JP2009249337A - Perfluorophenylene derivative, method for producing the same and membrane electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池用のプロトン伝導膜や膜電極接合体を製造するのに用いられるパーフロロフェニレン誘導体に関する。 The present invention relates to a perfluorophenylene derivative used for producing a proton conducting membrane or a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell.
従来、固体高分子型燃料電池の性能を支配する高分子電解質としては、下記の化学式(3)で示されるパーフロロスルホン酸膜が用いられてきた。その特徴は、CH結合を含まないパーフロロ構造のために、炭化水素膜よりもはるかに優れた耐酸化性を有する点にある。
この膜は、下記の化学式(4)で示されるパーフロロ共重合体膜を加水分解して製造される。
上記のパーフロロ共重合体膜は、テトラフロロエチレンと下記の化学式(5)で示されるエーテル結合を2個有する長側鎖型パーフロロビニルエーテルモノマーを共重合し、得られたポリマーを溶融成型して製造される。
上記の化学式(3)で示されるパーフロロスルホン酸膜は、スルホン酸基が結合した側鎖が長いので、充分な機械的強度を保持するためには繰り返し単位数の比p/qを4.6以上にする必要がある。そのため、イオン交換容量IEC(Ion Exchange Capacity)で表せば1.1(meq/グラム乾燥樹脂)以下、EW(Equivalent Weight)で表せば900以上となり、プロトン伝導度の面で充分ではなく、また燃料電池の運転温度が80℃以上では膜が乾燥して使用できない。 Since the perfluorosulfonic acid membrane represented by the above chemical formula (3) has a long side chain to which a sulfonic acid group is bonded, the ratio p / q of the number of repeating units is set to 4. in order to maintain sufficient mechanical strength. It must be 6 or more. Therefore, it is 1.1 (meq / gram dry resin) or less in terms of ion exchange capacity (IEC) and 900 or more in terms of EW (Equivalent Weight), which is not sufficient in terms of proton conductivity and fuel. When the battery operating temperature is 80 ° C. or higher, the membrane is dried and cannot be used.
ここで、上記のEWとイオン交換容量はEW=1000/IECの関係式で相互に変換でき、EWは(電解質の分子量)/(イオン交換基の当量数×価数)で算出される。なお、この定義から、2種類の電解質を混合した場合のEW値は次式で計算される。
上記の化学式(3)で示されるパーフロロスルホン酸膜ではEWを900よりも低くできないという問題を解決する目的で、下記の化学式(6)で示される、エーテル結合が1個の短側鎖型パーフロロビニルエーテルモノマーをテトラフロロエチレンと共重合してイオン交換容量を高くし、固体高分子型燃料電池の内部電気抵抗を下げて、エネルギー効率を高くする試みが知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記の化学式(6)のモノマーは、テトラフロロエチレンとの共重合時に、下記の反応式で示される環化反応が生じて連鎖移動を起こす(例えば、非特許文献1参照)。
その結果、得られる共重合体の分子量が充分でなく、パーフロロスルホン酸膜の機械的強度が低下して、燃料電池のセルの組み立てや性能を長期に維持することが困難になる。
こうした現象は、テトラフロロエチレンに対するパーフロロビニールエーテルモノマーの割合が多いほど起こりやすいので、上記の化学式(6)のモノマーを用いた膜で、機械的強度を保持しつつ、イオン交換容量を高くすることは困難である。
As a result, the molecular weight of the obtained copolymer is not sufficient, the mechanical strength of the perfluorosulfonic acid membrane is lowered, and it becomes difficult to maintain the assembly and performance of the fuel cell for a long time.
Such a phenomenon is more likely to occur as the ratio of the perfluorovinyl ether monomer to the tetrafluoroethylene increases. Therefore, the membrane using the monomer of the chemical formula (6) increases the ion exchange capacity while maintaining the mechanical strength. It is difficult.
上記の環化問題を解決するために、下記の化学式(7)で示される短側鎖型パーフロロビニルエーテルモノマーが知られている(例えば、本願発明者らの発明に係る特許文献2参照)。
しかしながら、具体的な製造方法が開示されているのはn=3の場合だけであり、また開示されている製造工程は複雑で、到底工業的に実施できるものではない。さらに、モノマー合成工程における環化反応が50%程度生じるので(例えば、非特許文献1参照)、その重合時の環化反応抑制効果は充分でないと考えられる。 However, a specific manufacturing method is disclosed only when n = 3, and the disclosed manufacturing process is complicated and cannot be implemented industrially. Furthermore, since the cyclization reaction in the monomer synthesis step occurs about 50% (see, for example, Non-Patent Document 1), it is considered that the effect of suppressing the cyclization reaction during the polymerization is not sufficient.
上述したようなスルホン酸基による改良法の限界を、ホスホン酸基を有するパーフロロビニルエーテルモノマーをテトラフロロエチレンと共重合することで克服しようとする試みが知られている(例えば、本願発明者の発明に係る特許文献3参照)。
ホスホン酸基は2価であり、EWの定義によれば、1価のスルホン酸基を用いる場合のEWを2分の1にできるので有利であるが、開示されているモノマーの合成法は多段階を要して実用的でない。
Attempts have been made to overcome the limitations of the improved method using sulfonic acid groups as described above by copolymerizing a perfluorovinyl ether monomer having a phosphonic acid group with tetrafluoroethylene (for example, the inventors of the present application). (See Patent Document 3).
The phosphonic acid group is divalent, and according to the definition of EW, it is advantageous because EW can be halved when a monovalent sulfonic acid group is used. However, there are many methods for synthesizing the disclosed monomers. It takes a step and is not practical.
