JP2016207609A - Composite polymer electrolyte membrane, manufacturing method therefor, membrane electrode assembly and fuel cell - Google Patents

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泰宏 曽田
Yasuhiro Soda
泰宏 曽田
俊介 市村
Shunsuke Ichimura
俊介 市村
北村 幸太
Kota Kitamura
幸太 北村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte membrane having enhanced chemical durability against hydrolytic cleavage and peroxide radical under strong acid conditions, and to provide a membrane/electrode assembly using the polymer electrolyte membrane, and a fuel cell.SOLUTION: A porous base material is filled with a resin composition containing an aromatic polymer electrolyte of a repeated structure having a functional group in a molecular chain generating radical by an active energy beam, and further containing at least one selected from a radical polymerizable compound having a sulphonic acid, and a radical polymerizable compound of bifunctional or higher, and then polymerized by irradiation with an active energy beam thus producing a composite polymer electrolyte membrane, where the polymer electrolyte membrane contains 0.1-7.0 mass% of phosphorus atoms.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、優れた耐久性とプロトン伝導性を有する複合高分子電解質膜及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a composite polymer electrolyte membrane having excellent durability and proton conductivity and a method for producing the same.

高分子固体電解質をイオン伝導体として用いる電気化学的装置の例として、水電解槽や燃料電池を挙げることが出来る。これらに用いられる高分子膜は、カチオン交換膜として高いプロトン伝導率を有すると共に、化学的、熱的、電気化学的および力学的に十分安定なものでなくてはならない。このため、長期にわたり使用できるものとして、従来、パーフルオロカーボンスルホン酸膜が使用されてきた。しかしながら、現在、特に注目されている固体高分子型燃料電池用途においては、燃料である水素ガスの透過が大きいなどの特性面での課題に加え、フッ素を含むため廃棄時の環境汚染や、発電時に発生するフッ酸が燃料電池のシステムを腐食するという問題点が指摘されている。 Examples of electrochemical devices that use polymer solid electrolytes as ion conductors include water electrolyzers and fuel cells. The polymer membrane used for these must have high proton conductivity as a cation exchange membrane and be sufficiently stable chemically, thermally, electrochemically and mechanically. For this reason, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane has been conventionally used as one that can be used for a long period of time. However, in polymer electrolyte fuel cell applications that are currently attracting particular attention, in addition to problems in characteristics such as high permeation of hydrogen gas, which is a fuel, since it contains fluorine, environmental pollution during disposal and power generation It has been pointed out that the hydrofluoric acid generated sometimes corrodes the fuel cell system.

一方、パーフルオロカーボンスルホン酸膜に代わる電解質膜として、ポリエーテルエーテルケトンやポリエーテルスルホン、ポリスルホンなどのポリマーにスルホン酸基などイオン性基を導入した、いわゆる炭化水素系高分子固体電解質が近年盛んに検討されている。しかしながら、炭化水素系高分子固体電解質はパーフルオロカーボンスルホン酸に比べて水和・膨潤しやすく、寸法変化が大きいため、乾燥・湿潤の繰り返しにより破断してしまうなどの機械的な特性に問題があることが指摘されている。 On the other hand, as electrolyte membranes that replace perfluorocarbon sulfonic acid membranes, so-called hydrocarbon polymer solid electrolytes in which ionic groups such as sulfonic acid groups are introduced into polymers such as polyetheretherketone, polyethersulfone, and polysulfone have recently become popular. It is being considered. However, hydrocarbon-based polymer solid electrolytes tend to hydrate and swell compared to perfluorocarbon sulfonic acid, and have large dimensional changes, so there are problems with mechanical properties such as breakage due to repeated drying and wetting. It has been pointed out.

炭化水素系高分子固体電解質膜の機械的強度を向上させる方法として、電解質膜を架橋する方法が挙げられる。ポリアリーレン系電解質存在下にラジカル重合性モノマーを開始剤存在下で反応させた架橋高分子電解質膜(例えば、特許文献1参照)、高分子フィルムにプロトン伝導性基を導入されてなる高分子電解質膜中に多官能性トリアジン化合物、多官能性トリアジン化合物前躯体を含む電解質膜(例えば、特許文献2参照)、イオン性基を有する芳香族電解質に、分子中に2個のアリル基を有するビスマレイミド構造を有する化合物を加えて熱処理した電解質膜(例えば、特許文献3参照)が報告されている。 As a method for improving the mechanical strength of the hydrocarbon-based polymer solid electrolyte membrane, a method of crosslinking the electrolyte membrane can be mentioned. A crosslinked polymer electrolyte membrane obtained by reacting a radical polymerizable monomer in the presence of an initiator in the presence of a polyarylene electrolyte (see, for example, Patent Document 1), and a polymer electrolyte in which a proton conductive group is introduced into the polymer film Bifunctional triazine compounds, electrolyte membranes containing polyfunctional triazine compound precursors (see, for example, Patent Document 2), aromatic electrolytes having ionic groups, bis having two allyl groups in the molecule An electrolyte membrane (for example, see Patent Document 3) that has been heat-treated by adding a compound having a maleimide structure has been reported.

さらに、高分子固体電解質膜の機械的強度を向上させ、寸法変化を抑制する方法として、高分子固体電解質膜に種々の補強材を組み合わせた複合高分子固体電解質膜が提案されており、イオン交換性基を有する重合体を多孔質基材に充填した高分子電解質膜(例えば、特許文献4参照)などが報告されている。 Furthermore, as a method of improving the mechanical strength of the polymer solid electrolyte membrane and suppressing the dimensional change, a composite polymer solid electrolyte membrane in which various reinforcing materials are combined with the polymer solid electrolyte membrane has been proposed. A polymer electrolyte membrane (for example, see Patent Document 4) in which a porous substrate is filled with a polymer having a functional group has been reported.

一方、炭化水素系高分子電解質膜は、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜よりも化学的な耐久性が劣ることが問題となっている。炭化水素系高分子電解質膜は強酸条件下での加水分解による高分子電解質膜の劣化が生じる。また水素を燃料として用いる燃料電池では発電時に電極近傍で過酸化物ラジカル発生し、高分子電解質膜の分解が生じると考えられている。 On the other hand, the hydrocarbon polymer electrolyte membrane has a problem that the chemical durability is inferior to that of the perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membrane. In the hydrocarbon polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane deteriorates due to hydrolysis under strong acid conditions. In a fuel cell using hydrogen as a fuel, it is considered that peroxide radicals are generated in the vicinity of an electrode during power generation and decomposition of the polymer electrolyte membrane occurs.

炭化水素系高分子電解質の化学的な耐久性向上のため、エステル、エーテル、アミド結合のような分解しやすい分子構造を無くし、ポリパラフェニレン構造のような化学的に安定な分子構造を取り入れた炭化水素系高分子電解質(例えば、特許文献5)が報告されている。   In order to improve the chemical durability of hydrocarbon-based polyelectrolytes, chemical structures that are easily decomposed such as polyparaphenylene structures have been removed, and molecular structures that are easily decomposed such as ester, ether, and amide bonds have been eliminated. Hydrocarbon polymer electrolytes (for example, Patent Document 5) have been reported.

しかしながら、かかる発明は強酸条件下での膜分解を抑制することはできたものの、過酸化物ラジカルに対しての耐久性においては、まだ十分ではない。 However, although this invention has been able to suppress membrane decomposition under strong acid conditions, it is still not sufficient in terms of durability against peroxide radicals.

過酸化物ラジカルに対しての耐久性付与の手法として高分子電解質膜中へのリン化合物導入(例えば、特許文献6)が報告されている。 As a technique for imparting durability to peroxide radicals, introduction of a phosphorus compound into a polymer electrolyte membrane (for example, Patent Document 6) has been reported.

特開2003−82012号公報JP 2003-82012 A 特開2007−335264号公報JP 2007-335264 A 特開2007−63532号広報Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2007-63532 特開2010−40530号公報JP 2010-40530 A 特開2015−38866号公報JP2015-38866A 特開2000−11755号公報JP 2000-11755 A

本発明は、かかる従来技術の課題を背景になされたものである。すなわち、本発明の目的は、強酸条件下での加水分解および過酸化物ラジカルに対する化学的耐久性を向上させた高分子電解質膜と、該高分子電解質膜を用いた膜/電極接合体、燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made against the background of such prior art problems. That is, an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane having improved chemical durability against hydrolysis and peroxide radicals under strong acid conditions, a membrane / electrode assembly using the polymer electrolyte membrane, and a fuel To provide a battery.

本発明者らは鋭意検討した結果、以下に示す手段により、上記課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、以下の構成からなる。
下記化学式1および下記化学式2で示される繰り返し構造を有する芳香族高分子電解質を含み、更にスルホン酸を有するラジカル重合性化合物、ホスホン酸を有するラジカル重合性化合物、2官能以上のラジカル重合性化合物から選ばれる少なくとも一つを含む樹脂組成物を多孔質基材中に充填した後、活性エネルギー線照射により重合した複合高分子電解質膜であって、高分子電解質がリン原子を0.1〜7.0質量%含むことを特徴とする複合高分子電解質膜。
As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above problems can be solved by the following means, and have reached the present invention.
That is, this invention consists of the following structures.
A radical polymerizable compound having a repeating structure represented by the following chemical formula 1 and the following chemical formula 2 and further having a sulfonic acid, a radical polymerizable compound having a phosphonic acid, and a bifunctional or higher functional radical polymerizable compound A composite polymer electrolyte membrane obtained by filling a porous substrate with a resin composition containing at least one selected, and then polymerizing by irradiation with active energy rays, wherein the polymer electrolyte contains 0.1 to 7 phosphorus atoms. A composite polymer electrolyte membrane comprising 0% by mass.


(式中、R1、R2は水素、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数6〜20のアリール基のいずれかであり、R1、R2は同一であっても異なっていてもよい。R3は炭素数1〜20のアルキル基または置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基のいずれかを示す。R3が置換基を有する場合、該置換基は水素、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数6〜20のアリール基のいずれかであり、該置換基を複数有する場合はそれらの置換基は同一であっても異なっていてもよい。a、bは1〜4の整数を示す。p、qは、p+q=1を満たす0または1である。)

Wherein R 1 and R 2 are any one of hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, and R 1 and R 2 may be the same or different. R 3 represents either an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or an aryl group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, and when R 3 has a substituent, the substituent is hydrogen. , Any one of an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms and an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, and when having a plurality of the substituents, the substituents may be the same or different. b represents an integer of 1 to 4. p and q are 0 or 1 satisfying p + q = 1.)


(式中、m、nは正の整数、m+n=5〜1000を示す。R4は水素、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数6〜20のアリール基のいずれかであり、置換基は同一であっても異なっていてもよい。rは1または2であり、dは4−rを示す。AはOR5もしくはN(R6)(R7)を示し、R5は水素、アルカリ金属、炭素数1〜20のアルキル基のいずれかを示し、R6及びR7は水素または炭素数1〜20のアルキル基のいずれかであり、R6及びR7は同一であっても異なっていてもよい。)
(2)前記高分子電解質がリン原子を0.5〜7.0質量%含む複合高分子電解質膜。
(3)前記ホスホン酸を有するラジカル重合性化合物が下記化学式3で示される化合物である複合高分子電解質膜。

(In the formula, m and n are positive integers and m + n = 5 to 1000. R 4 is any one of hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and an aryl group having 6 to 20 carbon atoms. May be the same or different, r is 1 or 2, d is 4-r, A is OR 5 or N (R 6 ) (R 7 ), R 5 is hydrogen, An alkali metal, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, R 6 and R 7 are either hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and R 6 and R 7 may be the same May be different.)
(2) The composite polymer electrolyte membrane in which the polymer electrolyte contains 0.5 to 7.0% by mass of phosphorus atoms.
(3) A composite polymer electrolyte membrane, wherein the radical polymerizable compound having phosphonic acid is a compound represented by the following chemical formula 3.


(式中、R8は水素、炭素数1〜20のアルキル基のいずれかである。R9は直接結合、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数6〜20のアリール基のいずれかである。tは1〜5のいずれかである。)BはOR10もしくはN(R11)(R12)を示し、R10は水素、アルカリ金属、炭素数1〜20のアルキル基のいずれかを示し、R11及びR12は水素または炭素数1〜20のアルキル基のいずれかであり、R11及びR12は同一であっても異なっていてもよい。)
(4)前記ホスホン酸を有するラジカル重合性化合物がビニルホスホン酸である複合高分子電解質膜。
(5)前記多孔質基材の材質が高分子材料であることを特徴とする複合高分子電解質膜。
(6)前記高分子電解質膜のイオン交換容量が1.5meq/g〜6.0meq/gであることを特徴とする複合高分子電解質膜。
(7)複合高分子電解質膜を用いた燃料電池用高分子電解質膜電極接合体。
(8)高分子電解質膜電極接合体を用いた燃料電池。

(In the formula, R 8 is either hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms. R 9 is any of a direct bond, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and an aryl group having 6 to 20 carbon atoms. T is any one of 1 to 5.) B represents OR 10 or N (R 11 ) (R 12 ), and R 10 is any one of hydrogen, an alkali metal, and an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms. R 11 and R 12 are either hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and R 11 and R 12 may be the same or different. )
(4) A composite polymer electrolyte membrane in which the radically polymerizable compound having phosphonic acid is vinylphosphonic acid.
(5) The composite polymer electrolyte membrane, wherein the porous substrate is made of a polymer material.
(6) The composite polymer electrolyte membrane, wherein the polymer electrolyte membrane has an ion exchange capacity of 1.5 meq / g to 6.0 meq / g.
(7) A polymer electrolyte membrane electrode assembly for a fuel cell using a composite polymer electrolyte membrane.
(8) A fuel cell using a polymer electrolyte membrane electrode assembly.

