JP2013510383A - Membrane electrode assembly and fuel cell with improved performance - Google Patents

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JP2013510383A JP2012535687A JP2012535687A JP2013510383A JP 2013510383 A JP2013510383 A JP 2013510383A JP 2012535687 A JP2012535687 A JP 2012535687A JP 2012535687 A JP2012535687 A JP 2012535687A JP 2013510383 A JP2013510383 A JP 2013510383A
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修 山本
淳 菊池
智之 小野
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Abstract

本発明は、(i)少なくとも2つの電気化学的に活性な電極を含み、(ii)前記電極は、少なくとも1つのポリマー電解質膜、又は電解質マトリクスによって分離されており、(iii)前記電極は、前記ポリマー電解質膜又は電解質マトリクスと接触している触媒層を有し、(iv)カソードで、前記触媒層は、イオノマー性材料として、式(I)の繰り返し単位を含むポリマーを含む膜電極アセンブリ、及び性能が増した燃料電池に関する。
【選択図】なし
The present invention includes (i) at least two electrochemically active electrodes, (ii) the electrodes are separated by at least one polymer electrolyte membrane, or electrolyte matrix, and (iii) the electrodes are A membrane electrode assembly comprising a catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane or electrolyte matrix, (iv) at the cathode, the catalyst layer comprising, as an ionomeric material, a polymer comprising a repeating unit of formula (I); And a fuel cell with increased performance.
[Selection figure] None

Description

本発明は、ポリマー電解質膜によって分離された、少なくとも2つの電気化学的に活性な電極を含む膜電極アセンブリ、及び性能が改良された燃料電池に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly comprising at least two electrochemically active electrodes separated by a polymer electrolyte membrane, and a fuel cell with improved performance.

ポリマー電解質膜(PEM)燃料電池は既に公知である。現在、スルホン酸−変性のポリマーが、プロトン伝導性膜として、ほとんど独占的に、これらの燃料電池に使用されている。ここで、ペルフルオロ化されたポリマーが主として使用されている。DuPont de Nemours,Willmington,USAからのNationTMが、この著名な例である。プロトンの伝導のために、比較的高い水の含有量が膜に必要とされ、これは典型的には、スルホン酸基当たり4〜20分子の量である。必要とされる水の含有量、及び酸性水、及び反応ガス、水素及び酸素と関連したポリマーの安定性は、通常、PEM燃料電池スタックの運転温度を80〜100℃に制限する。圧力を施した場合、運転温度は>120℃に増すことができる。そうでなければ、より高い温度の運転は、燃料電池の電力を損なうものである。 Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells are already known. Currently, sulfonic acid-modified polymers are used almost exclusively in these fuel cells as proton conducting membranes. Here, perfluorinated polymers are mainly used. Nation from DuPont de Nemours, Willington, USA is a prominent example of this. For proton conduction, a relatively high water content is required in the membrane, which is typically an amount of 4-20 molecules per sulfonic acid group. The required water content, and the stability of the polymer in association with acidic water and reactive gases, hydrogen and oxygen typically limits the operating temperature of the PEM fuel cell stack to 80-100 ° C. When pressure is applied, the operating temperature can be increased to> 120 ° C. Otherwise, higher temperature operation will damage the power of the fuel cell.

システム−特有の理由により、100℃を超える燃料電池の運転温度が望ましい。貴金属に基づき、及び膜電極アセンブリ(MEA)に含まれる触媒の活性は、高い運転温度では、大きく改良される。いわゆる炭化水素からのリフォーマーが使用される場合、リフォーマーガスは、特に、相当量の一酸化炭素を含み、該一酸化炭素は通常、合成ガスコンディショニング又はガス精製工程を使用して除去する必要がある。触媒のCO不純物に対する許容性(tolerance)は、高い運転温度で増加する。   For system-specific reasons, fuel cell operating temperatures in excess of 100 ° C. are desirable. The activity of catalysts based on noble metals and contained in membrane electrode assemblies (MEAs) is greatly improved at high operating temperatures. When so-called hydrocarbon reformers are used, the reformer gas contains in particular a substantial amount of carbon monoxide, which usually needs to be removed using a synthesis gas conditioning or gas purification process. . The tolerance of the catalyst for CO impurities increases at higher operating temperatures.

更に、燃料電池の運転の間、熱が生成される。しかしながら、これらのシステムの80℃未満への冷却は、非常に複雑なものである。電力出力に依存して、冷却装置は、複雑さを大きく低減して構成することができる。このことは、100℃を超える温度で運転される燃料電池内の廃熱を、明確により良好に使用できることを意味しており、従って、組み合わされた電力と熱生成を介した燃料電池システムの効率を増すことができることを意味している。   In addition, heat is generated during operation of the fuel cell. However, cooling these systems to below 80 ° C. is very complex. Depending on the power output, the cooling device can be configured with greatly reduced complexity. This means that the waste heat in fuel cells operating at temperatures above 100 ° C. can be used clearly and better, and therefore the efficiency of the fuel cell system through combined power and heat generation. It means that can be increased.

これらの温度を達成するために、通常、新しい伝導メカニズムを有する膜が使用される。この目的のためのあるアプローチは、水を使用することなく導電率を示す膜の使用である。この方向における第1の前途有望な発達は、特許文献1(WO96/13872)に開示されている。   To achieve these temperatures, membranes with new conduction mechanisms are usually used. One approach for this purpose is the use of membranes that exhibit conductivity without the use of water. A first promising development in this direction is disclosed in US Pat.

個々の燃料電池のタップ可能(出力可能)な電圧は、比較的低く、通常、幾つかの膜電極アセンブリが順次連結され、及び平面的なセパレータプレート(バイポーラー板)を介して互いに連結される。   The tapable (outputtable) voltage of individual fuel cells is relatively low, usually several membrane electrode assemblies are connected in series and connected to each other via a planar separator plate (bipolar plate). .

WO96/13872WO96 / 13872

しかしながら、実際には、現在使用されている膜電極アセンブリは、より競争的な経済的代替になるために、更に改良される必要がある。必要とされる改良の一つは、膜電極アセンブリのカソードでの酸素還元に関して、膜電極アセンブリの性能を増すことである。   In practice, however, currently used membrane electrode assemblies need to be further improved to become a more competitive economic alternative. One improvement required is to increase the performance of the membrane electrode assembly with respect to oxygen reduction at the cathode of the membrane electrode assembly.

従って、本発明の目的は、酸素還元が行われる膜電極アセンブリのカソードで、可能な限り高い性能を有する膜電極アセンブリ及び燃料電池を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly and a fuel cell having the highest possible performance at the cathode of the membrane electrode assembly in which oxygen reduction is performed.

更に、改良された膜電極アセンブリは、好ましくは以下の特性を有するべきである:
・燃料電池は、可能な限り長い耐用年数を有するべきである。
・可能な限り高い運転温度、特に100℃を超える温度で燃料電池を使用可能であるべきである。
・運転において、個々の電池(セル)は、(可能な限り長くあるべき)期間にわたり、一定の、又は改良された性能を示すべきである。
・長い運転時間の後、燃料電池は、可能な限り高い開回路の電圧を有するべきであり、及び可能な限り低いガスクロスオーバーを有するべきである。更に、これらを化学量論で、可能な限り低く運転可能であるべきである。
・燃料電池は、可能であれば、燃料ガスの追加的な加湿を行うことなく取り扱うべきである。
・燃料電池は、不変の、又はアノードとカソードの間の交互する圧力差に、可能な限り良好に耐えるべきである。
・特に、燃料電池は、異なる運転条件(T、p、幾何学形状、等)に対して強く、一般信頼性(general reliability)を可能な限り良好に増すべきである。
・更に、燃料電池は、改良された温度及び腐食抵抗性を有し、及び比較的低いガス浸透性を、特に高い温度で有するべきである。機械的安定性、及び構造的全体性の、特に高温での低下を、可能な限り回避するべきである。
In addition, the improved membrane electrode assembly should preferably have the following properties:
• The fuel cell should have the longest possible service life.
• The fuel cell should be usable at the highest possible operating temperature, in particular above 100 ° C.
In operation, individual batteries (cells) should exhibit constant or improved performance over a period (which should be as long as possible).
After a long operating time, the fuel cell should have the highest open circuit voltage possible and the lowest possible gas crossover. Furthermore, they should be able to be operated as low as possible in stoichiometry.
• Fuel cells should be handled without additional humidification of fuel gas if possible.
• The fuel cell should withstand as well as possible a constant or alternating pressure difference between the anode and cathode.
In particular, the fuel cell should be robust to different operating conditions (T, p, geometry, etc.) and increase the general reliability as good as possible.
Furthermore, the fuel cell should have improved temperature and corrosion resistance and have a relatively low gas permeability, especially at high temperatures. Degradation of mechanical stability and structural integrity, especially at high temperatures, should be avoided as much as possible.

これらの目的は、本発明によって達成される。   These objects are achieved by the present invention.

本発明は、
(i)少なくとも2つの電気化学的に活性な電極を含み、
(ii)前記電極は、少なくとも1つのポリマー電解質膜、又は電解質マトリクスによって分離されており、
(iii)前記電極は、前記ポリマー電解質膜又は電解質マトリクスと接触している触媒層を有し、
(iv)前記触媒は、少なくとも1種のイオノマー性材料を含む、
膜電極アセンブリであって、
少なくともカソードと接触する触媒層が、イオノマー性材料として、一般式(I)
The present invention
(I) comprising at least two electrochemically active electrodes;
(Ii) the electrodes are separated by at least one polymer electrolyte membrane or electrolyte matrix;
(Iii) the electrode has a catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane or electrolyte matrix;
(Iv) the catalyst comprises at least one ionomeric material;
A membrane electrode assembly comprising:
At least the catalyst layer in contact with the cathode is a general formula (I)

Figure 2013510383
Figure 2013510383

(但し、(a)
Arが、同一であるか、又は異なり、及び4つの共有結合を有する(tetracovalent)芳香族基、又は4つの共有結合を有する複素環式芳香族基であり、それぞれが単環式、二環式、又は多環式が可能であり、及び
Xが、同一であるか、又は異なり、及びN、O、Sを表し、及び
1が、同一であるか、又は異なり、及び式
(However, (a)
Ar is the same or different and is a tetracovalent aromatic group or a heteroaromatic group having four covalent bonds, each of which is monocyclic, bicyclic Or X can be the same or different and represent N, O, S, and R 1 can be the same or different, and the formula

Figure 2013510383
の2つの共有結合を有する基を表し、及び
Ar1、Ar2が、同一であるか、又は異なり、及び2つの共有結合を有する芳香族基、又は2つの共有結合を有する複素環式芳香族基を表し、それぞれが単環式、二環式、又は多環式が可能であり、及び、
1が、同一であるか、又は異なり、及び二価のアルキル基、及び/又は二価の芳香族基を表し、両方が、少なくとも1個の水素原子がフッ素原子によって置き換えられており、及び
nが、0.1〜99.9モル−%であるか、
又は(b)
Arが、同一であるか、又は異なり、及び式
Figure 2013510383
A group having two covalent bonds, and Ar 1 and Ar 2 are the same or different, and an aromatic group having two covalent bonds, or a heterocyclic aromatic group having two covalent bonds Each represents a monocyclic, bicyclic, or polycyclic group, and
Z 1 is the same or different and represents a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group, both of which at least one hydrogen atom is replaced by a fluorine atom, and n is 0.1 to 99.9 mol-%,
Or (b)
Ar is the same or different and has the formula

Figure 2013510383
の、4つの共有結合を有する基を表し、
Ar3、Ar4が、同一であるか、又は異なり、及び3つの共有結合を有する芳香族基、又は3つの共有結合を有する複素環式芳香族基を表し、それぞれが単環式、二環式、又は多環式が可能であり、及び、
2が、同一であるか、又は異なり、及び二価のアルキル基、及び/又は二価の芳香族基を表し、両方が、少なくとも1個の水素原子がフッ素原子によって置き換えられており、及び
Xが、同一であるか、又は異なり、及びN、O、Sを表し、及び
1が、同一であるか、又は異なり、及び(i)式
Figure 2013510383
Represents a group having four covalent bonds,
Ar 3 and Ar 4 are the same or different and each represents an aromatic group having three covalent bonds or a heterocyclic aromatic group having three covalent bonds, each of which is monocyclic or bicyclic Can be of formula or polycyclic, and
Z 2 is the same or different and represents a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group, both of which at least one hydrogen atom is replaced by a fluorine atom, and X is the same or different and represents N, O, S, and R 1 is the same or different and (i)

Figure 2013510383
の2つの共有結合を有する基を表し、及び
Ar5、Ar6が、同一であるか、又は異なり、及び2つの共有結合を有する芳香族基、又は2つの共有結合を有する複素環式芳香族基を表し、それぞれが単環式、二環式、又は多環式が可能であり、及び
3が、同一であるか、又は異なり、及びN、O、Sを表すか、
又は(ii)二価のアルキル基、及び/又は二価の芳香族基を表し、両方が、更に置換されることができ、及び
nが0.1〜99.9モル−%である)
の繰り返し単位を含むポリマーを含むことを特徴とする膜電極アセンブリに関する。
Figure 2013510383
A group having two covalent bonds, and Ar 5 and Ar 6 are the same or different, and an aromatic group having two covalent bonds, or a heterocyclic aromatic group having two covalent bonds Each represents a monocyclic, bicyclic, or polycyclic group, and Z 3 is the same or different and represents N, O, S,
Or (ii) represents a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group, both can be further substituted, and n is from 0.1 to 99.9 mol-%)
The present invention relates to a membrane electrode assembly comprising a polymer containing repeating units of:

両方の選択肢(a)又は(b)で、nが40〜60モル%の間であることが好ましく、最も好ましくは50モル%であり、これにより繰り返し単位の両副次的単位間の割当量が、同程度であるか、又は等しくなる。   In both options (a) or (b), n is preferably between 40 and 60 mol%, most preferably 50 mol%, whereby the quota between both secondary units of the repeating unit Are comparable or equal.

両方の選択肢(a)又は(b)で、XがN又はOであることが好ましい。選択肢(b)で、最も好ましくはXがOである。   In both options (a) or (b), X is preferably N or O. In option (b), most preferably X is O.

好ましくは、Z1及び/又はZ2でのアルキルが、互いに独立して、1〜6個の炭素原子を有する短鎖の二価のアルキル基、例えばメチル、エチル、n−プロピル、又はi−プロピル、及びn−、i−、又はt−ブチル、n−、i−、又はt−ペンタン、n−、i−、又はt−ヘキサンである。 Preferably, the alkyl at Z 1 and / or Z 2 is, independently of one another, a short-chain divalent alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, such as methyl, ethyl, n-propyl, or i- Propyl, and n-, i-, or t-butyl, n-, i-, or t-pentane, n-, i-, or t-hexane.

好ましくは、Z1及び/又はZ2でのアルキルが、互いに独立して、1〜6個の炭素原子を有する短鎖の二価のアルキル基、例えばメチル、エチル、n−プロピル、又はi−プロピル、及びn−、i−、又はt−ブチル、n−、i−、又はt−ペンタン、n−、i−、又はt−ヘキサンであり、少なくとも1個の炭素原子がペルフルオロ化されているか、又は少なくとも1個の炭素原子が、少なくとも1個の(CF3)−基によって置換されており、最も好ましくは2個の(CF3)−基によって置換されて−C(CF32−基を形成する。 Preferably, the alkyl at Z 1 and / or Z 2 is, independently of one another, a short-chain divalent alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, such as methyl, ethyl, n-propyl, or i- Propyl and n-, i-, or t-butyl, n-, i-, or t-pentane, n-, i-, or t-hexane, and at least one carbon atom is perfluorinated Or at least one carbon atom is substituted by at least one (CF 3 ) — group, most preferably substituted by two (CF 3 ) — groups to give —C (CF 3 ) 2 —. Form a group.

好ましくは、Z1及び/又はZ2での芳香族基が、互いに独立して、5〜6個の炭素原子を有する二価の芳香族基を表し、ここで1つ以上の炭素原子がN、O又はSから選ばれるヘテロ原子によって置き換えられることができ、そして少なくとも1個の炭素原子がペルフルオロ化されているか、又は少なくとも1個の炭素原子が、少なくとも1個の(CF3)−基によって置換されており、又は、少なくとも1個の(CF3)−基によって置換された、最も好ましくは2個の(CF3)−基によって置換されて−C(CF32−基を形成する、又は末端−C(CF33基によって置換された2〜6個の炭素原子を有するアルキル基を表す。 Preferably, the aromatic groups in Z 1 and / or Z 2 represent, independently of one another, a divalent aromatic group having 5 to 6 carbon atoms, wherein one or more carbon atoms are N , O or S can be replaced by a heteroatom and at least one carbon atom is perfluorinated or at least one carbon atom is replaced by at least one (CF 3 ) -group It is substituted, or at least one of (CF 3) - substituted by group, and most preferably two (CF 3) - substituted -C (CF 3) by a group 2 - to form a group Or represents an alkyl group having 2 to 6 carbon atoms substituted by a terminal —C (CF 3 ) 3 group.

好ましくは、選択肢(b)で、R1が、互いに独立して、1〜10個の炭素原子を有する二価のアルキル基、例えばメチル、エチル、n−プロピル、又はi−プロピル、及びn−、i−、又はt−ブチル、n−、i−、又はt−ペンタン、n−、i−、又はt−ヘキサンを表す。 Preferably, in option (b), R 1 , independently of each other, is a divalent alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, such as methyl, ethyl, n-propyl, or i-propyl, and n- , I-, or t-butyl, n-, i-, or t-pentane, n-, i-, or t-hexane.

好ましくは、選択肢(b)で、R1が、互いに独立して、5〜6個の炭素原子を有する二価の芳香族基礎を表し、ここで、1個以上の炭素原子がN、O又はSから選ばれるヘテロ原子によって置き換えられることが可能である。 Preferably, in option (b), R 1 , independently of each other, represents a divalent aromatic basis having 5 to 6 carbon atoms, wherein one or more carbon atoms are N, O or It can be replaced by a heteroatom selected from S.

好ましい2つの共有結合を有する芳香族基、又は2つの共有結合を有する複素環式芳香族基Ar1、Ar2、Ar5、Ar6は、互いに独立して、単環式、二環式、又は多環式の縮合された、又は縮合されていない、5〜20個の炭素原子を有する芳香族、又は複素環式芳香族環系を表し、該芳香族、又は複素環式芳香族環系は、1個以上の炭素原子が、N、O、Sによって置換されることが可能である。2つの共有結合を有する芳香族基、又は2つの共有結合を有する複素環式芳香族基Ar1、Ar2、Ar5、Ar6は、更なる基によって置換されることが可能である。 A preferred aromatic group having two covalent bonds, or a heterocyclic aromatic group having two covalent bonds Ar 1 , Ar 2 , Ar 5 , Ar 6 , independently of each other, is monocyclic, bicyclic, Or a polycyclic fused or unfused aromatic or heteroaromatic ring system having 5 to 20 carbon atoms, said aromatic or heteroaromatic ring system Can have one or more carbon atoms replaced by N, O, S. The aromatic group having two covalent bonds or the heterocyclic aromatic group Ar 1 , Ar 2 , Ar 5 , Ar 6 having two covalent bonds can be substituted by further groups.

最も好ましくは、2つの共有結合を有する芳香族基、又は2つの共有結合を有する複素環式芳香族基Ar1、Ar2、Ar5、Ar6は、互いに独立して、ベンゼン、ナフタレン、ビフェニル、ジフェニルエーテル、ジフェニルメタン、ジフェニルジメチルメタン、ビスフェノン、ジフェニルスルホン、キノリン、ピリジン、ビピリジン、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン、トリアジン、テトラジン、ピロール、ピラゾール、アントラセン、ベンゾピロール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサチアジアゾール、ベンゾオキサジアゾール、ベンゾピリジン、ベンゾピラジン、ベンゾピラジジン、ベンゾピリミジン、ベンゾピラジン、ベンゾトリアジン、インドリジン、キノリジン、ピリドピリジン、イミダゾピリミジン、ピラジノピリミジン、カルバゾール、アジリジン、フェナジン、ベンゾキノリン、フェノキサジン、フェノチアジン、アクリジジン、ベンゾプテリジン、フェナンスロリン、及びフェナンスレン(これらは任意に置換されることもできる)から誘導される。 Most preferably, the aromatic group having two covalent bonds or the heterocyclic aromatic group having two covalent bonds Ar 1 , Ar 2 , Ar 5 , Ar 6 is independently of each other benzene, naphthalene, biphenyl. , Diphenyl ether, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane, bisphenone, diphenylsulfone, quinoline, pyridine, bipyridine, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, triazine, tetrazine, pyrrole, pyrazole, anthracene, benzopyrrole, benzotriazole, benzooxathiadiazole, benzooxadiazole , Benzopyridine, benzopyrazine, benzopyrazidine, benzopyrimidine, benzopyrazine, benzotriazine, indolizine, quinolidine, pyridopyridine, imidazopyrimidine, pyrazinopyrimidine , Carbazole, aziridine, phenazine, benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, Akurijijin, derived Benzoputerijin, phenanthroline, and phenanthrene (these can also be optionally substituted).

好ましい、3つの共有結合を有する芳香族基又は3つの共有結合を有する複素環式芳香族基Ar3、Ar4は、互いに独立して、5〜20個の炭素原子を有する、単環式、二環式、多環式、縮合した、芳香族、又は複素環式芳香族環系で、ここで1個以上の炭素原子がN、O、Sによって置き換えられることができる。3つの共有結合を有する芳香族基又は3つの共有結合を有する複素環式芳香族基Ar3、Ar4は、更なる基によって置換されることもできる。 Preferred aromatic groups having three covalent bonds or heterocyclic aromatic groups having three covalent bonds Ar 3 , Ar 4 independently of one another have 5 to 20 carbon atoms, monocyclic, In bicyclic, polycyclic, fused, aromatic, or heteroaromatic ring systems, one or more carbon atoms can be replaced by N, O, S. The aromatic group having 3 covalent bonds or the heterocyclic aromatic group Ar 3 , Ar 4 having 3 covalent bonds can be substituted by further groups.

最も好ましい、3つの共有結合を有する芳香族基又は3つの共有結合を有する複素環式芳香族基Ar3、Ar4は、互いに独立して、ベンゼン、ナフタレン、ビフェニル、ジフェニルエーテル、ジフェニルメタン、ジフェニルジメチルメタン、ビスフェノン、ジフェニルスルホン、キノリン、ピリジン、ビピリジン、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン、トリアジン、テトラジン、ピロール、ピラゾール、アントラセン、ベンゾピロール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサチアジアゾール、ベンゾオキサジアゾール、ベンゾピリジン、ベンゾピラジン、ベンゾピラジジン、ベンゾピリミジン、ベンゾピラジン、ベンゾトリアジン、インドリジン、キノリジン、ピリドピリジン、イミダゾピリミジン、ピラジノピリミジン、カルバゾール、アジリジン、フェナジン、ベンゾキノリン、フェノキサジン、フェノチアジン、アクリジジン、ベンゾプテリジン、フェナンスロリン、及びフェナンスレン(これらは任意に置換されることもできる)から誘導される。 Most preferably, the aromatic group having three covalent bonds or the heteroaromatic group having three covalent bonds Ar 3 and Ar 4 are independently of each other benzene, naphthalene, biphenyl, diphenyl ether, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane. , Bisphenone, diphenylsulfone, quinoline, pyridine, bipyridine, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, triazine, tetrazine, pyrrole, pyrazole, anthracene, benzopyrrole, benzotriazole, benzooxathiadiazole, benzooxadiazole, benzopyridine, benzopyrazine, benzopyrazidine , Benzopyrimidine, benzopyrazine, benzotriazine, indolizine, quinolidine, pyridopyridine, imidazopyrimidine, pyrazinopyrimidine, carbazole, Lysine, phenazine, benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, Akurijijin, derived Benzoputerijin, phenanthroline, and phenanthrene (these can also be optionally substituted).

好ましい、4つの共有結合を有する芳香族基又は4つの共有結合を有する複素環式芳香族基Arは、互いに独立して、単環式、二環式、又は多環式の、縮合された、又は縮合されていない、5〜20個の炭素原子を有する、芳香族又は複素環式芳香族環系であり、ここで1個以上の炭素原子がN、O、Sによって置き換えられていても良い。4つの共有結合を有する芳香族基又は4つの共有結合を有する複素環式芳香族基Arは、更なる基で置換されることができる。   Preferred aromatic groups having 4 covalent bonds or heteroaromatic groups Ar having 4 covalent bonds are, independently of each other, monocyclic, bicyclic or polycyclic fused, Or an aromatic or heteroaromatic ring system having 5 to 20 carbon atoms that is not condensed, wherein one or more carbon atoms may be replaced by N, O, S . The aromatic group having 4 covalent bonds or the heterocyclic aromatic group Ar having 4 covalent bonds can be substituted with further groups.

最も好ましい、4つの共有結合を有する芳香族基又は4つの共有結合を有する複素環式芳香族基Arは、互いに独立して、ベンゼン、ナフタレン、ビフェニル、ジフェニルエーテル、ジフェニルメタン、ジフェニルジメチルメタン、ビスフェノン、ジフェニルスルホン、キノリン、ピリジン、ビピリジン、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン、トリアジン、テトラジン、ピロール、ピラゾール、アントラセン、ベンゾピロール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサチアジアゾール、ベンゾオキサジアゾール、ベンゾピリジン、ベンゾピラジン、ベンゾピラジジン、ベンゾピリミジン、ベンゾピラジン、ベンゾトリアジン、インドリジン、キノリジン、ピリドピリジン、イミダゾピリミジン、ピラジノピリミジン、カルバゾール、アジリジン、フェナジン、ベンゾキノリン、フェノキサジン、フェノチアジン、アクリジジン、ベンゾプテリジン、フェナンスロリン、及びフェナンスレン(これらは任意に置換されることもできる)から誘導される。   Most preferably, the aromatic group having four covalent bonds or the heteroaromatic group Ar having four covalent bonds is independently of each other benzene, naphthalene, biphenyl, diphenyl ether, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane, bisphenone, diphenyl. Sulfone, quinoline, pyridine, bipyridine, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, triazine, tetrazine, pyrrole, pyrazole, anthracene, benzopyrrole, benzotriazole, benzoxathiadiazole, benzoxadiazole, benzopyridine, benzopyrazine, benzopyrazidine, benzopyrimidine, Benzopyrazine, benzotriazine, indolizine, quinolidine, pyridopyridine, imidazopyrimidine, pyrazinopyrimidine, carbazole, aziridine, Enajin, benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, Akurijijin, derived Benzoputerijin, phenanthroline, and phenanthrene (these can also be optionally substituted).