本発明者は、EWが900以下で機械的強度が大きく、耐酸化性に優れたパーフロロのプロトン伝導膜を得るべく鋭意研究を行った。その結果、市販されているパーフロロベンゼンやデカフロロビフェニル、又は非特許文献2,3,4に記載されたパーフロロフェニレン化合物に、ホスホン酸基やスルホン酸基を結合したパーフロロフェニレン誘導体が、EWが900以下の耐酸化性に優れたパーフロロ電解質として機能することを見出し、本発明を完成した。
The present inventor conducted intensive studies to obtain a perfluoro proton conductive membrane having an EW of 900 or less, a high mechanical strength, and an excellent oxidation resistance. As a result, commercially available perfluorobenzene or decafluorobiphenyl, or perfluorophenylene derivatives described in Non-Patent
該パーフロロフェニレン誘導体を、上記の化学式(3)で示されるパーフロロスルホン酸樹脂に混合することで、EWが900以下のパーフロロプロトン伝導膜を得ることが可能である。また、プロトン移動のために、膜と同じパーフロロスルホン酸樹脂が使用されている電極触媒層に含有させることで、膜電極接合体(MEA)の電気抵抗を下げることも可能である。 By mixing the perfluorophenylene derivative with the perfluorosulfonic acid resin represented by the above chemical formula (3), it is possible to obtain a perfluoro proton conductive membrane having an EW of 900 or less. Moreover, it is also possible to reduce the electrical resistance of the membrane electrode assembly (MEA) by containing it in the electrode catalyst layer in which the same perfluorosulfonic acid resin as the membrane is used for proton transfer.
本発明のパーフロロフェニレン誘導体は、一般的には水溶性であるため、プロトン伝導膜や電極触媒層に含有させる際には、生成水で流出しないよう架橋して不溶化することが好ましい。
このためには、ホスホン酸基の多価金属イオンによる架橋(本願発明者の発明に係る特許文献4参照)や、スルホン酸基のスルホンイミド基架橋(特許文献5参照)が有効に利用できる。
本発明においては、ホスホン酸基と金属イオン架橋するものなら任意の多価金属イオンを使用できるが、例えばカルシウムイオン,白金イオン,セリウムイオン,マンガンイオンなどが好適である。
Since the perfluorophenylene derivative of the present invention is generally water-soluble, when it is contained in a proton conductive membrane or an electrode catalyst layer, it is preferably crosslinked and insolubilized so that it does not flow out with generated water.
For this purpose, cross-linking of phosphonic acid groups with polyvalent metal ions (see
In the present invention, any polyvalent metal ion can be used as long as it can crosslink with a phosphonic acid group. For example, calcium ion, platinum ion, cerium ion, manganese ion and the like are preferable.
なお、有機ELの電子移動材料として、官能基が結合したパーフロロフェニレン誘導体が知られている(例えば、特許文献6参照)。しかし、記載されている官能基の種類はトリフロロメチル基,ニトロ基,ニトリル基であり、プロトン伝導膜用電解質に係る本発明のホスホン酸基やスルホン酸基及びその前駆体とは全く異なるものである。
また、スルホン酸基やホスホン酸基が結合したフラーレン誘導体を、パーフロロスルホン酸樹脂に混合する方法が知られている(例えば、本願発明者の発明に係る特許文献4参照)。しかし、該フラーレン誘導体はCH結合を有していてパーフロロではなく、本発明のパーフロロフェニレン誘導体とは全く異なるものである。
As an organic EL electron transfer material, a perfluorophenylene derivative to which a functional group is bonded is known (for example, see Patent Document 6). However, the types of functional groups described are trifluoromethyl groups, nitro groups, and nitrile groups, which are completely different from the phosphonic acid groups and sulfonic acid groups and precursors of the present invention relating to the electrolyte for proton conducting membranes. It is.
In addition, a method of mixing a fullerene derivative to which a sulfonic acid group or a phosphonic acid group is bonded to a perfluorosulfonic acid resin is known (for example, see
本発明は、従来のパーフロロスルホン酸膜よりも、EWが低いパーフロロプロトン伝導膜の製造を可能にする低EWで耐酸化性のパーフロロ電解質を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a low EW and oxidation-resistant perfluoroelectrolyte that enables the production of a perfluoro proton conducting membrane having a lower EW than that of a conventional perfluorosulfonic acid membrane.
本発明は、ホスホン酸エステル基を含むホスホン酸基及び/又はスルホニルハライド基を含むスルホン酸基が結合したパーフロロフェニレン誘導体であり、好ましくは下記の化学式(1)で示されるパーフロロフェニレン誘導体である。
また、下記の化学式(2)で示されるパーフロロフェニレン化合物を
また、ホスホン酸基が多価金属イオンとイオン架橋を形成しているか、スルホン酸基がスルホンイミド基架橋を形成している上記のパーフロロフェニレン誘導体も本発明である。
また、上記のパーフロロフェニレン誘導体、又はそれが上記多価金属イオン架橋又はスルホンイミド基架橋で架橋されたパーフロロフェニレン誘導体が、膜及び/又は電極触媒層に含有された膜電極接合体も本発明である。この場合、膜がパーフロロスルホン酸樹脂から成ることが好ましく、また補強材を有することが好ましい。
In addition, the above-mentioned perfluorophenylene derivative in which the phosphonic acid group forms an ionic bridge with the polyvalent metal ion or the sulfonic acid group forms a sulfonimide group bridge is also the present invention.
Further, a membrane / electrode assembly in which the perfluorophenylene derivative or the perfluorophenylene derivative crosslinked with the polyvalent metal ion bridge or the sulfonimide group bridge is contained in a membrane and / or an electrode catalyst layer is also provided. It is an invention. In this case, the membrane is preferably made of perfluorosulfonic acid resin, and preferably has a reinforcing material.
本発明で開示される低EWで耐酸化性のパーフロロ電解質を用いることで、上記の化学式(3)で示されるパーフロロスルホン酸膜よりもプロトン伝導度が高く、燃料電池の運転温度が80℃以上でも膜の乾燥なしに使用できる、耐酸化性のパーフロロプロトン伝導膜を製造することが可能になる。 By using the low EW and oxidation-resistant perfluoroelectrolyte disclosed in the present invention, the proton conductivity is higher than that of the perfluorosulfonic acid membrane represented by the chemical formula (3), and the operating temperature of the fuel cell is 80 ° C. Even with the above, it becomes possible to produce an oxidation-resistant perfluoroproton conductive membrane that can be used without drying the membrane.
