JP2011084728A - Polyelectrolyte and utilization thereof - Google Patents

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Takayasu Miyahara
崇泰 宮原
Masahiro Watanabe
政廣 渡辺
Kenji Miyatake
健治 宮武
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Kaneka Corp
University of Yamanashi NUC
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University of Yamanashi NUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrocarbon-based polyelectrolyte excellent in processability, capable of efficiently retaining water even in a water-deficient condition, capable of assuring proton conduction, and capable of providing high-precision circuit drawing for inexpensively and simply making a fine-pitched electronic circuit. <P>SOLUTION: The polyelectrolyte is a copolymer containing units having a high sulfonic acid group introduction ratio and units having a low sulfonic acid group introduction rate, wherein the units having the high sulfonic acid group introduction ratio contains structures represented by formula (1) (wherein X<SP>1</SP>is O, S, NH, or a direct bond) and/or formula (2) (wherein X<SP>1</SP>is O, S, NH, or a direct bond). <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に好適な高分子電解質、それを用いた高分子電解質膜、膜/電極接合体、これらを含む燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a polymer electrolyte suitable for a solid polymer fuel cell, a polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte, a membrane / electrode assembly, and a fuel cell including these.

近年、地球温暖化等の環境問題等の観点から、高効率でクリーンなエネルギー源の開発が求められている。それに対する一つの候補として燃料電池が注目されている。燃料電池は、水素ガスやメタノール等の燃料と酸素等の酸化剤をそれぞれ電解質で隔てられた電極に供給し、一方で燃料の酸化を、他方で酸化剤の還元を行い、直接発電するものである。上述した燃料電池の材料のなかで、最も重要な部材の一つが電解質である。その電解質からなる燃料と酸化剤とを隔てる電解質膜としてはこれまで様々なものが開発されているが、近年、特にスルホン酸基などのプロトン伝導性官能基を含有する高分子化合物から構成される高分子電解質の開発が盛んである。こうした高分子電解質は、固体高分子形燃料電池の他にも、例えば、湿度センサー、ガスセンサー、エレクトロクロミック表示素子などの電気化学素子の原料としても使用される。これら高分子電解質の利用法の中でも、特に、固体高分子形燃料電池は、新エネルギー技術の柱の一つとして期待されている。例えば、プロトン伝導性官能基を有する高分子化合物からなる電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴を有し、自動車などの移動体、家庭用コージェネレーションシステム、および民生用小型携帯機器などへの適用が検討されている。 In recent years, development of highly efficient and clean energy sources has been demanded from the viewpoint of environmental problems such as global warming. Fuel cells are attracting attention as one candidate for this. A fuel cell directly supplies power by supplying a fuel such as hydrogen gas or methanol and an oxidant such as oxygen to electrodes separated by an electrolyte, while oxidizing the fuel on the one hand and reducing the oxidant on the other. is there. Among the fuel cell materials described above, one of the most important members is an electrolyte. Various electrolyte membranes that separate the electrolyte fuel and oxidant have been developed so far, but in recent years, they are composed of polymer compounds containing proton conductive functional groups such as sulfonic acid groups. The development of polymer electrolytes is thriving. Such a polymer electrolyte is used as a raw material for electrochemical elements such as a humidity sensor, a gas sensor, and an electrochromic display element, in addition to the solid polymer fuel cell. Among these polymer electrolyte utilization methods, in particular, polymer electrolyte fuel cells are expected as one of the pillars of new energy technology. For example, a polymer electrolyte fuel cell using an electrolyte membrane made of a polymer compound having a proton-conducting functional group has features such as operation at a low temperature and reduction in size and weight. Application to consumer cogeneration systems and consumer small portable devices is under consideration.

固体高分子形燃料電池に使用される電解質膜としては、1950年代に開発されたスチレン系の陽イオン交換膜があるが、燃料電池動作環境下における安定性に乏しく、充分な寿命を有する燃料電池を製造するには至っていない。一方、実用的な安定性を有する電解質膜としては、ナフィオン(Nafion)(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が広く検討されている。パーフルオロカーボンスルホン酸膜は、高いプロトン伝導性を有し、耐酸性、耐酸化性などの化学的安定性に優れているとされている。しかしながらナフィオン(登録商標)は、使用原料が高く、複雑な製造工程を経るため、非常に高価であるという欠点がある。また、電極反応で生じる過酸化水素やその副生物であるヒドロキシラジカルで劣化すると指摘されている。さらに、その構造上、プロトン伝導基であるスルホン酸基の導入には限界がある。 As an electrolyte membrane used in a polymer electrolyte fuel cell, there is a styrene-based cation exchange membrane developed in the 1950s. However, the fuel cell has poor stability under a fuel cell operating environment and has a sufficient lifetime. Has not yet been manufactured. On the other hand, as an electrolyte membrane having practical stability, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane represented by Nafion (registered trademark) has been widely studied. Perfluorocarbon sulfonic acid membranes are said to have high proton conductivity and excellent chemical stability such as acid resistance and oxidation resistance. However, Nafion (registered trademark) has a drawback that it is very expensive because of the high raw materials used and the complicated manufacturing process. In addition, it has been pointed out that it is deteriorated by hydrogen peroxide generated by the electrode reaction and by-product hydroxy radical. Furthermore, due to its structure, there is a limit to the introduction of sulfonic acid groups that are proton conducting groups.

このような背景から、再び炭化水素系電解質膜の開発が期待されるようになっている。その理由としては、炭化水素系電解質膜は化学構造の多様性を持たせやすく、スルホン酸基などのプロトン伝導基の導入の範囲が広く調整できる、他の材料との複合化、架橋の導入などが比較的容易であるという特徴があるからである。 Against this background, development of hydrocarbon electrolyte membranes is expected again. The reason for this is that the hydrocarbon electrolyte membrane is easy to have a variety of chemical structures, the range of introduction of proton conducting groups such as sulfonic acid groups can be adjusted widely, compounding with other materials, introduction of crosslinking, etc. This is because there is a feature that is relatively easy.

例えば、非特許文献1では、スルホン化の容易なフェニル基を分子内に多く含む構造を有し、高温安定性を有するポリ(2,6−ジフェニル−4−フェニレンオキシド)(以下PPPOと略す)を用い、これをスルホン化処理することで得られる、イオン交換容量(以下IECと略す)が0.7〜2.8meq/gの高分子電解質(スルホン化ポリ(2,6−ジフェニル−4−フェニレンオキシド))が例示されている。しかしこの文献においては、IECが2.6meq/g以上では水に溶解してしまうことが示されており、燃料電池用電解質膜には不適である。 For example, in Non-Patent Document 1, poly (2,6-diphenyl-4-phenylene oxide) (hereinafter abbreviated as PPPO) having a structure containing many phenyl groups easily sulfonated in the molecule and having high-temperature stability. And a polyelectrolyte (sulfonated poly (2,6-diphenyl-4-phenyl) having an ion exchange capacity (hereinafter abbreviated as IEC) of 0.7 to 2.8 meq / g, which is obtained by sulfonation treatment. Phenylene oxide)) is illustrated. However, in this document, it is shown that when the IEC is 2.6 meq / g or more, it is dissolved in water, which is not suitable for an electrolyte membrane for a fuel cell.

特許文献1ではベンゾニトリル構造を含むホモポリマーおよびランダム共重合体が例示されているが、ランダム共重合体やホモポリマーを用いた電解質膜では低湿度でのプロトン伝導度に有効なミクロ相分離状態になりにくいことが知られている。 Patent Document 1 exemplifies a homopolymer and a random copolymer containing a benzonitrile structure, but in an electrolyte membrane using a random copolymer or a homopolymer, a microphase separation state effective for proton conductivity at low humidity It is known that it is difficult to become.

特許文献2ではスルホン酸基が導入されたブロックおよびスルホン酸基が実質的に導入されていないブロックを有するブロック共重合体が例示されている。しかし、用いられる親水部、疎水部とも別の合成法により合成しなくてはならず、また用いられているポリパラフェニレン系のユニットの重合において副反応を抑えるために用いることのできるモノマーが限られるため、例示されているもの以外の合成は難しい。そのため、ナフィオン(登録商標)と同様に、複雑な製造工程を経るため、非常に高価であるという欠点がある。 Patent Document 2 exemplifies a block copolymer having a block in which a sulfonic acid group is introduced and a block in which a sulfonic acid group is not substantially introduced. However, both the hydrophilic part and the hydrophobic part to be used must be synthesized by different synthesis methods, and the monomers that can be used to suppress side reactions in the polymerization of the polyparaphenylene units used are limited. Therefore, synthesis other than those exemplified is difficult. Therefore, like Nafion (registered trademark), since it goes through a complicated manufacturing process, there is a disadvantage that it is very expensive.

特開2004−244437号公報JP 2004-244437 A 特開2001−250567号公報JP 2001-250567 A

New Materials For Fuel Cell And Modern Battery Systems II 796−78New Materials For Fuel Cell And Modern Battery Systems II 794-78

本発明の目的は、加工性の優れ、水の少ない状況でも効率的に水を保有することができプロトン伝導を確保できる、炭化水素系高分子電解質を提供することである。 An object of the present invention is to provide a hydrocarbon-based polymer electrolyte that is excellent in processability, can efficiently retain water even in a state of little water, and can ensure proton conduction.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、プロトン伝導度に有利なスルホン酸基を高分子電解質全体に有させながら、スルホン酸基導入率の高い部位に特定構造を含ませて部分的なスルホン酸基密度を高めると、水分の少ない状況におけるプロトン伝導度が優れることを見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have made a specific structure at a site where the introduction rate of sulfonic acid groups is high while having sulfonic acid groups advantageous for proton conductivity in the entire polymer electrolyte. When the partial sulfonic acid group density was increased by inclusion, it was found that the proton conductivity was excellent in a situation with little moisture, and the present invention was completed.

すなわち、本発明は、スルホン酸基導入率の高いユニット、およびスルホン酸基導入率の低いユニットを含むブロック共重合体であり、スルホン酸基導入率の高いユニットが下記式(1): That is, the present invention is a block copolymer including a unit having a high sulfonic acid group introduction rate and a unit having a low sulfonic acid group introduction rate, and the unit having a high sulfonic acid group introduction rate is represented by the following formula (1):

Figure 2011084728
Figure 2011084728

(式(1)中、XはO、S、NHまたは直接結合を示す。)
および/または下記式(2):
(In formula (1), X 1 represents O, S, NH or a direct bond.)
And / or the following formula (2):

Figure 2011084728
Figure 2011084728

(式(2)中、Xは上記と同様。)
で示される構造を含む、高分子電解質である。
(In formula (2), X 1 is the same as above.)
It is a polymer electrolyte containing the structure shown by these.

上記スルホン酸基導入率の高いユニットは、下記式(3): The unit having a high sulfonic acid group introduction rate is represented by the following formula (3):

Figure 2011084728
Figure 2011084728

(式(3)中、Xは上記と同様。XはO、S、NH、CO、SO、C(CF、イソプロピリデン、フルオレニリデンまたは直接結合を示し、Rはフッ素、塩素、臭素、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数6〜12のアリール基、炭素数1〜9で窒素を含むヘテロ芳香環、または炭素数1〜10のアルコキシ基を示し、Rが複数存在する場合はそれぞれ同一でも異なっていても良い。a、b、cおよびdは0または1を示し、eは0〜4のうちのいずれかを示し、fは0〜6のうちのいずれかを示す。X、X、R、e、およびfは、それぞれ複数存在する場合はそれぞれ同一でも異なっていても良い。Yは下記式(4): (In formula (3), X 1 is the same as above. X 2 represents O, S, NH, CO, SO 2 , C (CF 3 ) 2 , isopropylidene, fluorenylidene or a direct bond, R 1 represents fluorine, chlorine, bromine, alkyl groups having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, indicates a heteroaromatic ring or an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, containing nitrogen at 1 to 9 carbon atoms, R 1 is When there are a plurality, they may be the same or different, a, b, c and d each represent 0 or 1, e represents any one of 0 to 4, and f represents any one from 0 to 6. X 1 , X 2 , R 1 , e, and f may be the same or different when there are a plurality of them, and Y represents the following formula (4):

Figure 2011084728
Figure 2011084728

または下記式(5): Or the following formula (5):

Figure 2011084728
Figure 2011084728

を示す。)で示される構造にスルホン酸基が導入されている構造を含むことが好ましい。 Indicates. It is preferable to include a structure in which a sulfonic acid group is introduced into the structure represented by

上記スルホン酸基導入率の高いユニットは、上記式(3)において、aおよびdが1、bおよびcが0、XがOである構造、および/または上記式(3)において、aおよびdが0、bおよびcが1、XがOである構造にスルホン酸基が導入されている構造を含むことが好ましく、具体的には、下記式(6): The unit having a high introduction rate of the sulfonic acid group has a structure in which a and d are 1, b and c are 0, and X 1 is O in the above formula (3), and / or in the above formula (3), a and It is preferable to include a structure in which a sulfonic acid group is introduced into a structure in which d is 0, b and c are 1, and X 1 is O. Specifically, the following formula (6):

Figure 2011084728
Figure 2011084728

(式(6)中、Xは上記と同様。Rはフッ素、塩素、臭素、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数6〜12のアリール基または炭素数1〜10のアルコキシ基を示し、いくつかある場合はそれぞれ同一でも異なっていても良い。gは0〜4を示し、eは上記と同様。)
および/または下記式(7):
(In formula (6), X 2 is the same as above. R 2 represents fluorine, chlorine, bromine, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, or an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms. In some cases, they may be the same or different. G represents 0 to 4, and e is the same as above.)
And / or the following formula (7):

Figure 2011084728
Figure 2011084728

(式(7)中、Xは上記と同様。Rは上記と同様。hは0〜4を示し、fは上記と同様。)
で示される構造にスルホン酸基が導入されている構造を含むことが好ましい。
(In formula (7), X 2 is the same as above. R 2 is the same as above. H is 0 to 4 and f is the same as above.)
It is preferable to include a structure in which a sulfonic acid group is introduced into the structure represented by

上記スルホン酸基導入率の高いユニットに含まれる芳香環のうち45〜80%がスルホン酸基を有することが好ましい。 It is preferable that 45 to 80% of the aromatic rings contained in the unit having a high sulfonic acid group introduction rate have a sulfonic acid group.

