JP2013189515A - Aromatic hydrocarbon-based polymer and electrolyte membrane using the same, membrane-electrode assembly, and fuel cell - Google Patents

Aromatic hydrocarbon-based polymer and electrolyte membrane using the same, membrane-electrode assembly, and fuel cell Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer exhibiting high protonic conductivity and very low temperature dependence of the protonic conductivity when used as an electrolyte membrane for a fuel cell.SOLUTION: There is disclosed an aromatic hydrocarbon-based polymer including a structural unit of general formula (1) and a structural unit of general formula (2) in the molecule. In formula (1), Ar1 represents a divalent aromatic group; and M each represents any of hydrogen, alkali metal and alkaline earth metal. In formula (2), Ar2 is a divalent aromatic group identical with or different from Ar1; Z is at least one selected from a group consisting of a heteroatom, a group containing a heteroatom or a direct bond; n, l and p are each an integer of 0 or more, and any of n, l and p is an integer of 1 or more; and M each represents hydrogen, alkali metal or alkaline earth metal.

Description

本発明は、高分子電解質、なかでも燃料電池用プロトン伝導膜として好適に用いられるポリマーに関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte, particularly a polymer suitably used as a proton conductive membrane for a fuel cell.

近年、高効率でクリーンなエネルギー変換装置として、燃料電池が注目を集めている。中でも、電解質としてプロトン伝導性を有する高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池は、コンパクトな構造で高出力が得られ、かつ簡単なシステムで運転できることから、車両用等の移動用電源として注目されている。
固体高分子型燃料電池は、従来より、パーフルオロアルキルスルホン酸系高分子が広く使用されている。近年、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(特許文献1)、等が提案されているが、パーフルオロアルキルスルホン酸系高分子に対して、プロトン伝導性が劣っている。そこで、これらの主鎖にあたる芳香環にフッ素を導入しフッ素化ベンゼンスルホン酸を有するブロック共重合体(特許文献2)や 芳香族主鎖ポリマーにランダムにパーフルオロアルキルスルホン酸をグラフトさせた高分子(特許文献3)が提案されたが、やはりパーフルオロアルキルスルホン酸系高分子に対しプロトン伝導性が劣っている。
In recent years, fuel cells have attracted attention as highly efficient and clean energy conversion devices. Above all, a polymer electrolyte fuel cell using a proton conductive polymer membrane as an electrolyte can obtain a high output with a compact structure and can be operated with a simple system. Attention has been paid.
Conventionally, perfluoroalkylsulfonic acid polymers have been widely used in polymer electrolyte fuel cells. In recent years, sulfonated polyetheretherketone (Patent Document 1) and the like have been proposed, but proton conductivity is inferior to perfluoroalkylsulfonic acid polymers. Therefore, a block copolymer having a fluorinated benzenesulfonic acid by introducing fluorine into the aromatic ring corresponding to these main chains (Patent Document 2) or a polymer in which perfluoroalkylsulfonic acid is randomly grafted to an aromatic main chain polymer. (Patent Document 3) has been proposed, but the proton conductivity is still inferior to that of a perfluoroalkylsulfonic acid polymer.

特開2002−75403号公報JP 2002-75403 A 特開2008−88420号公報JP 2008-88420 A 特開2004−220962号公報JP 2004-220962 A

本発明は前記従来技術の欠点を解決すると共に、燃料電池用電解質膜として用いた際に高度のプロトン伝導性を有し、加えて該プロトン伝導性の湿度依存性が著しく小さく、特に低湿度下においても良好なプロトン伝導性を有する芳香族炭化水素系ポリマーを提供することを課題とする。   The present invention solves the above-mentioned drawbacks of the prior art and has a high degree of proton conductivity when used as an electrolyte membrane for fuel cells. In addition, the humidity dependence of the proton conductivity is remarkably small, particularly under low humidity conditions. An object of the present invention is to provide an aromatic hydrocarbon polymer having good proton conductivity.

本発明者らは、上記課題を解決すべく、鋭意研究を行った結果、本発明を完成した。
分子内に、下記一般式(1)の構成単位と一般式(2)の構成単位を含有する事を特徴とする芳香族炭化水素系ポリマー。

(Ar1は2価の芳香族基、Mは水素もしくはアルカリ金属、アルカリ土類金属をそれぞれ示す。)

(Ar2はAr1と同一あるいは異なる2価の芳香族基、Zはヘテロ原子、n, l, pは0以上の整数で少なくともn, l, pのいずれかは1以上の整数、Mは水素もしくはアルカリ金属、アルカリ土類金属のいずれか、をそれぞれ示す。)
The present inventors have completed the present invention as a result of intensive studies to solve the above problems.
An aromatic hydrocarbon polymer characterized by containing a structural unit of the following general formula (1) and a structural unit of the general formula (2) in the molecule.

(Ar1 represents a divalent aromatic group, M represents hydrogen, an alkali metal, or an alkaline earth metal.)

(Ar2 is the same or different divalent aromatic group as Ar1, Z is a heteroatom, n, l, p is an integer of 0 or more, and at least one of n, l, p is an integer of 1 or more, M is hydrogen or Indicates either alkali metal or alkaline earth metal.)

前記一般式(1)と一般式(2)の構成単位を含有してなる下記一般式(3)の繰り返し単位を有する0005項記載のポリマー。

(Ar1、 Ar2は芳香族基、X、Y、Zは同一あるいは異なるヘテロ原子、n, l, pは0以上の整数で少なくともn, l, pのいずれかとqは1以上の整数、Mは水素もしくはアルカリ金属、アルカリ土類金属のいずれか、をそれぞれ示す。)
The polymer according to 0005, having a repeating unit represented by the following general formula (3), comprising the structural units represented by the general formula (1) and the general formula (2).

