JP2011190332A - Polymer electrolyte and utilization thereof - Google Patents

Polymer electrolyte and utilization thereof Download PDF

Info

Publication number
JP2011190332A
JP2011190332A JP2010056738A JP2010056738A JP2011190332A JP 2011190332 A JP2011190332 A JP 2011190332A JP 2010056738 A JP2010056738 A JP 2010056738A JP 2010056738 A JP2010056738 A JP 2010056738A JP 2011190332 A JP2011190332 A JP 2011190332A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
group
polymer
polymer electrolyte
present
represent
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2010056738A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5398008B2 (en
Inventor
Takayasu Miyahara
崇泰 宮原
Masahiro Watanabe
政廣 渡辺
Kenji Miyatake
健治 宮武
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kaneka Corp
University of Yamanashi NUC
Original Assignee
Kaneka Corp
University of Yamanashi NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kaneka Corp, University of Yamanashi NUC filed Critical Kaneka Corp
Priority to JP2010056738A priority Critical patent/JP5398008B2/en
Publication of JP2011190332A publication Critical patent/JP2011190332A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5398008B2 publication Critical patent/JP5398008B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrocarbon-based polymer electrolyte efficiently retaining water even under a water-deficient condition and ensuring proton conductivity. <P>SOLUTION: The polymer electrolyte comprises a polyphenylene ether-based polymer containing a structure represented by formula (1) in a main chain of the polymer, wherein a and b represent 0-1, provided that a+b≠0; R represents alkyl, aryl, alkoxy, aryloxy, carbonyl, sulfonyl or halogen; c and d represent 0-6; and when a plurality of symbols R exist, they may be the same or different. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、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, 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として燃料電池が注目されている。なかでも固体高分子形燃料電池は低温作動、小型軽量化が可能であり、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などへの適用が検討されている。固体高分子形燃料電池の材料のなかで、最も重要な部材の一つが高分子電解質である。特にスルホ基(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。   In recent years, fuel cells have attracted attention as a highly efficient and clean energy source from the viewpoint of environmental problems such as global warming. In particular, the polymer electrolyte fuel cell can be operated at a low temperature and can be reduced in size and weight, and its application to a moving body such as an automobile and a home cogeneration system is being studied. Among the materials for polymer electrolyte fuel cells, one of the most important members is a polymer electrolyte. In particular, development of polymer electrolytes composed of polymer compounds containing a proton conductive functional group such as a sulfo group (sulfonic acid group) has been active.

燃料電池は様々な環境下で使用されるため、高分子電解質膜には水の少ない条件でも効率的に水を保持し、効率的にプロトンを伝導させることが求められている。水の少ない条件でプロトン伝導を行うためには水の保持力を高める必要があり、そのため酸性度の高いスルホ基を多く含む構造が一般的に用いられる。ところがスルホ基を多く有するポリマーは水へ溶解する或いは膨潤が激しくなるため高分子電解質膜としての強度が不足するという問題がある。例えば非特許文献1ではスルホ基を多く有するポリパラフェニレンエーテル系ポリマーが例示されているが、このポリマーは水溶性であることが記載されている。   Since fuel cells are used in various environments, polymer electrolyte membranes are required to efficiently retain water and efficiently conduct protons even under conditions with little water. In order to conduct proton conduction under a condition with little water, it is necessary to increase the retention of water. Therefore, a structure containing many sulfo groups having high acidity is generally used. However, a polymer having many sulfo groups has a problem that the strength as a polymer electrolyte membrane is insufficient because it dissolves in water or swells severely. For example, Non-Patent Document 1 exemplifies a polyparaphenylene ether-based polymer having many sulfo groups, but it is described that this polymer is water-soluble.

水への溶解性を抑えるため様々なポリマーが開発されているが、そのなかでも剛直な構造を有するポリマーとして例えば特許文献1ではキノリン構造を有するポリキノリンが用いられている。このポリマーはスルホ基を有さないため、プロトン伝導のためにはリン酸又はリン酸エステル類との複合体とする必要があり、またこのようなリン酸含有の高分子電解質膜は一般的にリン酸の洩出による性能低下が問題である。また、このようなポリキノリンは窒素を含む塩基性ポリマーであるため、スルホ基を導入しようとしてもプロトン伝導に有利な酸性度を得るには不利な構造である。   Various polymers have been developed to suppress solubility in water. Among them, for example, Patent Document 1 uses polyquinoline having a quinoline structure as a polymer having a rigid structure. Since this polymer does not have a sulfo group, it is necessary to form a complex with phosphoric acid or phosphoric acid esters for proton conduction, and such a polymer electrolyte membrane containing phosphoric acid is generally used. Performance degradation due to leakage of phosphoric acid is a problem. In addition, since such a polyquinoline is a basic polymer containing nitrogen, it has a disadvantageous structure for obtaining acidity advantageous for proton conduction even if a sulfo group is introduced.

特開2000−273159号公報JP 2000-273159 A


New Materials For Fuel Cell And Modern Battery Systems II 796−785New Materials For Fuel Cell And Modern Battery Systems II 794-785

本発明の目的は、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度を確保できる、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 can efficiently retain water even in a situation where water is low and can ensure proton conductivity.

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基を有し、かつ剛直なビナフチル構造を主鎖に有するポリマーを含む高分子電解質を使用することで、膜強度が高まり、かつ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 problems, the present inventors use a polymer electrolyte containing a polymer having a sulfo group advantageous for proton conductivity and having a rigid binaphthyl structure in the main chain. As a result, the present inventors have found that the proton conductivity in a situation where the membrane strength is increased and the moisture content is low, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は、下記式(1)で示される構造をポリマーの主鎖に有するポリフェニレンエーテル系ポリマーを含む高分子電解質である。   That is, the present invention is a polymer electrolyte containing a polyphenylene ether polymer having a structure represented by the following formula (1) in the main chain of the polymer.

Figure 2011190332
Figure 2011190332

(式中、a、bは0〜1を示し、a+bは0でない。Rはアルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリーロキシ基、カルボニル基、スルホニル基およびハロゲン基のいずれかを示し、c、dは0〜6を示す。Rが複数存在する場合は、各々同一であってもよく異なっていても良い。)
本発明の高分子電解質は、ポリフェニレンエーテル系ポリマーが、下記式(2)〜(4)からなる群から選択される構造を主鎖に有することが好ましい。
(Wherein, a and b represent 0 to 1 and a + b is not 0. R represents an alkyl group, an aryl group, an alkoxy group, an aryloxy group, a carbonyl group, a sulfonyl group or a halogen group, and c, d Represents 0 to 6. When a plurality of R are present, they may be the same or different.
In the polymer electrolyte of the present invention, the polyphenylene ether polymer preferably has a structure selected from the group consisting of the following formulas (2) to (4) in the main chain.