上記スルホン酸基導入率の低いユニットが下記式(8): The unit having a low introduction rate of the sulfonic acid group is represented by the following formula (8):

Figure 2011084728
Figure 2011084728

(式(8)中、XはCO、またはSOを示す。Zは水素、金属イオン、またはアンモニウムイオンを示す。iは0〜2を示し、Rはフッ素で置換されていても良い炭素数1〜10のアルキル基、CN、COZ、またはSOを示し、Zは置換基が付いていてもよい炭素数1〜10のアルキル基、炭素数6〜12のアリール基を示す。いくつかある場合はそれぞれ同一でも異なっていても良い。eはそれぞれ0〜4の値を示し、jはそれぞれ0〜1の値を示す。ただしi=1の場合、jの合計は2未満の値である。)
で示される構造を含むことが好ましい。
(In the formula (8), X 3 represents CO or SO 2. Z 1 represents hydrogen, a metal ion, or an ammonium ion. I represents 0 to 2, and R 3 may be substituted with fluorine. A good alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, CN, COZ 2 , or SO 2 Z 2 , wherein Z 2 is an optionally substituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or aryl having 6 to 12 carbon atoms In some cases, they may be the same or different, e represents a value of 0 to 4, and j represents a value of 0 to 1. However, when i = 1, the sum of j Is a value less than 2.)
It is preferable that the structure shown by these is included.

上記スルホン酸基導入率の低いユニットは、上記式(8)において、eが0、iが1、jが0である構造を含むことが好ましく、具体的には下記式(9): The unit having a low introduction rate of the sulfonic acid group preferably includes a structure in which e is 0, i is 1 and j is 0 in the above formula (8), specifically, the following formula (9):

Figure 2011084728
Figure 2011084728

(式(9)中、Xは上記と同様。)
で示される構造を含むことが好ましい。
(In formula (9), X 3 is the same as above.)
It is preferable that the structure shown by these is included.

本発明の高分子電解質は、上記高分子電解質を含む。 The polymer electrolyte of the present invention includes the polymer electrolyte.

本発明の膜電極接合体は、上記高分子電解質膜を含む。 The membrane electrode assembly of the present invention includes the polymer electrolyte membrane.

本発明の固体高分子形燃料電池は、上記高分子電解質膜および/または上記膜電極接合体を含む。 The polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes the polymer electrolyte membrane and / or the membrane electrode assembly.

本発明の高分子電解質は、加工性に優れ、特に水分の少ない状況で優れたプロトン伝導度を有することができる。 The polymer electrolyte of the present invention is excellent in processability, and can have excellent proton conductivity particularly in a situation where moisture is low.

本発明の高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池の要部断面の構造図である。1 is a structural view of a cross section of a main part of a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane of the present invention.

本発明の一実施形態について説明すれば以下の通りである。なお、本発明は以下の説明に限定されるものではない。 An embodiment of the present invention will be described as follows. The present invention is not limited to the following description.

<高分子電解質>
本発明の高分子電解質であるブロック共重合体は、スルホン酸基導入率の高いユニット、およびスルホン酸基導入率の低いユニットを含有し、スルホン酸基導入率の高いユニットが下記式(1)または(2)で示される構造を含み、スルホン酸基導入率の高いユニットに含まれるスルホン酸基の導入しにくい芳香環の割合を減らすことを特徴とする。この特徴により、優れたプロトン伝導度を示すことができる。
<Polymer electrolyte>
The block copolymer which is the polymer electrolyte of the present invention contains a unit having a high sulfonic acid group introduction rate and a unit having a low sulfonic acid group introduction rate, and the unit having a high sulfonic acid group introduction rate is represented by the following formula (1). Alternatively, it is characterized in that the ratio of the aromatic ring which is difficult to introduce a sulfonic acid group contained in a unit containing the structure represented by (2) and having a high sulfonic acid group introduction rate is reduced. Due to this feature, excellent proton conductivity can be exhibited.

Figure 2011084728
Figure 2011084728

(式(1)中、X1はO、S、NHまたは直接結合を示す。) (In formula (1), X 1 represents O, S, NH, or a direct bond.)

Figure 2011084728
Figure 2011084728

(式(2)中、X1は上記と同様。)
ブロック共重合体とは性質の異なるユニット同士が結合し、もとのユニットからなるホモポリマーとは異なる性質を有するものを指す。本発明のブロック共重合体は各ユニットを共に主鎖に有する形態であってもよいし、一方のユニットを主鎖とし、もう一方のユニットを側鎖ブロックという形で有する形態であってもよいし、各ユニットを共に主鎖にも側鎖にも有する形態であってもよい。ここで、ユニットとは基本的にある一定の成分を繰り返し単位とし、その成分の繰り返しとして表現可能な集合体、あるいはその集合体を変性したものを指す。
(In formula (2), X 1 is the same as above.)
A block copolymer refers to a unit in which units having different properties are bonded to each other and has a property different from that of a homopolymer comprising the original unit. The block copolymer of the present invention may be in the form of having each unit in the main chain, or in the form of having one unit as the main chain and the other unit in the form of a side chain block. In addition, the unit may have both units in the main chain and the side chain. Here, the unit basically refers to an assembly that can be expressed as a repetition of a certain component as a repeating unit, or a modification of the assembly.

ここで、スルホン酸基導入率とは、各ユニットを形成している繰り返し単位に含まれる芳香環のうち、スルホン酸基が導入されている芳香環の割合を指す。また、ここでナフタレン環は芳香環の1つと数えるものとする。 Here, the sulfonic acid group introduction rate refers to the ratio of aromatic rings into which sulfonic acid groups have been introduced among the aromatic rings contained in the repeating units forming each unit. Here, the naphthalene ring is counted as one of the aromatic rings.

Figure 2011084728
Figure 2011084728

ここで、ユニットに含まれる芳香環の数とは、ポリマーの構造により決まる。また、ポリマー構造は合成に用いる原料により決まる。合成に用いる原料が例えば、芳香族ジハライド化合物と芳香族ジオール化合物である場合、芳香族ジハライド化合物のフッ素と芳香族ジオール化合物の水酸基の水素が失われ、それぞれの部位が結合する。そのため、これらから合成されるポリマーのユニットに含まれる芳香環の数はこれらの原料成分の芳香環数の合計と等しい。 Here, the number of aromatic rings contained in the unit is determined by the structure of the polymer. The polymer structure is determined by the raw materials used for the synthesis. When the raw materials used for the synthesis are, for example, an aromatic dihalide compound and an aromatic diol compound, the fluorine of the aromatic dihalide compound and the hydrogen of the hydroxyl group of the aromatic diol compound are lost, and the respective sites are bonded. Therefore, the number of aromatic rings contained in the polymer unit synthesized from these is equal to the total number of aromatic rings of these raw material components.

またユニットに含まれるスルホン酸基が導入されている芳香環の数はスルホン酸基の導入方法によって変わることが一般的に知られている。例えば、ポリマーを合成しスルホン化する一般的な方法として、濃度80%以上の硫酸、またはクロロスルホン酸溶液でスルホン化する場合を挙げると、スルホン酸基が導入されている芳香環の数は次のようになる。 Further, it is generally known that the number of aromatic rings into which sulfonic acid groups contained in the unit are introduced varies depending on the method of introducing sulfonic acid groups. For example, as a general method for synthesizing and sulfonating a polymer, when sulfonating with sulfuric acid having a concentration of 80% or more or a chlorosulfonic acid solution, the number of aromatic rings into which sulfonic acid groups are introduced is as follows. become that way.

濃度80%以上の硫酸、またはクロロスルホン酸溶液でスルホン化する場合、置換基を二つ以上有する芳香環、および電子吸引基と結合した芳香環を除く芳香環がスルホン化される。よって、ユニットの繰り返し単位構造において、置換基を二つ以上有する芳香環、および電子吸引基と結合した芳香環以外の芳香環の数が、スルホン酸基が導入される芳香環の数として扱える。 In the case of sulfonation with sulfuric acid having a concentration of 80% or more or a chlorosulfonic acid solution, aromatic rings excluding an aromatic ring having two or more substituents and an aromatic ring bonded to an electron withdrawing group are sulfonated. Therefore, in the repeating unit structure of the unit, the number of aromatic rings other than the aromatic ring bonded to the aromatic ring having two or more substituents and the electron withdrawing group can be treated as the number of aromatic rings into which the sulfonic acid group is introduced.

なお、スルホン酸基誘導体を有する芳香族系化合物を用いてユニットが合成される場合などのように、スルホン化する前にすでにスルホン酸基(スルホン酸基誘導体)が導入されている芳香環が含まれる場合は、ユニットを形成している繰り返し単位に含まれる芳香環として扱う。 In addition, an aromatic ring in which a sulfonic acid group (sulfonic acid group derivative) has already been introduced before sulfonation is included, such as when a unit is synthesized using an aromatic compound having a sulfonic acid group derivative. Are treated as aromatic rings contained in the repeating unit forming the unit.

スルホン酸基が導入されている芳香環の数は各ユニットのイオン交換容量を求めることで計算により求めることができる。 The number of aromatic rings into which sulfonic acid groups are introduced can be obtained by calculation by obtaining the ion exchange capacity of each unit.

スルホン酸基導入率の高いユニットは、具体的には、ユニットを形成している繰り返し単位に含まれる全芳香環のうちスルホン酸基を有するものが35%以上であることが好ましく、40%以上がより好ましく45%以上がさらに好ましい。 Specifically, the unit having a high introduction rate of the sulfonic acid group preferably has 35% or more of all aromatic rings contained in the repeating units forming the unit, and has 40% or more. Is more preferably 45% or more.

一方、スルホン酸基導入率の低いユニットは、具体的には、ユニットを形成している繰り返し単位に含まれる全芳香環のうちスルホン酸基を有するものが35%未満であることが好ましく、30%以下がより好ましく、20%以下がさらに好ましい。 On the other hand, the unit having a low sulfonic acid group introduction rate is specifically preferably less than 35% of all aromatic rings having a sulfonic acid group among the total aromatic rings contained in the repeating units forming the unit. % Or less is more preferable, and 20% or less is more preferable.

スルホン酸基導入率の高いユニットの主鎖骨格は、電子供与性官能基と結合した芳香環を多く有することが好ましく、例えば、下記式(3)で示される構造にスルホン酸基が導入されている主鎖骨格が挙げられる。 The main chain skeleton of a unit having a high sulfonic acid group introduction rate preferably has many aromatic rings bonded to an electron donating functional group. For example, a sulfonic acid group is introduced into the structure represented by the following formula (3). Main chain skeleton.

Figure 2011084728
Figure 2011084728

(式(3)中、Xは上記と同様。XはO、S、NH、CO、SO、C(CF、イソプロピリデン、フルオレニリデンまたは直接結合を示し、Rはフッ素、塩素、臭素、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数6〜12のアリール基、炭素数1〜9で窒素を含むヘテロ芳香環、または炭素数1〜10のアルコキシ基を示し、いくつかある場合はそれぞれ同一でも異なっていても良い。a、b、cおよびdは0または1を示し、eは0〜4のうちのいずれかを示し、fは0〜6のうちのいずれかを示す。X、X、R、e、およびfはそれぞれいくつかある場合はそれぞれ同一でも異なっていても良い。Yは下記式(4)または(5)を示す。) (In formula (3), X 1 is the same as above. X 2 represents O, S, NH, CO, SO 2 , C (CF 3 ) 2 , isopropylidene, fluorenylidene or a direct bond, R 1 represents fluorine, Indicate chlorine, bromine, alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, aryl group having 6 to 12 carbon atoms, heteroaromatic ring containing 1 to 9 carbon atoms and nitrogen, or alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms Each may be the same or different, a, b, c and d each represent 0 or 1, e represents one of 0 to 4, and f represents one of 0 to 6. X 1 , X 2 , R 1 , e, and f may be the same or different when there are several, and Y represents the following formula (4) or (5).

Figure 2011084728
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Figure 2011084728
Figure 2011084728

スルホン酸基導入率の高いユニットの主鎖骨格は、スルホン酸基密度を高める観点から、上記式(3)において、bおよびcが0、aおよびdが1、XがOである構造、および/または上記式(3)において、bおよびcが1、aおよびdが0、XがOである構造を含むことが好ましく、具体的には、下記式(6)および/または式(7)で示される構造にスルホン酸基が導入されている構造を有することが好ましい。 From the viewpoint of increasing the sulfonic acid group density, the main chain skeleton of the unit having a high sulfonic acid group introduction rate has a structure in which b and c are 0, a and d are 1, and X 1 is O in the above formula (3). And / or the above formula (3) preferably includes a structure in which b and c are 1, a and d are 0, and X 1 is O. Specifically, the following formula (6) and / or formula ( It is preferable to have a structure in which a sulfonic acid group is introduced into the structure represented by 7).

Figure 2011084728
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(式(6)中、X2は上記と同様。R2はフッ素、塩素、臭素、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数6〜12のアリール基または炭素数1〜10のアルコキシ基を示し、いくつかある場合はそれぞれ同一でも異なっていても良い。gは0〜4を示し、eは上記と同様。) (In formula (6), X 2 is the same as above. R 2 represents fluorine, chlorine, bromine, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, or an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms. In some cases, they may be the same or different. G represents 0 to 4, and e is the same as above.)

Figure 2011084728
Figure 2011084728

(式(7)中、Xは上記と同様。Rは上記と同様。hは0〜4を示し、fは上記と同様。)
なかでも芳香環が互いにエーテル結合した構造により主鎖が形成されているか、または芳香環同士が互いに直接結合およびエーテル結合した構造により主鎖が形成されていることがより好ましい。一般的に、電子吸引基と結合した芳香環は電子吸引基が結合していない芳香環に比べ、スルホン化によりスルホン酸基が導入されにくい。よって、電子吸引基と結合した芳香環を含有させる場合、スルホン酸基誘導体を除く電子吸引基と結合した芳香環は、ユニットに含まれる全芳香環のうち65%未満であることが好ましく、50%以下がより好ましく、40%以下がさらに好ましい。
(In formula (7), X 2 is the same as above. R 2 is the same as above. H is 0 to 4 and f is the same as above.)
In particular, it is more preferable that the main chain is formed by a structure in which aromatic rings are ether-bonded to each other, or that the main chain is formed by a structure in which aromatic rings are directly bonded to each other and ether-bonded. In general, an aromatic ring bonded to an electron withdrawing group is less likely to introduce a sulfonic acid group by sulfonation than an aromatic ring to which no electron withdrawing group is bonded. Therefore, when the aromatic ring bonded to the electron withdrawing group is contained, the aromatic ring bonded to the electron withdrawing group excluding the sulfonic acid group derivative is preferably less than 65% of the total aromatic rings contained in the unit. % Or less is more preferable, and 40% or less is more preferable.

ここで、スルホン酸基誘導体は、スルホン酸基のスルホン酸をスルホン酸エステルなどに変換するというように、スルホン酸を保護(酸でないものに一時的に変換)している(誘導している)ものを指す。 Here, the sulfonic acid group derivative protects (temporarily converts to a non-acid) sulfonic acid, such as converting the sulfonic acid of the sulfonic acid group into a sulfonic acid ester or the like. Refers to things.