本発明の好ましい一実施の形態では、一般式(I)の繰り返し単位を含むポリマーは、一般式(I)の繰り返し単位を、少なくとも10個、より好ましくは少なくとも50個含んでいる。   In a preferred embodiment of the invention, the polymer comprising repeating units of general formula (I) comprises at least 10, more preferably at least 50 repeating units of general formula (I).

最も好ましくは、一般式(I)の繰り返し単位を含むポリマーは、質量平均の分子量Mwが、(ゲル浸透クロマトグラフによって測定して)10000を超える。 Most preferably, the polymer comprising repeating units of general formula (I) has a weight average molecular weight M w of greater than 10,000 (as measured by gel permeation chromatography).

最も好ましくは、一般式(I)の繰り返し単位を含むポリマーは、数平均分子量Mnが、5000を超える。 Most preferably, the polymer comprising repeating units of general formula (I) has a number average molecular weight M n of greater than 5000.

最も好ましくは、一般式(I)の繰り返し単位を含むポリマーは、25℃で、DMAc中への溶解度が少なくとも0.5質量%である。   Most preferably, the polymer comprising repeating units of general formula (I) has a solubility in DMAc of at least 0.5% by weight at 25 ° C.

カソードで、触媒層上に、触媒材料に対して所定の割合で存在する、本発明に従うイオノマー性材料を有することが好ましい。触媒層中の、典型的な触媒の含有量、最も典型的には貴金属の含有量は、0.1〜10.0mg/cm2、好ましくは0.3〜6.0mg/cm2、及び特に好ましくは1〜4.0mg/cm2である。従って、イオノマー性材料と触媒の間の質量割合は、好ましくは100:1〜1:100、最も好ましくは10:1〜1:10である。特定の好ましい割合は、1:8〜1:3である。これらの量及び割合は、所望により、アノード中の触媒層にも適用される。 At the cathode, it is preferable to have an ionomeric material according to the present invention present on the catalyst layer in a predetermined proportion relative to the catalyst material. Typical catalyst content, most typically noble metal content in the catalyst layer is 0.1 to 10.0 mg / cm 2 , preferably 0.3 to 6.0 mg / cm 2 , and especially Preferably it is 1-4.0 mg / cm < 2 >. Accordingly, the mass ratio between the ionomeric material and the catalyst is preferably 100: 1 to 1: 100, most preferably 10: 1 to 1:10. A specific preferred ratio is 1: 8 to 1: 3. These amounts and proportions also apply to the catalyst layer in the anode, if desired.

一般式(I)の繰り返し単位を含むポリマーは、
A)ポリリン酸中で、溶液及び/又は分散物を形成して、1種以上の芳香族ジ−、トリ、又はテトラアミノ化合物を、(カルボン酸モノマー当たり、少なくとも2個の酸性基を含む)1種以上の芳香族カルボン酸、又はそのエステルと混合し、少なくとも1種のジ−、トリ−、又はテトラアミノ化合物、又は芳香族カルボン酸が、少なくとも1個のフッ素原子を有する/フッ素化されるか、又は
1種以上の芳香族ジアミノ−ジヒドロキシ化合物を、(カルボン酸モノマー当たり、少なくとも2個の酸性基を含む)1種以上の芳香族カルボン酸、又はそのエステルと混合し、少なくとも1種のジアミノ−ジヒドロキシ化合物、又は芳香族カルボン酸が、少なくとも1個のフッ素原子を有する/フッ素化されるか、又は
1種以上の芳香族、及び/又は複素環式芳香族ジアミノカルボン酸を混合し、少なくとも1種のジアミノカルボン酸が、少なくとも1個のフッ素原子を有する/フッ素化され、
B)工程A)からの混合物を、不活性ガス下で、350℃以下、好ましくは280℃以下の温度で加熱して、一般式(I)の繰り返し単位を含むポリマーを形成する、
ことによって製造することができる。
The polymer containing the repeating unit of the general formula (I) is
A) Forming a solution and / or dispersion in polyphosphoric acid to form one or more aromatic di-, tri, or tetraamino compounds (containing at least two acidic groups per carboxylic acid monomer) When mixed with one or more aromatic carboxylic acids, or esters thereof, at least one di-, tri-, or tetraamino compound, or aromatic carboxylic acid has at least one fluorine atom / fluorinated. Or one or more aromatic diamino-dihydroxy compounds are mixed with one or more aromatic carboxylic acids (containing at least two acidic groups per carboxylic acid monomer), or esters thereof, and at least one Of the diamino-dihydroxy compound, or aromatic carboxylic acid has at least one fluorine atom / fluorinated, or one or more aromatics, and Or heteroaromatic diamino carboxylic acids were mixed, at least one diamino-carboxylic acid, is / fluorinated having at least one fluorine atom,
B) The mixture from step A) is heated under inert gas at a temperature of 350 ° C. or lower, preferably 280 ° C. or lower, to form a polymer comprising repeating units of general formula (I).
Can be manufactured.

工程B)から得られた混合物は、直接的に使用して、一般式(I)の繰り返し単位を含むポリマーに、触媒層(特に、後にカソードと接触する触媒)中のイオノマーとして導入することができる。   The mixture obtained from step B) can be used directly as an ionomer in a catalyst layer (especially a catalyst that later contacts the cathode) into a polymer containing repeating units of general formula (I). it can.

替わりの経路では、工程B)から得られた混合物は、最初に非−溶媒、例えば水又は水を含む媒体中で、ポリマーを沈澱させ、そして所望により乾燥させることによって分離することができる。このような経路が選択される場合、一般式(I)の繰り返し単位を含むポリマーは、イオノマーとして(特に、後にカソードと接触する)触媒層中に導入するために、溶媒(例えばDMAc、リン酸、又はポリリン酸)中に溶解する必要がある。   In an alternative route, the mixture obtained from step B) can be separated by first precipitating the polymer in a medium containing non-solvent, such as water or water, and optionally drying. When such a route is chosen, the polymer containing the recurring unit of general formula (I) can be used as a solvent (eg DMAc, phosphoric acid) for introduction into the catalyst layer as an ionomer (especially later in contact with the cathode). Or polyphosphoric acid).

プロトン−伝導性電解質膜及びマトリクス
それぞれ本発明の目的に適切なポリマー電解質膜、及び電解質マトリクスは、それ自体は公知である。
Proton-conducting electrolyte membranes and matrices, respectively, polymer electrolyte membranes and electrolyte matrices suitable for the purposes of the present invention are known per se.

公知のポリマー電解質膜に加え、電解質マトリクスも適切である。本発明において、「電解質マトリクス」は、(ポリマー電解質マトリクスの他に)マトリクス中にイオン伝導性材料、又は混合物が固定されているか、又は不動にされている、他のマトリクス材料をも意味すると理解される。一例として、ここで、SiC及びリン酸でできたマトリクスを記載しても良い。   In addition to known polymer electrolyte membranes, electrolyte matrices are also suitable. In the context of the present invention, “electrolyte matrix” is understood to mean any other matrix material in which the ion-conducting material or mixture (in addition to the polymer electrolyte matrix) is fixed or immobilized in the matrix. Is done. As an example, a matrix made of SiC and phosphoric acid may be described here.

通常、酸を含むポリマー電解質膜が使用され、ここで、酸はポリマーに共有結合していても良い。更に、適切な膜を形成するために、平坦な材料に酸をドープしても良い。   Usually, a polymer electrolyte membrane containing an acid is used, where the acid may be covalently bonded to the polymer. Further, a flat material may be doped with an acid in order to form an appropriate film.

ドープした膜は、種々の方法の中でも特に、膨張(膨潤)させた平坦な材料、例えば酸性化合物を含む液体を有するポリマーフィルムによって製造することができ、又はポリマーと酸性化合物の混合物を製造し、そして次に(平坦な構造物を形成し、そして次に膜を形成するために固体化することによって)膜を形成することによって製造することができる。   The doped membrane can be produced by, among other methods, a flat film that has been swollen (swelled), such as a polymer film having a liquid containing an acidic compound, or a mixture of a polymer and an acidic compound, It can then be produced by forming a film (by forming a flat structure and then solidifying to form a film).

この目的のために適切なポリマーは、特に、ポリオレフィン、例えばポリ(クロロプレン)、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリ(p−キシレン)、ポリアリールメチレン、ポリスチレン、ポリメチルスチレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、ポリビニルエーテル、ポリビニルアミン、ポリ(N−ビニルアセトアミン)、ポリビニルイミダゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルピリジン、ポリビニルクロリド、ポリビニリデンクロリド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、PTFEと、ヘキサフルオロプロピレンの、ペルフルオロプロピルビニルエーテルの、トリフルオロニトロソメタンの、カルバルコキシペルフルオロアルコキシビニルエーテルのコポリマー、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリビニルフルオリド、ポリビニリデンフルオリド、ポリアクロライン、ポリアクリルアミド、ポリアクリロニトリル、ポリシアノアクリレート、ポリメタクリルイミド、シクロオレフィン性コポリマー、特にノルボルネンのもの;
バックボーンにC−O結合を有するポリマー、例えばポリアセタール、ポリオキシメチレン、ポリエーテル、ポリプロピレンオキシド、ポリエピクロロヒドリン、ポリテトラヒロドフラン、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルケトン、ポリエステル、特にポリヒドロキシ酢酸、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリヒドロキシベンゾエート、ポリヒドロキシプロピオン酸、ポリピバロラクトン、ポリカプロラクトン、ポリマロン酸、ポリカーボネート;
バックボーン中ポリマー性C−S−結合、例えばポリスルフィッドエーテル、ポリフェニレンスルフィッド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン;
バックボーン中ポリマー性C−N結合、例えばポリイミン、ポリイソシアニド、ポリエーテルイミン、ポリエーテルイミド、ポリアニリン、ポリアラミド、ポリアミド、ポリヒドラジド、ポリウレタン、ポリイミド、ポリアゾール、ポリアゾールエーテルケトン、ポリアジン;
液体結晶性ポマー、特にVectra、及び無機ポリマー、例えばポリシラン、ポリカルボシラン、ポリシロキサン、ポリケイ酸、ポリシリケート、シリコーン、ポリフォスファーゼン、及びポリチアジルを含む。
Suitable polymers for this purpose are in particular polyolefins such as poly (chloroprene), polyacetylene, polyphenylene, poly (p-xylene), polyarylmethylene, polystyrene, polymethylstyrene, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyvinyl ether, Polyvinylamine, poly (N-vinylacetamine), polyvinylimidazole, polyvinylcarbazole, polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyridine, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, PTFE, hexafluoropropylene, perfluoro Copolymer of propyl vinyl ether, trifluoronitrosomethane, carbalkoxyperfluoroalkoxy vinyl ether Chromatography, polychlorotrifluoroethylene, polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, poly acrolein, polyacrylamide, polyacrylonitrile, poly cyanoacrylates, polymethacrylimide, cycloolefinic copolymers, in particular of norbornene;
Polymer having C—O bond in the backbone, such as polyacetal, polyoxymethylene, polyether, polypropylene oxide, polyepichlorohydrin, polytetrahydrofuran, polyphenylene oxide, polyether ketone, polyester, especially polyhydroxyacetic acid, polyethylene Terephthalate, polybutylene terephthalate, polyhydroxybenzoate, polyhydroxypropionic acid, polypivalolactone, polycaprolactone, polymalonic acid, polycarbonate;
Polymeric C—S— linkages in the backbone, such as polysulfide ethers, polyphenylene sulfides, polysulfones, polyether sulfones;
Polymeric C—N bonds in the backbone, such as polyimine, polyisocyanide, polyetherimine, polyetherimide, polyaniline, polyaramid, polyamide, polyhydrazide, polyurethane, polyimide, polyazole, polyazole ether ketone, polyazine;
Liquid crystalline pomers, especially Vectra, and inorganic polymers such as polysilanes, polycarbosilanes, polysiloxanes, polysilicic acid, polysilicates, silicones, polyphosphazenes, and polythiazyl.

これに関して、アルカリ性ポリマーが好ましく、アルカリ性ポリマーは、酸でドープされた膜に特に適用される。プロトンを運ぶことができる公知のポリマー膜の殆ど全てが、酸でドープされたアルカリ性ポリマー膜として考慮される。ここで、追加的な水を使用することなく、例えばいわゆる「グロッタスメカニズム」によってプロトンを運ぶことができる酸が好ましい。   In this regard, alkaline polymers are preferred, and alkaline polymers are particularly applicable to acid doped membranes. Almost all of the known polymer membranes that can carry protons are considered as acid-doped alkaline polymer membranes. Here, acids which can carry protons without the use of additional water, for example by the so-called “grottas mechanism” are preferred.

本発明についてのアルカリ性ポリマーとして、繰り返し単位中に少なくとも1個の窒素原子を有するアルカリ性ポリマーを使用することが好ましい。   As the alkaline polymer for the present invention, it is preferable to use an alkaline polymer having at least one nitrogen atom in the repeating unit.

好ましい実施の形態に従えば、アルカリ性ポリマー中の繰り返し単位は、少なくとも1個の窒素原子を有する芳香族環を含む。芳香族環は、1〜3個の窒素原子を有する5−員又は6−員の環(これらの環は、他の環、特に他の芳香族環とヒューズ(縮合:fuse)していても良い)であることが好ましい。   According to a preferred embodiment, the repeating unit in the alkaline polymer comprises an aromatic ring having at least one nitrogen atom. Aromatic rings are 5-membered or 6-membered rings having 1 to 3 nitrogen atoms (these rings may be fused with other rings, especially other aromatic rings). Preferably).

本発明の特定の局面に従えば、一つの、又は異なる繰り返し単位中に、少なくとも1個の窒素、酸素及び/又は硫黄を含む、高温で安定したポリマーが使用される。   In accordance with certain aspects of the present invention, high temperature stable polymers are used that contain at least one nitrogen, oxygen and / or sulfur in one or different repeating units.

本発明に関して、「高温で安定」は、ポリマー性電解質として、燃料電池中、120℃を超える温度で長期間にわたり運転することかできるポリマーを意味する。「長期間にわたり」は、本発明に従う膜が、少なくとも100時間、好ましくは少なくとも500時間、少なくとも80℃の温度で、好ましくは少なくとも120℃の温度で、特に好ましくは少なくとも160℃の温度で、WO01/18894A2内に記載された方法に従って測定することができる初期性能に対して、性能が少なくとも50%を超えて減少することなく運転することができることを意味する。   In the context of the present invention, “stable at high temperature” means a polymer that can be operated as a polymer electrolyte in a fuel cell at temperatures in excess of 120 ° C. for extended periods of time. “Over a period of time” means that the membrane according to the invention is at least 100 hours, preferably at least 500 hours, at a temperature of at least 80 ° C., preferably at a temperature of at least 120 ° C., particularly preferably at a temperature of at least 160 ° C. This means that the performance can be operated without a decrease of more than 50% over the initial performance that can be measured according to the method described in / 18894A2.

上述したポリマーは、個々に、又は混合物(ブレンド)として使用することができる。ここで、特にポリアゾール及び/又はポリスルホンを含むブレンドが好ましい。このことについて、好ましいブレンド成分は、WO02/36249に記載されているような、スルホン酸で変性された、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、及びポリマーである。ブレンドを使用することによって機械的特性が改良され、そして材料コストを低減することができる。   The above mentioned polymers can be used individually or as a mixture (blend). Here, blends containing polyazole and / or polysulfone are particularly preferred. In this regard, preferred blending components are polyethersulfone, polyetherketone, and polymers modified with sulfonic acids, as described in WO 02/36249. By using blends, mechanical properties can be improved and material costs can be reduced.

ポリアゾールはアルカリ性ポリマーの特に好ましい群を構成する。ポリアゾールに基づくアルカリ性ポリマーは、一般式(I)及び/又は(II)及び/又は(III)及び/又は(IV)及び/又は(V)及び/又は(VI)及び/又は(VII)及び/又は(VIII)及び/又は(IX)及び/又は(X)及び/又は(XI)及び/又は(XII)及び/又は(XIII)及び/又は(XIV)及び/又は(XV)及び/又は(XVI)及び/又は(XVII)及び/又は(XIII)及び/又は(XIX)及び/又は(XX)及び/又は(XXI)及び/又は(XXII)   Polyazoles constitute a particularly preferred group of alkaline polymers. Alkaline polymers based on polyazoles have the general formulas (I) and / or (II) and / or (III) and / or (IV) and / or (V) and / or (VI) and / or (VII) and / or Or (VIII) and / or (IX) and / or (X) and / or (XI) and / or (XII) and / or (XIII) and / or (XIV) and / or (XV) and / or ( XVI) and / or (XVII) and / or (XIII) and / or (XIX) and / or (XX) and / or (XXI) and / or (XXII)

Figure 2013510383
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(但し、
Arが、同一又は異なり、単環式又は多環式(複環式:polycyclic)であって良く、そして4つの共有結合を有する(tetracovalent)芳香族又は複素環式芳香族基であり、
Ar1が、同一又は異なり、単環式又は多環式であって良く、そして2つの共有結合を有する(bicovalent)芳香族又は複素環式芳香族基であり、
Ar2が、同一又は異なり、単環式又は多環式であって良く、そして2つ又は3つの共有結合を有する、芳香族又は複素環式芳香族基であり、
Ar3が、同一又は異なり、単環式又は多環式であって良く、そして3つの共有結合を有する(tricovalent)、芳香族又は複素環式芳香族基であり、
Ar4が、同一又は異なり、単環式又は多環式であって良く、そして3つの共有結合を有する、芳香族又は複素環式芳香族基であり、
Ar5が、同一又は異なり、単環式又は多環式であって良く、そして4つの共有結合を有する、芳香族又は複素環式芳香族基であり、
Ar6が、同一又は異なり、単環式又は多環式であって良く、そして2つの共有結合を有する、芳香族又は複素環式芳香族基であり、
Ar7が、同一又は異なり、単環式又は多環式であって良く、そして2つの共有結合を有する、芳香族又は複素環式芳香族基であり、
Ar8が、同一又は異なり、単環式又は多環式であって良く、そして3つの共有結合を有する、芳香族又は複素環式芳香族基であり、
Ar9が、同一又は異なり、単環式又は多環式であって良く、そして2つ又は3つ又は4つの共有結合を有する、芳香族又は複素環式芳香族基であり、
Ar10が、同一又は異なり、単環式又は多環式であって良く、そして2つ又は3つの共有結合を有する、芳香族又は複素環式芳香族基であり、
Ar11が、同一又は異なり、単環式又は多環式であって良く、そして2つの共有結合を有する、芳香族又は複素環式芳香族基であり、
Xが、同一又は異なり、そして酸素、硫黄、又はアミノ基(これらは、水素原子、1〜20個の炭素原子を有する基、好ましくは、枝分かれした、又は枝分かれしていないアルキル−又はアルコキシ基、又はアリール基を更なる基として有する)であり、
Rが、同一又は異なり、そして水素、アルキル基、及び芳香族基であり(但し、式(XX)中のRは水素ではない)、及び
n、mが、10以上の整数、好ましくは100以上の整数である)
の繰り返しアゾール単位を含む。
(However,
Ar is the same or different, may be monocyclic or polycyclic, and is a tetracovalent aromatic or heterocyclic aromatic group;
Ar 1 is the same or different, may be monocyclic or polycyclic, and is an aromatic or heteroaromatic group having two covalent bonds,
Ar 2 is the same or different, may be monocyclic or polycyclic, and is an aromatic or heterocyclic aromatic group having two or three covalent bonds;
Ar 3 is the same or different, may be monocyclic or polycyclic, and is an aromatic or heteroaromatic group having three covalent bonds (tricovalent);
Ar 4 is an aromatic or heterocyclic aromatic group, which may be the same or different, may be monocyclic or polycyclic, and has three covalent bonds;
Ar 5 is an aromatic or heterocyclic aromatic group that may be the same or different, may be monocyclic or polycyclic, and has four covalent bonds;
Ar 6 is an aromatic or heteroaromatic group which may be the same or different, may be monocyclic or polycyclic, and has two covalent bonds;
Ar 7 is an aromatic or heterocyclic aromatic group that may be the same or different, may be monocyclic or polycyclic, and has two covalent bonds;
Ar 8 is an aromatic or heterocyclic aromatic group that may be the same or different, may be monocyclic or polycyclic, and has three covalent bonds;
Ar 9 is an aromatic or heterocyclic aromatic group that may be the same or different, may be monocyclic or polycyclic, and has 2 or 3 or 4 covalent bonds;
Ar 10 is the same or different, may be monocyclic or polycyclic, and is an aromatic or heteroaromatic group having two or three covalent bonds;
Ar 11 is an aromatic or heterocyclic aromatic group, which may be the same or different, may be monocyclic or polycyclic, and has two covalent bonds;
X is the same or different and is an oxygen, sulfur or amino group (these are hydrogen atoms, groups having 1 to 20 carbon atoms, preferably branched or unbranched alkyl- or alkoxy groups, Or an aryl group as a further group)
R is the same or different and is hydrogen, an alkyl group, and an aromatic group (provided that R in formula (XX) is not hydrogen), and n and m are integers of 10 or more, preferably 100 or more Integer)
Of repeating azole units.

好ましい芳香族又は複素環式芳香族基は、ベンゼン、ナフタレン、ビフェニル、ジフェニルエーテル、ジフェニルメタン、ジフェニルジメチルメタン、ビスフェノン、ジフェニルスルホン、キノリン、ピリジン、ビピリジン、ピリダジン、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン、トリアジン、テトラジン、ピロール、ピラゾール、アントラセン、ベンゾピロール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサチアゾール、ベンゾオキサジアゾール、ベンゾピリジン、ベンゾピラジン、ベンゾピラジジン、ベンゾピリミジン、ベンゾトリアジン、インドリジン、キノリジン、ピリドピリジン、イミダゾピリミジン、ピラジノピリミジン、カルバゾール、アジリジン、フェナジン、ベンゾキノリン、フェノキサジン、フェノチアジン、アクリジジン、ベンゾプテリジン、フェナンスロリン、及びフェナントレン(これらは任意に、置換されていても良い)から誘導されるものである。   Preferred aromatic or heteroaromatic groups are benzene, naphthalene, biphenyl, diphenyl ether, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane, bisphenone, diphenylsulfone, quinoline, pyridine, bipyridine, pyridazine, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, triazine, tetrazine, pyrrole , Pyrazole, anthracene, benzopyrrole, benzotriazole, benzooxathiazole, benzooxadiazole, benzopyridine, benzopyrazine, benzopyrazidine, benzopyrimidine, benzotriazine, indolizine, quinolidine, pyridopyridine, imidazopyrimidine, pyrazinopyrimidine, carbazole, Aziridine, phenazine, benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, acrididine, benzo Terijin, phenanthroline, and phenanthrene (which optionally also may be substituted) is derived from.

この場合、Ar1、Ar4、Ar6、Ar7、Ar8、Ar9、Ar10、Ar11は、如何なる置換パターンを有していても良く、例えばフェニレンの場合、Ar1、Ar4、Ar6、Ar7、Ar8、Ar9、Ar10、Ar11は、オルト−フェニレン、メタ−フェニレン、及びパラ−フェニレンであっても良い。特に好ましい基は、ベンゼン及びビフェニレン(これらは、置換されていても良い)から誘導される。 In this case, Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 , Ar 11 may have any substitution pattern. For example, in the case of phenylene, Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 , Ar 11 may be ortho-phenylene, meta-phenylene, and para-phenylene. Particularly preferred groups are derived from benzene and biphenylene, which may be substituted.

好ましいアルキル基は、1〜4個の炭素原子を有する短鎖アルキル基、例えばメチル、エチル、n−プロピル又はi−プロピル及びt−ブチル基である。   Preferred alkyl groups are short-chain alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms, such as methyl, ethyl, n-propyl or i-propyl and t-butyl groups.

好ましい芳香族基は、フェニル又はナフチル基である。アルキル基及び芳香族基は置換されても良い。   Preferred aromatic groups are phenyl or naphthyl groups. Alkyl groups and aromatic groups may be substituted.

好ましい置換基は、ハロゲン原子、例えば、フッ素、アミノ基、ヒドロキシ基又は短鎖アルキル基、例えばメチル又はエチル基である。   Preferred substituents are halogen atoms such as fluorine, amino groups, hydroxy groups or short chain alkyl groups such as methyl or ethyl groups.

繰り返し単位内の官能基Xが同一である、式(I)の繰り返し単位を有するポリアゾールが好ましい。   Preference is given to polyazoles having a repeating unit of the formula (I) in which the functional groups X in the repeating unit are identical.

ポリアゾールは、原則として、(例えば、その官能基Xが異なる)異なる繰り返し単位を有していても良い。しかしながら、繰り返し単位内に同一の官能基Xだけが存在していることが好ましい。   Polyazoles may in principle have different repeating units (for example with different functional groups X). However, it is preferred that only the same functional group X is present in the repeating unit.

更に好ましいポリアゾールポリマーは、ポリイミダゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリキノキサリン、ポリチアジアゾール、ポリ(ピリジン)、ポリ(ピリミジン)及びポリ(テトラザピレン)である。   Further preferred polyazole polymers are polyimidazole, polybenzothiazole, polybenzoxazole, polyoxadiazole, polyquinoxaline, polythiadiazole, poly (pyridine), poly (pyrimidine) and poly (tetrazapyrene).

本発明の他の実施の形態では、繰り返しアゾール単位を有するポリマーは、式(I)〜(XXII)の、互いに異なる少なくとも2つの単位を含むコポリマー又はブレンドである。ポリマーは、ブロックコポリマー(ジブロック、トリブロック)、ランダムブロックコポリマー、周期コポリマー及び/又は交互するポリマーの状態であることが可能である。   In another embodiment of the invention, the polymer having repeating azole units is a copolymer or blend of formulas (I) to (XXII) comprising at least two different units. The polymer can be in the form of a block copolymer (diblock, triblock), random block copolymer, periodic copolymer and / or alternating polymer.

本発明の特に好ましい実施の形態では、繰り返しアゾール単位を含むポリマーは、式(I)及び/又は(II)の単位だけを含むポリアゾールである。   In a particularly preferred embodiment of the invention, the polymer comprising repeating azole units is a polyazole comprising only units of the formula (I) and / or (II).

ポリマー中の繰り返しアゾール単位の数は、好ましくは10以上の整数である。特に好ましいポリマーは、少なくとも100の繰り返しアゾールを含む。   The number of repeating azole units in the polymer is preferably an integer of 10 or more. Particularly preferred polymers contain at least 100 repeating azoles.

本発明において、繰り返しベンズイミダゾール単位を含むポリマーが好ましい。最も有用な、繰り返しベンズイミダゾール単位を含むポリマーは、以下の式によって表される:   In the present invention, a polymer containing repeating benzimidazole units is preferred. The most useful polymers containing repeating benzimidazole units are represented by the following formula:

Figure 2013510383
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Figure 2013510383
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(但し、n及びmが、10以上の整数、好ましくは100以上の整数である。)   (However, n and m are an integer of 10 or more, preferably an integer of 100 or more.)