Figure 2011190332
Figure 2011190332

(式中、a、b、c、d、Rは上記式(1)と同様。e、fは0〜4を示す。) (In the formula, a, b, c, d and R are the same as in the above formula (1). E and f represent 0 to 4.)

Figure 2011190332
Figure 2011190332

(式中、a、b、c、d、Rは上記式(1)と同様。e、fは0〜4を示す。) (In the formula, a, b, c, d and R are the same as in the above formula (1). E and f represent 0 to 4.)

Figure 2011190332
Figure 2011190332

(式中、a、b、c、d、Rは上記式(1)と同様。eは0〜4を示す。)
本発明の高分子電解質は、ポリフェニレンエーテル系ポリマーが、スルホン酸基を有するユニットと、スルホン酸基を有さないユニットとからなるブロック共重合体であって、スルホン酸基を有するユニットが前記式(1)で示される構造を主鎖に有することが好ましい。
(In the formula, a, b, c, d and R are the same as the above formula (1). E represents 0 to 4)
The polymer electrolyte of the present invention is a block copolymer in which the polyphenylene ether polymer is composed of a unit having a sulfonic acid group and a unit not having a sulfonic acid group, and the unit having a sulfonic acid group is represented by the formula It is preferable to have the structure represented by (1) in the main chain.

本発明の高分子電解質膜は、本発明の高分子電解質膜を含む。   The polymer electrolyte membrane of the present invention includes the polymer electrolyte membrane of the present invention.

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

本発明の固体高分子形燃料電池は、本発明の高分子電解質膜または膜/電極接合体を含む。   The polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes the polymer electrolyte membrane or the membrane / electrode assembly of the present invention.

本発明の高分子電解質は、高分子電解質膜としたときに膜強度が高く、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 has high membrane strength when it is used as a polymer electrolyte membrane, and can have excellent proton conductivity in a situation where moisture is low.

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は下記式(1)に示すスルホ基を有するビナフチル構造を主鎖に有するポリフェニレンエーテル系ポリマーを含むことを特徴とする。
<Polymer electrolyte>
The polymer electrolyte of the present invention is characterized by comprising a polyphenylene ether-based polymer having a binaphthyl structure having a sulfo group represented by the following formula (1) in the main chain.

Figure 2011190332
Figure 2011190332

(式中、a、bは0〜1を示し、a+bは0でない。Rはアルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリーロキシ基、カルボニル基、スルホニル基およびハロゲン基のいずれかを示し、c、dは0〜6を示す。Rが複数存在する場合は、各々同一であってもよく異なっていても良い。)
本発明において、Rはアルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリーロキシ基、カルボニル基、スルホニル基およびハロゲン基のいずれかを示す。炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜12のアリール基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数1〜12のアリーロキシ基およびこれらの一部フッ素化されたもの、あるいは前記アルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリーロキシ基を有するカルボニル基やスルホニル基、またはフッ素、塩素、臭素、ヨウ素などのハロゲン基のいずれかであることが好ましい。
(Wherein, a and b represent 0 to 1 and a + b is not 0. R represents an alkyl group, an aryl group, an alkoxy group, an aryloxy group, a carbonyl group, a sulfonyl group or a halogen group, and c, d Represents 0 to 6. When a plurality of R are present, they may be the same or different.
In the present invention, R represents an alkyl group, an aryl group, an alkoxy group, an aryloxy group, a carbonyl group, a sulfonyl group, or a halogen group. An alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 1 to 12 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, an aryloxy group having 1 to 12 carbon atoms and a partially fluorinated one thereof, or the above alkyl group , An aryl group, an alkoxy group, an aryloxy group-containing carbonyl group or a sulfonyl group, or a halogen group such as fluorine, chlorine, bromine or iodine.

本発明におけるポリフェニレンエーテル系ポリマーは、ポリマーの合成の容易さから下記式(2)〜(4)からなる群から選択される少なくとも1種の構造を主鎖に有することが好ましい。   The polyphenylene ether-based polymer in the present invention preferably has at least one structure selected from the group consisting of the following formulas (2) to (4) in the main chain for ease of polymer synthesis.

Figure 2011190332
Figure 2011190332

(式中、a、b、c、d、Rは上記式(1)と同様。e、fは0〜4を示す。) (In the formula, a, b, c, d and R are the same as in the above formula (1). E and f represent 0 to 4.)

Figure 2011190332
Figure 2011190332

(式中、a、b、c、d、Rは上記式(1)と同様。e、fは0〜4を示す。) (In the formula, a, b, c, d and R are the same as in the above formula (1). E and f represent 0 to 4.)

Figure 2011190332
Figure 2011190332

(式中、a、b、c、d、Rは上記式(1)と同様。eは0〜4を示す。)
本発明におけるポリフェニレンエーテル系ポリマーは、上記スルホ基を有するビナフチル構造を主鎖に有していれば、ランダム共重合体であってもよいし、グラフト共重合体やブロック共重合体であってもよい。
(In the formula, a, b, c, d and R are the same as the above formula (1). E represents 0 to 4)
The polyphenylene ether polymer in the present invention may be a random copolymer, a graft copolymer or a block copolymer as long as it has a binaphthyl structure having the sulfo group in the main chain. Good.

低加湿条件では高分子電解質膜の内部の水が少なくなるが、プロトン伝導を高めるためにはプロトン伝導の媒体となる水を有効に利用する必要があり、そのためにはミクロ相分離を形成し、水の多い相を作り出すことのできるブロック共重合体であることがさらに好ましい。   Under low humidification conditions, the water inside the polymer electrolyte membrane is reduced, but in order to increase proton conduction, it is necessary to effectively use the water that serves as the proton conduction medium. More preferably, it is a block copolymer capable of producing a water-rich phase.

さらにミクロ相分離を形成するブロック共重合体において、親水性の相と疎水性の相を相分離させることで親水性の相により多くの水を集めることが可能であることから、スルホン酸基を有する親水性のユニットとスルホン酸基を有さない疎水性のユニットとからなるブロック共重合体であることが好ましい。   Furthermore, in the block copolymer that forms microphase separation, it is possible to collect more water in the hydrophilic phase by separating the hydrophilic phase and the hydrophobic phase. The block copolymer is preferably composed of a hydrophilic unit having a hydrophobic unit and a hydrophobic unit having no sulfonic acid group.

