JP2019182954A - Polyelectrolyte, method for producing the same, polyelectrolyte film including the same, catalyst layer, film/electrode binding body, and fuel cell - Google Patents

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Abstract

To provide a polyelectrolyte having high proton conductivity and high oxidation degradation resistance, and having excellent productivity and film moldability, a method for producing the same, a film, a catalyst layer, a film/electrode binding body and a fuel cell.SOLUTION: A polyelectrolyte has hydrophobic segments represented by formula (1)/formula (1) and formula (2), and hydrophilic segments comprising an aromatic ring having a sulfonic acid group, which are directly carbon-carbon bonded (y is 1-1500, z is 0-1500, y:z is 100: 0-10:90. R-Rare preferably H).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、その製造方法、それを用いた高分子電解質膜、燃料電池用触媒層、燃料電池用膜/電極接合体、及び燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte suitable for a solid polymer fuel cell, a production method thereof, a polymer electrolyte membrane using the same, a fuel cell catalyst layer, a fuel cell membrane / electrode assembly, and a fuel cell It is.

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 is also being studied.

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問題がある。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 styrene-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 problem 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、架橋の導入など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 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, compounding with other materials, introduction of crosslinking, etc. This is because there is a feature that is relatively easy.

近年、そのような炭化水素系高分子電解質膜として、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からなる共重合体が、多数報告されている。このような高分子電解質からなる膜は、親水性セグメントと、疎水性セグメントが相分離し、親水性セグメントが高濃度に凝集した部分は、プロトンの伝導パスを形成し、疎水性セグメントが高濃度に凝集した部分で、膜の機械的強度を担保する役割を担っている。   In recent years, as such a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane, many copolymers having a hydrophilic segment having a sulfonic acid group and a hydrophobic segment having substantially no sulfonic acid group have been reported. In such a polymer electrolyte membrane, the hydrophilic segment and the hydrophobic segment are phase-separated, and the portion where the hydrophilic segment is aggregated at a high concentration forms a proton conduction path, and the hydrophobic segment has a high concentration. It is a part that aggregates in the film and plays a role of ensuring the mechanical strength of the film.

このような高分子電解質の製造法としては、水酸基やスルフィド基等の求核性官能基を有するユニットと、ハロゲン等の脱離性置換基を有するユニットを予め用意し、それらの求核置換反応を利用する方法が挙げられる(特許文献1、2)。この製造方法は簡便であるが、樹脂骨格にエーテル結合や、チオエーテル結合が生成するため、燃料電池用電解質膜として利用した場合、酸化劣化しやすい(非特許文献1)という問題があった。   As a method for producing such a polymer electrolyte, a unit having a nucleophilic functional group such as a hydroxyl group or a sulfide group and a unit having a leaving substituent such as a halogen are prepared in advance, and the nucleophilic substitution reaction thereof is performed. (Patent Documents 1 and 2). Although this manufacturing method is simple, since an ether bond or a thioether bond is generated in the resin skeleton, there is a problem that it is easily oxidized and deteriorated when used as an electrolyte membrane for a fuel cell (Non-patent Document 1).

この課題を解決するため、親水性セグメントと疎水性セグメントを炭素−炭素直接結合で連結し、スルホン酸基の近傍からエーテル結合やチオエーテル結合を排除するという試みがなされている(特許文献3,4,5)。しかし、この方法により得られる高分子電解質には、依然として、疎水性セグメントにポリエーテルスルホンや、ポリエーテルケトン等のユニットを有する骨格が用いられており、燃料電池運転条件下における電解質膜の耐酸化性は改善されるものの、耐酸化性の一般的な試験法である過酸化水素と2価の鉄イオンを用いたFenton試験を行うと、大幅な重量減少や機械物性の低下が認められ、まだ十分と言える水準には達していなかった。   In order to solve this problem, attempts have been made to connect a hydrophilic segment and a hydrophobic segment with a carbon-carbon direct bond to eliminate an ether bond or a thioether bond from the vicinity of the sulfonic acid group (Patent Documents 3 and 4). , 5). However, the polymer electrolyte obtained by this method still uses a skeleton having units such as polyethersulfone and polyetherketone in the hydrophobic segment, and the oxidation resistance of the electrolyte membrane under fuel cell operating conditions is still used. Although the performance is improved, when the Fenton test using hydrogen peroxide and divalent iron ions, which is a general test method for oxidation resistance, significant weight reduction and mechanical property deterioration are observed. It was not enough to say that it was sufficient.

親水性セグメントと疎水性セグメントの主鎖構造からエーテル結合やチオエーテル結合等のヘテロ結合を完全に排除し、炭素−炭素直接結合で連結したポリフェニレン型の高分子電解質も検討されている。例えば、特許文献6には、親水性モノマーと疎水性モノマーを炭素−炭素直接結合でランダムに連結したポリフェニレン型の高分子電解質が記載されている。しかし、この発明においては、プロトン伝導性やガス透過性、耐熱性を付与するためのミクロ相分離構造を精密に制御することを目的としており、そのために、親水性モノマーのスルホン酸基は電子供与性基を含む連結基で芳香環に接続されており、その製造プロセスは煩雑である。   Polyphenylene-type polymer electrolytes in which hetero bonds such as ether bonds and thioether bonds are completely excluded from the main chain structure of the hydrophilic segment and the hydrophobic segment and are connected by a direct carbon-carbon bond are also being studied. For example, Patent Document 6 describes a polyphenylene type polymer electrolyte in which a hydrophilic monomer and a hydrophobic monomer are randomly connected by a carbon-carbon direct bond. However, in the present invention, the objective is to precisely control the microphase separation structure for imparting proton conductivity, gas permeability, and heat resistance. It is connected to the aromatic ring with a linking group containing a sex group, and its production process is complicated.

本発明者は、このような状況に鑑み、スルホン酸基が導入され、主鎖が芳香環からなる親水性セグメントと、スルホン酸基を有さず、主鎖が芳香環からなる疎水性セグメントが芳香環の炭素−炭素直接結合で連結され、さらに、疎水性セグメントの芳香環も炭素−炭素直接結合で連結された高分子電解質を提案した(特許文献7)。   In view of such circumstances, the present inventor has a hydrophilic segment in which a sulfonic acid group is introduced and the main chain is an aromatic ring, and a hydrophobic segment that has no sulfonic acid group and the main chain is an aromatic ring. There has been proposed a polymer electrolyte in which aromatic ring carbon-carbon direct bonds are connected, and further, hydrophobic segment aromatic rings are also connected by carbon-carbon direct bonds (Patent Document 7).

特開平10−21943号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-21944 特開2005−126684号公報JP 2005-126684 A 特開2007−177197号公報JP 2007-177197 A 特開2008−88420号公報JP 2008-88420 A 特開2012−229418号公報JP2012-229418A 特開2013−191375号公報JP2013-191375A 特開2017−179345号公報JP 2017-179345 A

「Polymer」、2009年3月、第50巻、第7号、p.1671−1681“Polymer”, March 2009, Vol. 50, No. 7, p. 1671-1681

特許文献7に記載の高分子電解質は、疎水性セグメントとして、パラフェニレン単位、メタフェニレン単位及びオルトフェニレン単位からなる2種以上のフェニレン単位からなる芳香環が炭素−炭素結合で連結されたセグメントを用い、疎水性セグメントと親水性セグメントも炭素−炭素結合で連結され、芳香族の主鎖骨格にヘテロ結合を含まないため、非常に高い化学的耐久性を示す。しかしながら、特許文献7には、疎水性セグメントを構成するパラフェニレン単位、メタフェニレン単位、オルトフェニレン単位の比率については具体的な記載はなく、高分子電解質膜としての最適な構造については明らかでなかった。また、実施例で具体的に例示されている高分子電解質は、非常に高い化学的耐久性を発現するとともに、溶媒への溶解性が良好で、柔軟な膜が得られるものの、疎水性セグメントの製造が煩雑なため、主鎖が芳香環の炭素−炭素結合のみで結合された高分子電解質のより簡便な製造法が望まれていた。   The polymer electrolyte described in Patent Document 7 includes a segment in which aromatic rings composed of two or more phenylene units composed of a paraphenylene unit, a metaphenylene unit, and an orthophenylene unit are connected by a carbon-carbon bond as a hydrophobic segment. Used, the hydrophobic segment and the hydrophilic segment are also connected by a carbon-carbon bond, and the aromatic main chain skeleton does not include a hetero bond, so that the chemical durability is extremely high. However, Patent Document 7 does not specifically describe the ratio of the paraphenylene unit, the metaphenylene unit, and the orthophenylene unit constituting the hydrophobic segment, and it is not clear about the optimum structure as the polymer electrolyte membrane. It was. In addition, the polymer electrolyte specifically exemplified in the examples exhibits very high chemical durability and good solubility in a solvent, and a flexible membrane can be obtained. Since the production is complicated, a simpler production method of a polymer electrolyte in which the main chain is bonded only by an aromatic carbon-carbon bond has been desired.

本発明は、高いプロトン伝導度を発現し、燃料電池の運転条件下においても酸化劣化に対する耐性が高い高分子電解質膜として使用でき、製造が容易で、かつ、溶媒への溶解性が良好で製膜等の成形性に優れた高分子電解質、その製造方法、それを用いた高分子電解質膜、燃料電池用触媒層、燃料電池用膜/電極接合体、及び燃料電池を提供する。   The present invention can be used as a polymer electrolyte membrane that exhibits high proton conductivity, has high resistance to oxidative degradation even under the operating conditions of a fuel cell, is easy to manufacture, and has good solubility in a solvent. Provided are a polymer electrolyte excellent in moldability such as a membrane, a production method thereof, a polymer electrolyte membrane using the same, a fuel cell catalyst layer, a fuel cell membrane / electrode assembly, and a fuel cell.

本発明は、疎水性セグメント、及び、スルホン酸基を有し、主鎖が主に芳香環からなる親水性セグメントで構成されている高分子電解質であって、前記疎水性セグメントは、下記一般式(1)で表されるセグメント、または、ランダムに配置された下記一般式(1)で表されるセグメント及び下記一般式(2)で表されるセグメントからなり、それぞれのセグメントがすべて芳香環の炭素−炭素直接結合で連結されていることを特徴とする高分子電解質に関する。

Figure 2019182954
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(前記一般式(1)及び(2)中、yは1〜1500の整数、zは0〜1500の整数を表し、y:zは100:0〜10:90の範囲にある。R1〜R8は、それぞれ独立に、水素、フッ素、アルキル基、パーフルオロアルキル基、アリール基、アラルキル基、またはシアノ基を表す。) The present invention is a polyelectrolyte comprising a hydrophobic segment and a hydrophilic segment having a sulfonic acid group and a main chain mainly composed of an aromatic ring, wherein the hydrophobic segment has the following general formula It consists of a segment represented by (1), a segment represented by the following general formula (1) and a segment represented by the following general formula (2) arranged randomly, each of which is an aromatic ring The present invention relates to a polymer electrolyte characterized by being connected by a carbon-carbon direct bond.
Figure 2019182954
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(In the general formulas (1) and (2), y represents an integer of 1 to 1500, z represents an integer of 0 to 1500, and y: z is in the range of 100: 0 to 10:90. R 1 to R 8 each independently represents hydrogen, fluorine, an alkyl group, a perfluoroalkyl group, an aryl group, an aralkyl group, or a cyano group.)

また、本発明は、前記の高分子電解質の製造方法であって、下記一般式(5)で表される化合物、下記一般式(6)で表される化合物、及び下記式群(7)で表される化合物群から選択される1以上の化合物を、遷移金属化合物の存在下に共重合することを特徴とする高分子電解質の製造方法に関する。

Figure 2019182954
Figure 2019182954
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(前記一般式(5)、一般式(6)及び式群(7)中、Halは、塩素、臭素、またはヨウ素、R1〜R8は、それぞれ独立に、水素、フッ素、アルキル基、パーフルオロアルキル基、アリール基、アラルキル基、またはシアノ基を表す。mは1〜4の整数、k及びlはそれぞれ0〜4の整数を表し、かつ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−、及び−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、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−、及び−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。Mは水素、アルカリ金属、炭素数1〜12のアルキル基、炭素数5〜12のシクロアルキル基、炭素数6〜18のアリール基、または炭素数7〜20のアラルキル基を表す。) Moreover, this invention is a manufacturing method of said polymer electrolyte, Comprising: The compound represented by following General formula (5), the compound represented by following General formula (6), and following formula group (7) The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte, wherein one or more compounds selected from the group of compounds represented are copolymerized in the presence of a transition metal compound.
Figure 2019182954
Figure 2019182954
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(In the general formula (5), the general formula (6) and the formula group (7), Hal is chlorine, bromine or iodine, and R 1 to R 8 are each independently hydrogen, fluorine, alkyl group, A fluoroalkyl group, an aryl group, an aralkyl group, or a cyano group, m is an integer of 1 to 4, k and l are each an integer of 0 to 4, and k + 1 is an integer of 1 or more, and p is 0. Is an integer of 0 to 10, q is an integer of 0 to 10, and r is an integer of 1 to 4. X is selected from the group consisting of —CO—, —SO 2 —, and —C (CF 3 ) 2 —. represents at least one structure, Y is, -CO -, - SO 2 - , - SO -, - CONH -, - COO -, - (CF 2) t - (t is an integer of from 1 to 10), -C (CF 3) 2 - represents at least one structure selected from the group consisting of, Z is a direct bond or, - (CH 2 o - (o is an integer of from 1 to 10), - C (CH 3) 2 -, - O-, and .Ar 1 representing at least one structure selected from the group consisting of -S- are, -SO 3 H or an aromatic group having a substituent represented by —O (CH 2 ) s SO 3 H (s is an integer of 1 to 12), M is hydrogen, alkali metal, alkyl having 1 to 12 carbons. Group, a C5-C12 cycloalkyl group, a C6-C18 aryl group, or a C7-C20 aralkyl group.)