(Ar1, Ar2 are aromatic groups, X, Y, Z are the same or different heteroatoms, n, l, p are integers of 0 or more, at least one of n, l, p and q is an integer of 1 or more, M is Each of hydrogen, alkali metal, and alkaline earth metal is indicated.)

前記一般式(3)記載の繰り返し単位を含む親水性セグメントと、スルホン酸基を有さない疎水性セグメントとを有する事を特徴とする、0006項記載のポリマー。 Item 0006. The polymer according to item 0006, which has a hydrophilic segment containing the repeating unit represented by the general formula (3) and a hydrophobic segment having no sulfonic acid group.

前記ZがO、S、もしくはスルホニル基-SO2-のいずれかであり、lが0もしくは1である事を特徴とする、0006〜0007項のいずれかに記載のポリマー。 The polymer according to any one of claims 0006 to 0007, wherein Z is any one of O, S, or a sulfonyl group -SO2-, and l is 0 or 1.

前記Ar1及び、Ar2がフェニル基やナフチル基、ビフェニル、フェニルスルホニルフェニル、フェニルメチルフェニル、フェニルジフルオロフェニル、及びフェニルカルボニルフェニルからなる群より選ばれる1種以上の二価の芳香族基である、0006〜0008項のいずれかに記載の芳香族主鎖親水部を有するポリマー。 Ar1 and Ar2 are one or more divalent aromatic groups selected from the group consisting of phenyl group, naphthyl group, biphenyl, phenylsulfonylphenyl, phenylmethylphenyl, phenyldifluorophenyl, and phenylcarbonylphenyl, The polymer which has an aromatic principal chain hydrophilic part in any one of -0008.

前記X及び、YがO、S、スルホニル基、カルボニル基、若しくは直接結合からなる群より選ばれる1種以上である芳香族主鎖を有する、0006〜0009項のいずれかに記載のポリマー。 The polymer according to any one of 0006 to 0009, wherein X and Y have an aromatic main chain that is at least one selected from the group consisting of O, S, a sulfonyl group, a carbonyl group, or a direct bond.

前記qの範囲が3〜100である0006〜0010項記載のポリマー。 The polymer according to paragraphs 0006 to 0010, wherein the range of q is 3 to 100.

0006〜0011項記載のポリマーを用いてなる電解質膜 Electrolyte membrane using polymer according to item 0006-0011

0012項記載の膜を用いた膜電極接合体。 A membrane electrode assembly using the membrane according to item 0012.

0012項記載の膜をもしくは、0013項記載の膜電極接合体を用いた燃料電池。 A fuel cell using the membrane according to item 0012 or the membrane electrode assembly according to item 0013.

本発明は芳香族基に直接結合したスルホン酸基、若しくはその塩と芳香族基にフルオロアルキル基を介して結合したスルホン酸基、若しくはその塩を有することを特徴としたポリマーである。これら2種類のスルホン酸基を近接して配置することにより、芳香族主鎖由来の高い耐熱性とアリールスルホン酸およびフルオロアルキルスルホン酸による高いIEC、高いプロトン伝導性を有すると共に、プロトン伝導性の湿度依存性が著しく小さく、特に低湿度下においても良好なプロトン伝導性を有することを特徴とするポリマーを提供し、さらにこれを用いた電解質膜、膜電極接合体、さらには燃料電池を提供する。 The present invention is a polymer having a sulfonic acid group bonded directly to an aromatic group, or a salt thereof and a sulfonic acid group bonded to the aromatic group via a fluoroalkyl group, or a salt thereof. By arranging these two types of sulfonic acid groups close to each other, they have high heat resistance derived from the aromatic main chain, high IEC by arylsulfonic acid and fluoroalkylsulfonic acid, high proton conductivity, and proton conductivity. Provided is a polymer characterized by extremely low humidity dependency and good proton conductivity even under low humidity, and further provides an electrolyte membrane, a membrane electrode assembly, and a fuel cell using the polymer. .

以下に本発明を詳細に説明する。
本発明のポリマーは、分子内に、下記一般式(1)の構成単位と一般式(2)の構成単位を含有する事を特徴とする芳香族炭化水素系ポリマーである。一般式(1)の構成単位は、(a)芳香族に直接結合したスルホン酸基、若しくはその塩であり、一般式(2)の構成単位は、(b)芳香族にフルオロアルキル基を介して結合したスルホン酸基、若しくはその塩を有する。
The present invention is described in detail below.
The polymer of the present invention is an aromatic hydrocarbon polymer characterized by containing in the molecule a structural unit of the following general formula (1) and a structural unit of the general formula (2). The structural unit of the general formula (1) is (a) a sulfonic acid group directly bonded to an aromatic group or a salt thereof, and the structural unit of the general formula (2) is (b) an aromatic group via a fluoroalkyl group. Having a sulfonic acid group bonded thereto, or a salt thereof.


(Ar1は2価の芳香族基、Mは水素もしくはアルカリ金属、アルカリ土類金属のいずれかをそれぞれ示す。)

(Ar1 represents a divalent aromatic group, and M represents hydrogen, an alkali metal, or an alkaline earth metal.)


