JP2018073810A - Polymer electrolyte membrane, method for manufacturing the same, membrane-electrode assembly including the same, and fuel cell - Google Patents

Polymer electrolyte membrane, method for manufacturing the same, membrane-electrode assembly including the same, and fuel cell Download PDF

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健治 宮武
内田 誠
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Masato Kusakabe
正人 日下部
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a polymer electrolyte membrane which develops high proton conductivity, which is improved in resistance against expansion, and which is superior in chemical stability; a method for manufacturing the polymer electrolyte membrane; and a membrane-electrode assembly including the polymer electrolyte membrane; and a fuel cell.SOLUTION: The present invention relates to a polymer electrolyte membrane comprising a copolymer having a plurality of aromatic rings in its main chain. The copolymer includes: a hydrophilic segment having a sulfonic group; and a hydrophobic segment substantially not having a sulfonic group. In the hydrophilic segment, the sulfonic group is directly coupled to the aromatic ring. In the polymer electrolyte membrane, the hydrophilic segment is bound to the hydrophobic segment by a carbon-carbon bond of the aromatic ring included in the hydrophilic segment, and the aromatic ring included in the hydrophobic segment; and the copolymer is crosslinked in a portion other than the sulfonic group.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に好適な高分子電解質膜、その製造方法、それを含む膜/電極接合体および燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane suitable for a solid polymer fuel cell, a production method thereof, a membrane / electrode assembly including the same, and a fuel cell.

近年、地球温暖化等の環境問題等の観点から、高効率でクリーンなエネルギー源の開発が求められている。その要求に対する一つの候補として燃料電池が注目されている。燃料電池は、水素ガスやメタノール等の燃料と酸素等の酸化剤をそれぞれ電解質で隔てられた電極に供給し、一方で燃料の酸化を、他方で酸化剤の還元を行い、直接発電するものである。上述した燃料電池の材料のなかで、最も重要な材料の一つが電解質である。その電解質からなる燃料と酸化剤とを隔てる電解質膜としては、これまで様々なものが開発されているが、近年、特にスルホン酸基などのプロトン伝導性官能基を含有する高分子化合物から構成される高分子電解質の開発が盛んである。こうした高分子電解質は、固体高分子形燃料電池の他にも、例えば、湿度センサー、ガスセンサー、エレクトロクロミック表示素子などの電気化学素子の原料としても使用される。これら高分子電解質の利用法の中でも、特に、固体高分子形燃料電池は、新エネルギー技術の柱の一つとして期待されている。例えば、プロトン伝導性官能基を有する高分子化合物からなる電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴を有し、自動車などの移動体、家庭用コージェネレーションシステム等の用途で既に実用化され、さらに民生用小型携帯機器や非常用電源などへの適用が検討されている。   In recent years, development of highly efficient and clean energy sources has been demanded from the viewpoint of environmental problems such as global warming. Fuel cells are attracting attention as one candidate for that requirement. A fuel cell directly supplies power by supplying a fuel such as hydrogen gas or methanol and an oxidant such as oxygen to electrodes separated by an electrolyte, while oxidizing the fuel on the one hand and reducing the oxidant on the other. is there. Among the fuel cell materials described above, one of the most important materials is an electrolyte. Various types of electrolyte membranes have been developed so far to separate the electrolyte fuel and oxidant, and in recent years, the electrolyte membrane is composed of a polymer compound containing a proton conductive functional group such as a sulfonic acid group. The development of polymer electrolytes is thriving. In addition to the solid polymer fuel cell, such a polymer electrolyte is used as a raw material for electrochemical elements such as a humidity sensor, a gas sensor, and an electrochromic display element. Among these polymer electrolyte utilization methods, in particular, polymer electrolyte fuel cells are expected as one of the pillars of new energy technology. For example, a polymer electrolyte fuel cell using an electrolyte membrane made of a polymer compound having a proton-conducting functional group has features such as operation at a low temperature and reduction in size and weight. It has already been put to practical use in applications such as cogeneration systems for automobiles, and its application to consumer small portable devices and emergency power supplies is under consideration.

固体高分子形燃料電池に使用される電解質膜としては、1950年代に開発されたポリスチレン系の陽イオン交換膜があるが、燃料電池動作環境下における安定性に乏しく、充分な寿命を有する燃料電池を製造するには至っていない。一方、実用的な安定性を有する電解質膜としては、ナフィオン(Nafion)(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が広く検討されている。パーフルオロカーボンスルホン酸膜は、高いプロトン伝導性を有し、耐酸性、耐酸化性などの化学的安定性に優れているとされている。しかしながら、ナフィオン(登録商標)は、使用原料が高く、複雑な製造工程を経るため、非常に高価であるという欠点がある。また、電極反応で生じる過酸化水素やその副生物であるヒドロキシラジカルで劣化すると指摘されている。さらに、その構造上、プロトン伝導基であるスルホン酸基の導入には限界がある。   As an electrolyte membrane used in a polymer electrolyte fuel cell, there is a polystyrene-based cation exchange membrane developed in the 1950s. However, the fuel cell has poor stability under a fuel cell operating environment and has a sufficient lifetime. Has not yet been manufactured. On the other hand, as an electrolyte membrane having practical stability, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane represented by Nafion (registered trademark) has been widely studied. Perfluorocarbon sulfonic acid membranes are said to have high proton conductivity and excellent chemical stability such as acid resistance and oxidation resistance. However, Nafion (registered trademark) has a drawback that it is very expensive because it uses high raw materials and undergoes complicated manufacturing processes. In addition, it has been pointed out that it is deteriorated by hydrogen peroxide generated by the electrode reaction and by-product hydroxy radical. Furthermore, due to its structure, there is a limit to the introduction of sulfonic acid groups that are proton conducting groups.

このような背景から、再び炭化水素系電解質膜の開発が期待されるようになってきた。その理由としては、炭化水素系電解質膜は化学構造の多様性を持たせやすく、スルホン酸基などのプロトン伝導基の導入の範囲が広く調整できる、他の材料との複合化が比較的容易であるという特徴があるからである。   Against this background, the development of hydrocarbon electrolyte membranes has come to be expected. The reason for this is that the hydrocarbon-based electrolyte membrane is easy to have a variety of chemical structures, the range of introduction of proton conducting groups such as sulfonic acid groups can be adjusted widely, and it is relatively easy to combine with other materials. This is because there is a characteristic of being.

近年では、電解質膜にスルホン酸基を多く導入することでプロトン伝導性を改善する例が、多数、報告されている。スルホン酸基を導入する炭化水素系高分子としては、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトンなどの芳香族系高分子が検討された。しかし、これらの高分子電解質には、スルホン酸基が主鎖中にランダムに導入されているために、含水状態での膨潤が大きく、含水状態と乾燥状態を繰り返すことで膜の強度が損なわれ、燃料電池用の電解質膜として使用するには問題があった。   In recent years, many examples have been reported in which proton conductivity is improved by introducing many sulfonic acid groups into an electrolyte membrane. Aromatic polymers such as polyethersulfone, polyphenylene sulfide, and polyetheretherketone have been studied as hydrocarbon polymers for introducing sulfonic acid groups. However, in these polymer electrolytes, since sulfonic acid groups are randomly introduced into the main chain, the swelling in the water-containing state is large, and the strength of the membrane is impaired by repeating the water-containing state and the dry state. There has been a problem in using it as an electrolyte membrane for fuel cells.

この問題を解決するために、スルホン酸基を有する親水性セグメントとスルホン酸基を有さない疎水性セグメントからなるブロック共重合体が種々検討され、親水性セグメントと疎水性セグメントが相分離したモルフォロジーを形成することにより、耐膨潤性が改良されたものの、改良の程度は限定的であった。   In order to solve this problem, various block copolymers composed of a hydrophilic segment having a sulfonic acid group and a hydrophobic segment not having a sulfonic acid group have been studied, and the morphology in which the hydrophilic segment and the hydrophobic segment are phase-separated. Although the swelling resistance was improved by forming, the degree of improvement was limited.

炭化水素系高分子電解質膜の膨潤状態での機械的強度を改良する方法として、電解質樹脂への架橋構造の導入が検討されている。特許文献1では、プロトン酸基を有するブロックとプロトン酸基を有さず、芳香環上にアルキル基を有するブロックからなる高分子電解質に対して、紫外線照射することにより架橋構造を導入し、吸水率とメタノール透過性が低い高分子電解質膜を得ることが提案されている。また、特許文献2には、プロトン伝導性高分子と架橋剤をプロトン酸基以外の部分で架橋させて得られる架橋高分子電解質膜が提案されている。   As a method for improving the mechanical strength of the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane in the swollen state, introduction of a crosslinked structure into the electrolyte resin has been studied. In Patent Document 1, a polymer electrolyte composed of a block having a proton acid group and a block having no proton acid group and having an alkyl group on an aromatic ring is introduced with a cross-linked structure by irradiating with ultraviolet rays, thereby absorbing water. It has been proposed to obtain a polymer electrolyte membrane with low rate and methanol permeability. Patent Document 2 proposes a crosslinked polymer electrolyte membrane obtained by crosslinking a proton conductive polymer and a crosslinking agent at a portion other than the proton acid group.

特開2007−31573号公報JP 2007-31573 A 特開2010−103079号公報JP 2010-103079 A

しかし、特許文献1において、高分子電解質は、プロトン酸基を有するブロックとプロトン酸基を有さないブロックがエーテル結合で連結されているものであり、電解質膜の燃料電池運転条件下における化学的安定性が懸念される。また、特許文献2において、高分子電解質は、ポリエーテルスルホンやポリフェニレンサルファイドをスルホン酸化したもので、スルホン酸基はランダムに導入されている。また、スルホン酸基の近傍にエーテル結合が存在するため、やはり、化学的安定性が懸念される。   However, in Patent Document 1, the polymer electrolyte is a block in which a block having a proton acid group and a block having no proton acid group are connected by an ether bond. There is concern about stability. In Patent Document 2, the polymer electrolyte is obtained by sulfonating polyethersulfone or polyphenylene sulfide, and sulfonic acid groups are randomly introduced. Moreover, since an ether bond exists in the vicinity of the sulfonic acid group, there is still a concern about chemical stability.

本発明は、高いプロトン伝導度を発現し、耐膨潤性が改良され、化学的安定性に優れた高分子電解質膜、その製造方法、およびそれを含む膜/電極接合体と燃料電池を提供する。   The present invention provides a polymer electrolyte membrane that exhibits high proton conductivity, improved swelling resistance, and excellent chemical stability, a method for producing the same, and a membrane / electrode assembly including the same and a fuel cell. .

本発明は、主鎖に複数の芳香環を有する共重合体を含む高分子電解質膜であって、前記共重合体は、スルホン酸基を有する親水性セグメントと、スルホン酸基を実質的に有さない疎水性セグメントで構成されており、前記親水性セグメントにおいて、前記スルホン酸基は芳香環に直接結合しており、前記親水性セグメントと前記疎水性セグメントは、前記親水性セグメントを構成する芳香環と前記疎水性セグメントを構成する芳香環の炭素−炭素結合で連結されており、かつ、前記共重合体がスルホン酸基以外の部分で架橋されていることを特徴とする高分子電解質膜に関する。   The present invention provides a polymer electrolyte membrane comprising a copolymer having a plurality of aromatic rings in the main chain, wherein the copolymer substantially comprises a hydrophilic segment having a sulfonic acid group and a sulfonic acid group. In the hydrophilic segment, the sulfonic acid group is directly bonded to an aromatic ring, and the hydrophilic segment and the hydrophobic segment are aromatic components constituting the hydrophilic segment. The present invention relates to a polymer electrolyte membrane characterized in that it is connected to a ring by a carbon-carbon bond of an aromatic ring constituting the hydrophobic segment, and the copolymer is crosslinked at a portion other than a sulfonic acid group. .

本発明は、また、前記の高分子電解質膜の製造方法であって、芳香環に直接結合したスルホン酸基を有する親水性セグメントの前駆体と、スルホン酸基を実質的に有さない疎水性セグメントの前駆体を、親水性セグメントの前駆体の芳香環と、疎水性セグメントの前駆体の芳香環が炭素−炭素結合するように炭素−炭素結合生成反応させて、親水性セグメントと疎水性セグメントで構成され、主鎖に複数の芳香環を有する共重合体を得た後、架橋剤および/または架橋触媒で前記共重合体中の前記疎水性セグメントを架橋することを特徴とする高分子電解質膜の製造方法に関する。   The present invention also relates to a method for producing the above-described polymer electrolyte membrane, wherein a precursor of a hydrophilic segment having a sulfonic acid group directly bonded to an aromatic ring, and a hydrophobic having substantially no sulfonic acid group The segment precursor is subjected to a carbon-carbon bond formation reaction so that the aromatic ring of the hydrophilic segment precursor and the aromatic ring of the hydrophobic segment precursor are carbon-carbon bonded, and the hydrophilic segment and the hydrophobic segment. The polymer electrolyte is obtained by obtaining a copolymer having a plurality of aromatic rings in the main chain and then crosslinking the hydrophobic segment in the copolymer with a crosslinking agent and / or a crosslinking catalyst. The present invention relates to a film manufacturing method.

本発明は、また、前記の高分子電解質膜の製造方法であって、芳香環に直接結合したスルホン酸基を有する親水性セグメントの前駆体と、スルホン酸基を実質的に有さない疎水性セグメントの前駆体を、親水性セグメントの前駆体の芳香環と、疎水性セグメントの前駆体の芳香環が炭素−炭素結合するように炭素−炭素結合生成反応させて、親水性セグメントと疎水性セグメントで構成され、主鎖に複数の芳香環を有する共重合体を得た後、前記共重合体を加熱することで、前記共重合体中のスルホン酸基以外の部分を架橋することを特徴とする高分子電解質膜の製造方法に関する。   The present invention also relates to a method for producing the above-described polymer electrolyte membrane, wherein a precursor of a hydrophilic segment having a sulfonic acid group directly bonded to an aromatic ring, and a hydrophobic having substantially no sulfonic acid group The segment precursor is subjected to a carbon-carbon bond formation reaction so that the aromatic ring of the hydrophilic segment precursor and the aromatic ring of the hydrophobic segment precursor are carbon-carbon bonded, and the hydrophilic segment and the hydrophobic segment. After obtaining a copolymer having a plurality of aromatic rings in the main chain, the copolymer is heated to crosslink portions other than the sulfonic acid groups in the copolymer. The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte membrane.

本発明は、また、前記の高分子電解質膜を含む膜/電極接合体に関する。   The present invention also relates to a membrane / electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane.

本発明は、また、前記の高分子電解質膜を含む燃料電池に関する。   The present invention also relates to a fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane.

本発明によれば、高いプロトン伝導度を発現し、耐膨潤性が改良され、化学的安定性に優れた高分子電解質膜、その製造方法、およびそれを含む膜/電極接合体と燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, a polymer electrolyte membrane that exhibits high proton conductivity, improved swelling resistance, and excellent chemical stability, a method for producing the same, and a membrane / electrode assembly including the same and a fuel cell are provided. Can be provided.

実施例1の高分子電解質膜と比較例1の高分子電解質膜のプロトン伝導度を比較したグラフである。2 is a graph comparing the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane of Example 1 and the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 1. FIG. 実施例2、3の高分子電解質膜と比較例2の高分子電解質膜のプロトン伝導度を比較したグラフである。4 is a graph comparing the proton conductivity of the polymer electrolyte membranes of Examples 2 and 3 and the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 2. FIG. 実施例4の高分子電解質膜と比較例3の高分子電解質膜のプロトン伝導度を比較したグラフである。6 is a graph comparing the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane of Example 4 and the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 3. FIG.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、親水性セグメントと疎水性セグメントで構成され、主鎖に複数の芳香環を有する共重合体を含む高分子電解質膜において、前記親水性セグメントは、スルホン酸基を有し、前記スルホン酸基は芳香環に直接結合しており、前記疎水性セグメントは、スルホン酸基を実質的に有さず、前記親水性セグメントと前記疎水性セグメントを、前記親水性セグメントを構成する芳香環と前記疎水性セグメントを構成する芳香環の炭素−炭素結合で連結し、かつ、前記共重合体をスルホン酸基以外の部分で架橋することにより、高いプロトン伝導度を発現し、耐膨潤性が改良され、化学的安定性に優れることを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present invention, in a polymer electrolyte membrane comprising a copolymer composed of a hydrophilic segment and a hydrophobic segment and having a plurality of aromatic rings in the main chain, The hydrophilic segment has a sulfonic acid group, the sulfonic acid group is directly bonded to an aromatic ring, the hydrophobic segment is substantially free of a sulfonic acid group, and the hydrophilic segment and the The hydrophobic segment is connected to the aromatic ring constituting the hydrophilic segment and the carbon-carbon bond of the aromatic ring constituting the hydrophobic segment, and the copolymer is crosslinked at a portion other than the sulfonic acid group. As a result, it was found that high proton conductivity was exhibited, the swelling resistance was improved, and the chemical stability was excellent, and the present invention was completed.

本発明の高分子電解質膜は、スルホン酸基を有する親水性セグメントと、スルホン酸基を実質的に有さない疎水性セグメントで構成され、主鎖に芳香環を有する共重合体(以下において、「高分子電解質A」とも記す。)を含み、前記共重合体は、スルホン酸基以外の部分で架橋されており、前記共重合体において、スルホン酸基を有する親水性セグメントと、スルホン酸基を実質的に有さない疎水性セグメントは、前記親水性セグメントを構成する芳香環と前記疎水性セグメントを構成する芳香環の炭素−炭素結合で連結している。このような構造とすることによってスルホン酸基の近傍にエーテル結合やスルフィド結合等のヘテロ結合が存在せず、高分子電解質膜の過酸化物に対する耐久性、すなわち燃料電池運転条件下での化学的耐久性が高くなる。   The polymer electrolyte membrane of the present invention is composed of a hydrophilic segment having a sulfonic acid group and a hydrophobic segment having substantially no sulfonic acid group and having an aromatic ring in the main chain (in the following, The copolymer is crosslinked at a portion other than the sulfonic acid group, and the copolymer has a hydrophilic segment having a sulfonic acid group and a sulfonic acid group. The hydrophobic segment that does not substantially contain is connected to the aromatic ring constituting the hydrophilic segment and the carbon-carbon bond of the aromatic ring constituting the hydrophobic segment. By adopting such a structure, there is no hetero bond such as an ether bond or a sulfide bond in the vicinity of the sulfonic acid group, and the durability of the polymer electrolyte membrane against peroxide, that is, chemical under fuel cell operating conditions. Increases durability.

