JP2015122308A - High polymer electrolyte, film electrode assembly and solid polymer-type fuel cell - Google Patents

High polymer electrolyte, film electrode assembly and solid polymer-type fuel cell Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high polymer electrolyte having sufficient proton conductivity and ion-exchange capacity with suppressed swelling, and also a film electrode assembly using the high polymer electrolyte, and a solid polymer-type fuel cell using the high polymer electrolyte.SOLUTION: A high polymer electrolyte includes a block-copolymer having a segment including a specific ion-exchange group and a segment not including a specific ion-exchange group. A weight-average molecular weight of the segment not including an ion-exchange group is limited within a certain range. Thus, a solid polymer-type fuel cell can possess sufficient proton conductivity and ion-exchange capacity and suppress swelling.

Description

本発明は、高分子電解質、高分子電解質を用いた膜電極接合体、高分子電解質を用いた固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte, a membrane electrode assembly using the polymer electrolyte, and a solid polymer fuel cell using the polymer electrolyte.

高分子電解質は、電気化学デバイスに用いる電解質として、種々の用途に広範に利用されている。例えば、固体高分子形燃料電池、リチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ、アクチュエーター、などに用いる電解質として利用が行われている。   Polymer electrolytes are widely used for various applications as electrolytes used in electrochemical devices. For example, it is used as an electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell, a lithium ion secondary battery, an electric double layer capacitor, an actuator, and the like.

近年、環境問題やエネルギー問題の解決に有効な動力源として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、水素などの燃料が酸素などの酸化剤によって酸化され、この際に生じる化学エネルギーが電気エネルギーに変換される電池である。特に、燃料電池の中でも固体高分子形燃料電池は、電池本体が小型であることから、車載電源や家庭据置電源などの用途に期待されている。   In recent years, fuel cells have attracted attention as an effective power source for solving environmental problems and energy problems. A fuel cell is a cell in which fuel such as hydrogen is oxidized by an oxidant such as oxygen, and chemical energy generated at this time is converted into electric energy. In particular, solid polymer fuel cells among fuel cells are expected to be used for in-vehicle power sources and household stationary power sources because the battery body is small.

そこで、高温耐久性の改善のために、固体高分子形燃料電池の高分子電解質として芳香族炭化水素系高分子電解質の開発が行われている。芳香族炭化水素系高分子電解質は、ナフィオンと比べて合成が容易であり、製造コストを低くすることが可能である。   Therefore, in order to improve the high temperature durability, aromatic hydrocarbon polymer electrolytes have been developed as polymer electrolytes for solid polymer fuel cells. Aromatic hydrocarbon-based polymer electrolytes are easier to synthesize than Nafion and can reduce manufacturing costs.

例えば、芳香族炭化水素系高分子電解質として、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンが知られている(特許文献1参照)。   For example, sulfonated polyether ether ketone is known as an aromatic hydrocarbon polymer electrolyte (see Patent Document 1).

例えば、芳香族炭化水素系高分子電解質として、スルホン化ポリエーテルスルホンが知られている(特許文献2参照)。   For example, sulfonated polyethersulfone is known as an aromatic hydrocarbon polymer electrolyte (see Patent Document 2).

また、特許文献3には、膨潤を抑えることの可能な高分子電解質用のジフェニルスルホン化合物が開示されている。   Patent Document 3 discloses a diphenylsulfone compound for polymer electrolyte that can suppress swelling.

特開平6−93114号公報JP-A-6-93114 特開平9−245818号公報JP-A-9-245818 特開2013−203999号公報JP2013-203999A

しかしながら、芳香族炭化水素系高分子電解質では、プロトン伝導性やイオン交換容量を高めるために高分子中の親水基を増加させると、高分子電解質が水分を含んで膨潤しやすくなる。このため、芳香族炭化水素系高分子電解質は、充分なプロトン伝導性およびイオン交換容量を有するという性能の維持と、かつ、膨潤を抑制および強度の向上が望まれている。   However, in the aromatic hydrocarbon polymer electrolyte, when the hydrophilic group in the polymer is increased in order to increase proton conductivity and ion exchange capacity, the polymer electrolyte easily swells with moisture. For this reason, aromatic hydrocarbon polymer electrolytes are desired to maintain the performance of having sufficient proton conductivity and ion exchange capacity, and to suppress swelling and improve strength.

そこで、本発明は、充分なプロトン伝導性およびイオン交換容量を有し、かつ、膨潤が抑制された高分子電解質を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte that has sufficient proton conductivity and ion exchange capacity and is suppressed from swelling.

本発明者らは鋭意検討の結果、特定のイオン交換基を含むセグメントと、特定のイオン交換基を含まないセグメントと、を有するブロック共重合体よりなる高分子電解質にあって、イオン交換基を含まないセグメントの前駆体における重量平均分子量を一定の範囲程度に収めることにより、充分なプロトン伝導性およびイオン交換容量を有し、かつ、膨潤を抑制できることを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive investigations, the present inventors have found that in a polymer electrolyte comprising a block copolymer having a segment containing a specific ion exchange group and a segment not containing a specific ion exchange group, It was found that the weight average molecular weight in the precursor of the segment not included is within a certain range, so that sufficient proton conductivity and ion exchange capacity can be obtained and swelling can be suppressed, and the present invention has been completed. .

[1]本発明の一実施形態は、イオン交換基を含むセグメントと、イオン交換基を含まないセグメントと、を有するブロック共重合体よりなる高分子電解質であって、前記イオン交換基を含むセグメントが下記一般式(1)で表され、前記イオン交換基を含まないセグメントが下記一般式(2)で表され、前記イオン交換基を含まないセグメントの前駆体におけるポリスチレン換算の重量平均分子量は、30,000以上300,000以下の範囲内にあることを特徴のする高分子電解質である。

Figure 2015122308
[R及びRは、それぞれ独立に、−(CH)a−、−O−(CH)a−、−S−(CH)a−、−NH−(CH)a−、−(CF)a−、−O−(CF)a−、−S−(CF)a−、−NH−(CF)a−、からなる群から選択された連結基(aは2以上の整数)であり、
及びYは、それぞれ独立に、第1族元素及び第2族元素からなる群から選択される原子である。]
Figure 2015122308
[Ar、Ar、Ar、Arは、それぞれ独立に2価の芳香族基である。
及びBは、それぞれ独立に2価の連結基、もしくは、それぞれが独立に存在せず、2価の芳香族基がBまたはBを介さずに直接結合していることを示す。
及びCは、それぞれ独立に酸素原子または硫黄原子である。
b、c、d、e、はそれぞれ独立に0または1である。
nは、5以上の整数である。]
[2]また、前記イオン交換基を含むセグメントは、下記一般式(3)で表されることが好ましい。


Figure 2015122308
[R及びRは、それぞれ独立に、−(CH)a−、−O−(CH)a−、−S−(CH)a−、−NH−(CH)a−、−(CF)a−、−O−(CF)a−、−S−(CF)a−、−NH−(CF)a−、からなる群から選択された連結基(aは2以上の整数)であり、
Y1及びY2は、それぞれ独立に、第1族元素及び第2族元素からなる群から選択される原子である。]
[3]また、上述の高分子電解質のイオン交換容量は、0.5ミリ当量/g以上4.0ミリ当量/g以下の範囲内にあることが好ましい。
[4]また、プロトン酸基以外の部位が架橋剤で架橋され、架橋構造を有することが好ましい。
[5]本発明の一実施形態は、電極触媒層と、電極触媒層に接合される固体高分子電解質膜と、を備え、固体高分子電解質膜は、上述に記載の高分子電解質を含むことを特徴とする膜電極接合体である。
[6]本発明の一実施形態は、上述に記載の膜電極接合体を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池である。 [1] One embodiment of the present invention is a polymer electrolyte comprising a block copolymer having a segment containing an ion exchange group and a segment not containing an ion exchange group, the segment containing the ion exchange group Is represented by the following general formula (1), the segment not containing the ion exchange group is represented by the following general formula (2), the weight average molecular weight in terms of polystyrene in the precursor of the segment not containing the ion exchange group, It is a polymer electrolyte characterized by being in the range of 30,000 to 300,000.

Figure 2015122308
[R 1 and R 2 are each independently, - (CH 2) a - , - O- (CH 2) a -, - S- (CH 2) a -, - NH- (CH 2) a-, - (CF 2) a -, - O- (CF 2) a -, - S- (CF 2) a -, - NH- (CF 2) a-, selected from the group consisting of the linking groups (a is An integer greater than or equal to 2),
Y 1 and Y 2 are each independently an atom selected from the group consisting of Group 1 elements and Group 2 elements. ]
Figure 2015122308
[Ar 1 , Ar 2 , Ar 3 , Ar 4 are each independently a divalent aromatic group.
B 1 and B 2 are each independently a divalent linking group, or each of them is not independently present, indicating that a divalent aromatic group is directly bonded without passing through B 1 or B 2. .
C 1 and C 2 are each independently an oxygen atom or a sulfur atom.
b, c, d, and e are each independently 0 or 1.
n is an integer of 5 or more. ]
[2] Moreover, it is preferable that the segment containing the said ion exchange group is represented by following General formula (3).


Figure 2015122308
[R 1 and R 2 are each independently, - (CH 2) a - , - O- (CH 2) a -, - S- (CH 2) a -, - NH- (CH 2) a-, - (CF 2) a -, - O- (CF 2) a -, - S- (CF 2) a -, - NH- (CF 2) a-, selected from the group consisting of the linking groups (a is An integer greater than or equal to 2),
Y1 and Y2 are each independently an atom selected from the group consisting of Group 1 elements and Group 2 elements. ]
[3] The ion exchange capacity of the polymer electrolyte is preferably in the range of 0.5 meq / g or more and 4.0 meq / g or less.
[4] Moreover, it is preferable that parts other than the protonic acid group are crosslinked with a crosslinking agent to have a crosslinked structure.
[5] One embodiment of the present invention includes an electrode catalyst layer and a solid polymer electrolyte membrane bonded to the electrode catalyst layer, and the solid polymer electrolyte membrane includes the polymer electrolyte described above. Is a membrane electrode assembly.
[6] One embodiment of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly described above.

本発明の、高分子電解質は、特定のイオン交換基を含むセグメントと、特定のイオン交換基を含まないセグメントと、を有するブロック共重合体よりなる高分子電解質であり、かつ、前記イオン交換基を含まないセグメントの重量平均分子量を一定の範囲程度に収めている。これにより、固体高分子形燃料電池に充分なプロトン伝導性やイオン交換容量を有し、かつ、膨潤を抑制することが出来る。   The polymer electrolyte of the present invention is a polymer electrolyte comprising a block copolymer having a segment containing a specific ion exchange group and a segment not containing a specific ion exchange group, and the ion exchange group The weight average molecular weight of the segment that does not contain is within a certain range. Thereby, the polymer electrolyte fuel cell has sufficient proton conductivity and ion exchange capacity, and can suppress swelling.

本発明の固体高分子形燃料電池に係る概略図である。It is the schematic which concerns on the polymer electrolyte fuel cell of this invention.

本発明の高分子電解質は、イオン交換基を含むセグメントと、イオン交換基を含まないセグメントと、を有するブロック共重合体よりなる。   The polymer electrolyte of the present invention comprises a block copolymer having a segment containing an ion exchange group and a segment not containing an ion exchange group.

<イオン交換基を含むセグメント>
本発明の高分子電解質において、イオン交換基を含むセグメントは、ジフェニルスルホン骨格に、連結基であるRを介してイオン交換基である−SOY基を導入した構造を有する。下記に<イオン交換基を含むセグメント>を示す一般式(1)を示す。
<Segment including ion exchange groups>
In the polymer electrolyte of the present invention, the segment containing an ion exchange group has a structure in which a —SO 3 Y group which is an ion exchange group is introduced into a diphenylsulfone skeleton via R which is a linking group. The general formula (1) showing <segment containing ion exchange group> is shown below.