(Ar2はAr1と同一あるいは異なる2価の芳香族基、Zはヘテロ原子、ヘテロ原子を含む基、又は直接結合からなる群より選ばれる少なくとも1種以上、n, l, p,は0以上の整数で、かつ少なくともn, l, pのいずれかは1以上の整数、Mは水素もしくはアルカリ金属、アルカリ土類金属のいずれか、をそれぞれ示す。)

(Ar2 is the same or different divalent aromatic group as Ar1, Z is at least one selected from the group consisting of heteroatoms, groups containing heteroatoms, or direct bonds, and n, l, p, are zero or more. (It is an integer, and at least one of n, l, and p is an integer of 1 or more, and M represents hydrogen, an alkali metal, or an alkaline earth metal.)

上記一般式(1)と一般式(2)の構成単位は、同種で連続していてもよく、交互に主鎖を構成しても良い。特に、下記一般式(3)の構成単位となっていることが好ましい。 The structural units of the above general formula (1) and general formula (2) may be the same type and may be continuous, or may constitute the main chain alternately. In particular, it is preferably a structural unit of the following general formula (3).


(Ar1、 Ar2は芳香族基、X、Y、Zは同一あるいは異なるヘテロ原子、ヘテロ原子を含む基、又は直接結合からなる群より選ばれる少なくとも1種以上、n, l, pは0以上の整数で少なくともn, l, pのいずれかとqは1以上の整数、Mは水素もしくはアルカリ金属、アルカリ土類金属のいずれか、をそれぞれ示す。)

(Ar1 and Ar2 are aromatic groups, X, Y and Z are the same or different heteroatoms, groups containing heteroatoms, or at least one selected from the group consisting of direct bonds, and n, l and p are 0 or more. (It is an integer and at least one of n, l, and p and q are integers of 1 or more, and M is hydrogen, an alkali metal, or an alkaline earth metal.)

上記一般式(1)〜(3)において、芳香族環主鎖となるAr1およびAr2は同一又は異なり、様々な種類の2価の芳香族基とすることが可能である。例えばフェニル基などの単環式芳香族環、ナフチル基、ビフェニル基などの多環式芳香族環、ピリジン基などの複素環式芳香族環、ベンズイミダゾール基などの多環複素環式芳香族環などが挙げられる。 この中で、単環式芳香環(フェニル基)やビフェニル基が好ましく、単環式芳香環がより好ましい。 In the above general formulas (1) to (3), Ar1 and Ar2 serving as the aromatic ring main chain are the same or different and can be various kinds of divalent aromatic groups. For example, monocyclic aromatic rings such as phenyl groups, polycyclic aromatic rings such as naphthyl groups and biphenyl groups, heterocyclic aromatic rings such as pyridine groups, and polycyclic heterocyclic aromatic rings such as benzimidazole groups Etc. Among these, a monocyclic aromatic ring (phenyl group) and a biphenyl group are preferable, and a monocyclic aromatic ring is more preferable.

スルホン酸基に結合するMはカチオンであり、例えばプロトンやナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオンなどアルカリ金属イオン。さらにベリリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオンなどアルカリ土類金属イオンが挙げられる。この中でプロトンやナトリウムイオン、カリウムイオンが好ましく、膜電極接合体、燃料電池として用いられる場合にはプロトンがより好ましい。 M bonded to the sulfonic acid group is a cation, for example, an alkali metal ion such as a proton, sodium ion, potassium ion, or rubidium ion. Further, alkaline earth metal ions such as beryllium ions, magnesium ions, and calcium ions can be mentioned. Among these, protons, sodium ions, and potassium ions are preferred, and protons are more preferred when used as membrane electrode assemblies and fuel cells.

Zは側鎖のフルオロアルキル基を接続する2価のヘテロ原子もしくはヘテロ原子を含む置換基、又は直接結合からなる群より選ばれる少なくとも1種以上であって、例えば直接結合、ヘテロ原子では−O−、−S−など、ヘテロ原子を含む置換基では−SO2−や−CO−、−CH2−、−C(CH3)2−、−CF2−、−C(CF3)2−、などが挙げられる。この中で直接結合と又は−O−が好ましい。 Z is at least one selected from the group consisting of a divalent hetero atom or a substituent containing a hetero atom connecting a fluoroalkyl group in the side chain, or a direct bond, and for example, -O for a direct bond or a hetero atom Substituents containing heteroatoms such as — and —S— include —SO 2 —, —CO—, —CH 2 —, —C (CH 3) 2 —, —CF 2 —, —C (CF 3) 2 —, and the like. . Among these, a direct bond or —O— is preferable.

XおよびYは芳香環同士を結合する2価のヘテロ原子もしくヘテロ原子を含む置換基又は直接結合からなる群より選ばれる少なくとも1種以上、あって、例えば直接結合、ヘテロ原子では−O−、−S−など、ヘテロ原子を含む置換基では−SO2−や−CO−、−CH2−、−C(CH3)2−、−CF2−、−C(CF3)2−、などが挙げられる。この中で−O−、−SO2−、−CO−又は直接結合が好ましく、特に−O−、−SO2−が好ましい。XとYは同じでも異なっていても良い。 X and Y are at least one or more selected from the group consisting of a divalent heteroatom or a substituent containing a heteroatom that connects aromatic rings or a direct bond, for example, a direct bond, -O- Substituents containing heteroatoms such as, -S-, etc. include -SO2-, -CO-, -CH2-, -C (CH3) 2-, -CF2-, -C (CF3) 2-, and the like. Among these, -O-, -SO2-, -CO- or a direct bond is preferable, and -O- and -SO2- are particularly preferable. X and Y may be the same or different.

