelling in methanol solution, and methanol permeability of the obtained polymer electrolyte membrane.
[Example 2]
In a 100 mL sample tube, TEOS (component (Bc)) 6.09 g, 3- (trihydroxysilyl) -1-propanesulfonic acid (component (Bb)) 0.92 g, benzenesulfonic acid monohydrate 0.12 g of the product and 0.67 g of water were added and stirred for 5 minutes. Thereafter, 4.2 g of N-methylpyrrolidone and 0.48 g of the imidazole-containing component (Ba) represented by the formula (12) were additionally added to cause hydrolysis and dehydration condensation polymerization reaction. After completion of the reaction, the mixture is concentrated by an evaporator, and a mixed solvent of N-methylpyrrolidone / methanol = 3/1 (mass ratio) is added so that the total concentration of components (Ba) to (Bd) is 20 wt%. A sol solution was prepared.
合成例1で得られたポリマーA1 2gをN−メチルピロリドン/メタノール=3/1
(質量比)の混合溶媒12.3gに溶解させたポリマー溶液に、上述のゾル溶液2.5gを少量ずつ滴下しながら撹拌することにより混合溶液を作製した(表1)。
2 g of the polymer A1 obtained in Synthesis Example 1 was added to N-methylpyrrolidone / methanol = 3/1.
A mixed solution was prepared by stirring 2.5 g of the above-mentioned sol solution dropwise into a polymer solution dissolved in 12.3 g of (mass ratio) mixed solvent (Table 1).
混合溶液をPET基板上にドクターブレードで製膜し、乾燥機により80℃30分、100℃30分、140℃1時間乾燥した後、水に25℃1時間を4回浸漬することにより有機溶媒を留去し、膜厚40μmの高分子電解質膜(20−2)を得た。 The mixed solution is formed into a film on a PET substrate with a doctor blade, dried at 80 ° C. for 30 minutes, 100 ° C. for 30 minutes, and 140 ° C. for 1 hour, and then immersed in water four times for 1 hour at 25 ° C. Was distilled off to obtain a polymer electrolyte membrane (20-2) having a thickness of 40 μm.
得られた高分子電解質膜の機械的性質、膜抵抗、メタノール溶液中での膨潤度、メタノール透過性について測定した結果を表2に示す。
[実施例3]
100mLサンプル管に、TEOS(成分(B−c))5.32g、3−(トリヒドロキシシリル)−1−プロパンスルホン酸(成分(B−b))0.92g、ベンゼンスルホン酸・1水和物0.12g、水0.67gを加え、5分間攪拌した。その後、N−メチルピロリドン4.2g、前記式(12)で表されるイミダゾール含有成分(B−a)0.48gを追加添加し、加水分解及び脱水縮重合反応をさせた。1時間撹拌の後、チタニウム
テトラ−iso−プロポキシド(成分(B−d))/アセチルアセトン混合溶液(1/4モル比)2.53gを追加し、更に1h以上撹拌した。反応終了後、エバポレーターにより濃縮し、成分(B−a)〜(B−d)の合計濃度が20wt%になるようにN−メチルピロリドン/メタノール=3/1(質量比)の混合溶媒を追加し、ゾル溶液を作製した。
Table 2 shows the measurement results of mechanical properties, membrane resistance, degree of swelling in methanol solution, and methanol permeability of the obtained polymer electrolyte membrane.
[Example 3]
In a 100 mL sample tube, TEOS (component (Bc)) 5.32 g, 3- (trihydroxysilyl) -1-propanesulfonic acid (component (Bb)) 0.92 g, benzenesulfonic acid monohydrate 0.12 g of the product and 0.67 g of water were added and stirred for 5 minutes. Thereafter, 4.2 g of N-methylpyrrolidone and 0.48 g of the imidazole-containing component (Ba) represented by the formula (12) were additionally added to cause hydrolysis and dehydration condensation polymerization reaction. After stirring for 1 hour, 2.53 g of titanium tetra-iso-propoxide (component (Bd)) / acetylacetone mixed solution (1/4 molar ratio) was added, and the mixture was further stirred for 1 hour or more. After completion of the reaction, the mixture is concentrated by an evaporator, and a mixed solvent of N-methylpyrrolidone / methanol = 3/1 (mass ratio) is added so that the total concentration of components (Ba) to (Bd) is 20 wt%. A sol solution was prepared.