本発明におけるポリフェニレンエーテル系ポリマーが、スルホン酸基を有する親水性のユニットとスルホン酸基を有さない疎水性のユニットとからなるブロック共重合体である場合、スルホン酸基を有する親水性のユニットとしては、上記スルホ基を有するビナフチル構造を主鎖に有すればよいが、上記(2)〜(4)の構造を繰り返し構造として含むものが合成の容易さの点から好ましい。   When the polyphenylene ether polymer in the present invention is a block copolymer composed of a hydrophilic unit having a sulfonic acid group and a hydrophobic unit having no sulfonic acid group, the hydrophilic unit having a sulfonic acid group The main chain may have a binaphthyl structure having the sulfo group as described above, but those containing the structures (2) to (4) as a repeating structure are preferable from the viewpoint of ease of synthesis.

スルホン酸基を有さない疎水性のユニットとしてはスルホン化反応によりスルホン酸基が導入されにくい電子吸引基を有する芳香環を多く有する構造であることが好ましく、なかでも下記式(5)〜(7)で示される構造を含むものがハロゲン系の有機溶媒中でクロロスルホン酸によりスルホン化され難いため好ましい。   The hydrophobic unit having no sulfonic acid group preferably has a structure having a large number of aromatic rings having an electron-withdrawing group in which the sulfonic acid group is difficult to be introduced by sulfonation reaction, and among them, the following formulas (5) to ( Those having the structure represented by 7) are preferred because they are not easily sulfonated by chlorosulfonic acid in a halogen-based organic solvent.

Figure 2011190332
Figure 2011190332

Figure 2011190332
Figure 2011190332

Figure 2011190332
Figure 2011190332

本発明の高分子電解質は、イオン交換容量が0.5〜4.0であることが好ましく、より好ましくは0.8〜3.0であり、さらに1.1〜2.5であることがプロトン伝導性と高分子電解質膜の強度が共に優れるため好ましい。   The polymer electrolyte of the present invention preferably has an ion exchange capacity of 0.5 to 4.0, more preferably 0.8 to 3.0, and even more preferably 1.1 to 2.5. This is preferable because both proton conductivity and the strength of the polymer electrolyte membrane are excellent.

<本発明のポリフェニレンエーテル系ポリマーの合成>
本発明のポリフェニレンエーテル系ポリマーの合成には、一般的な重合反応(「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.7−213、(1996)共立出版株式会社)などを適用することができる。
<Synthesis of polyphenylene ether polymer of the present invention>
For the synthesis of the polyphenylene ether-based polymer of the present invention, a general polymerization reaction (“New Polymer Experimental Science 3 Polymer Synthesis Method / Reaction (2) Synthesis of Condensed Polymer” p. 7-213, (1996) Kyoritsu Publishing Co., Ltd.) can be applied.

重合に用いるモノマーは水酸基を2箇所に有するビスフェノール化合物とハロゲン基を2箇所に有するハロゲン化合物を用いることが好ましい。なかでもビスフェノール化合物としてビナフチル構造を有するビナフトールを用いると、簡便に剛直な構造を導入することができるため好ましい。ビナフトールは予めスルホ基を有していても良い。ビナフトールのなかでも1,1´−ビ−2−ナフトールが比較的合成が容易であるため好ましい。1,1´−ビ−2−ナフトールは軸不斉を有するため2つの光学異性体が存在することが知られているが、いずれの光学異性体が多くてもよく、また同量含まれていても良い。   As the monomer used for polymerization, a bisphenol compound having two hydroxyl groups and a halogen compound having two halogen groups are preferably used. Among these, binaphthol having a binaphthyl structure is preferably used as the bisphenol compound because a rigid structure can be easily introduced. Binaphthol may have a sulfo group in advance. Among the binaphthols, 1,1′-bi-2-naphthol is preferable because it is relatively easy to synthesize. Since 1,1′-bi-2-naphthol has axial asymmetry, it is known that there are two optical isomers. However, either optical isomer may be present in the same amount. May be.

本発明においては、ビナフトールと共に別のビスフェノール化合物を用いてもよい。混合することができるビスフェノール化合物としては、例えば、ヒドロキノン、4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン、4,4´−ジヒドロキシジフェニルスルホン、4,4´−ジヒドロキシビフェニル、4,4´−ジヒドロキシジフェニルエーテル、4,4´−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、およびこれらの構造異性体などが挙げられる。   In the present invention, another bisphenol compound may be used together with binaphthol. Examples of bisphenol compounds that can be mixed include hydroquinone, 4,4′-dihydroxybenzophenone, 4,4′-dihydroxydiphenyl sulfone, 4,4′-dihydroxybiphenyl, 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 4,4 Examples include '-dihydroxydiphenyl sulfide, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, and structural isomers thereof.

ハロゲン化合物としては、例えば、4,4´−ジクロロベンゾフェノン、4,4´−ジフルオロベンゾフェノン、4,4´−ジクロロジフェニルスルホン、4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、およびこれらの構造異性体などが挙げられる。なかでも4,4´−ジフルオロベンゾフェノン、4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン、2,6−ジフルオロベンゾニトリルが反応性が高いため好ましい。   Examples of the halogen compound include 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2 , 6-difluorobenzonitrile, and structural isomers thereof. Among these, 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, and 2,6-difluorobenzonitrile are preferable because of high reactivity.

重合反応は空気雰囲気下、窒素ガス雰囲気下、あるいはアルゴン雰囲気下、好ましくは窒素雰囲気下で行う。   The polymerization reaction is performed in an air atmosphere, a nitrogen gas atmosphere, or an argon atmosphere, preferably in a nitrogen atmosphere.

