JP2018073651A - Method for manufacturing polymer electrolyte for fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a polymer electrolyte for a fuel cell, by which a polymer electrolyte of a high molecular weight can be manufactured by a simple synthetic route at low cost.SOLUTION: A method for manufacturing a polymer electrolyte for a fuel cell comprises the step of polymerizing a dihalogen compound including an ion-exchange group, a functional group capable of performing ion exchange, and a dihalogen compound including no ion-exchange group in the coexistence of a catalyst including a transition metal complex, a reductant and an activator operable to activate the reductant, whereby a block copolymer having a segment including an ion-exchange group and a segment including no ion-exchange group can be obtained. The polymer electrolyte for a fuel cell can be manufactured from the block copolymer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は燃料電池用高分子電解質の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell.

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。燃料電池では、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。燃料電池の中でも固体高分子形燃料電池の電池本体は小型であるから、車載電源や家庭据置電源として特に固体高分子形燃料電池は期待されている。   In recent years, fuel cells have attracted attention as an effective power source for solving environmental problems and energy problems. In a fuel cell, fuel such as hydrogen is oxidized by an oxidant such as oxygen, and chemical energy generated at this time is converted into electric energy. Among the fuel cells, since the polymer main body of the polymer electrolyte fuel cell is small, the polymer electrolyte fuel cell is particularly expected as an in-vehicle power source or a home stationary power source.

固体高分子形燃料電池では、電解質中をプロトンが伝導することによって、電極反応が進行する。固体高分子形燃料電池の電解質としては、現在まで、デュポン社製のナフィオン(登録商標)に代表されるパーフルオロ系電解質が多く提案されている。しかしながら、ナフィオンは、製造に複雑な合成経路を必要とし、固体高分子形燃料電池の製造コストが高くなる。また、ナフィオンのガラス転移温度は、車載に際し求められる耐久温度よりも低い。よって、ダイレクトメタノール燃料電池(DMFC)や、触媒活性を上げるために温度を上げる電池のように、高温(100℃以上)に耐えうる安定な膜が必要な場合には、ナフィオンは適しているとは言えない。   In a polymer electrolyte fuel cell, an electrode reaction proceeds by proton conduction in an electrolyte. As electrolytes for polymer electrolyte fuel cells, many perfluoro electrolytes represented by Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont have been proposed so far. However, Nafion requires a complicated synthesis route for production, which increases the production cost of the polymer electrolyte fuel cell. In addition, the glass transition temperature of Nafion is lower than the endurance temperature required for in-vehicle use. Therefore, if a stable membrane that can withstand high temperatures (100 ° C. or higher) is required, such as direct methanol fuel cells (DMFC) and cells that increase the temperature to increase catalytic activity, Nafion is suitable. I can't say that.

そこで、上述の固体高分子形燃料電池の電解質では、従来から、炭化水素系高分子電解質の開発が進められている。炭化水素系高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(特許文献1参照)、スルホン化ポリエーテルスルホン(特許文献2参照)等のエンジニアリングプラスチックをスルホン化した芳香族系高分子や、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からなる芳香族系共重合体(特許文献3参照)が提案されている。これらの芳香族炭化水素系高分子電解質は、ナフィオンと比べて製造が容易であるため、製造コストを低くすることが可能である。また、ナフィオンと比べて耐熱温度が高く、高温雰囲気でも使用可能である。   Therefore, development of hydrocarbon polymer electrolytes has been promoted for the electrolytes of the above-described polymer electrolyte fuel cells. Examples of the hydrocarbon polymer electrolyte include aromatic polymers obtained by sulfonating engineering plastics such as sulfonated polyether ether ketone (see Patent Document 1) and sulfonated polyethersulfone (see Patent Document 2), An aromatic copolymer composed of a segment containing an ion exchange group and a segment not containing an ion exchange group (see Patent Document 3) has been proposed. Since these aromatic hydrocarbon polymer electrolytes are easier to manufacture than Nafion, the manufacturing costs can be reduced. Further, the heat resistant temperature is higher than that of Nafion, and it can be used in a high temperature atmosphere.

特開平6-93114号公報JP-A-6-93114 特開平9-245818号公報JP-A-9-245818 特許第5295655号公報Japanese Patent No. 5295655

燃料電池の普及においては、高温低湿度下で作動する電解質膜が望まれている。しかしながら、特許文献1、2の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、電解質が水分を含んで膨潤しやすく、機械強度が低下する。   In the spread of fuel cells, an electrolyte membrane that operates under high temperature and low humidity is desired. However, in the aromatic hydrocarbon polymer electrolytes of Patent Documents 1 and 2, when the hydrophilic group in the polymer is increased in order to increase proton conductivity and ion exchange capacity, the electrolyte easily swells with moisture, Mechanical strength decreases.

特許文献3においては、プロトン伝導性と機械強度を両立することができる。しかしながら、芳香族系共重合体の合成は、遷移金属錯体からなる触媒と還元剤を用いて行うが、合成前に別途、還元剤を活性化する必要があるため、合成経路が複雑になり製造コストが低くなりにくい(図3を参照)。また、合成中に還元剤の活性が低下して、高分子量の高分子電解質(芳香族系共重合体)を得ることができないおそれがある。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高分子量の高分子電解質を簡易な合成経路で且つ低コストで製造することができる燃料電池用高分子電解質の製造方法を提供することにある。
In Patent Document 3, both proton conductivity and mechanical strength can be achieved. However, aromatic copolymers are synthesized using a transition metal complex catalyst and a reducing agent. However, it is necessary to activate the reducing agent separately before the synthesis, resulting in a complicated synthesis route. Cost is unlikely to be low (see FIG. 3). In addition, the activity of the reducing agent is reduced during the synthesis, and there is a possibility that a high molecular weight polymer electrolyte (aromatic copolymer) cannot be obtained.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte for a fuel cell capable of producing a high molecular weight polymer electrolyte at a low cost by a simple synthesis route. It is to provide a manufacturing method.

