JP5250935B2 - POLYMER ELECTROLYTE MATERIAL, POLYMER ELECTROLYTE PARTS, MEMBRANE ELECTRODE COMPOSITE AND POLYMER ELECTROLYTE TYPE FUEL CELL USING SAME - Google Patents

POLYMER ELECTROLYTE MATERIAL, POLYMER ELECTROLYTE PARTS, MEMBRANE ELECTRODE COMPOSITE AND POLYMER ELECTROLYTE TYPE FUEL CELL USING SAME Download PDF

Info

Publication number
JP5250935B2
JP5250935B2 JP2006024208A JP2006024208A JP5250935B2 JP 5250935 B2 JP5250935 B2 JP 5250935B2 JP 2006024208 A JP2006024208 A JP 2006024208A JP 2006024208 A JP2006024208 A JP 2006024208A JP 5250935 B2 JP5250935 B2 JP 5250935B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
polymer electrolyte
electrolyte material
group
polymer
general formula
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2006024208A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2006261103A (en
Inventor
大輔 出原
正孝 中村
大皷  寛
有理子 岡田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toray Industries Inc filed Critical Toray Industries Inc
Priority to JP2006024208A priority Critical patent/JP5250935B2/en
Publication of JP2006261103A publication Critical patent/JP2006261103A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5250935B2 publication Critical patent/JP5250935B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

本発明は、高出力、高エネルギー容量および長期耐久性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分子電解質部品、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, high energy capacity, and long-term durability, and a polymer electrolyte component, a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel using the same It relates to batteries.

燃料電池は、水素、メタノールなどの燃料を電気化学的に酸化することによって、電気エネルギーを取り出す一種の発電装置であり、近年、クリーンなエネルギー供給源として注目されている。なかでも高分子電解質型燃料電池は、標準的な作動温度が100℃前後と低く、かつ、エネルギー密度が高いことから、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幅広い応用が期待されている。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。   BACKGROUND ART A fuel cell is a kind of power generation device that extracts electrical energy by electrochemically oxidizing a fuel such as hydrogen or methanol, and has recently attracted attention as a clean energy supply source. In particular, the polymer electrolyte fuel cell has a low standard operating temperature of around 100 ° C. and a high energy density, so that it is a relatively small-scale distributed power generation facility, a mobile power generator such as an automobile or a ship. As a wide range of applications are expected. 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. Since DMFC is liquid and does not use a reformer, it has the advantage that the energy density is high and the usage time of the portable device per filling is long.

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プロトン伝導体となる高分子電解質膜とが、膜電極複合体(以降、MEAと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。高分子電解質膜は高分子電解質材料を主として構成される。高分子電解質材料は電極触媒層のバインダー等にも用いられる。   In a fuel cell, an anode electrode and a cathode electrode in which a reaction responsible for power generation occurs, and a polymer electrolyte membrane serving as a proton conductor between the anode and the cathode are sometimes referred to as a membrane electrode assembly (hereinafter, abbreviated as MEA). ) And a cell in which this MEA is sandwiched between separators is configured as a unit. The polymer electrolyte membrane is mainly composed of a polymer electrolyte material. The polymer electrolyte material is also used as a binder for the electrode catalyst layer.

高分子電解質膜の要求特性としては、第一に高いプロトン伝導性が挙げられる。また、高分子電解質膜は、燃料と酸素の直接反応を防止するバリアとしての機能を担うため、燃料の低透過性が要求される。特に、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、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。)と呼ばれ、電池出力およびエネルギー効率の低下という問題を引き起こす。その他の要求特性としては、燃料電池運転中の強い酸化雰囲気に耐えるための化学的安定性、薄膜化や膨潤乾燥の繰り返しに耐えうる機械強度などを挙げることができる。   The required characteristics of the polymer electrolyte membrane include firstly high proton conductivity. In addition, since the polymer electrolyte membrane functions as a barrier that prevents direct reaction between the fuel and oxygen, low permeability of the fuel is required. In particular, in a polymer electrolyte membrane for DMFC that uses an organic solvent such as methanol as fuel, methanol permeation is called methanol crossover (hereinafter sometimes abbreviated as MCO), which means that battery output and energy efficiency are reduced. Cause problems. Other required characteristics include chemical stability to withstand a strong oxidizing atmosphere during fuel cell operation and mechanical strength to withstand repeated thinning and swelling and drying.

これまで高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系ポリマーであるナフィオン(登録商標)(Nafion(登録商標):デュポン社製)が広く用いられてきた。ナフィオン(登録商標)は多段階合成を経て製造されるため非常に高価であり、かつ、クラスター構造を形成するために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、膨潤乾燥によって作成した膜の機械強度が低下するという問題や軟化点が低く高温で使用できないという問題、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。パーフルオロスルホン酸系膜は高分子電解質膜として概ねバランスのとれた特性を有するが、当該電池の実用化が進むにつれて、さらなる特性の改善が要求されるようになってきた。   Until now, Nafion (registered trademark) (Nafion (registered trademark): manufactured by DuPont), which is a perfluorosulfonic acid polymer, has been widely used for the polymer electrolyte membrane. Nafion (registered trademark) is very expensive because it is manufactured through multi-step synthesis, and there is a problem that fuel crossover is large to form a cluster structure. In addition, due to the lack of hot water resistance and methanol resistance, there is a problem that the mechanical strength of the film made by swelling and drying is lowered, a problem that the softening point is low and the film cannot be used at a high temperature, and a disposal problem and materials after use. There was also a problem that it was difficult to recycle. Perfluorosulfonic acid-based membranes have characteristics that are generally balanced as polymer electrolyte membranes, but further improvements in properties have been required as the batteries are put into practical use.

このような欠点を克服するために非パーフルオロ系ポリマー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。   In order to overcome such drawbacks, several efforts have already been made on polymer electrolyte materials based on non-perfluoropolymer 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.

例えば、芳香族ポリエーテルケトンである、難溶性の芳香族ポリエーテルエーテルケトン(ビクトレックス(登録商標)PEEK(登録商標)(ビクトレックス社製)等があげられる。)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狭義のポリスルホン(以降、PSFと略称することがある。)(UDEL P−1700(アモコ社製)等があげられる)や狭義のポリエーテルスルホン(以降、PESと略称することがある。)(スミカエクセル(登録商標)PES(住友化学社製)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、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作成した膜が膨潤し、メタノールなどの燃料クロスオーバーが大きいという問題があり、またポリマー分子鎖の凝集力が低いために、高次構造の安定性に乏しく、作成した膜の機械強度や物理的耐久性が不十分という問題があった。   For example, a sulfonated product (for example, non-soluble aromatic polyetheretherketone (Victrex (registered trademark) PEEK (registered trademark) (manufactured by Victrex), etc.)), which is an aromatic polyetherketone, is used. Patent Document 1), a narrowly defined polysulfone that is an aromatic polyethersulfone (hereinafter sometimes abbreviated as PSF) (UDEL P-1700 (manufactured by Amoco) and the like) and a narrowly defined polyethersulfone. (Hereinafter, it may be abbreviated as PES.) Sulfonated products (for example, Non-Patent Document 2) of SUMIKAEXCEL (registered trademark) PES (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) have been reported. When the content of ionic groups is increased to increase conductivity, the created membrane swells, and fuel crossover such as methanol is large. There are cormorants problems, also due to the low cohesive force of polymer molecular chains, poor stability of the conformation, there is a problem that insufficient mechanical strength and physical durability of the film produced.

また、芳香族ポリエーテルケトン(以降、PEKと略称することがある。)(ビクトレックス PEEK−HT(ビクトレックス製)等が挙げられる)のスルホン化物(例えば、特許文献1および2)においては、その高い結晶性ゆえに低いスルホン酸基密度の組成を有するポリマーは、結晶が残存することにより溶剤に不溶で加工性不良となる問題、逆に加工性を高めるためにスルホン酸基密度を増加させるとポリマーは結晶性でなくなることにより水中で著しく膨潤し、燃料クロスオーバーが大きいだけでなく、作成した膜の強度が不十分であった。   Moreover, in the sulfonated product (for example, Patent Documents 1 and 2) of an aromatic polyether ketone (hereinafter sometimes abbreviated as PEK) (including Victrex PEEK-HT (manufactured by Victrex)). A polymer having a low sulfonic acid group density composition due to its high crystallinity has the problem that crystals remain insoluble in a solvent due to residual crystals, resulting in poor processability. Conversely, if the sulfonic acid group density is increased to improve processability, Since the polymer was not crystalline, it swelled remarkably in water, resulting in not only a large fuel crossover but also an insufficient strength of the membrane produced.

スルホン酸基量を制御する方法として、芳香族ポリエーテルスルホン系においては、スルホン酸基を導入したモノマーを用いて重合し、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3参照)。しかしながら、ここにおいても高温高湿下で作成した膜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高分子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、膨潤乾燥サイクルに耐えうる機械強度を付与することは困難であった。   As a method for controlling the amount of sulfonic acid groups, in aromatic polyether sulfone systems, there have been reports of sulfonated aromatic polyether sulfones in which the amount of sulfonic acid groups is controlled by polymerization using monomers introduced with sulfonic acid groups. (For example, refer to Patent Document 3). However, here too, the problem of swelling of the film prepared under high temperature and high humidity is not improved, and this tendency is particularly remarkable in a fuel aqueous solution such as methanol or in a composition having a high sulfonic acid group density. In addition, it has been difficult for a polymer electrolyte membrane having poor heat resistance and methanol resistance to sufficiently suppress fuel crossover such as methanol and to provide mechanical strength that can withstand a swelling and drying cycle.

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ケトン系重合体で、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含まないことから、高分子電解質材料としての着想はないものであった。   Non-Patent Document 3 describes an aromatic polyether ketone polymer having a structural unit represented by the following formula (H1) that does not contain an ionic group. However, since it does not contain an ionic group, it has no idea as a polymer electrolyte material.

Figure 0005250935
Figure 0005250935

このように、従来技術による高分子電解質材料は経済性、加工性、プロトン伝導性、燃料クロスオーバー、機械強度、ひいては長期耐久性を向上する手段としては不十分であり、産業上有用な燃料電池用高分子電解質材料とはなり得ていなかった。
「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」(Journalof MembraneScience), 83 (1993) 211-220. 「マクロモレキュールズ」(Macromolecules), 1987, vol. 20, p.1204. 特開平6−93114号公報 特表2004−528683号公報 米国特許出願公開第2002/0091225号明細書
As described above, the polymer electrolyte material according to the prior art is insufficient as a means for improving economy, workability, proton conductivity, fuel crossover, mechanical strength, and long-term durability, and is an industrially useful fuel cell. It could not be a polymer electrolyte material for use.
"Polymer", 1987, vol. 28, 1009. “Journal of Membrane Science”, 83 (1993) 211-220. “Macromolecules”, 1987, vol. 20, p.1204. JP-A-6-93114 Japanese translation of PCT publication No. 2004-528683 US Patent Application Publication No. 2002/0091225

本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、プロトン伝導性に優れ、かつ、燃料遮断性、機械強度、耐熱水性、耐熱メタノール性、加工性、化学的安定性に優れる上に、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、長期耐久性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部品、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 is excellent in proton conductivity and excellent in fuel cutoff, mechanical strength, hot water resistance, hot methanol resistance, workability, chemical stability, and polymer electrolyte type Providing polymer electrolyte materials that can achieve high output, high energy density, and long-term durability when used as fuel cells, and polymer electrolyte components, membrane electrode composites, and polymer electrolyte fuel cells comprising the same To do.

従来技術では、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おり、ポリマーの量産化は困難であった。そこで、イオン性基を有する高分子電解質材料の合成に保護基を利用することに着目し、保護基を付けたまま成型する試みや、そうして作成された膜を燃料電池用途を視野に入れて、機械特性評価、化学構造と耐熱水性、耐熱メタノール性および加工性等との関係を検討し本発明を完成するに至った。   In the prior art, the method of introducing sulfonic acid groups onto the aromatic ring by polymer sulfonation reaction (polymer reaction) has the problem that the amount and position of the sulfonic acid groups introduced into the polymer cannot be precisely controlled. Therefore, mass production of the polymer has been difficult. Therefore, paying attention to the use of protecting groups for the synthesis of polymer electrolyte materials having ionic groups, we tried to mold them with protecting groups and the membranes made in this way for fuel cell applications. Thus, the present invention has been completed by examining the relationship between mechanical property evaluation, chemical structure and hot water resistance, hot methanol resistance, processability, and the like.