重合反応工程における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、カーボネート化合物(エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等)、複素環化合物(N,N−ジメチルアセトアミド(以下DMAc)、N,N−ジメチルホルムアミド(以下DMF)、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)、N,N−ジメチルイミダゾリジノン(以下DMI)等)、環状エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、鎖状エーテル類(ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル等)、ニトリル化合物(アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル等)、非プロトン極性物質(ジメチルスルホキシド(以下DMSO)、スルホラン等)、非極性溶媒(トルエン、キシレン等)塩素系溶媒(ジクロロメタン、ジクロロエタン等)、水等が列挙でき、中でも溶解度からDMAcやDMF、NMP、DMI、DMSO等が塩基、ポリマーの溶解性が高いため好ましい。なかでもDMAcがポリマーの溶解性が高いため好ましい。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、重合過程で発生する水を除くため、ベンゼンやトルエン、キシレン、シクロヘキサンなどの共沸溶媒を添加して水を共沸により除くことが有効である。   The solvent in the polymerization reaction step is not particularly limited as long as polymerization is not prohibited, and carbonate compounds (ethylene carbonate, propylene carbonate, etc.), heterocyclic compounds (N, N-dimethylacetamide (hereinafter referred to as DMAc), N, N— Dimethylformamide (hereinafter DMF), 3-methyl-2-oxazolidinone, 1-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter NMP), N, N-dimethylimidazolidinone (hereinafter 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 DMSO), sulfolane, etc.), nonpolar Medium (toluene, xylene) chlorinated solvent (dichloromethane, dichloroethane, etc.), water and the like can be enumerated, among others DMAc or DMF from solubility, NMP, DMI, DMSO and the like bases, has high solubility of the polymer preferred. Of these, DMAc is preferred because of its high polymer solubility. These may be used alone or in combination of two or more. In addition, in order to remove water generated in the polymerization process, it is effective to remove water by azeotropy by adding an azeotropic solvent such as benzene, toluene, xylene and cyclohexane.

重合反応工程の反応温度は重合反応に応じて適宜設定すればよい。具体的には20℃〜330℃に設定すればよく、より好ましくは40℃〜280℃であり、さらに好ましくは60℃〜240℃である。この範囲よりも低温であれば反応速度が遅く、高温であれば微量不純物などの影響を大きく受け、高分子の着色や望みとしない副反応などが起きることが懸念される。   What is necessary is just to set the reaction temperature of a polymerization reaction process suitably according to a polymerization reaction. Specifically, it may be set to 20 ° C to 330 ° C, more preferably 40 ° C to 280 ° C, and still more preferably 60 ° C to 240 ° C. If the temperature is lower than this range, the reaction rate is slow, and if the temperature is higher, there is a concern that the polymer may be greatly affected by a small amount of impurities and coloring of the polymer or unwanted side reactions may occur.

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く。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. You may take out the polymer | macromolecule produced | generated after the polymerization reaction process. Further purification steps may be added.

本発明のポリフェニレンエーテル系ポリマーをブロック共重合体として合成する場合、前記のビナフチル構造を主鎖に有するポリマーを、スルホン酸基を有するユニット成分として使用することができる。ブロック共重合体を構成する他のユニット成分としては、上記ビナフチル構造を主鎖に有するポリマーと共に重縮合反応が行えるものであればよく、例えばポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトンエーテルスルホン、またこれらの誘導体、またこれらのエーテル結合がチオエーテル結合に置き換わったもの、またこれらの誘導体などが挙げられる。   When the polyphenylene ether-based polymer of the present invention is synthesized as a block copolymer, the polymer having the binaphthyl structure in the main chain can be used as a unit component having a sulfonic acid group. The other unit component constituting the block copolymer may be any unit component that can perform a polycondensation reaction with a polymer having the binaphthyl structure in the main chain. For example, polyether ketone, polyether sulfone, polyether ketone ether sulfone, In addition, these derivatives, those in which these ether bonds are replaced with thioether bonds, and derivatives thereof can be mentioned.

ブロック共重合を行うためには原料となるポリマーの末端が互いに反応すればよく、一方のポリマー末端がハロゲン基であり、もう一方のポリマー末端が水酸基であることが好ましい。なかでもポリマー末端のハロゲン基がフルオロ基であると反応性が高いためより好ましい。また、ブロック共重合を行う原料のポリマー末端がいずれも水酸基、或いはハロゲン基であっても連結剤を用いることでブロック共重合体の製造が可能である。例えば末端が水酸基の場合、フッ素多置換芳香族化合物であるデカフルオロビフェニル、ヘキサフルオロベンゼン、ジフルオロベンゾニトリル、あるいは4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4´−ジフルオロベンゾフェノンなどの連結剤を用いることができる。また例えば末端がハロゲン基の場合、水酸基を2箇所に有する化合物を連結剤として用いることができる。   In order to perform block copolymerization, it is only necessary that the ends of the polymer as a raw material react with each other, and it is preferable that one polymer end is a halogen group and the other polymer end is a hydroxyl group. Among them, it is more preferable that the halogen group at the polymer terminal is a fluoro group because of high reactivity. Moreover, even if the polymer terminal of the raw material which performs block copolymerization is all a hydroxyl group or a halogen group, a block copolymer can be manufactured by using a coupling agent. For example, when the terminal is a hydroxyl group, a linking agent such as decafluorobiphenyl, hexafluorobenzene, difluorobenzonitrile, 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 4,4′-difluorobenzophenone, which is a fluorine polysubstituted aromatic compound, is used. be able to. For example, when the terminal is a halogen group, a compound having two hydroxyl groups can be used as a linking agent.

本発明におけるポリフェニレンエーテル系ポリマーは、スルホン化に供するポリマーの数平均分子量は3,000〜2,000,000が好ましい。さらに好ましくは8,000〜1,800,000であり、より好ましくは12,000〜1,600,000であることが高分子電解質膜を製造するための加工性と高分子電解質膜の強度が共に優れるため好ましい。   The number average molecular weight of the polymer used for sulfonation in the polyphenylene ether-based polymer in the present invention is preferably 3,000 to 2,000,000. More preferably, it is 8,000 to 1,800,000, more preferably 12,000 to 1,600,000, the workability for producing the polymer electrolyte membrane and the strength of the polymer electrolyte membrane are Since both are excellent, it is preferable.

<スルホン化の方法>
スルホン化とはスルホ基を導入する反応である。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、中でも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。
<Method of sulfonation>
Sulfonation is a reaction for introducing a sulfo group. Examples of the sulfonating agent include sulfuric acid, chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid and the like, and among them, chlorosulfonic acid is preferable because it has an appropriate reactivity.

スルホン化における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(ジクロロメタン、ジクロロエタン等)が列挙でき、中でも溶解度からジクロロメタンや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 in the sulfonation 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 and the like) chlorinated solvents (dichloromethane, dichloroethane and the like) can be listed, and among them, chlorinated solvents such as dichloromethane and 1,2-dichloroethane are preferred in terms of solubility. These may be used alone or in combination of two or more.

スルホン化の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℃に設定すればよく、より好ましくは−50℃〜120℃であり、さらに好ましくは−20℃から80℃である。この範囲よりも低温であれば反応が遅く、高温であれば急激な反応が起こり目的とするスルホン化が100%まで進行しない。   The reaction temperature of the sulfonation may be appropriately set according to the reaction, specifically, it may be set to −80 ° C. to 200 ° C. which is the optimum use range of the sulfonating agent, more preferably −50 ° C. to 120 ° C. More preferably, it is −20 ° C. to 80 ° C. If the temperature is lower than this range, the reaction is slow, and if the temperature is high, a rapid reaction occurs and the intended sulfonation does not proceed to 100%.