本発明により、下記化学式1および下記化学式2で示される繰り返し構造を有することを特徴とする芳香族高分子電解質と共重合されたホスホン酸化合物のリン原子により過酸化物ラジカルが化学的に安定な化学種になるため過酸化物ラジカルによる複合高分子電解質膜の分解を抑制することができる。   According to the present invention, a peroxide radical is chemically stable by a phosphorus atom of a phosphonic acid compound copolymerized with an aromatic polymer electrolyte having a repeating structure represented by the following chemical formula 1 and the following chemical formula 2. Since it becomes a chemical species, decomposition of the composite polymer electrolyte membrane by peroxide radicals can be suppressed.

以下、本発明を詳述する。
本発明における芳香族系高分子電解質はその分子鎖中に活性エネルギー線によりラジカルを発生する官能基を有していることが好ましく、特に構造を限定されるものではないが、プロトン伝導性や耐久性の観点から化学式1および化学式2で示される繰り返し構造を有することが好ましい。
The present invention is described in detail below.
The aromatic polyelectrolyte in the present invention preferably has a functional group that generates radicals by active energy rays in its molecular chain, and the structure is not particularly limited. From the viewpoint of safety, it is preferable to have a repeating structure represented by Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2.


(式中、R1、R2は水素、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数6〜20のアリール基のいずれかであり、R1、R2は同一であっても異なっていてもよい。R3は炭素数1〜20のアルキル基または置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基のいずれかを示す。R3が置換基を有する場合、該置換基は水素、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数6〜20のアリール基のいずれかであり、該置換基を複数有する場合はそれらの置換基は同一であっても異なっていてもよい。a、bは1〜4の整数を示す。p、qは、p+q=1を満たす0または1である。)

Wherein R 1 and R 2 are any one of hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, and R 1 and R 2 may be the same or different. R 3 represents either an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or an aryl group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, and when R 3 has a substituent, the substituent is hydrogen. , Any one of an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms and an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, and when having a plurality of the substituents, the substituents may be the same or different. b represents an integer of 1 to 4. p and q are 0 or 1 satisfying p + q = 1.)


(式中、m、nは正の整数、m+n=5〜1000を示す。R4は水素、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数6〜20のアリール基のいずれかであり、置換基は同一であっても異なっていてもよい。rは1または2であり、dは4−rを示す。AはOR5もしくはN(R6)(R7)を示し、R5は水素、アルカリ金属、炭素数1〜20のアルキル基のいずれかを示し、R6及びR7は水素または炭素数1〜20のアルキル基のいずれかであり、R6及びR7は同一であっても異なっていてもよい。)

(In the formula, m and n are positive integers and m + n = 5 to 1000. R 4 is any one of hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and an aryl group having 6 to 20 carbon atoms. May be the same or different, r is 1 or 2, d is 4-r, A is OR 5 or N (R 6 ) (R 7 ), R 5 is hydrogen, An alkali metal, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, R 6 and R 7 are either hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and R 6 and R 7 may be the same May be different.)

m+n=5〜1000としたが、m+n<5では、電解質膜としての形状を保つことが困難である。一方、m+n>1000は重合することが容易ではない。より好ましくはm+n=10〜500である。 Although m + n = 5 to 1000, when m + n <5, it is difficult to maintain the shape as the electrolyte membrane. On the other hand, m + n> 1000 is not easy to polymerize. More preferably, m + n = 10 to 500.

mおよびnの比率は、特に制限されるものではないが、複合高分子電解質膜製膜後のプロトン伝導性や架橋反応性の面から、m/n(モル分率)で0.95/0.05〜0.6/0.4であることが好ましく、0.9/0.1〜0.75/0.25であることがより好ましい。これらの値はNMRなどの一般的な手法により求めることができる。 The ratio of m and n is not particularly limited, but is 0.95 / 0 in terms of m / n (molar fraction) from the viewpoint of proton conductivity and cross-linking reactivity after the formation of the composite polymer electrolyte membrane. 0.05 to 0.6 / 0.4 is preferable, and 0.9 / 0.1 to 0.75 / 0.25 is more preferable. These values can be obtained by a general method such as NMR.

化学式2で示される構造を有する芳香族系高分子電解質のイオン交換容量(IEC)は特に制限されるものではないが、プロトン伝導性の観点から3.0meq/g以上であれば良い。ただし、IECが高すぎると膨潤が大きくなるなどの問題があるため、実質的に3.0〜8.4meq/gであることが好ましく、中でも3.5〜8.0meq/gがより好ましく、4.0〜7.5meq/gが最も好ましい。
ここで、イオン交換容量とは、乾燥した高分子電解質膜1グラムあたりに導入されたイオン交換基量であり、値が大きいほどイオン交換基の量が多いことを示す。例えば、スルホン酸基とした場合、スルホン酸基密度(meq/g)の値として示すことができる。イオン交換容量は、キャピラリー電気泳動、元素分析、中和滴定などにより求めることが可能である。これらの中でも測定の容易さから、中和滴定法によりイオン交換容量を求めることが好ましい。本発明のイオン交換容量は中和滴定法により測定した値を用いるが、他の方法でも大きな差はなく採用可能である。
The ion exchange capacity (IEC) of the aromatic polymer electrolyte having the structure represented by Chemical Formula 2 is not particularly limited, but may be 3.0 meq / g or more from the viewpoint of proton conductivity. However, if the IEC is too high, there is a problem that the swelling becomes large. Therefore, it is preferably substantially 3.0 to 8.4 meq / g, and more preferably 3.5 to 8.0 meq / g. 4.0-7.5 meq / g is most preferred.
Here, the ion exchange capacity is the amount of ion exchange groups introduced per gram of the dried polymer electrolyte membrane, and the larger the value, the greater the amount of ion exchange groups. For example, when a sulfonic acid group is used, it can be shown as a value of sulfonic acid group density (meq / g). The ion exchange capacity can be determined by capillary electrophoresis, elemental analysis, neutralization titration, and the like. Among these, it is preferable to obtain the ion exchange capacity by a neutralization titration method because of ease of measurement. A value measured by the neutralization titration method is used for the ion exchange capacity of the present invention, but other methods can be used without significant difference.

化学式2のAr、Arはそれぞれ化学式3、4で示される構造が好ましい。 Ar 1 and Ar 2 in Chemical Formula 2 preferably have structures represented by Chemical Formulas 3 and 4, respectively.


(化学式3中、m、nは化学式1で定義したものと同じ意味を表す。R、Rは水素、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数6〜20のアリール基のいずれかであり、R、Rは同一であっても異なっていてもよい。Rは炭素数1〜20のアルキル基または置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基のいずれかを示す。Rの置換基は水素、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数6〜20のアリール基のいずれかであり、その置換基は同一であっても異なっていてもよい。a、bは1〜4の整数を示す。p、qは0または1であり、p+q=1を示す。化学式4中、mは化学式1で定義したものと同じ意味を表す。Rは水素、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数6〜20のアリール基のいずれかであり、置換基は同一であっても異なっていてもよい。rは1または2であり、dは4−rを示す。AはOR、NR を示し、Rは水素、アルカリ金属、炭素数1〜20のアルキル基を示し、Rは水素または炭素数1〜20のアルキル基を示す)

(In Chemical Formula 3, m and n represent the same meaning as defined in Chemical Formula 1. R 1 and R 2 are either hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 20 carbon atoms. R 1 and R 2 may be the same or different, and R 3 is either an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or an aryl group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent. The substituent of R 3 is any one of hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, and the substituents may be the same or different. , B represents an integer of 1 to 4. p and q are 0 or 1, and p + q = 1, wherein m represents the same meaning as defined in Chemical Formula 1. R 4 represents hydrogen, It is either an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, and the substituent is the same. 1 or 2 .r may be different even, .A showing a d is 4-r represents an OR 5, NR 6 2, R 5 is hydrogen, an alkali metal, C1-20 And R 6 represents hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms)

〜Rのうち前記炭素数1〜20 のアルキル基として、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、2,2−ジメチルプロピル基、n−ヘキシル基、シクロヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基、n−ノニル基、n−デシル基、n−ドデシル基、n−トリデシル基、n−テトラデシル基、n−ペンタデシル基、n−ヘキサデシル基、n−ヘプタデシル基、n−オクタデシル基、n−ノナデシル基、n−イコシル基、1,3−ブタジエン−1,4−ジイル基、ブタン−1,4−ジイル基、ペンタン−1,5−ジイル基等が挙げられる。炭素数6〜20のアリール基として、フェニル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基、3−フェナントリル基、2−アントリル基等の直鎖状、枝分かれ状、環状のいずれかのものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。 As the alkyl group having 1 to 20 carbon atoms among R 1 to R 4 , a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group, a tert-butyl group, n-pentyl group, 2,2-dimethylpropyl group, n-hexyl group, cyclohexyl group, n-heptyl group, n-octyl group, n-nonyl group, n-decyl group, n-dodecyl group, n-tridecyl group N-tetradecyl group, n-pentadecyl group, n-hexadecyl group, n-heptadecyl group, n-octadecyl group, n-nonadecyl group, n-icosyl group, 1,3-butadiene-1,4-diyl group, butane A -1,4-diyl group, a pentane-1,5-diyl group and the like can be mentioned. Examples of the aryl group having 6 to 20 carbon atoms include linear, branched, and cyclic groups such as a phenyl group, a 1-naphthyl group, a 2-naphthyl group, a 3-phenanthryl group, and a 2-anthryl group. However, it is not limited to these.

〜Rがそれぞれ複数の場合、R〜Rは同一の基であってもいいし、異なる基であってもよい。 When R 1 to R 4 are a plurality of each, to R 1 to R 4 it is good to be the same group or may be different groups.

化学式3においてa、bは1〜4の整数を示し、p、qは0または1であり、p+q=1を示す。すなわち、p=1かつq=0またはp=0かつq=1のいずれかである。 In Chemical Formula 3, a and b are integers of 1 to 4, p and q are 0 or 1, and p + q = 1. That is, either p = 1 and q = 0 or p = 0 and q = 1.

化学式4において、rは1または2、dは4−rを示し、rは1、dは3が好ましい。 In Chemical Formula 4, r is 1 or 2, d is 4-r, r is 1, and d is preferably 3.

化学式4において、AがORであり、Rの80%以上が水素またはアルカリ金属であり、好ましくは90%以上が水素またはアルカリ金属である。 In Chemical Formula 4, A is OR 5 , 80% or more of R 5 is hydrogen or an alkali metal, and preferably 90% or more is hydrogen or an alkali metal.

以下、本発明の芳香族系高分子電解質の製造方法について説明する。 Hereafter, the manufacturing method of the aromatic polymer electrolyte of this invention is demonstrated.

化学式2の構造を有する芳香族系高分子電解質を製造するための原料化合物のひとつとして、化学式5に示される置換基を有してもよいジハロベンゼン化合物が挙げられる。 As one of raw material compounds for producing an aromatic polymer electrolyte having a structure of Chemical Formula 2, a dihalobenzene compound which may have a substituent represented by Chemical Formula 5 is given.


(式中、X、Yはフッ素を除くハロゲン原子であり、X、Yはそれぞれ同一でも異なってもよい。R〜R、a、b、p、qは上記で定義したものと同じ意味を表す。)

(In the formula, X and Y are halogen atoms excluding fluorine, and X and Y may be the same or different. R 1 to R 3 , a, b, p, and q have the same meaning as defined above. Represents.)

具体的には、置換基を有してよい2,4−ジクロロベンゾフェノン、2,5−ジクロロベンゾフェノン、3,4−ジクロロベンゾフェノン、2,4’−ジクロロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、2,4−ジブロモベンゾフェノン、2,5−ジブロモベンゾフェノン、3,4−ジブロモベンゾフェノン、2,4’−ジブロモベンゾフェノン、4,4’−ジブロモベンゾフェノンが挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Specifically, 2,4-dichlorobenzophenone, 2,5-dichlorobenzophenone, 3,4-dichlorobenzophenone, 2,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, 2,4 which may have a substituent, 2 , 4-dibromobenzophenone, 2,5-dibromobenzophenone, 3,4-dibromobenzophenone, 2,4′-dibromobenzophenone, 4,4′-dibromobenzophenone, but are not limited thereto.

