JP2010015960A - Electrolyte film for fuel cell - Google Patents

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Tetsuya Samura
徹也 佐村
Hiroshi Tabata
洋 田畑
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KYC SOLUTIONS CO Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer membrane having excellent proton conductivity and excellent mechanical strength as an electrolyte film suitable for fuel cell. <P>SOLUTION: The electrolyte film for fuel cell includes a sulfonic group-containing aromatic polyurea resin manufactured from a raw material component including (a) a polyisocyanate; (b) an aromatic ring-containing polyamine having an amine value of 30-120, represented by the formula (1); and (c) a sulfonating agent. In the formula, R<SP>1</SP>represents a polyalkylene polyether, polyalkylene polyester or polyalkylene, A represents an oxygen atom or imino group, and m represents an integer of 1-3. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用電解質膜に関する。詳しくはスルホン酸基を有するポリウレア樹脂からなる燃料電池用イオン伝導性高分子膜に関する。  The present invention relates to an electrolyte membrane for a fuel cell. Specifically, the present invention relates to an ion conductive polymer membrane for a fuel cell made of a polyurea resin having a sulfonic acid group.

最近の環境問題の点から、クリーンエネルギーの普及・開発が全世界的に大きな課題となっている。低公害、高効率という観点から、燃料電池がその1つとして注目されている。燃料電池とは、水素やメタノール等の燃料を酸素または空気を用いて電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出すものである。燃料電池には、電解液の種類によって、アルカリ形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体電解質形、固体高分子形等、いろいろなタイプの燃料電池があるが、低温で稼動でき、扱い易く、且つ出力密度の高い固体高分子形が電気自動車や家庭等のエネルギー源として注目を集めている。これらの固体高分子形の燃料電池の電解質膜としてはプロトン伝導膜が用いられる。このようなプロトン伝導性高分子電解質膜としては、超強酸基含有フッ素系高分子及び炭化水素系高分子が知られている。これらの高分子電解質膜は出来るだけ薄くすることによって、燃料電池内の内部抵抗を低減できるため高電流で操作でき、そのため燃料電池の小型化が可能である。しかし、前記超強酸基含有フッ素系高分子からなる電解質膜は、膜の強度、特に引き裂き強度が弱いために薄膜化に限界があった。また、炭化水素系高分子からなる電解質膜は比較的安価ではあるが、伝導性や強度、特に引き裂き強度に問題があった。最近では、スルホン酸基を有するポリアミド膜(特許文献1参照)や、スルホン酸基を有するポリイミド膜(特許文献2参照)なども提案されている。しかし、これらの電解質膜であってもやはり強度、特に引き裂き強度に難点があり、従来の電解質膜よりも薄くすることは出来なかった。
特開2002−280019号公報 特開2002−358978号公報
In view of recent environmental issues, the spread and development of clean energy has become a major issue worldwide. From the viewpoint of low pollution and high efficiency, fuel cells are attracting attention as one of them. A fuel cell is one that converts chemical energy of fuel into electrical energy and extracts it by electrochemically oxidizing a fuel such as hydrogen or methanol using oxygen or air. There are various types of fuel cells, such as alkaline type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, and solid polymer type, depending on the type of electrolyte, but they can operate at low temperatures and are easy to handle. In addition, solid polymer forms with high output density are attracting attention as energy sources for electric vehicles and homes. A proton conductive membrane is used as the electrolyte membrane of these polymer electrolyte fuel cells. As such proton conductive polymer electrolyte membranes, super strong acid group-containing fluorine-based polymers and hydrocarbon-based polymers are known. By making these polymer electrolyte membranes as thin as possible, the internal resistance in the fuel cell can be reduced, so that the polymer electrolyte membrane can be operated at a high current, and thus the fuel cell can be miniaturized. However, the electrolyte membrane made of the super strong acid group-containing fluoropolymer has a limitation in thinning because the strength of the membrane, particularly the tear strength, is weak. In addition, an electrolyte membrane made of a hydrocarbon polymer is relatively inexpensive, but has a problem with conductivity and strength, particularly tear strength. Recently, a polyamide film having a sulfonic acid group (see Patent Document 1) and a polyimide film having a sulfonic acid group (see Patent Document 2) have also been proposed. However, even these electrolyte membranes still have problems in strength, particularly tear strength, and cannot be made thinner than conventional electrolyte membranes.
JP 2002-280019 A JP 2002-358978 A

本発明の目的は、燃料電池用に適した電解質膜として、優れたプロトン伝導性及び引き裂き強度を有する高分子膜を提供することである。  An object of the present invention is to provide a polymer membrane having excellent proton conductivity and tear strength as an electrolyte membrane suitable for a fuel cell.

本発明者らは、上記問題を解決すべく鋭意検討した結果、本発明に到達した。すなわち本発明は、ポリイソシアネート(a)、一般式(1)で示される30〜120のアミン価を有する芳香環含有ポリアミン(b)[以下において、芳香環含有ポリアミン(b)又は単に(b)と表記することがある]及びスルホン化剤(c)を含む原料成分から製造されるスルホン酸基含有芳香族ポリウレア樹脂から構成される燃料電池用電解質膜である。

Figure 2010015960
式中、Rはポリアルキレン、ポリアルキレンポリエーテル又はポリアルキレンポリエステルを表し、Aは酸素原子またはイミノ基を表す。またmは1〜3の整数を表す。The inventors of the present invention have arrived at the present invention as a result of intensive studies to solve the above problems. That is, the present invention provides a polyisocyanate (a), an aromatic ring-containing polyamine (b) having an amine number of 30 to 120 represented by the general formula (1) [in the following, an aromatic ring-containing polyamine (b) or simply (b) And a sulfonic acid group-containing aromatic polyurea resin produced from a raw material component containing a sulfonating agent (c).
Figure 2010015960
In the formula, R 1 represents a polyalkylene, a polyalkylene polyether, or a polyalkylene polyester, and A represents an oxygen atom or an imino group. M represents an integer of 1 to 3.