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、少なくとも保護基とイオン性基を含有し、該保護基が主鎖に導入されている高分子電解質材料であって、該保護基で保護された構成単位として、後述する一般式(P1)および(P2)から選ばれる少なくとも1種を含有することを特徴とする高分子電解質材料である。また、本発明の高分子電解質部品、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 is a polymer electrolyte material that contains at least a protecting group and an ionic group, and the protecting group is introduced into the main chain , and is a structural unit protected by the protecting group. As a polymer electrolyte material comprising at least one selected from general formulas (P1) and (P2) described later . In addition, the polymer electrolyte component, the membrane electrode assembly, and the polymer electrolyte fuel cell of the present invention are characterized by being configured using such a polymer electrolyte material.

本発明によれば、プロトン伝導性に優れ、かつ燃料遮断性、機械強度、耐熱水性、耐熱メタノール性、加工性、化学的安定性に優れた、高出力、高エネルギー容量および長期耐久性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部品、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, high output, high energy capacity and long-term durability are achieved with excellent proton conductivity, excellent fuel cutoff, mechanical strength, hot water resistance, heat resistance methanol resistance, processability, and chemical stability. It is possible to provide a polymer electrolyte material excellent in practicality that can be used, and a high-performance polymer electrolyte component, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell using the same.

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、プロトン伝導性に優れ、かつ燃料遮断性、機械強度、耐熱水性、耐熱メタノール性、加工性、化学的安定性に優れる上に、高分子電解質型燃料電池としたときに高出力、高エネルギー密度および長期耐久性を達成することができる高分子電解質材料について、鋭意検討し、少なくとも保護基とイオン性基を含有し、該保護基が主鎖に導入されてい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 has the above-described problems, that is, excellent in proton conductivity, fuel cutoff, mechanical strength, hot water resistance, heat resistant methanol resistance, processability, and chemical stability, and a polymer electrolyte fuel cell. high power, the polymer electrolyte material capable of achieving high energy density and long durability, intensive study, contains at least the protecting group and an ionic group, that the protecting group has not been introduced into the main chain when It has been clarified that such a problem can be solved all at once when a polymer electrolyte material is used.

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膜が膨潤し、メタノールなどの燃料クロスオーバーが大きいという問題、ポリマー分子鎖の凝集力が低いためにポリマー高次構造の安定性に乏しく、膜の機械強度や物理的耐久性が不十分という問題があった。   When conventional sulfonated aromatic polyether ketone or sulfonated aromatic polyethersulfone is used as a polymer electrolyte material, the membrane swells when the content of ionic groups is increased to increase proton conductivity, There was a problem that the fuel crossover of methanol or the like was large, a polymer molecular chain was low in cohesion, so that the stability of the polymer higher order structure was poor, and the mechanical strength and physical durability of the membrane were insufficient.

また、芳香族ポリエーテルケトン(PEK)系ポリマーはそのパッキングの良さおよび極めて強い分子間凝集力から結晶性を示し、一般的な溶剤に全く溶解しない性質がある。これに対し、本発明の高分子電解質材料は、ポリマー主鎖中に保護基を含有させることにより、特にこれまで製膜が困難なものが多かったPEKポリマー等の結晶性ポリマーの結晶性を低減させることで溶解性を付与し、製膜に使用できるようにしたものである。 Aromatic polyetherketone (PEK) polymers exhibit crystallinity because of their good packing properties and extremely strong intermolecular cohesive strength, and have the property of not dissolving in general solvents at all. In contrast, the polymer electrolyte material of the present invention reduces the crystallinity of a crystalline polymer such as a PEK polymer, which has been difficult to form, by including a protective group in the polymer main chain. By adding the solubility, it is possible to use it for film formation.

また、膜状等に成形された後には、該ポリマーの分子鎖のパッキングを良くし、分子間凝集力や再び結晶性を付与させるために保護基の一部を脱保護せしめ、耐熱水性や耐熱メタノール性などの耐溶剤性、引張強伸度、引裂強度や耐疲労性等の機械特性、メタノールや水素などの燃料遮断性を大幅に向上させたも高分子電解質材料を得るものである。この製造工程を経た場合に、特に本発明の高分子電解質膜は高いプロトン伝導性に加え、製膜性(加工性)、製造コストならびに耐熱水性、耐熱メタノール性、燃料遮断性、機械特性を両立できるという特徴を有する。   In addition, after being formed into a film or the like, the molecular chain of the polymer is improved and part of the protecting group is deprotected in order to impart intermolecular cohesive force and crystallinity again. A polymer electrolyte material can be obtained with significantly improved solvent resistance such as methanol, mechanical properties such as tensile strength and elongation, tear strength and fatigue resistance, and fuel barrier properties such as methanol and hydrogen. Through this manufacturing process, the polymer electrolyte membrane of the present invention, in particular, has not only high proton conductivity but also film-forming properties (workability), manufacturing costs, hot water resistance, methanol resistance, fuel barrier properties, and mechanical properties. It has the feature that it can.

また、本発明によって得られる高分子電解質膜は、その強い分子間凝集力から含水状態であっても非常に破れにくい性質、すわなち高引裂強度を有しており、膨潤・乾燥を繰り返すような自動車等に用いられる水素を燃料とした高分子電解質型燃料電池の運転条件においても極めて優れた長期耐久性を達成できるという特徴を有する。   In addition, the polymer electrolyte membrane obtained by the present invention has a property that is very difficult to break even in a water-containing state due to its strong intermolecular cohesion, that is, has a high tear strength, and repeats swelling and drying. It has a feature that it can achieve extremely excellent long-term durability even under the operating conditions of a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel used in an automobile or the like.

さらに、溶解性が不十分であるためにこれまで使用できなかった低いスルホン酸基密度を有する結晶性ポリマーの製膜が可能となり、プロトン伝導性と燃料クロスオーバー抑制効果を両立し、耐熱水性、耐熱メタノール性、機械特性、物理的耐久性および長期耐久性に優れた本発明の高分子電解質膜を得ることに、成功したものである。   Furthermore, it becomes possible to form a crystalline polymer film having a low sulfonic acid group density that could not be used because of insufficient solubility, and has both proton conductivity and fuel crossover suppression effect, The present inventors have succeeded in obtaining the polymer electrolyte membrane of the present invention having excellent heat resistance methanol resistance, mechanical properties, physical durability and long-term durability.

本発明の高分子電解質材料に使用する保護基としては、有機合成で一般的に用いられる保護基があげられ、該保護基とは、後の段階で除去することを前提に、一時的に導入される置換基であり、反応性の高い官能基を保護し、その後の反応に対して不活性とするものであり、反応後に脱保護して元の官能基に戻すことのできるものである。すなわち、保護される官能基と対となるものであり、例えばt−ブチル基を水酸基の保護基として用いる場合があるが、同じt−ブチル基がアルキレン鎖に導入されている場合は、これを保護基とは呼ばない。保護基を導入する反応を保護(反応)、除去する反応を脱保護(反応)と呼称される。   Examples of the protective group used in the polymer electrolyte material of the present invention include those commonly used in organic synthesis, and the protective group is temporarily introduced on the assumption that it is removed at a later stage. It is a substituent to be protected, which protects a highly reactive functional group and renders it inactive to the subsequent reaction, and can be deprotected and returned to the original functional group after the reaction. That is, it is a pair with a functional group to be protected. For example, a t-butyl group may be used as a protective group for a hydroxyl group, but when the same t-butyl group is introduced into an alkylene chain, It is not called a protecting group. The reaction for introducing a protecting group is called protection (reaction), and the reaction for removal is called deprotection (reaction).

このような保護反応としては、例えば、セオドア・ダブリュー・グリーン(Theodora W. Greene)、「プロテクティブ グループス イン オーガニック シンセシス」(Protective Groups in Organic Synthesis)、米国、ジョン ウイリー アンド サンズ(John Wiley & Sons, Inc)、1981、に詳しく記載されており、これらが好ましく使用できる。保護反応および脱保護反応の反応性や収率、保護基含有状態の安定性、製造コスト等を考慮して適宜選択することが可能である。また、重合反応において保護基を導入する段階としては、モノマー段階からでも、オリゴマー段階からでも、ポリマー段階でもよく、適宜選択することが可能である。   Such protective reactions include, for example, Theodora W. Greene, “Protective Groups in Organic Synthesis”, US, John Wiley & Sons, Inc), 1981, which can be preferably used. It can be appropriately selected in consideration of the reactivity and yield of the protection reaction and deprotection reaction, the stability of the protecting group-containing state, the production cost, and the like. In addition, the stage for introducing a protecting group in the polymerization reaction may be selected from the monomer stage, the oligomer stage, or the polymer stage, and can be appropriately selected.

保護反応の具体例を挙げるとすれば、ケトン部位をアセタールまたはケタール部位で保護/脱保護する方法、ケトン部位をアセタールまたはケタール部位のヘテロ原子類似体、例えばチオアセタールやチオケタール、で保護/脱保護する方法が挙げられる。これらの方法については、前記「プロテクティブ グループス イン オーガニック シンセシス」(Protective Groups in Organic Synthesis)のチャプター4に記載されている。また、芳香環に可溶性基としてt−ブチル基を導入および酸で脱t−ブチル化して保護/脱保護する方法等が挙げられる。しかしながら、これらに限定されることなく、好ましく使用できる。一般的な溶剤に対する溶解性を向上させ、結晶性を低減する点では、立体障害が大きいという点で脂肪族基、特に環状部分を含む脂肪族基が保護基として好ましく用いられる。 Specific examples of the protection reaction include protecting / deprotecting a ketone moiety with an acetal or ketal moiety, and protecting / deprotecting a ketone moiety with a heteroatom analog of the acetal or ketal moiety, such as thioacetal or thioketal. The method of doing is mentioned. These methods are described in Chapter 4 of “Protective Groups in Organic Synthesis”. Further, a method for de-t- butylated with protection / deprotection as soluble group t- butyl group introduced, and acid and the like in Fang incense ring. However, it is not limited to these and can be preferably used. In terms of improving solubility in a general solvent and reducing crystallinity, an aliphatic group, particularly an aliphatic group containing a cyclic moiety, is preferably used as a protective group in terms of large steric hindrance.

保護基を導入する官能基の位置としては、ポリマーの主鎖であることが重要である。本発明の高分子電解質材料は、加工性向上を目的としてパッキングが良いポリマーに保護基を導入することから、ポリマーの側鎖部分に保護基を導入しても本発明の効果が十分に得られない。ここで、ポリマーの主鎖に存在する官能基とは、その官能基を削除した場合にポリマー鎖が切れてしまう官能基と定義する。例えば、芳香族ポリエーテルケトンのケトン基を削除するとベンゼン環とベンゼン環が切れてしまうことを意味するものである。 As the position of the functional group for introducing the protecting group, it is important to be the main chain of the polymer. Since the polymer electrolyte material of the present invention introduces a protecting group into a polymer having good packing for the purpose of improving processability, the effect of the present invention can be sufficiently obtained even if a protecting group is introduced into the side chain portion of the polymer. It has such. Here, the functional group present in the main chain of the polymer is defined as a functional group that breaks the polymer chain when the functional group is deleted. For example, this means that if the ketone group of the aromatic polyether ketone is deleted, the benzene ring and the benzene ring are broken.

本発明において、ポリマーが結晶性であるとは、ポリマーがなんらかの条件で結晶化されうる、結晶化可能な性質を有することを意味する。また、ポリマーが非晶であるとはポリマーの結晶性の有無にかかわらず、使用する際のポリマーの状態として非晶であることを意味するものである。これらポリマーの結晶性の有無、結晶と非晶の状態については、広角X線回折(XRD)における結晶由来の鋭いピークや示差走査熱量分析法(DSC)における結晶化ピーク等によって評価することができる。   In the present invention, the polymer being crystalline means that the polymer has a crystallizable property that can be crystallized under some conditions. The term “amorphous polymer” means that the polymer is amorphous when used, regardless of whether the polymer is crystalline or not. The presence or absence of crystallinity of these polymers and the crystalline and amorphous states can be evaluated by sharp peaks derived from crystals in wide-angle X-ray diffraction (XRD), crystallization peaks in differential scanning calorimetry (DSC), and the like. .