中でも、置換基を有してもよい2,5−ジクロロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノンが好ましい。 Of these, 2,5-dichlorobenzophenone and 4,4′-dichlorobenzophenone which may have a substituent are preferable.

さらに化学式2の構造を有する芳香族系高分子電解質を製造するための原料化合物のひとつとして、化学式6に示される置換基を有してもよいジハロベンゼンスルホン酸エステルが挙げられる。 Furthermore, as one of raw material compounds for producing an aromatic polymer electrolyte having the structure of Chemical Formula 2, a dihalobenzenesulfonic acid ester which may have a substituent represented by Chemical Formula 6 may be mentioned.


(式中、X、Yはフッ素を除くハロゲン原子であり、X、Yはそれぞれ同一でも異なってもよい。Rは水素、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数6〜20のアリール基のいずれかであり、置換基は同一であっても異なっていてもよい。sは1または2であり、eは4−sを示す。BはOR13またはNR14 で表され、R13は水素または炭素数1〜20のアルキル基のいずれかを示し、R14は水素または炭素数1〜20のアルキル基のいずれかを示す。)

(In the formula, X and Y are halogen atoms excluding fluorine, and X and Y may be the same or different. R 7 is hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 20 carbon atoms. The substituents may be the same or different, s is 1 or 2, e is 4-s, B is represented by OR 13 or NR 14 2 , and R 13 Represents either hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and R 14 represents either hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms.)

具体的には、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸イソプロピル、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸イソブチル、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸(2,2−ジメチルプロピル) 、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸シクロヘキシル、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸n−オクチル、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸n−ペンタデシル、2,5−ジクロロジクロロベンゼンスルホン酸n−イコシル、3,5−ジクロロベンゼンスルホン酸イソプロピル、3,5−ジクロロベンゼンスルホン酸イソブチル、3,5−ジクロロベンゼンスルホン酸(2,2−ジメチルプロピル)、3,5−ジクロロベンゼンスルホン酸シクロヘキシル、3,5−ジクロロベンゼンスルホン酸n−オクチル、3,5−ジクロロベンゼンスルホン酸n−ペンタデシル、3,5−ジクロロベンゼンスルホン酸n−イコシル、2,5−ジブロモベンゼンスルホン酸イソプロピル、2,5−ジブロモベンゼンスルホン酸イソブチル、2,5−ジブロモベンゼンスルホン酸(2,2−ジメチルプロピル) 、2,5−ジブロモベンゼンスルホン酸シクロヘキシル、2,5−ジブロモベンゼンスルホン酸n−オクチル、2,5−ジブロモベンゼンスルホン酸n−ペンタデシル、2,5−ジブロモベンゼンスルホン酸n−イコシル、3,5−ジブロモベンゼンスルホン酸イソプロピル、3,5−ジブロモベンゼンスルホン酸イソブチル、3,5−ジブロモベンゼンスルホン酸(2,2−ジメチルプロピル) 、3,5−ジブロモベンゼンスルホン酸シクロヘキシル、3,5−ジブロモベンゼンスルホン酸n−オクチル、3,5−ジブロモベンゼンスルホン酸n−ペンタデシル、3,5−ジブロモベンゼンスルホン酸n−イコシル、2,4−ジクロロベンゼンスルホン酸(2,2−ジメチルプロピル)、2,4−ジブロモベンゼンスルホン酸(2,2−ジメチルプロピル)が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Specifically, isopropyl 2,5-dichlorobenzenesulfonate, isobutyl 2,5-dichlorobenzenesulfonate, 2,5-dichlorobenzenesulfonate (2,2-dimethylpropyl), 2,5-dichlorobenzenesulfonate Cyclohexyl, n-octyl 2,5-dichlorobenzenesulfonate, n-pentadecyl 2,5-dichlorobenzenesulfonate, n-icosyl 2,5-dichlorobenzenesulfonate, isopropyl 3,5-dichlorobenzenesulfonate, 3 , Isobutyl 3,5-dichlorobenzenesulfonate, 3,5-dichlorobenzenesulfonic acid (2,2-dimethylpropyl), cyclohexyl 3,5-dichlorobenzenesulfonate, n-octyl 3,5-dichlorobenzenesulfonate, 3, 5-dichlorobenzenesulfone n-pentadecyl, n-icosyl 3,5-dichlorobenzenesulfonate, isopropyl 2,5-dibromobenzenesulfonate, isobutyl 2,5-dibromobenzenesulfonate, 2,5-dibromobenzenesulfonate (2,2-dimethyl) Propyl), cyclohexyl 2,5-dibromobenzenesulfonate, n-octyl 2,5-dibromobenzenesulfonate, n-pentadecyl 2,5-dibromobenzenesulfonate, n-icosyl 2,5-dibromobenzenesulfonate, 3 , 5-Dibromobenzenesulfonate isopropyl, 3,5-dibromobenzenesulfonate isobutyl, 3,5-dibromobenzenesulfonate (2,2-dimethylpropyl), cyclohexyl 3,5-dibromobenzenesulfonate, 3,5- Dibromobenzenesulfone n-octyl, n-pentadecyl 3,5-dibromobenzenesulfonate, n-icosyl 3,5-dibromobenzenesulfonate, 2,4-dichlorobenzenesulfonate (2,2-dimethylpropyl), 2,4-dibromo Examples include, but are not limited to, benzenesulfonic acid (2,2-dimethylpropyl).

中でも2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸(2,2−ジメチルプロピル)、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸イソブチル、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸シクロヘキシルが好ましい。 Of these, 2,5-dichlorobenzenesulfonic acid (2,2-dimethylpropyl), isobutyl 2,5-dichlorobenzenesulfonate, and cyclohexyl 2,5-dichlorobenzenesulfonate are preferable.

上記原料を用いてカップリング重合する際に、ニッケル化合物、配位子、還元剤の触媒系で重合することができる。 When coupling polymerization is performed using the above raw materials, the polymerization can be performed with a catalyst system of a nickel compound, a ligand, and a reducing agent.

ニッケル化合物として、ニッケル(0)ビス(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)等のゼロ価ニッケル化合物、フッ化ニッケル、塩化ニッケル、臭化ニッケル、ヨウ化ニッケル等のハロゲン化ニッケル、ギ酸ニッケル、酢酸ニッケル等のニッケルカルボン酸塩、硫酸ニッケル、炭酸ニッケル、硝酸ニッケル、ニッケルアセチルアセトナート、ビス( トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド等の2価ニッケル化合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。中でも、ニッケル(0)ビス(シクロオクタジエン)、ハロゲン化ニッケル、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリドが好ましい。 As nickel compounds, nickel (0) bis (cyclooctadiene), nickel (0) (ethylene) bis (triphenylphosphine), nickel (0) tetrakis (triphenylphosphine) and other zerovalent nickel compounds, nickel fluoride, Nickel halides such as nickel chloride, nickel bromide and nickel iodide, nickel carboxylates such as nickel formate and nickel acetate, nickel sulfate, nickel carbonate, nickel nitrate, nickel acetylacetonate, bis (triphenylphosphine) nickel dichloride Examples of the divalent nickel compound include, but are not limited to. Among these, nickel (0) bis (cyclooctadiene), nickel halide, and bis (triphenylphosphine) nickel dichloride are preferable.

ニッケル化合物の使用量はモノマーに対して0.01〜500mol%がよく、ニッケル化合物の使用量が多すぎると分子量が小さくなる傾向にある。また精製が困難かつコスト的な問題から実用的には100mol%以下である。一方、少なすぎると系中に存在する水の影響により触媒能がなくなる可能性があり、実用的には1mol%以上である。すなわち、1〜100mol%が好ましい。 The used amount of the nickel compound is preferably 0.01 to 500 mol% with respect to the monomer, and if the used amount of the nickel compound is too large, the molecular weight tends to decrease. Further, it is practically 100 mol% or less due to difficulty in purification and cost. On the other hand, if the amount is too small, the catalytic ability may be lost due to the influence of water present in the system, and it is practically 1 mol% or more. That is, 1 to 100 mol% is preferable.

配位子として、含窒素ニ座配位子またはリン配位子が挙げられる。含窒素二座配位子としては2,2’−ビピリジン、1,10−フェナントロリン、メチレンビスオキサゾリン、N,N’−テトラメチルエチレンジアミン等が挙げられ、2,2’−ビピリジンが好ましい。一方、リン配位子としてはトリフェニルホスフィン、トリス(o−トリル)ホスフィン、トリス(m−トリル)ホスフィン、トリス(p−トリル)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、1,4−ビス(ジフェニルホスフィノ)ブタン、1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセンが挙げられるが、これらに限定されるものではない。中でも、トリフェニルホスフィン、トリス(o−トリル)ホスフィン、トリス(m−トリル)ホスフィン、トリス(p−トリル)ホスフィンが好ましい。配位子の使用量はニッケル化合物に対して、含窒素ニ座配位子は0.5〜8.0当量、好ましくは1.0〜4.0当量である。 Examples of the ligand include nitrogen-containing bidentate ligands and phosphorus ligands. Examples of the nitrogen-containing bidentate ligand include 2,2'-bipyridine, 1,10-phenanthroline, methylenebisoxazoline, N, N'-tetramethylethylenediamine, and 2,2'-bipyridine is preferable. On the other hand, as the phosphorus ligand, triphenylphosphine, tris (o-tolyl) phosphine, tris (m-tolyl) phosphine, tris (p-tolyl) phosphine, 1,2-bis (diphenylphosphino) ethane, 1, Examples include 3-bis (diphenylphosphino) propane, 1,4-bis (diphenylphosphino) butane, 1,4-bis (diphenylphosphino) butane, and 1,1′-bis (diphenylphosphino) ferrocene. However, it is not limited to these. Of these, triphenylphosphine, tris (o-tolyl) phosphine, tris (m-tolyl) phosphine, and tris (p-tolyl) phosphine are preferable. The amount of the ligand used is 0.5 to 8.0 equivalents, preferably 1.0 to 4.0 equivalents, of the nitrogen-containing bidentate ligand relative to the nickel compound.

還元剤としては亜鉛を用いることができるが、限定されるものではない。使用量は通常モノマーに対して1当量以上であり、上限は設けない。実用的には重合後の精製を考慮すると5当量以下、好ましくは2当量以下である。 Zinc can be used as the reducing agent, but is not limited thereto. The amount used is usually 1 equivalent or more with respect to the monomer, and there is no upper limit. Practically, in consideration of purification after polymerization, it is 5 equivalents or less, preferably 2 equivalents or less.

重合溶媒としては、モノマー組成物及び生成するポリアリーレンが溶解し得る溶媒であればよい。そのような溶媒の具体例としては、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素溶媒、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン等のエーテル溶媒、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の非プロトン性極性溶媒、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロホルム等のハロゲン化炭化水素溶媒等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。溶媒は単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。中でもエーテル溶媒及び非プロトン性極性溶媒が好ましく、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン及びN,N−ジメチルアセトアミドがより好ましい。溶媒の使用量は、多すぎると分子量の小さなポリアリーレンが得られやすく、少なすぎるとモノマー組成物及び生成するポリアリーレンの溶解性の観点から好ましくない。モノマー組成物中のモノマーに対して、通常1〜200重量倍、好ましくは5〜100重量倍である。 The polymerization solvent may be any solvent that can dissolve the monomer composition and the polyarylene to be produced. Specific examples of such solvents include aromatic hydrocarbon solvents such as toluene and xylene, ether solvents such as tetrahydrofuran and 1,4-dioxane, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide. And aprotic polar solvents such as N, N-dimethylacetamide, and halogenated hydrocarbon solvents such as dichloromethane, dichloroethane, and chloroform, but are not limited thereto. A solvent may be used independently and may be used in mixture of 2 or more types. Of these, ether solvents and aprotic polar solvents are preferable, and tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone and N, N-dimethylacetamide are more preferable. When the amount of the solvent used is too large, polyarylene having a small molecular weight is easily obtained, and when the amount is too small, it is not preferable from the viewpoint of the solubility of the monomer composition and the resulting polyarylene. It is 1-200 weight times normally with respect to the monomer in a monomer composition, Preferably it is 5-100 weight times.

反応は通常、窒素ガス等の不活性ガスの雰囲気下で実施することが好ましいが、これらに限定されるものではない。重合時間は0.5時間〜48時間以内で行い、反応温度は室温〜溶媒の沸点までで行うことができ、特に制限されない。 Usually, the reaction is preferably carried out in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen gas, but is not limited thereto. The polymerization time is 0.5 hours to 48 hours, and the reaction temperature can be from room temperature to the boiling point of the solvent, and is not particularly limited.