本発明の一態様に係る燃料電池用高分子電解質の製造方法は、イオン交換を行うことが可能な官能基である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を含有する燃料電池用高分子電解質の製造方法であって、イオン交換基を含むジハロゲン化合物とイオン交換基を含まないジハロゲン化合物とを、遷移金属錯体を含有する触媒と、還元剤と、還元剤を活性化する活性化剤との共存下で重合させて、ブロック共重合体を得る重合工程を含むことを要旨とする。   A method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell according to an aspect of the present invention includes a block having an ion exchange group that is a functional group capable of performing ion exchange, and a segment not containing an ion exchange group A method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell containing a copolymer, comprising a dihalogen compound containing an ion exchange group and a dihalogen compound containing no ion exchange group, a catalyst containing a transition metal complex, and a reducing agent The present invention includes a polymerization step of polymerizing in the presence of an activator for activating a reducing agent to obtain a block copolymer.

本発明によれば、高分子量の高分子電解質を簡易な合成経路で且つ低コストで製造することができる。   According to the present invention, a high molecular weight polymer electrolyte can be produced at a low cost by a simple synthesis route.

本発明の一実施形態に係る燃料電池用高分子電解質の製造方法を説明する工程図である。It is process drawing explaining the manufacturing method of the polymer electrolyte for fuel cells which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る燃料電池用高分子電解質の製造方法における合成機構を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the synthetic | combination mechanism in the manufacturing method of the polymer electrolyte for fuel cells which concerns on one Embodiment of this invention. 従来の燃料電池用高分子電解質の製造方法を説明する工程図である。It is process drawing explaining the manufacturing method of the conventional polymer electrolyte for fuel cells.

本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態の燃料電池用高分子電解質の製造方法は、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を含有する燃料電池用高分子電解質の製造方法であって、イオン交換基を含むジハロゲン化合物とイオン交換基を含まないジハロゲン化合物とを、遷移金属錯体を含有する触媒と、還元剤と、還元剤を活性化する活性化剤との共存下で重合させて、前述のブロック共重合体を得る重合工程を含む。
なお、イオン交換基とは、イオン交換を行うことが可能な官能基であり、高分子電解質として用いられた場合には、イオン伝導に寄与する基である。具体例としては、スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基が挙げられ、好ましくはスルホン酸基である。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell according to this embodiment is a method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell containing a block copolymer having segments containing ion exchange groups and segments not containing ion exchange groups. Then, a dihalogen compound containing an ion exchange group and a dihalogen compound not containing an ion exchange group are polymerized in the presence of a catalyst containing a transition metal complex, a reducing agent, and an activator that activates the reducing agent. And a polymerization step for obtaining the above-mentioned block copolymer.
The ion exchange group is a functional group capable of performing ion exchange and is a group that contributes to ion conduction when used as a polymer electrolyte. Specific examples include a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, and a carboxylic acid group, and a sulfonic acid group is preferable.

このような本実施形態の燃料電池用高分子電解質の製造方法で高分子電解質を製造すれば、高分子量の高分子電解質を簡易な合成経路で且つ低コストで製造することができる。詳述すると、従来技術においては、図3に示すように、イオン交換基を含むジハロゲン化合物とイオン交換基を含まないジハロゲン化合物とを、遷移金属錯体を含有する触媒と還元剤との共存下で重合させるが、還元剤を活性化する活性化剤は共存させない。この従来技術においては、重合を行う前の段階で、還元剤に活性化剤(例えば、有機酸などの酸)を接触させて活性化し、活性化された還元剤を重合に用いている。よって、高分子電解質の合成工程が二段階となるとともに、重合に用いる前に還元剤から活性化剤を除去する必要があるので、合成経路が複雑になり製造コストが低くなりにくかった。   If a polymer electrolyte is produced by the method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell according to this embodiment, a polymer electrolyte having a high molecular weight can be produced at a low cost by a simple synthesis route. More specifically, in the prior art, as shown in FIG. 3, a dihalogen compound containing an ion exchange group and a dihalogen compound not containing an ion exchange group are combined in the presence of a catalyst containing a transition metal complex and a reducing agent. Polymerize, but do not allow an activator to activate the reducing agent. In this prior art, an activator (for example, an acid such as an organic acid) is brought into contact with the reducing agent and activated before the polymerization, and the activated reducing agent is used for the polymerization. Accordingly, the synthesis process of the polymer electrolyte has two steps, and it is necessary to remove the activator from the reducing agent before use in the polymerization. Therefore, the synthesis route is complicated and the production cost is not easily lowered.

これに対して、本実施形態の燃料電池用高分子電解質の製造方法においては、図1、2に示すように、イオン交換基を含むジハロゲン化合物とイオン交換基を含まないジハロゲン化合物とを、遷移金属錯体を含有する触媒と、還元剤と、還元剤を活性化する活性化剤との共存下で重合させるので、高分子電解質の合成工程が一段階であるとともに、重合に用いる前に還元剤から活性化剤を除去する必要がない。そのため、高分子量の高分子電解質を簡易な合成経路で且つ低コストで製造することができる。さらに、反応系内に活性化剤が共存しており、反応系内で活性化剤が還元剤に作用するので、高分子電解質の合成中に還元剤の活性が低下しにくい。   In contrast, in the method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell according to this embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, a dihalogen compound containing an ion exchange group and a dihalogen compound not containing an ion exchange group are transitioned. Polymerization is performed in the presence of a catalyst containing a metal complex, a reducing agent, and an activator that activates the reducing agent, so that the synthesis process of the polymer electrolyte is a single step, and the reducing agent is used before polymerization. There is no need to remove the activator from. Therefore, a high molecular weight polymer electrolyte can be produced at a low cost by a simple synthesis route. Furthermore, since the activator coexists in the reaction system, and the activator acts on the reducing agent in the reaction system, the activity of the reducing agent is unlikely to decrease during the synthesis of the polymer electrolyte.