また、本発明において耐熱水性、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。これら耐熱水性、耐熱メタノー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。   Moreover, in this invention, 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 respectively 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. These hot water resistance and hot methanol properties are both important characteristics required for the electrolyte polymer used in the polymer electrolyte fuel cell.

本発明の高分子電解質材料に使用する保護反応としては、反応性や安定性の点で、さらに好ましくは、ケトン部位をアセタールまたはケタール部位で保護/脱保護する方法、ケトン部位をアセタールまたはケタール部位のヘテロ原子類似体、例えばチオアセタールやチオケタール、で保護/脱保護する方法である。本発明の高分子電解質材料において、保護基を含有する構成単位として、より好ましくは下記一般式(P1)および(P2)から選ばれる少なくとも1種を含有するものである。   The protective reaction used in the polymer electrolyte material of the present invention is more preferably a method of protecting / deprotecting a ketone moiety with an acetal or ketal moiety, and a ketone moiety with an acetal or ketal moiety in terms of reactivity and stability. This is a method of protecting / deprotecting with a heteroatom analog of thioacetal or thioketal. In the polymer electrolyte material of the present invention, the constituent unit containing a protecting group preferably contains at least one selected from the following general formulas (P1) and (P2).

Figure 0005250935
Figure 0005250935

(一般式(P1)および(P2)において、Ar〜Arは任意の2価のアリーレン基、RおよびRはHおよびアルキル基から選ばれた少なくとも1種の基、Rは任意のアルキレン基、EはOまたはSを表し、それぞれが2種類以上の基を表しても良い。一般式(P1)および(P2)で表される基は任意に置換されていてもよい。)
なかでも、化合物の臭いや反応性、安定性等の点で、前記一般式(P1)および(P2)において、EがOである、すなわち、ケトン部位をアセタールまたはケタール部位で保護/脱保護する方法が最も好ましい。
(In the general formulas (P1) and (P2), Ar 1 to Ar 4 are any divalent arylene group, R 1 and R 2 are at least one group selected from H and an alkyl group, and R 3 is any And E represents O or S, and each may represent two or more groups, and the groups represented by the general formulas (P1) and (P2) may be optionally substituted.)
Among them, in the general formulas (P1) and (P2), E is O in terms of the odor, reactivity, stability, etc. of the compound, that is, the ketone moiety is protected / deprotected with an acetal or ketal moiety. The method is most preferred.

本発明の高分子電解質材料は、機械強度や化学的安定性などの点から、炭化水素系ポリマーの中でも主鎖に芳香環を有するポリマーがさらに好ましい。すなわち、主鎖に芳香環を有するポリマーであって、イオン性基を有するものである。主鎖構造は、芳香環を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばエンジニアリングプラスチックとして使用されるような十分な機械強度を有するものが好ましい。 本発明の高分子電解質材料に使用する主鎖に芳香環を有するポリマーの具体例としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリアリーレンホスフィンホキシド、ポリエーテルホスフィンホキシド、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドスルホン等の構成成分の少なくとも1種を含むポリマーが挙げられる。なお、ここでいうポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン等は、その分子鎖にスルホン結合、エーテル結合、ケトン結合を有しているポリマーの総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどを含むとともに、特定のポリマー構造を限定するものではない。

前記主鎖に芳香環を有するポリマーのなかでも、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリアリーレンホスフィンホキシド、ポリエーテルホスフィンホキシド等のポリマーが、機械強度、加工性および耐加水分解性の面からより好ましい。 具体的には下記一般式(T1)で示される繰返し単位を有する主鎖に芳香族を含有するポリマーが挙げられる。
The polymer electrolyte material of the present invention is more preferably a polymer having an aromatic ring in the main chain among hydrocarbon polymers from the viewpoints of mechanical strength and chemical stability. That is, it is a polymer having an aromatic ring in the main chain and having an ionic group. The main chain structure is not particularly limited as long as it has an aromatic ring, but preferably has a sufficient mechanical strength to be used, for example, as an engineering plastic. Specific examples of the polymer having an aromatic ring in the main chain used in the polymer electrolyte material of the present invention include polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyarylene ether-based polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, Composition of polyarylene polymer, polyarylene ketone, polyether ketone, polyarylene phosphine oxide, polyether phosphine oxoxide, polybenzoxazole, polybenzthiazole, polybenzimidazole, polyamide, polyimide, polyetherimide, polyimidesulfone, etc. Examples include polymers containing at least one of the components. Polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, and the like referred to here are generic names for polymers having a sulfone bond, an ether bond, and a ketone bond in the molecular chain thereof. Polyetherketoneketone, polyetheretherketone, It includes polyether ether ketone ketone, polyether ketone ether ketone ketone, polyether ketone sulfone and the like, and does not limit the specific polymer structure.

Among the polymers having an aromatic ring in the main chain, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyarylene ether polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyarylene ketone, polyether ketone, polyarylene phosphine hydroxide, poly A polymer such as ether phosphine oxide is more preferable from the viewpoint of mechanical strength, processability and hydrolysis resistance. Specifically, a polymer containing an aromatic group in the main chain having a repeating unit represented by the following general formula (T1) can be given.

Figure 0005250935
Figure 0005250935

(ここで、Z1、Z2は芳香環を含む有機基を表し、それぞれが2種類以上の基を表しても良い。Z1およびZ2の少なくとも1種のうち、少なくとも一部はイオン性基を含有する。Y1は電子吸引性基を表す。Y2はOまたはSを表す。aおよびbはそれぞれ独立に0または正の整数を表し、ただしaとbは同時に0ではない。)
かかる一般式(T1)で示される繰返し単位を有する主鎖に芳香族を含有するポリマーの中でも、一般式(T1−1)〜一般式(T1−6)で示される繰返し単位を有するポリマーは耐加水分解性、機械強度および製造コストの点でより好ましい。なかでも、機械強度や製造コストの面から、Y2がOである芳香族ポリエーテル系重合体がさらに好ましく、最も好ましくは一般式(T1−3)で示される繰返し単位を有するもの、すなわち、芳香族ポリエーテルケトン系重合体が最も好ましい。
(Here, Z1 and Z2 each represents an organic group containing an aromatic ring, and each may represent two or more groups. At least one of Z1 and Z2 contains an ionic group.) Y1 represents an electron-withdrawing group, Y2 represents O or S. a and b each independently represent 0 or a positive integer, provided that a and b are not 0 at the same time.
Among the polymers containing aromatic groups in the main chain having the repeating unit represented by the general formula (T1), the polymers having the repeating units represented by the general formula (T1-1) to the general formula (T1-6) are resistant to It is more preferable in terms of hydrolyzability, mechanical strength and production cost. Among them, from the viewpoint of mechanical strength and production cost, an aromatic polyether polymer in which Y2 is O is more preferable, and most preferable is a polymer having a repeating unit represented by the general formula (T1-3), that is, aromatic An aromatic polyether ketone polymer is most preferred.

Figure 0005250935
Figure 0005250935

(ここで、Z、Zは芳香環を含む有機基を表し、それぞれが2種類以上の基を表しても良い。ZおよびZの少なくとも1種のうち、少なくとも一部はイオン性基を含有する。aおよびbはそれぞれ独立に0または正の整数を表し、ただしaとbは同時に0ではない。)
として好ましい有機基は、フェニレン基およびナフチレン基である。これらは置換されていてもよい。
(Here, Z 1 and Z 2 each represent an organic group containing an aromatic ring, and each may represent two or more groups. At least one of Z 1 and Z 2 is ionic.) A and b each independently represents 0 or a positive integer, provided that a and b are not 0 at the same time.)
Preferred organic groups as Z 1 are a phenylene group and a naphthylene group. These may be substituted.

一般式(T1−4)におけるZで示される有機基の好ましい例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ノルボルニル基、ビニル基、アリル基、ベンジル基、フェニル基、ナフチル基、フェニルフェニル基などである。工業的な入手の容易さの点ではZとして最も好ましいのはフェニル基である。 Preferred examples of the organic groups represented by Z p in the general formula (T1-4), a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, a norbornyl group, a vinyl group, an allyl group, a benzyl group A phenyl group, a naphthyl group, a phenylphenyl group, and the like. In terms of ease of industrial availability are the most preferred phenyl group as Z p.

本発明において、芳香族ポリエーテル系重合体とは、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-based polymer refers to a polymer mainly composed of an aromatic ring and containing 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.

芳香族ポリエーテル系重合体が直接結合等のエーテル結合以外の結合様式を含む場合においても、加工性向上の点から、導入される保護基の位置としては芳香族エーテル系重合体部分であることがより好ましい。   Even when the aromatic polyether polymer contains a bonding mode other than an ether bond such as a direct bond, the position of the protective group to be introduced is the aromatic ether polymer part from the viewpoint of improving processability. Is more preferable.

本発明の高分子電解質材料において、一般式(P1)中のRおよびRとしては、安定性の点でアルキル基であることがより好ましく、さらに好ましくは炭素数1〜6のアルキル基、最も好ましく炭素数1〜3のアルキル基である。また、一般式(P2)中のRとしては、安定性の点で炭素数1〜7のアルキレン基であることがより好ましく、最も好ましくは炭素数1〜4のアルキレン基である。R3の具体例としては、―CHCH―、―CH(CH )CH ―、―CH(CH)CH(CH )―、―C(CH3 )CH ―、―C(CH CH(CH)―、―C(CH O(CH―、―CHCHCH ―、―CH C(CHCH―等があげられるが、これらに限定されるものではない。 In the polymer electrolyte material of the present invention, R 1 and R 2 in the general formula (P1) are more preferably an alkyl group in terms of stability, and more preferably an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, Most preferred is an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. Moreover, as R < 3 > in general formula (P2), it is more preferable that it is a C1-C7 alkylene group from a stability point, Most preferably, it is a C1-C4 alkylene group. Specific examples of R3 include —CH 2 CH 2 —, —CH (CH 3 ) CH 2 —, —CH (CH 3 ) CH (CH 3 ) —, —C (CH 3 ) 2 CH 2 —, —C ( CH 3 ) 2 CH (CH 3 ) —, —C (CH 3 ) 2 O (CH 3 ) 2 —, —CH 2 CH 2 CH 2 —, —CH 2 C (CH 3 ) 2 CH 2 — and the like. However, it is not limited to these.

本発明の高分子電解質材料としては、前記一般式(P1)または(P2)構成単位のなかでも、耐加水分解性などの安定性の点から少なくとも前記式(P2)を有するものがより好ましく用いられる。さらに、前記一般式(P2)のRとしては炭素数1〜7のアルキレン基、すなわち、Cn12n1(n1は1〜7の整数)で表される基であることが好ましく、安定性、合成の容易さの点から―CHCH―、―CH(CH )CH ―、または―CHCHCH ―から選ばれた少なくとも1種であることが最も好ましい。 As the polymer electrolyte material of the present invention, among the structural units of the general formula (P1) or (P2), those having at least the formula (P2) from the viewpoint of stability such as hydrolysis resistance are more preferably used. It is done. Furthermore, R 3 in the general formula (P2) is preferably an alkylene group having 1 to 7 carbon atoms, that is, a group represented by C n1 H 2n1 (n1 is an integer of 1 to 7). From the viewpoint of ease of synthesis, at least one selected from —CH 2 CH 2 —, —CH (CH 3 ) CH 2 —, and —CH 2 CH 2 CH 2 — is most preferable.

前記一般式(P1)および(P2)中のAr〜Arとして好ましい有機基は、フェニレン基、ナフチレン基、またはビフェニレン基である。これら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としては、溶解性および原料入手の容易さから、前記一般式(P2)中のArおよびArが共にフェニレン基である、すなわち下記一般式(P3)で表される構成単位を含有することがより好ましく、最も好ましくはArおよびArが共にp−フェニレン基である。 A preferable organic group as Ar 1 to Ar 4 in the general formulas (P1) and (P2) is a phenylene group, a naphthylene group, or a biphenylene group. These may be optionally substituted. As the aromatic polyether polymer of the present invention, Ar 3 and Ar 4 in the general formula (P2) are both a phenylene group from the viewpoint of solubility and availability of raw materials, that is, the following general formula (P3) It is more preferable that Ar 3 and Ar 4 are both p-phenylene groups.

