JP4867174B2 - POLYMER ELECTROLYTE MATERIAL, POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, MEMBRANE ELECTRODE COMPOSITION AND POLYMER ELECTROLYTE TYPE FUEL CELL USING SAME - Google Patents

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Description

本発明は、高出力および高エネルギー容量を達成することができる実用性に優れた高分子電解質材ならびにそれを用いた高分子電解質膜、膜電極複合体および高分子電解質型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte material excellent in practical use capable of achieving high output and high energy capacity, and a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell using the same. .

燃料電池は、排出物が少なく、かつ高エネルギー効率で環境への負担の低い発電装置である。このため、近年の地球環境保護への高まりの中で再び脚光を浴びている。従来の大規模発電施設に比べ、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として、将来的にも期待されている発電装置である。また、小型移動機器、携帯機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、携帯電話やパソコンなどへの搭載が期待されている。   A fuel cell is a power generation device with low emissions, high energy efficiency, and low environmental burden. For this reason, it is in the spotlight again in recent years to the protection of the global environment. Compared to conventional large-scale power generation facilities, this is a power generation device expected in the future as a relatively small-scale distributed power generation facility, and as a power generation device for mobile objects such as automobiles and ships. It is also attracting attention as a power source for small mobile devices and portable devices, and is expected to be installed in mobile phones and personal computers in place of secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries.

高分子電解質型燃料電池においては、水素ガスを燃料とする従来の高分子電解質型燃料電池(以下、PEFCと記載する)に加えて、メタノールを直接供給するダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCと記載する)も注目されている。DMFCは、従来のPEFCに比べて出力が低いものの、燃料が液体で改質器を用いないために、エネルギー密度が高くなり、一充填あたりの携帯機器の使用時間が長時間になるという利点がある。   In polymer electrolyte fuel cells, in addition to conventional polymer electrolyte fuel cells that use hydrogen gas as fuel (hereinafter referred to as PEFC), direct methanol fuel cells that supply methanol directly (hereinafter referred to as DMFC) It is also attracting attention. Although the DMFC has a lower output than the conventional PEFC, the fuel is liquid and does not use a reformer. Therefore, the energy density is high and the usage time of the portable device per filling is long. is there.

燃料電池は通常、発電を担う反応の起こるアノードとカソードの電極と、アノードとカソード間のイオン伝導体となる電解質膜とが、膜―電極複合体(以降、MEA略称することがある。)を構成し、このMEAがセパレータによって挟まれたセルをユニットとして構成されている。ここで、電極は、ガス拡散の促進と集(給)電を行う電極基材(ガス拡散電極あるいは集電体とも云う)と、実際に電気化学的反応場となる電極触媒層とから構成されている。たとえば、高分子電解質型燃料電池のアノード電極では、水素ガスなどの燃料がアノード電極の触媒層で反応してプロトンと電子を生じ、電子は電極基材に伝導し、プロトンは高分子電解質膜へと伝導する。このため、アノード電極には、ガスの拡散性、電子伝導性、イオン伝導性が良好なことが要求される。一方、カソード電極では、酸素や空気などの酸化ガスがカソード電極の触媒層で、高分子電解質膜から伝導してきたプロトンと、電極基材から伝導してきた電子とが反応して水を生成する。このため、カソード電極においては、ガス拡散性、電子伝導性、イオン伝導性とともに、生成した水を効率よく排出することも必要となる。   In a fuel cell, an anode electrode and a cathode electrode in which a reaction responsible for power generation occurs and an electrolyte membrane serving as an ionic conductor between the anode and the cathode are a membrane-electrode complex (hereinafter sometimes abbreviated as MEA). A cell in which this MEA is sandwiched between separators is configured as a unit. Here, the electrode is composed of an electrode substrate (also referred to as a gas diffusion electrode or a current collector) that promotes gas diffusion and collects (supply) electricity, and an electrode catalyst layer that actually becomes an electrochemical reaction field. ing. For example, in an anode electrode of a polymer electrolyte fuel cell, a fuel such as hydrogen gas reacts with a catalyst layer of the anode electrode to generate protons and electrons, and the electrons are conducted to the electrode substrate, and the protons flow to the polymer electrolyte membrane. Conducted with. For this reason, the anode electrode is required to have good gas diffusibility, electron conductivity, and ion conductivity. On the other hand, in the cathode electrode, an oxidizing gas such as oxygen or air is reacted with protons conducted from the polymer electrolyte membrane and electrons conducted from the electrode base material in the catalyst layer of the cathode electrode to produce water. For this reason, in the cathode electrode, it is necessary to efficiently discharge the generated water in addition to gas diffusibility, electron conductivity, and ion conductivity.

特に、高分子電解質型燃料電池の中でも、メタノールなどの有機溶媒を燃料とするDMFC用高分子電解質膜においては、水素ガスを燃料とする従来のPEFC用の高分子電解質膜に要求される性能に加えて、メタノールなどの燃料透過抑制も要求される。高分子電解質膜のメタノール透過は、メタノールクロスオーバー(以降、MCOと略称することがある。)、ケミカルショートとも呼ばれ、電池出力およびエネルギー効率が低下するという問題を引き起こす。   In particular, among polymer electrolyte fuel cells, the polymer electrolyte membrane for DMFC using an organic solvent such as methanol as the fuel has the performance required for the conventional polymer electrolyte membrane for PEFC using hydrogen gas as the fuel. In addition, fuel permeation suppression such as methanol is also required. Methanol permeation of the polymer electrolyte membrane is also referred to as methanol crossover (hereinafter sometimes abbreviated as MCO) or chemical short, and causes a problem that the battery output and energy efficiency are lowered.

これまで高分子電解質型燃料電池の電解質膜においては、例えばパーフルオロスルホン酸系ポリマーであるナフィオン(Nafion、デュポン社の登録商標。以下同様。)が用いられてきた。しかし、ナフィオンは多段階合成を経て製造されるパーフルオロ系ポリマーであるため非常に高価なものとなっており、かつ、クラスター構造を形成するために水と親和性の高いメタノールなどの燃料が電解質膜を透過しやすい、すなわち燃料クロスオーバーが大きいという課題があった。また、耐熱水性や耐熱メタノール性が不足するため、膨潤によって膜の機械強度が低下するという問題、さらに、使用後の廃棄処理の問題や材料のリサイクルが困難といった課題もあった。そこで、これら高分子電解質型燃料電池の実用化のためには安価で燃料クロスオーバーの抑制された高分子電解質材料が市場から望まれていた。   So far, for example, Nafion (registered trademark of Nafion, DuPont), which is a perfluorosulfonic acid polymer, has been used in an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell. However, Nafion is a perfluoro polymer produced through multi-step synthesis, so it is very expensive, and in order to form a cluster structure, fuel such as methanol with high affinity for water is used as the electrolyte. There was a problem that the membrane easily permeates, that is, the fuel crossover is large. In addition, since the hot water resistance and methanol resistance are insufficient, there is a problem that the mechanical strength of the film is reduced due to swelling, and further there are problems of disposal treatment after use and difficulty in recycling materials. Therefore, in order to put these polymer electrolyte fuel cells into practical use, polymer electrolyte materials that are inexpensive and have suppressed fuel crossover have been desired from the market.

ここで、耐熱水性、耐熱メタノール性に優れるとはそれぞれ高温水中、高温メタノール中での寸法変化(膨潤)が小さいことを意味する。この寸法変化が大きい場合には、高分子電解質膜として使用している途中に膜が破損してしまったり、膨潤で電極触媒層と剥離し、抵抗が大きくなるので好ましくない。また、耐ラジカル性に優れるとは一般的に発電耐久性の尺度とされるフェントン耐性に優れることを意味する。もし、耐ラジカル性に劣る電解質ポリマーを使用した場合には、発電中にポリマーの分子量が低下したり、膜が破損してしまったり、プロトン伝導性が低下するなどして好ましくない。これら耐熱水性、耐熱メタノール性、耐ラジカル性の特性はいずれも高分子電解質型燃料電池に使用される電解質ポリマーに要求される重要な特性である。   Here, being excellent in hot water resistance and heat resistant methanol property means that the dimensional change (swelling) in high temperature water and high temperature methanol is small. If this dimensional change is large, the membrane may be broken during use as a polymer electrolyte membrane, or it may swell and peel from the electrode catalyst layer, resulting in an increase in resistance. Moreover, being excellent in radical resistance means being excellent in Fenton resistance, which is generally a measure of power generation durability. If an electrolyte polymer inferior in radical resistance is used, it is not preferable because the molecular weight of the polymer is reduced during power generation, the membrane is damaged, or the proton conductivity is lowered. These characteristics of hot water resistance, methanol resistance and radical resistance are all important characteristics required for the electrolyte polymer used in the polymer electrolyte fuel cell.

このような欠点を克服するために非パーフルオロ系の炭化水素系ポリマーをベースとした高分子電解質材料についても既にいくつかの取り組みがなされている。ポリマー骨格としては、耐熱性、化学的安定性の点から芳香族ポリエーテルケトンや芳香族ポリエーテルスルホンについて特に活発に検討がなされてきた。例えば、難溶性の芳香族ポリエーテルエーテルケトン(以降、PEEKと略称することがある。)のスルホン化物(例えば、非特許文献1参照。)、芳香族ポリエーテルスルホンであるポリスルホン(以降、PSFと略称することがある。)(UDEL P−1700(アモコ製)等があげられる)やポリエーテルスルホン(以降、PESと略称することがある。)(ビクトレックス PES 5200P(ICI製)等があげられる)のスルホン化物(例えば、非特許文献2)等が報告されたが、高温高湿下でポリマーが膨潤する問題を抱えており、特にメタノールなど燃料水溶液中やスルホン酸基密度が高くなる組成においてはその傾向が顕著であった。また、これらポリマーのスルホン化反応(高分子反応)により芳香環上にスルホン酸基を導入する方法ではポリマー中に導入するスルホン酸基の量および位置を精密に制御できないという問題点を有していた。これを改善する方法としてスルホン酸基を導入したモノマーを用いた重合により得た、スルホン酸基量が制御されたスルホン化芳香族ポリエーテルスルホンの報告がなされている(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、ここにおいても高温高湿下でポリマーが膨潤する問題は改善されず、特にメタノールなど燃料水溶液中やスルホン酸基密度が高くなる組成においてはその傾向が顕著で、このような耐熱水性や耐熱メタノール性に劣る電解質膜ではメタノールなどの燃料クロスオーバーを十分に抑制することは困難であった。さらに、これらのポリマーにおいては発電耐久性の尺度とされるフェントン耐性(耐ラジカル性)にも劣るという問題点を有していた。また、非特許文献3には下記式(H1)で表される構成単位を有する芳香族ポリエーテル系重合体で、イオン性基を含まないものについての記載がある。しかしながら、ここにおいてはイオン性基を導入するような試みや燃料電池用の電解質ポリマーを視野に入れた検討については全く記載されていないばかりかポリマーの化学構造と耐熱水性、耐熱メタノール性、耐ラジカル性との関係についての記載は全くなかった。   In order to overcome such drawbacks, some efforts have already been made on polymer electrolyte materials based on non-perfluoro hydrocarbon polymers. As the polymer skeleton, aromatic polyether ketone and aromatic polyether sulfone have been particularly actively studied from the viewpoint of heat resistance and chemical stability. For example, a sulfonated product of a poorly soluble aromatic polyetheretherketone (hereinafter sometimes abbreviated as PEEK) (for example, see Non-Patent Document 1), a polysulfone that is an aromatic polyethersulfone (hereinafter referred to as PSF). (It may be abbreviated.) (UDEL P-1700 (made by Amoco) and the like) and polyethersulfone (hereinafter sometimes abbreviated as PES) (Victrex PES 5200P (made by ICI)) and the like. ) Has been reported (for example, Non-Patent Document 2) and the like, but it has a problem that the polymer swells under high temperature and high humidity, particularly in a fuel aqueous solution such as methanol or in a composition in which the sulfonic acid group density is high. The tendency was remarkable. In addition, the method of introducing sulfonic acid groups onto the aromatic ring by sulfonation reaction (polymer reaction) of these polymers has a problem that the amount and position of the sulfonic acid groups introduced into the polymer cannot be precisely controlled. It was. As a method for improving this, a sulfonated aromatic polyether sulfone having a controlled amount of sulfonic acid group obtained by polymerization using a monomer having a sulfonic acid group introduced therein has been reported (for example, see Patent Document 1). . However, the problem that the polymer swells under high temperature and high humidity is not improved here either, especially in a fuel aqueous solution such as methanol or in a composition having a high sulfonic acid group density. It has been difficult to sufficiently suppress fuel crossover of methanol or the like with an electrolyte membrane having inferior methanol properties. Furthermore, these polymers have a problem that they are inferior in Fenton resistance (radical resistance), which is a measure of power generation durability. Non-Patent Document 3 describes an aromatic polyether polymer having a structural unit represented by the following formula (H1) that does not contain an ionic group. However, there is no mention of any attempt to introduce an ionic group or a study with a view to an electrolyte polymer for a fuel cell, as well as the chemical structure of the polymer, hot water resistance, heat resistance methanol resistance, and radical resistance resistance. There was no description of the relationship with sex.