上記2種のジハロゲン化合物のハロゲンとしては、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素が挙げられ、好ましくは塩素、臭素である。
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。遷移金属錯体は市販品でもよく、別途合成したものでもよい。遷移金属錯体の合成方法としては、遷移金属のハロゲン化物又は遷移金属の酸化物と配位子とを反応させて合成する方法が挙げられる。
Examples of the halogen of the two kinds of dihalogen compounds include fluorine, chlorine, bromine and iodine, and preferably chlorine and bromine.
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. The transition metal complex may be a commercially available product or may be synthesized separately. Examples of the method for synthesizing the transition metal complex include a method in which a halide of a transition metal or an oxide of a transition metal is reacted with a ligand and synthesized.

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、これらの配位子のうち1種を単独で有していてもよいし、2種以上を併せて有していてもよい。   As the ligand, 2,2′-bipyridyl, 1,10-phenanthroline, N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine, acetylacetonate, triphenylphosphine, tolylphosphine, tributylphosphine, 1, Any of 2-bis (diphenylphosphino) ethane, 1,3-bis (diphenylphosphino) propane, 1,4-bis (diphenylphosphino) butane, and 1,1′-bis (diphenylphosphino) ferrocene It is preferable to have at least one of these. The transition metal complex may have one of these ligands alone or in combination of two or more.

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、又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。
活性化剤としては、例えば、スズ、アンチモン、ヨウ素等が挙げられる。特に、還元剤である金属をよく溶かすヨウ素を用いることが好ましい。
Examples of the reducing agent include iron, zinc, manganese, aluminum, magnesium, sodium, calcium, and the like. Of these, zinc, magnesium and manganese are preferred.
Examples of the activator include tin, antimony, iodine and the like. In particular, it is preferable to use iodine which dissolves the metal as the reducing agent well.

以下に、前述のブロック共重合体からなる高分子電解質の製造方法について、さらに詳細に説明する。
ブロック共重合体である高分子電解質を重合する際には、遷移金属錯体、還元剤、活性化剤の共存下で、モノマーである2種のジハロゲン化合物の重合を行う。
遷移金属錯体としては、ゼロ価ニッケル錯体やゼロ価パラジウム錯体等のゼロ価遷移金属錯体を用いることがより好ましく、特にゼロ価ニッケル錯体を用いることがさらに好ましい。
Below, the manufacturing method of the polymer electrolyte which consists of the above-mentioned block copolymer is demonstrated in detail.
When polymerizing a polymer electrolyte that is a block copolymer, two dihalogen compounds that are monomers are polymerized in the presence of a transition metal complex, a reducing agent, and an activator.
As the transition metal complex, it is more preferable to use a zero-valent transition metal complex such as a zero-valent nickel complex or a zero-valent palladium complex, and it is more preferable to use a zero-valent 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。
ゼロ価遷移金属錯体は、上述のように市販品を用いてもよく、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、遷移金属化合物を亜鉛やマグネシウムなどの還元剤を用いて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。
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.
As the zero-valent transition metal complex, a commercially available product may be used as described above, or a separately synthesized product may be used. As a method for synthesizing the zero-valent transition metal complex, a known method such as a method of reducing the transition metal compound to a zero valence by using a reducing agent such as zinc or magnesium can be used.

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重合する際には、用いた遷移金属錯体の配位子となり得る化合物を反応系内に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 polymerizing using a transition metal complex, it is preferable to add a compound that can be a ligand of the transition metal complex used in the reaction system. 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.

配位子の添加量は、ゼロ価遷移金属錯体100モル%に対して、10モル%以上1,000モル%以下であることが好ましく、100モル%以上500モル%以下であることがより好ましい。
ゼロ価遷移金属錯体の使用量は、モノマーであるイオン交換基を含むジハロゲン化合物100モル%に対して、1モル%以上である。ゼロ価遷移金属錯体の使用量が1モル%以上であると、ブロック共重合体の収率や重合度が低下することを抑制することができる。ゼロ価遷移金属錯体の使用量の上限については特に制限はないが、500モル%以下であると、重合の後処理が容易となる。
The addition amount of the ligand is preferably 10 mol% or more and 1,000 mol% or less, more preferably 100 mol% or more and 500 mol% or less, with respect to 100 mol% of the zero-valent transition metal complex. .
The usage-amount of a zerovalent transition metal complex is 1 mol% or more with respect to 100 mol% of dihalogen compounds containing the ion exchange group which is a monomer. It can suppress that the yield of a block copolymer and a polymerization degree fall that the usage-amount of a zerovalent transition metal complex is 1 mol% or more. Although there is no restriction | limiting in particular about the upper limit of the usage-amount of a zerovalent transition metal complex, The post-process of superposition | polymerization becomes easy as it is 500 mol% or less.