本発明は、ホスホン酸エステル基を含むホスホン酸基及び/又はスルホニルハライド基を含むスルホン酸基が結合したパーフロロフェニレン誘導体であり、好ましくは下記の化学式(1)で示されるパーフロロフェニレン誘導体であるが、F原子の一部がBrやClで置換されていても構わない。
本発明のパーフロロフェニレン誘導体は、tの値が異なるものの混合物であってもよいし、精製して実質的に単一物であっても構わない。tの範囲は通常0〜8であるが、製造の容易さから2〜5の範囲にあることが好ましい。
また、パーフロロフェニレン核に結合したXの種類は、それぞれの内部で独立であって、同一でもよく異なっていてもよい。したがって、Xが全てホスホン酸基又はスルホン酸基であってもよく、またホスホン酸基とスルホン酸基が混在していても構わない。
The perfluorophenylene derivative of the present invention may be a mixture of different t values, or may be substantially a single product after purification. The range of t is usually 0 to 8, but is preferably in the range of 2 to 5 for ease of production.
The types of X bonded to the perfluorophenylene nucleus are independent inside each other, and may be the same or different. Accordingly, all Xs may be phosphonic acid groups or sulfonic acid groups, or phosphonic acid groups and sulfonic acid groups may be mixed.
また上記の化学式(1)において、中間部に存在するt個のパーフロロフェニレン核に結合したXの種類と結合数は、それぞれのフェニレン核で同一でもよく、また異なっていても構わない。上記のパーフロロフェニレン核同士の結合はパラ位で直線状に結合しているのが通常だが、一部メタ位で屈曲して結合していても構わない。 In the above chemical formula (1), the type of X and the number of bonds bonded to t perfluorophenylene nuclei existing in the intermediate part may be the same or different in each phenylene nuclei. The above-mentioned bonds between the perfluorophenylene nuclei are usually linearly bonded at the para position, but may be partially bent and bonded at the meta position.
本発明のパーフロロフェニレン誘導体に含まれる官能基は、必要により当業者には公知の方法で加水分解やイオン交換され、最終的にはホスホン酸基PO(OH)2又はスルホン酸基SO3Hに変換されて、耐酸化性に優れたパーフロロ電解質として機能する。
本発明のパーフロロフェニレン誘導体のEWをホスホン酸基(PO(OH)2 MW=81 価数=2)の場合について例示すると表1のようになる。
The functional group contained in the perfluorophenylene derivative of the present invention is hydrolyzed or ion-exchanged by a method known to those skilled in the art, if necessary, and finally the phosphonic acid group PO (OH) 2 or the sulfonic acid group SO 3 H. It functions as a perfluoroelectrolyte with excellent oxidation resistance.
Table 1 shows an example of the EW of the perfluorophenylene derivative of the present invention in the case of a phosphonic acid group (PO (OH) 2 MW = 81 valence = 2).
また、本発明のパーフロロフェニレン誘導体のEWをスルホン酸基(SO3H MW=81 価数=1)の場合について例示すると表2のようになる。 Table 2 shows an example of the EW of the perfluorophenylene derivative of the present invention in the case of a sulfonic acid group (SO 3 H MW = 81 valence = 1).
パーフロロ電解質であるホスホン酸基PO(OH)2及び/又はスルホン酸基SO3Hが結合した本発明のパーフロロフェニレン誘導体は、一般的には水溶性である。しかし、プロトン伝導膜や電極触媒層に含有させる場合は、燃料電池の運転中に生成する水に溶けて流出しないように、非水溶性であることが必要であり、次の3つの方法(A)〜(C)のいずれかで不溶化を行うことが好ましい。 The perfluorophenylene derivative of the present invention to which a phosphonic acid group PO (OH) 2 and / or a sulfonic acid group SO 3 H as a perfluoroelectrolyte is bonded is generally water-soluble. However, when it is contained in the proton conductive membrane or the electrode catalyst layer, it must be water-insoluble so as not to dissolve in water generated during the operation of the fuel cell and flow out, and the following three methods (A ) To (C) is preferably performed.
(A)EWの選択
本発明のパーフロロフェニレン誘導体から成るパーフロロ電解質は、一概には言えないが、EWが200以上であると非水溶性であることが多い。例えば、C6F5−C6F4−SO3H(EW=396)は非水溶性である。
これに対してC6F5−C6F4−PO(OH)2(EW=198)はわずかに水溶性であるが、更にフェニレン核の数を増やしてEWを高くすると非水溶性になる。
(A) Selection of EW The perfluoroelectrolyte comprising the perfluorophenylene derivative of the present invention cannot be generally described, but if the EW is 200 or more, it is often water-insoluble. For example, C 6 F 5 -C 6 F 4 -SO 3 H (EW = 396) are non-water soluble.
In contrast, C 6 F 5 -C 6 F 4 -PO (OH) 2 (EW = 198) is slightly water-soluble, but it becomes water-insoluble when the number of phenylene nuclei is increased to increase EW. .
得られた非水溶性のパーフロロ電解質は、テトラヒドロフラン,ジオキサン,ジメチルホルムアミド,ジメチルアセトアミド等の極性有機溶媒に溶かし、上記の化学式(3)で示されるパーフロロスルホン酸樹脂の(低級アルコール+水)溶液(例:アルドリッチ社製 EW=1100)と混合して、ガラス繊維不織布や延伸多孔質ポリテトラフロロエチレン膜等の補強材に塗布含浸することで、プロトン伝導膜に成膜可能である。
該プロトン伝導膜は、マトリックスポリマーであるパーフロロスルホン酸樹脂よりもEWが低いパーフロロ電解質を混合するので、EWを900以下にすることが可能である。
The obtained water-insoluble perfluoroelectrolyte was dissolved in a polar organic solvent such as tetrahydrofuran, dioxane, dimethylformamide, dimethylacetamide and the like, and a (lower alcohol + water) solution of perfluorosulfonic acid resin represented by the above chemical formula (3) (Example: EW = 1100 manufactured by Aldrich Co.) and mixed with a reinforcing material such as a glass fiber nonwoven fabric or a stretched porous polytetrafluoroethylene membrane, and can be formed on the proton conducting membrane.
Since the proton conductive membrane is mixed with a perfluoroelectrolyte having a lower EW than that of the perfluorosulfonic acid resin that is a matrix polymer, the EW can be made 900 or less.