反応後は酸性水溶液に再沈し、有機溶媒で精製することでポリマー中間体を合成する。目的のポリアリーレン以外の化合物を溶解し且つ目的のポリアリーレンを溶解しない溶媒または溶解しにくい溶媒により精製する。反応混合物を上記溶媒と混合して目的のポリアリーレンのみを析出させ、濾過を行うことで、目的のポリアリーレンを取り出すことができる。得られたポリアリーレンの分子量や構造は、ゲル浸透クロマトグラフィー、NMR等の通常の分析手段により分析することができる。上記酸性水溶液としては塩酸が好ましく、上記有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、2−プロパノールなどのアルコール類またはアセトン、アセトニトリル等が挙げられ、2−プロパノールおよびアセトンが好ましい。 After the reaction, the polymer intermediate is synthesized by reprecipitation in an acidic aqueous solution and purification with an organic solvent. Purification is performed with a solvent that dissolves a compound other than the target polyarylene and does not dissolve the target polyarylene or is difficult to dissolve. The target polyarylene can be taken out by mixing the reaction mixture with the solvent to precipitate only the target polyarylene and performing filtration. The molecular weight and structure of the obtained polyarylene can be analyzed by ordinary analysis means such as gel permeation chromatography and NMR. Hydrochloric acid is preferable as the acidic aqueous solution, and examples of the organic solvent include alcohols such as methanol, ethanol and 2-propanol, acetone and acetonitrile, and 2-propanol and acetone are preferable.

続いて、脱保護、酸変換する方法に関して説明する。 Subsequently, a method for deprotection and acid conversion will be described.

スルホン酸エステルは通常、酸またはアルカリによる加水分解もしくはアルカリ金属ハロゲン化物またはハロゲン化第四級アンモニウムと反応させ、次いで酸処理する方法が挙げられる。今回製造する水溶性ポリアリーレンスルホン酸類は通常の方法で実施すると、酸またはアルカリ水溶液に溶解し、目的とするポリマーを得ることができない。 The sulfonic acid ester is usually hydrolyzed with an acid or an alkali or reacted with an alkali metal halide or a quaternary ammonium halide, and then treated with an acid. The water-soluble polyarylene sulfonic acids produced this time are dissolved in an acid or alkaline aqueous solution when carried out by a usual method, and the desired polymer cannot be obtained.

そこで、アルカリ金属ハロゲン化物またはアミン塩酸塩を反応させ、次いで固体酸により酸処理する方法が挙げられる。アルカリ金属ハロゲン化物としては、例えば、臭化リチウム、ヨウ化ナトリウム等が挙げられ、アミン塩酸塩としては、トリメチルアミン塩酸塩、トリエチルアミン塩酸塩等が挙げられ、臭化リチウム及びトリメチルアミン塩酸塩が好ましい。使用量はポリマー中のスルホン酸エステルに対して1.1〜10当量、好ましくは2〜8当量である。 Therefore, a method of reacting an alkali metal halide or amine hydrochloride and then acid-treating with a solid acid can be mentioned. Examples of the alkali metal halide include lithium bromide and sodium iodide. Examples of the amine hydrochloride include trimethylamine hydrochloride and triethylamine hydrochloride. Lithium bromide and trimethylamine hydrochloride are preferable. The amount used is 1.1 to 10 equivalents, preferably 2 to 8 equivalents, relative to the sulfonic acid ester in the polymer.

反応に使用する溶媒は脱保護剤およびポリマーが溶解することが条件として挙げられる。そのような溶媒としてN−メチルピロリドン等の非プロトン性極性溶媒が挙げられる。反応温度は通常、0〜200℃、好ましくは80〜160℃である。 The solvent used for the reaction may be a condition that the deprotecting agent and the polymer are dissolved. Examples of such a solvent include aprotic polar solvents such as N-methylpyrrolidone. The reaction temperature is usually 0 to 200 ° C, preferably 80 to 160 ° C.

反応後の溶液中にはスルホン酸アンモニウム型またはスルホン酸金属塩型に変換されたポリマー、脱保護剤の反応残渣、反応溶媒が存在しているために精製を行う必要がある。精製に用いる溶媒として、スルホン酸アンモニウム型またはスルホン酸金属塩型に変換されたポリマーが溶解せず脱保護剤の反応残渣が溶解する溶媒、またはスルホン酸アンモニウム型またはスルホン酸金属塩型に変換されたポリマーが溶解し脱保護剤の反応残渣が溶解しない溶媒が求められる。生成したポリマーが溶解せず脱保護剤の反応残渣が溶解する溶媒としてハロゲン化炭化水素溶媒等が挙げられる。中でもクロロホルムが好ましい。 In the solution after the reaction, a polymer converted into an ammonium sulfonate type or a metal salt of sulfonic acid, a reaction residue of a deprotecting agent, and a reaction solvent are present, and thus purification is necessary. The solvent used for purification is a solvent in which the polymer converted to ammonium sulfonate type or sulfonic acid metal salt type does not dissolve and the reaction residue of the deprotecting agent dissolves, or converted to ammonium sulfonate type or metal sulfonate type. Therefore, a solvent in which the polymer is dissolved but the deprotectant reaction residue is not dissolved is required. A halogenated hydrocarbon solvent etc. are mentioned as a solvent in which the produced | generated polymer does not melt | dissolve but the reaction residue of a deprotecting agent melt | dissolves. Of these, chloroform is preferred.

スルホン酸アンモニウム型またはスルホン酸金属塩型に変換されたポリマーを酸変換する方法として、固体酸を用いる方法が挙げられる。固体酸として陽イオン交換樹脂がよい。陽イオン交換樹脂の使用量は陽イオン交換樹脂のイオン交換容量に依存するが、平衡反応であるため目的のポリマーのイオン交換容量の10倍以上の相当量が必要とされる。特に上限は設けないが、実用的には20倍以下である。 As a method for acid-converting a polymer converted into an ammonium sulfonate type or a metal salt of sulfonic acid, a method using a solid acid can be mentioned. A cation exchange resin is preferred as the solid acid. The amount of the cation exchange resin used depends on the ion exchange capacity of the cation exchange resin, but since it is an equilibrium reaction, a considerable amount more than 10 times the ion exchange capacity of the target polymer is required. Although there is no particular upper limit, it is practically 20 times or less.

固体酸が分散したポリマー水溶液から固体酸をろ別し、ポリマー水溶液を濃縮し乾燥する事により目的とするポリマーを製造することができる。 The target polymer can be produced by filtering the solid acid from the polymer aqueous solution in which the solid acid is dispersed, concentrating the polymer aqueous solution and drying.

本発明におけるスルホン酸およびホスホン酸を有する化合物は活性エネルギー線によりラジカル重合する。ここで、活性エネルギー線とはその照射によりラジカル重合性組成物中において開始種を発生させうるエネルギーを付与することができるものであれば、特に制限はなく、α線、γ線、X線などの高エネルギー放射線、紫外線、可視光線、赤外線などの紫外線から赤外線に至る光線、電子線などの粒子線を広く包含するものである。なかでも、電子線照射は2級および3級炭素間での架橋反応が可能であり、炭素―水素結合を有する高分子主鎖および側鎖、直鎖もしくは環状脂肪族化合物と高密度な架橋が期待できるため、より好ましい。   The compound having sulfonic acid and phosphonic acid in the present invention undergoes radical polymerization by active energy rays. Here, the active energy ray is not particularly limited as long as it can impart energy capable of generating an initial species in the radical polymerizable composition by irradiation, and α ray, γ ray, X ray, etc. High-energy radiation, ultraviolet rays, visible rays, infrared rays such as infrared rays, and particle beams such as electron beams are widely included. Among these, electron beam irradiation can cause a crosslinking reaction between secondary and tertiary carbons, and can form a high-density bridge with a polymer main chain and side chain, linear or cyclic aliphatic compound having a carbon-hydrogen bond. Since it can be expected, it is more preferable.

本発明におけるスルホン酸およびホスホン酸を有する化合物は高分子電解質からの溶出を抑制するためラジカル重合性であることが好ましい。ここでラジカル重合性の化合物には活性エネルギー線照射によりラジカルが発生しラジカル重合開始点となる化合物も含む。   The compound having sulfonic acid and phosphonic acid in the present invention is preferably radically polymerizable in order to suppress elution from the polymer electrolyte. Here, the radically polymerizable compound includes a compound that generates radicals upon irradiation with active energy rays and serves as a radical polymerization starting point.

本発明におけるスルホン酸を有するラジカル重合性化合物としてビニルスルホン酸誘導体、アリルスルホン酸誘導体、直鎖もしくは環状脂肪族スルホン酸誘導体を使用することができるが重合反応性の観点からビニルスルホン酸誘導体およびアリルスルホン酸誘導体が好ましい。具体的にはビニルスルホン酸、4−スチレンスルホン酸およびそれらの塩などが挙げられる。   In the present invention, a vinyl sulfonic acid derivative, an allyl sulfonic acid derivative, a linear or cyclic aliphatic sulfonic acid derivative can be used as the radically polymerizable compound having a sulfonic acid, but from the viewpoint of polymerization reactivity, the vinyl sulfonic acid derivative and allyl. Sulfonic acid derivatives are preferred. Specific examples include vinyl sulfonic acid, 4-styrene sulfonic acid, and salts thereof.

本発明におけるホスホン酸を有するラジカル重合性化合物としてビニルホスホン酸誘導体およびアリルホスホン酸誘導体、直鎖もしくは環状脂肪族ホスホン酸誘導体を使用することができるが重合反応性の観点からビニルホスホン酸誘導体およびアリルホスホン酸誘導体が好ましい。具体的にはビニルホスホン酸、4−スチレンスルホン酸、4−ビニルベンジルホスホン酸、アリルホスホン酸、アリルホスホン酸アリルそれらの塩、ビニルホスホン酸メチル、ビニルホスホン酸エチル、ビニルホスホン酸ジメチル、ビニルホスホン酸ジエチル、アリルホスホン酸メチル、アリルホスホン酸エチル、アリルホスホン酸ジメチル、アリルホスホン酸ジエチル、アリルホスホン酸ジアリルなどが挙げられるが、高分子電解質膜の電気化学特性が良好なビニルホスホン酸、4−スチレンスルホン酸、4−ビニルベンジルホスホン酸、アリルホスホン酸がより好ましい。   In the present invention, vinyl phosphonic acid derivatives and allyl phosphonic acid derivatives and linear or cycloaliphatic phosphonic acid derivatives can be used as radically polymerizable compounds having phosphonic acid, but from the viewpoint of polymerization reactivity, vinyl phosphonic acid derivatives and allyl. Phosphonic acid derivatives are preferred. Specifically, vinyl phosphonic acid, 4-styrene sulfonic acid, 4-vinyl benzyl phosphonic acid, allyl phosphonic acid, allyl phosphonic acid allyl salt thereof, methyl vinyl phosphonate, ethyl vinyl phosphonate, dimethyl vinyl phosphonate, vinyl phosphone Examples include diethyl acid, methyl allyl phosphonate, ethyl allyl phosphonate, dimethyl allyl phosphonate, diethyl allyl phosphonate, diallyl allyl phosphonate, vinyl phosphonic acid having excellent electrochemical characteristics of the polymer electrolyte membrane, 4- Styrenesulfonic acid, 4-vinylbenzylphosphonic acid, and allylphosphonic acid are more preferable.

ホスホン酸を有するラジカル重合性化合物量増加により過酸化物ラジカルへの耐久性は向上するが、一方でプロトン伝導性は低下する。より少ない量のホスホン酸を有するラジカル重合性化合物で良好な耐久性を達成するため、高分子電解質が耐酸化性の高い化学構造であることが好ましい。より具体的にはパーフルオロ高分子電解質および芳香族高分子電解質が好ましい。 Durability to peroxide radicals is improved by increasing the amount of radically polymerizable compound having phosphonic acid, while proton conductivity is lowered. In order to achieve good durability with a radically polymerizable compound having a smaller amount of phosphonic acid, it is preferable that the polymer electrolyte has a chemical structure with high oxidation resistance. More specifically, perfluoropolymer electrolyte and aromatic polymer electrolyte are preferable.

本発明におけるホスホン酸を有するラジカル重合性化合物量により化学的な耐久性効果を得るためには高分子電解質中のリン原子量にして0.1質量%以上必要である。用途に寄る電気化学特性および化学的な耐久性を満たす限りで特に限定されないが、リン原子量の範囲は0.1〜7.0質量%が好ましい。   In order to obtain a chemical durability effect by the amount of the radically polymerizable compound having phosphonic acid in the present invention, the amount of phosphorus atom in the polymer electrolyte needs to be 0.1% by mass or more. Although it will not specifically limit as long as the electrochemical characteristics and chemical durability which depend on a use are satisfy | filled, the range of phosphorus atomic weight is preferable 0.1-7.0 mass%.

特に燃料として水素を用いた燃料電池用途では、高分子電解質中のリン原子量は0.5〜7.0質量%の範囲内が好ましく、1.0〜6.0質量%がより好ましく、2.0〜4.0が最も好ましい。リン原子量0.5質量%より少ないと過酸化物ラジカルによる高分子電解質の分解が生じ、7.0質量%より多いとプロトン伝導性低下により燃料電池の発電性能が低下する。 In particular, in fuel cell applications using hydrogen as a fuel, the amount of phosphorus atoms in the polymer electrolyte is preferably in the range of 0.5 to 7.0% by mass, more preferably 1.0 to 6.0% by mass. 0 to 4.0 is most preferred. If the amount of phosphorus atoms is less than 0.5% by mass, the polymer electrolyte is decomposed by peroxide radicals, and if it exceeds 7.0% by mass, the power generation performance of the fuel cell decreases due to a decrease in proton conductivity.

