JP3937912B2 - Electrolyte membrane for direct methanol fuel cell and direct methanol fuel cell using the same - Google Patents

Description

式（Ａ）中、Ｒ〜Ｒ'は互いに同一でも異なっていてもよく、フッ素原子を除くハロゲン原子または−ＯＳＯ₂Ｚ（ここで、Ｚはアルキル基、フッ素置換アルキル基またはアリール基を示す。）で表される基を示す。
Ｚが示すアルキル基としてはメチル基、エチル基などが挙げられ、フッ素置換アルキル基としてはトリフルオロメチル基などが挙げられ、アリール基としてはフェニル基、ｐ−トリル基などが挙げられる。
Ｒ¹〜Ｒ⁸は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基およびアリール基からなる群より選ばれた少なくとも１種の原子または基を示す。
アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基などが挙げられ、メチル基、エチル基などが好ましい。
フッ素置換アルキル基としては、トリフルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基などが挙げられ、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基などが好ましい。
アリル基としては、プロペニル基などが挙げられる。
アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基などが挙げられる。
Ｘは２価の電子吸引性基を示し、電子吸引性基としては、例えば−ＣＯ−、−ＣＯＮＨ−、−（ＣＦ₂）_p−（ここで、ｐは１〜１０の整数である）、−Ｃ（ＣＦ₃）₂−、−ＣＯＯ−、−ＳＯ−、−ＳＯ₂−などが挙げられる。
なお、電子吸引性基とは、ハメット（Hammett）置換基常数がフェニル基のｍ位の場合、０．０６以上、ｐ位の場合、０．０１以上の値となる基をいう。
Ｙは２価の電子供与性基を示し、電子供与性基としては、例えば−Ｏ−、−Ｓ−、−ＣＨ＝ＣＨ−、−Ｃ≡Ｃ−および下記式
【化６】

で表される基などが挙げられる。
ｎは０または正の整数であり、上限は通常１００、好ましくは８０である。
【０００５】
上記一般式（Ａ）で表されるモノマーとして具体的には、例えば４,４'−ジクロロベンゾフェノン、４,４'−ジクロロベンズアニリド、ビス（クロロフェニル）ジフルオロメタン、２,２−ビス（４−クロロフェニル）ヘキサフルオロプロパン、４−クロロ安息香酸−４−クロロフェニル、ビス（４−クロロフェニル）スルホキシド、ビス（４−クロロフェニル）スルホン、これらの化合物において塩素原子が臭素原子またはヨウ素原子に置き換わった化合物、さらにこれらの化合物において４位に置換したハロゲン原子が３位に置換した化合物などが挙げられる。
また、上記一般式（Ａ）で表されるモノマーとして、具体的には、例えば４,４'−ビス（４−クロロベンゾイル）ジフェニルエーテル、４,４'−ビス（４−クロロベンゾイルアミノ）ジフェニルエーテル、４,４'−ビス（４−クロロフェニルスルホニル）ジフェニルエーテル、４,４'−ビス（４−クロロフェニル）ジフェニルエーテルジカルボキシレート、４,４'−ビス〔（４−クロロフェニル）−１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロプロピル〕ジフェニルエーテル、４,４'−ビス〔（４−クロロフェニル）−１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロプロピル〕ジフェニルエーテル、４,４'−ビス〔（４−クロロフェニル）テトラフルオロエチル〕ジフェニルエーテル、これらの化合物において塩素原子が臭素原子またはヨウ素原子に置き換わった化合物、さらにこれらの化合物において４位に置換したハロゲン原子が３位に置換した化合物、さらにこれらの化合物においてジフェニルエーテルの４位に置換した基の少なくとも１つが３位に置換した化合物などが挙げられる。
【０００６】
さらに上記一般式（Ａ）で表されるモノマーとしては、２,２−ビス［４−｛４−（４−クロロベンゾイル）フェノキシ｝フェニル］−１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロプロパン、ビス［４−｛４−（４−クロロベンゾイル）フェノキシ｝フェニル］スルホン、および下記式で表される化合物が挙げられる。
【化７】

【０００７】
上記一般式（Ａ）で表されるモノマーは、例えば以下に示す方法で合成することができる。
まず電子吸引性基で連結されたビスフェノールを対応するビスフェノールのアルカリ金属塩とするために、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ,Ｎ-ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジフェニルスルホン、ジメチルスルホキサイドなどの誘電率の高い極性溶媒中でリチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属、水素化アルカリ金属、水酸化アルカリ金属、アルカリ金属炭酸塩などを加える。
通常、アルカリ金属はフェノールの水酸基に対し、過剰気味で反応させ、通常、１．１〜２倍当量を使用する。好ましくは、１．２〜１．５倍当量の使用である。この際、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、テトラヒドロフラン、アニソール、フェネトールなどの水と共沸する溶媒を共存させて、電子吸引性基で活性化されたフッ素、塩素等のハロゲン原子で置換された芳香族ジハライド化合物、例えば、４,４'−ジフルオロベンゾフェノン、４,４'−ジクロロベンゾフェノン、４,４'−クロロフルオロベンゾフェノン、ビス（４−クロロフェニル）スルホン、ビス（４−フルオロフェニル）スルホン、４−フルオロフェニル−４'−クロロフェニルスルホン、ビス（３−ニトロ−４−クロロフェニル）スルホン、２,６−ジクロロベンゾニトリル、２,６−ジフルオロベンゾニトリル、ヘキサフルオロベンゼン、デカフルオロビフェニル、２,５−ジフルオロベンゾフェノン、１,３−ビス（４−クロロベンゾイル）ベンゼンなどを反応させる。反応性から言えば、フッ素化合物が好ましいが、次の芳香族カップリング反応を考慮した場合、末端が塩素原子となるように芳香族求核置換反応を組み立てる必要がある。活性芳香族ジハライドはビスフェノールに対し、２〜４倍モル、好ましくは２．２〜２．８倍モルの使用である。芳香族求核置換反応の前に予め、ビスフェノールのアルカリ金属塩としていてもよい。反応温度は６０℃〜３００℃で、好ましくは８０℃〜２５０℃の範囲である。反応時間は１５分〜１００時間、好ましくは１時間〜２４時間の範囲である。最も好ましい方法としては、下記式
【化８】