本発明の燃料電池用電解質膜は、従来よりも機械的強度に優れており、従来よりも薄い膜厚の電解質膜を形成できるので、優れたプロトン伝導性を示し、燃料電池の小型化に貢献する。  The electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention is superior in mechanical strength than the conventional one, and can form an electrolyte membrane with a thinner film thickness than the conventional one, thus showing excellent proton conductivity and contributing to the miniaturization of the fuel cell. To do.

本発明におけるスルホン酸基含有芳香族ポリウレア樹脂の原料成分であるポリイソシアネート(a)としては、通常のものが使用でき、芳香族ポリイソシアネート、脂肪族ポリイソシアネート、脂環式ポリイソシアネート及び芳香脂肪族ポリイソシアネートが挙げられる。  As the polyisocyanate (a) which is a raw material component of the sulfonic acid group-containing aromatic polyurea resin in the present invention, ordinary ones can be used, and aromatic polyisocyanates, aliphatic polyisocyanates, alicyclic polyisocyanates and araliphatics. A polyisocyanate is mentioned.

芳香族ポリイソシアネートとしては、1,3−及び/又は1,4−フェニレンジイソシアネート、2,4−及び/又は2,6−トリレンジイソシアネート(以下、TDIと略記する)、4,4’−及び/又は2,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(以下、MDIと略記する)、1,5−ナフタレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート並びにこれらの誘導体が挙げられる。  Aromatic polyisocyanates include 1,3- and / or 1,4-phenylene diisocyanate, 2,4- and / or 2,6-tolylene diisocyanate (hereinafter abbreviated as TDI), 4,4'- and And / or 2,4′-diphenylmethane diisocyanate (hereinafter abbreviated as MDI), 1,5-naphthalene diisocyanate, xylylene diisocyanate, and derivatives thereof.

脂肪族ポリイソシアネートとしては、テトラメチレンジイソシアネート及びヘキサメチレンジイソシアネート等;脂環式ポリイソシアネートとしては、イソホロンジイソシアネート(以下、IPDIと略記する)、4,4−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート及びメチルシクロヘキシレンジイソシアネート等;芳香脂肪族ポリイソシアネートとしては、m−及び/又はp−キシリレンジイソシアネート並びにα,α,α’,α’−テトラメチルキシリレンジイソシアネート等;が挙げられる。  Examples of the aliphatic polyisocyanate include tetramethylene diisocyanate and hexamethylene diisocyanate; examples of the alicyclic polyisocyanate include isophorone diisocyanate (hereinafter abbreviated as IPDI), 4,4-dicyclohexylmethane diisocyanate, and methylcyclohexylene diisocyanate; Examples of the aliphatic polyisocyanate include m- and / or p-xylylene diisocyanate and α, α, α ′, α′-tetramethylxylylene diisocyanate.

ポリイソシアネート(a)のうち好ましいのは芳香族ポリイソシアネート、さらに好ましいのはMDI及びその誘導体である。  Of the polyisocyanates (a), preferred are aromatic polyisocyanates, and more preferred are MDI and derivatives thereof.

原料成分の一つである芳香環含有ポリアミン(b)を表す一般式(1)において、Rで表される基のうちのポリアルキレンポリエーテルとしては、エチレンオキシド、プロピレンオキシド及び/又はテトラヒドロフラン等の開環重合によって得られるポリプロピレンエーテルグリコール、テトラメチレンエーテルグリコール等のポリアルキレンエーテルグリコールから水酸基を除いた残基が挙げられる。In the general formula (1) representing the aromatic ring-containing polyamine (b) which is one of the raw material components, the polyalkylene polyether in the group represented by R 1 includes ethylene oxide, propylene oxide and / or tetrahydrofuran. Examples thereof include residues obtained by removing hydroxyl groups from polyalkylene ether glycols such as polypropylene ether glycol and tetramethylene ether glycol obtained by ring-opening polymerization.

で表される基のうちのポリアルキレンポリエステルとしては、脂肪族グリコールをジカルボン酸と縮合し、鎖延長させて得られるポリエチレンアジペート及びポリプロピレンアジペート等の脂肪族ポリエステルグリコール、並びにε−カプロラクトンの開環重合によって得られるポリエステルグリコール等から水酸基を除いた残基が挙げられる。Rで表される基のうちのポリアルキレンとしては、ポリブタジエングリコールから末端水酸基を除いた残基等が挙げられる。Examples of the polyalkylene polyester in the group represented by R 1 include aliphatic polyester glycols such as polyethylene adipate and polypropylene adipate obtained by condensing an aliphatic glycol with a dicarboxylic acid and extending the chain, and the opening of ε-caprolactone. Examples thereof include a residue obtained by removing a hydroxyl group from polyester glycol or the like obtained by ring polymerization. Examples of the polyalkylene in the group represented by R 1 include a residue obtained by removing a terminal hydroxyl group from polybutadiene glycol.

一般式(1)におけるAのうち好ましいのは酸素原子である。mは1〜3の整数であり、好ましくは1である。  Of A in the general formula (1), an oxygen atom is preferable. m is an integer of 1 to 3, and preferably 1.