また本発明は、本発明の高分子電解質を用いた燃料電池用高分子電解質膜に関する。   The present invention also relates to a polymer electrolyte membrane for fuel cells using the polymer electrolyte of the present invention.

また本発明は、本発明の高分子電解質を用いた燃料電池用触媒層に関する。   The present invention also relates to a fuel cell catalyst layer using the polymer electrolyte of the present invention.

また本発明は、本発明の高分子電解質を用いた燃料電池用膜/電極接合体に関する。   The present invention also relates to a membrane / electrode assembly for a fuel cell using the polymer electrolyte of the present invention.

また本発明は、本発明の高分子電解質を用いた燃料電池に関する。   The present invention also relates to a fuel cell using the polymer electrolyte of the present invention.

本発明の高分子電解質は、高いプロトン伝導度を発現し、燃料電池の運転条件下においても酸化劣化に対する耐性が高い高分子電解質膜として使用でき、入手容易な原料から簡便な反応を用いて製造することができ、溶剤への高い溶解性を有するため、製膜等の成形が容易である。   The polymer electrolyte of the present invention can be used as a polymer electrolyte membrane that exhibits high proton conductivity and is highly resistant to oxidative degradation even under fuel cell operating conditions, and is manufactured from readily available raw materials using simple reactions. Since it has a high solubility in a solvent, it can be easily formed into a film.

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、下記一般式(1)で表される疎水性セグメント(以下において、メタフェニレンセグメントとも記す。)、下記一般式(2)で表される疎水性セグメント(以下において、パラフェニレンセグメントとも記す。)、及び、スルホン酸基を有し、主鎖が主に芳香環からなる親水性セグメントからなる高分子電解質であって、それぞれのセグメントがすべて芳香環の炭素−炭素直接結合で連結されており、メタフェニレンセグメントとパラフェニレンセグメントの比率が一定の範囲にあり、かつ、その配列がランダムである高分子電解質が、溶媒に対する良好な溶解性を示し、高い製膜性を有すること、得られた高分子電解質膜が高プロトン伝導度、及びすぐれた化学的耐久性を有することを見出し、本発明を完成させた。本発明の高分子電解質は、入手容易な原料を用いて簡便に製造することができる。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present invention have a hydrophobic segment represented by the following general formula (1) (hereinafter also referred to as metaphenylene segment), and the following general formula (2). A polymer segment comprising a hydrophobic segment (hereinafter also referred to as a paraphenylene segment) and a hydrophilic segment having a sulfonic acid group and a main chain mainly composed of an aromatic ring, All of these segments are linked by a carbon-carbon direct bond of an aromatic ring, the ratio of the metaphenylene segment to the paraphenylene segment is in a certain range, and the polyelectrolyte in which the arrangement is random is good for the solvent. It exhibits excellent solubility, high film-forming properties, and the obtained polymer electrolyte membrane has high proton conductivity and excellent chemical durability. Found that, it has led to the completion of the present invention. The polymer electrolyte of the present invention can be easily produced using readily available raw materials.

Figure 2019182954
Figure 2019182954
Figure 2019182954
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前記一般式(1)及び(2)中、yは1〜1500の整数、zは0〜1500の整数を表し、y:zは100:0〜10:90の範囲にある。R1〜R8は、それぞれ独立に、水素、フッ素、アルキル基、パーフルオロアルキル基、アリール基、アラルキル基、またはシアノ基を表す。 In the general formulas (1) and (2), y represents an integer of 1 to 1500, z represents an integer of 0 to 1500, and y: z is in the range of 100: 0 to 10:90. R 1 to R 8 each independently represents hydrogen, fluorine, an alkyl group, a perfluoroalkyl group, an aryl group, an aralkyl group, or a cyano group.

本発明の1以上の好ましい態様としては、前記一般式(1)及び(2)中、y:zが100:0〜50:50である高分子電解質である。本発明のさらに1以上の好ましい態様としては、前記一般式(1)及び(2)中、y:zが80:20〜50:50である高分子電解質である。   One or more preferred embodiments of the present invention are polymer electrolytes in which y: z is 100: 0 to 50:50 in the general formulas (1) and (2). One or more preferred embodiments of the present invention are polymer electrolytes in which y: z is 80:20 to 50:50 in the general formulas (1) and (2).

本発明のさらに1以上の好ましい態様としては、スルホン酸基を有し、主鎖が主に芳香環からなる親水性セグメントが下記式群(3)に表される構造群から選択される1以上の構造を有する高分子電解質である。   In one or more preferred embodiments of the present invention, the hydrophilic segment having a sulfonic acid group and the main chain mainly consisting of an aromatic ring is selected from the structural group represented by the following formula group (3). This is a polymer electrolyte having the structure:

Figure 2019182954
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前記式群(3)中、mは1〜4の整数、k及びlはそれぞれ0〜4の整数を表し、かつ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−、及び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、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2t−(tは1〜10の整数)、及び−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−、及び−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。 In the formula group (3), m represents an integer of 1 to 4, k and l each represents an integer of 0 to 4, and 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, and 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 from 1 to 10), and -C (CF 3) 2 - represents at least one structure selected from the group consisting of, Z is a direct bond or at least one selected from the group consisting of — (CH 2 ) o — (o is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O—, and —S—. Represents the structure of 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).

本発明の1以上のさらに好ましい態様としては、下記一般式(4)で表される構造を有する高分子電解質である。   One or more more preferable embodiments of the present invention are polymer electrolytes having a structure represented by the following general formula (4).

Figure 2019182954
Figure 2019182954

前記一般式(4)中、xは1〜2000の整数、yは1〜1500の整数、及びzは0〜1500の整数を表し、y:zは100:0〜10:90の範囲にある。   In the general formula (4), x represents an integer of 1 to 2000, y represents an integer of 1 to 1500, and z represents an integer of 0 to 1500, and y: z is in the range of 100: 0 to 10:90. .

本発明の1以上の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。   Reference will now be made in detail to one or more embodiments of the invention. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.

本発明は、1以上の実施形態において、下記一般式(1)で表される疎水性セグメント(メタフェニレンセグメント)及びスルホン酸基を有し、主鎖が主に芳香環からなる親水性セグメントからなり、それぞれのセグメントがすべて芳香環の炭素−炭素直接結合で連結されている高分子電解質に関する。あるいは、本発明は、1以上の実施形態において、下記一般式(1)で表される疎水性セグメント(メタフェニレンセグメント)、下記一般式(2)で表される疎水性セグメント(パラフェニレンセグメント)、及び、スルホン酸基を有し、主鎖が主に芳香環からなる親水性セグメントからなり、それぞれのセグメントがすべて芳香環の炭素−炭素直接結合で連結されており、メタフェニレンセグメントとパラフェニレンセグメントの比率が一定の範囲にあり、かつ、メタフェニレンセグメントとパラフェニレンセグメントの配列がランダムである高分子電解質に関する。   In one or more embodiments, the present invention includes a hydrophilic segment having a hydrophobic segment (metaphenylene segment) represented by the following general formula (1) and a sulfonic acid group, and a main chain mainly composed of an aromatic ring. And each of the segments relates to a polyelectrolyte in which all segments are connected by a carbon-carbon direct bond of an aromatic ring. Alternatively, in one or more embodiments of the present invention, a hydrophobic segment (metaphenylene segment) represented by the following general formula (1), a hydrophobic segment (paraphenylene segment) represented by the following general formula (2) And a hydrophilic segment having a sulfonic acid group, the main chain mainly consisting of an aromatic ring, each segment being all connected by a carbon-carbon direct bond of an aromatic ring, and a metaphenylene segment and a paraphenylene The present invention relates to a polymer electrolyte in which the ratio of segments is in a certain range and the arrangement of metaphenylene segments and paraphenylene segments is random.

Figure 2019182954
Figure 2019182954
前記一般式(1)及び(2)中、yは1〜1500の整数、zは0〜1500の整数を表し、y:zは100:0〜10:90の範囲にある。R1〜R8は、それぞれ独立に、水素、フッ素、アルキル基、パーフルオロアルキル基、アリール基、アラルキル基、またはシアノ基を表す。
Figure 2019182954
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In the general formulas (1) and (2), y represents an integer of 1 to 1500, z represents an integer of 0 to 1500, and y: z is in the range of 100: 0 to 10:90. R 1 to R 8 each independently represents hydrogen, fluorine, an alkyl group, a perfluoroalkyl group, an aryl group, an aralkyl group, or a cyano group.

前記高分子電解質は、疎水性セグメントの主鎖を構成する芳香環が炭素−炭素直接結合で連結され、エーテル結合やチオエーテル結合などのヘテロ結合を含まず、また、疎水性セグメントと親水性セグメントも芳香環の炭素−炭素直接結合で連結されているため、燃料電池運転下の厳しい酸化条件に対し、高い耐久性を発現する。   In the polyelectrolyte, the aromatic ring constituting the main chain of the hydrophobic segment is linked by a carbon-carbon direct bond, does not include a hetero bond such as an ether bond or a thioether bond, and the hydrophobic segment and the hydrophilic segment are also included. Since it is connected by a carbon-carbon direct bond of an aromatic ring, it exhibits high durability against severe oxidation conditions under fuel cell operation.

前記一般式(1)及び(2)における芳香環上の置換基R1〜R8は、それぞれ独立に、水素、フッ素、アルキル基、パーフルオロアルキル基、アリール基、アラルキル基、またはシアノ基である。入手の容易性から、R1〜R8は、すべて水素であることが好ましい。 The substituents R 1 to R 8 on the aromatic ring in the general formulas (1) and (2) are each independently hydrogen, fluorine, an alkyl group, a perfluoroalkyl group, an aryl group, an aralkyl group, or a cyano group. is there. From the viewpoint of availability, it is preferable that R 1 to R 8 are all hydrogen.

前記一般式(1)におけるメタフェニレンの繰り返し単位数yは1〜1500の整数であり、好ましくは、5〜500の整数であり、さらに好ましくは6〜250の整数である。また、一般式(2)におけるパラフェニレンの繰り返し単位数zは0〜1500の整数であり、好ましくは、5〜500の整数であり、さらに好ましくは6〜250の整数である。yまたはzが1500を超えると、高分子電解質が溶解しにくく、成形が困難になる。   The number of repeating units y of metaphenylene in the general formula (1) is an integer of 1 to 1500, preferably an integer of 5 to 500, and more preferably an integer of 6 to 250. Moreover, the repeating unit number z of paraphenylene in General formula (2) is an integer of 0-1500, Preferably, it is an integer of 5-500, More preferably, it is an integer of 6-250. If y or z exceeds 1500, the polymer electrolyte is difficult to dissolve and molding becomes difficult.

また、メタフェニレンの繰り返し単位数yとパラフェニレンの繰り返し単位数zの比率が100:0〜10:90の範囲にある。この範囲であると、高分子電解質は良好な溶解性を示し、容易に製膜することができる。yとzの比がこの範囲にない場合、すなわち、y:z=10:90〜0:100の範囲にあり、ほとんどがパラフェニレン構造であると、生成する高分子電解質は溶媒に溶け難く、製膜することが困難になる。   The ratio of the number of repeating units y of metaphenylene and the number of repeating units z of paraphenylene is in the range of 100: 0 to 10:90. Within this range, the polymer electrolyte exhibits good solubility and can be easily formed into a film. When the ratio of y and z is not in this range, that is, in the range of y: z = 10: 90 to 0: 100, and most of them have a paraphenylene structure, the resulting polymer electrolyte is hardly soluble in the solvent, It becomes difficult to form a film.

メタフェニレンセグメントとパラフェニレンセグメントの比率(y:z)としては、溶媒への溶解性がより良好である点で、y:zは100:0〜50:50がより好ましい。また、溶解性が良好であるととともに、分子量の高い高分子電解質が得られるという点で、y:zは80:20〜50:50であることがさらに好ましい。   As a ratio (y: z) of a metaphenylene segment and a paraphenylene segment, y: z is more preferably 100: 0 to 50:50 in terms of better solubility in a solvent. Further, y: z is more preferably 80:20 to 50:50 in that the solubility is good and a polymer electrolyte having a high molecular weight is obtained.

メタフェニレンセグメントとパラフェニレンセグメントの配列はランダムである。ランダムとは、メタフェニレンとパラフェニレンのモノマーの配列に秩序がないことを意味する。   The arrangement of the metaphenylene segment and the paraphenylene segment is random. Random means that the arrangement of metaphenylene and paraphenylene monomers is not ordered.

本発明の高分子電解質を構成するスルホン酸基を有し、主鎖が主に芳香環からなる親水性セグメント(以下、スルホン酸基含有セグメントともいう。)は、スルホン酸基を有し主鎖が主に芳香環からなり、かつ、スルホン酸基が芳香環に直接結合しているものである。当該セグメントがスルホン酸基を有するので、高分子電解質のプロトン伝導性が発現し、主鎖が主に芳香環からなるので、耐熱性、化学的耐久性に優れるものになる。   The hydrophilic segment having a sulfonic acid group constituting the polymer electrolyte of the present invention and having a main chain mainly composed of an aromatic ring (hereinafter also referred to as a sulfonic acid group-containing segment) has a sulfonic acid group and a main chain. Is mainly composed of an aromatic ring, and a sulfonic acid group is directly bonded to the aromatic ring. Since the segment has a sulfonic acid group, the proton conductivity of the polymer electrolyte is expressed, and the main chain is mainly composed of an aromatic ring, so that the heat resistance and chemical durability are excellent.