Figure 0004867174
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このようにこれまで知られる高分子電解質材料はいずれも上述した高プロトン伝導性、燃料クロスオーバー抑制効果、耐熱水性、耐熱メタノール性、耐ラジカル性、経済性の全てを同時に満たすものではなく、更に高度な要求を満たす高分子電解質材料の開発が待ち望まれていた。
「ポリマー」(Polymer), 1987, vol. 28, 1009. 「ジャーナル オブ メンブレン サイエンス」(Journal of Membrane Science), 83 (1993) 211-220. 「マクロモレキュールズ」(Macromolecules), 1999, vol. 32, 4279. 米国特開2002−0091225号
Thus, none of the polymer electrolyte materials known so far satisfy all of the above-described high proton conductivity, fuel crossover suppression effect, hot water resistance, heat resistance methanol resistance, radical resistance, economy, The development of a polymer electrolyte material that satisfies high demands has been awaited.
"Polymer", 1987, vol. 28, 1009. "Journal of Membrane Science", 83 (1993) 211-220. “Macromolecules”, 1999, vol. 32, 4279. US 2002-0091225

本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、高プロトン伝導度と低燃料クロスオーバーを両立し、耐熱水性、耐熱メタノール性、耐ラジカル性に優れる上に、高分子電解質型燃料電池としたときに高出力、高エネルギー密度を達成することができる高分子電解質材料、およびそれからなる高分子電解質膜、膜電極複合体ならびに高分子電解質型燃料電池を提供せんとするものである。   In view of the background of such prior art, the present invention achieves both high proton conductivity and low fuel crossover, is excellent in hot water resistance, heat resistance methanol resistance, and radical resistance, and when used as a polymer electrolyte fuel cell. It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte material capable of achieving a high output and a high energy density, and a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell comprising the same.

本発明は、上記課題を解決するため次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明の高分子電解質材料は少なくとも下記一般式(P1)と下記一般式(A1)で表される構成単位を有する芳香族ポリエーテル系重合体を含み、該芳香族ポリエーテル系重合体がイオン性基を有し、Q およびQ がパーフルオロアルキル基であり、Ar が下記一般式(P6)〜(P8)から選ばれることを特徴とするものである。また、本発明の高分子電解質膜、膜電極複合体および高分子電解質型燃料電池は、かかる高分子電解質材料を用いて構成されていることを特徴とするものである。 The present invention employs the following means in order to solve the above problems. That is, the polymer electrolyte material of the present invention includes at least an aromatic polyether polymer having structural units represented by the following general formula (P1) and the following general formula (A1), and the aromatic polyether polymer. There possess an ionic group, a Q 1 and Q 2 is a perfluoroalkyl group, in which Ar 1 is wherein Rukoto selected from the following general formula (P6) ~ (P8). In addition, the polymer electrolyte membrane, the membrane electrode assembly and the polymer electrolyte fuel cell of the present invention are characterized by using such a polymer electrolyte material.

Figure 0004867174
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(式(P1)および(A1)において、Xは直接結合および2価の有機基から選ばれた基、QおよびQはパーフルオロアルキル基および−CN基から選ばれた基、Arは芳香環を含む任意の2価の有機基を表し、qおよびqは1〜4の整数である。式(Pおよび(A1)で表される基は任意に置換されていてもよい。)

Figure 0004867174
(式(P6)〜(P8)中、Z はH、アルキル基およびアリール基から選ばれた基、Z は直接結合、メチレン基、−CO−、−SO −、OおよびSから選ばれた基、Z は−CO−または−SO −から選ばれた基、Z はO、SおよびNR (R は任意の有機基)から選ばれた基を表す。式(P6)〜(P8)で表される基は任意に置換されていてもよい。) (In the formulas (P1) and (A1), X 1 is a group selected from a direct bond and a divalent organic group, Q 1 and Q 2 are groups selected from a perfluoroalkyl group and a —CN group, Ar 1 Represents an arbitrary divalent organic group containing an aromatic ring, and q 1 and q 2 are integers of 1 to 4. The groups represented by the formulas (P and (A1) may be optionally substituted. .)
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(In the formulas (P6) to (P8), Z 1 is a group selected from H, an alkyl group, and an aryl group, Z 2 is a direct bond, a methylene group, —CO—, —SO 2 —, O, and S. Z 3 represents a group selected from —CO— or —SO 2 —, Z 4 represents a group selected from O, S and NR N ( RN is an arbitrary organic group). ) To (P8) may be optionally substituted.)

本発明によれば、高プロトン伝導度と低燃料クロスオーバーを両立し、耐熱水性、耐熱メタノール性、耐ラジカル性に優れた、高出力および高エネルギー容量を達成することができる実用性に優れた高分子電解質材料、ならびにそれを用いた高性能な高分子電解質膜、膜電極複合体および高分子電解質型燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, the high proton conductivity and the low fuel crossover are compatible, the hot water resistance, the hot methanol resistance, and the radical resistance are excellent, and the practicality capable of achieving the high output and the high energy capacity is excellent. A polymer electrolyte material, and a high-performance polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell using the same can be provided.

以下、本発明について詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明は、前記課題、つまり高プロトン伝導度と低燃料クロスオーバーを両立し、耐熱水性、耐熱メタノール性、耐久性に優れる上に、高分子電解質型燃料電池としたときに高出力、高エネルギー密度を達成することができる高分子電解質材料の化学構造について、鋭意検討し、少なくとも下記一般式(P1)と下記一般式(A1)で表される構成単位を有する芳香族ポリエーテル系重合体を含み、該芳香族ポリエーテル系重合体がイオン性基を有し、Q およびQ がパーフルオロアルキル基であり、Ar が下記一般式(P6)〜(P8)から選ばれる高分子電解質材料を使用した場合に、かかる課題を一挙に解決することを究明したものである。 The present invention is compatible with the above-mentioned problems, that is, high proton conductivity and low fuel crossover, and is excellent in hot water resistance, heat resistance methanol resistance and durability, and in addition to high output and high energy when used as a polymer electrolyte fuel cell. The chemical structure of the polymer electrolyte material capable of achieving the density is intensively studied, and an aromatic polyether polymer having at least the structural units represented by the following general formula (P1) and the following general formula (A1) is obtained. wherein, aromatic polyether-based polymer possess an ionic group, a Q 1 and Q 2 is a perfluoroalkyl group, Ar 1 is Ru is selected from the following general formula (P6) ~ (P8) polymer It has been clarified that when an electrolyte material is used, this problem can be solved at once.

Figure 0004867174
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(式(P1)および(A1)において、Xは直接結合および2価の有機基から選ばれた基、QおよびQはパーフルオロアルキル基および−CN基から選ばれた基、Arは芳香環を含む任意の2価の有機基を表し、qおよびqは1〜4の整数である。式(P1)および(A1)で表される基は任意に置換されていてもよい。)

Figure 0004867174
(式(P6)〜(P8)中、Z はH、アルキル基およびアリール基から選ばれた基、Z は直接結合、メチレン基、−CO−、−SO −、OおよびSから選ばれた基、Z は−CO−または−SO −から選ばれた基、Z はO、SおよびNR (R は任意の有機基)から選ばれた基を表す。式(P6)〜(P8)で表される基は任意に置換されていてもよい。)
従来のスルホン化芳香族ポリエーテルケトン、スルホン化芳香族ポリエーテルスルホンを高分子電解質材料として用いた場合には、プロトン伝導性を高めるためにイオン性基の含有量を増加すると、高分子電解質材料が膨潤し、内部に大きな水のクラスターができ易く、高分子電解質材料中にいわゆる自由水が多くなる。かかる自由水中には、メタノールなどの燃料の移動が容易に行なわれるためメタノールなどの燃料クロスオーバーを抑制することは困難であった。さらに、これらのポリマーは主鎖中にラジカル耐性に劣るケトン基やスルホン基を多量に含むため燃料電池発電中に要求されるラジカル耐性にも問題があった。 (In the formulas (P1) and (A1), X 1 is a group selected from a direct bond and a divalent organic group, Q 1 and Q 2 are groups selected from a perfluoroalkyl group and a —CN group, Ar 1 Represents any divalent organic group containing an aromatic ring, and q 1 and q 2 are integers of 1 to 4. The groups represented by formulas (P1) and (A1) may be optionally substituted. Good.)
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(In the formulas (P6) to (P8), Z 1 is a group selected from H, an alkyl group, and an aryl group, Z 2 is a direct bond, a methylene group, —CO—, —SO 2 —, O, and S. Z 3 represents a group selected from —CO— or —SO 2 —, Z 4 represents a group selected from O, S and NR N ( RN is an arbitrary organic group). ) To (P8) may be optionally substituted.)
When the conventional sulfonated aromatic polyether ketone or sulfonated aromatic polyethersulfone is used as the polymer electrolyte material, the polymer electrolyte material can be increased by increasing the content of ionic groups in order to increase proton conductivity. Swells, and a large cluster of water is easily formed in the interior, and so-called free water increases in the polymer electrolyte material. In such free water, it is difficult to suppress fuel crossover such as methanol because fuel such as methanol easily moves. Further, since these polymers contain a large amount of ketone groups and sulfone groups inferior in radical resistance in the main chain, there is a problem in radical resistance required during fuel cell power generation.

本発明の高分子電解質材料は、スルホン化芳香族ポリエーテルケトンやスルホン化芳香族ポリエーテルスルホンのような芳香族ポリエーテル系重合体が有していた比較的親水性かつ親メタノール性の極性基、すなわちケトン基(−CO−)やスルホン基(−SO−)、を有していないためか、またはその量が少ないため、高温下の耐熱水性、メタノールなどの燃料水溶液中での寸法安定性に優れ、高プロトン伝導性と燃料クロスオーバー抑制の両立に有効であるという特徴がある。さらに、本発明者らはそれら親水性極性基を除くことにより、耐ラジカル性が著しく向上することを併せて見出した。 The polyelectrolyte material of the present invention has a relatively hydrophilic and allyophilic polar group that an aromatic polyether polymer such as sulfonated aromatic polyetherketone and sulfonated aromatic polyethersulfone had. That is, because it does not have a ketone group (—CO—) or a sulfone group (—SO 2 —), or the amount thereof is small, it is dimensionally stable in hot water at high temperatures and aqueous fuel such as methanol. It has excellent characteristics and is effective in achieving both high proton conductivity and suppression of fuel crossover. Furthermore, the present inventors have also found that radical resistance is remarkably improved by removing these hydrophilic polar groups.

本発明の高分子電解質材料は下記一般式(P1)と下記一般式(A1)で表される構成単位を有する芳香族ポリエーテル系重合体を含み、該芳香族ポリエーテル系重合体はイオン性基を有することが必要である。   The polymer electrolyte material of the present invention includes an aromatic polyether polymer having structural units represented by the following general formula (P1) and the following general formula (A1), and the aromatic polyether polymer is ionic. It is necessary to have a group.

Figure 0004867174
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(式(P1)および(A1)において、Xは直接結合および2価の有機基から選ばれた基、QおよびQはパーフルオロアルキル基であり、Arは芳香環を含む任意の2価の有機基を表し、qおよびqは1〜4の整数である。式(P1)および(A1)で表される基は任意に置換されていてもよい。)
本発明中でパーフルオロアルキル基とは、アルキル基の水素原子の大部分または全部がフッ素原子に置換された基を意味する。本発明においては、アルキル基中の水素原子の85%以上がフッ素原子で置換された基をパーフルオロアルキル基と定義する。本発明においてパーフルオロアルキル基は必ずしも炭素と水素および/またはフッ素からのみからなる必要はなく、本発明の目的を損なわない程度であれば酸素、硫黄、窒素などの他の原子を含んでいても差し支えない。しかしながら、耐ラジカル性、耐熱メタノール性、燃料クロスオーバー抑制効果の点から、パーフルオロアルキル基としては炭素と水素および/またはフッ素からのみからなるものがより好ましく使用され、さらに好ましくは炭素とフッ素からのみからなるものである。なかでも、耐熱メタノール性の点から、炭素数1〜6の低級パーフルオロアルキル基がさらに好ましく、特に好ましい具体例を挙げるとすると、CF基、CFCF基、CFCFCF基、(CFCF基に加え、CFCFOCFCF基、CFCFSCFCF基等が挙げられる。なかでも耐熱メタノール性および原料入手の容易さの点から、CF基、CFCF基が最も好ましい。
(In the formulas (P1) and (A1), X 1 is a group selected from a direct bond and a divalent organic group, Q 1 and Q 2 are perfluoroalkyl groups , and Ar 1 is an arbitrary group containing an aromatic ring. Represents a divalent organic group, and q 1 and q 2 are integers of 1 to 4. The groups represented by the formulas (P1) and (A1) may be optionally substituted.)
In the present invention, the perfluoroalkyl group means a group in which most or all of the hydrogen atoms of the alkyl group are substituted with fluorine atoms. In the present invention, a group in which 85% or more of hydrogen atoms in an alkyl group are substituted with fluorine atoms is defined as a perfluoroalkyl group. In the present invention, the perfluoroalkyl group is not necessarily composed only of carbon and hydrogen and / or fluorine, and may contain other atoms such as oxygen, sulfur and nitrogen as long as the object of the present invention is not impaired. There is no problem. However, from the viewpoint of radical resistance, heat resistance methanol resistance, and fuel crossover suppression effect, the perfluoroalkyl group is more preferably composed only of carbon and hydrogen and / or fluorine, and more preferably from carbon and fluorine. It consists of only. Among these, a lower perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms is more preferable from the viewpoint of heat resistance methanol resistance, and particularly preferable specific examples include CF 3 group, CF 3 CF 2 group, CF 3 CF 2 CF 2. In addition to a group and a (CF 3 ) 2 CF group, a CF 3 CF 2 OCF 2 CF 2 group, a CF 3 CF 2 SCF 2 CF 2 group, and the like can be given. Of these, CF 3 group and CF 3 CF 2 group are most preferable from the viewpoint of heat resistance methanol resistance and availability of raw materials.