(B)ホスホン酸基の多価金属イオン架橋
本発明のパーフロロフェニレン誘導体から成るパーフロロ電解質のうち、水溶性のものを使用する場合は、カルシウムイオン,白金イオン,セリウムイオン,マンガンイオン等の多価金属イオンを該電解質の水溶液に添加して金属イオン架橋を形成し、水に不溶化させることが可能である。この場合、電解質は安定な金属イオン架橋を生じるホスホン酸基を2個以上有することが好ましい。添加する金属塩としては、塩化物,硝酸塩,硫酸塩,酢酸塩等の水溶性塩の中から適宜選択される。
得られた不溶性の金属イオン架橋パーフロロ電解質は、上記の化学式(3)で示されるパーフロロスルホン酸樹脂の(低級アルコール+水)溶液(例:アルドリッチ社製 EW=1100)に添加してホモジナイザーで攪拌し、ガラス繊維不織布や延伸多孔質ポリテトラフロロエチレン膜等の補強材に塗布含浸することで、プロトン伝導膜に成膜可能である。
(B) Polyvalent metal ion cross-linking of phosphonic acid group When using a water-soluble perfluoroelectrolyte composed of the perfluorophenylene derivative of the present invention, calcium ion, platinum ion, cerium ion, manganese ion, etc. A valent metal ion can be added to the aqueous solution of the electrolyte to form a metal ion bridge and insolubilize in water. In this case, the electrolyte preferably has two or more phosphonic acid groups that cause stable metal ion crosslinking. The metal salt to be added is appropriately selected from water-soluble salts such as chlorides, nitrates, sulfates and acetates.
The obtained insoluble metal ion crosslinked perfluoroelectrolyte was added to a (lower alcohol + water) solution of the perfluorosulfonic acid resin represented by the above chemical formula (3) (for example, EW = 1100 manufactured by Aldrich) and homogenizer. It is possible to form a film on the proton conducting membrane by stirring and applying and impregnating a reinforcing material such as a glass fiber nonwoven fabric or a stretched porous polytetrafluoroethylene membrane.
この場合、操作順序を入れ替えて、最初に、ホスホン酸基を2個以上有する水溶性のパーフロロ電解質をパーフロロスルホン酸樹脂の(低級アルコール+水)溶液(例:アルドリッチ社製 EW=1100)に添加し、多価金属イオンの水溶性塩を加えてホモジナイザーで攪拌し、ホスホン酸基の金属イオン架橋を形成させて、ガラス繊維不織布や延伸多孔質ポリテトラフロロエチレン膜等の補強材に塗布含浸して成膜することも可能である。
上記のいずれかの方法で得られるプロトン伝導膜は、マトリックスポリマーであるパーフロロスルホン酸樹脂よりもEWが低いパーフロロ電解質が混合されるので、EWを900以下にすることが可能である。
In this case, the operation order is changed, and first, a water-soluble perfluoroelectrolyte having two or more phosphonic acid groups is converted into a perfluorosulfonic acid resin (lower alcohol + water) solution (eg, EW = 1100 manufactured by Aldrich). Add, add water-soluble salt of polyvalent metal ions, stir with a homogenizer, form metal ion cross-links of phosphonic acid groups, and impregnate into reinforcing materials such as glass fiber nonwoven fabric and stretched porous polytetrafluoroethylene membrane It is also possible to form a film.
The proton conducting membrane obtained by any of the above methods is mixed with a perfluoroelectrolyte having a lower EW than that of the perfluorosulfonic acid resin that is a matrix polymer, so that the EW can be made 900 or less.
(C)スルホン酸基のスルホンイミド基架橋
本発明のパーフロロフェニレン誘導体のスルホン酸基は、当業者には公知の下記の反応でスルホニルフロライド基とスルホンアミド基に変換し、両者をトリアルキルアミン中で反応させてスルホンイミド基架橋を行うことが可能である。
上記の方法でスルホンイミド基架橋したパーフロロフェニレン誘導体は、上記の化学式(3)で示されるパーフロロスルホン酸樹脂の(低級アルコール+水)溶液(例:アルドリッチ社製 EW=1100)と混合して、ガラス繊維不織布や延伸多孔質ポリテトラフロロエチレン膜等の補強材に塗布含浸することでプロトン伝導膜に成膜可能である。
こうして得られるプロトン伝導膜は、マトリックスポリマーであるパーフロロスルホン酸樹脂よりもEWが低いパーフロロ電解質が混合されるので、EWを900以下にすることが可能である。
The perfluorophenylene derivative crosslinked with the sulfonimide group by the above method is mixed with a (lower alcohol + water) solution of the perfluorosulfonic acid resin represented by the chemical formula (3) (for example, EW = 1100 manufactured by Aldrich). Then, a proton conductive membrane can be formed by coating and impregnating a reinforcing material such as a glass fiber nonwoven fabric or a stretched porous polytetrafluoroethylene membrane.
The proton conducting membrane thus obtained is mixed with a perfluoroelectrolyte having a lower EW than that of the perfluorosulfonic acid resin which is a matrix polymer, so that the EW can be made 900 or less.
なお、上記の架橋方法においては、パーフロロフェニレン誘導体にホスホン酸基のみが結合している場合は多価金属イオンによる架橋、またスルホン酸基のみが結合している場合はスルホンイミド基による架橋が適用されるが、ホスホン酸基とスルホン酸基が共存している場合は、どちらの架橋方法も適用可能である。 In the above crosslinking method, when only the phosphonic acid group is bonded to the perfluorophenylene derivative, crosslinking with a polyvalent metal ion is performed, and when only the sulfonic acid group is bonded, crosslinking with a sulfonimide group is performed. Although it is applied, in the case where a phosphonic acid group and a sulfonic acid group coexist, both crosslinking methods are applicable.