本発明においてスルホン酸基導入率の低いユニットの主鎖骨格は、電子吸引性官能基と結合した芳香環を多く有するか、或いは置換基を有する芳香環を多く有することが好ましい。なかでも、スルホン酸基導入率の低いユニットに含まれる芳香環がいずれも一つ以上の電子吸引性官能基と結合しているか、或いは置換基を1個以上有することが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the main chain skeleton of a unit having a low introduction rate of sulfonic acid group has many aromatic rings bonded to electron-withdrawing functional groups, or has many aromatic rings having substituents. Especially, it is preferable that all the aromatic rings contained in the unit having a low sulfonic acid group introduction rate are bonded to one or more electron-withdrawing functional groups or have one or more substituents.

スルホン酸基導入率の低いユニットの主鎖骨格は、電子吸引基と結合した芳香環を有していても良い。 The main chain skeleton of a unit having a low sulfonic acid group introduction rate may have an aromatic ring bonded to an electron withdrawing group.

スルホン酸基導入率の低いユニットの主鎖骨格としては、例えば、下記式(8)に示される主鎖骨格を有するものが好ましい。 As the main chain skeleton of the unit having a low sulfonic acid group introduction rate, for example, one having a main chain skeleton represented by the following formula (8) is preferable.

Figure 2011084728
Figure 2011084728

(式(8)中、X3はCO、またはSO2を示す。Z1は水素、金属イオン、またはアンモニウムイオンを示す。iは0〜2を示し、R3はフッ素で置換されていても良い炭素数1〜10のアルキル基、CN、COZ2、またはSO22を示し、Z2は置換基が付いていてもよい炭素数1〜10のアルキル基、炭素数6〜12のアリール基を示す。いくつかある場合はそれぞれ同一でも異なっていても良い。eはそれぞれ0〜4の値を示し、jはそれぞれ0〜1の値を示す。ただしi=1の場合、jの合計は2未満の値である。)
中でも、加工しやすさの観点から、上記式(8)において、eが0、iが1、jが0である構造を含むことが好ましく、具体的には下記式(9)で示される構造を有する主鎖骨格であることが好ましい。
(In Formula (8), X 3 represents CO or SO 2 , Z 1 represents hydrogen, a metal ion, or an ammonium ion, i represents 0 to 2, and R 3 may be substituted with fluorine. A good alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, CN, COZ 2 or SO 2 Z 2 , wherein Z 2 is an optionally substituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or aryl having 6 to 12 carbon atoms In some cases, they may be the same or different, e represents a value of 0 to 4, and j represents a value of 0 to 1. However, when i = 1, the sum of j Is a value less than 2.)
Among these, from the viewpoint of ease of processing, it is preferable to include a structure in which e is 0, i is 1 and j is 0 in the above formula (8), specifically, a structure represented by the following formula (9). A main chain skeleton having

Figure 2011084728
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(式(9)中、X3は上記と同様。)
スルホン酸基導入率の高いユニットおよびスルホン酸基導入率の低いユニットの数平均分子量は、各々、200以上が好ましく、1000以上がより好ましく2000以上がさらに好ましい。数平均分子量の上限は、特に設定されるわけではなく、100000であってもよいが、好ましくは60000である。
(In formula (9), X 3 is the same as above.)
The number average molecular weights of the unit having a high sulfonic acid group introduction rate and the unit having a low sulfonic acid group introduction rate are each preferably 200 or more, more preferably 1000 or more, and still more preferably 2000 or more. The upper limit of the number average molecular weight is not particularly set and may be 100,000, but is preferably 60000.

本発明の高分子電解質は、スルホン酸基導入率の高いユニットと、スルホン酸基導入率の低いユニットを含むブロック共重合体であればよく、特に限定されるわけではないが、膜にしたときのプロトン伝導及び、形状安定性の観点から、スルホン酸基導入率の高いユニットを10〜90重量%の割合で含有していることが好ましい。 The polymer electrolyte of the present invention is not particularly limited as long as it is a block copolymer including a unit having a high sulfonic acid group introduction rate and a unit having a low sulfonic acid group introduction rate. From the viewpoint of proton conduction and shape stability, it is preferable to contain 10 to 90% by weight of units having a high sulfonic acid group introduction rate.

<高分子電解質の製造>
本発明の高分子電解質の製造法として、主に2通りの方法がありいずれの方法で行うこともできる。
<Manufacture of polymer electrolyte>
There are mainly two methods for producing the polymer electrolyte of the present invention, and any method can be used.

第一の製法は、ユニット前駆体またはブロック共重合体を製造してからスルホン酸基へと変換する方法である。ただし、ここでのユニット前駆体またはブロック共重合体は、スルホン酸基、または酸化処理などによりスルホン酸基へと変換可能なスルフィド結合、スルホキシド結合、スルホン結合などの硫黄含有部位を有するモノマー、オリゴマー、またはポリマー、およびこれらのスルホン酸基誘導体のいずれかを使用して合成されるものである。 The first production method is a method in which a unit precursor or a block copolymer is produced and then converted into a sulfonic acid group. However, the unit precursor or block copolymer here is a monomer or oligomer having a sulfonic acid group or a sulfur-containing site such as a sulfide bond, a sulfoxide bond or a sulfone bond that can be converted into a sulfonic acid group by oxidation treatment or the like. Or a polymer and any of these sulfonic acid group derivatives.

第二の製法は、電子吸引基を有さない芳香環を多く有するユニット前駆体またはブロック共重合体を製造してからスルホン化反応によりスルホン酸基を導入する方法である。なかでも、製造工程の簡便化の観点から、ブロック共重合体を製造してから、スルホン化反応によりスルホン酸基導入率の高いユニットを形成することが好ましい。 The second production method is a method in which a sulfonic acid group is introduced by a sulfonation reaction after producing a unit precursor or a block copolymer having many aromatic rings having no electron withdrawing group. Among these, from the viewpoint of simplifying the production process, it is preferable to form a unit having a high introduction rate of sulfonic acid groups by sulfonation after the block copolymer is produced.

ここでは、第二の製法による高分子電解質の製造方法を説明する。 Here, a method for producing a polymer electrolyte by the second production method will be described.

(ユニット前駆体の合成法)
各ユニット前駆体の合成法としては様々な方法が可能であり、一般的な重合方法(例えば、「新高分子実験学3 高分子の合成法・反応(2)縮合系高分子の合成」p.7−57、p.399−401、(1996)共立出版株式会社、など)を適用することができる。
(Synthesis method of unit precursor)
Various methods can be used for synthesizing each unit precursor, such as general polymerization methods (for example, “New Polymer Experimental 3 Polymer Synthesis Method / Reaction (2) Condensation Polymer Synthesis” p. 7-57, p.399-401, (1996) Kyoritsu Publishing Co., Ltd.) can be applied.

重合反応は酸素があまり存在しない雰囲気で行うことが好ましく、不活性ガス雰囲気、たとえば窒素ガス雰囲気下やアルゴンガス雰囲気下で行うのが好ましい。 The polymerization reaction is preferably performed in an atmosphere that does not contain much oxygen, and is preferably performed in an inert gas atmosphere, such as a nitrogen gas atmosphere or an argon gas atmosphere.

好ましい重合反応としては、ジハライドと、フェノール性水酸基を有するジオールとの重縮合反応が例示される。 As a preferable polymerization reaction, a polycondensation reaction between a dihalide and a diol having a phenolic hydroxyl group is exemplified.

スルホン酸基導入率の高いユニット前駆体に式(1)および/または式(2)の構造を含有させるため、ジハライドとして、例えば、2,3−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、2,5−ジフルオロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,3−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,5−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,3−ジフルオロピリジン、2,4−ジフルオロピリジン、2,5−ジフルオロピリジン、2,6−ジフルオロピリジン、2,3−ジクロロピリジン、2,4−ジクロロピリジン、2,5−ジクロロピリジン又は2,6−ジクロロピリジンなどを使用するのが好ましい。中でも原料入手の観点から、2,6−ジフルオロピリジン、2,6−ジクロロピリジン、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,6−ジクロロベンゾニトリルが好ましい。これらは1種のみを使用してもよいが、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 In order to incorporate the structure of the formula (1) and / or the formula (2) into the unit precursor having a high introduction rate of sulfonic acid group, as the dihalide, for example, 2,3-difluorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, 2,5-difluorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,3-dichlorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,5-dichlorobenzonitrile, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2, 3-difluoropyridine, 2,4-difluoropyridine, 2,5-difluoropyridine, 2,6-difluoropyridine, 2,3-dichloropyridine, 2,4-dichloropyridine, 2,5-dichloropyridine or 2,6 -It is preferable to use dichloropyridine or the like. Among these, 2,6-difluoropyridine, 2,6-dichloropyridine, 2,6-difluorobenzonitrile, and 2,6-dichlorobenzonitrile are preferable from the viewpoint of obtaining raw materials. These may be used alone or in combination of two or more.

スルホン酸基導入率の高いユニット前駆体の合成には、フェノール性水酸基を有するジオールとしては、芳香環を少なくとも一つ有し、フェノール性水酸基を少なくとも二つ有するものを使用できる。例えば、ヒドロキノン、レソルシノール、カテコール、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、2,2−ビス(2−ヒドロキシ−5−ビフェニルイル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、2,3−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,4−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,5−ジヒドロキシベンゾフェノン、3,4−ジヒドロキシベンゾフェノン、3,5−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,2´−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,3´−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン、3,3´−ジヒドロキシベンゾフェノン、3,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,3−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,4−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,5−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,4−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,5−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,2´−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,3´−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,4´−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3´−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,4´−ジヒドロキシジフェニルスルホン、4,4´−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,3−ジヒドロキシビフェニル、2,4−ジヒドロキシビフェニル、2,5−ジヒドロキシビフェニル、3,4−ジヒドロキシビフェニル、3,5−ジヒドロキシビフェニル、2,2´−ジヒドロキシビフェニル、2,3´−ジヒドロキシビフェニル、2,4´−ジヒドロキシビフェニル、3,3´−ジヒドロキシビフェニル、3,4´−ジヒドロキシビフェニル、4,4´−ジヒドロキシビフェニル、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシ−3−フェニルフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジフェニルフェニル)フルオレン、1,2−ジヒドロキシナフタレン、1,3−ジヒドロキシナフタレン、1,4−ジヒドロキシナフタレン、1,5−ジヒドロキシナフタレン、1,6−ジヒドロキシナフタレン、1,7−ジヒドロキシナフタレン、1,8−ジヒドロキシナフタレン、2,3−ジヒドロキシナフタレン、2,6−ジヒドロキシナフタレン、2,7−ジヒドロキシナフタレン、1,1´−ビ−2−ナフトール、1,1´−ビ−3−ナフトール、1,1´−ビ−4−ナフトール、1,1´−ビ−5−ナフトール、1,1´−ビ−6−ナフトール、1,1´−ビ−7−ナフトール、1,1´−ビ−8−ナフトール、2,2´−ビ−1−ナフトール、2,2´−ビ−3−ナフトール、2,2´−ビ−4−ナフトール、2,2´−ビ−5−ナフトール、2,2´−ビ−6−ナフトール、2,2´−ビ−7−ナフトール、2,2´−ビ−8−ナフトールおよびこれらの誘導体などが挙げられる。中でも、スルホン酸基導入率を高める観点から、電子吸引基を含まないものが好ましい。これらは1種のみを使用してもよいが、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 For the synthesis of a unit precursor having a high sulfonic acid group introduction rate, a diol having a phenolic hydroxyl group having at least one aromatic ring and at least two phenolic hydroxyl groups can be used. For example, hydroquinone, resorcinol, catechol, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) propane, 2,2-bis (2-hydroxy-) 5-biphenylyl) propane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, 2,3-dihydroxybenzophenone, 2,4-dihydroxybenzophenone, 2,5-dihydroxybenzophenone, 3,4-dihydroxybenzophenone, 3,5-dihydroxybenzophenone, 2,2'-dihydroxybenzophenone, 2,3'-dihydroxybenzophenone, 2,4'-dihydroxybenzophenone, 3,3'-dihydroxybenzophenone, 3,4'-dihydroxybenzophenone, 4,4 '-Jihi Roxybenzophenone, 2,3-dihydroxydiphenylsulfone, 2,4-dihydroxydiphenylsulfone, 2,5-dihydroxydiphenylsulfone, 3,4-dihydroxydiphenylsulfone, 3,5-dihydroxydiphenylsulfone, 2,2'-dihydroxydiphenyl Sulfone, 2,3′-dihydroxydiphenylsulfone, 2,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3′-dihydroxydiphenylsulfone, 3,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 2,3 -Dihydroxybiphenyl, 2,4-dihydroxybiphenyl, 2,5-dihydroxybiphenyl, 3,4-dihydroxybiphenyl, 3,5-dihydroxybiphenyl, 2,2'-dihydroxybiphenyl, 2 , 3'-dihydroxybiphenyl, 2,4'-dihydroxybiphenyl, 3,3'-dihydroxybiphenyl, 3,4'-dihydroxybiphenyl, 4,4'-dihydroxybiphenyl, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) Fluorene, 9,9-bis (4-hydroxy-3-phenylphenyl) fluorene, 9,9-bis (4-hydroxy-3,5-diphenylphenyl) fluorene, 1,2-dihydroxynaphthalene, 1,3-dihydroxy Naphthalene, 1,4-dihydroxynaphthalene, 1,5-dihydroxynaphthalene, 1,6-dihydroxynaphthalene, 1,7-dihydroxynaphthalene, 1,8-dihydroxynaphthalene, 2,3-dihydroxynaphthalene, 2,6-dihydroxynaphthalene 2,7-dihydroxynaphthalene 1,1'-bi-2-naphthol, 1,1'-bi-3-naphthol, 1,1'-bi-4-naphthol, 1,1'-bi-5-naphthol, 1,1'- Bi-6-naphthol, 1,1′-bi-7-naphthol, 1,1′-bi-8-naphthol, 2,2′-bi-1-naphthol, 2,2′-bi-3-naphthol, 2,2'-bi-4-naphthol, 2,2'-bi-5-naphthol, 2,2'-bi-6-naphthol, 2,2'-bi-7-naphthol, 2,2'-bi And -8-naphthol and derivatives thereof. Among these, those that do not contain an electron-withdrawing group are preferable from the viewpoint of increasing the sulfonic acid group introduction rate. These may be used alone or in combination of two or more.

スルホン酸基導入率の低いユニット前駆体の合成には、ジハライドとして、上記スルホン酸基導入率の高いユニットの製造に使用できるジハライドを同様に使用でき、その他、4,4´−ジフルオロベンゾフェノン、4,4´−ジクロロベンゾフェノン、4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4´−ジクロロジフェニルスルホン、またはこれらの構造異性体を用いることが出来る。また、ハロゲン置換基を2つ以上芳香環に有する芳香族化合物、芳香族カルボニル化合物、または芳香族スルホニル化合物、芳香族ニトリル化合物、芳香族ニトロ化合物、芳香族フルオロアルキル化合物も用いることが出来る。 For the synthesis of a unit precursor having a low introduction rate of sulfonic acid group, a dihalide that can be used for the production of the unit having a high introduction rate of sulfonic acid group can be used as a dihalide, and 4,4′-difluorobenzophenone, 4 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, or structural isomers thereof. An aromatic compound, an aromatic carbonyl compound, an aromatic sulfonyl compound, an aromatic nitrile compound, an aromatic nitro compound, or an aromatic fluoroalkyl compound having two or more halogen substituents on the aromatic ring can also be used.