合成例1で得られたポリマーA1 2gをN−メチルピロリドン/メタノール=3/1
(質量比)の混合溶媒12.3gに溶解させたポリマー溶液に、上述のゾル溶液2.5gを少量ずつ滴下しながら撹拌することにより混合溶液を作製した(表1)。
2 g of the polymer A1 obtained in Synthesis Example 1 was added to N-methylpyrrolidone / methanol = 3/1.
A mixed solution was prepared by stirring 2.5 g of the above-mentioned sol solution dropwise into a polymer solution dissolved in 12.3 g of (mass ratio) mixed solvent (Table 1).
混合溶液をPET基板上にドクターブレードで製膜し、乾燥機により80℃30分、100℃30分、140℃1時間乾燥した後、水に25℃1時間を4回浸漬することにより有機溶媒を留去し、膜厚40μmの高分子電解質膜(20−3)を得た。 The mixed solution is formed into a film on a PET substrate with a doctor blade, dried at 80 ° C. for 30 minutes, 100 ° C. for 30 minutes, and 140 ° C. for 1 hour, and then immersed in water four times for 1 hour at 25 ° C. Was distilled off to obtain a polymer electrolyte membrane (20-3) having a thickness of 40 μm.
得られた高分子電解質膜の機械的性質、膜抵抗、メタノール溶液中での膨潤度、メタノール透過性について測定した結果を表2に示す。
[比較例1]:成分(B−b)が無い場合(1)
100mLサンプル管に前記式(12)で表されるイミダゾール含有成分(B−a)10.76g、ベンゼンスルホン酸・1水和物0.12g、水0.67g、N−メチルピロリドン4.2g、を添加し、加水分解及び脱水縮重合反応をさせた。反応終了後、エバポレーターにより濃縮し、成分(B−a)の合計濃度が20wt%になるようにN−メチルピロリドン/メタノール=3/1(質量比)の混合溶媒を追加し、ゾル溶液を作製した。
Table 2 shows the measurement results of mechanical properties, membrane resistance, degree of swelling in methanol solution, and methanol permeability of the obtained polymer electrolyte membrane.
[Comparative Example 1]: When component (Bb) is not present (1)
In a 100 mL sample tube, 10.76 g of the imidazole-containing component (Ba) represented by the formula (12), 0.12 g of benzenesulfonic acid monohydrate, 0.67 g of water, 4.2 g of N-methylpyrrolidone, Was added to cause hydrolysis and dehydration condensation polymerization reaction. After completion of the reaction, the solution is concentrated by an evaporator, and a mixed solvent of N-methylpyrrolidone / methanol = 3/1 (mass ratio) is added so that the total concentration of the component (Ba) is 20 wt% to prepare a sol solution. did.
合成例1で得られたポリマーA1 2gをN−メチルピロリドン/メタノール=3/1
(質量比)の混合溶媒12.3gに溶解させたポリマー溶液に、上述のゾル溶液2.5gを少量ずつ滴下しながら撹拌することにより混合溶液を作製した(表1)。
2 g of the polymer A1 obtained in Synthesis Example 1 was added to N-methylpyrrolidone / methanol = 3/1.
A mixed solution was prepared by stirring 2.5 g of the above-mentioned sol solution dropwise into a polymer solution dissolved in 12.3 g of (mass ratio) mixed solvent (Table 1).
混合溶液をPET基板上にドクターブレードで製膜し、乾燥機により80℃30分、100℃30分、140℃1時間乾燥した後、水に25℃1時間を4回浸漬することにより有機溶媒を留去し、膜厚40μmの高分子電解質膜(20−4)を得た。 The mixed solution is formed into a film on a PET substrate with a doctor blade, dried at 80 ° C. for 30 minutes, 100 ° C. for 30 minutes, and 140 ° C. for 1 hour, and then immersed in water four times for 1 hour at 25 ° C. Was distilled off to obtain a polymer electrolyte membrane (20-4) having a thickness of 40 μm.