しかしながら、使用するポリアゾール、特にポリベンズイミダゾールは、高い分子量で特徴付けられる。固有粘度として測定して、これは好ましくは少なくとも0.2dl/g、好ましくは0.8〜10dl/g、特に1〜10dl/gである。   However, the polyazoles used, in particular polybenzimidazoles, are characterized by a high molecular weight. Measured as intrinsic viscosity, this is preferably at least 0.2 dl / g, preferably 0.8 to 10 dl / g, in particular 1 to 10 dl / g.

このようなポリアゾールの製造は公知であり、該製造では、1種以上の芳香族テトラ−アミノ化合物を、溶融物(melt)中で、カルボン酸モノマー当たり少なくとも2つの酸性基を含む、1種以上の芳香族カルボン酸又はそのエステルと反応させプレポリマーが形成される。得られたプレポリマーは、反応容器内で固体化(凝固)し、そして次に、機械的に砕かれる。粉状のプレポリマーは、通常、400℃までの温度で、固体状態重合で、通常完全に重合される。   The production of such polyazoles is known, wherein the one or more aromatic tetra-amino compounds contain at least two acidic groups per carboxylic acid monomer in the melt. Is reacted with an aromatic carboxylic acid or an ester thereof to form a prepolymer. The resulting prepolymer is solidified (solidified) in the reaction vessel and then mechanically crushed. Powdered prepolymers are usually fully polymerized, usually at temperatures up to 400 ° C., in solid state polymerization.

好ましい芳香族カルボン酸は、特に、ジカルボン酸及びトリカルボン酸及びテトラカルボン酸又はそのエステル又はその無水物又はその酸塩化物である。芳香族カルボン酸という用語は、同様に、複素環式芳香族カルボン酸も含む。   Preferred aromatic carboxylic acids are, in particular, dicarboxylic acids and tricarboxylic acids and tetracarboxylic acids or their esters or anhydrides or acid chlorides thereof. The term aromatic carboxylic acid likewise includes heterocyclic aromatic carboxylic acids.

好ましくは、芳香族ジカルボン酸は、イソフタル酸、テレフタル酸、フタル酸、5−ヒドロキシイソフタル酸、4−ヒドロキシイソフタル酸、2−ヒドロキシテレフタル酸、5−アミノイソフタル酸、5−N,N−ジメチルアミノイソフタル酸、5−N,N−ジエチルアミノイソフタル酸、2,5−ジヒドロキシテレフタル酸、2,6−ジヒドロキシイソフタル酸、4,6−ジヒロドキシイソフタル酸、2,3−ジヒドロキシフタル酸、2,4−ジヒドロキシフタル酸、3,4−ジヒドロキシフタル酸、3−フルオロフタル酸、5−フルオロイソフタル酸、2−フルオロテレフタル酸、テトラフルオロフタル酸、テトラフルオロイソフタル酸、テトラフルオロテレフタル酸、1,4−ナフタレンジカルボン酸、1,5−ナフタレンジカルボン酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、2,7−ナフタレンジカルボン酸、ジフェン酸、1,8−ジヒドロキシナフタレン−3,6−ジカルボン酸、ジフェニルエーテル−4,4’−ジカルボン酸、ベンゾフェノン−4,4’−ジカルボン酸、ジフェニルスルホン−4,4’−ジカルボン酸、ビフェニル−4,4’−ジカルボン酸、4−トリフルオロメチルフタル酸、2,2−ビス−(4−カルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−スチルベンジカルボン酸、4−カルボキシシナミック酸、又はそのC1−C20アルキルエステル、又はC5−C12アリール酸、又はその酸無水物又はその酸塩化物である。   Preferably, the aromatic dicarboxylic acid is isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 5-hydroxyisophthalic acid, 4-hydroxyisophthalic acid, 2-hydroxyterephthalic acid, 5-aminoisophthalic acid, 5-N, N-dimethylamino. Isophthalic acid, 5-N, N-diethylaminoisophthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxyphthalic acid, 2, 4-dihydroxyphthalic acid, 3,4-dihydroxyphthalic acid, 3-fluorophthalic acid, 5-fluoroisophthalic acid, 2-fluoroterephthalic acid, tetrafluorophthalic acid, tetrafluoroisophthalic acid, tetrafluoroterephthalic acid, 1,4 -Naphthalenedicarboxylic acid, 1,5-naphthalenedicarboxylic acid 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2,7-naphthalenedicarboxylic acid, diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether-4,4′-dicarboxylic acid, benzophenone-4,4 ′ -Dicarboxylic acid, diphenylsulfone-4,4'-dicarboxylic acid, biphenyl-4,4'-dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, 2,2-bis- (4-carboxyphenyl) hexafluoropropane, 4, , 4′-stilbene dicarboxylic acid, 4-carboxycinamic acid, or a C1-C20 alkyl ester thereof, or C5-C12 aryl acid, or an acid anhydride or acid chloride thereof.

芳香族トリカルボン酸、テトラカルボン酸又はそのC1−C20アルキルエステル又はC5−C12アリールエステル又はその酸無水物又はその酸塩化物は、好ましくは1,3,5−ベンゼントリカルボン酸(トリメシン酸)、1,2,4−ベンゼントリカルボン酸(トリメシン酸)、(2−カルボキシフェニル)イミノジアセチック酸、3,5,3’−ビフェニルトリカルボン酸又は3,5,4’−ビフェニルトリカルボン酸が好ましい。   The aromatic tricarboxylic acid, tetracarboxylic acid or its C1-C20 alkyl ester or C5-C12 aryl ester or its acid anhydride or its acid chloride is preferably 1,3,5-benzenetricarboxylic acid (trimesic acid), 1 1,2,4-benzenetricarboxylic acid (trimesic acid), (2-carboxyphenyl) iminodiacetic acid, 3,5,3′-biphenyltricarboxylic acid or 3,5,4′-biphenyltricarboxylic acid is preferred.

芳香族テトラカルボン酸、又はそのC1−C20アルキルエステル又はC5−C12アリールエステル又はその酸無水物又はその酸塩化物は、3,5,3’,5’−ビフェニルテトラカルボン酸、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸、2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸、1,2,5,6−ナフタレンテトラカルボン酸、又は1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸が好ましい。   An aromatic tetracarboxylic acid, or a C1-C20 alkyl ester or C5-C12 aryl ester thereof or an acid anhydride or acid chloride thereof is 3,5,3 ′, 5′-biphenyltetracarboxylic acid, 1,2, 4,5-benzenetetracarboxylic acid, benzophenonetetracarboxylic acid, 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic acid, 2,2 ′, 3,3′-biphenyltetracarboxylic acid, 1,2,5, 6-naphthalenetetracarboxylic acid or 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic acid is preferred.

使用する複素環式芳香族カルボン酸は、好ましくは複素環式芳香族ジカルボン酸、トリカルボン酸及びテトラカルボン酸、又はそのエステル又はその無水物である。複素環式芳香族カルボン酸は、少なくとも1個の窒素、酸素、硫黄又はリン原子を芳香族基中に有する、芳香族系を意味すると理解される。好ましくは、これは、ピリジン−2,5−ジカルボン酸、ピリジン−3,5−ジカルボン酸、ピリジン−2,6−ジカルボン酸、ピリジン−2,4−ジカルボン酸、4−フェニル−2,5−ピリジンジカルボン酸、3,5−ピラゾールジカルボン酸、2,6−ピリミジンジカルボン酸、2,5−ピラジンジカルボン酸、2,4,6−ピリジントリカルボン酸、又はベンズイミダゾール−5,6−ジカルボン酸及びそのC1−C20アルキルエステル又はC5−C12アリールエステル又はその酸無水物又はその酸塩化物である。   The heterocyclic aromatic carboxylic acid used is preferably a heterocyclic aromatic dicarboxylic acid, tricarboxylic acid and tetracarboxylic acid, or an ester thereof or an anhydride thereof. Heteroaromatic carboxylic acid is understood to mean an aromatic system having at least one nitrogen, oxygen, sulfur or phosphorus atom in the aromatic group. Preferably this is pyridine-2,5-dicarboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5- Pyridine dicarboxylic acid, 3,5-pyrazole dicarboxylic acid, 2,6-pyrimidine dicarboxylic acid, 2,5-pyrazine dicarboxylic acid, 2,4,6-pyridine tricarboxylic acid, or benzimidazole-5,6-dicarboxylic acid and its C1-C20 alkyl ester or C5-C12 aryl ester or acid anhydride or acid chloride thereof.

トリカルボン酸又はテトラカルボン酸の含有量は、(使用するジカルボン酸に対して、)0〜30モル%、好ましくは0.1〜20モル%、特に0.5〜10モル%である。   The content of tricarboxylic acid or tetracarboxylic acid is 0 to 30 mol%, preferably 0.1 to 20 mol%, in particular 0.5 to 10 mol% (relative to the dicarboxylic acid used).

使用する芳香族、及び複素環式芳香族ジアミノカルボン酸は、好ましくはジアミノ安息香酸及びそのモノヒドロクロリド又はジヒドロクロリド誘導体である。   The aromatic and heteroaromatic diaminocarboxylic acids used are preferably diaminobenzoic acid and its monohydrochloride or dihydrochloride derivatives.

少なくとも2種の芳香族カルボン酸の混合物が使用されることが好ましい。芳香族カルボン酸に加え、複素環式芳香族カルボン酸をも含む混合物が使用されることが特に好ましい。芳香族カルボン酸の複素環式芳香族カルボン酸に対する混合割合は、1:99〜99:1の範囲、好ましくは1:50〜50:1の範囲である。   It is preferred to use a mixture of at least two aromatic carboxylic acids. It is particularly preferred to use a mixture which also contains a heterocyclic aromatic carboxylic acid in addition to the aromatic carboxylic acid. The mixing ratio of the aromatic carboxylic acid to the heterocyclic aromatic carboxylic acid is in the range of 1:99 to 99: 1, preferably in the range of 1:50 to 50: 1.

これらの混合物は、特に、N−複素環式芳香族ジカルボン酸と、芳香族ジカルボン酸の混合物である。これらの例(該例に限定されない)は、イソフタル酸、テレフタル酸、フタル酸、2,5−ヒドロキシテレフタル酸、2,6−ジヒドロキシイソフタル酸、4,6−ヒドロキシイソフタル酸、2,3−ジヒドロキシフタル酸、2,4−ジヒドロキシフタル酸、3,4−ジヒドロキシフタル酸、1,4−ナフタレンジカルボン酸、1,5−ナフタレンジカルボン酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、2,7−ナフタレンジカルボン酸、ジフェン酸、1,8−ジヒドロキシナフタレン−3,6−ジカルボン酸、ジフェニルエーテル−4,4’−ジカルボン酸、ベンゾフェノン−4,4’−ジカルボン酸、ジフェニルスルホン−4,4’−ジカルボン酸、ビフェニル−4,4’−ジカルボン酸、4−トリフルオロメチルフタル酸、ピリジン−2,5−ジカルボン酸、ピリジン−3,5−ジカルボン酸、ピリジン−2,6−ジカルボン酸、ピリジン2,4−ジカルボン酸、4−フェニル−2,5−ピリジンジカルボン酸、3,5−ピラゾールジカルボン酸、2,6−ピリミジンジカルボン酸、2,5−ピリジンジカボン酸の混合物である。   These mixtures are in particular mixtures of N-heteroaromatic dicarboxylic acids and aromatic dicarboxylic acids. These examples (but not limited to) are: isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 2,5-hydroxyterephthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, 4,6-hydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxy Phthalic acid, 2,4-dihydroxyphthalic acid, 3,4-dihydroxyphthalic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic acid, 1,5-naphthalenedicarboxylic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2,7-naphthalenedicarboxylic acid , Diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether-4,4′-dicarboxylic acid, benzophenone-4,4′-dicarboxylic acid, diphenylsulfone-4,4′-dicarboxylic acid, biphenyl -4,4'-dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, pyridine-2, -Dicarboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine 2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5-pyridinedicarboxylic acid, 3,5-pyrazole dicarboxylic acid, It is a mixture of 2,6-pyrimidinedicarboxylic acid and 2,5-pyridinedicabonic acid.

好ましい芳香族テトラアミノ化合物は、特に、3,3’,4,4’−テトラアミノビフェニル、2,3,5,6−テトラアミノピリジン、1,2,4,5−テトラアミノベンゼン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルエーテル、3,3’,4,4’−テトラアミノベンゾフェノン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルメタン及び3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルジメチルメタン、及びこれらの塩、特に、そのモノヒドロクロリド、ジヒドロクロリド、トリヒドロクロリド及びテトラヒドロクロリド誘導体を含む。   Preferred aromatic tetraamino compounds are in particular 3,3 ′, 4,4′-tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6-tetraaminopyridine, 1,2,4,5-tetraaminobenzene, 3, 3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl sulfone, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl ether, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminobenzophenone, 3,3 ′, 4,4 ′ -Tetraaminodiphenylmethane and 3,3 ', 4,4'-tetraaminodiphenyldimethylmethane and their salts, in particular the monohydrochloride, dihydrochloride, trihydrochloride and tetrahydrochloride derivatives thereof.

好ましいポリベンズイミダゾールは、商品名(登録商標)Celazoleで市販されている。   Preferred polybenzimidazoles are commercially available under the trade name (registered trademark) Celazole.

好ましいポリマーは、ポリスルホン、特に、バックボーンに芳香族及び/又は複素環式芳香族基を有するポリスルホンである。本発明の特定の局面に従えば、好ましいポリスルホン及びポリエーテルスルホンは、溶融体積速度MVR300/21.6が、ISO 1133に従い測定して、40cm3/10min以下、特に30cm3/10min以下、及び特に好ましくは20cm3/10min以下である。ここで、ビカー軟化温度VST/A/50が、180℃〜230℃のポリスルホンが好ましい。本発明の更なる好ましい実施の形態では、ポリスルホンの数平均分子量は、30000g/molを超えることが好ましい。 Preferred polymers are polysulfones, in particular polysulfones having aromatic and / or heterocyclic aromatic groups in the backbone. According to a particular aspect of the present invention, preferred polysulfones and polyether sulfones, melt volume rate MVR300 / 21.6 is measured in accordance with ISO 1133, 40cm 3 / 10min or less, in particular 30 cm 3 / 10min or less, and in particular it is preferably at most 20 cm 3 / 10min. Here, polysulfone having a Vicat softening temperature VST / A / 50 of 180 ° C. to 230 ° C. is preferable. In a further preferred embodiment of the invention, the number average molecular weight of the polysulfone is preferably greater than 30000 g / mol.

ポリスルホンに基づくポリマーは、特に、一般式A、B、C、D、E、F及び/又はGに従う結合スルホン基(linking sulphone group)を有する繰り返し単位を有するポリマーを含む:   Polymers based on polysulfones include in particular polymers having repeating units with linking sulphone groups according to the general formula A, B, C, D, E, F and / or G:

Figure 2013510383
Figure 2013510383

(但し、基Rが、相互に独立して、同一又は異なって、芳香族又は複素環式芳香族基礎を表しており、そしてこれらの官能基は、上述したものである。)。 (However, the radicals R, independently of one another, are the same or different and represent an aromatic or heterocyclic aromatic basis, and these functional groups are as described above).

これらは、特に、1,2−フェニレン、1,3−フェニレン、1,4−フェニレン、4,4’−ビフェニル、ピリジン、キノリン、ナフタレン、フェナントレンを含む。   These include in particular 1,2-phenylene, 1,3-phenylene, 1,4-phenylene, 4,4'-biphenyl, pyridine, quinoline, naphthalene, phenanthrene.

本発明の範囲内で、好ましいポリスルホンは、ホモポリマー及びコポリマー、例えばランダムコポリマーを含む。特に好ましいポリスルホンは、式H〜Nの繰り返し単位を含む:   Within the scope of the present invention, preferred polysulfones include homopolymers and copolymers, such as random copolymers. Particularly preferred polysulfones comprise repeating units of the formula H to N:

Figure 2013510383
Figure 2013510383

(但しn>0) (However, n> 0)

Figure 2013510383
Figure 2013510383

(但しn<0) (However, n <0)

Figure 2013510383
Figure 2013510383

上述したポリスルホンは、商品名(登録商標)Victrex200P、(登録商標)Victrex720P、(登録商標)Ultrason E、(登録商標)Ultrason S、(登録商標)Mindel、(登録商標)Radel A、(登録商標)Radel R、(登録商標)Victrex HTA、(登録商標)Astrel及び(登録商標)Udelで市販されている。   The above-mentioned polysulfones are trade names (registered trademark) Victrex 200P, (registered trademark) Victrex 720P, (registered trademark) Ultrason E, (registered trademark) Ultrason S, (registered trademark) Mindel, (registered trademark) Radel A, (registered trademark). Commercially available at Radel R, (registered trademark) Victrex HTA, (registered trademark) Astrel, and (registered trademark) Udel.

更に、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン及びポリアリールケトンが特に好ましい。これらの高性能ポリマーは、それ自体公知であり、そして商品名Victrex(登録商標)PEEKTM、(登録商標)Hostatec、(登録商標)Kadelとして市販されている。 Furthermore, polyether ketone, polyether ketone ketone, polyether ether ketone, polyether ether ketone ketone and polyaryl ketone are particularly preferred. These high performance polymers are known per se and are commercially available under the trade names Victrex® PEEK , (registered trademark) Hostatec, (registered trademark) Kadel.

上述したポリスルホン及び上述したポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン及びポリアリールケトンは、上述のように、アルカリ性ポリマーとのブレンド成分として存在することができる。更に、上述したポリスルホン及び上述したポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン及びポリアリールケトンは、スルホン酸化された状態で、ポリマー電解質として使用することができ、スルホン酸化した材料は、アルカリ性ポリマー、特にポリアゾールをブレンド材料として特徴付けることもできる。上述した、及びアルカリ性ポリマー又はポリアゾールに関して好ましい実施の形態は、これらの実施の形態にも適用される。   The aforementioned polysulfones and the aforementioned polyether ketones, polyether ketone ketones, polyether ether ketones, polyether ether ketone ketones and polyaryl ketones can be present as blend components with alkaline polymers, as described above. Furthermore, the above-mentioned polysulfone and the above-mentioned polyetherketone, polyetherketoneketone, polyetheretherketone, polyetheretherketoneketone and polyarylketone can be used as a polymer electrolyte in a sulfonated state. The oxidized material can also be characterized as a blend material with an alkaline polymer, in particular polyazole. The preferred embodiments described above and with respect to alkaline polymers or polyazoles also apply to these embodiments.

ポリマーフィルムを製造するために、ポリマー、好ましくはアルカリ性ポリマー、特にポリアゾールを、追加的な工程で、極性、非プロトン性の溶媒、例えばジメチルアセトアミド(DMAc)に溶解させることができ、そしてフィルムを従来の方法で製造することができる。   To produce a polymer film, a polymer, preferably an alkaline polymer, in particular polyazole, can be dissolved in a polar, aprotic solvent such as dimethylacetamide (DMAc) in an additional step, and the film is conventionally It can be manufactured by the method.

溶媒の残りを除去するために、WO02/071518に記載されているように、このように得られたフィルムを洗浄液で処理することができる。上述した特許出願に記載された、溶媒の残りを除去するためにポリアゾールフィルムを洗浄することよって、フィルムの機械的特性は驚く程改良される。これらの特性は、特に、フィルムのE−モジュール、引裂強度及び破壊強度を含む。   In order to remove the remainder of the solvent, the film thus obtained can be treated with a washing liquid as described in WO 02/071518. By washing the polyazole film as described in the above-mentioned patent application to remove the remainder of the solvent, the mechanical properties of the film are surprisingly improved. These properties include, inter alia, the E-module, tear strength and fracture strength of the film.

更に、ポリマーフィルムは、更なる変性(modification)を、例えば、WO02/070592又はWO00/44816に記載されているように、架橋によって有することがでる。好ましい実施の形態では、アルカリ性ポリマー及び少なくとも1種のブレンド成分から成る、使用するポリマーは、WO03/016384に記載されているように、追加的に架橋剤を含む。   Furthermore, the polymer film can have further modifications by crosslinking, for example as described in WO02 / 070592 or WO00 / 44816. In a preferred embodiment, the polymer used, consisting of an alkaline polymer and at least one blend component, additionally contains a cross-linking agent, as described in WO 03/016384.

ポリアゾールフィルの厚さは、広い範囲に取ることができる。好ましくは、酸でドープする前のポリアゾールフィルムの厚さは、通常、5μm〜2000μm、特に好ましくは、10μm〜1000μmの範囲であるが、これらの範囲に限られるものではない。   The thickness of the polyazole fill can be in a wide range. Preferably, the thickness of the polyazole film before being doped with acid is usually in the range of 5 μm to 2000 μm, particularly preferably in the range of 10 μm to 1000 μm, but is not limited to these ranges.

プロトン伝導性を達成するために、フィルムが酸でドープされる。ここで、酸は、公知の全てのルイス・ブレンステッド酸、好ましくは無機のルイス・ブレンステッド酸を含む。   In order to achieve proton conductivity, the film is doped with an acid. Here, the acid includes all known Lewis Bronsted acids, preferably inorganic Lewis Bronsted acids.

更に、多塩基酸(polyacid)、特に、イソ多塩基酸及びヘテロ多塩基酸及び異なる酸の混合物の適用も可能である。ここで、本発明の概念において、ヘテロ多塩基酸は、少なくとも2個の異なる中心原子を有する無機の多塩基酸(polyacid)を定義し、それぞれは、部分的に混合された無水物として、金属(好ましくはCr、MO、V、W)と非金属(好ましくはAs、I、P、Se、Si、Te)の、弱い多塩基の酸素酸を形成している。これらは特に、12−リンモリブデン酸及び12−リンタングステン酸を含む。   Furthermore, it is also possible to apply polyacids, in particular isopolybasic and heteropolybasic acids and mixtures of different acids. Here, in the concept of the present invention, heteropolybasic acid defines inorganic polyacids having at least two different central atoms, each as a partially mixed anhydride, a metal It forms weak polybasic oxygen acids (preferably Cr, MO, V, W) and nonmetals (preferably As, I, P, Se, Si, Te). These include in particular 12-phosphomolybdic acid and 12-phosphotungstic acid.

ドーピングの程度を介して、ポリアゾールフィルムの伝導性に影響を及ぼすことができる。伝導性は、ドーピング物質の濃度が増加し、その値が最大値に達するまで増加する。本発明に従い、ドーピングの程度は、ポリマーの繰り返し単位の1モル当たりの酸のモルとして与えられる。本発明の範囲内で、3〜50の範囲のドーピングの程度、特に5〜40の範囲のドーピングの程度が好ましい。   Through the degree of doping, the conductivity of the polyazole film can be influenced. The conductivity increases until the doping substance concentration increases and its value reaches a maximum value. In accordance with the present invention, the degree of doping is given as moles of acid per mole of polymer repeat units. Within the scope of the present invention, a degree of doping in the range 3-50, in particular a degree of doping in the range 5-40, is preferred.

特に好ましいドーピング物質は、硫酸、及びリン酸(ホスホリックアシッド)又は(例えば、加水分解の間)これらの酸を放出する化合物である。極めて好ましいドーピング物質は、リン酸(H3PO4)である。ここで、高度に濃縮された酸が通常では使用される。本発明の特定の局面に従えば、リン酸の濃度は、ドーピング物質に対して、少なくとも50質量%、特に少なくとも80質量%である。 Particularly preferred doping substances are sulfuric acid and phosphoric acid (phosphoric acid) or compounds that release these acids (eg during hydrolysis). A highly preferred doping material is phosphoric acid (H 3 PO 4 ). Here, highly concentrated acids are usually used. According to a particular aspect of the invention, the concentration of phosphoric acid is at least 50% by weight, in particular at least 80% by weight, based on the doping substance.

更に、プロトン伝導性膜は、以下の工程、
I)ポリマー、特にポリアゾールをリン酸に溶解させる工程、
II)工程A)に従い得られる混合物を、不活性ガスの存在下に、400℃以下の温度にまで加熱する工程、
III)工程II)に従うポリマーの溶液を使用して、膜を支持体上に形成する工程、
IV)工程III)で形成された膜を自立可能(self-supporting)になるまで処理する工程、
を含む方法によって得ることもできる。
Further, the proton conductive membrane is obtained by the following steps:
I) dissolving a polymer, especially polyazole, in phosphoric acid,
II) heating the mixture obtained according to step A) to a temperature below 400 ° C. in the presence of an inert gas;
III) forming a membrane on a support using a solution of the polymer according to step II)
IV) treating the film formed in step III) until it becomes self-supporting;
It can also be obtained by a method comprising

更に、ドープされたポリアゾールフィルムは、以下の工程、
A)1種以上の芳香族テトラアミノ化合物を、(カルボン酸モノマーにつき、少なくとも2個の酸基を含む)1種以上の芳香族カルボン酸又はそのエステルと混合するか、又は1種以上の芳香族及び/又は複素環式芳香族ジアミノカルボン酸を、ポリリン酸中で混合し、溶液及び/又は分散物を形成する工程、
B)工程A)に従う混合物を使用して、支持体又は電極に層を施す工程、
C)工程B)に従い得られる平坦な構造物/層を、不活性ガスの存在下に、350℃以下の温度にまで、好ましくは280℃以下の温度にまで加熱し、ポリアゾールポリマーを形成する工程、
D)工程C)で形成された膜を(自立可能になるまで)処理する工程、
を含む方法によって得ることができる。
Furthermore, the doped polyazole film comprises the following steps:
A) One or more aromatic tetraamino compounds are mixed with one or more aromatic carboxylic acids or esters thereof (containing at least two acid groups per carboxylic acid monomer) or one or more fragrances Mixing aromatic and / or heterocyclic aromatic diaminocarboxylic acids in polyphosphoric acid to form a solution and / or dispersion;
B) using the mixture according to step A) to layer the support or electrode;
C) The flat structure / layer obtained according to step B) is heated in the presence of an inert gas to a temperature of 350 ° C. or lower, preferably to a temperature of 280 ° C. or lower to form a polyazole polymer. Process,
D) processing the film formed in step C) (until it can stand on its own),
Can be obtained by a method comprising

工程A)で使用する芳香族又は複素環式芳香族カルボン酸及びテトラアミノ化合物については上述した。   The aromatic or heterocyclic aromatic carboxylic acid and tetraamino compound used in step A) have been described above.