（式中、Ｙは一般式（Ａ）に関して定義した通りである。）
で示される活性芳香族ジハライドとして反応性の異なるハロゲン原子を一個づつ有するクロロフルオロ体を用いることであり、フッ素原子が優先してフェノキシドと求核置換反応が起きるので、目的の活性化された末端クロロ体を得るのに好都合である。
【０００８】
または特開平２−１５９号公報に記載のように求核置換反応と親電子置換反応を組み合わせ、目的の電子吸引性基、電子供与性基からなる屈曲性化合物の合成方法がある。
具体的には電子吸引性基で活性化された芳香族ビスハライド、例えば、ビス（４−クロロフェニル）スルホンをフェノールとで求核置換反応させてビスフェノキシ置換体とする。次いで、この置換体を例えば、４−クロロ安息香酸クロリドとのフリーデルクラフト反応から目的の化合物を得る。ここで用いる電子吸引性基で活性化された芳香族ビスハライドは上記で例示した化合物が適用できる。フェノール化合物は置換されていてもよいが、耐熱性や屈曲性の観点から、無置換化合物が好ましい。なお、フェノールの置換反応にはアルカリ金属塩とするのが、好ましく、使用可能なアルカリ金属化合物は上記に例示した化合物を使用できる。使用量はフェノール１モルに対し、１．２〜２倍モルである。反応に際し、上述した極性溶媒や水との共沸溶媒を用いることができる。ビスフェノキシ化合物を塩化アルミニウム、３フッ化ホウ素、塩化亜鉛などのルイス酸のフリーデルクラフト反応の活性化剤存在下に、アシル化剤として、クロロ安息香酸クロライドを反応させる。クロロ安息香酸クロライドはビスフェノキシ化合物に対し、２〜４倍モル、好ましくは２．２〜３倍モルの使用である。フリーデルクラフト活性化剤は、アシル化剤のクロロ安息香酸などの活性ハライド化合物１モルに対し、１．１〜２倍当量使用する。反応時間は１５分〜１０時間の範囲で、反応温度は−２０℃から８０℃の範囲である。使用溶媒は、フリーデルクラフト反応に不活性な、クロロベンゼンやニトロベンゼンなどを用いることができる。
【０００９】
また、一般式(Ａ)において、ｎが２以上であるモノマー(Ａ)は、例えば、一般式（Ａ）において電子供与性基Ｂであるエーテル性酸素の供給源となるビスフェノールと、電子吸引性基Ａである、＞Ｃ＝Ｏ、−ＳＯ２−、および／または＞Ｃ（ＣＦ_３）_２とを組み合わした、具体的には2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)-1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロパン、2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)ケトン、2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)スルホンなどのビスフェノールのアルカリ金属塩と過剰の4,4-ジクロロベンゾフェノン、ビス(4-クロロフェニル)スルホンなどの活性芳香族ハロゲン化合物との置換反応をＮ-メチル-2-ピロリドン、Ｎ,Ｎ-ジメチルアセトアミド、スルホランなどの極性溶媒存在下で前記単量体の合成手法に順次重合して得られる。
このようなモノマー(Ａ)の例示としては、下記式で表される化合物などを挙げることができる。
【００１０】
【化９】

【化１０】

【化１１】

上記において、ｎは２以上、好ましくは ２〜１００、さらに好ましくは１０〜３０である。
これらの化合物の分子量はメタノール透過性に大きな影響を及ぼし、分子量が高い程、メタノール透過性が低い値を示す。また、分子量が高すぎる場合には、スルホン化重合体の溶液粘度が高くなりすぎ好ましくない。
【００１１】
次に一般式（Ｂ−１）〜（Ｂ−４）で表されるモノマーについて説明する。
（Ｂ−１）
【化１２】

式中、ＲおよびＲ'は互いに同一でも異なっていてもよく、上記一般式（Ａ）中のＲおよびＲ'と同様の基を示す。
Ｒ⁹〜Ｒ¹⁵は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子およびアルキル基からなる群より選ばれた少なくとも１種の原子または基を示す。
Ｒ⁹〜Ｒ¹⁵が示すアルキル基としては、上記一般式（Ａ）中のＲ¹〜Ｒ⁸が示すアルキル基と同様のものが挙げられる。
ｍは０、１または２を示す。
Ｘは上記一般式（Ａ）でＸとして示したものと同様の群から選ばれた２価の電子吸引性基を示す。
Ｙは上記一般式（Ａ）でＹとして示したものと同様の群から選ばれた２価の電子供与性基を示す。
Ｗはフェニル基、ナフチル基および下記式（Ｃ−１）〜（Ｃ−３）で表される基からなる群より選ばれる少なくとも１種の基を示す。
【００１２】
上から（Ｃ−１）、（Ｃ−２）、（Ｃ−３）
【化１３】

式中、Ａは電子供与性基または単結合を示す。電子供与性基としては、上記一般式（Ａ）でＹとして示したものと同様の群から選ばれた２価の電子供与性基が挙げられる。
Ｒ¹⁶およびＲ¹⁷は水素原子、アルキル基およびアリール基からなる群より選ばれる原子または基を示す。Ｒ¹⁶およびＲ¹⁷が示す、アルキル基およびアリール基としては、上記一般式（Ａ）中のＲ¹〜Ｒ⁸が示すアルキル基およびアリール基と同様のものが挙げられる。
Ｒ¹⁸〜Ｒ²⁶は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子およびアルキル基からなる群より選ばれる少なくとも１種の原子または基を示す。
ｑは０または１を示す。
上記一般式（Ｂ−１）で表されるモノマーとしては、下記式で表される化合物が挙げられる。
【化１４】

より具体的には、一般式（Ｂ−１）で表される化合物としては、下記式で表される化合物が挙げられる。
【００１３】
【化１５】

【００１４】
【化１６】

【００１５】
また、上記のような化合物において、塩素原子を臭素原子またはヨウ素原子に置き換えた化合物も例示することができる。
【００１６】
上から（Ｂ−２）、（Ｂ−３）、（Ｂ−４）である。
【化１７】

【００１７】
式（Ｂ−２）〜（Ｂ−４）中、ＲおよびＲ'は互いに同一でも異なっていてもよく、上記一般式（Ａ）中のＲおよびＲ'と同様の基を示す。
Ｒ²⁷〜Ｒ³⁴は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリール基または下記一般式（Ｄ）で表される基を示す。
【００１８】
【化１８】