還元剤の使用量は、ゼロ価遷移金属錯体100モル%に対して、10モル%以上10,000モル%以下であることが好ましく、100モル%以上5,000モル%以下であることがより好ましい。
活性化剤の使用量は、還元剤100モル%に対して、0.1モル%以上であることが好ましい。活性化剤の使用量が0.1モル%以上であると、還元剤の活性化が十分に行われ、ブロック共重合体の収率や重合度が低下することを抑制することができる。活性化剤の使用量の上限について特に制限はないが、100モル%以下であると、重合の後処理が容易となる。
The amount of the reducing agent used is preferably 10 mol% or more and 10,000 mol% or less, more preferably 100 mol% or more and 5,000 mol% or less with respect to 100 mol% of the zero-valent transition metal complex. preferable.
The amount of the activator used is preferably 0.1 mol% or more with respect to 100 mol% of the reducing agent. When the usage-amount of an activator is 0.1 mol% or more, activation of a reducing agent is fully performed and it can suppress that the yield of a block copolymer and a polymerization degree fall. Although there is no restriction | limiting in particular about the upper limit of the usage-amount of an activator, The post-process of superposition | polymerization becomes easy as it is 100 mol% or less.

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や、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や、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、活性化剤と併用してもよい。   If necessary, sodium compounds such as sodium fluoride, sodium chloride, sodium bromide, sodium iodide and sodium sulfate, and potassium such as potassium fluoride, potassium chloride, potassium bromide, potassium iodide and potassium sulfate Compounds and ammonium compounds such as tetraethylammonium fluoride, tetraethylammonium chloride, tetraethylammonium bromide, tetraethylammonium iodide, and tetraethylammonium sulfate may be used in combination with the activator.

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時間以下であることが好ましく、1時間以上40時間以下であることがより好ましい。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、重合反応によるブロック共重合体の収率や重合度が高められる。   As conditions for the 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, more preferably 1 hour or more and 40 hours or less. The 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 block copolymer due to the polymerization reaction are increased.

重合の重合溶媒としては、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や、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や、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や、酢酸エチル、酢酸ブチル、安息香酸メチル等のエステル系溶媒や、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。   As a polymerization solvent for polymerization, for example, aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylsulfoxide, sulfolane, toluene, xylene, 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 systems such as ethyl acetate, butyl acetate and methyl benzoate Examples thereof include solvents and alkyl halide solvents such as chloroform and dichloroethane. These polymerization solvents are preferably used after sufficiently dehydrated.

重合反応によるブロック共重合体の収率や重合度を高めるためには、ブロック共重合体が重合溶媒に十分溶解していることが望ましい。したがって、ブロック共重合体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、及びこれらの溶媒のうち2種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 block copolymer by the polymerization reaction, it is desirable that the block copolymer is sufficiently dissolved in the polymerization solvent. Therefore, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, toluene, etc., which are good solvents for the block copolymer Is preferably used. In particular, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, and a mixture of two or more of these solvents are preferably used.

重合溶媒中におけるイオン交換基を含むジハロゲン化合物の総量の濃度は、1質量%以上90質量%以下であることが好ましい。また、重合溶媒中におけるイオン交換基を含まないジハロゲン化合物の総量の濃度は、5質量%以上40質量%以下であることが好ましい。モノマーの濃度の下限がこうした値であれば、生成したブロック共重合体の回収が容易となる。また、モノマーの濃度の上限がこうした値であれば、反応中の反応混合物の攪拌が容易となる。   The concentration of the total amount of the dihalogen compound containing an ion exchange group in the polymerization solvent is preferably 1% by mass or more and 90% by mass or less. Moreover, it is preferable that the density | concentration of the total amount of the dihalogen compound which does not contain the ion exchange group in a polymerization solvent is 5 mass% or more and 40 mass% or less. When the lower limit of the monomer concentration is such a value, the produced block copolymer can be easily recovered. In addition, when the upper limit of the monomer concentration is such a value, stirring of the reaction mixture during the reaction becomes easy.

こうした方法によって、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ブロック共重合体を析出させ、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、通常の精製方法による精製を施すことにより、得られたブロック共重合体を精製することができる。精製方法としては、例えば、水洗や、良溶媒と貧溶媒を用いての再沈殿等があげられる。   A block copolymer is synthesized by such a method. When taking out the produced block copolymer from a reaction mixture, a conventional method can be applied. For example, the block copolymer 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, the obtained block copolymer can be refine | purified by refine | purifying with a normal refinement | purification method as needed. Examples of the purification method include washing with water, reprecipitation using a good solvent and a poor solvent, and the like.

また、ブロック共重合体を燃料電池用の電解質膜として利用するに際して、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には、スルホン酸基を塩から遊離酸の形に変換することが好ましい。遊離酸への変換は、通常は、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。   Further, when the block copolymer is used as an electrolyte membrane for a fuel cell, if the sulfonic acid group in the produced block copolymer is in the form of a salt such as sodium salt, the sulfonic acid group is liberated from the salt. Conversion to the acid form is preferred. 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.

高分子電解質へのイオン交換基の導入量は、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以下であることがより好ましい。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 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 and 3 or less. More preferably, it is 0.0 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、分子量がポリスチレン換算の重量平均分子量で表して、10,000以上1,000,000以下であることが好ましく、20,000以上500,000以下であることがより好ましい。分子量が5000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、膜の成膜性や機械強度が高められる。また、分子量が1,000,000以下であることで、製造がより簡便になる。   In addition, the polymer electrolyte has a molecular weight, expressed as a polystyrene-reduced weight average molecular weight, of preferably 10,000 or more and 1,000,000 or less, and more preferably 20,000 or more and 500,000 or less. When the molecular weight is 5000 or more, when used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, the film formability and mechanical strength of the membrane are improved. Moreover, manufacture becomes simpler because molecular weight is 1,000,000 or less.