工程A)で使用するポリリン酸は、例えばRiedel−de Haenから入手可能な通常のポリリン酸である。ポリリン酸Hn+2n3n+1(n>1)は、通常、P25として(酸滴定により)計算して、少なくとも83%の濃度を有している。モノマーの溶液の替わりに、分散物(分散液)/懸濁物(懸濁液)を製造することも可能である。工程A)で製造された混合物は、ポリリン酸の全モノマーの合計に対する割合が、1:10000〜10000:1、好ましくは1:1000〜1000:1、特に1:100〜100:1である。 The polyphosphoric acid used in step A) is, for example, ordinary polyphosphoric acid available from Riedel-de Haen. Polyphosphoric acid H n + 2 P n O 3n + 1 (n> 1) usually has a concentration of at least 83%, calculated as P 2 O 5 (by acid titration). Instead of the monomer solution, it is also possible to produce a dispersion (dispersion) / suspension (suspension). The mixture prepared in step A) has a ratio of polyphosphoric acid to the sum of all monomers of 1: 10000 to 10000: 1, preferably 1: 1000 to 1000: 1, in particular 1: 100 to 100: 1.

工程B)に従う層処方(layer formation)は、ポリマーフィルム製造の従来技術では公知である(それ自身は公知の)方法(注ぎ、吹きつけ、ドクターブレードでの塗布)で行われる。この条件下では不活性と考えられる全ての支持体が、支持体(support)として適切である。粘度を調整するために、必要であれば、リン酸(濃度、リン酸、85%)を溶液に加えることができる。従って、粘度を所望の値に調節することができ、そして膜の形成が容易化される。   The layer formation according to step B) is carried out by methods known in the prior art for polymer film production (known per se) (pouring, spraying, application with a doctor blade). Any support that is considered inert under these conditions is suitable as a support. To adjust the viscosity, phosphoric acid (concentration, phosphoric acid, 85%) can be added to the solution if necessary. Thus, the viscosity can be adjusted to the desired value and film formation is facilitated.

工程B)に従い製造された層は、厚さが10〜4000μm、好ましくは20〜4000μm、極めて好ましくは30〜3500μm、特に50〜3000μmである。   The layer produced according to step B) has a thickness of 10 to 4000 μm, preferably 20 to 4000 μm, very particularly preferably 30 to 3500 μm, in particular 50 to 3000 μm.

工程A)に従う混合物が、トリカルボン酸又はテトラカルボン酸も含む場合、形成されたポリマーの枝分かれ/架橋が達成される。このことは、機械的特性の改良に貢献する。工程C)に従い製造されたポリマー層の処理は、所定の水分(湿度)と温度の存在下に、及び層が燃料電池に使用するために十分な強度を有するのに十分な期間で行われる。この処理は、膜が自立性(self-supporting)になり、膜を何ら損なうことなく支持体から取り外すことができるようになる範囲まで行われる。   If the mixture according to step A) also contains a tricarboxylic acid or a tetracarboxylic acid, branching / crosslinking of the formed polymer is achieved. This contributes to improved mechanical properties. The treatment of the polymer layer produced according to step C) is carried out in the presence of a predetermined moisture (humidity) and temperature and for a period of time sufficient for the layer to have sufficient strength for use in a fuel cell. This treatment is carried out to the extent that the membrane is self-supporting and can be removed from the support without any loss of the membrane.

工程C)に従い、工程B)で得られた平坦な構造物は、350℃以下の温度にまで、好ましくは280℃以下の温度にまで、及び特に好ましくは200℃〜250℃の範囲に加熱される。工程C)で使用される不活性ガスは、この技術分野の当業者にとって公知である。これらは、特に窒素、希ガス、例えばネオン、アルゴン、ヘリウムを含む。   According to step C), the flat structure obtained in step B) is heated to a temperature of 350 ° C. or less, preferably to a temperature of 280 ° C. or less and particularly preferably in the range of 200 ° C. to 250 ° C. The The inert gas used in step C) is known to those skilled in the art. These include in particular nitrogen, noble gases such as neon, argon, helium.

本発明の変形例では、オリゴマー及び/又はポリマーの形成は、工程A)からの混合物を350℃以下までの温度、好ましくは280℃以下までの温度に加熱することによって行うことができる。選択した温度と存続期間に依存して、次に工程C)で加熱することを部分的又は完全に省略することができる。この変形例は、本発明の目的の一つでもある。   In a variant of the invention, the formation of the oligomer and / or polymer can be carried out by heating the mixture from step A) to a temperature up to 350 ° C., preferably up to 280 ° C. Depending on the selected temperature and duration, the subsequent heating in step C) can be partially or completely omitted. This modification is also one of the objects of the present invention.

工程D)における膜の処理は、0℃を超え、150℃未満の温度、好ましくは10℃〜120℃の温度、特に室温(20℃)〜90℃の温度で、湿分又は水及び/又は蒸気及び/又は水を含むリン酸(85%以下)の存在下に行われる。処理は、標準圧で行われることが好ましいが、圧力を作用させて行うことも可能である。処理は、本質的に、十分な湿分(水分)の存在下に行われ、存在するポリリン酸は、低分子量のポリリン酸及び/又はリン酸を形成する、部分的な加水分解によって膜を固化することに貢献する。   The treatment of the membrane in step D) is at a temperature above 0 ° C. and below 150 ° C., preferably at a temperature between 10 ° C. and 120 ° C., in particular at a temperature between room temperature (20 ° C.) and 90 ° C., with moisture or water and / or It is carried out in the presence of phosphoric acid (85% or less) containing steam and / or water. The treatment is preferably performed at a standard pressure, but can also be performed by applying pressure. The treatment is essentially performed in the presence of sufficient moisture (moisture), and the polyphosphoric acid present solidifies the membrane by partial hydrolysis, forming low molecular weight polyphosphoric acid and / or phosphoric acid. Contribute to doing.

加水分解流体は、溶液であっても良く、この流体は、懸濁した及び/又は分散した成分を含んでも良い。加水分解流体の粘度は、広い範囲に及ぶことが可能であり、粘度を調節するために、溶媒の添加又は温度の上昇を行うこともできる。動的粘度は、好ましくは0.1〜10000mPa*s、特に0.2〜2000mPa*sの範囲で、これらの値は、例えばDIN53015に従い測定することができる。 The hydrolysis fluid may be a solution and the fluid may contain suspended and / or dispersed components. The viscosity of the hydrolysis fluid can range over a wide range, and solvent additions or temperature increases can be made to adjust the viscosity. The dynamic viscosity is preferably in the range from 0.1 to 10,000 mPa * s, in particular from 0.2 to 2000 mPa * s, and these values can be measured, for example, according to DIN 53015.

工程D)に従う処理は、公知の如何なる方法によってでも行うことができる。工程C)で得られた膜は、例えば流体槽(fluid bath)に漬けることができる。更に、加水分解流体は、膜に吹き付けることができる。追加的に、加水分解流体を、膜に注ぐこともできる。後者の方法は、加水分解の間、加水分解流体中の酸の濃度が一定に維持されるという長所を有している。しかしながら、最初の方法は、実際には、しばしばより安価である。   The treatment according to step D) can be carried out by any known method. The membrane obtained in step C) can be immersed, for example, in a fluid bath. Furthermore, the hydrolysis fluid can be sprayed onto the membrane. Additionally, the hydrolysis fluid can be poured onto the membrane. The latter method has the advantage that the acid concentration in the hydrolysis fluid is kept constant during the hydrolysis. However, the first method is actually often less expensive.

リン及び/又は硫黄のオキソ酸は、特にホスフィン酸、ホスホン酸、リン酸(ホスホリック・アシッド)、次二ホスホン酸(ハイポジホスホニック・アシッド)、次二リン酸(ハイポジホスホリック・アシッド)、オリゴリン酸、亜硫酸、二亜硫酸、及び/又は硫酸を含む。これらの酸は、個々に、又は混合物として使用することができる。   Phosphorus and / or sulfur oxoacids are in particular phosphinic acid, phosphonic acid, phosphoric acid (phosphoric acid), secondary phosphonic acid (high positive phosphoric acid), secondary diphosphoric acid (high positive phosphoric acid), oligophosphorus Contains acid, sulfurous acid, disulfurous acid, and / or sulfuric acid. These acids can be used individually or as a mixture.

更に、リン及び/又は硫黄のオキソ酸は、ラジカル重合(free-radical polymerization)によって処理可能であり、そしてホスホン酸及び/又はスルホン酸基を含むモノマーを含む。   In addition, phosphorus and / or sulfur oxoacids can be processed by free-radical polymerization and include monomers containing phosphonic acid and / or sulfonic acid groups.

ホスホン酸基を含むモノマーは、当業者にとって公知である。これらは、少なくとも1個の炭素−炭素二重結合、及び少なくとも1個のホスホン酸基を有する化合物である。好ましくは、炭素−炭素二重結合を形成する2個の炭素原子は、少なくとも2個、好ましくは3個の、基への結合(これらは、二重結合の最小の立体障害をもたらす)を有する。これらの基は、特に、水素原子及びハロゲン原子、特にフッ素原子を含む。本発明の範囲内で、ホスホン酸を含むポリマーは、ホスホン酸基を含むモノマーを単独で重合することにより、又は他のモノマー及び/又は架橋剤と一緒に重合することにより得られる重合生成物から得られる。   Monomers containing phosphonic acid groups are known to those skilled in the art. These are compounds having at least one carbon-carbon double bond and at least one phosphonic acid group. Preferably, the two carbon atoms forming the carbon-carbon double bond have at least 2, preferably 3, bonds to the group, which result in minimal steric hindrance of the double bond . These groups include in particular hydrogen atoms and halogen atoms, in particular fluorine atoms. Within the scope of the present invention, polymers containing phosphonic acids are derived from polymerization products obtained by polymerizing monomers containing phosphonic acid groups alone or with other monomers and / or crosslinkers. can get.

ホスホン酸基を含むモノマーは、1個、2個、3個又はそれ以上の炭素−炭素二重結合を含んでも良い。更に、ホスホン酸基を含むモノマーは、1個、2個、3個又はそれ以上のホスホン酸基を含んでも良い。   Monomers containing phosphonic acid groups may contain one, two, three or more carbon-carbon double bonds. Furthermore, the monomer containing phosphonic acid groups may contain one, two, three or more phosphonic acid groups.

通常、ホスホン酸基を含むモノマーは、2〜20個、好ましくは2〜10個の炭素原子を含む。   Usually, the monomer containing a phosphonic acid group contains 2 to 20, preferably 2 to 10 carbon atoms.

ホスホン酸基を含むモノマーは、好ましくは、式   Monomers containing phosphonic acid groups preferably have the formula

Figure 2013510383
Figure 2013510383

(但し、
Rが、結合、2つの共有結合を有するC1−C15アルキレン基、2つの共有結合を有するC1−C15アルキレンオキシ基、例えば、エチレンオキシ基、又は2つの共有結合を有するC5−C20アリール、又はヘテロアリール基であり、上述した官能基はそれ自体、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2で置換可能なものであり、
Zが、互いに独立して、水素、C1−C15アルキル基、C1−C15アルコキシ基、エチレンオキシ基、又はC5−C20アリール又はヘテロアリール基であり、上述した官能基はそれ自体、ハロゲン、−OH、−CNで置換可能なものであり、及び
xが、1、2、3、4、5、6、7、8、9又は10の整数であり、
yが、1、2、3、4、5、6、7、8、9又は10の整数である、)
及び/又は式
(However,
R is a bond, a C1-C15 alkylene group having two covalent bonds, a C1-C15 alkyleneoxy group having two covalent bonds, such as an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl having two covalent bonds, or hetero An aryl group, and the functional groups described above are themselves substitutable with halogen, —OH, COOZ, —CN, NZ 2 ;
Z is independently of one another hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the functional groups mentioned above are themselves halogen, —OH , -CN, and x is an integer of 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10;
y is an integer of 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10)
And / or formula

Figure 2013510383
Figure 2013510383

(但し、
Rが、結合、2つの共有結合を有するC1−C15アルキレン基、2つの共有結合を有するC1−C15アルキレンオキシ基、例えば、エチレンオキシ基、又は2つの共有結合を有するC5−C20アリール、又はヘテロアリール基であり、上述した官能基はそれ自体、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2で置換可能なものであり、
Zが、互いに独立して、水素、C1−C15アルキル基、C1−C15アルコキシ基、エチレンオキシ基、又はC5−C20アリール又はヘテロアリール基であり、上述した官能基はそれ自体、ハロゲン、−OH、−CNで置換可能なものであり、及び
xが、1、2、3、4、5、6、7、8、9又は10の整数である、)
及び/又は式
(However,
R is a bond, a C1-C15 alkylene group having two covalent bonds, a C1-C15 alkyleneoxy group having two covalent bonds, such as an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl having two covalent bonds, or hetero An aryl group, and the functional groups described above are themselves substitutable with halogen, —OH, COOZ, —CN, NZ 2 ;
Z is independently of one another hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the functional groups mentioned above are themselves halogen, —OH , -CN, and x is an integer of 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10.)
And / or formula

Figure 2013510383
Figure 2013510383

(但し、
Aが、式COOR2、CN、CONR2 2、OR2及び/又はR2の基であり、そしてR2は、水素、C1−C15アルキル基、C1−C15アルコキシ基、エチレンオキシ基、又はC5−C20アリール又はヘテロアリール基であり、上述した官能基はそれ自体、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2で置換可能なものであり、
Rが、結合、2つの共有結合を有するC1−C15アルキレン基、2つの共有結合を有するC1−C15アルキレンオキシ基、例えば、エチレンオキシ基、又は2つの共有結合を有するC5−C20アリール、又はヘテロアリール基であり、上述した基はそれ自体、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2で置換されても良いものであり、
Zが、互いに独立して、水素、C1−C15アルキル基、C1−C15アルコキシ基、エチレンオキシ基、又はC5−C20アリール又はヘテロアリール基であり、上述した官能基はそれ自体、ハロゲン、−OH、−CNで置換可能なものであり、及び
xが、1、2、3、4、5、6、7、8、9又は10の整数である、)
の化合物である。
(However,
A is a group of the formula COOR 2 , CN, CONR 2 2 , OR 2 and / or R 2 , and R 2 is hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or C5 -C20 aryl or heteroaryl group, the above-mentioned functional groups themselves, halogen, -OH, COOZ, -CN, are those that can be substituted by NZ 2,
R is a bond, a C1-C15 alkylene group having two covalent bonds, a C1-C15 alkyleneoxy group having two covalent bonds, such as an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl having two covalent bonds, or hetero An aryl group, and the above-mentioned group itself may be substituted with halogen, —OH, COOZ, —CN, NZ 2 ;
Z is independently of one another hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the functional groups mentioned above are themselves halogen, —OH , -CN, and x is an integer of 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10.)
It is this compound.

ホスホン酸基を含む、好ましいモノマーは、特に、ホスホン酸基を含むアルケン、例えば、エテンホスホン酸、プロペンホスホン酸、ブテンホスホン酸;ホスホン酸基を含むアクリル酸化合物、及び/又はメタクリル酸化合物、例えば、2−ホスホノメチルアクリル酸、2−ホスホノメチルメタクリル酸、2−ホスホノメチルアクリルアミド、及び2−ホスホノメチルメタクリルアミドを含む。   Preferred monomers containing phosphonic acid groups are in particular alkenes containing phosphonic acid groups, such as ethenephosphonic acid, propenephosphonic acid, butenephosphonic acid; acrylic acid compounds containing phosphonic acid groups, and / or methacrylic acid compounds, such as 2-phosphonomethylacrylic acid, 2-phosphonomethylmethacrylic acid, 2-phosphonomethylacrylamide, and 2-phosphonomethylmethacrylamide.

市販されているビニルホスホン酸(エテンホスホン酸)(これは、例えば、Aldrich社又はClariant GmbHから市販されている)が、使用するのに特に好ましい。好ましいビニルホスホン酸は、純度が70%を超え、特に90%を超え、及び特に好ましくは97%を超える。   Commercially available vinylphosphonic acid (ethenephosphonic acid), which is commercially available from, for example, Aldrich or Clariant GmbH, is particularly preferred for use. Preferred vinylphosphonic acids have a purity of more than 70%, in particular more than 90% and particularly preferably more than 97%.

ホスホン酸基を含むモノマーは、更に、誘導体の状態で使用することもできる。該誘導体は、次に酸に変換され、酸への変換は重合された状態で行うこともできる。これらの誘導体は、特に、ホスホン酸基を含むモノマーの、塩、エステル、アミド、及びハロゲン化物を含む。   Monomers containing phosphonic acid groups can also be used in the form of derivatives. The derivative is then converted to an acid, which can also be carried out in the polymerized state. These derivatives include in particular salts, esters, amides and halides of monomers containing phosphonic acid groups.

更に、加水分解の後、ホスホン酸基を含むモノマーを、膜の上又は中に導入することも可能である。これは、(従来技術から公知の)それ自身は公知の方法(例えば、吹きつけ、浸漬、等)で行うことができる。   Furthermore, after hydrolysis, monomers containing phosphonic acid groups can be introduced onto or into the membrane. This can be done in a manner known per se (known from the prior art) (eg spraying, dipping etc.).

本発明の特定の局面に従えば、リン酸、ポリリン酸、及びポリリン酸の加水分解生成物の合計質量の、ラジカル重合により処理可能なモノマー、例えばホスホン酸を含むモノマーの質量に対する質量割合は、好ましくは1:2以上、特に1:1以上、特に好ましくは2:1以上である。   According to a particular aspect of the present invention, the total mass of phosphoric acid, polyphosphoric acid, and the hydrolysis product of polyphosphoric acid, relative to the mass of the monomer that can be treated by radical polymerization, such as the monomer containing phosphonic acid, is: Preferably it is 1: 2 or more, particularly 1: 1 or more, particularly preferably 2: 1 or more.

好ましくは、リン酸、ポリリン酸、及びポリリン酸の加水分解生成物の合計質量の、ラジカル重合により処理可能なモノマーの質量に対する質量割合は、1000:1〜3:1の範囲、特に100:1〜5:1の範囲、及び特に好ましくは50:1〜10:1の範囲である。   Preferably, the mass ratio of the total mass of phosphoric acid, polyphosphoric acid and the hydrolysis product of polyphosphoric acid to the mass of monomers treatable by radical polymerization is in the range from 1000: 1 to 3: 1, in particular 100: 1. It is in the range of -5: 1 and particularly preferably in the range of 50: 1 to 10: 1.

この割合は、通常の方法で容易に決定することができ、該割合で、多くの場合、リン酸、ポリリン酸、及びこれらの加水分解生成物が膜から洗い落とされることができる。これにより、ポリリン酸及びその加水分解生成物の質量は、リン酸への加水分解が完了した後に得ることができる。通常、このことは、ラジカル重合によって処理できるモノマーにも適用される。   This proportion can easily be determined by conventional methods, in which case phosphoric acid, polyphosphoric acid, and their hydrolysis products can often be washed out of the membrane. Thereby, the mass of polyphosphoric acid and its hydrolysis product can be obtained after the hydrolysis to phosphoric acid is completed. Usually this also applies to monomers that can be processed by radical polymerization.

スルホン酸基を含むモノマーは、当業者にとって公知である。これらは、少なくとも1個の炭素−炭素二重結合、及び少なくとも1個のスルホン酸基を有する化合物である。好ましくは、炭素−炭素二重結合を形成している2個の炭素原子は、少なくとも2個、好ましくは3個の(基への)結合を有ており、これにより、二重結合の立体障害が最小限にされる。これらの基は、特に、水素原子及びハロゲン原子、特にフッ素原子を含む。本発明の範囲内で、スルホン酸を含むポリマーは、スルホン酸基を含むモノマーを単独で重合することにより、又は他のモノマー及び/又は架橋剤と一緒に重合することにより得られる重合生成物から得られる。   Monomers containing sulfonic acid groups are known to those skilled in the art. These are compounds having at least one carbon-carbon double bond and at least one sulfonic acid group. Preferably, the two carbon atoms forming the carbon-carbon double bond have at least two, preferably three (to group) bonds, thereby steric hindrance of the double bond. Is minimized. These groups include in particular hydrogen atoms and halogen atoms, in particular fluorine atoms. Within the scope of the present invention, a sulfonic acid-containing polymer is obtained from a polymerization product obtained by polymerizing monomers containing sulfonic acid groups alone or with other monomers and / or crosslinking agents. can get.

スルホン酸基を含むモノマーは、1個、2個、3個又はそれ以上の炭素−炭素二重結合を含んでも良い。更に、スルホン酸基を含むモノマーは、1個、2個、3個又はそれ以上のスルホン酸基を含んでも良い。   Monomers containing sulfonic acid groups may contain one, two, three or more carbon-carbon double bonds. Further, the monomer containing sulfonic acid groups may contain one, two, three or more sulfonic acid groups.

通常、スルホン酸基を含むモノマーは、2〜20個、好ましくは2〜10個の炭素原子を含む。   Usually, the monomer containing a sulfonic acid group contains 2 to 20, preferably 2 to 10 carbon atoms.

スルホン酸基を含むモノマーは、好ましくは、式   Monomers containing sulfonic acid groups are preferably of the formula

Figure 2013510383
Figure 2013510383

(但し、
Rが、結合、2つの共有結合を有するC1−C15アルキレン基、2つの共有結合を有するC1−C15アルキレンオキシ基、例えば、エチレンオキシ基、又は2つの共有結合を有するC5−C20アリール、又はヘテロアリール基であり、上述した官能基はそれ自体、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2で置換されても良いものであり、
Zが、互いに独立して、水素、C1−C15アルキル基、C1−C15アルコキシ基、エチレンオキシ基、又はC5−C20アリール又はヘテロアリール基であり、上述した基はそれ自体、ハロゲン、−OH、−CNで置換されても良いものであり、及び
xが、1、2、3、4、5、6、7、8、9又は10の整数であり、
yが、1、2、3、4、5、6、7、8、9又は10の整数である、)
及び/又は式
(However,
R is a bond, a C1-C15 alkylene group having two covalent bonds, a C1-C15 alkyleneoxy group having two covalent bonds, such as an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl having two covalent bonds, or hetero An aryl group, and the functional group described above may itself be substituted with halogen, —OH, COOZ, —CN, NZ 2 ;
Z, independently of one another, is hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the aforementioned groups are themselves halogen, —OH, -CN may be substituted, and x is an integer of 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10;
y is an integer of 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10)
And / or formula

Figure 2013510383
Figure 2013510383

(但し、
Rが、結合、2つの共有結合を有するC1−C15アルキレン基、2つの共有結合を有するC1−C15アルキレンオキシ基、例えば、エチレンオキシ基、又は2つの共有結合を有するC5−C20アリール、又はヘテロアリール基であり、上述した官能基はそれ自体、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2で置換可能なものであり、
Zが、互いに独立して、水素、C1−C15アルキル基、C1−C15アルコキシ基、エチレンオキシ基、又はC5−C20アリール又はヘテロアリール基であり、上述した基はそれ自体、ハロゲン、−OH、−CNで置換可能なものであり、及び
xが、1、2、3、4、5、6、7、8、9又は10の整数である、)
及び/又は式
(However,
R is a bond, a C1-C15 alkylene group having two covalent bonds, a C1-C15 alkyleneoxy group having two covalent bonds, such as an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl having two covalent bonds, or hetero An aryl group, and the functional groups described above are themselves substitutable with halogen, —OH, COOZ, —CN, NZ 2 ;
Z, independently of one another, is hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the aforementioned groups are themselves halogen, —OH, -CN can be substituted, and x is an integer of 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10.)
And / or formula

Figure 2013510383
Figure 2013510383

(但し、
Aが、式COOR2、CN、CONR2 2、OR2及び/又はR2の基であり、そしてR2は、水素、C1−C15アルキル基、C1−C15アルコキシ基、エチレンオキシ基、又はC5−C20アリール、又はヘテロアリール基であり、上述した官能基はそれ自体、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2で置換可能なものであり、
Rが、結合、2つの共有結合を有するC1−C15アルキレン基、2つの共有結合を有するC1−C15アルキレンオキシ基、例えば、エチレンオキシ基、又は2つの共有結合を有するC5−C20アリール、又はヘテロアリール基であり、上述した基はそれ自体、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2で置換されても良いものであり、
Zが、互いに独立して、水素、C1−C15アルキル基、C1−C15アルコキシ基、エチレンオキシ基、又はC5−C20アリール又はヘテロアリール基であり、上述した基はそれ自体、ハロゲン、−OH、−CNで置換可能なものであり、及び
xが、1、2、3、4、5、6、7、8、9又は10の整数である、)
の化合物である。
(However,
A is a group of the formula COOR 2 , CN, CONR 2 2 , OR 2 and / or R 2 , and R 2 is hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or C5 -C20 aryl, or heteroaryl group, the above-mentioned functional groups themselves, halogen, -OH, COOZ, -CN, are those that can be substituted by NZ 2,
R is a bond, a C1-C15 alkylene group having two covalent bonds, a C1-C15 alkyleneoxy group having two covalent bonds, such as an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl having two covalent bonds, or hetero An aryl group, and the above-mentioned group itself may be substituted with halogen, —OH, COOZ, —CN, NZ 2 ;
Z, independently of one another, is hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the aforementioned groups are themselves halogen, —OH, -CN can be substituted, and x is an integer of 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10.)
It is this compound.

スルホン酸基を含む、好ましいモノマーは、特に、スルホン酸基を含むアルケン、例えば、エテンスルホン酸、プロペンスルホン酸、ブテンスルホン酸;スルホン酸基を含むアクリル酸化合物、及び/又はメタクリル酸化合物、例えば、2−スルホノメチルアクリル酸、2−スルホノメチルメタクリル酸、2−スルホノメチルアクリルアミド、及び2−スルホノメチルメタクリルアミドを含む。   Preferred monomers containing sulfonic acid groups are, in particular, alkenes containing sulfonic acid groups, such as ethenesulfonic acid, propenesulfonic acid, butenesulfonic acid; acrylic acid compounds containing sulfonic acid groups, and / or methacrylic acid compounds, such as 2-sulfonomethylacrylic acid, 2-sulfonomethylmethacrylic acid, 2-sulfonomethylacrylamide, and 2-sulfonomethylmethacrylamide.

市販されているビニルスルホン酸(エテンスルホン酸)(これは、例えば、Aldrich社又はClariant GmbHから市販されている)が、使用するのに特に好ましい。好ましいビニルスルホン酸は、純度が70%を超え、特に90%を超え、及び特に好ましくは97%を超える。   Commercially available vinyl sulfonic acids (ethene sulfonic acids), which are commercially available from, for example, Aldrich or Clariant GmbH, are particularly preferred for use. Preferred vinyl sulfonic acids have a purity of more than 70%, in particular more than 90% and particularly preferably more than 97%.

スルホン酸基を含むモノマーは、更に、誘導体の状態で使用することもできる。該誘導体は、次に酸に変換され、酸への変換は重合された状態で行うこともできる。これらの誘導体は、特に、スルホン酸基を含むモノマーの、塩、エステル、アミド、及びハロゲン化物を含む。   The monomer containing a sulfonic acid group can also be used in the state of a derivative. The derivative is then converted to an acid, which can also be carried out in the polymerized state. These derivatives include, in particular, salts, esters, amides and halides of monomers containing sulfonic acid groups.