本発明において、芳香環としては、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、ビフェニル、硫黄や窒素等を含む芳香族複素環等が挙げられる。主鎖が芳香環を有すると、化学的熱的な安定性が高い。   In the present invention, examples of the aromatic ring include benzene, naphthalene, anthracene, biphenyl, aromatic heterocycles containing sulfur, nitrogen and the like. When the main chain has an aromatic ring, chemical and thermal stability is high.

前記親水性セグメントは、主鎖が主に芳香環からなり、スルホン酸基を有する。ここで、「主鎖が主に芳香環からなる」とは、親水性セグメントにおける主鎖の連結基(エーテル基、チオエーテル基、スルホン基、ケトン基、スルフィド基等)以外の部分の分子量を100%とした場合、その70%以上が芳香環からなるということを意味する。主鎖が主に芳香環からなると、化学的熱的な安定性が高い。   The hydrophilic segment has a main chain mainly composed of an aromatic ring and a sulfonic acid group. Here, “the main chain is mainly composed of an aromatic ring” means that the molecular weight of the portion other than the main chain linking group (ether group, thioether group, sulfone group, ketone group, sulfide group, etc.) in the hydrophilic segment is 100. % Means that 70% or more of them are composed of aromatic rings. When the main chain is mainly composed of an aromatic ring, chemical and thermal stability is high.

前記親水性セグメントは、親水性セグメントの芳香環と疎水性セグメントの芳香環とが、炭素−炭素結合で連結していれば、その構造は特に限定はない。炭素−炭素結合生成の容易さ、高いスルホン酸基密度が得られる点、および入手のしやすさから、下記一般式群(1)で表される少なくとも一つの構造を繰り返し単位として有することが好ましい。前記親水性セグメントは、芳香環に直接結合したスルホン酸基を有する親水性セグメント前駆体を用い、後述する疎水性セグメントの前駆体と共重合することで形成することが好ましい。本発明において、親水性セグメントの前駆体とは、後述する共重合反応により親水性セグメントとなる、反応部位を持つ繰り返し単位のことをいい、疎水性セグメントの前駆体とは、後述する共重合反応により疎水性セグメントとなる、反応部位を持つ繰り返し単位のことをいう。親水性セグメントの前駆体は、芳香環と、芳香環に直接結合したスルホン酸基を有する。   The structure of the hydrophilic segment is not particularly limited as long as the aromatic ring of the hydrophilic segment and the aromatic ring of the hydrophobic segment are connected by a carbon-carbon bond. It is preferable to have at least one structure represented by the following general formula group (1) as a repeating unit from the viewpoint of easy carbon-carbon bond formation, high sulfonic acid group density, and availability. . The hydrophilic segment is preferably formed by using a hydrophilic segment precursor having a sulfonic acid group directly bonded to an aromatic ring and copolymerizing with a hydrophobic segment precursor described later. In the present invention, the hydrophilic segment precursor refers to a repeating unit having a reactive site, which becomes a hydrophilic segment by a copolymerization reaction described later, and the hydrophobic segment precursor is a copolymerization reaction described later. This means a repeating unit having a reactive site that becomes a hydrophobic segment. The precursor of the hydrophilic segment has an aromatic ring and a sulfonic acid group directly bonded to the aromatic ring.

Figure 2018073810
(式中、uは1〜4の整数、k、lは0〜4の整数を表し、k+lは1以上の整数である。pは0〜10の整数、qは0〜10の整数、rは1〜4の整数を表す。Xは、−CO−、−SO2−、−C(CF32−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を表す。Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2t−(tは1〜10の整数)、−C(CF32−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を表し、Zは直接結合又は、−(CH2o−(oは1〜10の整数)、−C(CH32−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を表す。Ar1は、−SO3H又は−O(CH2sSO3H(sは1〜12の整数)で表される置換基を有する芳香族基を表す。)
Figure 2018073810
(In the formula, u represents an integer of 1 to 4, k and l represent an integer of 0 to 4, k + 1 represents an integer of 1 or more, p represents an integer of 0 to 10, q represents an integer of 0 to 10, r Represents an integer of 1 to 4. X represents at least one structure selected from the group consisting of —CO—, —SO 2 —, and —C (CF 3 ) 2 —, and Y represents —CO—. , —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) t — (t is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —. Represents at least one structure, and Z is a direct bond or a group consisting of — (CH 2 ) o — (o is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O—, —S—. Ar 1 represents an aromatic having a substituent represented by —SO 3 H or —O (CH 2 ) S SO 3 H (s is an integer of 1 to 12). Represents a group.

上記のようなスルホン酸基を有する親水性セグメントと後述のスルホン酸基を実質的に有さない疎水性セグメントで構成された共重合体を用いることにより、高分子電解質膜のモルフォロオジーがミクロ相分離構造となり、親水性セグメントが連続したプロトン伝導経路を形成するので、プロトン伝導度、特に低加湿下でのプロトン伝導度が向上する。   By using a copolymer composed of a hydrophilic segment having a sulfonic acid group as described above and a hydrophobic segment having substantially no sulfonic acid group, which will be described later, the morphology of the polymer electrolyte membrane is microscopic. Since a phase separation structure is formed and the hydrophilic segment forms a continuous proton conduction path, proton conductivity, particularly proton conductivity under low humidification is improved.

親水性セグメントは、スルホン酸基を有するので、高分子電解質膜のプロトン伝導性が発現し、親水性セグメントの主鎖が主に芳香環からなるので、高分子電解質は耐熱性、化学的耐久性に優れるものになる。   Since the hydrophilic segment has a sulfonic acid group, the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane is expressed, and the main chain of the hydrophilic segment is mainly composed of an aromatic ring, so the polymer electrolyte is heat resistant and chemically durable. It will be excellent.

本発明の実施形態において、スルホン酸基としては、例えば、スルホン酸基、スルホン酸塩の基、スルホン酸エステル基等が挙げられる。すなわち、スルホン酸基は、例えば、ナトリウム、カリウム等の塩になっていてもよいし、ネオペンチルエステル、メチルエステル、プロピルエステル等のエステル基で保護されていてもよい。特に共重合体の合成中や高分子電解質膜の形成中は、塩やエステル基等の保護基を有する状態になっているのが好ましいことが多く、当該高分子電解質膜が、例えば燃料電池の電解質膜として用いられる場合は、無機酸の水溶液等に浸漬することにより、スルホン酸基に変換して使用されることが多い。よって、本発明の実施形態においては、スルホン酸基としては、容易にスルホン酸基になる状態の基であれば、塩やエステル等の保護基を有する状態の基も含まれる。   In the embodiment of the present invention, examples of the sulfonic acid group include a sulfonic acid group, a sulfonate group, a sulfonic acid ester group, and the like. That is, the sulfonic acid group may be a salt such as sodium or potassium, or may be protected with an ester group such as neopentyl ester, methyl ester or propyl ester. In particular, during the synthesis of the copolymer or the formation of the polymer electrolyte membrane, it is often preferable to have a protective group such as a salt or an ester group. When used as an electrolyte membrane, it is often used after being converted into a sulfonic acid group by immersing in an aqueous solution of an inorganic acid. Therefore, in the embodiment of the present invention, the sulfonic acid group includes a group having a protective group such as a salt or an ester as long as it is a group that easily becomes a sulfonic acid group.

スルホン酸基の量は、親水性セグメントを形成する繰り返し単位当たり、1〜6個が好ましく、1〜4個がより好ましい。スルホン酸基の量が6個より多くなると、親水性セグメントの水溶性が高くなり、合成中の取り扱いが難しくなる傾向がある。スルホン酸基の量が1個より少ないと十分なプロトン伝導性が発現しにくくなる傾向がある。   The amount of the sulfonic acid group is preferably 1 to 6 and more preferably 1 to 4 per repeating unit forming the hydrophilic segment. When the amount of the sulfonic acid group is more than 6, the hydrophilicity of the hydrophilic segment becomes high and handling during synthesis tends to be difficult. When the amount of the sulfonic acid group is less than one, sufficient proton conductivity tends to be hardly exhibited.

上記に例示した親水性セグメントは、市販品をそのまま用いることもできるし、対応する芳香族系化合物をスルホン酸化剤によりスルホン酸化することによって得ることもできる。   As the hydrophilic segment exemplified above, a commercially available product can be used as it is, or it can be obtained by sulfonating a corresponding aromatic compound with a sulfonating agent.

スルホン酸化剤としては、例えばクロロスルホン酸、無水硫酸、発煙硫酸、硫酸、アセチル硫酸等が挙げられ、クロロスルホン酸、発煙硫酸が適度な反応性を有しているために好ましい。   Examples of the sulfonating agent include chlorosulfonic acid, sulfuric anhydride, fuming sulfuric acid, sulfuric acid, acetyl sulfuric acid and the like. Chlorosulfonic acid and fuming sulfuric acid are preferable because they have appropriate reactivity.

スルホン酸化反応において、溶媒は用いても用いなくてもよい。溶媒を用いる場合、溶媒としては、スルホン酸化剤に対して不活性なものであればよく、例えば、炭化水素系溶媒、ハロゲン化炭化水素等が挙げられる。炭化水素系溶媒としては、飽和脂肪族炭化水素が挙げられ、特に炭素数5〜15の直鎖状または分岐状の炭化水素が好ましく、溶解度の点から、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカンがより好ましい。ハロゲン化炭化水素としては、ハロゲン化飽和脂肪族炭化水素、ハロゲン化芳香族炭化水素等が挙げられる。ハロゲン化飽和脂肪族炭化水素としては、例えば、モノクロロメタン、ジクロロメタン、トリクロロメタン、テトラクロロメタン、モノクロロエタン、ジクロロエタン、トリクロロエタン、テトラクロロエタン等が挙げられ、取り扱いの容易さからジクロロメタンが好ましい。ハロゲン化芳香族炭化水素としては、例えば、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等が挙げられ、取り扱いの容易さからクロロベンゼンが好ましい。   In the sulfonation reaction, a solvent may or may not be used. In the case of using a solvent, the solvent is not particularly limited as long as it is inert with respect to the sulfonated agent, and examples thereof include hydrocarbon solvents and halogenated hydrocarbons. Examples of the hydrocarbon solvent include saturated aliphatic hydrocarbons, and linear or branched hydrocarbons having 5 to 15 carbon atoms are particularly preferable. From the viewpoint of solubility, pentane, hexane, heptane, octane and decane are preferable. More preferred. Examples of halogenated hydrocarbons include halogenated saturated aliphatic hydrocarbons and halogenated aromatic hydrocarbons. Examples of the halogenated saturated aliphatic hydrocarbon include monochloromethane, dichloromethane, trichloromethane, tetrachloromethane, monochloroethane, dichloroethane, trichloroethane, tetrachloroethane, and the like. Dichloromethane is preferable because of easy handling. Examples of the halogenated aromatic hydrocarbon include chlorobenzene, dichlorobenzene, trichlorobenzene, and the like, and chlorobenzene is preferable because of easy handling.

スルホン酸化工程の反応温度は、反応に応じて適宜設定すればよく、具体的にはスルホン酸化剤の最適使用範囲である−80℃〜200℃に設定すればよく、より好ましくは−50℃〜150℃であり、さらに好ましくは−20℃〜130℃である。−80℃よりも低温であると反応が遅くなり、目的とするスルホン酸化が100%まで進行しない傾向があり、200℃よりも高温であれば副反応が起こる傾向がある。   The reaction temperature of the sulfonation process may be set as appropriate according to the reaction, specifically, it may be set to −80 ° C. to 200 ° C. which is the optimum use range of the sulfonation agent, more preferably −50 ° C. It is 150 degreeC, More preferably, it is -20 degreeC-130 degreeC. When the temperature is lower than −80 ° C., the reaction is slow, and the target sulfonation tends not to proceed to 100%. When the temperature is higher than 200 ° C., side reaction tends to occur.

スルホン酸化工程の反応時間は、スルホン酸化される芳香族化合物の構造により適宜選択され得るが、通常1分間〜50時間程度の範囲内であればよい。1分間より短いと均一なスルホン酸化が進行しない傾向があり、50時間より長いと副反応が起こる傾向がある。   The reaction time of the sulfonation step can be appropriately selected depending on the structure of the aromatic compound to be sulfonated, but it is usually sufficient if it is within the range of about 1 minute to 50 hours. When it is shorter than 1 minute, uniform sulfonation tends not to proceed, and when it is longer than 50 hours, side reaction tends to occur.

スルホン酸化工程におけるスルホン酸化剤の添加量は、スルホン酸化される芳香族化合物のスルホン酸化される部位の全量を1当量とした場合、1当量〜50当量であることが好ましい。1当量より少ないと、スルホン酸化される部位が不均一になる傾向があり、一方、50当量より多いと、スルホン酸化される芳香族化合物の主鎖が切断されやすい傾向がある。   The addition amount of the sulfonated agent in the sulfonation process is preferably 1 equivalent to 50 equivalents when the total amount of the sulfonated aromatic compound is 1 equivalent. When the amount is less than 1 equivalent, the sulfonated site tends to be non-uniform, while when it exceeds 50 equivalents, the sulfonated aromatic compound main chain tends to be cleaved.

スルホン酸化工程における芳香族化合物の濃度は、スルホン酸化剤と接触させた場合に均一に反応が進行すれば特に限定されないが、芳香族化合物が低分子量化等の副反応を起こさないことと、溶媒量抑制によるコスト優位性の観点から、スルホン酸化反応に用いた化合物全体の重量に対して1〜30重量%であることが好ましい。   The concentration of the aromatic compound in the sulfonating step is not particularly limited as long as the reaction proceeds uniformly when brought into contact with the sulfonating agent, but the aromatic compound does not cause side reactions such as low molecular weight, and the solvent. From the viewpoint of cost advantage due to the suppression of the amount, it is preferably 1 to 30% by weight based on the weight of the whole compound used in the sulfonation reaction.

親水性セグメントのみのイオン交換容量(以下、イオン交換容量をIECと示すこともある。)は、高分子電解質膜としてのIECが高く設定でき、また低加湿下で高いプロトン伝導性を発現することができる点から、4.0meq./g以上であることが好ましい。本発明において、親水性セグメントのIECは、高分子電解質膜のIEC(従来公知の方法、例えば滴定等により容易に求められる)を、親水性セグメントの重量割合で除することにより求めるものである。つまり、親水性セグメントのIECは、実施例に記載の高分子電解質膜のIECの測定方法と同様にして求めた高分子電解質のIECを、親水性セグメントの重量割合で除することにより求める。meq./gは、ミリ当量/gを意味する。   The ion exchange capacity of only the hydrophilic segment (hereinafter, the ion exchange capacity may be referred to as IEC) can be set to high IEC as a polymer electrolyte membrane, and express high proton conductivity under low humidification. 4.0 meq. / G or more is preferable. In the present invention, the IEC of the hydrophilic segment is determined by dividing the IEC of the polymer electrolyte membrane (which is easily determined by a conventionally known method such as titration) by the weight ratio of the hydrophilic segment. That is, the IEC of the hydrophilic segment is obtained by dividing the IEC of the polymer electrolyte obtained in the same manner as the IEC measurement method of the polymer electrolyte membrane described in the examples by the weight ratio of the hydrophilic segment. meq. / G means milliequivalent / g.

親水性セグメントを形成する繰り返し単位として、上記一般式群(1)表される構造を具体的に例示すると、下記化学式群(2)で表される構造が挙げられる。   When the structure represented by the general formula group (1) is specifically exemplified as the repeating unit forming the hydrophilic segment, a structure represented by the following chemical formula group (2) may be mentioned.

Figure 2018073810
Figure 2018073810

親水性セグメントを疎水性セグメントに芳香環同士の炭素−炭素結合で連結するためには、親水性セグメントの前駆体(疎水性セグメントの前駆体と反応して親水性セグメントを形成する反応部位を有する化合物)は反応部位としてハロゲンを有することが好ましい。親水性セグメントの前駆体は、芳香環と、芳香環に直接結合したスルホン酸基を有し、芳香環上にハロゲンを有することが好ましい。そのような化合物の具体例としては、下記の化学式群(3)で示される構造を有するもの等が挙げられる。   In order to connect a hydrophilic segment to a hydrophobic segment by a carbon-carbon bond between aromatic rings, a precursor of a hydrophilic segment (having a reactive site that reacts with a precursor of a hydrophobic segment to form a hydrophilic segment) The compound preferably has halogen as a reactive site. The precursor of the hydrophilic segment preferably has an aromatic ring and a sulfonic acid group directly bonded to the aromatic ring, and has a halogen on the aromatic ring. Specific examples of such compounds include those having a structure represented by the following chemical formula group (3).

Figure 2018073810
(式中、Halはハロゲンを表す)
Figure 2018073810
(In the formula, Hal represents halogen)

上記化学式群(3)において、ハロゲンとしては、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素が挙げられ、反応性の高さから塩素、臭素、ヨウ素が好ましく、入手性の高さから塩素が特に好ましい。   In the chemical formula group (3), examples of the halogen include fluorine, chlorine, bromine, and iodine. Chlorine, bromine, and iodine are preferable because of high reactivity, and chlorine is particularly preferable because of high availability.

本発明の高分子電解質膜において、疎水性セグメントは、スルホン酸基を実質的に有さないものである。これにより、親水性セグメントとの相分離を明確にして、高分子電解質膜の低加湿下でのプロトン伝導性を向上させ、また、高分子電解質膜の強度を向上させる。本発明において、「スルホン酸基を実質的に有さない」とは、疎水性セグメントがスルホン酸基を全く有さないか、疎水性セグメントにおける繰り返し単位あたりのスルホン酸基の数が、親水性セグメントにおける繰り返し単位あたりのスルホン酸基の数の1/10以下であることを意味する。高分子電解質膜の低加湿下でのプロトン伝導性をより向上させ、高分子電解質膜の強度をより高める観点から、前記疎水性セグメントは、スルホン酸基が全く導入されていないことが好ましい。   In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the hydrophobic segment has substantially no sulfonic acid group. Thereby, phase separation from the hydrophilic segment is clarified, the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane under low humidity is improved, and the strength of the polymer electrolyte membrane is improved. In the present invention, “substantially having no sulfonic acid group” means that the hydrophobic segment has no sulfonic acid group or the number of sulfonic acid groups per repeating unit in the hydrophobic segment is hydrophilic. It means 1/10 or less of the number of sulfonic acid groups per repeating unit in the segment. From the viewpoint of further improving the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane under low humidification and further increasing the strength of the polymer electrolyte membrane, it is preferable that the sulfonic acid group is not introduced at all in the hydrophobic segment.