Figure 2015122308
[R及びRは、それぞれ独立に、−(CH)a−、−O−(CH)a−、−S−(CH)a−、−NH−(CH)a−、−(CF)a−、−O−(CF)a−、−S−(CF)a−、−NH−(CF)a−、からなる群から選択された連結基(aは2以上の整数)であり、
及びYは、それぞれ独立に、第1族元素及び第2族元素からなる群から選択される原子である。]
Figure 2015122308
[R 1 and R 2 are each independently, - (CH 2) a - , - O- (CH 2) a -, - S- (CH 2) a -, - NH- (CH 2) a-, - (CF 2) a -, - O- (CF 2) a -, - S- (CF 2) a -, - NH- (CF 2) a-, selected from the group consisting of the linking groups (a is An integer greater than or equal to 2),
Y 1 and Y 2 are each independently an atom selected from the group consisting of Group 1 elements and Group 2 elements. ]

従来の芳香族炭化水素系高分子電解質は、イオン交換基が芳香環に直接結合した構造である。このため、イオン交換基の立体障害により、主鎖の芳香環部位におけるスタックが阻害される。一方、芳香環を有する主鎖は親水性を有する。よって、主鎖のスタックが阻害され主鎖の自由度が高い場合、主鎖周囲において水分子の存在が安定する。つまり、従来の芳香族炭化水素系高分子電解質は、主鎖周囲において水分子が安定して存在することから、膨潤を起こしやすい。なお、ここで、スタックとは、ファンデルワールス力、π‐π相互作用などの弱い相互作用により高分子主鎖同士が物理的に結びつくことをいう。   A conventional aromatic hydrocarbon polymer electrolyte has a structure in which an ion exchange group is directly bonded to an aromatic ring. For this reason, the steric hindrance of the ion exchange group inhibits the stack in the aromatic ring part of the main chain. On the other hand, the main chain having an aromatic ring has hydrophilicity. Therefore, when the stack of the main chain is inhibited and the degree of freedom of the main chain is high, the presence of water molecules around the main chain is stabilized. That is, the conventional aromatic hydrocarbon polymer electrolyte is likely to swell because water molecules exist stably around the main chain. Here, the term “stack” means that polymer main chains are physically connected by weak interactions such as van der Waals force and π-π interaction.

本発明の高分子電解質は、連結基であるRを介してイオン交換基である−SOY基を導入した構造を備えることにより、イオン交換基を主鎖の芳香環部位から遠ざけて配置することが出来る。これにより、イオン交換基の立体障害を小さくすることから、主鎖の芳香環部位がスタックされやすくなる。よって、本発明の高分子電解質は、主鎖のスタックにより主鎖周囲において水分子が安定に存在できないことから、膨潤を抑制することが出来る。また、さらに、連結基の運動性によってイオン交換基が移動しやすくなるため、プロトン伝導性も向上される。 The polymer electrolyte of the present invention has a structure in which —SO 3 Y group which is an ion exchange group is introduced through R which is a linking group, and thereby the ion exchange group is arranged away from the aromatic ring part of the main chain. I can do it. Thereby, since the steric hindrance of the ion exchange group is reduced, the aromatic ring portion of the main chain is easily stacked. Therefore, the polymer electrolyte of the present invention can suppress swelling because water molecules cannot exist stably around the main chain due to the stack of the main chain. Further, since the ion exchange group is easily moved by the mobility of the linking group, proton conductivity is also improved.

イオン交換基は、高分子電解質として用いられた場合にイオン伝導に寄与する基である。特に、固体高分子形燃料電池の電解質として用いられた場合、イオン交換基はプトロン伝導に寄与する。−SO3−Y+基のY+は、水素イオン、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン等の第1族元素イオン、及び、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、ストロンチウムイオン、バリウムイオン等の第2族元素イオン、からなる群から選択されるいずれかのイオンである。Y1とY2とは、異なるイオンであってもよいが、同じイオンであると、ジフェニルスルホンモノマーの合成が容易となる。また、重合体の製造を容易とするためには、Yは1族元素イオンであることが好ましく、ナトリウムイオンが最も好ましい。   An ion exchange group is a group contributing to ion conduction when used as a polymer electrolyte. In particular, when used as an electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell, ion exchange groups contribute to putron conduction. -SO3-Y + group Y + is a group 1 element ion such as hydrogen ion, lithium ion, sodium ion, potassium ion or rubidium ion, and a group 2 element such as magnesium ion, calcium ion, strontium ion or barium ion Any ion selected from the group consisting of ions. Y1 and Y2 may be different ions, but if they are the same ion, synthesis of the diphenylsulfone monomer is facilitated. In order to facilitate the production of the polymer, Y is preferably a group 1 element ion, and most preferably a sodium ion.

連結基であるRは、−(CH)a−、−O−(CH)a−、−S−(CH)a−、−NH−(CH)a−、−(CF)a−、−O−(CF)a−、−S−(CF)a−、及び、−NH−(CF)a−からなる群から選択されるいずれかである。なお、aは2以上の整数を示す。ジフェニルスルホンモノマーの合成を容易とするためには、Rは、−O−(CH)a−であることが好ましく、aは、3または4であることが好ましい。また、R1とR2とは、異なる連結基であってもよいが、同じ連結基であると、ジフェニルスルホンモノマーの合成が容易となる。 A linking group R is, - (CH 2) a - , - O- (CH 2) a -, - S- (CH 2) a -, - NH- (CH 2) a -, - (CF 2) a -, - O- (CF 2 ) a -, - S- (CF 2) a-, and is any one selected from -NH- (CF 2) group consisting of a-. A represents an integer of 2 or more. In order to facilitate the synthesis of the diphenylsulfone monomer, R is preferably —O— (CH 2 ) a—, and a is preferably 3 or 4. R1 and R2 may be different linking groups, but if they are the same linking group, synthesis of the diphenylsulfone monomer is facilitated.

また、イオン交換基を含むセグメントは、特に、下記一般式(3)で表される構造であることが好ましい。下記一般式(3)に示されるように、主鎖は、スルホニル基に対してメタ位に結合していることが好ましい。また、連結基であるRは、スルホニル基に対してパラ位に結合していることが好ましい。下記一般式(3)である構造により、イオン交換基の立体障害を抑制できることから、主鎖がスタックされやすくなる。よって、膨潤をより抑制することが出来る。   Moreover, it is preferable that especially the segment containing an ion exchange group is a structure represented by following General formula (3). As shown in the following general formula (3), the main chain is preferably bonded to the meta position with respect to the sulfonyl group. Further, R as a linking group is preferably bonded to the para position with respect to the sulfonyl group. Since the steric hindrance of the ion exchange group can be suppressed by the structure represented by the following general formula (3), the main chains are easily stacked. Therefore, swelling can be further suppressed.

Figure 2015122308
[R1及びR2は、それぞれ独立に、−(CH)a−、−O−(CH)a−、−S−(CH)a−、−NH−(CH)a−、−(CF)a−、−O−(CF)a−、−S−(CF)a−、−NH−(CF)a−、からなる群から選択された連結基(aは2以上の整数)であり、
Y1及びY2は、それぞれ独立に、第1族元素及び第2族元素からなる群から選択される原子である。]
Figure 2015122308
[R1 and R2, independently, - (CH 2) a - , - O- (CH 2) a -, - S- (CH 2) a -, - NH- (CH 2) a -, - ( CF 2) a -, - O- (CF 2) a -, - S- (CF 2) a -, - NH- (CF 2) a-, selected from the group consisting of is linking group (a 2 or more Integer), and
Y1 and Y2 are each independently an atom selected from the group consisting of Group 1 elements and Group 2 elements. ]

<イオン交換基を含まないセグメント>
本発明の高分子電解質において、イオン交換基を含まないセグメントは、下記一般式(2)で表される構造単位を有する。
<Segment not containing ion exchange groups>
In the polymer electrolyte of the present invention, the segment containing no ion exchange group has a structural unit represented by the following general formula (2).

Figure 2015122308
[Ar、Ar、Ar、Arは、それぞれ独立に2価の芳香族基である。
B1及びB2は、それぞれ独立に2価の連結基、もしくは、それぞれが独立に存在せず、2価の芳香族基がB1またはB2を介さずに直接結合していることを示す。
及びCは、それぞれ独立に酸素原子または硫黄原子である。
b、c、d、e、はそれぞれ独立に0または1である。
nは、5以上の整数である。]
Figure 2015122308
[Ar 1 , Ar 2 , Ar 3 , Ar 4 are each independently a divalent aromatic group.
B1 and B2 each independently represent a divalent linking group, or each independently represents a divalent aromatic group bonded directly without B1 or B2.
C 1 and C 2 are each independently an oxygen atom or a sulfur atom.
b, c, d, and e are each independently 0 or 1.
n is an integer of 5 or more. ]

上記一般式(2)において、Ar、Ar、Ar、Arのいずれかとなる2価の芳香族基は、フッ素原子、炭素数1以上20以下のアルキル基、炭素数1以上20以下のアルコキシ基またはニトリル基等で置換されていてもよい。なお、これらのアルキル基、アルコキシ基は置換基を有していてもよい。 In the general formula (2), the divalent aromatic group that is any one of Ar 1 , Ar 2 , Ar 3 , and Ar 4 is a fluorine atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and 1 to 20 carbon atoms. May be substituted with an alkoxy group or a nitrile group. In addition, these alkyl groups and alkoxy groups may have a substituent.

上記一般式(2)において、BまたはBを2価の連結基とした場合、BおよびBは、カルボニル基、スルホニル基、2,2−イソプロピリデン基、2,2−ヘキサフルオロイソプロピリデン基または9,9−2置換フルオレンにもとづく連結基であると好ましい。 In the above general formula (2), when B 1 or B 2 is a divalent linking group, B 1 and B 2 are carbonyl group, sulfonyl group, 2,2-isopropylidene group, 2,2-hexafluoro. A linking group based on an isopropylidene group or a 9,9-2 substituted fluorene is preferred.

上記一般式(2)において、nは、5以上の整数を表し、5以上200以下であることが好ましく、10以上であることがより好ましい。nが5以上であると、高分子電解質を固体高分子形燃料電池の電解質膜として用いた場合に、膜の成膜性や機械強度、耐久性を十分に得ることができる。   In the general formula (2), n represents an integer of 5 or more, preferably 5 or more and 200 or less, and more preferably 10 or more. When n is 5 or more, when the polymer electrolyte is used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, the film formability, mechanical strength, and durability can be sufficiently obtained.

上記一般式(2)で示される、イオン交換基を含まないセグメントについて、より具体的に一例を化学式で下記に列挙する。   More specific examples of the segments represented by the general formula (2) that do not contain an ion exchange group are listed below by chemical formulas.

Figure 2015122308
Figure 2015122308

Figure 2015122308
Figure 2015122308

Figure 2015122308
Figure 2015122308

Figure 2015122308
Figure 2015122308

Figure 2015122308
Figure 2015122308


Figure 2015122308
Figure 2015122308

<ブロック共重合体よりなる高分子電解質>
本発明の高分子電解質は、イオン交換基を含むセグメントと、イオン交換基を含まないセグメントと、を有するブロック共重合体よりなる。ブロック共重合体は、イオン交換基を含むセグメントとイオン交換性を含まないセグメントがそれぞれ凝集して相分離が起こる。したがって、電解質膜とした場合に、イオン交換性を有する相によってプロトンが伝導される通り道が形成される。その結果、プロトン伝導性が向上される。
<Polymer electrolyte made of block copolymer>
The polymer electrolyte of the present invention comprises a block copolymer having a segment containing an ion exchange group and a segment not containing an ion exchange group. In the block copolymer, segments containing ion exchange groups and segments not containing ion exchange properties are aggregated to cause phase separation. Therefore, when the electrolyte membrane is used, a path through which protons are conducted by the phase having ion exchange properties is formed. As a result, proton conductivity is improved.

本発明の高分子電解質のイオン交換基導入量は、イオン交換容量で表して0.5ミリ当量/g以上4.0ミリ当量/g以下であることが好ましく、1.0ミリ当量/g以上3.0ミリ当量/g以下であるとより好ましい。イオン交換容量が0.5ミリ当量/g以上であると、固体高分子形燃料電池の電解質膜として用いた場合に、プロトン伝導性が向上されるため、燃料電池の発電性能が高くなる。また、イオン交換容量が4.0ミリ当量/g以下であると、固体高分子形燃料電池の電解質膜としての耐水性及び機械強度が高められる。   The amount of ion exchange groups introduced into the polymer electrolyte of the present invention is preferably 0.5 meq / g or more and 4.0 meq / g or less, expressed as ion exchange capacity, and 1.0 meq / g or more. More preferably, it is 3.0 meq / g or less. When the ion exchange capacity is 0.5 meq / g or more, when used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, proton conductivity is improved, so that the power generation performance of the fuel cell is enhanced. Further, when the ion exchange capacity is 4.0 meq / g or less, water resistance and mechanical strength as an electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell are enhanced.

また、高分子電解質は、架橋剤が添加されることにより、架橋剤を介してプロトン酸基以外の部分が架橋された架橋構造を含んでもよい。架橋剤は、プロトン酸基を介さずにプロトン酸基以外の部分で架橋反応を進行させることができるとともに、架橋反応の前後においてプロトン伝導性材料のプロトン伝導性に大きな変化を及ぼさない架橋剤であればよい。特に、芳香環に−CH2OHで示されるメチロール基が結合した構造を有する架橋剤は、加熱により容易に架橋反応が進行するため好ましい。こうしたメチロール基を有する架橋剤としては、メチロール基を有する芳香環を分子内に少なくとも2つ以上有する化合物が好ましい。メチロール基を有する芳香環を分子内に少なくとも2つ以上有する化合物
であれば、プロトン伝導性高分子に含まれるプロトン酸基を介さずに反応が進行するので、架橋反応によってプロトン伝導性が低下することを抑制することができる。この架橋剤の構造としては、下記に示される構造が挙げられる。
In addition, the polymer electrolyte may include a crosslinked structure in which a portion other than the protonic acid group is crosslinked through the crosslinking agent by adding a crosslinking agent. The cross-linking agent is a cross-linking agent that can cause the cross-linking reaction to proceed at a portion other than the proton acid group without using a proton acid group, and does not significantly change the proton conductivity of the proton conductive material before and after the cross-linking reaction. I just need it. In particular, a crosslinking agent having a structure in which a methylol group represented by —CH 2 OH is bonded to an aromatic ring is preferable because a crosslinking reaction easily proceeds by heating. As such a crosslinking agent having a methylol group, a compound having at least two aromatic rings having a methylol group in the molecule is preferable. If the compound has at least two methylol group-containing aromatic rings in the molecule, the reaction proceeds without going through the protonic acid group contained in the proton-conducting polymer, so that the proton conductivity is reduced by the crosslinking reaction. This can be suppressed. Examples of the structure of the crosslinking agent include the structures shown below.