本発明の高分子電解質は、様々な産業上の利用が考えられ、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、高分子電解質膜、膜/電極接合体、燃料電池に好適である。   The polymer electrolyte of the present invention can be used in various industries, and its use (use) is not particularly limited, but is suitable for a polymer electrolyte membrane, a membrane / electrode assembly, and a fuel cell. It is.

<2.本発明にかかる高分子電解質膜>
本発明にかかる高分子電解質膜は、上記高分子電解質を任意の方法で膜状に成型したものである。このような製膜方法としては、公知の方法が適宜使用され得る。上記放置の方法としては、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。例えば溶液からの製膜方法としては、キャスト法が例示される。これは粘度を調整した高分子電解質の溶液を、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方法である。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。
<2. Polymer Electrolyte Membrane According to the Present Invention>
The polymer electrolyte membrane according to the present invention is obtained by molding the polymer electrolyte into a membrane by an arbitrary method. As such a film forming method, a known method can be appropriately used. Examples of the leaving method include 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, and an emulsion method. For example, a casting method is exemplified as a method for forming a film from a solution. This is a method in which a polymer electrolyte solution with adjusted viscosity is applied onto a flat plate such as a glass plate using a bar coater, a blade coater or the like, and the solvent is evaporated to obtain a film. 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.

さらに、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。また、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たりすることも、本発明の範疇である。   Furthermore, in order to control the molecular orientation of the polymer electrolyte membrane, the obtained polymer electrolyte membrane is subjected to a treatment such as biaxial stretching or a heat treatment for controlling the crystallinity. Also good. In addition, it is also within the scope of the present invention to add various fillers in order to improve the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane or to combine a reinforcing agent such as a glass nonwoven fabric with the polymer electrolyte membrane by pressing. is there.

製造される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。上記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。また、得られた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。   The thickness of the manufactured polymer electrolyte membrane can be selected arbitrarily depending on 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, in consideration of gas barrier properties and handling properties of the obtained polymer electrolyte membrane, 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 range of the above numerical values, handling is improved such that handling is easy and damage is unlikely to occur. In addition, the proton conductivity of the obtained polymer electrolyte membrane can 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、上記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.

なお、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 characteristics 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. In addition, various surface treatments such as plasma treatment and corona treatment can improve properties such as improving adhesion to the catalyst layer on the surface of the polymer electrolyte membrane.

<3.本発明にかかる膜/電極接合体、燃料電池>
本発明にかかる膜/電極接合体(以下、「MEA」と表記する)は、本発明の高分子電解質または高分子電解質膜を用いてなる。
かかるMEAは、例えば、燃料電池、特に、固体高分子形燃料電池に用いることができる。
<3. Membrane / electrode assembly and fuel cell according to the present invention>
The membrane / electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) according to the present invention uses the polymer electrolyte or polymer electrolyte membrane of the present invention.
Such an MEA can be used, for example, in a fuel cell, in particular, 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.

上述した例以外にも、本発明にかかる高分子電解質は、例えば特開2006−179298号公報等で公知になっている固体高分子形燃料電池の電解質として、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を用いて容易に固体高分子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 according to the present invention can be used as an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell known in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-179298. Based on these known patent documents, those skilled in the art can easily construct a solid polymer fuel cell using the polymer electrolyte 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
[Measurement method of 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。温度は85℃、湿度は低加湿条件である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 was 85 ° C., and the humidity was 30% RH, which is a low humidification condition.

(合成例1)
窒素導入口、還流管を付した100mLの三つ口フラスコに(+/−)−1,1´−ビ−2−ナフトール(5.3g、18.5mmol、東京化成工業社製)と、2,6−ジフルオロベンゾニトリル(2.83g、20.3mmol、東京化成工業社製)と、炭酸カリウム(3.65g、26.43mmol、関東化学社製)と、N,N−ジメチルイミダゾリジノン(DMI、5mL、関東化学社製)と、トルエン(10mL、関東化学社製)とを加えた。三つ口フラスコにDean−Starkトラップを設置し、この混合物を200℃で2時間加熱した。反応終了後、DMI(20mL)を加えてから常温まで冷却し、500mLの純水中に反応溶液をゆっくりと滴下した。得られた沈殿物を吸引ろ過によって回収し、80℃の純水で3時間洗浄した後メタノールで洗浄し、60℃で15時間真空乾燥することで白色のポリマーAを得た。
(Synthesis Example 1)
To a 100 mL three-necked flask equipped with a nitrogen inlet and a reflux tube, (+/−)-1,1′-bi-2-naphthol (5.3 g, 18.5 mmol, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 2 , 6-difluorobenzonitrile (2.83 g, 20.3 mmol, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), potassium carbonate (3.65 g, 26.43 mmol, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), N, N-dimethylimidazolidinone ( DMI, 5 mL, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) and toluene (10 mL, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) were added. A three-necked flask was equipped with a Dean-Stark trap and the mixture was heated at 200 ° C. for 2 hours. After completion of the reaction, DMI (20 mL) was added, the mixture was cooled to room temperature, and the reaction solution was slowly dropped into 500 mL of pure water. The resulting precipitate was collected by suction filtration, washed with pure water at 80 ° C. for 3 hours, washed with methanol, and vacuum dried at 60 ° C. for 15 hours to obtain white polymer A.

(合成例2)
窒素導入口、還流管を付した100mLの三つ口フラスコに4,4´−ジヒドロキシジフェニルスルホン(5.1g、20.4mmol、東京化成工業社製)と、4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン(4.8g、18.9mmol、東京化成工業社製)と、炭酸カリウム(4.2g、30.6mmol、関東化学社製)と、DMI(25mL、関東化学社製)と、トルエン(5mL、関東化学社製)とを加えた。三つ口フラスコにDean−Starkトラップを設置し、この混合物を180℃で2時間加熱した。反応終了後、常温まで冷却し、500mLの純水中に反応溶液をゆっくりと滴下した。得られた沈殿物を吸引ろ過によって回収し、80℃の純水で3時間洗浄した後メタノールで洗浄し、60℃で15時間真空乾燥することで白色のポリマーBを得た。
(Synthesis Example 2)
In a 100 mL three-necked flask equipped with a nitrogen inlet and a reflux tube, 4,4′-dihydroxydiphenylsulfone (5.1 g, 20.4 mmol, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 4,4′-difluorodiphenylsulfone ( 4.8 g, 18.9 mmol, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), potassium carbonate (4.2 g, 30.6 mmol, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), DMI (25 mL, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), and toluene (5 mL, Kanto Chemical Co., Ltd.) Chemical Co., Ltd.) was added. A three-necked flask was equipped with a Dean-Stark trap and the mixture was heated at 180 ° C. for 2 hours. After completion of the reaction, the reaction solution was cooled to room temperature, and the reaction solution was slowly dropped into 500 mL of pure water. The resulting precipitate was collected by suction filtration, washed with pure water at 80 ° C. for 3 hours, washed with methanol, and vacuum dried at 60 ° C. for 15 hours to obtain white polymer B.