上述した(A)〜(C)の方法で水に不溶化した本発明のパーフロロフェニレン誘導体から成るパーフロロ電解質は、パーフロロスルホン酸樹脂の(低級アルコール+水)溶液(例:アルドリッチ社製 EW=1100)を含む触媒インクに添加して膜の表面に塗布することで、膜電極接合体のアノード及び/又はカソードの電極触媒層に該電解質を含有させることができる。
この場合、操作順序を入れ替えて、最初に水溶性のパーフロロフェニレン誘導体から成るパーフロロ電解質をパーフロロスルホン酸樹脂の(低級アルコール+水)溶液(例:アルドリッチ社製 EW=1100)を含む触媒インクに添加し、多価金属イオンの水溶性塩を加えてホスホン酸基の金属イオン架橋を形成させることも可能である。
こうして得られた触媒インクを膜の表面に塗布することで、膜電極接合体のアノード及び/又はカソードの電極触媒層に、本発明のパーフロロ電解質を含有させることができる。
The perfluoroelectrolyte comprising the perfluorophenylene derivative of the present invention insolubilized in water by the methods (A) to (C) described above is a (lower alcohol + water) solution of perfluorosulfonic acid resin (for example, EW = manufactured by Aldrich) 1100) is added to the catalyst ink and applied to the surface of the membrane, whereby the electrolyte can be contained in the electrode catalyst layer of the anode and / or cathode of the membrane electrode assembly.
In this case, the operation order is changed, and first, a catalyst ink containing a perfluoroelectrolyte composed of a water-soluble perfluorophenylene derivative containing a perfluorosulfonic acid resin (lower alcohol + water) solution (eg, EW = 1100 manufactured by Aldrich). It is also possible to add a water-soluble salt of a polyvalent metal ion to form a metal ion bridge of a phosphonic acid group.
The perfluoroelectrolyte of the present invention can be contained in the anode and / or cathode electrode catalyst layer of the membrane electrode assembly by applying the catalyst ink thus obtained to the surface of the membrane.
本発明のパーフロロフェニレン誘導体は、市販されているパーフロロベンゼンC6F6やデカフロロビフェニルC6F5−C6F5、又は上記の非特許文献2,3,4に記載された下記の化学式(2)で示されるパーフロロフェニレン化合物を
反応温度は、使用する有機溶媒の沸点、必要とする反応速度及び副反応の抑制を考慮して適宜選択される。
The perfluorophenylene derivative of the present invention includes commercially available perfluorobenzene C 6 F 6 and decafluorobiphenyl C 6 F 5 -C 6 F 5 , or the following described in
The reaction temperature is appropriately selected in consideration of the boiling point of the organic solvent to be used, the required reaction rate, and suppression of side reactions.
上記の化学式(2)で示されるパーフロロフェニレン化合物オリゴマーは、上記の非特許文献2,3,4に記載されている次のような方法で製造される。
反応溶媒はテトラヒドロフランが好ましく、反応温度は−40〜60℃が通常用いられる。非特許文献2によれば、上記のパーフロロフェニレン化合物オリゴマーの赤外吸収スペクトルは、1475cm−1、970cm−1、710cm−1付近に特徴的なピークを有する。 The reaction solvent is preferably tetrahydrofuran, and the reaction temperature is usually from -40 to 60 ° C. According to Non-Patent Document 2, an infrared absorption spectrum of the above perfluoro phenylene compound oligomers, 1475cm -1, 970cm -1, with characteristic peaks around 710 cm -1.
本発明においては、下記の試薬を用いてホスホン酸基やスルホン酸基あるいはその前駆体が導入される。
・ホスホン酸基の導入試薬(ジアルキル又はジフェニルホスファイトのアルカリ金属塩)
下記に示すように、ジアルキル又はジフェニルホスファイトをテトラヒドロフラン,ジオキサン,ジメチルホルムアミド,ジメチルアセトアミド,スルホラン中で、水素化アルカリ金属と反応させて得られるアルカリ金属塩で、そのままパーフロロベンゼン,デカフロロビフェニル,上記のパーフロロフェニレン化合物との求核的置換反応に用いられる。
-Phosphonic acid group introduction reagent (alkali metal salt of dialkyl or diphenyl phosphite)
As shown below, dialkyl or diphenyl phosphite is an alkali metal salt obtained by reacting dialkyl or diphenyl phosphite with an alkali metal hydride in tetrahydrofuran, dioxane, dimethylformamide, dimethylacetamide, sulfolane, as it is, perfluorobenzene, decafluorobiphenyl, Used in nucleophilic substitution reaction with the above perfluorophenylene compounds.
反応後、ホスホン酸エステル基は下記の公知の方法で加水分解され、ホスホン酸基に変換される。
・スルホン酸基の導入試薬(亜硫酸のアルカリ金属塩Me2SO3)
亜硫酸のアルカリ金属塩Me2SO3(Meはアルカリ金属)とパーフロロベンゼン,デカフロロビフェニル,上記のパーフロロフェニレン化合物との求核的置換反応では、溶解性及び反応性の面からK2SO3を用いることが好ましいが、Na2SO3も使用可能である。
反応後、スルホン酸塩SO3Meは塩酸で酸型SO3Hに変換される。
・ Reagent for introducing sulfonic acid group (alkali metal salt of sulfurous acid Me 2 SO 3 )
In the nucleophilic substitution reaction of an alkali metal salt of sulfurous acid Me 2 SO 3 (Me is an alkali metal) with perfluorobenzene, decafluorobiphenyl, and the above perfluorophenylene compound, K 2 SO is used from the viewpoint of solubility and reactivity. 3 is preferred, but Na 2 SO 3 can also be used.
After the reaction, the sulfonate SO 3 Me is converted to acid type SO 3 H with hydrochloric acid.
こうして得られるスルホン酸基(SO3H又はSO3K)は、PCl5でスルホニルクロライド基SO2Cl、次いでKFでスルホニルフロライド基SO2Fに変換した後、アンモニアと反応させてスルホンアミド基SO2NH2に変換することが可能である。
更に、スルホニルフロライド基とスルホンアミド基を、トリアルキルアミン中、室温〜100℃で反応させて、スルホンイミド基架橋を形成させることが可能である。
The sulfonic acid group (SO 3 H or SO 3 K) thus obtained is converted into a sulfonyl chloride group SO 2 Cl with PCl 5 and then converted into a sulfonyl fluoride group SO 2 F with KF, and then reacted with ammonia to form a sulfonamide group. Conversion to SO 2 NH 2 is possible.
Furthermore, it is possible to react a sulfonyl fluoride group and a sulfonamide group in a trialkylamine at room temperature to 100 ° C. to form a sulfonimide group bridge.
次に実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Examples are shown below, but the present invention is not limited thereto.