Figure 0005250935
Figure 0005250935

(一般式(P3)において、n1は1〜7の整数である。一般式(P3)で表される構成単位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 General Formula (P3), n1 is an integer of 1 to 7. The structural unit represented by General Formula (P3) 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、例えば前記一般式(P1)および(P2)で表される構成単位を含有する芳香族ポリエーテル系重合体は、2価フェノール化合物としてそれぞれ下記一般式(P1−1)および(P2−1)で表される化合物を使用し、芳香族活性ジハライド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。前記一般式(P1)および(P2)で表される構成単位が2価フェノール化合物、芳香族活性ジハライド化合物のどちら側由来でも構わないが、モノマーの反応性の反応性を考慮して2価フェノール化合物由来と使用する方がより好ましい。   Specifically, for example, aromatic polyether polymers containing the structural units represented by the general formulas (P1) and (P2) are represented by the following general formulas (P1-1) and ( It is possible to synthesize by an aromatic nucleophilic substitution reaction with an aromatic active dihalide compound using the compound represented by P2-1). The structural units represented by the general formulas (P1) and (P2) may be derived from either the divalent phenol compound or the aromatic active dihalide compound, but the divalent phenol is considered in consideration of the reactivity of the monomer. More preferably, it is derived from a compound.

Figure 0005250935
Figure 0005250935

(一般式(P1―1)および(P2―1)において、Ar〜Arは任意の2価のアリーレン基、RおよびRはHおよびアルキル基から選ばれた少なくとも1種の基、Rは任意のアルキレン基、EはOまたはSを表す。一般式(P1−1)および一般式(P2−1)で表される化合物は任意に置換されていてもよい。)
本発明に使用する、特に好ましい2価フェノール化合物の具体例としては、下記一般式(r1)〜(r10)で表される化合物、並びにこれらの2価フェノール化合物由来の誘導体が挙げることができる。
(In the general formulas (P1-1) and (P2-1), Ar 1 to Ar 4 are any divalent arylene group, R 1 and R 2 are at least one group selected from H and an alkyl group, R 3 represents an arbitrary alkylene group, and E represents O or S. The compounds represented by the general formula (P1-1) and the general formula (P2-1) may be optionally substituted.
Specific examples of particularly preferred dihydric phenol compounds used in the present invention include compounds represented by the following general formulas (r1) to (r10), and derivatives derived from these dihydric phenol compounds.

Figure 0005250935
Figure 0005250935

これら2価フェノール化合物のなかでも、安定性の点から一般式(r4)〜(r10)で表される化合物がより好ましく、さらに好ましくは一般式(r4)、(r5)および(r9)で表される化合物、最も好ましくは一般式(r4)で表される化合物である。   Among these dihydric phenol compounds, the compounds represented by the general formulas (r4) to (r10) are more preferable from the viewpoint of stability, and more preferably the compounds represented by the general formulas (r4), (r5), and (r9). The compound represented by the general formula (r4) is most preferred.

本発明において、ケトン部位をアセタールおよび/またはケタールで保護する方法としては、ケトン基を有する前駆体化合物を、酸触媒存在下で1官能および/または2官能アルコールと反応させる方法が挙げられる。例えば、ケトン前駆体の4,4’―ジヒドロキシベンゾフェノンと1官能および/または2官能アルコール、脂肪族又は芳香族炭化水素などの溶媒中で臭化水素などの酸触媒の存在下で反応させることによって製造できる。アルコールは炭素数1〜20の脂肪族アルコールである。本発明に使用するアセタールおよび/またはケタールモノマーを製造するための改良法は、ケトン前駆体の4,4’―ジヒドロキシベンゾフェノンと2官能アルコールをアルキルオルトエステル及び固体触媒の存在下に反応させることからなる。   In the present invention, a method for protecting a ketone moiety with an acetal and / or ketal includes a method in which a precursor compound having a ketone group is reacted with a monofunctional and / or bifunctional alcohol in the presence of an acid catalyst. For example, by reacting the ketone precursor 4,4′-dihydroxybenzophenone in a solvent such as a monofunctional and / or difunctional alcohol, aliphatic or aromatic hydrocarbon in the presence of an acid catalyst such as hydrogen bromide. Can be manufactured. The alcohol is an aliphatic alcohol having 1 to 20 carbon atoms. An improved method for producing acetal and / or ketal monomers for use in the present invention is to react the ketone precursor 4,4'-dihydroxybenzophenone with a bifunctional alcohol in the presence of an alkyl orthoester and a solid catalyst. Become.

2官能アルコールの具体例としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、2,3―ブタンジオール、2―メチル―1,2―プロパンジオール、2―メチル―2,3―ブタンジオール、2,3―ジメチル―2,3―ブタンジオール、1,3―プロパンジオール、2,2―ジメチル―1,3―プロパンジオールなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。なかでも、安定性から、エチレングリコール、プロピレングリコール、2―メチル―1,2―プロパンジオールが最も好ましい。   Specific examples of the bifunctional alcohol include ethylene glycol, propylene glycol, 2,3-butanediol, 2-methyl-1,2-propanediol, 2-methyl-2,3-butanediol, and 2,3-dimethyl- Examples include, but are not limited to, 2,3-butanediol, 1,3-propanediol, 2,2-dimethyl-1,3-propanediol, and the like. Of these, ethylene glycol, propylene glycol, 2-methyl-1,2-propanediol are most preferable from the viewpoint of stability.

アルキルオルトエステルとしては、オルトぎ酸トリメチル、オルトぎ酸トリエチル、オルト酢酸トリメチル、オルト酢酸トリエチル、オルトけい酸テトラメチル、オルトけい酸テトラエチルなどが挙げられる。また、メタノール、エタノール、アセトンなどのような揮発性生成物を形成する2,2―ジメトキシプロパン、2,2―ジメチル―1,3―ジオキソランのような容易に加水分解される化合物もオルトエステルに代えて用いることができる。   Examples of the alkyl orthoester include trimethyl orthoformate, triethyl orthoformate, trimethyl orthoacetate, triethyl orthoacetate, tetramethyl orthosilicate, tetraethyl orthosilicate, and the like. Also, easily hydrolyzed compounds such as 2,2-dimethoxypropane and 2,2-dimethyl-1,3-dioxolane, which form volatile products such as methanol, ethanol, acetone, etc., are orthoesters. It can be used instead.

固体触媒としては、好ましくは微粒状酸性アルミナ―シリカ化合物、最も好ましくはK―10(例えば、アルドリッチ社製試薬)と称されるモンモリロナイトにより例示されるようなモンモリロナイトクレイである。モンモリロナイトクレイが好ましいが、高い表面積を持つ他の固体酸性触媒も触媒として有効に機能できる。これらには酸性アルミナ、スルホン化重合体樹脂などが含まれる。   The solid catalyst is preferably a finely acidic acidic alumina-silica compound, and most preferably a montmorillonite clay exemplified by montmorillonite called K-10 (for example, a reagent manufactured by Aldrich). Montmorillonite clay is preferred, but other solid acidic catalysts with high surface areas can also function effectively as catalysts. These include acidic alumina, sulfonated polymer resins and the like.

反応は、ケトン前駆体、約1当量又は好ましくは過剰量の2官能アルコール、約1当量又は好ましくは過剰量のオルトエステル及びケトン1当量につき少なくとも1gの固体触媒、好ましくはケトン1当量につき10モル以上の固体触媒を一緒に混合することによって行われる。反応は必要に応じて不活性溶媒の存在下に行われる。触媒は再使用するために濾過により容易に除去されるので、大過剰の固体を用いることができる。反応は、約25℃から用いたオルトエステルの沸点付近までの温度で行われるが、好ましくはオルトエステルの沸点より低いがオルトエステル反応生成物の沸点より高い温度で行われる。例えば、反応生成物がメタノール(沸点65℃)及びぎ酸メチル(沸点34℃)であるオルトぎ酸トリメチル(沸点102℃)を用いるときは約65℃〜102℃の反応温度が好適である。もちろん、反応温度は、反応を減圧又は昇圧下に実施するときは適当に調節することができる。   The reaction is carried out with a ketone precursor, about 1 equivalent or preferably an excess of a bifunctional alcohol, about 1 equivalent or preferably an excess of orthoester and at least 1 g of solid catalyst per equivalent of ketone, preferably 10 mol per equivalent of ketone. It is carried out by mixing the above solid catalysts together. The reaction is performed in the presence of an inert solvent as necessary. A large excess of solid can be used because the catalyst is easily removed by filtration for reuse. The reaction is carried out at a temperature from about 25 ° C. to about the boiling point of the orthoester used, but is preferably carried out at a temperature lower than the boiling point of the orthoester but higher than the boiling point of the orthoester reaction product. For example, when using trimethyl orthoformate (boiling point 102 ° C.) in which the reaction products are methanol (boiling point 65 ° C.) and methyl formate (boiling point 34 ° C.), a reaction temperature of about 65 ° C. to 102 ° C. is preferred. Of course, the reaction temperature can be appropriately adjusted when the reaction is carried out under reduced pressure or elevated pressure.

最も好ましいケタールモノマーは、4,4’―ジヒドロキシベンゾフェノン、過剰のグリコール、過剰のオルトぎ酸トリアルキル及びケトン1gにつき約0.1〜約5gのモンモリロナイトクレイK−10、好ましくはケトン1gにつき約0.5〜約2.5gのクレイの混合物を該オルトぎ酸エステルから得られるアルコールを留去するように加熱することによって製造される。ケタール含有モノマーの2,2―ビス(4―ヒドロキシフェニル)―1,3―ジオキソランは、48時間以内の反応時間で優れた収率(60%〜ほとんど定量的)で得ることができる。   The most preferred ketal monomers are 4,4'-dihydroxybenzophenone, excess glycol, excess trialkyl orthoformate and about 0.1 to about 5 g of montmorillonite clay K-10, preferably about 0.5 to about 0.5 g of ketone. It is produced by heating a mixture of 2.5 g of clay to distill off the alcohol obtained from the orthoformate. The ketal-containing monomer 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane can be obtained in excellent yield (60% to almost quantitative) with a reaction time within 48 hours.

ケタールモノマーと未反応ケトンを回収するためには、系内を酸性にしないように適切に注意を払えば、標準的な単離方法を用いることができる。ポリケタールの製造に使用する前に、単離反応生成物の再結晶、又は他の大かがりは精製は不必要である。例えば、反応混合物を酢酸エチル溶媒で希釈し、固体触媒を過して除去し、溶液を塩基性の水で抽出して過剰のアルコールを除去し、無水硫酸ナトリウムのような慣用の乾燥剤で水分を除去し、溶媒と揮発物を真空下に除去し、次いで生じた固体を塩化メチレンのような溶媒で洗浄して微量汚染物を除去した後には、主にケタールモノマーを含有するが、まだ若干の未反応ケトン前駆体を含有し得る反応生成物が得られる。しかし、この反応生成物は、さらに精製しないで高分子量ポリケタールの製造に用いることができる。また、トルエン等の一般的な溶剤で再結晶し、未反応ケトン前駆体を除去することも可能である。   In order to recover the ketal monomer and the unreacted ketone, a standard isolation method can be used if appropriate care is taken not to make the system acidic. Prior to use in the production of the polyketals, recrystallization of the isolated reaction product, or other bulking, does not require purification. For example, the reaction mixture is diluted with ethyl acetate solvent, the solid catalyst is removed by filtration, the solution is extracted with basic water to remove excess alcohol, and water is removed with a conventional desiccant such as anhydrous sodium sulfate. After removing the solvent and volatiles under vacuum and then washing the resulting solid with a solvent such as methylene chloride to remove trace contaminants, it contains mainly ketal monomers but still A reaction product is obtained which may contain unreacted ketone precursors. However, this reaction product can be used in the production of high molecular weight polyketals without further purification. It is also possible to remove the unreacted ketone precursor by recrystallization with a general solvent such as toluene.