本発明における2官能以上のラジカル重合性官能基を有する架橋剤は、架橋密度の観点から3官能以上であることが好ましい。更に耐加水分解性の観点からエステル、エーテル結合のような分解しやすい分子構造を無い架橋剤がより好ましい。具体的には、1,3,5−トリアクリロイルヘキサヒドロ−1,3,5−トリアジン、トリアリルイソシアヌレート、トリメタリルイソシアヌレート、及びそれらの誘導体及び反応物を挙げることができる。 The crosslinking agent having a bifunctional or higher radical polymerizable functional group in the present invention is preferably trifunctional or higher from the viewpoint of crosslink density. Further, from the viewpoint of hydrolysis resistance, a cross-linking agent having no easily decomposable molecular structure such as ester or ether bond is more preferable. Specific examples include 1,3,5-triacryloylhexahydro-1,3,5-triazine, triallyl isocyanurate, trimethallyl isocyanurate, and derivatives and reactants thereof.

本発明に用いられる多孔質基材の材質としては、プロトン伝導を遮断や妨害しないものであれば特に限定するものではないが、耐熱性の観点や、物理的強度の補強効果を鑑みれば、脂肪族系高分子、芳香族系高分子、または含フッ素高分子が好ましく使用される。脂肪族系高分子としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、エチレン−ビニルアルコール共重合体等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。なお、ここで言うポリエチレンとは、ポリエチレンの結晶構造を有するエチレン系のポリマーの総称であり、例えば直鎖状高密度ポリエチレン(HDPE)や、低密度ポリエチレン(LDPE)の他に、エチレンと他のモノマーとの共重合体をも含み、具体的には、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)と称されるエチレン、α−オレフィンとの共重合体や超高分子量ポリエチレンなどを含む。またここで言うポリプロピレンはポリプロピレンの結晶構造を有するポリプロピレン系のポリマーの総称であり、一般に使用されているプロピレン系ブロック共重合体、ランダム共重合体など(これらはエチレンや1−ブテンなどとの共重合体である)を含むものである。 The material of the porous base material used in the present invention is not particularly limited as long as it does not block or interfere with proton conduction, but in view of heat resistance and physical strength reinforcement effect, An aromatic polymer, an aromatic polymer, or a fluorine-containing polymer is preferably used. Examples of the aliphatic polymer include, but are not limited to, polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinyl alcohol, and ethylene-vinyl alcohol copolymer. In addition, polyethylene here is a general term for ethylene-based polymers having a polyethylene crystal structure. For example, in addition to linear high-density polyethylene (HDPE) and low-density polyethylene (LDPE), ethylene and other polymers are used. It also includes a copolymer with a monomer, and specifically includes a copolymer with ethylene and α-olefin, which is called linear low density polyethylene (LLDPE), and an ultrahigh molecular weight polyethylene. Polypropylene as used herein is a general term for polypropylene-based polymers having a polypropylene crystal structure, and generally used propylene-based block copolymers, random copolymers, etc. (these are copolymers with ethylene, 1-butene, etc.). Which is a polymer).

前記芳香族系高分子としては、例えばポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルスルホン、ポリスルフィドスルホン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンオキシド、芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド等が挙げられる。さらに、セルロースやポリ乳酸も使用できる。 Examples of the aromatic polymer include polyphenylene sulfide, polyethersulfone, polysulfidesulfone, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polyimide, polyetherimide, polyetherketone, polyetheretherketone, polyphenyleneoxide, aromatic polyamide, and polyamideimide. Is mentioned. Furthermore, cellulose and polylactic acid can also be used.

また、前記含フッ素高分子としては、分子内に炭素−フッ素結合を少なくとも1個有する熱可塑性樹脂が使用されるが、脂肪族系高分子の水素原子のすべてまたは大部分がフッ素原子によって置換された構造のものが好適に使用される。その具体例としては、例えばポリトリフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリ(テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン)、ポリ(テトラフルオロエチレン−ペルフルオロアルキルエーテル)、ポリフッ化ビニリデン等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。なかでもポリテトラフルオロエチレン、ポリ(テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン)が好ましく、特にポリテトラフルオロエチレンが好ましい。これらの多孔質材料は、単独で用いても、他の素材と組み合わせて用いても良い。 As the fluorine-containing polymer, a thermoplastic resin having at least one carbon-fluorine bond in the molecule is used, but all or most of the hydrogen atoms of the aliphatic polymer are substituted with fluorine atoms. Those having a different structure are preferably used. Specific examples thereof include polytrifluoroethylene, polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, poly (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene), poly (tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl ether), and polyvinylidene fluoride. Although it is mentioned, it is not limited to these. Of these, polytetrafluoroethylene and poly (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene) are preferable, and polytetrafluoroethylene is particularly preferable. These porous materials may be used alone or in combination with other materials.

多孔質材料として多孔質フィルムを選択する場合、電気化学的な安定性、コストの観点からポリエチレンやポリプロピレンに代表される脂肪族ポリオレフィンフィルムが好ましい。 When a porous film is selected as the porous material, an aliphatic polyolefin film typified by polyethylene or polypropylene is preferable from the viewpoint of electrochemical stability and cost.

また、ポリオレフィンに被抽出物を添加し、微分散させ、シート化した後に被抽出物を溶媒などにより抽出して孔を形成し、必要に応じて抽出前および/または後に延伸加工を行う工程を有する抽出法で得られた湿式法で得られた多孔質材料も使用可能である。また自己組織化によるハニカム状に開口した多孔質材料や炭酸カルシウムなどの造孔剤を添加し延伸により多孔質化したフィルムも使用可能である。 Also, a process of adding an extractable to polyolefin, finely dispersing it, forming a sheet, extracting the extractable with a solvent or the like to form pores, and performing a stretching process before and / or after extraction as necessary. The porous material obtained by the wet method obtained by the extraction method which has can also be used. In addition, a porous material opened in a honeycomb shape by self-organization or a film made porous by stretching by adding a pore-forming agent such as calcium carbonate can be used.

多孔質基材の空隙率は使用する高分子電解質のイオン交換容量によって適宜実験的に求められるが、複合高分子電解質膜のプロトン伝導性や、高分子電解質溶液の充填の容易さの観点から、30%以上90%以下が好ましく、35%以上70%以下がより好ましい。空隙率が35%以上であれば、高分子電解質溶液が多孔質材料の内部まで充填が容易となりプロトン伝導パスが複合化高分子電解質膜の厚み芳香に連続的に形成されやすい。また、90%以下であれば製膜工程での作業性が良好となり、複合高分子電解質膜の乾湿寸法変化や吸水時の機械的強度の低下を抑制できる。 The porosity of the porous substrate is appropriately determined experimentally depending on the ion exchange capacity of the polymer electrolyte to be used. From the viewpoint of proton conductivity of the composite polymer electrolyte membrane and ease of filling the polymer electrolyte solution, 30% or more and 90% or less are preferable, and 35% or more and 70% or less are more preferable. When the porosity is 35% or more, the polymer electrolyte solution can be easily filled up to the inside of the porous material, and the proton conduction path is easily formed continuously in the thickness aroma of the composite polymer electrolyte membrane. Moreover, if it is 90% or less, the workability | operativity in a film forming process will become favorable, and the reduction | decrease of the mechanical strength at the time of the wet / dry dimensional change of a composite polymer electrolyte membrane and water absorption can be suppressed.

多孔質基材の空隙率は、多孔質材料を正方形に切り取り、一辺の長さをL(cm)、重量W(g)、厚みD(cm)、を測定して、以下の式より求めることができる。
空隙率=100−100(W/ρ)/(L2×D)
上記式中のρは、フィルム密度を示す。ρはJIS K7112(1980)のD法の密度勾配管法にて求めた値を用いる。このときの密度勾配管用液は、エタノールと水を用いる。
The porosity of the porous substrate is obtained from the following equation by cutting the porous material into squares, measuring the length of one side L (cm), weight W (g), and thickness D (cm). Can do.
Porosity = 100-100 (W / ρ) / (L2 × D)
Ρ in the above formula indicates the film density. ρ uses a value obtained by the density gradient tube method of D method of JIS K7112 (1980). At this time, ethanol and water are used as the density gradient tube liquid.

多孔質基材の厚みは、目的とする複合高分子電解質膜の膜厚により適宜決定できるが、1〜100μmであることが実用上好ましい。フィルム厚みが1μm未満では、製膜工程および二次加工工程における張力によってフィルムが伸び、縦じわの発生や、破断する場合がある。また、100μmを超えると、高分子電解質の充填が不十分となりプロトン伝導性が低下する。 The thickness of the porous substrate can be appropriately determined depending on the thickness of the target composite polymer electrolyte membrane, but is preferably 1 to 100 μm in practice. When the film thickness is less than 1 μm, the film may be stretched due to the tension in the film forming process and the secondary processing process, and vertical wrinkles may be generated or broken. On the other hand, if it exceeds 100 μm, the polymer electrolyte is insufficiently filled and the proton conductivity is lowered.

本発明の複合高分子電解質膜は、上記多孔質基材に上記芳香族高分子電解質および上記ラジカル重合性化合物の混合溶液を含浸させ、溶媒を除去した後に、活性エネルギー線照射によって架橋を進行させることで得られる。 In the composite polymer electrolyte membrane of the present invention, the porous substrate is impregnated with the mixed solution of the aromatic polymer electrolyte and the radical polymerizable compound, and after the solvent is removed, the crosslinking is advanced by irradiation with active energy rays. Can be obtained.

以下に複合高分子電解質膜の製造法について説明する。芳香族高分子電解質およびラジカル重合性化合物の混合溶液の多孔膜への含浸方法は特に限定されず、該多孔質基材と上記混合溶液が接触するような態様をとればよく、上記混合溶液を溜めた溶液槽に、該多孔質基材を浸漬した後に溶媒を除去する工程、該溶液を多孔質基材に流延塗布して含浸させる工程、該溶液を基材上に流延塗布しその後に該多孔質基材を貼り合わせて含浸させる工程などが挙げられる。 A method for producing the composite polymer electrolyte membrane will be described below. The method for impregnating the porous membrane with the mixed solution of the aromatic polymer electrolyte and the radical polymerizable compound is not particularly limited, and it is sufficient that the porous substrate and the mixed solution are in contact with each other. A step of removing the solvent after immersing the porous substrate in the pooled solution tank, a step of casting and impregnating the solution onto the porous substrate, and casting and applying the solution onto the substrate. And a step of impregnating and impregnating the porous substrate.

本発明における芳香族高分子電解質およびラジカル重合性化合物の混合比は、上記のIECの範囲から逸脱しないものであれば特に限定されないが、芳香族高分子電解質/ラジカル重合性化合物(質量%比)で90/10〜40/60の範囲であることが好ましく、プロトン伝導性や耐久性および反応性の面から75/25〜40/60であることが特に好ましい。 The mixing ratio of the aromatic polymer electrolyte and the radical polymerizable compound in the present invention is not particularly limited as long as it does not deviate from the above IEC range, but the aromatic polymer electrolyte / radical polymerizable compound (mass% ratio). Is preferably in the range of 90/10 to 40/60, and particularly preferably 75/25 to 40/60 in terms of proton conductivity, durability, and reactivity.

本発明における芳香族高分子電解質およびラジカル重合性化合物の混合溶液の濃度は、流動性を有する範囲であれば、特に限定されるものではないが、1質量%〜30質量%であり、好ましくは,3質量%〜15質量%である。 The concentration of the mixed solution of the aromatic polymer electrolyte and the radical polymerizable compound in the present invention is not particularly limited as long as it has fluidity, but is 1% by mass to 30% by mass, preferably 3 mass% to 15 mass%.

上記混合溶液における溶剤としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール類やジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシドなどの非プロトン性有機溶媒および水などが挙げられる。これらの溶剤はそれぞれ混合されていても良い。乾燥速度および製膜性の観点からアルコール系の溶媒と水の混合溶媒を用いることが好ましく、メタノールと水の混合溶媒を用いることがより好ましい。 Examples of the solvent in the mixed solution include alcohols such as methanol, ethanol and isopropyl alcohol, aprotic organic solvents such as dimethylacetamide, dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone and dimethylsulfoxide, and water. Each of these solvents may be mixed. From the viewpoint of drying speed and film-forming property, it is preferable to use a mixed solvent of an alcohol solvent and water, and it is more preferable to use a mixed solvent of methanol and water.