更に、加水分解の後、スルホン酸基を含むモノマーを、膜の上又は中に導入することも可能である。これは、(従来技術から公知の)それ自身は公知の方法(例えば、吹きつけ、浸漬、等)で行うことができる。   Furthermore, after hydrolysis, monomers containing sulfonic acid groups can be introduced on or into the membrane. This can be done in a manner known per se (known from the prior art) (eg spraying, dipping etc.).

本発明の他の実施の形態では、架橋可能なモノマーを使用することができる。これらのモノマーは、加水分解流体に加えることができる。更に、架橋可能なモノマーを、加水分解の後に得られる膜に施す(付ける)ことができる。   In other embodiments of the invention, crosslinkable monomers can be used. These monomers can be added to the hydrolysis fluid. Furthermore, a crosslinkable monomer can be applied to the membrane obtained after hydrolysis.

架橋可能なモノマーは、特に、少なくとも2個の炭素−炭素二重結合を有する化合物である。ジエン、トリエン、テトラエン、ジメチルアクリレート、トリメチルアクリレート、テトラメチルアクリレート、ジアクリレート、トリアクリレート、テトラアクリレートが好ましい。   Crosslinkable monomers are in particular compounds having at least two carbon-carbon double bonds. Diene, triene, tetraene, dimethyl acrylate, trimethyl acrylate, tetramethyl acrylate, diacrylate, triacrylate and tetraacrylate are preferred.

特に好ましいものは、式、   Particularly preferred are the formulas

Figure 2013510383
のジエン、トリエン、テトラエン、式、
Figure 2013510383
Diene, triene, tetraene, formula,

Figure 2013510383
のジメチルアクリレート、トリメチルアクリレート、テトラメチルアクリレート、式、
Figure 2013510383
Dimethyl acrylate, trimethyl acrylate, tetramethyl acrylate, formula,

Figure 2013510383
のジアクリレート、トリアクリレート、テトラアクリレート、
Figure 2013510383
Diacrylate, triacrylate, tetraacrylate,

(但し、
Rが、C1−C15アルキル基、C5−C20アリール又はヘテロアリール基、NR’、−SO2、PR’、Si(R’)2であり、ここで、上述した基は、それ自体置換されても良く、
R’が、互いに独立して、水素、C1−C15アルキル基、C1−C15アルコキシ基、C5−C20アリール又はヘテロアリール基であり、及び
nが少なくとも2である)
である。
(However,
R is a C1-C15 alkyl group, a C5-C20 aryl or heteroaryl group, NR ′, —SO 2 , PR ′, Si (R ′) 2 , wherein the above-described groups are themselves substituted Well,
R ′ is independently of one another hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and n is at least 2.
It is.

上述した官能基Rの置換基は、好ましくはハロゲン、ヒドロキシル、カルボキシ、カルボキシル、カルボキシルエステル、ニトリル、アミン、シリル、シロキサン基である。   The substituent of the functional group R described above is preferably a halogen, hydroxyl, carboxy, carboxyl, carboxyl ester, nitrile, amine, silyl, or siloxane group.

特に好ましい架橋剤は、アリルメタクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクレート、テトラエチレングリコールジメタクリレート及びポリエチレングリコールジメタクリレート、1,3−ブタンジオールジメタクリレート、グリセロールジメタクリレート、ジウレタンジメタクリレート、トリメチルプロパントリメタクリレート、エポキシアクリレート、例えばエバクリル、N’,N−メチレンビスアクリルアミド、カルビノール、ブタジエン、イソプレン、クロロプレン、ジビニルベンゼン及び/又はビスフェノールAジメチルアクリレートである。これらの化合物は、例えば、Sartomer Company Exton,Pennsylvanisから、CN120、CN104及びCN980という名称で市販されている。   Particularly preferred crosslinking agents are allyl methacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, diethylene glycol dimethacrylate, triethylene glycol dimethacrylate, tetraethylene glycol dimethacrylate and polyethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, glycerol dimethacrylate, Urethane dimethacrylate, trimethylpropane trimethacrylate, epoxy acrylates such as evacryl, N ′, N-methylenebisacrylamide, carbinol, butadiene, isoprene, chloroprene, divinylbenzene and / or bisphenol A dimethyl acrylate. These compounds are commercially available, for example, under the names CN120, CN104 and CN980 from Sartomer Company Exton, Pennsylvanis.

架橋剤の使用は、任意のものであり、これらの化合物は、代表例では、膜の質量に対して、0.05〜30質量%、好ましくは0.1〜20質量%、特に好ましくは1〜10質量%の範囲で使用可能である。   The use of the crosslinking agent is arbitrary, and these compounds are typically 0.05 to 30% by mass, preferably 0.1 to 20% by mass, particularly preferably 1%, based on the mass of the membrane. It can be used in the range of -10% by mass.

架橋モノマーを、加水分解の後、膜の上又は中に導入することも可能である。これは、(従来技術から公知の)それ自身は公知の方法(例えば、吹きつけ、浸漬、等)で行うことができる。   It is also possible to introduce cross-linking monomers on the membrane or in the membrane after hydrolysis. This can be done in a manner known per se (known from the prior art) (eg spraying, dipping etc.).

本発明の特定の局面に従えば、ホスホン酸及び/又はスルホン酸基、又は架橋モノマーを含むモノマーが重合可能であり、重合はラジカル重合が好ましい。基(radical)の形成は、熱的、光化学的、化学的、及び/又は電気化学的に行うことができる。   According to a particular aspect of the present invention, monomers containing phosphonic acid and / or sulfonic acid groups or crosslinking monomers can be polymerized, and the polymerization is preferably radical polymerization. The formation of radicals can be done thermally, photochemically, chemically and / or electrochemically.

例えば、少なくとも1種の基(ラジカル)を形成可能な物質を含む開始溶液(starter solution)を、加水分解溶液中に加えることができる。更に、加水分解の後、開始溶液を膜に施すことも可能である。このことは、(従来技術から公知の)それ自身は公知の方法(例えば、吹きつけ、浸漬、等)で行うことができる。   For example, a starter solution containing a substance capable of forming at least one group (radical) can be added to the hydrolysis solution. It is also possible to apply the starting solution to the membrane after hydrolysis. This can be done in a manner known per se (known from the prior art) (for example spraying, dipping etc.).

適切な基形成剤(ラジカルフォーマー)は、特に、アゾ化合物、ペルオキシ化合物、過硫酸塩化合物、又はアゾアミジンである。例(該例に限定されるものではない)は、ジベンゾイルペルオキシド、ジクメンペルオキシド、クメンヒドロペルオキシド、ジイソプロピルペルオキシジカーボネート、ビス(4−t−ブチルシクロヘキシル)ペルオキシジカーボネート、ジポターシウムペルサルフェート、アンモニウムペルオキシスルフェート、2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオンニトリル)(AIBN)、2,2’−アゾビス(イソブチリックアシッドアミジン)ヒドロクロリド、ベンゾピナコール、ジベンジル誘導体、メチルエチルケトンペルオキシド、1,1−アゾビスシクロヘキサンカルボニトリル、メチルエチルケトンペルオキシド、アセチルアセトンペルオキシド、ジラウリルペルオキシド、ジデカノイルペルオイキシド、tert−ブチルペル−2−エチルヘキサノエート、ケトンペルオキシド、メチルイソブチルケトンペルオキシド、シクロヘキサノンペルオキシド、ジベンゾイルペルオキシド、tert−ブチルペルオキシベンゾエート、tert−ブチルペルオキシイソプロピルカーボネート、2,5−ビス(2−エチルヘキサノイルペルオキシ)−2,5−ジメチルヘキサン、tert−ブチルペルオキシ−2−エチルヘキサノエート、tert−ブチルペルオキシ−3,5,5−トリメチルヘキサノエート、tert−ブチルペルオキシイソブチレート、tert−ブチルペルオキシアセテート、ジクメンペルオキシド、1,1−ビス(tert−ブチルペルオキシ)シクロヘキサン、1,1−ビス(tert−ブチルペルオキシ)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、クミルヒドロペルオキシド、tert−ブチルヒドロヘルオキシド、ビス(4−tert−ブチルシクロヘキシル)ペルオキシジカーボネート、及びDuPontから、(登録商標)Vazo、例えば(登録商標)Vazo V50及び(登録商標)Vazo WSの名称で市販されている基形成剤である。   Suitable group formers (radical formers) are in particular azo compounds, peroxy compounds, persulfate compounds or azoamidines. Examples (but not limited to) are dibenzoyl peroxide, dicumene peroxide, cumene hydroperoxide, diisopropyl peroxydicarbonate, bis (4-t-butylcyclohexyl) peroxydicarbonate, dipotassium persulfate, Ammonium peroxysulfate, 2,2′-azobis (2-methylpropiononitrile) (AIBN), 2,2′-azobis (isobutyric acid amidine) hydrochloride, benzopinacol, dibenzyl derivative, methyl ethyl ketone peroxide, 1,1 -Azobiscyclohexanecarbonitrile, methyl ethyl ketone peroxide, acetylacetone peroxide, dilauryl peroxide, didecanoyl peroxide, tert-butylper-2 Ethyl hexanoate, ketone peroxide, methyl isobutyl ketone peroxide, cyclohexanone peroxide, dibenzoyl peroxide, tert-butyl peroxybenzoate, tert-butyl peroxyisopropyl carbonate, 2,5-bis (2-ethylhexanoyl peroxide) -2,5 -Dimethylhexane, tert-butylperoxy-2-ethylhexanoate, tert-butylperoxy-3,5,5-trimethylhexanoate, tert-butylperoxyisobutyrate, tert-butylperoxyacetate, dicumene peroxide, 1,1-bis (tert-butylperoxy) cyclohexane, 1,1-bis (tert-butylperoxy) -3,3,5-trimethylcyclohexane, Names of (registered trademark) Vazo, for example (registered trademark) Vazo V50 and (registered trademark) Vazo WS, from milhydroperoxide, tert-butylhydroheroxide, bis (4-tert-butylcyclohexyl) peroxydicarbonate and DuPont Is a group-forming agent commercially available.

更に、放射に曝された時に遊離基(free radical)を形成する基形成剤を使用しても良い。好ましい化合物は、特に、α,α−ジエトキシアセトフェノン(DEAP、Upjon Corp)、n−ブチルベンゾインエーテル((登録商標)Trigonal−14,AKZO)及び2,2−ジメトキシ−2−フェニルアセトフェノン((登録商標)Igacure651))及び1−ベンゾイルシクロヘキサノール((登録商標)Igacure184)、ビス−(2,4,6−トリメチルベンゾイル)フェニルホスフィンオキシド((登録商標)Igacure819)及び1−[4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル]−2−ヒドロキシ−2−フェニルプロパン−1−one((登録商標)Igacure2959)を含み、これらは、それぞれ、Ciba Geigy Corp.社から市販されている。   In addition, group formers that form free radicals when exposed to radiation may be used. Preferred compounds are in particular α, α-diethoxyacetophenone (DEAP, Upjon Corp), n-butylbenzoin ether (® Trigonal-14, AKZO) and 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone ((Register (Trademark) Igacure 651)) and 1-benzoylcyclohexanol ((R) Igacure 184), bis- (2,4,6-trimethylbenzoyl) phenylphosphine oxide ((R) Igacure 819) and 1- [4- (2- Hydroxyethoxy) phenyl] -2-hydroxy-2-phenylpropane-1-one ((R) Igacure 2959), each of which is available from Ciba Geigy Corp. It is commercially available from the company.

代表例では、(ラジカル重合によって処理可能なモノマー;ホスホン酸基及び/又はスルホン酸基を含むモノマーもしくは架橋モノマーの質量に対して)0.0001〜5質量%、特に0.01〜3質量%の基形成剤が加えられる。基形成剤の量は、所望の重合の程度に従い、変化することができる。   In a typical example, the monomer (which can be treated by radical polymerization; based on the mass of the monomer or crosslinking monomer containing a phosphonic acid group and / or a sulfonic acid group) is 0.0001 to 5% by mass, in particular 0.01 to 3% by mass. The group former is added. The amount of group former can vary according to the degree of polymerization desired.

重合は、IR又はNIR(IR=赤外線、すなわち波長が700nmを超える光;NIR=近赤外線、すなわち波長が約700〜2000nmの範囲で、エネルギーが約0.6〜1.75eVの範囲の光)の作用によっても行うことができる。   Polymerization is IR or NIR (IR = infrared, ie light with wavelength greater than 700 nm; NIR = near infrared, ie light with wavelength in the range of about 700-2000 nm and energy in the range of about 0.6-1.75 eV) This can also be done by the action of

重合は、波長が400nm未満のUV光の作用によってでも行うことができる。この重合方法は、それ自身公知であり、そして例えばHans Joerg Elias,Makromolekulare Chemie,5th edition,volume1,pp.492−511;D.R.Arnold,N.C.Baird,J.R.Bolton,J.C.D.Brand,P.W.M Jacobs,P.de Mayo,W.R.Ware,Photochemistry−An Introduction,Academic Press,New York and M.K.Mishra,Radical Photopolymerization of Vinyl Monomers,J.Macromol.Sci.−Revs.Macromol.Chem.Phys.C22(1982−1983)409に記載されている。   The polymerization can also be performed by the action of UV light having a wavelength of less than 400 nm. This polymerization method is known per se and is described, for example, in Hans Joerg Elias, Makromolekulare Chemie, 5th edition, volume 1, pp. 492-511; R. Arnold, N.M. C. Baird, J. et al. R. Bolton, J. et al. C. D. Brand, P.M. W. M Jacobs, P.M. de Mayo, W.M. R. Walle, Photochemistry-An Introduction, Academic Press, New York and M .; K. Misra, Radical Photopolymerization of Vinyl Monomers, J. et al. Macromol. Sci. -Revs. Macromol. Chem. Phys. C22 (1982-1983) 409.

重合は、β線、γ線、及び/又は電子線に曝すことによって行っても良い。本発明の特定の実施の形態に従えば、膜は、1〜300kGy、好ましくは3〜200kGy、及び極めて好ましくは20〜100kGyの範囲の放射線量で照射される。   The polymerization may be performed by exposure to β rays, γ rays, and / or electron beams. According to a particular embodiment of the invention, the membrane is irradiated with a radiation dose in the range 1 to 300 kGy, preferably 3 to 200 kGy, and very preferably 20 to 100 kGy.

ホスホン酸基及び/又はスルホン酸基を含むモノマー、又は架橋モノマーの重合は、それぞれ、室温(20℃)を超え及び200℃未満の温度、特に40℃〜150℃の温度、特に好ましくは50℃〜120℃の温度で行われることが好ましい。重合は、標準圧で行われることが好ましいが、しかし圧力の作用下に行うことも可能である。重合は、平坦な構造の固化をもたらし、該固化は、微小硬さを測定することによって観察することができる。好ましくは、重合に起因する硬さの上昇は、モノマーの重合を行うことなく、対応して加水分解された膜の硬さに対して、少なくとも20%である。   Polymerization of monomers containing phosphonic acid groups and / or sulfonic acid groups, or cross-linking monomers is carried out at temperatures above room temperature (20 ° C.) and below 200 ° C., in particular temperatures from 40 ° C. to 150 ° C., particularly preferably 50 ° C. It is preferably performed at a temperature of ˜120 ° C. The polymerization is preferably carried out at standard pressure, but can also be carried out under the action of pressure. Polymerization results in solid structure solidification, which can be observed by measuring microhardness. Preferably, the increase in hardness due to polymerization is at least 20% relative to the correspondingly hydrolyzed membrane hardness without polymerization of the monomers.

本発明の特定の局面に従えば、リン酸、ポリリン酸及びポリリン酸の加水分解生成物のモル合計の、(ホスホン酸基を含むモノマー及び/又はスルホン酸基を含むモノマーの重合によって得られる)ポリマー中のホスホン酸基及び/又はスルホン酸基のモル数に対するモル割合(モル比)は、好ましくは1:2以上、特に1:1以上、及び特に好ましくは2:1以上である。   According to a particular aspect of the invention, the molar sum of phosphoric acid, polyphosphoric acid and hydrolysis products of polyphosphoric acid (obtained by polymerization of monomers containing phosphonic acid groups and / or monomers containing sulfonic acid groups) The molar ratio (molar ratio) with respect to the number of moles of phosphonic acid groups and / or sulfonic acid groups in the polymer is preferably 1: 2 or more, particularly 1: 1 or more, and particularly preferably 2: 1 or more.

好ましくは、リン酸、ポリリン酸及びポリリン酸の加水分解生成物のモル合計の、(ホスホン酸基を含むモノマー及び/又はスルホン酸基を含むモノマーの重合によって得られる)ポリマー中のホスホン酸基及び/又はスルホン酸基のモル数に対するモル割合(モル比)は、1000:1〜3:1の範囲、特に100:1〜5:1の範囲、特に好ましくは50:1〜10:1の範囲である。   Preferably, the phosphonic acid groups in the polymer (obtained by the polymerization of monomers containing phosphonic acid groups and / or monomers containing sulfonic acid groups) of the molar sum of phosphoric acid, polyphosphoric acid and hydrolysis products of polyphosphoric acid and The molar ratio (molar ratio) with respect to the number of moles of sulfonic acid groups is in the range of 1000: 1 to 3: 1, in particular in the range of 100: 1 to 5: 1, particularly preferably in the range of 50: 1 to 10: 1 It is.

モル割合は、通常の方法で測定することができる。この目的のために、特に分光法、例えばNMRスペクトロスコピーを使用することができる。このことについて、ホスホン酸基は、みかけの酸化段階(formal oxidation stage)が3、及びリン酸、ポリリン酸又はこれらの加水分解物中のリンは、それぞれ酸化段階が5であると考えられる。   The molar ratio can be measured by a usual method. For this purpose, it is possible in particular to use spectroscopy, for example NMR spectroscopy. In this regard, it is believed that the phosphonic acid group has an apparent oxidation stage of 3, and phosphorous, polyphosphoric acid or phosphorus in these hydrolysates has an oxidation stage of 5, respectively.

重合の所望の程度に依存して、重合の後に得られる平坦な構造は、自立性の膜である。好ましくは、重合の程度は、少なくとも2個の繰り返し単位数、特に少なくとも5個、特に好ましくは少なくとも30個、特に少なくとも50個、極めて好ましくは少なくとも100個の繰り返し単位数である。この重合の程度は、GPC法によって測定可能な、数平均分子量Mnによって測定(決定)される。膜に含まれるホスホン酸基を含むポリマーを(劣化することなく)分離する問題のために、この値は、(ポリマーを加えることなく、ホスホン酸基を含むモノマーを重合することによって得られた)サンプルを使用して測定される。ここで、ホスホン酸基を含むモノマー、及びラジカルスターターの質量割合は、(膜の製造の割合と比較して、)一定に維持される。比較の重合で達成される変換は、使用されるホスホン酸を含むモノマーに対して、好ましくは20%以上、特に40%以上、及び特に好ましくは75%以上である。 Depending on the desired degree of polymerization, the flat structure obtained after polymerization is a self-supporting film. Preferably, the degree of polymerization is at least 2 repeat units, in particular at least 5, particularly preferably at least 30, in particular at least 50, very particularly preferably at least 100 repeat units. The degree of polymerization is measured (determined) by the number average molecular weight M n , which can be measured by the GPC method. Due to the problem of separating (without degrading) the polymer containing phosphonic acid groups contained in the membrane, this value was obtained (by polymerizing monomers containing phosphonic acid groups without adding polymer). Measured using a sample. Here, the mass proportion of the monomer containing the phosphonic acid group and the radical starter is kept constant (compared to the membrane production rate). The conversion achieved in the comparative polymerization is preferably at least 20%, in particular at least 40%, and particularly preferably at least 75%, based on the monomer containing phosphonic acid used.

加水分解流体は、水を含み、水の濃度は、通常、特に重要(臨界的)ではない。本発明の特定の局面に従えば、加水分解流体は、5〜80質量%、好ましくは8〜70質量%、及び特に好ましくは10〜50質量%の水を含む。みかけ上(formally)オキソ酸中に含まれる水の量は、加水分解流体の水の含有量には考慮されない。   The hydrolysis fluid contains water, and the concentration of water is usually not particularly critical (critical). According to a particular aspect of the invention, the hydrolysis fluid comprises 5 to 80% by weight, preferably 8 to 70% by weight and particularly preferably 10 to 50% by weight of water. The amount of water contained in the apparently oxoacid is not considered in the water content of the hydrolysis fluid.

上述した酸では、リン酸及び/又は硫酸が特に好ましく、そしてこれらの酸は、特に、5〜70質量%、好ましくは10〜60質量%、及び特に好ましくは15〜50質量%の水を含む。   Of the acids mentioned above, phosphoric acid and / or sulfuric acid are particularly preferred, and these acids comprise in particular 5 to 70% by weight, preferably 10 to 60% by weight and particularly preferably 15 to 50% by weight of water. .

工程D)のポリリン酸の部分的加水分解は、ソル−ゲル遷移によって、膜の固化をもたらす。このことは、層厚さを15〜3000μm、好ましくは20〜2000μm、特に20〜1500μmに低減することにも繋がる(膜は、自立性である)。   The partial hydrolysis of the polyphosphoric acid in step D) results in the solidification of the membrane through a sol-gel transition. This also leads to a reduction of the layer thickness to 15-3000 μm, preferably 20-2000 μm, in particular 20-1500 μm (the film is self-supporting).

工程B)に従いポリリン酸中に存在する、分子間、及び分子間構造(相互貫入ネットワークIPN)は、形成される膜の特定の特性によって、工程C)で秩序膜(ordered membrane)の形成をもたらす。   The intermolecular and intermolecular structure (interpenetrating network IPN) present in the polyphosphoric acid according to step B) leads to the formation of an ordered membrane in step C), depending on the specific properties of the membrane formed. .

工程D)に従う処理のための温度の上限は、典型的には、150℃である。例えば過熱蒸気からの水分の、極めて短い作用下で、この蒸気は、150℃よりも高いことが可能である。処理の期間は、実質的に、温度の上限のためのものである。   The upper temperature limit for the treatment according to step D) is typically 150 ° C. Under very short action of water, for example from superheated steam, this steam can be higher than 150 ° C. The duration of the treatment is substantially for the upper temperature limit.

部分的な加水分解(工程D)は、気候室内で行うこともでき、そして加水分解を、規定された水分の作用下に、特定の状態に制御することができる。このことについて、水分(湿分)を、温度、又はこれに接する周囲領域、例えばガス、例えば空気、窒素、二酸化炭素又は他の適切なガス又は蒸気の飽和状態により、特定の状態に設定することができる。処理の期間は、前述のように選ばれたパラメーターに依存する。   Partial hydrolysis (step D) can also be carried out in a climate chamber and the hydrolysis can be controlled to a specific state under the action of defined moisture. In this regard, moisture (moisture) is set to a specific state by temperature or the surrounding area in contact with it, for example the saturation of a gas such as air, nitrogen, carbon dioxide or other suitable gas or vapor. Can do. The duration of the treatment depends on the parameters chosen as described above.

更に、処理の期間は、膜の厚さに依存する。   Furthermore, the duration of the treatment depends on the thickness of the film.

典型的には、処理の期間は、例えば過熱蒸気を作用させて、数秒〜数分であり、又は例えば室温で開放された空気内で、及び比較的低い湿度で、数日間までである。好ましくは、処理の期間は、10秒〜300時間、特に1分〜200時間である。   Typically, the duration of the treatment is from a few seconds to a few minutes, for example by applying superheated steam, or up to several days, for example in air open at room temperature and at relatively low humidity. Preferably, the duration of the treatment is from 10 seconds to 300 hours, in particular from 1 minute to 200 hours.

室温(20℃)で、及び相対湿度が40〜80%の環境の空気で、部分的な加水分解が行われる場合、処理の期間は、1〜200時間である。   When partial hydrolysis is performed at room temperature (20 ° C.) and in an atmosphere with a relative humidity of 40-80%, the duration of the treatment is 1-200 hours.

工程D)に従い得られる膜は、膜が自立性であるように、すなわち、膜を支持体から、何ら損傷を与えることなく取外すことができるように形成することができ、そして場合によっては、更に直接的に加工される。   The membrane obtained according to step D) can be formed such that the membrane is self-supporting, i.e. the membrane can be removed from the support without any damage, and in some cases Processed directly.

リン酸の濃度、及び従ってポリマー膜の伝導性は、加水分解の程度(すなわち、期間、温度、及び環境湿度)によって設定可能である。リン酸の濃度は、ポリマーの繰り返し単位1モル当たりの酸のモルとして与えられる。リン酸の濃度が特に高い膜を、工程A)〜D)を含む方法によって得ることができる。10〜50の濃度(式(I)、例えばポリベンズイミダゾールの1個の繰り返し単位に対するリン酸のモル)、特に、12〜40の濃度が好ましい。市販されているオルトリン酸を使用して、ポリアゾールをドーピングすることによっては、このようなドーピングの高い程度(濃度)を得ることは、極めて困難であるか、又は不可能である。   The concentration of phosphoric acid, and thus the conductivity of the polymer membrane, can be set by the degree of hydrolysis (ie, duration, temperature, and environmental humidity). The concentration of phosphoric acid is given as moles of acid per mole of polymer repeating units. A membrane with a particularly high concentration of phosphoric acid can be obtained by a method comprising steps A) to D). Concentrations of 10 to 50 (formula (I), for example, moles of phosphoric acid relative to one repeating unit of polybenzimidazole), in particular 12 to 40 are preferred. By doping polyazoles using commercially available orthophosphoric acid, it is extremely difficult or impossible to obtain such a high degree of doping (concentration).

ポリリン酸を使用してドープされたポリアゾールフィルムが製造される、ここに記載された方法の一変形例では、これらのフィルムの製造は、以下の工程:
1)1種以上の芳香族テトラアミノ化合物を、1種以上の芳香族カルボン酸、又はそのエステル(これらは、カルボン酸モノマー当たり、少なくとも2個の酸性基を含む)、又は1種以上の芳香族、及び/又は複素環式ジアミノカルボン酸と溶融物中で、350℃以下までの温度、好ましくは300℃以下までの温度で反応させる工程、
2)工程1)で得られた固体プレポリマーを、ポリリン酸に溶解させる工程、
3)工程2)で得られる溶液を、不活性ガスの存在下に、300℃以下までの温度、好ましくは280℃以下までの温度に加熱し、溶解したポリアゾールポリマーを形成する工程、
4)工程3)に従うポリアゾールポリマーの溶液を使用して、膜を支持体上に形成する工程、及び
5)工程4)で形成された膜を、該膜が自立性になるまで処理する工程、
を含む方法を使用して行うことができる。
In one variation of the method described herein in which doped polyazole films are produced using polyphosphoric acid, the production of these films comprises the following steps:
1) One or more aromatic tetraamino compounds, one or more aromatic carboxylic acids, or esters thereof (which contain at least two acidic groups per carboxylic acid monomer), or one or more aromatics Reacting with a group and / or heterocyclic diaminocarboxylic acid in a melt at a temperature up to 350 ° C., preferably up to 300 ° C.,
2) A step of dissolving the solid prepolymer obtained in step 1) in polyphosphoric acid,
3) heating the solution obtained in step 2) to a temperature up to 300 ° C., preferably up to 280 ° C. in the presence of an inert gas, to form a dissolved polyazole polymer;
4) A step of forming a membrane on a support using the polyazole polymer solution according to step 3), and 5) A step of treating the membrane formed in step 4) until the membrane becomes self-supporting. ,
Can be performed using a method comprising:

番号1)〜5)の下に記載された工程は、工程A)〜D)について前述したもので、特に、好ましい実施の形態を考慮して参照される。   The steps described under numbers 1) to 5) are those described above for steps A) to D) and are particularly referred to in view of the preferred embodiment.