Figure 2015122308
Figure 2015122308

架橋反応の反応方法としては、光照射法、加熱法、pH調整法等を用いることができる。特に、加熱法を用いると、装置やプロセスなどが簡便になるため、容易かつ経済的に架橋反応を行うことができる。加熱法における加熱温度は、架橋反応が起こる範囲であればよい。架橋剤として、上記のメチロール基を有する芳香環を分子内に少なくとも2つ以上有する化合物を用いる場合には、60℃以上250℃以下の間であることが好ましい。60℃以上であれば、架橋反応を進行させることができる。また、250℃以下であれば、プロトン伝導性高分子や架橋剤からのプロトン酸基の脱離や分解反応が起こりにくい。また、こうした架橋剤の反応は脱水縮合反応であるため、減圧下で乾燥を行うことにより、架橋反応を促進させることができる。   As a reaction method of the crosslinking reaction, a light irradiation method, a heating method, a pH adjustment method, or the like can be used. In particular, when a heating method is used, the apparatus and process are simplified, so that the crosslinking reaction can be performed easily and economically. The heating temperature in the heating method may be in a range where a crosslinking reaction occurs. When a compound having at least two aromatic rings having a methylol group in the molecule is used as the cross-linking agent, it is preferably between 60 ° C. and 250 ° C. If it is 60 degreeC or more, a crosslinking reaction can be advanced. Moreover, if it is 250 degrees C or less, the detachment | desorption and decomposition reaction of the proton acid group from a proton conductive polymer or a crosslinking agent will not occur easily. Moreover, since the reaction of such a crosslinking agent is a dehydration condensation reaction, the crosslinking reaction can be promoted by drying under reduced pressure.

また、高分子電解質に架橋剤を添加した場合、機械強度および耐水性の向上のために、他の高分子を添加してもよい。このとき、添加する高分子としては、例えば、芳香族ポリエーテル、芳香族ポリエーテルケトン、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリエーテルスルホン、芳香族ポリスルホン、芳香族ポリエーテルニトリル、芳香族ポリエーテルピリジン、芳香族ポリイミド、芳香族ポリアミド、芳香族ポリアミドイミド、芳香族ポリアゾール、芳香族ポリエステル、芳香族ポリカーボネート等が挙げられる。これらの高分子は、スルホン化されていてもよく、スルホン化されていなくてもよい。   In addition, when a cross-linking agent is added to the polymer electrolyte, another polymer may be added to improve mechanical strength and water resistance. At this time, examples of the polymer to be added include aromatic polyether, aromatic polyether ketone, aromatic polyether ether ketone, aromatic polyether sulfone, aromatic polysulfone, aromatic polyether nitrile, and aromatic polyether. Examples include pyridine, aromatic polyimide, aromatic polyamide, aromatic polyamideimide, aromatic polyazole, aromatic polyester, and aromatic polycarbonate. These polymers may be sulfonated or may not be sulfonated.

<高分子電解質の合成方法>
本発明の高分子電解質は、ブロック共重合体よりなる。ここで、当該ブロック共重合体は、(1)イオン交換基を含むセグメントの前駆体(以下、ジフェニルスルホンモノマーと呼称)と、(2)イオン交換基を含まないセグメントの前駆体(以下、マクロモノマーと呼称)と、を(3)縮重合すること、により合成することが出来る。以下、具体的に例を挙げながら、本発明の高分子電解質の合成方法について説明を行う。
<Polymer electrolyte synthesis method>
The polymer electrolyte of the present invention comprises a block copolymer. Here, the block copolymer includes (1) a precursor of a segment containing an ion exchange group (hereinafter referred to as a diphenylsulfone monomer) and (2) a precursor of a segment not containing an ion exchange group (hereinafter referred to as a macro). Can be synthesized by (3) polycondensation. Hereinafter, the method for synthesizing the polymer electrolyte of the present invention will be described with specific examples.

[(1)ジフェニルスルホンモノマー]
本発明の高分子電解質の合成において、ジフェニルスルホンモノマーは、ジフェニルスルホンに、連結基を介したイオン交換基と、縮合反応に用いる脱離基と、が導入されたものを用いることが出来る。ここで、脱離基としては、縮合反応に用いる脱離基として知られているものであればよい。例えば、脱離基として、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子などのハロゲン基、p−トルエンスルホニルオキシ基(CH3C6H4−p−SO3−)、メタンスルホニルオキシ基(CH3SO3−)、トリフルオロメタンスルホニルオキシ基(CF3SO3−)、などを用いてよい。
[(1) Diphenylsulfone monomer]
In the synthesis of the polymer electrolyte of the present invention, the diphenylsulfone monomer may be a diphenylsulfone in which an ion exchange group via a linking group and a leaving group used for a condensation reaction are introduced. Here, any leaving group may be used as long as it is known as a leaving group used in the condensation reaction. For example, as a leaving group, a halogen group such as a chlorine atom, a bromine atom and an iodine atom, a p-toluenesulfonyloxy group (CH3C6H4-p-SO3-), a methanesulfonyloxy group (CH3SO3-), a trifluoromethanesulfonyloxy group ( CF3SO3-), etc. may be used.

また、ジフェニルスルホンモノマーにおいて、スルホニル基に対して、ハロゲン基がメタ位に、連結基がパラ位に結合していると、イオン交換基を含むセグメントの前駆体の合成が容易となるとともに、その収率も高くなるため好ましい。ジフェニルスルホンモノマーの好ましい一例として、下記一般式(4)を示す。   In addition, in the diphenylsulfone monomer, when the halogen group is bonded to the meta position and the linking group is bonded to the para position with respect to the sulfonyl group, the synthesis of the precursor of the segment including the ion exchange group is facilitated. The yield is also high, which is preferable. As a preferred example of the diphenylsulfone monomer, the following general formula (4) is shown.

Figure 2015122308
[R及びRは、それぞれ独立に−(CH)a−、−O−(CH)a−、−S−(CH)a−、−NH−(CH)a−、−(CF)a−、−O−(CF)a−、−S−(CF)a−、−NH−(CF)a−、からなる群から選択される連結基(aは2以上の整数)であり、
及びXは、それぞれ独立に、ハロゲン原子であり、
及びYは、それぞれ独立に第1族元素及び第2族元素である。]
Figure 2015122308
[R 1 and R 2 are each independently-(CH 2 ) a-, -O- (CH 2 ) a-, -S- (CH 2 ) a-, -NH- (CH 2 ) a-,- (CF 2) a -, - O- (CF 2) a -, - S- (CF 2) a -, - NH- (CF 2) a-, the linking group (a selected from the group consisting of 2 An integer greater than or equal to
X 1 and X 2 are each independently a halogen atom,
Y 1 and Y 2 are each independently a Group 1 element and a Group 2 element. ]

上記一般式(4)に示すジフェニルスルホンモノマーとして、より具体的に化合物の一例を化学式で下記に列挙する。   As the diphenylsulfone monomer represented by the general formula (4), examples of the compounds are more specifically listed below by chemical formulas.

Figure 2015122308
Figure 2015122308

Figure 2015122308
Figure 2015122308

上記一般式(4)に示すジフェニルスルホンモノマーの合成方法について具体的に一例を挙げながら説明を行う。本例では、上記一般式(4)に示すジフェニルスルホンモノマーにおいて、R及びRが−O−(CH)a−基、X及びXが臭素、Y及びYが1族原子である場合を例示する。なお、R、R、X、X、Y、Yが例示と異なる場合であっても、下記の合成経路に準じた方法により、当業者であれば所望するジフェニルスルホンモノマーを合成することが出来る。 The method for synthesizing the diphenylsulfone monomer represented by the general formula (4) will be described with a specific example. In this example, in the diphenylsulfone monomer represented by the general formula (4), R 1 and R 2 are —O— (CH 2 ) a— groups, X 1 and X 2 are bromine, and Y 1 and Y 2 are group 1. The case where it is an atom is illustrated. Even if R 1 , R 2 , X 1 , X 2 , Y 1 , Y 2 are different from the examples, those skilled in the art can obtain the desired diphenylsulfone monomer by a method according to the following synthesis route. Can be synthesized.

まず、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホンを、無機塩基で処理し、モノハロアルカンと反応させる。これにより、ヒドロキシ基がアルコキシ化されて、下記一般式(5)に示される化合物が得られる。なお、下記一般式(5)において、Alkylはアルキル基を示す。ヒドロキシ基のアルコキシ化によってヒドロキシ基をアルキル基で保護することにより、次の工程における臭素化反応の位置選択性を向上させることができる。   First, 4,4'-dihydroxydiphenylsulfone is treated with an inorganic base and reacted with a monohaloalkane. Thereby, a hydroxy group is alkoxylated and the compound shown by following General formula (5) is obtained. In the following general formula (5), Alkyl represents an alkyl group. By protecting the hydroxy group with an alkyl group by alkoxylation of the hydroxy group, the regioselectivity of the bromination reaction in the next step can be improved.

Figure 2015122308
Figure 2015122308

無機塩基としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等が好ましい。無機塩基の量は、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン100モル%に対して、200モル%以上400モル%以下であることが好ましく、200モル%以上300モル%以下であることがより好ましい。         As the inorganic base, sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate and the like are preferable. The amount of the inorganic base is preferably 200 mol% or more and 400 mol% or less, and more preferably 200 mol% or more and 300 mol% or less with respect to 100 mol% of 4,4'-dihydroxydiphenylsulfone.

モノハロアルカンとしては、アルキル基が直鎖状であり、かつ、アルキル基の末端にハロゲン原子が結合したものが好ましい。例えば、クロロメタン、クロロエタン、1−クロロプロパン、1−クロロブタン、1−クロロペンタン、1−クロロヘキサン、ブロモメタン、ブロモエタン、1−ブロモプロパン、1−ブロモブタン、1−ブロモペンタン、1−ブロモヘキサン、ヨードメタン、ヨードエタン、1−ヨードプロパン、1−ヨードブタン、1−ヨードペンタン、1−ヨードヘキサン等が挙げられる。反応性を高める上では、炭素数が4以上であって、かつ、ハロゲン原子が臭素またはヨウ素であるものが好ましい。   As the monohaloalkane, those in which an alkyl group is linear and a halogen atom is bonded to the terminal of the alkyl group are preferable. For example, chloromethane, chloroethane, 1-chloropropane, 1-chlorobutane, 1-chloropentane, 1-chlorohexane, bromomethane, bromoethane, 1-bromopropane, 1-bromobutane, 1-bromopentane, 1-bromohexane, iodomethane, Examples include iodoethane, 1-iodopropane, 1-iodobutane, 1-iodopentane, 1-iodohexane and the like. In order to increase the reactivity, those having 4 or more carbon atoms and a halogen atom being bromine or iodine are preferable.

モノハロアルカンの量は、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン100モル%に対して、200モル%以上400モル%以下であることが好ましく、200モル%以上300モル%以下であることがより好ましい。   The amount of the monohaloalkane is preferably 200 mol% or more and 400 mol% or less, more preferably 200 mol% or more and 300 mol% or less, with respect to 100 mol% of 4,4'-dihydroxydiphenylsulfone.

モノハロアルカンと反応させる際の反応条件としては、反応温度は25℃以上100℃以下が好ましく、反応時間は10時間以上48時間以下であることが好ましい。この反応は、大気雰囲気下で行われてもよく、窒素雰囲気下で行われてもよい。反応溶媒は、良溶媒であればよく、極性溶媒が好ましい。例えば、アセトン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、エタノール、などを好適に用いることが出来る。   As reaction conditions for the reaction with the monohaloalkane, the reaction temperature is preferably 25 ° C. or more and 100 ° C. or less, and the reaction time is preferably 10 hours or more and 48 hours or less. This reaction may be performed in an air atmosphere or a nitrogen atmosphere. The reaction solvent may be a good solvent, and a polar solvent is preferable. For example, acetone, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, ethanol, and the like can be suitably used.

次に、上記一般式(5)に示される化合物を臭素で処理する。これにより、下記一般式(6)で示されるジブロモ化された化合物が得られる。   Next, the compound represented by the general formula (5) is treated with bromine. As a result, a dibrominated compound represented by the following general formula (6) is obtained.