−(CF)n−及び−(CF)p−はフッ素で置換されたアルキル鎖である、フルオロアルキル基を示し、通常n及びpは整数で0から10の範囲である。例えばジフルオロメチレン基、テトラフルオロエチレン基、ヘキサフルオロプロピレン基、オクタフルオロブチレン基等が挙げられる。この中で、テトラフルオロエチレン基が最も好ましい。nとpは同じでも異なっていてもよいが、nとpいずれかは必ずは1以上の必要がある。 -(CF) n- and-(CF) p- represent a fluoroalkyl group, which is an alkyl chain substituted with fluorine, and usually n and p are integers ranging from 0 to 10. Examples thereof include a difluoromethylene group, a tetrafluoroethylene group, a hexafluoropropylene group, and an octafluorobutylene group. Of these, a tetrafluoroethylene group is most preferred. n and p may be the same or different, but either n or p must be 1 or more.

qは繰り返し単位の数を表す整数で、通常2〜5000の範囲である。この中で3〜100が好ましい。またこの繰り返し単位を親水部として、スルホン酸基を有さない疎水ポリマーとのブロック共重合体とすることも可能である。
本発明における側鎖に超強酸基、主鎖に強酸基を有する芳香族系高分子の分子量は数平均分子量で通常5000から500000、好ましくは10000〜300000の範囲、特に好ましくは15000〜100000である。
q is an integer representing the number of repeating units, and is usually in the range of 2 to 5000. Among these, 3-100 are preferable. It is also possible to use this repeating unit as a hydrophilic part and to form a block copolymer with a hydrophobic polymer having no sulfonic acid group.
In the present invention, the molecular weight of the aromatic polymer having a super strong acid group in the side chain and a strong acid group in the main chain is usually 5000 to 500,000, preferably 10,000 to 300,000, particularly preferably 15,000 to 100,000, in terms of number average molecular weight. .

上記の様な側鎖に超強酸基、主鎖に強酸基を有する芳香族系高分子は、例えば一般式(4)のような主鎖にスルホン酸基を有するアリールハライドと一般式(5)の様な超強酸であるスルホン酸基を有するフルオロアルキルハライドとの反応によって合成することができる。


(HalはCl、Br、I、Fからなる群より選択されてなる少なくとも1種以上のハロゲンを、n, l, pは0以上の整数で、かつ少なくともn, l, pのいずれか及びqは1以上の整数を、Mは水素もしくはアルカリ金属、アルカリ土類金属のいずれかをそれぞれ示す。)
The aromatic polymer having a super strong acid group in the side chain and a strong acid group in the main chain as described above includes, for example, an aryl halide having a sulfonic acid group in the main chain as represented by the general formula (4) and the general formula (5). It can synthesize | combine by reaction with the fluoroalkyl halide which has a sulfonic acid group which is such a super strong acid.


(Hal is at least one halogen selected from the group consisting of Cl, Br, I, F, n, l, p are integers of 0 or more, and at least one of n, l, p and q Represents an integer of 1 or more, and M represents either hydrogen, an alkali metal, or an alkaline earth metal.)

上記の方法としては特に制限を受けることはないが例えば、Halでしめすハロゲンは同じでも異なっていてもよく、一般式(4)と一般式(5)の化合物を金属存在下において反応させて、直接結合を形成する方法などが挙げられる。ハロゲンとしてはフッ素、塩素、臭素、ヨウ素が挙げられ、好ましくは塩素、臭素、ヨウ素が挙げられる。この反応は通常、溶媒を用いない状態でも行うことは可能であるが、適当な溶媒中で行うことが好ましい。溶媒としては、炭化水素系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、アミド系溶媒、スルホン系溶媒、スルホキシド系溶媒などを用いることができる。テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、ジメチルスルホキシド、スルホラン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、N,N’−ジメチルイミダゾリジノン等が好ましく用いられる。金属としては銅、ナトリウム、リチウム、カリウム、亜鉛、鉄、クロム、ニッケル、マグネシウムなどが挙げられ、好ましくは銅、亜鉛またはナトリウムである。用いる金属の量はハロゲン化アルキルおよび/またはハロゲン化アリールの合計の1/2当量以上が用いられる。反応温度は−10℃〜250℃が好ましく、より好ましくは0℃〜200℃である。 The above method is not particularly limited. For example, the halogens represented by Hal may be the same or different, and the compounds of the general formula (4) and the general formula (5) are reacted in the presence of a metal. Examples thereof include a method for forming a direct bond. Examples of the halogen include fluorine, chlorine, bromine and iodine, preferably chlorine, bromine and iodine. Although this reaction can usually be carried out without using a solvent, it is preferably carried out in an appropriate solvent. As the solvent, hydrocarbon solvents, ether solvents, ketone solvents, amide solvents, sulfone solvents, sulfoxide solvents and the like can be used. Tetrahydrofuran, diethyl ether, dimethyl sulfoxide, sulfolane, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, N, N'-dimethylimidazolidinone and the like are preferably used. Examples of the metal include copper, sodium, lithium, potassium, zinc, iron, chromium, nickel, magnesium, and the like, preferably copper, zinc, or sodium. The amount of the metal used is at least 1/2 equivalent of the total of alkyl halide and / or aryl halide. The reaction temperature is preferably −10 ° C. to 250 ° C., more preferably 0 ° C. to 200 ° C.