膜、特に、ポリアゾールに基づく膜は、更に、大気中の酸素の存在下に熱の作用で表面で架橋できる。膜表面のこの硬化は、更に膜の特性を改良する。この目的のために、膜を、少なくとも150℃、好ましくは少なくとも200℃、及び特に好ましくは少なくとも250℃の温度にまで加熱することができる。この方法の工程で、酸素濃度は、通常、5〜50体積%、好ましくは10〜40体積%であるが、これに限られるものではない。   Membranes, in particular membranes based on polyazoles, can also be crosslinked on the surface by the action of heat in the presence of atmospheric oxygen. This curing of the membrane surface further improves the properties of the membrane. For this purpose, the membrane can be heated to a temperature of at least 150 ° C., preferably at least 200 ° C., and particularly preferably at least 250 ° C. In this method step, the oxygen concentration is usually 5 to 50% by volume, preferably 10 to 40% by volume, but is not limited thereto.

架橋は、IR又はNIR(IR=赤外線、すなわち波長が700nmを超える光;NIR=近赤外線、すなわち波長が約700〜2000nmの範囲で、エネルギーが約0.6〜1.75eVの範囲の光)の作用によっても行うことができる。他の方法は、β線照射である。これについて、照射量は5〜200kGyである。   Cross-linking is IR or NIR (IR = infrared, ie light with a wavelength above 700 nm; NIR = near infrared, ie light with a wavelength in the range of about 700-2000 nm and energy in the range of about 0.6-1.75 eV) This can also be done by the action of Another method is β-ray irradiation. For this, the irradiation dose is 5 to 200 kGy.

架橋の所望の程度に依存して、架橋反応の期間は、広い範囲に及ぶ。通常、反応時間は、1秒〜10時間の範囲、好ましくは1分〜1時間の範囲であるが、これに限られるものではない。   Depending on the desired degree of crosslinking, the duration of the crosslinking reaction can vary widely. Usually, the reaction time is in the range of 1 second to 10 hours, preferably in the range of 1 minute to 1 hour, but is not limited thereto.

特に好ましいポリマー膜は、高い性能を示す。この理由は、特にプロトン伝導性が改良されることにある。これは、120℃で、少なくとも1mS/cm、好ましくは少なくとも2mS/cm、特に少なくとも5mS/cmである。ここで、これらの値は、湿潤化(moistening)なしで達成される。従って、膜は、いわゆる高温、ポリマー電解質膜燃料電池として、及び高温膜電極アセンブリを製造するために適切である。上述した高温プロトン伝導度は、(i)塩基性ポリマー膜、又はマトリクス、及びいわゆる「グロッタスメカニズム」を許容する酸、又は(ii)いわゆる「グロッタスメカニズム」を許容する共有結合基を有するポリマー材料を含む、プロトン伝導性ポリマー電解質膜、及びマトリクスによって達成される。後者の場合、このことは典型的には、ホスホン酸基を含む上述したモノマーから誘導されるポリマーを、少なくとも10質量%導入することによって達成される。   Particularly preferred polymer membranes exhibit high performance. This is because, in particular, the proton conductivity is improved. This is at least 1 mS / cm, preferably at least 2 mS / cm, in particular at least 5 mS / cm at 120 ° C. Here, these values are achieved without moistening. Thus, the membrane is suitable as a so-called high temperature, polymer electrolyte membrane fuel cell, and for producing high temperature membrane electrode assemblies. The high temperature proton conductivity described above is (i) a basic polymer membrane or matrix, and an acid that allows a so-called “Grott mechanism”, or (ii) a polymer having a covalent bond group that allows a so-called “Grott mechanism”. Achieved by a proton conducting polymer electrolyte membrane, including a material, and a matrix. In the latter case, this is typically achieved by introducing at least 10% by weight of a polymer derived from the above-mentioned monomers containing phosphonic acid groups.

比伝導率は、定電位モードの4−極配列内で、インピーダンス分光法を使用して、及び白金電極(ワイヤー、直径0.25mm)を使用して測定される。集電電極(current-collecting electrode)間のギャップは、2cmである。得られたスペクトルは、オーム抵抗とキャパシターの平行配列から構成される単純なモデルを使用して評価される。リン酸でドープされた膜のサンプルの断面は、サンプルを取り付ける前に、直ぐに測定される。温度の依存性を測定するために、測定セルが、炉内で所望の温度にされ、そしてサンプルの直近に配置されたPt−100熱電対を使用して調節される。温度が到達すると、測定を開始する前に、サンプルはこの温度で10分間維持される。   Specific conductivity is measured using impedance spectroscopy and a platinum electrode (wire, 0.25 mm diameter) within a 4-pole array in constant potential mode. The gap between the current-collecting electrodes is 2 cm. The resulting spectrum is evaluated using a simple model consisting of a parallel array of ohmic resistors and capacitors. The cross section of the sample of the membrane doped with phosphoric acid is measured immediately before mounting the sample. To measure temperature dependence, the measurement cell is brought to the desired temperature in the furnace and adjusted using a Pt-100 thermocouple placed in close proximity to the sample. When the temperature is reached, the sample is maintained at this temperature for 10 minutes before starting the measurement.

ガス拡散層
本発明に従う膜電極アセンブリーは、ポリマー電解質膜で分離された、2層のガス拡散層を有している。機械的に安定な材料(該材料は非常に軽く、導電性である必要はないが、機械的に安定であり、そしてファオバーを、例えば不織布ファブリック、ペーパー、又は織ファブリックの状態で含む)が、本発明に従うガス拡散層のための出発材料として使用される。これらは、例えば、グラファイト−ファイバーペーパー、カーボン−ファイバーペーパー、グラファイトファブリック及び/又はカーボンブラックを加えることによって伝導性が付与されたペーパーを含む。これらの層によって、ガス及び/又は液体の微細な分散が達成される。
Gas Diffusion Layer The membrane electrode assembly according to the present invention has two gas diffusion layers separated by a polymer electrolyte membrane. A mechanically stable material (which does not need to be very light and conductive, but is mechanically stable and includes a faver, for example in the form of a nonwoven fabric, paper or woven fabric), Used as starting material for the gas diffusion layer according to the invention. These include, for example, paper imparted conductivity by adding graphite-fiber paper, carbon-fiber paper, graphite fabric and / or carbon black. With these layers, a fine dispersion of gas and / or liquid is achieved.

機械的な安定化材料は、好ましくは、カーボンファイバー、グラスファイバー、又は有機ポリマー、例えば、ポリプロピレン、ポリエステル(ポリエチレンテレフタレート)、ポリフェニレンスルフィド又はポリエーテルケトンを含むファイバーを(少量)含む。このことに関して、単位面積当たりの質量が<150g/m2、好ましくは単位面積当たりの質量が10〜100g/m2の範囲の材料が、特に適切である。 The mechanical stabilizing material preferably comprises carbon fibers, glass fibers or fibers (in small amounts) containing organic polymers such as polypropylene, polyester (polyethylene terephthalate), polyphenylene sulfide or polyether ketone. In this regard, the unit weight per area of <150 g / m 2, preferably in the range mass per unit area of 10 to 100 g / m 2 material, is particularly suitable.

カーボン材料を安定化材料として使用する場合、カーボン化又はグラファイト化されたファイバーから構成され、単位面積当たりの質量が好ましい範囲内のものである不織ファブリックが特に適切である。このような材料を使用することには、2つの有利性が有る:第1に、これらは軽く、第2に、これらは開放気孔率が高い。使用することが好ましい安定化材料の開放気孔率は、20〜99.9%の範囲、好ましくは40〜99%の範囲であり、これにより、これらは他の材料で容易に充填することができ、そして仕上られたガス拡散層の伝導性及び疎水性を、(ガス拡散層の全厚さにわたり)所望の方法で調節することができる。   When a carbon material is used as a stabilizing material, a nonwoven fabric composed of carbonized or graphitized fibers and having a mass per unit area within a preferred range is particularly suitable. There are two advantages to using such materials: first, they are light, and second, they have a high open porosity. The open porosity of the stabilizing materials preferably used is in the range of 20-99.9%, preferably in the range of 40-99%, so that they can be easily filled with other materials. And the conductivity and hydrophobicity of the finished gas diffusion layer can be adjusted in a desired manner (over the entire thickness of the gas diffusion layer).

通常、この層の厚さは、80μm〜2000μmの範囲、特に100μm〜1000μmの範囲、及び特に好ましくは150μm〜500μmの範囲である。   Usually, the thickness of this layer is in the range from 80 μm to 2000 μm, in particular in the range from 100 μm to 1000 μm, and particularly preferably in the range from 150 μm to 500 μm.

ガス拡散層、又はガス拡散電極の製造は、例えばWO97/20358に詳細に記載されている。この中に記載されてる製造方法は、本発明の一部でもある。   The production of the gas diffusion layer or gas diffusion electrode is described in detail, for example, in WO 97/20358. The manufacturing methods described therein are also part of the present invention.

表面張力を低減するために、WO97/20358に記載されているように、材料(添加剤又は洗剤)を加えることができる。追加的に、ペルフルオロ化されたポリマーを、フッ素化されていないバインダーと一緒に使用することによって、ガス拡散層の疎水性を設定することができる。次に、備えられたガス拡散層が乾燥され、そして200℃を超える温度で焼成(sintering)することによって熱的に後処理される。   In order to reduce the surface tension, materials (additives or detergents) can be added as described in WO 97/20358. Additionally, the hydrophobicity of the gas diffusion layer can be set by using a perfluorinated polymer together with a non-fluorinated binder. The provided gas diffusion layer is then dried and thermally post-treated by sintering at temperatures above 200 ° C.

更に、ガス拡散層を、幾つかの層で構成することができる。ガス拡散層の好ましい実施の形態では、これは、少なくとも2層の区別可能な層を有する。複数層のガス拡散層の上限として、4層が考えられる。これよりも多い層を使用する場合、圧縮又は積層化工程を使用して、好ましくは高温で、これらの層の互いに密接な結合を形成することが便利である。複数層ガス拡散層を使用することにより、プレトリム層(予め整えられた層)を製造することができ、これにより、効果的な多孔性及び/又は疎水性の傾斜を設定することができる。このような傾斜は、いくつかの連続的なコーティング又は含浸工程によって形成可能であるが、このことは典型的には、行うのにより入念なものである。   Furthermore, the gas diffusion layer can be composed of several layers. In a preferred embodiment of the gas diffusion layer, it has at least two distinct layers. Four layers are conceivable as the upper limit of the plurality of gas diffusion layers. If more layers are used, it is convenient to use a compression or lamination process to form an intimate bond between these layers, preferably at elevated temperatures. By using a multi-layer gas diffusion layer, a pre-trim layer (a pre-arranged layer) can be produced, thereby setting an effective porosity and / or hydrophobic gradient. Such a gradient can be formed by several successive coating or impregnation steps, but this is typically more elaborate to do.

特定の実施の形態に従えば、少なくとも1種のガス拡散層は、圧縮性の材料を含むことができる。本発明の範囲内で、圧縮性の材料は、ガス拡散層が、(その品位を損なうことなく)オリジナルの厚さの半分、特に3分の1の厚さにまで圧縮可能であるという特性によって特徴付けられる。   According to certain embodiments, the at least one gas diffusion layer can comprise a compressible material. Within the scope of the present invention, compressible materials have the property that the gas diffusion layer can be compressed to half the original thickness (particularly one third) without compromising its quality. Characterized.

本発明に従うガス拡散層は、<100mOhm per cm2、好ましくは<60mOhm per cm2の範囲の低い電気表面抵抗性を有する。 The gas diffusion layer according to the invention has a low electrical surface resistance in the range of <100 mOhm per cm 2 , preferably <60 mOhm per cm 2 .

この特性は、通常、カーボンブラックを加えることによって伝導性が付与された、グラファイトファブリック及び/又はグラファイトペーパーによって作られたガス拡散層によって与えられる。ガス拡散層は、通常、更なる物質を加えることによって、その疎水性及び物質移動特性が最適化される。このことについて、ガス拡散層は、フッ素化又は部分的にフッ素化された材料、例えばPTFEを備えている。   This property is usually provided by a gas diffusion layer made of graphite fabric and / or graphite paper that has been rendered conductive by the addition of carbon black. A gas diffusion layer is usually optimized for its hydrophobicity and mass transfer properties by adding additional materials. In this regard, the gas diffusion layer comprises a fluorinated or partially fluorinated material, such as PTFE.

触媒層
触媒層(複数層の場合を含む)は、触媒的に活性な物質を含む。これらは、特に、白金族の貴金属、すなわち、Pt、Pd、Ir、Rh、Os、Ru、又は貴金属Au及びAgを含む。更に、上述した金属の合金も使用して良い。追加的に、少なくとも1種の触媒層が、白金族の元素と非−貴金属、例えばFe、Co、Ni、Cr、Mn、Zr、Ti、Ga、V等の合金を含むことも可能である。更に、上述した貴金属、及び/又は非−貴金属の酸化物も使用することができる。
Catalyst layer The catalyst layer (including the case of a plurality of layers) contains a catalytically active substance. These include in particular the platinum group noble metals, ie Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru, or the noble metals Au and Ag. Furthermore, the metal alloys described above may also be used. In addition, the at least one catalyst layer may comprise a platinum group element and a non-noble metal such as an alloy such as Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Zr, Ti, Ga, V. Furthermore, the above-mentioned noble metals and / or oxides of non-noble metals can also be used.

上述した物質を含む触媒的に活性な粒子は、金属粉、特に白金、及び/又は白金合金、いわゆるブラック貴金属として使用されて良い。このような粒子は、通常、粒径(サイズ)が、5nm〜200nmの範囲、好ましくは7nm〜100nmの範囲である。いわゆるナノ粒子も使用できる。   Catalytically active particles comprising the substances mentioned above may be used as metal powders, in particular platinum and / or platinum alloys, so-called black noble metals. Such particles usually have a particle size (size) in the range of 5 nm to 200 nm, preferably in the range of 7 nm to 100 nm. So-called nanoparticles can also be used.

更に、金属は、支持体材料上で使用することも可能である。好ましくは、この支持体は、特にカーボンブラック、グラファイト又は黒鉛化カーボンブラックの状態で使用しても良いカーボンを含む。更に、導電性の金属酸化物、例えばSnOx、TiOx、又はフォスフェート、例えば、FePOx、NbPOx、Zry(POxzを支持体材料として使用することもできる。ここで、記号x、y及びzは、個々の化合物の酸素又は金属の含有量を示し、該含有量は、(遷移金属は、異なる酸化段階を取ることができるので、)公知の範囲に存在可能である。 Furthermore, the metal can also be used on a support material. Preferably, the support comprises carbon that may be used in particular in the form of carbon black, graphite or graphitized carbon black. In addition, conductive metal oxides such as SnO x , TiO x , or phosphates such as FePO x , NbPO x , Zr y (PO x ) z can also be used as support materials. Here, the symbols x, y and z indicate the oxygen or metal content of the individual compounds, which content is in the known range (since transition metals can take different oxidation stages). Is possible.

支持体上のこれらの金属粒子の含有量は、金属と支持体の結合の合計質量に対して、通常、1〜80質量%、好ましくは5〜60質量%、及び特に好ましくは10〜50質量%であるが、しかしこれらの範囲に限られるものではない。支持体の粒子径、特に、カーボン粒子の粒径は、好ましくは20〜1000nmの範囲、特に30〜100nmの範囲である。その上に存在する金属粒子の粒径は、好ましくは1〜20nmの範囲、特に1〜10nmの範囲、及び特に好ましくは2〜6nmの範囲である。   The content of these metal particles on the support is usually 1 to 80% by weight, preferably 5 to 60% by weight, and particularly preferably 10 to 50% by weight, based on the total weight of the bond between the metal and the support. %, But not limited to these ranges. The particle diameter of the support, particularly the carbon particle diameter, is preferably in the range of 20 to 1000 nm, particularly in the range of 30 to 100 nm. The particle size of the metal particles present thereon is preferably in the range from 1 to 20 nm, in particular in the range from 1 to 10 nm, and particularly preferably in the range from 2 to 6 nm.

種々の(異なる)粒子の粒径(サイズ)は、平均値を表し、そして透過電子顕微鏡法又はX 線粉末回折法によって測定することができる。   The particle size (size) of the various (different) particles represents an average value and can be measured by transmission electron microscopy or X-ray powder diffraction.

上述した触媒的に活性な粒子は、通常、市販されている。   The catalytically active particles described above are usually commercially available.

市販されている触媒又は触媒粒子に加え、白金を含む合金で作られた触媒ナノ粒子、特にPt、Co及びCu又はPt、Ni及びCuに基づく触媒ナノ粒子(ここで、粒子は、外側殻に、核中よりも高い濃度のPtを有している)も使用することができる。このような粒子は、P.Strasser et al.in Angewandte Chemie2007に記載されている。   In addition to commercially available catalysts or catalyst particles, catalyst nanoparticles made of platinum-containing alloys, in particular catalyst nanoparticles based on Pt, Co and Cu or Pt, Ni and Cu (where the particles are in the outer shell) , Having a higher concentration of Pt than in the nucleus) can also be used. Such particles are P.I. Strasser et al. in Angewante Chemie 2007.

更に、触媒的に活性な層は、通常の添加剤を含んでも良い。これらは、特に、フルオロポリマー、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、プロトン伝導性イオノマー及び界面活性剤を含む。   In addition, the catalytically active layer may contain conventional additives. These include in particular fluoropolymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE), proton conducting ionomers and surfactants.

本発明の特定の実施の形態に従えば、フルオロポリマーの、(少なくとも1種の貴金属、及び任意に1種以上の支持体材料を含む)触媒材料に対する割合は、0.1を超え、この割合は、0.2〜0.6の範囲である。   According to a particular embodiment of the invention, the ratio of fluoropolymer to catalyst material (including at least one noble metal and optionally one or more support materials) is greater than 0.1, this ratio Is in the range of 0.2 to 0.6.

本発明の特定の実施の形態従えば、触媒層は厚さが、1〜1000μm、特に5〜500μm、好ましくは10〜300μmの範囲である。この値は、走査電子顕微鏡(SEM)を使用して得られる写真から測定した層の厚さの測定値を平均することによって得ることができる。   According to a particular embodiment of the invention, the catalyst layer has a thickness in the range of 1-1000 μm, in particular 5-500 μm, preferably 10-300 μm. This value can be obtained by averaging layer thickness measurements measured from photographs obtained using a scanning electron microscope (SEM).

本発明の特定の実施の形態に従えば、触媒層の貴金属の含有量は、0.1〜10.0mg/cm2、好ましくは0.3〜6.0mg/cm2、及び特に好ましくは1〜4.0mg/cm2である。この値は、平坦なサンプルの要素分析によって得ることができる。 According to a particular embodiment of the invention, the noble metal content of the catalyst layer is 0.1 to 10.0 mg / cm 2 , preferably 0.3 to 6.0 mg / cm 2 , and particularly preferably 1 it is a ~4.0mg / cm 2. This value can be obtained by elemental analysis of a flat sample.

カソードにおいて触媒層上に存在する、本発明に従うイオノマー性材料が、触媒材料に対して所定の割合で存在することが好ましい。従って、イオノマー性材料と触媒の間の質量割合は、好ましくは100:1〜1:100、最も好ましくは10:1〜1:10である。特定の好ましい割合は、1:8〜1:3である。これらの量及び割合は、所望により、アノードにおける触媒層にも適用される。   It is preferred that the ionomeric material according to the invention present on the catalyst layer at the cathode is present in a predetermined proportion with respect to the catalyst material. Accordingly, the mass ratio between the ionomeric material and the catalyst is preferably 100: 1 to 1: 100, most preferably 10: 1 to 1:10. A specific preferred ratio is 1: 8 to 1: 3. These amounts and proportions also apply to the catalyst layer at the anode, if desired.

触媒層は、通常、自立性ではなく、通常は、ガス拡散層及び/又は膜に施される。ここで、触媒層の一部を、例えば、ガス拡散層及び/又は膜に拡散させ、この結果、遷移層(transition layer)を形成することもできる。このことについて、触媒層が、ガス拡散層の一部であると理解することもできる。触媒層の厚さは、その上に触媒層が施される層、例えばガス拡散層、又は膜の厚さの測定(該測定により、触媒層と対応する層の合計、例えばガス拡散層と触媒層の合計が得られる)から得られる。触媒層は、好ましくは、勾配を有しており、すなわち、貴金属の含有量が、膜の方向に増加し、そして疎水性材料の含有量がこれに反する挙動を示す。   The catalyst layer is usually not self-supporting and is usually applied to the gas diffusion layer and / or membrane. Here, a part of the catalyst layer can be diffused into, for example, a gas diffusion layer and / or a film, and as a result, a transition layer can be formed. In this regard, it can also be understood that the catalyst layer is part of the gas diffusion layer. The thickness of the catalyst layer is determined by measuring the thickness of the layer on which the catalyst layer is applied, for example, the gas diffusion layer, or the membrane (by the measurement, the total of the layers corresponding to the catalyst layer, for example, the gas diffusion layer The total of the layers is obtained). The catalyst layer preferably has a gradient, i.e. the content of noble metal increases in the direction of the membrane and the content of hydrophobic material behaves contrary to this.

膜電極アセンブリの更なる情報のために、技術文献、特に特許文献WO01/18894A2、DE19509748、DE19509749、WO00/26982、WO92/15121及びDE19757492が参照される。膜電極アセンブリー及び電極の構造と製造、選択されるガス拡散層及び触媒について、上述した文献に含まれる開示内容は、本記載の一部である。   For further information on membrane electrode assemblies, reference is made to the technical literature, in particular the patent documents WO 01/18894 A2, DE 1950748, DE 19509749, WO 00/26982, WO 92/15121 and DE 19757492. Disclosures contained in the above-mentioned literature on the structure and manufacture of membrane electrode assemblies and electrodes, selected gas diffusion layers and catalysts are part of this description.

ガスケット
本発明に従う方法の範囲内で使用される、又は生成されるガスケットは、別の工程で製造し適用することもでき、又は他に、ガス拡散層の周囲端(及び周囲の、任意に生じたバイポーラー板の端)上に直接的に生成させることもできる。
Gaskets The gaskets used or produced within the method according to the invention can also be manufactured and applied in a separate process, or else the peripheral edge (and surrounding, optionally of the gas diffusion layer) It can also be produced directly on the end of a bipolar plate.

このことについて、主として、形成された、構造的な内側境界領域が、内側に重なり、そして従って、ガス拡散層、又は触媒層が施されたガス拡散層の外側境界領域と重なる。この重なりによって、ガス拡散層は、バイポーラー板に固定され、これにより、更なる取付又は固定フレームを使用しなくても良くなる。更に、ガス拡散層の境界領域を、シーリング材料でインタースペースする必要がなく、又は、シーリング材料をガス拡散層の境界領域に浸透させ、シーリング機能を得る必要がない。   In this regard, mainly the formed structural inner boundary region overlaps inward and thus overlaps with the outer boundary region of the gas diffusion layer or the gas diffusion layer provided with the catalyst layer. This overlap secures the gas diffusion layer to the bipolar plate, thereby eliminating the need for further mounting or fixing frames. Furthermore, it is not necessary to interspace the boundary region of the gas diffusion layer with a sealing material, or it is not necessary to penetrate the sealing material into the boundary region of the gas diffusion layer to obtain a sealing function.

更に、ガスケットが十分な機械的安定性、及び/又は全体性を有し、次の圧縮工程で、例えば、ガス拡散層及び/又は膜/電解質マトリクスが損傷を受けないことが有利である。この目的のために、いわゆるハードストップ機能が有利な態様で、ガスケットに統合されても良い。ガクケットがバイポーラー板上に(端部をあげることなく)製造される場合には、この実施の形態は特に好ましい。   Furthermore, it is advantageous that the gasket has sufficient mechanical stability and / or integrity and that, for example, the gas diffusion layer and / or the membrane / electrolyte matrix are not damaged in the subsequent compression step. For this purpose, a so-called hard stop function may be integrated into the gasket in an advantageous manner. This embodiment is particularly preferred when the gakket is manufactured on a bipolar plate (without raising the edges).

ガスケットの製造は、別個の工程で行うことができ、又は他にガスケットはガス拡散層の周囲端部上に、バイポーラー板に向けて、直接的に生成することができる。ガスケットの形成は、公知の全ての方法を使用して行うことができ、好ましくは、熱可塑性エラストマー又は架橋可能なゴムを、スプレーで施すことにより、及び/又はこれらを印刷法を使用して架橋させることにより行うことができる。   The production of the gasket can be done in a separate process, or else the gasket can be produced directly on the peripheral edge of the gas diffusion layer, towards the bipolar plate. The formation of the gasket can be carried out using all known methods, preferably by applying a thermoplastic elastomer or a crosslinkable rubber by spraying and / or crosslinking them using printing methods. Can be performed.

好ましくは、本発明に従うガスケットは、融解可能なポリマー又は熱的に処理可能なゴムから形成される。   Preferably, the gasket according to the invention is formed from a meltable polymer or a thermally processable rubber.

ゴムの中で、シリコーンゴム(Q)、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、エチレン−プロピレンゴム(EPM)、イソブチレン−イソプレンゴム(IIR)、ブタジエンゴム(BR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、スチレン−イソプレンゴム(SIR)、イソプレン−ブタジエンゴム(IBR)、イソプレンゴム(IR)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)、アクリレートゴム(ACM)及び/又はブタジエンゴム(BR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、イソプレン−ブタジエンゴム(IBR)、イソプレンゴム(IR)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)、ポリイソブチレンゴム(PIB)、フルオロゴム(FPM)、フルオロシリコーンゴム(MFQ、FVMQ)からの部分的に水素化されたゴムが好ましい。   Among the rubbers, silicone rubber (Q), ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), ethylene-propylene rubber (EPM), isobutylene-isoprene rubber (IIR), butadiene rubber (BR), styrene-butadiene rubber (SBR), Styrene-isoprene rubber (SIR), isoprene-butadiene rubber (IBR), isoprene rubber (IR), acrylonitrile-butadiene rubber (NBR), chloroprene rubber (CR), acrylate rubber (ACM) and / or butadiene rubber (BR), Styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene-butadiene rubber (IBR), isoprene rubber (IR), acrylonitrile-butadiene rubber (NBR), polyisobutylene rubber (PIB), fluoro rubber (FPM), fluorosilicone rubber ( FQ, preferably partially hydrogenated rubber from FVMQ).