芳香環含有ポリアミン(b)は、30〜120のアミン価、好ましくは40〜90のアミン価を有する。アミン価が30未満では機械的強度が不十分であり、120を超えると引張強度が低下する。  The aromatic ring-containing polyamine (b) has an amine value of 30 to 120, preferably 40 to 90. If the amine value is less than 30, the mechanical strength is insufficient, and if it exceeds 120, the tensile strength decreases.

芳香環含有ポリアミン(b)の具体例としては、ポリエチレングリコールビス(4−アミノベンゾエート)、ポリエチレングリコールビス(2−アミノベンゾエート)、ポリエチレングリコールビス(3−アミノベンゾエート)、ポリテトラメチレングリコールビス(4−アミノベンゾエート)、ポリテトラメチレングリコールビス(2−アミノベンゾエート)、ポリプロピレングリコールビス(4−アミノベンゾエート)、ポリプロピレングリコールビス(2−アミノベンゾエート)、ポリ(オキシエチレン−オキシプロピレン)グリコールビス(4−アミノベンゾエート)、ポリオキシブチレングリコールビス(4−アミノベンゾエート)、ポリテトラメチレングリコールビス(3,5−ジアミノベンゾエート)、ポリプロピレンエーテルグリセロールトリス(4−アミノベンゾエート)、ポリプロピレンエーテルペンタエリスリトールテトラキス(4−アミノベンゾエート)、ポリオキシエチレンビス(4−アミノベンズアミド)、ポリオキシプロピレンビス(4−アミノベンズアミド)、ポリオキシプロピレンビス(3,5−ジアミノベンズアミド)、ポリオキシプロピレンエーテルグリセロールトリス(4−アミノベンズアミド)等を例示することができる。これらのうち好ましいのはポリテトラメチレングリコールビス(4−アミノベンゾエート)であり、市販品としては、「エラストマー1000」(イハラケミカル(株)製)がある。  Specific examples of the aromatic ring-containing polyamine (b) include polyethylene glycol bis (4-aminobenzoate), polyethylene glycol bis (2-aminobenzoate), polyethylene glycol bis (3-aminobenzoate), polytetramethylene glycol bis (4 -Aminobenzoate), polytetramethylene glycol bis (2-aminobenzoate), polypropylene glycol bis (4-aminobenzoate), polypropylene glycol bis (2-aminobenzoate), poly (oxyethylene-oxypropylene) glycol bis (4- Aminobenzoate), polyoxybutylene glycol bis (4-aminobenzoate), polytetramethylene glycol bis (3,5-diaminobenzoate), polypropylene ether Glycerol tris (4-aminobenzoate), polypropylene ether pentaerythritol tetrakis (4-aminobenzoate), polyoxyethylene bis (4-aminobenzamide), polyoxypropylene bis (4-aminobenzamide), polyoxypropylene bis (3 5-diaminobenzamide), polyoxypropylene ether glycerol tris (4-aminobenzamide), and the like. Among these, polytetramethylene glycol bis (4-aminobenzoate) is preferable, and “Elastomer 1000” (manufactured by Ihara Chemical Co., Ltd.) is a commercially available product.

本発明におけるスルホン化剤(c)は、ポリウレア樹脂中にスルホン酸基を導入することができる化合物であり、例えばクロルスルホン酸(c1)、サルトン(c2)、アミノスルホン酸(c3)及びスルホン酸基含有ポリアミン(c4)等が挙げられるが、これらについては後述の製造方法において詳述する。  The sulfonating agent (c) in the present invention is a compound capable of introducing a sulfonic acid group into the polyurea resin. For example, chlorosulfonic acid (c1), sultone (c2), aminosulfonic acid (c3) and sulfonic acid Examples thereof include group-containing polyamine (c4), which will be described in detail in the production method described later.

本発明におけるスルホン酸基含有芳香族ポリウレア樹脂の製造法としては、以下の製造法(1)及び製造法(2)が挙げられる。  Examples of the method for producing a sulfonic acid group-containing aromatic polyurea resin in the present invention include the following production method (1) and production method (2).

製造法(1):
ポリイソシアネート(a)、芳香環含有ポリアミン(b)及び必要により鎖延長剤を用いてワンショット法又はプレポリマー法により、芳香族ポリウレア樹脂を製造し、その後スルホン酸基を導入する方法。
Production method (1):
A method in which an aromatic polyurea resin is produced by a one-shot method or a prepolymer method using a polyisocyanate (a), an aromatic ring-containing polyamine (b), and, if necessary, a chain extender, and then a sulfonic acid group is introduced.

前記製造法(1)としては、以下の3種の製造法が挙げられる。
(1−1)芳香族ポリウレア樹脂中の芳香環をクロルスルホン酸(c1)でスルホン化する方法。
(1−2)芳香族ポリウレア樹脂中の活性水素原子をサルトン(c2)でスルホン化する方法。
(1−3)芳香族ポリウレア樹脂中の活性水素原子とアミノスルホン酸(c3)をジイソシアネートでジョイントさせて末端にスルホン酸基を導入する方法。
Examples of the production method (1) include the following three production methods.
(1-1) A method in which an aromatic ring in an aromatic polyurea resin is sulfonated with chlorosulfonic acid (c1).
(1-2) A method of sulfonating active hydrogen atoms in an aromatic polyurea resin with sultone (c2).
(1-3) A method in which an active hydrogen atom in an aromatic polyurea resin and aminosulfonic acid (c3) are jointed with diisocyanate to introduce a sulfonic acid group at the terminal.

製造法(2):
ポリイソシアネート(a)及び芳香環含有ポリアミン(b)を用いてプレポリマーを製造し、鎖延長剤としてスルホン酸基含有ポリアミン(c4)を使用してスルホン酸基を導入する方法。
Production method (2):
A method of producing a prepolymer using a polyisocyanate (a) and an aromatic ring-containing polyamine (b), and introducing a sulfonic acid group using the sulfonic acid group-containing polyamine (c4) as a chain extender.