（Ｄ）
式（Ｄ）中、Ｒ³⁵〜Ｒ⁴³は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基を示す。
Ｒ²⁷〜Ｒ³⁴、Ｒ³⁵〜Ｒ⁴³が示すアルキル基、フッ素置換アルキル基としては、Ｒ¹〜Ｒ⁸が示すアルキル基、フッ素置換アルキル基と同様の基が挙げられる。またＲ²⁷〜Ｒ³⁴が示すアリール基としては、Ｒ¹〜Ｒ⁸が示すアリール基と同様の基が挙げられる。
Ｘは上記一般式（Ａ）でＸとして示したものと同様の群から選ばれた２価の電子吸引性基を示す。
Ｙは上記一般式（Ａ）でＹとして示したものと同様の群から選ばれた２価の電子供与性基を示す。
【００１９】
上記一般式（Ｂ−２）で表されるモノマーとして具体的には、例えばｐ−ジクロロベンゼン、ｐ−ジメチルスルフォニロキシベンゼン、２,５−ジクロロトルエン、２,５−ジメチルスルフォニロキシベンゼン、２,５−ジクロロ−ｐ−キシレン、２,５−ジクロロベンゾトリフルオライド、１,４−ジクロロ−２,３,５,６−テトラフルオロベンゼン、およびこれらの化合物において塩素原子を臭素原子またはヨウ素原子に置き換えた化合物などが挙げられる。
上記一般式（Ｂ−３）で表されるモノマーとして具体的には、例えば４,４'−ジメチルスルフォニロキシビフェニル、４,４'−ジメチルスルフォニロキシ−３,３'−ジプロペニルビフェニル、４,４'−ジブロモビフェニル、４,４'−ジヨードビフェニル、４,４'−ジメチルスルフォニロキシ−３,３'−ジメチルビフェニル、４,４'−ジメチルスルフォニロキシ−３,３'−ジフルオロビフェニル、４,４'−ジメチルスルフォニロキシ−３,３'５,５'−テトラフルオロビフェニル、４,４'−ジブロモオクタフルオロビフェニル、４,４'−ジメチルスルフォニロキシオクタフルオロビフェニルなどが挙げられる。
上記一般式（Ｂ−４）で表されるモノマーとして具体的には、例えばｍ−ジクロロベンゼン、ｍ−ジメチルスルフォニロキシベンゼン、２,４−ジクロロトルエン、３,５−ジクロロトルエン、２,６−ジクロロトルエン、３,５−ジメチルスルフォニロキシトルエン、２,６−ジメチルスルフォニロキシトルエン、２,４−ジクロロベンゾトリフルオライド、３,５−ジクロロベンゾトリフルオライド、１,３−ジブロモ−２,４,５,６−テトラフルオロベンゼン、およびこれらの化合物において塩素原子を臭素原子またはヨウ素原子に置き換えた化合物などが挙げられる。
また、分子量調節剤としては４−クロロベンゾフェノンのような片末端ハロゲン化合物（フッ素を除く）を用いて、所定の分子量に調整できる。
【００２０】
ポリアリーレン系重合体は上記モノマーを触媒の存在下に反応させるが、使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系としては、▲１▼遷移金属塩および配位子となる化合物（以下、「配位子成分」という。）、または配位子が配位された遷移金属錯体（銅塩を含む）、ならびに▲２▼還元剤を必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために、「塩」を添加してもよい。
ここで、遷移金属塩としては、塩化ニッケル、臭化ニッケル、ヨウ化ニッケル、ニッケルアセチルアセトナートなどのニッケル化合物；塩化パラジウム、臭化パラジウム、ヨウ化パラジウムなどのパラジウム化合物；塩化鉄、臭化鉄、ヨウ化鉄などの鉄化合物；塩化コバルト、臭化コバルト、ヨウ化コバルトなどのコバルト化合物などが挙げられる。これらのうち特に、塩化ニッケル、臭化ニッケルなどが好ましい。
また、配位子成分としては、トリフェニルホスフィン、２,２'−ビピリジン、１,５−シクロオクタジエン、１,３−ビス（ジフェニルホスフィノ）プロパンなどが挙げられる。これらのうち、トリフェニルホスフィン、２,２'−ビピリジンが好ましい。上記配位子成分である化合物は、１種単独で、あるいは２種以上を併用することができる。
【００２１】
さらに、配位子が配位された遷移金属錯体としては、例えば、塩化ニッケルビス（トリフェニルホスフィン）、臭化ニッケルビス（トリフェニルホスフィン）、ヨウ化ニッケルビス（トリフェニルホスフィン）、硝酸ニッケルビス（トリフェニルホスフィン）、塩化ニッケル（２,２'−ビピリジン）、臭化ニッケル（２,２'−ビピリジン）、ヨウ化ニッケル（２,２'−ビピリジン）、硝酸ニッケル（２,２'−ビピリジン）、ビス（１,５−シクロオクタジエン）ニッケル、テトラキス（トリフェニルホスフィン）ニッケル、テトラキス（トリフェニルホスファイト）ニッケル、テトラキス（トリフェニルホスフィン）パラジウムなどが挙げられる。これらのうち、塩化ニッケルビス（トリフェニルホスフィン）、塩化ニッケル（２,２'−ビピリジン）が好ましい。
上記触媒系に使用することができる還元剤としては、例えば、鉄、亜鉛、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、ナトリウム、カルシウムなどが挙げられる。これらのうち、亜鉛、マグネシウム、マンガンが好ましい。これらの還元剤は、有機酸などの酸に接触させることにより、より活性化して用いることができる。
【００２２】
また、上記触媒系において使用することのできる「塩」としては、フッ化ナトリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、硫酸ナトリウムなどのナトリウム化合物、フッ化カリウム、塩化カリウム、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、硫酸カリウムなどのカリウム化合物；フッ化テトラエチルアンモニウム、塩化テトラエチルアンモニウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウム、硫酸テトラエチルアンモニウムなどのアンモニウム化合物などが挙げられる。これらのうち、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化カリウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウムが好ましい。
【００２３】
各成分の使用割合は、遷移金属塩または遷移金属錯体が、上記モノマーの総計１モルに対し、通常、０．０００１〜１０モル、好ましくは０．０１〜０．５モルである。０．０００１モル未満では、重合反応が十分に進行しないことがあり、一方、１０モルを超えると、分子量が低下することがある。
触媒系において、遷移金属塩および配位子成分を用いる場合、この配位子成分の使用割合は、遷移金属塩１モルに対し、通常、０．１〜１００モル、好ましくは１〜１０モルである。０．１モル未満では、触媒活性が不十分となることがあり、一方、１００モルを超えると、分子量が低下することがある。
また、還元剤の使用割合は、上記モノマーの総計１モルに対し、通常、０．１〜１００モル、好ましくは１〜１０モルである。０．１モル未満では、重合が十分進行しないことがあり、１００モルを超えると、得られる重合体の精製が困難になることがある。
さらに、「塩」を使用する場合、その使用割合は、上記モノマーの総計１モルに対し、通常、０．００１〜１００モル、好ましくは０．０１〜１モルである。０．００１モル未満では、重合速度を上げる効果が不十分であることがあり、、１００モルを超えると、得られる重合体の精製が困難となることがある。
使用することのできる重合溶媒としては、例えばテトラヒドロフラン、シクロヘキサノン、ジメチルスルホキシド、Ｎ,Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ,Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、γ−ブチロラクトンなどが挙げられる。これらのうち、テトラヒドロフラン、Ｎ,Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ,Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドンが好ましい。これらの重合溶媒は、十分に乾燥してから用いることが好ましい。
重合溶媒中における上記モノマーの総計の濃度は、通常、１〜９０重量％、好ましくは５〜４０重量％である。
また、重合する際の重合温度は、通常、０〜２００℃、好ましくは５０〜１２０℃である。また、重合時間は、通常、０．５〜１００時間、好ましくは１〜４０時間である。
このようにして上記一般式（Ａ）で表されるモノマー（Ａ）と、上記一般式（Ｂ−１）〜（Ｂ−４）で表されるモノマーから選ばれる少なくとも１種のモノマー（Ｂ）を重合させることにより、ポリアリーレンを含む重合溶液が得られる。
【００２４】
次に、本発明の伝導膜に用いられる、スルホン酸基を有する共重合体は、スルホン酸基を有しない上記共重合体に、スルホン化剤を用い、スルホン酸基導入することにより得ることができる。
【００２５】
すなわち、このスルホン化の反応条件としては、上記スルホン酸基を有しない共重合体を、無溶剤下、あるいは溶剤存在下で、上記スルホン化剤と反応させる。
スルホン化の際に使用する溶剤としては、例えばｎ−ヘキサンなどの炭化水素溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどのエーテル系溶剤、Ｎ、Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ、Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドのような非プロトン系極性溶剤のほか、テトラクロロエタン、ジクロロエタン、クロロホルム、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素などが挙げられる。
【００２６】
このようにして得られる、スルホン化重合体の、スルホン酸基量は、０．５〜３ミリグラム当量／ｇ、好ましくは０．８〜２．８ミリグラム当量／ｇである。０．５ミリグラム当量／ｇ未満では、プロトン伝導性が上がらず、一方３ミリグラム当量／ｇを超えると、親水性が向上し、水溶性重合体となってしまうか、また水溶性に至らずとも耐久性が低下する。
上記のスルホン酸基量は、モノマー（Ａ）とモノマー（Ｂ）の使用割合、さらにモノマー（Ａ）の種類、組合せを変えることにより、容易に調整することができる。
【００２７】
また、このようにして得られる本発明のスルホン酸基含有共重合体のスルホン化前の前駆体の重合体の分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、１万〜１００万、好ましくは２万〜８０万である。１万未満では、成形フィルムにクラックが発生するなど、塗膜性が不十分であり、また強度的性質にも問題がある。一方、１００万を超えると、溶解性が不十分となり、また溶液粘度が高く、加工性が不良になるなどの問題がある。
【００２８】
ここで、本発明にかかる直接メタノール型燃料電池の構成について説明する。図１は、当該直接メタノール型燃料電池の構成図である。
図１に示されるように、直接メタノール型燃料電池は、燃料極１と、この燃料極１と接する電解質膜２と、燃料極１と対向して設けられ、電解質膜２と接する空気極３と、燃料極１及び空気極３と接続された外部回路４を備えている。この電解質膜２は、上述の通り、スルホン化ポリアリーレンを包含している。
また、直接メタノール燃料電池は、第１の流路１１、第２の流路１２、第３の流路１３及び第４の流路１４を備えている。この第１の流路１１には、燃料であるメタノール水溶液が供給される。第２の流路１２からは、メタノール分の少なくなった水溶液（二酸化炭素を含む）が排出される。第３の流路１３には、酸素を含む空気が供給される。第４の流路１４からは、酸素の少なくなったガス（水を含む）が排出される。
ここで、直接メタノール型燃料電池において生じる反応について説明する。燃料極１では、メタノールと水とが反応して、二酸化炭素、水素イオンと電子とが生成される。水素イオンは、電解質膜２を通って空気極３に向かい、電子は外部回路４を流れる。即ち、燃料極１では、次の反応が生じる。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻
空気極３では、酸素と燃料極１からきた水素イオンと外部回路４からきた電子とが反応して水になる。即ち、空気極では、次の反応が生じる。
（３／２）Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ
全体としての反応を次のように表すことができる。
ＣＨ_３ＯＨ＋（３／２）Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ
【００２９】
本発明の電解質膜は、高いプロトン伝導度を保持しつつ、優れた低メタノール透過性を示しメタノールを原料として用いる直接メタノール型燃料電池用電解質膜として優れた特性を有しており、家庭用電源向け燃料電池、燃料電池自動車、携帯電話用燃料電池、パソコン用燃料電池、携帯端末用燃料電池、デジタルカメラ用燃料電池、ポータブルＣＤ、ＭＤ用燃料電池、ヘッドホンステレオ用燃料電池、ペットロボット用燃料電池、電動アシスト自転車用燃料電池、電動スクーター用燃料電池等の用途に好適に使用することができる。
【００３０】
以下、本発明を実施例により、さらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。
【実施例】
［測定］
１．スルホン酸等量
得られたスルホン酸基含有重合体の水洗水が中性になるまで洗浄し、フリーの残存している酸を除いて充分に水洗し、乾燥後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解し、フェノールフタレインを指示薬とし、ＮａＯＨの標準液を用いて滴定を行い、中和点から、スルホン酸等量を求めた。
２．分子量の測定
スルホン化前の前駆体重合体の重量平均分子量は、溶剤としてテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）を用い、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）によって、ポリスチレン換算の分子量を求めた。スルホン化物の分子量は、溶剤として臭化リチウムと燐酸を添加したＮ−メチルー２−ピロリドン（ＮＭＰ）を溶離液として用い、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）によって、ポリスチレン換算の分子量を求めた。
３．メタノール透過度の評価
スルホン化物からＮＭＰを溶剤として用いて、キャストフィルムを作製し、５０mmφの開口面積のカップ口にフィルムを貼り付け、フィルム上に１０ｍｌのメタノールを滴下し、恒温恒湿室（２５℃、５０％相対湿度）に６０分放置後のカップ内の塩化カルシウムの重量増加量で測定した。
【００３１】
［参考例 ポリアリーレンの合成］
（オリゴマーの調製）
撹拌機、温度計、冷却管、Dean-Stark管、窒素導入の三方コックをとりつけた１Ｌの三つ口のフラスコに、2.2−ビス(4-ヒドロキシフェニル)-1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロパン(ビスフェノールＡＦ)67.3ｇ（0.20モル）、4,4'-ジクロロベンゾフェノン(4,4'-ＤＣＢＰ)60.3ｇ（0.24モル）、炭酸カリウム71.9ｇ（0.52モル）、Ｎ,Ｎ-ジメチルアセトアミド(ＤＭＡｃ)300ｍＬ、トルエン150ｍＬをとり、オイルバス中、窒素雰囲気下で加熱し撹拌下130℃で反応させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Dean-Stark管で系外に除去しながら反応させると、約３時間で水の生成がほとんど認められなくなった。反応温度を130℃から徐々に150℃まで上げた。その後、反応温度を徐々に150℃まで上げながら大部分のトルエンを除去し、150℃で10時間反応を続けた後、4,4'-ＤＣＢＰ10.0ｇ（0.040モル）を加え、さらに５時間反応した。得られた反応液を放冷後、副生した無機化合物の沈殿物を濾過除去し、濾液を４Ｌのメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収し乾燥後、テトラヒドロフラン300ｍＬに溶解した。これをメタノール４Ｌに再沈殿し、目的の化合物95ｇ（収率85％）を得た。
得られた重合体のＧＰＣ（ＴＨＦ溶媒）で求めたポリスチレン換算の重量平均分子量は12,500であった。また、得られた重合体はＴＨＦ、ＮＭＰ、ＤＭＡｃ、スルホランなどに可溶で、Ｔｇは110℃、熱分解温度は498℃であった。
得られた重合体は式（Ｉ）：
【化１９】

で表される構造を有することが推定される。
【００３２】
（ポリアリーレン系共重合体の合成）
上記で得られた式（Ｉ）のオリゴマー２５．４ｇ（２．０３ｍｍｏｌ）、２，５−ジクロロ−４’−（４−フェノキシ）フェノキシベンゾフェノン（ＤＣＰＰＢ）２９．６ｇ（６７．９ｍｍｏｌ）、ビス（トリフェニルホスフィン）ニッケルジクロリド１．３７ｇ（２．１ｍｍｏｌ）、よう化ナトリウム１．３６ｇ（９．０７ｍｍｏｌ）、トリフェニルホスフィン７．３４ｇ（２８．０ｍｍｏｌ）、亜鉛末１１．０ｇ（１６８ｍｍｏｌ）をフラスコにとり、乾燥窒素置換した。N-メチル−２−ピロリドン１３０ｍｌを加え、８０℃に加熱し、４時間攪拌し、重合をおこなった。重合溶液をＴＨＦで希釈し、塩酸/メタノールで凝固回収し、メタノール洗滌を繰り返し、ＴＨＦで溶解、メタノールへ再沈殿による精製し、濾集した重合体を真空乾燥し目的の共重合体４８．５ｇ（９７％）を得た。 ＧＰＣ（ＴＨＦ）で求めたポリスチレン換算の数平均分子量は４３０００、重量平均分子量は１６１０００であった。
【００３３】
実施例１．
上記で得た共重合体２５ｇを攪拌装置、温度計を取り付けた１０００ｍｌのセパラブルフラスコに入れ、濃度９６．４％硫酸７５０ｍｌを加え、内温を２５℃に保ちながら窒素気流下で２４時間攪拌した。得られた溶液を大量のイオン交換水の中に注ぎ入れ、重合体を沈殿させた。洗浄水のｐＨが５になるまで重合体の洗浄を繰り返した。乾燥して、２９ｇ（９６％）のスルホン酸基含有重合体を得た。スルホン酸基含有重合体のGPC(NMP)で求めたポリスチレン換算の数平均分子量は６７，０００、重量平均分子量は２７７，０００であった。本スルホン酸基含有重合体のスルホン酸等量は１．９mg等量／ｇであった。
本スルホン化ポリマーから作製したフィルム（膜厚５１μｍ）のメタノール透過度は1480 g/m²であった。
比較例．
パーフルオロアルキルスルホン酸（商品名（登録商標）：Nafion 112、DuPont社製）のキャストフィルム（膜厚５３μｍ）のメタノール透過度は2600 g/m²であった。
【００３４】
【発明の効果】
本発明により、高いプロトン伝導度を有しかつメタノール透過性が改良された直接メタノール型燃料電池用電解質膜及びこの電解質膜を用いた直接メタノール型燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる直接メタノール型燃料電池の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料極（負極） ２ 電界質膜 ３ 空気極（正極）
４ 外部回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrolyte membrane used in a direct methanol fuel cell in which methanol is directly supplied to a cell without being reformed into hydrogen to generate electric power, and a direct methanol fuel cell using the electrolyte membrane.
[0002]
[Prior art]
The direct methanol fuel cell (DMFC), which generates electricity by supplying methanol directly to the cell without reforming it into hydrogen, has features such as power generation performance, ease of handling, and simplicity of the system. As a portable power source for personal computers and the like, it is attracting attention as a power source that replaces the conventional lithium ion battery.
As the electrolyte membrane for DMFC, a perfluoroalkylsulfonic acid ion conductive membrane has been used.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The perfluoroalkyl sulfonic acid ion conductive membrane has a high methanol permeability, so that methanol leaks from the anode to the cathode as the water molecules move, so-called crossover occurs. There is a problem of significantly lowering. For this reason, it must be used as a low-concentration aqueous methanol solution, and the power generation efficiency must be greatly reduced.
The object of the present invention was made against the background of the above-described conventional technical problems, and used an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell having high proton conductivity and improved methanol permeability, and the electrolyte membrane. It is to provide a direct methanol fuel cell.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell containing a sulfonated polyarylene having improved methanol permeability, and a direct methanol fuel cell using this electrolyte membrane.
As a polyarylene polymer in the present invention, a monomer (A) represented by the following general formula (A) and at least one monomer selected from the following general formulas (B-1) to (B-4) ( A sulfonated polymer obtained by reacting with B) is used.
(A)
[Chemical formula 5]

In formula (A), R to R ′ may be the same as or different from each other, and are a halogen atom excluding a fluorine atom or —OSO ₂ Z (where Z represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group). ) Is represented.
Examples of the alkyl group represented by Z include a methyl group and an ethyl group, examples of the fluorine-substituted alkyl group include a trifluoromethyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a p-tolyl group.
R ^{1 to} R ⁸ may be the same as or different from each other, and represent at least one atom or group selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, and an aryl group. .
Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, and a hexyl group, and a methyl group and an ethyl group are preferable.
Examples of the fluorine-substituted alkyl group include trifluoromethyl group, perfluoroethyl group, perfluoropropyl group, perfluorobutyl group, perfluoropentyl group, perfluorohexyl group, trifluoromethyl group, pentafluoroethyl group, and the like. Etc. are preferable.
Examples of the allyl group include a propenyl group.
Examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.
X is a divalent electron-withdrawing group, the electron withdrawing group, e.g. -CO -, - CONH -, - (CF 2) p - ( wherein, p is an integer of 1 to 10), —C (CF ₃ ) ₂ —, —COO—, —SO—, —SO ₂ — and the like can be mentioned.
The electron-withdrawing group means a group having a Hammett substituent constant of 0.06 or more when the phenyl group is in the m-position and 0.01 or more when the p-position is p-position.
Y represents a divalent electron-donating group, and examples of the electron-donating group include —O—, —S—, —CH═CH—, —C≡C—, and the following formula:

Group represented by these.
n is 0 or a positive integer, and the upper limit is usually 100, preferably 80.
[0005]
Specific examples of the monomer represented by the general formula (A) include 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzanilide, bis (chlorophenyl) difluoromethane, and 2,2-bis (4- Chlorophenyl) hexafluoropropane, 4-chlorobenzoic acid-4-chlorophenyl, bis (4-chlorophenyl) sulfoxide, bis (4-chlorophenyl) sulfone, compounds in which the chlorine atom is replaced by a bromine atom or an iodine atom, and Examples of these compounds include compounds in which a halogen atom substituted at the 4-position is substituted at the 3-position.
Specific examples of the monomer represented by the general formula (A) include 4,4′-bis (4-chlorobenzoyl) diphenyl ether, 4,4′-bis (4-chlorobenzoylamino) diphenyl ether, 4,4′-bis (4-chlorophenylsulfonyl) diphenyl ether, 4,4′-bis (4-chlorophenyl) diphenyl ether dicarboxylate, 4,4′-bis [(4-chlorophenyl) -1,1,1,3 , 3,3-hexafluoropropyl] diphenyl ether, 4,4′-bis [(4-chlorophenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropyl] diphenyl ether, 4,4′-bis [( 4-chlorophenyl) tetrafluoroethyl] diphenyl ether, a compound in which the chlorine atom is replaced by a bromine atom or an iodine atom in these compounds Further compounds substituted with a halogen atom position 3 substituted at the 4-position in these compounds, and the like additionally at least one compound substituted in the 3-position of the group obtained by substituting at the 4-position of diphenyl ether in these compounds.
[0006]
Further, the monomer represented by the general formula (A) is 2,2-bis [4- {4- (4-chlorobenzoyl) phenoxy} phenyl] -1,1,1,3,3,3-hexa. Examples thereof include fluoropropane, bis [4- {4- (4-chlorobenzoyl) phenoxy} phenyl] sulfone, and compounds represented by the following formulae.
[Chemical 7]

[0007]
The monomer represented by the general formula (A) can be synthesized, for example, by the method shown below.
First, in order to convert the bisphenol linked by an electron-withdrawing group to the corresponding alkali metal salt of bisphenol, dielectrics such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, sulfolane, diphenylsulfone, dimethylsulfoxide, etc. Add an alkali metal such as lithium, sodium or potassium, an alkali metal hydride, an alkali metal hydroxide, an alkali metal carbonate or the like in a polar solvent having a high rate.
Usually, the alkali metal is reacted in excess with respect to the hydroxyl group of phenol, and usually 1.1 to 2 times equivalent is used. Preferably, 1.2 to 1.5 times equivalent is used. In this case, fluorine, chlorine, etc. activated with an electron-withdrawing group in the presence of azeotropic solvent such as benzene, toluene, xylene, hexane, cyclohexane, octane, chlorobenzene, dioxane, tetrahydrofuran, anisole, phenetole, etc. Aromatic halogen-substituted aromatic dihalide compounds such as 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-chlorofluorobenzophenone, bis (4-chlorophenyl) sulfone, bis (4 -Fluorophenyl) sulfone, 4-fluorophenyl-4'-chlorophenylsulfone, bis (3-nitro-4-chlorophenyl) sulfone, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, hexafluorobenzene, deca Fluorobiphenyl, , 5-difluorobenzophenone, 1,3-bis (4-chlorobenzoyl) reacting benzene. In terms of reactivity, a fluorine compound is preferable, but in consideration of the following aromatic coupling reaction, it is necessary to assemble an aromatic nucleophilic substitution reaction so that the terminal is a chlorine atom. The active aromatic dihalide is used in an amount of 2 to 4 times mol, preferably 2.2 to 2.8 times mol, of bisphenol. Prior to the aromatic nucleophilic substitution reaction, an alkali metal salt of bisphenol may be used. The reaction temperature is 60 ° C to 300 ° C, preferably 80 ° C to 250 ° C. The reaction time ranges from 15 minutes to 100 hours, preferably from 1 hour to 24 hours. As the most preferred method, the following formula:

(Wherein Y is as defined for general formula (A).)
As the active aromatic dihalide, a chlorofluoro product having one halogen atom having a different reactivity is used, and a nucleophilic substitution reaction with phenoxide takes place preferentially with a fluorine atom. Convenient for obtaining the chloro form.
[0008]
Alternatively, as described in JP-A-2-159, there is a method for synthesizing a flexible compound comprising a target electron-withdrawing group and electron-donating group by combining a nucleophilic substitution reaction and an electrophilic substitution reaction.
Specifically, an aromatic bishalide activated with an electron-withdrawing group, for example, bis (4-chlorophenyl) sulfone is subjected to a nucleophilic substitution reaction with phenol to obtain a bisphenoxy-substituted product. Then, the desired compound is obtained from the Friedel-Craft reaction of this substituent with, for example, 4-chlorobenzoic acid chloride. As the aromatic bishalide activated with the electron-withdrawing group used here, the compounds exemplified above can be applied. The phenol compound may be substituted, but an unsubstituted compound is preferable from the viewpoint of heat resistance and flexibility. In addition, it is preferable to use an alkali metal salt for the phenol substitution reaction, and as the usable alkali metal compound, the compounds exemplified above can be used. The amount used is 1.2 to 2 moles per mole of phenol. In the reaction, the polar solvent described above or an azeotropic solvent with water can be used. The bisphenoxy compound is reacted with chlorobenzoic acid chloride as an acylating agent in the presence of an activator for the Friedel-Crafts reaction of Lewis acids such as aluminum chloride, boron trifluoride, and zinc chloride. Chlorobenzoic acid chloride is used in an amount of 2 to 4 times mol, preferably 2.2 to 3 times mol, of the bisphenoxy compound. The Friedel-Craft activator is used in an amount of 1.1 to 2 times the amount of an active halide compound such as chlorobenzoic acid as an acylating agent. The reaction time ranges from 15 minutes to 10 hours, and the reaction temperature ranges from -20 ° C to 80 ° C. As the solvent used, chlorobenzene, nitrobenzene and the like which are inert to Friedel-Crafts reaction can be used.
[0009]
In addition, in the general formula (A), the monomer (A) in which n is 2 or more includes, for example, bisphenol serving as a source of etheric oxygen that is the electron donating group B in the general formula (A), and electron withdrawing property. In combination with the group A,> C═O, —SO 2 — and / or> C (CF ₃ ) ₂ , specifically 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1 , 3,3,3-hexafluoropropane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) sulfone and other alkali metal salts of bisphenol and excess 4,4- A substitution reaction with an active aromatic halogen compound such as dichlorobenzophenone or bis (4-chlorophenyl) sulfone is carried out in the presence of a polar solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide or sulfolane. Obtained by sequential polymerization in a synthetic manner.
Examples of such a monomer (A) include compounds represented by the following formulas.
[0010]
[Chemical 9]

[Chemical Formula 10]

Embedded image

In the above, n is 2 or more, preferably 2 to 100, more preferably 10 to 30.
The molecular weight of these compounds greatly affects methanol permeability, and the higher the molecular weight, the lower the methanol permeability. On the other hand, when the molecular weight is too high, the solution viscosity of the sulfonated polymer becomes too high, which is not preferable.
[0011]
Next, the monomers represented by the general formulas (B-1) to (B-4) will be described.
(B-1)
Embedded image

In the formula, R and R ′ may be the same as or different from each other, and represent the same groups as R and R ′ in the general formula (A).
R ^{9 to} R ¹⁵ may be the same as or different from each other, and represent at least one atom or group selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, and an alkyl group.
Examples of the alkyl group represented by R ^{9 to} R ¹⁵ include the same alkyl groups as those represented by R ^{1 to} R ⁸ in the general formula (A).
m represents 0, 1 or 2;
X represents a divalent electron-withdrawing group selected from the same group as that represented by X in the general formula (A).
Y represents a divalent electron-donating group selected from the same group as that shown as Y in the general formula (A).
W represents at least one group selected from the group consisting of a phenyl group, a naphthyl group, and groups represented by the following formulas (C-1) to (C-3).
[0012]
From the top (C-1), (C-2), (C-3)
Embedded image

In the formula, A represents an electron donating group or a single bond. Examples of the electron donating group include divalent electron donating groups selected from the same group as those represented by Y in the general formula (A).
R ¹⁶ and R ¹⁷ represent an atom or group selected from the group consisting of a hydrogen atom, an alkyl group and an aryl group. Examples of the alkyl group and aryl group represented by R ¹⁶ and R ¹⁷ include the same alkyl groups and aryl groups represented by R ^{1 to} R ⁸ in the general formula (A).
R ^{18 to} R ²⁶ may be the same as or different from each other, and represent at least one atom or group selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, and an alkyl group.
q represents 0 or 1;
Examples of the monomer represented by the general formula (B-1) include compounds represented by the following formula.
Embedded image

More specifically, examples of the compound represented by the general formula (B-1) include compounds represented by the following formula.
[0013]
Embedded image

[0014]
Embedded image

[0015]
Moreover, the compound which replaced the chlorine atom by the bromine atom or the iodine atom in the above compounds can also be illustrated.
[0016]
From the top, (B-2), (B-3), and (B-4).
Embedded image

[0017]
In formulas (B-2) to (B-4), R and R ′ may be the same as or different from each other, and represent the same groups as R and R ′ in general formula (A).
R ^{27 to} R ³⁴ may be the same as or different from each other, and each represents a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an aryl group, or a group represented by the following general formula (D).
[0018]
Embedded image

(D)
In formula (D), R ^{35 to} R ⁴³ may be the same as or different from each other, and each represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, or a fluorine-substituted alkyl group.
Examples of the alkyl group and fluorine-substituted alkyl group represented by R ^{27 to} R ³⁴ and R ^{35 to} R ⁴³ include the same groups as the alkyl group and fluorine-substituted alkyl group represented by R ^{1 to} R ⁸ . Examples of the aryl group represented by R ^{27 to} R ³⁴ include the same groups as the aryl groups represented by R ^{1 to} R ⁸ .
X represents a divalent electron-withdrawing group selected from the same group as that represented by X in the general formula (A).
Y represents a divalent electron-donating group selected from the same group as that shown as Y in the general formula (A).
[0019]
Specific examples of the monomer represented by the general formula (B-2) include p-dichlorobenzene, p-dimethylsulfonyloxybenzene, 2,5-dichlorotoluene, 2,5-dimethylsulfonyloxybenzene, 2,5-dichloro-p-xylene, 2,5-dichlorobenzotrifluoride, 1,4-dichloro-2,3,5,6-tetrafluorobenzene, and in these compounds, a chlorine atom is a bromine atom or an iodine atom And the like.
Specific examples of the monomer represented by the general formula (B-3) include, for example, 4,4′-dimethylsulfonyloxybiphenyl, 4,4′-dimethylsulfonyloxy-3,3′-dipropenylbiphenyl, 4,4′-dibromobiphenyl, 4,4′-diiodobiphenyl, 4,4′-dimethylsulfonyloxy-3,3′-dimethylbiphenyl, 4,4′-dimethylsulfonyloxy-3,3′- Difluorobiphenyl, 4,4′-dimethylsulfonyloxy-3,3′5,5′-tetrafluorobiphenyl, 4,4′-dibromooctafluorobiphenyl, 4,4′-dimethylsulfonyloxyoctafluorobiphenyl, etc. Can be mentioned.
Specific examples of the monomer represented by the general formula (B-4) include m-dichlorobenzene, m-dimethylsulfonyloxybenzene, 2,4-dichlorotoluene, 3,5-dichlorotoluene, and 2,6. -Dichlorotoluene, 3,5-dimethylsulfonyloxytoluene, 2,6-dimethylsulfonyloxytoluene, 2,4-dichlorobenzotrifluoride, 3,5-dichlorobenzotrifluoride, 1,3-dibromo-2, Examples include 4,5,6-tetrafluorobenzene, and compounds in which the chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom in these compounds.
The molecular weight regulator can be adjusted to a predetermined molecular weight using a one-terminal halogen compound (excluding fluorine) such as 4-chlorobenzophenone.
[0020]
The polyarylene polymer reacts the above monomer in the presence of a catalyst, and the catalyst used is a catalyst system containing a transition metal compound. As this catalyst system, (1) a transition metal salt and a ligand are used. A compound (hereinafter referred to as “ligand component”) or a transition metal complex coordinated with a ligand (including a copper salt) and (2) a reducing agent as essential components, In order to increase the “salt”, “salt” may be added.
Here, as the transition metal salt, nickel compounds such as nickel chloride, nickel bromide, nickel iodide and nickel acetylacetonate; palladium compounds such as palladium chloride, palladium bromide and palladium iodide; iron chloride and iron bromide And iron compounds such as iron iodide; cobalt compounds such as cobalt chloride, cobalt bromide, and cobalt iodide. Of these, nickel chloride, nickel bromide and the like are particularly preferable.
Examples of the ligand component include triphenylphosphine, 2,2′-bipyridine, 1,5-cyclooctadiene, 1,3-bis (diphenylphosphino) propane, and the like. Of these, triphenylphosphine and 2,2′-bipyridine are preferred. The compound which is the said ligand component can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
[0021]
Furthermore, as the transition metal complex in which the ligand is coordinated, for example, nickel chloride bis (triphenylphosphine), nickel bromide bis (triphenylphosphine), nickel iodide bis (triphenylphosphine), nickel nitrate bis (Triphenylphosphine), nickel chloride (2,2'-bipyridine), nickel bromide (2,2'-bipyridine), nickel iodide (2,2'-bipyridine), nickel nitrate (2,2'-bipyridine) ), Bis (1,5-cyclooctadiene) nickel, tetrakis (triphenylphosphine) nickel, tetrakis (triphenylphosphite) nickel, tetrakis (triphenylphosphine) palladium and the like. Of these, nickel chloride bis (triphenylphosphine) and nickel chloride (2,2′-bipyridine) are preferred.
Examples of the reducing agent that can be used in the catalyst system include iron, zinc, manganese, aluminum, magnesium, sodium, calcium, and the like. Of these, zinc, magnesium and manganese are preferred. These reducing agents can be used after being more activated by bringing them into contact with an acid such as an organic acid.
[0022]
Examples of the “salt” that can be used in the above catalyst system include sodium compounds such as sodium fluoride, sodium chloride, sodium bromide, sodium iodide, sodium sulfate, potassium fluoride, potassium chloride, potassium bromide, Examples include potassium compounds such as potassium iodide and potassium sulfate; ammonium compounds such as tetraethylammonium fluoride, tetraethylammonium chloride, tetraethylammonium bromide, tetraethylammonium iodide, and tetraethylammonium sulfate. Of these, sodium bromide, sodium iodide, potassium bromide, tetraethylammonium bromide, and tetraethylammonium iodide are preferred.
[0023]
The proportion of each component used is usually 0.0001 to 10 mol, preferably 0.01 to 0.5 mol, per 1 mol of the total amount of the above monomers of the transition metal salt or transition metal complex. When the amount is less than 0.0001 mol, the polymerization reaction may not proceed sufficiently. On the other hand, when the amount exceeds 10 mol, the molecular weight may decrease.
When a transition metal salt and a ligand component are used in the catalyst system, the ratio of the ligand component used is usually 0.1 to 100 mol, preferably 1 to 10 mol, per 1 mol of the transition metal salt. is there. If the amount is less than 0.1 mol, the catalytic activity may be insufficient. On the other hand, if the amount exceeds 100 mol, the molecular weight may decrease.
Moreover, the usage-amount of a reducing agent is 0.1-100 mol normally with respect to the total of 1 mol of the said monomer, Preferably it is 1-10 mol. If the amount is less than 0.1 mol, polymerization may not proceed sufficiently. If the amount exceeds 100 mol, purification of the resulting polymer may be difficult.
Furthermore, when using "salt", the usage-ratio is 0.001-100 mol normally with respect to the total of 1 mol of the said monomer, Preferably it is 0.01-1 mol. If it is less than 0.001 mol, the effect of increasing the polymerization rate may be insufficient, and if it exceeds 100 mol, purification of the resulting polymer may be difficult.
Examples of the polymerization solvent that can be used include tetrahydrofuran, cyclohexanone, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, and γ-butyrolactone. Of these, tetrahydrofuran, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, and N-methyl-2-pyrrolidone are preferable. These polymerization solvents are preferably used after sufficiently dried.
The total concentration of the monomers in the polymerization solvent is usually 1 to 90% by weight, preferably 5 to 40% by weight.
Moreover, the superposition | polymerization temperature at the time of superposing | polymerizing is 0-200 degreeC normally, Preferably it is 50-120 degreeC. The polymerization time is usually 0.5 to 100 hours, preferably 1 to 40 hours.
Thus, the monomer (A) represented by the general formula (A) and at least one monomer (B) selected from the monomers represented by the general formulas (B-1) to (B-4) Is polymerized to obtain a polymerization solution containing polyarylene.
[0024]
Next, the copolymer having a sulfonic acid group used in the conductive membrane of the present invention can be obtained by introducing a sulfonic acid group into the copolymer having no sulfonic acid group using a sulfonating agent. it can.
[0025]
That is, as the reaction conditions for the sulfonation, the copolymer having no sulfonic acid group is reacted with the sulfonating agent in the absence of a solvent or in the presence of a solvent.
Examples of the solvent used for sulfonation include hydrocarbon solvents such as n-hexane, ether solvents such as tetrahydrofuran and dioxane, non-solvents such as N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, and dimethylsulfoxide. In addition to the protonic polar solvent, halogenated hydrocarbons such as tetrachloroethane, dichloroethane, chloroform, and methylene chloride are listed.
[0026]
The sulfonated polymer thus obtained has a sulfonic acid group amount of 0.5 to 3 milligram equivalent / g, preferably 0.8 to 2.8 milligram equivalent / g. When the amount is less than 0.5 milligram equivalent / g, proton conductivity does not increase. On the other hand, when the amount exceeds 3 milligram equivalent / g, hydrophilicity is improved, and a water-soluble polymer is obtained. Durability decreases.
The amount of the sulfonic acid group can be easily adjusted by changing the use ratio of the monomer (A) and the monomer (B), and the type and combination of the monomer (A).
[0027]
In addition, the molecular weight of the precursor polymer before sulfonation of the sulfonic acid group-containing copolymer of the present invention obtained in this way is a polystyrene equivalent weight average molecular weight of 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000. If it is less than 10,000, the coating film properties are insufficient, such as cracks occurring in the molded film, and there are also problems with the strength properties. On the other hand, when it exceeds 1,000,000, there are problems such as insufficient solubility, high solution viscosity, and poor workability.
[0028]
Here, the configuration of the direct methanol fuel cell according to the present invention will be described. FIG. 1 is a configuration diagram of the direct methanol fuel cell.
As shown in FIG. 1, the direct methanol fuel cell includes a fuel electrode 1, an electrolyte membrane 2 in contact with the fuel electrode 1, and an air electrode 3 provided to face the fuel electrode 1 and in contact with the electrolyte membrane 2. And an external circuit 4 connected to the fuel electrode 1 and the air electrode 3. As described above, the electrolyte membrane 2 includes sulfonated polyarylene.
Further, the direct methanol fuel cell includes a first flow path 11, a second flow path 12, a third flow path 13, and a fourth flow path 14. The first flow path 11 is supplied with a methanol aqueous solution as a fuel. From the second flow path 12, an aqueous solution (including carbon dioxide) with a reduced amount of methanol is discharged. Air containing oxygen is supplied to the third flow path 13. From the fourth flow path 14, gas (including water) with reduced oxygen is discharged.
Here, the reaction occurring in the direct methanol fuel cell will be described. In the fuel electrode 1, methanol and water react to generate carbon dioxide, hydrogen ions, and electrons. Hydrogen ions pass through the electrolyte membrane 2 toward the air electrode 3, and electrons flow through the external circuit 4. That is, the following reaction occurs in the fuel electrode 1.
CH ₃ OH + H ₂ O → CO ₂ + 6H ⁺ + 6e ⁻
In the air electrode 3, oxygen, hydrogen ions from the fuel electrode 1, and electrons from the external circuit 4 react to become water. That is, the following reaction occurs at the air electrode.
(3/2) O ₂ + 6H ⁺ + 6e ⁻ → 3H ₂ O
The overall reaction can be expressed as:
CH ₃ OH + (3/2) O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O
[0029]
The electrolyte membrane of the present invention exhibits excellent low methanol permeability while maintaining high proton conductivity and has excellent characteristics as an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell using methanol as a raw material. Fuel cell, fuel cell vehicle, mobile phone fuel cell, personal computer fuel cell, mobile terminal fuel cell, digital camera fuel cell, portable CD, MD fuel cell, headphone stereo fuel cell, pet robot fuel cell It can be suitably used for applications such as a fuel cell for an electric assist bicycle and a fuel cell for an electric scooter.
[0030]
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
【Example】
[Measurement]
1. Equivalent amount of sulfonic acid Washed with water until the sulfonic acid group-containing polymer was washed with water until it became neutral, thoroughly washed with water except the remaining free acid, dried, weighed a predetermined amount, THF It was dissolved in a mixed solvent of water / water, titrated with a standard solution of NaOH using phenolphthalein as an indicator, and an equivalent amount of sulfonic acid was determined from the neutralization point.
2. Measurement of molecular weight The molecular weight in terms of polystyrene was determined by gel permeation chromatography (GPC) using tetrahydrofuran (THF) as a solvent for the weight average molecular weight of the precursor polymer before sulfonation. The molecular weight of the sulfonated product was determined by gel permeation chromatography (GPC) using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) added with lithium bromide and phosphoric acid as a solvent as an eluent.
3. Evaluation of methanol permeability Using NMP as a solvent, a cast film was prepared from a sulfonated product, and a film was attached to a cup mouth having an opening area of 50 mmφ, and 10 ml of methanol was dropped on the film, and a constant temperature and humidity chamber (25 Measured in terms of weight increase of calcium chloride in the cup after being allowed to stand at 60 ° C. and 50% relative humidity) for 60 minutes.
[0031]
[Reference Example Synthesis of polyarylene]
(Preparation of oligomer)
To a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, cooling tube, Dean-Stark tube, and three-way cock for introducing nitrogen, add 2.2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3 , 3-hexafluoropropane (bisphenol AF) 67.3 g (0.20 mol), 4,4′-dichlorobenzophenone (4,4′-DCBP) 60.3 g (0.24 mol), potassium carbonate 71.9 g (0.52 mol), N, N-dimethylacetamide (DMAc) (300 mL) and toluene (150 mL) were taken, heated in an oil bath in a nitrogen atmosphere, and reacted at 130 ° C. with stirring. When water produced by the reaction was azeotroped with toluene and reacted while being removed from the system with a Dean-Stark tube, almost no water was produced in about 3 hours. The reaction temperature was gradually increased from 130 ° C to 150 ° C. After that, most of the toluene was removed while gradually raising the reaction temperature to 150 ° C., and the reaction was continued at 150 ° C. for 10 hours. Then, 10.0 g (0.040 mol) of 4,4′-DCBP was added, and the reaction was continued for another 5 hours. did. The resulting reaction solution was allowed to cool, and then the by-product inorganic compound precipitate was removed by filtration, and the filtrate was put into 4 L of methanol. The precipitated product was separated by filtration, collected, dried, and dissolved in 300 mL of tetrahydrofuran. This was reprecipitated in 4 L of methanol to obtain 95 g (yield 85%) of the target compound.
The weight average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (THF solvent) of the obtained polymer was 12,500. Further, the obtained polymer was soluble in THF, NMP, DMAc, sulfolane and the like, Tg was 110 ° C., and thermal decomposition temperature was 498 ° C.
The resulting polymer has the formula (I):
Embedded image

It is presumed to have a structure represented by
[0032]
(Synthesis of polyarylene copolymer)
25.4 g (2.03 mmol) of the oligomer of formula (I) obtained above, 2,9.6 g (67.9 mmol) of 2,5-dichloro-4 ′-(4-phenoxy) phenoxybenzophenone (DCPPB), bis ( Triphenylphosphine) nickel dichloride 1.37 g (2.1 mmol), sodium iodide 1.36 g (9.07 mmol), triphenylphosphine 7.34 g (28.0 mmol), zinc powder 11.0 g (168 mmol) were placed in a flask. Replaced with dry nitrogen. 130 ml of N-methyl-2-pyrrolidone was added, heated to 80 ° C., and stirred for 4 hours to carry out polymerization. The polymerization solution is diluted with THF, coagulated and recovered with hydrochloric acid / methanol, repeatedly washed with methanol, dissolved in THF, purified by reprecipitation into methanol, and the collected polymer is vacuum-dried to obtain 48.5 g of the desired copolymer. (97%) was obtained. The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (THF) was 43,000, and the weight average molecular weight was 161,000.
[0033]
Example 1.
25 g of the copolymer obtained above was put into a 1000 ml separable flask equipped with a stirrer and a thermometer, 750 ml of sulfuric acid with a concentration of 96.4% was added, and the mixture was stirred for 24 hours under a nitrogen stream while keeping the internal temperature at 25 ° C. did. The obtained solution was poured into a large amount of ion exchange water to precipitate a polymer. The washing of the polymer was repeated until the washing water had a pH of 5. By drying, 29 g (96%) of a sulfonic acid group-containing polymer was obtained. The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (NMP) of the sulfonic acid group-containing polymer was 67,000, and the weight average molecular weight was 277,000. The sulfonic acid equivalent of this sulfonic acid group-containing polymer was 1.9 mg equivalent / g.
The film made from this sulfonated polymer (film thickness 51 μm) had a methanol permeability of 1480 g / m ² .
Comparative example.
The methanol permeability of a cast film (film thickness 53 μm) of perfluoroalkylsulfonic acid (trade name (registered trademark): Nafion 112, manufactured by DuPont) was 2600 g / m ² .
[0034]
【The invention's effect】
The present invention can provide an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell having high proton conductivity and improved methanol permeability, and a direct methanol fuel cell using this electrolyte membrane.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a direct methanol fuel cell according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Fuel electrode (negative electrode) 2 Electrolytic membrane 3 Air electrode (positive electrode)
4 External circuit

Claims (2)

Weight of the monomer (A) represented by the following following general formula (A), obtained by reacting at least one monomer (B) selected from the following general formulas (B-1) ~ (B -4) An electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell containing a sulfonated polyarylene having a sulfonic acid group content of 0.5 to 3 milliequivalent / g obtained by sulfonation of a coalescence.
(A)

(Wherein R to R ′ may be the same or different from each other, and are a halogen atom excluding a fluorine atom or —OSO ₂ Z (wherein Z represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group)). R ^{1 to} R ⁸ may be the same as or different from each other, and at least one selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, and an aryl group. X represents independently —CO— or —C (CF ₃ ) ₂ — , and Y represents —O—.
(B-1)

(In the formula, R and R ′ may be the same or different from each other, and represent the same groups as R and R ′ in the general formula (A). R ^{9 to} R ¹⁵ may be the same or different from each other. Often, it represents at least one atom or group selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom and an alkyl group, m represents 0, 1 or 2, X represents —CO— , and Y represents —O— . W represents an aryl group.)
From the top (B-2), (B-3), (B-4)

(In the formula, R and R ′ may be the same or different from each other, and represent the same groups as R and R ′ in the general formula (A). R ^{27 to} R ³⁴ may be the same or different from each other. It often represents a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an aryl group or a group represented by the following general formula (D).
(D)

(In formula, R < ³⁵ > -R < ⁴³ > may mutually be same or different, and shows a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, and a fluorine-substituted alkyl group. X shows -CO- and Y shows -O- .) A direct methanol fuel cell using the electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell according to claim 1 .

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