更に、シーリング材料として、フルオロポリマーを使用することができ、好ましくは、ポリ(テトラフルオロエチレン−コ−ヘキサフルオロプロピレン)FEP、ポリビニリデンフルオリドPVDF、ペルフルオロアルコキシポリマーPFA、及びポリ(テトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロ(メチルビニルエーテル))MFAを使用することができる。これらのポリマーは、多くの場合、例えばHostafon(登録商標)、Hyflon(登録商標)、Teflon(登録商標)、Dyneon(登録商標)、Nowoflon(登録商標)の商品名で市販されている。   In addition, fluoropolymers can be used as sealing materials, preferably poly (tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene) FEP, polyvinylidene fluoride PVDF, perfluoroalkoxy polymer PFA, and poly (tetrafluoroethylene- Co-perfluoro (methyl vinyl ether)) MFA can be used. These polymers are often marketed, for example, under the names Hostafoon®, Hyflon®, Teflon®, Dyneon®, Nowoflon®.

上述した材料とは別に、ポリアミドに基づくシーリング材料も使用することができる。ポリイミドに基づくポリマーのクラスは、イミド基の他に、アミド(ポリアミドイミド)、エステル(ポリエステルイミド)及びエーテル基(ポリエーテルイミド)をもバックボーンの成分として含むポリマーも含む。   Apart from the materials mentioned above, sealing materials based on polyamide can also be used. In addition to imide groups, the class of polymers based on polyimide also includes polymers containing amides (polyamideimide), esters (polyesterimide) and ether groups (polyetherimide) as backbone components.

好ましいポリイミドは、式(VI),   Preferred polyimides are those of formula (VI),

Figure 2013510383
Figure 2013510383

(但し、官能基Arが、上述した意味を有し、及び官能基Rが、アルキル基又は炭素数が1〜40個の、2つの共有結合を有する芳香族又は複素環式芳香族基を表す)
の繰り返し単位を有する。好ましくは、官能基Rは、ベンゼン、ナフタレン、ビフェニル、ジフェニルエーテル、ジフェニルケトン、ジフェニルメタン、ジフェニルジメチルメタン、ビスフェノン、ジフェニルスルホン、キノリン、ピリジン、ビピリジン、アントラセン、チアジアゾール、及びフェナントレンから誘導され、任意に置換も可能な、2つの共有結合を有する芳香族又は複素環式芳香族基を表す。インデックスnは、繰り返し単位がポイマーの一部を示すことを意味する。
(However, the functional group Ar has the above-mentioned meaning, and the functional group R represents an alkyl group or an aromatic or heterocyclic aromatic group having 1 to 40 carbon atoms and having two covalent bonds. )
Of repeating units. Preferably, the functional group R is derived from benzene, naphthalene, biphenyl, diphenyl ether, diphenyl ketone, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane, bisphenone, diphenylsulfone, quinoline, pyridine, bipyridine, anthracene, thiadiazole, and phenanthrene, optionally substituted Represents an aromatic or heteroaromatic group having two possible covalent bonds. The index n means that the repeating unit indicates a part of the polymer.

このようなポリマーはDuPontからの(登録商標)Kapton、(登録商標)Vespel、(登録商標)Toray及び(登録商標)Pyralin、及びGE Plasticsからの(登録商標)Ultem、及びUbe Industriesからの(登録商標)Upilexの名称で市販されている。   Such polymers are (registered trademark) Kapton from DuPont, (registered trademark) Vespel, (registered trademark) Toray and (registered trademark) Pyralin, (registered trademark) Ultem from GE Plastics, and (registered trademark) from Ube Industries. (Trademark) It is marketed under the name Upilex.

上述した材料の特性の結合、軟質/硬質との組合せも、(特に、上述したハードストップ機能が統合される場合には)シーリング材料として適切である。   The combination of material properties described above, the combination of soft / hard, is also suitable as a sealing material (especially when the hard stop function described above is integrated).

特に好ましいシーリング材料は、ShorA硬度が5〜85、特に25〜80である。ShorA硬度は、DIN53505に従って測定される。更に、シーリング材料の永久ひずみが50%未満であることが有利である。永久ひずみは、DINISO815に従って測定される。   Particularly preferred sealing materials have a Shor A hardness of 5 to 85, in particular 25 to 80. Shor A hardness is measured according to DIN 53505. Furthermore, it is advantageous that the permanent set of the sealing material is less than 50%. The permanent set is measured according to DINISO 815.

ガスケットの厚さは幾つかのファクターによって影響される。重要なファクターは、バイポーラー板の境界領域の高さ(elevation)をどの程度に選択するかである。ガスケットの厚さは、通常5〜5000μmの範囲、好ましくは10μm〜1000μm、及び特に25μm〜150μmに形成され、又は施される。特に、上昇した(盛り上がった)境界領域を有していないバイポーラー板の場合、厚さをより厚くすることもできる。   The thickness of the gasket is affected by several factors. An important factor is how much to choose the elevation of the boundary region of the bipolar plate. The thickness of the gasket is usually formed or applied in the range of 5 to 5000 μm, preferably 10 μm to 1000 μm, and especially 25 μm to 150 μm. In particular, in the case of a bipolar plate that does not have a raised (raised) boundary region, the thickness can be increased.

ガスケットは、複数の層で構成することも可能である。この実施の形態では、適切なポリマー(特にフルオロポリマーが適切な連結を形成するのに適切である)を使用して、異なる層が互いに結合される。適切なフルオロポリマーは、当業者にとって公知である。これらは、特に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)及びポリ(テトラフルオロエチレン−コ−ヘキサフルオロプロピレン)(FEP)を含む。上述したシーリング層上に存在するフルオロポリマーで作成された層は、通常、厚さが少なくとも0.5μm、特に少なくとも2.5μmである。発泡(expanded)フルオロポリマーが施される場合、層の厚さは5〜250μm、好ましくは10〜150μmである。   The gasket can be composed of a plurality of layers. In this embodiment, different layers are bonded together using a suitable polymer (especially a fluoropolymer is suitable to form a suitable linkage). Suitable fluoropolymers are known to those skilled in the art. These include in particular polytetrafluoroethylene (PTFE) and poly (tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene) (FEP). The layer made of fluoropolymer present on the sealing layer described above is usually at least 0.5 μm thick, in particular at least 2.5 μm. When an expanded fluoropolymer is applied, the layer thickness is 5-250 μm, preferably 10-150 μm.

上述したガスケット、又はシーリング材料は、バイポーラー板と一緒に形成された窪み部(recess)内にガス拡散層を固定するものである。この目的のために、ガスケットがガス拡散層の外側境界領域と、周囲で重なることが有利である。ガスケットとガス拡散層の境界領域との重なり(overlap)は、ガス拡散層の最外端に基づいて、好ましくは0.1〜5mm、好ましくは0.1〜3mmである。これよりも大きい重なりも可能であるが、触媒的に活性な表面が大きく損なわれる。この理由のために、重なりの程度は、臨界的な方法(critical way)でバランスされ、これにより、触媒的に活性な表面の不必要に過剰の部分が覆われるべきである。   The gasket or sealing material described above fixes the gas diffusion layer in a recess formed with the bipolar plate. For this purpose, it is advantageous for the gasket to overlap the outer boundary region of the gas diffusion layer at the periphery. The overlap between the gasket and the boundary region of the gas diffusion layer is preferably 0.1-5 mm, preferably 0.1-3 mm, based on the outermost end of the gas diffusion layer. Larger overlaps are possible, but the catalytically active surface is greatly impaired. For this reason, the degree of overlap should be balanced in a critical way, thereby covering an unnecessary excess of the catalytically active surface.

ガスケットがガス拡散層の境界領域と周囲で重なることが有利であるが、しかしながら、周囲のシーリング端と、ガス拡散層の境界領域の重なりに、(特に、活性な触媒表面について)不連続部分が存在することもできる。このことについて、ガス拡散層の固定機能が、ガスケットによってなお確保されている。   It is advantageous for the gasket to overlap the boundary region of the gas diffusion layer at the periphery, however, there is a discontinuity (especially for the active catalyst surface) at the overlap of the peripheral sealing edge and the boundary region of the gas diffusion layer. It can also exist. In this regard, the function of fixing the gas diffusion layer is still ensured by the gasket.

バイポーラー板
本発明で使用されるバイポーラー板又は分離板は、典型的には、反応物質及び(典型的には燃料電池のための)他の流体、例えば冷却流体の分配のために、工程媒体チャンネル(process media channel; flow field channel)が設けられている。
Bipolar plate The bipolar plate or separator plate used in the present invention is typically a process for the distribution of reactants and other fluids (typically for fuel cells) such as cooling fluids. A media channel (process media channel) is provided.

バイポーラー板は通常、導電性材料から形成されており;これらは金属性又は非金属性材料であっても良い。   Bipolar plates are typically formed from conductive materials; these may be metallic or non-metallic materials.

バイポーラー板が非金属性材料から構成される場合、いわゆる複合材料が好ましい。複合材料は、導電性充填剤が設けられたマトリクス材料でできた複合物である。ポリマー性材料、特に有機ポリマーが、マトリクス材料として好ましく、適切である。燃料電池の運転温度に依存して、高機能ポリマー(high-performance polymer)、特に熱的に安定なポリマーが必要とされることもできる。使用する分野に依存して、その長期使用温度が少なくとも80℃、好ましくは少なくとも120℃、特に好ましくは少なくとも180℃であるポリマーが使用される。   When the bipolar plate is made of a non-metallic material, a so-called composite material is preferable. The composite material is a composite made of a matrix material provided with a conductive filler. Polymeric materials, in particular organic polymers, are preferred and suitable as the matrix material. Depending on the operating temperature of the fuel cell, a high-performance polymer, especially a thermally stable polymer, may be required. Depending on the field used, polymers are used whose long-term use temperature is at least 80 ° C., preferably at least 120 ° C., particularly preferably at least 180 ° C.

熱可塑性プラスチック、特に、ポリプロピレン(PP)、ポリビニリデンフルオリド(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、及び液体結晶性ポリマー(LCP)を使用することが特に好ましく、これらを化合物として使用することも可能であり、すなわち、それぞれ他のポリマー、及び代表的な添加剤と混合することもできる。熱可塑性プラスチックの他に、熱硬化性プラスチック及び樹脂も好ましい。特に、フェノール樹脂(PF)、メラニン樹脂(MF)、ポリエステル(UP)、及びエポキシ樹脂(EP)が使用される。   It is particularly preferred to use thermoplastics, especially polypropylene (PP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyphenylene sulfide (PPS), and liquid crystalline polymer (LCP). Can also be used as compounds, ie, can be mixed with each other polymer and typical additives, respectively. In addition to thermoplastics, thermosetting plastics and resins are also preferred. In particular, phenol resin (PF), melanin resin (MF), polyester (UP), and epoxy resin (EP) are used.

マトリクス中に可能な限り均一な分散を可能にする粒子状物質が、導電性充填剤として使用される。好ましくは、これらの充填剤は、バルク伝導性(bulk conductivity)が少なくとも10mS/cmである。カーボン、グラファイト、及びカーボンブラックを使用することが特に好ましい。マトリクス材料との湿潤性をより良子にするために、これらを処理することもできる。粒子のサイズ(径)については、特定の制限は無いが、このようなバイポーラー板の製造を許容する必要がある。上述した導電性充填剤とは別に、供給特性(application property)を改良する他の添加剤もマトリクス材料に加えることができる。特に、そうでなければ機械的付加が確保できない場合には、ファイバー補強も可能である。   Particulate materials that allow as uniform a dispersion as possible in the matrix are used as conductive fillers. Preferably, these fillers have a bulk conductivity of at least 10 mS / cm. Particular preference is given to using carbon, graphite and carbon black. These can also be processed to make the wettability with the matrix material better. There is no particular restriction on the size (diameter) of the particles, but it is necessary to allow the production of such a bipolar plate. Apart from the conductive fillers described above, other additives that improve the application properties can also be added to the matrix material. Fiber reinforcement is also possible, especially if mechanical attachment cannot be ensured otherwise.

このようなバイポーラー板の製造は、好ましくは適切な形成法を使用して、特に射出成形技術及び射出エンボス、及びエンボス技術を使用して行われる。   The production of such bipolar plates is preferably carried out using suitable forming methods, in particular using injection molding techniques and injection embossing and embossing techniques.

工程媒体ダクトの他に、バイポーラー板は、更なるダクト又は開口部又はボア(これらを通して、例えば冷却剤又は反応ガスが供給及び排出可能である)を有することもできる。   In addition to the process medium duct, the bipolar plate can also have further ducts or openings or bores through which, for example, coolants or reaction gases can be supplied and discharged.

非金属性バイポーラー板の厚さは、好ましくは0.2〜1.0mmの範囲、特に0.5〜5mmの範囲、及び特に好ましくは0.5〜2mmの範囲である。非金属性バイポーラー板の伝導性は、25S/cm以上である。   The thickness of the nonmetallic bipolar plate is preferably in the range of 0.2 to 1.0 mm, in particular in the range of 0.5 to 5 mm, and particularly preferably in the range of 0.5 to 2 mm. The conductivity of the nonmetallic bipolar plate is 25 S / cm or more.

バイポーラー板が金属性材料で構成される場合、より経済的な統合設計が可能である。このようなバイポーラー板の構成は、如何なる実質的な制限も受けない。   If the bipolar plate is made of a metallic material, a more economical integrated design is possible. Such a bipolar plate configuration is not subject to any substantial limitation.

耐食性及び耐酸性スチールが、金属性材料として好ましく、特にV2A及びV4A鋼に基づくもの、及びニッケルベースの合金でできたものが好ましい。メッキざれた、又は被覆された金属が更に好ましく、特に貴金属、ニッケル、ルテニウム、ニオブ、タンタル、クロム、カーボンでできた耐食性表面を有するもの、及びセラミック材料で被覆された金属、特にCrN、TiN、iAlN、錯体ニトリド、カーバイド、シリサイド及び金属及び遷移金属のオキシドでできた被覆物を有するものが好ましい。   Corrosion and acid resistant steels are preferred as metallic materials, particularly those based on V2A and V4A steels and those made of nickel based alloys. More preferred are plated or coated metals, particularly those having a corrosion-resistant surface made of noble metals, nickel, ruthenium, niobium, tantalum, chromium, carbon, and metals coated with ceramic materials, especially CrN, TiN, Those having coatings made of iAlN, complex nitrides, carbides, silicides and oxides of metals and transition metals are preferred.

これらとは別に、金属性バイポーラー板は追加的に、一方では、ガス拡散層/バイポーラー板の接点の電気的表面抵抗性を低減し、又は他に、バイポーラー板の、燃料電池中に存在する又は形成された媒体に対する化学的及び/又は物理的な抵抗性を増す被覆物を有することができる。   Apart from these, metallic bipolar plates additionally reduce, on the one hand, the electrical surface resistance of the contact of the gas diffusion layer / bipolar plate, or else in the fuel cell of the bipolar plate. It is possible to have a coating that increases the chemical and / or physical resistance to the medium present or formed.

金属性バイポーラー板の構成は、個々のプレート(板)から構成することができる。供給及び排出する冷却剤又は反応媒体のためのボイド(穴)を単純な態様で形成することができる。個々のプレートの連結は、材料結合法、例えば溶接又ははんだ付けによって行うことができる。必要であれば、ボイドは、例えば漏れが回避される更なる内部被覆を使用して、追加的に互いにシールすることができる。   The metal bipolar plate can be constructed from individual plates. Voids (holes) for the coolant or reaction medium to be fed and discharged can be formed in a simple manner. The connection of the individual plates can be made by a material bonding method, for example by welding or soldering. If necessary, the voids can additionally be sealed to one another, for example using a further inner coating in which leakage is avoided.

冷却層を有していない燃料電子システムが構成される場合、又は燃料電池スタックの数個の個々の電池(セル)が冷却を必要としない場合、バイポーラー板、又はスタック中の個々のバイポーラー板は、1種のみの金属性、又は非金属性の個々のプレートから製造されても良い。   If a fuel electronic system is constructed that does not have a cooling layer, or if several individual cells (cells) of the fuel cell stack do not require cooling, a bipolar plate or individual bipolar in the stack The plate may be manufactured from only one metallic or non-metallic individual plate.

適切なバイポーラー板の構成と製造は、DE−A−10250991、WO2004/036677、WO2004/105164、WO2005/081614、WO2005/096421及びWO2006/037661に記載されている。これらの文献中に記載されているアセンブリ、及び製造方法は、本発明及び本記載の一部でもある。   The construction and manufacture of suitable bipolar plates are described in DE-A-10250991, WO 2004/036677, WO 2004/105164, WO 2005/081614, WO 2005/096421 and WO 2006/037661. The assemblies and manufacturing methods described in these documents are also part of the present invention and description.

金属性バイポーラー板の厚さは、好ましくは0.03〜1mmの範囲、特に0.05〜0.5mmの範囲、及び特に好ましくは0.05〜0.15mmの範囲である。   The thickness of the metallic bipolar plate is preferably in the range of 0.03 to 1 mm, in particular in the range of 0.05 to 0.5 mm, and particularly preferably in the range of 0.05 to 0.15 mm.

本発明の範囲内で使用されるバイポーラー板は、高くなった(raised)境界領域を有していても良く、これにより流れ領域のチャンネルを含むバイポーラー板の領域は窪み部分を形成しても良い。工程媒体チャンネルを有するバイポーラー板の領域の最も高い上昇に関し、境界領域の正確な高さは、ガス拡散層、又は触媒層を有するガス拡散層の厚さに適用される。ガス拡散層、又は触媒層を有するガス拡散層が、次の圧縮工程の間、如何なる更なる圧縮も受けない場合、バイポーラー板の境界領域の上昇(高さ)は、ガス拡散層又は触媒層を有するガス拡散層の厚さに対応する。   Bipolar plates used within the scope of the present invention may have a raised boundary region, so that the region of the bipolar plate containing the flow region channels forms a recessed portion. Also good. For the highest rise in the area of the bipolar plate with the process medium channel, the exact height of the boundary area applies to the thickness of the gas diffusion layer or the gas diffusion layer with the catalyst layer. If the gas diffusion layer or the gas diffusion layer with the catalyst layer is not subjected to any further compression during the next compression step, the rise (height) of the boundary region of the bipolar plate is the gas diffusion layer or the catalyst layer. This corresponds to the thickness of the gas diffusion layer having

ガス拡散層、又は触媒層を有するガス拡散層の厚さが、(バイポーラー板の工程媒体を有する最も高い上昇部に対して)境界領域の高さよりも高い場合、次の圧縮工程の間、ガス拡散層の圧縮が生じる。圧縮の程度は、シーリング材料の厚さと変形性を介して決定される、ここでシーリング材料はハードストップ(硬質停止)として機能する。この実施の形態は、柔軟な又は変形容易なポリマー電解質膜が使用される場合、(膜のダメージを回避することができるので)特に有利である。   If the thickness of the gas diffusion layer, or the gas diffusion layer with the catalyst layer, is higher than the height of the boundary region (relative to the highest rise with the bipolar plate process medium), during the next compression step, Compression of the gas diffusion layer occurs. The degree of compression is determined via the thickness and deformability of the sealing material, where the sealing material functions as a hard stop. This embodiment is particularly advantageous when a flexible or easily deformable polymer electrolyte membrane is used (since membrane damage can be avoided).

境界領域の上昇部分の設計、又はフレーム−形成成分を使用した上昇部分の設計で、ガス拡散層、又は触媒層を有するガス拡散層が、オリジナル(最初)の厚さと比較して、少なくとも3%の圧縮を受けるようにすることが有利であることがわかった。 特に好ましくは、境界領域の上述した上昇は、圧縮は少なくとも5%であるように選択される。50%を超える圧縮、特に30%を超える圧縮が、上限として選択されるが、他のパラメーターを介して、この上限を超えることも可能である。   In the design of the rising part of the boundary region, or the rising part design using a frame-forming component, the gas diffusion layer or the gas diffusion layer with the catalyst layer is at least 3% compared to the original (initial) thickness. It has proved advantageous to be subjected to compression. Particularly preferably, the above-mentioned rise of the border region is selected such that the compression is at least 5%. Compression above 50%, in particular compression above 30%, is selected as the upper limit, but it is possible to exceed this upper limit via other parameters.

成分の圧縮は、圧力と温度の作用によって行われ、これにより成分の相互の密接な連結が形成される。通常、この圧縮は、10〜300℃の範囲、特に20℃〜200℃の範囲の温度、及び1〜1000バール、特に3〜300バールの範囲の圧力で行われる。上述した圧縮は、スタックを製造する間に、及び/又は燃料電池スタックを開始(スタートアップ)させる時に行うこともできる。この後に、電気化学電池、特に燃料電池のための個々の電池(セル)が運転可能となり、そして使用可能となる。燃料電池スタックを製造するために、燃料電池のための、構成する個々の電池(セル)がスタック(stack)として配置される。更に、燃料電池スタックの製造は、本発明に従う半仕上げの部材を使用して行うことができ、これらを必要とされる膜に、予め設けることも可能である。このことについて、膜は、例えば巻かれた物品として事前に使用可能であり、そしてそれぞれバイポーラー板の設計に適用するために、(最小限の材料を使用して)個々にカットすることができる。取扱フレーム(handling frame)を加える必要はない。燃料電池のための個々の電池からの燃料電池スタックの製造は通常、公知である。   The compression of the components is effected by the action of pressure and temperature, thereby forming an intimate connection of the components. Usually, this compression is carried out at a temperature in the range of 10 to 300 ° C., in particular in the range of 20 ° C. to 200 ° C., and a pressure in the range of 1 to 1000 bar, in particular 3 to 300 bar. The compression described above can also be performed during stack manufacture and / or when starting up (starting up) the fuel cell stack. After this, individual cells (cells) for electrochemical cells, in particular fuel cells, can be operated and used. In order to produce a fuel cell stack, the individual cells (cells) that make up the fuel cell are arranged as a stack. Furthermore, the production of the fuel cell stack can be carried out using semi-finished components according to the invention, which can also be provided in advance on the required membrane. In this regard, the membrane can be pre-used, for example as a rolled article, and can be cut individually (using minimal material) to apply to each bipolar plate design. . There is no need to add a handling frame. The production of fuel cell stacks from individual cells for fuel cells is usually known.

本発明に従う電極及び膜電極アセンブリは、以下の実施例に説明するように、フッ素を含み、及び同時に(リン酸の吸着を許容する)イミノ基を含むポリマーを提供する。これが電極に被覆されるイオノマーとして使用さえる場合、相当に大きな酸素還元電流が得られる。従って、電極の過電圧が低減され、そして燃料電池の電圧が増す。特定の科学的モデルと結び付いているわけではないが、このような効果は次のような事実によって説明される。すなわち、ポリマー構中にフッ素を含めることで、その酸素溶解性が高められるという事実によって説明される。本発明によって、このようなフッ素含有ポリマーをカソードに加えるか、又は被覆する方法が、燃料電池の性能を改良する効果的な手段であることが明確になる。   The electrode and membrane electrode assembly according to the present invention provides a polymer comprising fluorine and simultaneously containing imino groups (allowing adsorption of phosphoric acid) as described in the examples below. When this is used as an ionomer coated on an electrode, a considerably large oxygen reduction current is obtained. Thus, electrode overvoltage is reduced and fuel cell voltage is increased. Although not tied to a specific scientific model, this effect is explained by the following facts: That is, it is explained by the fact that inclusion of fluorine in the polymer structure increases its oxygen solubility. The present invention makes it clear that the method of adding or coating such a fluorine-containing polymer to the cathode is an effective means of improving fuel cell performance.

ポリマー製造手順
ポリマー1:ポリベンズイミダゾール(PBI)
比較のための基礎ポリマーとして、BASF Fuel Cell GmbHからのポリ(2,2’−m−フェニレン−5,5’−ビベンズイミダゾール)を使用した。
Polymer Production Procedure Polymer 1: Polybenzimidazole (PBI)
Poly (2,2′-m-phenylene-5,5′-bibenzimidazole) from BASF Fuel Cell GmbH was used as the base polymer for comparison.

ポリマー2:フッ素含有ポリマー1
式1(処方1)に示した、4,4’−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジベンゾイックアシッドをジカルボン酸として使用し、及び式2(処方2)に示した3,3’−ジアミノベンズイジンテトラヒドロクロリドを、アミノ基を含むモノマーとして使用した。窒素雰囲気下で、反応溶媒としてポリリン酸(117%リン酸)を使用して、170℃で12時間、及び更に220℃で90時間、反応を行った。反応混合物は粘性が高くなった。反応混合物を大量の水中に注ぎ、そしてろ過することによって沈澱物を集めた。沈澱物を沸騰した水に入れ、溶媒ポリリン酸を除去するために24時間、還流させた。赤外線分光法は、1663cm-1で、イミノ基(C=N)の吸収を示し、及び3400〜2600cm-1で、イミダゾール環の吸収を示し、分子構造1を確認した。分子量を、内部標準材料としてPEOを使用して、GPC(ガス浸透クロマトグラフィー)によって測定した。測定結果に基づいて、数平均分子量Mnが、6.0×104であり、そして質量平均分子量Mwが、31×104であった。このポリマーは、有機溶媒、例えばジメチルアセチルアミド及びNMP(N−Methylpyrrolidone)に溶解性であった。ポリマーの5質量%の溶液を、ガラスプレートに広げ、そして加熱によって溶媒を除去した後、茶色の強いフィルムが最終的に得られた。40℃で1時間、85%リン酸中に浸漬することにより、フィルムは75〜80質量%のリン酸を含むゲルフィルムに変換できることが確かめられた。
Polymer 2: Fluorine-containing polymer 1
4,4 ′-(Hexafluoroisopropylidene) dibenzoic acid shown in Formula 1 (Formulation 1) was used as the dicarboxylic acid, and 3,3′-diaminobenzidine tetrahydro shown in Formula 2 (Formulation 2) Chloride was used as a monomer containing an amino group. Under a nitrogen atmosphere, the reaction was carried out using polyphosphoric acid (117% phosphoric acid) as a reaction solvent at 170 ° C. for 12 hours and further at 220 ° C. for 90 hours. The reaction mixture became thicker. The precipitate was collected by pouring the reaction mixture into a large volume of water and filtering. The precipitate was placed in boiling water and refluxed for 24 hours to remove the solvent polyphosphoric acid. Infrared spectroscopy is a 1663Cm -1, an absorption at imino (C = N), and in 3400~2600Cm -1, an absorption of the imidazole ring was confirmed molecular structure 1. The molecular weight was measured by GPC (gas permeation chromatography) using PEO as internal standard material. Based on the measurement results, the number average molecular weight M n was 6.0 × 10 4 and the mass average molecular weight M w was 31 × 10 4 . This polymer was soluble in organic solvents such as dimethylacetylamide and NMP (N-methylpyrrolidone). After spreading a 5 wt% solution of the polymer on a glass plate and removing the solvent by heating, a strong brown film was finally obtained. It was confirmed that by immersing in 85% phosphoric acid for 1 hour at 40 ° C., the film can be converted to a gel film containing 75-80% by mass phosphoric acid.