前記製造法のうち好ましいのは、スルホン酸基当量(スルホン酸基1個当たりの分子量、以下EWと略記する)の観点から製造法(1)のうちの(1−1)及び(1−3)並びに製造法(2)であり、さらに好ましいのは膜の引き裂き強度の観点から製造法(2)である。  Among the above production methods, (1-1) and (1-3) among the production methods (1) are preferable from the viewpoint of sulfonic acid group equivalent (molecular weight per sulfonic acid group, hereinafter abbreviated as EW). ) And production method (2), and more preferred is production method (2) from the viewpoint of the tear strength of the film.

製造法(1)のうちのワンショット法は、芳香環含有ポリアミン(b)を予め有機溶媒に溶解しておき、ポリイソシアネート(a)を加えて、室温〜80℃で、1〜10時間反応させて行うことができる。必要によりウレタン化触媒を使用してもよく、触媒としては有機錫化合物又は第3級アミン等が使用できる。有機溶媒としては、イソシアネート基と実質的に非反応性の有機溶剤が挙げられ、ジメチルフォルムアミド(以下、DMFと略記する)、ジメチルアセトアミド、テトラヒドロフラン(以下、THFと略記する)、ジオキサン、N−メチルピロリドン、トルエン及び酢酸アルキルエステル等が挙げられる。  In the production method (1), the one-shot method is prepared by dissolving the aromatic ring-containing polyamine (b) in an organic solvent in advance, adding the polyisocyanate (a), and reacting at room temperature to 80 ° C. for 1 to 10 hours. Can be done. If necessary, a urethanization catalyst may be used. As the catalyst, an organic tin compound, a tertiary amine or the like can be used. Examples of the organic solvent include organic solvents that are substantially non-reactive with isocyanate groups, such as dimethylformamide (hereinafter abbreviated as DMF), dimethylacetamide, tetrahydrofuran (hereinafter abbreviated as THF), dioxane, N- Examples include methyl pyrrolidone, toluene, and alkyl acetate.

製造法(1)のうちのプレポリマー法におけるプレポリマーは、ポリイソシアネート(a)と芳香環含有ポリアミン(b)を、イソシアネート基/アミノ基の当量比が通常2.01〜2.5、好ましくは2.02〜2.1となる割合で反応させることにより製造される。プレポリマーの製造は、通常20℃〜80℃、好ましくは20℃〜60℃の反応で行われ、反応時間は通常2〜10時間である。プレポリマーの製造はイソシアネート基と実質的に非反応性の前記有機溶剤の存在下又は非存在下で行うことができる。プレポリマーは通常1〜10重量%の遊離イソシアネート基含量を有する。  The prepolymer in the prepolymer method of the production method (1) is a polyisocyanate (a) and an aromatic ring-containing polyamine (b), and the isocyanate group / amino group equivalent ratio is usually 2.01 to 2.5, preferably Is produced by reacting at a ratio of 2.02 to 2.1. The production of the prepolymer is usually carried out by a reaction at 20 ° C. to 80 ° C., preferably 20 ° C. to 60 ° C., and the reaction time is usually 2 to 10 hours. The prepolymer can be produced in the presence or absence of the organic solvent substantially nonreactive with isocyanate groups. The prepolymer usually has a free isocyanate group content of 1 to 10% by weight.

プレポリマー法における鎖延長剤としては、分子中に2個のアミノ基又は水酸基を含有する化合物、例えば、前記一般式(1)と同様の式で表される芳香環含有ポリアミンのうちのアミン価が200〜300のもの{例えば、アミン価が200〜300のポリテトラメチレングリコールビス(4−アミノベンゾエート)等}、3,3’−ジクロロ−4,4’−ジアミノジフェニルメタン(以下、MOCAと略記する)、トリメチレン−ビス(4−アミノベンゾエート)、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]プロパン(以下、BAPPと略記する)、ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]スルフォン、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン及び9,9’−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン等が挙げられる。鎖延長剤のうち、引き裂き強度の観点から好ましいのは、アミン価が200〜300のポリテトラメチレングリコールビス(4−アミノベンゾエート)、MOCA及びBAPPである。  As a chain extender in the prepolymer method, an amine value of a compound containing two amino groups or hydroxyl groups in the molecule, for example, an aromatic ring-containing polyamine represented by the same formula as the general formula (1) is used. Of 200-300 {for example, polytetramethylene glycol bis (4-aminobenzoate) having an amine value of 200-300}, 3,3′-dichloro-4,4′-diaminodiphenylmethane (hereinafter abbreviated as MOCA) ), Trimethylene-bis (4-aminobenzoate), 4,4′-diaminodiphenyl ether, 2,2-bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] propane (hereinafter abbreviated as BAPP), bis [4 -(4-aminophenoxy) phenyl] sulfone, 1,3-bis (4-aminophenoxy) benzene and 9,9'-bi (4-aminophenyl) fluorene, and the like. Of the chain extenders, polytetramethylene glycol bis (4-aminobenzoate) having an amine value of 200 to 300, MOCA and BAPP are preferable from the viewpoint of tear strength.

鎖延長反応は、プレポリマーのイソシアネート基/アミノ基の当量比が通常0.8〜1.3、好ましくは0.9〜1.2、反応温度は通常20℃〜80℃、好ましくは20℃〜60℃の反応で行われ、反応時間は通常2〜10時間である。  In the chain extension reaction, the isocyanate group / amino group equivalent ratio of the prepolymer is usually 0.8 to 1.3, preferably 0.9 to 1.2, and the reaction temperature is usually 20 ° C to 80 ° C, preferably 20 ° C. The reaction is carried out at ˜60 ° C., and the reaction time is usually 2 to 10 hours.