本発明におけるスルホン酸基としては、例えば、スルホン酸基、スルホン酸基の塩、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。特にスルホン酸基含有セグメント前駆体の合成中や合成後は、塩やエステル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いが、当該高分子電解質が、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。   Examples of the sulfonic acid group in the present invention include a sulfonic acid group, a salt of a sulfonic acid group, and a sulfonic acid ester group. 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 and after the synthesis of the sulfonic acid group-containing segment precursor, it is often preferred that the polymer electrolyte is in a state having a protective group such as a salt or an ester. In many cases, it is converted into a sulfonic acid group by being immersed in an aqueous solution of an inorganic acid. Therefore, in 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、親水性スルホン酸基含有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。6個よりスルホン酸基の量が多くなると、当該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。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 sulfonic acid group-containing segment. When the amount of the sulfonic acid group is larger than 6, the water solubility of the segment increases, and the handling during synthesis tends to be difficult. If it is less than one, sufficient proton conductivity tends to be difficult to develop.

本発明におけるスルホン酸基含有セグメントは、主鎖が主に芳香環からなるものである。ここで「主に芳香環からなる」とは、スルホン酸基含有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。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。主鎖が主に芳香環からなると、化学的熱的な安定性が高い。このような主鎖構造としては、ポリエーテル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリケトン、ポリスルホン、ポリスルフィド、ポリフェニレン、ポリイミド、ポリベンズイミダゾール等が例示される。   The sulfonic acid group-containing segment in the present invention has a main chain mainly composed of an aromatic ring. Here, “consisting mainly 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 sulfonic acid group-containing segment is 100%. In this case, it means that 70% or more of them are composed of aromatic rings. Examples of aromatic rings include benzene, naphthalene, anthracene, biphenyl, aromatic heterocycles containing sulfur, nitrogen and the like. When the main chain is mainly composed of an aromatic ring, chemical and thermal stability is high. Examples of such a main chain structure include polyether, polyether ketone, polyether ether ketone, polyether sulfone, polyether ether sulfone, polyketone, polysulfone, polysulfide, polyphenylene, polyimide, polybenzimidazole, and the like.

前記スルホン酸基含有セグメントは、下記式群(3)に表される構造群から選択される1以上の構造を有するものが好ましい。   The sulfonic acid group-containing segment preferably has one or more structures selected from the structure group represented by the following formula group (3).

Figure 2019182954
Figure 2019182954

前記式群(3)中、mは1〜4の整数、k及びlはそれぞれ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−、及び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、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2t−(tは1〜10の整数)、及び−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−、及び−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。 In the formula group (3), m represents an integer of 1 to 4, k and l each represents an integer of 0 to 4, and 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, and 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 from 1 to 10), and -C (CF 3) 2 - represents at least one structure selected from the group consisting of, Z is a direct bond or at least one selected from the group consisting of — (CH 2 ) o — (o is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O—, and —S—. Represents the structure of 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).

前記式群(3)で表されるスルホン酸基含有セグメントの構造を具体的に例示するならば下記式群(8)で表される構造などが挙げられる。   Specific examples of the structure of the sulfonic acid group-containing segment represented by the formula group (3) include the structure represented by the following formula group (8).

Figure 2019182954
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次に、本発明の高分子電解質の製造方法について説明する。本発明の高分子電解質の製造方法に特に制約はないが、スルホン酸基含有セグメントの前駆体と、及び一般式(1)で表されるメタフェニレンセグメントの前駆体を連結する方法、あるいは、スルホン酸基含有セグメントの前駆体と、一般式(1)で表されるメタフェニレンセグメントの前駆体、及び一般式(2)で表されるパラフェニレンセグメントの前駆体を連結する方法が好ましく用いられる。ここで、前駆体とは、後述する共重合反応により、それぞれ、スルホン酸基含有セグメント、一般式(1)で表されるメタフェニレンセグメント及び一般式(2)で表されるパラフェニレンセグメントとなる、反応部位を持つ繰り返し単位のことをいう。本発明においては、スルホン酸基含有セグメントとメタフェニレンセグメント、あるいは、スルホン酸基含有セグメントと、メタフェニレンセグメント、及びパラフェニレンセグメントが芳香環の直接結合で連結されるので、それぞれのセグメントの前駆体は、芳香環を直接結合で連結されるための官能基を有している必要がある。   Next, the manufacturing method of the polymer electrolyte of this invention is demonstrated. The production method of the polymer electrolyte of the present invention is not particularly limited, but a method of linking a precursor of a sulfonic acid group-containing segment and a precursor of a metaphenylene segment represented by the general formula (1), or sulfone A method of connecting the precursor of the acid group-containing segment, the precursor of the metaphenylene segment represented by the general formula (1), and the precursor of the paraphenylene segment represented by the general formula (2) is preferably used. Here, the precursor becomes a sulfonic acid group-containing segment, a metaphenylene segment represented by the general formula (1), and a paraphenylene segment represented by the general formula (2), respectively, by a copolymerization reaction described later. Means a repeating unit having a reactive site. In the present invention, since the sulfonic acid group-containing segment and the metaphenylene segment, or the sulfonic acid group-containing segment, the metaphenylene segment, and the paraphenylene segment are connected by a direct bond of an aromatic ring, the precursor of each segment Needs to have a functional group for connecting the aromatic rings with a direct bond.

例えば、前記一般式(1)で表されるメタフェニレンセグメントの前駆体として下記一般式(5)で表される化合物、一般式(2)で表されるパラフェニレンセグメントの前駆体として下記一般式(6)で表される化合物、スルホン酸基含有セグメントの前駆体として下記式群(7)で表される化合物群から選択される1以上の化合物を、金属銅を用いたUllmannカップリング反応や、特許文献5に記載されている方法に従い、遷移金属化合物を用いてカップリングする方法などを用いて連結することができる。   For example, the compound represented by the following general formula (5) as a precursor of the metaphenylene segment represented by the general formula (1), and the following general formula as a precursor of the paraphenylene segment represented by the general formula (2) The compound represented by (6), one or more compounds selected from the group of compounds represented by the following formula group (7) as a precursor of the sulfonic acid group-containing segment, a Ullmann coupling reaction using metallic copper, According to the method described in Patent Document 5, the coupling can be performed using a method of coupling with a transition metal compound.

Figure 2019182954
Figure 2019182954

Figure 2019182954
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Figure 2019182954
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前記一般式(5)、一般式(6)及び式群(7)中、Halは、塩素、臭素、またはヨウ素、R1〜R8はそれぞれ独立に、水素、フッ素、アルキル基、パーフルオロアルキル基、アリール基、アラルキル基、またはシアノ基を表す。mは1〜4の整数、k及びlはそれぞれ0〜4の整数を表し、かつ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−、及び−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、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−、及び−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。Mは水素、アルカリ金属、炭素数1〜12のアルキル基、炭素数5〜12のシクロアルキル基、炭素数6〜18のアリール基、または炭素数7〜20のアラルキル基を表す。 In general formula (5), general formula (6), and formula group (7), Hal is chlorine, bromine, or iodine, and R 1 to R 8 are each independently hydrogen, fluorine, an alkyl group, or perfluoroalkyl. Represents a group, an aryl group, an aralkyl group, or a cyano group. m represents an integer of 1 to 4, k and l each represents an integer of 0 to 4, and 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, and 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 from 1 to 10), - C (CF 3) 2 - represents at least one structure selected from the group consisting of, Z is a direct bond or at least one selected from the group consisting of — (CH 2 ) o — (o is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O—, and —S—. Represents the structure of 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). M represents hydrogen, an alkali metal, an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, a cycloalkyl group having 5 to 12 carbon atoms, an aryl group having 6 to 18 carbon atoms, or an aralkyl group having 7 to 20 carbon atoms.

前記一般式(5)で表される化合物の具体例としては、1,3−ジクロロベンゼン、1,3−ジブロモベンゼン、1,3−ジヨードベンゼン、2,6−ジクロロトルエン、2,6−ジブロモトルエン、2,6−ジヨードトルエン、2,6−ジクロロ−1,4−ジメチルベンゼン、2,6−ジブロモ−1,4−ジメチルベンゼン、2,6−ジヨード−1,4−ジメチルベンゼン、2,6−ジクロロ−1,3−ジメチルベンゼン、2,6−ジブロモ−1,3−ジメチルベンゼン、2,6−ジヨード−1,3−ジメチルベンゼン、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジクロロフルオロベンゼン、及び3,5−ジクロロフルオロベンゼンなどが挙げられる。これらは、一種を単独で用いても良く、二種以上を組み合わせて用いても良い。これらのうち、入手が容易である点で、1,3−ジクロロベンゼン、2,6−ジクロロトルエン、及び2,6−ジクロロベンゾニトリルからなる群から選ばれる1種以上が好ましく、安価である点で1,3−ジクロロベンゼンがより好ましい。   Specific examples of the compound represented by the general formula (5) include 1,3-dichlorobenzene, 1,3-dibromobenzene, 1,3-diiodobenzene, 2,6-dichlorotoluene, 2,6- Dibromotoluene, 2,6-diiodotoluene, 2,6-dichloro-1,4-dimethylbenzene, 2,6-dibromo-1,4-dimethylbenzene, 2,6-diiodo-1,4-dimethylbenzene, 2,6-dichloro-1,3-dimethylbenzene, 2,6-dibromo-1,3-dimethylbenzene, 2,6-diiodo-1,3-dimethylbenzene, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,4 -Dichlorobenzonitrile, 2,6-dichlorofluorobenzene, 3,5-dichlorofluorobenzene and the like. One of these may be used alone, or two or more of these may be used in combination. Among these, at least one selected from the group consisting of 1,3-dichlorobenzene, 2,6-dichlorotoluene, and 2,6-dichlorobenzonitrile is preferable and inexpensive because it is easily available. 1,3-dichlorobenzene is more preferable.

前記一般式(6)で表される化合物の具体例としては、1,4−ジクロロベンゼン、1,4−ジブロモベンゼン、1,4−ジヨードベンゼン、2,5−ジクロロトルエン、2,5−ジブロモトルエン、2,5−ジヨードトルエン、2,5−ジクロロ−1,4−ジメチルベンゼン、2,5−ジブロモ−1,4−ジメチルベンゼン、2,5−ジヨード−1,4−ジメチルベンゼン、2,5−ジクロロ−1,3−ジメチルベンゼン、2,5−ジブロモ−1,3−ジメチルベンゼン、2,5−ジヨード−1,3−ジメチルベンゼン、2,5−ジクロロベンゾニトリル、及び2,5−ジクロロフルオロベンゼンなどが挙げられる。これらは、一種を単独で用いても良く、二種以上を組み合わせて用いても良い。これらのうち、入手が容易である点で、1,4−ジクロロベンゼン、2,5−ジクロロトルエン、2,5−ジクロロベンゾニトリルが好ましく、安価である点で、1,4−ジクロロベンゼンがより好ましい。   Specific examples of the compound represented by the general formula (6) include 1,4-dichlorobenzene, 1,4-dibromobenzene, 1,4-diiodobenzene, 2,5-dichlorotoluene, 2,5- Dibromotoluene, 2,5-diiodotoluene, 2,5-dichloro-1,4-dimethylbenzene, 2,5-dibromo-1,4-dimethylbenzene, 2,5-diiodo-1,4-dimethylbenzene, 2,5-dichloro-1,3-dimethylbenzene, 2,5-dibromo-1,3-dimethylbenzene, 2,5-diiodo-1,3-dimethylbenzene, 2,5-dichlorobenzonitrile, and 2, 5-dichlorofluorobenzene and the like can be mentioned. One of these may be used alone, or two or more of these may be used in combination. Of these, 1,4-dichlorobenzene, 2,5-dichlorotoluene, and 2,5-dichlorobenzonitrile are preferable because they are easily available, and 1,4-dichlorobenzene is more preferable because they are inexpensive. preferable.

前記式群(7)で表される化合物の具体例としては、下記式群(9)で表される化合物などが挙げられる。   Specific examples of the compound represented by the formula group (7) include compounds represented by the following formula group (9).

Figure 2019182954
Figure 2019182954

前記式群(9)で表される化合物群において、塩素原子が臭素またはヨウ素に置き換わった化合物も好適に用いることができる。また、Mとしては、前記式群(7)で説明したように、水素、アルカリ金属、炭素数1〜12のアルキル基、炭素数5〜12のシクロアルキル基、炭素数6〜18のアリール基、または炭素数7〜20を表し、重合条件に応じて、適切に選択される。   In the compound group represented by the formula group (9), a compound in which a chlorine atom is replaced with bromine or iodine can also be suitably used. Moreover, as M, as demonstrated in the said formula group (7), hydrogen, an alkali metal, a C1-C12 alkyl group, a C5-C12 cycloalkyl group, a C6-C18 aryl group Or represents a carbon number of 7 to 20, and is appropriately selected according to the polymerization conditions.