前記芳香族活性ジハライド化合物としては、2価フェノール化合物との芳香族求核置換反応により高分子量化が可能なものであれば、特に限定される物ではない。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結晶性付与、機械強度、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く、重合活性の点から4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが最も好ましい。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。   The aromatic active dihalide compound is not particularly limited as long as it can have a high molecular weight by an aromatic nucleophilic substitution reaction with a dihydric phenol compound. More preferable specific examples of the aromatic active dihalide compound include 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 4,4′-difluorodiphenyl ketone, 4,4′-dichlorodiphenylphenylphosphine oxide, 4,4′-difluorodiphenylphenylphosphine oxide, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile and the like can be mentioned. Among these, 4,4′-dichlorodiphenyl ketone and 4,4′-difluorodiphenyl ketone are more preferable in terms of imparting crystallinity, mechanical strength, heat-resistant methanol property, and fuel crossover suppressing effect, and 4,4 ′ from the viewpoint of polymerization activity. -Difluorodiphenyl ketone is most preferred. These aromatic active dihalide compounds can be used alone, but a plurality of aromatic active dihalide compounds can also be used in combination.

芳香族活性ジハライド化合物として、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を用いて合成した高分子電解質材料としては、下記一般式(P4)で表される構成部位をさらに含むものとなり、好ましく用いられる。該芳香族ポリエーテル系重合体は、前記一般式(P3)中のケタール部位を脱保護し、ケトン基に変換した構成単位であり、結晶性を付与する成分となり、燃料として使用されるメタノール水中の高温での寸法安定性や機械強度に優れた材料を形成する上で、有効な成分となるのでさらに好ましく用いられる。   As a polymer electrolyte material synthesized using 4,4′-dichlorodiphenyl ketone or 4,4′-difluorodiphenyl ketone as the aromatic active dihalide compound, a constituent represented by the following general formula (P4) is further included. It is included and is preferably used. The aromatic polyether polymer is a structural unit obtained by deprotecting the ketal site in the general formula (P3) and converting it into a ketone group, which becomes a component imparting crystallinity and used as a fuel in methanol water Since it becomes an effective component in forming a material excellent in dimensional stability at high temperature and mechanical strength, it is more preferably used.

Figure 0005250935
Figure 0005250935

(一般式(P4)で表される構成単位は任意に置換されていてもよいが、イオン性基は含有しない。)
本発明の高分子電解質材料としては、前記一般式(P1)および/または(P2)ならびに前記一般式(P4)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有するもので例示されるイオン性基を有するモノマーも好ましく併用される。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としては、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。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、重合活性の点から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最も好ましい。イオン性基を有するモノマーとして、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を用いて合成した高分子電解質材料としては、下記一般式(P5)で表される構成単位をさらに含むものとなり、好ましく用いられる。該芳香族ポリエーテル系重合体は、ケトン基の有する高い結晶性の特性に加え、スルホン基よりも耐熱メタノール性に優れる成分となり、燃料として使用されるメタノール水中の高温での寸法安定性や機械強度に優れた材料に有効な成分となるのでさらに好ましく用いられる。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。
(The structural unit represented by the general formula (P4) may be optionally substituted, but does not contain an ionic group.)
The polymer electrolyte material of the present invention includes structural units represented by the following general formula (P5) together with structural units represented by the general formula (P1) and / or (P2) and the general formula (P4). Monomers having an ionic group exemplified by those having them are also preferably used in combination. 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 monomers having sulfonic acid groups as ionic groups include 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylphenylphosphine And oxide, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylphenylphosphine oxide, and the like. 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. . Among these, 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone and 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone are more preferable from the viewpoint of heat resistance methanol resistance and fuel crossover suppression effect. From the viewpoint of polymerization activity, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone is most preferred. Polymer electrolyte material synthesized using 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone as a monomer having an ionic group Is further preferably used because it further contains a structural unit represented by the following general formula (P5). The aromatic polyether polymer has a high crystallinity characteristic of a ketone group, and is a component superior in heat-resistant methanol property to a sulfone group. Since it becomes an effective component for a material having excellent strength, it is more preferably used. 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.

Figure 0005250935
Figure 0005250935

(一般式(P5)中、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。一般式(P5)で表される構成単位はさらに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と2価フェノール化合物の芳香族求核置換反応により、芳香族ポリエーテル系重合体を得る場合には、前記2価フェノール化合物として少なくとも前記一般式(P1−1)および/または(P2−1)で表されるものを使用することが必要であるが、他の2価フェノール化合物を併用することも可能である。共重合させる2価フェノール化合物のとしては、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スルホン酸基が導入されたものをモノマーとして用いることもできる。
(In General Formula (P5), M 1 and M 2 represent hydrogen, a metal cation, an ammonium cation, and a 1 and a 2 each represent an integer of 1 to 4. The structural unit represented by General Formula (P5) is further optionally substituted. May be.)
When an aromatic polyether polymer is obtained by an aromatic nucleophilic substitution reaction of an aromatic active dihalide compound and a divalent phenol compound, at least the general formula (P1-1) and / or the divalent phenol compound is obtained. Although it is necessary to use what is represented by (P2-1), it is also possible to use other dihydric phenol compounds together. As the dihydric phenol compound to be copolymerized, various dihydric phenol compounds that can be used for the polymerization of an aromatic polyether polymer by an aromatic nucleophilic substitution reaction can be used. Absent. Moreover, what introduce | transduced the sulfonic acid group into these aromatic dihydroxy compounds can also be used as a monomer.

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。   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.

また、本発明の高分子電解質材料において、このようなハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物中に結晶性を低減する保護基を含有させることも好ましい。ハロゲン部位は電子吸引性基により活性化する必要があるため、その具体例としては下記一般式(h1)〜(h7)を挙げることができる。   In the polymer electrolyte material of the present invention, it is also preferable to include a protective group for reducing crystallinity in such a halogenated aromatic hydroxy compound. Since the halogen moiety needs to be activated by an electron-withdrawing group, specific examples thereof include the following general formulas (h1) to (h7).

Figure 0005250935
Figure 0005250935

(ここで、XはF又はClである)
本発明の高分子電解質材料において、前記一般式(P1−1)および/または(P2−1)で表される2価フェノール化合物とともに併用される2価フェノール化合物は、特に限定されるものではなく、加工性、燃料遮断性、機械強度等を考慮して適宜選択することが可能である。
(Where X is F or Cl)
In the polymer electrolyte material of the present invention, the divalent phenol compound used together with the divalent phenol compound represented by the general formula (P1-1) and / or (P2-1) is not particularly limited. In addition, it is possible to select appropriately in consideration of processability, fuel cutoff, mechanical strength, and the like.

併用される2価フェノール残査の好適な具体例としては、下記一般式(X−1)〜(X−28)で示される2価フェノール残査を例示できる。なお、本発明の明細書において、2価フェノール残査とは対応する2価フェノール化合物が芳香族活性ジハライドと反応した後に残る構成単位を意味する。   Preferable specific examples of the dihydric phenol residue used in combination include divalent phenol residues represented by the following general formulas (X-1) to (X-28). In the specification of the present invention, the dihydric phenol residue means a structural unit remaining after the corresponding dihydric phenol compound reacts with the aromatic active dihalide.

Figure 0005250935
Figure 0005250935

Figure 0005250935
Figure 0005250935

(nおよびmは1以上の整数、Rpは任意の有機基を表す。) (N and m are integers of 1 or more, and Rp represents an arbitrary organic group.)

Figure 0005250935
Figure 0005250935

Figure 0005250935
Figure 0005250935

これらは置換基ならびにイオン性基を有していてもよい。側鎖に芳香環を有するものも好ましい具体例である。また、これらは必要に応じて併用することも可能である。   These may have a substituent and an ionic group. Those having an aromatic ring in the side chain are also preferred specific examples. Moreover, these can also be used together as needed.

これらの中でも一般式(X−1)〜(X−17)で示される2価フェノール残査は、使用方法によっては結晶性を向上できる2価フェノール残査である。結晶性の向上により、得られる高分子電解質材料は、機械特性、耐溶剤性、燃料遮断性、長期耐久性等に優れた性能を発揮できるので好ましく使用できる。なかでも、さらに好ましくは、一般式(X−1)〜(X−5)、(X−7)、(X−14)、(X−17)で示される2価フェノール残査であり、最も好ましくは一般式(X−1)〜(X−5)で示される2価フェノール残査である。   Among these, the dihydric phenol residue represented by the general formulas (X-1) to (X-17) is a dihydric phenol residue that can improve crystallinity depending on the method of use. Due to the improvement in crystallinity, the obtained polymer electrolyte material can be preferably used because it can exhibit performances excellent in mechanical properties, solvent resistance, fuel cutoff properties, long-term durability, and the like. Among these, a dihydric phenol residue represented by the general formulas (X-1) to (X-5), (X-7), (X-14), and (X-17) is most preferable, Preferably, it is a dihydric phenol residue represented by general formulas (X-1) to (X-5).

また、一般式(X−18)〜(X−28)で示される2価フェノール残査は、疎水性あるいは剛直性を高める効果があるので、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好ましく使用できる。その中でもより好ましいのは、一般式(X−21)および一般式(X−22)で示されるものであり、特に好ましいのは一般式(X−21)で示される2価フェノール残査である。   Moreover, since the dihydric phenol residue represented by the general formulas (X-18) to (X-28) has an effect of increasing hydrophobicity or rigidity, the fuel permeation suppressing effect is large, and the dimensional stability in the fuel is improved. It can be preferably used because it is effective in improving the properties. Among them, more preferred are those represented by the general formula (X-21) and the general formula (X-22), and particularly preferred is a dihydric phenol residue represented by the general formula (X-21). .

本発明によって得られた、脱保護後の高分子電解質材料において、前記一般式(P1)または(P2)から選ばれる構成単位の含有量は特に限定されるものではないが、機械特性、耐熱メタノール性および燃料クロスオーバー抑制効果の点からより少量であることが好ましく、ごく少量含まれているだけでも構わない。前記一般式(P1)および/または(P2)からなる2価フェノール残査とその他の2価フェノール残査の合計モル量に対して、前記一般式(P1)および/または(P2)からなる2価フェノール残査の含有量が50モル%以下であることが好ましい。なかでも機械特性、燃料クロスオーバー抑制効果および寸法安定性の点から20モル%以下であることが好ましく、さらに好ましくは5モル%以下である。   In the polymer electrolyte material after deprotection obtained by the present invention, the content of the structural unit selected from the general formula (P1) or (P2) is not particularly limited, but mechanical properties, heat-resistant methanol The amount is preferably smaller in view of the property and the fuel crossover suppressing effect, and may be contained in a very small amount. 2 of the general formula (P1) and / or (P2) with respect to the total molar amount of the dihydric phenol residue consisting of the general formula (P1) and / or (P2) and the other dihydric phenol residue. It is preferable that the content of the hydric phenol residue is 50 mol% or less. In particular, the amount is preferably 20 mol% or less, more preferably 5 mol% or less, from the viewpoint of mechanical properties, fuel crossover suppression effect, and dimensional stability.

前記一般式(P1)および/または(P2)で表される構成単位を50モル%以上含む場合は、破断強度、弾性率、耐熱水性や燃料クロスオーバー抑制効果が不足する場合がある。また、前記一般式(P1)および/または(P2)で表される2価フェノール残査を有する高分子電解質膜からアセタール基および/またはケタール基を脱保護し、完全にケトン基のみとすることは結晶性が高くなりすぎて好ましくない場合もある。本発明の高分子電解質材料は、アセタールおよび/またはケタール基をごく少量でも含んでいれば良く、これらの分析によって確認可能なレベルで含まれていれば良い。   When the structural unit represented by the general formula (P1) and / or (P2) is contained in an amount of 50 mol% or more, the breaking strength, elastic modulus, hot water resistance, and fuel crossover suppressing effect may be insufficient. In addition, the acetal group and / or ketal group should be deprotected from the polymer electrolyte membrane having a dihydric phenol residue represented by the general formula (P1) and / or (P2) so that only the ketone group is present. In some cases, the crystallinity becomes too high, which is not preferable. The polyelectrolyte material of the present invention only needs to contain an acetal and / or ketal group even in a very small amount, and only needs to be contained at a level that can be confirmed by these analyses.