本発明における一般式(4)で表わされる高分子、すなわちHalを有する芳香族系高分子は、例えば、スルホン酸基を有する芳香族系高分子に、高分子反応でHalを導入する方法等で得ることができる。
この方法としては例えば、N−ブロモスクシンイミドを作用させて臭素を導入する方法、塩素ガス、臭素、ヨウ素などを直接作用させてハロゲンを導入する方法、三臭化リンを用いて水酸基を臭素基に変換する方法、塩化チオニルを用いて水酸基を塩素化する方法などが挙げられる。(マクマリー有機化学(上)、291〜296ページ、東京化学同人、1992年)
The polymer represented by the general formula (4) in the present invention, that is, the aromatic polymer having Hal is obtained by, for example, introducing Hal into the aromatic polymer having a sulfonic acid group by a polymer reaction. Can be obtained.
As this method, for example, a method in which bromine is introduced by the action of N-bromosuccinimide, a method in which halogen is introduced by the direct action of chlorine gas, bromine, iodine, etc., a hydroxyl group is converted into a bromine group using phosphorus tribromide Examples thereof include a conversion method and a method of chlorinating a hydroxyl group using thionyl chloride. (McMurry Organic Chemistry (above), pages 291-296, Tokyo Chemical Doujin, 1992)

ここで、高分子反応により、Halが導入される芳香族系高分子としては、前述のようにスルホン酸基を有し、主鎖が主として芳香族環で構成されているものであれば特に限定はなく、例えば、スルホン化ポリフェニレンエーテル系、スルホン化ポリナフチレン系、スルホン化ポリフェニレン系、スルホン化ポリエーテルスルホン系、スルホン化ポリフェニレンスルフィド系、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン系、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン系、スルホン化ポリスルホン系、スルホン化ポリエーテルスルホン系、スルホン化ポリエーテルケトン系、スルホン化ポリベンズイミダゾール系などの高分子が挙げられる。この中でも特にスルホン化ポリフェニレンエーテル系、スルホン化ポリナフチレン系、スルホン化ポリフェニレン系スルホン化、ポリエーテルスルホン系高分子が好ましく使用される。これらの高分子は任意の2種類以上の高分子からなる、ブロック共重合体、ランダム共重合体、交互共重合体、マルチブロック共重合体、またはグラフト共重合体などの共重合体であってもよい。
これらの高分子はAldrich社、住友化学工業株式会社などのメーカーなどから入手した高分子をスルホン化することで得られる。例えば、住友化学工業株式会社からはスミカエクセル PES3600P 、PES4100P、PES4800P、PES5200P、PES5003P(いずれも住友化学工業株式会社の登録商標、以下同様)のをスルホン化することで、スルホン化ポリエーテルスルホン類を入手することができる。
Here, the aromatic polymer into which Hal is introduced by the polymer reaction is particularly limited as long as it has a sulfonic acid group and the main chain is mainly composed of an aromatic ring as described above. For example, sulfonated polyphenylene ether, sulfonated polynaphthylene, sulfonated polyphenylene, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyetherethersulfone, Examples of the polymer include sulfonated polysulfone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherketone, and sulfonated polybenzimidazole. Of these, sulfonated polyphenylene ether, sulfonated polynaphthylene, sulfonated polyphenylene, and polyethersulfone polymers are preferably used. These polymers are composed of any two or more kinds of polymers, such as a block copolymer, a random copolymer, an alternating copolymer, a multi-block copolymer, or a graft copolymer. Also good.
These polymers can be obtained by sulfonating polymers obtained from manufacturers such as Aldrich and Sumitomo Chemical. For example, Sumitomo Chemical Co., Ltd. sulfonates Sumika Excel PES3600P, PES4100P, PES4800P, PES5200P, PES5003P (all of which are registered trademarks of Sumitomo Chemical Co., Ltd., the same shall apply hereinafter) to obtain sulfonated polyether sulfones. It can be obtained.

本発明に用いられる高分子電解質膜は、上記のような高分子電解質からなるものであるが、その製法としては、例えば溶媒キャスト法等を使用することができる。具体的には、上記のような高分子電解質の溶液を基材に流延製膜した後、溶媒を除去することにより、高分子電解質膜を製造し得る。
ここで、基材としては、溶媒への耐性があり、製膜後に膜が剥離できるものであれば特に制限はなく、通常ガラス板、PET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム、ステンレス板、ステンレスベルト、シリコンウエハ等が用いられる。これらの基材は、必要に応じて、表面が離型処理、エンボス加工、つや消し加工がされているものも使用し得る。高分子電解質膜の厚みは、特に制限はないが5〜300μmが好ましい。実用に耐える膜の強度を得るには10μmより厚い方が好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能の向上のためには300μmより薄い方が好ましい。かかる膜厚は溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御できる。
The polymer electrolyte membrane used in the present invention is composed of the polymer electrolyte as described above, and as its production method, for example, a solvent cast method or the like can be used. Specifically, a polymer electrolyte membrane can be produced by casting a solution of the polymer electrolyte as described above on a substrate and then removing the solvent.
Here, the substrate is not particularly limited as long as it is resistant to a solvent and can be peeled off after film formation. Usually, glass plate, PET (polyethylene terephthalate) film, stainless steel plate, stainless steel belt, silicon wafer Etc. are used. As these substrates, those having a surface subjected to a release treatment, an embossing process, and a matting process may be used as necessary. Although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of a polymer electrolyte membrane, 5-300 micrometers is preferable. A thickness of more than 10 μm is preferable to obtain a membrane strength that can withstand practical use, and a thickness of less than 300 μm is preferable in order to reduce membrane resistance, that is, improve power generation performance. The film thickness can be controlled by the solution concentration or the coating thickness on the substrate.