本実施形態の燃料電池用高分子電解質の製造方法において用いられるイオン交換基を含むジハロゲン化合物として好ましいものとしては、下記式(1)に示す化合物が挙げられる。   Preferable examples of the dihalogen compound containing an ion exchange group used in the method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell according to this embodiment include compounds represented by the following formula (1).

Figure 2018073651
Figure 2018073651

ただし、上記式(1)中のR及びRは、それぞれ独立に、−(CH−、−O−(CH−、−S−(CH−、−NH−(CH−、−(CF−、−O−(CF−、−S−(CF−、及び、−NH−(CF−からなる群から選択される連結基を示し、aは2以上の整数である。X及びXは、それぞれ独立にハロゲン原子を示し、Y及びYは、それぞれ独立に、第1族元素、第2族元素、又は炭素原子数5以上20以下の炭化水素基であり、Zは、−CO−、−O−、−S−、及び−SO−からなる群から選択される連結基である。 However, R 1 and R 2 in the formula (1) are each independently, - (CH 2) a - , - O- (CH 2) a -, - S- (CH 2) a -, - NH The group consisting of — (CH 2 ) a —, — (CF 2 ) a —, —O— (CF 2 ) a —, —S— (CF 2 ) a —, and —NH— (CF 2 ) a —. And a is an integer of 2 or more. X 1 and X 2 each independently represent a halogen atom, and Y 1 and Y 2 are each independently a Group 1 element, Group 2 element, or a hydrocarbon group having 5 to 20 carbon atoms. , Z is a linking group selected from the group consisting of —CO—, —O—, —S—, and —SO 2 —.

上記式(1)におけるY及びYの具体例としては、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、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、又は、n−ヘキシル基、シクロヘキシル基、2−エチルヘキシル基、n−ペンチル基、iso−ペンチル基、tert−ペンチル基、n−ヘプチル基、tert−ヘプチル基、n−オクチル基、sec−オクチル基、シクロペンチルメチル基、シクロペンチルエチル基、シクロヘキシルメチル基、テトラヒドロフルフリル基等の炭化水素基が挙げられる。YとYとは、異なってもよいが、同じである方が、イオン交換基を含むジハロゲン化合物の合成が容易となる。また、ブロック共重合体の製造を容易とするためには、Y及びYは第1族元素イオン、炭化水素基であることが好ましい。 Specific examples of Y 1 and Y 2 in the above formula (1) include group ions such as hydrogen ions, lithium ions, sodium ions, potassium ions, rubidium ions, magnesium ions, calcium ions, strontium ions, barium ions. Group II element ions such as n-hexyl group, cyclohexyl group, 2-ethylhexyl group, n-pentyl group, iso-pentyl group, tert-pentyl group, n-heptyl group, tert-heptyl group, n- Examples thereof include hydrocarbon groups such as octyl group, sec-octyl group, cyclopentylmethyl group, cyclopentylethyl group, cyclohexylmethyl group, and tetrahydrofurfuryl group. Y 1 and Y 2 may be different, but the same one facilitates the synthesis of a dihalogen compound containing an ion exchange group. In order to facilitate the production of the block copolymer, Y 1 and Y 2 are preferably Group 1 element ions and hydrocarbon groups.

上記式(1)におけるX及びXは、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素などのハロゲン原子からなる基である。XとXとは、異なる原子であってもよいが、同じ原子である方が、上記式(1)のジハロゲン化合物の合成が容易となる。また、ブロック共重合体の製造を容易とするためには、X及びXは塩素又は臭素であることが好ましい。X及びXを塩素及び臭素のいずれとするかは、重合法に応じて選択される。 X 1 and X 2 in the above formula (1) are groups composed of halogen atoms such as fluorine, chlorine, bromine and iodine. X 1 and X 2 may be different atoms, but synthesis of the dihalogen compound of the above formula (1) becomes easier when they are the same atom. In order to facilitate the production of the block copolymer, X 1 and X 2 are preferably chlorine or bromine. Whether X 1 and X 2 are chlorine or bromine is selected according to the polymerization method.

上記式(1)のジハロゲン化合物は、−SO基及び−SO基とベンゼン環との間に、連結基であるR及びRを備えている。R及びRは、上記した通りの連結基であるが、上記式(1)のジハロゲン化合物の合成を容易とするためには、R及びRは−O−(CH−であることが好ましく、aは3又は4であることが好ましい。また、RとRとは、異なる連結基であってもよいが、同じ連結基である方が、上記式(1)のジハロゲン化合物の合成が容易となる。 The dihalogen compound of the above formula (1) includes R 1 and R 2 that are linking groups between the —SO 3 Y 1 group and the —SO 3 Y 2 group and the benzene ring. R 1 and R 2 are linking groups as described above, but in order to facilitate the synthesis of the dihalogen compound of the above formula (1), R 1 and R 2 are —O— (CH 2 ) a —. And a is preferably 3 or 4. R 1 and R 2 may be different linking groups, but synthesis of the dihalogen compound of the above formula (1) becomes easier when they are the same linking group.

一般に、主鎖が芳香環から構成されているポリアリーレン型の高分子電解質は、イオン交換基が芳香環に直接結合したものである。こうした構造では、主鎖自身が親水性を有するとともに高分子主鎖同士のスタックが阻害されるため、主鎖周囲での水分子の存在が安定する結果、高分子電解質が膨潤することになる。なお、スタックとは、ファンデルワールス力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示す。   Generally, a polyarylene type polymer electrolyte whose main chain is composed of an aromatic ring has an ion exchange group directly bonded to the aromatic ring. In such a structure, since the main chain itself has hydrophilicity and the stack of polymer main chains is inhibited, the presence of water molecules around the main chain is stabilized, resulting in swelling of the polymer electrolyte. The term “stack” means that polymer main chains are physically connected by weak interaction such as van der Waals force.