本発明の高分子電解質材料において、前記一般式(P1)で表される構成単位の含有量としては、前記一般式(P1)で表される構成単位とその他の繰り返し単位を基本とする構成単位の合計モル量に対して、前記一般式(P1)で表される構成単位を10モル%以上含むことが好ましく、より好ましくは30モル%以上である。前記一般式(P1)で表される構成単位を10モル%未満しか含まない場合には、燃料クロスオーバー抑制効果や耐熱水性、耐熱メタノール性が不足する場合がある。   In the polymer electrolyte material of the present invention, the content of the structural unit represented by the general formula (P1) is a structural unit based on the structural unit represented by the general formula (P1) and other repeating units. It is preferable that the structural unit represented by the general formula (P1) is contained in an amount of 10 mol% or more, more preferably 30 mol% or more. When the structural unit represented by the general formula (P1) is contained in less than 10 mol%, the fuel crossover suppressing effect, the hot water resistance, and the heat resistant methanol property may be insufficient.

また、前記一般式(P1)中の基QおよびQとしては、耐ラジカル性、耐熱メタノール性、燃料クロスオーバー抑制効果の点からパーフルオロアルキル基が使用される。 Further, the group Q 1 and Q 2 in the general formula (P1), radical resistance, heat methanolic, points or Lapa perfluoroalkyl group of fuel crossover suppressing effect is used.

本発明において、芳香族ポリエーテル系重合体は式(P1)および(A1)以外の芳香族ポリエーテルを構成単位に含んでいてもよい。芳香族ポリエーテルとは、主として芳香環から構成される重合体において、芳香環ユニットが連結する様式としてエーテル結合が含まれているものをいう。エーテル結合以外に、直接結合、ケトン、スルホン、スルフィド、各種アルキレン、イミド、アミド、エステル、ウレタン等、芳香族系ポリマーの形成に一般的に使用される結合様式が存在していても良い。エーテル結合は主構成成分の繰り返し単位あたり1個以上あることが好ましい。芳香環は炭化水素系芳香環だけでなく、ヘテロ環などを含んでいても良い。また、芳香環ユニットと共に一部脂肪族系ユニットがポリマーを構成していてもかまわない。芳香族ユニットは、アルキル基、アルコキシ基、芳香族基、アリロキシ基等の炭化水素系基、ハロゲン基、ニトロ基、シアノ基、アミノ基、ハロゲン化アルキル基、カルボキシル基、ホスホン酸基、水酸基等、任意の置換基を有していても良い。   In the present invention, the aromatic polyether polymer may contain an aromatic polyether other than those represented by formulas (P1) and (A1) as a constituent unit. An aromatic polyether refers to a polymer mainly composed of aromatic rings, which contains an ether bond as a mode in which the aromatic ring units are connected. In addition to the ether bond, there may be a bond mode generally used for forming an aromatic polymer such as a direct bond, ketone, sulfone, sulfide, various alkylenes, imides, amides, esters, and urethanes. The ether bond is preferably at least one per repeating unit of the main constituent component. The aromatic ring may include not only a hydrocarbon aromatic ring but also a hetero ring. Further, a part of the aliphatic units may constitute a polymer together with the aromatic ring unit. Aromatic units include hydrocarbon groups such as alkyl groups, alkoxy groups, aromatic groups, allyloxy groups, halogen groups, nitro groups, cyano groups, amino groups, halogenated alkyl groups, carboxyl groups, phosphonic acid groups, hydroxyl groups, etc. And may have an arbitrary substituent.

本発明の高分子電解質材料としては燃料クロスオーバー抑制効果、原料入手の容易さおよびポリマー高分子量化の点から、前記一般式(P1)が下記一般式(P2)であることがより好ましい。   As the polymer electrolyte material of the present invention, the general formula (P1) is more preferably the following general formula (P2) from the viewpoint of the fuel crossover suppressing effect, the availability of raw materials, and the polymer high molecular weight.

Figure 0004867174
Figure 0004867174

(式(P2)において、Xは直接結合および2価の有機基から選ばれた基を表す。式(P2)で表される基は任意に置換されていてもよい。)
本発明の芳香族ポリエーテル系重合体の合成方法については、実質的に十分な高分子量化が可能な方法であれば特に限定されるものではないが、例えば芳香族活性ジハライド化合物と2価フェノール化合物の芳香族求核置換反応、またはハロゲン化芳香族フェノール化合物の芳香族求核置換反応を利用して合成することができる。
(In Formula (P2), X 1 represents a group selected from a direct bond and a divalent organic group. The group represented by Formula (P2) may be optionally substituted.)
The method for synthesizing the aromatic polyether polymer of the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of substantially increasing the molecular weight. For example, an aromatic active dihalide compound and a dihydric phenol are used. It can be synthesized using an aromatic nucleophilic substitution reaction of a compound or an aromatic nucleophilic substitution reaction of a halogenated aromatic phenol compound.

具体的には前記一般式(P1)で表される芳香族ポリエーテル系重合体は、例えば芳香族活性ジハライド化合物として下記一般式(P1−1)を使用し、2価フェノール化合物との芳香族求核置換反応により合成することが可能である。   Specifically, the aromatic polyether polymer represented by the general formula (P1) uses, for example, the following general formula (P1-1) as an aromatic active dihalide compound, and is aromatic with a dihydric phenol compound. It can be synthesized by a nucleophilic substitution reaction.

Figure 0004867174
Figure 0004867174

(式(P1―1)において、L、Lはハロゲン原子、Xは直接結合および2価の有機基から選ばれた基、QおよびQはパーフルオロアルキル基および−CN基から選ばれた基を表し、qおよびqは1〜4の整数である。式(P1−1)で表される基は任意に置換されていてもよい。)
前記芳香族活性ジハライド化合物としては前記一般式(P1―1)で表されるものを含むことが必要であるが、他の化合物を併用することも可能である。共重合させる芳香族活性ジハライド化合物のより好適な具体例としては、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、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ケトン、4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、4,4’−ジクロロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、4,4’−ジフルオロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、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、等を挙げることができる。中でも共重合成分としては4,4’−ジクロロジフェニルケトン、4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが耐熱メタノール性、燃料クロスオーバー抑制効果の点からより好ましい。
(In Formula (P1-1), L 1 and L 2 are halogen atoms, X 1 is a group selected from a direct bond and a divalent organic group, Q 1 and Q 2 are a perfluoroalkyl group and a —CN group. Represents a selected group, and q 1 and q 2 are integers of 1 to 4. The group represented by the formula (P1-1) may be optionally substituted.)
The aromatic active dihalide compound needs to include those represented by the general formula (P1-1), but other compounds may be used in combination. Specific examples of the aromatic active dihalide compound to be copolymerized include 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 4,4′-dichlorodiphenyl ketone, and 4,4′-difluoro. Examples thereof include diphenyl ketone, 4,4′-dichlorodiphenylphenylphosphine oxide, 4,4′-difluorodiphenylphenylphosphine oxide, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile and the like. Among these, 4,4′-dichlorodiphenyl ketone and 4,4′-difluorodiphenyl ketone are more preferable as the copolymer component from the viewpoint of heat resistant methanol resistance and fuel crossover suppression effect.

さらに、前記式(P1−1)で表される芳香族活性ジハライド化合物の合成方法についても、実質的な純度を得ることができる方法であれば特に限定されるものではないが、例えば前記式(P1−1)中のXが芳香環である場合には、Xを含む芳香族ビスホウ酸化合物(鈴木カップリング試薬)と芳香族ジハライド化合物との鈴木カップリング反応を利用して合成することができる。 Furthermore, the method for synthesizing the aromatic active dihalide compound represented by the formula (P1-1) is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining substantial purity. When X 1 in P1-1) is an aromatic ring, synthesis is performed using a Suzuki coupling reaction between an aromatic bisboric acid compound (Suzuki coupling reagent) containing X 1 and an aromatic dihalide compound. Can do.

前記式(P1−1)中のXとしては、Xは直接結合、アルキレン基およびアリーレン基から選ばれた少なくとも1種の基を用いることが可能である。耐熱水性、耐熱メタノール性、燃料クロスオーバー抑制効果の点から直接結合またはアリーレン基であることがより好ましい。本発明の明細書においては、アリーレン基はベンゼン系化合物のみを意味するのではなく、例えばピリジン系化合物、チオフェン系化合物などの複素環化合物も含むものとする。 As X 1 in the formula (P1-1), X 1 may be at least one group selected from a direct bond, an alkylene group, and an arylene group. A direct bond or an arylene group is more preferable from the viewpoint of hot water resistance, hot methanol resistance, and fuel crossover suppression effect. In the specification of the present invention, the arylene group does not mean only a benzene compound, but also includes a heterocyclic compound such as a pyridine compound and a thiophene compound.

基Xの好適なものとしては例えば直接結合、ならびに下記式(X2−1)〜(X2−21)で示されるベンゼン系の有機基、ならびに下記式(X2−22)〜(X2−34)で示される複素環系の有機基を例示できる。ただし、本発明に用いる有機基Xとしてはこれらに限定される物ではない。また、これらの有機基はイオン性基や任意の置換基を有していてもよい。これらの有機基は高分子電解質材料中に2種類以上含むことができ、組み合わせることにより好ましくなる場合がある。これらの中でも直接結合、ならびに下記式(X2−1)〜(X2−5)および(X2−11)〜(X2−13)で示される有機基は、耐熱水性、耐熱メタノール性を向上する効果があるため特に好ましく、より好ましくは直接結合、ならびに式(X2−1)、(X2−4)、(X2−5)、(X2−12)、(X2−13)で示される有機基がさらに好ましい。 Preferable examples of the group X 1 include a direct bond, a benzene-based organic group represented by the following formulas (X2-1) to (X2-21), and the following formulas (X2-22) to (X2-34). The organic group of the heterocyclic system shown by can be illustrated. However, the organic group X 1 used in the present invention is not limited to these. In addition, these organic groups may have an ionic group or an arbitrary substituent. Two or more kinds of these organic groups can be contained in the polymer electrolyte material, and it may be preferable by combining them. Among these, the direct bond and the organic groups represented by the following formulas (X2-1) to (X2-5) and (X2-11) to (X2-13) have the effect of improving the hot water resistance and the hot methanol resistance. Therefore, an organic group represented by formulas (X2-1), (X2-4), (X2-5), (X2-12), and (X2-13) is more preferable. .

Figure 0004867174
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Figure 0004867174
Figure 0004867174

さらに、前記基Xとしては、耐熱メタノール性、燃料クロスオーバー抑制効果、溶解性の点から下記一般式(P3)または(P4)で表される基であるものを最も好ましく用いることができる。 Further, examples of the group X 1, can be used most preferably those heat methanolic, fuel crossover suppressive effect, from the viewpoint of solubility is a group represented by the following general formula (P3) or (P4).

Figure 0004867174
Figure 0004867174

(式(P3)および(P4)で表される基は任意に置換されていてもよい。)
本発明の高分子電解質材料としては、前記一般式(P1)で表される構成単位とともに下記一般式(P5)で表される構成単位をさらに有することがより好ましい。
(The groups represented by the formulas (P3) and (P4) may be optionally substituted.)
The polymer electrolyte material of the present invention more preferably further has a structural unit represented by the following general formula (P5) together with the structural unit represented by the general formula (P1).