高分子電解質の溶液は、通常、高分子電解質を溶解可能であり、その後に除去し得る溶媒を用いて調製される。係る溶媒としては、例えばN,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶媒、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテルが好適に用いられる。これらは単独で用いることもできるが、必要に応じて2種以上の溶媒を混合して用いることもできる。中でも、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドが、溶解性が高く好ましい。
高分子電解質膜を製膜する方法としては、バーコーター法やスピンコーター法、乾式製膜機を用いると均一な層ができるため好ましい。
The polymer electrolyte solution is usually prepared using a solvent that can dissolve the polymer electrolyte and can be removed thereafter. Examples of such solvents include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, and dimethyl sulfoxide, dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene, Chlorinated solvents such as dichlorobenzene, alcohols such as methanol, ethanol and propanol, alkylene glycol monoalkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether and propylene glycol monoethyl ether are preferably used. It is done. These can be used singly, but two or more solvents can be mixed and used as necessary. Among these, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, and dimethyl sulfoxide are preferable because of high solubility.
As a method for forming a polymer electrolyte membrane, it is preferable to use a bar coater method, a spin coater method, or a dry film forming machine because a uniform layer can be formed.

次に本発明の電解質膜と触媒層との接合体について説明する。
本発明の電解質膜と触媒層との接合体としては、高分子電解質膜と触媒層が積層された状態のものが通常使用される。触媒層は高分子電解質膜の片面、または両面に積層されていても良いが、燃料電池を作動させる場合には、両面に触媒層が積層された触媒層/高分子電解質膜/触媒層の3層からなることが好ましい。ここで、高分子電解質膜は、高分子電解質からなるものであり、該電解質としてはイオン交換基として、例えば、−SO 3H、−COOH、−PO(OH) 2、−POH(OH)、−SO 2NHSO 2−、−Ph(OH)(Phはフェニル基を表す)等の陽イオン交換基を有する高分子が挙げられる。イオン交換基は、その一部または全部が対イオンとの塩を形成していても良い。
Next, the joined body of the electrolyte membrane and the catalyst layer of the present invention will be described.
As the joined body of the electrolyte membrane and the catalyst layer of the present invention, one in which the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer are laminated is usually used. The catalyst layer may be laminated on one side or both sides of the polymer electrolyte membrane. However, when the fuel cell is operated, the catalyst layer / polymer electrolyte membrane / catalyst layer 3 in which the catalyst layer is laminated on both sides is used. It preferably consists of layers. Here, the polymer electrolyte membrane is made of a polymer electrolyte. As the electrolyte, for example, —SO 3 H, —COOH, —PO (OH) 2, —POH (OH), — Examples thereof include polymers having a cation exchange group such as SO 2 NHSO 2-, -Ph (OH) (Ph represents a phenyl group). Some or all of the ion exchange groups may form a salt with a counter ion.

次に本発明の集電体と触媒層と電解質膜との接合体(膜電極接合体)について説明する。
集電体と触媒層と電解質膜との接合体としては、通常、集電体、触媒層および高分子電解質膜が積層されているものが使用される。これを用いて燃料電池として作動させることを目的とする場合には集電体/触媒層/高分子電解質膜/触媒層/集電体の順番に5層からなる接合体であることが好ましい。
積層方法としては、例えば▲1▼前述の集電体−触媒層接合体と高分子電解質膜を接合する方法、▲2▼前述の高分子電解質膜−触媒層接合体と集電体を接合させて得る方法を挙げることができる。上記5層からなる接合体は、例えば高分子電解質膜の両面を、触媒層が高分子電解質側になるようにした集電体−触媒層接合体で挟むことにより得ることができるし、高分子電解質膜の両面に触媒層が積層された、触媒層/高分子電解質膜/触媒層の3層からなる接合体の両面に集電体を挟むことにより得ることもできる。
かくして得られた集電体−触媒層−高分子電解質膜接合体は、必要に応じて、熱処理および/またはプレス処理を行うことも可能である。
Next, the assembly (membrane electrode assembly) of the current collector, the catalyst layer, and the electrolyte membrane of the present invention will be described.
As the joined body of the current collector, the catalyst layer, and the electrolyte membrane, a laminate in which a current collector, a catalyst layer, and a polymer electrolyte membrane are usually used is used. When it is intended to operate as a fuel cell using this, it is preferably a joined body comprising 5 layers in the order of current collector / catalyst layer / polymer electrolyte membrane / catalyst layer / current collector.
As the lamination method, for example, (1) the above-mentioned current collector-catalyst layer assembly and the polymer electrolyte membrane are joined, and (2) the above-mentioned polymer electrolyte membrane-catalyst layer assembly and the current collector are joined. Can be mentioned. The five-layered assembly can be obtained, for example, by sandwiching both surfaces of a polymer electrolyte membrane with a current collector-catalyst layer assembly in which the catalyst layer is on the polymer electrolyte side. It can also be obtained by sandwiching a current collector between both surfaces of a three-layered assembly of catalyst layer / polymer electrolyte membrane / catalyst layer in which catalyst layers are laminated on both surfaces of the electrolyte membrane.
The current collector-catalyst layer-polymer electrolyte membrane assembly thus obtained can be subjected to heat treatment and / or press treatment as necessary.