これに対し、上記式(1)のジハロゲン化合物は、連結基R、Rが設けられることによってイオン交換基とベンゼン環が遠ざけられている。したがって、この上記式(1)のジハロゲン化合物をモノマーとして用いた高分子電解質では、耐水性の低下が抑制され、膨潤が起こりにくくなる。
本実施形態の燃料電池用高分子電解質の製造方法において用いられるイオン交換基を含まないジハロゲン化合物として好ましいものとしては、下記式(2)に示す化合物が挙げられる。
On the other hand, in the dihalogen compound of the above formula (1), the ion exchange group and the benzene ring are kept away by providing the linking groups R 1 and R 2 . Therefore, in the polymer electrolyte using the dihalogen compound of the above formula (1) as a monomer, a decrease in water resistance is suppressed, and swelling hardly occurs.
Preferable examples of the dihalogen compound containing no ion exchange group used in the method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell according to this embodiment include compounds represented by the following formula (2).

Figure 2018073651
Figure 2018073651

ただし、式(2)中のAr、Ar、Ar、及び、Arは、それぞれ独立に、2価の芳香族基であり、B及びBは、それぞれ独立に単結合又は2価の連結基であり、C及びCは、それぞれ独立に酸素原子又は硫黄原子である。X及びXは、それぞれ独立にハロゲン原子を示し、b、c、d、及び、eは、それぞれ独立に0又は1であり、nは5以上の整数である。 However, Ar 1 , Ar 2 , Ar 3 , and Ar 4 in formula (2) are each independently a divalent aromatic group, and B 1 and B 2 are each independently a single bond or 2 C 1 and C 2 each independently represent an oxygen atom or a sulfur atom. X 3 and X 4 each independently represent a halogen atom, b, c, d and e are each independently 0 or 1, and n is an integer of 5 or more.

上記式(2)におけるAr、Ar、Ar、及び、Ar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、又はニトリル基等で置換された2価の芳香族基であってもよい。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。 Ar 1 , Ar 2 , Ar 3 , and Ar 4 in the above formula (2) are substituted with a fluorine atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, a nitrile group, or the like. It may be a divalent aromatic group. In addition, these alkyl groups and alkoxy groups may have a substituent.

上記式(2)におけるB又はBが2価の連結基である場合は、B及び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、又は9,9−2置換フルオレンに基づく連結基であることが好ましい。
上記式(2)におけるnは5以上の整数であるが、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、機械強度、耐久性を十分に得ることができる。
When B 1 or B 2 in the above formula (2) is a divalent linking group, B 1 and B 2 are a carbonyl group, a sulfonyl group, a 2,2-isopropylidene group, a 2,2-hexafluoroisopropylate. A linking group based on a redene group or a 9,9-2 substituted fluorene is preferred.
N in the above formula (2) is 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, sufficient film formability, mechanical strength, and durability can be obtained.

上記式(2)におけるX及びXは、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素などのハロゲン原子からなる基である。XとXとは、異なるハロゲン原子であってもよいが、同じハロゲン原子である方が、上記式(2)のジハロゲン化合物の合成が容易となる。また、ブロック共重合体の製造を容易とするためには、X、X、X、Xが同じハロゲン原子であり、塩素又は臭素であることが好ましい。X、X、X、Xを塩素及び臭素のいずれとするかは、重合法に応じて選択される。
上記式(2)で示される、イオン交換基を含まないジハロゲン化合物の具体例を、化学式で下記に列挙する。
X 3 and X 4 in the above formula (2) are groups composed of halogen atoms such as fluorine, chlorine, bromine and iodine. X 3 and X 4 may be different halogen atoms, but synthesis of the dihalogen compound of the above formula (2) becomes easier when they are the same halogen atom. In order to facilitate the production of the block copolymer, X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are preferably the same halogen atom, and preferably chlorine or bromine. Whether X 1 , X 2 , X 3 , or X 4 is chlorine or bromine is selected according to the polymerization method.
Specific examples of the dihalogen compound not containing an ion exchange group represented by the above formula (2) are listed below by chemical formula.

Figure 2018073651
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Figure 2018073651
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Figure 2018073651
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Figure 2018073651
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Figure 2018073651
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本発明に係る燃料電池用高分子電解質の製造方法について、以下に具体的な実施例を挙げてさらに説明する。得られた高分子電解質(ブロック共重合体)は、分子量測定、イオン交換容量測定により評価した。   The method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell according to the present invention will be further described below with reference to specific examples. The obtained polymer electrolyte (block copolymer) was evaluated by molecular weight measurement and ion exchange capacity measurement.

<分子量測定>
高分子電解質の分子量を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。測定条件は下記の通りである。
・GPC装置:東ソー株式会社製のGPC装置HLC−8120
・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 measurement>
The molecular weight of the polymer electrolyte was measured by gel permeation chromatography (GPC). The measurement conditions are as follows.
GPC device: GPC device HLC-8120 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

<イオン交換容量測定>
イオン交換基であるスルホン酸基が遊離酸の状態になっている高分子電解質を、乾燥した後、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し、中和点からイオン交換容量を求めた。
<Ion exchange capacity measurement>
After drying the polymer electrolyte in which the sulfonic acid group, which is an ion exchange group, is in a free acid state, a predetermined amount was weighed, stirred in a 2M aqueous sodium chloride solution overnight, and filtered. The filtrate was titrated with a standard solution of NaOH using phenolphthalein as an indicator, and the ion exchange capacity was determined from the neutralization point.