得られた高分子電解質膜の機械的性質、膜抵抗、メタノール溶液中での膨潤度、メタノール透過性について測定した結果を表2に示す。
[比較例2]:成分(B−b)が無い場合(2)
100mLサンプル管にTEOS(成分(B−c))5.32g、前記式(12)で表されるイミダゾール含有成分(B−a)1.88g、ベンゼンスルホン酸・1水和物0.12g、水0.67g、N−メチルピロリドン4.2g、を添加し、加水分解及び脱水縮重合反応をさせた。1時間撹拌の後、チタニウムテトラ−iso−プロポキシド(成分(
B−d))/アセチルアセトン混合溶液(1/4モル比)2.53gを追加し、更に1h以上撹拌した。反応終了後、エバポレーターにより濃縮し、成分(B−a)(B−c)(B−d)反応終了後、エバポレーターにより濃縮し、成分(B−a)の合計濃度が20wt%になるようにN−メチルピロリドン/メタノール=3/1(質量比)の混合溶媒を追加し、ゾル溶液を作製した。
Table 2 shows the measurement results of mechanical properties, membrane resistance, degree of swelling in methanol solution, and methanol permeability of the obtained polymer electrolyte membrane.
[Comparative Example 2]: When component (Bb) is absent (2)
TEOS (component (Bc)) 5.32 g in a 100 mL sample tube, imidazole-containing component (Ba) represented by the formula (12) 1.88 g, benzenesulfonic acid monohydrate 0.12 g, 0.67 g of water and 4.2 g of N-methylpyrrolidone were added to cause hydrolysis and dehydration condensation polymerization reaction. After stirring for 1 hour, titanium tetra-iso-propoxide (component (
Bd)) / acetylacetone mixed solution (1/4 molar ratio) (2.53 g) was added, and the mixture was further stirred for 1 hour or more. After completion of the reaction, it is concentrated by an evaporator, and after completion of the components (Ba) (Bc) (Bd), it is concentrated by an evaporator so that the total concentration of the components (Ba) is 20 wt%. A mixed solvent of N-methylpyrrolidone / methanol = 3/1 (mass ratio) was added to prepare a sol solution.
合成例1で得られたポリマーA1 2gをN−メチルピロリドン/メタノール=3/1
(質量比)の混合溶媒12.3gに溶解させたポリマー溶液に、上述のゾル溶液2.5gを少量ずつ滴下しながら撹拌することにより混合溶液を作製した(表1)。
2 g of the polymer A1 obtained in Synthesis Example 1 was added to N-methylpyrrolidone / methanol = 3/1.
A mixed solution was prepared by stirring 2.5 g of the above-mentioned sol solution dropwise into a polymer solution dissolved in 12.3 g of (mass ratio) mixed solvent (Table 1).
混合溶液をPET基板上にドクターブレードで製膜し、乾燥機により80℃30分、100℃30分、140℃1時間乾燥した後、水に25℃1時間を4回浸漬することにより有機溶媒を留去し、膜厚40μmの高分子電解質膜(20−4)を得た。 The mixed solution is formed into a film on a PET substrate with a doctor blade, dried at 80 ° C. for 30 minutes, 100 ° C. for 30 minutes, and 140 ° C. for 1 hour, and then immersed in water four times for 1 hour at 25 ° C. Was distilled off to obtain a polymer electrolyte membrane (20-4) having a thickness of 40 μm.