本発明に使用される可溶性前駆体ポリマー中に含まれるアセタール基およびケタール基の含有量としては、例えば2価フェノール化合物として前記一般式(P1−1)および(P2−1)を使用した場合、2価フェノール化合物の合計モル量に対して前記一般式(P1−1)および(P2−1)の合計モル量が5モル%以上含まれることが好ましい。前記一般式(P1−1)および(P2−1)の合計モル量が5モル%未満であれば溶解性が不足して製膜性が不十分となる場合がある。前記一般式(P1−1)および(P2−1)の合計モル量としては、溶解性への向上効果の点で30モル%以上がより好ましく、さらに好ましくは45モル%以上である。前記一般式(P1)および/または(P2)で表される構成単位を多量に含むものは、溶解性や加工性に優れることから、極めて強靱な高分子電解質膜を製造する上で、その可溶性前駆体として特に好ましく使用することができる。   As content of the acetal group and the ketal group contained in the soluble precursor polymer used in the present invention, for example, when the general formulas (P1-1) and (P2-1) are used as a divalent phenol compound, The total molar amount of the general formulas (P1-1) and (P2-1) is preferably 5 mol% or more with respect to the total molar amount of the dihydric phenol compound. If the total molar amount of the said general formula (P1-1) and (P2-1) is less than 5 mol%, solubility may become insufficient and film forming property may become inadequate. The total molar amount of the general formulas (P1-1) and (P2-1) is more preferably 30 mol% or more, and still more preferably 45 mol% or more, from the viewpoint of improving the solubility. Those containing a large amount of the structural unit represented by the general formulas (P1) and / or (P2) are excellent in solubility and workability, and therefore are soluble in producing extremely tough polymer electrolyte membranes. It can be particularly preferably used as a precursor.

本発明の高分子電解質材料において、前記一般式(P1)または(P2)から選ばれる構成単位の含有量は、核磁気共鳴スペクトル(NMR)、熱重量減少測定(TGA)、昇温熱脱離−質量分析法(TPD−MS)による発生ガス分析、熱分解ガスクロマトグラフ、熱分解GC−MS、赤外吸収スペクトル(IR)等によって測定することが可能である。   In the polymer electrolyte material of the present invention, the content of the structural unit selected from the general formula (P1) or (P2) is as follows: nuclear magnetic resonance spectrum (NMR), thermogravimetry (TGA), thermal desorption- It can be measured by generated gas analysis by mass spectrometry (TPD-MS), pyrolysis gas chromatograph, pyrolysis GC-MS, infrared absorption spectrum (IR) and the like.

本発明の高分子電解質材料中に含有する保護基の量が多い場合には、溶剤溶解性があるため核磁気共鳴スペクトル(NMR)が保護基の定量に好適である。しかしながら、保護基の量がごく少量で溶剤不溶性である場合には、NMRで正確に定量することは困難な場合がある。そうした場合には、昇温熱脱離−質量分析法(TPD−MS)による発生ガス分析、あるいは熱分解ガスクロマトグラフ、熱分解GC−MSが好適な定量方法となる。   When the amount of the protective group contained in the polymer electrolyte material of the present invention is large, since it has solvent solubility, nuclear magnetic resonance spectrum (NMR) is suitable for quantification of the protective group. However, if the amount of protecting group is very small and insoluble in the solvent, it may be difficult to accurately quantify by NMR. In such a case, the generated gas analysis by temperature-programmed thermal desorption-mass spectrometry (TPD-MS), pyrolysis gas chromatograph, or pyrolysis GC-MS is a suitable quantitative method.

例えば、本発明の高分子電解質材料が、前記一般式(P2)を構成単位として含有し、R3が―CHCH―である場合においては、昇温熱脱離−質量分析法(TPD−MS)による発生ガス分析によって少なくともCOガスおよび/またはCガスが検出される。 For example, when the polymer electrolyte material of the present invention contains the general formula (P2) as a structural unit and R3 is —CH 2 CH 2 —, temperature-programmed thermal desorption-mass spectrometry (TPD-MS) ) To detect at least C 2 H 4 O gas and / or C 4 H 8 O 2 gas.

高分子電解質材料の発生気体量において、CO発生気体量とC発生気体量の合計が、高分子電解質材料の乾燥重量に対して0.01重量%以上、20重量%以下であることがより好ましい。溶剤可溶性の高分子電解質材料前駆体としては、溶剤可溶性の点から1重量%以上、20重量%以下であることがより好ましい。一方、高分子電解質材料として、耐溶剤性や機械特性を必要とする場合には、0.01重量%以上、1重量%以下であることがさらに好ましく、さらに好ましくは0.01重量%以上、0.3重量%以下、最も好ましくは0.01重量%以上、0.1重量%以下である。かかる高分子電解質材料のTPD−MS法によるケタール基の含有量定量は、実施例の方法で行う。

本発明の高分子電解質材料を得るために行う、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,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 amount of gas generated in the polymer electrolyte material, the sum of the amount of gas generated by C 2 H 4 O and the amount of gas generated by C 4 H 8 O 2 is 0.01 wt% or more based on the dry weight of the polymer electrolyte material, 20 More preferably, it is less than or equal to weight percent. The solvent-soluble polymer electrolyte material precursor is more preferably 1% by weight or more and 20% by weight or less from the viewpoint of solvent solubility. On the other hand, when the polymer electrolyte material requires solvent resistance and mechanical properties, it is more preferably 0.01% by weight or more and 1% by weight or less, more preferably 0.01% by weight or more, It is 0.3% by weight or less, most preferably 0.01% by weight or more and 0.1% by weight or less. The content determination of the ketal group by the TPD-MS method of such a polymer electrolyte material is performed by the method of the example.

In the polymerization of the aromatic polyether polymer by the aromatic nucleophilic substitution reaction to obtain the polymer electrolyte material of the present invention, the polymer is obtained by reacting the monomer mixture in the presence of a basic compound. be able to. 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. Solvents that can be used include N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, hexamethylphosphontriamide and the like. However, it is not limited to these, and any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction may be used. 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。   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.

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。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。反応水又は反応中に導入された水を除去するのに用いられる共沸剤は、一般に、重合を実質上妨害せず、水と共蒸留し且つ約25℃〜約250℃の間で沸騰する任意の不活性化合物である。普通の共沸剤には、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロルベンゼン、塩化メチレン、ジクロルベンゼン、トリクロルベンゼンなどが含まれる。もちろん、その沸点が用いた双極性溶媒の沸点よりも低いような共沸剤を選定することが有益である。共沸剤が普通用いられるが、高い反応温度、例えば200℃以上の温度が用いられるとき、特に反応混合物に不活性ガスを連続的に散布させるときにはそれは常に必要ではない。一般には、反応は不活性雰囲気下に酸素が存在しない状態で実施するのが望ましい。   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. As a method for removing water out of the system, a water-absorbing agent such as molecular sieve can also be used. Azeotropic agents used to remove reaction water or water introduced during the reaction generally do not substantially interfere with polymerization, co-distill with water and boil between about 25 ° C and about 250 ° C. Any inert compound. Common azeotropic agents include benzene, toluene, xylene, chlorobenzene, methylene chloride, dichlorobenzene, trichlorobenzene and the like. Of course, it is beneficial to select an azeotropic agent whose boiling point is lower than that of the dipolar solvent used. An azeotropic agent is commonly used, but it is not always necessary when high reaction temperatures are used, such as temperatures above 200 ° C., especially when the inert gas is continuously sparged into the reaction mixture. In general, it is desirable to carry out the reaction in an inert atmosphere and in the absence of oxygen.

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。   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.

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く、副生する無機塩の溶解度が高い溶媒中に加えることによって、無機塩を除去、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。回収されたポリマーは場合により水やアルコール又は他の溶媒で洗浄され、乾燥される。所望の分子量が得られたならば、ハライドあるいはフェノキシド末端基は場合によっては安定な末端基を形成させるフェノキシドまたはハライド末端封止剤を導入することにより反応させることができる。   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, by adding the reaction solution to a solvent having low polymer solubility and high by-product inorganic salt solubility, the inorganic salt is removed, the polymer is precipitated as a solid, and the polymer is obtained by filtering the precipitate. You can also. The recovered polymer is optionally washed with water, alcohol or other solvent and dried. Once the desired molecular weight is obtained, halide or phenoxide end groups can optionally be reacted by introducing a phenoxide or halide end-capping agent that forms a stable end group.

本発明においては、加工性の観点から製膜段階まで保護基を脱保護させずに導入しておく必要があることから、保護基が安定に存在できる条件を考慮して、重合および精製を行う必要がある。例えば、アセタールおよび/またはケタールを保護基として使用する場合には、酸性下では脱保護反応が進行してしまうため、系を中性あるいはアルカリ性に保つ必要がある。   In the present invention, from the viewpoint of processability, it is necessary to introduce the protective group without deprotecting it until the film-forming stage. Therefore, polymerization and purification are performed in consideration of the conditions under which the protective group can exist stably. There is a need. For example, when acetal and / or ketal is used as a protecting group, the deprotection reaction proceeds under acidic conditions, so the system must be kept neutral or alkaline.

本発明において、アセタールおよび/またはケタールで保護したケトン部位の少なくとも一部を脱保護せしめ、ケトン部位とする方法は特に限定されるものではない。前記脱保護反応は、不均一又は均一条件下に水及び酸の存在下において行うことが可能であるが、機械強度や耐溶剤性の観点からは、膜状等に成型した後で酸処理する方法がより好ましい。具体的には、成型された膜を塩酸水溶液中に浸漬することにより脱保護することが可能であり、酸の濃度や水溶液の温度については適宜選択することができる。   In the present invention, the method for deprotecting at least a part of the ketone moiety protected with acetal and / or ketal to form a ketone moiety is not particularly limited. The deprotection reaction can be carried out in the presence of water and acid under non-uniform or uniform conditions, but from the viewpoint of mechanical strength and solvent resistance, it is acid-treated after being formed into a film or the like. The method is more preferred. Specifically, it is possible to deprotect the molded membrane by immersing it in an aqueous hydrochloric acid solution, and the acid concentration and the aqueous solution temperature can be appropriately selected.

ポリマーに対して必要な酸性水溶液の重量比は、好ましくは1〜100倍であるけれども更に大量の水を使用することもできる。酸触媒は好ましくは存在する水の0.1〜50重量%の濃度において使用する。好適な酸触媒としては塩酸、硝酸、フルオロスルホン酸、硫酸などのような強鉱酸、及びp−トルエンスルホン酸、トリフルオロメタンルスホン酸などのような強有機酸が挙げられる。ポリマーの膜厚等に応じて、酸触媒及び過剰水の量、反応圧力などは適宜選択できる。   The weight ratio of the acidic aqueous solution required for the polymer is preferably 1 to 100 times, but a larger amount of water can be used. The acid catalyst is preferably used at a concentration of 0.1 to 50% by weight of water present. Suitable acid catalysts include strong mineral acids such as hydrochloric acid, nitric acid, fluorosulfonic acid, sulfuric acid, and strong organic acids such as p-toluenesulfonic acid, trifluoromethane sulfonic acid, and the like. Depending on the film thickness of the polymer and the like, the amount of acid catalyst and excess water, reaction pressure, and the like can be selected as appropriate.

例えば、膜厚50μmの膜であれば、6N塩酸水溶液に例示されるような酸性水溶液中に浸漬し、95℃で1〜48時間加熱することにより、容易にほぼ全量を脱保護することが可能である。また、25℃の1N塩酸水溶液に24時間浸漬しても、大部分の保護基を脱保護することは可能である。ただし、脱保護の条件としてはこれらに限定される物ではなく、酸性ガスや有機酸等で脱保護したり、熱処理によって脱保護しても構わない。   For example, if it is a film with a thickness of 50 μm, it can be easily deprotected by immersing it in an acidic aqueous solution as exemplified by a 6N hydrochloric acid aqueous solution and heating at 95 ° C. for 1 to 48 hours. It is. Further, even when immersed in a 1N aqueous hydrochloric acid solution at 25 ° C. for 24 hours, most of the protecting groups can be deprotected. However, the deprotection conditions are not limited to these, and the deprotection may be performed with an acid gas, an organic acid, or the like, or may be deprotected by heat treatment.