<イオン交換基を含むジハロゲン化合物の合成>
ビス(5−クロロ−2−ヒドロキシフェニル)スルホン50g(157mmol)をナスフラスコに入れ、無水エタノール660gを加えて溶解させた。この溶液に、水酸化ナトリウム26.69g(667mmol)を加えて80℃で30分間攪拌した。次に、攪拌した上記溶液に、1,3−プロパンスルトン72.49g(593mmol)を加えて、10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、濾物を回収し減圧乾燥して、下記式に示す化合物M1である目的物を67.53g(白色固体、収率65%)得た。
<Synthesis of dihalogen compounds containing ion exchange groups>
50 g (157 mmol) of bis (5-chloro-2-hydroxyphenyl) sulfone was placed in an eggplant flask, and 660 g of absolute ethanol was added and dissolved. To this solution, 26.69 g (667 mmol) of sodium hydroxide was added and stirred at 80 ° C. for 30 minutes. Next, 72.49 g (593 mmol) of 1,3-propane sultone was added to the stirred solution, and the mixture was heated to reflux for 10 hours. The precipitated white solid was collected by filtration. The collected solid was washed with a water / ethanol solution and then filtered again, and the filtrate was collected and dried under reduced pressure to obtain 67.53 g (white solid, yield: 65%) of the target compound, M1, represented by the following formula. )Obtained.

Figure 2018073651
Figure 2018073651

<イオン交換基を含まないジハロゲン化合物の合成>
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)、2,2’−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン7.83g(23.3mmol)、炭酸カリウム4.20g(30.3mmol)を入れて窒素置換し、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)150mL、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。
<Synthesis of dihalogen compound containing no ion exchange group>
In a three-necked flask, 7.40 g (25.7 mmol) of 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 7.83 g (23.3 mmol) of 2,2′-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, 4.20 g of potassium carbonate ( 30.3 mmol) was added, and the atmosphere was replaced with nitrogen. 150 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc) and 20 mL of toluene were added, and the mixture was refluxed with heating, and reacted while removing water in the system.

上記反応の終了後、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン1.00g(3.48mmol)を加えてさらに180℃で3時間反応させた。反応終了後の溶液をメタノールに注ぎ、再沈殿を行った。析出物を濾過により回収し水で洗浄後、105℃で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。析出物を濾過により回収した後、105℃で3時間減圧乾燥し、下記式に示す化合物M2である目的物を得た。得られた固体の分子量(Mw)は、20,000であった。   After completion of the above reaction, 1.00 g (3.48 mmol) of 4,4′-dichlorodiphenylsulfone was added and the reaction was further carried out at 180 ° C. for 3 hours. The solution after completion of 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 the desired product, which is compound M2 represented by the following formula. The obtained solid had a molecular weight (Mw) of 20,000.

Figure 2018073651
Figure 2018073651

<高分子電解質の合成(重合)>
[実施例1]
イオン交換基を含むジハロゲン化合物(M1)とイオン交換基を含まないジハロゲン化合物(M2)の重合反応を行った。容量50mLのシュレンク管に、窒素下で、脱水ジメチルスルホキシド38.8g、イオン交換基を含むジハロゲン化合物(M1)3.85g(6.1mmol)、イオン交換基を含まないジハロゲン化合物(M2)1.48g、NiCl(bpy)0.174g(0.61mmol)、2,2’−ビピリジル0.114g(0.73mmol)、亜鉛粉末1.60g(24.4mmol)、ヨウ素0.037g(0.15mmol)を加え、40℃で溶解させた。
<Polymer electrolyte synthesis (polymerization)>
[Example 1]
A polymerization reaction between a dihalogen compound (M1) containing an ion exchange group and a dihalogen compound (M2) containing no ion exchange group was carried out. Under nitrogen, 38.8 g of dehydrated dimethyl sulfoxide, 3.85 g (6.1 mmol) of a dihalogen compound containing an ion exchange group (6.1 mmol), a dihalogen compound containing no ion exchange group (M2), 1. 48 g, NiCl 2 (bpy) 0.174 g (0.61 mmol), 2,2′-bipyridyl 0.114 g (0.73 mmol), zinc powder 1.60 g (24.4 mmol), iodine 0.037 g (0.15 mmol) ) Was added and dissolved at 40 ° C.

すべて溶解したことを確認した後に、温度を65℃まで上げ、24時間撹拌した。反応後の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で洗浄し、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により、下記式に示す高分子電解質P1を得た。   After confirming that all were dissolved, the temperature was raised to 65 ° C. and stirred for 24 hours. The solution after the reaction 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 represented by the following formula.

Figure 2018073651
Figure 2018073651

[実施例2]
亜鉛粉末の代わりに鉄粉を用いた点以外は、実施例1と同様に高分子電解質P1を合成した。
[実施例3]
亜鉛粉末の代わりにマンガン粉末を用いた点以外は、実施例1と同様に高分子電解質P1を合成した。
[Example 2]
A polymer electrolyte P1 was synthesized in the same manner as in Example 1 except that iron powder was used instead of zinc powder.
[Example 3]
A polymer electrolyte P1 was synthesized in the same manner as in Example 1 except that manganese powder was used instead of zinc powder.