スルホン酸基含有セグメントの前駆体は、対応する芳香族系化合物に、スルホン酸化剤を作用させることにより製造することができる。スルホン酸化剤としては公知のものを使用することができ、例示するならば、硫酸、無水硫酸、クロロスルホン酸、アセチル硫酸、発煙硫酸などである。クロロスルホン酸、及び/または発煙硫酸が適度な反応性を有しているために好ましい。スルホン酸化反応において、溶媒は用いてもよく、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、及び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、及び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、及び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。   The precursor of the sulfonic acid group-containing segment can be produced by reacting a corresponding aromatic compound with a sulfonated agent. A well-known thing can be used as a sulfonating agent, For example, it is sulfuric acid, anhydrous sulfuric acid, chlorosulfonic acid, acetyl sulfuric acid, fuming sulfuric acid, etc. Chlorosulfonic acid and / or fuming sulfuric acid is preferred because it has moderate reactivity. 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. Is more preferable. 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℃から130℃である。−80℃よりも低温であれば反応が遅くなり、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。スルホン酸化工程の反応時間は、原料となる芳香族系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 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. to 150 ° C, more preferably -20 ° C to 130 ° C. If the temperature is lower than −80 ° C., the reaction is slow, and the intended sulfonation tends not to proceed to 100%, and if the temperature is higher than 200 ° C., side reaction tends to occur. The reaction time of the sulfonating step can be appropriately selected depending on the structure of the aromatic compound used as a raw material, but it may usually be in 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、原料の芳香族系化合物に含まれる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当量より多いと副反応が起こる傾向がある。   The addition amount of the sulfonating agent in the sulfonating step is preferably 1 equivalent to 50 equivalents when the total amount of the sulfonated sites contained in the starting aromatic compound is defined as 1 equivalent. If the amount is less than 1 equivalent, the sulfonated site tends to be non-uniform, while if it exceeds 50 equivalents, side reactions tend to occur.

スルホン酸化工程における原料の芳香族系化合物の濃度は、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、副反応が起きにくくすることと、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 as a raw material 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 side reaction is less likely to occur and the cost advantage due to the suppression of the amount of solvent. From the viewpoint of properties, the content is preferably 1 to 30% by weight based on the weight of the whole compound used in the sulfonation reaction.

スルホン酸基含有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、2.0meq./g以上であることが好ましい。meq./gは、ミリ当量/gを意味する。スルホン酸基含有セグメントのIECは、NMRの分析による計算や、共重合により得られた電解質の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、スルホン酸基含有セグメントの重量割合で除すること等により求めることができる。   The ion exchange capacity of the sulfonic acid group-containing segment only (hereinafter, the ion exchange capacity may be referred to as IEC) can be set high for IEC as a polymer electrolyte membrane, and also exhibits high proton conductivity under low humidification. 2.0 meq. / G or more is preferable. meq. / G means milliequivalent / g. The IEC of the sulfonic acid group-containing segment is calculated by NMR analysis or the IEC of the electrolyte obtained by copolymerization (which can be easily determined by a conventionally known method such as titration). It can be obtained by dividing by.

スルホン酸基含有セグメントの前駆体のスルホン酸基は保護された形態であってもよい。   The sulfonic acid group of the precursor of the sulfonic acid group-containing segment may be in a protected form.

遷移金属化合物としては、ニッケル系化合物、及びパラジウム系化合物が好ましく用いられ、より好ましくは、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル、及びテトラキストリフェニルホスフィンニッケル等の0価ニッケル錯体が用いられる。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価のニッケル化合物を、亜鉛等の還元剤の存在下に使用してもよい。0価ニッケル錯体は、カップリング反応の活性が高い半面、高価であり、水分や酸素に対して敏感で取り扱いに注意を要することから、2価ニッケル化合物を使用することが好ましい。   As the transition metal compound, a nickel-based compound and a palladium-based compound are preferably used, and more preferably, a zero-valent nickel complex such as bis (1,5-cyclooctadiene) nickel and tetrakistriphenylphosphine nickel is used. . Further, a divalent nickel compound such as nickel chloride, nickel bromide, or dichlorobistriphenylphosphine nickel may be used in the presence of a reducing agent such as zinc. The zero-valent nickel complex has high coupling reaction activity, is expensive, is sensitive to moisture and oxygen, and needs to be handled with care. Therefore, it is preferable to use a divalent nickel compound.

また、スルホン酸基含有セグメントの前駆体と、疎水性セグメントの前駆体(メタフェニレンセグメント前駆体、あるいはメタフェニレンセグメント前駆体及びパラフェニレンセグメント前駆体)の一方にボロン酸官能基を導入し、他方にハロゲンを導入しておき、パラジウム触媒を用いた鈴木−宮浦カップリング反応を用いることもできる。   In addition, a boronic acid functional group is introduced into one of a sulfonic acid group-containing segment precursor and a hydrophobic segment precursor (metaphenylene segment precursor, metaphenylene segment precursor, and paraphenylene segment precursor), and the other It is also possible to use a Suzuki-Miyaura coupling reaction using a palladium catalyst by introducing a halogen into the catalyst.

重合反応用溶媒としては、メタフェニレンセグメントの前駆体、パラフェニレンセグメントの前駆体、及びスルホン酸基含有セグメントの前駆体などの反応物質、ならびに生成する高分子電解質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。これらの中でも、生成する高分子電解質の溶解度の観点から、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などの硫黄系溶媒が好ましい。これら重合反応溶媒は1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合してもよい。   The solvent for the polymerization reaction is preferably a solvent that dissolves a reactant such as a precursor of a metaphenylene segment, a precursor of a paraphenylene segment, and a precursor of a sulfonic acid group-containing segment, and a polymer electrolyte to be generated. Examples thereof include aromatic hydrocarbon solvents, halogen solvents, ether solvents, ketone solvents, amide solvents, sulfone solvents, sulfoxide solvents and the like. Among these, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N-methyl-2-pyrrolidone, etc. are used from the viewpoint of the solubility of the produced polymer electrolyte. Amide solvents, halogen solvents such as dichlorobenzene and trichlorobenzene, and sulfur solvents such as dimethyl sulfoxide are preferred. These polymerization reaction solvents may be used alone or in a combination of two or more.

遷移金属化合物を用いるカップリング反応を行う場合は、反応系を脱水することが好ましい。脱水の方法は特に限定されないが、上記の溶媒に共沸溶媒を混合し、加熱して共沸脱水する方法が好ましく用いられる。   When performing a coupling reaction using a transition metal compound, it is preferable to dehydrate the reaction system. The method of dehydration is not particularly limited, but a method of azeotropic dehydration by mixing an azeotropic solvent with the above solvent and heating is preferably used.

共沸溶媒としては特に限定はないが、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキサン、シクロヘキサン、オクタン、クロロベンゼン、ジオキサン、及びテトラヒドロフランなどを用いることができ、重合反応用溶媒に応じて、適宜選択される。   Although there is no limitation in particular as an azeotropic solvent, benzene, toluene, xylene, hexane, cyclohexane, octane, chlorobenzene, dioxane, tetrahydrofuran, etc. can be used, It selects suitably according to the solvent for polymerization reaction.

共沸脱水は、共沸溶媒の沸点に依存するが、100℃〜200℃の範囲で行うことが好ましい。100℃未満では脱水速度が遅く実用的でなく、200℃を超えると重合反応用溶媒も留去されてしまうので好ましくない。   The azeotropic dehydration depends on the boiling point of the azeotropic solvent, but is preferably performed in the range of 100 ° C to 200 ° C. If it is less than 100 ° C., the dehydration rate is slow and impractical, and if it exceeds 200 ° C., the polymerization reaction solvent is also distilled off, which is not preferable.

共沸脱水時の温度によっては、前記一般式(5)で表される化合物及び/または前記一般式(6)で表される化合物が一部蒸発してしまい、重合収率が低下したり、設定値よりも大きなイオン交換容量を有する高分子電解質が得られることがある。このような場合、他の成分を脱水した後に混合物を冷却してから、これらの化合物を添加すると、高分子電解質が高収率で得られることから好ましい。   Depending on the temperature at the time of azeotropic dehydration, the compound represented by the general formula (5) and / or the compound represented by the general formula (6) partially evaporates, and the polymerization yield decreases. A polymer electrolyte having an ion exchange capacity larger than a set value may be obtained. In such a case, it is preferable to add these compounds after cooling the mixture after dehydrating other components, because a polymer electrolyte can be obtained in a high yield.

また、カップリングに使用する遷移金属化合物として2価ニッケル化合物等を使用する場合は、スルホン酸基がアルキル基等で保護されたスルホン酸基含有セグメントの前駆体を用いることが好ましいが、共沸脱水時の温度が高すぎると、保護基が脱離してしまい、重合を阻害することがある。このような場合も、他の成分を脱水した後に混合物を冷却し、当該スルホン酸基含有セグメント前駆体を添加すると、高い収率で高分子量の重合体が得られるので好ましい。   When a divalent nickel compound or the like is used as a transition metal compound used for coupling, it is preferable to use a sulfonic acid group-containing segment precursor in which a sulfonic acid group is protected with an alkyl group or the like. If the temperature at the time of dehydration is too high, the protecting group may be eliminated and polymerization may be inhibited. Also in such a case, it is preferable to cool the mixture after dehydrating other components and add the sulfonic acid group-containing segment precursor because a high molecular weight polymer can be obtained in a high yield.

本発明の1以上の実施形態において、前記高分子電解質の数平均分子量は、1,000〜500,000が好ましく、より好ましくは5,000〜200,000であり、さらに好ましくは、7,000〜100,000である。数平均分子量が1,000より小さいと膜にした場合の強度が不足する傾向があり、一方、500,000より大きいと、溶媒への溶解性が低下し、ハンドリング性が悪化する傾向がある。高分子電解質の数平均分子量は、後述の実施例に記載の方法から求めることができる。   In one or more embodiments of the present invention, the number average molecular weight of the polymer electrolyte is preferably 1,000 to 500,000, more preferably 5,000 to 200,000, and still more preferably 7,000. ~ 100,000. If the number average molecular weight is less than 1,000, the strength when formed into a film tends to be insufficient, whereas if it is greater than 500,000, the solubility in a solvent tends to be lowered, and the handling property tends to deteriorate. The number average molecular weight of the polymer electrolyte can be determined from the method described in Examples described later.

本発明の1以上の実施形態において、前記高分子電解質には、スルホン酸基が0.5〜4.0meq./gの割合で含まれることが好ましく、1.2〜3.8meq./gがより好ましく、1.4〜3.6meq./gがさらに好ましい。0.5meq./g未満であると、プロトン伝導度が不十分となる傾向があり、4.0meq./gを超えると、膜とした場合に強度を維持することが困難となる傾向がある。   In one or more embodiments of the present invention, the polymer electrolyte contains 0.5 to 4.0 meq. / G, preferably 1.2 to 3.8 meq. / G is more preferable, and 1.4 to 3.6 meq. / G is more preferable. 0.5 meq. If it is less than / g, proton conductivity tends to be insufficient, and 4.0 meq. If it exceeds / g, it tends to be difficult to maintain the strength in the case of a film.

本発明の1以上の実施形態において、前記高分子電解質は、使用する原料や反応の組み合わせにより、種々の構造を取り得る。それらの中でも、下記一般式(4)で表される構造を有する高分子電解質が特に好ましい。   In one or more embodiments of the present invention, the polymer electrolyte can take various structures depending on the combination of raw materials and reactions used. Among these, a polymer electrolyte having a structure represented by the following general formula (4) is particularly preferable.

Figure 2019182954
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前記一般式(4)中、xは1〜2000の整数、yは、1〜1500の整数、zは0〜1500の整数で、y:zは100:0〜10:90の範囲にある。   In the general formula (4), x is an integer of 1 to 2000, y is an integer of 1 to 1500, z is an integer of 0 to 1500, and y: z is in the range of 100: 0 to 10:90.

前記一般式(4)での高分子電解質におけるスルホン酸基含有セグメントは、原料が入手しやすいとともに、当該セグメントにおけるスルホン酸基当量が高く、他のスルホン酸基含有セグメントに比較して、より少ない使用量で、高いプロトン伝導率が得られるというメリットがある。また、前記一般式(4)での高分子電解質において、メタフェニレンセグメントの前駆体としての1,3−ジクロロベンゼン、パラフェニレンセグメントの前駆体としての1,4−ジクロロベンゼンは、安価であり好ましい。   The sulfonic acid group-containing segment in the polymer electrolyte in the general formula (4) is easy to obtain raw materials and has a high sulfonic acid group equivalent in the segment, and is smaller than other sulfonic acid group-containing segments. There is a merit that high proton conductivity can be obtained by the amount used. In the polymer electrolyte represented by the general formula (4), 1,3-dichlorobenzene as a precursor of a metaphenylene segment and 1,4-dichlorobenzene as a precursor of a paraphenylene segment are inexpensive and preferable. .

前記一般式(4)において、xは1〜2000の整数、yは1〜1500の整数、zは0〜1500の整数であり、好ましくは、xは2〜1000の整数、y及びzはそれぞれ、5〜500の整数であり、さらに好ましくは、xは3〜400の整数、y及びzはそれぞれ、6〜250の整数である。xの値が2000より大きいと、高分子電解質の親水性が高くなりすぎ、膨潤耐性が低くなったり、水に溶解してしまう可能性がある。一方、yまたはzが1500を越えると、溶媒に溶解しにくく、成形性が低下する。   In the said General formula (4), x is an integer of 1-2000, y is an integer of 1-1500, z is an integer of 0-1500, Preferably, x is an integer of 2-1000, y and z are respectively , An integer from 5 to 500, more preferably x is an integer from 3 to 400, and y and z are each an integer from 6 to 250. When the value of x is larger than 2000, the hydrophilicity of the polymer electrolyte becomes too high, and there is a possibility that the swelling resistance is lowered or the polymer electrolyte is dissolved in water. On the other hand, when y or z exceeds 1500, it is difficult to dissolve in a solvent and moldability is lowered.