ジオールとしては、スルホン酸基導入率の高いユニット前駆体の合成に使用できるジオールが同様に使用できる。中でも、スルホン酸基導入率の調整の観点から、ヒドロキノン、レソルシノール、カテコール、あるいは電子吸引基を含むものが好ましい。 As the diol, a diol that can be used for the synthesis of a unit precursor having a high sulfonic acid group introduction rate can be used. Of these, hydroquinone, resorcinol, catechol, or an electron-withdrawing group is preferred from the viewpoint of adjusting the sulfonic acid group introduction rate.

重縮合反応には炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウムなどの金属炭酸塩、水酸化カリウムや水酸化ナトリウムなどの金属水酸化物などの塩基を一種以上用いることができる。 In the polycondensation reaction, one or more bases such as metal carbonates such as potassium carbonate, sodium carbonate and calcium carbonate, and metal hydroxides such as potassium hydroxide and sodium hydroxide can be used.

溶媒としては、重合を禁止するものでなければ特に制限は無く、例えば、複素環化合物(3−メチル−2−オキサゾリジノン、1−メチル−2−ピロリドン(以下NMPと略す)、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン(以下DMIと略す))、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等)、二トリル化合物類(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等)、非プロトン性極性物質(ジメチルスルホキシド(以下DMSOと略す)、スルホラン、ジメチルホルムアミド(以下DMFと略す)、ジメチルアセトアミド(以下DMAcと略す)等)、非極性溶媒(ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレン等)、ハロゲン系溶媒(クロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン等)、水等が列挙できる。溶解度の点から、DMIやNMPなどの複素環化合物やDMSOやDMF、DMAcなどの非プロトン性極性物質がポリマーの溶解性が高く好ましい。なかでもDMIやDMSO、DMF、DMAcが特にポリマーの溶解性が高く好ましい。これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。またシクロヘキサンやトルエンなどの溶媒を共に用い、重合により生じる水を系中から除いてもよい。 The solvent is not particularly limited as long as polymerization is not prohibited, and examples thereof include heterocyclic compounds (3-methyl-2-oxazolidinone, 1-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter abbreviated as NMP), 1,3-dimethyl. -2-imidazolidinone (hereinafter abbreviated as DMI)), cyclic ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), chain ethers (diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, etc.), nitrile compounds (acetonitrile, glutarodinitrile, Methoxyacetonitrile, etc.), aprotic polar substances (dimethyl sulfoxide (hereinafter abbreviated as DMSO), sulfolane, dimethylformamide (hereinafter abbreviated as DMF), dimethylacetamide (hereinafter abbreviated as DMAc)), nonpolar solvents (hexane, cyclohexane, Benzene, toluene, xyle Etc.), halogenated solvents (chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, etc.), water and the like can be enumerated. From the viewpoint of solubility, heterocyclic compounds such as DMI and NMP and aprotic polar substances such as DMSO, DMF, and DMAc are preferable because of high polymer solubility. Among these, DMI, DMSO, DMF, and DMAc are particularly preferable because of high polymer solubility. These may be used alone or in combination of two or more. Further, a solvent such as cyclohexane or toluene may be used together to remove water generated by polymerization from the system.

反応温度は重合反応に用いるモノマーの反応性、安定性に応じて適宜設定でき、好ましくは20℃〜300℃に設定すればよく、より好ましくは40℃〜250℃であり、さらに好ましくは70℃〜240℃である。この範囲よりも低温であれば反応速度が著しく低下する傾向があり、一方、高温であればモノマーおよびポリマーの分解が進行する恐れがある。 The reaction temperature can be appropriately set according to the reactivity and stability of the monomer used in the polymerization reaction, preferably 20 ° C to 300 ° C, more preferably 40 ° C to 250 ° C, and even more preferably 70 ° C. ~ 240 ° C. If the temperature is lower than this range, the reaction rate tends to be remarkably reduced. On the other hand, if the temperature is higher, the decomposition of the monomer and polymer may proceed.

重合反応工程では停止操作を行うことが好ましく、これは冷却、希釈、重合禁止剤の添加によって行うことができる。重合反応工程の後に生成した高分子を取り出してもよい。さらに精製工程を追加してもよい。 In the polymerization reaction step, it is preferable to perform a stopping operation, which can be performed by cooling, diluting, or adding a polymerization inhibitor. The polymer produced after the polymerization reaction step may be taken out. Further purification steps may be added.

ジハライドと、フェノール性水酸基を有するジオールとのモル比を変えることで、両末端にハロゲンの付いたハロゲン末端のポリマー、または両末端にフェノール性水酸基のついたフェノール性水酸基末端のポリマーを作ることができる。 By changing the molar ratio of dihalide and diol having phenolic hydroxyl groups, it is possible to produce halogen-terminated polymers with halogens at both ends, or phenolic hydroxyl-terminated polymers with phenolic hydroxyl groups at both ends. it can.

(ブロック共重合体の製造)
スルホン酸基導入率の高いユニット前駆体と、スルホン酸基導入率の低いユニット前駆体とを重縮合反応で合成することができ、重合条件等は上述と同様の条件で行うことができる。いずれかのユニット前駆体をフェノール性水酸基末端に、もう一方のユニット前駆体をハロゲン末端にしておき、これらの重縮合反応によりブロック共重合体を得ることができる。いずれのユニット前駆体もフェノール性水酸基末端にしておき、連結剤を用いて、これらユニット前駆体を連結させてブロック共重合体を得ることもできる。連結基としては、2価や3価の連結基、またはデカフルオロビフェニルなどの多価の連結基を用いることができる。いずれのユニット前駆体もハロゲン末端にしておき、ジオールを用いて、これらユニット前駆体を連結させてブロック共重合体を得ることもできる。ジオールには、前述のジオールが同様に適用されうる。
(Manufacture of block copolymer)
A unit precursor having a high sulfonic acid group introduction rate and a unit precursor having a low sulfonic acid group introduction rate can be synthesized by a polycondensation reaction, and the polymerization conditions and the like can be performed under the same conditions as described above. One of the unit precursors is terminated with a phenolic hydroxyl group and the other unit precursor is terminated with a halogen, and a block copolymer can be obtained by a polycondensation reaction. Any of the unit precursors may be terminated with a phenolic hydroxyl group, and these unit precursors may be linked using a linking agent to obtain a block copolymer. As the linking group, a divalent or trivalent linking group, or a polyvalent linking group such as decafluorobiphenyl can be used. Any of the unit precursors may be halogen-terminated, and a diol may be used to link these unit precursors to obtain a block copolymer. As the diol, the above-mentioned diols can be similarly applied.

合成工程の簡略化のために、いずれかのユニット前駆体をあらかじめ合成しておき、その反応容器にモノマーを追加し、もう一方のユニットを合成すると共にブロック共重合体を合成しても良い。 In order to simplify the synthesis process, one of the unit precursors may be synthesized in advance, a monomer may be added to the reaction vessel, the other unit may be synthesized, and a block copolymer may be synthesized.

(スルホン酸基導入)
スルホン酸基の導入は、ブロック共重合体の合成前でもよく、ブロック共重合体の合成後でもよい。
(Introduction of sulfonic acid group)
The introduction of the sulfonic acid group may be before the synthesis of the block copolymer or after the synthesis of the block copolymer.

スルホン化剤としては、例えば硫酸、クロロスルホン酸、発煙硫酸などが挙げられる。中でも、硫酸やクロロスルホン酸が適度な反応性を有しているため好ましい。 Examples of the sulfonating agent include sulfuric acid, chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid and the like. Among these, sulfuric acid and chlorosulfonic acid are preferable because they have appropriate reactivity.

溶媒としては反応を阻害するものでなければ特に制限は無く、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、1,2−ジクロロエタン、エチレンクロリド等)、スルホン酸類(メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸など)、硫酸、水が列挙できる。中でも、溶解度の点からメチレンクロリドや1,2−ジクロロエタンなどの塩素系溶媒が好ましい。これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。 The solvent is not particularly limited as long as it does not inhibit the reaction, and cyclic ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), chain ethers (diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, etc.), nonpolar solvents (toluene, xylene, etc.) Listed are chlorinated solvents (methylene chloride, 1,2-dichloroethane, ethylene chloride, etc.), sulfonic acids (methanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, etc.), sulfuric acid, and water. Of these, chlorinated solvents such as methylene chloride and 1,2-dichloroethane are preferred from the viewpoint of solubility. These may be used alone or in combination of two or more.

反応温度は反応に応じて適宜設定すればよく、具体的にはスルホン化剤の最適使用範囲である−80℃〜200℃に設定するのが好ましく、−50℃〜160℃がより好ましく、−20℃〜140℃がさらに好ましい。この範囲よりも低温であれば反応が遅くなる傾向があり、高温であれば急激な反応が起こり目的とする部位以外にもスルホン化が進行してしまう恐れがある。 What is necessary is just to set reaction temperature suitably according to reaction, Specifically, it is preferable to set to -80 degreeC-200 degreeC which is the optimal use range of a sulfonating agent, -50 degreeC-160 degreeC is more preferable,- 20 to 140 ° C. is more preferable. If the temperature is lower than this range, the reaction tends to be slow, and if the temperature is high, a rapid reaction occurs and sulfonation may progress to other than the intended site.

<高分子電解質膜>
本発明の高分子電解質は、それ単独で、またはその他成分を含有した複合体の形態で、膜状に成型して高分子電解質膜に使用することができる。
<Polymer electrolyte membrane>
The polymer electrolyte of the present invention can be used alone or in the form of a complex containing other components and formed into a membrane to be used as a polymer electrolyte membrane.

製膜方法としては、公知の方法が適宜使用され得る。例えば、ホットプレス法、インフレーション法、Tダイ法などの溶融押出成形、キャスト法、エマルション法などの溶液からの製膜方法が例示され得る。例えば、高分子電解質を、Tダイがセットされた押出機に投入し、溶融混練しながら製膜を行なう方法が挙げられる。製膜工程で前記複合化を行うことも可能である。キャスト法の場合、粘度を調整した高分子電解質、または高分子電解質複合体の溶液を、ガラス板などの平板上に、バーコーター、ブレードコーターなどを用いて塗布し、溶媒を気化させて膜を得ることができる。工業的には溶液を連続的にコートダイからベルト上に塗布し、溶媒を気化させて長尺物を得る方法も一般的である。 As a film forming method, a known method can be appropriately used. For example, a film forming method from a solution such as a hot extrusion method, an inflation method, a melt extrusion molding method such as a T-die method, a casting method, or an emulsion method can be exemplified. For example, a method in which a polymer electrolyte is put into an extruder in which a T die is set, and film formation is performed while melt kneading can be mentioned. It is also possible to perform the composite in the film forming process. In the case of the casting method, a polymer electrolyte or polymer electrolyte complex solution with adjusted viscosity is applied onto a flat plate such as a glass plate using a bar coater, blade coater, etc., and the solvent is evaporated to form a membrane. Obtainable. Industrially, it is also common to apply a solution continuously from a coating die onto a belt and vaporize the solvent to obtain a long product.

高分子電解質膜の分子配向などを制御するために、得られた高分子電解質膜に対して二軸延伸などの処理を施したり、結晶化度を制御するための熱処理を施したりしてもよい。高分子電解質膜の機械的強度を向上させるために各種フィラーを添加したり、ガラス不織布などの補強剤と高分子電解質膜とをプレスにより複合化させてもよい。 In order to control the molecular orientation of the polymer electrolyte membrane, the obtained polymer electrolyte membrane may be subjected to a treatment such as biaxial stretching or a heat treatment for controlling the crystallinity. . In order to improve the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane, various fillers may be added, or a reinforcing agent such as a glass nonwoven fabric and the polymer electrolyte membrane may be combined by pressing.

高分子電解質膜の厚さは、用途に応じて任意の厚さを選択することができる。例えば、得られる高分子電解質膜の内部抵抗を低減することを考慮した場合、高分子フィルムの厚みは薄い程よい。一方、得られた高分子電解質膜のガス、メタノール遮断性やハンドリング性を考慮すると、高分子電解質膜の厚みは薄すぎると好ましくない場合がある。これらを考慮すると、高分子電解質膜の厚みは、1.2μm以上350μm以下であることが好ましい。高分子電解質膜の厚さが上記数値の範囲内であれば、取り扱いが容易であり、破損が生じ難いなどハンドリング性が向上する。高分子電解質膜のプロトン伝導性も所望の範囲で発現させることができる。 As the thickness of the polymer electrolyte membrane, any thickness can be selected according to the application. For example, in consideration of reducing the internal resistance of the obtained polymer electrolyte membrane, the polymer film is preferably as thin as possible. On the other hand, when the gas, methanol barrier property and handling property of the obtained polymer electrolyte membrane are taken into consideration, it may not be preferable if the thickness of the polymer electrolyte membrane is too thin. Considering these, the thickness of the polymer electrolyte membrane is preferably 1.2 μm or more and 350 μm or less. When the thickness of the polymer electrolyte membrane is within the above range, handling is improved, such as easy handling and less damage. The proton conductivity of the polymer electrolyte membrane can also be expressed within a desired range.

高分子電解質膜は、製膜してからスルホン酸基を導入することも可能である。その場合、高分子電解質膜の製膜方法は、高分子電解質膜前駆体フィルムの製膜方法と読み替えることができる。つまり、スルホン酸基を導入する高分子、あるいはスルホン酸基を導入する高分子を含んだ複合体からフィルムを作製する方法を例示したことになる。この場合、フィルムをスルホン化することによって、最終的に高分子電解質膜を得ることになる。 It is also possible to introduce a sulfonic acid group after forming a polymer electrolyte membrane. In that case, the method for forming the polymer electrolyte membrane can be read as the method for forming the polymer electrolyte membrane precursor film. That is, a method for producing a film from a polymer that introduces a sulfonic acid group or a complex that includes a polymer that introduces a sulfonic acid group is exemplified. In this case, the polymer electrolyte membrane is finally obtained by sulfonating the film.

本発明の高分子電解質膜の特性をさらに向上させるために、電子線、γ線、イオンビーム等の放射線を照射させることも可能である。これらにより、高分子電解質膜中に架橋構造などが導入でき、さらに性能が向上する場合がある。またプラズマ処理やコロナ処理などの各種表面処理により、高分子電解質膜表面の触媒層との接着性を上げるなどの特性向上を図ることもできる。 In order to further improve the properties of the polymer electrolyte membrane of the present invention, it is possible to irradiate radiation such as electron beam, γ-ray, ion beam and the like. As a result, a crosslinked structure or the like can be introduced into the polymer electrolyte membrane, and the performance may be further improved. Also, various surface treatments such as plasma treatment and corona treatment can improve the properties such as improving the adhesion with the catalyst layer on the surface of the polymer electrolyte membrane.