芳香族系高分子電解質およびラジカル重合性化合物の混合溶液の多孔膜への含浸後に、得られた複合膜に対して、活性エネルギー線照射によりラジカルを発生させ、架橋を進行させることで本発明の高分子電解質膜を得ることができる。 After impregnating the porous membrane with the mixed solution of the aromatic polymer electrolyte and the radical polymerizable compound, the resulting composite membrane is irradiated with active energy rays to generate radicals and proceed with crosslinking. A polymer electrolyte membrane can be obtained.

また、これらの処理と並行またはその処理後に加熱処理を行うこともできる。芳香族高分子電解質およびラジカル重合性化合物の一部を反応させることができればよく、具体的な加熱条件については、特に限定されないが、反応性の面から50℃〜150℃の温度で処理することが好ましく、80〜150℃で処理することがより好ましい。 In addition, heat treatment can be performed in parallel with or after these treatments. It is sufficient that a part of the aromatic polymer electrolyte and the radical polymerizable compound can be reacted, and the specific heating conditions are not particularly limited, but the treatment is performed at a temperature of 50 ° C. to 150 ° C. in terms of reactivity. Is preferable, and it is more preferable to process at 80-150 degreeC.

本発明の複合高分子電解質膜のイオン交換容量(IEC)は、複合高分子電解質膜のプロトン伝導性の観点から、1.5meq/g以上であれば良く、膜の形態安定性について考慮すると1.5meq/g以上6.0meq/g以下であることが好ましく、2.0meq/g以上4.0meq/gであることがより好ましい。IECが1.5meq/gより低いとプロトン伝導性が不十分で、IECが6.0meq/gより高いと膜の形態安定性に問題が出てしまう。 The ion exchange capacity (IEC) of the composite polymer electrolyte membrane of the present invention may be 1.5 meq / g or more from the viewpoint of proton conductivity of the composite polymer electrolyte membrane. It is preferably from 0.5 meq / g to 6.0 meq / g, and more preferably from 2.0 meq / g to 4.0 meq / g. When the IEC is lower than 1.5 meq / g, the proton conductivity is insufficient, and when the IEC is higher than 6.0 meq / g, there is a problem in the morphological stability of the membrane.

本発明の複合高分子電解質膜は、イオン交換膜として用いることができる。また、電極触媒層を結合して膜/電極接合体とすることで、燃料電池や電解膜として用いることができる。電極触媒層は触媒と電極材料からなり、公知の材料を用いることができる。例えば、拡散層としては、カーボンペーパーやカーボンクロスなど、導電性の多孔質材料を用いることができるが、それらに限定されるものではない。カーボンペーパーやカーボンクロスなど、導電性の多孔質材料は、撥水処理、親水処理などの表面処理がされたものを用いることもできる。触媒には、公知の材料を用いることができる。例えば、白金、白金とルテニウムなどの合金、白金とコバルトの合金、パラジウムなどの非白金金属をコアとし表面に白金を有するコアシェル触媒、Nを含むカーボンアロイ触媒などを挙げることができるが、それらに限定されるものではない。触媒や触媒を坦持した粒子を含む電極触媒層のバインダーにはプロトン伝導性を有する樹脂を用いることができ、フッ素系高分子電解質やその分散液を用いることができる。また、撥水性を良くするためのフッ素樹脂を加えたり、保水性をよくするために親水性樹脂を加えたりすることもできる。 The composite polymer electrolyte membrane of the present invention can be used as an ion exchange membrane. Moreover, it can be used as a fuel cell or an electrolytic membrane by combining an electrode catalyst layer into a membrane / electrode assembly. The electrode catalyst layer includes a catalyst and an electrode material, and a known material can be used. For example, a conductive porous material such as carbon paper or carbon cloth can be used as the diffusion layer, but is not limited thereto. As the conductive porous material such as carbon paper or carbon cloth, a material subjected to surface treatment such as water repellent treatment or hydrophilic treatment can be used. A known material can be used for the catalyst. For example, platinum, an alloy of platinum and ruthenium, an alloy of platinum and cobalt, a core-shell catalyst having platinum as a core with a non-platinum metal such as palladium, a carbon alloy catalyst containing N, etc. It is not limited. As the binder of the electrode catalyst layer including the catalyst and particles carrying the catalyst, a resin having proton conductivity can be used, and a fluorine-based polymer electrolyte or a dispersion thereof can be used. In addition, a fluororesin for improving water repellency can be added, and a hydrophilic resin can be added for improving water retention.

膜/電極接合体は、従来からの公知の方法を用いて行うことができ、例えば、電極表面に接着剤を塗布して高分子電解質膜と電極触媒層とを接着する方法または高分子電解質膜と電極触媒層とを加熱加圧する方法、触媒とバインダーの分散液を、電解質膜に塗布又は噴霧し乾燥する方法等がある。接着剤としては、ナフィオン(商品名)溶液など公知のものを用いてもよいし、本発明の複合高分子電解質膜構成するイオン性基含有ポリマーを主成分としたものを用いてもよいし、他の炭化水素系プロトン伝導性ポリマーを主成分とするものを用いてもよい。 The membrane / electrode assembly can be performed using a conventionally known method. For example, a method of applying an adhesive to the electrode surface and bonding the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer, or a polymer electrolyte membrane And a method of heating and pressurizing the electrode catalyst layer, a method of applying or spraying a dispersion of a catalyst and a binder on an electrolyte membrane, and drying. As the adhesive, a known one such as a Nafion (trade name) solution may be used, or an adhesive based on an ionic group-containing polymer constituting the composite polymer electrolyte membrane of the present invention may be used. You may use what has other hydrocarbon type proton conductive polymers as a main component.

本発明の複合高分子電解質膜は、高分子電解質膜/電極接合体とした後、酸素及び燃料の流路を有するセパレーターで挟むことにより燃料電池の単セルとなり、単セルを連結することで燃料電池スタックを得ることができる。 The composite polymer electrolyte membrane of the present invention is made into a polymer electrolyte membrane / electrode assembly and then sandwiched between separators having oxygen and fuel flow paths to form a single cell of a fuel cell. A battery stack can be obtained.

以下に実施例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。なお、各種測定は次のように行った。       EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to the examples. Various measurements were performed as follows.

<高分子電解質膜の評価方法>
以下に高分子電解質膜の評価方法を示す。なお評価するに際しては、特別な記載がない
限り、厚みや質量を正確に測ることを目的とし、室温が20℃で相対湿度が40±5RH
%にコントロールされた測定室内で評価を行った。なお、測定に際してサンプルは、24
時間以上、測定室内で静置したものを使用した。
<Polymer electrolyte membrane evaluation method>
The evaluation method of a polymer electrolyte membrane is shown below. In the evaluation, unless otherwise specified, the purpose is to accurately measure the thickness and mass, and the room temperature is 20 ° C. and the relative humidity is 40 ± 5 RH.
Evaluation was carried out in a measurement room controlled at%. In the measurement, 24 samples
What was left still in the measurement room for more than time was used.

<高分子電解質膜の厚み>
複合高分子電解質膜の厚みは、マイクロメーター(Mitutoyo、標準マイクロメ
ーター)を用いて測定することにより求めた。測定は10箇所行い、その平均値を厚みと
した。
<Thickness of polymer electrolyte membrane>
The thickness of the composite polymer electrolyte membrane was determined by measurement using a micrometer (Mitutoyo, standard micrometer). Measurement was performed at 10 locations, and the average value was taken as the thickness.

<イオン交換容量>
乾燥したプロトン交換膜100mgを、0.01MのNaOH水溶液50mlに浸漬し
、25℃で2時間攪拌した。その後、0.02MのHCl水溶液で中和滴定した。中和滴
定には、平沼産業(株)製、電位差滴定装置COMTITE−980を用いた。イオン交
換当量は下記式で計算して求めた。
イオン交換容量[meq/g]=(10−滴定量[mL])/2
<Ion exchange capacity>
100 mg of the dried proton exchange membrane was immersed in 50 ml of 0.01 M NaOH aqueous solution and stirred at 25 ° C. for 2 hours. Thereafter, neutralization titration with 0.02 M aqueous HCl was performed. For neutralization titration, a potentiometric titrator COMMITE-980 manufactured by Hiranuma Sangyo Co., Ltd. was used. The ion exchange equivalent was calculated by the following formula.
Ion exchange capacity [meq / g] = (10-titer [mL]) / 2

<プロトン伝導性>
自作測定用プローブ(テフロン(登録商標)製)上で短冊状膜試料の表面に白金線(直
径:0.2mm)を押しあて、80℃、50%RHの恒温・恒湿オーブン(株式会社ナガ
ノ科学機械製作所、LH−20−01)中に試料を保持し、白金線間のインピーダンスを
SOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSE
Rにより測定した。極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−Cプロットから見積も
られる抵抗測定値をプロットした勾配から以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャ
ンセルしたプロトン伝導率(σ)を算出した。
σ[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]×抵抗極間勾配[Ω/cm]
<Proton conductivity>
A platinum wire (diameter: 0.2 mm) was pressed against the surface of the strip-shaped membrane sample on a self-made measuring probe (manufactured by Teflon (registered trademark)), and a constant temperature / humidity oven (Nagano Co., Ltd.) at 80 ° C. and 50% RH. The sample is held in Science Machine Mfg. Co., Ltd., LH-20-01), and the impedance between the platinum wires is set to SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSE.
Measured by R. Proton conductivity (σ) with the contact resistance between the membrane and the platinum wire canceled by the following formula from the slope of the measured resistance value estimated from the distance between the poles and the C-C plot. Was calculated.
σ [S / cm] = 1 / film width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm]

<フェントン試験による膜重量減少率>
1Lメスフラスコに硫酸鉄(II)・7水和物 15mgを加え超純水を加えた。続いて50mlホールピペットを用いて30%過酸化水素水 100mlを採りメスフラスコに加えた。最後に超純水を1Lメスフラスコの標線まで加え、フェントン試薬(Fe2+、3ppm、3%H)を調製した。続いて複合膜2.5×5cm片を切り取り、フェントン溶液50mlに浸漬させ、80℃に保ち3時間置いた。熱処理後、複合膜をフェントン溶液から引き上げ、ドライボックス中で一晩乾燥させた、乾燥後の複合膜の膜重量を測定した。膜重量減少率は(フェントン試験前後の膜重量減少量)/(フェントン試験前の複合膜重量)で評価した。
<Membrane weight reduction rate by Fenton test>
To a 1 L volumetric flask, 15 mg of iron (II) sulfate heptahydrate was added and ultrapure water was added. Subsequently, 100 ml of 30% aqueous hydrogen peroxide was taken using a 50 ml hole pipette and added to the volumetric flask. Finally, ultrapure water was added to the mark of the 1 L volumetric flask to prepare a Fenton reagent (Fe 2+ , 3 ppm, 3% H 2 O 2 ). Subsequently, a 2.5 × 5 cm piece of the composite membrane was cut out, immersed in 50 ml of Fenton solution, and kept at 80 ° C. for 3 hours. After the heat treatment, the composite membrane was lifted from the Fenton solution and dried overnight in a dry box, and the membrane weight of the composite membrane after drying was measured. The film weight reduction rate was evaluated by (film weight reduction before and after the Fenton test) / (composite film weight before the Fenton test).

<高分子電解質膜と電極との接合および発電試験>
[触媒転写シート]DNP社より入手
触媒:TEC10E50E(田中貴金属工業 製)
電解質バインダー:NAFION DISPERSION Type:DE520(DuPont 製)
基材:PET
担持量:Pt 0.40−0.45mg/cm
[膜−電極接合体の作製]
5×5cm複合高分子電解質膜と3×3cmの触媒転写フィルム(DNP製)を23℃50%RHで2時間以上調湿後、同環境下で内から「電解質膜/触媒転写シート/ガス拡散層(SGLカーボン製;SGL24−BCH)/テフロン(登録商標)シート/SUS板」の順で挟み込み、100℃、14kN/9cm、5分間ホットプレスを行った。冷却後、触媒転写フィルムの基材を剥した。作製した膜−電極接合体をElectrochem社製の評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込んで、セル温度80℃で、アノード47%RHおよびカソード47%RHの条件で水素と酸素を供給して発電特性を評価した。性能安定後の0.3A/cmでの電圧の比較を行った。
<Bonding of polymer electrolyte membrane and electrode and power generation test>
[Catalyst transfer sheet] Obtained from DNP. Catalyst: TEC10E50E (Tanaka Kikinzoku Kogyo)
Electrolyte binder: NAFION DISPERSION Type: DE520 (manufactured by DuPont)
Base material: PET
Amount supported: Pt 0.40-0.45 mg / cm 2
[Production of membrane-electrode assembly]
5 x 5 cm composite polymer electrolyte membrane and 3 x 3 cm catalyst transfer film (DNP) were conditioned for 2 hours or more at 23 ° C and 50% RH, then in the same environment, "electrolyte membrane / catalyst transfer sheet / gas diffusion" The layers (made by SGL Carbon; SGL24-BCH) / Teflon (registered trademark) sheet / SUS plate ”were sandwiched in this order, and hot pressing was performed at 100 ° C., 14 kN / 9 cm 2 for 5 minutes. After cooling, the base material of the catalyst transfer film was peeled off. The produced membrane-electrode assembly is incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and hydrogen and oxygen are supplied at a cell temperature of 80 ° C. under conditions of an anode 47% RH and a cathode 47% RH. Characteristics were evaluated. The voltage at 0.3 A / cm 2 after performance stabilization was compared.