得られたポリマーB 1gを20mLのジクロロメタンに溶解し、クロロスルホン酸3gを加え、室温で16時間攪拌した。その後、反応液を多量の水に加え、固体を析出させた。吸引ろ過を行い、ろ液が中性になるまで水で洗浄を行った。洗浄後の固体を70℃で15時間真空乾燥し、白色の固体を得た。得られた固体のイオン交換容量を測定したところ0.04meq/gであった。このことからポリマーBはこのスルホン化条件ではスルホ基がほとんど導入されないことが分かった。   1 g of the obtained polymer B was dissolved in 20 mL of dichloromethane, 3 g of chlorosulfonic acid was added, and the mixture was stirred at room temperature for 16 hours. Thereafter, the reaction solution was added to a large amount of water to precipitate a solid. Suction filtration was performed, and washing was performed with water until the filtrate became neutral. The washed solid was vacuum dried at 70 ° C. for 15 hours to obtain a white solid. When the ion exchange capacity of the obtained solid was measured, it was 0.04 meq / g. From this, it was found that in the polymer B, sulfo groups were hardly introduced under the sulfonation conditions.

(合成例3)
窒素導入口、還流管を付した100mLの三つ口フラスコに合成例1で合成したポリマーA(1.2g)と、合成例2で合成したポリマーB(1.4g)と、炭酸カリウム(51mg、0.4mmol、関東化学社製)と、DMI(5mL、関東化学社製)を加えた。この混合物を200℃で2時間加熱した後、180℃で2時間加熱した。反応終了後、DMI(10mL)を加えてから常温まで冷却し、塩酸水溶液(500mL、5mLの濃塩酸/500mL純水)中に反応溶液をゆっくりと滴下した。この作業もう一度繰り返し、メタノールで洗浄した後に、60℃で15時間真空乾燥することによって、スルホン化可能な構造を有する高分子化合物を得た。得られたポリマーの数平均分子量は64000であった。仕込み量から計算すると、平均してm=13、n=10のユニットからなるブロック共重合体が得られていると算出される。
(Synthesis Example 3)
Polymer A (1.2 g) synthesized in Synthesis Example 1, Polymer B (1.4 g) synthesized in Synthesis Example 2, and potassium carbonate (51 mg) in a 100 mL three-necked flask equipped with a nitrogen inlet and a reflux tube 0.4 mmol, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) and DMI (5 mL, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) were added. The mixture was heated at 200 ° C. for 2 hours and then heated at 180 ° C. for 2 hours. After completion of the reaction, DMI (10 mL) was added and then cooled to room temperature, and the reaction solution was slowly added dropwise into an aqueous hydrochloric acid solution (500 mL, 5 mL concentrated hydrochloric acid / 500 mL pure water). This operation was repeated once again, washed with methanol, and then vacuum-dried at 60 ° C. for 15 hours to obtain a polymer compound having a sulfonateable structure. The number average molecular weight of the obtained polymer was 64,000. When calculated from the charged amount, it is calculated that a block copolymer consisting of units of m = 13 and n = 10 on average is obtained.

Figure 2011190332
Figure 2011190332

(合成例4)
窒素導入口、還流管を付した100mLの三つ口フラスコに4,4´−ジヒドロキシジフェニルスルホン(1.58g、6.3mmol、東京化成工業社製)と、ヒドロキノン(1.39g、12.6mmol、東京化成工業社製)と、4,4´−ジフルオロジフェニルスルホン(4.81g、18.9mmol、東京化成工業社製)と、炭酸カリウム(3.40g、24.6mmol、関東化学社製)と、DMAc(20mL、関東化学社製)と、トルエン(5mL、関東化学社製)とを加えた。三つ口フラスコにDean−Starkトラップを設置し、この混合物を180℃で2時間加熱し、続いて160℃で4時間加熱した。反応終了後、常温まで冷却し、500mLの純水中に反応溶液をゆっくりと滴下した。得られた沈殿物を吸引ろ過によって回収し、80℃の純水で3時間洗浄した後メタノールで洗浄し、60℃で15時間真空乾燥することで白色のポリマーを得た。ポリマーの数平均分子量は47000であった。仕込み量から計算すると、平均してm:n=2:1のランダム共重合体が得られていると算出される。
(Synthesis Example 4)
In a 100 mL three-necked flask equipped with a nitrogen inlet and a reflux tube, 4,4′-dihydroxydiphenylsulfone (1.58 g, 6.3 mmol, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and hydroquinone (1.39 g, 12.6 mmol) , Manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), 4,4'-difluorodiphenylsulfone (4.81 g, 18.9 mmol, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and potassium carbonate (3.40 g, 24.6 mmol, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) DMAc (20 mL, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) and toluene (5 mL, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) were added. A three-necked flask was equipped with a Dean-Stark trap, and the mixture was heated at 180 ° C. for 2 hours, followed by heating at 160 ° C. for 4 hours. After completion of the reaction, the reaction solution was cooled to room temperature, and the reaction solution was slowly dropped into 500 mL of pure water. The resulting precipitate was collected by suction filtration, washed with pure water at 80 ° C. for 3 hours, washed with methanol, and vacuum dried at 60 ° C. for 15 hours to obtain a white polymer. The number average molecular weight of the polymer was 47000. When calculated from the charged amount, it is calculated that a random copolymer of m: n = 2: 1 is obtained on average.

Figure 2011190332
Figure 2011190332

合成例3で得られたポリマー1.6gをジクロロメタン50mlに溶解し、クロロスルホン酸6gを加えスルホン化した。反応液を多量の水に加え、スルホン化ポリマーを析出させた。吸引ろ過を行い、ろ液が中性になるまで水で洗浄を行った。洗浄後の固体を70℃で15時間真空乾燥することでスルホン化ポリマーを得た。   1.6 g of the polymer obtained in Synthesis Example 3 was dissolved in 50 ml of dichloromethane, and 6 g of chlorosulfonic acid was added for sulfonation. The reaction solution was added to a large amount of water to precipitate a sulfonated polymer. Suction filtration was performed, and washing was performed with water until the filtrate became neutral. The washed solid was vacuum dried at 70 ° C. for 15 hours to obtain a sulfonated polymer.