<膜/電極接合体、燃料電池>
本発明にかかる高分子電解質は、様々な産業上の利用が考えられる。その利用(用途)については、特に制限されるものではないが、例えば、高分子電解質膜に加えて、膜/電極接合体(以下MEAと表記する)を挙げることができる。MEAは、例えば、燃料電池、特に、固体高分子形燃料電池、および直接メタノール形燃料電池等の燃料電池に用いることができる。
<Membrane / electrode assembly, fuel cell>
The polymer electrolyte according to the present invention can be used in various industries. The use (use) is not particularly limited, and examples thereof include a membrane / electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) in addition to the polymer electrolyte membrane. The MEA can be used for fuel cells such as fuel cells, in particular, polymer electrolyte fuel cells and direct methanol fuel cells.

本発明の高分子電解質は、安価で化学構造の多様性を持つ炭化水素系材料であって、プロトン伝導度、特に水分の少ない状況でのプロトン伝導度に有利な高イオン交換容量部位を有する。よって、本発明の膜/電極接合体や燃料電地は、本発明の高分子電解質を用いた高分子電解質膜、触媒層バインダーを備えているため、高い発電特性を奏することができる。 The polymer electrolyte of the present invention is a hydrocarbon-based material that is inexpensive and has a variety of chemical structures, and has a high ion exchange capacity site that is advantageous for proton conductivity, particularly proton conductivity in a state of low moisture. Therefore, since the membrane / electrode assembly and fuel cell of the present invention include the polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte of the present invention and the catalyst layer binder, high power generation characteristics can be achieved.

本発明の高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池の一実施形態について、図面を用いて説明する。 An embodiment of a polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本実施の形態にかかる高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池の要部断面の構造を模式的に示す図である。同図に示すように、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池10は、高分子電解質膜1、触媒層2・2、拡散層3・3、セパレーター4・4を備えている。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a main part of a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane according to the present embodiment. As shown in the figure, a polymer electrolyte fuel cell 10 according to the present embodiment includes a polymer electrolyte membrane 1, catalyst layers 2 and 2, diffusion layers 3 and 3, and separators 4 and 4.

高分子電解質膜1は、固体高分子形燃料電池10のセルの略中心部に位置している。触媒層2は、高分子電解質膜1に接触するように設けられている。拡散層3は、触媒層2に隣接して設けられており、さらにその外側にセパレーター4が配置されている。セパレーター4には、燃料ガスまたは液体(メタノール水溶液など)、並びに、酸化剤を送り込むための流路5が形成されている。これらの部材は、固体高分子形燃料電池10のセルとして構成されていると換言できる。 The polymer electrolyte membrane 1 is located substantially at the center of the cell of the solid polymer fuel cell 10. The catalyst layer 2 is provided in contact with the polymer electrolyte membrane 1. The diffusion layer 3 is provided adjacent to the catalyst layer 2, and a separator 4 is disposed on the outer side thereof. The separator 4 is formed with a flow path 5 for feeding fuel gas or liquid (such as aqueous methanol solution) and an oxidant. In other words, these members are configured as cells of the polymer electrolyte fuel cell 10.

一般的に、高分子電解質膜1に触媒層2を接合したものや、高分子電解質膜1に触媒層2と拡散層3を接合したものは、膜/電極接合体(本明細中ではMEAとも表記)といわれ、固体高分子形燃料電池の基本部材として使用される。 Generally, a polymer electrolyte membrane 1 with a catalyst layer 2 joined, or a polymer electrolyte membrane 1 with a catalyst layer 2 and a diffusion layer 3 joined together is a membrane / electrode assembly (also referred to as MEA in this specification). It is used as a basic member of a polymer electrolyte fuel cell.

MEAを作製する方法は、従来検討されている、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜やその他の炭化水素系高分子電解質膜(例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンサルファイドなど)で行われる公知の方法が適用可能である。 Methods for producing MEA are conventionally studied polymer electrolyte membranes made of perfluorocarbon sulfonic acid and other hydrocarbon polymer electrolyte membranes (for example, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfone). A known method performed with a sulfonated polysulfone, a sulfonated polyimide, a sulfonated polyphenylene sulfide, or the like is applicable.

MEAの具体的作製方法の一例を下記に示すが、本発明はこれに限定されるものではない。 An example of a specific method for producing MEA is shown below, but the present invention is not limited to this.

触媒層2の形成は、高分子電解質である触媒層バインダーの溶液または分散液に、金属担持触媒を分散させて、触媒層形成用の分散溶液を調合する。この分散溶液をPTFEなどの離型フィルム上にスプレーで塗布して分散溶液中の溶媒を乾燥・除去し、離型フィルム上に所定の触媒層2を形成させる。この離型フィルム上に形成した触媒層2を高分子電解質膜1の両面に配置し、所定の加熱・加圧条件下でホットプレスし、高分子電解質膜1と触媒層2を接合し、離型フィルムをはがすことによって、高分子電解質膜1の両面に触媒層2が形成されたMEAが作製できる。 The catalyst layer 2 is formed by preparing a dispersion solution for forming a catalyst layer by dispersing a metal-supported catalyst in a solution or dispersion of a catalyst layer binder which is a polymer electrolyte. The dispersion solution is applied onto a release film such as PTFE by spraying, and the solvent in the dispersion solution is dried and removed to form a predetermined catalyst layer 2 on the release film. The catalyst layer 2 formed on the release film is disposed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1, and hot-pressed under predetermined heating and pressurizing conditions to join the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2 and release them. The MEA in which the catalyst layers 2 are formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 can be produced by peeling the mold film.

また、上記分散溶液を、コーターなどを用いて拡散層3上に塗工して、分散溶液中の溶媒を乾燥・除去し、拡散層3上に触媒層2が形成された触媒担持ガス拡散電極を作製し、高分子電解質膜1の両側にその触媒担持ガス拡散電極の触媒層2側を配置し、所定の加熱・加圧条件下でホットプレスすることによって、高分子電解質膜1の両面に触媒層2と拡散層3とが形成されたMEAが製造できる。なお、上記触媒担持ガス拡散電極には、市販のガス拡散電極(米国E−TEK社製、など)を使用しても構わない。 Also, a catalyst-carrying gas diffusion electrode in which the dispersion solution is coated on the diffusion layer 3 using a coater or the like, the solvent in the dispersion solution is dried and removed, and the catalyst layer 2 is formed on the diffusion layer 3 Are arranged on both sides of the polymer electrolyte membrane 1, and the catalyst layer 2 side of the catalyst-carrying gas diffusion electrode is placed on both sides of the polymer electrolyte membrane 1 by hot pressing under predetermined heating and pressurizing conditions. An MEA in which the catalyst layer 2 and the diffusion layer 3 are formed can be manufactured. Note that a commercially available gas diffusion electrode (manufactured by E-TEK, Inc., USA) may be used as the catalyst-carrying gas diffusion electrode.

上記高分子電解質の溶液としては、パーフルオロカーボンスルホン酸高分子化合物のアルコール溶液(アルドリッチ社製ナフィオン(登録商標)溶液など)や、スルホン化された芳香族高分子化合物(例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンサルファイドなど)の有機溶媒溶液などが使用できる。上記金属担持触媒としては、高比表面積の導電性粒子が担体として使用可能であり、例えば、活性炭、カーボンブラック、ケッチェンブラック、バルカン、カーボンナノホーン、フラーレン、カーボンナノチューブなどの炭素材料が例示できる。 Examples of the polymer electrolyte solution include an alcohol solution of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer compound (such as Nafion (registered trademark) solution manufactured by Aldrich) or a sulfonated aromatic polymer compound (eg, sulfonated polyether ether). An organic solvent solution of ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polyimide, sulfonated polyphenylene sulfide, etc.) can be used. As the metal-supported catalyst, conductive particles having a high specific surface area can be used as a carrier, and examples thereof include carbon materials such as activated carbon, carbon black, ketjen black, vulcan, carbon nanohorn, fullerene, and carbon nanotube.

金属触媒としては、燃料の酸化反応および酸素の還元反応を促進するものであれば使用可能であり、燃料極と酸化剤極で同じであっても異なっていても構わない。例えば、白金、ルテニウムなどの貴金属あるいはそれらの合金などが例示でき、それらの触媒活性の促進や、反応副生物による被毒を抑制するための助触媒を添加しても構わない。 Any metal catalyst may be used as long as it promotes the fuel oxidation reaction and oxygen reduction reaction, and the fuel electrode and the oxidant electrode may be the same or different. For example, noble metals such as platinum and ruthenium or alloys thereof can be exemplified, and a promoter for promoting their catalytic activity or suppressing poisoning by reaction by-products may be added.

上記触媒層形成用の分散溶液は、スプレーで塗布したり、コーターで塗工したりしやすい粘度に調整するため、水や有機溶媒で適宜希釈しても構わない。また、必要に応じて触媒層2に撥水性を付与するため、テトラフルオロエチレンなどのフッ素系化合物を混合してもよい。 The dispersion solution for forming the catalyst layer may be appropriately diluted with water or an organic solvent in order to adjust the viscosity so that it can be easily applied by spraying or coated by a coater. Moreover, you may mix fluorine-type compounds, such as tetrafluoroethylene, in order to provide water repellency to the catalyst layer 2 as needed.

上記拡散層3としては、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの多孔質の導電性材料が使用可能である。これらは燃料や酸化剤の拡散性や反応副生物や未反応物質の排出性を促進するため、テトラフルオロエチレンなどで被覆して撥水性を付与したものを使用するのが好ましい。また、高分子電解質膜1と触媒層2との間に必要に応じて前述したような高分子電解質からなる接着層を設けてもよい。 As the diffusion layer 3, a porous conductive material such as carbon cloth or carbon paper can be used. In order to promote the diffusibility of the fuel and the oxidant and the discharge of reaction by-products and unreacted substances, it is preferable to use those which are coated with tetrafluoroethylene or the like to impart water repellency. Further, an adhesive layer made of a polymer electrolyte as described above may be provided between the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2 as necessary.

高分子電解質膜1と触媒層2を加熱・加圧条件下でホットプレスする条件は、使用する高分子電解質膜1や触媒層2に含まれる高分子電解質の種類に応じて適宜設定する必要がある。上記条件としては、一般的に高分子電解質膜1や触媒層2に含まれる高分子電解質の熱劣化や熱分解温度以下であって、高分子電解質膜1あるいは触媒層2に含まれる高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度、さらには高分子電解質膜1および触媒層2に含まれる高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度条件下であることが好ましい。 The conditions for hot pressing the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2 under heating and pressurizing conditions need to be appropriately set according to the type of polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2 to be used. is there. The above-mentioned condition is that the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane 1 or the catalyst layer 2 is generally below the thermal degradation or thermal decomposition temperature of the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane 1 or the catalyst layer 2. It is preferable that the glass transition point and the softening point are higher than the glass transition point, and the temperature condition is higher than the glass transition point and the softening point of the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2.

加圧条件としては、概ね0.1MPa以上20MPa以下の範囲であることが、高分子電解質膜1と触媒層2が充分に接触するとともに、使用材料の著しい変形にともなう特性低下がなく好ましい。特にMEAが高分子電解質膜1と触媒層2とからのみ形成される場合は、拡散層3を触媒層2の外側に配置して特に接合することなく接触させるのみで使用しても構わない。 As the pressurizing condition, it is preferable that the pressure is in the range of about 0.1 MPa or more and 20 MPa or less because the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2 are in sufficient contact with each other and there is no deterioration in characteristics due to significant deformation of the material used. In particular, when the MEA is formed only from the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2, the diffusion layer 3 may be disposed outside the catalyst layer 2 and used only by contacting without being joined.

上記のような方法で得られたMEAを、燃料ガスまたは液体、並びに、酸化剤を送り込む流路5が形成された一対のセパレーター4などの間に挿入することにより、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池10が得られる。 The MEA obtained by the above method is inserted between a pair of separators 4 in which a flow path 5 for feeding fuel gas or liquid and an oxidant is formed, and the solid according to the present embodiment. A polymer fuel cell 10 is obtained.

上記セパレーター4としてはカーボングラファイトやステンレス鋼の導電性材料のものが使用できる。特にステンレス鋼などの金属製材料を使用する場合は、耐腐食性の処理を施していることが好ましい。 As the separator 4, a conductive material such as carbon graphite or stainless steel can be used. In particular, when a metal material such as stainless steel is used, it is preferable to perform a corrosion resistance treatment.

上記の固体高分子形燃料電池10に対して、燃料ガスまたは液体として、水素を主たる成分とするガスや、メタノールを主たる成分とするガスまたは液体を、酸化剤として、酸素を含むガス(酸素あるいは空気)を、それぞれ別個の流路5より、拡散層3を経由して触媒層2に供給することにより、固体高分子形燃料電池は発電する。このとき燃料として、例えば、含水素液体を使用する場合には直接液体形燃料電池となるし、メタノールを使用する場合には直接メタノール形燃料電池となる。つまり、固体高分子形燃料電池10について例示した上記実施形態は、そのまま直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池についても適用可能といえる。 For the polymer electrolyte fuel cell 10 described above, a gas containing hydrogen as a main component or a gas or liquid containing methanol as a main component as a fuel gas or liquid, and a gas containing oxygen (oxygen or oxygen) as an oxidant. The solid polymer fuel cell generates electric power by supplying air) to the catalyst layer 2 via the diffusion layer 3 from the respective separate flow paths 5. At this time, for example, when a hydrogen-containing liquid is used as the fuel, a direct liquid fuel cell is obtained, and when methanol is used, a direct methanol fuel cell is obtained. That is, it can be said that the above-described embodiment exemplified for the polymer electrolyte fuel cell 10 can be applied to a direct liquid fuel cell and a direct methanol fuel cell as they are.

なお、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池10を単独で、あるいは複数積層して、スタックを形成し使用することや、それらを組み込んだ燃料電池システムとすることもできる。 In addition, the polymer electrolyte fuel cell 10 according to the present embodiment can be used alone or in a stacked manner to form a stack, or a fuel cell system incorporating them.

なお、上述した例以外にも、本発明にかかる高分子電解質膜は、特開2001−313046号公報、特開2001−313047号公報、特開2001−93551号公報、特開2001−93558号公報、特開2001−93561号公報、特開2001−102069号公報、特開2001−102070号公報、特開2001−283888号公報、特開2000−268835号公報、特開2000−268836号公報、特開2001−283892号公報等で公知になっている固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池の電解質膜として、使用可能である。これらの公知の特許文献に基づけば、当業者であれば、本発明の高分子電解質膜を用いて容易に固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池を構成することができる。 In addition to the examples described above, the polymer electrolyte membrane according to the present invention is disclosed in JP 2001-313046, JP 2001-313047, JP 2001-93551, and JP 2001-93558. JP-A-2001-93561, JP-A-2001-102069, JP-A-2001-102070, JP-A-2001-283888, JP-A-2000-268835, JP-A-2000-268836, It can be used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell or a direct methanol fuel cell, which is publicly known in Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2001-283893. Based on these known patent documents, those skilled in the art can easily construct a solid polymer fuel cell or a direct methanol fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention.