前記製造法(1−1)のスルホン化反応は、ポリウレア樹脂の有機溶媒溶液に、0〜50℃で、クロルスルホン酸(c1)を徐々に滴下して行うことができる。クロルスルホン酸(c1)の仕込みモル数は、ポリウレア樹脂中の芳香環のモル数1に対して好ましくは0.5〜2である。  The sulfonation reaction of the production method (1-1) can be performed by gradually dropping chlorosulfonic acid (c1) into an organic solvent solution of polyurea resin at 0 to 50 ° C. The number of moles of chlorosulfonic acid (c1) charged is preferably 0.5 to 2 with respect to the number of moles 1 of the aromatic ring in the polyurea resin.

前記製造法(1−2)のスルホン化反応は、ポリウレア樹脂の有機溶媒溶液に水素化ナトリウム等を加えて、−10〜10℃で活性水素原子をナトリウムに置換した後、サルトン(c2)と−5〜70℃で1〜5時間反応させてスルホン化し、スルホン化ナトリウム塩を得て、さらに酸(塩酸等)を加えてスルホン酸を得ることができる。ポリウレア樹脂中の活性水素原子としては、ウレア基及びウレタン基等の活性水素原子が挙げられる。サルトン(c2)としては1,3−プロパンサルトン等が挙げられる。  In the sulfonation reaction of the production method (1-2), sodium hydride or the like is added to an organic solvent solution of a polyurea resin, and the active hydrogen atom is replaced with sodium at −10 to 10 ° C., and then sultone (c2) and Sulfonation is carried out by reacting at -5 to 70 ° C for 1 to 5 hours to obtain a sulfonated sodium salt, and a sulfonic acid can be obtained by adding an acid (such as hydrochloric acid). Examples of active hydrogen atoms in the polyurea resin include active hydrogen atoms such as urea groups and urethane groups. Examples of sultone (c2) include 1,3-propane sultone.

前記製造法(1−3)のスルホン化反応に使用できるアミノスルホン酸(c3)としては、アルキレン基の炭素数1〜6のアミノアルキレンスルホン酸、例えばアミノメチレンスルホン酸(以下、AMSと略記する)、アミノエチレンスルホン酸(タウリン)及びアミノプロピレンスルホン酸等が挙げられ、AMSが好ましい。これらは使用前に予め第3級アミンで中和して塩にして使用するのが好ましい。第3級アミンとしては1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデセン−7(以下、DBUと略記する)や1,5−ジアザビシクロ[4.3.0]ノネン−7等が挙げられる。また、ジイソシアネートとしては、前記ポリイソシアネート(a)として例示したもののうちのジイソシアネートが挙げられ、好ましいのは脂肪族又は脂環式ジイソシアネートである。スルホン化反応は、ポリウレア樹脂の有機溶媒溶液中にアミノスルホン酸塩とジイソシアネートを加えて、50〜130℃で1〜10時間反応させ、さらに酸(塩酸等)を加えてスルホン酸を得ることができる。ポリウレア樹脂中の活性水素原子の当量数/ジイソシアネートのNCO基の当量数/アミノスルホン酸のNH基の当量数は、好ましくは1/0.5〜1/0.5〜1である。必要によりウレタン化触媒を使用してもよく、触媒としては有機錫化合物又は第3級アミン等が使用できる。The aminosulfonic acid (c3) that can be used in the sulfonation reaction of the production method (1-3) is an aminoalkylenesulfonic acid having 1 to 6 carbon atoms of an alkylene group, such as aminomethylenesulfonic acid (hereinafter abbreviated as AMS). ), Aminoethylenesulfonic acid (taurine), aminopropylenesulfonic acid and the like, and AMS is preferred. These are preferably neutralized with a tertiary amine before use to form a salt. Examples of the tertiary amine include 1,8-diazabicyclo [5.4.0] undecene-7 (hereinafter abbreviated as DBU) and 1,5-diazabicyclo [4.3.0] nonene-7. Moreover, as a diisocyanate, the diisocyanate of what was illustrated as said polyisocyanate (a) is mentioned, An aliphatic or alicyclic diisocyanate is preferable. In the sulfonation reaction, aminosulfonic acid salt and diisocyanate are added to an organic solvent solution of polyurea resin and reacted at 50 to 130 ° C. for 1 to 10 hours, and an acid (hydrochloric acid or the like) is further added to obtain sulfonic acid. it can. The number of equivalents of active hydrogen atoms in the polyurea resin / number of equivalents of NCO group of diisocyanate / number of equivalents of NH 2 group of aminosulfonic acid is preferably 1 / 0.5 to 1 / 0.5 to 1. If necessary, a urethanization catalyst may be used. As the catalyst, an organic tin compound, a tertiary amine or the like can be used.