Figure 2015122308
Figure 2015122308

臭素の量は、上記一般式(6)で表される化合物100モル%に対して、20モル%以上300モル%以下であることが好ましく、200モル%以上250モル%以下であることがより好ましい。   The amount of bromine is preferably 20 mol% or more and 300 mol% or less and more preferably 200 mol% or more and 250 mol% or less with respect to 100 mol% of the compound represented by the general formula (6). preferable.

臭素処理の際の反応条件としては、反応温度は80℃以上150℃以下が好ましく、反応時間は10時間以上48時間以下であることが好ましい。この反応は、大気雰囲気下で行われてもよく、窒素雰囲気下で行われてもよい。反応溶媒としては、臭化水素酸が好ましい。   As reaction conditions for the bromine treatment, the reaction temperature is preferably 80 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, and the reaction time is preferably 10 hours or longer and 48 hours or shorter. This reaction may be performed in an air atmosphere or a nitrogen atmosphere. As the reaction solvent, hydrobromic acid is preferable.

次に、上記一般式(6)で示される化合物を、ルイス酸で処理する。これにより、アルコキシ基がヒドロキシ基に変換されて、下記一般式(7)に示される化合物が得られる。   Next, the compound represented by the general formula (6) is treated with a Lewis acid. Thereby, an alkoxy group is converted into a hydroxy group, and a compound represented by the following general formula (7) is obtained.

Figure 2015122308
Figure 2015122308

ルイス酸の量は、上記一般式(7)で表される化合物100モル%に対して、200モル%以上400モル%以下であることが好ましく、200モル%以上300モル%以下であることがより好ましい。ルイス酸としては、13族元素のハロゲン化物が好ましく、塩化アルミニウムがより好ましい。   The amount of the Lewis acid is preferably 200 mol% or more and 400 mol% or less, and 200 mol% or more and 300 mol% or less with respect to 100 mol% of the compound represented by the general formula (7). More preferred. As the Lewis acid, a halide of a group 13 element is preferable, and aluminum chloride is more preferable.

ルイス酸処理の際の反応条件としては、反応温度は0℃以上100℃以下が好ましく、25℃以上40℃以下がより好ましい。反応時間は0.5時間以上5時間以下であることが好ましい。この反応は、大気雰囲気下で行われることが好ましい。反応溶媒としては、良溶媒であることが好ましく、クロロホルム、ジクロロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ニトロベンゼンなどの極性溶媒が好ましい。   As reaction conditions for the Lewis acid treatment, the reaction temperature is preferably 0 ° C. or higher and 100 ° C. or lower, and more preferably 25 ° C. or higher and 40 ° C. or lower. The reaction time is preferably 0.5 hours or more and 5 hours or less. This reaction is preferably performed in an air atmosphere. The reaction solvent is preferably a good solvent, and polar solvents such as chloroform, dichloromethane, N, N-dimethylformamide, and nitrobenzene are preferred.

次に、上記一般式(7)に示される化合物を、無機塩基で処理し、開環性化合物であるスルトンと反応させる。これにより、下記一般式(8)に示されるジフェニルスルホンモノマーが得られる。   Next, the compound represented by the general formula (7) is treated with an inorganic base and reacted with sultone, which is a ring-opening compound. Thereby, the diphenyl sulfone monomer shown by following General formula (8) is obtained.

Figure 2015122308
[Y及びYは、それぞれ独立に、第1族元素及び第2族元素からなる群から選択される原子である。]
Figure 2015122308
[Y 1 and Y 2 are each independently an atom selected from the group consisting of Group 1 elements and Group 2 elements. ]

無機塩基としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどを用いることが好ましい。塩基の量は、上記一般式(8)に示される化合物100モル%に対して、200モル%以上400モル%以下であることが好ましく、200モル%以上300モル%以下であることがより好ましい。   As the inorganic base, sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate and the like are preferably used. The amount of the base is preferably 200 mol% or more and 400 mol% or less, more preferably 200 mol% or more and 300 mol% or less with respect to 100 mol% of the compound represented by the general formula (8). .

スルトンとしては、例えば1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、1,5−ペンタンスルトン、1,6−ヘキサンスルトン、1,7−ヘプタンスルトン、1,8−オクタンスルトン等が挙げられる。その中でも、1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトンが好ましい。また、上記スルトンにおける水素原子が全てフッ素原子に置換されたものを用いてもよい。   Examples of sultone include 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, 1,5-pentane sultone, 1,6-hexane sultone, 1,7-heptane sultone, 1,8-octane sultone, and the like. Among these, 1,3-propane sultone and 1,4-butane sultone are preferable. Moreover, you may use what substituted all the hydrogen atoms in the said sultone by the fluorine atom.

スルトンと反応させる際の反応条件としては、反応温度は25℃以上100℃以下が好ましく、反応時間は10時間以上48時間以下であると好ましい。この反応は、大気雰囲気下で行われてもよく、窒素雰囲気下で行われてもよい。反応溶媒としては、良溶媒であることが好ましく、極性溶媒がより好ましい。例えば、アセトン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、エタノールが好ましい。   As reaction conditions for reacting with sultone, the reaction temperature is preferably 25 ° C. or more and 100 ° C. or less, and the reaction time is preferably 10 hours or more and 48 hours or less. This reaction may be performed in an air atmosphere or a nitrogen atmosphere. The reaction solvent is preferably a good solvent, and more preferably a polar solvent. For example, acetone, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, and ethanol are preferable.

[(2)マクロモノマー]
本発明の高分子電解質の合成において、マクロモノマーは、下記一般式(9)に示される化合物を用いることが出来る。
[(2) Macromonomer]
In the synthesis of the polymer electrolyte of the present invention, a compound represented by the following general formula (9) can be used as the macromonomer.

Figure 2015122308
[Ar、Ar、Ar、Arは、それぞれ独立に2価の芳香族基である。
及びBは、それぞれ独立に2価の連結基、もしくは、それぞれが独立に存在せず、2価の芳香族基がBまたはBを介さずに直接結合していることを示す。
及びCは、それぞれ独立に酸素原子または硫黄原子である。
b、c、d、e、はそれぞれ独立に0または1である。
nは、5以上の整数である。
Zは、縮合反応における脱離基であり、それぞれ同じであってもよく、異なっていてもよい。]
Figure 2015122308
[Ar 1 , Ar 2 , Ar 3 , Ar 4 are each independently a divalent aromatic group.
B 1 and B 2 are each independently a divalent linking group, or each of them is not independently present, indicating that a divalent aromatic group is directly bonded without passing through B 1 or B 2. .
C 1 and C 2 are each independently an oxygen atom or a sulfur atom.
b, c, d, and e are each independently 0 or 1.
n is an integer of 5 or more.
Z is a leaving group in the condensation reaction, and may be the same or different. ]

上記一般式(9)に示すマクロモノマーにおいて、Zは縮合反応における脱離基であり、縮合反応に用いる脱離基として知られているものを適宜選択して用いてよい。例えば、脱離基として、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子などのハロゲン基、p−トルエンスルホニルオキシ基(CH−p−SO−)、メタンスルホニルオキシ基(CHSO−)、トリフルオロメタンスルホニルオキシ基(CFSO−)、などを用いてよい。 In the macromonomer represented by the general formula (9), Z is a leaving group in the condensation reaction, and one known as a leaving group used in the condensation reaction may be appropriately selected and used. For example, as a leaving group, a halogen group such as a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom, a p-toluenesulfonyloxy group (CH 3 C 6 H 4 -p-SO 3 —), a methanesulfonyloxy group (CH 3 SO 3). -), a trifluoromethanesulfonyloxy group (CF 3 SO 3 -), may be used like.

上記一般式(9)に示すマクロモノマーとして、より具体的に一例を化学式で下記に列挙する。下記の化学式で示された構造は、当業者であれば公知の合成経路を用いて適宜合成を行うことが出来る。   Specific examples of the macromonomer represented by the general formula (9) are listed below by chemical formula. Those skilled in the art can appropriately synthesize the structure represented by the following chemical formula using a known synthesis route.

Figure 2015122308
Figure 2015122308

Figure 2015122308
Figure 2015122308

Figure 2015122308
Figure 2015122308

Figure 2015122308
Figure 2015122308

Figure 2015122308
Figure 2015122308

Figure 2015122308
Figure 2015122308

上記一般式(9)に示すマクロモノマーの合成経路について具体的に一例として反応式を挙げる。下記例では、上記一般式(9)に示すマクロモノマーにおいて、Zが塩素原子である場合を例示する。なお、いずれの例も重合反応の終了間際に、出発原料であるジクロロ体を加えることで、両末端が塩素原子であるマクロモノマーを合成することができる。   As a specific example of the synthesis route of the macromonomer represented by the general formula (9), a reaction formula is given. The following example illustrates the case where Z is a chlorine atom in the macromonomer represented by the general formula (9). In any case, a macromonomer having both ends of a chlorine atom can be synthesized by adding a dichloro compound as a starting material at the end of the polymerization reaction.

Figure 2015122308
(マクロモノマーの合成経路:例1)
Figure 2015122308
(Macromonomer synthesis route: Example 1)

Figure 2015122308
(マクロモノマーの合成経路:例2)
Figure 2015122308
(Macromonomer synthesis route: Example 2)

Figure 2015122308
(マクロモノマーの合成経路:例3)
Figure 2015122308
(Macromonomer synthesis route: Example 3)

本発明の高分子電解質において、イオン交換基を含まないセグメントの前駆体(マクロモノマー)の分子量は、ポリスチレン換算の数重量平均分子量で表して、30,000以上300,000以下程度の範囲内にある。また、特に、30,000以上200,000以下程度の範囲内にあることが好ましく、30,000以上100,000以下程度の範囲内にあることがより好ましい。前駆体(マクロモノマー)の分子量が30,000以上であると、ブロック共重合体のイオン交換基を含まないセグメントの鎖長が長く、耐水性を高められる。また、分子量が300,000以下であることで、製造がより簡便になる。分子量が300,000より大きいと一般的な重合反応で得ることが困難であり、工業用部材として現実的でない。
さらに、本発明の高分子電解質の熱水膨潤率の適正な上限は、10%以下が望ましい。
In the polymer electrolyte of the present invention, the molecular weight of the segment precursor (macromonomer) that does not contain an ion exchange group is in the range of about 30,000 to 300,000, expressed in terms of polystyrene-equivalent number weight average molecular weight. is there. In particular, it is preferably in the range of about 30,000 to 200,000, more preferably in the range of about 30,000 to 100,000. When the molecular weight of the precursor (macromonomer) is 30,000 or more, the chain length of the segment containing no ion exchange group of the block copolymer is long, and the water resistance is improved. Moreover, manufacture becomes more convenient because molecular weight is 300,000 or less. When the molecular weight is larger than 300,000, it is difficult to obtain by a general polymerization reaction, and it is not practical as an industrial member.
Furthermore, the appropriate upper limit of the hot water swelling rate of the polymer electrolyte of the present invention is desirably 10% or less.

[(3)縮重合反応]
前記ジフェニルスルホンモノマーと、前記マクロモノマーと、を縮重合し、ブロック重合体を得る。前記ジフェニルスルホンモノマーと前記マクロモノマーとの縮重合反応では、遷移金属錯体を用いた縮重合反応を用いることができる。なお、縮重合反応にあたり、ジフェニルスルホンモノマーに代えて、ジフェニルスルホンモノマー同士をある程度重合させたポリマーを用いてもよい。
[(3) condensation polymerization reaction]
The diphenylsulfone monomer and the macromonomer are subjected to condensation polymerization to obtain a block polymer. In the condensation polymerization reaction between the diphenylsulfone monomer and the macromonomer, a condensation polymerization reaction using a transition metal complex can be used. In the condensation polymerization reaction, a polymer obtained by polymerizing diphenylsulfone monomers to some extent may be used instead of the diphenylsulfone monomer.

遷移金属錯体は、配位子が遷移金属と配位結合を形成したものである。遷移金属錯体としては、例えば、ニッケル錯体、パラジウム錯体、白金錯体、銅錯体、ロジウム錯体、ジルコニウム錯体、鉄錯体などが挙げられる。これらの中でも、ニッケル錯体やパラジウム錯体を用いると、反応効率が高められるとともに、温和な条件で反応を行うことができる。   The transition metal complex is one in which a ligand forms a coordinate bond with a transition metal. Examples of the transition metal complex include a nickel complex, a palladium complex, a platinum complex, a copper complex, a rhodium complex, a zirconium complex, and an iron complex. Among these, when a nickel complex or a palladium complex is used, the reaction efficiency can be increased and the reaction can be performed under mild conditions.