前記疎水性セグメントは、主鎖が主に芳香環からなる。ここで、「主鎖が主に芳香環からなる」とは、疎水性セグメントにおける主鎖の連結基(エーテル基、チオエーテル基、スルホン基、ケトン基、スルフィド基等)以外の部分の分子量を100%とした場合、その70%以上が芳香環からなるということを意味する。主鎖が主に芳香環からなると、化学的熱的な安定性が高い。耐熱性を有する点から、ポリイミド系、ポリベンズイミダゾール系、ポリエーテル系、ポリフェニレン系等の主鎖が主に芳香環からなる構造が好ましく、ポリエーテル系、ポリフェニレン系等の主鎖が主に芳香環からなる構造が、合成の容易さの観点からより好ましい。前記疎水性セグメントとしては、特に限定されないが、下記一般式群(4)で表される構造の少なくとも1つを繰り返し単位として有することが好ましい。   The hydrophobic segment has a main chain mainly composed of an aromatic ring. Here, “the main chain is mainly composed of an aromatic ring” means that the molecular weight of the portion other than the linking group (ether group, thioether group, sulfone group, ketone group, sulfide group, etc.) of the main chain in the hydrophobic segment is 100. % Means that 70% or more of them are composed of aromatic rings. When the main chain is mainly composed of an aromatic ring, chemical and thermal stability is high. From the viewpoint of heat resistance, a structure in which the main chain such as polyimide, polybenzimidazole, polyether or polyphenylene is mainly composed of an aromatic ring is preferred, and the main chain such as polyether or polyphenylene is mainly aromatic. A structure composed of a ring is more preferable from the viewpoint of ease of synthesis. Although it does not specifically limit as said hydrophobic segment, It is preferable to have at least 1 of the structure represented by the following general formula group (4) as a repeating unit.

Figure 2018073810
(式中、Arは2価の芳香族基を表し、nは1〜50の整数を表す。a,b,cは0〜50の整数を表し、但し、2≦a+b+c≦50を満足する。)
Figure 2018073810
(In the formula, Ar represents a divalent aromatic group, n represents an integer of 1 to 50, a, b, and c represent an integer of 0 to 50, provided that 2 ≦ a + b + c ≦ 50 is satisfied. )

前記疎水性セグメントにおいて、上記一般式群(4)で表される構造を有する繰り返し単位が複数回繰り返された場合、複数あるArは互いに同じであっても良く、異なっても良い。Arの2価の芳香族基としては、例えば、下記化学式群(5)で表されるいずれかの構造を有する基等が好ましく挙げられる。   In the hydrophobic segment, when the repeating unit having the structure represented by the general formula group (4) is repeated a plurality of times, the plurality of Ars may be the same as or different from each other. Preferred examples of the divalent aromatic group for Ar include a group having any structure represented by the following chemical formula group (5).

Figure 2018073810
Figure 2018073810

また、Arの2価の芳香族基は、1個以上の置換基を有していてもよく、2個以上の複数の置換基を有する場合、複数の置換基は互いに同じであっても良く、異なっても良い。前記置換基としては、例えば、炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜6のアルコキシ基、フェニル基、シアノ基等が挙げられる。炭素数1〜6のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等が挙げられる。炭素数1〜6のアルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、ペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基等が挙げられる。   In addition, the divalent aromatic group of Ar may have one or more substituents, and when it has two or more substituents, the plurality of substituents may be the same as each other. May be different. As said substituent, a C1-C6 alkyl group, a C1-C6 alkoxy group, a phenyl group, a cyano group etc. are mentioned, for example. Examples of the alkyl group having 1 to 6 carbon atoms include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a pentyl group, and a hexyl group. Examples of the alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms include a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, a butoxy group, a pentyloxy group, and a hexyloxy group.

前記疎水性セグメントにおける繰り返し単位を構成するモノマーは、例えば、上記一般式群(4)で表される構造を構成しうるモノマー等が挙げられる。具体的には、下記化学式群(6)で表される構造を有するモノマー等が好ましく挙げられる。   As for the monomer which comprises the repeating unit in the said hydrophobic segment, the monomer etc. which can comprise the structure represented by the said General formula group (4) are mentioned, for example. Specifically, a monomer having a structure represented by the following chemical formula group (6) is preferably exemplified.

Figure 2018073810
Figure 2018073810

また、上記のフェノール性水酸基を有する化合物の水酸基のかわりにチオール基を有するものも、前記疎水性セグメントにおける繰り返し単位を構成するモノマーとして好適に用いることができる。   Moreover, what has a thiol group instead of the hydroxyl group of the compound which has said phenolic hydroxyl group can be used suitably as a monomer which comprises the repeating unit in the said hydrophobic segment.

上記のモノマーを用いて、疎水性セグメントの前駆体を合成するには、公知の方法を用いればよい。例えば、水酸基、チオール基等の求核性置換基を有するモノマーと、ハロゲン等の脱離基を有する他のモノマーを重縮合する方法が挙げられる。疎水性セグメントの前駆体を合成する際の具体的な反応条件は、後述するとおりである。   In order to synthesize the precursor of the hydrophobic segment using the above monomer, a known method may be used. For example, a method of polycondensing a monomer having a nucleophilic substituent such as a hydroxyl group or a thiol group and another monomer having a leaving group such as halogen can be used. Specific reaction conditions for synthesizing the precursor of the hydrophobic segment are as described later.

疎水性セグメントを親水性セグメントに芳香環同士の炭素−炭素結合で連結するためには、上記の重縮合反応において、ハロゲンを有するモノマーを、水酸基等の求核性置換基を有するモノマーに対して過剰に用い、末端にハロゲンを有する疎水性セグメントの前駆体を合成し、後述するように、上記で説明したハロゲンを含有する親水性セグメントの前駆体と反応させることが好ましい。疎水性セグメントの前駆体は、芳香環を有し、スルホン酸基を実質的に有さず、末端にハロゲンを有することが好ましい。   In order to connect a hydrophobic segment to a hydrophilic segment by a carbon-carbon bond between aromatic rings, in the above polycondensation reaction, a monomer having halogen is compared with a monomer having a nucleophilic substituent such as a hydroxyl group. It is preferred to use an excess, synthesize a precursor of a hydrophobic segment having a halogen at the terminal, and react with the precursor of a hydrophilic segment containing a halogen described above, as described later. The precursor of the hydrophobic segment preferably has an aromatic ring, has substantially no sulfonic acid group, and has a halogen at the terminal.

前記末端にハロゲンを有する疎水性セグメントの前駆体としては、例えば、下記一般式群(7)で表される少なくとも一つの構造を有する化合物が挙げられる。   Examples of the precursor of the hydrophobic segment having a halogen at the terminal include compounds having at least one structure represented by the following general formula group (7).

Figure 2018073810
(式中、Arは2価の芳香族基を表し、Halはハロゲンを表す。nは1〜50の整数を表し、a,b,cは0〜50の整数を表し、但し、2≦a+b+c≦50を満足する。)
Figure 2018073810
(In the formula, Ar represents a divalent aromatic group, Hal represents halogen, n represents an integer of 1 to 50, a, b, and c represent integers of 0 to 50, provided that 2 ≦ a + b + c. ≦ 50 is satisfied.)

上記一般式群(7)において、ハロゲンとしては、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素が挙げられ、反応性の高さから塩素、臭素、ヨウ素が好ましく、入手性の高さから塩素が特に好ましい。   In the general formula group (7), examples of the halogen include fluorine, chlorine, bromine, and iodine. Chlorine, bromine, and iodine are preferable because of high reactivity, and chlorine is particularly preferable because of high availability.

前記共重合体において、スルホン酸以外の部分での架橋効率を高める観点から、疎水性セグメントは架橋性官能基を有することが好ましい。架橋性官能基は、架橋剤および/または架橋触媒の存在下、あるいは、架橋剤および架橋触媒の非存在下に、加熱、吸湿、紫外線や電子線等の電離放射線の照射下において反応し、疎水性セグメント間に橋架け構造を形成するものである。架橋性官能基の種類は特に限定されず、公知のものを利用することができる。例えば、アルコール性水酸基、フェノール性水酸基、アミノ基、カルボキシル基、アルケニル基、アクリロイル基、メタクリロイル基、エポキシ基、フェニル基、加水分解性シリル基等が挙げられる。疎水性セグメントは、これらの架橋性官能基の一種を含むものでもよく、二種以上を含んでもよい。   In the copolymer, the hydrophobic segment preferably has a crosslinkable functional group from the viewpoint of increasing the crosslink efficiency at a portion other than the sulfonic acid. The crosslinkable functional group reacts in the presence of a crosslinking agent and / or a crosslinking catalyst or in the absence of a crosslinking agent and a crosslinking catalyst under heating, moisture absorption, irradiation of ionizing radiation such as ultraviolet rays and electron beams, and the like. A bridge structure is formed between sex segments. The kind of the crosslinkable functional group is not particularly limited, and known ones can be used. Examples include alcoholic hydroxyl groups, phenolic hydroxyl groups, amino groups, carboxyl groups, alkenyl groups, acryloyl groups, methacryloyl groups, epoxy groups, phenyl groups, hydrolyzable silyl groups, and the like. The hydrophobic segment may contain one kind of these crosslinkable functional groups, or may contain two or more kinds.

架橋性官能基を有する疎水性セグメントの前駆体は、特に限定されないが、例えば、架橋性官能基の導入位置と導入量を制御できる観点から、架橋性官能基を有するモノマーと他のモノマーを重合して得られたものであることが好ましい。また、このようにして予めオリゴマー化した前駆体を用いることにより、親水性セグメントと疎水性セグメントが発達した相分離構造を有し、さらに高分子電解質膜とした時の強度が向上するために好ましい。   The precursor of the hydrophobic segment having a crosslinkable functional group is not particularly limited. For example, from the viewpoint of controlling the introduction position and amount of the crosslinkable functional group, a monomer having a crosslinkable functional group is polymerized with another monomer. It is preferable that it is obtained. Further, by using a precursor oligomerized in advance in this manner, it has a phase separation structure in which a hydrophilic segment and a hydrophobic segment are developed, and is further preferable because the strength when a polymer electrolyte membrane is obtained is improved. .

架橋性官能基を有するモノマーとしては、特に限定されず、種々のものを用いることができる。例えば、下記化学式群(8)で表される構造を有する化合物を用いることができる。   It does not specifically limit as a monomer which has a crosslinkable functional group, A various thing can be used. For example, a compound having a structure represented by the following chemical formula group (8) can be used.

Figure 2018073810
Figure 2018073810

架橋性官能基含有モノマーと共重合するモノマーとしては特に限定はないが、例えば、下記化学式群(6)で表される構造を有するモノマー等が好ましく挙げられる。   Although there is no limitation in particular as a monomer copolymerized with a crosslinkable functional group containing monomer, For example, the monomer etc. which have a structure represented by following Chemical formula group (6) are mentioned preferably.

Figure 2018073810
Figure 2018073810

架橋性官能基含有モノマーとそれ以外のモノマーを共重合して疎水性セグメントの前駆体を作製するには、公知の方法を用いればよい。例えば、水酸基、チオール基等の求核性置換基を有する架橋性官能基含有モノマーと、ハロゲン等の脱離基を有する他のモノマーを重縮合する方法が挙げられる。   A known method may be used to copolymerize the crosslinkable functional group-containing monomer and other monomers to produce a precursor of the hydrophobic segment. For example, a method of polycondensing a crosslinkable functional group-containing monomer having a nucleophilic substituent such as a hydroxyl group or a thiol group and another monomer having a leaving group such as a halogen can be mentioned.

本発明において、水酸基、チオール基等の求核性置換基を有する架橋性官能基含有モノマーあるいは水酸基またはチオール基等の求核性置換基を有するモノマーと、ハロゲン等の脱離基を有する他のモノマーを重合して疎水性セグメントの前駆体を作製する際、重合反応を促進するために、通常は塩基性化合物が用いられる。塩基性化合物としては、例えば、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩等が好適に用いられ、具体的には、LiOH、NaOH、KOH、Li2CO3、Na2CO3、K2CO3、LiHCO3、NaHCO3、KHCO3などが挙げられる。重縮合反応は、溶媒を用いない溶融状態で行ってもよく、反応効率を高める観点から、適当な溶媒中で行うことが好ましい。溶媒としては、反応物質(モノマー)および生成する重合体の双方を溶解するものが好ましく、具体例としては、芳香族炭化水素系溶媒、ハロゲン系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、アミド系溶媒、スルホン系溶媒、スルホキシド系溶媒などが挙げられる。中でも、溶解度からN,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチル−2−ピロリドンなどのアミド系溶媒、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼンなどのハロゲン系溶媒、ジメチルスルホキシド等のスルホキシド系溶媒が好ましい。これらの溶媒は、単独で用いても2種以上を混合して用いてもよい。重縮合の反応温度は、用いるモノマーの反応性に応じて適宜設定すればよく、20℃〜250℃であることが好ましく、より好ましくは40〜200℃である。温度が低すぎると、反応速度が遅くなる恐れがあり、温度が高すぎると、主鎖が切断する恐れがある。重合反応を促進するために、副生する水を系外に排出することが好ましい。その場合はトルエン等を共溶媒として少量添加し、共沸脱水する方法が用いられる。 In the present invention, a crosslinkable functional group-containing monomer having a nucleophilic substituent such as a hydroxyl group or a thiol group, or a monomer having a nucleophilic substituent such as a hydroxyl group or a thiol group, and another group having a leaving group such as halogen. When a monomer is polymerized to produce a hydrophobic segment precursor, a basic compound is usually used to accelerate the polymerization reaction. As the basic compound, for example, alkali metal salts, alkaline earth metal salts and the like are preferably used. Specifically, LiOH, NaOH, KOH, Li 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , LiHCO 3 , NaHCO 3 , KHCO 3 and the like can be mentioned. The polycondensation reaction may be performed in a molten state without using a solvent, and is preferably performed in a suitable solvent from the viewpoint of increasing the reaction efficiency. As the solvent, those that dissolve both the reactant (monomer) and the polymer to be produced are preferable. Specific examples include aromatic hydrocarbon solvents, halogen solvents, ether solvents, ketone solvents, amide solvents. , Sulfone solvents, sulfoxide solvents and the like. Among them, amide solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N-methyl-2-pyrrolidone, dichlorobenzene, trichlorobenzene, etc. Halogen solvents and sulfoxide solvents such as dimethyl sulfoxide are preferred. These solvents may be used alone or in combination of two or more. The reaction temperature of the polycondensation may be appropriately set according to the reactivity of the monomer used, and is preferably 20 ° C to 250 ° C, more preferably 40 to 200 ° C. If the temperature is too low, the reaction rate may be slow, and if the temperature is too high, the main chain may be cleaved. In order to accelerate the polymerization reaction, it is preferable to discharge the by-product water out of the system. In that case, a method of adding a small amount of toluene or the like as a cosolvent and performing azeotropic dehydration is used.

架橋性官能基を有するモノマーと共重合するモノマーは1種類であってもよいし、架橋性官能基の導入量を制御するために2種類以上を用いてもよい。   One type of monomer may be copolymerized with the monomer having a crosslinkable functional group, or two or more types may be used in order to control the amount of the crosslinkable functional group introduced.

疎水性セグメントを親水性セグメントに芳香環同士の炭素−炭素結合で連結するためには、上記の重縮合反応において、ハロゲンを有するモノマーを、水酸基等の求核性置換基を有するモノマーに対して過剰に用い、末端にハロゲンを有する疎水性セグメントの前駆体を合成し、後述するように、上記で説明したハロゲンを含有する親水性セグメントの前駆体と反応させることが好ましい。   In order to connect a hydrophobic segment to a hydrophilic segment by a carbon-carbon bond between aromatic rings, in the above polycondensation reaction, a monomer having halogen is compared with a monomer having a nucleophilic substituent such as a hydroxyl group. It is preferred to use an excess, synthesize a precursor of a hydrophobic segment having a halogen at the terminal, and react with the precursor of a hydrophilic segment containing a halogen described above, as described later.

前記架橋性官能基を有する疎水性セグメントの前駆体としては、使用するモノマーの組み合わせにより、数多くの種類が挙げられるが、モノマーの入手性の面から、下記一般式群(9)で表される少なくとも一つの構造を有するものが好ましい。また、下記一般式群(9)で表される少なくとも一つの構造を有する化合物は、末端にハロゲンを有することから、疎水性セグメントを親水性セグメントに芳香環同士の炭素−炭素結合で連結するのに好適である。   As the precursor of the hydrophobic segment having a crosslinkable functional group, there are many types depending on the combination of monomers used. From the viewpoint of availability of monomers, the precursor is represented by the following general formula group (9). Those having at least one structure are preferred. In addition, since the compound having at least one structure represented by the following general formula group (9) has a halogen at the terminal, the hydrophobic segment is connected to the hydrophilic segment by a carbon-carbon bond between aromatic rings. It is suitable for.

Figure 2018073810
(式中、mは1〜50の整数、nは1〜50の整数である。Halはハロゲンを表す。)
Figure 2018073810
(In the formula, m is an integer of 1 to 50, and n is an integer of 1 to 50. Hal represents halogen.)

上記一般式群(9)において、ハロゲンとしては、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素が挙げられ、反応性の高さから塩素、臭素、ヨウ素が好ましく、入手性の高さから塩素が特に好ましい。   In the general formula group (9), examples of the halogen include fluorine, chlorine, bromine, and iodine. Chlorine, bromine, and iodine are preferable because of high reactivity, and chlorine is particularly preferable because of high availability.

本発明において、疎水性セグメントの前駆体の分子量は、その化学構造や合成のしやすさ等により異なるが、数平均分子量で700〜30,000が好ましく、2000〜10,000がより好ましい。700より小さいと、高分子電解質膜の強度が低くなる傾向があり、30,000より大きいと、溶解性等の問題で高分子電解質膜の合成が困難になりやすい傾向がある。   In the present invention, the molecular weight of the precursor of the hydrophobic segment varies depending on its chemical structure, ease of synthesis, etc., but the number average molecular weight is preferably 700 to 30,000, more preferably 2000 to 10,000. If it is smaller than 700, the strength of the polymer electrolyte membrane tends to be low, and if it is larger than 30,000, synthesis of the polymer electrolyte membrane tends to be difficult due to problems such as solubility.