次に本発明の燃料電池について説明する。
上記で得られた集電体−触媒層−高分子電解質膜接合体の一面に酸素ガス、他面に水素ガスを流すことによって燃料電池として作動させることが可能である。この際に、酸素ガスおよび/または水素ガスを加湿して供給することも可能である。 作動させる温度範囲に特に制限はないが0〜150℃が好ましく、30〜120℃がより好ましく、50〜100℃が特に好ましい。
Next, the fuel cell of the present invention will be described.
It is possible to operate as a fuel cell by flowing oxygen gas on one side of the current collector-catalyst layer-polymer electrolyte membrane assembly obtained above and hydrogen gas on the other side. At this time, it is also possible to supply oxygen gas and / or hydrogen gas with humidification. Although there is no restriction | limiting in particular in the temperature range to operate, 0-150 degreeC is preferable, 30-120 degreeC is more preferable, 50-100 degreeC is especially preferable.

以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。
合成例
フラスコに5−ヨード−オクタフルオロペンチル−3−オキサペンタンスルホニルフルオリド15.01g、水5ml、塩化メチレン5ml、2,6−ルチジン4.80g、テトラn−ブチルアンモニウムフルオリドの1M THF(テトラヒドロフラン)溶液を0.1ml入れ、室温で4日間反応させた。塩化メチレンで3回抽出し、溶媒を減圧留去した後、THF30ml、炭酸カリウム2.82gを入れて室温で10h攪拌した。固体をろ別し、ろ液を濃縮したところ白色固体が析出した。白色固体をTHF/トルエン混合溶媒より再結晶して白色固体12.3g得た。得られた白色固体は19F−NMR、元素分析の結果より式6に示す5−ヨード−オクタフルオロ−3−オキサペンタンスルホン酸カリウムであることが確認された。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated, this invention is not limited at all by these Examples.
Synthesis Example 5-Iodo-octafluoropentyl-3-oxapentanesulfonyl fluoride 15.01 g, water 5 ml, methylene chloride 5 ml, 2,6-lutidine 4.80 g, tetra n-butylammonium fluoride 1M THF ( Tetrahydrofuran) solution was placed in 0.1 ml and reacted at room temperature for 4 days. After extracting with methylene chloride three times and distilling off the solvent under reduced pressure, 30 ml of THF and 2.82 g of potassium carbonate were added and stirred at room temperature for 10 hours. The solid was filtered off and the filtrate was concentrated to precipitate a white solid. The white solid was recrystallized from a THF / toluene mixed solvent to obtain 12.3 g of a white solid. The obtained white solid was confirmed to be potassium 5-iodo-octafluoro-3-oxapentanesulfonate represented by Formula 6 from the results of 19F-NMR and elemental analysis.

実施例1 フラスコに、別途合成した式7の構造を有するブロックポリマー15gとDMF80mlを入れて溶解し、0℃に保ちながら臭素46.5gを10分間で加えた。80℃で4時間攪拌した後、反応液を過剰のNa 2SO 3を溶解した水溶液に加えた。その後、塩化メチレンを減圧留去、ろ過、乾燥を行うことにより、重合体17.5gを得た。元素分析、1H NMR、13C NMR測定を行った結果、得られた重合体のフェニル環にはブロモ基が導入されており、式8に示す重合体であることが確認された。重合体中にブロモ基は16.5重量%導入されていた。 Example 1 Into a flask, 15 g of a separately synthesized block polymer having the structure of Formula 7 and 80 ml of DMF were added and dissolved, and 46.5 g of bromine was added over 10 minutes while maintaining the temperature at 0 ° C. After stirring at 80 ° C. for 4 hours, the reaction solution was added to an aqueous solution in which excess Na 2 SO 3 was dissolved. Thereafter, methylene chloride was distilled off under reduced pressure, filtered and dried to obtain 17.5 g of a polymer. As a result of elemental analysis, 1H NMR, and 13C NMR measurement, a bromo group was introduced into the phenyl ring of the obtained polymer, and it was confirmed that the polymer represented by Formula 8 was obtained. In the polymer, 16.5% by weight of bromo groups were introduced.

窒素置換したフラスコに式8に示す重合体0.500g、銅紛末0.500g(7.87mmol)、N,N−ジメチルスルホキシド10mlを入れ、120℃で2時間攪拌した。次いで120℃に保ったまま(b)1.00g(2.16mmol)のN,N−ジメチルスルホキシド10ml溶液を加えた。120℃で40時間反応を行った後に1N‐HCl水溶液100mlに加えて重合体を沈殿させた。沈殿したポリマーを乾燥させて、側鎖に超強酸基を有する式9に示す芳香族系高分子であることが確認された。
A flask substituted with nitrogen was charged with 0.500 g of the polymer represented by formula 8, 0.500 g (7.87 mmol) of copper powder and 10 ml of N, N-dimethylsulfoxide, and the mixture was stirred at 120 ° C. for 2 hours. Next, while maintaining the temperature at 120 ° C., a solution of (b) 1.00 g (2.16 mmol) of N, N-dimethylsulfoxide in 10 ml was added. After reacting at 120 ° C. for 40 hours, the polymer was precipitated by adding to 100 ml of 1N HCl aqueous solution. The precipitated polymer was dried and confirmed to be an aromatic polymer represented by Formula 9 having a super strong acid group in the side chain.