[実施例4]
亜鉛粉末の代わりにマグネシウム粉末を用いた点以外は、実施例1と同様に高分子電解質P1を合成した。
[比較例]
活性化剤であるヨウ素を用いない点と、別途に活性化した亜鉛粉末を用いた点以外は、実施例1と同様に高分子電解質P1を合成した。亜鉛粉末の活性化は、塩酸水溶液に亜鉛粉末を加え、濾過し、エタノール、ジエチルエーテルで洗浄することにより行った。
[Example 4]
A polymer electrolyte P1 was synthesized in the same manner as in Example 1 except that magnesium powder was used instead of zinc powder.
[Comparative example]
A polymer electrolyte P1 was synthesized in the same manner as in Example 1 except that iodine as an activator was not used and zinc powder activated separately was used. The zinc powder was activated by adding zinc powder to an aqueous hydrochloric acid solution, filtering, and washing with ethanol and diethyl ether.

[評価結果]
実施例1〜4及び比較例で得られた高分子電解質P1について、分子量及びイオン交換容量を測定した。その結果を表1に示す。実施例1〜4で得られた高分子電解質P1は、比較例で得られた高分子電解質P1よりも高い分子量を有していた。また、比較例と同等に高いイオン交換容量を有していた。
[Evaluation results]
About the polymer electrolyte P1 obtained in Examples 1-4 and the comparative example, the molecular weight and the ion exchange capacity were measured. The results are shown in Table 1. The polymer electrolyte P1 obtained in Examples 1 to 4 had a higher molecular weight than the polymer electrolyte P1 obtained in the comparative example. Moreover, it had an ion exchange capacity as high as that of the comparative example.

Figure 2018073651
Figure 2018073651

本発明に係る燃料電池用高分子電解質の製造方法により、高い分子量と酸価を示す高分子電解質を、簡易な合成経路で且つ低コストで製造することができる。   With the method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell according to the present invention, a polymer electrolyte exhibiting a high molecular weight and an acid value can be produced by a simple synthesis route and at a low cost.

Claims (6)

イオン交換を行うことが可能な官能基であるイオン交換基を含むセグメントと、前記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を含有する燃料電池用高分子電解質の製造方法であって、
前記イオン交換基を含むジハロゲン化合物と前記イオン交換基を含まないジハロゲン化合物とを、遷移金属錯体を含有する触媒と、還元剤と、前記還元剤を活性化する活性化剤との共存下で重合させて、前記ブロック共重合体を得る重合工程を含む燃料電池用高分子電解質の製造方法。
A method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell, comprising a block copolymer having a segment containing an ion exchange group, which is a functional group capable of performing ion exchange, and a segment not containing the ion exchange group. And
Polymerizing the dihalogen compound containing the ion exchange group and the dihalogen compound not containing the ion exchange group in the presence of a catalyst containing a transition metal complex, a reducing agent, and an activator for activating the reducing agent. A method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell, comprising a polymerization step of obtaining the block copolymer.
前記活性化剤がヨウ素である請求項1に記載の燃料電池用高分子電解質の製造方法。   The method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell according to claim 1, wherein the activator is iodine. 前記触媒がゼロ価ニッケル錯体である請求項1又は請求項2に記載の燃料電池用高分子電解質の製造方法。   The method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the catalyst is a zero-valent nickel complex. 前記還元剤が鉄、亜鉛、マンガン、及びマグネシウムのうちの少なくとも一種である請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池用高分子電解質の製造方法。   The method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the reducing agent is at least one of iron, zinc, manganese, and magnesium. 前記イオン交換基を含むジハロゲン化合物が、下記式(1)で表される化合物である請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料電池用高分子電解質の製造方法。
Figure 2018073651
ただし、式(1)中のR及びRは、それぞれ独立に、−(CH−、−O−(CH−、−S−(CH−、−NH−(CH−、−(CF−、−O−(CF−、−S−(CF−、及び、−NH−(CF−からなる群から選択される連結基を示し、aは2以上の整数である。X及びXは、それぞれ独立にハロゲン原子を示し、Y及びYは、それぞれ独立に、第1族元素、第2族元素、又は炭素原子数5以上20以下の炭化水素基であり、Zは、−CO−、−O−、−S−、及び−SO−からなる群から選択される連結基である。
The method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the dihalogen compound containing the ion exchange group is a compound represented by the following formula (1).
Figure 2018073651
However, R 1 and R 2 in the formula (1) 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 -, and, -NH- (CF 2) a - from the group consisting of The linking group to be selected is shown, and a is an integer of 2 or more. X 1 and X 2 each independently represent a halogen atom, and Y 1 and Y 2 are each independently a Group 1 element, Group 2 element, or a hydrocarbon group having 5 to 20 carbon atoms. , Z is a linking group selected from the group consisting of —CO—, —O—, —S—, and —SO 2 —.
前記イオン交換基を含まないジハロゲン化合物が、下記式(2)で表される化合物である請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料電池用高分子電解質の製造方法。
Figure 2018073651
ただし、式(2)中のAr、Ar、Ar、及び、Arは、それぞれ独立に、2価の芳香族基であり、B及びBは、それぞれ独立に単結合又は2価の連結基であり、C及びCは、それぞれ独立に酸素原子又は硫黄原子であり、X及びXは、それぞれ独立にハロゲン原子を示し、b、c、d、及び、eは、それぞれ独立に0又は1であり、nは5以上の整数である。
The method for producing a polymer electrolyte for a fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the dihalogen compound containing no ion exchange group is a compound represented by the following formula (2).
Figure 2018073651
However, Ar 1 , Ar 2 , Ar 3 , and Ar 4 in formula (2) are each independently a divalent aromatic group, and B 1 and B 2 are each independently a single bond or 2 A valent connecting group, C 1 and C 2 are each independently an oxygen atom or a sulfur atom, X 3 and X 4 are each independently a halogen atom, b, c, d, and e are , Each independently 0 or 1, and n is an integer of 5 or more.
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JP2019019226A (en) * 2017-07-18 2019-02-07 小西化学工業株式会社 Method for producing copolymer

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