200mlのガラス製四口フラスコに100mlのジメチルホルムアミドを入れ、窒素気流中でデカフロロビフェニル6.68g(0.02mol)を添加して分散させた溶液に、K2SO3 4.74g(0.03mol)を撹拌しながら添加し、更に水10gを加えた。油浴を用いて120℃で24時間反応させ、水を加えて生成した沈殿をろ別した。
赤外吸収スペクトルを測定したところ、1452〜1468cm−1、962cm−1、658cm−1にビフェニル基の特性吸収、1230〜1246cm−1にSO2の非対称振動、1067cm−1にSO2の対称振動による強い吸収が見られ(図1参照)、ビフェニル核にスルホン酸塩基SO3Kが結合していることが分かった。
また、ICP−AES(誘導結合プラズマ原子発光スペクトル法)によりS分析を行ったところ8.4%であり、C6F5−C6F4−SO3Kとしての計算値7.4%とほぼ一致した。分析値が計算値より少し大きいのは、KO3S−C6F4−C6F4−SO3Kが副生しているためと推定された。
Put dimethylformamide 100ml glass four-necked flask 200 ml, the solution was dispersed by adding decafluoro biphenyl 6.68 g (0.02 mol) in a stream of nitrogen, K 2 SO 3 4.74g (0 . 03 mol) was added with stirring, and 10 g of water was further added. The reaction was carried out at 120 ° C. for 24 hours using an oil bath, and water was added to precipitate formed by filtration.
It was measured infrared absorption spectrum, 1452~1468cm -1, 962cm -1, characteristic absorption of biphenyl groups 658cm -1, asymmetric vibrations of the SO 2 in 1230~1246cm -1, symmetric vibration of SO 2 to 1067cm -1 (See FIG. 1), it was found that the sulfonate group SO 3 K was bound to the biphenyl nucleus.
The S analysis by ICP-AES (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy) was 8.4%, and the calculated value as C 6 F 5 -C 6 F 4 -SO 3 K was 7.4%. Almost matched. The reason why the analytical value was slightly larger than the calculated value was presumed to be that KO 3 S—C 6 F 4 —C 6 F 4 —SO 3 K was by-produced.
上記のパーフロロスルホン酸塩を塩酸でC6F5−C6F4−SO3H(EW=396、非水溶性)に変えて、2mlのテトラヒドロフランに溶解した。この溶液を、50mlのガラス製容器に入れた5%Nafion溶液(アルドリッチ社製、EW=1100)に、Nafionポリマーに対してC6F5−C6F4−SO3Hが20%になるように添加して、ホモジナイザーで30分間撹拌した。
得られた分散液を、厚さ100ミクロンのガラス繊維不織布(日本バイリーン社製)上に刷毛を用いて塗布し、間隙に含浸させた。この操作を10回繰り返した後、100℃で乾燥させて半透明のスルホン酸化パーフロロフェニレン誘導体を含むパーフロロスルホン酸膜を得た。
該膜のポリマー含浸率は約85%であり、ポリマー部分のEWは混合比率から、EW=1/(0.8/1100+0.2/396)=812であった。
The above perfluorosulfonate was changed to C 6 F 5 -C 6 F 4 —SO 3 H (EW = 396, water-insoluble) with hydrochloric acid and dissolved in 2 ml of tetrahydrofuran. This solution is added to a 5% Nafion solution (manufactured by Aldrich, EW = 1100) in a 50 ml glass container, so that C 6 F 5 -C 6 F 4 -SO 3 H is 20% based on the Nafion polymer. And stirred for 30 minutes with a homogenizer.
The obtained dispersion was applied onto a glass fiber nonwoven fabric (manufactured by Japan Vilene Co., Ltd.) having a thickness of 100 microns using a brush, and the gap was impregnated. This operation was repeated 10 times and then dried at 100 ° C. to obtain a perfluorosulfonic acid film containing a translucent sulfonated perfluorophenylene derivative.
The polymer impregnation rate of the membrane was about 85%, and the EW of the polymer part was EW = 1 / (0.8 / 1100 + 0.2 / 396) = 812 from the mixing ratio.
300mlの四口フラスコに、窒素気流中でマグネシューム片3.8g(0.15mol)、ジブロモエタン0.04g(0.0002mol)とテトラヒドロフラン100mlを仕込み、温度を0〜4℃に保ちながら、ペンタフルオロブロモベンゼン39.1g(0.16mol)をゆっくり撹拌しながら添加した。
生成したグリニヤ試薬に、デカフロロビフェニル5.01g(0.15mol)を50mlのテトラヒドロフランに分散した溶液を撹拌しながら添加した。更に0〜4℃で6時間反応させた後、一晩室温で静置後、反応液に10%硫酸を投入し、未反応のマグネシューム片を溶解させた。沈殿物をろ別した後、メタノールで洗浄した。
乾燥後、電解脱離法質量分析で分析したところ、C6F5−(C6F4)4−C6F5が主成分のパーフロロフェニレン化合物オリゴマー(平均分子量926)が生成していることが判明した。KBrを用いて、該物質の赤外吸収スペクトルを測定したところ、1474cm−1、968cm−1、708cm−1付近に特徴的なピークが現れ、上記の非特許文献2の数値と一致した。
A 300 ml four-necked flask was charged with 3.8 g (0.15 mol) of magnesium pieces, 0.04 g (0.0002 mol) of dibromoethane and 100 ml of tetrahydrofuran in a nitrogen stream, while maintaining the temperature at 0 to 4 ° C. 39.1 g (0.16 mol) of bromobenzene was added with slow stirring.
A solution obtained by dispersing 5.01 g (0.15 mol) of decafluorobiphenyl in 50 ml of tetrahydrofuran was added to the produced Grignard reagent while stirring. Furthermore, after making it react at 0-4 degreeC for 6 hours, after leaving still at room temperature overnight, 10% sulfuric acid was thrown into the reaction liquid, and the unreacted magnet piece was dissolved. The precipitate was filtered off and washed with methanol.