本発明は高いIEC、高いプロトン伝導性を有すると共に、プロトン伝導性の湿度依存性が著しく小さく、特に低湿度下においても良好なプロトン伝導性を有するポリマーを提供し、電解質膜、膜電極接合体、さらには燃料電池に好適に使用することができる。 The present invention provides a polymer having high IEC, high proton conductivity, and extremely low humidity dependency of proton conductivity, and particularly good proton conductivity even under low humidity. Electrolyte membrane, membrane electrode assembly Furthermore, it can be suitably used for a fuel cell.

Claims (10)

分子内に、下記一般式(1)の構成単位と一般式(2)の構成単位を含有する事を特徴とする芳香族炭化水素系ポリマー。

(Ar1は2価の芳香族基、Mは水素もしくはアルカリ金属、アルカリ土類金属のいずれかをそれぞれ示す。)

(Ar2はAr1と同一あるいは異なる2価の芳香族基、Zはヘテロ原子、ヘテロ原子を含む基、又は直接結合からなる群より選ばれる少なくとも1種以上、n, l, p,は0以上の整数で、かつ少なくともn, l, pのいずれかは1以上の整数、Mは水素もしくはアルカリ金属、アルカリ土類金属のいずれか、をそれぞれ示す。)
An aromatic hydrocarbon polymer characterized by containing a structural unit of the following general formula (1) and a structural unit of the general formula (2) in the molecule.

(Ar1 represents a divalent aromatic group, and M represents hydrogen, an alkali metal, or an alkaline earth metal.)

(Ar2 is the same or different divalent aromatic group as Ar1, Z is at least one selected from the group consisting of heteroatoms, groups containing heteroatoms, or direct bonds, and n, l, p, are zero or more. (It is an integer, and at least one of n, l, and p is an integer of 1 or more, and M represents hydrogen, an alkali metal, or an alkaline earth metal.)
前記一般式(1)と一般式(2)の構成単位を含有してなる下記一般式(3)の繰り返し単位を含む親水性セグメントを有する請求項1記載の芳香族炭化水素系ポリマー。

(Ar1、 Ar2は同一あるいは異なる2価の芳香族基、X、Y、Zは同一あるいは異なるり、ヘテロ原子、ヘテロ原子を含む基、又は直接結合からなる群より選ばれる少なくとも1種以上、n, l, pは0以上の整数で、かつ少なくともn, l, pのいずれか及びqは1以上の整数、Mは水素もしくはアルカリ金属、アルカリ土類金属のいずれか、をそれぞれ示す。)
The aromatic hydrocarbon polymer according to claim 1, which has a hydrophilic segment containing a repeating unit represented by the following general formula (3) containing the structural units represented by the general formula (1) and the general formula (2).

(Ar1, Ar2 are the same or different divalent aromatic groups, X, Y, Z are the same or different, and are at least one selected from the group consisting of heteroatoms, groups containing heteroatoms, or direct bonds, n , l, p are integers of 0 or more, and at least one of n, l, p and q are integers of 1 or more, and M is hydrogen, an alkali metal, or an alkaline earth metal.
前記一般式(3)記載の繰り返し単位を含む親水性セグメントと、スルホン酸基を有さない疎水性セグメントとを有する事を特徴とする、請求項2記載の芳香族炭化水素系ポリマー。 The aromatic hydrocarbon polymer according to claim 2, comprising a hydrophilic segment containing the repeating unit represented by the general formula (3) and a hydrophobic segment having no sulfonic acid group. 前記ZがO、S、もしくはスルホニル基のいずれかであり、lが0もしくは1である事を特徴とする、請求項2〜3のいずれかに記載の芳香族炭化水素系ポリマー。 The aromatic hydrocarbon polymer according to any one of claims 2 to 3, wherein Z is any one of O, S, and a sulfonyl group, and l is 0 or 1. 前記Ar1及び、Ar2は同一あるいは異なり、フェニル基、ナフチル基、ビフェニル基、フェニルスルホニルフェニル基、フェニルメチルフェニル基、フェニルジフルオロフェニル基、及びフェニルカルボニルフェニル基からなる群より選ばれる少なくとも1種以上の二価の芳香族基である、請求項2〜4のいずれかに記載の芳香族炭化水素系ポリマー。 Ar1 and Ar2 are the same or different and are at least one selected from the group consisting of phenyl group, naphthyl group, biphenyl group, phenylsulfonylphenyl group, phenylmethylphenyl group, phenyldifluorophenyl group, and phenylcarbonylphenyl group. The aromatic hydrocarbon polymer according to any one of claims 2 to 4, which is a divalent aromatic group. 前記X及びYは同一あるいは異なり、O、S、スルホニル基、カルボニル基、若しくは直接結合からなる群より選ばれる少なくとも1種以上である芳香族主鎖を有する、請求項2〜5のいずれかに記載の芳香族炭化水素系ポリマー。 The X and Y are the same or different and have an aromatic main chain which is at least one selected from the group consisting of O, S, a sulfonyl group, a carbonyl group, or a direct bond. The aromatic hydrocarbon polymer as described. 前記qの範囲が3〜100である請求項2〜6のいずれかに記載の芳香族炭化水素系ポリマー。 The range of said q is 3-100, The aromatic hydrocarbon type polymer in any one of Claims 2-6. 請求項1〜7のいずれかに記載のポリマーを用いてなる電解質膜 An electrolyte membrane comprising the polymer according to claim 1. 請求項8記載の膜を用いた膜電極接合体。 9. A membrane electrode assembly using the membrane according to claim 8. 請求項9記載の膜電極接合体を用いた燃料電池。 10. A fuel cell using the membrane electrode assembly according to claim 9.
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