このようにして得られる本発明の高分子電解質材料として用いるポリマーの分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、0.1万〜500万、好ましくは1万〜50万である。0.1万未満では、成型した膜にクラックが発生するなど機械強度が不十分な場合がある。一方、500万を超えると、溶解性が不充分となり、また溶液粘度が高く、加工性が不良になるなどの問題がある場合がある。   The molecular weight of the polymer used as the polymer electrolyte material of the present invention thus obtained is 10000 to 5 million, preferably 10,000 to 500,000 in terms of polystyrene-converted weight average molecular weight. If it is less than 10,000, the mechanical strength may be insufficient, such as cracking in the molded film. On the other hand, if it exceeds 5 million, there may be problems such as insufficient solubility, high solution viscosity, and poor processability.

なお、本発明の高分子電解質材料の化学構造は、赤外線吸収スペクトルによって、1,030〜1,045cm-1 、1,160〜1,190cm-1 のS=O吸収、1,130〜1,250cm-1 のC−O−C吸収、1,640〜1,660cm-1 のC=O吸収などにより確認でき、これらの組成比は、スルホン酸基の中和滴定や、元素分析により知ることができる。また、核磁気共鳴スペクトル( 1 H−NMR)により、例えば6.8〜8.0ppmの芳香族プロトンのピークから、その構造を確認することができる。また、溶液13C−NMRや固体13C−NMRによって、スルホン酸基の付く位置や並び方を確認することができる。 The chemical structure of the polymer electrolyte material of the present invention has an S = O absorption of 1,030 to 1,045 cm @ -1, 1,160 to 1,190 cm @ -1, 1,130 to 1, It can be confirmed by C—O—C absorption at 250 cm −1, C═O absorption at 1,640 to 1,660 cm −1, etc., and these composition ratios can be known by neutralization titration of sulfonic acid groups and elemental analysis. Can do. Moreover, the structure can be confirmed from the peak of an aromatic proton of 6.8 to 8.0 ppm, for example, by nuclear magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR). In addition, the position and arrangement of sulfonic acid groups can be confirmed by solution 13C-NMR and solid 13C-NMR.

本発明の高分子電解質材料として用いるポリマー中のスルホン酸基はブロック共重合で導入しても、ランダム共重合で導入しても構わない。用いるポリマーの化学構造や結晶性の高さによって適宜選択することができる。燃料遮断性や低含水率が必要である場合にはランダム共重合がより好ましく、プロトン伝導性や高含水率が必要である場合にはブロック共重合がより好ましく用いられる。   The sulfonic acid group in the polymer used as the polymer electrolyte material of the present invention may be introduced by block copolymerization or random copolymerization. It can be appropriately selected depending on the chemical structure of the polymer used and the high crystallinity. Random copolymerization is more preferable when fuel barrier properties and low water content are required, and block copolymerization is more preferably used when proton conductivity and high water content are required.

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[一般式中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) [in the general formula, 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 0005250935
Figure 0005250935

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、燃料遮断性および機械強度の点から0.1〜5.0mmol/gであることが好ましく、さらに好ましくは、0.5〜3.0mmol/g、燃料クロスオーバーの点から最も好ましくは0.8〜2.5mmol/gである。スルホン酸基密度が、0.1mmol/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、5.0mmol/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 from 0.1 to 5.0 mmol / g, more preferably from 0.5 to 5.0 in terms of proton conductivity, fuel barrier properties and mechanical strength. 3.0 mmol / g, and most preferably 0.8 to 2.5 mmol / g in terms of fuel crossover. When the sulfonic acid group density is lower than 0.1 mmol / g, sufficient proton generation characteristics may not be obtained due to low proton conductivity. When the sulfonic acid group density is higher than 5.0 mmol / g, it may be used as an electrolyte membrane for a fuel cell. In addition, sufficient 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。本発明の高分子電解質材料は、後述するようにイオン性基を有するポリマーとそれ以外の成分からなる複合体である態様を含むが、その場合もスルホン酸基密度は複合体の全体量を基準として求めるものとする。   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. The polyelectrolyte material of the present invention includes an embodiment in which the polymer electrolyte material has a complex composed of a polymer having an ionic group and other components, as will be described later. In this case, the sulfonic acid group density is based on the total amount of the complex Suppose that

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) スルホン酸基密度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 sulfonic acid group density is determined by the following formula.

スルホン酸基密度(mmol/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。
Sulfonic acid group density (mmol / 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。   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.

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 ジャーナル オブ メンブレン サイエンス(Journal of Membrane Science), 197, 2002, p.231-242 に記載がある。   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, for example, in Journal of Membrane Science, 197, 2002, p.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、例えばポリマー プレプリンツ(Polymer Preprints), 51, 2002, p.750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 of introducing an ionic group in a polymer reaction will be described with an example. For example, introduction of a phosphonic acid group into an aromatic polymer is described in Polymer Preprints, 51, 2002, p.750, etc. This is possible by the method described. 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、通常膜の状態および触媒層のバインダーで使用される。   When the polymer electrolyte material of the present invention is used for a fuel cell, it is usually used in a membrane state and a binder for a catalyst layer.

本発明の高分子電解質材料を膜に転化する方法に特に制限はないが、アセタールおよび/またはケタール等の保護基を有する段階で、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−メチル−2−ピロリドン等の溶媒に溶解し、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。   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 at a stage having a protective group such as acetal and / or ketal, etc. Is possible. In the former, for example, the polymer electrolyte material is dissolved in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone, the solution is cast on a glass plate or the like, and the solvent is removed to form a film. It can be illustrated.

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.

必要な固形分濃度に調製したポリマー溶液を常圧の濾過もしくは加圧濾過などに供し、高分子電解質溶液中に存在する異物を除去することは強靱な膜を得るために好ましい方法である。ここで用いる濾材は特に限定されるものではないが、ガラスフィルターや金属性フィルターが好適である。該濾過で、ポリマー溶液が通過する最小のフィルターの孔径は、1μm以下が好ましい。濾過を行わないと異物の混入を許すこととなり、膜破れが発生したり、耐久性が不十分となるので好ましくない。   It is a preferable method to obtain a tough membrane by subjecting the polymer solution prepared to a required solid content concentration to normal pressure filtration or pressure filtration to remove foreign substances present in the polymer electrolyte solution. The filter medium used here is not particularly limited, but a glass filter or a metallic filter is suitable. In the filtration, the pore size of the minimum filter through which the polymer solution passes is preferably 1 μm or less. If filtration is not carried out, foreign matter is allowed to enter, and film breakage occurs or durability becomes insufficient.

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。用いる高分子電解質材料が重合時に金属塩の状態で重合するものであれば、そのまま製膜、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分〜1時間である。熱処理温度が低すぎると、燃料透過性の抑制効果や弾性率、破断強度が不足する。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秒未満であると熱処理の効果が不足する。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、ならびに機械特性、長期耐久性、耐溶剤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. If the polymer electrolyte material to be used is polymerized in the form of a metal salt at the time of polymerization, it is preferable to perform film formation and heat treatment as it is. 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 1 minute to 1 hour. If the heat treatment temperature is too low, the fuel permeability suppressing effect, elastic modulus, and breaking strength are 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 heat treatment effect 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 barrier properties, mechanical properties, long-term durability, and solvent resistance.

本発明の高分子電解質材料を膜へ転化する方法の具体例としては、該芳香族ポリエーテル系重合体から構成される膜を前記手法により作製後、アセタールおよび/またはケタールで保護したケトン部位の少なくとも一部を脱保護せしめ、ケトン部位とするものである。この方法によれば、溶解性に乏しい低スルホン酸基量ポリマーの溶液製膜が可能となり、プロトン伝導性と燃料クロスオーバー抑制効果の両立、優れた耐溶剤性、機械特性、寸法安定性を達成可能となる。   As a specific example of the method for converting the polymer electrolyte material of the present invention into a membrane, a ketone site protected by acetal and / or ketal after producing a membrane composed of the aromatic polyether polymer by the above-mentioned method is used. At least a part is deprotected to form a ketone moiety. This method makes it possible to form a solution of a low sulfonic acid group polymer with poor solubility, achieving both proton conductivity and a fuel crossover suppression effect, excellent solvent resistance, mechanical properties, and dimensional stability. It becomes possible.

本発明において、アセタールおよび/またはケタールで保護したケトン部位の一部または全部を脱保護せしめ、ケトン部位とする方法は特に限定されるものではないが、成型した後で、酸処理する方法が挙げられる。具体的には、成型された膜を塩酸や硫酸水溶液中に浸漬することにより脱保護することが可能であり、酸の濃度や水溶液の温度については成型体への染みこみ安さ等を考慮して適宜選択することができる。例えば、膜厚50μmの膜であれば6N塩酸水溶液に例示されるような酸性水溶液中に浸漬し、95℃で8時間加熱することにより、容易に脱保護することが可能である。ただし、脱保護の条件としてはこれらに限定される物ではなく、酸性ガスや有機酸等で脱保護しても構わない。   In the present invention, the method for deprotecting a part or all of the ketone moiety protected with acetal and / or ketal to form a ketone moiety is not particularly limited, but includes a method of acid treatment after molding. It is done. Specifically, it is possible to deprotect the molded membrane by immersing it in an aqueous hydrochloric acid or sulfuric acid solution. The acid concentration and aqueous solution temperature take into account the ease of soaking into the molded product. It can be selected appropriately. For example, if the film has a thickness of 50 μm, it can be easily deprotected by dipping in an acidic aqueous solution as exemplified by a 6N hydrochloric acid aqueous solution and heating at 95 ° C. for 8 hours. However, the deprotection conditions are not limited to these, and the deprotection may be performed with an acid gas or an organic acid.

本発明によって得られた高分子電解質膜は、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。   The polymer electrolyte membrane obtained by the present invention can be further crosslinked in the polymer structure by means such as radiation irradiation, if 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結晶化核剤、可塑剤、安定剤あるいは離型剤、酸化防止剤等の添加剤を、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, the polyelectrolyte material of the present invention includes additives such as crystallization nucleating agents, plasticizers, stabilizers or mold release agents, antioxidants and the like used in ordinary polymer compounds. It can add within the range which is not warped.

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。また、微多孔膜、不織布、メッシュ等で補強しても良い。   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. Moreover, you may reinforce with a microporous film, a nonwoven fabric, a mesh, etc.

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.

本発明の高分子電解質部品とは、本発明の高分子電解質材料を含有する部品を意味する。本発明において、具体的な部品の形状としては、膜類(フィルムおよびフィルム状のものを含む)の他、板状、繊維状、中空糸状、粒子状、塊状、微多孔状、コーティング類、発砲体類など、使用用途によって様々な形態をとりうる。ポリマ−の設計自由度の向上および機械特性や耐溶剤性等の各種特性の向上が図れることから、幅広い用途に適応可能である。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、特に膜の状態および触媒層のバインダーに好適である。   The polymer electrolyte component of the present invention means a component containing the polymer electrolyte material of the present invention. In the present invention, specific shapes of parts include plates (including films and films), plates, fibers, hollow fibers, particles, lumps, micropores, coatings, and foams. It can take various forms depending on usage, such as body. The polymer can be applied to a wide range of applications because it can improve the design freedom of the polymer and various properties such as mechanical properties and solvent resistance. When the polymer electrolyte material of the present invention is used for a fuel cell, it is particularly suitable for a membrane state and a catalyst layer binder.

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。また、人工筋肉としても好適である。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. It is also suitable as an artificial muscle. 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.

また、本発明の膜電極複合体とは、本発明の高分子電解質材料を高分子電解質膜や触媒層に含有する膜電極複合体を意味する。さらに、膜電極複合体とは、高分子電解質膜と電極が複合化された部品である。   The membrane electrode composite of the present invention means a membrane electrode composite containing the polymer electrolyte material of the present invention in a polymer electrolyte membrane or a catalyst layer. Furthermore, the membrane electrode composite is a component in which a polymer electrolyte membrane and an electrode are combined.