Figure 0004867174
Figure 0004867174

(式(P5)中、Yは−CO−、−S0−、または−P(Rp)O−(Rpは任意の有機基)、MおよびMは水素、金属カチオン、アンモニウムカチオン、a1およびa2は1〜4の整数を表す。式(P5)で表される基は任意に置換されていてもよい。)
芳香族活性ジハライド化合物にイオン酸基を導入した化合物をモノマーとして用いることは、イオン性基の量を精密制御が可能な点から好ましい。イオン性基としてスルホン酸基を有するモノマーの例の例としては、前記式(P1−1)で表されるモノマーのスルホン化物、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、等を挙げることができる。
(In the formula (P5), Y 1 is —CO—, —SO 2 —, or —P (Rp) O— (Rp is an arbitrary organic group), M 1 and M 2 are hydrogen, a metal cation, an ammonium cation, a1 and a2 represent an integer of 1 to 4. The group represented by the formula (P5) may be optionally substituted.)
It is preferable to use a compound in which an ionic acid group is introduced into an aromatic active dihalide compound as a monomer because the amount of the ionic group can be precisely controlled. Examples of the monomer having a sulfonic acid group as an ionic group include a sulfonated product of the monomer represented by the formula (P1-1), 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylphenylphosphine oxide, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylphenylphosphine oxide, and the like.

プロトン伝導度および耐加水分解性の点からイオン性基としてはスルホン酸基が最も好ましいが、本発明に使用されるイオン性基を有するモノマーは他のイオン性基を有していても構わない。なかでも耐熱メタノール性、燃料クロスオーバー抑制効果の点から前記式(P1−1)で表されるモノマーのスルホン化物、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンがより好ましく、前記式(P1−1)で表される化合物でスルホン酸基を有するものが最も好ましい。これらのスルホン酸基は重合の際には、スルホン酸基が1価カチオン種との塩になっていることが好ましい。1価カチオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限される訳ではない。これら芳香族活性ジハライド化合物は、単独で使用することができるが、複数の芳香族活性ジハライド化合物を併用することも可能である。   In terms of proton conductivity and hydrolysis resistance, a sulfonic acid group is most preferable as an ionic group, but the monomer having an ionic group used in the present invention may have another ionic group. . Of these, sulfonated monomers represented by the above formula (P1-1), 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3 from the viewpoint of heat resistance methanol resistance and fuel crossover suppression effect '-Disulfonate-4,4'-difluorodiphenyl ketone is more preferable, and the compound represented by the formula (P1-1) having a sulfonic acid group is most preferable. These sulfonic acid groups are preferably salted with a monovalent cationic species during polymerization. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. These aromatic active dihalide compounds can be used alone, but a plurality of aromatic active dihalide compounds can also be used in combination.

また、本発明にモノマーとして使用する2価フェノール化合物としては、芳香族求核置換反応による芳香族ポリエーテル系重合体の重合に用いることができる各種2価フェノール化合物を使用することができ、特に限定されるものではない。また、これらの芳香族ジヒドロキシ化合物にイオン性基が導入されたものもモノマーとして用いることもできる。また、ハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物としても特に制限されることはないが、4−ヒドロキシ−4’−クロロベンゾフェノン、4−ヒドロキシ−4’−フルオロベンゾフェノン、4−ヒドロキシ−4’−クロロジフェニルスルホン、4−ヒドロキシ−4’−フルオロジフェニルスルホン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−クロロフェニル)スルホン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−フルオロフェニル)スルホン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−クロロフェニル)ケトン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−フルオロフェニル)ケトン、等を例として挙げることができる。これらは、単独で使用することができるほか、2種以上の混合物として使用することもできる。さらに、活性化ジハロゲン化芳香族化合物と芳香族ジヒドロキシ化合物の反応においてこれらのハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物を共に反応させて芳香族ポリエーテル系化合物を合成しても良い。   In addition, as the dihydric phenol compound used as a monomer in the present invention, various dihydric phenol compounds that can be used for polymerization of an aromatic polyether polymer by an aromatic nucleophilic substitution reaction can be used. It is not limited. In addition, those obtained by introducing an ionic group into these aromatic dihydroxy compounds can also be used as monomers. The halogenated aromatic hydroxy compound is not particularly limited, but 4-hydroxy-4′-chlorobenzophenone, 4-hydroxy-4′-fluorobenzophenone, 4-hydroxy-4′-chlorodiphenyl sulfone, 4-hydroxy-4′-fluorodiphenylsulfone, 4- (4′-hydroxybiphenyl) (4-chlorophenyl) sulfone, 4- (4′-hydroxybiphenyl) (4-fluorophenyl) sulfone, 4- (4′- Examples thereof include hydroxybiphenyl) (4-chlorophenyl) ketone, 4- (4′-hydroxybiphenyl) (4-fluorophenyl) ketone, and the like. These can be used alone or can be used as a mixture of two or more. Further, in the reaction of the activated dihalogenated aromatic compound and the aromatic dihydroxy compound, these halogenated aromatic hydroxy compounds may be reacted together to synthesize an aromatic polyether compound.

本発明の高分子電解質材料は、耐熱水性、耐熱メタノール性、燃料クロスオーバー抑制効果の点から、前記一般式(A1)中のArとして少なくとも下記一般式(P6)〜(P8)で表される基から選ばれた少なくとも1種を有する。 The polymer electrolyte material of the present invention is represented by at least the following general formulas (P6) to (P8) as Ar 1 in the general formula (A1) from the viewpoint of hot water resistance, hot methanol resistance, and fuel crossover suppression effect. that that having a least one member selected from the group.

Figure 0004867174
Figure 0004867174

(式(P6)〜(P8)中、ZはH、アルキル基およびアリール基から選ばれた基、Zは直接結合、メチレン基、−CO−、−SO−、OおよびSから選ばれた基、Zは−CO−または−SO−、ZはO、SおよびNR(Rは任意の有機基)を表す。式(P6)〜(P8)で表される基は任意に置換されていてもよい。)
なかでも、最も好ましくはArが式(6)で表され、前記Zがフェニル基であるもの、あるいはArが式(7)で表され、前記Zが直接結合であるものがさらに好ましい。
(In the formulas (P6) to (P8), Z 1 is a group selected from H, an alkyl group, and an aryl group, Z 2 is a direct bond, a methylene group, —CO—, —SO 2 —, O, and S. Z 3 represents —CO— or —SO 2 —, Z 4 represents O, S and NR N ( RN is an arbitrary organic group), groups represented by formulas (P6) to (P8) May be optionally substituted.)
Among them, it is most preferable that Ar 1 is represented by the formula (6) and the Z 1 is a phenyl group, or Ar 1 is represented by the formula (7) and the Z 2 is a direct bond. preferable.

Arの具体例としては、フェニレン基、ナフチレン基ならびに下記一般式(Ar1−1)〜(Ar1−16)で示される有機基を例示できる。これらは置換基を有していてもよい。これらの中でも一般式(Ar1−6)〜(Ar1−13)で示される有機基は、燃料透過抑制効果が大きく、燃料中での寸法安定性向上に有効であるため特に好ましく、本発明の高分子電解質材料はZとして一般式(Ar1−6)〜(Ar1−13)で示される有機基のうち少なくとも1種類を含有することが好ましい。一般式(Ar1−6)〜(Ar1−13)で示される有機基の中でも特に好ましいのは一般式(Ar1−7)および一般式(Ar1−8)で示される有機基であり、最も好ましいのは一般式(Ar1−7)で示される有機基である。 Specific examples of Ar 1 include a phenylene group, a naphthylene group, and organic groups represented by the following general formulas (Ar1-1) to (Ar1-16). These may have a substituent. Among these, the organic groups represented by the general formulas (Ar1-6) to (Ar1-13) are particularly preferable because they have a large fuel permeation suppressing effect and are effective in improving dimensional stability in fuel. molecular electrolyte material preferably contains at least one of the organic groups represented by the general formula as Z 2 (Ar1-6) ~ (Ar1-13 ). Among the organic groups represented by the general formulas (Ar1-6) to (Ar1-13), the organic groups represented by the general formula (Ar1-7) and the general formula (Ar1-8) are particularly preferable. Is an organic group represented by the general formula (Ar1-7).

Figure 0004867174
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本発明における芳香族求核置換反応による重合は、上記モノマー混合物を塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、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、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。   In the polymerization by the aromatic nucleophilic substitution reaction in the present invention, a polymer can be obtained by reacting the monomer mixture in the presence of a basic compound. The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more.

塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等があげられるが、芳香族ジオール類を活性なフェノキシド構造にしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。   Examples of the basic compound include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, and the like, and those that can convert an aromatic diol into an active phenoxide structure may be used. It can use without being limited to. In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system.

水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水剤を使用することもできる。芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50重量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5重量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50重量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。   As a method for removing water out of the system, a water-absorbing agent such as molecular sieve can also be used. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by weight. When the amount is less than 5% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by weight, the viscosity of the reaction system becomes too high and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult. After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, the polymer can be obtained by precipitating the polymer as a solid by adding the reaction solution in a solvent having low polymer solubility, and collecting the precipitate by filtration.

本発明に使用されるイオン性基は、負電荷を有する原子団であれば特に限定されるものではないが、プロトン交換能を有するものが好ましい。このような官能基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基が好ましく用いられる。ここで、スルホン酸基は下記一般式(f1)で表される基、スルホンイミド基は下記一般式(f2)で表される基[式中Rは任意の原子団を表す。]、硫酸基は下記一般式(f3)で表される基、ホスホン酸基は下記一般式(f4)で表される基、リン酸基は下記一般式(f5)または(f6)で表される基、カルボン酸基は下記一般式(f7)で表される基を意味する。   The ionic group used in the present invention is not particularly limited as long as it is a negatively charged atomic group, but is preferably one having proton exchange ability. As such a functional group, a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfuric acid group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, and a carboxylic acid group are preferably used. Here, the sulfonic acid group is a group represented by the following general formula (f1), the sulfonimide group is a group represented by the following general formula (f2) [wherein R represents an arbitrary atomic group. The sulfuric acid group is represented by the following general formula (f3), the phosphonic acid group is represented by the following general formula (f4), and the phosphoric acid group is represented by the following general formula (f5) or (f6). And the carboxylic acid group means a group represented by the following general formula (f7).

Figure 0004867174
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かかるイオン性基は前記官能基(f1)〜(f7)が塩となっている場合を含むものとする。前記塩を形成するカチオンとしては、任意の金属カチオン、NR (Rは任意の有機基)等を例として挙げることができる。金属カチオンの場合、その価数等特に限定されるものではなく、使用することができる。好ましい金属イオンの具体例を挙げるとすれば、Li、Na、K、Rh、Mg、Ca、Sr、Ti、Al、Fe、Pt、Rh、Ru、Ir、Pd等が挙げられる。中でも、高分子電解質材料としては、安価で、溶解性に悪影響を与えず、容易にプロトン置換可能なNa、Kがより好ましく使用される。 Such ionic groups include cases where the functional groups (f1) to (f7) are salts. Examples of the cation forming the salt include an arbitrary metal cation, NR 4 + (R is an arbitrary organic group), and the like. In the case of a metal cation, the valence and the like are not particularly limited and can be used. Specific examples of preferable metal ions include Li, Na, K, Rh, Mg, Ca, Sr, Ti, Al, Fe, Pt, Rh, Ru, Ir, and Pd. Among them, Na and K that are inexpensive and can easily be proton-substituted without being adversely affected by solubility are more preferably used as the polymer electrolyte material.

これらのイオン性基は前記高分子電解質材料中に2種類以上含むことができ、組み合わせることにより好ましくなる場合がある。組み合わせはポリマーの構造などにより適宜決められる。中でも、高プロトン伝導度の点から少なくともスルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基を有することがより好ましく、耐加水分解性の点から少なくともスルホン酸基を有することが最も好ましい。   Two or more kinds of these ionic groups can be contained in the polymer electrolyte material, and may be preferable by combining them. The combination is appropriately determined depending on the structure of the polymer. Among them, it is more preferable to have at least a sulfonic acid group, a sulfonimide group, and a sulfuric acid group from the viewpoint of high proton conductivity, and most preferable to have at least a sulfonic acid group from the viewpoint of hydrolysis resistance.

高分子電解質材料中のスルホン酸基の量は、スルホン酸基密度(mmol/g)の値として示すことができる。本発明における高分子電解質材料のスルホン酸基密度は、プロトン伝導性、燃料クロスオーバーおよび機械強度の点から0.5〜3.0mmol/gであることが好ましく、燃料クロスオーバーの点から最も好ましくは0.7〜1.5mmol/gである。スルホン酸基密度が、0.5mmol/gより低いと、プロトン伝導性が低いため十分な発電特性が得られないことがあり、3.0mmol/gより高いと燃料電池用電解質膜として使用する際に、十分な耐熱水性および含水時の機械的強度が得られないことがある。   The amount of sulfonic acid group in the polymer electrolyte material can be expressed as a value of sulfonic acid group density (mmol / g). The sulfonic acid group density of the polymer electrolyte material in the present invention is preferably 0.5 to 3.0 mmol / g in terms of proton conductivity, fuel crossover and mechanical strength, and most preferably in terms of fuel crossover. Is 0.7-1.5 mmol / g. When the sulfonic acid group density is lower than 0.5 mmol / g, sufficient proton generation characteristics may not be obtained due to low proton conductivity. When the sulfonic acid group density is higher than 3.0 mmol / g, it may be used as an electrolyte membrane for a fuel cell. In addition, sufficient hot water resistance and mechanical strength when containing water may not be obtained.