スルホン化ポリマー0.5gをDMSO30mLに溶解し、ガラスシャーレにキャストし、70℃で15時間真空乾燥することで電解質膜を得た。膜のIECは1.57(meq/g)であり、低加湿条件においてプロトン伝導度を測定したところ1.6×10-4S/cmであった。 0.5 g of a sulfonated polymer was dissolved in 30 mL of DMSO, cast into a glass petri dish, and vacuum dried at 70 ° C. for 15 hours to obtain an electrolyte membrane. The IEC of the membrane was 1.57 (meq / g), and the proton conductivity measured under low humidity conditions was 1.6 × 10 −4 S / cm.

(比較例1)
合成例4で得られたポリマー2.0gをジクロロメタン50mlに溶解し、クロロスルホン酸6gを加えスルホン化した。反応液を多量の水に加え、スルホン化ポリマーを析出させた。吸引ろ過を行い、ろ液が中性になるまで水で洗浄を行った。洗浄後の固体を70℃で15時間真空乾燥することでスルホン化ポリマーを得た。
(Comparative Example 1)
2.0 g of the polymer obtained in Synthesis Example 4 was dissolved in 50 ml of dichloromethane and sulfonated by adding 6 g of chlorosulfonic acid. The reaction solution was added to a large amount of water to precipitate a sulfonated polymer. Suction filtration was performed, and washing was performed with water until the filtrate became neutral. The washed solid was vacuum dried at 70 ° C. for 15 hours to obtain a sulfonated polymer.

スルホン化ポリマー0.5gをDMSO30mLに溶解し、ガラスシャーレにキャストし、70℃で15時間真空乾燥することで電解質膜を得た。膜のIECは1.54(meq/g)であった。しかし、低加湿条件では膜のしなやかさが失われて脆くなり、プロトン伝導度が測定不可であった。   0.5 g of a sulfonated polymer was dissolved in 30 mL of DMSO, cast into a glass petri dish, and vacuum dried at 70 ° C. for 15 hours to obtain an electrolyte membrane. The IEC of the membrane was 1.54 (meq / g). However, under low humidification conditions, the flexibility of the membrane was lost and it became brittle, and proton conductivity could not be measured.

実施例1と、比較例1との比較から、本発明の高分子電解質は、低加湿条件においても丈夫であり、優れたプロトン伝導度を示すことが分かる。   From a comparison between Example 1 and Comparative Example 1, it can be seen that the polymer electrolyte of the present invention is strong even under low humidification conditions and exhibits excellent proton conductivity.

よって、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。   Therefore, 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.

Claims (7)

下記式(1)で示される構造をポリマーの主鎖に有するポリフェニレンエーテル系ポリマーを含む高分子電解質。
Figure 2011190332
(式中、a、bは0〜1を示し、a+bは0でない。Rはアルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリーロキシ基、カルボニル基、スルホニル基およびハロゲン基のいずれかを示し、c、dは0〜6を示す。Rが複数存在する場合は、各々同一であってもよく異なっていても良い。)
A polymer electrolyte comprising a polyphenylene ether polymer having a structure represented by the following formula (1) in the main chain of the polymer.
Figure 2011190332
(Wherein, a and b represent 0 to 1 and a + b is not 0. R represents an alkyl group, an aryl group, an alkoxy group, an aryloxy group, a carbonyl group, a sulfonyl group or a halogen group, and c, d Represents 0 to 6. When a plurality of R are present, they may be the same or different.
ポリフェニレンエーテル系ポリマーが、下記式(2)〜(4)からなる群から選択される構造を主鎖に有する、請求項1に記載の高分子電解質。
Figure 2011190332
(式中、a、bは0〜1を示し、a+bは0でない。Rはアルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリーロキシ基、カルボニル基、スルホニル基およびハロゲン基のいずれかを示し、c、dは0〜6を示す。Rが複数存在する場合は、各々同一であってもよく異なっていても良い。e、fは0〜4を示す。)
Figure 2011190332
(式中、a、bは0〜1を示し、a+bは0でない。Rはアルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリーロキシ基、カルボニル基、スルホニル基およびハロゲン基のいずれかを示し、c、dは0〜6を示す。Rが複数存在する場合は、各々同一であってもよく異なっていても良い。e、fは0〜4を示す。)
Figure 2011190332
(式中、a、bは0〜1を示し、a+bは0でない。Rはアルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリーロキシ基、カルボニル基、スルホニル基およびハロゲン基のいずれかを示し、c、dは0〜6を示す。Rが複数存在する場合は、各々同一であってもよく異なっていても良い。eは0〜4を示す。)
The polymer electrolyte according to claim 1, wherein the polyphenylene ether-based polymer has a structure selected from the group consisting of the following formulas (2) to (4) in the main chain.
Figure 2011190332
(Wherein, a and b represent 0 to 1 and a + b is not 0. R represents an alkyl group, an aryl group, an alkoxy group, an aryloxy group, a carbonyl group, a sulfonyl group or a halogen group, and c, d Represents 0 to 6. When a plurality of Rs are present, they may be the same or different, and e and f represent 0 to 4.)
Figure 2011190332
(Wherein, a and b represent 0 to 1 and a + b is not 0. R represents an alkyl group, an aryl group, an alkoxy group, an aryloxy group, a carbonyl group, a sulfonyl group or a halogen group, and c, d Represents 0 to 6. When a plurality of Rs are present, they may be the same or different, and e and f represent 0 to 4.)
Figure 2011190332
(Wherein, a and b represent 0 to 1 and a + b is not 0. R represents an alkyl group, an aryl group, an alkoxy group, an aryloxy group, a carbonyl group, a sulfonyl group or a halogen group, and c, d Represents 0 to 6. When a plurality of R exist, they may be the same or different from each other.
ポリフェニレンエーテル系ポリマーが、スルホン酸基を有するユニットと、スルホン酸基を有さないユニットとからなるブロック共重合体であって、スルホン酸基を有するユニットが前記式(1)で示される構造を主鎖に有する、請求項1または2に記載の高分子電解質。   The polyphenylene ether polymer is a block copolymer comprising a unit having a sulfonic acid group and a unit having no sulfonic acid group, and the unit having a sulfonic acid group has a structure represented by the formula (1). The polymer electrolyte according to claim 1 or 2, which is present in the main chain. 請求項3に記載の高分子電解質を含む、高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte according to claim 3. 請求項4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 4. 請求項4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 4. 請求項5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 5.
JP2010056738A 2010-03-12 2010-03-12 POLYMER ELECTROLYTE AND USE THEREOF Expired - Fee Related JP5398008B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010056738A JP5398008B2 (en) 2010-03-12 2010-03-12 POLYMER ELECTROLYTE AND USE THEREOF