合成例1
ポリ[(p−フェニレンスルホン酸)−2,5−ベンゾフェノン]
Synthesis example 1
Poly [(p-phenylenesulfonic acid) -2,5-benzophenone]

30ml反応容器<A>に無水塩化ニッケル(97mg、0.75mmol)、トリフェニルホスフィン(780mg、3.0mmol)、沃化ナトリウム(56mg、0.37mmol)、亜鉛粉末(980mg、15mmol)を量りとり、テトラヒドロフラン3mlを加えた。70℃まで昇温し、10分間撹拌した。異なる30ml反応容器<B>に2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸2,2−ジメチルプロピル(1.9g、6.3mmol)、2,5−ジクロロベンゾフェノン(0.28g、1.12mmol)にテトラヒドロフラン(7ml)を加えた。反応容器<B>の溶液を反応容器<A>に移し、70℃で6時間撹拌した。反応溶液を10%塩酸水溶液100mlに注ぎ、ろ過した。次いで、アセトン100ml中に分散させ、反応混合物を溶解し、ろ過することにより目的としたポリ[(p−フェニレンスルホン酸)−2,2−ジメチルプロピル−2,5−ベンゾフェノン]を1.3g合成することができた。Mn=5300。
30ml反応容器に合成したポリマー(1g、スルホン酸エステルユニット4.4mmol分に相当)、トリメチルアミン塩酸塩(2.1g、22mmol)、NMP 20mlを計量し、120℃で12時間攪拌した。反応混合物をクロロホルム100mlで洗浄し、トリメチルアミン塩酸塩の反応残渣が除去できるまでクロロホルムで洗浄した。100ml三角フラスコに精製したポリマー、陽イオン交換樹脂(ダウエックスモノスフィアー650C)10g、純水10gを計量し室温で12時間攪拌した。陽イオン交換樹脂をろ過により除去し、ポリマー水溶液を濃縮、乾燥し、目的物を0.7g合成することができた。合成したポリ[(p−フェニレンスルホン酸)−2,5−ベンゾフェノン]のイオン交換容量は5.5meq/gであった。
Weigh anhydrous nickel chloride (97 mg, 0.75 mmol), triphenylphosphine (780 mg, 3.0 mmol), sodium iodide (56 mg, 0.37 mmol), zinc powder (980 mg, 15 mmol) into a 30 ml reaction vessel <A>. 3 ml of tetrahydrofuran was added. The temperature was raised to 70 ° C. and stirred for 10 minutes. In a different 30 ml reaction vessel <B>, 2,2-dimethylpropyl sulfonate 2,2-dimethylpropyl (1.9 g, 6.3 mmol), 2,5-dichlorobenzophenone (0.28 g, 1.12 mmol) and tetrahydrofuran (0.28 g, 1.12 mmol) were added. 7 ml) was added. The solution in the reaction vessel <B> was transferred to the reaction vessel <A> and stirred at 70 ° C. for 6 hours. The reaction solution was poured into 100 ml of 10% aqueous hydrochloric acid and filtered. Next, 1.3 g of the desired poly [(p-phenylenesulfonic acid) -2,2-dimethylpropyl-2,5-benzophenone] was synthesized by dispersing in 100 ml of acetone, dissolving the reaction mixture, and filtering. We were able to. Mn = 5300.
The synthesized polymer (1 g, corresponding to 4.4 mmol of sulfonic acid ester unit), trimethylamine hydrochloride (2.1 g, 22 mmol) and 20 ml of NMP were weighed in a 30 ml reaction vessel and stirred at 120 ° C. for 12 hours. The reaction mixture was washed with 100 ml of chloroform and washed with chloroform until the reaction residue of trimethylamine hydrochloride could be removed. A purified polymer, 10 g of a cation exchange resin (Dowex Monosphere 650C), and 10 g of pure water were weighed into a 100 ml Erlenmeyer flask and stirred at room temperature for 12 hours. The cation exchange resin was removed by filtration, the aqueous polymer solution was concentrated and dried, and 0.7 g of the desired product could be synthesized. The ion exchange capacity of the synthesized poly [(p-phenylene sulfonic acid) -2,5-benzophenone] was 5.5 meq / g.

実施例1
合成例1で得られたポリ[(p−フェニレンスルホン酸)−2,5−ベンゾフェノン]100mg、ビニルスルホン酸65mg、ビニルホスホン酸5mg、トリアリルイソシアヌレート15mgをメタノール/水[90/10(w/w)]混合溶液4.3gに溶解させた。その後、メタノールに浸漬したポリエチレン製多孔膜(サイズ:10.5×10.5cm、膜厚:9μm、空孔率:35%)をPTFE製基材上に置き、その上から上記ポリマー溶液をコートし、窒素雰囲気下室温で乾燥させた。乾燥後の複合高分子電解質膜をプラスチックの枠に固定し、電子線照射装置((株)NHVコーポレーション所有、EBC300キュアトロン)を用いて窒素雰囲気下、加速電圧250kV、電子線照射線量500kGyで電子線架橋を行った。電子線照射後、枠から複合高分子電解質膜をはずし、超純水500mlに浸け80℃の乾燥機中で24時間保持し、架橋が不十分な成分を溶出させ除去した。
得られた複合膜のイオン交換容量2.54meq/g、プロトン伝導性0.034S/cm、フェントン試験後の膜重量減少率は19%であった。発電試験時の0.3A/cmでの電圧は0.87Vであった。
Example 1
100 mg of poly [(p-phenylenesulfonic acid) -2,5-benzophenone] obtained in Synthesis Example 1, 65 mg of vinylsulfonic acid, 5 mg of vinylphosphonic acid, and 15 mg of triallyl isocyanurate were mixed with methanol / water [90/10 (w / W)] was dissolved in 4.3 g of the mixed solution. Thereafter, a polyethylene porous membrane (size: 10.5 × 10.5 cm, film thickness: 9 μm, porosity: 35%) immersed in methanol is placed on a PTFE substrate, and the above polymer solution is coated thereon. And dried at room temperature under a nitrogen atmosphere. The composite polymer electrolyte membrane after drying is fixed to a plastic frame, and an electron beam irradiation device (owned by NHV Corporation, EBC300 Curetron) is used to generate electrons at an acceleration voltage of 250 kV and an electron beam irradiation dose of 500 kGy. Line cross-linking was performed. After irradiation with the electron beam, the composite polymer electrolyte membrane was removed from the frame, immersed in 500 ml of ultrapure water and kept in a dryer at 80 ° C. for 24 hours to elute and remove components with insufficient crosslinking.
The obtained composite membrane had an ion exchange capacity of 2.54 meq / g, proton conductivity of 0.034 S / cm, and a membrane weight reduction rate after the Fenton test of 19%. The voltage at 0.3 A / cm 2 during the power generation test was 0.87V.

実施例2
合成例1で得られたポリ[(p−フェニレンスルホン酸)−2,5−ベンゾフェノン]100mg、ビニルスルホン酸50mg、ビニルホスホン酸20mg、トリアリルイソシアヌレート15mgをメタノール/水[90/10(w/w)]混合溶液4.3gに溶解させた。その後、メタノールに浸漬したポリエチレン製多孔膜(サイズ:10×10cm、膜厚:9μm、空孔率:35%)をPTFE製基材上に置き、その上から上記ポリマー溶液をコートし、窒素雰囲気下室温で乾燥させた。乾燥後の複合高分子電解質膜をプラスチックの枠に固定し、電子線照射装置((株)NHVコーポレーション所有、EBC300キュアトロン)を用いて窒素雰囲気下、加速電圧250kV、電子線照射線量500kGyで電子線架橋を行った。電子線照射後、枠から複合高分子電解質膜をはずし、超純水500mlに浸け80℃の乾燥機中で24時間保持し、架橋が不十分な成分を溶出させ除去した。
得られた複合膜のイオン交換容量2.51meq/g、プロトン伝導性0.018S/cm、フェントン試験後の膜重量減少率は3%であった。発電試験時の0.3A/cmでの電圧は0.87Vであった。
Example 2
100 mg of poly [(p-phenylenesulfonic acid) -2,5-benzophenone] obtained in Synthesis Example 1, 50 mg of vinylsulfonic acid, 20 mg of vinylphosphonic acid, and 15 mg of triallyl isocyanurate were mixed with methanol / water [90/10 (w / W)] was dissolved in 4.3 g of the mixed solution. Thereafter, a polyethylene porous membrane (size: 10 × 10 cm, film thickness: 9 μm, porosity: 35%) immersed in methanol was placed on a PTFE substrate, and the polymer solution was coated thereon, and a nitrogen atmosphere Dry at room temperature. The composite polymer electrolyte membrane after drying is fixed to a plastic frame, and an electron beam irradiation device (owned by NHV Corporation, EBC300 Curetron) is used to generate electrons at an acceleration voltage of 250 kV and an electron beam irradiation dose of 500 kGy. Line cross-linking was performed. After irradiation with the electron beam, the composite polymer electrolyte membrane was removed from the frame, immersed in 500 ml of ultrapure water and kept in a dryer at 80 ° C. for 24 hours to elute and remove components with insufficient crosslinking.
The obtained composite membrane had an ion exchange capacity of 2.51 meq / g, proton conductivity of 0.018 S / cm, and a membrane weight reduction rate after the Fenton test of 3%. The voltage at 0.3 A / cm 2 during the power generation test was 0.87V.

実施例3
合成例1で得られたポリ[(p−フェニレンスルホン酸)−2,5−ベンゾフェノン]100mg、ビニルスルホン酸35mg、ビニルホスホン酸35mg、トリアリルイソシアヌレート15mgをメタノール/水[90/10(w/w)]混合溶液4.3gに溶解させた。その後、メタノールに浸漬したポリエチレン製多孔膜(サイズ:10.5×10.5cm、膜厚:9μm、空孔率:35%)をPTFE製基材上に置き、その上から上記ポリマー溶液をコートし、窒素雰囲気下室温で乾燥させた。乾燥後の複合高分子電解質膜をプラスチックの枠に固定し、電子線照射装置((株)NHVコーポレーション所有、EBC300キュアトロン)を用いて窒素雰囲気下、加速電圧250kV、電子線照射線量500kGyで電子線架橋を行った。電子線照射後、枠から複合高分子電解質膜をはずし、超純水500mlに浸け80℃の乾燥機中で24時間保持し、架橋が不十分な成分を溶出させ除去した。
得られた複合膜のイオン交換容量2.80meq/g、プロトン伝導性0.008S/cm、フェントン試験後の膜重量減少率は0%であった。発電試験時の0.3A/cmでの電圧は0.83Vであった。
Example 3
100 mg of the poly [(p-phenylenesulfonic acid) -2,5-benzophenone] obtained in Synthesis Example 1, 35 mg of vinylsulfonic acid, 35 mg of vinylphosphonic acid, and 15 mg of triallyl isocyanurate were mixed with methanol / water [90/10 (w / W)] was dissolved in 4.3 g of the mixed solution. Thereafter, a polyethylene porous membrane (size: 10.5 × 10.5 cm, film thickness: 9 μm, porosity: 35%) immersed in methanol is placed on a PTFE substrate, and the above polymer solution is coated thereon. And dried at room temperature under a nitrogen atmosphere. The composite polymer electrolyte membrane after drying is fixed to a plastic frame, and an electron beam irradiation device (owned by NHV Corporation, EBC300 Curetron) is used to generate electrons at an acceleration voltage of 250 kV and an electron beam irradiation dose of 500 kGy. Line cross-linking was performed. After irradiation with the electron beam, the composite polymer electrolyte membrane was removed from the frame, immersed in 500 ml of ultrapure water and kept in a dryer at 80 ° C. for 24 hours to elute and remove components with insufficient crosslinking.
The obtained composite membrane had an ion exchange capacity of 2.80 meq / g, proton conductivity of 0.008 S / cm, and a membrane weight reduction rate after the Fenton test of 0%. The voltage at 0.3 A / cm 2 during the power generation test was 0.83 V.