ここで、スルホン酸基密度とは、乾燥した高分子電解質材料1グラムあたりに導入されたスルホン酸基のモル数であり、値が大きいほどスルホン酸基の量が多いことを示す。スルホン酸基密度は、元素分析、中和滴定により求めることが可能である。これらの中でも測定の容易さから、元素分析法を用い、S/C比から算出することが好ましいが、スルホン酸基以外の硫黄源を含む場合などは、中和滴定法によりイオン交換容量を求めることもできる。   Here, the sulfonic acid group density is the number of moles of sulfonic acid groups introduced per gram of the dried polymer electrolyte material, and the larger the value, the greater the amount of sulfonic acid groups. The sulfonic acid group density can be determined by elemental analysis or neutralization titration. Among these, it is preferable to calculate from the S / C ratio using an elemental analysis method for ease of measurement. However, when a sulfur source other than a sulfonic acid group is included, the ion exchange capacity is obtained by a neutralization titration method. You can also

中和滴定の手順は下記のとおりである。測定は3回以上行ってその平均をとるものとする。
(1) 試料をミルにより粉砕し、粒径を揃えるため、目50メッシュの網ふるいにかけ、ふるいを通過したものを測定試料とする。
(2) サンプル管(蓋付き)を精密天秤で秤量する。
(3) 前記(1)の試料 約0.1gをサンプル管に入れ、40℃で16時間、真空乾燥する。
(4) 試料入りのサンプル管を秤量し、試料の乾燥重量を求める。
(5) 塩化ナトリウムを30重量%メタノール水溶液に溶かし、飽和食塩溶液を調製する。
(6) 試料に前記(5)の飽和食塩溶液を25mL加え、24時間撹拌してイオン交換する。
(7) 生じた塩酸を0.02mol/L水酸化ナトリウム水溶液で滴定する。指示薬として市販の滴定用フェノールフタレイン溶液(0.1体積%)を2滴加え、薄い赤紫色になった点を終点とする。
(8) イオン交換容量は下記の式により求める。
The procedure for neutralization titration is as follows. The measurement shall be performed three times or more and the average shall be taken.
(1) The sample is pulverized by a mill, and in order to make the particle diameter uniform, the sample is passed through a 50-mesh mesh sieve and the sample passed through the sieve is used as the measurement sample.
(2) Weigh the sample tube (with lid) with a precision balance.
(3) About 0.1 g of the sample of (1) is put into a sample tube and vacuum dried at 40 ° C. for 16 hours.
(4) Weigh the sample tube with the sample and determine the dry weight of the sample.
(5) Dissolve sodium chloride in a 30 wt% aqueous methanol solution to prepare a saturated saline solution.
(6) Add 25 mL of the saturated salt solution of (5) above to the sample and stir for 24 hours for ion exchange.
(7) Titrate the resulting hydrochloric acid with 0.02 mol / L aqueous sodium hydroxide. Two drops of a commercially available titration phenolphthalein solution (0.1% by volume) as an indicator are added, and the point at which light reddish purple is obtained is the end point.
(8) The ion exchange capacity is obtained by the following formula.

イオン交換容量(meq/g)=
〔水酸化ナトリウム水溶液の濃度(mmol/ml)×滴下量(ml)〕/試料の乾燥重量(g)
本発明のイオン性基を有するポリマーには本発明の目的を阻害しない範囲において、他の成分、例えば導電性若しくはイオン伝導性を有さない不活性なポリマーや有機あるいは無機の化合物、が含有されていても構わない。
Ion exchange capacity (meq / g) =
[Concentration of sodium hydroxide aqueous solution (mmol / ml) × Drip amount (ml)] / Dry weight of sample (g)
The polymer having an ionic group of the present invention contains other components, for example, an inactive polymer or an organic or inorganic compound having no conductivity or ionic conductivity, as long as the object of the present invention is not impaired. It does not matter.

これら芳香族炭化水素系ポリマーに対してイオン性基を導入する方法は、イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法と、高分子反応でイオン性基を導入する方法が挙げられる。イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法としては、繰り返し単位中にイオン性基を有したモノマーを用いれば良く、必要により適当な保護基を導入して重合後脱保護基を行えばよい。かかる方法は例えば Journal of Membrane Science, 197(2002) 231-242 に記載がある。   Examples of a method for introducing an ionic group into these aromatic hydrocarbon polymers include a method of polymerizing using a monomer having an ionic group and a method of introducing an ionic group by a polymer reaction. As a method of polymerizing using a monomer having an ionic group, a monomer having an ionic group in a repeating unit may be used, and if necessary, an appropriate protecting group may be introduced to perform a deprotecting group after polymerization. . Such a method is described in, for example, Journal of Membrane Science, 197 (2002) 231-242.

高分子反応でイオン性基を導入する方法について例を挙げて説明すると、芳香族系高分子へのホスホン酸基の導入は、例えばPolymer Preprints, Japan , 51, 750 (2002) 等に記載の方法によって可能である。芳香族系高分子へのリン酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有する芳香族系高分子のリン酸エステル化によって可能である。芳香族系高分子へのカルボン酸基の導入は、例えばアルキル基やヒドロキシアルキル基を有する芳香族系高分子を酸化することによって可能である。芳香族系高分子への硫酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有する芳香族系高分子の硫酸エステル化によって可能である。芳香族系高分子をスルホン化する方法、すなわちスルホン酸基を導入する方法としては、たとえば特開平2−16126号公報あるいは特開平2−208322号公報等に記載の方法が公知である。具体的には、例えば、芳香族系高分子をクロロホルム等の溶媒中でクロロスルホン酸のようなスルホン化剤と反応させたり、濃硫酸や発煙硫酸中で反応することによりスルホン化することができる。スルホン化剤には芳香族系高分子をスルホン化するものであれば特に制限はなく、上記以外にも三酸化硫黄等を使用することができる。この方法により芳香族系高分子をスルホン化する場合には、スルホン化の度合いはスルホン化剤の使用量、反応温度および反応時間により、容易に制御できる。芳香族系高分子へのスルホンイミド基の導入は、例えばスルホン酸基とスルホンアミド基を反応させる方法によって可能である。   The method for introducing an ionic group in a polymer reaction will be described with an example. The introduction of a phosphonic acid group into an aromatic polymer is described in, for example, Polymer Preprints, Japan, 51, 750 (2002) Is possible. Introduction of a phosphate group into an aromatic polymer can be achieved by, for example, phosphoric esterification of an aromatic polymer having a hydroxyl group. Introduction of a carboxylic acid group into an aromatic polymer can be performed by oxidizing an aromatic polymer having an alkyl group or a hydroxyalkyl group, for example. Introduction of a sulfate group into an aromatic polymer can be achieved by, for example, sulfate esterification of an aromatic polymer having a hydroxyl group. As a method for sulfonating an aromatic polymer, that is, a method for introducing a sulfonic acid group, for example, a method described in JP-A-2-16126 or JP-A-2-208322 is known. Specifically, for example, an aromatic polymer can be sulfonated by reacting with a sulfonating agent such as chlorosulfonic acid in a solvent such as chloroform, or by reacting in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid. . The sulfonating agent is not particularly limited as long as it sulfonates an aromatic polymer, and sulfur trioxide or the like can be used in addition to the above. When the aromatic polymer is sulfonated by this method, the degree of sulfonation can be easily controlled by the amount of the sulfonating agent used, the reaction temperature and the reaction time. Introduction of a sulfonimide group into an aromatic polymer can be achieved, for example, by a method of reacting a sulfonic acid group and a sulfonamide group.

本発明の高分子電解質材料を燃料電池用として使用する際には、通常膜の状態で使用される。しかしながら、本発明の高分子電解質材料は、膜状に限定されるものではなく、その形状としては、前述の膜状の他、板状、繊維状、中空糸状、粒子状、塊状など、使用用途によって様々な形態をとりうる。本発明の高分子電解質材料を膜へ転化する方法に特に制限はないが、溶液状態より製膜する方法あるいは溶融状態より製膜する方法等が可能である。前者では、たとえば、該高分子電解質材料をN,N−ジメチルアセトアミド等の溶媒に溶解し、その溶液をガラス板等の上に流延塗布し、溶媒を除去することにより製膜する方法が例示できる。   When the polymer electrolyte material of the present invention is used for a fuel cell, it is usually used in a membrane state. However, the polymer electrolyte material of the present invention is not limited to a membrane shape, and the shape is not limited to the above-mentioned membrane shape, but can be used such as a plate shape, a fiber shape, a hollow fiber shape, a particle shape, and a lump shape. Can take various forms. The method for converting the polymer electrolyte material of the present invention into a membrane is not particularly limited, but a method of forming a film from a solution state or a method of forming a film from a molten state is possible. In the former, for example, a method of forming a film by dissolving the polymer electrolyte material in a solvent such as N, N-dimethylacetamide, casting the solution on a glass plate or the like, and removing the solvent is exemplified. it can.

製膜に用いる溶媒としては、高分子電解質材料を溶解し、その後に除去し得るものであればよく、例えば、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒、γ−ブチロラクトン、酢酸ブチルなどのエステル系溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、あるいはイソプロパノールなどのアルコール系溶媒、水およびこれらの混合物が好適に用いられるが、非プロトン性極性溶媒が最も溶解性が高く好ましい。   The solvent used for film formation is not particularly limited as long as the polymer electrolyte material can be dissolved and then removed. For example, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone , Dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, aprotic polar solvents such as hexamethylphosphontriamide, ester solvents such as γ-butyrolactone, butyl acetate, carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, etc. Solvent, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, alkylene glycol monoalkyl ether such as propylene glycol monoethyl ether, or isopropanol Alcohol solvents, water and mixtures thereof is preferably used, is preferred for high highest solubility aprotic polar solvent.

次いで、得られた高分子電解質膜はイオン性基の少なくとも一部を金属塩の状態にしてから熱処理することが好ましい。金属塩の金属はスルホン酸と塩を形成しうるものであればよいが、価格および環境負荷の点からはLi、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Mo、Wなどが好ましく、これらの中でもLi、Na、K、Ca、Sr、Baがより好ましく、Li、Na、Kがさらに好ましい。この熱処理の温度は好ましくは150〜550℃、さらに好ましくは160〜400℃、特に好ましくは180〜350℃である。熱処理時間は、好ましくは10秒〜12時間、さらに好ましくは30秒〜6時間、特に好ましくは1時間前後である。熱処理温度が低すぎると、燃料透過性の抑制効果が不足する。一方、高すぎると膜材料の劣化を生じやすくなる。熱処理時間が10秒未満であると燃料透過性の抑制効果が不足する。一方、12時間を超えると膜材料の劣化を生じやすくなる。熱処理により得られた高分子電解質膜は必要に応じて酸性水溶液に浸漬することによりプロトン置換することができる。この方法で成形することによって本発明の高分子電解質膜はプロトン伝導度と燃料遮断性をより良好なバランスで両立することが可能となる。   Next, the obtained polymer electrolyte membrane is preferably heat-treated after at least a part of the ionic groups is in a metal salt state. The metal of the metal salt may be any metal that can form a salt with sulfonic acid, but from the viewpoint of cost and environmental load, Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Mo, W, and the like are preferable. Among these, Li, Na, K, Ca, Sr, and Ba are more preferable, and Li, Na, and K are more preferable. The temperature of this heat treatment is preferably 150 to 550 ° C, more preferably 160 to 400 ° C, and particularly preferably 180 to 350 ° C. The heat treatment time is preferably 10 seconds to 12 hours, more preferably 30 seconds to 6 hours, and particularly preferably around 1 hour. If the heat treatment temperature is too low, the effect of suppressing fuel permeability is insufficient. On the other hand, if it is too high, the film material tends to deteriorate. If the heat treatment time is less than 10 seconds, the effect of suppressing fuel permeability is insufficient. On the other hand, when it exceeds 12 hours, the film material tends to deteriorate. The polymer electrolyte membrane obtained by the heat treatment can be proton-substituted by being immersed in an acidic aqueous solution as necessary. By molding by this method, the polymer electrolyte membrane of the present invention can achieve both a good balance between proton conductivity and fuel cutoff.

本発明の高分子電解質膜は、さらに必要に応じて放射線照射などの手段によって高分子構造を架橋せしめることもできる。かかる高分子電解質膜を架橋せしめることにより、燃料クロスオーバーおよび燃料に対する膨潤をさらに抑制する効果が期待でき、機械的強度が向上し、より好ましくなる場合がある。かかる放射線照射の種類としては例えば、電子線照射やγ線照射を挙げることができる。   In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the polymer structure can be further cross-linked by means such as radiation irradiation as necessary. By crosslinking such a polymer electrolyte membrane, an effect of further suppressing fuel crossover and swelling with respect to the fuel can be expected, and the mechanical strength may be improved, which may be more preferable. Examples of such radiation irradiation include electron beam irradiation and γ-ray irradiation.