以下実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, examples will be shown, and the embodiment of the present invention will be described in more detail. Of course, the present invention is not limited to the following examples.

合成例で得られたポリマーの分子量、実施例で得られた高分子電解質のイオン交換容量および高分子電解質膜のプロトン伝導度は次にとおり測定した。 The molecular weight of the polymer obtained in the synthesis example, the ion exchange capacity of the polymer electrolyte obtained in the example, and the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane were measured as follows.

〔分子量の測定方法〕
GPC法により分子量を測定した。条件は以下の通り。
[Measurement method of molecular weight]
The molecular weight was measured by GPC method. The conditions are as follows.

GPC測定装置 TOSOH社製 HLC−8220
カラム SHOWA DENKO社製 SuperAW4000、S uperAW2500の2本を直列に接続
カラム温度 40℃
移動相溶媒 NMP(LiBrを10mmol/dm3になるように添加)
溶媒流量 0.3mL/min
〔イオン交換容量(以下IECと略す)の測定方法〕
対象となる電解質膜(約100mg:十分に乾燥)を25℃での塩化ナトリウム飽和水溶液20mLに浸漬し、ウォーターバス中で60℃、3時間イオン交換反応させた。25℃まで冷却し、次いで膜をイオン交換水で充分に洗浄し、塩化ナトリウム飽和水溶液および洗浄水をすべて回収した。この回収した溶液に、指示薬としてフェノールフタレイン溶液を加え、0.01Nの水酸化ナトリウム水溶液で中和滴定し、IECを算出した。
GPC measuring device HLC-8220 manufactured by TOSOH
Two columns, Super AW 4000 and Super AW 2500, manufactured by SHOWA DENKO, are connected in series. Column temperature 40 ° C
Mobile phase solvent NMP (LiBr added to 10 mmol / dm 3 )
Solvent flow rate 0.3 mL / min
[Method of measuring ion exchange capacity (hereinafter abbreviated as IEC)]
A target electrolyte membrane (about 100 mg: sufficiently dried) was immersed in 20 mL of a saturated aqueous solution of sodium chloride at 25 ° C., and subjected to an ion exchange reaction in a water bath at 60 ° C. for 3 hours. After cooling to 25 ° C., the membrane was thoroughly washed with ion exchanged water, and all of the saturated aqueous sodium chloride solution and the washing water were collected. To this collected solution, a phenolphthalein solution was added as an indicator, and neutralization titration was performed with a 0.01N sodium hydroxide aqueous solution to calculate IEC.

〔プロトン伝導度の測定方法〕
プロトン伝導度測定は恒温恒湿器(ESPEC社製、SH−221)を用いて温度と湿度を一定に保ち(約3時間)、インピーダンスアナライザー(日置社製、3532−50)を用いて、電解質の抵抗を測定した。具体的にはインピーダンスアナライザーにより50kHz〜5MHzまでの周波数応答性を測定し、次式からプロトン伝導性を算出した。
プロトン伝導度(S/cm)=D/(W×T×R)
ここでDは電極間距離(cm)、Wは膜幅(cm)、Tは膜厚(cm)、Rは測定した抵抗値(Ω)である。本測定においては、D=1cm、W=1cmで行い、膜厚はそれぞれのサンプルについてマイクロメーターを用いて測定した値を用いた。温度と湿度はそれぞれ85℃、30%RHとした。
[Measurement method of proton conductivity]
Proton conductivity measurement is performed using a constant temperature and humidity chamber (manufactured by ESPEC, SH-221), keeping the temperature and humidity constant (about 3 hours), and using an impedance analyzer (manufactured by Hioki, 3532-50) The resistance of was measured. Specifically, the frequency response from 50 kHz to 5 MHz was measured with an impedance analyzer, and the proton conductivity was calculated from the following equation.
Proton conductivity (S / cm) = D / (W × T × R)
Here, D is a distance between electrodes (cm), W is a film width (cm), T is a film thickness (cm), and R is a measured resistance value (Ω). In this measurement, D = 1 cm and W = 1 cm, and the film thickness was a value measured using a micrometer for each sample. The temperature and humidity were 85 ° C. and 30% RH, respectively.

〔合成例1〕
4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン12.2g、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン10.2g、炭酸カリウム8.6g、DMAc50mlおよびトルエン15mlを窒素雰囲気下混合し、180度に加熱した。8時間後室温まで冷却後反応溶液を水に加え、析出したポリマーをミキサーで細かく粉砕し濾過後乾燥し、ポリマー(以下P1と呼ぶ)を得た。得られたP1の分子量はMn=44000であった。
[Synthesis Example 1]
12.4 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 10.2 g of 4,4′-dihydroxybenzophenone, 8.6 g of potassium carbonate, 50 ml of DMAc and 15 ml of toluene were mixed in a nitrogen atmosphere and heated to 180 degrees. After 8 hours, the reaction solution was added to water after cooling to room temperature, and the precipitated polymer was finely pulverized with a mixer, filtered and dried to obtain a polymer (hereinafter referred to as P1). The molecular weight of the obtained P1 was Mn = 44000.

また、このP1を2gジクロロメタン100mlに溶解し、10mlのクロロスルホン酸を加えてスルホン化を行ったが、IECは0.05meq/gであった。スルホン酸基導入率は0.01%であった。 Further, this P1 was dissolved in 100 g of 2 g dichloromethane, and sulfonation was carried out by adding 10 ml of chlorosulfonic acid. The IEC was 0.05 meq / g. The sulfonic acid group introduction rate was 0.01%.

〔合成例2〕
合成例1において、4,4´−ジフルオロジフェニルスルホンおよび4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノンの代わりに、2,6−ジフルオロベンゾニトリル3.0gおよび2,2´−ジヒドロキシビフェニル4.2gを使用したほかは、同様に合成を行い、白色ポリマー(以下、P2と呼ぶ。)を得た。得られたP2の分子量はMn=10000であった。また、このP2をP1と同様にスルホン化したところIECは3.62meq/gであった。スルホン酸基導入率は52%であった。
[Synthesis Example 2]
In Synthesis Example 1, 3.0 g of 2,6-difluorobenzonitrile and 4.2 g of 2,2′-dihydroxybiphenyl were used in place of 4,4′-difluorodiphenylsulfone and 4,4′-dihydroxybenzophenone. Were synthesized in the same manner to obtain a white polymer (hereinafter referred to as P2). The molecular weight of the obtained P2 was Mn = 10000. When P2 was sulfonated in the same manner as P1, IEC was 3.62 meq / g. The introduction rate of sulfonic acid group was 52%.

〔合成例3〕
合成例1において、4,4´−ジフルオロジフェニルスルホンおよび4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノンの代わりに、2,6−ジフルオロベンゾニトリル3.0gおよび4,4´−ジヒドロキシビフェニル4.2gおよび2,2´−ジヒドロキシビフェニル4.2gを使用したほかは、同様に合成を行い、白色ポリマー(以下、P3と呼ぶ。)を得た。得られたP3の分子量はMn=11000であった。また、このP3をP1と同様にスルホン化したところIECは3.48meq/gであった。スルホン酸基導入率は46%であった。
[Synthesis Example 3]
In Synthesis Example 1, instead of 4,4′-difluorodiphenyl sulfone and 4,4′-dihydroxybenzophenone, 3.0 g of 2,6-difluorobenzonitrile and 4.2 g of 4,4′-dihydroxybiphenyl and 2,2 A white polymer (hereinafter referred to as P3) was obtained in the same manner except that 4.2 g of '-dihydroxybiphenyl was used. The molecular weight of the obtained P3 was Mn = 11000. Further, when this P3 was sulfonated in the same manner as P1, the IEC was 3.48 meq / g. The introduction rate of sulfonic acid group was 46%.

〔合成例4〕
合成例1において、4,4´−ジフルオロジフェニルスルホンおよび4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノンの代わりに、2,6−ジフルオロベンゾニトリル2.6gおよび4,4´−(9−フルオレニリデン)ジフェノール6.0gを使用したほかは、同様に合成を行い、白色ポリマー(以下、P4と呼ぶ。)を得た。得られたP4の分子量はMn=8000であった。また、このP4をP1と同様にスルホン化したところIECは4.03meq/gであった。スルホン酸基導入率は53%であった。
[Synthesis Example 4]
In Synthesis Example 1, 2.6 g of 2,6-difluorobenzonitrile and 4,4 ′-(9-fluorenylidene) diphenol in place of 4,4′-difluorodiphenylsulfone and 4,4′-dihydroxybenzophenone A white polymer (hereinafter referred to as P4) was obtained in the same manner except that 0 g was used. The molecular weight of the obtained P4 was Mn = 8000. Further, when this P4 was sulfonated in the same manner as P1, the IEC was 4.03 meq / g. The introduction rate of sulfonic acid group was 53%.

〔合成例5〕
合成例1において、4,4´−ジフルオロジフェニルスルホンおよび4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノンの代わりに、2,6−ジフルオロベンゾニトリル7.1gおよび1,1´−ビ−2−ナフトール13.9gを使用したほかは、同様に合成を行い、白色ポリマー(以下、P5と呼ぶ。)を得た。得られたP5の分子量はMn=13000であった。また、このP5をP1と同様にスルホン化したところIECは2.88meq/gであった。スルホン酸基導入率は48%であった。
[Synthesis Example 5]
In Synthesis Example 1, instead of 4,4′-difluorodiphenylsulfone and 4,4′-dihydroxybenzophenone, 7.1 g of 2,6-difluorobenzonitrile and 13.9 g of 1,1′-bi-2-naphthol were used. A white polymer (hereinafter referred to as P5) was obtained in the same manner except that it was used. The molecular weight of the obtained P5 was Mn = 13000. Further, when this P5 was sulfonated in the same manner as P1, the IEC was 2.88 meq / g. The sulfonic acid group introduction rate was 48%.

〔合成例6〕
合成例1において、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノンの代わりにヒドロキノン4.5gを使用したほかは同様に合成を行い、白色ポリマーを得た(以下P6と呼ぶ)。P6の分子量はMn=4400であった。また、このP6をP1と同様にスルホン化したところIECは2.05meq/gであった。スルホン酸基導入率は26%であった。
[Synthesis Example 6]
Synthesis was performed in the same manner as in Synthesis Example 1 except that 4.5 g of hydroquinone was used instead of 4,4′-dihydroxybenzophenone, and a white polymer was obtained (hereinafter referred to as P6). The molecular weight of P6 was Mn = 4400. Further, when this P6 was sulfonated in the same manner as P1, the IEC was 2.05 meq / g. The introduction rate of sulfonic acid group was 26%.

〔合成例7〕
2,6−ジフルオロベンゾニトリル3.0gおよび2−フェニルヒドロキノン4.2g、炭酸カリウム4.5g、DMAc10mlおよびトルエン5mlを窒素雰囲気下混合し、180度に加熱した。8時間後室温まで冷却後反応溶液を水に加え、析出したポリマーをミキサーで細かく粉砕し濾過後乾燥し、ポリマー(以下P7と呼ぶ)を得た。得られたP7の分子量はMn=14000であった。また、このP7をP1と同様にスルホン化したところIECは3.58meq/gであった。スルホン酸基導入率は48%であった。
[Synthesis Example 7]
3.0 g of 2,6-difluorobenzonitrile and 4.2 g of 2-phenylhydroquinone, 4.5 g of potassium carbonate, 10 ml of DMAc and 5 ml of toluene were mixed in a nitrogen atmosphere and heated to 180 degrees. After cooling to room temperature after 8 hours, the reaction solution was added to water, and the precipitated polymer was finely pulverized with a mixer, filtered and dried to obtain a polymer (hereinafter referred to as P7). The molecular weight of the obtained P7 was Mn = 14000. Further, when this P7 was sulfonated in the same manner as P1, the IEC was 3.58 meq / g. The sulfonic acid group introduction rate was 48%.

〔合成例8〕
2,6−ジフルオロベンゾニトリル3.0gおよび4,4´−ジヒドロキシビフェニル2.1gおよび2,2´−ジヒドロキシビフェニル2.1g、炭酸カリウム4.5g、DMAc10mlおよびトルエン5mlを窒素雰囲気下混合し、180度に加熱した。8時間後室温まで冷却後反応溶液を水に加え、析出したポリマーをミキサーで細かく粉砕し濾過後乾燥し、ポリマー(以下P8と呼ぶ)を得た。得られたP8の分子量はMn=11000であった。また、このP8をP1と同様にスルホン化したところIECは3.52meq/gであった。スルホン酸基導入率は47%であった。
[Synthesis Example 8]
3.0 g of 2,6-difluorobenzonitrile and 2.1 g of 4,4′-dihydroxybiphenyl and 2.1 g of 2,2′-dihydroxybiphenyl, 4.5 g of potassium carbonate, 10 ml of DMAc and 5 ml of toluene were mixed under a nitrogen atmosphere. Heated to 180 degrees. After 8 hours, the reaction solution was added to water after cooling to room temperature, and the precipitated polymer was finely pulverized with a mixer, filtered and dried to obtain a polymer (hereinafter referred to as P8). The molecular weight of the obtained P8 was Mn = 11000. Further, when this P8 was sulfonated in the same manner as P1, the IEC was 3.52 meq / g. The introduction rate of sulfonic acid group was 47%.

〔実施例1〕
4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン1.14g、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン1.00g、炭酸カリウム0.9g、DMAc5ml、トルエン2mlを窒素雰囲気下混合し、180度に加熱した。1.5時間後冷却し、P2を1.5g加え、さらに135度で7時間反応させた。反応後室温まで冷却し、反応溶液を水に加え、白色固体を得た。ミキサーで粉砕、ろ過、メタノールで洗浄後80度減圧乾燥を行い、ブロックポリマーを得た。得られたブロックポリマーの分子量はMn58000であった。得られたブロックポリマー3gを100mlのジクロロメタンに溶解し、10mlのクロロスルホン酸を加え、スルホン化を行った。上澄み溶液を除き、沈殿物を多量の水中に加え、ミキサーで粉砕後ろ過をしながらpHが7になるまで多量の水で洗浄した。得られた個体を乾燥し高分子電解質を得た。
[Example 1]
1.14 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 1.00 g of 4,4′-dihydroxybenzophenone, 0.9 g of potassium carbonate, 5 ml of DMAc, and 2 ml of toluene were mixed in a nitrogen atmosphere and heated to 180 degrees. After 1.5 hours, the mixture was cooled, 1.5 g of P2 was added, and the mixture was further reacted at 135 degrees for 7 hours. After the reaction, the reaction solution was cooled to room temperature, and the reaction solution was added to water to obtain a white solid. The block polymer was obtained by pulverization with a mixer, filtration, and washing with methanol, followed by drying at 80 ° C. under reduced pressure. The molecular weight of the obtained block polymer was Mn 58000. 3 g of the obtained block polymer was dissolved in 100 ml of dichloromethane, and 10 ml of chlorosulfonic acid was added to carry out sulfonation. The supernatant solution was removed, the precipitate was added to a large amount of water, washed with a large amount of water until pH reached 7 while being crushed with a mixer and filtered. The obtained solid was dried to obtain a polymer electrolyte.