得られた高分子電解質膜の機械的性質、膜抵抗、メタノール溶液中での膨潤度、メタノール透過性について測定した結果を表2に示す。
[比較例3]:成分(B−a)が無い場合
100mLサンプル管に3−(トリヒドロキシシリル)−1−プロパンスルホン酸(成分(B−b))7.08g、、ベンゼンスルホン酸・1水和物0.12g、水0.67g、N−メチルピロリドン4.2g、を添加し、加水分解及び脱水縮重合反応をさせた。反応終了後、エバポレーターにより濃縮し、成分(B−b)の合計濃度が20wt%になるようにN−メチルピロリドン/メタノール=3/1(質量比)の混合溶媒を追加し、ゾル溶液を作製した。
合成例1で得られたポリマーA1 2gをN−メチルピロリドン/メタノール=3/1(
質量比)の混合溶媒12.3gに溶解させたポリマー溶液に、上述のゾル溶液2.5gを少量ずつ滴下しながら撹拌することにより混合溶液を作製した(表1)。
Table 2 shows the measurement results of mechanical properties, membrane resistance, degree of swelling in methanol solution, and methanol permeability of the obtained polymer electrolyte membrane.
[Comparative Example 3]: When component (B-a) is not present In a 100 mL sample tube, 7.08 g of 3- (trihydroxysilyl) -1-propanesulfonic acid (component (Bb)), benzenesulfonic acid · 1 0.12 g of hydrate, 0.67 g of water and 4.2 g of N-methylpyrrolidone were added to cause hydrolysis and dehydration condensation polymerization reaction. After completion of the reaction, the mixture is concentrated by an evaporator, and a mixed solvent of N-methylpyrrolidone / methanol = 3/1 (mass ratio) is added so that the total concentration of the component (Bb) is 20 wt% to prepare a sol solution. did.
2 g of the polymer A1 obtained in Synthesis Example 1 was mixed with N-methylpyrrolidone / methanol = 3/1 (
A mixed solution was prepared by stirring 2.5 g of the above-described sol solution dropwise in a polymer solution dissolved in 12.3 g of a mixed solvent (mass ratio) (Table 1).
混合溶液をPET基板上にドクターブレードで製膜し、乾燥機により80℃30分、100℃30分、140℃1時間乾燥した後、水に25℃1時間を4回浸漬することにより有機溶媒を留去し、膜厚40μmの高分子電解質膜(20−6)を得た。 The mixed solution is formed into a film on a PET substrate with a doctor blade, dried at 80 ° C. for 30 minutes, 100 ° C. for 30 minutes, and 140 ° C. for 1 hour, and then immersed in water four times for 1 hour at 25 ° C. Was distilled off to obtain a polymer electrolyte membrane (20-6) having a thickness of 40 μm.
得られた高分子電解質膜の機械的性質、膜抵抗、メタノール溶液中での膨潤度、メタノール透過性について測定した結果を表2に示す。 Table 2 shows the measurement results of mechanical properties, membrane resistance, degree of swelling in methanol solution, and methanol permeability of the obtained polymer electrolyte membrane.
表2に示すように、実施例1〜3は、膜抵抗を低減し、プロトン伝導を向上させ、かつ、メタノール透過性、メタノール水溶液中での面積変化率を抑制することが可能であることがわかった。また、成分(B−c)、(B−d)の添加により更に効果が顕著になることがわかった。比較例から、成分(B−a)(B−b)両方が必須成分として含む場合のみ、従来に比べて伝導度向上とメタノール透過抑制の両立が可能であることがわかった。 As shown in Table 2, Examples 1 to 3 can reduce membrane resistance, improve proton conduction, and suppress methanol permeability and area change rate in aqueous methanol solution. all right. Moreover, it turned out that an effect becomes further remarkable by addition of a component (Bc) and (Bd). From the comparative example, it was found that only when both the components (Ba) and (BB) are included as essential components, it is possible to achieve both improvement in conductivity and suppression of methanol permeation as compared with the conventional case.