比較例1
合成例1で得られたポリ[(p−フェニレンスルホン酸)−2,5−ベンゾフェノン]100mg、ビニルスルホン酸20mg、ビニルホスホン酸50mg、トリアリルイソシアヌレート15mgをメタノール/水[90/10(w/w)]混合溶液4.3gに溶解させた。その後、メタノールに浸漬したポリエチレン製多孔膜(サイズ:10.5×10.5cm、膜厚:9μm、空孔率:35%)をPTFE製基材上に置き、その上から上記ポリマー溶液をコートし、窒素雰囲気下室温で乾燥させた。乾燥後の複合高分子電解質膜をプラスチックの枠に固定し、電子線照射装置((株)NHVコーポレーション所有、EBC300キュアトロン)を用いて窒素雰囲気下、加速電圧250kV、電子線照射線量500kGyで電子線架橋を行った。電子線照射後、枠から複合高分子電解質膜をはずし、超純水500mlに浸け80℃の乾燥機中で24時間保持し、架橋が不十分な成分を溶出させ除去した。
得られた複合膜のイオン交換容量3.06meq/g、プロトン伝導性0.004S/cm、フェントン試験後の膜重量減少率は0%であった。
Comparative Example 1
100 mg of the poly [(p-phenylenesulfonic acid) -2,5-benzophenone] obtained in Synthesis Example 1, 20 mg of vinylsulfonic acid, 50 mg of vinylphosphonic acid, and 15 mg of triallyl isocyanurate were mixed with methanol / water [90/10 (w / W)] was dissolved in 4.3 g of the mixed solution. Thereafter, a polyethylene porous membrane (size: 10.5 × 10.5 cm, film thickness: 9 μm, porosity: 35%) immersed in methanol is placed on a PTFE substrate, and the above polymer solution is coated thereon. And dried at room temperature under a nitrogen atmosphere. The composite polymer electrolyte membrane after drying is fixed to a plastic frame, and an electron beam irradiation device (owned by NHV Corporation, EBC300 Curetron) is used to generate electrons at an acceleration voltage of 250 kV and an electron beam irradiation dose of 500 kGy. Line cross-linking was performed. After irradiation with the electron beam, the composite polymer electrolyte membrane was removed from the frame, immersed in 500 ml of ultrapure water and kept in a dryer at 80 ° C. for 24 hours to elute and remove components with insufficient crosslinking.
The obtained composite membrane had an ion exchange capacity of 3.06 meq / g, proton conductivity of 0.004 S / cm, and a membrane weight reduction rate after the Fenton test of 0%.

比較例2
合成例1で得られた[(p−フェニレンスルホン酸)−2,5−ベンゾフェノン]100mg、ビニルホスホン酸70mg、トリアリルイソシアヌレート15mgをメタノール/水[90/10(w/w)]混合溶液4.3gに溶解させた。その後、メタノールに浸漬したポリエチレン製多孔膜サイズ:10.5×10.5cm、膜厚:9μm、空孔率:35%)をPTFE製基材上に置き、その上から上記ポリマー溶液をコートし、窒素雰囲気下室温で乾燥させた。乾燥後の複合高分子電解質膜をプラスチックの枠に固定し、電子線照射装置((株)NHVコーポレーション所有、EBC300キュアトロン)を用いて窒素雰囲気下、加速電圧250kV、電子線照射線量500kGyで電子線架橋を行った。電子線照射後、枠から複合高分子電解質膜をはずし、超純水500mlに浸け80℃の乾燥機中で24時間保持し、架橋が不十分な成分を溶出させ除去した。
得られた複合膜のイオン交換容量2.53meq/g、プロトン伝導性は膜抵抗が高く測定できなかった。フェントン試験後の膜重量減少率は0%であった。
Comparative Example 2
100 mg of [(p-phenylene sulfonic acid) -2,5-benzophenone] obtained in Synthesis Example 1, 70 mg of vinylphosphonic acid, and 15 mg of triallyl isocyanurate are mixed in methanol / water [90/10 (w / w)]. Dissolved in 4.3 g. Thereafter, a polyethylene porous membrane size immersed in methanol: 10.5 × 10.5 cm, film thickness: 9 μm, porosity: 35%) was placed on a PTFE substrate, and the polymer solution was coated thereon. And dried at room temperature under a nitrogen atmosphere. The composite polymer electrolyte membrane after drying is fixed to a plastic frame, and an electron beam irradiation device (owned by NHV Corporation, EBC300 Curetron) is used to generate electrons at an acceleration voltage of 250 kV and an electron beam irradiation dose of 500 kGy. Line cross-linking was performed. After irradiation with the electron beam, the composite polymer electrolyte membrane was removed from the frame, immersed in 500 ml of ultrapure water and kept in a dryer at 80 ° C. for 24 hours to elute and remove components with insufficient crosslinking.
The obtained composite membrane had an ion exchange capacity of 2.53 meq / g, and proton conductivity could not be measured because of high membrane resistance. The film weight reduction rate after the Fenton test was 0%.

比較例3
合成例1で得られた[(p−フェニレンスルホン酸)−2,5−ベンゾフェノン]100mg、ビニルスルホン酸70mg、トリアリルイソシアヌレート15mgをメタノール/水[90/10(w/w)]混合溶液4.3gに溶解させた。その後、メタノールに浸漬したポリエチレン製多孔膜サイズ:10.5×10.5cm、膜厚:9μm、空孔率:35%)をPTFE製基材上に置き、その上から上記ポリマー溶液をコートし、窒素雰囲気下室温で乾燥させた。乾燥後の複合高分子電解質膜をプラスチックの枠に固定し、電子線照射装置((株)NHVコーポレーション所有、EBC300キュアトロン)を用いて窒素雰囲気下、加速電圧250kV、電子線照射線量500kGyで電子線架橋を行った。電子線照射後、枠から複合高分子電解質膜をはずし、超純水500mlに浸け80℃の乾燥機中で24時間保持し、架橋が不十分な成分を溶出させ除去した。
得られた複合膜のイオン交換容量2.59meq/g、プロトン伝導性0.041S/cm、フェントン試験後の膜重量減少率は34%であった。発電試験時の0.3A/cmでの電圧は0.86Vであった。
Comparative Example 3
100 mg of [(p-phenylene sulfonic acid) -2,5-benzophenone] obtained in Synthesis Example 1, 70 mg of vinyl sulfonic acid, and 15 mg of triallyl isocyanurate are mixed in methanol / water [90/10 (w / w)]. Dissolved in 4.3 g. Thereafter, a polyethylene porous membrane size immersed in methanol: 10.5 × 10.5 cm, film thickness: 9 μm, porosity: 35%) was placed on a PTFE substrate, and the polymer solution was coated thereon. And dried at room temperature under a nitrogen atmosphere. The composite polymer electrolyte membrane after drying is fixed to a plastic frame, and an electron beam irradiation device (owned by NHV Corporation, EBC300 Curetron) is used to generate electrons at an acceleration voltage of 250 kV and an electron beam irradiation dose of 500 kGy. Line cross-linking was performed. After irradiation with the electron beam, the composite polymer electrolyte membrane was removed from the frame, immersed in 500 ml of ultrapure water and kept in a dryer at 80 ° C. for 24 hours to elute and remove components with insufficient crosslinking.
The obtained composite membrane had an ion exchange capacity of 2.59 meq / g, proton conductivity of 0.041 S / cm, and a membrane weight reduction rate after the Fenton test of 34%. The voltage at 0.3 A / cm 2 during the power generation test was 0.86V.

表1から、本発明の複合高分子電解質膜はフェントン試験において膜中のリン原子量を増やすことで膜重量減少を抑制することができ、発電試験においても発電性能が低下しない条件を見出すことができ燃料電池膜としての応用に期待が持てる。   From Table 1, the composite polymer electrolyte membrane of the present invention can suppress the decrease in membrane weight by increasing the amount of phosphorus atoms in the membrane in the Fenton test, and can find the conditions under which the power generation performance does not deteriorate in the power generation test. Expectation for application as a fuel cell membrane.

本発明の複合高分子電解質膜は、過酸化物ラジカル存在下での耐久性を改善することができ、水素を燃料とする燃料電池の実用性が大幅に向上することが期待でき、産業界の発展に寄与するところ大である。 The composite polymer electrolyte membrane of the present invention can improve durability in the presence of peroxide radicals, and can be expected to greatly improve the practicality of hydrogen-fueled fuel cells. It contributes greatly to development.

Claims (9)

下記化学式1および下記化学式2で示される繰り返し構造を有する芳香族高分子電解質を含み、更にスルホン酸を有するラジカル重合性化合物、ホスホン酸を有するラジカル重合性化合物、2官能以上のラジカル重合性化合物から選ばれる少なくとも一つを含む樹脂組成物を多孔質基材中に充填した後、活性エネルギー線照射により重合した複合高分子電解質膜であって、高分子電解質がリン原子を0.1〜7.0質量%含むことを特徴とする複合高分子電解質膜。

(式中、R1、R2は水素、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数6〜20のアリール基のいずれかであり、R1、R2は同一であっても異なっていてもよい。R3は炭素数1〜20のアルキル基または置換基を有してもよい炭素数6〜20のアリール基のいずれかを示す。R3が置換基を有する場合、該置換基は水素、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数6〜20のアリール基のいずれかであり、該置換基を複数有する場合はそれらの置換基は同一であっても異なっていてもよい。a、bは1〜4の整数を示す。p、qは、p+q=1を満たす0または1である。)

(式中、m、nは正の整数、m+n=5〜1000を示す。R4は水素、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数6〜20のアリール基のいずれかであり、置換基は同一であっても異なっていてもよい。rは1または2であり、dは4−rを示す。AはOR5もしくはN(R6)(R7)を示し、R5は水素、アルカリ金属、炭素数1〜20のアルキル基のいずれかを示し、R6及びR7は水素または炭素数1〜20のアルキル基のいずれかであり、R6及びR7は同一であっても異なっていてもよい。)
A radical polymerizable compound having a repeating structure represented by the following chemical formula 1 and the following chemical formula 2 and further having a sulfonic acid, a radical polymerizable compound having a phosphonic acid, and a bifunctional or higher functional radical polymerizable compound A composite polymer electrolyte membrane obtained by filling a porous substrate with a resin composition containing at least one selected, and then polymerizing by irradiation with active energy rays, wherein the polymer electrolyte contains 0.1 to 7 phosphorus atoms. A composite polymer electrolyte membrane comprising 0% by mass.

Wherein R 1 and R 2 are any one of hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, and R 1 and R 2 may be the same or different. R 3 represents either an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or an aryl group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, and when R 3 has a substituent, the substituent is hydrogen. , Any one of an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms and an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, and when having a plurality of the substituents, the substituents may be the same or different. b represents an integer of 1 to 4. p and q are 0 or 1 satisfying p + q = 1.)

(In the formula, m and n are positive integers and m + n = 5 to 1000. R 4 is any one of hydrogen, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and an aryl group having 6 to 20 carbon atoms. May be the same or different, r is 1 or 2, d is 4-r, A is OR 5 or N (R 6 ) (R 7 ), R 5 is hydrogen, An alkali metal, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, R 6 and R 7 are either hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and R 6 and R 7 may be the same May be different.)
前記高分子電解質がリン原子を0.5〜7.0質量%含む請求項1に記載の複合高分子電解質膜。   The composite polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the polymer electrolyte contains 0.5 to 7.0 mass% of phosphorus atoms. 前記ホスホン酸を有するラジカル重合性化合物が下記化学式3で示される化合物である、請求項1〜2のいずれかに記載の複合高分子電解質膜。

(式中、R8は水素、炭素数1〜20のアルキル基のいずれかである。R9は直接結合、炭素数1〜20のアルキル基、フェニル基のいずれかである。tは1〜5のいずれかである。)BはOR10もしくはN(R11)(R12)を示し、R10は水素、アルカリ金属、炭素数1〜20のアルキル基のいずれかを示し、R11及びR12は水素または炭素数1〜20のアルキル基のいずれかであり、R11及びR12は同一であっても異なっていてもよい。)
The composite polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the radical polymerizable compound having phosphonic acid is a compound represented by the following chemical formula 3.

(In the formula, R 8 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms. R 9 is a direct bond, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or a phenyl group. And B represents OR 10 or N (R 11 ) (R 12 ), R 10 represents any one of hydrogen, an alkali metal, and an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and R 11 and R 12 is either hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and R 11 and R 12 may be the same or different. )
前記ホスホン酸を有するラジカル重合性化合物がビニルホスホン酸である請求項1〜3のいずれかに記載の複合高分子電解質膜 The composite polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the radically polymerizable compound having phosphonic acid is vinylphosphonic acid. 前記活性エネルギー線が電子線もしくは紫外線である請求項1〜4のいずれかに記載の複合高分子電解質膜 The composite polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the active energy ray is an electron beam or an ultraviolet ray. 前記多孔質基材の材質が高分子材料であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の複合高分子電解質膜。   The composite polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5, wherein the material of the porous substrate is a polymer material. 前記高分子電解質膜のイオン交換容量が1.5meq/g〜6.0meq/gであることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の複合高分子電解質膜。   The composite polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6, wherein the polymer electrolyte membrane has an ion exchange capacity of 1.5 meq / g to 6.0 meq / g. 請求項1〜7のいずれかに記載の複合高分子電解質膜を用いた燃料電池用高分子電解質膜電極接合体。   The polymer electrolyte membrane electrode assembly for fuel cells using the composite polymer electrolyte membrane in any one of Claims 1-7. 請求項8に記載の高分子電解質膜電極接合体を用いた燃料電池。   A fuel cell using the polymer electrolyte membrane electrode assembly according to claim 8.
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