得られた高分子電解質1gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス基板上に流延塗布し、80℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、自己支持性のある高分子電解質膜を得た。 After dissolving 1 g of the obtained polymer electrolyte in DMSO, the solution was cast-coated on a glass substrate, vacuum-dried at 80 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours to be self-supporting. As a result, a polymer electrolyte membrane was obtained.

得られた高分子電解質膜のイオン交換容量は1.70meq/gであった。低加湿条件においてプロトン伝導度を測定したところ3.2×10-4S/cmであった。 The obtained polymer electrolyte membrane had an ion exchange capacity of 1.70 meq / g. The proton conductivity measured under low humidification conditions was 3.2 × 10 −4 S / cm.

〔実施例2〕
4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン3.04g、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン2.66g、炭酸カリウム2.2g、DMAc10ml、トルエン4mlを窒素雰囲気下混合し、180度に加熱した。1.5時間後冷却し、P3を3.98g加え、さらに135度で5時間反応させた。反応後室温まで冷却し、反応溶液を水に加え、白色固体を得た。ミキサーで粉砕、ろ過、メタノールで洗浄後80度減圧乾燥を行い、ブロックポリマーを得た。得られたブロックポリマーの分子量はMn79000であった。得られたブロックポリマー3gを60mlのジクロロメタンに溶解し、10mlのクロロスルホン酸を加え、スルホン化を行った。上澄み溶液を除き、沈殿物を多量の水中に加え、ミキサーで粉砕後ろ過をしながらpHが7になるまで多量の水で洗浄した。得られた個体を乾燥し高分子電解質を得た。
[Example 2]
3.04 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 2.66 g of 4,4′-dihydroxybenzophenone, 2.2 g of potassium carbonate, 10 ml of DMAc and 4 ml of toluene were mixed in a nitrogen atmosphere and heated to 180 degrees. After 1.5 hours, the mixture was cooled, 3.98 g of P3 was added, and further reacted at 135 degrees for 5 hours. After the reaction, the reaction solution was cooled to room temperature, and the reaction solution was added to water to obtain a white solid. The block polymer was obtained by pulverization with a mixer, filtration, and washing with methanol, followed by drying at 80 ° C. under reduced pressure. The molecular weight of the obtained block polymer was Mn79000. 3 g of the obtained block polymer was dissolved in 60 ml of dichloromethane, and 10 ml of chlorosulfonic acid was added to carry out sulfonation. The supernatant solution was removed, the precipitate was added to a large amount of water, washed with a large amount of water until pH reached 7 while being crushed with a mixer and filtered. The obtained solid was dried to obtain a polymer electrolyte.

得られた高分子電解質1gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス基板上に流延塗布し、80℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、自己支持性のある高分子電解質膜を得た。 After dissolving 1 g of the obtained polymer electrolyte in DMSO, the solution was cast-coated on a glass substrate, vacuum-dried at 80 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours to be self-supporting. As a result, a polymer electrolyte membrane was obtained.

得られた高分子電解質膜のイオン交換容量は1.63meq/gであった。低加湿条件においてプロトン伝導度を測定したところ3.5×10−4S/cmであった。 The obtained polymer electrolyte membrane had an ion exchange capacity of 1.63 meq / g. The proton conductivity measured under low humidification conditions was 3.5 × 10 −4 S / cm.

〔実施例3〕
4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン2.24g、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン1.96g、炭酸カリウム1.6g、DMAc5ml、トルエン2mlを窒素雰囲気下混合し、180度に加熱した。2時間後冷却し、P4を1.85g加え、さらに135度で3時間反応させた。反応後室温まで冷却し、反応溶液を水に加え、白色固体を得た。ミキサーで粉砕、ろ過、メタノールで洗浄後80度減圧乾燥を行い、ブロックポリマーを得た。得られたブロックポリマーの分子量はMn56000であった。得られたブロックポリマー5gを200mlのジクロロメタンに溶解し、10mlのクロロスルホン酸を加え、スルホン化を行った。上澄み溶液を除き、沈殿物を多量の水中に加え、ミキサーで粉砕後ろ過をしながらpHが7になるまで多量の水で洗浄した。得られた個体を乾燥し高分子電解質を得た。
Example 3
2.24 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 1.96 g of 4,4′-dihydroxybenzophenone, 1.6 g of potassium carbonate, 5 ml of DMAc, and 2 ml of toluene were mixed in a nitrogen atmosphere and heated to 180 degrees. After 2 hours, the mixture was cooled, 1.85 g of P4 was added, and further reacted at 135 degrees for 3 hours. After the reaction, the reaction solution was cooled to room temperature, and the reaction solution was added to water to obtain a white solid. The block polymer was obtained by pulverization with a mixer, filtration, and washing with methanol, followed by drying at 80 ° C. under reduced pressure. The molecular weight of the obtained block polymer was Mn56000. 5 g of the obtained block polymer was dissolved in 200 ml of dichloromethane, and 10 ml of chlorosulfonic acid was added to carry out sulfonation. The supernatant solution was removed, the precipitate was added to a large amount of water, washed with a large amount of water until pH reached 7 while being crushed with a mixer and filtered. The obtained solid was dried to obtain a polymer electrolyte.

得られた高分子電解質1gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス基板上に流延塗布し、80℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、自己支持性のある高分子電解質膜を得た。 After dissolving 1 g of the obtained polymer electrolyte in DMSO, the solution was cast-coated on a glass substrate, vacuum-dried at 80 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours to be self-supporting. As a result, a polymer electrolyte membrane was obtained.

得られた高分子電解質膜のイオン交換容量は1.55meq/gであった。低加湿条件においてプロトン伝導度を測定したところ3.0×10−3S/cmであった。 The obtained polymer electrolyte membrane had an ion exchange capacity of 1.55 meq / g. When proton conductivity was measured under low humidification conditions, it was 3.0 × 10 −3 S / cm.

〔実施例4〕
4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン1.68g、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン1.47g、炭酸カリウム1.2g、DMAc5ml、トルエン2mlを窒素雰囲気下混合し、180度に加熱した。2時間後冷却し、P5を3.00g加え、さらに135度で3時間反応させた。反応後室温まで冷却し、反応溶液を水に加え、白色固体を得た。ミキサーで粉砕、ろ過、メタノールで洗浄後80度減圧乾燥を行い、ブロックポリマーを得た。得られたブロックポリマーの分子量はMn39000であった。得られたブロックポリマー3gを60mlのジクロロメタンに溶解し、10mlのクロロスルホン酸を加え、スルホン化を行った。上澄み溶液を除き、沈殿物を多量の水中に加え、ミキサーで粉砕後ろ過をしながらpHが7になるまで多量の水で洗浄した。得られた個体を乾燥し高分子電解質を得た。
Example 4
1.68 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 1.47 g of 4,4′-dihydroxybenzophenone, 1.2 g of potassium carbonate, 5 ml of DMAc, and 2 ml of toluene were mixed in a nitrogen atmosphere and heated to 180 degrees. After 2 hours, the mixture was cooled, 3.00 g of P5 was added, and further reacted at 135 degrees for 3 hours. After the reaction, the reaction solution was cooled to room temperature, and the reaction solution was added to water to obtain a white solid. The block polymer was obtained by pulverization with a mixer, filtration, and washing with methanol, followed by drying at 80 ° C. under reduced pressure. The molecular weight of the obtained block polymer was Mn39000. 3 g of the obtained block polymer was dissolved in 60 ml of dichloromethane, and 10 ml of chlorosulfonic acid was added to carry out sulfonation. The supernatant solution was removed, the precipitate was added to a large amount of water, washed with a large amount of water until pH reached 7 while being crushed with a mixer and filtered. The obtained solid was dried to obtain a polymer electrolyte.

得られた高分子電解質1gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス基板上に流延塗布し、80℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、自己支持性のある高分子電解質膜を得た。 After dissolving 1 g of the obtained polymer electrolyte in DMSO, the solution was cast-coated on a glass substrate, vacuum-dried at 80 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours to be self-supporting. As a result, a polymer electrolyte membrane was obtained.

得られた高分子電解質膜のイオン交換容量は1.81meq/gであった。低加湿条件においてプロトン伝導度を測定したところ3.7×10−4S/cmであった。 The obtained polymer electrolyte membrane had an ion exchange capacity of 1.81 meq / g. The proton conductivity measured under low humidification conditions was 3.7 × 10 −4 S / cm.

〔実施例5〕
4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン1.23g、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン1.00g、炭酸カリウム1.0g、DMAc10ml、トルエン4mlを窒素雰囲気下混合し、180度に加熱した。1.5時間後冷却し、P7を1.50g加え、さらに150度で5時間反応させた。反応後室温まで冷却し、反応溶液を水に加え、白色固体を得た。ミキサーで粉砕、ろ過、メタノールで洗浄後80度減圧乾燥を行い、ブロックポリマーを得た。得られたブロックポリマーの分子量はMn62000であった。得られたブロックポリマー3gを60mlのジクロロメタンに溶解し、10mlのクロロスルホン酸を加え、スルホン化を行った。上澄み溶液を除き、沈殿物を多量の水中に加え、ミキサーで粉砕後ろ過をしながらpHが7になるまで多量の水で洗浄した。得られた個体を乾燥し高分子電解質を得た。
Example 5
1.23 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 1.00 g of 4,4′-dihydroxybenzophenone, 1.0 g of potassium carbonate, 10 ml of DMAc, and 4 ml of toluene were mixed in a nitrogen atmosphere and heated to 180 degrees. After 1.5 hours, the mixture was cooled, 1.50 g of P7 was added, and the mixture was further reacted at 150 degrees for 5 hours. After the reaction, the reaction solution was cooled to room temperature, and the reaction solution was added to water to obtain a white solid. The block polymer was obtained by pulverization with a mixer, filtration, and washing with methanol, followed by drying at 80 ° C. under reduced pressure. The molecular weight of the obtained block polymer was Mn62000. 3 g of the obtained block polymer was dissolved in 60 ml of dichloromethane, and 10 ml of chlorosulfonic acid was added to carry out sulfonation. The supernatant solution was removed, the precipitate was added to a large amount of water, washed with a large amount of water until pH reached 7 while being crushed with a mixer and filtered. The obtained solid was dried to obtain a polymer electrolyte.

得られた高分子電解質1gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス基板上に流延塗布し、80℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、自己支持性のある高分子電解質膜を得た。 After dissolving 1 g of the obtained polymer electrolyte in DMSO, the solution was cast-coated on a glass substrate, vacuum-dried at 80 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours to be self-supporting. As a result, a polymer electrolyte membrane was obtained.

得られた高分子電解質膜のイオン交換容量は1.48meq/gであった。低加湿条件においてプロトン伝導度を測定したところ2.8×10−4S/cmであった。 The obtained polymer electrolyte membrane had an ion exchange capacity of 1.48 meq / g. The proton conductivity measured under low humidification conditions was 2.8 × 10 −4 S / cm.

〔実施例6〕
4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン1.23g、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン1.00g、炭酸カリウム1.0g、DMAc10ml、トルエン4mlを窒素雰囲気下混合し、180度に加熱した。1.5時間後冷却し、P2を1.50g加え、さらに150度で5時間反応させた。反応後室温まで冷却し、反応溶液を水に加え、白色固体を得た。ミキサーで粉砕、ろ過、メタノールで洗浄後80度減圧乾燥を行い、ブロックポリマーを得た。得られたブロックポリマーの分子量はMn70000であった。得られたブロックポリマー3gを60mlのジクロロメタンに溶解し、10mlのクロロスルホン酸を加え、スルホン化を行った。上澄み溶液を除き、沈殿物を多量の水中に加え、ミキサーで粉砕後ろ過をしながらpHが7になるまで多量の水で洗浄した。得られた個体を乾燥し高分子電解質を得た。
Example 6
1.23 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 1.00 g of 4,4′-dihydroxybenzophenone, 1.0 g of potassium carbonate, 10 ml of DMAc, and 4 ml of toluene were mixed in a nitrogen atmosphere and heated to 180 degrees. After 1.5 hours, the mixture was cooled, 1.50 g of P2 was added, and further reacted at 150 degrees for 5 hours. After the reaction, the reaction solution was cooled to room temperature, and the reaction solution was added to water to obtain a white solid. The block polymer was obtained by pulverization with a mixer, filtration, and washing with methanol, followed by drying at 80 ° C. under reduced pressure. The molecular weight of the obtained block polymer was Mn 70000. 3 g of the obtained block polymer was dissolved in 60 ml of dichloromethane, and 10 ml of chlorosulfonic acid was added to carry out sulfonation. The supernatant solution was removed, the precipitate was added to a large amount of water, washed with a large amount of water until pH reached 7 while being crushed with a mixer and filtered. The obtained solid was dried to obtain a polymer electrolyte.

得られた高分子電解質1gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス基板上に流延塗布し、80℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、自己支持性のある高分子電解質膜を得た。 After dissolving 1 g of the obtained polymer electrolyte in DMSO, the solution was cast-coated on a glass substrate, vacuum-dried at 80 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours to be self-supporting. As a result, a polymer electrolyte membrane was obtained.

得られた高分子電解質膜のイオン交換容量は1.70meq/gであった。低加湿条件においてプロトン伝導度を測定したところ3.2×10−4S/cmであった。 The obtained polymer electrolyte membrane had an ion exchange capacity of 1.70 meq / g. The proton conductivity measured under low humidification conditions was 3.2 × 10 −4 S / cm.