本発明の高分子電解質は、様々な産業上の利用が考えられ、その利用(用途)については、特に制限されるものではないが、高分子電解質膜、燃料電池用触媒層、燃料電池用膜/電極接合体、燃料電池に好適である。   The polymer electrolyte of the present invention is considered to be used in various industries, and its use (use) is not particularly limited, but a polymer electrolyte membrane, a fuel cell catalyst layer, a fuel cell membrane / Suitable for electrode assemblies and fuel cells.

本発明にかかる高分子電解質膜は、上記高分子電解質を任意の方法で膜状に成型したものである。このような製膜方法としては、公知の方法が適宜使用され得る。上記公知の方法としては、例えば、ホットプレス法、インフレーション法、Tダイ法などの溶融押出成形、キャスト法、エマルション法などの溶液からの製膜方法が例示され得る。例えば溶液からの製膜方法としては、キャスト法が例示される。これは粘度を調整した高分子電解質の溶液を、ガラス板などの平板上に、バーコーター、ブレードコーターなどを用いて塗布し、溶媒を気化させて膜を得る方法である。工業的には溶液を連続的にコートダイからベルト上に塗布し、溶媒を気化させて長尺物を得る方法も一般的である。   The polymer electrolyte membrane according to the present invention is obtained by molding the polymer electrolyte into a membrane by an arbitrary method. As such a film forming method, a known method can be appropriately used. Examples of the known methods include film forming methods from solutions such as hot extrusion methods, inflation methods, melt extrusion molding such as T-die methods, casting methods, and emulsion methods. For example, as a film forming method from a solution, a casting method is exemplified. This is a method in which a polymer electrolyte solution with adjusted viscosity is applied onto a flat plate such as a glass plate using a bar coater, a blade coater or the like, and the solvent is evaporated to obtain a film. Industrially, it is also common to apply a solution continuously from a coating die onto a belt and vaporize the solvent to obtain a long product.

さらに、高分子電解質膜の分子配向などを制御するために、得られた高分子電解質膜に対して二軸延伸などの処理を施したり、結晶化度を制御するための熱処理を施したりしてもよい。また、高分子電解質膜の機械的強度を向上させるために各種フィラーを添加したり、ガラス不織布などの補強剤と高分子電解質膜とをプレスにより複合化させたりすることも、本発明の範疇である。   Furthermore, in order to control the molecular orientation of the polymer electrolyte membrane, the obtained polymer electrolyte membrane is subjected to a treatment such as biaxial stretching or a heat treatment for controlling the crystallinity. Also good. In addition, it is also within the scope of the present invention to add various fillers in order to improve the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane or to combine a reinforcing agent such as a glass nonwoven fabric with the polymer electrolyte membrane by pressing. is there.

高分子電解質膜の厚さは、用途に応じて任意の厚さを選択することができる。例えば、得られる高分子電解質膜の内部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みは薄い程よい。一方、得られた高分子電解質膜のガス遮断性やハンドリング性を考慮すると、高分子電解質膜の厚み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みは、1.2μm以上350μm以下であることが好ましい。上記高分子電解質膜の厚さが上記数値の範囲内であれば、取り扱いが容易であり、破損が生じ難いなどハンドリング性が向上する。また、得られた高分子電解質膜のプロトン伝導性も所望の範囲で発現させることができる。   As the thickness of the polymer electrolyte membrane, any thickness can be selected according to the application. For example, when considering reducing the internal resistance of the obtained polymer electrolyte membrane, the thinner the polymer electrolyte membrane, the better. On the other hand, in consideration of gas barrier properties and handling properties of the obtained polymer electrolyte membrane, it may not be preferable if the thickness of the polymer electrolyte membrane is too thin. Considering these, the thickness of the polymer electrolyte membrane is preferably 1.2 μm or more and 350 μm or less. When the thickness of the polymer electrolyte membrane is within the range of the above numerical values, handling is improved such that handling is easy and damage is unlikely to occur. In addition, the proton conductivity of the obtained polymer electrolyte membrane can be expressed within a desired range.

なお、本発明の高分子電解質膜の特性をさらに向上させるために、電子線、γ線、イオンビーム等の放射線を照射させることも可能である。これらにより、高分子電解質膜中に架橋構造などが導入でき、さらに性能が向上する場合がある。またプラズマ処理やコロナ処理などの各種表面処理により、高分子電解質膜表面の触媒層との接着性を上げるなどの特性向上を図ることもできる。   In order to further improve the characteristics of the polymer electrolyte membrane of the present invention, it is possible to irradiate radiation such as electron beam, γ-ray, ion beam and the like. As a result, a crosslinked structure or the like can be introduced into the polymer electrolyte membrane, and the performance may be further improved. In addition, various surface treatments such as plasma treatment and corona treatment can improve properties such as improving adhesion to the catalyst layer on the surface of the polymer electrolyte membrane.

本発明の高分子電解質膜は、イオン交換容量が0.5meq./g以上であることが好ましく、1.2meq./g以上であることがより好ましく、1.4meq./g以上であることがさらに好ましい。また、4.0meq./g以下であることが好ましく、3.8meq./g以下であることがより好ましく、3.6meq./g以下であることがさらに好ましい。0.5meq./g未満であるとプロトン伝導性が低くなりすぎる傾向があり、4.0meq./gを超えると水による膨潤で機械強度が著しく低下する傾向がある。   The polymer electrolyte membrane of the present invention has an ion exchange capacity of 0.5 meq. / G or more, preferably 1.2 meq. / G or more, more preferably 1.4 meq. / G or more is more preferable. Also, 4.0 meq. / G or less, preferably 3.8 meq. / G or less is more preferable, and 3.6 meq. / G or less is more preferable. 0.5 meq. If it is less than / g, proton conductivity tends to be too low, and 4.0 meq. If it exceeds / g, the mechanical strength tends to be remarkably lowered due to swelling with water.

本発明の燃料電池用触媒層は、本発明の高分子電解質を含有してなるものである。具体的には、当該燃料電池用触媒層は、上述の高分子電解質、燃料電池用触媒、必要に応じて撥水剤やバインダー樹脂から構成されるものである。本発明の高分子電解質を使用することにより、固体高分子形燃料電池や直接メタノール型燃料電池のアノード又はカソード触媒層に好適な、優れた発電特性を示すことができる。   The catalyst layer for a fuel cell of the present invention contains the polymer electrolyte of the present invention. Specifically, the fuel cell catalyst layer is composed of the above-described polymer electrolyte, a fuel cell catalyst, and, if necessary, a water repellent and a binder resin. By using the polymer electrolyte of the present invention, excellent power generation characteristics suitable for an anode or cathode catalyst layer of a solid polymer fuel cell or a direct methanol fuel cell can be exhibited.

本発明で使用される燃料電池用触媒は、当業者にとって従来公知の燃料電池用触媒であればよく、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な触媒が使用される。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、酸化剤(酸素など)の還元能を有する触媒が使用される。   The fuel cell catalyst used in the present invention may be any conventionally known fuel cell catalyst for those skilled in the art, as long as it contains a conductive catalyst carrier and a catalytically active substance supported on the conductive catalyst carrier. Well, other specific configurations are not particularly limited. Specifically, a catalyst active for the electrode reaction of the fuel cell is used. On the anode side, a catalyst having the ability to oxidize fuel (hydrogen, methanol, etc.) is used. On the cathode side, a catalyst having a reducing ability of an oxidizing agent (such as oxygen) 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(商品名)、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 support include carbon supports having a high surface area such as carbon black, ketjen black (trade name), activated carbon, carbon nanohorn, and carbon nanotube. These materials are preferable in view of chemical stability.

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、白金又は白金を含む合金であることが好ましい。これらは必要に応じて、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, 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, these may be composed of three or more components using iron, tin, rare earth elements, etc. for stabilization and long life.

本発明の燃料電池用触媒層は、本発明の高分子電解質、燃料電池用触媒及び溶媒を含む触媒インクを支持体上に塗布し、溶媒を除去することによって調製することができる。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。当該触媒インクは、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 layer for a fuel cell of the present invention can be prepared by applying a catalyst ink containing the polymer electrolyte of the present invention, a catalyst for a fuel cell and a solvent on a support and removing the solvent. 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. 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.

前記組成及び方法で調製された触媒インクは、粘度や基材の種類に応じて、下記に示すような塗布方法が利用できる。前記触媒インクの基材への塗布方法としては、当業者にとって従来公知の塗布方法であればよく、その他の具体的な構成については特に限定されない。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利用する方法が列挙できるが、これらに限定されるものではない   The catalyst ink prepared by the above composition and method can be applied by the following coating method depending on the viscosity and the type of substrate. As a method for applying the catalyst ink to the base material, any method known to those skilled in the art may be used, and other specific configurations are not particularly limited. For example, methods using a knife coater, a bar coater, a spray, a dip coater, a spin coater, a roll coater, a die coater, a curtain coater, screen printing, etc. can be enumerated, but not limited thereto.

本発明において、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。   In the present invention, when a polymer film is used as the substrate, the catalyst layer transfer sheet for the fuel cell is used, and when a conductive porous sheet is used as the substrate, the gas diffusion electrode for the fuel cell is respectively Can be manufactured.

本発明にかかる燃料電池用膜/電極接合体(以下、「MEA」と表記する。)は、本発明の高分子電解質又は高分子電解質膜を用いてなる。かかるMEAは、例えば、固体高分子形燃料電池に好適に用いることができる。MEAを作製する方法は、従来検討されている、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜やその他の炭化水素系高分子電解質膜(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)で行われる公知の方法が適用可能である。   The fuel cell membrane / electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) according to the present invention uses the polymer electrolyte or polymer electrolyte membrane of the present invention. Such MEA can be suitably used for, for example, a polymer electrolyte fuel cell. The methods for producing MEA are conventionally studied polymer electrolyte membranes made of perfluorocarbon sulfonic acid and other hydrocarbon polymer electrolyte membranes (for example, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfone). A known method performed with oxidized polysulfone, sulfonated polyimide, sulfonated polyphenylene sulfide, or the like is applicable.

上述した例以外にも、本発明にかかる高分子電解質は、例えば特開2006−179298号公報等で公知になっている固体高分子形燃料電池の電解質として、使用可能である。これらの公知の特許文献に基づけば、当業者であれば、本発明の高分子電解質を用いて容易に固体高分子形燃料電池を構成することができる。   In addition to the examples described above, the polymer electrolyte according to the present invention can be used as an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell known in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-179298. Based on these known patent documents, those skilled in the art can easily construct a solid polymer fuel cell using the polymer electrolyte of the present invention.

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法により分子量を測定した。条件は以下の通り。
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 GPC method. The conditions are as follows.
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 / dm3)
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.

(溶解性)
溶媒としてジメチルスルホキシド(DMSO)及びN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用い、高分子電解質のサンプル約30mgをDMSO約5mL又はNMP約5mLにそれぞれ添加し室温で3時間放置した。溶けにくい場合は、サンプルを入れた容器を室温で3時間超音波処理した後、下記の3段階の基準で溶解性を測定した。
A:完全に溶解している。
B:一部溶け残りがある。
C:不溶である。
(Solubility)
Using dimethyl sulfoxide (DMSO) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as solvents, about 30 mg of a polymer electrolyte sample was added to about 5 mL of DMSO or about 5 mL of NMP, respectively, and left at room temperature for 3 hours. If it was difficult to dissolve, the container containing the sample was subjected to ultrasonic treatment at room temperature for 3 hours, and then the solubility was measured according to the following three-stage criteria.
A: It is completely dissolved.
B: There is a part of unmelted residue.
C: Insoluble.

(イオン交換容量の測定)
測定サンプルとして、酸処理後の膜を10〜20mg切り出し、80℃で減圧乾燥し、乾燥重量(Wdry)を測定した。高分子電解質が溶媒に溶けない場合は、重合後の粗生成物10〜20mgを同様に乾燥した後、測定サンプルとして用いた。これらの膜、または粗生成物を、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 membrane after acid treatment was cut out and dried under reduced pressure at 80 ° C., and the dry weight (W dry ) was measured. When the polymer electrolyte was not soluble in the solvent, 10-20 mg of the crude product after polymerization was similarly dried and then used as a measurement sample. These membranes or the crude product were immersed in a saturated aqueous NaCl 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 an ion exchange capacity IEC value using the following formula: Was calculated. Two samples were prepared for the same membrane, and the average value of the two measurements was taken as the calculated IEC value by titration.

Figure 2019182954
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(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、及びそれを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膜厚方向の寸法変化、及び重量を測定し、変化率を計算した。膜厚方向については、3箇所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 in the film thickness direction and the weight 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. About the film thickness direction, the dimensional change of three places was measured and the average value was made into the result.