本発明の高分子電解質膜の膜厚としては、好ましくは1〜2000μmのものが好適に使用される。実用に耐える膜の強度を得るには1μmより厚い方がより好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能の向上のためには2000μmより薄い方が好ましい。かかる膜厚のさらに好ましい範囲は3〜500μm、特に好ましい範囲は5〜250μmである。かかる膜厚は、溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御することができる。   The film thickness of the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably 1 to 2000 μm. A thickness of more than 1 μm is more preferable for obtaining the strength of a film that can withstand practical use, and a thickness of less than 2000 μm is preferable for reducing the film resistance, that is, improving the power generation performance. A more preferable range of the film thickness is 3 to 500 μm, and a particularly preferable range is 5 to 250 μm. The film thickness can be controlled by the solution concentration or the coating thickness on the substrate.

また、本発明の高分子電解質材料には、通常の高分子化合物に使用される可塑剤、安定剤あるいは離型剤等の添加剤を、本発明の目的に反しない範囲内で添加することができる。   In addition, an additive such as a plasticizer, a stabilizer, or a mold release agent used for a general polymer compound may be added to the polymer electrolyte material of the present invention within a range not contrary to the object of the present invention. it can.

また、本発明の高分子電解質材料には、前述の諸特性に悪影響をおよぼさない範囲内で機械的強度、熱安定性、加工性などの向上を目的に、各種ポリマー、エラストマー、フィラー、微粒子、各種添加剤などを含有させてもよい。   In addition, the polymer electrolyte material of the present invention includes various polymers, elastomers, fillers, and the like for the purpose of improving mechanical strength, thermal stability, workability, and the like within a range that does not adversely affect the above-described properties. Fine particles, various additives, and the like may be included.

本発明の高分子電解質膜は、その20℃の条件下、30重量%メタノール水溶液に対する単位面積当たりのメタノール透過量が40μmol・min−1・cm−2以下であることが好ましい。該高分子電解質膜を用いた燃料電池において、燃料濃度が高い領域において高出力および高エネルギー容量が得られるという観点から、高い燃料濃度を保持すべく、燃料透過量が小さいことが望まれるからである。メタノール透過量は、25℃の純水に高分子電解質膜を24時間浸漬した後で測定する。 The polymer electrolyte membrane of the present invention preferably has a methanol permeation amount per unit area of 40 μmol · min −1 · cm −2 or less with respect to a 30 wt% aqueous methanol solution under the condition of 20 ° C. In the fuel cell using the polymer electrolyte membrane, from the viewpoint of obtaining high output and high energy capacity in a region where the fuel concentration is high, it is desired that the fuel permeation amount is small in order to maintain a high fuel concentration. is there. The amount of methanol permeated is measured after the polymer electrolyte membrane is immersed in pure water at 25 ° C. for 24 hours.

かかる観点からは、0μmol・min−1・cm−2が最も好ましいが、プロトン伝導性を確保する観点からは0.01μmol・min−1・cm−2以上が好ましい。 From this viewpoint, 0 μmol · min −1 · cm −2 is most preferable, but from the viewpoint of ensuring proton conductivity, 0.01 μmol · min −1 · cm −2 or more is preferable.

なおかつ、本発明の高分子電解質膜は、単位面積当たりのプロトン伝導度が1S・cm−2以上であることが好ましく、2S・cm−2以上がより好ましい。プロトン伝導度は、25℃の純水に高分子電解質膜を24時間浸漬した後、25℃、相対湿度50〜80%の雰囲気中に取り出し、できるだけ素早く行う定電位交流インピーダンス法により測定することができる。 In addition, the polymer electrolyte membrane of the present invention preferably has a proton conductivity per unit area of 1 S · cm −2 or more, and more preferably 2 S · cm −2 or more. Proton conductivity can be measured by the constant potential alternating current impedance method, which is performed as quickly as possible after immersing the polymer electrolyte membrane in pure water at 25 ° C. for 24 hours, taking it out in an atmosphere of 25 ° C. and 50% to 80% relative humidity. it can.

単位面積当たりのプロトン伝導度を1S・cm−2以上とすることにより、燃料電池用高分子電解質膜として使用する際に、十分なプロトン伝導性、すなわち十分な電池出力を得ることができる。プロトン伝導度は高い方が好ましいが、高プロトン伝導度の膜はメタノール水などの燃料により溶解や崩壊しやすくなり、また燃料透過量も大きくなる傾向があるので、現実的な上限は50S・cm−2である。 By setting the proton conductivity per unit area to 1 S · cm −2 or more, when used as a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, sufficient proton conductivity, that is, sufficient battery output can be obtained. Higher proton conductivity is preferable, but a membrane with high proton conductivity is likely to be dissolved or disintegrated by a fuel such as methanol water, and the fuel permeation amount tends to increase, so a practical upper limit is 50 S · cm. -2 .

本発明の高分子電解質膜は、上記したような低メタノール透過量と高プロトン伝導度を同時に達成することが、高出力と高エネルギー容量を両立させる上から好ましい。   The polymer electrolyte membrane of the present invention preferably achieves the low methanol permeation amount and the high proton conductivity as described above from the viewpoint of achieving both high output and high energy capacity.

かかる高分子電解質材料を燃料電池として用いる際の高分子電解質材料と電極の接合法については特に制限はなく、公知の方法(例えば、電気化学,1985, 53, 269.記載の化学メッキ法、J. Electrochem. Soc.: Electrochemical Science and Technology, 1988, 135(9), 2209. 記載のガス拡散電極の熱プレス接合法など)を適用することが可能である。   There are no particular limitations on the method of joining the polymer electrolyte material and the electrode when such a polymer electrolyte material is used as a fuel cell, and known methods (for example, the chemical plating method described in Electrochemistry, 1985, 53, 269. Electrochem. Soc .: Electrochemical Science and Technology, 1988, 135 (9), 2209. can be applied.

本発明の高分子電解質材料は、種々の用途に適用可能である。例えば、体外循環カラム、人工皮膚などの医療用途、ろ過用用途、イオン交換樹脂用途、各種構造材用途、電気化学用途に適用可能である。中でも種々の電気化学用途により好ましく利用できる。電気化学用途としては、例えば、燃料電池、レドックスフロー電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等が挙げられるが、中でも燃料電池が最も好ましい。さらに燃料電池のなかでも高分子電解質型燃料電池に好適であり、これには水素を燃料とするものとメタノールなどの有機化合物を燃料とするものがあり、炭素数1〜6の有機化合物およびこれらと水の混合物から選ばれた少なくとも1種を燃料とする直接型燃料電池に特に好ましく用いられる。炭素数1〜6の有機化合物としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどの炭素数1〜3のアルコール、ジメチルエーテルが好ましく、メタノールが最も好ましく使用される。   The polymer electrolyte material of the present invention can be applied to various uses. For example, it can be applied to medical applications such as extracorporeal circulation columns and artificial skin, applications for filtration, ion exchange resin applications, various structural materials, and electrochemical applications. Among these, it can be preferably used for various electrochemical applications. Examples of the electrochemical application include a fuel cell, a redox flow battery, a water electrolysis device, a chloroalkali electrolysis device, and the like, among which the fuel cell is most preferable. Further, among fuel cells, it is suitable for a polymer electrolyte fuel cell, and there are those using hydrogen as a fuel and those using an organic compound such as methanol as a fuel. It is particularly preferably used for a direct fuel cell using at least one selected from a mixture of water and water as fuel. As the organic compound having 1 to 6 carbon atoms, alcohols having 1 to 3 carbon atoms such as methanol, ethanol and isopropyl alcohol, and dimethyl ether are preferable, and methanol is most preferably used.

さらに、本発明の高分子電解質型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、移動体の電力供給源が好ましいものである。特に、携帯電話、パソコン、PDAなどの携帯機器、掃除機等の家電、乗用車、バス、トラックなどの自動車や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源として好ましく用いられる。   Furthermore, the application of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is not particularly limited, but a power supply source for a mobile body is preferable. In particular, it is preferably used as a power supply source for mobile devices such as mobile devices such as mobile phones, personal computers and PDAs, household appliances such as vacuum cleaners, automobiles such as passenger cars, buses and trucks, ships, and railways.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、各物性の測定条件は次の通りである。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these. In addition, the measurement conditions of each physical property are as follows.

(1)スルホン酸基密度
検体となる膜状の試料を25℃の純水に24時間浸漬し、40℃で24時間真空乾燥した後、元素分析により測定した。炭素、水素、窒素の分析は全自動元素分析装置varioEL、硫黄の分析はフラスコ燃焼法・酢酸バリウム滴定、フッ素の分析はフラスコ燃焼・イオンクロマトグラフ法で実施した。ポリマーの組成比から単位グラムあたりのスルホン酸基密度(mmol/g)を算出した。
(1) Sulfonic Acid Group Density A film-like sample serving as a specimen was immersed in pure water at 25 ° C. for 24 hours, vacuum-dried at 40 ° C. for 24 hours, and measured by elemental analysis. Carbon, hydrogen, and nitrogen were analyzed by a fully automatic elemental analyzer varioEL, sulfur was analyzed by a flask combustion method / barium acetate titration, and fluorine was analyzed by a flask combustion / ion chromatograph method. The sulfonic acid group density per unit gram (mmol / g) was calculated from the composition ratio of the polymer.

(2)プロトン伝導度
膜状の試料を25℃の30重量%メタノール水溶液に24時間浸漬した後、25℃、相対湿度50〜80%の雰囲気中に取り出し、できるだけ素早く定電位交流インピーダンス法でプロトン伝導度を測定した。
(2) Proton conductivity After immersing the membrane-like sample in a 30 wt% methanol aqueous solution at 25 ° C for 24 hours, the membrane sample is taken out in an atmosphere of 25 ° C and relative humidity of 50-80%, and protons are obtained as quickly as possible by the constant potential AC impedance method. Conductivity was measured.

測定装置としては、Solartron製電気化学測定システム(Solartron 1287 Electrochemical InterfaceおよびSolartron 1255B Frequency Response Analyzer)を使用した。サンプルは、φ2mmおよびφ10mmの2枚の円形電極(ステンレス製)間に加重1kgをかけて挟持した。有効電極面積は0.0314cmである。サンプルと電極の界面には、ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸)の15%水溶液を塗布した。25℃において、交流振幅50mVの定電位インピーダンス測定を行い、膜厚方向のプロトン伝導度を求めた。 As a measuring apparatus, a Solartron electrochemical measurement system (Solartron 1287 Electrochemical Interface and Solartron 1255B Frequency Response Analyzer) was used. The sample was sandwiched between two circular electrodes (made of stainless steel) of φ2 mm and φ10 mm with a weight of 1 kg. The effective electrode area is 0.0314 cm 2 . A 15% aqueous solution of poly (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) was applied to the interface between the sample and the electrode. At 25 ° C., a constant potential impedance measurement with an AC amplitude of 50 mV was performed to determine proton conductivity in the film thickness direction.

(3)メタノール透過量
膜状の試料を60℃で30重量%メタノール水溶液に24時間浸漬した後、20℃において30重量%メタノール水溶液を用いて測定した。60℃で30重量%メタノール水溶液に24時間浸漬する前と後では大きくメタノール透過量が変化するため、この前処理は膜の正確な特性を評価するために必ず行う必要がある。
(3) Methanol Permeation A film-like sample was immersed in a 30 wt% methanol aqueous solution at 60 ° C. for 24 hours, and then measured at 20 ° C. using a 30 wt% methanol aqueous solution. Since the amount of methanol permeation greatly changes before and after being immersed in a 30 wt% methanol aqueous solution at 60 ° C. for 24 hours, this pretreatment must be performed in order to evaluate the accurate characteristics of the membrane.

H型セル間にサンプル膜を挟み、一方のセルには純水(60mL)を入れ、他方のセルには30重量%メタノール水溶液(60mL)を入れた。セルの容量は各80mLであった。また、セル間の開口部面積は1.77cmであった。20℃において両方のセルを撹拌した。1時間、2時間および3時間経過時点で純水中に溶出したメタノール量を島津製作所製ガスクロマトグラフィ(GC−2010)で測定し定量した。グラフの傾きから単位時間あたりのメタノール透過量を求めた。 A sample membrane was sandwiched between the H-type cells, pure water (60 mL) was placed in one cell, and 30 wt% aqueous methanol solution (60 mL) was placed in the other cell. The cell capacity was 80 mL each. Moreover, the opening area between cells was 1.77 cm < 2 >. Both cells were stirred at 20 ° C. The amount of methanol eluted in pure water at the time of 1 hour, 2 hours and 3 hours was measured and quantified with a gas chromatography (GC-2010) manufactured by Shimadzu Corporation. The methanol permeation amount per unit time was determined from the slope of the graph.