ポリマー3:フッ素含有ポリマー2
式3(処方3)に示した4,4’−オキシビス[ベンゾイックアシッド]をジカルボン酸として使用し、及び式4(処方4)に示した2,2−ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパンジヒドロクロリドを、アミノ基含有モノマーとして使用した。窒素雰囲気下で、反応溶媒としてポリリン酸(117%リン酸)を使用して、170℃で4時間、及び更に203℃で34時間、反応を行った。反応混合物は粘性が高くなった。反応混合物を大量の水中に注ぎ、そしてろ過することによって沈澱物を集めた。沈澱物を沸騰した水に入れ、溶媒ポリリン酸を除去するために24時間、還流させた。赤外線分光法は、1599cm-1で、イミノ基(C=N)の吸収を示し、及び3400〜2600cm-1で、イミダゾール環の吸収を示し、及び1246cm-1で、C−O−Cの吸収を示し、分子構造2を確認した。分子量を、内部標準材料としてPEOを使用して、GPC(ガス浸透クロマトグラフィー)によって測定した。測定結果に基づいて、数平均分子量Mnが、0.57×104であり、そして質量平均分子量Mwが、1.7×104であった。このポリマーは、有機溶媒、例えばアセトアミド及びNMP(N−Methylpyrrolidone)に溶解性であった。ポリマーの5質量%の溶液を、ガラスプレートに広げ、そして加熱によって溶媒を除去した後、茶色の硬質のフィルムが最終的に得られた。40℃で1時間、85%リン酸中に浸漬することにより、フィルムは50〜60質量%のリン酸を含むゲルフィルムに変換できることが確かめられた。
Polymer 3: Fluorine-containing polymer 2
4,4′-Oxybis [benzoic acid] shown in Formula 3 (Formulation 3) was used as the dicarboxylic acid and 2,2-bis (3-amino-4-hydroxy shown in Formula 4 (Formulation 4) Phenyl) hexafluoropropane dihydrochloride was used as the amino group-containing monomer. Under a nitrogen atmosphere, the reaction was carried out using polyphosphoric acid (117% phosphoric acid) as a reaction solvent at 170 ° C. for 4 hours and further at 203 ° C. for 34 hours. The reaction mixture became thicker. The precipitate was collected by pouring the reaction mixture into a large volume of water and filtering. The precipitate was placed in boiling water and refluxed for 24 hours to remove the solvent polyphosphoric acid. Infrared spectroscopy is a 1599Cm -1, an absorption at imino (C = N), and in 3400~2600Cm -1, an absorption of the imidazole ring, and at 1246cm -1, absorption of C-O-C The molecular structure 2 was confirmed. The molecular weight was measured by GPC (gas permeation chromatography) using PEO as internal standard material. Based on the measurement results, the number average molecular weight M n was 0.57 × 10 4 and the mass average molecular weight M w was 1.7 × 10 4 . This polymer was soluble in organic solvents such as acetamide and NMP (N-methylpyrrolidone). After spreading a 5 wt% solution of the polymer on a glass plate and removing the solvent by heating, a brown hard film was finally obtained. It was confirmed that by immersing in 85% phosphoric acid for 1 hour at 40 ° C., the film could be converted to a gel film containing 50-60 mass% phosphoric acid.

ポリマー4:フッ素含有ポリマー3
式5(処方5)に示したセバシン酸を、ジカルボン酸として使用し、及び式6(処方6)に示した2,2−ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパンジヒドロクロリドを、アミノ基含有モノマーとして使用した。窒素雰囲気下で、反応溶媒としてポリリン酸(117%リン酸)を使用して、130℃で1時間、及び更に180℃で24時間、反応を行った。反応混合物は粘性が高くなった。反応混合物を大量の水中に注ぎ、そしてろ過することによって沈澱物を集めた。沈澱物を沸騰した水に入れ、溶媒ポリリン酸を除去するために24時間、還流させた。赤外線分光法は、1629cm-1で、イミノ基(C=N)の吸収を示し、及び3400〜2600cm-1で、イミダゾール環の吸収を示し、分子構造3を確認した。このポリマーは、有機溶媒、例えばジメチルアセチルアミド及びNMP(N−Methylpyrrolidone)に溶解性であった。ポリマーの5質量%の溶液を、ガラスプレートに広げ、そして加熱によって溶媒を除去した後、茶色の硬質のフィルムが最終的に得られた。40℃で1時間、85%リン酸中に浸漬することにより、フィルムは70〜75質量%のリン酸を含むゲルフィルムに変換できることが確かめられた。
Polymer 4: Fluorine-containing polymer 3
Sebacic acid shown in Formula 5 (Formulation 5) was used as the dicarboxylic acid, and 2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane dihydrochloride shown in Formula 6 (Formulation 6) was used. And used as an amino group-containing monomer. Under a nitrogen atmosphere, the reaction was carried out using polyphosphoric acid (117% phosphoric acid) as a reaction solvent at 130 ° C. for 1 hour and further at 180 ° C. for 24 hours. The reaction mixture became thicker. The precipitate was collected by pouring the reaction mixture into a large volume of water and filtering. The precipitate was placed in boiling water and refluxed for 24 hours to remove the solvent polyphosphoric acid. Infrared spectroscopy is a 1629Cm -1, an absorption at imino (C = N), and in 3400~2600Cm -1, an absorption of the imidazole ring was confirmed molecular structure 3. This polymer was soluble in organic solvents such as dimethylacetylamide and NMP (N-methylpyrrolidone). After spreading a 5 wt% solution of the polymer on a glass plate and removing the solvent by heating, a brown hard film was finally obtained. It was confirmed that by immersing in 85% phosphoric acid for 1 hour at 40 ° C., the film can be converted into a gel film containing 70-75% by mass phosphoric acid.

Figure 2013510383
式2(処方2)
Figure 2013510383
Formula 2 (Prescription 2)

Figure 2013510383
式1(処方1)
Figure 2013510383
Formula 1 (Formulation 1)

Figure 2013510383
分子構造1
Figure 2013510383
Molecular structure 1

Figure 2013510383
式3(処方3)
Figure 2013510383
Formula 3 (Prescription 3)

Figure 2013510383
式4(処方4)
Figure 2013510383
Formula 4 (Prescription 4)

Figure 2013510383
分子構造2
Figure 2013510383
Molecular structure 2

Figure 2013510383
式5(処方5)
Figure 2013510383
Formula 5 (Formulation 5)

Figure 2013510383
分子構造3
Figure 2013510383
Molecular structure 3

電気化学的測定
a)電極の製造
上述したポリマーを含む電極の電気化学的な酸素還元活性を測定するために、半電池測定(half cell measurement)を行った。参照及び対電極として、多孔性Pt−カーボン電極(0.5mg/cm2Pr積載)を使用した。電解質として、リン酸をドープしたポリベンズイミダゾール膜(80質量%、85質量%リン酸を使用)を使用した。Ptメッシュ電極(1cm2幾何学領域)を、それぞれ3〜3質量%のジメチルアセトアミド溶液に漬け。次に溶液を蒸発させることによって、操作電極(working electrode)を製造した。表1に、得られたポリマー被覆物を定量化して示す。
Electrochemical measurement a) Production of electrode In order to measure the electrochemical oxygen reduction activity of the electrode containing the polymer described above, a half cell measurement was performed. A porous Pt-carbon electrode (0.5 mg / cm 2 Pr loading) was used as a reference and counter electrode. As an electrolyte, a polybenzimidazole film doped with phosphoric acid (80% by mass, 85% by mass phosphoric acid was used) was used. Pt mesh electrodes (1 cm 2 geometric region) are dipped in 3 to 3% by mass dimethylacetamide solution. A working electrode was then produced by evaporating the solution. Table 1 quantifies and shows the resulting polymer coating.

Figure 2013510383
表1:操作電極上のポリマー被覆物の質量
Figure 2013510383
Table 1: Mass of polymer coating on working electrode

b)電気化学的測定
対/参照電極、酸積載のPBI膜、及び操作電極を、ガス入口/出口を有する2枚のグラファイトプレートの間でプレスすることによって、電気化学的測定を行った。測定を、140℃で行った。対/参照電極を、水素で連続的にパージした。操作電極を、0.4L/minの純酸素、又は空気(ゼロに近いガス使用を確保するための速い速度)で、連続的にパージした。0.7V及び140℃(環境圧力)での電極の活性を表2にまとめた。
b) Electrochemical measurements Electrochemical measurements were made by pressing the counter / reference electrode, the acid loaded PBI membrane, and the working electrode between two graphite plates with gas inlet / outlet. The measurement was performed at 140 ° C. The counter / reference electrode was continuously purged with hydrogen. The operating electrode was continuously purged with 0.4 L / min pure oxygen or air (fast rate to ensure near zero gas use). The activity of the electrodes at 0.7 V and 140 ° C. (ambient pressure) is summarized in Table 2.

Figure 2013510383
表2:本発明からの電極の酸素還元活性(この表では、還元電流は、正の電流として示されている)
Figure 2013510383
Table 2: Oxygen reduction activity of electrodes from the present invention (in this table the reduction current is shown as a positive current)

Claims (18)

(i)少なくとも2つの電気化学的に活性な電極を含み、
(ii)前記電極は、少なくとも1つのポリマー電解質膜、又は電解質マトリクスによって分離されており、
(iii)前記電極は、前記ポリマー電解質膜又はマトリクスと接触している触媒層を有し、
(iv)前記触媒層は、少なくとも1種のイオノマー性材料を含む、
膜電極アセンブリであって、
少なくともカソードと接触する触媒層が、イオノマー性材料として、一般式(I)
Figure 2013510383
(但し、(a)
Arが、同一であるか、又は異なり、及び4つの共有結合を有する芳香族基、又は4つの共有結合を有する複素環式芳香族基であり、それぞれが単環式、二環式、又は多環式が可能であり、及び
Xが、同一であるか、又は異なり、及びN、O、Sを表し、及び
1が、同一であるか、又は異なり、及び式
Figure 2013510383
の2つの共有結合を有する基を表し、及び
Ar1、Ar2が、同一であるか、又は異なり、及び2つの共有結合を有する芳香族基、又は2つの共有結合を有する複素環式芳香族基を表し、それぞれが単環式、二環式、又は多環式が可能であり、及び、
1が、同一であるか、又は異なり、及び二価のアルキル基、及び/又は二価の芳香族基を表し、両方が、少なくとも1個の水素原子がフッ素原子によって置き換えられており、及び
nが、0.1〜99.9モル−%であるか、
又は(b)
Arが、同一であるか、又は異なり、及び式
Figure 2013510383
の、4つの共有結合を有する基を表し、
Ar3、Ar4が、同一であるか、又は異なり、及び3つの共有結合を有する芳香族基、又は3つの共有結合を有する複素環式芳香族基を表し、それぞれが単環式、二環式、又は多環式が可能であり、及び、
2が、同一であるか、又は異なり、及び二価のアルキル基、及び/又は二価の芳香族基を表し、両方が、少なくとも1個の水素原子がフッ素原子によって置き換えられており、及び
Xが、同一であるか、又は異なり、及びN、O、Sを表し、及び
1が、同一であるか、又は異なり、及び(i)式
Figure 2013510383
の2つの共有結合を有する基を表し、及び
Ar5、Ar6が、同一であるか、又は異なり、及び2つの共有結合を有する芳香族基、又は2つの共有結合を有する複素環式芳香族基を表し、それぞれが単環式、二環式、又は多環式が可能であり、及び
3が、同一であるか、又は異なり、及びN、O、Sを表すか、
又は(ii)二価のアルキル基、及び/又は二価の芳香族基を表し、両方が、更に置換されることができ、及び
nが0.1〜99.9モル−%である)
の繰り返し単位を含むポリマーを含むことを特徴とする膜電極アセンブリ。
(I) comprising at least two electrochemically active electrodes;
(Ii) the electrodes are separated by at least one polymer electrolyte membrane or electrolyte matrix;
(Iii) the electrode has a catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane or matrix;
(Iv) the catalyst layer comprises at least one ionomeric material;
A membrane electrode assembly comprising:
At least the catalyst layer in contact with the cathode is a general formula (I)
Figure 2013510383
(However, (a)
Ar is the same or different and is an aromatic group having four covalent bonds, or a heterocyclic aromatic group having four covalent bonds, each of which is monocyclic, bicyclic, or polycyclic Cyclic is possible and X is the same or different and represents N, O, S, and R 1 is the same or different, and the formula
Figure 2013510383
A group having two covalent bonds, and Ar 1 and Ar 2 are the same or different, and an aromatic group having two covalent bonds, or a heterocyclic aromatic group having two covalent bonds Each represents a monocyclic, bicyclic, or polycyclic group, and
Z 1 is the same or different and represents a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group, both of which at least one hydrogen atom is replaced by a fluorine atom, and n is 0.1 to 99.9 mol-%,
Or (b)
Ar is the same or different and has the formula
Figure 2013510383
Represents a group having four covalent bonds,
Ar 3 and Ar 4 are the same or different and each represents an aromatic group having three covalent bonds or a heterocyclic aromatic group having three covalent bonds, each of which is monocyclic or bicyclic Can be of formula or polycyclic, and
Z 2 is the same or different and represents a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group, both of which at least one hydrogen atom is replaced by a fluorine atom, and X is the same or different and represents N, O, S, and R 1 is the same or different and (i)
Figure 2013510383
A group having two covalent bonds, and Ar 5 and Ar 6 are the same or different, and an aromatic group having two covalent bonds, or a heterocyclic aromatic group having two covalent bonds Each represents a monocyclic, bicyclic, or polycyclic group, and Z 3 is the same or different and represents N, O, S,
Or (ii) represents a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group, both can be further substituted, and n is from 0.1 to 99.9 mol-%)
A membrane electrode assembly comprising a polymer containing repeating units of:
両方の選択肢(a)又は(b)において、nが40〜60モル−%、好ましくは50モル−%であり、繰り返し単位の両方の副次的単位間の割当量が、同程度であるか、又は等しいことを特徴とする請求項1に記載の膜電極アセンブリ。   In both options (a) or (b), n is 40 to 60 mol-%, preferably 50 mol-%, and the allocation amount between both secondary units of the repeating unit is comparable. The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein 両方の選択肢(a)又は(b)において、XがN又はOであることを特徴とする請求項1に記載の膜電極アセンブリ。   The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein X is N or O in both options (a) or (b). 選択肢(b)において、XがOであることを特徴とする請求項1に記載の膜電極アセンブリ。   The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein X is O in option (b). 1及び/又はZ2中のアルキルが、相互に独立して、1〜6個の炭素原子を有する短鎖の二価アルキル基、好ましくはメチル、エチル、n−プロピル、又はi−プロピル、及びn−、i−又はt−ブチル、n−、i−又はt−ペンタン、n−、i−又はt−ヘキサンを表すことを特徴とする請求項1に記載の膜電極アセンブリ。 The alkyl in Z 1 and / or Z 2 , independently of one another, is a short-chain divalent alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, preferably methyl, ethyl, n-propyl, or i-propyl, And n-, i- or t-butyl, n-, i- or t-pentane, n-, i- or t-hexane. 1及び/又はZ2中のアルキルが、相互に独立して、1〜6個の炭素原子を有する短鎖の二価アルキル基、好ましくはメチル、エチル、n−プロピル、又はi−プロピル、及びn−、i−又はt−ブチル、n−、i−又はt−ペンタン、n−、i−又はt−ヘキサンを表し、少なくとも1個の炭素原子がペルフルオロ化されているか、又は少なくとも1個炭素原子が、少なくとも1つの(CF3)−基、最も好ましくは2個の(CF3)−基によって置換されて−C(CF32−基を形成することを特徴とする請求項1に記載の膜電極アセンブリ。 The alkyl in Z 1 and / or Z 2 , independently of one another, is a short-chain divalent alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, preferably methyl, ethyl, n-propyl, or i-propyl, And n-, i- or t-butyl, n-, i- or t-pentane, n-, i- or t-hexane, wherein at least one carbon atom is perfluorinated or at least one carbon atoms, at least one of (CF 3) - group, and most preferably two (CF 3) - -C been replaced by group (CF 3) 2 - claim 1, characterized in that to form a group A membrane electrode assembly according to claim 1. 1及び/又はZ2中の芳香族基が、相互に独立して、
5〜6個の炭素原子を有する二価の芳香族基を表し、ここで1個以上の炭素原子がN、O又はSから選ばれるヘテロ原子によって置き換えられることが可能であり、及び少なくとも1個の炭素原子がペルフルオロ化されているか、又は少なくとも1個の炭素原子が少なくとも1個の(CF3)−基によって置換されており、又は
2〜6個の炭素原子を有するアルキル基を表し、該アルキル基は、少なくとも1個の(CF3)−基、最も好ましくはC(CF32−基を形成する2個の(CF3)−基によって、又は末端C(CF33−基によって置換されいる、
ことを特徴とする請求項1に記載の膜電極アセンブリ。
Aromatic groups in Z 1 and / or Z 2 are independent of each other,
Represents a divalent aromatic group having 5 to 6 carbon atoms, wherein one or more carbon atoms can be replaced by a heteroatom selected from N, O or S, and at least one Represents an alkyl group having 2 to 6 carbon atoms, wherein at least one carbon atom is perfluorinated, or at least one carbon atom is substituted by at least one (CF 3 ) -group, The alkyl group is at least one (CF 3 ) -group, most preferably by two (CF 3 ) -groups forming a C (CF 3 ) 2 -group, or a terminal C (CF 3 ) 3 -group. Has been replaced by,
The membrane electrode assembly according to claim 1.
選択肢(b)において、R1が、互いに独立して、1〜10個の炭素原子を有する二価のアルキル基、好ましくはメチル、エチル、n−プロピル、又はi−プロピル、及びn−、i−又はt−ブチル、n−、i−又はt−ペンタン、n−、i−又はt−ヘキサンを表すことを特徴とする請求項1に記載の膜電極アセンブリ。 In option (b), R 1 , independently of one another, is a divalent alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, preferably methyl, ethyl, n-propyl, or i-propyl, and n-, i 2. Membrane electrode assembly according to claim 1, characterized in that it represents-or t-butyl, n-, i- or t-pentane, n-, i- or t-hexane. 選択肢(b)において、R1が、互いに独立して、5〜6個の炭素原子を有する二価の芳香族基を表し、該二価の芳香族基は、1個以上の炭素原子が、N、O又はSから選ばれるヘテロ原子によって置き換えることができる基であることを特徴とする請求項1に記載の膜電極アセンブリ。 In option (b), R 1 independently of each other represents a divalent aromatic group having 5 to 6 carbon atoms, wherein the divalent aromatic group has one or more carbon atoms, 2. The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the membrane electrode assembly is a group that can be replaced by a heteroatom selected from N, O, and S. 2つの共有結合を有する芳香族基、又は2つの共有結合を有する複素環式芳香族基Ar1、Ar2、Ar5、Ar6が、互いに独立して、単環式、二環式、又は多環式の縮合された、又は縮合されていない、5〜20個の炭素原子を有する芳香族、又は複素環式芳香族環系を表し、該芳香族、又は複素環式芳香族環系は、1個以上の炭素原子が、N、O、Sによって置換されることが可能であり、及び前記2つの共有結合を有する芳香族基、又は2つの共有結合を有する複素環式芳香族基Ar1、Ar2、Ar5、Ar6が、更なる基によって置換されることが可能であることを特徴とする請求項1に記載の膜電極アセンブリ。 An aromatic group having two covalent bonds, or a heteroaromatic group having two covalent bonds Ar 1 , Ar 2 , Ar 5 , Ar 6 independently of each other, monocyclic, bicyclic, or Represents a polycyclic fused or unfused aromatic or heterocyclic aromatic ring system having 5 to 20 carbon atoms, wherein the aromatic or heterocyclic aromatic ring system is One or more carbon atoms can be substituted by N, O, S, and said two aromatic groups or heteroaromatic groups Ar having two covalent bonds The membrane electrode assembly according to claim 1, characterized in that 1 , Ar 2 , Ar 5 , Ar 6 can be substituted by further groups. 一般式(I)の繰り返し単位を含むポリマーが、一般式(I)の繰り返し単位を少なくとも10個、より好ましくは少なくとも50個含むことを特徴とする請求項1に記載の膜電極アセンブリ。   The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the polymer comprising the repeating unit of the general formula (I) comprises at least 10, more preferably at least 50 repeating units of the general formula (I). 一般式(I)の繰り返し単位を含むポリマーは、質量平均分子量Mwが、10000を超える(ゲル浸透クロマトグラフによって測定)ことを特徴とする請求項1に記載の膜電極アセンブリ。 The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the polymer containing the repeating unit of the general formula (I) has a mass average molecular weight M w exceeding 10,000 (measured by gel permeation chromatography). 一般式(I)の繰り返し単位を含むポリマーは、数平均分子量Mnが、5000を超えることを特徴とする請求項1に記載の膜電極アセンブリ。 The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the polymer containing the repeating unit of the general formula (I) has a number average molecular weight Mn of more than 5000. 一般式(I)の繰り返し単位を含むポリマーは、25℃で、DMAc中への溶解度が少なくとも0.5質量%であることを特徴とする請求項1に記載の膜電極アセンブリ。   The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the polymer containing the repeating unit of the general formula (I) has a solubility in DMAc of at least 0.5% by mass at 25 ° C. 触媒層中の、イオノマー性材料の触媒材料に対する質量割合が、100:1〜1:100、好ましくは10:1〜1:10、最も好ましくは1:8〜1:3であることを特徴とする請求項1に記載の膜電極アセンブリ。   The mass ratio of the ionomeric material to the catalyst material in the catalyst layer is 100: 1 to 1: 100, preferably 10: 1 to 1:10, most preferably 1: 8 to 1: 3. The membrane electrode assembly according to claim 1. ポリマー電解質膜、又は電解質マトリクスは、プロトン伝導性が120℃の温度で、少なくとも1mS/cm、好ましくは少なくとも2mS/cm、特に少なくとも5mS/cmであることを特徴とする請求項1に記載の膜電極アセンブリ。   2. Membrane according to claim 1, characterized in that the polymer electrolyte membrane or the electrolyte matrix has a proton conductivity of at least 1 mS / cm, preferably at least 2 mS / cm, in particular at least 5 mS / cm at a temperature of 120 ° C. Electrode assembly. 一般式(I)
Figure 2013510383
(但し、(a)
Arが、同一であるか、又は異なり、及び4つの共有結合を有する芳香族基、又は4つの共有結合を有する複素環式芳香族基であり、それぞれが単環式、二環式、又は多環式が可能であり、及び
Xが、同一であるか、又は異なり、及びN、O、Sを表し、及び
1が、同一であるか、又は異なり、及び式
Figure 2013510383
の2つの共有結合を有する基を表し、及び
Ar1、Ar2が、同一であるか、又は異なり、及び2つの共有結合を有する芳香族基、又は2つの共有結合を有する複素環式芳香族基を表し、それぞれが単環式、二環式、又は多環式が可能であり、及び、
1が、同一であるか、又は異なり、及び二価のアルキル基、及び/又は二価の芳香族基を表し、両方が、少なくとも1個の水素原子がフッ素原子によって置き換えられており、及び
nが、0.1〜99.9モル−%であるか、
又は(b)
Arが、同一であるか、又は異なり、及び式
Figure 2013510383
の、4つの共有結合を有する基を表し、
Ar3、Ar4が、同一であるか、又は異なり、及び3つの共有結合を有する芳香族基、又は3つの共有結合を有する複素環式芳香族基を表し、それぞれが単環式、二環式、又は多環式が可能であり、及び、
2が、同一であるか、又は異なり、及び二価のアルキル基、及び/又は二価の芳香族基を表し、両方が、少なくとも1個の水素原子がフッ素原子によって置き換えられており、及び
Xが、同一であるか、又は異なり、及びN、O、Sを表し、及び
1が、同一であるか、又は異なり、及び(i)式
Figure 2013510383
の2つの共有結合を有する基を表し、及び
Ar5、Ar6が、同一であるか、又は異なり、及び2つの共有結合を有する芳香族基、又は2つの共有結合を有する複素環式芳香族基を表し、それぞれが単環式、二環式、又は多環式が可能であり、及び
3が、同一であるか、又は異なり、及びN、O、Sを表すか、
又は(ii)二価のアルキル基、及び/又は二価の芳香族基を表し、両方が、更に置換されることができ、及び
nが0.1〜99.9モル−%である)
の繰り返し単位を含むポリマーを、イオノマー性材料として、好ましくはカソード中のイオノマー性材料として使用する方法。
Formula (I)
Figure 2013510383
(However, (a)
Ar is the same or different and is an aromatic group having four covalent bonds, or a heterocyclic aromatic group having four covalent bonds, each of which is monocyclic, bicyclic, or polycyclic Cyclic is possible and X is the same or different and represents N, O, S, and R 1 is the same or different, and the formula
Figure 2013510383
A group having two covalent bonds, and Ar 1 and Ar 2 are the same or different, and an aromatic group having two covalent bonds, or a heterocyclic aromatic group having two covalent bonds Each represents a monocyclic, bicyclic, or polycyclic group, and
Z 1 is the same or different and represents a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group, both of which at least one hydrogen atom is replaced by a fluorine atom, and n is 0.1 to 99.9 mol-%,
Or (b)
Ar is the same or different and has the formula
Figure 2013510383
Represents a group having four covalent bonds,
Ar 3 and Ar 4 are the same or different and each represents an aromatic group having three covalent bonds or a heterocyclic aromatic group having three covalent bonds, each of which is monocyclic or bicyclic Can be of formula or polycyclic, and
Z 2 is the same or different and represents a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group, both of which at least one hydrogen atom is replaced by a fluorine atom, and X is the same or different and represents N, O, S, and R 1 is the same or different and (i)
Figure 2013510383
A group having two covalent bonds, and Ar 5 and Ar 6 are the same or different, and an aromatic group having two covalent bonds, or a heterocyclic aromatic group having two covalent bonds Each represents a monocyclic, bicyclic, or polycyclic group, and Z 3 is the same or different and represents N, O, S,
Or (ii) represents a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group, both can be further substituted, and n is from 0.1 to 99.9 mol-%)
Using a polymer comprising a repeating unit as an ionomeric material, preferably as an ionomeric material in a cathode.
請求項1〜16に記載の膜電極アセンブリを少なくとも1つ含む燃料電池。   A fuel cell comprising at least one membrane electrode assembly according to claim 1.
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