(耐酸化性の評価(Fenton試験))
約1×3cmほどの膜(約30mg)を用意した。この膜を50mLのFenton溶液(2ppmのFeSO4を含む3%H22)中に加え、80℃で1時間、浸漬した。試験後の膜を乾燥し、重量及び分子量を測定し、試験前の値からの保持率を計算した。
(Evaluation of oxidation resistance (Fenton test))
A film (about 30 mg) of about 1 × 3 cm was prepared. This film was added to 50 mL of Fenton solution (3% H 2 O 2 containing 2 ppm of FeSO 4 ) and immersed at 80 ° C. for 1 hour. The membrane after the test was dried, the weight and molecular weight were measured, and the retention rate from the value before the test was calculated.

<スルホン酸基含有セグメントの前駆体の合成例1>
1Lの3つ口フラスコに2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸2水和物(100.5g、382mmol)及び水(300mL)を仕込み、撹拌しながら、水酸化ナトリウム(16.05g、401mmol)の水溶液(80mL)を室温で加えた。混合物を氷冷し、白色の固体を析出させ、生成物を濾別した。濾液を再度氷冷し、白色固体を析出させ、濾別した。得られた固体をまとめて105℃で減圧乾燥し、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ナトリウムを70.6g得た(収率74%)。
<Synthesis example 1 of precursor of sulfonic acid group-containing segment>
A 1 L three-necked flask was charged with 2,5-dichlorobenzenesulfonic acid dihydrate (100.5 g, 382 mmol) and water (300 mL), and an aqueous solution of sodium hydroxide (16.05 g, 401 mmol) with stirring. (80 mL) was added at room temperature. The mixture was ice-cooled to precipitate a white solid, and the product was filtered off. The filtrate was ice-cooled again to precipitate a white solid, which was filtered off. The obtained solids were combined and dried under reduced pressure at 105 ° C. to obtain 70.6 g of sodium 2,5-dichlorobenzenesulfonate (yield 74%).

<スルホン酸基含有セグメントの前駆体の合成例2>
温度計、窒素導入管、及び攪拌子を備え付けた300mLの4つ口フラスコに、窒素雰囲気下、2,2−ジメチル−1−プロパノール(14.36g、162.9mmol)を加え、ピリジン(85mL)を加えて溶解させた。0℃に冷却し、2,5−ジクロロベンゼンスルホニルクロリド(20g、81.5mmol)を加えて、2.5時間撹拌した。反応液を室温に戻し、6時間撹拌を続けた。4N塩酸(200mL)を加え、反応液を酸性とした。酢酸エチル(200mL)を加え、2層を分離した。水層を酢酸エチル(100mL)で抽出し、油層を飽和NaHCO3水溶液(200mL)、及び飽和食塩水(200mL)で洗浄した。油層を硫酸ナトリウムで乾燥し、減圧下、溶媒を留去した。得られた粗生成物を2−プロパノールから再結晶し、下記反応式で示される反応によって生成されたスルホン酸基が2,2−ジメチルプロピル基で保護された化合物(2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸2,2−ジメチルプロピル)を19.85g得た(収率82%)。
<Synthesis example 2 of precursor of sulfonic acid group-containing segment>
Under a nitrogen atmosphere, 2,2-dimethyl-1-propanol (14.36 g, 162.9 mmol) was added to a 300 mL four-necked flask equipped with a thermometer, a nitrogen inlet tube, and a stirring bar, and pyridine (85 mL). Was added and dissolved. After cooling to 0 ° C., 2,5-dichlorobenzenesulfonyl chloride (20 g, 81.5 mmol) was added and stirred for 2.5 hours. The reaction solution was returned to room temperature and stirring was continued for 6 hours. 4N hydrochloric acid (200 mL) was added to make the reaction solution acidic. Ethyl acetate (200 mL) was added and the two layers were separated. The aqueous layer was extracted with ethyl acetate (100 mL), and the oil layer was washed with saturated aqueous NaHCO 3 solution (200 mL) and saturated brine (200 mL). The oil layer was dried over sodium sulfate, and the solvent was distilled off under reduced pressure. The obtained crude product was recrystallized from 2-propanol, and a compound in which the sulfonic acid group produced by the reaction represented by the following reaction formula was protected with a 2,2-dimethylpropyl group (2,5-dichlorobenzenesulfone). 19.85 g of acid (2,2-dimethylpropyl acid) was obtained (yield 82%).

Figure 2019182954
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<実施例1>
リービッヒ冷却器とディーン・スタックトラップを備え、窒素パージしている三口フラスコ中へ、合成例1で得られた2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ナトリウム(2.36g、9.48mmol)、1,3−ジクロロベンゼン(3.06g、20.8mmol)(1,3−ジクロロベンゼンと1,4−ジクロロベンゼンのモル比=100:0)、2,2’−ビピリジル(11.92g、76.4mmol)、ジメチルスルホキシド(40mL)、トルエン(10mL)を加え、170℃で3時間、共沸脱水した。トルエンを留去した後、混合物を80℃に冷却し、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)(10g、36.4mmol)を添加し、2時間撹拌した。混合物をメタノール(200mL)に滴下して再沈殿した。得られた黒色固体を6N塩酸(200mL)で2回洗浄、さらに純水で濾液が中性となるまで洗浄し、真空乾燥することにより、目的とする高分子電解質を2.56g(粗生成物の収率84%)で得た。反応式は、下記の通りである。
<Example 1>
A 2,5-dichlorobenzenesulfonic acid sodium salt obtained in Synthesis Example 1 (2.36 g, 9.48 mmol), 1, 3 into a three-necked flask equipped with a Liebig condenser and a Dean stack trap and purged with nitrogen. -Dichlorobenzene (3.06 g, 20.8 mmol) (molar ratio of 1,3-dichlorobenzene to 1,4-dichlorobenzene = 100: 0), 2,2'-bipyridyl (11.92 g, 76.4 mmol) , Dimethyl sulfoxide (40 mL) and toluene (10 mL) were added, and azeotropic dehydration was performed at 170 ° C. for 3 hours. After the toluene was distilled off, the mixture was cooled to 80 ° C., bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) (10 g, 36.4 mmol) was added, and the mixture was stirred for 2 hours. The mixture was re-precipitated dropwise in methanol (200 mL). The obtained black solid was washed twice with 6N hydrochloric acid (200 mL), further washed with pure water until the filtrate became neutral, and vacuum dried to obtain 2.56 g of the target polymer electrolyte (crude product). Yield 84%). The reaction formula is as follows.

Figure 2019182954
Figure 2019182954

得られた高分子電解質は、ジメチルスルホキシド(DMSO)、及びN−メチルピロリドン(NMP)のいずれにも溶解した。GPCで測定した分子量はMn=26,300、Mw=78,400であった。また、イオン交換当量(IEC)は2.94meq./gであった。イオン交換当量(IEC)の測定には、後述するように作製した電解質膜を用いた。結果を表1にまとめた。   The obtained polymer electrolyte was dissolved in both dimethyl sulfoxide (DMSO) and N-methylpyrrolidone (NMP). The molecular weights measured by GPC were Mn = 26,300 and Mw = 78,400. The ion exchange equivalent (IEC) was 2.94 meq. / G. For the measurement of ion exchange equivalent (IEC), an electrolyte membrane prepared as described later was used. The results are summarized in Table 1.

<実施例2>
リービッヒ冷却器とディーン・スタックトラップを備え、窒素パージしている三口フラスコ中へ、合成例1で得られた2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ナトリウム(1.18g、4.74mmol)、1,3−ジクロロベンゼン(1.377g、9.36mmol)、1,4−ジクロロベンゼン(0.153g、1.04mmol)(1,3−ジクロロベンゼンと1,4−ジクロロベンゼンのモル比=90:10)、2,2’−ビピリジル(5.96g、38.2mmol)、ジメチルスルホキシド(20mL)、トルエン(10mL)を加え、170℃で3時間、共沸脱水した。トルエンを留去した後、混合物を80℃に冷却し、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)(5g、18.2mmol)を添加し、2時間撹拌した。混合物をメタノール(200mL)に滴下して再沈殿した。得られた黒色固体を6N塩酸(200mL)で2回洗浄、さらに純水で濾液が中性となるまで洗浄し、真空乾燥することにより、目的とする高分子電解質を1.19g(粗生成物の収率78%)で得た。反応式は、下記の通りである。
<Example 2>
A 2,5-dichlorobenzenesulfonate sodium salt obtained in Synthesis Example 1 (1.18 g, 4.74 mmol), 1, 3 into a three-necked flask equipped with a Liebig condenser and a Dean stack trap and purged with nitrogen. -Dichlorobenzene (1.377 g, 9.36 mmol), 1,4-dichlorobenzene (0.153 g, 1.04 mmol) (molar ratio of 1,3-dichlorobenzene to 1,4-dichlorobenzene = 90: 10) 2,2′-bipyridyl (5.96 g, 38.2 mmol), dimethyl sulfoxide (20 mL) and toluene (10 mL) were added, and azeotropic dehydration was performed at 170 ° C. for 3 hours. After the toluene was distilled off, the mixture was cooled to 80 ° C., bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) (5 g, 18.2 mmol) was added and stirred for 2 hours. The mixture was re-precipitated dropwise in methanol (200 mL). The obtained black solid was washed twice with 6N hydrochloric acid (200 mL), further washed with pure water until the filtrate became neutral, and vacuum dried to obtain 1.19 g (crude product) of the target polymer electrolyte. Yield 78%). The reaction formula is as follows.

Figure 2019182954
Figure 2019182954

得られた高分子電解質は、ジメチルスルホキシド(DMSO)、及びN−メチルピロリドン(NMP)のいずれにも溶解した。GPCで測定した分子量はMn=48,800、Mw=96,900であった。また、イオン交換当量(IEC)は3.09meq./gであった。結果を表1にまとめた。   The obtained polymer electrolyte was dissolved in both dimethyl sulfoxide (DMSO) and N-methylpyrrolidone (NMP). The molecular weights measured by GPC were Mn = 48,800 and Mw = 96,900. The ion exchange equivalent (IEC) is 3.09 meq. / G. The results are summarized in Table 1.

<実施例3〜7>
1,3−ジクロロベンゼンと1,4−ジクロロベンゼンの仕込み比を表1に示す比に変更した以外は実施例2と同様にして共重合を行い、高分子電解質を得た。粗生成物の収率、分子量、溶解性、及びIECを表1にまとめた。
<Examples 3 to 7>
Copolymerization was carried out in the same manner as in Example 2 except that the charging ratio of 1,3-dichlorobenzene and 1,4-dichlorobenzene was changed to the ratio shown in Table 1 to obtain a polymer electrolyte. The yield, molecular weight, solubility, and IEC of the crude product are summarized in Table 1.

<実施例8>
リービッヒ冷却器とディーン・スタックトラップを備え、窒素パージしている三口フラスコ中へ、合成例1で得られた2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ナトリウム(1.18g、4.74mmol)、2,2’−ビピリジル(5.96g、38.2mmol)、ジメチルスルホキシド(20mL)、トルエン(10mL)を加え、170℃で3時間、共沸脱水した。トルエンを留去した後、混合物を80℃に冷却し、1,3−ジクロロベンゼン(1.224g、8.33mmol)、1,4−ジクロロベンゼン(0.306g、2.08mmol)(1,3−ジクロロベンゼンと1,4−ジクロロベンゼンのモル比=80:20)、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)(5g、18.2mmol)をこの順に添加し、2時間撹拌した。混合物をメタノール(200mL)に滴下して再沈殿した。得られた黒色固体を6N塩酸(200mL)で2回洗浄、さらに純水で濾液が中性となるまで洗浄し、真空乾燥することにより、目的とする高分子電解質を1.41g(粗生成物の収率92%)で得た。得られた高分子電解質は、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N−メチルピロリドン(NMP)に溶解した。GPCで測定した分子量はMn=72,900、Mw=136,000であった。また、イオン交換当量(IEC)は2.40meq./gであった。結果を表1にまとめた。
<Example 8>
A 2,5-dichlorobenzenesulfonic acid sodium salt (1.18 g, 4.74 mmol) obtained in Synthesis Example 1 into a three-necked flask equipped with a Liebig condenser and a Dean stack trap and purged with nitrogen, 2,2 '-Bipyridyl (5.96 g, 38.2 mmol), dimethyl sulfoxide (20 mL) and toluene (10 mL) were added, and azeotropic dehydration was performed at 170 ° C. for 3 hours. After the toluene was distilled off, the mixture was cooled to 80 ° C. and 1,3-dichlorobenzene (1.224 g, 8.33 mmol), 1,4-dichlorobenzene (0.306 g, 2.08 mmol) (1,3 -Mole ratio of dichlorobenzene to 1,4-dichlorobenzene = 80: 20) and bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) (5 g, 18.2 mmol) were added in this order and stirred for 2 hours. . The mixture was re-precipitated dropwise in methanol (200 mL). The obtained black solid was washed twice with 6N hydrochloric acid (200 mL), further washed with pure water until the filtrate became neutral, and vacuum dried to obtain 1.41 g of the target polymer electrolyte (crude product). Yield 92%). The obtained polymer electrolyte was dissolved in dimethyl sulfoxide (DMSO) and N-methylpyrrolidone (NMP). The molecular weight measured by GPC was Mn = 72,900 and Mw = 136,000. The ion exchange equivalent (IEC) is 2.40 meq. / G. The results are summarized in Table 1.