本発明において、疎水性セグメントの前駆体として上記一般式群(9)で表される少なくとも一つの構造を有する前駆体を用いた場合、疎水性セグメントは下記一般式群(10)で表される少なくとも一つの構造を有する繰り返し単位を有することになる。   In the present invention, when a precursor having at least one structure represented by the general formula group (9) is used as a precursor of the hydrophobic segment, the hydrophobic segment is represented by the following general formula group (10). It has a repeating unit having at least one structure.

Figure 2018073810
(式中、mは1〜50の整数、nは1〜50の整数である。)
Figure 2018073810
(In the formula, m is an integer of 1 to 50, and n is an integer of 1 to 50.)

本発明において、架橋性官能基は、共重合体1分子当たり1個より多いことが好ましい。1個以下であると、架橋が進行しにくい恐れがある。本発明において、共重合体1分子当たりに1個より多い架橋性官能基を導入するためには、共重合体1分子当たりの疎水性セグメントに1個より多い架橋性官能基が導入されていることが好ましい。   In the present invention, the crosslinkable functional group is preferably more than one per molecule of the copolymer. If it is 1 or less, there is a possibility that the crosslinking is difficult to proceed. In the present invention, in order to introduce more than one crosslinkable functional group per copolymer molecule, more than one crosslinkable functional group is introduced into the hydrophobic segment per copolymer molecule. It is preferable.

本発明の高分子電解質膜を構成する共重合体は、親水性セグメント前駆体と、疎水性セグメント前駆体を、芳香環同士の炭素−炭素結合で連結させることにより得ることができる。好ましい親水性セグメント前駆体と疎水性セグメント前駆体は、上述のように、ハロゲン、特に塩素を反応部位として有するものである。それらの連結方法としては、公知の方法、すなわち、遷移金属化合物を用いた炭素−炭素結合生成反応を用いることが好ましい。   The copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention can be obtained by linking a hydrophilic segment precursor and a hydrophobic segment precursor with a carbon-carbon bond between aromatic rings. As described above, preferred hydrophilic segment precursors and hydrophobic segment precursors have halogen, particularly chlorine as a reactive site. As such a linking method, it is preferable to use a known method, that is, a carbon-carbon bond forming reaction using a transition metal compound.

前記遷移金属化合物としては、ニッケル系化合物、パラジウム系化合物、銅化合物が好ましく用いられ、より好ましくはニッケル系化合物を用いる。前記ニッケル系化合物としては、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル、テトラキストリフェニルホスフィンニッケル等のゼロ価ニッケル錯体が好ましく用いられる。また、塩化ニッケル、臭化ニッケル、ジクロロビストリフェニルホスフィンニッケル等の2価のニッケル錯体を、亜鉛等の還元剤の存在下に使用してもよい。また、ニッケル系化合物を用いる時には、2,2’−ビピリジル等の配位子を用いると、炭素−炭素結合生成活性が向上するので好ましい。   As the transition metal compound, nickel compounds, palladium compounds, and copper compounds are preferably used, and nickel compounds are more preferably used. As the nickel compound, zerovalent nickel complexes such as bis (1,5-cyclooctadiene) nickel and tetrakistriphenylphosphine nickel are preferably used. Further, a divalent nickel complex such as nickel chloride, nickel bromide, dichlorobistriphenylphosphine nickel or the like may be used in the presence of a reducing agent such as zinc. Further, when using a nickel-based compound, it is preferable to use a ligand such as 2,2'-bipyridyl because the carbon-carbon bond forming activity is improved.

炭素−炭素結合生成反応に用いる溶媒としては、芳香族炭化水素系溶媒、ハロゲン系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、アミド系溶媒、スルホン系溶媒、スルホキシド系溶媒などが挙げられ、中でも、反応物質と生成物の双方を溶解する観点から、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチル−2−ピロリドンなどのアミド系溶媒、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼンなどのハロゲン系溶媒、ジメチルスルホキシド等のスルホキシド系溶媒が好ましい。これらの溶媒は単独で用いても2種以上を混合してもよい。反応温度は適宜設定すればよく、20℃〜200℃であることが好ましく、より好ましくは40〜150℃である。20℃より低いと、反応速度が遅く、200℃より高いと主鎖が切断する場合がある。   Examples of the solvent used for the carbon-carbon bond formation reaction include aromatic hydrocarbon solvents, halogen solvents, ether solvents, ketone solvents, amide solvents, sulfone solvents, sulfoxide solvents, and the like. Amide solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N-methyl-2-pyrrolidone from the viewpoint of dissolving both substances and products Halogen solvents such as dichlorobenzene and trichlorobenzene, and sulfoxide solvents such as dimethyl sulfoxide are preferred. These solvents may be used alone or in combination of two or more. What is necessary is just to set reaction temperature suitably, It is preferable that it is 20 to 200 degreeC, More preferably, it is 40 to 150 degreeC. If it is lower than 20 ° C, the reaction rate is slow, and if it is higher than 200 ° C, the main chain may be cleaved.

ゼロ価ニッケル錯体は水に不安定なので、反応系は脱水することが好ましい。原料として予め脱水した溶媒を使用する他、ゼロ価ニッケル化合物を添加する前に、トルエン等の共沸溶媒を用いて、共沸脱水することが、操作が容易で好ましく用いられる。また、反応は不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。   Since the zerovalent nickel complex is unstable in water, the reaction system is preferably dehydrated. In addition to using a previously dehydrated solvent as a raw material, azeotropic dehydration using an azeotropic solvent such as toluene before addition of the zerovalent nickel compound is easy to operate and is preferably used. The reaction is preferably performed in an inert gas atmosphere.

炭素−炭素結合生成反応に要する時間は特に限定されないが、10分〜10時間が好ましく、30分〜3時間がより好ましい。10分より短いと反応が完結しない可能性があり、10時間より長いと、不必要に生産性が低下する。   The time required for the carbon-carbon bond formation reaction is not particularly limited, but is preferably 10 minutes to 10 hours, and more preferably 30 minutes to 3 hours. If it is shorter than 10 minutes, the reaction may not be completed, and if it is longer than 10 hours, productivity is unnecessarily lowered.

前記共重合体(高分子電解質A)の分子量は、数平均分子量で10,000〜300,000が好ましく、合成の容易さと溶媒への溶解度のバランスから、30,000〜150,000がより好ましい。数平均分子量が10,000より小さいとスルホン酸基の導入量が低く、十分なプロトン伝導度が得られなかったり、膜としての強度が不十分になる傾向がある。数平均分子量が300,000を超えると、溶媒への溶解性が低くなるなど、ハンドリングが困難になる傾向がある。上記疎水性セグメントの前駆体等のオリゴマー及び高分子電解質の分子量は、実施例に記載の測定方法により求めることができる。   The molecular weight of the copolymer (polymer electrolyte A) is preferably 10,000 to 300,000 in terms of number average molecular weight, and more preferably 30,000 to 150,000 in terms of the balance between ease of synthesis and solubility in a solvent. . If the number average molecular weight is less than 10,000, the amount of sulfonic acid groups introduced is low, and sufficient proton conductivity tends to be not obtained or the strength as a membrane tends to be insufficient. When the number average molecular weight exceeds 300,000, handling tends to be difficult, for example, solubility in a solvent is lowered. The molecular weights of the oligomers such as the precursor of the hydrophobic segment and the polymer electrolyte can be determined by the measurement methods described in the examples.

本発明において、高分子電解質AのIECは、1.5〜3.5meq./gであると、十分高いプロトン伝導度を発現するため好ましく、1.6〜3.0meq./gであると、低加湿下におけるプロトン伝導性と機械強度のバランスに優れるため、より好ましい。IECが1.5meq./gより小さいと、高分子電解質膜のプロトン伝導度が低くなる傾向があり、3.5meq./gより大きいと、水による膨潤で機械的強度が低下し、十分な強度を有しにくくなる傾向がある。本発明において、高分子電解質Aのイオン交換容量は、実施例に記載の高分子電解質膜のイオン交換容量の測定方法と同様にして求めることができる。   In the present invention, the IEC of the polymer electrolyte A is 1.5 to 3.5 meq. / G in order to express sufficiently high proton conductivity, preferably 1.6 to 3.0 meq. / G is more preferable because it provides an excellent balance between proton conductivity and mechanical strength under low humidification. IEC is 1.5 meq. If it is less than / g, the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane tends to be low, and 3.5 meq. When it is larger than / g, mechanical strength decreases due to swelling with water, and it tends to be difficult to have sufficient strength. In the present invention, the ion exchange capacity of the polymer electrolyte A can be determined in the same manner as in the method for measuring the ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane described in the Examples.

次いで、前記共重合体を、スルホン酸基以外の部分で架橋することで、高分子電解質膜を得ることができる。本発明において、高分子電解質膜は、前記共重合体が架橋された架橋共重合体で構成されていることになる。   Subsequently, a polymer electrolyte membrane can be obtained by crosslinking the copolymer at a portion other than the sulfonic acid group. In the present invention, the polymer electrolyte membrane is composed of a crosslinked copolymer obtained by crosslinking the copolymer.

前記共重合体において、前記疎水性セグメントが架橋性官能基を有する場合、架橋性官能基の種類に応じて、好適な架橋方法を用いて架橋させることにより本発明の高分子電解質膜を得ることができる。架橋性官能基の種類に応じて、架橋剤および/または架橋触媒を用いて、疎水性セグメントを架橋させることができる。架橋性官能基の種類によっては、架橋剤及び架橋触媒のいずれも使用しなくてもよい。   In the copolymer, when the hydrophobic segment has a crosslinkable functional group, the polymer electrolyte membrane of the present invention is obtained by crosslinking using a suitable crosslinking method according to the type of the crosslinkable functional group. Can do. Depending on the type of the crosslinkable functional group, the hydrophobic segment can be crosslinked using a crosslinking agent and / or a crosslinking catalyst. Depending on the type of the crosslinkable functional group, neither the crosslinking agent nor the crosslinking catalyst may be used.

架橋性官能基がアルコール性水酸基またはフェノール系水酸基の場合、架橋剤としてはイソシアネート基を有する化合物、エポキシ基を有する化合物などが好適に用いられる。   When the crosslinkable functional group is an alcoholic hydroxyl group or a phenolic hydroxyl group, as the crosslinking agent, a compound having an isocyanate group, a compound having an epoxy group, or the like is preferably used.

イソシアネート基を有する化合物としては、特に限定はなく公知のものを使用することができる。具体例としては、ジフェニルメタンジイソシアネート、トルエンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロインジイソシアネート、ブロックドイソシアネート等が挙げられる。   The compound having an isocyanate group is not particularly limited, and known compounds can be used. Specific examples include diphenylmethane diisocyanate, toluene diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, isophoroin diisocyanate, blocked isocyanate and the like.

エポキシ基を有する化合物としては、特に限定はなく公知のものを使用することができる。具体例としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールAプロプレンオキシド付加物のグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、水添ビスフェノールA型エポキシ樹脂等が挙げられる。   The compound having an epoxy group is not particularly limited, and known compounds can be used. Specific examples include bisphenol A type epoxy resins, bisphenol F type epoxy resins, novolac type epoxy resins, glycidyl ether type epoxy resins of bisphenol A propylene oxide adducts, hydrogenated bisphenol A type epoxy resins, and the like.

架橋性官能基がアミノ基の場合、イソシアネート基を有する化合物、エポキシ基を有する化合物等が架橋剤として用いられる。イソシアネート基を有する化合物、エポキシ基を有する化合物の具体例は、上に示した通りである。   When the crosslinkable functional group is an amino group, a compound having an isocyanate group, a compound having an epoxy group, or the like is used as a crosslinking agent. Specific examples of the compound having an isocyanate group and the compound having an epoxy group are as described above.

架橋性官能基がカルボキシル基の場合、エポキシ基を有する化合物、イソシアネート基を有する化合物等が架橋剤として用いられる。エポキシ基を有する化合物、イソシアネート基を有する化合物の具体例は上に示した通りである。   When the crosslinkable functional group is a carboxyl group, a compound having an epoxy group, a compound having an isocyanate group, or the like is used as a crosslinking agent. Specific examples of the compound having an epoxy group and the compound having an isocyanate group are as described above.

架橋性官能基がアルケニル基の場合、各種のラジカル開始剤を架橋に使用しうる他、ヒドロシリル基を有する化合物を塩化白金酸等の遷移金属系触媒とともに使用してもよい。さらに電子線や紫外線等の電離放射線を使用してもよい。   When the crosslinkable functional group is an alkenyl group, various radical initiators can be used for crosslinking, and a compound having a hydrosilyl group may be used together with a transition metal catalyst such as chloroplatinic acid. Furthermore, you may use ionizing radiations, such as an electron beam and an ultraviolet-ray.

ラジカル開始剤としては特に限定はなく公知のものを使用することができる。具体例としては、ジ−tert−ブチルペルオキシド、tert−ブチルヒドロペルオキシド、メチルエチルケトンペルオキシド、過酸化ベンゾイル、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、2,2’−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)等が挙げられる。   The radical initiator is not particularly limited, and known ones can be used. Specific examples include di-tert-butyl peroxide, tert-butyl hydroperoxide, methyl ethyl ketone peroxide, benzoyl peroxide, 2,2′-azobisisobutyronitrile, 2,2′-azobis (2,4-dimethylvalero). Nitrile), 2,2′-azobis (2-methylbutyronitrile), and the like.

ヒドロシリル基を有する化合物の具体例としては、1,3,5−トリメチルシクロトリシロキサン、1,3,5,7−テトラメチルシクロテトラシロキサン、ポリメチルハイドロジェンポリシロキサン等が挙げられる。   Specific examples of the compound having a hydrosilyl group include 1,3,5-trimethylcyclotrisiloxane, 1,3,5,7-tetramethylcyclotetrasiloxane, polymethylhydrogenpolysiloxane, and the like.

架橋性官能基がアクリロイル基、メタクリロイル基の場合、上記の各種ラジカル開始剤を用いることができる他、光重合開始剤の存在下で紫外線を照射することによっても架橋させることができる。   When the crosslinkable functional group is an acryloyl group or a methacryloyl group, the above-mentioned various radical initiators can be used, and crosslinking can also be performed by irradiating ultraviolet rays in the presence of a photopolymerization initiator.

光重合開始剤の具体例としては、ベンゾフェノン、o−ベンゾイル安息香酸、2,2−ジエトキシアセトフェノン、2,2−ジメトキシ−2−フェニルアセトフェノン、ジフェニル(2,4,6−トリメチルベンゾイル)ホスフィンオキシド、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオフェノン、ビス(2,4,6−トリメチル)フェニルホスフィンオキシド等が挙げられる。   Specific examples of the photopolymerization initiator include benzophenone, o-benzoylbenzoic acid, 2,2-diethoxyacetophenone, 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone, diphenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide. 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, 2-hydroxy-2-methylpropiophenone, bis (2,4,6-trimethyl) phenylphosphine oxide, and the like.

架橋性官能基がエポキシ基の場合、カルボキシル基を有する化合物等を架橋剤として用いることができる。また、光酸発生剤を用いて紫外線照射下で架橋させることもできる。   When the crosslinkable functional group is an epoxy group, a compound having a carboxyl group or the like can be used as a crosslinking agent. Moreover, it can also bridge | crosslink under ultraviolet irradiation using a photo-acid generator.

カルボキシル基を有する化合物としては、例えば、フタル酸、1,3−ベンゼンジカルボン酸、テレフタル酸、1,3,5−ベンゼントリカルボン酸、4,4’−オキシビス安息香酸、4,4’−チオビス安息香酸等が挙げられる。   Examples of the compound having a carboxyl group include phthalic acid, 1,3-benzenedicarboxylic acid, terephthalic acid, 1,3,5-benzenetricarboxylic acid, 4,4′-oxybisbenzoic acid, and 4,4′-thiobisbenzoic acid. An acid etc. are mentioned.

光酸発生剤としては、例えば、ビス(シクロヘキシルスルフォニル)ジアゾメタン、ビス(tert−ブチルスルフォニル)ジアゾメタン、ビス(p−トルエンスルフォニル)ジアゾメタン、トリフェニルスルフォニウムトリフルオロメタンスルフォネート、ジフェニル−4−メチルフェニルスルフォニウムトリフルオロメタンスルフォネート等が挙げられる。   Examples of the photoacid generator include bis (cyclohexylsulfonyl) diazomethane, bis (tert-butylsulfonyl) diazomethane, bis (p-toluenesulfonyl) diazomethane, triphenylsulfonium trifluoromethanesulfonate, diphenyl-4-methylphenyl Examples thereof include sulfonium trifluoromethane sulfonate.

架橋性官能基がフェニル基の場合、カルボキシル基を有する化合物を用いてフリーデルクラフツ反応により、架橋を進行させることができる。   When the crosslinkable functional group is a phenyl group, the crosslinking can be advanced by a Friedel-Crafts reaction using a compound having a carboxyl group.

カルボキシル基を有する化合物の具体例は上記に示した通りである。フリーデルクラフツ反応は通常、ルイス酸の存在下で進行するが、本発明における高分子電解質膜はスルホン酸基を有しており、これが自動触媒となるので、ルイス酸は必ずしも添加する必要はない。   Specific examples of the compound having a carboxyl group are as described above. The Friedel-Crafts reaction usually proceeds in the presence of a Lewis acid, but the polymer electrolyte membrane in the present invention has a sulfonic acid group, which serves as an autocatalyst, so that it is not always necessary to add the Lewis acid. .

架橋性官能基が加水分解性シリル基の場合、加水分解縮合触媒として、4価錫化合物、2価錫化合物等が用いられる。4価錫化合物の具体例としては、例えば、ジブチル錫ビス(アセチルアセトナート)、ジオクチル錫ビス(アセチルアセトナート)、ジメチル錫ビス(アセチルアセトナート)、ジブチル錫ジメトキシド等が挙げられる。2価錫化合物の具体例としては、例えば、ジブタン酸錫、ジオクチル酸錫、ジドデカン酸錫等が挙げられる。2価錫化合物を用いるときは、オクチルアミン、ドデシルアミン等のアミン系化合物を併用すると、触媒活性が向上するので好ましい。   When the crosslinkable functional group is a hydrolyzable silyl group, a tetravalent tin compound, a divalent tin compound, or the like is used as a hydrolysis condensation catalyst. Specific examples of the tetravalent tin compound include dibutyltin bis (acetylacetonate), dioctyltin bis (acetylacetonate), dimethyltin bis (acetylacetonate), and dibutyltin dimethoxide. Specific examples of the divalent tin compound include tin dibutanoate, tin dioctylate, and tin dodecanoate. When a divalent tin compound is used, it is preferable to use an amine compound such as octylamine or dodecylamine in combination because the catalytic activity is improved.