Claims (14)
(B)下記成分(B−a)および(B−b)を含む組成物を加水分解・脱水縮合反応して得られる反応物;
(B−a):下記式(6)で表される化合物
(B−b):下記式(7)で表される化合物、
を含んでなることを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質。
Si(OR20)E(R21)F(R22)G・・・・(6)
(式(6)中、Eは2〜3、Fは0〜1、Gは1〜2であり、E+F+G=4である。また、R20、R21は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。R22は、含窒素複素
環構造又は置換されていてもよいアミノ基を有する、ハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。)
Si(OR30)E'(R31)F'(R32)G'・・・・(7)
(式(7)中、E’は2〜3、F’は0〜1、G’は1〜2であり、E’+F’+G’=4である。また、R30、R31は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。R32は
、プロトン酸基を有する、ハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。) (A) a proton conducting polymer, and
(B) a reaction product obtained by subjecting a composition containing the following components (Ba) and (BB) to hydrolysis / dehydration condensation reaction;
(Ba): Compound represented by the following formula (6) (Bb): Compound represented by the following formula (7),
A polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell, comprising:
Si (OR 20 ) E (R 21 ) F (R 22 ) G ... (6)
(In the formula (6), E is 2 to 3, F is 0 to 1, G is 1 to 2, and E + F + G = 4. Also, R 20 and R 21 are hydrogen atoms or halogenated. R 22 is a nitrogen-containing heterocyclic structure or an optionally halogenated hydrocarbon group having an optionally substituted amino group.)
Si (OR 30 ) E ' (R 31 ) F' (R 32 ) G ' (7)
(In the formula (7), E ′ is 2 to 3, F ′ is 0 to 1, G ′ is 1 to 2, and E ′ + F ′ + G ′ = 4. Also, R 30 and R 31 are A hydrogen atom or an optionally halogenated hydrocarbon group, and R 32 is an optionally halogenated hydrocarbon group having a protonic acid group.)
(B−c):(B−a)成分および(B−b)成分以外の、下記式(8)で表される化合物
Si(OR40)e(R41)f・・・(8)
(式(8)中、eは2〜4、fは0〜2であり、e+f=4である。R40およびR41は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。) The component (B) is a reaction product obtained by subjecting a composition containing the components (Ba), (BB), and the following component (BC) to a hydrolysis / dehydration condensation reaction. A polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell as described in 1.
(Bc): Compound represented by the following formula (8) other than the components (Ba) and (Bb)
Si (OR 40 ) e (R 41 ) f (8)
(In the formula (8), e is 2 to 4, f is 0 to 2, and e + f = 4. R 40 and R 41 are a hydrogen atom or an optionally halogenated hydrocarbon group. )
(B−d):Al、Ti又はZrのアルコキシド (B) A reaction product obtained by subjecting a composition containing the components (Ba), (Bb), (Bc) and the following component (Bd) to a hydrolysis / dehydration condensation reaction: The polymer electrolyte for direct methanol fuel cells according to claim 2, wherein
(Bd): Al, Ti or Zr alkoxide
基、ベンゾチアゾール基、イソチアゾール基、オキサゾール基、ベンゾオキサゾール基、イソオキサゾール基、イミダゾール基、イミダゾリン基、イミダゾリジン基、ベンゾイミダゾール基、ピラゾール基、トリアジン基、ピリジン基、ピリミジン基、ピリダジン基、ピラジン基、インドール基、キノリン基、イソキノリン基、ブリン基、テトラゾール基、テトラジン基、トリアゾール基、カルバゾール基、アクリジン基、キノキサリン基、キナゾリン基、インドリジン基、イソインドール基、3H-インドール基、2H-ピロール基、1H-インダゾール基、プリン基、フタラジン基、ナフチリジン基、シンノリン基、プテリジン基、カルボリン基、フェナントリジン基、ペリミジン基、フェナントロリン基、フェナジン基、フェナルサジン基、フェノチアジン基、フラザン基、フェノキサジン基、ピロリジン基、ピロリン基、ピラゾリン基、ピラゾリジン基、ピペリジン基、ピペラジン基、インドリン基、イソインドリン基、キヌクリジン基、1級アミノ基、2級アミノ基、3級アミノ基およびこれらの誘導体からなる群から選ばれる化合物から誘導される少なくとも1種の基であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一に記載のダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質。 The group represented by R 22 in the formula (6) representing the component (Ba) is a pyrrole group, a thiazole group, a benzothiazole group, an isothiazole group, an oxazole group, a benzoxazole group, an isoxazole group, or an imidazole. Group, imidazoline group, imidazolidine group, benzimidazole group, pyrazole group, triazine group, pyridine group, pyrimidine group, pyridazine group, pyrazine group, indole group, quinoline group, isoquinoline group, bromine group, tetrazole group, tetrazine group, triazole Group, carbazole group, acridine group, quinoxaline group, quinazoline group, indolizine group, isoindole group, 3H-indole group, 2H-pyrrole group, 1H-indazole group, purine group, phthalazine group, naphthyridine group, cinnoline group, pteridine Group, carboline group, phenanthri Gin group, perimidine group, phenanthroline group, phenazine group, phenalsazine group, phenothiazine group, furazane group, phenoxazine group, pyrrolidine group, pyrroline group, pyrazoline group, pyrazolidine group, piperidine group, piperazine group, indoline group, isoindoline group, The quinuclidine group, the primary amino group, the secondary amino group, the tertiary amino group and at least one group derived from a compound selected from the group consisting of these derivatives, The polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell according to any one of the above.