遷移金属錯体の配位子としては、2,2’−ビピリジル、1,10−フェナントロリン、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン、アセチルアセトナート、トリフェニルホスフィン、トリトリルホスフィン、トリブチルホスフィン、1,2−ビス(ジフェニルホスフィノ)エタン、1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン、1,4−ビス(ジフェニルホスフィノ)ブタン、及び、1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセンのいずれかを少なくとも1つ有していることが好ましい。遷移金属錯体は、これらの配位子について、1種類を単独で有していてもよく、2種以上を併せて有していてもよい。   As ligands of transition metal complexes, 2,2′-bipyridyl, 1,10-phenanthroline, N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine, acetylacetonate, triphenylphosphine, tolylphosphine, tributyl Phosphine, 1,2-bis (diphenylphosphino) ethane, 1,3-bis (diphenylphosphino) propane, 1,4-bis (diphenylphosphino) butane, and 1,1′-bis (diphenylphosphino) It is preferable to have at least one of ferrocene. The transition metal complex may have one kind of these ligands, or may have two or more kinds in combination.

ブロック共重合体を合成する縮重合反応では、遷移金属錯体として、ゼロ価ニッケル錯体、ゼロ価パラジウム錯体、などのゼロ価遷移金属錯体を用いることが好ましい。特に、ゼロ価ニッケル錯体を用いることが好ましい。   In the condensation polymerization reaction for synthesizing the block copolymer, a zero-valent transition metal complex such as a zero-valent nickel complex or a zero-valent palladium complex is preferably used as the transition metal complex. In particular, it is preferable to use a zerovalent nickel complex.

ゼロ価ニッケル錯体としては、例えば、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)、(エチレン)ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケル(0)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)ニッケル(0)等が挙げられる。特に、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)は、容易に入手が可能であるため、高分子電解質の合成に用いることに適している。   Examples of the zerovalent nickel complex include bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0), (ethylene) bis (triphenylphosphine) nickel (0), tetrakis (triphenylphosphine) nickel (0), and the like. Can be mentioned. In particular, bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) is suitable for use in the synthesis of polymer electrolytes because it is readily available.

ゼロ価遷移金属錯体は、既製品を用いてもよく、別途合成したものを用いてもよい。ゼロ価遷移金属錯体の合成方法は、還元剤を用いて遷移金属化合物を還元してゼロ価とする方法等、公知の方法を用いることができる。合成したゼロ価遷移金属錯体は、反応系中から取り出して使用してもよく、あるいは取り出さずに反応系内でそのまま使用してもよい。   As the zero-valent transition metal complex, an off-the-shelf product or a separately synthesized product may be used. As a method for synthesizing a zero-valent transition metal complex, a known method such as a method of reducing a transition metal compound to a zero valence by using a reducing agent can be used. The synthesized zero-valent transition metal complex may be taken out from the reaction system, or may be used as it is in the reaction system without being taken out.

ゼロ価遷移金属錯体とするための還元剤としては、例えば、鉄、亜鉛、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、ナトリウム、またはカルシウム等が挙げられる。これらのうち、亜鉛、マグネシウム、マンガンが好ましい。これらの還元剤は、有機酸などの酸に接触させることにより、より活性化して用いることができる。また、必要に応じて、フッ化ナトリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、硫酸ナトリウムなどのナトリウム化合物;フッ化カリウム、塩化カリウム、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、硫酸カリウムなどのカリウム化合物;フッ化テトラエチルアンモニウム、塩化テトラエチルアンモニウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウム、硫酸テトラエチルアンモニウムなどのアンモニウム化合物を併用してもよい。   Examples of the reducing agent for obtaining a zero-valent transition metal complex include iron, zinc, manganese, aluminum, magnesium, sodium, and calcium. Of these, zinc, magnesium and manganese are preferred. These reducing agents can be used after being more activated by bringing them into contact with an acid such as an organic acid. If necessary, sodium compounds such as sodium fluoride, sodium chloride, sodium bromide, sodium iodide and sodium sulfate; potassium compounds such as potassium fluoride, potassium chloride, potassium bromide, potassium iodide and potassium sulfate An ammonium compound such as tetraethylammonium fluoride, tetraethylammonium chloride, tetraethylammonium bromide, tetraethylammonium iodide, and tetraethylammonium sulfate may be used in combination.

ゼロ価遷移金属錯体を合成する際には、通常、2価の遷移金属化合物が用いられるが、0価のものを用いても構わない。2価の遷移金属化合物としては、2価ニッケル化合物、2価パラジウム化合物を用いることが好ましい。2価ニッケル化合物としては、例えば、塩化ニッケル、臭化ニッケル、ヨウ化ニッケル、ニッケルアセテート、ニッケルアセチルアセトナート、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、臭化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、ヨウ化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)等が挙げられる。2価パラジウム化合物としては、例えば、塩化パラジウム、臭化パラジウム、ヨウ化パラジウム、塩化パラジウムビス(トリフェニルホスフィン)、臭化パラジウムビス(トリフェニルホスフィン)、ヨウ化パラジウムビス(トリフェニルホスフィン)等が挙げられる。   In synthesizing a zero-valent transition metal complex, a divalent transition metal compound is usually used, but a zero-valent transition metal compound may be used. As the divalent transition metal compound, it is preferable to use a divalent nickel compound or a divalent palladium compound. Examples of the divalent nickel compound include nickel chloride, nickel bromide, nickel iodide, nickel acetate, nickel acetylacetonate, nickel chloride bis (triphenylphosphine), nickel bromide bis (triphenylphosphine), nickel iodide. And bis (triphenylphosphine). Examples of the divalent palladium compound include palladium chloride, palladium bromide, palladium iodide, palladium chloride bis (triphenylphosphine), palladium bromide bis (triphenylphosphine), and palladium iodide bis (triphenylphosphine). Can be mentioned.

遷移金属錯体を用いて縮合反応する際には、用いた遷移金属錯体の配位子となり得る化合物を添加しておくことが好ましい。これにより、重合反応の反応性が向上されてブロック共重合体の収率や重合度が高められる。添加する化合物は、用いた遷移金属錯体の配位子と同じでもよいし、異なっていてもよい。例えば、トリフェニルホスフィンや2,2’−ビピリジルは、汎用性が高く安価であるため好ましい。特に、2,2’−ビピリジルはビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)と組み合わせて用いると、ブロック共重合体の高収率化や高分子量化が可能となる。   When the condensation reaction is performed using the transition metal complex, it is preferable to add a compound that can be a ligand of the transition metal complex used. Thereby, the reactivity of a polymerization reaction is improved and the yield of a block copolymer and a polymerization degree are raised. The compound to be added may be the same as or different from the ligand of the transition metal complex used. For example, triphenylphosphine and 2,2'-bipyridyl are preferable because they are versatile and inexpensive. In particular, when 2,2'-bipyridyl is used in combination with bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0), it becomes possible to increase the yield and molecular weight of the block copolymer.

配位子の添加量としては、ゼロ価遷移金属錯体100モル%に対して、10モル%以上1000モル%以下であることが好ましく、100モル%以上500モル%以下であるとより好ましい。   The addition amount of the ligand is preferably 10 mol% or more and 1000 mol% or less, and more preferably 100 mol% or more and 500 mol% or less with respect to 100 mol% of the zero-valent transition metal complex.

ゼロ価遷移金属錯体の使用量としては、ジフェニルスルホンモノマー100モル%に対して、10モル%以上であることが好ましい。特に、100モル%以上が好ましく、200モル%以上がより好ましい。使用量が10モル%以上であると、収率や重合度が低下することを抑制することができる。使用量の上限について特に制限はないが、500モル%以下であると、重合の後処理をする際の処理が容易となる。   The amount of the zero-valent transition metal complex used is preferably 10 mol% or more with respect to 100 mol% of the diphenylsulfone monomer. In particular, 100 mol% or more is preferable and 200 mol% or more is more preferable. It can suppress that a yield and a polymerization degree fall that the usage-amount is 10 mol% or more. Although there is no restriction | limiting in particular about the upper limit of usage-amount, The process at the time of post-processing of superposition | polymerization will become easy as it is 500 mol% or less.

縮重合反応の条件としては、反応温度は0℃以上200℃以下が好ましく、50℃以上100℃以下がより好ましい。反応時間は、0.5時間以上100時間以下で行われることが好ましく、1時間以上40時間以下であるとより好ましい。縮重合反応は、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気下で行われることが好ましい。こうした条件によれば、縮重合反応の収率や重合度が高められる。   As conditions for the condensation polymerization reaction, the reaction temperature is preferably 0 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, and more preferably 50 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. The reaction time is preferably 0.5 hours or more and 100 hours or less, and more preferably 1 hour or more and 40 hours or less. The condensation polymerization reaction is preferably performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon. According to such conditions, the yield and degree of polymerization of the condensation polymerization reaction are increased.

縮重合の反応溶媒としては、例えば、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、等の非プロトン性極性溶媒、トルエン、キシレン、メシチレン、ベンゼン、ブチルベンゼン等の芳香族炭化水素系溶媒、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、ジブチルエーテル、tert−ブチルメチルエーテル等のエーテル系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル、安息香酸メチルなどのエステル系溶媒、クロロホルム、ジクロロエタン等のハロゲン化アルキル系溶媒等が挙げられる。これらの重合溶媒は、十分に脱水してから用いることが好ましい。   Examples of the condensation polymerization reaction solvent include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, toluene, xylene, and mesitylene. , Aromatic hydrocarbon solvents such as benzene and butylbenzene, ether solvents such as tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, dibutyl ether and tert-butyl methyl ether, and ester solvents such as ethyl acetate, butyl acetate and methyl benzoate And alkyl halide solvents such as chloroform and dichloroethane. These polymerization solvents are preferably used after sufficiently dehydrated.

縮重合反応の収率や重合度を高めるためには、前記ジフェニルスルホンモノマーおよび前記マクロモノマーが溶媒に十分溶解していることが望ましい。したがって、前記ジフェニルスルホンモノマーおよび前記マクロモノマーに対して良溶媒であるテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、トルエン等を用いることが好ましい。特に、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、及びこれら2種類以上の混合物が好ましく用いられる。   In order to increase the yield and degree of polymerization of the condensation polymerization reaction, it is desirable that the diphenylsulfone monomer and the macromonomer are sufficiently dissolved in a solvent. Therefore, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, which are good solvents for the diphenylsulfone monomer and the macromonomer, It is preferable to use sulfolane, toluene or the like. In particular, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, and a mixture of two or more of these are preferably used.

重合溶媒中における上ジフェニルスルホンモノマーの総量の濃度は、1重量%以上90重量%以下であることが好ましい。また、重合溶媒中におけるマクロモノマーの総量の濃度は、5重量%以上40重量%以下であることが好ましい。濃度の下限がこうした値であれば、生成した高分子化合物の回収が容易となる。また、濃度の上限がこうした値であれば、反応中の撹拌が容易となる。   The concentration of the total amount of the upper diphenylsulfone monomer in the polymerization solvent is preferably 1% by weight or more and 90% by weight or less. Moreover, it is preferable that the density | concentration of the total amount of the macromonomer in a polymerization solvent is 5 to 40 weight%. If the lower limit of the concentration is such a value, the produced polymer compound can be easily recovered. Further, when the upper limit of the concentration is such a value, stirring during the reaction becomes easy.

以上より、ブロック共重合体が合成される。生成したブロック共重合体を反応混合物から取り出す際には、常法が適用できる。例えば、反応混合物に貧溶媒を添加することでポリマーを析出させ、濾別等により目的物を得ることができる。また、必要に応じて、更に水洗や良溶媒と貧溶媒を用いての再沈殿等の通常の精製方法によって精製することができる。   From the above, a block copolymer is synthesized. When taking out the produced block copolymer from a reaction mixture, a conventional method can be applied. For example, the polymer can be precipitated by adding a poor solvent to the reaction mixture, and the target product can be obtained by filtration or the like. Moreover, it can refine | purify by normal purification methods, such as reprecipitation using water washing and a good solvent and a poor solvent, as needed.

また、生成したブロック共重合体中のスルホン酸基がナトリウム塩などの塩の形である場合、スルホン酸基を遊離酸の形に変換することが好ましい。遊離酸とすることで、固体高分子形燃料電池の電解質膜として利用することが出来る。遊離酸への変換は、通常、酸性溶媒での洗浄によって行われる。使用される酸としては、例えば、塩酸、硫酸、硝酸などが挙げられ、特に塩酸が好ましい。   Moreover, when the sulfonic acid group in the produced block copolymer is in the form of a salt such as sodium salt, it is preferable to convert the sulfonic acid group into a free acid form. By using a free acid, it can be used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell. Conversion to the free acid is usually performed by washing with an acidic solvent. Examples of the acid used include hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid and the like, and hydrochloric acid is particularly preferable.

<固体高分子電解質膜>
本発明の高分子電解質を用いた固体高分子電解質膜は、電気化学デバイスのプロトン伝導膜として広範な用途に利用が期待できる。以下、高分子電解質を用いた固体高分子電解質膜の製造方法について説明を行う。
<Solid polymer electrolyte membrane>
The solid polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte of the present invention can be expected to be used in a wide range of applications as a proton conductive membrane for electrochemical devices. Hereinafter, a method for producing a solid polymer electrolyte membrane using a polymer electrolyte will be described.