〔実施例7〕
4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン1.23g、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン1.00g、炭酸カリウム1.0g、DMAc10ml、トルエン4mlを窒素雰囲気下混合し、180度に加熱した。1.5時間後冷却し、P8を1.50g加え、さらに150度で5時間反応させた。反応後室温まで冷却し、反応溶液を水に加え、白色固体を得た。ミキサーで粉砕、ろ過、メタノールで洗浄後80度減圧乾燥を行い、ブロックポリマーを得た。得られたブロックポリマーの分子量はMn72000であった。得られたブロックポリマー3gを60mlのジクロロメタンに溶解し、10mlのクロロスルホン酸を加え、スルホン化を行った。上澄み溶液を除き、沈殿物を多量の水中に加え、ミキサーで粉砕後ろ過をしながらpHが7になるまで多量の水で洗浄した。得られた個体を乾燥し高分子電解質を得た。
Example 7
1.23 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 1.00 g of 4,4′-dihydroxybenzophenone, 1.0 g of potassium carbonate, 10 ml of DMAc, and 4 ml of toluene were mixed in a nitrogen atmosphere and heated to 180 degrees. After 1.5 hours, the mixture was cooled, 1.50 g of P8 was added, and further reacted at 150 degrees for 5 hours. After the reaction, the reaction solution was cooled to room temperature, and the reaction solution was added to water to obtain a white solid. The block polymer was obtained by pulverization with a mixer, filtration, and washing with methanol, followed by drying at 80 ° C. under reduced pressure. The molecular weight of the obtained block polymer was Mn72000. 3 g of the obtained block polymer was dissolved in 60 ml of dichloromethane, and 10 ml of chlorosulfonic acid was added to carry out sulfonation. The supernatant solution was removed, the precipitate was added to a large amount of water, washed with a large amount of water until pH reached 7 while being crushed with a mixer and filtered. The obtained solid was dried to obtain a polymer electrolyte.

得られた高分子電解質1gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス基板上に流延塗布し、80℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、自己支持性のある高分子電解質膜を得た。 After dissolving 1 g of the obtained polymer electrolyte in DMSO, the solution was cast-coated on a glass substrate, vacuum-dried at 80 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours to be self-supporting. As a result, a polymer electrolyte membrane was obtained.

得られた高分子電解質膜のイオン交換容量は1.63meq/gであった。低加湿条件においてプロトン伝導度を測定したところ3.5×10−4S/cmであった。 The obtained polymer electrolyte membrane had an ion exchange capacity of 1.63 meq / g. The proton conductivity measured under low humidification conditions was 3.5 × 10 −4 S / cm.

〔比較例1〕
合成例1において、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノンの代わりに4,4´−ジヒドロキシジフェニルスルホン4.5gを使用したほかは同様の方法で合成したポリマー(Mn=47200)10gを30%発煙硫酸に加え、100℃で20時間かけてスルホン化し、高分子電解質を得た。得られた高分子電解質を多量の水に加え、濾過および水洗を行った。得られた高分子電解質は水に溶けやすく、1.2gしか得られなかった。
[Comparative Example 1]
In Synthesis Example 1, 10 g of a polymer (Mn = 47200) synthesized in the same manner except that 4.5 g of 4,4′-dihydroxydiphenyl sulfone was used instead of 4,4′-dihydroxybenzophenone in 30% fuming sulfuric acid. In addition, sulfonation was performed at 100 ° C. for 20 hours to obtain a polymer electrolyte. The obtained polymer electrolyte was added to a large amount of water, and filtered and washed with water. The obtained polymer electrolyte was easily soluble in water, and only 1.2 g was obtained.

水洗処理した高分子電解質1gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス板上に流延塗布し、60℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、ガラス板から剥がすときに水をかけると溶けてしまった。 After dissolving 1 g of the washed polymer electrolyte in DMSO, the solution was cast on a glass plate, vacuum-dried at 60 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours. When it was peeled off, it melted when water was applied.

〔比較例2〕
合成例2において、2,2´−ジヒドロキシビフェニルの代わりに4,4´−ジヒドロキシジフェニルエーテル4.5gを使用したほかは同様の方法で合成したポリマー(Mn=47200)6gを実施例1と同様にスルホン化し、高分子電解質を得た。スルホン化後多量の水に加え、濾過および水洗を行った。高分子電解質は水を吸うことによる膨潤が激しいが、5g得ることができた。
[Comparative Example 2]
In Synthesis Example 2, 6 g of a polymer (Mn = 47200) synthesized in the same manner as in Example 1 except that 4.5 g of 4,4′-dihydroxydiphenyl ether was used instead of 2,2′-dihydroxybiphenyl. Sulfonation gave a polymer electrolyte. After sulfonation, in addition to a large amount of water, filtration and washing with water were performed. The polymer electrolyte swelled severely by sucking water, but 5 g could be obtained.

得られた高分子電解質0.5gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス板上に流延塗布し、60℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、ガラス板から剥がすときに水をかけると溶けてしまった。 After 0.5 g of the obtained polymer electrolyte was dissolved in DMSO, the solution was cast on a glass plate, vacuum-dried at 60 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours. When it was peeled from the board, it melted when water was applied.

〔比較例3〕
実施例1において、P2の代わりにP6を1g用いたほかは同様に合成を行い、高分子電解質を得た。
[Comparative Example 3]
In Example 1, a polymer electrolyte was obtained in the same manner except that 1 g of P6 was used instead of P2.

得られた高分子電解質1gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス板上に流延塗布し、60℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、ガラス板から剥がすときに水をかけ、膨潤させると簡単に剥がれた。再び120℃で12時間真空乾燥し、自己支持性のある高分子電解質膜を得た。 After dissolving 1 g of the obtained polymer electrolyte in DMSO, the solution was cast on a glass plate, vacuum-dried at 60 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours. It was easily peeled off when swollen and swollen. Again, it was vacuum-dried at 120 ° C. for 12 hours to obtain a self-supporting polymer electrolyte membrane.

得られた高分子電解質膜のイオン交換容量は1.63meq/gであった。低加湿条件においては膜の抵抗率が高くプロトン伝導度が測定不可であった。 The obtained polymer electrolyte membrane had an ion exchange capacity of 1.63 meq / g. Under low humidification conditions, the membrane resistivity was high and proton conductivity could not be measured.

〔比較例4〕
4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン3.72g、4,4´−ジヒドロキシジフェニルスルホン3.78g、2,6−ジフルオロベンゾニトリル1.29gおよび4,4´−ジヒドロキシビフェニル1.73g、炭酸カリウム4.3g、DMAc24mlおよびトルエン7mlを窒素雰囲気下混合し、180度に加熱した。8時間後室温まで冷却後反応溶液を水に加え、析出したポリマーをミキサーで細かく粉砕し濾過後乾燥しポリマーを得た。得られたランダム共重合体のポリマーの分子量はMn=48000であった。得られたポリマー3gを60mlのジクロロメタンに溶解し、10mlのクロロスルホン酸を加え、スルホン化を行った。上澄み溶液を除き、沈殿物を多量の水中に加え、ミキサーで粉砕後ろ過をしながらpHが7になるまで多量の水で洗浄した。得られた個体を乾燥し高分子電解質を得た。
[Comparative Example 4]
3.72 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3.78 g of 4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 1.29 g of 2,6-difluorobenzonitrile and 1.73 g of 4,4′-dihydroxybiphenyl, potassium carbonate 4. 3 g, 24 ml of DMAc and 7 ml of toluene were mixed in a nitrogen atmosphere and heated to 180 degrees. After 8 hours, the reaction solution was added to water after cooling to room temperature, and the precipitated polymer was finely pulverized with a mixer, filtered and dried to obtain a polymer. The molecular weight of the polymer of the obtained random copolymer was Mn = 48000. 3 g of the obtained polymer was dissolved in 60 ml of dichloromethane, and 10 ml of chlorosulfonic acid was added to carry out sulfonation. The supernatant solution was removed, the precipitate was added to a large amount of water, washed with a large amount of water until pH reached 7 while being crushed with a mixer and filtered. The obtained solid was dried to obtain a polymer electrolyte.

得られた高分子電解質1gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス基板上に流延塗布し、80℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥し、自己支持性のある高分子電解質膜を得た。 After dissolving 1 g of the obtained polymer electrolyte in DMSO, the solution was cast-coated on a glass substrate, vacuum-dried at 80 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours to be self-supporting. As a result, a polymer electrolyte membrane was obtained.

得られた高分子電解質膜のイオン交換容量は1.47meq/gであった。低加湿条件においてプロトン伝導度を測定したところ6.6×10−5S/cmであった。 The obtained polymer electrolyte membrane had an ion exchange capacity of 1.47 meq / g. The proton conductivity measured under low humidification conditions was 6.6 × 10 −5 S / cm.

実施例1〜4と、比較例1及び2との比較から、本発明のブロック共重合体(高分子電解質)は、良好な耐水性を有することが分かる。 From comparison between Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, it can be seen that the block copolymer (polymer electrolyte) of the present invention has good water resistance.

実施例1〜7と、比較例3および4との比較から、本発明のブロック共重合体(高分子電解質)は、低加湿条件において優れたプロトン伝導度を示すことが分かる。 From comparison between Examples 1 to 7 and Comparative Examples 3 and 4, it can be seen that the block copolymer (polymer electrolyte) of the present invention exhibits excellent proton conductivity under low humidification conditions.

本発明の高分子電解質は固体高分子形燃料電池の材料として有用であり、特に高分子電解質膜として有用であることは明らかである。 It is clear that the polymer electrolyte of the present invention is useful as a material for a solid polymer fuel cell, and particularly useful as a polymer electrolyte membrane.

1 高分子電解質膜
2 触媒層
3 拡散層
4 セパレーター
5 流路
10 固体高分子形燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer electrolyte membrane 2 Catalyst layer 3 Diffusion layer 4 Separator 5 Flow path 10 Polymer electrolyte fuel cell

Claims (10)

スルホン酸基導入率の高いユニット、およびスルホン酸基導入率の低いユニットを含むブロック共重合体であり、スルホン酸基導入率の高いユニットが下記式(1):
Figure 2011084728
(式(1)中、XはO、S、NHまたは直接結合を示す。)
および/または下記式(2):
Figure 2011084728
(式(2)中、Xは上記と同様。)
で示される構造を含む、高分子電解質。
A block copolymer including a unit having a high sulfonic acid group introduction rate and a unit having a low sulfonic acid group introduction rate, and the unit having a high sulfonic acid group introduction rate is represented by the following formula (1):
Figure 2011084728
(In formula (1), X 1 represents O, S, NH or a direct bond.)
And / or the following formula (2):
Figure 2011084728
(In formula (2), X 1 is the same as above.)
A polyelectrolyte comprising the structure represented by
スルホン酸基導入率の高いユニットは、下記式(3):
Figure 2011084728
(式(3)中、Xは上記と同様。XはO、S、NH、CO、SO、C(CF、イソプロピリデン、フルオレニリデンまたは直接結合を示し、Rはフッ素、塩素、臭素、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数6〜12のアリール基、炭素数1〜9で窒素を含むヘテロ芳香環、または炭素数1〜10のアルコキシ基を示し、Rが複数存在する場合はそれぞれ同一でも異なっていても良い。a、b、cおよびdは0または1を示し、eは0〜4のうちのいずれかを示し、fは0〜6のうちのいずれかを示す。X、X、R、e、およびfは、それぞれ複数存在する場合はそれぞれ同一でも異なっていても良い。Yは下記式(4):
Figure 2011084728
または下記式(5):
Figure 2011084728
を示す。)で示される構造にスルホン酸基が導入されている構造を含む、請求項1に記載の高分子電解質。
The unit having a high sulfonic acid group introduction rate is represented by the following formula (3):
Figure 2011084728
(In formula (3), X 1 is the same as above. X 2 represents O, S, NH, CO, SO 2 , C (CF 3 ) 2 , isopropylidene, fluorenylidene or a direct bond, R 1 represents fluorine, chlorine, bromine, alkyl groups having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, indicates a heteroaromatic ring or an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, containing nitrogen at 1 to 9 carbon atoms, R 1 is When there are a plurality, they may be the same or different, a, b, c and d each represent 0 or 1, e represents any one of 0 to 4, and f represents any one from 0 to 6. X 1 , X 2 , R 1 , e, and f may be the same or different when there are a plurality of them, and Y represents the following formula (4):
Figure 2011084728
Or the following formula (5):
Figure 2011084728
Indicates. 2. The polymer electrolyte according to claim 1, comprising a structure in which a sulfonic acid group is introduced into the structure represented by
スルホン酸基導入率の高いユニットは、上記式(3)において、aおよびdが1、bおよびcが0、XがOである構造、および/または上記式(3)において、aおよびdが0、bおよびcが1、XがOである構造にスルホン酸基が導入されている構造を含む請求項2に記載の高分子電解質。 A unit having a high sulfonic acid group introduction rate is a structure in which a and d are 1, b and c are 0, and X 1 is O in the above formula (3), and / or a and d in the above formula (3). 3. The polymer electrolyte according to claim 2, comprising a structure in which a sulfonic acid group is introduced into a structure in which n is 0, b and c are 1, and X 1 is O. 4. スルホン酸基導入率の高いユニットに含まれる芳香環のうち45〜80%がスルホン酸基を有する、請求項1〜3のいずれかに記載の高分子電解質。 The polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein 45 to 80% of aromatic rings contained in a unit having a high introduction rate of sulfonic acid groups have a sulfonic acid group. スルホン酸基導入率の低いユニットが下記式(8):
Figure 2011084728
(式(8)中、XはCO、またはSOを示す。Zは水素、金属イオン、またはアンモニウムイオンを示す。iは0〜2を示し、Rはフッ素で置換されていても良い炭素数1〜10のアルキル基、CN、COZ、またはSOを示し、Zは置換基が付いていてもよい炭素数1〜10のアルキル基、炭素数6〜12のアリール基を示す。いくつかある場合はそれぞれ同一でも異なっていても良い。eはそれぞれ0〜4の値を示し、jはそれぞれ0〜1の値を示す。ただしi=1の場合、jの合計は2未満の値である。)
で示される構造を含む、請求項1〜4のいずれかに記載の高分子電解質。
A unit having a low sulfonic acid group introduction rate is represented by the following formula (8):
Figure 2011084728
(In the formula (8), X 3 represents CO or SO 2. Z 1 represents hydrogen, a metal ion, or an ammonium ion. I represents 0 to 2, and R 3 may be substituted with fluorine. A good alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, CN, COZ 2 , or SO 2 Z 2 , wherein Z 2 is an optionally substituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or aryl having 6 to 12 carbon atoms In some cases, they may be the same or different, e represents a value of 0 to 4, and j represents a value of 0 to 1. However, when i = 1, the sum of j Is a value less than 2.)
The polymer electrolyte in any one of Claims 1-4 containing the structure shown by these.
スルホン酸基導入率の低いユニットは、上記式(8)において、eが0、iが1、jが0である構造を含む請求項5に記載の高分子電解質。 6. The polymer electrolyte according to claim 5, wherein the unit having a low introduction rate of sulfonic acid group includes a structure in which e is 0, i is 1, and j is 0 in the above formula (8). 請求項1〜6のいずれか一項に記載の高分子電解質を含む、高分子電解質膜。 The polymer electrolyte membrane containing the polymer electrolyte as described in any one of Claims 1-6. 請求項7に記載の高分子電解質膜を含む、膜電極接合体。 A membrane electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 7. 請求項7に記載の高分子電解質膜を含む、固体高分子形燃料電池。 A solid polymer fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 7. 請求項8に記載の膜電極接合体を含む、固体高分子形燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 8.
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