本発明において、疎水性セグメントが架橋性官能基を有する場合、高分子電解質膜を製造する方法は特に限定はないが、疎水性セグメントが架橋性官能基を有する共重合体の溶液を調製しておき、必要に応じて架橋剤及び/又は架橋触媒を添加し、ガラス板等の基板上にキャストし、溶媒を除去した後(あるいは除去しながら)、加熱あるいは紫外線照射等の刺激を加える方法が、均一な膜厚が得られるので好ましい。ガラス板には、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム等を貼り付けていてもよい。疎水性セグメントに架橋性官能基を有する共重合体の溶液の調製に用いる溶媒としては、例えば、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチルピロリドン等が挙げられる。溶媒の除去は、好ましくは10〜150℃、より好ましくは40〜130℃の温度で乾燥させることにより行う。加熱により架橋が進行する場合は、溶媒の除去と同時に共重合体が架橋し、高分子電解質膜が得られる。   In the present invention, when the hydrophobic segment has a crosslinkable functional group, the method for producing the polymer electrolyte membrane is not particularly limited, but a solution of a copolymer in which the hydrophobic segment has a crosslinkable functional group is prepared. In addition, there is a method of adding a cross-linking agent and / or a cross-linking catalyst as necessary, casting on a substrate such as a glass plate, removing the solvent (or while removing it), and applying a stimulus such as heating or ultraviolet irradiation. It is preferable because a uniform film thickness can be obtained. A polyethylene terephthalate (PET) film or the like may be attached to the glass plate. Examples of the solvent used for preparing the solution of the copolymer having a crosslinkable functional group in the hydrophobic segment include dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, 1,3-dimethyl-2- Examples include imidazolidinone and N-methylpyrrolidone. The removal of the solvent is preferably performed by drying at a temperature of 10 to 150 ° C, more preferably 40 to 130 ° C. When crosslinking proceeds by heating, the copolymer is crosslinked simultaneously with the removal of the solvent, and a polymer electrolyte membrane is obtained.

前記疎水性セグメントが架橋性官能基を有しない場合は、前記共重合体を加熱することで、前記共重合体をスルホン酸基以外の部分で架橋させる。この方法では、架橋剤及び/又は架橋触媒を用いず、加熱のみにより共重合体を架橋させて、架橋共重合体で構成された高分子電解質膜を得ることができる。   When the hydrophobic segment does not have a crosslinkable functional group, the copolymer is heated to crosslink the copolymer at a portion other than the sulfonic acid group. In this method, a polymer electrolyte membrane composed of a crosslinked copolymer can be obtained by crosslinking a copolymer only by heating without using a crosslinking agent and / or a crosslinking catalyst.

本発明において、疎水性セグメントが架橋性官能基を有しない場合、高分子電解質膜を製造する方法は特に限定はないが、疎水性セグメントが架橋性官能基を有しない共重合体の溶液を調製しておき、ガラス板等の基板上にキャストし、溶媒を除去した後(あるいは除去しながら)、加熱する方法が、均一な膜厚が得られるので好ましい。ガラス板には、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム等を貼り付けていてもよい。前記共重合体を溶液とする場合に用いられる溶媒としては、例えば、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチルピロリドン等が挙げられる。溶媒の除去は、好ましくは10〜150℃、より好ましくは40〜130℃の温度で乾燥させることにより行う。   In the present invention, when the hydrophobic segment does not have a crosslinkable functional group, the method for producing the polymer electrolyte membrane is not particularly limited, but a copolymer solution in which the hydrophobic segment does not have a crosslinkable functional group is prepared. A method of heating after removing the solvent (or while removing it) on a substrate such as a glass plate is preferable because a uniform film thickness can be obtained. A polyethylene terephthalate (PET) film or the like may be attached to the glass plate. Examples of the solvent used when the copolymer is used as a solution include dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, and N-methyl. Examples include pyrrolidone and the like. The removal of the solvent is preferably performed by drying at a temperature of 10 to 150 ° C, more preferably 40 to 130 ° C.

溶媒の除去を行った後、さらに加熱することにより架橋反応を行う。架橋時の温度は80℃〜200℃の範囲であることが好ましく、100℃〜180℃がより好ましい。80℃未満では架橋が十分進行せず、200℃を超えると、電解質が分解する可能性がある。なお、溶媒の除去を80℃以上で行う場合、溶媒の除去とともに架橋も進行するが、溶媒を除去した後、温度を上昇させた条件での加熱架橋により、架橋反応を促進することが好ましい。   After removing the solvent, the crosslinking reaction is performed by further heating. It is preferable that the temperature at the time of bridge | crosslinking is the range of 80 to 200 degreeC, and 100 to 180 degreeC is more preferable. If it is less than 80 degreeC, bridge | crosslinking does not fully advance, and when it exceeds 200 degreeC, electrolyte may decompose | disassemble. In addition, when removing a solvent at 80 degreeC or more, although crosslinking also advances with the removal of a solvent, after removing a solvent, it is preferable to accelerate | stimulate a crosslinking reaction by the heating bridge | crosslinking on the conditions which raised temperature.

加熱架橋は、減圧下で行うことにより、電解質中に微量に残存する溶媒が除去され、また、加熱中の電解質の酸化劣化を抑制できるので好ましい。減圧度は0〜10mmHg(0〜1333.2Pa)が好ましく、0〜5mmHg(0〜666.2Pa)がより好ましい。   The heat crosslinking is preferably performed under reduced pressure because a trace amount of the solvent remaining in the electrolyte is removed and oxidation deterioration of the electrolyte during heating can be suppressed. The degree of vacuum is preferably 0 to 10 mmHg (0 to 1333.2 Pa), and more preferably 0 to 5 mmHg (0 to 666.2 Pa).

本発明の高分子電解質膜を構成する高分子電解質は、上述した高分子電解質Aのみであってもよく、高分子電解質Aに加えてその他の高分子電解質を含んでもよい。また、本発明の高分子電解質膜は、上述した高分子電解質Aと架橋剤以外の添加物を含んでいてもよい。   The polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention may be only the polymer electrolyte A described above, or may contain other polymer electrolytes in addition to the polymer electrolyte A. The polymer electrolyte membrane of the present invention may contain additives other than the polymer electrolyte A and the crosslinking agent described above.

プロトン伝導性の点から、本発明の高分子電解質膜においては、上述した高分子電解質Aが、当該高分子電解質膜全体の70重量%以上を占める主成分であることが好ましい。また、高分子電解質膜を得た後に、分子配向等を制御するために二軸延伸等の処理を施したり、結晶化度や残存応力を制御するための熱処理を施しても構わない。さらに、製膜時に適当な化学的処理を施してもよい。化学的処理とは、例えば、伝導度を上げるためのプロトン性化合物の添加・耐久性向上のための微量の多価金属の添加等が挙げられる。   From the viewpoint of proton conductivity, in the polymer electrolyte membrane of the present invention, the above-described polymer electrolyte A is preferably a main component that accounts for 70% by weight or more of the entire polymer electrolyte membrane. In addition, after obtaining the polymer electrolyte membrane, a treatment such as biaxial stretching may be performed to control molecular orientation or the like, or a heat treatment may be performed to control crystallinity and residual stress. Furthermore, an appropriate chemical treatment may be performed during film formation. The chemical treatment includes, for example, addition of a protic compound for increasing conductivity and addition of a trace amount of polyvalent metal for improving durability.

また、本発明の高分子電解質膜において、通常用いられる各種添加剤、樹脂劣化防止のための酸化防止剤、フィルムとしての成形加工における取扱性を向上させるための帯電防止剤や滑剤等は、電解質膜としての加工や性能に影響を及ぼさない範囲で適宜用いることができる。   In addition, in the polymer electrolyte membrane of the present invention, various commonly used additives, antioxidants for preventing resin deterioration, antistatic agents and lubricants for improving the handleability in the molding process as a film are electrolytes. It can be used appropriately within a range that does not affect the processing and performance as a film.

本発明において、高分子電解質膜の厚さは、用途に応じて適宜選択することができる。例えば、燃料電池に用いる際、高分子電解質膜の抵抗を低減することを考慮した場合、高分子電解質膜の厚さは薄いほどよい。一方、高分子電解質膜のガス遮断性、ハンドリング性、電極との接合時の耐破れ性等を考慮すると、高分子電解質膜の厚さは薄すぎると好ましくない場合がある。これらを考慮すると、高分子電解質膜の厚さは、5μm以上300μm以下が好ましく、10μm以上100μm以下がより好ましい。また、燃料電池として出力を重視する場合等は、10μm以上50μm以下が特に好ましい。高分子電解質膜の厚さが5μm以上300μm以下であれば、製造が容易であり、膜抵抗と機械物性のバランスが取れており、燃料電池材料として加工する際のハンドリング性にも優れる。本発明において、高分子電解質膜の厚さは、実施例に記載の測定方法により求めることができる。   In the present invention, the thickness of the polymer electrolyte membrane can be appropriately selected depending on the application. For example, when it is considered to reduce the resistance of the polymer electrolyte membrane when used in a fuel cell, the thinner the polymer electrolyte membrane, the better. On the other hand, considering the gas barrier properties, handling properties, and resistance to tearing when bonded to the electrode, the polymer electrolyte membrane may be undesirably too thin. Considering these, the thickness of the polymer electrolyte membrane is preferably 5 μm or more and 300 μm or less, and more preferably 10 μm or more and 100 μm or less. Moreover, when importance is attached to the output as a fuel cell, 10 μm or more and 50 μm or less are particularly preferable. If the thickness of the polymer electrolyte membrane is 5 μm or more and 300 μm or less, the production is easy, the membrane resistance and mechanical properties are balanced, and the handling property when processing as a fuel cell material is excellent. In the present invention, the thickness of the polymer electrolyte membrane can be determined by the measurement method described in the examples.

本発明において、高分子電解質膜のイオン交換当量(IEC)は、高分子電解質AのIECにより調整することができる。例えば、高分子電解質膜として、高分子電解質A以外の材料を含む場合は、それによって高分子電解質膜としてのIECは低下するので、高分子電解質AのIECを高めに設定する等によって適宜調整しうる。   In the present invention, the ion exchange equivalent (IEC) of the polymer electrolyte membrane can be adjusted by the IEC of the polymer electrolyte A. For example, when the polymer electrolyte membrane includes a material other than the polymer electrolyte A, the IEC as the polymer electrolyte membrane is thereby lowered. Therefore, the polymer electrolyte membrane A is adjusted as appropriate by setting the IEC of the polymer electrolyte A higher. sell.

本発明において、高分子電解質膜のIECは、1.0〜3.5meq./gが好ましく、1.5〜3.0meq./gがより好ましい。高分子電解質膜のIECが1.0eq./gより小さいと、好ましいプロトン伝導度が発現しにくくなる傾向があり、3.5meq./gより大きいと、水による膨潤で機械的強度が低下し、十分な強度を有しにくくなる傾向がある。   In the present invention, the IEC of the polymer electrolyte membrane is 1.0 to 3.5 meq. / G, preferably 1.5 to 3.0 meq. / G is more preferable. The IEC of the polymer electrolyte membrane is 1.0 eq. If it is smaller than / g, there is a tendency that preferable proton conductivity is hardly expressed, and 3.5 meq. When it is larger than / g, mechanical strength decreases due to swelling with water, and it tends to be difficult to have sufficient strength.

本発明にかかる膜/電極接合体(以下、「MEA」とも記す。)は、本発明の高分子電解質膜を含み、該高分子電解質膜に電極触媒を塗布することにより得ることができる。   The membrane / electrode assembly according to the present invention (hereinafter also referred to as “MEA”) includes the polymer electrolyte membrane of the present invention, and can be obtained by applying an electrode catalyst to the polymer electrolyte membrane.

本発明で使用される電極触媒とは、当業者にとって従来公知の電極触媒であればよい。例えば、導電性触媒担体と当該導電性触媒担体に担持された触媒活性物質を含むものであればよく、その他の具体的な構成については特に限定されない。具体的には、燃料電池の電極反応に対して活性を有する触媒を用いることができる。アノード側では、燃料(水素やメタノールなど)の酸化能を有する触媒が使用される。カソード側では、供給される酸素とアノードで発生したプロトン、および電子から水を生成する反応の触媒が使用される。   The electrode catalyst used in the present invention may be any conventionally known electrode catalyst for those skilled in the art. For example, any material may be used as long as it contains a conductive catalyst carrier and a catalytically active substance supported on the conductive catalyst carrier, and other specific configurations are not particularly limited. Specifically, a catalyst having activity for the electrode reaction of the fuel cell can be used. On the anode side, a catalyst having the ability to oxidize fuel (hydrogen, methanol, etc.) is used. On the cathode side, a catalyst for the reaction of generating water from supplied oxygen, protons generated at the anode, and electrons is used.

導電性触媒担体としては、具体的には、カーボンブラック、ケッチェンブラック、活性炭、カーボンナノホーン、カーボンナノチューブなどの高表面積のカーボン担体が挙げられ、触媒担持能や電子伝導性、電気化学的安定性などから、これらの材料が好ましい。   Specific examples of the conductive catalyst carrier include carbon carriers having a high surface area such as carbon black, ketjen black, activated carbon, carbon nanohorn, and carbon nanotube, and include catalyst supporting ability, electronic conductivity, and electrochemical stability. Therefore, these materials are preferable.

触媒活性物質としては、具体的には、白金、コバルト、ルテニウム等が例示でき、これらを単独で、あるいはこれらの少なくとも一種を含んだ合金、さらには任意の混合物として使用しても構わない。特に燃料の酸化能、酸化剤の還元能、耐久性を考慮すると、白金または白金を含む合金であることが好ましい。触媒活性物質は必要に応じて、安定化や長寿命化のために、鉄、錫、希土類元素等を用い、3成分以上で構成してもよい。   Specific examples of the catalytically active substance include platinum, cobalt, ruthenium, and the like, and these may be used alone or as an alloy containing at least one of them or as an arbitrary mixture. In particular, when considering the oxidizing ability of the fuel, the reducing ability of the oxidizing agent, and durability, platinum or an alloy containing platinum is preferable. If necessary, the catalytically active substance may be composed of three or more components using iron, tin, rare earth elements, etc. for stabilization and long life.

MEAは、電極触媒、溶媒、および適当な高分子電解質を含む触媒インクとして、後述のように、触媒インクを支持体としての基材上に塗布した後に溶媒を除去することによって電極触媒層とし、前記高分子電解質膜に圧着させることにより作製してもよい。   MEA is a catalyst ink containing an electrode catalyst, a solvent, and a suitable polymer electrolyte. As described later, the MEA forms an electrode catalyst layer by removing the solvent after coating the catalyst ink on a substrate as a support, You may produce by making it crimp on the said polymer electrolyte membrane.

溶媒としては、高分子電解質を溶解でき、燃料電池用触媒を被毒しないものであれば何ら制限なく使用可能である。また、触媒インク用の高分子電解質としては従来公知のパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質、炭化水素系高分子電解質(例えば、スルホン酸化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン酸化ポリエーテルスルホン、スルホン酸化ポリスルホン、スルホン酸化ポリイミド、スルホン酸化ポリフェニレンサルファイドなど)を用いることができる。上述した高分子電解質Aを用いてもよい。   The solvent can be used without any limitation as long as it can dissolve the polymer electrolyte and does not poison the fuel cell catalyst. In addition, as the polymer electrolyte for the catalyst ink, conventionally known perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolytes, hydrocarbon polymer electrolytes (for example, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polysulfone, Sulfonated polyimide, sulfonated polyphenylene sulfide, etc.) can be used. You may use the polymer electrolyte A mentioned above.

前記触媒インクは、必要に応じて非電解質バインダー、撥水剤、分散剤、増粘剤、造孔剤などの添加剤を含んでいても構わない。また、これらの添加剤は、当業者にとって従来公知のものが使用可能であり、その他の具体的な構成については特に限定されない。   The catalyst ink may contain additives such as a non-electrolyte binder, a water repellent, a dispersant, a thickener, and a pore former as necessary. In addition, those additives conventionally known to those skilled in the art can be used, and other specific configurations are not particularly limited.

前記触媒インクは、粘度や基材の種類に応じて、当業者にとって従来公知の塗布法、例えば、ナイフコーター、バーコーター、スプレー、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーター、スクリーン印刷などを用いて基材へ塗布することができる。   Depending on the viscosity and the type of substrate, the catalyst ink may be a coating method known to those skilled in the art, for example, knife coater, bar coater, spray, dip coater, spin coater, roll coater, die coater, curtain coater, screen. It can apply | coat to a base material using printing etc.

基材として高分子フィルムを使用した場合には、燃料電池用触媒層転写シートが、基材として導電性多孔質シートを使用した場合には、燃料電池用ガス拡散電極が、それぞれ製造できる。   When a polymer film is used as the substrate, a fuel cell catalyst layer transfer sheet can be produced, and when a conductive porous sheet is used as the substrate, a fuel cell gas diffusion electrode can be produced.

前記MEAは、例えば、燃料電池、特に、固体高分子形燃料電池に用いることができる。   The MEA can be used, for example, in a fuel cell, particularly in a polymer electrolyte fuel cell.

以下実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。さらに、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   Hereinafter, examples will be shown, and the embodiment of the present invention will be described in more detail. The present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various modes are possible for details. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims, and the present invention is also applied to the embodiments obtained by appropriately combining the disclosed technical means. It is included in the technical scope of the invention.

各測定は以下のように行った。   Each measurement was performed as follows.

(分子量の測定)
GPC法により、以下の条件下で、分子量を測定した。
GPC測定装置:HLC−8220(東ソー株式会社製)
カラム:SuperAW4000及びSuperAW2500(昭和電工株式会社製)の2本を直列に接続
カラム温度:40℃
移動相溶媒:NMP(N−メチルピロリドン、LiBrを10mmol/dm3になるように添加)
溶媒流量:0.3mL/min
標準物質:TSK標準ポリスチレン(東ソー株式会社製)
以下、標準ポリスチレンで換算した数平均分子量をMnと表記し、標準ポリスチレンで換算した重量平均分子量をMwと表記する。
(Measurement of molecular weight)
The molecular weight was measured by the GPC method under the following conditions.
GPC measuring device: HLC-8220 (manufactured by Tosoh Corporation)
Column: Super AW 4000 and Super AW 2500 (Showa Denko Co., Ltd.) connected in series Column temperature: 40 ° C
Mobile phase solvent: NMP (N-methylpyrrolidone, LiBr added to 10 mmol / dm 3 )
Solvent flow rate: 0.3 mL / min
Standard material: TSK standard polystyrene (manufactured by Tosoh Corporation)
Hereinafter, the number average molecular weight converted with standard polystyrene is expressed as Mn, and the weight average molecular weight converted with standard polystyrene is expressed as Mw.