As a result of analysis by electrolytic desorption mass spectrometry after drying, a perfluorophenylene compound oligomer (average molecular weight 926) containing C 6 F 5- (C 6 F 4 ) 4 -C 6 F 5 as a main component is generated. It has been found. With KBr, it was measured infrared absorption spectrum of the substance, 1474cm -1, 968cm -1, a characteristic peak around 708cm -1 appeared, consistent with the above figures Non-Patent Document 2.
200mlのガラス製四口フラスコにジメチルホルムアミド100mlを入れ、窒素気流中でジエチルホスファイト4.65g(0.034mol)を溶解した。この溶液に、リチウムハイドライド0.28g(0.035mol)を撹拌しながら添加し、LiPO(OC2H5)2を得た。この溶液に、上記のオリゴマー10gを撹拌しながら添加した。90℃で20時間反応させ、溶液が透明になった後、水を加えて生成した沈殿をろ別した。
赤外吸収スペクトルを測定したところ、1464cm−1、964cm−1、721cm−1にパーフロロフェニレン基の特性吸収、2991cm−1付近にエチル基、1252〜1273cm−1付近にP=Oの吸収が見られ、パーフロロフェニレン核にホスホン酸エステル基PO(OC2H5)2が結合していることが分かった。
A 200 ml glass four-necked flask was charged with 100 ml of dimethylformamide, and 4.65 g (0.034 mol) of diethyl phosphite was dissolved in a nitrogen stream. To this solution, 0.28 g (0.035 mol) of lithium hydride was added with stirring to obtain LiPO (OC 2 H 5 ) 2 . To this solution, 10 g of the above oligomer was added with stirring. After reacting at 90 ° C. for 20 hours and the solution became transparent, water was added and the resulting precipitate was filtered off.
Was measured infrared absorption spectra, 1464cm -1, 964cm -1, characteristic absorption of perfluoro-phenylene group in 721cm -1, ethyl group near 2991cm -1, the absorption of P = O in the vicinity of 1252~1273Cm -1 It was seen that the phosphonate ester group PO (OC 2 H 5 ) 2 was bonded to the perfluorophenylene nucleus.
この粉末2gにトリメチルシリルブロマイド20gを加えて40〜50℃で16時間反応させ、エステル交換を行った。これに水を加えて加水分解して減圧乾燥し、得られた粉末の赤外吸収スペクトルを測定したところ、エチル基の吸収がなくなり、3400cm−1付近に大きなOHの吸収が現れた。このホスホン酸化パーフロロフェニレン誘導体について、ICP−AESによるPの分析を行なったところ、ホスホン酸基が2個程度結合しており、平均EWを算出するとEW=272という結果が得られ、非水溶性であった。
上記のホスホン酸化パーフロロフェニレン誘導体をテトラヒドロフランに溶解し、実施例1と同様に操作して、ホスホン酸基を含むパーフロロスルホン酸膜を得た。Nafionポリマーに対して、ホスホン酸化パーフロロフェニレン誘導体の混合率は15%であったので、ポリマー部分の平均EWはEW=1/(0.85/1100+0.15/272)=755であった。
20 g of trimethylsilyl bromide was added to 2 g of this powder and reacted at 40 to 50 ° C. for 16 hours to perform transesterification. Water was added thereto for hydrolysis, followed by drying under reduced pressure. When the infrared absorption spectrum of the obtained powder was measured, the absorption of the ethyl group disappeared and a large OH absorption appeared in the vicinity of 3400 cm −1 . When P of this phosphonated perfluorophenylene derivative was analyzed by ICP-AES, about two phosphonic acid groups were bonded, and when the average EW was calculated, a result of EW = 272 was obtained. Met.
The above phosphonated perfluorophenylene derivative was dissolved in tetrahydrofuran and operated in the same manner as in Example 1 to obtain a perfluorosulfonic acid film containing a phosphonic acid group. Since the mixing ratio of the phosphonated perfluorophenylene derivative with respect to the Nafion polymer was 15%, the average EW of the polymer portion was EW = 1 / (0.85 / 1100 + 0.15 / 272) = 755.
200mlの四口フラスコにジメチルアセトアミド100mlを入れ、窒素気流中でジエチルホスファイト6.90g(0.05mol)を溶解した。この溶液に、リチウムハイドライド0.41g(0.051mol)を撹拌しながら添加し約50℃に加温して、LiPO(OC2H5)2を得た。この溶液に、実施例2で得られたオリゴマー4gを撹拌しながら添加した後、更に90℃で20時間反応させ、水を加えて生成した沈殿をろ別した。
赤外吸収スペクトルを測定したところ、1474cm−1、964cm−1、708cm−1にパーフロロフェニレン基の特性吸収、2984cm−1付近にエチル基、1211cm−1付近にP=Oの吸収が見られ(図2参照)、パーフロロフェニレン核にホスホン酸エステル基PO(OC2H5)2が結合していることが分かった。
100 ml of dimethylacetamide was placed in a 200 ml four-necked flask, and 6.90 g (0.05 mol) of diethyl phosphite was dissolved in a nitrogen stream. To this solution, 0.41 g (0.051 mol) of lithium hydride was added with stirring and heated to about 50 ° C. to obtain LiPO (OC 2 H 5 ) 2 . To this solution, 4 g of the oligomer obtained in Example 2 was added with stirring, and the mixture was further reacted at 90 ° C. for 20 hours, and water was added to precipitate formed.
It was measured infrared absorption spectra, 1474cm -1, 964cm -1, characteristic absorption of perfluoro-phenylene group in 708cm -1, ethyl group near 2984cm -1, the absorption of P = O in the vicinity of 1211cm -1 observed (See FIG. 2), it was found that the phosphonate ester group PO (OC 2 H 5 ) 2 was bonded to the perfluorophenylene nucleus.