(4)重量平均分子量
ポリマーの重量平均分子量をGPCにより測定した。紫外検出器と示差屈折計の一体型装置として東ソー製HLC−8022GPCを、またGPCカラムとして東ソー製TSK gel SuperHM−H(内径6.0mm、長さ15cm)2本を用い、N−メチル−2−ピロリドン溶媒(臭化リチウムを10mmol/L含有するN−メチル−2−ピロリドン溶媒)にて、流量0.2mL/minで測定し、標準ポリスチレン換算により重量平均分子量を求めた。
(4) Weight average molecular weight The weight average molecular weight of the polymer was measured by GPC. Tosoh's HLC-8022GPC is used as an integrated device of an ultraviolet detector and a differential refractometer, and Tosoh's TSK gel SuperHM-H (inner diameter 6.0 mm, length 15 cm) is used as the GPC column. N-methyl-2 -Measured with a pyrrolidone solvent (N-methyl-2-pyrrolidone solvent containing 10 mmol / L of lithium bromide) at a flow rate of 0.2 mL / min, and the weight average molecular weight was determined in terms of standard polystyrene.

(5)耐熱水性および耐熱メタノール性
電解質膜の耐熱水性および耐熱メタノール性は60℃、30wt%メタノール水溶液中での寸法変化率を測定することにより評価した。電解質膜を長さ約5cm、幅約1cmの短冊状に切り取り、25℃の水中に24時間浸漬後、ノギスで長さ(L1)を正確に測長した。該電解質膜を60℃の30wt%メタノール水溶液中に12時間浸漬後、再度ノギスで長さ(L2)を正確に測長し、下記算式(S1)にて寸法変化率を計算した。
(5) Hot water resistance and hot methanol resistance The hot water resistance and hot methanol resistance of the electrolyte membrane were evaluated by measuring the dimensional change rate in a 30 wt% methanol aqueous solution at 60 ° C. The electrolyte membrane was cut into a strip shape having a length of about 5 cm and a width of about 1 cm, immersed in water at 25 ° C. for 24 hours, and then the length (L1) was accurately measured with a caliper. After immersing the electrolyte membrane in a 30 wt% aqueous methanol solution at 60 ° C. for 12 hours, the length (L2) was accurately measured again with calipers, and the dimensional change rate was calculated by the following formula (S1).

(30wt%メタノール水溶液中での寸法変化率)=L2/L1……(S1)
L1 :25℃の水中に24時間浸漬後の電解質膜の長さ(cm)
L2 :60℃の30wt%メタノール水溶液中に12時間浸漬後の電解質膜の長さ(cm)
(6)膜厚
ミツトヨ製グラナイトコンパレータスタンドBSG−20にセットしたミツトヨ製ID−C112型を用いて測定した。
(Dimensional change rate in 30 wt% methanol aqueous solution) = L2 / L1 (S1)
L1: length of the electrolyte membrane after being immersed in water at 25 ° C. for 24 hours (cm)
L2: length of the electrolyte membrane after being immersed in a 30 wt% methanol aqueous solution at 60 ° C. for 12 hours (cm)
(6) Film thickness It measured using Mitutoyo ID-C112 type | mold set to Mitutoyo granite comparator stand BSG-20.

合成例1
下記式(G1)で表されるジフルオロモノマーの合成
Synthesis example 1
Synthesis of difluoro monomer represented by the following formula (G1)

Figure 0004867174
Figure 0004867174

5−ブロモ−2−フルオロベンズトリフルオリド110gおよびMgからグリニャール試薬を調製し、アセトン/ドライアイスバス中でB(OMe)3と反応させた。HClaqで加水分解後、水で抽出することにより4−フルオロ−3−トリフルオロメチルフェニルホウ酸を合成した。次に、Na2CO3、Pd(PPh)4存在下、トルエン/水溶媒中、得られた4−フルオロ−3−トリフルオロメチルフェニルホウ酸67gとp−ジブロモベンゼン31gとを2h反応させた。水で抽出後、ショートカラム(フロリジール)により触媒除去、再結晶することにより、上記式(G1)で示されるジフルオロモノマーを得た。   Grignard reagent was prepared from 110 g of 5-bromo-2-fluorobenztrifluoride and Mg and reacted with B (OMe) 3 in an acetone / dry ice bath. 4-Fluoro-3-trifluoromethylphenylboric acid was synthesized by hydrolysis with HClaq and extraction with water. Next, in the presence of Na 2 CO 3 and Pd (PPh) 4, 67 g of the obtained 4-fluoro-3-trifluoromethylphenyl boric acid and 31 g of p-dibromobenzene were reacted for 2 h in a toluene / water solvent. After extraction with water, the catalyst was removed with a short column (Florisil) and recrystallized to obtain a difluoro monomer represented by the above formula (G1).

合成例2
下記式(G2)で表されるスルホン化ジフルオロモノマーの合成
Synthesis example 2
Synthesis of a sulfonated difluoro monomer represented by the following formula (G2)

Figure 0004867174
Figure 0004867174

前記式(G1)で示されるジフルオロモノマー30gを濃硫酸100mL中、100℃で10h反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、NaOHで中和した後、食塩を加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、エタノール水溶液で再結晶し、上記式(G2)で示されるスルホン化ジフルオロモノマーを得た。   30 g of the difluoro monomer represented by the formula (G1) was reacted in 100 mL of concentrated sulfuric acid at 100 ° C. for 10 hours. Thereafter, it was poured little by little into a large amount of water and neutralized with NaOH, and then sodium chloride was added to precipitate the composite. The resulting precipitate was filtered off and recrystallized with an aqueous ethanol solution to obtain a sulfonated difluoro monomer represented by the above formula (G2).

合成例3
下記式(G3)で表されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンの合成
Synthesis example 3
Synthesis of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the following formula (G3)

Figure 0004867174
Figure 0004867174

4,4’−ジフルオロベンゾフェノン109.1gを発煙硫酸(50%SO3)150mL中、100℃で10h反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、NaOHで中和した後、食塩200gを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、エタノール水溶液で再結晶し、上記式(G3)で示されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを得た。   109.1 g of 4,4′-difluorobenzophenone was reacted at 150 ° C. for 10 hours in 150 mL of fuming sulfuric acid (50% SO 3). Thereafter, the mixture was poured little by little into a large amount of water, neutralized with NaOH, and 200 g of sodium chloride was added to precipitate the composite. The resulting precipitate was filtered off and recrystallized with an aqueous ethanol solution to obtain disodium 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorobenzophenone represented by the above formula (G3).

合成例4   Synthesis example 4

Figure 0004867174
Figure 0004867174

p−ジブロモベンゼン31gの代わりに9,9−ビス(4−ブロモフェニル)フルオレン63gを用いた以外は合成例1に記載の方法で上記式(G4)で示されるジフルオロモノマーを得た。   A difluoro monomer represented by the above formula (G4) was obtained by the method described in Synthesis Example 1 except that 63 g of 9,9-bis (4-bromophenyl) fluorene was used instead of 31 g of p-dibromobenzene.

合成例5   Synthesis example 5

Figure 0004867174
Figure 0004867174

p−ジブロモベンゼン31gの代わりに4,4’−ジブロモテトラフェニルメタン63gを用いた以外は合成例1に記載の方法で上記式(G5)で示されるジフルオロモノマーを得た。   A difluoro monomer represented by the above formula (G5) was obtained by the method described in Synthesis Example 1 except that 63 g of 4,4′-dibromotetraphenylmethane was used instead of 31 g of p-dibromobenzene.

実施例1
下記式(J1)で表されるポリマーの合成
Example 1
Synthesis of a polymer represented by the following formula (J1)

Figure 0004867174
Figure 0004867174

(式中、*はその位置で上式の右端と下式の左端とが結合していることを表す。)
炭酸カリウム3.5g、4,4’−ジヒドロキシテトラフェニルメタン7.1g、前記合成例1で得たジフルオロモノマー1.6g、および前記合成例2で得たスルホン化ジフルオロモノマー8.1gを用いて、N−メチルピロリドン(NMP)中、190℃で重合を行った。多量の水で再沈することで精製を行い、上記式(G4)で示されるポリマーを得た。得られたポリマーのプロトン置換後のスルホン酸基密度は1.0mmol/g、重量平均分子量は22万であった。
(In the formula, * represents that the right end of the upper formula and the left end of the lower formula are connected at that position.)
Using 3.5 g of potassium carbonate, 7.1 g of 4,4′-dihydroxytetraphenylmethane, 1.6 g of the difluoro monomer obtained in Synthesis Example 1 and 8.1 g of the sulfonated difluoro monomer obtained in Synthesis Example 2 Polymerization was carried out at 190 ° C. in N-methylpyrrolidone (NMP). Purification was carried out by reprecipitation with a large amount of water to obtain a polymer represented by the above formula (G4). The resulting polymer had a sulfonic acid group density after proton substitution of 1.0 mmol / g and a weight average molecular weight of 220,000.

得られたポリマーを溶解させた25重量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液をガラス基板上に流延塗布し、100℃にて4h乾燥後、窒素下325℃で10分間熱処理し、高分子電解質膜を得た。25℃で1N塩酸に24時間浸漬してプロトン置換した後に、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄した。   A 25 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) solution in which the obtained polymer was dissolved was cast-coated on a glass substrate, dried at 100 ° C. for 4 hours, and then heat-treated at 325 ° C. for 10 minutes under nitrogen to obtain a polymer electrolyte. A membrane was obtained. After proton substitution by immersion in 1N hydrochloric acid at 25 ° C. for 24 hours, it was sufficiently washed by immersion in a large excess of pure water for 24 hours.

得られた膜は膜厚33μmであった。評価結果は表1にまとめた。高プロトン伝導性を維持したまま、メタノールクロスオーバーの抑制効果が大きかった。また、耐熱メタノール性に優れていた。   The film obtained was 33 μm thick. The evaluation results are summarized in Table 1. While maintaining high proton conductivity, the effect of suppressing methanol crossover was great. Moreover, it was excellent in heat-resistant methanol property.

実施例2
下記式(J2)で表されるポリマーの合成
Example 2
Synthesis of a polymer represented by the following formula (J2)

Figure 0004867174
Figure 0004867174

(式中、*はその位置で上式の右端と下式の左端とが結合していることを表す。)
炭酸カリウム3.5g、4,4’−ジヒドロキシテトラフェニルメタン7.1g、前記合成例1で得たジフルオロモノマー5.6g、および前記合成例3で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン2.7gを用いて、N−メチルピロリドン(NMP)中、190℃で重合を行った。多量の水で再沈することで精製を行い、上記式(G5)で示されるポリマーを得た。得られたポリマーのプロトン置換後のスルホン酸基密度は1.0mmol/g、重量平均分子量は24万であった。
(In the formula, * represents that the right end of the upper formula and the left end of the lower formula are connected at that position.)
3.5 g of potassium carbonate, 7.1 g of 4,4′-dihydroxytetraphenylmethane, 5.6 g of the difluoro monomer obtained in Synthesis Example 1, and disodium 3,3′-disulfonate-4 obtained in Synthesis Example 3 Polymerization was carried out at 190 ° C. in N-methylpyrrolidone (NMP) using 2.7 g of 4,4′-difluorobenzophenone. Purification was carried out by reprecipitation with a large amount of water to obtain a polymer represented by the above formula (G5). The resulting polymer had a sulfonic acid group density after proton substitution of 1.0 mmol / g and a weight average molecular weight of 240,000.

実施例1で得た前記式(J1)のポリマーを前記式(J2)のポリマーに変えた以外は実施例1に記載の方法で膜の作製を行った。   A film was prepared by the method described in Example 1 except that the polymer of formula (J1) obtained in Example 1 was changed to the polymer of formula (J2).

得られた膜は膜厚35μmであった。評価結果は表1にまとめた。高プロトン伝導性を維持したまま、メタノールクロスオーバーの抑制効果が大きかった。また、耐熱メタノール性に優れていた。   The obtained film was 35 μm thick. The evaluation results are summarized in Table 1. While maintaining high proton conductivity, the effect of suppressing methanol crossover was great. Moreover, it was excellent in heat-resistant methanol property.

実施例3
下記式(J3)で表されるポリマーの合成
Example 3
Synthesis of a polymer represented by the following formula (J3)

Figure 0004867174
Figure 0004867174

(式中、*はその位置で上式の右端と下式の左端とが結合していることを表す。)
前記合成例1で得たジフルオロモノマー5.6gおよび前記合成例3で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン2.7gを、前記合成例4で得たジフルオロモノマー6.4g、および前記合成例3で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン4.2gに変えた以外は実施例2に記載の方法でポリマーの合成を行った。得られたポリマーのプロトン置換後のスルホン酸基密度は1.2mmol/g、重量平均分子量は18万であった。
(In the formula, * represents that the right end of the upper formula and the left end of the lower formula are connected at that position.)
5.6 g of the difluoro monomer obtained in Synthesis Example 1 and 2.7 g of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in Synthesis Example 3 were used as the difluoro monomer obtained in Synthesis Example 4. The polymer was synthesized by the method described in Example 2 except that 6.4 g and disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in Synthesis Example 3 were changed to 4.2 g. . The resulting polymer had a sulfonic acid group density after proton substitution of 1.2 mmol / g and a weight average molecular weight of 180,000.

実施例1で得た前記式(J1)のポリマーを前記式(J3)のポリマーに変えた以外は実施例1に記載の方法で膜の作製を行った。   A film was prepared by the method described in Example 1 except that the polymer of the formula (J1) obtained in Example 1 was changed to the polymer of the formula (J3).