(膜厚の測定)
酸処理後の膜の膜厚を、尾崎製作所製デジタルゲージ(Model PDN−20)を用いて測定した。
(Measurement of film thickness)
The film thickness after the acid treatment was measured using a digital gauge (Model PDN-20) manufactured by Ozaki Seisakusho.

(イオン交換容量の測定)
測定サンプルとして、酸処理後の高分子電解質膜を10〜20mg切り出し、80℃で減圧乾燥し、乾燥重量(Wdry)を測定した。該乾燥後の高分子電解質膜を、飽和NaCl水溶液(30mL)に室温で24時間浸漬させることで、イオン基をH+型からNa+型へ変換した。その後、得られた溶液に含まれるHClを、電位差自動滴定装置AT−510(京都電子工業株式会社製)を用いて0.01MのNaOH水溶液により定量し、以下の式を用いてイオン交換容量(IEC)値を算出した。同一の高分子電解質膜について2サンプル作成し、2回の測定の平均値を滴定による算出IEC値とした。
(Measurement of ion exchange capacity)
As a measurement sample, 10 to 20 mg of the polymer electrolyte membrane after acid treatment was cut out and dried under reduced pressure at 80 ° C., and the dry weight (W dry ) was measured. The polymer electrolyte membrane after drying was immersed in a saturated NaCl aqueous solution (30 mL) at room temperature for 24 hours to convert the ionic group from H + type to Na + type. Thereafter, HCl contained in the obtained solution was quantified with a 0.01 M NaOH aqueous solution using an automatic potentiometric titrator AT-510 (manufactured by Kyoto Electronics Industry Co., Ltd.), and the ion exchange capacity ( IEC) values were calculated. Two samples were prepared for the same polymer electrolyte membrane, and the average value of the two measurements was taken as the calculated IEC value by titration.

Figure 2018073810
Figure 2018073810

(不溶分の測定)
約2cm×3cmにカットした高分子電解質膜のサンプルを準備し、サンプルを105℃で12時間、真空乾燥した後、質量を測定した。サンプルを室温でジメチルスルホキシドに12時間浸漬した。その後、サンプルを取り出し、表面の溶媒をふき取り、105℃で12時間、真空乾燥した後、質量を測定した。浸漬後のサンプルの質量を浸漬前のサンプルの質量で除し、100倍して、サンプルの不溶分(%)を算出した。
(Measurement of insoluble matter)
A polymer electrolyte membrane sample cut to about 2 cm × 3 cm was prepared, and the sample was vacuum dried at 105 ° C. for 12 hours, and then the mass was measured. The sample was immersed in dimethyl sulfoxide for 12 hours at room temperature. Then, the sample was taken out, the solvent on the surface was wiped off, and after vacuum drying at 105 ° C. for 12 hours, the mass was measured. The mass of the sample after immersion was divided by the mass of the sample before immersion and multiplied by 100 to calculate the insoluble content (%) of the sample.

(膨潤率の測定)
約2cm×3cmにカットした高分子電解質膜のサンプルを準備し、サンプルを室温で純水に6時間浸漬した。浸漬直後のサンプル、およびそれを100℃で2時間真空乾燥を行って絶乾状態としたサンプルの平面方向の寸法変化、および重量を測定し、変化率を計算した。平面方向については、4辺の寸法変化を測定し、その平均値を結果とした。
(Measurement of swelling rate)
A polymer electrolyte membrane sample cut to about 2 cm × 3 cm was prepared, and the sample was immersed in pure water for 6 hours at room temperature. The dimensional change and weight in the planar direction of the sample immediately after immersion and the sample which was vacuum-dried at 100 ° C. for 2 hours were measured, and the rate of change was calculated. Regarding the planar direction, the dimensional change of the four sides was measured, and the average value was taken as the result.

(プロトン伝導度の測定)
高分子電解質膜のプロトン伝導度測定は、日本ベル株式会社製電解質評価装置(MSB−AD−V−FC)を用いて行った。チャンバー内温度は80℃一定で、相対湿度(RH)20%、40%、60%、80%、及び、90%の条件下で行った。測定は、RH=20%→40%→60%→80%→90%→80%→60%→40%→20%を1サイクルとして、2サイクル目の湿度降下時の値を測定結果として用いた。サンプルのサイズは1.0cm×3.0cm、Auプローブ間の距離は1.0cmとし、Solartron 1255B/1287(株式会社東陽テクニカ製)を用いて、交流4端子法(300mV、1−100000Hz)により測定を行った。インピーダンスZはボードプロットにより位相角が0°に近い値でかつ1000Hzに近い値を用いた。導電率σ(S/cm)は次式により計算した。
σ=(L/Z)×1/A
ここでLはAuプローブ間の距離(1.0cm)、Aはサンプルの断面積(1cm×膜厚(cm))である。
(Measurement of proton conductivity)
The proton conductivity measurement of the polymer electrolyte membrane was performed using an electrolyte evaluation apparatus (MSB-AD-V-FC) manufactured by Nippon Bell Co., Ltd. The temperature in the chamber was constant at 80 ° C., and the relative humidity (RH) was 20%, 40%, 60%, 80%, and 90%. Measurement is RH = 20% → 40% → 60% → 80% → 90% → 80% → 60% → 40% → 20%, and the value at the second cycle of humidity drop is used as the measurement result. It was. The sample size is 1.0 cm × 3.0 cm, the distance between the Au probes is 1.0 cm, and using the Solartron 1255B / 1287 (manufactured by Toyo Corporation), the AC four-terminal method (300 mV, 1-100,000 Hz) Measurements were made. As the impedance Z, a value with a phase angle close to 0 ° and a value close to 1000 Hz was used according to the board plot. The conductivity σ (S / cm) was calculated by the following formula.
σ = (L / Z) × 1 / A
Here, L is the distance between Au probes (1.0 cm), and A is the cross-sectional area of the sample (1 cm × film thickness (cm)).

(製造例1)
温度計および攪拌子を備え付けた500mLの3つ口フラスコに、4,4’−ジクロロベンゾフェノン(75g,300mmol)、30%発煙硫酸(400g,1.5mol)を加えた。130℃に加熱し、6時間攪拌を続けた。室温まで冷却した後、反応液を氷水に少しずつ加えた。NaOH水溶液を加えて中和した後、析出した白色固体を濾過により回収した。減圧下、105℃で乾燥することにより、下式で表されるスルホン酸基含有モノマー(親水性セグメントの前駆体)を112g得た。
(Production Example 1)
To a 500 mL three-necked flask equipped with a thermometer and a stir bar, 4,4′-dichlorobenzophenone (75 g, 300 mmol) and 30% fuming sulfuric acid (400 g, 1.5 mol) were added. The mixture was heated to 130 ° C. and stirring was continued for 6 hours. After cooling to room temperature, the reaction solution was added to ice water little by little. After neutralizing with an aqueous NaOH solution, the precipitated white solid was collected by filtration. By drying at 105 ° C. under reduced pressure, 112 g of a sulfonic acid group-containing monomer (precursor of a hydrophilic segment) represented by the following formula was obtained.

Figure 2018073810
Figure 2018073810

(製造例2)
200mLの三口フラスコに、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸2水和物(25g,95mmol)、および純水(100mL)を加えた。室温にて、水酸化ナトリウム(3.99g,99.8mmol)を純水(20mL)に溶解したものを加えた。混合物を氷浴で冷却し、結晶の析出を促進した。混合物を濾過し、白色固体を得た。濾液をさらに氷浴で冷却し、結晶を析出させた。得られた白色固体を混合し、減圧下、60℃で6時間乾燥させ、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ナトリウム(親水性セグメントの前駆体)を得た(15.7g,収率60%)。
(Production Example 2)
2,5-Dichlorobenzenesulfonic acid dihydrate (25 g, 95 mmol) and pure water (100 mL) were added to a 200 mL three-necked flask. At room temperature, sodium hydroxide (3.99 g, 99.8 mmol) dissolved in pure water (20 mL) was added. The mixture was cooled in an ice bath to promote crystal precipitation. The mixture was filtered to give a white solid. The filtrate was further cooled in an ice bath to precipitate crystals. The obtained white solid was mixed and dried at 60 ° C. under reduced pressure for 6 hours to obtain sodium 2,5-dichlorobenzenesulfonate (precursor of hydrophilic segment) (15.7 g, yield 60%). .

(製造例3)
還流管とDeanStark管を取り付けた500mLの4つ口フラスコに、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(31.6g,110mmol)、4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン(21.4g,100mmol)、炭酸カリウム(20.7g,150mmol)、ジメチルアセトアミド(DMAc、200mL)、およびトルエン(50mL)を加えた。混合物を170℃に加熱し、生成した水を除去しながら35時間、攪拌を続けた。4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(0.5g)を追加し、さらに5時間攪拌した。混合物を濾紙を用いて濾過し、過剰の炭酸カリウムを除去した後、濾液を500mLのメタノールに注いで、生成物を再沈殿させた。生成物を減圧下、70℃で4時間乾燥させた後、60℃で500mLの純水で2回洗浄、さらに60℃で500mLのメタノールで1回洗浄し、減圧下、70℃で一晩乾燥させ、下式で表される疎水部オリゴマー(疎水性セグメントの前駆体)を41.5g得た。GPCによる分子量はMn=5,400、Mw=13,900であった。
(Production Example 3)
A 500 mL four-necked flask equipped with a reflux tube and a DeanStark tube was charged with 4,4′-dichlorodiphenylsulfone (31.6 g, 110 mmol), 4,4′-dihydroxybenzophenone (21.4 g, 100 mmol), potassium carbonate ( 20.7 g, 150 mmol), dimethylacetamide (DMAc, 200 mL), and toluene (50 mL) were added. The mixture was heated to 170 ° C. and stirring was continued for 35 hours while removing generated water. 4,4′-Dichlorodiphenylsulfone (0.5 g) was added, and the mixture was further stirred for 5 hours. The mixture was filtered using filter paper to remove excess potassium carbonate, and then the filtrate was poured into 500 mL of methanol to reprecipitate the product. The product was dried at 70 ° C. for 4 hours under reduced pressure, then washed twice with 500 mL of pure water at 60 ° C., further washed once with 500 mL of methanol at 60 ° C., and dried overnight at 70 ° C. under reduced pressure. As a result, 41.5 g of a hydrophobic part oligomer (hydrophobic segment precursor) represented by the following formula was obtained. The molecular weight by GPC was Mn = 5,400 and Mw = 13,900.

Figure 2018073810
Figure 2018073810

(製造例4)
還流管とDeanStark管を取り付けた500mLの4つ口フラスコに、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(21.76g、75.8mmol)、4,4−ビス(4−ヒドロキシフェニル)吉草酸(9.86g、34.4mmol)、4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン(7.38g、34.4mmol)、炭酸カリウム(18.99g、137mmol)、ジメチルアセトアミド(160mL)、およびトルエン(40mL)を加えた。混合物を170℃に加熱し、生成した水を除去しながら32時間、攪拌を続けた。反応の進行に伴い、溶媒に不溶の白色固体が析出した。4Nの塩酸(200mL)を加えて過剰の炭酸カリウムを除去した。残った固体を、純水(250mL)を用いて70℃で2回洗浄、さらにメタノール(250mL)を用いて60℃で1回洗浄した後、70℃で減圧乾燥することにより、下式で表されるカルボキシル基を有するオリゴマー(疎水性セグメントの前駆体)を16.9g得た。GPCによる分子量は、Mn=6,600、Mw=17,800であった。
(Production Example 4)
To a 500 mL four-necked flask equipped with a reflux tube and a DeanStark tube, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone (21.76 g, 75.8 mmol), 4,4-bis (4-hydroxyphenyl) valeric acid (9. 86 g, 34.4 mmol), 4,4′-dihydroxybenzophenone (7.38 g, 34.4 mmol), potassium carbonate (18.99 g, 137 mmol), dimethylacetamide (160 mL), and toluene (40 mL) were added. The mixture was heated to 170 ° C. and stirring was continued for 32 hours while removing generated water. As the reaction proceeded, a white solid insoluble in the solvent precipitated. 4N hydrochloric acid (200 mL) was added to remove excess potassium carbonate. The remaining solid was washed twice with pure water (250 mL) at 70 ° C., further washed once with methanol (250 mL) at 60 ° C., and then dried under reduced pressure at 70 ° C. 16.9 g of an oligomer having a carboxyl group (hydrophobic segment precursor) was obtained. The molecular weight by GPC was Mn = 6,600 and Mw = 17,800.

Figure 2018073810
Figure 2018073810

(製造例5)
還流管とDeanStark管を取り付けた500mLの4つ口フラスコに、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(21.76g、75.8mmol)、4,4’−(1−フェニルエチリデン)ビスフェノール(10g、34.4mmol)、4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン(7.38g、34.4mmol)、炭酸カリウム(14.28g、103mmol)、ジメチルアセトアミド(150mL)、およびトルエン(37mL)を加えた。混合物を170℃に加熱し、生成した水を除去しながら48時間、攪拌を続けた。混合物をろ過し、過剰の炭酸カリウムを除去した後、濾液をメタノール(1L)に加えて共重合体を再沈殿した。生成した固体を回収し、70℃で12時間減圧乾燥した後、純水(500mL)を用いて60℃で2回洗浄、さらにメタノール(500mL)で、60℃で1回洗浄した。70℃で12時間減圧乾燥し、下式で表されるオリゴマー(疎水性セグメントの前駆体)を28.7g得た。GPCによる分子量は、Mn=5,000、Mw=13,000であった。
(Production Example 5)
To a 500 mL four-necked flask equipped with a reflux tube and a DeanStark tube was added 4,4′-dichlorodiphenylsulfone (21.76 g, 75.8 mmol), 4,4 ′-(1-phenylethylidene) bisphenol (10 g, 34). .4 mmol), 4,4′-dihydroxybenzophenone (7.38 g, 34.4 mmol), potassium carbonate (14.28 g, 103 mmol), dimethylacetamide (150 mL), and toluene (37 mL) were added. The mixture was heated to 170 ° C. and stirring was continued for 48 hours while removing the produced water. The mixture was filtered to remove excess potassium carbonate, and the filtrate was added to methanol (1 L) to reprecipitate the copolymer. The produced solid was collected, dried under reduced pressure at 70 ° C. for 12 hours, washed twice with pure water (500 mL) at 60 ° C., and further washed once with methanol (500 mL) at 60 ° C. It dried under reduced pressure at 70 degreeC for 12 hours, and obtained 28.7g of oligomers (precursor of a hydrophobic segment) represented by the following Formula. The molecular weight by GPC was Mn = 5,000 and Mw = 13,000.

Figure 2018073810
Figure 2018073810

(実施例1)
<高分子電解質A1の作製>
還流管とDeanStark管を取り付けた500mLの4つ口フラスコに、製造例1で得られたスルホン酸基含有モノマー(親水性セグメントの前駆体、12g、26.3mol)、製造例4で得られたオリゴマー(疎水性セグメントの前駆体、8g)、炭酸カリウム(2.28g、16.5mmol)、2,2’−ビピリジル(11.56g、74.1mmol)、ジメチルスルホキシド(240mL)、およびトルエン(60mL)を加えた。窒素雰囲気下、混合物を170℃に3時間加熱して、共沸脱水した。170℃でトルエンを留去した後、80℃まで冷却し、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(10g、36.4mmol)を添加し、そのままの温度で2時間攪拌した。反応液を1Lのメタノールに注いで再沈殿させた後、固形分を6N塩酸(500mL)で2回洗浄し、さらに純水で、洗浄液のpHが7になるまで繰り返し洗浄した。固形分を減圧下、105℃で一晩乾燥し、下式で表される高分子電解質A1を14.0g得た。GPCによる分子量は、Mn=77,000、Mw=165,000であった。当該高分子電解質A1を、粉砕機を用いて微粉とした後、塩化メチレンおよびメタノールで洗浄し、ジメチルスルホキシドに溶解して、固形分濃度が約22重量%の高分子電解質A1の溶液を得た。
(Example 1)
<Preparation of polymer electrolyte A1>
In a 500 mL four-necked flask equipped with a reflux tube and a DeanStark tube, the sulfonic acid group-containing monomer obtained in Production Example 1 (precursor of hydrophilic segment, 12 g, 26.3 mol), obtained in Production Example 4 Oligomer (Precursor of hydrophobic segment, 8 g), potassium carbonate (2.28 g, 16.5 mmol), 2,2′-bipyridyl (11.56 g, 74.1 mmol), dimethyl sulfoxide (240 mL), and toluene (60 mL) ) Was added. Under a nitrogen atmosphere, the mixture was heated to 170 ° C. for 3 hours for azeotropic dehydration. After toluene was distilled off at 170 ° C., the mixture was cooled to 80 ° C., bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (10 g, 36.4 mmol) was added, and the mixture was stirred at the same temperature for 2 hours. The reaction solution was poured into 1 L of methanol and reprecipitated, and the solid content was washed twice with 6N hydrochloric acid (500 mL), and further washed with pure water until the pH of the washing solution became 7. The solid content was dried overnight at 105 ° C. under reduced pressure to obtain 14.0 g of a polymer electrolyte A1 represented by the following formula. The molecular weight by GPC was Mn = 77,000 and Mw = 165,000. The polymer electrolyte A1 was pulverized using a pulverizer, washed with methylene chloride and methanol, and dissolved in dimethyl sulfoxide to obtain a solution of polymer electrolyte A1 having a solid concentration of about 22% by weight. .