この粉末2gにトリメチルシリルブロマイド20gを加えて40〜50℃で32時間反応させ、エステル交換を行った。これに水を加えて加水分解して減圧乾燥し、得られた粉末の赤外吸収スペクトルを測定したところ、エチル基の吸収がなくなり、3400cm−1付近に大きなOHの吸収が現れ、また1472cm−1、968cm−1、708cm−1にパーフロロフェニレン基の特性吸収、1234cm−1にP=Oの吸収が現れた(図3参照)。このホスホン酸化パーフロロフェニレン誘導体について、ICP−AESによるPの分析を行ったところ、ホスホン酸基が4〜5個結合しており、平均EWを算出するとEW=130という結果が得られ、水溶性であった。 20 g of trimethylsilyl bromide was added to 2 g of this powder and reacted at 40 to 50 ° C. for 32 hours to perform transesterification. Water was added thereto for hydrolysis, followed by drying under reduced pressure. When the infrared absorption spectrum of the obtained powder was measured, the absorption of the ethyl group disappeared, and a large OH absorption appeared in the vicinity of 3400 cm −1 , and 1472 cm − 1, 968cm -1, characteristic absorption of perfluoro-phenylene group in 708cm -1, the absorption of P = O in 1234Cm -1 appeared (see FIG. 3). When P of this phosphonated perfluorophenylene derivative was analyzed by ICP-AES, 4 to 5 phosphonic acid groups were bonded, and when the average EW was calculated, a result of EW = 130 was obtained. Met.
上記のホスホン酸化パーフロロフェニレン誘導体500mgを水20mlに溶かした溶液を50mlのビーカーに入れ、これに塩化セリウム7水和物CeCl37H2O 100mgを水10mlに溶かした溶液を入れて攪拌し、生じた沈殿を濾過、乾燥して、Ceイオンで架橋されたホスホン酸化パーフロロフェニレン誘導体を得た。
これを瑪瑙鉢ですり潰し、Nafionポリマーに対してフェニレン誘導体が10%になるように、50mlのガラス製容器に入れた5%Nafion溶液(アルドリッチ社製、EW=1100)に添加して、ホモジナイザーで30分間撹拌した。得られた分散液を、厚さ100ミクロンのガラス繊維不織布(日本バイリーン社製)上に刷毛を用いて塗布し、間隙に含浸させた。この操作を10回繰り返した後、100℃で乾燥させてCeイオン架橋ホスホン酸化パーフロロフェニレン誘導体を含むパーフロロスルホン酸膜を得た。
A solution of 500 mg of the above phosphonated perfluorophenylene derivative dissolved in 20 ml of water was placed in a 50 ml beaker, and a solution of 100 mg of cerium chloride heptahydrate CeCl 3 7H 2 O dissolved in 10 ml of water was added thereto and stirred. The resulting precipitate was filtered and dried to obtain a phosphonated perfluorophenylene derivative crosslinked with Ce ions.
This is ground in a mortar and added to a 5% Nafion solution (Aldrich, EW = 1100) in a 50 ml glass container so that the phenylene derivative is 10% with respect to the Nafion polymer. Stir for 30 minutes. The obtained dispersion was applied onto a glass fiber nonwoven fabric (manufactured by Japan Vilene Co., Ltd.) having a thickness of 100 microns using a brush, and the gap was impregnated. This operation was repeated 10 times, and then dried at 100 ° C. to obtain a perfluorosulfonic acid membrane containing a Ce ion crosslinked phosphonated perfluorophenylene derivative.
実施例3において、ホスホン酸化パーフロロフェニレン誘導体の3%水溶液を、Nafionポリマーに対してフェニレン誘導体が10%になるように、50mlのガラス製容器に入れた5%Nafion溶液(アルドリッチ社製、EW=1100)に添加して、ホモジナイザーで30分間撹拌した。この溶液に、攪拌しながら塩化セリウム7水和物CeCl37H2Oの1%水溶液を添加して、Ceイオンでホスホン酸を架橋した。
得られた分散液を、厚さ100ミクロンのガラス繊維不織布(日本バイリーン社製)上に刷毛を用いて塗布し、間隙に含浸させた。この操作を10回繰り返した後、100℃で乾燥させてCeイオン架橋ホスホン酸化パーフロロフェニレン誘導体を含むパーフロロスルホン酸膜を得た。Nafionポリマーに対して、ホスホン酸化パーフロロフェニレン誘導体の混合率は10%であったので、ポリマー部分のEWはEW=1/(0.90/1100+0.10/130)=629であった。
In Example 3, a 3% aqueous solution of a phosphonated perfluorophenylene derivative was placed in a 50 ml glass container so that the phenylene derivative was 10% with respect to the Nafion polymer. = 1100) and stirred with a homogenizer for 30 minutes. To this solution, a 1% aqueous solution of cerium chloride heptahydrate CeCl 3 7H 2 O was added with stirring to crosslink the phosphonic acid with Ce ions.
The obtained dispersion was applied onto a glass fiber nonwoven fabric (manufactured by Japan Vilene Co., Ltd.) having a thickness of 100 microns using a brush, and the gap was impregnated. This operation was repeated 10 times, and then dried at 100 ° C. to obtain a perfluorosulfonic acid membrane containing a Ce ion crosslinked phosphonated perfluorophenylene derivative. Since the mixing ratio of the phosphonated perfluorophenylene derivative with respect to the Nafion polymer was 10%, the EW of the polymer portion was EW = 1 / (0.90 / 1100 + 0.10 / 130) = 629.
実施例2において、パーフロロフェニレン化合物オリゴマーの代わりにデカフロロビフェニルを用い、LiPO(OC2H5)2の仕込みモル比を1:1にした以外は同様に操作して、C6F5−C6F4−PO(OH)2を得た。該ホスホン酸化フェニレン誘導体のEWは198であり、わずかに水溶性であった。 In Example 2, using decafluoro biphenyl in place of perfluoro phenylene compound oligomers, LiPO (OC 2 H 5) 2 in molar ratio 1: using the same method except that the 1, C 6 F 5 - to obtain a C 6 F 4 -PO (OH) 2. The EW of the phosphonated phenylene derivative was 198 and was slightly water-soluble.
実施例1において、デカフロロビフェニルの代わりに実施例2で得られたパーフロロフェニレン化合物オリゴマーを用い、K2SO3の仕込みモル比を原料の3倍にした以外は同様に操作して、SO3Kが3個程度結合したスルホン酸化パーフロロフェニレン誘導体を得た。 In Example 1, the perfluorophenylene compound oligomer obtained in Example 2 was used instead of decafluorobiphenyl, and the same operation was carried out except that the charged molar ratio of K 2 SO 3 was 3 times that of the raw material. A sulfonated perfluorophenylene derivative having about 3 3 K bonded thereto was obtained.
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