前記製造法(2)は、前記製造法(1)におけるプレポリマーの製造法と同様にして得られたプレポリマーと、鎖延長剤としてのスルホン酸基含有ポリアミン(c4)を反応させる方法である。スルホン酸基含有ポリアミン(c4)としては、2,2’−ベンジジンジスルホン酸(以下、BDSと略記する)等が挙げられる。これらは使用前に予め第3級アミンで中和して塩にして使用するのが好ましい。第3級アミンとしてはDBUや1,5−ジアザビシクロ[4.3.0]ノネン−7等が挙げられる。鎖延長反応は、プレポリマーのイソシアネート基/アミノ基の当量比が通常0.8〜1.3、好ましくは0.9〜1.2、反応温度は通常20℃〜80℃、好ましくは20℃〜60℃の反応で行われ、反応時間は通常2〜10時間、さらに酸(塩酸等)を加えてスルホン酸を得ることができる。  The production method (2) is a method in which a prepolymer obtained in the same manner as the production method of the prepolymer in the production method (1) is reacted with a sulfonic acid group-containing polyamine (c4) as a chain extender. . Examples of the sulfonic acid group-containing polyamine (c4) include 2,2'-benzidine disulfonic acid (hereinafter abbreviated as BDS). These are preferably neutralized with a tertiary amine before use to form a salt. Examples of the tertiary amine include DBU and 1,5-diazabicyclo [4.3.0] nonene-7. In the chain extension reaction, the isocyanate group / amino group equivalent ratio of the prepolymer is usually 0.8 to 1.3, preferably 0.9 to 1.2, and the reaction temperature is usually 20 ° C to 80 ° C, preferably 20 ° C. The reaction is performed at -60 ° C, and the reaction time is usually 2 to 10 hours, and an acid (hydrochloric acid or the like) can be added to obtain sulfonic acid.

本発明におけるスルホン酸基含有芳香族ポリウレア樹脂のスルホン酸基当量(スルホン酸基1個当たりの分子量、以下、EWと略記する)は、好ましくは300〜1300、さらに好ましくは400〜1200である。EWがこの範囲内であると膜の強度とプロトン伝導性を両立し易くなる。EWはスルホン酸基含有芳香族ポリウレア樹脂中の硫黄の元素分析から求められる。  The sulfonic acid group equivalent (molecular weight per sulfonic acid group, hereinafter abbreviated as EW) of the sulfonic acid group-containing aromatic polyurea resin in the present invention is preferably 300 to 1300, more preferably 400 to 1200. When the EW is within this range, it becomes easy to achieve both the strength of the membrane and the proton conductivity. EW is determined from elemental analysis of sulfur in the sulfonic acid group-containing aromatic polyurea resin.

本発明の電解質膜は、前記のようにして得られたスルホン酸基含有ポリウレア樹脂を洗浄及び必要により精製して得られる粉末状樹脂を、更にシート状に成形して得られるものである。洗浄は、イオン交換水、メタノール、アセトン等で行われ、精製はDMFに溶解後、大量のメタノールに投入し、濾過、乾燥することにより行われる。シート状への成形は、粉末状樹脂を溶媒(例えばDMF)に溶解し、バーコーターやスピンコートし30〜80℃で乾燥した後、シートを剥がすことにより得ることができる。  The electrolyte membrane of the present invention is obtained by further molding a powdery resin obtained by washing and purifying, if necessary, the sulfonic acid group-containing polyurea resin obtained as described above. Washing is performed with ion-exchanged water, methanol, acetone or the like, and purification is performed by dissolving in DMF, putting in a large amount of methanol, filtering and drying. Molding into a sheet can be obtained by dissolving the powdered resin in a solvent (for example, DMF), bar coating or spin coating, drying at 30 to 80 ° C., and then peeling off the sheet.

本発明の電解質膜は、その構成成分であるスルホン酸基含有ポリウレア樹脂の物理的強度、特に引張強度が優れているため、膜厚を薄くすることができ、膜厚は通常3〜50ミクロン、好ましくは5〜40ミクロンである。  The electrolyte membrane of the present invention is excellent in physical strength, particularly tensile strength, of the sulfonic acid group-containing polyurea resin that is a constituent component thereof, so that the film thickness can be reduced, and the film thickness is usually 3 to 50 microns, Preferably it is 5-40 microns.

以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。  EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention, this invention is not limited to this.

スルホン酸基当量(EW)の測定法:
試料中の硫黄原子含有量を元素分析(燃焼法)で測定し、スルホン酸基に換算して算出した。
プロトン伝導度の測定法:
短冊状の電解質膜の表面に5mm間隔で白金線(直径0.2mm)を押しあてて電極とし、交流(1kHz)を印加した時の抵抗をインピーダンスアナライザーで測定した。電極間隔と抵抗の傾き(R)、電解質膜の厚さ(t)、電解質膜の幅(D)から1/(R×T×D)によりプロトン伝導度を求めた。測定は80℃、湿度95%で行った。
引張強度の測定法:
オートグラフ(島津製作所製「AG−X型」)で室温で測定した。
Method for measuring sulfonic acid group equivalent (EW):
The sulfur atom content in the sample was measured by elemental analysis (combustion method) and calculated in terms of sulfonic acid groups.
Proton conductivity measurement method:
A platinum wire (diameter: 0.2 mm) was pressed against the surface of the strip-shaped electrolyte membrane at an interval of 5 mm to form an electrode, and the resistance when alternating current (1 kHz) was applied was measured with an impedance analyzer. The proton conductivity was determined by 1 / (R × T × D) from the electrode interval and the slope of resistance (R), the thickness (t) of the electrolyte membrane, and the width (D) of the electrolyte membrane. The measurement was performed at 80 ° C. and a humidity of 95%.
Tensile strength measurement method:
It measured at room temperature with the autograph (Shimadzu "AG-X type").