Figure 2018073810
Figure 2018073810

<架橋工程>
上記で得られた高分子電解質A1のジメチルスルホキシド溶液(5.08g、固形分濃度22重量%)をスクリュー管に秤量し、架橋剤としてのビスフェノールAジグリシジルエーテル(116.5mgを2.6gのジメチルスルホキシドに溶解したもの)を添加してスターラーチップで15分間、室温で攪拌した。得られた溶液を、クリアランスを15milに設定したアプリケーターを用いて、ガラス板上に貼り付けたPETフィルム(東レルミラー、厚さ188μm)上に塗工した。得られた塗工フィルムを、ホットプレートを用いて120℃で12時間加熱して高分子電解質A1を架橋し、高分子電解質A1が架橋した高分子電解質膜を得た。6N塩酸、さらに純水で洗浄した後、PETフィルムより高分子電解質膜を剥離し、膜厚、不溶分、膨潤度、およびIECを測定した。結果を表1に示した。また、プロトン伝導度を測定した結果を表2、図1に示した。
<Crosslinking process>
A dimethyl sulfoxide solution (5.08 g, solid content concentration 22 wt%) of the polymer electrolyte A1 obtained above was weighed into a screw tube, and bisphenol A diglycidyl ether (116.5 mg of 2.6 g of a crosslinking agent) was weighed. (Dissolved in dimethyl sulfoxide) was added and stirred with a stirrer chip for 15 minutes at room temperature. The obtained solution was coated on a PET film (East Lerre mirror, thickness 188 μm) affixed on a glass plate using an applicator whose clearance was set to 15 mil. The obtained coated film was heated at 120 ° C. for 12 hours using a hot plate to crosslink the polymer electrolyte A1 to obtain a polymer electrolyte membrane in which the polymer electrolyte A1 was crosslinked. After washing with 6N hydrochloric acid and pure water, the polymer electrolyte membrane was peeled from the PET film, and the film thickness, insoluble matter, swelling degree, and IEC were measured. The results are shown in Table 1. The results of measuring proton conductivity are shown in Table 2 and FIG.

Figure 2018073810
Figure 2018073810

(比較例1)
実施例1の場合と同様にして得られた高分子電解質A1のジメチルスルホキシド溶液(固形分濃度22重量%)を、クリアランスを15milに設定したアプリケーターを用いて、ガラス板上に貼り付けたPETフィルム(東レルミラー、厚さ188μm)上に塗工した。得られた塗工フィルムを、ホットプレートを用いて120℃で12時間乾燥し、非架橋電解質膜を得た。6N塩酸、さらに純水で洗浄した後、PETフィルムより電解質膜を剥離し、膜厚、不溶分、膨潤度、IEC、およびプロトン伝導度を測定した。結果を表1、表2、図1に示した。
(Comparative Example 1)
A PET film in which a dimethyl sulfoxide solution (solid content concentration: 22% by weight) of polymer electrolyte A1 obtained in the same manner as in Example 1 was pasted on a glass plate using an applicator with a clearance set to 15 mil. The coating was carried out on (Tohrel mirror, thickness 188 μm). The obtained coated film was dried at 120 ° C. for 12 hours using a hot plate to obtain a non-crosslinked electrolyte membrane. After washing with 6N hydrochloric acid and pure water, the electrolyte membrane was peeled off from the PET film, and the film thickness, insoluble matter, swelling degree, IEC, and proton conductivity were measured. The results are shown in Table 1, Table 2, and FIG.

(実施例2)
<高分子電解質A2の作製>
還流管とDeanStark管を取り付けた500mLの4つ口フラスコに、製造例1で得られたスルホン酸基含有モノマー(親水性セグメントの前駆体、12g、26.3mmol)、製造例5で得られたオリゴマー(疎水性セグメントの前駆体、8g)、2,2’−ビピリジル(11.56g、74.1mmol)、ジメチルスルホキシド(240mL)、およびトルエン(60mL)を加えた。窒素雰囲気下、混合物を170℃に3時間加熱して、共沸脱水した。170℃でトルエンを留去した後、80℃まで冷却し、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(10g、36.4mmol)を添加し、そのままの温度で2時間攪拌した。反応液を1Lのメタノールに注いで再沈殿させた後、固形分を6N塩酸(500mL)で2回洗浄し、さらに純水で、洗浄液のpHが7になるまで繰り返し洗浄した。固形分を減圧下、105℃で一晩乾燥し、下式の高分子電解質A2(13.5g)を得た。GPCによる分子量は、Mn=47,000、Mw=383,000であった。当該高分子電解質A2を、粉砕機を用いて微粉とした後、塩化メチレンおよびメタノールで洗浄し、ジメチルスルホキシドに溶解して、固形分濃度が約14.3重量%の高分子電解質A2の溶液を得た。
(Example 2)
<Preparation of polymer electrolyte A2>
In a 500 mL four-necked flask equipped with a reflux tube and a DeanStark tube, the sulfonic acid group-containing monomer obtained in Production Example 1 (precursor of hydrophilic segment, 12 g, 26.3 mmol), obtained in Production Example 5 Oligomer (precursor of hydrophobic segment, 8 g), 2,2′-bipyridyl (11.56 g, 74.1 mmol), dimethyl sulfoxide (240 mL), and toluene (60 mL) were added. Under a nitrogen atmosphere, the mixture was heated to 170 ° C. for 3 hours for azeotropic dehydration. After toluene was distilled off at 170 ° C., the mixture was cooled to 80 ° C., bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (10 g, 36.4 mmol) was added, and the mixture was stirred at the same temperature for 2 hours. The reaction solution was poured into 1 L of methanol and reprecipitated, and the solid content was washed twice with 6N hydrochloric acid (500 mL), and further washed with pure water until the pH of the washing solution became 7. The solid content was dried overnight at 105 ° C. under reduced pressure to obtain a polymer electrolyte A2 (13.5 g) of the following formula. The molecular weight by GPC was Mn = 47,000 and Mw = 383,000. The polymer electrolyte A2 is pulverized using a pulverizer, washed with methylene chloride and methanol, dissolved in dimethyl sulfoxide, and a solution of polymer electrolyte A2 having a solid content concentration of about 14.3% by weight is obtained. Obtained.

Figure 2018073810
Figure 2018073810

(架橋工程)
上記で得られた高分子電解質A2のジメチルスルホキシド溶液(5.14g、固形分濃度14.3重量%)をスクリュー管に秤量し、架橋剤としての4,4’−オキシビス安息香酸(51.1mgを2.6gのジメチルスルホキシドに溶解したもの)を添加してスターラーチップで15分攪拌した。得られた溶液を、クリアランスを15milに設定したアプリケーターを用いて、ガラス板上に貼り付けたPETフィルム(東レルミラー、厚さ188μm)上に塗工した。得られた塗工フィルムを、ホットプレートを用いて120℃で12時間乾燥した。その後、さらに、減圧乾燥機中で、真空(0mmHg)に減圧し、160℃で15時間加熱することにより、高分子電解質A2が架橋した高分子電解質膜を得た。6N塩酸、さらに純水で洗浄した後、PETフィルムより電解質膜を剥離し、膜厚、不溶分、膨潤度、IEC、およびプロトン伝導度を測定した。結果を表1、表2、図2に示した。
(Crosslinking process)
The dimethyl sulfoxide solution (5.14 g, solid content concentration 14.3% by weight) of the polymer electrolyte A2 obtained above was weighed into a screw tube, and 4,4′-oxybisbenzoic acid (51.1 mg as a crosslinking agent). Was dissolved in 2.6 g of dimethyl sulfoxide) and stirred with a stirrer chip for 15 minutes. The obtained solution was coated on a PET film (East Lerre mirror, thickness 188 μm) affixed on a glass plate using an applicator whose clearance was set to 15 mil. The obtained coated film was dried at 120 ° C. for 12 hours using a hot plate. Thereafter, the pressure was further reduced to a vacuum (0 mmHg) in a vacuum drier and heated at 160 ° C. for 15 hours to obtain a polymer electrolyte membrane crosslinked with the polymer electrolyte A2. After washing with 6N hydrochloric acid and pure water, the electrolyte membrane was peeled off from the PET film, and the film thickness, insoluble matter, swelling degree, IEC, and proton conductivity were measured. The results are shown in Table 1, Table 2, and FIG.

Figure 2018073810
Figure 2018073810

(実施例3)
実施例2と同様にして得られた高分子電解質A2のジメチルスルホキシド溶液(固形分濃度14.3重量%)を、クリアランスを15milに設定したアプリケーターを用いて、ガラス板上に貼り付けたPETフィルム(東レルミラー、厚さ188μm)上に塗工した。得られた塗工フィルムを、ホットプレートを用いて120℃で12時間乾燥した。その後、さらに、減圧乾燥機中で、真空(0mmHg)に減圧し、160℃で12時間加熱することにより、高分子電解質A2を架橋した高分子電解質膜を得た。6Nの塩酸、さらに純水で洗浄した後、PETフィルムより電解質膜を剥離し、膜厚、不溶分、膨潤度、IEC、を測定した。結果を表1に示した。また、プロトン伝導度を測定した結果を表2、図2に示した。
(Example 3)
A PET film obtained by sticking a dimethyl sulfoxide solution (solid content concentration: 14.3% by weight) of polymer electrolyte A2 obtained in the same manner as in Example 2 onto a glass plate using an applicator with a clearance set to 15 mil. The coating was carried out on (Tohrel mirror, thickness 188 μm). The obtained coated film was dried at 120 ° C. for 12 hours using a hot plate. Thereafter, the pressure was reduced to a vacuum (0 mmHg) in a vacuum drier and heated at 160 ° C. for 12 hours to obtain a polymer electrolyte membrane crosslinked with the polymer electrolyte A2. After washing with 6N hydrochloric acid and pure water, the electrolyte membrane was peeled from the PET film, and the film thickness, insoluble matter, swelling degree, and IEC were measured. The results are shown in Table 1. The results of measuring proton conductivity are shown in Table 2 and FIG.

(比較例2)
実施例2と同様にして得られた高分子電解質A2のジメチルスルホキシド溶液(固形分濃度14.3重量%)を、クリアランスを15milに設定したアプリケーターを用いて、ガラス板上に貼り付けたPETフィルム(東レルミラー、厚さ188μm)上に塗工した。得られた塗工フィルムを、ホットプレートを用いて120℃で12時間乾燥し、非架橋電解質膜を得た。6N塩酸、さらに純水で洗浄した後、PETフィルムより電解質膜を剥離し、不溶分、膨潤度、IEC、およびプロトン伝導度を測定した。結果を表1、表2、図2に示した。
(Comparative Example 2)
A PET film obtained by sticking a dimethyl sulfoxide solution (solid content concentration: 14.3% by weight) of polymer electrolyte A2 obtained in the same manner as in Example 2 onto a glass plate using an applicator with a clearance set to 15 mil. The coating was carried out on (Tohrel mirror, thickness 188 μm). The obtained coated film was dried at 120 ° C. for 12 hours using a hot plate to obtain a non-crosslinked electrolyte membrane. After washing with 6N hydrochloric acid and pure water, the electrolyte membrane was peeled off from the PET film, and insoluble matter, swelling degree, IEC, and proton conductivity were measured. The results are shown in Table 1, Table 2, and FIG.

(実施例4)
<高分子電解質A3の作製>
メカニカルスターラー、還流管、DeanStark管を取り付けた1Lの4つ口フラスコに、製造例1で得られたスルホン酸基含有モノマー(親水性セグメントの前駆体、24g, 52.7mmol)、製造例3で得られたオリゴマー(疎水性セグメントの前駆体16g)、2,2’−ビピリジル(23.1g,148mmol)、ジメチルスルホキシド(480mL)、およびトルエン(120mL)を窒素雰囲気化に加え、170℃に3時間加熱して、共沸脱水した。170℃でトルエンを留去した後、80℃まで冷却し、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(20g、72.8mmol)を添加し、そのままの温度で2時間攪拌した。反応液を700mLのメタノールに注いで再沈殿させた後、固形分を6N塩酸(600mL)で2回洗浄し、さらに純水で、洗浄液のpHが7になるまで繰り返し洗浄した。固形分を減圧下、105℃で一晩乾燥し、下式の高分子電解質A3(33.2g)を得た。GPCによる平均分子量は、Mn=85,100、Mw=177,000であった。当該高分子電解質A3を、粉砕機を用いて微粉とした後、塩化メチレンおよびメタノールで洗浄し、ジメチルスルホキシドに溶解して、固形分濃度が約12重量%の高分子電解質A3の溶液を得た。
Example 4
<Preparation of polymer electrolyte A3>
In a 1 L four-necked flask equipped with a mechanical stirrer, reflux tube, and DeanStark tube, the sulfonic acid group-containing monomer obtained in Production Example 1 (precursor of hydrophilic segment, 24 g, 52.7 mmol), Production Example 3 The obtained oligomer (hydrophobic segment precursor 16 g), 2,2′-bipyridyl (23.1 g, 148 mmol), dimethyl sulfoxide (480 mL), and toluene (120 mL) were added to the nitrogen atmosphere, and the temperature was increased to 170 ° C. Azeotropic dehydration was performed by heating for a period of time. After toluene was distilled off at 170 ° C., the mixture was cooled to 80 ° C., bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (20 g, 72.8 mmol) was added, and the mixture was stirred at the same temperature for 2 hours. The reaction solution was poured into 700 mL of methanol and reprecipitated, and the solid content was washed twice with 6N hydrochloric acid (600 mL), and further repeatedly washed with pure water until the pH of the washing solution became 7. The solid content was dried overnight at 105 ° C. under reduced pressure to obtain a polymer electrolyte A3 (33.2 g) of the following formula. The average molecular weight by GPC was Mn = 85,100 and Mw = 177,000. The polymer electrolyte A3 was pulverized using a pulverizer, washed with methylene chloride and methanol, and dissolved in dimethyl sulfoxide to obtain a solution of polymer electrolyte A3 having a solid concentration of about 12% by weight. .

Figure 2018073810
Figure 2018073810

<架橋工程>
上記で得られた高分子電解質A3のジメチルスルホキシド溶液(固形分濃度12重量%)を、クリアランスを15milに設定したアプリケーターを用いて、ガラス板上に貼り付けたPETフィルム(東レルミラー、厚さ188μm)上に塗工した。得られた塗工フィルムを、ホットプレートを用いて120℃で12時間乾燥した。その後、さらに、減圧乾燥機中で、真空(0mmHg)に減圧し、160℃で12時間加熱することにより、高分子電解質A3が架橋した高分子電解質膜を得た。6Nの塩酸、さらに純水で洗浄した後、PETフィルムより電解質膜を剥離し、膜厚、不溶分、膨潤度、IEC、を測定した。結果を表1に示した。また、プロトン伝導度を測定した結果を表2、図3に示した。
<Crosslinking process>
A PET film (East Reel Mirror, thickness 188 μm) obtained by pasting the dimethyl sulfoxide solution of the polymer electrolyte A3 obtained above (solid content concentration 12% by weight) on a glass plate using an applicator with a clearance set to 15 mil. ) Coated on top. The obtained coated film was dried at 120 ° C. for 12 hours using a hot plate. Thereafter, the pressure was further reduced to a vacuum (0 mmHg) in a vacuum drier and heated at 160 ° C. for 12 hours to obtain a polymer electrolyte membrane in which the polymer electrolyte A3 was crosslinked. After washing with 6N hydrochloric acid and pure water, the electrolyte membrane was peeled from the PET film, and the film thickness, insoluble matter, swelling degree, and IEC were measured. The results are shown in Table 1. The results of measuring proton conductivity are shown in Table 2 and FIG.

(比較例3)
実施例4の場合と同様にして得られた高分子電解質A3のジメチルスルホキシド溶液(固形分濃度12重量%)を、クリアランスを15milに設定したアプリケーターを用いて、ガラス板上に貼り付けたPETフィルム(東レルミラー、厚さ188μm)上に塗工した。得られた塗工フィルムを、ホットプレートを用いて120℃で12時間乾燥し、非架橋電解質膜を得た。6N塩酸、さらに純水で洗浄した後、PETフィルムより電解質膜を剥離し、膜厚、不溶分、膨潤度、IEC、およびプロトン伝導度を測定した。結果を表1、表2、図3に示した。
(Comparative Example 3)
A PET film in which a dimethyl sulfoxide solution (solid content concentration: 12% by weight) of polymer electrolyte A3 obtained in the same manner as in Example 4 was pasted on a glass plate using an applicator with a clearance set to 15 mil. The coating was carried out on (Tohrel mirror, thickness 188 μm). The obtained coated film was dried at 120 ° C. for 12 hours using a hot plate to obtain a non-crosslinked electrolyte membrane. After washing with 6N hydrochloric acid and pure water, the electrolyte membrane was peeled off from the PET film, and the film thickness, insoluble matter, swelling degree, IEC, and proton conductivity were measured. The results are shown in Table 1, Table 2, and FIG.

(実施例5)
<高分子電解質A4の作製>
還流管とDeanStark管を取り付けた1Lの4つ口フラスコに、製造例2で得られたスルホン酸基含有モノマー(親水性セグメントの前駆体、15.68g、63mmol)、製造例4で得られたオリゴマー(疎水性セグメントの前駆体、8g)、炭酸カリウム(1.92g、13.9mmol)、2,2’−ビピリジル(23.84g、153mmol)、ジメチルスルホキシド(350mL)、およびトルエン(90mL)を加えた。窒素雰囲気下、混合物を170℃に3時間加熱して、共沸脱水した。170℃でトルエンを留去した後、80℃まで冷却し、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(20g、72.8mmol)を添加し、そのままの温度で2時間攪拌した。反応液を1Lのメタノールに注いで再沈殿させた後、固形分を6N塩酸(1mL)で2回洗浄し、さらに純水で、洗浄液のpHが7になるまで繰り返し洗浄した。固形分を減圧下、105℃で一晩乾燥し、下式で表される高分子電解質A4を11.6g得た。GPCによる分子量は、Mn=73,000、Mw=182,000であった。当該高分子電解質A4を、粉砕機を用いて微粉とした後、塩化メチレンおよびメタノールで洗浄し、ジメチルスルホキシドに溶解して、固形分濃度が14.6重量%の高分子電解質A4の溶液を得た。
(Example 5)
<Preparation of polymer electrolyte A4>
In a 1 L four-necked flask equipped with a reflux tube and a DeanStark tube, the sulfonic acid group-containing monomer obtained in Production Example 2 (hydrophilic segment precursor, 15.68 g, 63 mmol), obtained in Production Example 4 Oligomer (precursor of hydrophobic segment, 8 g), potassium carbonate (1.92 g, 13.9 mmol), 2,2′-bipyridyl (23.84 g, 153 mmol), dimethyl sulfoxide (350 mL), and toluene (90 mL) added. Under a nitrogen atmosphere, the mixture was heated to 170 ° C. for 3 hours for azeotropic dehydration. After toluene was distilled off at 170 ° C., the mixture was cooled to 80 ° C., bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (20 g, 72.8 mmol) was added, and the mixture was stirred at the same temperature for 2 hours. The reaction solution was poured into 1 L of methanol and reprecipitated, and the solid content was washed twice with 6N hydrochloric acid (1 mL), and further repeatedly washed with pure water until the pH of the washing solution reached 7. The solid content was dried overnight at 105 ° C. under reduced pressure to obtain 11.6 g of polymer electrolyte A4 represented by the following formula. The molecular weight by GPC was Mn = 73,000 and Mw = 182,000. The polymer electrolyte A4 is pulverized using a pulverizer, washed with methylene chloride and methanol, and dissolved in dimethyl sulfoxide to obtain a solution of polymer electrolyte A4 having a solid content concentration of 14.6% by weight. It was.