<実施例9〜10>
1,3−ジクロロベンゼンと1,4−ジクロロベンゼンの仕込み比を表1に示す比に変更した以外は、実施例8と同様にして共重合を行い、高分子電解質を得た。収率、分子量、溶解性、IECを表1にまとめた。
<Examples 9 to 10>
Copolymerization was carried out in the same manner as in Example 8 except that the charging ratio of 1,3-dichlorobenzene and 1,4-dichlorobenzene was changed to the ratio shown in Table 1 to obtain a polymer electrolyte. Yield, molecular weight, solubility, and IEC are summarized in Table 1.

<比較例1>
1,3−ジクロロベンゼンを0.0306g(0.208mmol)、1,4−ジクロロベンゼンを1.50g(10.2mmol)用いる(1,3−ジクロロベンゼンと1,4−ジクロロベンゼンのモル比=2:98)こと以外は、実施例2と同様にして高分子電解質を1.14g得た(粗生成物の収率75%)。IECは3.23meq./gであった。得られた高分子電解質は、DMSO、NMPに溶解せず、分子量は測定できなかった。イオン交換当量(IEC)の測定には、重合後の粗生成物を用いた。
<Comparative Example 1>
0.0306 g (0.208 mmol) of 1,3-dichlorobenzene and 1.50 g (10.2 mmol) of 1,4-dichlorobenzene are used (molar ratio of 1,3-dichlorobenzene to 1,4-dichlorobenzene = 2:98) Except that, 1.14 g of polymer electrolyte was obtained in the same manner as in Example 2 (crude product yield 75%). IEC is 3.23 meq. / G. The obtained polymer electrolyte was not dissolved in DMSO and NMP, and the molecular weight could not be measured. The crude product after polymerization was used for the measurement of ion exchange equivalent (IEC).

<比較例2>
1,3−ジクロロベンゼンのかわりに1,4−ジクロロベンゼン(3.06g、20.8mmol)を用いる(1,3−ジクロロベンゼンと1,4−ジクロロベンゼンのモル比=0:100)こと以外は、実施例1と同様にして高分子電解質を2.78g得た(収率91%)。反応式は、下記の通りである。IECは2.3meq./gであった。得られた高分子電解質は、DMSO、NMPに溶解せず、分子量は測定できなかった。
<Comparative example 2>
Other than using 1,4-dichlorobenzene (3.06 g, 20.8 mmol) instead of 1,3-dichlorobenzene (molar ratio of 1,3-dichlorobenzene to 1,4-dichlorobenzene = 0: 100) Produced 2.78 g of polymer electrolyte in the same manner as in Example 1 (yield 91%). The reaction formula is as follows. The IEC is 2.3 meq. / G. The obtained polymer electrolyte was not dissolved in DMSO and NMP, and the molecular weight could not be measured.

Figure 2019182954
Figure 2019182954

<実施例11>
リービッヒ冷却器とディーン・スタックトラップを備え、窒素パージしている三口フラスコ中へ、1,3−ジクロロベンゼン(2.448g、16.7mmol)、1,4−ジクロロベンゼン(0.612g、4.16mmol)(1,3−ジクロロベンゼンと1,4−ジクロロベンゼンのモル比=80:20)、臭化ニッケル(7.94g、36.4mmol)、2,2’−ビピリジル(11.9g、76.5mmol)、ヨウ化ナトリウム(10.91g、72.8mmol)、ジメチルアセトアミド(DMAc、80mL)、及びトルエン(40mL)を加え、170℃に加熱して、3時間、共沸脱水した。トルエンを留去した後、混合物を60℃に冷却し、合成例2で得られた2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸2,2−ジメチルプロピル(2.82g、9.48mmol)、及び亜鉛(11.92g、182mmol)を添加し、3時間撹拌した。混合物をメタノール(500mL)に滴下して再沈殿した。得られた固体を6N塩酸(500mL)で2回洗浄、さらに純水で濾液が中性となるまで洗浄し、60℃で真空乾燥することにより、スルホン酸基が2,2−ジメチルプロピル基で保護された重合体を得た(3.02g)。次に、得られた重合体(2.48g)をDMAc(20mL)に溶解し、臭化リチウム(1.71g、19.7mmol)を加え、120℃で5時間撹拌した。混合物を6N塩酸に注いで再沈殿し、固形物を塩酸で洗浄、さらに水で濾液が中性になるまで洗浄した後、105℃で真空乾燥することにより、目的とする高分子電解質を1.53g得た(粗生成物の2段階のトータル収率50%)。得られた高分子電解質はNMP及びDMSOのいずれにも溶解した。GPCで測定した分子量は、Mn=38,900、Mw=64,400であった。また、IECは3.26meq./gであった。結果を表2にまとめた。
<Example 11>
1,3-dichlorobenzene (2.448 g, 16.7 mmol), 1,4-dichlorobenzene (0.612 g, 4.4 g) into a three-necked flask equipped with a Liebig condenser and a Dean stack trap and purged with nitrogen. 16 mmol) (molar ratio of 1,3-dichlorobenzene to 1,4-dichlorobenzene = 80: 20), nickel bromide (7.94 g, 36.4 mmol), 2,2′-bipyridyl (11.9 g, 76 0.5 mmol), sodium iodide (10.91 g, 72.8 mmol), dimethylacetamide (DMAc, 80 mL), and toluene (40 mL) were added and heated to 170 ° C. for azeotropic dehydration for 3 hours. After toluene was distilled off, the mixture was cooled to 60 ° C., 2,2-dimethylpropyl 2,5-dimethylpropyl sulfonate (2.82 g, 9.48 mmol) obtained in Synthesis Example 2 and zinc (11 .92 g, 182 mmol) was added and stirred for 3 hours. The mixture was re-precipitated dropwise in methanol (500 mL). The obtained solid was washed twice with 6N hydrochloric acid (500 mL), further washed with pure water until the filtrate became neutral, and vacuum-dried at 60 ° C., so that the sulfonic acid group was 2,2-dimethylpropyl group. A protected polymer was obtained (3.02 g). Next, the obtained polymer (2.48 g) was dissolved in DMAc (20 mL), lithium bromide (1.71 g, 19.7 mmol) was added, and the mixture was stirred at 120 ° C. for 5 hours. The mixture is poured into 6N hydrochloric acid to reprecipitate, the solid is washed with hydrochloric acid, washed with water until the filtrate becomes neutral, and then dried at 105 ° C. under vacuum to obtain 1. 53 g were obtained (total yield of two stages of crude product 50%). The obtained polymer electrolyte was dissolved in both NMP and DMSO. The molecular weights measured by GPC were Mn = 38,900 and Mw = 64,400. The IEC is 3.26 meq. / G. The results are summarized in Table 2.

Figure 2019182954
Figure 2019182954

<実施例12〜15>
1,3−ジクロロベンゼンと1,4−ジクロロベンゼンの仕込み比を表2に示す比に変更した以外は実施例11と同様にして共重合を行い、高分子電解質を得た。粗生成物の収率、分子量、溶解性、IECを表2にまとめた。
<Examples 12 to 15>
Copolymerization was carried out in the same manner as in Example 11 except that the charging ratio of 1,3-dichlorobenzene and 1,4-dichlorobenzene was changed to the ratio shown in Table 2 to obtain a polymer electrolyte. The yield, molecular weight, solubility and IEC of the crude product are summarized in Table 2.

<実施例16>
リービッヒ冷却器とディーン・スタックトラップを備え、窒素パージしている三口フラスコ中へ、臭化ニッケル(7.94g、36.4mmol)、2,2’−ビピリジル(11.9g、76.5mmol)、ヨウ化ナトリウム(10.91g、72.8mmol)、ジメチルアセトアミド(DMAc、80mL)、及びトルエン(40mL)を加え、170℃に加熱して、3時間、共沸脱水した。トルエンを留去した後、混合物を60℃に冷却し、1,3−ジクロロベンゼン(2.448g、16.7mmol)、1,4−ジクロロベンゼン(0.612g、4.16mmol)(1,3−ジクロロベンゼンと1,4−ジクロロベンゼンのモル比=80:20)、合成例2で得られた2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸2,2−ジメチルプロピル(2.82g、9.48mmol)、及び亜鉛(11.92g、182mmol)をこの順で添加し、3時間撹拌した。混合物をメタノール(500mL)に滴下して再沈殿した。得られた固体を6N塩酸(500mL)で2回洗浄、さらに純水で濾液が中性となるまで洗浄し、60℃で真空乾燥することにより、スルホン酸基が2,2−ジメチルプロピル基で保護された重合体を得た。次に、得られた重合体(3.72g)をDMAc(20mL)に溶解し、臭化リチウム(2.60g、29.9mmol)を加え、120℃で5時間撹拌した。混合物を6N塩酸に注いで再沈殿し、固形物を塩酸で洗浄、さらに水で濾液が中性になるまで洗浄した後、105℃で真空乾燥することにより、目的とする高分子電解質を2.75g得た(粗生成物の2段階のトータル収率90%)。得られた高分子電解質はNMP及びDMSOのいずれにも溶解した。GPCで測定した分子量は、Mn=47,100、Mw=110,000であった。また、IECは2.41meq./gであった。結果を表2にまとめた。
<Example 16>
Nickel bromide (7.94 g, 36.4 mmol), 2,2′-bipyridyl (11.9 g, 76.5 mmol) into a nitrogen-purged three-necked flask equipped with a Liebig condenser and a Dean stack trap, Sodium iodide (10.91 g, 72.8 mmol), dimethylacetamide (DMAc, 80 mL) and toluene (40 mL) were added and heated to 170 ° C. for azeotropic dehydration for 3 hours. After the toluene was distilled off, the mixture was cooled to 60 ° C., and 1,3-dichlorobenzene (2.448 g, 16.7 mmol), 1,4-dichlorobenzene (0.612 g, 4.16 mmol) (1,3 -Mole ratio of dichlorobenzene and 1,4-dichlorobenzene = 80: 20), 2,2-dimethylpropyl sulfonate (2,82 g, 9.48 mmol) of 2,5-dichlorobenzenesulfonic acid obtained in Synthesis Example 2. And zinc (11.92 g, 182 mmol) were added in this order and stirred for 3 hours. The mixture was re-precipitated dropwise in methanol (500 mL). The obtained solid was washed twice with 6N hydrochloric acid (500 mL), further washed with pure water until the filtrate became neutral, and vacuum-dried at 60 ° C., so that the sulfonic acid group was 2,2-dimethylpropyl group. A protected polymer was obtained. Next, the obtained polymer (3.72 g) was dissolved in DMAc (20 mL), lithium bromide (2.60 g, 29.9 mmol) was added, and the mixture was stirred at 120 ° C. for 5 hours. The mixture is poured into 6N hydrochloric acid for reprecipitation, the solid is washed with hydrochloric acid, and the filtrate is washed with water until the filtrate is neutral, and then dried at 105 ° C. under vacuum to obtain the desired polymer electrolyte. 75 g was obtained (total yield of two stages of crude product 90%). The obtained polymer electrolyte was dissolved in both NMP and DMSO. The molecular weight measured by GPC was Mn = 47,100 and Mw = 110,000. The IEC is 2.41 meq. / G. The results are summarized in Table 2.

<実施例17〜19>
1,3−ジクロロベンゼンと1,4−ジクロロベンゼンの仕込み比を表2に示す比に変更した以外は実施例16と同様にして共重合を行い、高分子電解質を得た。粗生成物の収率、分子量、溶解性、IECを表2にまとめた。表1及び表2において、「meta:para」は、「メタフェニレンセグメント:パラフェニレンセグメント」を意味する。
<Examples 17 to 19>
Copolymerization was carried out in the same manner as in Example 16 except that the charging ratio of 1,3-dichlorobenzene and 1,4-dichlorobenzene was changed to the ratio shown in Table 2 to obtain a polymer electrolyte. The yield, molecular weight, solubility and IEC of the crude product are summarized in Table 2. In Tables 1 and 2, “meta: para” means “metaphenylene segment: paraphenylene segment”.

<比較例3>
1,4−ジクロロベンゼンを3.06g(20.8mmol)用い、1,3−ジクロロベンゼンを用いない以外は、実施例11と同様にして共重合を行い、高分子電解質を得た(粗生成物の収率85%)。IECは3.11meq./gであった。得られた高分子電解質は、DMSO、NMPに溶解せず、分子量は測定できなかった。
<Comparative Example 3>
Copolymerization was carried out in the same manner as in Example 11 except that 3.06 g (20.8 mmol) of 1,4-dichlorobenzene was used and 1,3-dichlorobenzene was not used to obtain a polymer electrolyte (crude production) Product yield 85%). IEC is 3.11 meq. / G. The obtained polymer electrolyte was not dissolved in DMSO and NMP, and the molecular weight could not be measured.

<参考例1>
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(200mL)、及びトルエン(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、500mLの純水で、60℃で2回洗浄、さらに500mLのメタノールで60℃で1回洗浄し、減圧下、70℃で一晩乾燥させ、下記反応式で示される反応によって疎水部オリゴマーを41.5g得た。GPCによる分子量はMn=5400、Mw=13900であった。
<Reference Example 1>
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 (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 under reduced pressure at 70 ° C. for 4 hours, then washed with 500 mL of pure water twice at 60 ° C., then once with 500 mL of methanol at 60 ° C., and overnight under reduced pressure at 70 ° C. It dried and 41.5g of hydrophobic part oligomers were obtained by reaction shown by the following Reaction Formula. The molecular weight by GPC was Mn = 5400 and Mw = 13900.