実施例1
撹拌機、窒素導入管、滴下ロート付き500cc三つ口フラスコにTHFを136.8g、「エラストマー1000」(イハラケミカル工業(株)製、アミン価89)を12.6g及びMDI(三井化学ポリウレタン(株)製)を2.6gを加え、窒素気流中(以下の実施例及び比較例の全ての反応も窒素気流中)、60℃で3時間反応させポリウレア樹脂を合成した。この溶液にクロルスルホン酸4.6gを滴下し室温で3時間反応した。この溶液をテフロンシャーレに入れ60℃で減圧乾燥し膜を得た。この膜をイオン交換水で洗浄液が中性になるまで洗浄し、60℃で減圧乾燥し電解質膜とした。EWは1132、プロトン伝導度は2.8×10−5S/cm、引張強度は31MPaであった。なお、EWから計算すると芳香環4個当たりスルホン酸基が2個導入されていることになる。
Example 1
In a 500 cc three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introducing tube, and a dropping funnel, 136.8 g of THF, 12.6 g of “Elastomer 1000” (Ihara Chemical Industry Co., Ltd., amine number 89) and MDI (Mitsui Chemical Polyurethane ( 2.6 g) was added, and a polyurea resin was synthesized by reacting at 60 ° C. for 3 hours in a nitrogen stream (all reactions in the following examples and comparative examples were also in a nitrogen stream). To this solution, 4.6 g of chlorosulfonic acid was added dropwise and reacted at room temperature for 3 hours. This solution was put in a Teflon petri dish and dried under reduced pressure at 60 ° C. to obtain a film. This membrane was washed with ion-exchanged water until the washing solution became neutral, and dried at 60 ° C. under reduced pressure to obtain an electrolyte membrane. The EW was 1132, the proton conductivity was 2.8 × 10 −5 S / cm, and the tensile strength was 31 MPa. When calculated from EW, two sulfonic acid groups are introduced per four aromatic rings.

実施例2
撹拌機、窒素導入管付き500cc三つ口フラスコに前記「エラストマー1000」を12.6g、MDIを5.1gを加え、40℃で1時間反応させプレポリマーを合成した。このプレポリマーにDMFを10g加え均一溶液とした(以下、溶液Aと略す)。この溶液AにMOCAを2.7g加え室温で1時間反応した後、更にDMF174g加え均一溶掖とした。この均一溶液にクロルスルホン酸6.9gを滴下し室温で3時間反応した。得られた溶液をテフロンシャーレに入れ60℃で減圧乾燥し膜を得た。この膜をイオン交換水で洗浄液が中性になるまで洗浄し、60℃で減圧乾燥し電解質膜とした。EWは507、プロトン伝導度は1.5×10−3S/cm、引張強度は22MPaであった。なお、EWから計算すると芳香環8個当たりスルホン酸基が6個導入されていることになる。
Example 2
To a 500 cc three-necked flask equipped with a stirrer and a nitrogen introduction tube, 12.6 g of the “elastomer 1000” and 5.1 g of MDI were added and reacted at 40 ° C. for 1 hour to synthesize a prepolymer. 10 g of DMF was added to this prepolymer to form a uniform solution (hereinafter abbreviated as Solution A). After 2.7 g of MOCA was added to this solution A and reacted at room temperature for 1 hour, 174 g of DMF was further added to obtain a uniform molten iron. To this homogeneous solution, 6.9 g of chlorosulfonic acid was added dropwise and reacted at room temperature for 3 hours. The obtained solution was put into a Teflon petri dish and dried under reduced pressure at 60 ° C. to obtain a film. This membrane was washed with ion-exchanged water until the washing solution became neutral, and dried at 60 ° C. under reduced pressure to obtain an electrolyte membrane. The EW was 507, the proton conductivity was 1.5 × 10 −3 S / cm, and the tensile strength was 22 MPa. As calculated from EW, 6 sulfonic acid groups are introduced per 8 aromatic rings.

実施例3
実施例2と同様にして得られた溶液Aに、DBUで中和したBDSを6.48g加え、室温で3時間反応した。この溶液に更にDMFを208g加え均一溶液とした。この溶液をテフロンシャーレに入れ60℃で減圧乾燥し膜を得た。この膜を10%塩酸水溶液に室温で10時間、浸漬し、イオン交換水で洗浄液が中性になるまで洗浄し、60℃で減圧乾燥し電解質膜とした。EWは1007、プロトン伝導度は8.7×10−5S/cm、引張強度は35MPaであった。
Example 3
6.48 g of BDS neutralized with DBU was added to the solution A obtained in the same manner as in Example 2, and reacted at room temperature for 3 hours. To this solution, 208 g of DMF was further added to obtain a uniform solution. This solution was put in a Teflon petri dish and dried under reduced pressure at 60 ° C. to obtain a film. This membrane was immersed in a 10% aqueous hydrochloric acid solution at room temperature for 10 hours, washed with ion exchange water until the washing solution became neutral, and dried under reduced pressure at 60 ° C. to obtain an electrolyte membrane. The EW was 1007, the proton conductivity was 8.7 × 10 −5 S / cm, and the tensile strength was 35 MPa.

実施例4
実施例2と同様にして得られた溶液Aに、IPDIを8.8gとDBUで中和したAMSを10.4g加え、50℃で5時間反応した。この溶液に更にDMFを322g加え均一溶液とした。この溶液をテフロンシャーレに入れ60℃で減圧乾燥し膜を得た。この膜を10%塩酸水溶液に室温で10時間、浸漬し、イオン交換水で洗浄液が中性になるまで洗浄し、60℃で減圧乾燥し電解質膜とした。EWは528、プロトン伝導度は4.2×10−4S/cm、引張強度は25MPaであった。
Example 4
To solution A obtained in the same manner as in Example 2, 8.8 g of IPDI and 10.4 g of AMS neutralized with DBU were added and reacted at 50 ° C. for 5 hours. To this solution, 322 g of DMF was further added to obtain a uniform solution. This solution was put in a Teflon petri dish and dried under reduced pressure at 60 ° C. to obtain a film. This membrane was immersed in a 10% aqueous hydrochloric acid solution at room temperature for 10 hours, washed with ion exchange water until the washing solution became neutral, and dried under reduced pressure at 60 ° C. to obtain an electrolyte membrane. The EW was 528, the proton conductivity was 4.2 × 10 −4 S / cm, and the tensile strength was 25 MPa.