高分子電解質の膜化は、適宜公知の膜形成方法から選択して行ってよい。例えば、(1)キャスティング法、(2)多孔質基材に含浸させた複合電解質膜、などの方法を用いてよい。   The membrane formation of the polymer electrolyte may be appropriately selected from known film formation methods. For example, a method such as (1) a casting method or (2) a composite electrolyte membrane impregnated in a porous substrate may be used.

[キャスティング法]
キャスティング法は、高分子電解質を溶媒に分散することにより塗液を調整し、該塗液を基材に塗工し、該基材から塗膜を剥離することにより、フィルム上の膜を得る方法である。
[Casting method]
The casting method is a method of preparing a film on a film by adjusting a coating liquid by dispersing a polymer electrolyte in a solvent, coating the coating liquid on a substrate, and peeling the coating film from the substrate. It is.

キャスティング法において、用いる基材は、通常の溶液キャスティング法に用いられる基材から適宜選択して用いてよい。例えば、ガラス製、プラスチック製、金属製などの基材が用いられる。特に、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムなどの熱可塑性樹脂からなる基材が好ましく用いられる。   In the casting method, the substrate to be used may be appropriately selected from the substrates used in the usual solution casting method. For example, a substrate made of glass, plastic, metal or the like is used. In particular, a substrate made of a thermoplastic resin such as a polyethylene terephthalate (PET) film is preferably used.

キャスティング法において、高分子電解質の分散用にいる溶媒は、高分子電解質が溶解可能であり、その後に除去し得るものであればよい。例えば、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、等の非プロトン性極性溶媒、または、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶媒、または、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類等が好ましく用いられる。これらの溶媒は、単独で用いてもよく、必要に応じて2種類以上の溶媒を混合して用いてもよい。中でも、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン等は、ポリマーの溶解性が高いため好ましい。   In the casting method, the solvent used for dispersing the polymer electrolyte may be any solvent that can dissolve the polymer electrolyte and can be removed thereafter. For example, aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, or dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene Chlorinated solvents such as dichlorobenzene or alcohols such as methanol, ethanol and propanol are preferably used. These solvents may be used alone, or two or more kinds of solvents may be mixed and used as necessary. Among them, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane and the like are preferable because of high polymer solubility.

高分子電解質を溶解させた溶液の濃度は、5重量%以上40重量%以下が好ましく、7重量%以上25重量%以下であるとより好ましい。濃度が5重量%以上であれば、厚膜化が容易となり、ピンホールの生成を抑制することができる。一方、濃度が40重量%以下であれば、成膜が容易に行える程度に溶液粘度が保たれ、表面平滑性が向上される。   The concentration of the solution in which the polymer electrolyte is dissolved is preferably 5% by weight or more and 40% by weight or less, and more preferably 7% by weight or more and 25% by weight or less. When the concentration is 5% by weight or more, it is easy to increase the film thickness, and the generation of pinholes can be suppressed. On the other hand, when the concentration is 40% by weight or less, the solution viscosity is maintained to the extent that film formation can be easily performed, and the surface smoothness is improved.

また、高分子電解質を溶解させた溶液に、膜の各種物性の改良を目的とし、可塑剤、安定剤、離型材、保水剤、などの添加剤を添加してもよい。特に、無機あるいは有機の微粒子を保水剤として添加した場合、膜内の水分を管理できることから、固体高分子形燃料電池の電解質膜として好適に利用することが出来る。   Further, for the purpose of improving various physical properties of the membrane, additives such as a plasticizer, a stabilizer, a release material, and a water retention agent may be added to the solution in which the polymer electrolyte is dissolved. In particular, when inorganic or organic fine particles are added as a water retention agent, the moisture in the membrane can be controlled, and therefore, it can be suitably used as an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell.

また、高分子電解質を溶解させた溶液に、他の別種のポリマーを混合させてもよい。他の別種のポリマーを同一溶媒中で混合し共キャスティングすることにより、複合アロイ化した固体高分子電解質膜を得ることが出来る。このため、用途に応じて所望する物性に調整することが出来る。   Further, another type of polymer may be mixed in the solution in which the polymer electrolyte is dissolved. By mixing other types of polymers in the same solvent and co-casting, a composite polymerized solid polymer electrolyte membrane can be obtained. For this reason, it can adjust to the desired physical property according to a use.

また、膜の機械強度の向上等を目的として、成膜後に、電子線、放射線等を照射して架橋してもよい。   Further, for the purpose of improving the mechanical strength of the film, it may be crosslinked by irradiating an electron beam, radiation or the like after the film formation.

[多孔質基材に含浸させた複合電解質膜]
多孔質基材に本発明の高分子電解質を溶解させた溶液を含浸させることにより、固体高分子電解質膜を製造してもよい。ここで、多孔質基材は、用途に応じて、適宜公知の多孔質基材から選択して用いてよい。例えば、多孔質膜、不織布、フィブリル、などを用いてよい。また、多孔質基材は、脂肪族系、芳香族系高分子、フッ素系高分子、などを用いることが好ましい。耐熱性が向上するとともに、物理的強度が高められる。
[Composite electrolyte membrane impregnated in porous substrate]
A solid polymer electrolyte membrane may be produced by impregnating a porous substrate with a solution in which the polymer electrolyte of the present invention is dissolved. Here, the porous substrate may be appropriately selected from known porous substrates depending on the application. For example, a porous film, a nonwoven fabric, a fibril, etc. may be used. In addition, it is preferable to use an aliphatic, aromatic polymer, fluorine-based polymer, or the like as the porous substrate. Heat resistance is improved and physical strength is increased.

<固体高分子形燃料電池>
本発明の高分子電解質を用いた固体高分子電解質膜の用途の一例として、固体高分子形燃料電池の説明を行う。固体高分子形燃料電池において、固体高分子電解質膜は膜電極接合体内の部材として活用できる。固体高分子形燃料電池は、セパレーター同士に挟持された部位に、膜電極接合体が配置された構造である。
<Solid polymer fuel cell>
A solid polymer fuel cell will be described as an example of the use of the solid polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte of the present invention. In the polymer electrolyte fuel cell, the polymer electrolyte membrane can be used as a member in the membrane electrode assembly. The polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a membrane electrode assembly is disposed at a portion sandwiched between separators.

セパレーターは公知の燃料電池にて用いられているものを適宜選択してよい。例えば、カーボンタイプのセパレーター、金属タイプのセパレーター、などを用いてよい。   The separator may be appropriately selected from those used in known fuel cells. For example, a carbon type separator, a metal type separator, or the like may be used.

固体高分子形燃料電池において、膜電極接合体は、燃料極(負極)/固体高分子電解質膜/空気極(正極)の順となるように貼り合わせて一体化した部材である。膜電極接合体は、固体高分子電解質膜に、電極触媒層と、ガス拡散層と、を積層することによって得られる。   In the polymer electrolyte fuel cell, the membrane electrode assembly is a member that is bonded and integrated in the order of fuel electrode (negative electrode) / solid polymer electrolyte membrane / air electrode (positive electrode). A membrane electrode assembly is obtained by laminating an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer on a solid polymer electrolyte membrane.

ガス拡散層は、原料ガスを触媒へ効率的に輸送するために設けられる。例えば、カーボン織布、カーボン不織布、カーボンクロス、カーボンペーパー、ポーラスカーボン材、など、を用いてよい。また、ガス拡散層は、導電性物質を用いることが好ましい。導電性物質を用いることにより、集電体として活用することができる。   The gas diffusion layer is provided in order to efficiently transport the raw material gas to the catalyst. For example, carbon woven fabric, carbon non-woven fabric, carbon cloth, carbon paper, porous carbon material, etc. may be used. The gas diffusion layer preferably uses a conductive material. By using a conductive material, it can be used as a current collector.

電極触媒層は、電極反応を促進させるための触媒を保持する層である。電極触媒層に用いられる触媒は、水素または酸素との酸化還元反応を活性化できるものであれば公知の材料を用いることができる。特に、白金または白金系合金の微粒子を用いることが好ましい。白金または白金系合金の微粒子としては、活性炭や黒鉛などの粒子状のものや繊維状のカーボンに担持されたものが好ましく用いられる。   The electrode catalyst layer is a layer that holds a catalyst for promoting the electrode reaction. As the catalyst used for the electrode catalyst layer, a known material can be used as long as it can activate a redox reaction with hydrogen or oxygen. In particular, it is preferable to use fine particles of platinum or a platinum-based alloy. As the fine particles of platinum or platinum-based alloy, particulate particles such as activated carbon and graphite and those supported on fibrous carbon are preferably used.

以下、電極触媒層の形成について説明を行う。電極触媒層は、電極触媒インクを調整し、該電極触媒インクを塗布することにより形成することが出来る。   Hereinafter, the formation of the electrode catalyst layer will be described. The electrode catalyst layer can be formed by adjusting the electrode catalyst ink and applying the electrode catalyst ink.

電極触媒インクは、触媒を分散媒に分散させたものである。また、電極触媒インクには、(1)高分子電解質、(2)有機物が混合、酸処理除去された高分子電解質など、を含有してもよい。   The electrode catalyst ink is obtained by dispersing a catalyst in a dispersion medium. In addition, the electrode catalyst ink may contain (1) a polymer electrolyte, (2) a polymer electrolyte in which organic substances are mixed and removed by acid treatment, and the like.

電極触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒粒子や高分子電解質または有機物が混合、酸処理除去された高分子電解質を侵食することなく、高分子電解質が流動性の高い状態で溶解または微細ゲルとして分散されるものであればよい。特に、少なくとも揮発性の液体有機溶媒が含まれることが望ましく、メタノール、エタノール、1−プロパノ―ル、2−プロパノ―ル、1−ブタノ−ル、2−ブタノ−ル、イソブチルアルコール、tert−ブチルアルコール、ペンタノ−ル等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトンなどのケトン系溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテル等のエーテル系溶剤、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノール等の極性溶剤等が好ましい。また、これらの溶媒のうちの二種以上を混合させたものを用いてもよい。また、溶媒として低級アルコールを用いる場合には、水との混合溶媒にすると、発火の可能性を抑制することができる。水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であればよい。   The solvent used as a dispersion medium for the electrode catalyst ink is a solution in which the polymer electrolyte is dissolved in a highly fluid state without eroding the polymer electrolyte mixed with the catalyst particles, the polymer electrolyte, or the organic matter and removed by the acid treatment. What is necessary is just to be disperse | distributed as a fine gel. In particular, at least a volatile liquid organic solvent is desirably contained. Methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl Alcohols such as alcohol and pentaanol, acetone-based solvents such as methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, heptanone, cyclohexanone, methyl cyclohexanone, acetonyl acetone, diisobutyl ketone, tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxy Ether solvents such as toluene and dibutyl ether, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethyleneglycol Le, diacetone alcohol, 1-methoxy-2-propanol polar solvents such as is preferred. Moreover, you may use what mixed 2 or more types of these solvents. Further, when a lower alcohol is used as a solvent, the possibility of ignition can be suppressed by using a mixed solvent with water. The amount of water added is not limited as long as the polymer electrolyte is separated to cause white turbidity or gelation.

電極触媒インク中の固形分含有量は、1質量%以上50質量%以下であることが好ましい。固形分含有量が1質量%以上であれば、電極触媒インクの粘度が高くなりすぎないため、電極触媒層表面にクラックが入りにくくなる。また、固形分含有量が50質量%以下であれば、成膜レートが適切に維持されるため、生産性が向上される。   The solid content in the electrode catalyst ink is preferably 1% by mass or more and 50% by mass or less. If the solid content is 1% by mass or more, the viscosity of the electrode catalyst ink does not become too high, and cracks are unlikely to occur on the surface of the electrode catalyst layer. In addition, when the solid content is 50% by mass or less, the film formation rate is appropriately maintained, so that productivity is improved.

電極触媒インクの塗布方法は、公知の塗布方法から適宜選択してよい。例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などを用いてよい。   The method for applying the electrode catalyst ink may be appropriately selected from known application methods. For example, a doctor blade method, a dipping method, a screen printing method, a roll coating method, a spray method, or the like may be used.

電極触媒インクを塗布する対象としては、ガス拡散層、固体高分子電解質膜、転写シート、のいずれであってもよい。転写シートを用いた場合、固体高分子電解質膜に電極触媒層を接合後に転写シートを剥離することにより、固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層を備える膜電極接合体が得られる。転写シートとしては、転写性がよい材質であればよい。   The target to which the electrode catalyst ink is applied may be any of a gas diffusion layer, a solid polymer electrolyte membrane, and a transfer sheet. When the transfer sheet is used, a membrane electrode assembly having electrode catalyst layers on both sides of the solid polymer electrolyte membrane is obtained by peeling the transfer sheet after bonding the electrode catalyst layer to the solid polymer electrolyte membrane. The transfer sheet may be any material that has good transferability.