Figure 2018073810
Figure 2018073810

<架橋工程>
上記で得られた高分子電解質A4のジメチルスルホキシド溶液(5.93g、固形分濃度14.6重量%)をスクリュー管に秤量し、架橋剤としてのビスフェノールAジグリシジルエーテル(86.7mgを250mgのジメチルスルホキシドに溶解したもの)を添加してスターラーチップで15分間、室温で攪拌した。得られた溶液を、クリアランスを10milに設定したアプリケーターを用いて、ガラス板上に貼り付けたPETフィルム(東レルミラー、厚さ188μm)上に塗工した。得られた塗工フィルムを、ホットプレートを用いて120℃で12時間加熱して高分子電解質A4を架橋し、高分子電解質A4が架橋した高分子電解質膜を得た。6N塩酸、さらに純水で洗浄した後、PETフィルムより高分子電解質膜を剥離し、膜厚、不溶分、膨潤度、およびIECを測定した。結果を表1に示した。
<Crosslinking process>
The dimethyl sulfoxide solution of polyelectrolyte A4 obtained above (5.93 g, solid content concentration 14.6 wt%) was weighed into a screw tube, and bisphenol A diglycidyl ether (86.7 mg as a cross-linking agent was added to 250 mg of (Dissolved in dimethyl sulfoxide) was added and stirred with a stirrer chip for 15 minutes at room temperature. The obtained solution was coated on a PET film (East Lerre mirror, thickness 188 μm) affixed on a glass plate using an applicator with a clearance set to 10 mil. The obtained coated film was heated at 120 ° C. for 12 hours using a hot plate to crosslink the polymer electrolyte A4, thereby obtaining a polymer electrolyte membrane in which the polymer electrolyte A4 was crosslinked. After washing with 6N hydrochloric acid and pure water, the polymer electrolyte membrane was peeled from the PET film, and the film thickness, insoluble matter, swelling degree, and IEC were measured. The results are shown in Table 1.

Figure 2018073810
Figure 2018073810

(比較例4)
実施例5の場合と同様にして得られた高分子電解質A4のジメチルスルホキシド溶液(固形分濃度14.6重量%)を、クリアランスを10milに設定したアプリケーターを用いて、ガラス板上に貼り付けたPETフィルム(東レルミラー、厚さ188μm)上に塗工した。得られた塗工フィルムを、ホットプレートを用いて120℃で12時間乾燥し、非架橋電解質膜を得た。6N塩酸、さらに純水で洗浄した後、PETフィルムより電解質膜を剥離し、膜厚、不溶分、膨潤度、およびIECを測定した。結果を表1に示した。
(Comparative Example 4)
A dimethylsulfoxide solution (solid content concentration: 14.6% by weight) of polymer electrolyte A4 obtained in the same manner as in Example 5 was attached on a glass plate using an applicator with a clearance set to 10 mil. Coating was carried out on a PET film (East Reel Mirror, thickness 188 μm). The obtained coated film was dried at 120 ° C. for 12 hours using a hot plate to obtain a non-crosslinked electrolyte membrane. After washing with 6N hydrochloric acid and pure water, the electrolyte membrane was peeled from the PET film, and the film thickness, insoluble matter, swelling degree, and IEC were measured. The results are shown in Table 1.

(実施例6)
<高分子電解質A5の作製>
還流管とDeanStark管を取り付けた1Lの4つ口フラスコに、製造例2で得られたスルホン酸基含有モノマー(親水性セグメントの前駆体、15.68g、63mmol)、製造例5で得られたオリゴマー(疎水性セグメントの前駆体、8g、1.39mmol)、2,2’−ビピリジル(23.84g、153mmol)、ジメチルスルホキシド(350mL)、およびトルエン(90mL)を加えた。窒素雰囲気下、混合物を170℃に3時間加熱して、共沸脱水した。170℃でトルエンを留去した後、80℃まで冷却し、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(20g、72.8mmol)を添加し、そのままの温度で2時間攪拌した。反応液を1Lのメタノールに注いで再沈殿させた後、固形分を6N塩酸(1L)で2回洗浄し、さらに純水で、洗浄液のpHが7になるまで繰り返し洗浄した。固形分を減圧下、105℃で一晩乾燥し、下式の高分子電解質A5(13.75g)を得た。GPCによる分子量は、Mn=45,000、Mw=122,000であった。当該高分子電解質A5を、粉砕機を用いて微粉とした後、塩化メチレンおよびメタノールで洗浄し、ジメチルスルホキシドに溶解して、固形分濃度が15重量%の高分子電解質A5の溶液を得た。
(Example 6)
<Preparation of polymer electrolyte A5>
In a 1 L four-necked flask equipped with a reflux tube and a DeanStark tube, the sulfonic acid group-containing monomer obtained in Production Example 2 (hydrophilic segment precursor, 15.68 g, 63 mmol), obtained in Production Example 5 Oligomer (precursor of hydrophobic segment, 8 g, 1.39 mmol), 2,2′-bipyridyl (23.84 g, 153 mmol), dimethyl sulfoxide (350 mL), and toluene (90 mL) were added. Under a nitrogen atmosphere, the mixture was heated to 170 ° C. for 3 hours for azeotropic dehydration. After toluene was distilled off at 170 ° C., the mixture was cooled to 80 ° C., bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (20 g, 72.8 mmol) was added, and the mixture was stirred at the same temperature for 2 hours. The reaction solution was poured into 1 L of methanol and reprecipitated, and the solid content was washed twice with 6N hydrochloric acid (1 L), and further washed with pure water until the pH of the washing solution became 7. The solid content was dried overnight at 105 ° C. under reduced pressure to obtain a polymer electrolyte A5 (13.75 g) of the following formula. The molecular weight by GPC was Mn = 45,000 and Mw = 12,000. The polymer electrolyte A5 was made into a fine powder using a pulverizer, washed with methylene chloride and methanol, and dissolved in dimethyl sulfoxide to obtain a polymer electrolyte A5 solution having a solid content concentration of 15% by weight.

Figure 2018073810
Figure 2018073810

<架橋工程>
上記高分子電解質A5のジメチルスルホキシド溶液(固形分濃度15重量%)を、クリアランスを10milに設定したアプリケーターを用いて、ガラス板上に貼り付けたPETフィルム(東レルミラー、厚さ188μm)上に塗工した。得られた塗工フィルムを、ホットプレートを用いて120℃で12時間乾燥した。その後、さらに、減圧乾燥機中で、真空(0mmHg)に減圧し、160℃で12時間加熱することにより、高分子電解質A5を架橋した高分子電解質膜を得た。6Nの塩酸、さらに純水で洗浄した後、PETフィルムより電解質膜を剥離し、膜厚、不溶分、膨潤度、およびIECを測定した。結果を表1に示した。
<Crosslinking process>
The dimethyl sulfoxide solution of the above polyelectrolyte A5 (solid content concentration 15% by weight) is coated on a PET film (East Lerre Miller, thickness 188 μm) pasted on a glass plate using an applicator with a clearance set to 10 mil. Worked. The obtained coated film was dried at 120 ° C. for 12 hours using a hot plate. Thereafter, the pressure was reduced to a vacuum (0 mmHg) in a vacuum drier and heated at 160 ° C. for 12 hours to obtain a polymer electrolyte membrane in which the polymer electrolyte A5 was crosslinked. After washing with 6N hydrochloric acid and pure water, the electrolyte membrane was peeled from the PET film, and the film thickness, insoluble matter, swelling degree, and IEC were measured. The results are shown in Table 1.

(比較例5)
実施例6と同様にして得られた高分子電解質A5のジメチルスルホキシド溶液(固形分濃度15重量%)を、クリアランスを15milに設定したアプリケーターを用いて、ガラス板上に貼り付けたPETフィルム(東レルミラー、厚さ188μm)上に塗工した。得られた塗工フィルムを、ホットプレートを用いて120℃で12時間乾燥し、非架橋電解質膜を得た。6N塩酸、さらに純水で洗浄した後、PETフィルムより電解質膜を剥離し、不溶分、膨潤度、およびIECを測定した。結果を表1に示した。
(Comparative Example 5)
A PET film (East) obtained by applying a dimethyl sulfoxide solution (solid concentration 15% by weight) of polymer electrolyte A5 obtained in the same manner as in Example 6 on a glass plate using an applicator with a clearance set to 15 mil. It was coated on a rel mirror, thickness 188 μm). The obtained coated film was dried at 120 ° C. for 12 hours using a hot plate to obtain a non-crosslinked electrolyte membrane. After washing with 6N hydrochloric acid and pure water, the electrolyte membrane was peeled off from the PET film, and insoluble matter, swelling degree, and IEC were measured. The results are shown in Table 1.

Figure 2018073810
Figure 2018073810

Figure 2018073810
Figure 2018073810

上記表1の結果からわかるように、実施例の架橋した高分子電解質で構成された高分子電解質膜は、対応する非架橋電解質膜に比較して、耐膨潤性が改良されていた。また、実施例と対応する比較例を対比すると、架橋によるイオン交換当量の低下がわずかであることから、スルホン酸基がほとんど架橋に関与していないことがわかる。また、上記表2及び図1〜3の結果から分かるように、架橋した高分子電解質で構成された実施例の高分子電解質膜は、高いプロトン伝導度を有していた。   As can be seen from the results in Table 1 above, the polymer electrolyte membranes composed of the crosslinked polymer electrolytes of the examples had improved swelling resistance compared to the corresponding non-crosslinked electrolyte membranes. Moreover, when the comparative example corresponding to an Example is contrasted, since the fall of the ion exchange equivalent by bridge | crosslinking is slight, it turns out that a sulfonic acid group hardly participates in bridge | crosslinking. Moreover, as can be seen from the results in Table 2 and FIGS. 1 to 3, the polymer electrolyte membrane of the example constituted by the crosslinked polymer electrolyte had high proton conductivity.

Claims (14)

主鎖に複数の芳香環を有する共重合体を含む高分子電解質膜であって、
前記共重合体は、スルホン酸基を有する親水性セグメントと、スルホン酸基を実質的に有さない疎水性セグメントで構成されており、
前記親水性セグメントにおいて、前記スルホン酸基は芳香環に直接結合しており、
前記親水性セグメントと前記疎水性セグメントは、前記親水性セグメントを構成する芳香環と前記疎水性セグメントを構成する芳香環の炭素−炭素結合で連結されており、かつ、前記共重合体がスルホン酸基以外の部分で架橋されていることを特徴とする高分子電解質膜。
A polymer electrolyte membrane comprising a copolymer having a plurality of aromatic rings in the main chain,
The copolymer is composed of a hydrophilic segment having a sulfonic acid group and a hydrophobic segment substantially having no sulfonic acid group,
In the hydrophilic segment, the sulfonic acid group is directly bonded to the aromatic ring,
The hydrophilic segment and the hydrophobic segment are connected by an aromatic ring constituting the hydrophilic segment and a carbon-carbon bond of the aromatic ring constituting the hydrophobic segment, and the copolymer is a sulfonic acid A polymer electrolyte membrane characterized by being crosslinked at a portion other than a group.
前記親水性セグメントが、下記一般式群(1)で表される少なくとも一つの構造を繰り返し単位として有する請求項1に記載の高分子電解質膜。
Figure 2018073810
(式中、uは1〜4の整数、k、lは0〜4の整数を表し、k+lは1以上の整数である。pは0〜10の整数、qは0〜10の整数、rは1〜4の整数を表す。Xは、−CO−、−SO2−、−C(CF32−からなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を表し、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2t−(tは1〜10の整数)、−C(CF32−からなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を表し、Zは直接結合又は、−(CH2o−(oは1〜10の整数)、−C(CH32−、−O−、−S−からなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を表す。Ar1は、−SO3H又は−O(CH2sSO3H(sは1〜12の整数)で表される置換基を有する芳香族基を表す。)
The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the hydrophilic segment has at least one structure represented by the following general formula group (1) as a repeating unit.
Figure 2018073810
(In the formula, u represents an integer of 1 to 4, k and l represent an integer of 0 to 4, k + 1 represents an integer of 1 or more, p represents an integer of 0 to 10, q represents an integer of 0 to 10, r Represents an integer of 1 to 4. X represents at least one structure selected from the group consisting of —CO—, —SO 2 —, and —C (CF 3 ) 2 —, and Y represents —CO—, At least one selected from the group consisting of —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) t — (t is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —. Z represents a direct structure or selected from the group consisting of — (CH 2 ) o — (o is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O—, and —S—. Ar 1 represents an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H or —O (CH 2 ) s SO 3 H (s is an integer of 1 to 12). .)
前記疎水性セグメントが、架橋性官能基で架橋されている請求項1または2に記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the hydrophobic segment is crosslinked with a crosslinkable functional group. 前記架橋性官能基が、アルコール性水酸基、フェノール性水酸基、アミノ基、カルボキシル基、アルケニル基、アクリロイル基、メタクリロイル基、エポキシ基、フェニル基及び加水分解性シリル基からなる群から選ばれる少なくとも一種である請求項3に記載の高分子電解質膜。   The crosslinkable functional group is at least one selected from the group consisting of alcoholic hydroxyl groups, phenolic hydroxyl groups, amino groups, carboxyl groups, alkenyl groups, acryloyl groups, methacryloyl groups, epoxy groups, phenyl groups and hydrolyzable silyl groups. The polymer electrolyte membrane according to claim 3. 前記疎水性セグメントが、下記一般式群(10)で表される少なくとも一つ以上の構造を繰り返し単位として有する請求項3または4に記載の高分子電解質膜。
Figure 2018073810
(式中、mは1〜50の整数、nは1〜50の整数である。)
The polymer electrolyte membrane according to claim 3 or 4, wherein the hydrophobic segment has at least one structure represented by the following general formula group (10) as a repeating unit.
Figure 2018073810
(In the formula, m is an integer of 1 to 50, and n is an integer of 1 to 50.)
前記共重合体1分子あたりにおいて、前記疎水性セグメントにおける架橋性官能基は1個より多い請求項3〜5のいずれか1項に記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 3 to 5, wherein the number of crosslinkable functional groups in the hydrophobic segment is more than one per molecule of the copolymer. 前記疎水性セグメントが、下記一般式群(4)で表される少なくとも一つの構造を繰り返し単位として有する請求項1または2に記載の高分子電解質膜。
Figure 2018073810
(式中、Arは2価の芳香族基を表し、nは1〜50の整数を表す。a,b,cは0〜50の整数を表し、但し、2≦a+b+c≦50を満足する。)
The polymer electrolyte membrane according to claim 1 or 2, wherein the hydrophobic segment has at least one structure represented by the following general formula group (4) as a repeating unit.
Figure 2018073810
(In the formula, Ar represents a divalent aromatic group, n represents an integer of 1 to 50, a, b, and c represent an integer of 0 to 50, provided that 2 ≦ a + b + c ≦ 50 is satisfied. )
請求項1〜6のいずれか1項に記載の高分子電解質膜の製造方法であって、
芳香環に直接結合したスルホン酸基を有する親水性セグメントの前駆体と、スルホン酸基を実質的に有さない疎水性セグメントの前駆体を、親水性セグメントの前駆体の芳香環と、疎水性セグメントの前駆体の芳香環が炭素−炭素結合するように炭素−炭素結合生成反応させて、親水性セグメントと疎水性セグメントで構成され、主鎖に複数の芳香環を有する共重合体を得た後、
架橋剤および/または架橋触媒で前記共重合体中の前記疎水性セグメントを架橋することを特徴とする高分子電解質膜の製造方法。
A method for producing a polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6,
A hydrophilic segment precursor having a sulfonic acid group directly bonded to an aromatic ring, a hydrophobic segment precursor having substantially no sulfonic acid group, an aromatic ring of a hydrophilic segment precursor, and a hydrophobic A carbon-carbon bond formation reaction was performed so that the aromatic ring of the segment precursor was carbon-carbon bonded to obtain a copolymer composed of a hydrophilic segment and a hydrophobic segment and having a plurality of aromatic rings in the main chain. rear,
A method for producing a polymer electrolyte membrane, wherein the hydrophobic segment in the copolymer is crosslinked with a crosslinking agent and / or a crosslinking catalyst.
前記疎水性セグメントの前駆体及び前記親水性セグメントの前駆体は、いずれも、ハロゲンを反応部位として有する請求項8に記載の高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 8, wherein both the precursor of the hydrophobic segment and the precursor of the hydrophilic segment have halogen as a reactive site. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の高分子電解質膜の製造方法であって、
芳香環に直接結合したスルホン酸基を有する親水性セグメントの前駆体と、スルホン酸基を実質的に有さない疎水性セグメントの前駆体を、親水性セグメントの前駆体の芳香環と、疎水性セグメントの前駆体の芳香環が炭素−炭素結合するように炭素−炭素結合生成反応させて、親水性セグメントと疎水性セグメントで構成され、主鎖に複数の芳香環を有する共重合体を得た後、
前記共重合体を加熱することで、前記共重合体中のスルホン酸基以外の部分を架橋することを特徴とする高分子電解質膜の製造方法。
A method for producing a polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 7,
A hydrophilic segment precursor having a sulfonic acid group directly bonded to an aromatic ring, a hydrophobic segment precursor having substantially no sulfonic acid group, an aromatic ring of a hydrophilic segment precursor, and a hydrophobic A carbon-carbon bond formation reaction was performed so that the aromatic ring of the segment precursor was carbon-carbon bonded to obtain a copolymer composed of a hydrophilic segment and a hydrophobic segment and having a plurality of aromatic rings in the main chain. rear,
A method for producing a polymer electrolyte membrane, wherein the copolymer is heated to crosslink a portion other than the sulfonic acid group in the copolymer.
前記疎水性セグメントの前駆体及び前記親水性セグメントの前駆体は、いずれも、ハロゲンを反応部位として有する請求項10に記載の高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 10, wherein both the precursor of the hydrophobic segment and the precursor of the hydrophilic segment have halogen as a reactive site. 加熱架橋を80℃以上200℃以下の温度で、減圧状態で行う請求項10又は11に記載の高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 10 or 11, wherein the heat crosslinking is performed at a temperature of 80 ° C or higher and 200 ° C or lower in a reduced pressure state. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の高分子電解質膜を含む膜/電極接合体。   A membrane / electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 7. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の高分子電解質膜を含む燃料電池。   A fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 1.
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