得られた膜は膜厚40μmであった。評価結果は表1にまとめた。高プロトン伝導性を維持したまま、メタノールクロスオーバーの抑制効果が大きかった。また、耐熱メタノール性に優れていた。   The obtained film was 40 μm thick. The evaluation results are summarized in Table 1. While maintaining high proton conductivity, the effect of suppressing methanol crossover was great. Moreover, it was excellent in heat-resistant methanol property.

実施例4
下記式(J4)で表されるポリマーの合成
Example 4
Synthesis of a polymer represented by the following formula (J4)

Figure 0004867174
Figure 0004867174

(式中、*はその位置で上式の右端と下式の左端とが結合していることを表す。)
前記合成例1で得たジフルオロモノマー5.6gおよび前記合成例3で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン2.7gを、前記合成例5で得たジフルオロモノマー6.4g、および前記合成例3で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン4.2gに変えた以外は実施例2に記載の方法でポリマーの合成を行った。得られたポリマーのプロトン置換後のスルホン酸基密度は1.2mmol/g、重量平均分子量は19万であった。
(In the formula, * represents that the right end of the upper formula and the left end of the lower formula are connected at that position.)
5.6 g of the difluoro monomer obtained in Synthesis Example 1 and 2.7 g of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in Synthesis Example 3 were used as the difluoro monomer obtained in Synthesis Example 5. The polymer was synthesized by the method described in Example 2 except that 6.4 g and disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in Synthesis Example 3 were changed to 4.2 g. . The resulting polymer had a sulfonic acid group density after proton substitution of 1.2 mmol / g and a weight average molecular weight of 190,000.

実施例1で得た前記式(J1)のポリマーを前記式(J4)のポリマーに変えた以外は実施例1に記載の方法で膜の作製を行った。   A film was prepared by the method described in Example 1 except that the polymer of formula (J1) obtained in Example 1 was changed to the polymer of formula (J4).

得られた膜は膜厚41μmであった。評価結果は表1にまとめた。高プロトン伝導性を維持したまま、メタノールクロスオーバーの抑制効果が大きかった。また、耐熱メタノール性に優れていた。   The obtained film was 41 μm thick. The evaluation results are summarized in Table 1. While maintaining high proton conductivity, the effect of suppressing methanol crossover was great. Moreover, it was excellent in heat-resistant methanol property.

比較例1
市販のナフィオン(R)117膜(デュポン社製)を用い、イオン伝導度、MCOおよび耐熱メタノール性を評価した。ナフィオン(R)117膜は100℃の5%過酸化水素水中にて30分、続いて100℃の5%希硫酸中にて30分浸漬した後、100℃の脱イオン水でよく洗浄した。評価結果は表1にまとめた。
Comparative Example 1
A commercially available Nafion (R) 117 membrane (manufactured by DuPont) was used to evaluate ion conductivity, MCO, and heat resistance methanol resistance. The Nafion (R) 117 membrane was immersed in 5% hydrogen peroxide water at 100 ° C. for 30 minutes, and then immersed in 5% dilute sulfuric acid at 100 ° C. for 30 minutes, and then thoroughly washed with deionized water at 100 ° C. The evaluation results are summarized in Table 1.

比較例2   Comparative Example 2

Figure 0004867174
Figure 0004867174

(式中、*はその位置で上式の右端と下式の左端とが結合していることを表す。)
米国特開2002−0091225号記載の方法と同様にして上記式(J5)のポリエーテルスルホンを合成した。H型ポリマーのスルホン酸基密度は1.3mmol/gであり、重量平均分子量は16万であった。
(In the formula, * represents that the right end of the upper formula and the left end of the lower formula are connected at that position.)
The polyethersulfone of the above formula (J5) was synthesized in the same manner as in the method described in U.S. Pat. The sulfonic acid group density of the H-type polymer was 1.3 mmol / g, and the weight average molecular weight was 160,000.

実施例1で得た前記式(J1)のポリマーを前記式(J5)のポリマーに変えたこと、窒素下325℃で10分間熱処理を行わなかったこと以外は実施例1に記載の方法で膜の作製を行った。   The film was formed by the method described in Example 1 except that the polymer of the formula (J1) obtained in Example 1 was changed to the polymer of the formula (J5) and that the heat treatment was not performed at 325 ° C. for 10 minutes under nitrogen. Was made.

得られた膜は膜厚35μmであった。評価結果は表1にまとめた。メタノールクロスオーバーの抑制効果があまりなかった。また、耐熱メタノール性が不足していた。   The obtained film was 35 μm thick. The evaluation results are summarized in Table 1. There was not much suppression effect of methanol crossover. Moreover, heat-resistant methanol property was insufficient.

実施例1〜2、比較例1〜2の各評価結果を表1に示す。実施例1〜2の膜は比較例1のナフィオン(R)117膜と比較してメタノールクロスオーバーの抑制効果が大きく、耐熱メタノール性にも優れていた。また、比較例2の膜と比較して同程度のスルホン酸基を有するにもかかわらずメタノールクロスオーバーの抑制効果が大きく、耐熱メタノール性にも優れていた。   Each evaluation result of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2 is shown in Table 1. The membranes of Examples 1 and 2 had a greater effect of suppressing methanol crossover than the Nafion (R) 117 membrane of Comparative Example 1, and were excellent in heat-resistant methanol resistance. Further, although having the same level of sulfonic acid group as compared with the membrane of Comparative Example 2, the effect of suppressing methanol crossover was great and the heat resistant methanol resistance was also excellent.

Figure 0004867174
Figure 0004867174

本発明の電解質膜は、種々の電気化学装置(例えば、燃料電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等)に適用可能である。これら装置の中でも、燃料電池用に好適であり、特にメタノール水溶液を燃料とする燃料電池に好適である。   The electrolyte membrane of the present invention can be applied to various electrochemical devices (for example, a fuel cell, a water electrolysis device, a chloroalkali electrolysis device, etc.). Among these devices, it is suitable for a fuel cell, and particularly suitable for a fuel cell using a methanol aqueous solution as a fuel.

本発明の高分子電解質型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、携帯電話、パソコン、PDA、ビデオカメラ、デジタルカメラなどの携帯機器、コードレス掃除機等の家電、玩具類、電動自転車、自動二輪、自動車、バス、トラックなどの車両や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源、据え置き型の発電機など従来の一次電池、二次電池の代替、もしくはこれらとのハイブリット電源として好ましく用いられる。
The use of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is not particularly limited, but mobile devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, video cameras, digital cameras, home appliances such as cordless vacuum cleaners, toys, electric bicycles, automatic It is preferably used as a power supply source for vehicles such as motorcycles, automobiles, buses, trucks, etc., moving bodies such as ships, railways, etc., conventional primary batteries such as stationary generators, alternatives to secondary batteries, or hybrid power sources with these. .

Claims (12)

少なくとも下記一般式(P1)と下記一般式(A1)で表される構成単位を有する芳香族ポリエーテル系重合体を含み、該芳香族ポリエーテル系重合体がイオン性基を有し、Q およびQ がパーフルオロアルキル基であり、Ar が下記一般式(P6)〜(P8)から選ばれることを特徴とする高分子電解質材料。
Figure 0004867174
(式(P1)および(A1)において、Xは直接結合および2価の有機基から選ばれた基、QおよびQはパーフルオロアルキル基であり、Arは芳香環を含む任意の2価の有機基を表し、qおよびqは1〜4の整数である。式(P1)および(A1)で表される基は任意に置換されていてもよい。)
Figure 0004867174
(式(P6)〜(P8)中、Z はH、アルキル基およびアリール基から選ばれた基、Z は直接結合、メチレン基、−CO−、−SO −、OおよびSから選ばれた基、Z は−CO−または−SO −から選ばれた基、Z はO、SおよびNR (R は任意の有機基)から選ばれた基を表す。式(P6)〜(P8)で表される基は任意に置換されていてもよい。)
They include aromatic polyether polymer having a structural unit represented by at least the following general formulas (P1) and the following general formula (A1), aromatic polyether-based polymer possess an ionic group, Q 1 and Q 2 is a perfluoroalkyl group, polymer electrolyte materials Ar 1 is wherein Rukoto selected from the following general formula (P6) ~ (P8).
Figure 0004867174
(In the formulas (P1) and (A1), X 1 is a group selected from a direct bond and a divalent organic group, Q 1 and Q 2 are perfluoroalkyl groups , and Ar 1 is an arbitrary group containing an aromatic ring. Represents a divalent organic group, and q 1 and q 2 are integers of 1 to 4. The groups represented by the formulas (P1) and (A1) may be optionally substituted.)
Figure 0004867174
(In the formulas (P6) to (P8), Z 1 is a group selected from H, an alkyl group, and an aryl group, Z 2 is a direct bond, a methylene group, —CO—, —SO 2 —, O, and S. Z 3 represents a group selected from —CO— or —SO 2 —, Z 4 represents a group selected from O, S and NR N ( RN is an arbitrary organic group). ) To (P8) may be optionally substituted.)
一般式(P1)が下記一般式(P2)であることを特徴とする請求項に記載の高分子電解質材料。
Figure 0004867174
(式(P2)において、Xは直接結合および2価の有機基から選ばれた基を表す。式(P2)で表される基は任意に置換されていてもよい。)
2. The polymer electrolyte material according to claim 1 , wherein the general formula (P1) is the following general formula (P2).
Figure 0004867174
(In Formula (P2), X 1 represents a group selected from a direct bond and a divalent organic group. The group represented by Formula (P2) may be optionally substituted.)
が下記一般式(P3)または(P4)から選ばれることを特徴とする請求項に記載の高分子電解質材料。
Figure 0004867174
(式(P3)および(P4)で表される基は任意に置換されていてもよい。)
Polymer electrolyte material according to claim 2, characterized in that X 1 is selected from the following general formula (P3) or (P4).
Figure 0004867174
(The groups represented by the formulas (P3) and (P4) may be optionally substituted.)
下記一般式(P5)で表される構成単位をさらに有する該芳香族ポリエーテル系重合体を含むことを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の高分子電解質材料。
Figure 0004867174
(式(P5)中、Yは−CO−、−SO−、または−P(Rp)O−(Rpは任意の有機基)を表し、MおよびMは水素、金属カチオン、アンモニウムカチオンを表し、a1およびa2は1〜4の整数を表す。式(P5)で表される基は任意に置換されていてもよい。)
The polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 3 , further comprising the aromatic polyether polymer having a structural unit represented by the following general formula (P5).
Figure 0004867174
(In Formula (P5), Y 1 represents —CO—, —SO 2 —, or —P (Rp) O— (Rp represents an arbitrary organic group), and M 1 and M 2 represent hydrogen, a metal cation, and ammonium. Represents a cation, and a1 and a2 each represent an integer of 1 to 4. The group represented by the formula (P5) may be optionally substituted.
Arが式(P6)または(P7)より選ばれ、Zがフェニル基であり、Zが直接結合であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の高分子電解質材料。 The polymer electrolyte material according to claim 1, wherein Ar 1 is selected from the formula (P6) or (P7), Z 1 is a phenyl group, and Z 2 is a direct bond. . 該イオン性基がスルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基およびカルボン酸基から選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の高分子電解質材料。 The ionic group is a sulfonic acid group, a sulfonimide group, sulfuric acid group, phosphonic acid group, to any one of claims 1 to 5, characterized in that at least one selected from phosphoric acid group and a carboxylic acid group The polymer electrolyte material described. 該イオン性基がスルホン酸基であることを特徴とする請求項に記載の高分子電解質材料。 The polymer electrolyte material according to claim 6 , wherein the ionic group is a sulfonic acid group. 該スルホン酸基密度が0.5〜3.0mmol/gであることを特徴とする請求項に記載の高分子電解質材料。 The polymer electrolyte material according to claim 7 , wherein the sulfonic acid group density is 0.5 to 3.0 mmol / g. 請求項1〜のいずれかに記載の高分子電解質材料を用いて構成されていることを特徴とする高分子電解質膜。 A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 8 . 請求項1〜のいずれかに記載の高分子電解質材料および/または高分子電解質膜を用いて構成されていることを特徴とする膜電極複合体。 A membrane electrode assembly comprising the polymer electrolyte material and / or polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 9 . 請求項1〜10のいずれかに記載の高分子電解質材料および/または高分子電解質膜および/または膜電極複合体を用いて構成されていることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the polymer electrolyte material and / or polymer electrolyte membrane and / or membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 10 . 該高分子電解質型燃料電池が、炭素数1〜6の有機化合物、およびこれらと水の混合物から選ばれた少なくとも1種を燃料とする直接型燃料電池であることを特徴とする請求項11に記載の高分子電解質型燃料電池。 Polymer electrolyte fuel cell, an organic compound having 1 to 6 carbon atoms, and that in claim 11, wherein at least one selected from a mixture thereof with water is a direct-type fuel cell to the fuel The polymer electrolyte fuel cell as described.
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