なお、有機物の酸処理洗浄による除去は、有機物が含有した高分子電解質膜及び電極触媒層を作製し、膜電極接合体を作製した後に行ってもよい。   The removal of the organic substance by acid treatment washing may be performed after the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer containing the organic substance are produced and the membrane / electrode assembly is produced.

図1に、本発明の固体高分子形燃料電池の一例を概略図で示す。図1に示す固体高分子形燃料電池10は、セパレーター7aおよびセパレーター7bで挟持された部位に、膜電極接合体3が配置されている。膜電極接合体3は、空気極5/固体高分子電解質膜1/燃料極6が、この順で配置されている構造である。固体高分子電解質膜1の表裏にそれぞれ電極触媒層2aおよび電極触媒層2bが配置されている。空気極5は、電極触媒層2aにガス拡散層4aが配置された構造であり、固体高分子形燃料電池のカソードとなる。燃料極6は、電極触媒層2bにガス拡散層4bが配置された構造であり、固体高分子形燃料電池のアノードとなる。セパレーター7aのガス拡散層4a側には、ガス流路8aが設けられ、ガス流路8a対面側に冷却水流路9aが設けられている。セパレーター7bのガス拡散層4b側には、ガス流路8bが設けられ、ガス流路8b対面側に冷却水流路9bが設けられている。   FIG. 1 schematically shows an example of a polymer electrolyte fuel cell of the present invention. In the polymer electrolyte fuel cell 10 shown in FIG. 1, the membrane electrode assembly 3 is disposed at a portion sandwiched between the separator 7a and the separator 7b. The membrane electrode assembly 3 has a structure in which an air electrode 5 / solid polymer electrolyte membrane 1 / fuel electrode 6 are arranged in this order. Electrode catalyst layer 2a and electrode catalyst layer 2b are disposed on the front and back of solid polymer electrolyte membrane 1, respectively. The air electrode 5 has a structure in which the gas diffusion layer 4a is disposed on the electrode catalyst layer 2a, and serves as a cathode of the polymer electrolyte fuel cell. The fuel electrode 6 has a structure in which the gas diffusion layer 4b is disposed in the electrode catalyst layer 2b, and serves as an anode of the polymer electrolyte fuel cell. A gas flow path 8a is provided on the gas diffusion layer 4a side of the separator 7a, and a cooling water flow path 9a is provided on the opposite side of the gas flow path 8a. A gas flow path 8b is provided on the gas diffusion layer 4b side of the separator 7b, and a cooling water flow path 9b is provided on the opposite side of the gas flow path 8b.

図1に示す固体高分子形燃料電池10において、空気極5にガス流路8aに酸化剤ガスを流し、燃料極6に対面するガス流路8bに燃料ガスを流すことにより、固体高分子電解質膜1中でのプロトン伝導を伴う電極反応が進行する。これにより、空気極5と燃料極6との間に起電力が生じる。また、セパレーター7aおよびセパレーター7bに設けられた冷却水流路9aおよび冷却水流路9bの各々には、冷却水が流される。ここで、酸化剤ガスとしては、例えば、酸素を含むガスが用いられる。ここで、燃料ガスとしては、例えば、水素ガスが用いられる。なお、図1に示される固体高分子形燃料電池10は、単セル構造の固体高分子形燃料電池である。セパレーターを介して複数のセルを積層して直列接続することによって1つの燃料電池として用いるようにしてもよい。   In the polymer electrolyte fuel cell 10 shown in FIG. 1, an oxidant gas is caused to flow through the air electrode 5 through the gas passage 8 a and a fuel gas is caused to flow through the gas passage 8 b facing the fuel electrode 6. An electrode reaction involving proton conduction in the membrane 1 proceeds. As a result, an electromotive force is generated between the air electrode 5 and the fuel electrode 6. Further, cooling water flows through each of the cooling water passage 9a and the cooling water passage 9b provided in the separator 7a and the separator 7b. Here, as the oxidant gas, for example, a gas containing oxygen is used. Here, for example, hydrogen gas is used as the fuel gas. The polymer electrolyte fuel cell 10 shown in FIG. 1 is a polymer electrolyte fuel cell having a single cell structure. A plurality of cells may be stacked through a separator and connected in series to be used as one fuel cell.

本発明の高分子電解質を用いた固体高分子電解質膜を膜電極接合体として用いた固体高分子形燃料電池は、耐水性及び耐久性が高められているため、発電性能に優れた長寿命の燃料電池となる。   The polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte of the present invention as a membrane electrode assembly has improved water resistance and durability, and therefore has a long life with excellent power generation performance. It becomes a fuel cell.

<実施例1>
(ジフェニルスルホンモノマーの合成)
ビス(4−ヒドロキシ−3−クロロフェニル)スルホン6.38g(20.0mmol)を500mLナスフラスコに入れ70mLのエタノールに溶かした。水酸化ナトリウム1.68g(42.0mmol)を加えて70℃で30分間撹拌した。次に、1,3−プロパンスルトン4.94g(40.5mmol)を加えて20時間加熱還流を行った。析出した白色固体を濾過により回収した。回収した固体を水/エタノール溶液で洗浄後、再度、濾過を行い、濾物を回収、減圧乾燥後、目的物を7.84g(白色固体、収率65%)得た。以上より、目的とするジフェニルスルホンモノマーM1である、ビス(4−(3’−スルホプロポキシ)−3−クロロフェニル)スルホンの二ナトリウム塩を合成するこ
とが出来た。
<Example 1>
(Synthesis of diphenylsulfone monomer)
6.38 g (20.0 mmol) of bis (4-hydroxy-3-chlorophenyl) sulfone was placed in a 500 mL eggplant flask and dissolved in 70 mL of ethanol. 1.68 g (42.0 mmol) of sodium hydroxide was added and stirred at 70 ° C. for 30 minutes. Next, 4.94 g (40.5 mmol) of 1,3-propane sultone was added, and the mixture was heated to reflux for 20 hours. The precipitated white solid was collected by filtration. The collected solid was washed with a water / ethanol solution and then filtered again. The filtrate was collected and dried under reduced pressure to obtain 7.84 g (white solid, yield 65%) of the desired product. From the above, the disodium salt of bis (4- (3′-sulfopropoxy) -3-chlorophenyl) sulfone, which is the target diphenylsulfone monomer M1, could be synthesized.

Figure 2015122308
Figure 2015122308

(マクロモノマーの合成)
三口フラスコに4,4’−ジクロロジフェニルスルホン7.40g(25.7mmol)、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン5.83g(23.3mmol)、炭酸カリウム4.20g(30.3 mmol)を入れて窒素置換、N,N ジメチルアセトアミド(DMAc)150 mL,トルエン20mLを加えて加熱還流を行い、系中の水を除去しながら反応させた。反応後、4,4‘−ジクロロフェニルスルホン1.00g(3.48mmol)を加えてさらに180℃で4時間反応させた。反応後の溶液をメタノールに注ぎ、再沈殿を行った。析出物を濾過で回収し水で洗浄後、105℃、2時間減圧乾燥した。回収した固体を再びクロロホルムに溶解させてメタノールに注ぎ、再沈殿を行った。析出物を濾過にて回収後105℃、3時間減圧乾燥し、マクロモノマー(白色固体)を得た。
(Synthesis of macromonomer)
Into a three-necked flask, put 7.40 g (25.7 mmol) of 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 5.83 g (23.3 mmol) of bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, and 4.20 g (30.3 mmol) of potassium carbonate. Then, nitrogen substitution, 150 mL of N, N dimethylacetamide (DMAc) and 20 mL of toluene were added, and the mixture was heated to reflux, and reacted while removing water in the system. After the reaction, 1.00 g (3.48 mmol) of 4,4′-dichlorophenylsulfone was added and further reacted at 180 ° C. for 4 hours. The solution after the reaction was poured into methanol for reprecipitation. The precipitate was collected by filtration, washed with water, and dried under reduced pressure at 105 ° C. for 2 hours. The collected solid was dissolved again in chloroform and poured into methanol for reprecipitation. The precipitate was collected by filtration and then dried under reduced pressure at 105 ° C. for 3 hours to obtain a macromonomer (white solid).

なお、実施例1にて、得られたマクロモノマーのポリスチレン換算の重量平均分子量は、5.3×10であった。重量平均分子量の測定条件を以下に示す。 In Example 1, the obtained macromonomer had a polystyrene-equivalent weight average molecular weight of 5.3 × 10 4 . The measurement conditions for the weight average molecular weight are shown below.

(分子量)
ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定した。
・GPC装置 :HLC−8120GPC(東ソー製)
・カラム :TSKgel SuperAWM−H(6.0mmI.D.×15cm)を2本直列に接続
・検出器 :示差屈折率計(RI検出器)、Polarity=(+)
・溶離液 :N,N−ジメチルホルムアミド+LiBr+リン酸
・流速 :0.6mL/min
・カラム温度 :40℃
・試料濃度 :1mg/mL
・試料注入量 :20μL
(Molecular weight)
Measured by gel permeation chromatography (GPC).
・ GPC device: HLC-8120GPC (manufactured by Tosoh Corporation)
Column: TSKgel SuperAWM-H (6.0 mm ID × 15 cm) connected in series. Detector: Differential refractometer (RI detector), Polarity = (+)
・ Eluent: N, N-dimethylformamide + LiBr + phosphoric acid ・ Flow rate: 0.6 mL / min
-Column temperature: 40 ° C
Sample concentration: 1 mg / mL
Sample injection volume: 20 μL

(縮重合反応)
ジフェニルスルホンモノマーM1とマクロモノマーの縮重合反応を行った。50mLシュレンク管にM1を0.50g(0.823mmol)入れ、120℃のオイルバスで減圧乾燥した。乾燥後、シュレンク管を窒素置換し、マクロモノマー200mg、2,2’−ビピリジル359mg(2.30mmol)、脱水ジメチルスルホキシドを4mL加え、120℃で溶解させた。すべて溶解したことを確認した後、温度を80℃まで下げ、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)(Ni(cod)2)を0.63g(2.29mmol)加えて80℃、24時間撹拌した。反応後溶液をメタノールに滴下し、ポリマーを析出させ、濾過により回収した。回収したポリマーは再度メタノール洗浄し、3N塩酸中で撹拌することにより、プロトン化を行った。ポリマーを再度濾過により回収し、水で洗浄後、80℃、2時間減圧乾燥することで高分子電解質P1を得た。以上より、本発明の高分子電解質を製造することが出来た。
(Condensation polymerization reaction)
A polycondensation reaction between the diphenylsulfone monomer M1 and the macromonomer was performed. 0.50 g (0.823 mmol) of M1 was placed in a 50 mL Schlenk tube and dried under reduced pressure in an oil bath at 120 ° C. After drying, the Schlenk tube was purged with nitrogen, 200 mg of macromonomer, 359 mg of 2,2′-bipyridyl (2.30 mmol) and 4 mL of dehydrated dimethyl sulfoxide were added and dissolved at 120 ° C. After confirming that all were dissolved, the temperature was lowered to 80 ° C., and 0.63 g (2.29 mmol) of bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) (Ni (cod) 2) was added to the mixture at 80 ° C. For 24 hours. After the reaction, the solution was added dropwise to methanol to precipitate a polymer, which was collected by filtration. The recovered polymer was washed with methanol again and protonated by stirring in 3N hydrochloric acid. The polymer was collected again by filtration, washed with water, and then dried under reduced pressure at 80 ° C. for 2 hours to obtain a polymer electrolyte P1. From the above, the polymer electrolyte of the present invention could be produced.

Figure 2015122308
Figure 2015122308

<実施例2>
実施例1と同様に、本発明の高分子電解質を製造した。ただし、マクロモノマーの合成において、重合条件を調整し、マクロモノマーのポリスチレン換算の重量平均分子量を、7.0×10とした。
<Example 2>
In the same manner as in Example 1, a polymer electrolyte of the present invention was produced. However, in the synthesis of the macromonomer, the polymerization conditions were adjusted, and the weight average molecular weight of the macromonomer in terms of polystyrene was 7.0 × 10 4 .

<実施例3>
さらに実施例1と同様に、本発明の高分子電解質を製造した。ただし、マクロモノマーの合成において、重合条件を調整し、マクロモノマーのポリスチレン換算の重量平均分子量を、3.5×10とした。
<Example 3>
Furthermore, the polymer electrolyte of the present invention was produced in the same manner as in Example 1. However, in the synthesis of the macromonomer, the polymerization conditions were adjusted, and the weight average molecular weight of the macromonomer in terms of polystyrene was 3.5 × 10 4 .

<比較例1>
実施例1と同様に、高分子電解質を製造した。ただし、マクロモノマーの合成において、重合条件を調整し、マクロモノマーのポリスチレン換算の重量平均分子量を、1.7×10とした。
<Comparative Example 1>
A polymer electrolyte was produced in the same manner as in Example 1. However, in the synthesis of the macromonomer, the polymerization conditions were adjusted so that the weight average molecular weight of the macromonomer in terms of polystyrene was 1.7 × 10 4 .