比較例1
撹拌機、窒素導入管、滴下ロート付き500cc三つ口フラスコに、ジメチルアセトアミド180ml、2,5−ジアミノベンゼンスルホン酸10g、塩化リチウム4.7g及びピリジン12.6gを仕込み、100℃で溶解させた。その後、−5℃に冷却し、テレフタル酸クロライド10.8gを60mlのジメチルアセトアミドに溶解した溶液を徐々に加えて、室温で15時間反応させた。生成物をメタノール中に沈殿させて、ろ過して、洗浄し、60℃で減圧乾燥して比較の電解質膜(ポリアミド樹脂系電解質膜)を得た。EWは337、プロトン伝導度は4.4×10−6S/cm、引張強度は17MPaであった。
Comparative Example 1
A 500 cc three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introducing tube and a dropping funnel was charged with 180 ml of dimethylacetamide, 10 g of 2,5-diaminobenzenesulfonic acid, 4.7 g of lithium chloride and 12.6 g of pyridine, and dissolved at 100 ° C. . Then, it cooled to -5 degreeC, the solution which melt | dissolved 10.8 g of terephthalic acid chloride in 60 ml of dimethylacetamide was added gradually, and it was made to react at room temperature for 15 hours. The product was precipitated in methanol, filtered, washed, and dried under reduced pressure at 60 ° C. to obtain a comparative electrolyte membrane (polyamide resin electrolyte membrane). The EW was 337, the proton conductivity was 4.4 × 10 −6 S / cm, and the tensile strength was 17 MPa.

本発明の燃料電池用電解質膜は、各種の用途の燃料電池、例えば自動車用、移動通信体用及び家庭用等の燃料電池の電解質膜として利用できる。  The electrolyte membrane for fuel cells of the present invention can be used as an electrolyte membrane for fuel cells for various applications, for example, fuel cells for automobiles, mobile communication bodies, and households.

Claims (5)

ポリイソシアネート(a)、一般式(1)で示される30〜120のアミン価を有する芳香環含有ポリアミン(b)及びスルホン化剤(c)を含む原料成分から製造されるスルホン酸基含有芳香族ポリウレア樹脂から構成される燃料電池用電解質膜。
Figure 2010015960
(式中、Rはポリアルキレンポリエーテル、ポリアルキレンポリエステル又はポリアルキレンを表し、Aは酸素原子またはイミノ基を表す。またmは1〜3の整数を表す。)
A sulfonic acid group-containing aromatic produced from a raw material component comprising a polyisocyanate (a), an aromatic ring-containing polyamine (b) having an amine number of 30 to 120 represented by the general formula (1) and a sulfonating agent (c) An electrolyte membrane for a fuel cell comprising a polyurea resin.
Figure 2010015960
(In the formula, R 1 represents a polyalkylene polyether, polyalkylene polyester or polyalkylene, A represents an oxygen atom or an imino group, and m represents an integer of 1 to 3).
前記スルホン酸基含有芳香族ポリウレア樹脂が、前記ポリウレア樹脂中の芳香環をクロルスルホン酸(c1)でスルホン化して得られるスルホン酸基含有芳香族ポリウレア樹脂である請求項1記載の燃料電池用電解質膜。  2. The fuel cell electrolyte according to claim 1, wherein the sulfonic acid group-containing aromatic polyurea resin is a sulfonic acid group-containing aromatic polyurea resin obtained by sulfonating an aromatic ring in the polyurea resin with chlorosulfonic acid (c1). film. 前記スルホン酸基含有芳香族ポリウレア樹脂が、前記ポリウレア樹脂中の活性水素原子とアミノスルホン酸(c3)をジイソシアネートでジョイントさせて末端にスルホン酸基を導入して得られるスルホン酸基含有芳香族ポリウレア樹脂である請求項1記載の燃料電池用電解質膜。  The sulfonic acid group-containing aromatic polyurea resin is obtained by joining the active hydrogen atom in the polyurea resin and aminosulfonic acid (c3) with diisocyanate to introduce a sulfonic acid group at the terminal. 2. The fuel cell electrolyte membrane according to claim 1, which is a resin. 前記スルホン酸基含有芳香族ポリウレア樹脂が、前記ポリイソシアネート及び前記芳香環含有ポリアミンから製造されるウレタンプレポリマーに、鎖延長剤としてスルホン酸基含有ポリアミン(c4)を加えて鎖延長させて得られたスルホン酸基含有芳香族ポリウレア樹脂である請求項1記載の燃料電池用電解質膜。  The sulfonic acid group-containing aromatic polyurea resin is obtained by extending a chain by adding a sulfonic acid group-containing polyamine (c4) as a chain extender to the urethane prepolymer produced from the polyisocyanate and the aromatic ring-containing polyamine. The electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, which is a sulfonic acid group-containing aromatic polyurea resin. スルホン酸基含有芳香族ポリウレア樹脂のスルホン酸基当量(スルホン酸基1個当たりの分子量)が300〜1300である請求項1〜4のいずれか記載の燃料電池用電解質膜。  The electrolyte membrane for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the sulfonic acid group equivalent (molecular weight per sulfonic acid group) of the sulfonic acid group-containing aromatic polyurea resin is 300 to 1300.
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