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010056738A JP5398008B2 (en) 2010-03-12 2010-03-12 POLYMER ELECTROLYTE AND USE THEREOF

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2011190332A true JP2011190332A (en) 2011-09-29
JP5398008B2 JP5398008B2 (en) 2014-01-29

Family

ID=44795586

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010056738A Expired - Fee Related JP5398008B2 (en) 2010-03-12 2010-03-12 POLYMER ELECTROLYTE AND USE THEREOF

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5398008B2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108752587A (en) * 2018-05-02 2018-11-06 福州大学 A kind of sulfonated poly aryl ether ketone sulphones and preparation method thereof based on dinaphthol
CN114628784A (en) * 2021-10-28 2022-06-14 浙江超威创元实业有限公司 High-low temperature universal electrolyte and lithium ion battery containing same
WO2022244451A1 (en) * 2021-05-17 2022-11-24 大阪ガスケミカル株式会社 Polyether-based resin, and production method and application therefor

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003031232A (en) * 2001-05-08 2003-01-31 Ube Ind Ltd Polymer electrolyte for solid polymer fuel cell and fuel cell
WO2005033182A1 (en) * 2003-10-02 2005-04-14 University Of Yamanashi Sulfonated aromatic polyethers, process for production thereof, and electrolyte membranes
JP2005213393A (en) * 2004-01-30 2005-08-11 Mitsui Chemicals Inc Polyether ketone resin and use of the same
JP2006019240A (en) * 2004-06-01 2006-01-19 Ube Ind Ltd Polymer electrolyte membrane for solid polymer fuel cell
JP2006278321A (en) * 2005-03-04 2006-10-12 Ube Ind Ltd New polymer electrolyte, electrolyte film and its use
WO2010110444A1 (en) * 2009-03-27 2010-09-30 国立大学法人山梨大学 Block copolymer and use thereof

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003031232A (en) * 2001-05-08 2003-01-31 Ube Ind Ltd Polymer electrolyte for solid polymer fuel cell and fuel cell
WO2005033182A1 (en) * 2003-10-02 2005-04-14 University Of Yamanashi Sulfonated aromatic polyethers, process for production thereof, and electrolyte membranes
JP2005213393A (en) * 2004-01-30 2005-08-11 Mitsui Chemicals Inc Polyether ketone resin and use of the same
JP2006019240A (en) * 2004-06-01 2006-01-19 Ube Ind Ltd Polymer electrolyte membrane for solid polymer fuel cell
JP2006278321A (en) * 2005-03-04 2006-10-12 Ube Ind Ltd New polymer electrolyte, electrolyte film and its use
WO2010110444A1 (en) * 2009-03-27 2010-09-30 国立大学法人山梨大学 Block copolymer and use thereof

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108752587A (en) * 2018-05-02 2018-11-06 福州大学 A kind of sulfonated poly aryl ether ketone sulphones and preparation method thereof based on dinaphthol
CN108752587B (en) * 2018-05-02 2020-12-25 福州大学 Sulfonated polyaryletherketone sulfone compound based on binaphthol and preparation method thereof
WO2022244451A1 (en) * 2021-05-17 2022-11-24 大阪ガスケミカル株式会社 Polyether-based resin, and production method and application therefor
CN114628784A (en) * 2021-10-28 2022-06-14 浙江超威创元实业有限公司 High-low temperature universal electrolyte and lithium ion battery containing same
CN114628784B (en) * 2021-10-28 2024-04-30 浙江超威创元实业有限公司 High-low temperature general electrolyte and lithium ion battery containing same

Also Published As

Publication number Publication date
JP5398008B2 (en) 2014-01-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5740030B2 (en) Copolymer of sulfonated polyethersulfone containing hydroxy group and method for producing the same, polymer electrolyte membrane for fuel cell, and membrane electrode assembly including the same
WO2011016444A1 (en) Novel sulfonic acid group-containing segmented block copolymer and use thereof
WO2009136631A1 (en) Novel sulfonic acid group-containing segmentalized block copolymer, use thereof, and method for producing novel block copolymer
JP5892653B2 (en) POLYMER ELECTROLYTE AND USE THEREOF
JP2008521999A5 (en)
KR20140051939A (en) Block copolymer, manufacturing method therefor, and polymer electrolyte material, molded polymer electrolyte, and solid-polymer fuel cell using said block copolymer
WO2005030840A1 (en) Block copolymers and use thereof
JP5398008B2 (en) POLYMER ELECTROLYTE AND USE THEREOF
JP2011241299A (en) Block copolymer, and proton-exchange membrane for fuel cell using the copolymer
JP4940549B2 (en) Novel sulfonic acid group-containing segmented block copolymer and its use
JP2006176665A (en) New sulfonate group-containing segmented block copolymer and application of the same
JP4590824B2 (en) Sulfonated aromatic polyether compounds, composites thereof, and production methods thereof.
JP6028963B2 (en) Method for producing polymer electrolyte
JP5867863B2 (en) POLYMER ELECTROLYTE AND USE THEREOF
JP2012241090A (en) Novel ionizable group-containing polymer and application of the same
JP6819047B2 (en) Diphenylsulfone compounds for polymer electrolytes, polymer electrolytes, methods for producing polymer electrolytes, membrane electrode assemblies, and polymer electrolyte fuel cells.
JP7092996B2 (en) Polyelectrolyte, its manufacturing method, polyelectrolyte film using it, catalyst layer, membrane / electrode assembly, and fuel cell
WO2021192949A1 (en) Electrolyte membrane and redox flow battery using same
JP4310688B2 (en) Aromatic polyether compounds containing sulfonic acid groups, composites thereof, and methods for producing them.
WO2013153696A1 (en) High-molecular-weight electrolyte and use thereof
JP7484898B2 (en) Electrolyte membrane and redox flow battery using the same
JP5590568B2 (en) Block copolymer and use thereof
JP2015209539A (en) Polymer electrolyte and application of the same
JP6366130B2 (en) Polymer electrolyte membrane and use thereof
JP2010129292A (en) Polymer electrolyte, polymer electrolyte membrane, and its utilization

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130204

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130920

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20131008

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20131018

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5398008

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees