JP4633569B2 - Cross-linked proton conductive block copolymer, cross-linked product thereof, and proton conductive membrane and fuel cell using the same - Google Patents

Cross-linked proton conductive block copolymer, cross-linked product thereof, and proton conductive membrane and fuel cell using the same Download PDF

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Description

本発明は、水素、アルコールなどを燃料に用いる燃料電池などにおいて用いられるイオン伝導性の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合芳香族樹脂、それを用いて得られる高分子膜および燃料電池に関する。   The present invention relates to an ion-conductive cross-linked proton-conductive block copolymer aromatic resin used in a fuel cell using hydrogen, alcohol or the like as a fuel, a polymer membrane obtained using the same, and a fuel cell.

高分子電解質型燃料電池とは電解質としてプロトン伝導性高分子を用いる燃料電池で、水素やメタノールなどの燃料を酸素または空気を用いて電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出すものである。高分子電解質型燃料電池には、燃料として、ボンベ、配管などから供給される純水素を用いるタイプのほか、改質器によりガソリンやメタノールから水素を発生させて用いるタイプなどがある。また、燃料としてメタノール水溶液を用いて直接発電を行う直接メタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)も開発されている。このDMFCは、水素を発生させるための改質器が不要なためシンプルでコンパクトなシステムが構成でき、特に携帯機器用電源として注目されている。
高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜とこの両側に接触して配置される正極および負極から構成される。燃料の水素あるいはメタノールは負極において電気化学的に酸化されてプロトンと電子を生成する。このプロトンは高分子電解質膜内を、酸素が供給される正極に移動する。一方、負極で生成した電子は電池に接続された負荷を通り、正極に流れ、正極においてプロトンと電子が反応して水を生成する。そのため、電解質膜には高いプロトン伝導性が求められる。
A polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell that uses a proton-conducting polymer as an electrolyte, and the chemical energy of the fuel is converted into electrical energy by electrochemically oxidizing hydrogen or methanol or other fuel using oxygen or air. It is to be converted and extracted. The polymer electrolyte fuel cell includes a type using pure hydrogen supplied from a cylinder, a pipe, or the like as a fuel, and a type using hydrogen generated from gasoline or methanol by a reformer. In addition, a direct methanol fuel cell (DMFC) that directly generates power using a methanol aqueous solution as a fuel has been developed. Since this DMFC does not require a reformer for generating hydrogen, a simple and compact system can be constructed, and it is especially attracting attention as a power source for portable devices.
A polymer electrolyte fuel cell includes a polymer electrolyte membrane and a positive electrode and a negative electrode arranged in contact with both sides thereof. Fuel hydrogen or methanol is electrochemically oxidized at the negative electrode to generate protons and electrons. This proton moves in the polymer electrolyte membrane to the positive electrode to which oxygen is supplied. On the other hand, electrons generated at the negative electrode pass through a load connected to the battery and flow to the positive electrode, where protons and electrons react to generate water at the positive electrode. Therefore, high proton conductivity is required for the electrolyte membrane.

高いプロトン伝導性を有する高分子電解質膜としては、非フッ素系の高分子化合物の開発進められたが、主鎖構造が有する3級炭素がラジカルの攻撃を受けやすく、電池内で容易にα位の水素を放出してしまうため、電池特性が経時的に悪化する問題がある。そのため、主鎖に脂肪族鎖を有さない、すなわち芳香族炭化水素系のプロトン酸基含有高分子が数多く開発されている。なかでも、スルホン化したポリエーテルエーテルケトンから成る膜は、耐熱性と化学的耐久性に優れ、高分子電解質として長時間の使用に耐えうることが報告されている(例えば、非特許文献1)。
これらプロトン酸基含有芳香族炭化水素高分子膜のプロトン伝導性を高めるためには、プロトン酸基の導入量を増やす、すなわちイオン交換基当量を小さくすることが必要であるが、プロトン酸基の導入量を増やすと、同時に親水性が増し、吸水率が増加したり水溶性になることが知られている(例えば、特許文献1)。燃料電池は、燃料と酸素の反応により水を副生することから、水溶性の樹脂は燃料電池用の高分子電解質膜として用いることはできない。また、水溶性とならなくても、吸水性が高い場合には、膜の膨潤や強度の低下、吸水した水を介してのメタノールの負極から正極への透過などの問題を生じる。
As a polymer electrolyte membrane having high proton conductivity, development of a non-fluorine polymer compound has been promoted, but tertiary carbon having a main chain structure is easily subjected to radical attack, and is easily α-positioned in a battery. This causes a problem that the battery characteristics deteriorate over time. For this reason, a large number of protonic acid group-containing polymers having no aliphatic chain in the main chain, that is, aromatic hydrocarbons, have been developed. Among them, it has been reported that a membrane made of sulfonated polyether ether ketone is excellent in heat resistance and chemical durability and can withstand long-time use as a polymer electrolyte (for example, Non-Patent Document 1). .
In order to increase the proton conductivity of these proton acid group-containing aromatic hydrocarbon polymer membranes, it is necessary to increase the amount of proton acid groups introduced, that is, to reduce the ion exchange group equivalent. It is known that when the introduction amount is increased, the hydrophilicity is increased at the same time, and the water absorption is increased or becomes water-soluble (for example, Patent Document 1). Since a fuel cell by-produces water by the reaction of fuel and oxygen, a water-soluble resin cannot be used as a polymer electrolyte membrane for a fuel cell. In addition, even if it is not water-soluble, when water absorption is high, problems such as swelling of the film, a decrease in strength, and permeation of methanol from the negative electrode to the positive electrode through the absorbed water occur.

そこで、高分子電解質膜に架橋構造を導入することで、耐水性を向上、低吸水化する方法も開発されている。
例えば、ポリエーテルエーテルケトンの膜中のスルホン酸同士を脱硫酸縮合させたスルホネート結合による架橋方法が報告されている(例えば、特許文献2)が、硫酸などの脱離を伴う架橋機構であり、膜表面と膜内部あるいは膜の裏面で架橋密度が異なる、厚膜化が困難である、膜にボイドができる、脱離した酸性ガスにより製造装置が腐食するといった問題を有していた。さらに、これらプロトン酸基を用いた架橋機構により得られる膜は、架橋密度を向上させるとプロトン酸基が減少(イオン交換基当量が増加)し、イオン伝導性が低下するといった問題があった。
Therefore, a method for improving water resistance and reducing water absorption by introducing a crosslinked structure into the polymer electrolyte membrane has been developed.
For example, a crosslinking method using a sulfonate bond obtained by desulfurization condensation of sulfonic acids in a polyether ether ketone membrane has been reported (for example, Patent Document 2), which is a crosslinking mechanism accompanied by elimination of sulfuric acid, There are problems that the crosslink density is different between the film surface and the inside of the film or the back surface of the film, it is difficult to increase the film thickness, voids are formed in the film, and the production apparatus is corroded by the desorbed acidic gas. Further, the membrane obtained by the crosslinking mechanism using these protonic acid groups has a problem that when the crosslinking density is improved, the protonic acid groups decrease (the ion exchange group equivalent increases) and the ionic conductivity decreases.

硫酸や塩酸などの脱離を伴わない架橋機構としては、クロロスルホン化ポリエーテルケトンのクロロスルホン酸基とアリルアミンを反応させて、スルホンアミド基で結合したアリル基とし、製膜後付加反応により架橋させる機構が報告されている(例えば、特許文献3)が、架橋密度を向上させるためにはプロトン酸基を減少(イオン交換基当量を増加)させる必要がある。また、架橋基を結合するスルホンアミド結合は加水分解を受けやすいといった問題も有していた。   As a crosslinking mechanism that does not involve elimination of sulfuric acid or hydrochloric acid, the chlorosulfonic acid group of chlorosulfonated polyetherketone and allylamine are reacted to form an allyl group bonded with a sulfonamide group. Although the mechanism of making it report is reported (for example, patent document 3), in order to improve a crosslinking density, it is necessary to reduce a proton acid group (increase an ion exchange group equivalent). In addition, the sulfonamide bond that binds the crosslinking group has a problem that it is susceptible to hydrolysis.

プロトン酸基から誘導されず、脱離成分も伴わない架橋機構を有するものとしては、カルボニル基と芳香環に直結したアルキル基との架橋方法が開示されている(例えば、特許文献4)が架橋基を導入する部分を特定していないため、プロトン酸基の存在する部分で架橋が進み過ぎるとポリマー鎖の動きが架橋により制限されたり、プロトン伝導に必要な水分の吸水が低下するため、プロトン伝導性低減の原因になる場合があった。
しかしながら、いずれの方法においても耐水性、低吸水性、低メタノール透過性と高プロトン伝導性を充分に両立した高分子電解質膜は得られておらず、さらなる性能向上が求められていた。
A method of crosslinking a carbonyl group and an alkyl group directly bonded to an aromatic ring is disclosed as one having a crosslinking mechanism that is not derived from a proton acid group and does not involve a leaving component (for example, Patent Document 4). Since the part into which the group is introduced is not specified, if the crosslinking proceeds too much in the part where the proton acid group exists, the movement of the polymer chain is restricted by the crosslinking, or the water absorption necessary for proton conduction decreases. In some cases, the conductivity was reduced.
However, in any of the methods, a polymer electrolyte membrane that sufficiently satisfies water resistance, low water absorption, low methanol permeability and high proton conductivity has not been obtained, and further performance improvement has been demanded.

特開平10−45913号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-45913 特表2000−501223号公報JP 2000-501223 Gazette 特開平6−93114号公報JP-A-6-93114 特開2003−217342号公報JP 2003-217342 A 本間格、第3回セパレーションズサイエンス&テクノロジー研究会講座講演要旨集「高分子膜燃料電池の基礎と応用」p17 (1999)Masaru Honma, Abstracts of Lectures of the 3rd Separation of Sciences and Technology "Basics and Applications of Polymer Membrane Fuel Cells" p17 (1999)

本発明の目的は、耐水性、低吸水性、低メタノール透過性と高プロトン伝導性を長期にわたり両立する、燃料電池、特に直接メタノール型燃料電池に用いる、架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体、その架橋体並びにそれらを用いたプロトン伝導膜及び燃料電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a crosslinked proton-conductive block copolymer for use in a fuel cell, particularly a direct methanol fuel cell, which has both water resistance, low water absorption, low methanol permeability and high proton conductivity for a long period of time. An object of the present invention is to provide a crosslinked body, a proton conductive membrane and a fuel cell using the same.

本発明者らは、特定のブロック構造を有する架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体から得られる高分子電解質膜が、耐水性、低吸水性、低メタノール透過性と高プロトン伝導性を長期にわたり両立することを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、以下の[1]〜[9]に記載した事項により特定される。
The present inventors have found that a polymer electrolyte membrane obtained from a cross-linked proton conductive block copolymer having a specific block structure is compatible with water resistance, low water absorption, low methanol permeability and high proton conductivity over a long period of time. As a result, the present invention has been completed.
That is, this invention is specified by the matter described in the following [1]-[9].

[1] 一般式(1)で表される構造単位を繰り返し有するブロック(A)と、芳香環に直接結合したプロトン酸基を含み且つ芳香環に直接結合したアルキル基を含まない構造単位を繰り返し有するブロック(B)とからなることを特徴とする架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体。


[式(1)中、Rは−C2m+1(mは1〜10の整数)。A、Aはそれぞれ独立して直接結合,−CH−、−C(CH−、−C(CF−、−O−、−SO−または−CO−であり、gおよびhはそれぞれ独立して0または1を示す。式(1)中の芳香環の水素原子は、−C2m+1(mは1〜10の整数)、−F、−CF、−Si(CH、−OSi(CHまたは−CNに置換されていても良い。]

[2] ブロック(B)が一般式(2)あるいは(3)で表わされる繰り返し構造単位からなることを特徴とする、上記[1]に記載の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体。


[式(2)および(3)中、R2、R、RおよびR5はそれぞれ独立してHまたはプロトン酸基であり、少なくとも1つはプロトン酸基である。式(2)および(3)中、A、A、AおよびAはそれぞれ独立して直接結合,−CH−、−C(CH−、−C(CF−、−O−、−SO−または−CO−であり、i、j、kおよびmはそれぞれ独立して0または1を示す。式(2)および(3)の芳香環の水素原子は、プロトン酸基、−F、−CF、−Si(CH、−OSi(CHまたは−CNに置換されていても良い。]
[3] ブロック(A)が一般式(4)、ブロック(B)が一般式(5)でであることを特徴とする、上記[1]又は[2]記載の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体。


[式(4)中、Rは−C2m+1(mは1〜10の整数)。Aは直接結合,−CH−、−C(CH−、−C(CF−、−O−、−SO−または−CO−である。式(4)中の芳香環のH原子は、−C2m+1(mは1〜10の整数)、−F、−CFに置換されていても良い。]




[式(5)中、RとRの少なくとも1つはプロトン酸基であり、それ以外はH原子である。式Y中のAは直接結合、−CH−、−C(CH−、−C(CF−、−O−、−SO−または−CO−であり、芳香環の水素原子は他の原子に置換されない。]
[4] プロトン酸基が、−C2n−SOZ、−C2n−PO、−C2n−COOZ(nは0〜10の整数、ZはH、NaまたはKである)のいずれか一つでであることを特徴とする上記[1]〜[3]記載の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体。
[5] 上記 [1]〜[4]記載のいずれか一つの架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体の架橋基が架橋してなるプロトン伝導性ブロック共重合架橋体。
[6] 上記 [1]〜[5]記載の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体あるいはプロトン伝導性ブロック共重合架橋体を含んでなる燃料電池用プロトン伝導膜。
[7] 上記 [6]記載のプロトン伝導膜を用いてなる燃料電池。
[8] アルコールを直接燃料に用いることを特徴とする上記[7]記載の燃料電池。
[1] Repeating a block (A) having repeating structural units represented by the general formula (1) and a structural unit containing a protonic acid group directly bonded to the aromatic ring and not containing an alkyl group directly bonded to the aromatic ring A crosslinked proton-conductive block copolymer comprising the block (B).


[In formula (1), R 1 is -C m H 2m + 1 (m is an integer of from 1 to 10). A 1 and A 2 are each independently a direct bond, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—, —SO 2 — or —CO—. , G and h each independently represent 0 or 1. Hydrogen atoms of the aromatic ring in formula (1) may, -C m H 2m + 1 ( m is an integer of from 1 to 10), - F, -CF 3, -Si (CH 3) 3, -OSi (CH 3) 3 Alternatively, it may be substituted with -CN. ]

[2] The crosslinked proton-conductive block copolymer according to the above [1], wherein the block (B) comprises a repeating structural unit represented by the general formula (2) or (3).


[In the formulas (2) and (3), R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are each independently H or a proton acid group, and at least one is a proton acid group. In formulas (2) and (3), A 3 , A 4 , A 5 and A 6 are each independently a direct bond, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2. -, - O -, - SO 2 - or a -CO-, showing i, j, k and m are each independently 0 or 1. The hydrogen atom of the aromatic ring of the formulas (2) and (3) is substituted with a proton acid group, -F, -CF 3 , -Si (CH 3 ) 3 , -OSi (CH 3 ) 3 or -CN Also good. ]
[3] The crosslinked proton conductive block according to the above [1] or [2], wherein the block (A) is represented by the general formula (4) and the block (B) is represented by the general formula (5). Polymer.


Wherein (4), R 6 is -C m H 2m + 1 (m is an integer of from 1 to 10). A 7 is a direct bond, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—, —SO 2 — or —CO—. H atom of an aromatic ring in formula (4) is, -C m H 2m + 1 ( m is an integer of from 1 to 10), - F, may be substituted in the -CF 3. ]




[In Formula (5), at least one of R 7 and R 8 is a proton acid group, and the others are H atoms. A 8 in Formula Y is a direct bond, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—, —SO 2 — or —CO—, and an aromatic ring The hydrogen atom is not replaced by another atom. ]
[4] protonic acid group, -C n H 2n -SO 3 Z , -C n H 2n -PO 2 Z 2, -C n H 2n -COOZ (n is an integer of 0, Z is H, Na Or K)). The crosslinked proton-conductive block copolymer according to any one of [1] to [3] above.
[5] A proton-conductive block copolymer crosslinked product obtained by crosslinking a crosslinking group of any one of the crosslinked proton-conductive block copolymers described in [1] to [4] above.
[6] A proton conductive membrane for a fuel cell comprising the cross-linked proton conductive block copolymer or proton conductive block copolymer cross-linked product according to [1] to [5] above.
[7] A fuel cell using the proton conducting membrane according to [6].
[8] The fuel cell as described in [7] above, wherein alcohol is directly used as fuel.

本発明の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体及びその架橋体は、プロトン酸基から誘導されず且つ脱離成分の生成なしに架橋し得る架橋基を疎水性ブロックのみに有するので、耐水性、低吸水性、低メタノール透過性と高プロトン伝導性を長期にわたり両立し得る電解質膜の材料として好適である。本発明の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体を用いた電解質膜は、プロトン伝導を担うプロトン酸基を有する親水性のブロックからなる相と、耐水性に優れ吸水膨張が小さく架橋構造を有する疎水性ブロックとが適度に相分離しながら、その相界面が同一分子で結合されているため、プロトン伝導を担うブロックの水への溶解や吸水膨張が抑制され、さらには相界面の剥離がない。そのため、該プロトン伝導膜はプロトン酸基の含有量が高く、高プロトン伝導性を有しながら、耐水性、低吸水性に優れ、水とともに伝搬するメタノールの透過量も低く抑えることができる。また、疎水性ブロック部分のみを架橋することにより、疎水性ブロック相の吸水膨張をより小さく耐溶剤性を向上させることができる。一方、親水性ブロック部分は架橋構造を有さないため、架橋形成に伴う親水性の低下、すなわちプロトン伝導度の低下を心配する必要がない。さらに、ブロック化および一部を架橋することにより燃料電池の発電と停止に伴う温度や湿度の変化によるプロトン酸基の脱離や膨張収縮によるクラックの発生が抑制される。従って、本発明の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体をプロトン伝導膜に用いることにより、プロトン伝導性の低下やメタノール透過量の増加による発電効率の低下が起こりにくく、高効率で信頼性に優れた燃料電池を得ることができる。特に、アルコールを直接燃料に用いた燃料電池が好適に得られる。   The crosslinked proton-conductive block copolymer of the present invention and the crosslinked product thereof have a crosslinking group that is not derived from a protonic acid group and can be crosslinked without generation of a leaving component only in the hydrophobic block. It is suitable as a material for an electrolyte membrane that can achieve both low water absorption, low methanol permeability and high proton conductivity over a long period of time. The electrolyte membrane using the cross-linked proton conductive block copolymer of the present invention is composed of a phase composed of a hydrophilic block having a protonic acid group responsible for proton conduction and a hydrophobic structure having excellent water resistance, low water absorption expansion and a cross-linked structure. Since the phase interface is bonded with the same molecule while appropriately phase-separating with the functional block, dissolution of the block responsible for proton conduction in water and water absorption expansion are suppressed, and further, there is no separation of the phase interface. Therefore, the proton conducting membrane has a high proton acid group content and high proton conductivity, and is excellent in water resistance and low water absorption, and can suppress the permeation amount of methanol propagating with water. In addition, by crosslinking only the hydrophobic block portion, the water absorption expansion of the hydrophobic block phase can be reduced and the solvent resistance can be improved. On the other hand, since the hydrophilic block portion does not have a crosslinked structure, there is no need to worry about a decrease in hydrophilicity, that is, a decrease in proton conductivity associated with the formation of the crosslinking. Further, by blocking and partially crosslinking, generation of cracks due to detachment of protonic acid groups and expansion / contraction due to changes in temperature and humidity associated with power generation and shutdown of the fuel cell are suppressed. Therefore, by using the cross-linked proton conductive block copolymer of the present invention for the proton conductive membrane, it is difficult for a decrease in proton conductivity and a decrease in power generation efficiency due to an increase in methanol permeation amount, and a high efficiency and excellent reliability. A fuel cell can be obtained. In particular, a fuel cell using alcohol directly as a fuel can be suitably obtained.

以下、本発明に係る架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体、その架橋体、ならびにそれらを用いた燃料電池用プロトン伝導膜及び燃料電池について具体的に説明する。
本発明に係るプロトン伝導性ブロック共重合体は、耐水性に優れ吸水膨張が小さい特定の構造単位を繰り返し有するブロック(A)と、プロトン酸基を有するブロック(B)とからなることを特徴とする。
Hereinafter, the cross-linked proton conductive block copolymer according to the present invention, the cross-linked product thereof, and the proton conductive membrane for fuel cell and the fuel cell using them will be described in detail.
The proton conductive block copolymer according to the present invention is characterized by comprising a block (A) having a specific structural unit having excellent water resistance and low water absorption expansion, and a block (B) having a proton acid group. To do.

ブロック(A)
本発明に係るブロック(A)は、以下の一般式(1)で表される構造単位を繰り返し有する。

[式(1)中、Rは−C2m+1(mは1〜10の整数)。A、Aはそれぞれ独立して直接結合,−CH−、−C(CH−、−C(CF−、−O−、−SO−または−CO−であり、gおよびhはそれぞれ独立して0または1を示す。式(1)中の芳香環の水素原子は、−C2m+1(mは1〜10の整数)、−F、−CF、−Si(CH、−OSi(CHまたは−CNに置換されていても良い。]
Block (A)
The block (A) according to the present invention repeatedly has a structural unit represented by the following general formula (1).

[In formula (1), R 1 is -C m H 2m + 1 (m is an integer of from 1 to 10). A 1 and A 2 are each independently a direct bond, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—, —SO 2 — or —CO—. , G and h each independently represent 0 or 1. Hydrogen atoms of the aromatic ring in formula (1) may, -C m H 2m + 1 ( m is an integer of from 1 to 10), - F, -CF 3, -Si (CH 3) 3, -OSi (CH 3) 3 Alternatively, it may be substituted with -CN. ]

該構造単位は、カルボニル基及び、芳香環に直接結合したアルキル基を有し、この部分で架橋基を形成することが可能である。架橋基があれば、樹脂の耐水性に優れ、吸水膨張が小さいので、プロトン伝導膜として使用する際に膜の膨潤したり強度が低下することが無いので好ましい。ブロック(B)には架橋基を形成しうるアルキル基を有さないためブロック(A)は、ブロック(B)に比べて疎水性をしめす。更には、下記一般式(4)で表される構造単位を繰り返し有することが、耐水性が高く及び吸水膨張が小さいので好ましい。

[式(4)中、Rは−C2m+1(mは1〜10の整数)。Aは直接結合,−CH−、−C(CH−、−C(CF−、−O−、−SO−または−CO−である。式(4)中の芳香環のH原子は、−C2m+1(mは1〜10の整数)、−F、−CFに置換されていても良い。]
The structural unit has a carbonyl group and an alkyl group directly bonded to an aromatic ring, and a bridging group can be formed at this portion. The presence of a cross-linking group is preferred because the resin has excellent water resistance and has a small water absorption expansion, so that the membrane does not swell or decrease in strength when used as a proton conductive membrane. Since the block (B) does not have an alkyl group capable of forming a crosslinking group, the block (A) is more hydrophobic than the block (B). Furthermore, it is preferable to have a structural unit represented by the following general formula (4) repeatedly because of high water resistance and low water absorption expansion.

Wherein (4), R 6 is -C m H 2m + 1 (m is an integer of from 1 to 10). A 7 is a direct bond, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—, —SO 2 — or —CO—. H atom of an aromatic ring in formula (4) is, -C m H 2m + 1 ( m is an integer of from 1 to 10), - F, may be substituted in the -CF 3. ]

本発明に係るブロック(A)は、架橋基を形成することが可能であり、高分子鎖同士が共有結合により結合する。本発明において架橋とは解離や再結合を繰り返すイオン結合や水素結合などによる高分子鎖同士の相互作用は含まない。   The block (A) according to the present invention can form a crosslinking group, and the polymer chains are bonded to each other through a covalent bond. In the present invention, the term “crosslinking” does not include the interaction between polymer chains due to ionic bonds or hydrogen bonds that repeatedly dissociate and recombine.

本発明における架橋基とは、プロトン酸基から誘導されず、かつ脱離成分の生成なしに架橋し得る基であり、中でもカルボニル基と芳香環に直接結合した炭素原子数1〜10のアルキル基であることが望ましい。架橋方法には種々の方法が知られているが、本発明に係るカルボニル基とアルキル基からなる架橋は、プロトン酸基から誘導されない架橋であり、高分子鎖同士を結合させるためにプロトン酸基を用いない架橋、言い換えれば、架橋後に高分子鎖同士を結合する基または鎖がプロトン酸基から誘導された基または鎖ではない架橋である。すなわち、本発明のプロトン酸基から誘導されない架橋には、架橋反応時にプロトン酸基が化学的に反応する架橋はもちろん、事前にプロトン酸基を介して架橋基を導入し、その後に架橋する架橋も含まれない。本発明のような架橋であれば、樹脂のプロトン酸基量を減少(イオン交換基当量を増大)させることなく、樹脂の架橋密度を制御することができるので好ましい。一方、プロトン酸基から誘導される架橋は、架橋密度を増大させるためには、より多くのプロトン酸基を用いる必要があり、その結果、得られる架橋樹脂のイオン伝導性が低下するため好ましくない。   The bridging group in the present invention is a group that is not derived from a protonic acid group and can be cross-linked without generation of a leaving component, and among them, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms that is directly bonded to a carbonyl group and an aromatic ring. It is desirable that Although various methods are known as the crosslinking method, the crosslinking composed of a carbonyl group and an alkyl group according to the present invention is a crosslinking not derived from a protonic acid group, and a protonic acid group is used for bonding polymer chains to each other. In other words, the group or chain that bonds the polymer chains after crosslinking is not a group or chain derived from a protonic acid group. That is, in the cross-linking not derived from the protonic acid group of the present invention, the cross-linking in which the protic acid group chemically reacts during the cross-linking reaction, as well as the cross-linking in which the cross-linking group is introduced in advance through the protonic acid group in advance Is not included. The cross-linking as in the present invention is preferable because the cross-linking density of the resin can be controlled without decreasing the amount of proton acid groups of the resin (increasing the ion exchange group equivalent). On the other hand, cross-linking derived from protonic acid groups is not preferable because it is necessary to use more protonic acid groups in order to increase the cross-linking density, and as a result, the ionic conductivity of the resulting cross-linked resin decreases. .

また、本発明の架橋は、脱離成分を生成しない反応により、高分子鎖同士を結合する。ここで、脱離成分とは、例えば、フリーデルクラフト反応におけるハロゲン化炭化水素または塩、縮合反応における、水、ハロゲン化水素または塩といった、反応において生成し、樹脂鎖と結合していない副生物を示す。本発明のような脱離成分を生成しない架橋は、脱離成分による電極材料の変性、劣化がなく、膜厚方向での架橋密度が均一であり、厚膜化が容易で、製造装置を腐食するガスも発生しないため好ましい。一方、脱離成分を生成する架橋は、脱離成分の除去操作が必要である、脱離成分の除去効率の異なる膜表面と膜内部あるいは膜裏面で架橋密度が異なる、厚膜化が困難である、膜にボイドができる、脱離した酸性ガスにより電極材料や製造装置が腐食するなどの問題を有し、好ましくない。   The cross-linking of the present invention bonds polymer chains by a reaction that does not generate a leaving component. Here, the elimination component is, for example, a by-product which is generated in the reaction and is not bonded to the resin chain, such as a halogenated hydrocarbon or salt in the Friedel-Craft reaction, water, hydrogen halide or salt in the condensation reaction. Indicates. Crosslinking that does not generate a desorbing component as in the present invention does not cause modification or deterioration of the electrode material due to the desorbing component, has a uniform crosslink density in the film thickness direction, is easy to thicken, and corrodes the manufacturing equipment. This is preferable because no generated gas is generated. On the other hand, the cross-linking that generates the desorbing component requires a desorbing component removal operation, the cross-linking density is different between the film surface and the inside of the film or the back surface of the film having different desorbing component removal efficiencies, and it is difficult to increase the film thickness. There are problems such as the formation of voids in the film and the corrosion of the electrode material and the manufacturing apparatus due to the desorbed acidic gas.

架橋基は、カルボニル基及び、芳香環に直接結合した炭素原子数1〜10のアルキル基からなり、樹脂を構成する繰り返し単位1単位中にプロトン酸基、カルボニル基、アルキル基をそれぞれ同時に1つ以上含有することができ、著しく高い架橋密度を得ることができるため、特に好ましい。また、この架橋機構は架橋により生成する結合中にラジカルの攻撃を受けやすい3級炭素のα位の水素を含まないため、特に好ましい。   The bridging group consists of a carbonyl group and an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms directly bonded to the aromatic ring, and one protonic acid group, one carbonyl group and one alkyl group are simultaneously contained in one repeating unit constituting the resin. Since it can be contained above and a remarkably high crosslinking density can be obtained, it is particularly preferable. Further, this crosslinking mechanism is particularly preferred because it does not contain hydrogen at the α-position of the tertiary carbon that is susceptible to radical attack in the bond formed by crosslinking.

本発明に係るカルボニル基と芳香環に直接結合した炭素原子数1〜10のアルキル基との架橋機構について説明する。ポリマー中のカルボニル基、および、ポリマー中の芳香環に直接結合した炭素原子数1〜10のアルキル基は次のような形で架橋反応に関与していると推定される。下記反応式はアルキル基がメチル基の場合について示した。



The crosslinking mechanism between the carbonyl group according to the present invention and the alkyl group having 1 to 10 carbon atoms directly bonded to the aromatic ring will be described. It is presumed that the carbonyl group in the polymer and the alkyl group having 1 to 10 carbon atoms directly bonded to the aromatic ring in the polymer are involved in the crosslinking reaction in the following manner. The following reaction formula shows the case where the alkyl group is a methyl group.



上記反応式に示すように、紫外線照射や加熱処理などによるエネルギー供給により、ベンゾフェノン上にラジカルが発生し、これがメチル基から水素を引き抜く。引き続き、ベンジルラジカルの二量化、ベンジルラジカルとアルコール性炭素ラジカルカップリング反応、アルコール性炭素ラジカルの二量化のような反応が起こることで、ポリマー同士の架橋が起こっていると推定される。   As shown in the above reaction formula, radicals are generated on benzophenone by supplying energy by ultraviolet irradiation or heat treatment, and this extracts hydrogen from the methyl group. Subsequently, it is presumed that cross-linking of the polymers is caused by reactions such as dimerization of benzyl radical, reaction of benzyl radical and alcoholic carbon radical coupling, and dimerization of alcoholic carbon radical.

また、本発明の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体において、これらの架橋基はブロック(A)にのみ存在するため、プロトン酸基を含有するブロック(B)におけるプロトンの伝導を阻害することがなく好ましい。すなわち、架橋に伴いプロトン酸基の存在する部分のポリマー鎖の動きが制限されたり、プロトン伝導に必要な水分の吸水が低下するため、プロトン伝導性低減の原因になると考えられる。したがって、本発明にかかる架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体は、プロトン伝導度の低減を招くことなく、架橋により膜の膨潤や強度の低下、アルコールなどの燃料の負極から正極への透過を抑制することができる。そのため、本発明にかかる架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体は、アルコールなどを直接燃料として用いる燃料電池、例えば直接メタノール型燃料電池に用いるとより好ましい。   Further, in the cross-linked proton conductive block copolymer of the present invention, since these cross-linking groups exist only in the block (A), the proton conduction in the block (B) containing a proton acid group may be inhibited. Less preferred. That is, the movement of the polymer chain in the portion where the protonic acid group exists is restricted due to crosslinking, and the water absorption necessary for proton conduction decreases, which is considered to cause a decrease in proton conductivity. Therefore, the cross-linked proton conductive block copolymer according to the present invention suppresses the swelling of the membrane and the strength, and the permeation of fuel such as alcohol from the negative electrode to the positive electrode by cross-linking without causing a decrease in proton conductivity. can do. Therefore, the cross-linked proton conductive block copolymer according to the present invention is more preferably used in a fuel cell using alcohol or the like as a direct fuel, for example, a direct methanol fuel cell.

本発明に係るブロック(A)の分子量は、特に制限はなく、任意の分子量とすることができる。
本発明にかかる疎水性ブロックは、前記ブロック(A)以外の複数種類の繰り返し構造単位からなっていても良いが、疎水性ブロックが加水分解や吸水による膨張を受けやすいエステル結合、アミド結合、イミド結合やプロトン酸基を含む場合には、ブロック共重合体の水への溶解性、吸水性が高くなるおそれがあるため、好ましくない。
The molecular weight of the block (A) according to the present invention is not particularly limited and can be any molecular weight.
The hydrophobic block according to the present invention may be composed of a plurality of types of repeating structural units other than the block (A), but the hydrophobic block is susceptible to expansion due to hydrolysis or water absorption, amide bond, imide When it contains a bond or a protonic acid group, the solubility of the block copolymer in water and water absorption may be increased, which is not preferable.

ブロック(B)
本発明に係るブロック(B)は、芳香環に直接結合したプロトン酸基を含み、且つ、芳香環に直接結合したアルキル基を含まない構造単位を繰り返し有する。ブロック(B)は、芳香環に直接結合したアルキル基を含まない構造単位からなるので、ブロック(B)においては、カルボニル基とアルキル基とからなる架橋構造を生成しない。そのため、ブロック(B)は、プロトン伝導に必要な水分の吸収を行い、このブロック(B)においては高分子鎖の動きが制限されない。従って、ブロック(B)はブロック(A)に比べて親水性を示す。本発明に係る親水性ブロックを構成する繰り返し構造単位(B)は、好ましくは下記一般式(2)又は(3)の構造をとる。
Block (B)
The block (B) according to the present invention has a structural unit that includes a protonic acid group directly bonded to an aromatic ring and does not include an alkyl group bonded directly to the aromatic ring. Since the block (B) is composed of a structural unit that does not contain an alkyl group directly bonded to an aromatic ring, in the block (B), a crosslinked structure composed of a carbonyl group and an alkyl group is not generated. Therefore, the block (B) absorbs moisture necessary for proton conduction, and the movement of the polymer chain is not limited in this block (B). Therefore, the block (B) is more hydrophilic than the block (A). The repeating structural unit (B) constituting the hydrophilic block according to the present invention preferably has the following general formula (2) or (3).



[式(2)および(3)中、R2、R、RおよびRはそれぞれ独立してHまたはプロトン酸基であり、少なくとも1つはプロトン酸基である。式(2)および(3)中、A、A、AおよびAはそれぞれ独立して直接結合,−CH−、−C(CH−、−C(CF−、−O−、−SO−または−CO−であり、i、j、kおよびmはそれぞれ独立して0または1を示す。式(2)および(3)の芳香環の水素原子は、プロトン酸基、−F、−CF、−Si(CH、−OSi(CHまたは−CNに置換されていても良い。]
前記一般式(2)及び(3)のプロトン酸基は、電子吸引基である−SO−または−CO−に直接結合した芳香環に結合しており、他の芳香環に結合したプロトン酸基に比べ結合力が強く、分解、解離を受けにくいため、特に好ましい。


[In the formulas (2) and (3), R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are each independently H or a proton acid group, and at least one is a proton acid group. In formulas (2) and (3), A 3 , A 4 , A 5 and A 6 are each independently a direct bond, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2. -, - O -, - SO 2 - or a -CO-, showing i, j, k and m are each independently 0 or 1. The hydrogen atom of the aromatic ring of the formulas (2) and (3) is substituted with a proton acid group, -F, -CF 3 , -Si (CH 3 ) 3 , -OSi (CH 3 ) 3 or -CN Also good. ]
The protonic acid groups of the general formulas (2) and (3) are bonded to an aromatic ring directly bonded to —SO 2 — or —CO— which is an electron withdrawing group, and the protonic acid bonded to another aromatic ring It is particularly preferred because it has a stronger binding force than a group and is less susceptible to decomposition and dissociation.

なお、既存の芳香族ポリエーテルを発煙硫酸などでスルホン化した場合には、電子吸引基である−SO−または−CO−が直接結合していない芳香環にスルホン酸基が導入されることが知られている。 In addition, when an existing aromatic polyether is sulfonated with fuming sulfuric acid or the like, a sulfonic acid group must be introduced into an aromatic ring to which —SO 2 — or —CO— which is an electron withdrawing group is not directly bonded. It has been known.

本発明に係るプロトン酸基とは、具体的には、下記式(6)〜(8)で示されるスルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基などが挙げられる。中でも下記式(6)で示されるスルホン酸基が好ましく、下記式(6)においてZ=Hで示されるスルホン酸基が特に好ましい。
−C2n−SOZ(nは0〜10の整数、ZはH,NaまたはK) (6)
−C2n−COOZ(nは0〜10の整数、ZはH,NaまたはK) (7)
−C2n−PO(nは0〜10の整数、ZはH,NaまたはK) (8)
Specific examples of the proton acid group according to the present invention include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and phosphonic acid groups represented by the following formulas (6) to (8). Among them, a sulfonic acid group represented by the following formula (6) is preferable, and a sulfonic acid group represented by Z = H in the following formula (6) is particularly preferable.
-C n H 2n -SO 3 Z ( n is an integer of 0, Z is H, Na or K) (6)
-C n H 2n -COOZ (n is an integer of 0, Z is H, Na or K) (7)
-C n H 2n -PO 3 Z 2 (n is an integer of 0, Z is H, Na or K) (8)

本発明に係るブロック(B)の分子量は、還元粘度(濃度0.5g/dl、35℃で測定)にして0.05〜0.4dl/gが好ましく、0.1〜0.3dl/gがより好ましく、0.15〜0.25dl/gが特に好ましい。該ブロックの分子量が小さすぎる場合には、ブロック(B)と前記ブロック(A)とが相分離せず単一相を形成し、耐水性が低下したり吸水性が増加する虞があるため好ましくない。該ブロックの分子量が大きすぎる場合には、疎水性ブロックと親水性ブロックとが微細な相分離構造を形成しがたく、一部の分子鎖がプロトン酸基を有するブロックのみから形成され、該分子鎖が水に溶出する等の問題がある虞があり好ましくない。   The molecular weight of the block (B) according to the present invention is preferably 0.05 to 0.4 dl / g in terms of reduced viscosity (concentration 0.5 g / dl, measured at 35 ° C.), 0.1 to 0.3 dl / g. Is more preferable, and 0.15-0.25 dl / g is especially preferable. When the molecular weight of the block is too small, the block (B) and the block (A) are not separated from each other to form a single phase, which may reduce water resistance or increase water absorption. Absent. When the molecular weight of the block is too large, the hydrophobic block and the hydrophilic block are difficult to form a fine phase separation structure, and some of the molecular chains are formed only from blocks having a proton acid group. There is a possibility that the chain may be eluted in water, which is not preferable.

本発明に係るブロック(B)は、前記構造単位以外に複数種類の繰り返し構造単位を有していても良く、それらはプロトン酸基を含まなくても構わない。この場合、プロトン酸基を有する繰り返し構造単位の含有量は、ブロック(B)全体に対し100〜30モル%であることが好ましく、100〜50モル%であることが特に好ましい。プロトン酸基を有する繰り返し構造単位(B)の含有量が少ない場合には、プロトン伝導性が低すぎるため好ましくない。   The block (B) according to the present invention may have a plurality of types of repeating structural units in addition to the structural unit, and they may not contain a protonic acid group. In this case, the content of the repeating structural unit having a protonic acid group is preferably 100 to 30 mol%, particularly preferably 100 to 50 mol%, based on the entire block (B). When the content of the repeating structural unit (B) having a proton acid group is small, the proton conductivity is too low, which is not preferable.

架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体
本発明の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体は、プロトン酸基を有するプロトン伝導を担うブロック(B)と、耐水性に優れ吸水膨張が小さく、架橋基を有するブロック(A)とからなる。プロトン伝導を担うブロック(B)は水へ溶解あるいは吸水膨張をしやすく、ブロック(A)は耐水性に優れ吸水膨張が小さいので、ブロック(B)で水への溶解あるいは吸水膨張をしようとしても、ブロック(A)がこれを抑制する。本発明の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体は、例えばプロトン伝導膜に使用した場合には、ブロック(A)とブロック(B)とが適度に相分離する。2つの相の界面は同一分子で結合されているため、ブロック(B)からなる相が水へ溶解あるいは吸水膨張しようとしても、耐水性に優れ吸水膨張が小さく架橋されたブロック(A)からなる相がこれを抑制する。その結果、該プロトン伝導膜はプロトン酸基の含有量が高く、高プロトン伝導性を有しながら、耐水性、低吸水性に優れ、水とともに伝搬するメタノールの透過量も低く抑えることができる。また、2つの相界面が同一分子で結合されているため、温度や湿度の変化による2つの相の膨張収縮の差が抑制され、膨張収縮の差によるクラックの発生が抑制される。
Cross-linked proton conductive block copolymer The cross-linked proton conductive block copolymer of the present invention comprises a block (B) bearing proton conductivity having a protonic acid group, water resistance and low water absorption expansion, and cross-linking groups. Block (A). The block (B) responsible for proton conduction is easy to dissolve or absorb water and expand in water, and the block (A) has excellent water resistance and small water absorption and expansion, so even if trying to dissolve or absorb water in the block (B) Block (A) suppresses this. For example, when the crosslinked proton conductive block copolymer of the present invention is used for a proton conductive membrane, the block (A) and the block (B) are appropriately phase-separated. Since the interface between the two phases is bonded by the same molecule, even if the phase consisting of the block (B) is dissolved or absorbs water, the block (A) is excellent in water resistance and has a small water absorption expansion and is crosslinked. The phase suppresses this. As a result, the proton conducting membrane has a high proton acid group content, high proton conductivity, excellent water resistance and low water absorption, and can suppress the amount of methanol permeating with water. Further, since the two phase interfaces are bonded by the same molecule, the difference in expansion and contraction between the two phases due to changes in temperature and humidity is suppressed, and the generation of cracks due to the difference in expansion and contraction is suppressed.

架橋型プロトン伝導性共重合体が、ランダム共重合体の場合は、親水性部分と疎水性部分が相分離せず単一相を形成するため、プロトン伝導を担う繰り返し構造単位の組成が多くなると水への溶解や吸水膨張が起こり、高プロトン伝導性と耐水性、低吸水性を両立できない。
また、架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体と耐水性に優れ吸水膨張の小さい樹脂とからなる複合膜は、2つの樹脂の極性が極端に異なるため微細な相分離構造を形成しがたい、相間が分子鎖で結合されていないためプロトン伝導性樹脂の水への溶解や吸水膨張を抑制できない、温度や湿度の変化による2つの相の膨張収縮の差により相界面にクラックが入る等の問題があり、好ましくない。
When the cross-linked proton conductive copolymer is a random copolymer, the hydrophilic portion and the hydrophobic portion do not separate from each other to form a single phase. Therefore, when the composition of repeating structural units responsible for proton conduction increases Dissolution in water and water absorption expansion occur, and high proton conductivity, water resistance, and low water absorption cannot be achieved at the same time.
In addition, a composite membrane composed of a cross-linked proton conductive block copolymer and a resin having excellent water resistance and low water absorption expansion is difficult to form a fine phase separation structure because the polarities of the two resins are extremely different. Are not bonded by molecular chains, so the proton conductive resin cannot be dissolved in water and the water absorption expansion can be suppressed, and the phase interface cracks due to the difference in expansion and contraction between the two phases due to changes in temperature and humidity. Yes, not preferred.

本発明の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体の分子量に特に制限はないが、還元粘度(濃度0.5g/dl、35℃で測定)にして0.5〜2.0dl/gの範囲が好ましく、0.7〜1.5dl/gの範囲が特に好ましい。分子量が低すぎると樹脂強度が低く、得られる膜が乾燥・吸湿時の収縮・膨張により割れる場合がある。また、分子量が高すぎると樹脂の溶剤溶解性が不十分となり、製膜等に支障を生じる場合がある。   The molecular weight of the cross-linked proton conductive block copolymer of the present invention is not particularly limited, but the reduced viscosity (concentration: 0.5 g / dl, measured at 35 ° C.) ranges from 0.5 to 2.0 dl / g. A range of 0.7 to 1.5 dl / g is particularly preferable. If the molecular weight is too low, the resin strength is low, and the resulting film may crack due to shrinkage / expansion during drying and moisture absorption. On the other hand, if the molecular weight is too high, the solvent solubility of the resin becomes insufficient, which may cause problems in film formation.

本発明の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体において、プロトン酸基を有するブロック(B)と架橋基を有するブロック(A)の割合に特に制限はないが、該架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体のイオン交換基当量にして200〜1500g/molであることが好ましく、300〜1000g/molであることが特に好ましい。ここで、イオン交換基当量とは、プロトン酸基1モル当たりの樹脂重量で定義され、樹脂単位重量当たりのプロトン酸基のモル数の逆数を意味する。すなわち、イオン交換基当量が小さいほどプロトン基を有するブロック(B)の組成が高く、イオン交換基当量が大きいほどプロトン酸基を有するブロック(B)の組成が低いことを示す。イオン交換基当量が小さすぎる場合には、ブロック(A)の割合が少なすぎるため、架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体の耐水性、低吸水性が不十分となる場合がある。イオン交換基当量が大きすぎる場合には、プロトン基を有するブロックの組成が少なすぎるため、十分なプロトン伝導性を得ることができない場合がある。   In the cross-linked proton conductive block copolymer of the present invention, the ratio of the block (B) having a proton acid group and the block (A) having a cross-linking group is not particularly limited. It is preferably 200 to 1500 g / mol, particularly preferably 300 to 1000 g / mol, in terms of the ion exchange group equivalent of the coalescence. Here, the ion exchange group equivalent is defined by the resin weight per mole of proton acid groups and means the reciprocal of the number of moles of proton acid groups per resin unit weight. That is, the smaller the ion exchange group equivalent, the higher the composition of the block (B) having a proton group, and the larger the ion exchange group equivalent, the lower the composition of the block (B) having a proton acid group. When the ion exchange group equivalent is too small, the ratio of the block (A) is too small, so that the water resistance and low water absorption of the crosslinked proton conductive block copolymer may be insufficient. When the ion exchange group equivalent is too large, the composition of the block having a proton group is too small, so that sufficient proton conductivity may not be obtained.

本発明の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体の吸水率は3〜30wt%である。ここで、吸水率は、乾燥した該樹脂の、25℃24時間純水浸漬前後の重量比から求めることができる。本発明にかかる架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体は、同等のイオン交換基当量を有するランダム共重合体や架橋基を持たないブロック共重合体にくらべ、吸水膨張が小さく、吸水率が低い。   The water absorption of the cross-linked proton conductive block copolymer of the present invention is 3 to 30 wt%. Here, the water absorption can be determined from the weight ratio of the dried resin before and after immersion in pure water at 25 ° C. for 24 hours. The cross-linked proton conductive block copolymer according to the present invention has a smaller water absorption expansion and a lower water absorption rate than a random copolymer having an equivalent ion exchange group equivalent or a block copolymer having no cross-linking group.

本発明の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体は、前記ブロック(A)とブロック(B)とからなり、これらのブロックは、芳香族ポリエーテル構造により構成されるのが好ましい。芳香族ポリエーテル構造は熱水、酸、アルカリ、アルコールなどの加水分解を受けやすい連結基や耐熱性、耐ラジカル性が低い基を有さないため、燃料電池内で用いた際に劣化や変性がほとんどない。一方、熱水、酸、アルカリ、アルコールなどの加水分解を受けやすいエステル結合、カーボネート結合、アミド結合、イミド結合や、耐熱性が低くラジカルの攻撃を受けやすいα水素を持つアルキレン結合、脂肪族エーテル結合などを有する樹脂は、燃料電池内で用いた際に劣化を受けるため好ましくない。   The cross-linked proton conductive block copolymer of the present invention comprises the block (A) and the block (B), and these blocks are preferably composed of an aromatic polyether structure. Aromatic polyether structures do not have linking groups that are susceptible to hydrolysis such as hot water, acids, alkalis, and alcohols, and groups that have low heat resistance and radical resistance, so they deteriorate or denature when used in fuel cells. There is almost no. On the other hand, ester bonds, carbonate bonds, amide bonds, imide bonds that are susceptible to hydrolysis of hot water, acids, alkalis, alcohols, etc., alkylene bonds that have α-hydrogen that is less heat resistant and susceptible to radical attack, aliphatic ethers Resins having bonds and the like are not preferable because they are deteriorated when used in a fuel cell.

本発明の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体の形態に特に制限はなく、粉体、溶剤に溶解あるいは分散したワニス、該ワニスを塗布、乾燥して得られる膜などの形態を有することができる。なお、該架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体を溶剤に溶解あるいは分散したワニスとする場合には、その溶剤に特に制限はなく、例えば、水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、ブタノールなどのアルコール類、トルエン、キシレンなどの炭化水素類、塩化メチル、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素類、ジクロロエチルエーテル、1,4−ジオキサン、テトラヒドロフランなどのエーテル類、酢酸メチル、酢酸エチルなどの脂肪酸エステル類、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン類のほか、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、炭酸ジメチルなどの非プロトン性極性溶剤類などを単独で、あるいは混合して使用できる。   The form of the cross-linked proton conductive block copolymer of the present invention is not particularly limited, and may be in the form of a powder, a varnish dissolved or dispersed in a solvent, a film obtained by applying and drying the varnish, and the like. . When the crosslinked proton conductive block copolymer is a varnish dissolved or dispersed in a solvent, the solvent is not particularly limited. For example, water, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, Alcohols such as butanol, hydrocarbons such as toluene and xylene, halogenated hydrocarbons such as methyl chloride and methylene chloride, ethers such as dichloroethyl ether, 1,4-dioxane and tetrahydrofuran, methyl acetate, ethyl acetate, etc. Fatty acid esters, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, as well as aprotic polar solvents such as N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, and dimethyl carbonate. Can be used.

架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体の製法
本発明の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体の製造方法に特に制限はないが、具体的な製造方法を芳香族ポリエーテル構造を例として以下に例示する。
1.芳香族ジヒドロキシ化合物とプロトン酸基を有する芳香族ジハライド化合物、芳香族ジハライド化合物とプロトン酸基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物、あるいは、プロトン酸基を有する芳香族ジハライド化合物とプロトン酸基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物を縮合重合し、35℃における還元粘度が0.05〜0.4dl/gの繰り返し構造単位を有するプロトン酸基含有オリゴマーを合成する。これに芳香族ジヒドロキシ化合物と架橋基を有する芳香族ジハライド化合物芳香族ジハライド化合物と架橋基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物、または架橋基を有する芳香族ジハライド化合物と架橋基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物を、それぞれ添加して縮合重合することによりブロック共重合体とする。
2.芳香族ジヒドロキシ化合物とプロトン酸基を有する芳香族ジハライド化合物、芳香族ジハライド化合物とプロトン酸基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物、あるいは、プロトン酸基を有する芳香族ジハライド化合物とプロトン酸基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物を、それぞれ縮合重合し、35℃における還元粘度が0.05〜0.4dl/gの繰り返し構造単位を有するプロトン酸基含有オリゴマーを合成する。別途、芳香族ジヒドロキシ化合物と架橋基を有する芳香族ジハライド化合物、芳香族ジハライド化合物と架橋基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物、または架橋基を有する芳香族ジハライド化合物と架橋基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物を、それぞれ重縮合して疎水性オリゴマーを得る。
前記プロトン酸基含有オリゴマーに前記疎水性オリゴマーを添加して縮合重合することによりブロック共重合体とする。
Production Method of Crosslinked Proton Conductive Block Copolymer Although there is no particular limitation on the production method of the crosslinkable proton conductive block copolymer of the present invention, specific production methods are exemplified below by taking an aromatic polyether structure as an example. To do.
1. Aromatic dihydroxy compound and aromatic dihalide compound having proton acid group, aromatic dihalide compound and aromatic dihydroxy compound having proton acid group, or aromatic dihydroxy compound having proton acid group and aromatic dihydroxy compound having proton acid group The compound is subjected to condensation polymerization to synthesize a protonic acid group-containing oligomer having a repeating structural unit having a reduced viscosity at 35 ° C. of 0.05 to 0.4 dl / g. Aromatic dihydroxy compound and aromatic dihalide compound having a crosslinking group, aromatic dihalide compound and aromatic dihydroxy compound having a crosslinking group, or aromatic dihydroxy compound having a crosslinking group and aromatic dihydroxy compound having a crosslinking group, respectively. A block copolymer is obtained by addition and condensation polymerization.
2. Aromatic dihydroxy compound and aromatic dihalide compound having proton acid group, aromatic dihalide compound and aromatic dihydroxy compound having proton acid group, or aromatic dihydroxy compound having proton acid group and aromatic dihydroxy compound having proton acid group The compounds are each subjected to condensation polymerization to synthesize a protonic acid group-containing oligomer having a repeating structural unit having a reduced viscosity at 35 ° C. of 0.05 to 0.4 dl / g. Separately, an aromatic dihydroxy compound and an aromatic dihydroxy compound having a crosslinking group, an aromatic dihydroxy compound having an aromatic dihydroxy compound and a crosslinking group, or an aromatic dihydroxy compound having a crosslinking group and an aromatic dihydroxy compound having a crosslinking group, Each is polycondensed to obtain a hydrophobic oligomer.
The hydrophobic oligomer is added to the protonic acid group-containing oligomer and subjected to condensation polymerization to obtain a block copolymer.

ここで、本発明にかかる架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体の製造において用いるモノマー類に特に制限はないが、代表的な具体例を以下に例示する。但し、本発明のブロック(B)の繰り返し構造単位を形成する化合物としては、芳香環に直接結合したアルキル基を含むものは除かれる。   Here, although there is no restriction | limiting in particular in the monomers used in manufacture of the bridge | crosslinking type proton conductive block copolymer concerning this invention, A typical example is illustrated below. However, the compound forming the repeating structural unit of the block (B) of the present invention excludes those containing an alkyl group directly bonded to an aromatic ring.

芳香族ジハライド化合物としては、例えば、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、3,3’−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、3,3’−ジクロロベンゾフェノン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、1,4−ジフルオロベンゼン、1,3−ジフルオロベンゼン、2,6−ジクロロベンゾニトリル、4,4’−ジフルオロビフェニル、3,3’−ジブロモ−4,4’−ジフルオロビフェニル、4,4’−ジフルオロジフェニルメタン、4,4’−ジクロロジフェニルメタン、4,4’−ジフルオロジフェニルエーテル、2,2−ビス(4−フルオロフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−クロロフェニル)プロパン、α,α’−ビス(4−フルオロフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、3,3’−ジエチル−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジクロロベンゾフェノン、3,3’,4,4’−テトラメチル−5,5’−ジクロロベンゾフェノン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、2,5−ジフルオロトルエン、2,5−ジフルオロエチルベンゼン、2,5−ジフルオロ−p−キシレンなどを挙げられ、単独あるいは2種以上を混合して用いることができる。   Examples of the aromatic dihalide compound include 4,4′-difluorobenzophenone, 3,3′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, 3,3′-dichlorobenzophenone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 4,4'-dichlorodiphenyl sulfone, 1,4-difluorobenzene, 1,3-difluorobenzene, 2,6-dichlorobenzonitrile, 4,4'-difluorobiphenyl, 3,3'-dibromo-4,4 ' -Difluorobiphenyl, 4,4'-difluorodiphenylmethane, 4,4'-dichlorodiphenylmethane, 4,4'-difluorodiphenyl ether, 2,2-bis (4-fluorophenyl) propane, 2,2-bis (4-chlorophenyl) ) Propane, α, α'-bis (4-fluoropheny) ) -1,4-diisopropylbenzene, 3,3′-dimethyl-4,4′-difluorobenzophenone, 3,3′-diethyl-4,4′-difluorobenzophenone, 3,3 ′, 5,5′- Tetramethyl-4,4′-difluorobenzophenone, 3,3′-dimethyl-4,4′-dichlorobenzophenone, 3,3 ′, 4,4′-tetramethyl-5,5′-dichlorobenzophenone, 3,3 '-Dimethyl-4,4'-difluorodiphenylsulfone, 3,3'-dimethyl-4,4'-dichlorodiphenylsulfone, 2,5-difluorotoluene, 2,5-difluoroethylbenzene, 2,5-difluoro-p -Xylene etc. are mentioned, It can use individually or in mixture of 2 or more types.

芳香族ジヒドロキシ化合物としては、例えば、ハイドロキノン、レゾルシン、カテコール、4,4’−ジヒドロキシビフェニル、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、1,4−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ベンゼン、α,α’−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジメチルベンゼン、α,α’−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α’−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼン、4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン、1,4−ビス(4−ヒドロキシベンゾイル)ベンゼン、3,3−ジフルオロ−4,4’−ジヒドロキビフェニル、2−メチルハイドロキノン、2−エチルハイドロキノン、2−イソプロピルハイドロキノン、2−オクチルハイドロキノン、2,3−ジメチルハイドロキノン、2,3−ジエチルハイドロキノン、2,5−ジメチルハイドロキノン、2,5−ジエチルハイドロキノン、2,5−ジイソプロピルハイドロキノン、2,6−ジメチルハイドロキノン、2,3,5−トリメチルハイドロキノン、2,3,5,6−テトラメチルハイドロキノン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジヒドロキシビフェニル、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシビフェニル、3,3’−ジメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3’,5,5’−テトラエチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3’−ジメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3’−ジメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,2−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−エチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、α,α’−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α’−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α’−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼン、α,α’−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼンなどを挙げられ、単独あるいは2種以上を混合して用いることができる。
プロトン酸基を有する芳香族ジハライド化合物としては、前記の芳香族ジハライド化合物のスルホン化物、アルキルスルホン化物のほか、2,5−ジクロロ安息香酸、2,5−ジフルオロ安息香酸、5,5’−カルボニルビス(2−フルオロ安息香酸)、5,5’−スルホニルビス(2−フルオロ安息香酸)、2,5−ジクロロフェニルホスホン酸、5,5’−カルボニルビス(2−フルオロベンゼンホスホン酸)およびそのアルカリ金属塩などを挙げることができる。
Examples of the aromatic dihydroxy compound include hydroquinone, resorcin, catechol, 4,4′-dihydroxybiphenyl, 4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide, 4,4′-dihydroxydiphenylmethane, 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 4, 4′-dihydroxydiphenylsulfone, 4,4′-dihydroxybenzophenone, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, 1,4-bis (4 -Hydroxyphenyl) benzene, α, α'-bis (4-hydroxyphenyl) -1,4-dimethylbenzene, α, α'-bis (4-hydroxyphenyl) -1,4-diisopropylbenzene, α, α ' -Bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-diisopro Rubenzene, 4,4'-dihydroxybenzophenone, 1,4-bis (4-hydroxybenzoyl) benzene, 3,3-difluoro-4,4'-dihydrobiphenyl, 2-methylhydroquinone, 2-ethylhydroquinone, 2- Isopropyl hydroquinone, 2-octyl hydroquinone, 2,3-dimethyl hydroquinone, 2,3-diethyl hydroquinone, 2,5-dimethyl hydroquinone, 2,5-diethyl hydroquinone, 2,5-diisopropyl hydroquinone, 2,6-dimethyl hydroquinone, 2,3,5-trimethylhydroquinone, 2,3,5,6-tetramethylhydroquinone, 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxybiphenyl, 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4 , 4'-dihydroxybiphenyl, 3,3'- Methyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane, 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane, 3,3 ′, 5,5′-tetraethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxy Diphenyl sulfide, 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxydiphenyl sulfone, 3,3 ′, 5,5 ′ -Tetramethyl-4,4'-dihydroxydiphenylsulfone, 2,2-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3- 4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) propane, α, α′-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) -1,4-diisopropyl Benzene, α, α′-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) -1,4-diisopropylbenzene, α, α′-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) -1,3-diisopropyl Examples thereof include benzene and α, α′-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) -1,3-diisopropylbenzene, which can be used alone or in combination of two or more.
Examples of the aromatic dihalide compound having a proton acid group include sulfonated products and alkylsulfonated products of the above-mentioned aromatic dihalide compounds, 2,5-dichlorobenzoic acid, 2,5-difluorobenzoic acid, and 5,5′-carbonyl. Bis (2-fluorobenzoic acid), 5,5′-sulfonylbis (2-fluorobenzoic acid), 2,5-dichlorophenylphosphonic acid, 5,5′-carbonylbis (2-fluorobenzenephosphonic acid) and alkalis thereof A metal salt etc. can be mentioned.

プロトン酸基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物としては、前記の芳香族ジヒドロキシ化合物のスルホン化物、アルキルスルホン化物のほか、2,5−ジヒドロキシ安息香酸、2,5−ジヒドロキシテレフタル酸、5,5’−メチレンジサリチル酸、5,5’−チオジサリチル酸、2,5−ジヒドロキシフェニルホスホン酸などのリン酸基を有する芳香族ジヒドロキシ化合物およびそのアルカリ金属塩などを挙げることができる。
なお、芳香族ジハライド化合物及び芳香族ジヒドロキシ化合物のスルホン化物、アルキルスルホン化物は、前記芳香族ジハライド化合物及び前記芳香族ジヒドロキシ化合物を、発煙硫酸などの公知のスルホン化剤でスルホン化(Macromol. Chem. Phys., 199, 1421(1998))する等の方法により得ることができる。
Examples of the aromatic dihydroxy compound having a proton acid group include sulfonated products and alkylsulfonated products of the above aromatic dihydroxy compounds, 2,5-dihydroxybenzoic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, and 5,5′-methylene. Examples thereof include aromatic dihydroxy compounds having a phosphate group such as disalicylic acid, 5,5′-thiodisalicylic acid, and 2,5-dihydroxyphenylphosphonic acid, and alkali metal salts thereof.
The aromatic dihalide compound and aromatic dihydroxy compound sulfonated product and alkyl sulfonated product are obtained by sulfonating the aromatic dihalide compound and the aromatic dihydroxy compound with a known sulfonating agent such as fuming sulfuric acid (Macromol. Chem. Phys., 199, 1421 (1998)).

プロトン伝導膜
本発明のプロトン伝導膜は、本発明の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体を含んでなるプロトン伝導膜である。ここで、本発明のプロトン伝導膜には、自立膜のみならず、基材、電極膜や他のプロトン伝導膜等に密着した塗膜も含む。ここで、本発明にかかるプロトン伝導膜の厚みに特に制限はないが、自立膜である場合には10〜200μm、塗膜である場合には1〜100μmであることが好ましい。
本発明のプロトン伝導膜は、本発明の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体を含んでいればよく、電気導電性を有する導電材、水素の酸化反応、酸素の還元反応を促進する触媒などと複合化されていても良い。
Proton Conducting Membrane The proton conducting membrane of the present invention is a proton conducting membrane comprising the crosslinked proton conductive block copolymer of the present invention. Here, the proton conducting membrane of the present invention includes not only a self-supporting membrane but also a coating film in close contact with a substrate, an electrode membrane, other proton conducting membranes, and the like. Here, although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of the proton conductive film concerning this invention, when it is a self-supporting film | membrane, it is preferable that it is 10-100 micrometers in the case of being a coating film.
The proton conductive membrane of the present invention only needs to contain the cross-linked proton conductive block copolymer of the present invention, such as a conductive material having electrical conductivity, a hydrogen oxidation reaction, a catalyst for promoting oxygen reduction reaction, etc. It may be combined.

導電材としては、電気伝導性物質であればいずれのものでもよく、各種金属や炭素材料
などが上げられる。例えば、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭および黒鉛等が挙げられ、これらは単独あるいは混合して、粉末状あるいはシート状で使用される。
触媒としては、水素の酸化反応および酸素の還元反応を促進する金属であれば特に限定されないが、例えば鉛、鉄、マンガン、コバルト、クロム、ガリウム、バナジウム、タングステン、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、白金、ロジウムまたはそれらの合金が挙げられる。
As the conductive material, any conductive material may be used, and various metals, carbon materials, and the like can be used. Examples thereof include carbon black such as acetylene black, activated carbon, graphite and the like, and these are used alone or mixed and used in the form of powder or sheet.
The catalyst is not particularly limited as long as it promotes hydrogen oxidation reaction and oxygen reduction reaction. For example, lead, iron, manganese, cobalt, chromium, gallium, vanadium, tungsten, ruthenium, iridium, palladium, platinum, Rhodium or an alloy thereof.

燃料電池
本発明のプロトン伝導膜は、種々公知の燃料電池の電解質膜として使用することができ、燃料電池の燃料源としては、例えば、天然ガス、水素、メタノール等のアルコールを用いることができる。その中でもアルコールを直接燃料として用いるものが好ましい。本発明のプロトン伝導膜を用いた燃料電池は、膜の溶解、樹脂の溶出やプロトン酸基の脱離、燃料のクロスオーバーによる出力低下が生じにくく、発電効率と信頼性に優れる。
Fuel cell The proton conductive membrane of the present invention can be used as an electrolyte membrane of various known fuel cells. As the fuel source of the fuel cell, for example, natural gas, alcohol such as hydrogen, methanol or the like is used. be able to. Of these, those using alcohol directly as fuel are preferred. The fuel cell using the proton conducting membrane of the present invention is excellent in power generation efficiency and reliability, because it does not easily cause membrane degradation, resin elution, proton acid group elimination, or fuel crossover, resulting in a decrease in output.

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
実施例中の各種試験の試験方法は次に示すとおりである。
(i)還元粘度(ηinh)
プロトン伝導性ブロック共重合体またはそのオリゴマー0.50gをジメチルスルホキシド100mlに加熱溶解したのち、35℃において、ウベローデ粘度計で測定した。
(ii)イオン交換基当量(EW)
プロトン伝導性ブロック共重合体またはプロトン伝導膜を密閉できるガラス容器中に精秤し、そこに過剰量の塩化カルシウム水溶液を添加して一晩攪拌した。系内に発生した塩化水素を0.1N水酸化ナトリウム標準水溶液にてフェノールフタレイン指示薬を用いて滴定し、計算した。
(iii)吸水率
窒素通風下120℃12時間乾燥したプロトン伝導性ブロック共重合体またはプロトン伝導膜を、23℃純水に24時間浸漬し、その重量変化より算出した。
(iv)プロトン伝導度(25℃、膜厚方向)
1M硫酸で湿潤したサンプルフィルムを、1cm2の空孔を有する100μm厚PETフィルムの片面に白金電極を貼った測定用セル2個で挟み、空孔を1M硫酸水で満たした。これを25℃の恒温槽内に設置してその抵抗値を測定した。サンプルフィルムを挟まなかった場合の抵抗値との差から、サンプルフィルム単体の抵抗値を求め、イオン伝導度(25℃、膜厚方向)を算出した。なお、プロトン伝導度の計算に必要な膜厚は乾燥状態でマイクロメータを用いて測定した。
(v)メタノール透過性
室温にて蒸留水と、1mol/L メタノール水溶液を、直径23mmφのプロトン伝導膜を介して接し、3時間までの蒸留水側のメタノール濃度変化をガスクロにて測定した。得られたメタノール濃度増加直線の傾きより、膜厚50μmでのメタノール透過速度を計算し、これをメタノール透過性とした。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not restrict | limited at all by this.
Test methods of various tests in the examples are as follows.
(I) Reduced viscosity (ηinh)
A proton conductive block copolymer or oligomer thereof (0.50 g) was dissolved in 100 ml of dimethyl sulfoxide by heating, and then measured at 35 ° C. with an Ubbelohde viscometer.
(Ii) Ion exchange group equivalent (EW)
The proton conductive block copolymer or proton conductive membrane was precisely weighed in a glass container that could be sealed, and an excess amount of calcium chloride aqueous solution was added thereto and stirred overnight. The hydrogen chloride generated in the system was titrated with a 0.1N sodium hydroxide standard aqueous solution using a phenolphthalein indicator and calculated.
(Iii) Water Absorption Rate A proton conductive block copolymer or proton conductive membrane dried at 120 ° C. for 12 hours under nitrogen ventilation was immersed in pure water at 23 ° C. for 24 hours, and the weight change was calculated.
(Iv) Proton conductivity (25 ° C., film thickness direction)
The sample film wetted with 1M sulfuric acid was sandwiched between two measuring cells each having a platinum electrode on one side of a 100 μm thick PET film having 1 cm 2 pores, and the pores were filled with 1M sulfuric acid water. This was installed in a constant temperature bath at 25 ° C., and the resistance value was measured. The resistance value of the sample film alone was determined from the difference from the resistance value when the sample film was not sandwiched, and the ionic conductivity (25 ° C., film thickness direction) was calculated. The film thickness necessary for the calculation of proton conductivity was measured using a micrometer in a dry state.
(V) Methanol permeability Distilled water and a 1 mol / L aqueous methanol solution were brought into contact with each other through a proton conductive membrane having a diameter of 23 mmφ at room temperature, and the change in methanol concentration on the distilled water side up to 3 hours was measured by gas chromatography. The methanol permeation rate at a film thickness of 50 μm was calculated from the slope of the obtained methanol concentration increasing line, and this was defined as methanol permeability.

(実施例1)
窒素導入管、温度計、トルエンで満たした分液器を備えた冷却器、及び撹拌装置を備えたフラスコに、3,3’−カルボニルビス(6−フルオロベンゼンスルホン酸ナトリウム)14.7802g(0.035mol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン9.9877g(0.043mol)および無水炭酸カリウム5.80g(0.042mol)を精秤した。これにジメチルスルホキシド(以下、DMSOと略す)99.0gおよびトルエン40.0gを加え、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後、5時間反応を行った。反応はトルエン還留下に行い、留出する水は分液器により分液回収した。冷却後、反応マスの一部をサンプリングし、DMSOで希釈、その上澄みをメタノールに排出してオリゴマーを析出させ、アセトンで洗浄したのち、窒素通風下150℃4時間乾燥してオリゴマーを得た。得られたオリゴマーは、芳香環に直接結合したプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を含み且つ芳香族環に直接結合したアルキル基を含まない化合物であり、その還元粘度は0.20dl/g(DMSO)であった。
Example 1
Into a flask equipped with a nitrogen inlet tube, a thermometer, a cooler equipped with a separator filled with toluene, and a stirrer, 147,802 g (0,3,3′-carbonylbis (6-fluorobenzenesulfonic acid sodium salt)) 0.035 mol), 9.9877 g (0.043 mol) of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane and 5.80 g (0.042 mol) of anhydrous potassium carbonate were precisely weighed. To this was added 99.0 g of dimethyl sulfoxide (hereinafter abbreviated as DMSO) and 40.0 g of toluene, and the mixture was heated to 140 ° C. while stirring through nitrogen gas, and then reacted for 5 hours. The reaction was performed under toluene return distillation, and the distilled water was separated and collected by a separator. After cooling, a part of the reaction mass was sampled, diluted with DMSO, the supernatant was discharged into methanol, the oligomer was precipitated, washed with acetone, and then dried at 150 ° C. for 4 hours under nitrogen flow to obtain the oligomer. The obtained oligomer is a compound containing a protonic acid group (sodium sulfonate group) directly bonded to the aromatic ring and no alkyl group directly bonded to the aromatic ring, and its reduced viscosity is 0.20 dl / g ( DMSO).

前記反応マスに、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン14.1830g(0.065mol)、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン14.4197g(0.05625mol)、無水炭酸カリウム10.76g(0.12mol)、DMSO114.0gおよびトルエン46.0gを添加し、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後4時間、さらにトルエンを留去しながら160℃まで昇温し、4時間反応を行った。   To the reaction mass, 14.4830 g (0.065 mol) of 4,4′-difluorobenzophenone, 14.4197 g (0.05625 mol) of 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane, Anhydrous potassium carbonate (10.76 g, 0.12 mol), DMSO (114.0 g), and toluene (46.0 g) were added, and the mixture was heated to 140 ° C. with stirring through nitrogen gas. The reaction was continued for 4 hours.

得られた粘稠な反応マス(110℃)を、ホモミキサーを用いてアセトン3Lに排出し、析出したポリマーを濾集、蒸留水4Lで2回、アセトン4Lで1回、それぞれ1時間ずつスラッジした後、濾集した。50℃で8時間、150℃で4時間(いずれも窒素雰囲気下)乾燥してプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を有する架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体46.2g(収率93.5%)で、還元粘度は1.45dl/g(N−メチルピロリドン)であった。
得られたブロック共重合体4gを18.2gのN−メチルピロリドンに溶解し、ポリマー濃度18%のワニスを得た。得られたワニスをスペーサーを有するブレードを用いてガラス基板上にキャストし、窒素通風下室温から200℃まで2時間かけて昇温乾燥し、厚さ50μmのフィルムを得た。
得られたフィルムはガラス基板上からはがし、メタルハライドランプを用いて両面に各7000mJ/cmの光照射を行い架橋させ、フィルム状のプロトン伝導性ブロック共重合架橋体を得た。
架橋したフィルムを2N硫酸水溶液および蒸留水に1日づつ浸漬してスルホン酸ナトリウム基のプロトン交換を行い、フリーのスルホン酸基を有するフィルムを得た。
得られたフィルムのイオン交換基当量は770g/mol、吸水率は11%、プロトン伝導度は0.011S/cm、メタノール透過性は0.54μmol/cm・minであった。
The obtained viscous reaction mass (110 ° C.) was discharged into 3 L of acetone using a homomixer, and the precipitated polymer was collected by filtration, twice with 4 L of distilled water and once with 4 L of acetone, each for 1 hour each. And then collected by filtration. It was dried at 50 ° C. for 8 hours and at 150 ° C. for 4 hours (both in a nitrogen atmosphere) to obtain a crosslinked proton-conductive block copolymer having a proton acid group (sodium sulfonate group). The resulting block copolymer was 46.2 g (93.5% yield), and the reduced viscosity was 1.45 dl / g (N-methylpyrrolidone).
4 g of the obtained block copolymer was dissolved in 18.2 g of N-methylpyrrolidone to obtain a varnish having a polymer concentration of 18%. The obtained varnish was cast on a glass substrate using a blade having a spacer and dried by heating from room temperature to 200 ° C. over 2 hours under a nitrogen flow to obtain a film having a thickness of 50 μm.
The obtained film was peeled off from the glass substrate, and irradiated with light of 7000 mJ / cm 2 on both sides using a metal halide lamp to be crosslinked to obtain a film-like proton conductive block copolymer crosslinked product.
The crosslinked film was immersed in a 2N aqueous sulfuric acid solution and distilled water for 1 day to perform proton exchange of sodium sulfonate groups to obtain a film having free sulfonic acid groups.
The film obtained had an ion exchange group equivalent of 770 g / mol, a water absorption of 11%, a proton conductivity of 0.011 S / cm, and a methanol permeability of 0.54 μmol / cm 2 · min.

(実施例2)
窒素導入管、温度計、トルエンで満たした分液器を備えた冷却器、及び撹拌装置を備えたフラスコに、3,3’−カルボニルビス(6−フルオロベンゼンスルホン酸ナトリウム)14.7802g(0.035mol)、4,4’−ジヒドロキシフェニルメタン8.7606g(0.043mol)および無水炭酸カリウム5.80g(0.042mol)を精秤した。これにジメチルスルホキシド94.0gおよびトルエン38.0gを加え、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後、4時間40分反応を行った。反応はトルエン還留下に行い、留出する水は分液器により分液回収した。冷却後、反応マスの一部をサンプリングし、DMSOで希釈、その上澄みをメタノールに排出してオリゴマーを析出させ、アセトンで洗浄したのち、窒素通風下150℃4時間乾燥してオリゴマーを得た。得られたオリゴマーは、芳香環に直接結合したプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を含み且つ芳香族環に直接結合したアルキル基を含まない化合物であり、オリゴマーの還元粘度は0.20dl/g(DMSO)であった。
(Example 2)
Into a flask equipped with a nitrogen inlet tube, a thermometer, a cooler equipped with a separator filled with toluene, and a stirrer, 147,802 g (0,3,3′-carbonylbis (6-fluorobenzenesulfonic acid sodium salt)) 0.035 mol), 4,4′-dihydroxyphenylmethane 8.7606 g (0.043 mol) and anhydrous potassium carbonate 5.80 g (0.042 mol) were precisely weighed. Dimethyl sulfoxide 94.0g and toluene 38.0g were added to this, and it heated up to 140 degreeC, stirring through nitrogen gas, Then, reaction was performed for 4 hours and 40 minutes. The reaction was performed under toluene return distillation, and the distilled water was separated and collected by a separator. After cooling, a part of the reaction mass was sampled, diluted with DMSO, the supernatant was discharged into methanol, the oligomer was precipitated, washed with acetone, and then dried at 150 ° C. for 4 hours under nitrogen flow to obtain the oligomer. The obtained oligomer is a compound containing a protonic acid group (sodium sulfonate group) directly bonded to the aromatic ring and not containing an alkyl group directly bonded to the aromatic ring, and the reduced viscosity of the oligomer is 0.20 dl / g. (DMSO).

前記反応マスに、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン14.1830g(0.065mol)、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン14.4197g(0.05625mol)、無水炭酸カリウム10.76g(0.12mol)、DMSO114.0gおよびトルエン46.0gを添加し、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後5時間30分、さらにトルエンを留去しながら160℃まで昇温し、4時間反応を行った。   To the reaction mass, 14.4830 g (0.065 mol) of 4,4′-difluorobenzophenone, 14.4197 g (0.05625 mol) of 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane, Anhydrous potassium carbonate (10.76 g, 0.12 mol), DMSO (114.0 g), and toluene (46.0 g) were added. While stirring through nitrogen gas, the temperature was raised to 140 ° C., and after 5 hours and 30 minutes, toluene was distilled off. The temperature was raised to 160 ° C. and the reaction was performed for 4 hours.

得られた粘稠な反応マス(110℃)を、ホモミキサーを用いてアセトン3Lに排出し、析出したポリマーを濾集、蒸留水4Lで2回、アセトン4Lで1回、それぞれ1時間ずつスラッジした後、濾集した。50℃で8時間、150℃で4時間(いずれも窒素雰囲気下)乾燥してプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を有する架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体は42.2g(収率87.7%)、還元粘度は1.50dl/g(N−メチルピロリドン)であった。
得られたブロック共重合体4gを19.5gのN−メチルピロリドンに加熱溶解し、ポリマー濃度17%のワニスを得た。得られたワニスをスペーサーを有するブレードを用いてガラス基板上にキャストし、窒素通風下室温から200℃まで2時間かけて昇温乾燥し、厚さ50μmのフィルムを得た。
得られたフィルムはガラス基板上からはがし、メタルハライドランプを用いて両面に各7000mJ/cmの光照射を行い架橋させ、フィルム状のプロトン伝導性ブロック共重合架橋体を得た。
架橋したフィルムを2N硫酸水溶液および蒸留水に1日づつ浸漬してスルホン酸ナトリウム基のプロトン交換を行い、フリーのスルホン酸基を有するフィルムを得た。
得られたフィルムのイオン交換基当量は733g/mol、吸水率は10%、プロトン伝導度は0.013S/cm、メタノール透過性は0.48μmol/cm・minであった。
The obtained viscous reaction mass (110 ° C.) was discharged into 3 L of acetone using a homomixer, and the precipitated polymer was collected by filtration, twice with 4 L of distilled water and once with 4 L of acetone, each for 1 hour each. And then collected by filtration. It was dried at 50 ° C. for 8 hours and at 150 ° C. for 4 hours (both in a nitrogen atmosphere) to obtain a crosslinked proton-conductive block copolymer having a proton acid group (sodium sulfonate group). The obtained block copolymer was 42.2 g (yield 87.7%), and the reduced viscosity was 1.50 dl / g (N-methylpyrrolidone).
4 g of the obtained block copolymer was dissolved by heating in 19.5 g of N-methylpyrrolidone to obtain a varnish having a polymer concentration of 17%. The obtained varnish was cast on a glass substrate using a blade having a spacer and dried by heating from room temperature to 200 ° C. over 2 hours under a nitrogen flow to obtain a film having a thickness of 50 μm.
The obtained film was peeled off from the glass substrate, and irradiated with light of 7000 mJ / cm 2 on both sides using a metal halide lamp to be crosslinked to obtain a film-like proton conductive block copolymer crosslinked product.
The crosslinked film was immersed in a 2N aqueous sulfuric acid solution and distilled water for 1 day to perform proton exchange of sodium sulfonate groups to obtain a film having free sulfonic acid groups.
The film obtained had an ion exchange group equivalent of 733 g / mol, a water absorption of 10%, a proton conductivity of 0.013 S / cm, and a methanol permeability of 0.48 μmol / cm 2 · min.

(実施例3)
窒素導入管、温度計、トルエンで満たした分液器を備えた冷却器、及び撹拌装置を備えたフラスコに、3,3’−カルボニルビス(6−フルオロベンゼンスルホン酸ナトリウム)14.7802g(0.035mol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン14.7802g(0.043mol)および無水炭酸カリウム5.80g(0.042mol)を精秤した。これにDMSO118.0gおよびトルエン47.0gを加え、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後、9間反応を行った。反応はトルエン還留下に行い、留出する水は分液器により分液回収した。冷却後、反応マスの一部をサンプリングし、DMSOで希釈、その上澄みをメタノールに排出してオリゴマーを析出させ、アセトンで洗浄したのち、窒素通風下150℃4時間乾燥してオリゴマーを得た。得られたオリゴマーは、芳香環に直接結合したプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を含み且つ芳香環に直接結合したアルキル基を含まない化合物であり、オリゴマーの還元粘度は0.17dl/g(DMSO)であった。
(Example 3)
Into a flask equipped with a nitrogen inlet tube, a thermometer, a cooler equipped with a separator filled with toluene, and a stirrer, 147,802 g (0,3,3′-carbonylbis (6-fluorobenzenesulfonic acid sodium salt)) 0.035 mol), 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane (14.7802 g, 0.043 mol) and anhydrous potassium carbonate (5.80 g, 0.042 mol) were precisely weighed. To this, 118.0 g of DMSO and 47.0 g of toluene were added, the temperature was raised to 140 ° C. while stirring through nitrogen gas, and then the reaction was performed for 9 minutes. The reaction was performed under toluene return distillation, and the distilled water was separated and collected by a separator. After cooling, a part of the reaction mass was sampled, diluted with DMSO, the supernatant was discharged into methanol, the oligomer was precipitated, washed with acetone, and then dried at 150 ° C. for 4 hours under nitrogen flow to obtain the oligomer. The oligomer obtained was a compound containing a protonic acid group (sodium sulfonate group) directly bonded to the aromatic ring and not containing an alkyl group directly bonded to the aromatic ring, and the reduced viscosity of the oligomer was 0.17 dl / g ( DMSO).

前記反応マスに、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン14.1830g(0.065mol)、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン14.4197g(0.05625mol)、無水炭酸カリウム10.76g(0.12mol)、DMSO114.0gおよびトルエン46.0gを添加し、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後6時間30分、さらにトルエンを留去しながら160℃まで昇温し、6時間30分反応を行った。   To the reaction mass, 14.1830 g (0.065 mol) of 4,4′-difluorobenzophenone, 14.4197 g (0.05625 mol) of 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane, Anhydrous potassium carbonate (10.76 g, 0.12 mol), DMSO (114.0 g), and toluene (46.0 g) were added, and the mixture was heated to 140 ° C. with stirring through nitrogen gas. The temperature was raised to 160 ° C., and the reaction was performed for 6 hours and 30 minutes.

得られた粘稠な反応マス(110℃)を、ホモミキサーを用いてアセトン3Lに排出し、析出したポリマーを濾集、蒸留水4Lで2回、アセトン4Lで1回、それぞれ1時間ずつスラッジした後、濾集した。50℃で8時間、150℃で4時間(いずれも窒素雰囲気下)乾燥してプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を有する架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体は45.8g(収率84.7%)、還元粘度は0.99dl/g(N−メチルピロリドン)であった。
得られたブロック共重合体4gを14.2gのN−メチルピロリドンに加熱溶解し、ポリマー濃度22%のワニスを得た。得られたワニスをスペーサーを有するブレードを用いてガラス基板上にキャストし、窒素通風下室温から200℃まで2時間かけて昇温乾燥し、厚さ50μmのフィルムを得た。
得られたフィルムはガラス基板上からはがし、メタルハライドランプを用いて両面に各7000mJ/cmの光照射を行い架橋させ、フィルム状のプロトン伝導性ブロック共重合架橋体を得た。
架橋したフィルムを2N硫酸水溶液および蒸留水に1日づつ浸漬してスルホン酸ナトリウム基のプロトン交換を行い、フリーのスルホン酸基を有するフィルムを得た。
得られたフィルムのイオン交換基当量は791g/mol、吸水率は9%、プロトン伝導度は0.012S/cm、メタノール透過性は0.64μmol/cm・minであった。
The obtained viscous reaction mass (110 ° C.) was discharged into 3 L of acetone using a homomixer, and the precipitated polymer was collected by filtration, twice with 4 L of distilled water and once with 4 L of acetone, each for 1 hour each. And then collected by filtration. It was dried at 50 ° C. for 8 hours and at 150 ° C. for 4 hours (both in a nitrogen atmosphere) to obtain a crosslinked proton-conductive block copolymer having a proton acid group (sodium sulfonate group). The obtained block copolymer was 45.8 g (yield 84.7%), and the reduced viscosity was 0.99 dl / g (N-methylpyrrolidone).
4 g of the obtained block copolymer was dissolved by heating in 14.2 g of N-methylpyrrolidone to obtain a varnish having a polymer concentration of 22%. The obtained varnish was cast on a glass substrate using a blade having a spacer and dried by heating from room temperature to 200 ° C. over 2 hours under a nitrogen flow to obtain a film having a thickness of 50 μm.
The obtained film was peeled off from the glass substrate, and irradiated with light of 7000 mJ / cm 2 on both sides using a metal halide lamp to be crosslinked to obtain a film-like proton conductive block copolymer crosslinked product.
The crosslinked film was immersed in a 2N aqueous sulfuric acid solution and distilled water for 1 day to perform proton exchange of sodium sulfonate groups to obtain a film having free sulfonic acid groups.
The obtained film had an ion exchange group equivalent of 791 g / mol, a water absorption rate of 9%, a proton conductivity of 0.012 S / cm, and a methanol permeability of 0.64 μmol / cm 2 · min.

(比較例1)
窒素導入管、温度計、トルエンで満たした分液器を備えた冷却器、及び撹拌装置を備え
たフラスコに、3,3’−カルボニルビス(6−フルオロベンゼンスルホン酸ナトリウム)14.7802g(0.035mol)、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン11.2153g(0.043mol)および無水炭酸カリウム5.80g(0.042mol)を精秤した。これにジメチルスルホキシド104.0gおよびトルエン42.0gを加え、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後、8間反応を行った。反応はトルエン還留下に行い、留出する水は分液器により分液回収した。冷却後、反応マスの一部をサンプリングし、DMSOで希釈、その上澄みをメタノールに排出してオリゴマーを析出させ、アセトンで洗浄したのち、窒素通風下150℃4時間乾燥してオリゴマーを得た。得られたオリゴマーは、芳香環にプロトン酸基及びアルキル基が直接結合した化合物であり、還元粘度は0.20dl/g(DMSO)であった。
(Comparative Example 1)
Into a flask equipped with a nitrogen inlet tube, a thermometer, a cooler equipped with a separator filled with toluene, and a stirrer, 147,802 g (0,3,3′-carbonylbis (6-fluorobenzenesulfonic acid sodium salt)) 0.035 mol), 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane, 11.153 g (0.043 mol), and 5.80 g (0.042 mol) of anhydrous potassium carbonate were precisely weighed. To this, 104.0 g of dimethyl sulfoxide and 42.0 g of toluene were added, the temperature was raised to 140 ° C. while stirring through nitrogen gas, and a reaction was carried out for 8 hours. The reaction was performed under toluene return distillation, and the distilled water was separated and collected by a separator. After cooling, a part of the reaction mass was sampled, diluted with DMSO, the supernatant was discharged into methanol, the oligomer was precipitated, washed with acetone, and then dried at 150 ° C. for 4 hours under nitrogen flow to obtain the oligomer. The obtained oligomer was a compound in which a protonic acid group and an alkyl group were directly bonded to an aromatic ring, and the reduced viscosity was 0.20 dl / g (DMSO).

前記反応マスに、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン14.1830g(0.065mol)、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン14.4197g(0.05625mol)、無水炭酸カリウム10.76g(0.12mol)、DMSO114.0gおよびトルエン46.0gを添加し、窒素ガスを通じ撹拌しながら、140℃まで昇温した後8時間、さらにトルエンを留去しながら160℃まで昇温し、8時間反応を行った。   To the reaction mass, 14.1830 g (0.065 mol) of 4,4′-difluorobenzophenone, 14.4197 g (0.05625 mol) of 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane, Anhydrous potassium carbonate (10.76 g, 0.12 mol), DMSO (114.0 g), and toluene (46.0 g) were added, and the mixture was heated to 140 ° C. with stirring through nitrogen gas. The reaction was continued for 8 hours.

得られた粘稠な反応マス(110℃)を、ホモミキサーを用いてアセトン3Lに排出し、析出したポリマーを濾集、蒸留水4Lで2回、アセトン4Lで1回、それぞれ1時間ずつスラッジした後、濾集した。50℃で8時間、150℃で4時間(いずれも窒素雰囲気下)乾燥してプロトン酸基(スルホン酸ナトリウム基)を有するブロック共重合体46.1g(収率91.1%)を得た。
得られたブロック共重合体の還元粘度は1.10dl/g(N−メチルピロリドン)であった。
得られたブロック共重合体4gを14.2gのN−メチルピロリドンに加熱溶解し、ポリマー濃度22%のワニスを得た。得られたワニスをスペーサーを有するブレードを用いてガラス基板上にキャストし、窒素通風下室温から200℃まで2時間かけて昇温乾燥し、厚さ50μmのフィルムを得た。
得られたフィルムはガラス基板上からはがし、メタルハライドランプを用いて両面に各7000mJ/cmの光照射を行い架橋させた。
架橋したフィルムを2N硫酸水溶液および蒸留水に1日づつ浸漬してスルホン酸ナトリウム基のプロトン交換を行い、フリーのスルホン酸基を有するフィルムを得た。
得られたフィルムのイオン交換基当量は761g/mol、吸水率は19%、プロトン伝導度は0.013S/cm、メタノール透過性は0.85μmol/cm・minであった。
The obtained viscous reaction mass (110 ° C.) was discharged into 3 L of acetone using a homomixer, and the precipitated polymer was collected by filtration, twice with 4 L of distilled water and once with 4 L of acetone, each for 1 hour each. And then collected by filtration. It was dried at 50 ° C. for 8 hours and at 150 ° C. for 4 hours (both in a nitrogen atmosphere) to obtain 46.1 g (yield 91.1%) of a block copolymer having a proton acid group (sodium sulfonate group). .
The reduced viscosity of the obtained block copolymer was 1.10 dl / g (N-methylpyrrolidone).
4 g of the obtained block copolymer was dissolved by heating in 14.2 g of N-methylpyrrolidone to obtain a varnish having a polymer concentration of 22%. The obtained varnish was cast on a glass substrate using a blade having a spacer and dried by heating from room temperature to 200 ° C. over 2 hours under a nitrogen flow to obtain a film having a thickness of 50 μm.
The obtained film was peeled off from the glass substrate and cross-linked by irradiating each surface with light of 7000 mJ / cm 2 using a metal halide lamp.
The crosslinked film was immersed in a 2N aqueous sulfuric acid solution and distilled water for 1 day to perform proton exchange of sodium sulfonate groups to obtain a film having free sulfonic acid groups.
The film obtained had an ion exchange group equivalent of 761 g / mol, a water absorption of 19%, a proton conductivity of 0.013 S / cm, and a methanol permeability of 0.85 μmol / cm 2 · min.

表1より、実施例1〜3と比較例1を比較すると、実施例ではいずれも吸水率とメタノール透過性は低下しているにも関わらず、プロトン伝導度が維持されているのが判る。このことから、疎水性ブロックのみに架橋基を導入することによりプロトン伝導度の低下を招くことなく、メタノール透過性を低減できると考えられる。
From Table 1, when Examples 1 to 3 are compared with Comparative Example 1, it can be seen that the proton conductivity is maintained in each of the Examples although the water absorption rate and methanol permeability are reduced. From this, it is considered that methanol permeability can be reduced by introducing a crosslinking group only in the hydrophobic block without causing a decrease in proton conductivity.

Claims (8)

一般式(1)で表される構造単位を繰り返し有するブロック(A)と、芳香環に直接結合したプロトン酸基を含み且つ芳香環に直接結合したアルキル基を含まない構造単位を繰り返し有するブロック(B)とからなることを特徴とする架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体。
[式(1)中、R1は−Cm2m+1(mは1〜10の整数)。A1、A2はそれぞれ独立して直接結合,−CH2−、−C(CH32−、−C(CF32−、−O−、−SO2−または−CO−であり、gおよびhはそれぞれ独立して0または1を示す。式(1)中の芳香環の水素原子は、−Cm2m+1(mは1〜10の整数)、−F、−CF3、−Si(CH3
3、−OSi(CH33または−CNに置換されていても良い。]
A block (A) having repeating structural units represented by the general formula (1) and a block having repeating structural units containing a protonic acid group directly bonded to the aromatic ring and not containing an alkyl group directly bonded to the aromatic ring ( B) A cross-linked proton conductive block copolymer.
[In formula (1), R 1 is -C m H 2m + 1 (m is an integer of from 1 to 10). A 1 and A 2 are each independently a direct bond, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—, —SO 2 — or —CO—. , G and h each independently represent 0 or 1. Hydrogen atoms of the aromatic ring in formula (1) may, -C m H 2m + 1 ( m is an integer of from 1 to 10), - F, -CF 3, -Si (CH 3
) 3 , —OSi (CH 3 ) 3 or —CN may be substituted. ]
ブロック(B)が一般式(2)あるいは(3)で表わされる繰り返し構造単位からなることを特徴とする、請求項1に記載の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体。
[式(2)および(3)中、R2、R3、R4およびR5はそれぞれ独立してHまたはプロトン酸基であり、少なくとも1つはプロトン酸基である。式(2)および(3)中、A3
4、A5およびA6はそれぞれ独立して直接結合,−CH2−、−C(CH32−、−C(CF32−、−O−、−SO2−または−CO−であり、i、j、kおよびmはそれぞれ
独立して0または1を示す。式(2)および(3)の芳香環の水素原子は、プロトン酸基、−F、−CF3、−Si(CH33、−OSi(CH33または−CNに置換されてい
ても良い。]
The crosslinked proton-conductive block copolymer according to claim 1, wherein the block (B) comprises a repeating structural unit represented by the general formula (2) or (3).
[In the formulas (2) and (3), R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are each independently H or a proton acid group, and at least one is a proton acid group. In formulas (2) and (3), A 3 ,
A 4 , A 5 and A 6 are each independently a direct bond, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—, —SO 2 — or —CO. -, I, j, k and m each independently represent 0 or 1. The hydrogen atom of the aromatic ring of formulas (2) and (3) is substituted with a proton acid group, -F, -CF 3 , -Si (CH 3 ) 3 , -OSi (CH 3 ) 3 or -CN Also good. ]
ブロック(A)が一般式(4)、ブロック(B)が一般式(5)であることを特徴とする、請求項1又は2記載の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体。
[式(4)中、R6は−Cm2m+1(mは1〜10の整数)。A7は直接結合,−CH2−、−C(CH32−、−C(CF32−、−O−、−SO2−または−CO−である。式
(4)中の芳香環のH原子は、−Cm2m+1(mは1〜10の整数)、−F、−CF3に置換されていても良い。]
[式(5)中、R7とR8の少なくとも1つはプロトン酸基であり、それ以外はH原子である。式Y中のA8は直接結合、−CH2− 、−C(CH32 − 、−C(CF32−、
−O−、−SO2−または−CO−であり、芳香環の水素原子は他の原子に置換されない
。]
The crosslinked proton-conductive block copolymer according to claim 1 or 2, wherein the block (A) is represented by the general formula (4) and the block (B) is represented by the general formula (5 ) .
Wherein (4), R 6 is -C m H 2m + 1 (m is an integer of from 1 to 10). A 7 is a direct bond, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—, —SO 2 — or —CO—. H atom of an aromatic ring in formula (4) is, -C m H 2m + 1 ( m is an integer of from 1 to 10), - F, may be substituted in the -CF 3. ]
[In Formula (5), at least one of R 7 and R 8 is a protonic acid group, and the others are H atoms. A 8 in Formula Y is a direct bond, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —,
It is —O—, —SO 2 — or —CO—, and the hydrogen atom of the aromatic ring is not substituted with another atom. ]
プロトン酸基が、−Cn2n−SO3Z、−Cn2n−PO22、−Cn2n−COOZ(nは0〜10の整数、ZはH、NaまたはKである) のいずれか一つであることを特徴
とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体。
Protonic acid group, -C n H 2n -SO 3 Z , -C n H 2n -PO 2 Z 2, -C n H 2n -COOZ (n is an integer of 0, Z is H, with Na or K crosslinked proton conducting block copolymer according to any one of claims 1 to 3, characterized in that either there one Tsude of a).
請求項1〜4記載のいずれか一つの架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体の架橋基が架橋してなるプロトン伝導性ブロック共重合架橋体。   A proton-conductive block copolymer crosslinked product obtained by crosslinking a crosslinking group of any one of the crosslinked proton-conductive block copolymers according to claim 1. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の架橋型プロトン伝導性ブロック共重合体あるいは請求項5に記載のプロトン伝導性ブロック共重合架橋体を含んでなるプロトン伝導膜。 A proton conductive membrane comprising the crosslinked proton conductive block copolymer according to any one of claims 1 to 4 or the proton conductive block copolymer crosslinked product according to claim 5 . 請求項6記載のプロトン伝導膜を用いてなる燃料電池。   A fuel cell comprising the proton conducting membrane according to claim 6. アルコールを直接燃料に用いることを特徴とする請求項7記載の燃料電池。   8. The fuel cell according to claim 7, wherein alcohol is directly used as fuel.
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