Figure 2019182954
Figure 2019182954

リービッヒ冷却器とディーン・スタックトラップを備え、窒素パージしている三つ口フラスコ中へ、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ナトリウム(31.36g,126mmol)、上記で得られた疎水部オリゴマー(16g,3.5mmol)、2,2’−ビピリジル(47.68g,306mmol)、ジメチルスルホキシド(704mL)、トルエン(176mL)を仕込み、170℃で2時間脱水を行なった。水とトルエンを除去後、80℃へと温度を下げ、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)(40g,145.6mmol)を加えて重合を開始した。2時間反応後、放冷し、反応物をメタノール(2L)に注いで再沈殿させた。得られた固体を6mol/L塩酸(2×2L)で洗浄し、さらに濾液が中性になるまで水で繰り返し洗浄した。減圧下、105℃で乾燥し、目的の電解質を29.9g得た(粗生成物の収率84%)。GPCによる分子量はMn=66,600、Mw=137,000であった。また、IECは2.30meq./gであった。   Into a nitrogen-purged three-necked flask equipped with a Liebig condenser and a Dean stack trap, sodium 2,5-dichlorobenzenesulfonate (31.36 g, 126 mmol), the hydrophobic part oligomer obtained above (16 g , 3.5 mmol), 2,2′-bipyridyl (47.68 g, 306 mmol), dimethyl sulfoxide (704 mL) and toluene (176 mL), and dehydration was performed at 170 ° C. for 2 hours. After removing water and toluene, the temperature was lowered to 80 ° C., and bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) (40 g, 145.6 mmol) was added to initiate polymerization. After reacting for 2 hours, the mixture was allowed to cool, and the reaction product was poured into methanol (2 L) to cause reprecipitation. The obtained solid was washed with 6 mol / L hydrochloric acid (2 × 2 L), and further repeatedly washed with water until the filtrate became neutral. It dried at 105 degreeC under pressure reduction, and obtained 29.9g of target electrolyte (84% of yield of a crude product). The molecular weight by GPC was Mn = 66,600 and Mw = 137,000. The IEC is 2.30 meq. / G.

Figure 2019182954
Figure 2019182954

<製膜及び物性評価>
実施例1〜19、及び参考例1で得られた高分子電解質を、塩化メチレン、及びメタノールを用いて洗浄し、DMSOに溶解して、約20重量%の溶液を得た。得られた高分子電解質の溶液をPETフィルム(東レ製ルミラー)上に塗布し、120℃で12時間乾燥させた。得られたフィルムを6N塩酸、さらに純水で洗浄し、膜厚が約25μmの高分子電解質膜を得た。
<Film formation and physical property evaluation>
The polymer electrolytes obtained in Examples 1 to 19 and Reference Example 1 were washed with methylene chloride and methanol and dissolved in DMSO to obtain a solution of about 20% by weight. The obtained polymer electrolyte solution was applied onto a PET film (Toray Lumirror) and dried at 120 ° C. for 12 hours. The obtained film was washed with 6N hydrochloric acid and pure water to obtain a polymer electrolyte membrane having a film thickness of about 25 μm.

実施例1〜19の高分子電解質は、疎水性セグメントのメタフェニレンとパラフェニレンの比が100:0〜10:90の範囲で重合しているので、溶媒に溶解し、製膜が可能であった。中でも実施例1〜4、8〜9、11〜13、及び16〜17の高分子電解質は、疎水性セグメントのメタフェニレンとパラフェニレンの比が100:0〜50:50の範囲にあるため、溶解性が特に優れており、製膜が容易であった。さらに実施例3〜4、8〜9、11〜13、及び16〜17の電解質は、疎水性セグメントのメタフェニレンとパラフェニレンの比が80:20〜50:50の範囲にあるため、溶解性が高いとともに分子量が高く、高分子電解質膜としてより好ましいと言える。   Since the polymer electrolytes of Examples 1 to 19 were polymerized in the ratio of metaphenylene and paraphenylene in the hydrophobic segment in the range of 100: 0 to 10:90, they were dissolved in a solvent and film formation was possible. It was. Among them, the polymer electrolytes of Examples 1 to 4, 8 to 9, 11 to 13, and 16 to 17 have a ratio of metaphenylene and paraphenylene in the hydrophobic segment in the range of 100: 0 to 50:50. The solubility was particularly excellent, and film formation was easy. Furthermore, the electrolytes of Examples 3-4, 8-9, 11-13, and 16-17 have solubility in the hydrophobic segment metaphenylene to paraphenylene ratio of 80:20 to 50:50. And a high molecular weight, it can be said that it is more preferable as a polymer electrolyte membrane.

比較例1〜3の高分子電解質は、メタフェニレンとパラフェニレンの比が100:0〜10:90の範囲を外れているため、溶媒への溶解性が低く、製膜できなかった。   In the polymer electrolytes of Comparative Examples 1 to 3, since the ratio of metaphenylene to paraphenylene was out of the range of 100: 0 to 10:90, the solubility in a solvent was low, and film formation could not be performed.

<膨潤度及びFenton試験>
実施例3、12、及び参考例1の電解質膜の膨潤度測定、及びFenton試験を実施した。結果を表3に示した。
<Swelling degree and Fenton test>
The degree of swelling measurement of the electrolyte membranes of Examples 3 and 12 and Reference Example 1 and the Fenton test were performed. The results are shown in Table 3.

実施例3及び12の電解質膜は、平面方向においては参考例1の電解質膜とほぼ同等、膜厚方向においては、若干小さい膨潤度を示した。実施例3及び12の高分子電解質膜は、主鎖がすべて炭素−炭素結合で連結され、耐酸化性が高いため、Fenton試験後も膜の形状を保っており、重量及び分子量も試験前とほとんど変化がなかった。一方、参考例1の電解質膜は、主鎖中にエーテル結合等のヘテロ結合を含んでいるため、Fenton試験後に膜がちぎれて小片に分解し、重量及び分子量が大きく低下した。   The electrolyte membranes of Examples 3 and 12 showed substantially the same degree as the electrolyte membrane of Reference Example 1 in the plane direction and a slightly smaller degree of swelling in the film thickness direction. In the polymer electrolyte membranes of Examples 3 and 12, all the main chains are connected by carbon-carbon bonds, and the oxidation resistance is high. Therefore, the shape of the membrane is maintained after the Fenton test, and the weight and molecular weight are the same as before the test. There was little change. On the other hand, since the electrolyte membrane of Reference Example 1 contained hetero bonds such as ether bonds in the main chain, the membrane was broken after the Fenton test and decomposed into small pieces, and the weight and molecular weight were greatly reduced.

Figure 2019182954
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Figure 2019182954
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Claims (10)

疎水性セグメント、及び、スルホン酸基を有し、主鎖が主に芳香環からなる親水性セグメントで構成されている高分子電解質であって、
前記疎水性セグメントは、下記一般式(1)で表されるセグメント、または、ランダムに配置された下記一般式(1)で表されるセグメント及び下記一般式(2)で表されるセグメントからなり、
それぞれのセグメントがすべて芳香環の炭素−炭素直接結合で連結されていることを特徴とする高分子電解質。
Figure 2019182954
Figure 2019182954
(前記一般式(1)及び(2)中、yは1〜1500の整数、zは0〜1500の整数を表し、y:zは100:0〜10:90の範囲にある。R1〜R8は、それぞれ独立に、水素、フッ素、アルキル基、パーフルオロアルキル基、アリール基、アラルキル基、またはシアノ基を表す。)
A polymer electrolyte comprising a hydrophobic segment and a hydrophilic segment having a sulfonic acid group and a main chain mainly composed of an aromatic ring,
The hydrophobic segment consists of a segment represented by the following general formula (1), a segment represented by the following general formula (1) and a segment represented by the following general formula (2) arranged randomly. ,
A polymer electrolyte characterized in that each segment is all linked by a carbon-carbon direct bond of an aromatic ring.
Figure 2019182954
Figure 2019182954
(In the general formulas (1) and (2), y represents an integer of 1 to 1500, z represents an integer of 0 to 1500, and y: z is in the range of 100: 0 to 10:90. R 1 to R 8 each independently represents hydrogen, fluorine, an alkyl group, a perfluoroalkyl group, an aryl group, an aralkyl group, or a cyano group.)
前記一般式(1)及び(2)中、y:zが100:0〜50:50である請求項1に記載の高分子電解質。   2. The polymer electrolyte according to claim 1, wherein in the general formulas (1) and (2), y: z is 100: 0 to 50:50. 前記一般式(1)及び(2)中、y:zが80:20〜50:50である請求項1又は2に記載の高分子電解質。   The polymer electrolyte according to claim 1 or 2, wherein y: z is 80:20 to 50:50 in the general formulas (1) and (2). スルホン酸基を有し、主鎖が主に芳香環からなる親水性セグメントが下記式群(3)に表される構造群から選択される1以上の構造を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の高分子電解質。
Figure 2019182954
(前記式群(3)中、mは1〜4の整数、k及びlはそれぞれ0〜4の整数を表し、かつ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−、及び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、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2t−(tは1〜10の整数)、及び−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−、及び−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。)
The hydrophilic segment having a sulfonic acid group and having a main chain mainly composed of an aromatic ring has one or more structures selected from the structural group represented by the following formula group (3). The polymer electrolyte according to any one of -3.
Figure 2019182954
(In the above formula group (3), m is an integer of 1 to 4, k and l are each an integer of 0 to 4, and k + 1 is an integer of 1 or more. P is an integer of 0 to 10, q is An integer of 0 to 10, and 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 —. , Y is —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) t — (t is an integer of 1 to 10), and —C (CF 3 ) 2. - represents at least one structure selected from the group consisting of, Z is a direct bond or, - (CH 2) o - (o is an integer of from 1 to 10), - C (CH 3) 2 -, - O Represents at least one structure selected from the group consisting of — and —S—, wherein Ar 1 is —SO 3 H or —O (CH 2 ) s SO 3 H (s is an integer of 1 to 12). table It represents an aromatic group having a substituent.)
下記一般式(4)で表される構造を有する請求項1〜5のいずれか1項に記載の高分子電解質。
Figure 2019182954
(前記一般式(4)中、xは1〜2000の整数、yは1〜1500の整数、及びzは0〜1500の整数を表し、y:zは100:0〜10:90の範囲にある。)
The polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 5, which has a structure represented by the following general formula (4).
Figure 2019182954
(In the general formula (4), x represents an integer of 1 to 2000, y represents an integer of 1 to 1500, and z represents an integer of 0 to 1500, and y: z is in the range of 100: 0 to 10:90. is there.)
請求項1〜5のいずれか1項に記載の高分子電解質の製造方法であって、
下記一般式(5)で表される化合物、下記一般式(6)で表される化合物、及び式群(7)で表される化合物群から選択される1以上の化合物を、遷移金属化合物の存在下に共重合することを特徴とする高分子電解質の製造方法。
Figure 2019182954
Figure 2019182954
Figure 2019182954
(前記一般式(5)、一般式(6)及び式群(7)中、Halは、塩素、臭素、またはヨウ素、R1〜R8はそれぞれ独立に、水素、フッ素、アルキル基、パーフルオロアルキル基、アリール基、アラルキル基、またはシアノ基を表す。mは1〜4の整数、k及びlはそれぞれ0〜4の整数を表し、かつ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−、及び−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、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−、及び−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。Mは水素、アルカリ金属、炭素数1〜12のアルキル基、炭素数5〜12のシクロアルキル基、炭素数6〜18のアリール基、または炭素数7〜20のアラルキル基を表す。)
A method for producing a polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 5,
One or more compounds selected from a compound represented by the following general formula (5), a compound represented by the following general formula (6), and a compound group represented by the formula group (7), A method for producing a polymer electrolyte, comprising copolymerizing in the presence.
Figure 2019182954
Figure 2019182954
Figure 2019182954
(In the general formula (5), the general formula (6) and the formula group (7), Hal is chlorine, bromine or iodine, and R 1 to R 8 are each independently hydrogen, fluorine, alkyl group, perfluoro. Represents an alkyl group, an aryl group, an aralkyl group, or a cyano group, m represents an integer of 1 to 4, k and l each represents an integer of 0 to 4, and k + 1 represents an integer of 1 or more, and p represents 0 to 0. An integer of 10, q is an integer of 0 to 10, and r is an integer of 1 to 4. X is selected from the group consisting of —CO—, —SO 2 —, and —C (CF 3 ) 2 —. Represents at least one structure, Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) t — (t is an integer of 1 to 10), — Represents at least one structure selected from the group consisting of C (CF 3 ) 2 —, and Z is a direct bond or — (CH 2 ) o. - (o is an integer of from 1 to 10), - C (CH 3) 2 -, - O-, and .Ar 1 representing at least one structure selected from the group consisting of -S- are, -SO 3 An aromatic group having a substituent represented by H or —O (CH 2 ) s SO 3 H (s is an integer of 1 to 12) represents M, hydrogen, an alkali metal, or an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms. Represents a cycloalkyl group having 5 to 12 carbon atoms, an aryl group having 6 to 18 carbon atoms, or an aralkyl group having 7 to 20 carbon atoms.)
請求項1〜5のいずれか1項に記載の高分子電解質を用いた高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte of any one of Claims 1-5. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の高分子電解質を用いた燃料電池用触媒層。   A fuel cell catalyst layer using the polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 5. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の高分子電解質を用いた燃料電池用膜/電極接合体。   The membrane / electrode assembly for fuel cells using the polymer electrolyte of any one of Claims 1-5. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の高分子電解質を用いた燃料電池。   The fuel cell using the polymer electrolyte of any one of Claims 1-5.
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