<比較例2>
実施例1と同様に、高分子電解質を製造した。ただし、マクロモノマーの合成において、重合条件を調整し、マクロモノマーのポリスチレン換算の重量平均分子量を、2.8×10とした。
<測定・評価>
実施例1〜3、比較例1〜2について、物性の測定評価を行った。以下に測定項目、評価結果を示す。
<Comparative Example 2>
A polymer electrolyte was produced in the same manner as in Example 1. However, in the synthesis of the macromonomer, the polymerization conditions were adjusted, and the weight average molecular weight of the macromonomer in terms of polystyrene was 2.8 × 10 4 .
<Measurement / Evaluation>
About Examples 1-3 and Comparative Examples 1-2, the measurement evaluation of the physical property was performed. The measurement items and evaluation results are shown below.

(イオン交換容量)
高分子電解質中のスルホン酸基が遊離酸の状態のものを、乾燥後、所定量を秤量し、2M塩化ナトリウム水溶液中で1晩撹拌し、濾別した。濾液を、フェノールフタレインを指示薬とし、NaOHの標準液を用いて滴定を行い、中和点からイオン交換容量を求めた。
(Ion exchange capacity)
A polymer electrolyte in which the sulfonic acid group is in a free acid state was dried, weighed in a predetermined amount, stirred in a 2M aqueous sodium chloride solution overnight, and filtered. The filtrate was titrated with NaOH standard solution using phenolphthalein as an indicator, and the ion exchange capacity was determined from the neutralization point.

(熱水膨潤率)
高分子電解質をキャスティング法にて膜厚30μmに成膜し、得られた固体高分子電解質膜を2cm×2cmの正方形にカットし、80℃の熱水に30分浸漬し、1辺の長さを測定し、膨潤率を測定した。
(Hot water swelling rate)
A polymer electrolyte is formed into a film thickness of 30 μm by a casting method, and the obtained solid polymer electrolyte membrane is cut into a 2 cm × 2 cm square, immersed in hot water at 80 ° C. for 30 minutes, and the length of one side Was measured, and the swelling ratio was measured.

(プロトン伝導度)
高分子電解質をキャスティング法にて膜厚30μmに成膜し、得られた固体高分子電解質膜の表面に、白金線(φ=0.5mm)を押し当て、恒温恒湿装置中に試料を保持し、白金線間の交流インピーダンス測定から求めた。すなわち80℃において、所定の湿度環境下で交流におけるインピーダンスを測定した。抵抗測定装置として、株式会社エヌエフ回路設計ブロック製5800Frequency Response AnalyzerまたはSolartron社製1260型−1287型を用いた。恒温恒湿装置には、エスペック社製小型環境試験機SH−221またはSH−241を使用した。白金線は、5mm間隔に4本を押し当てて、線間距離を5〜15mmに変化させ、交流抵抗を測定した。線間距離と抵抗の値から膜抵抗を算出し、この値から、プロトン伝導度を算出した。
(Proton conductivity)
A polymer electrolyte is deposited to a thickness of 30 μm by a casting method, and a platinum wire (φ = 0.5 mm) is pressed against the surface of the obtained solid polymer electrolyte membrane to hold the sample in a constant temperature and humidity device And obtained from an AC impedance measurement between platinum wires. That is, the impedance in alternating current was measured at 80 ° C. under a predetermined humidity environment. As a resistance measuring device, 5800 Frequency Response Analyzer manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd. or 1260 type-1287 type manufactured by Solartron were used. A small environmental tester SH-221 or SH-241 manufactured by Espec Co., Ltd. was used as the constant temperature and humidity device. Four platinum wires were pressed at intervals of 5 mm, the distance between the wires was changed to 5 to 15 mm, and the AC resistance was measured. Membrane resistance was calculated from the distance between lines and the resistance value, and proton conductivity was calculated from this value.

(評価結果)
・イオン交換容量
実施例1:1.5meq/g
実施例2:1.0meq/g
実施例3:0.2meq/g
比較例1:1.7meq/g
比較例2:0.5meq/g
・熱水膨潤率
実施例1:5%
実施例2:4%
実施例3:0%
比較例1:25%
比較例2:1%
・プロトン伝導度
実施例1:0.18S/cm(80℃相対湿度95%)
実施例2:0.18S/cm(80℃相対湿度95%)
実施例3:測定不可
比較例1:0.40S/cm(80℃相対湿度95%)
比較例2:0.01S/cm(80℃相対湿度95%)
(Evaluation results)
-Ion exchange capacity Example 1: 1.5 meq / g
Example 2: 1.0 meq / g
Example 3: 0.2 meq / g
Comparative Example 1: 1.7 meq / g
Comparative Example 2: 0.5 meq / g
Hot water swelling rate Example 1: 5%
Example 2: 4%
Example 3: 0%
Comparative Example 1: 25%
Comparative Example 2: 1%
Proton conductivity Example 1: 0.18 S / cm (80 ° C. relative humidity 95%)
Example 2: 0.18 S / cm (80 ° C., relative humidity 95%)
Example 3: Unmeasurable Comparative Example 1: 0.40 S / cm (80 ° C., relative humidity 95%)
Comparative Example 2: 0.01 S / cm (80 ° C. relative humidity 95%)

実施例1〜2に示されるように、本発明の高分子電解質のイオン交換容量は、0.5ミリ当量/g以上4.0ミリ当量/g以下の範囲内にあり、固体高分子型燃料電池用途に好適なイオン交換容量を有することが確認された。また、比較例1と比較して実施例では、膨潤が抑制されており、優れたプロトン伝導性を示した。   As shown in Examples 1 and 2, the ion exchange capacity of the polymer electrolyte of the present invention is in the range of 0.5 meq / g or more and 4.0 meq / g or less, and is a solid polymer fuel It was confirmed to have an ion exchange capacity suitable for battery applications. Moreover, compared with the comparative example 1, in the Example, swelling was suppressed and the outstanding proton conductivity was shown.

以上より、「イオン交換基を含まないセグメントの前駆体におけるポリスチレン換算の重量平均分子量は、30,000以上300,000以下の範囲内にある」実施例1〜2の本発明の高分子電解質は、固体高分子形燃料電池に充分なプロトン伝導性やイオン交換容量を有し、かつ、膨潤が抑制されていることが確認された。   From the above, “the polystyrene-converted weight average molecular weight in the segment precursor that does not contain an ion exchange group is in the range of 30,000 to 300,000”. It was confirmed that the polymer electrolyte fuel cell has sufficient proton conductivity and ion exchange capacity, and that swelling is suppressed.

本発明の高分子電解質は、電気化学デバイスに用いる電解質として、プロトン伝導性が必要とされる種々の用途に広範に利用できる。例えば、固体高分子形燃料電池、リチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ、アクチュエーター、などに用いる電解質として利用が期待される。特に、車載電源用途の固体高分子型燃料電池における膜電極接合体の部材として好適に利用が期待される。ただし、本発明の高分子電解質はこれらの用途に限定されるものではない。   The polymer electrolyte of the present invention can be widely used for various applications requiring proton conductivity as an electrolyte used in an electrochemical device. For example, it is expected to be used as an electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell, a lithium ion secondary battery, an electric double layer capacitor, an actuator, and the like. In particular, it is expected to be suitably used as a member of a membrane electrode assembly in a polymer electrolyte fuel cell for in-vehicle power supply. However, the polymer electrolyte of the present invention is not limited to these uses.

1……固体高分子電解質膜
2a,2b……電極触媒層
3……膜電極接合体
4a,4b……ガス拡散層
5……空気極
6……燃料極
7a,7b……セパレーター
8a,8b……ガス流路
9a,9b……冷却水流路
10……固体高分子形燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid polymer electrolyte membrane 2a, 2b ... Electrode catalyst layer 3 ... Membrane electrode assembly 4a, 4b ... Gas diffusion layer 5 ... Air electrode 6 ... Fuel electrode 7a, 7b ... Separator 8a, 8b ...... Gas channel 9a, 9b ... Cooling water channel 10 ... Polymer fuel cell

Claims (7)

イオン交換基を含むセグメントと、イオン交換基を含まないセグメントと、を有するブロック共重合体よりなる高分子電解質であって、
前記イオン交換基を含むセグメントが下記一般式(1)で表され、
前記イオン交換基を含まないセグメントが下記一般式(2)で表され、
前記イオン交換基を含まないセグメントの前駆体におけるポリスチレン換算の重量平均分子量は、30,000以上300,000以下の範囲内にあることを特徴のする高分子電解質。

Figure 2015122308
[R及びRは、それぞれ独立に、−(CH)a−、−O−(CH)a−、−S−(CH)a−、−NH−(CH)a−、−(CF)a−、−O−(CF)a−、−S−(CF)a−、−NH−(CF)a−、からなる群から選択された連結基(aは2以上の整数)であり、
及びYは、それぞれ独立に、第1族元素及び第2族元素からなる群から選択される原子である。]
Figure 2015122308

[Ar、Ar、Ar、Arは、それぞれ独立に2価の芳香族基である。
及びBは、それぞれ独立に2価の連結基、もしくは、それぞれが独立に存在せず、2価の芳香族基がBまたはBを介さずに直接結合していることを示す。
及びCは、それぞれ独立に酸素原子または硫黄原子である。
b、c、d、e、はそれぞれ独立に0または1である。
nは、5以上の整数である。]
A polymer electrolyte comprising a block copolymer having an ion exchange group-containing segment and an ion exchange group-free segment,
The segment containing the ion exchange group is represented by the following general formula (1):
The segment not containing the ion exchange group is represented by the following general formula (2):
A polymer electrolyte, wherein a polystyrene-equivalent weight average molecular weight of a precursor of a segment not containing an ion exchange group is in a range of 30,000 to 300,000.

Figure 2015122308
[R 1 and R 2 are each independently, - (CH 2) a - , - O- (CH 2) a -, - S- (CH 2) a -, - NH- (CH 2) a-, - (CF 2) a -, - O- (CF 2) a -, - S- (CF 2) a -, - NH- (CF 2) a-, selected from the group consisting of the linking groups (a is An integer greater than or equal to 2),
Y 1 and Y 2 are each independently an atom selected from the group consisting of Group 1 elements and Group 2 elements. ]
Figure 2015122308

[Ar 1 , Ar 2 , Ar 3 , Ar 4 are each independently a divalent aromatic group.
B 1 and B 2 are each independently a divalent linking group, or each of them is not independently present, indicating that a divalent aromatic group is directly bonded without passing through B 1 or B 2. .
C 1 and C 2 are each independently an oxygen atom or a sulfur atom.
b, c, d, and e are each independently 0 or 1.
n is an integer of 5 or more. ]
前記イオン交換基を含むセグメントは、下記一般式(3)で表されることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質。

Figure 2015122308
[R及びRは、それぞれ独立に、−(CH)a−、−O−(CH)a−、−S−(CH)a−、−NH−(CH)a−、−(CF)a−、−O−(CF)a−、−S−(CF)a−、−NH−(CF)a−、からなる群から選択された連結基(aは2以上の整数)であり、
及びYは、それぞれ独立に、第1族元素及び第2族元素からなる群から選択される原子である。]
The polymer electrolyte according to claim 1, wherein the segment including the ion exchange group is represented by the following general formula (3).

Figure 2015122308
[R 1 and R 2 are each independently, - (CH 2) a - , - O- (CH 2) a -, - S- (CH 2) a -, - NH- (CH 2) a-, - (CF 2) a -, - O- (CF 2) a -, - S- (CF 2) a -, - NH- (CF 2) a-, selected from the group consisting of the linking groups (a is An integer greater than or equal to 2),
Y 1 and Y 2 are each independently an atom selected from the group consisting of Group 1 elements and Group 2 elements. ]
高分子電解質のイオン交換容量は、0.5ミリ当量/g以上4.0ミリ当量/g以下の範囲内にあることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の高分子電解質。   3. The polymer electrolyte according to claim 1, wherein the ion exchange capacity of the polymer electrolyte is in the range of 0.5 meq / g or more and 4.0 meq / g or less. プロトン酸基以外の部位が架橋剤で架橋され、架橋構造を有することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の高分子電解質。   The polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein a site other than the protonic acid group is crosslinked with a crosslinking agent to have a crosslinked structure. 電極触媒層と、
前記電極触媒層に接合される固体高分子電解質膜と、を備え、
前記固体高分子電解質膜は、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の高分子電解質を含むこと
を特徴とする膜電極接合体。
An electrode catalyst layer;
A solid polymer electrolyte membrane joined to the electrode catalyst layer,
The said polymer electrolyte membrane contains the polymer electrolyte as described in any one of Claims 1-4, The membrane electrode assembly characterized by the above-mentioned.
前記固体高分子電解質膜の熱水膨張率が、10%以下であることを特徴とする請求項5に記載の高分子電解質膜電極接合体。   6. The polymer electrolyte membrane electrode assembly according to claim 5, wherein the solid polymer electrolyte membrane has a hot water expansion coefficient of 10% or less. 請求項5または請求項6に記載の膜電極接合体を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 5.
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