ダゾリン基、ピリジン基、ピロール基、ベンズイミダゾール、ベンゾオキサゾール、トリ
アジン基、トリアゾール基、1級アミン基、2級アミン基、3級アミン基からなる群から選ばれた少なくとも一つの基を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一に記載のダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質。 The group represented by R 22 in the formula (6) representing the component (Ba) is an imidazole group, an imidazoline group, a pyridine group, a pyrrole group, a benzimidazole, a benzoxazole, a triazine group, a triazole group, 1 The high for direct methanol fuel cells according to any one of claims 1 to 4, comprising at least one group selected from the group consisting of a secondary amine group, a secondary amine group, and a tertiary amine group. Molecular electrolyte.
、エチル基、プロピル基、iso−プロピル基、n−プロピル基、ブチル基、iso−ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、フェニル基、トリフルオロプロピル基からなる炭化水素基からなる群から選ばれた少なくとも一つの基を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のダイレクトメタノール型燃料電池用高分子電解質。 In the formula (8) representing the component (Bc), the groups represented by R 40 and R 41 are a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an iso-propyl group, an n-propyl group, a butyl group. And at least one group selected from the group consisting of hydrocarbon groups consisting of iso-butyl, hexyl, octyl, decyl, dodecyl, cyclopentyl, cyclohexyl, phenyl, and trifluoropropyl. The polymer electrolyte for a direct methanol fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein:
分子電解質。
も1種の構造を示し、Zは直接結合または、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH3)2−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Arは−SO3Hまたは−O(CH2)pSO3Hまたは−O(CF2)pSO3Hで表
される置換基を有する芳香族基を示す。pは1〜12の整数を示し、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。) The polymer for direct methanol fuel cells according to claim 1, wherein the component (A) is a polyarylene-based copolymer containing a structural unit represented by the following general formula (1). Electrolytes.
−、−COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基お
よびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、R1〜R16は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フ
ッ素原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。s、tは0〜4の整数を示し、rは0または1以上の整数を示す。 11. The polymer for a direct methanol fuel cell according to claim 1, wherein the component (A) is a polyarylene copolymer containing a structural unit represented by the following general formula (2). Electrolytes.
-, - COO -, - ( CF 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - (CH 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - CR '2 - ( R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, and a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, —O—, and —S—. B represents independently an oxygen atom or a sulfur atom, R 1 to R 16 may be the same or different from each other, and a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, part or all of which are halogenated It represents at least one atom or group selected from the group consisting of halogenated alkyl groups, allyl groups, aryl groups, nitro groups, and nitrile groups. s and t represent an integer of 0 to 4, and r represents 0 or an integer of 1 or more.
(B−a):下記式(6)で表される化合物
(B−b):下記式(7)で表される化合物、
(B−c):(B−a)成分および(B−b)成分以外の、下記式(8)で表される化合物、および
(B−d)Al、Ti又はZrのアルコキシド
Si(OR20)E(R21)F(R22)G・・・・(6)
(式(6)中、Eは2〜3、Fは0〜1、Gは1〜2であり、E+F+G=4である。また、R20、R21は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。R22は、含窒素複素
環構造又は置換されていてもよいアミノ基を有する、ハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。)
Si(OR30)E'(R31)F'(R32)G'・・・・(7)
(式(7)中、E’は2〜3、F’は0〜1、G’は1〜2であり、E’+F’+G’=4である。また、R30、R31は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。R32は
、プロトン酸基を有する、ハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。)
Si(OR40)e(R41)f・・・(8)
(式(8)中、eは2〜4、fは0〜2であり、e+f=4である。R40およびR41は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。) A step of hydrolyzing and condensing the following (Ba) to (Bd) components to obtain a hydrolysis condensate, a step of concentrating the solvent in the hydrolysis condensate to change the solvent composition, (A) and the step A step of applying a mixed solution obtained by dissolving the hydrolysis condensate in a solvent onto a substrate to form a coating film, and removing at least part of the solvent contained in the coating film to form a polymer electrolyte membrane A method for producing a polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell, comprising the step of:
(Ba): Compound represented by the following formula (6) (Bb): Compound represented by the following formula (7),
(Bc): a compound represented by the following formula (8) other than the components (Ba) and (Bb), and (Bd) an alkoxide of Al, Ti, or Zr
Si (OR 20 ) E (R 21 ) F (R 22 ) G ... (6)
(In the formula (6), E is 2 to 3, F is 0 to 1, G is 1 to 2, and E + F + G = 4. Also, R 20 and R 21 are hydrogen atoms or halogenated. R 22 is a nitrogen-containing heterocyclic structure or an optionally halogenated hydrocarbon group having an optionally substituted amino group.)
Si (OR 30 ) E ' (R 31 ) F' (R 32 ) G ' (7)
(In the formula (7), E ′ is 2 to 3, F ′ is 0 to 1, G ′ is 1 to 2, and E ′ + F ′ + G ′ = 4. Also, R 30 and R 31 are A hydrogen atom or an optionally halogenated hydrocarbon group, and R 32 is an optionally halogenated hydrocarbon group having a protonic acid group.)
Si (OR 40 ) e (R 41 ) f (8)
(In the formula (8), e is 2 to 4, f is 0 to 2, and e + f = 4. R 40 and R 41 are a hydrogen atom or an optionally halogenated hydrocarbon group. )
(A)プロトン伝導性重合体、
(B−a):下記式(6)で表される化合物、
Si(OR20)E(R21)F(R22)G・・・(6)
(式(6)中、Eは2〜3、Fは0〜1、Gは1〜2であり、E+F+G=4である。R20、R21は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。R22は、含窒素複素環構造
又は置換されていてもよいアミノ基を有する、ハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。)
(B−b):下記式(7)で表される化合物、
Si(OR30)E'(R31)F'(R32)G'・・・・(7)
(式(7)中、E’は2〜3、F’は0〜1、G’は1〜2であり、E’+F’+G’=4である。R30、R31は、水素原子又はハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。R32は、プロ
トン酸基を有する、ハロゲン化されていてもよい炭化水素基である。) A polymer electrolyte membrane in which a reaction product obtained by hydrolytic condensation of the following components (Ba) and (Bb) is compatible or dispersed in component (A).
(A) a proton conductive polymer;
(Ba): a compound represented by the following formula (6),
Si (OR 20 ) E (R 21 ) F (R 22 ) G (6)
(In Formula (6), E is 2-3, F is 0-1, G is 1-2, and E + F + G = 4. R 20 and R 21 are hydrogen atoms or halogenated. R 22 is a nitrogen-containing heterocyclic structure or an optionally halogenated hydrocarbon group having an optionally substituted amino group.)
(Bb): a compound represented by the following formula (7),
Si (OR 30 ) E ' (R 31 ) F' (R 32 ) G ' (7)
(In the formula (7), E ′ is 2 to 3, F ′ is 0 to 1, G ′ is 1 to 2, and E ′ + F ′ + G ′ = 4. R 30 and R 31 are hydrogen. (It is an optionally halogenated hydrocarbon group. R 32 is an optionally halogenated hydrocarbon group having a protonic acid group.)
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