かかる高分子電解質膜を燃料電池として用いる際の高分子電解質膜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, p.269.記載の化学メッキ法、電気化学協会編(J. Electrochem. Soc.)、エレクトロケミカル サイエンス アンド テクノロジー (Electrochemical Science and Technology),1988, 135, 9, p.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 is no particular limitation on the method of joining the polymer electrolyte membrane and the electrode when using such a polymer electrolyte membrane as a fuel cell, and a known method (for example, a chemical plating method described in Electrochemistry, 1985, 53, p.269. , Applied Electrochemical Society (J. Electrochem. Soc.), Electrochemical Science and Technology, 1988, 135, 9, p.2209. Is possible.

加熱プレスにより一体化する場合は、その温度や圧力は、高分子電解質膜の厚さ、水分率、触媒層や電極基材により適宜選択すればよい。また、本発明では高分子電解質膜が乾燥した状態または吸水した状態でもプレスによる複合化が可能である。具体的なプレス方法としては圧力やクリアランスを規定したロールプレスや、圧力を規定した平板プレスなどが挙げられ、工業的生産性やイオン性基を有する高分子電解質材料の熱分解抑制などの観点から0℃〜250℃の範囲で行うことが好ましい。加圧は高分子電解質膜や電極保護の観点からできる限り弱い方が好ましく、平板プレスの場合、10MPa以下の圧力が好ましく、加熱プレス工程による複合化を実施せずに電極と高分子電解質膜を重ね合わせ燃料電池セル化することもアノード、カソード電極の短絡防止の観点から好ましい選択肢の一つである。この方法の場合、燃料電池として発電を繰り返した場合、短絡箇所が原因と推測される高分子電解質膜の劣化が抑制される傾向があり、燃料電池として耐久性が良好となる。 また、高分子電解質材料の軟化温度やガラス転移温度以上で加熱プレスする場合、イオン性基の分解温度が近い場合は高分子電解質材料の軟化温度やガラス転移温度以上の温度は採用困難であるが、このイオン性基を金属塩として分解を抑制し、高分子電解質材料の軟化温度やガラス転移温度以上で加熱プレスをする事ができる。例えば、電極の中の結着剤や高分子電解質膜などの高分子電解質材料のイオン性基がスルホン酸基の場合、スルホン酸Naとし、加熱プレスによる接合後、塩酸や硫酸などでプロトン交換し、膜電極複合体を製造することが挙げられる。   In the case of integration by heating press, the temperature and pressure may be appropriately selected depending on the thickness of the polymer electrolyte membrane, the moisture content, the catalyst layer and the electrode substrate. Further, in the present invention, it is possible to form a composite by pressing even when the polymer electrolyte membrane is in a dry state or in a state where water is absorbed. Specific press methods include roll presses that specify pressure and clearance, and flat plate presses that specify pressure. From the viewpoint of industrial productivity and suppression of thermal decomposition of polymer electrolyte materials having ionic groups. It is preferable to perform in the range of 0 ° C to 250 ° C. The pressurization is preferably as weak as possible from the viewpoint of polymer electrolyte membrane and electrode protection. In the case of a flat plate press, a pressure of 10 MPa or less is preferable, and the electrode and the polymer electrolyte membrane are bonded without carrying out the composite by the hot press process. It is one of the preferred options from the viewpoint of preventing short-circuiting of the anode and cathode electrodes to form a stacked fuel cell. In the case of this method, when power generation is repeated as a fuel cell, the deterioration of the polymer electrolyte membrane presumed to be caused by a short-circuited portion tends to be suppressed, and the durability as a fuel cell is improved. Also, when heat-pressing above the softening temperature or glass transition temperature of the polymer electrolyte material, if the decomposition temperature of the ionic group is close, it is difficult to adopt a temperature above the softening temperature or glass transition temperature of the polymer electrolyte material. Thus, decomposition can be suppressed by using this ionic group as a metal salt, and hot pressing can be performed at a temperature higher than the softening temperature or glass transition temperature of the polymer electrolyte material. For example, when the ionic group of the polymer electrolyte material such as the binder in the electrode or the polymer electrolyte membrane is a sulfonic acid group, the sulfonic acid Na is used, and proton bonding is performed with hydrochloric acid, sulfuric acid, etc. after joining by heating press. Manufacturing membrane electrode composites.

また、電極と高分子電解質膜の複合化時に電極と高分子電解質膜の間に界面抵抗低減性層を介することも好ましい方法である。電極と高分子電解質膜間の微細な空隙を該界面抵抗低減層で少なくとも一部分は満たすことにより実質的これらの接触面積を増大させることができとともに、空隙に、燃料電池として使用する燃料や空気、および発生する水や二酸化炭素などが入り込むことによる抵抗の増大を防ぐことができる。また、電極の触媒層に生じたクラック中にも界面抵抗低減性組成物が浸入し、従来発電に使用できなかった触媒層クラックの内部壁面も有効に利用できるようになり、高分子電解質と触媒の接触面積を大きくできる。これらの結果として、膜電極複合体の抵抗が低下し、出力密度が大きくなり、高性能な燃料電池を得ることができる。さらに、電極基材や触媒層の突起などを被覆することも可能であり、膜電極複合体作製時の微小短絡や燃料電池として使用中の微小短絡を低減でき、膜電極複合体の性能低下を抑制できる効果も期待できる。さらに、高分子電解質膜にピンホールや表面欠陥等がある場合でも、界面抵抗低減性層により保護、補修可能であり、膜電極複合体としての性能安定化や耐久性向上が可能である。   It is also a preferable method that an interfacial resistance reducing layer is interposed between the electrode and the polymer electrolyte membrane when the electrode and the polymer electrolyte membrane are combined. These contact areas can be substantially increased by filling at least a part of the fine gap between the electrode and the polymer electrolyte membrane with the interface resistance-reducing layer, and in the gap, fuel or air used as a fuel cell, In addition, it is possible to prevent an increase in resistance due to the ingress of generated water or carbon dioxide. In addition, the interfacial resistance reducing composition penetrates into the cracks generated in the catalyst layer of the electrode, and the inner wall surface of the crack of the catalyst layer that could not be used for power generation can be used effectively. The contact area can be increased. As a result, the resistance of the membrane electrode assembly decreases, the power density increases, and a high-performance fuel cell can be obtained. Furthermore, it is also possible to cover the protrusions of the electrode base material and catalyst layer, etc., which can reduce the micro short-circuit during the production of the membrane electrode composite and the micro short-circuit in use as a fuel cell, thereby reducing the performance of the membrane electrode composite. The effect which can be suppressed can also be expected. Furthermore, even when the polymer electrolyte membrane has pinholes, surface defects, etc., it can be protected and repaired by the interface resistance reducing layer, and the performance and durability of the membrane electrode assembly can be stabilized.

この界面抵抗低減層は、本発明の高分子電解質材料などイオン伝導性があり、使用する燃料に対する耐性があれば特に限定されないが、機械強度や耐燃料性の観点から、本発明で得られた高分子電解質材料を含むことが特に好ましい。例えば、膜電極複合化時は本発明の少なくとも保護基およびイオン性基を含有する高分子電解質材料と溶媒および可塑剤を含んだ組成物を界面抵抗低減層の前駆体とて使用し、膜電極複合化後に溶媒および可塑剤を乾燥、抽出洗浄などで除去することで、界面抵抗の低減と機械的強度および耐燃料性を兼ね備えた高性能な膜電極複合体が得られることができる。この時、界面抵抗低減層前駆体は複合工程前に、電極側に形成してもよいし、高分子電解質膜側に形成してもよい。   This interface resistance reducing layer is not particularly limited as long as it has ion conductivity such as the polymer electrolyte material of the present invention and has resistance to the fuel to be used, but was obtained in the present invention from the viewpoint of mechanical strength and fuel resistance. It is particularly preferred to include a polymer electrolyte material. For example, when a membrane electrode is combined, a composition containing a polymer electrolyte material containing at least a protecting group and an ionic group, a solvent and a plasticizer according to the present invention is used as a precursor for an interface resistance reducing layer. By removing the solvent and plasticizer by drying, extraction washing and the like after the composite, a high-performance membrane electrode assembly having a reduction in interfacial resistance, mechanical strength, and fuel resistance can be obtained. At this time, the interface resistance reducing layer precursor may be formed on the electrode side or the polymer electrolyte membrane side before the composite step.

次に、本発明の膜電極複合体に好適な電極の例を説明する。かかる電極は、触媒層および電極基材からなるものである。ここでいう触媒層は、電極反応を促進する触媒、電子伝導体、イオン伝導体などを含む層である。かかる触媒層に含まれる触媒としては、例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金などの貴金属触媒が好ましく用いられる。これらの内の1種類を単独で用いてもよいし、合金、混合物など、2種類以上を併用してもよい。   Next, an example of an electrode suitable for the membrane electrode assembly of the present invention will be described. Such an electrode comprises a catalyst layer and an electrode substrate. The catalyst layer here is a layer containing a catalyst for promoting an electrode reaction, an electron conductor, an ion conductor, and the like. As the catalyst contained in the catalyst layer, for example, a noble metal catalyst such as platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, gold is preferably used. One of these may be used alone, or two or more of them, such as alloys and mixtures, may be used in combination.

また、触媒層に電子伝導体(導電材)を使用する場合は、電子伝導性や化学的な安定性の点から炭素材料、無機導電材料が好ましく用いられる。なかでも、非晶質、結晶質の炭素材料が挙げられる。例えば、チャネルブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが電子伝導性と比表面積の大きさから好ましく用いられる。ファーネスブラックとしては、キャボット社製バルカンXC−72R(登録商標)、バルカンP(登録商標)、ブラックパールズ880(登録商標)、ブラックパールズ1100(登録商標)、ブラックパールズ1300(登録商標)、ブラックパールズ2000(登録商標)、リーガル400(登録商標)、ケッチェンブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックEC(登録商標)、EC600JD、三菱化学社製#3150、#3250などが挙げられ、アセチレンブラックとしては電気化学工業社製デンカブラック(登録商標)などが挙げられる。またカーボンブラックのほか、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素なども使用することができる。これらの炭素材料の形態としては、不定形粒子状のほか繊維状、鱗片状、チューブ状、円錐状、メガホン状のものも用いることができる。また、これら炭素材料を後処理加工したものを用いてもよい。   Moreover, when using an electronic conductor (conductive material) for a catalyst layer, a carbon material and an inorganic conductive material are preferably used from the point of electronic conductivity or chemical stability. Among these, amorphous and crystalline carbon materials are mentioned. For example, carbon black such as channel black, thermal black, furnace black, and acetylene black is preferably used because of its electron conductivity and specific surface area. As furnace black, Vulcan XC-72R (registered trademark), Vulcan P (registered trademark), Black Pearls 880 (registered trademark), Black Pearls 1100 (registered trademark), Black Pearls 1300 (registered trademark), Black Pearls manufactured by Cabot Corporation 2000 (Registered Trademark), Legal 400 (Registered Trademark), Ketjen Black International Ketjen Black EC (Registered Trademark), EC600JD, Mitsubishi Chemical Corporation # 3150, # 3250, and the like. Examples include Denka Black (registered trademark) manufactured by Chemical Industries. In addition to carbon black, artificial graphite or carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, and furan resin can also be used. As the form of these carbon materials, in addition to irregular particles, fibers, scales, tubes, cones, and megaphones can also be used. Moreover, you may use what post-processed these carbon materials.

また、電子伝導体を使用する場合は、触媒粒子と均一に分散していることが電極性能の点で好ましい。このため、触媒粒子と電子伝導体は予め塗液として良く分散しておくことが好ましい。さらに、触媒層として、触媒と電子伝導体とが一体化した触媒担持カーボン等を用いることも好ましい実施態様である。この触媒担持カーボンを用いることにより、触媒の利用効率が向上し、電池性能の向上および低コスト化に寄与できる。ここで、触媒層に触媒担持カーボンを用いた場合においても、電子伝導性をさらに高めるために導電剤を添加することも可能である。このような導電剤としては、上述のカーボンブラックが好ましく用いられる。   Moreover, when using an electronic conductor, it is preferable from the point of electrode performance that it is disperse | distributing uniformly with a catalyst particle. For this reason, it is preferable that the catalyst particles and the electron conductor are well dispersed in advance as a coating liquid. Furthermore, it is also a preferred embodiment to use catalyst-supporting carbon or the like in which the catalyst and the electron conductor are integrated as the catalyst layer. By using this catalyst-supporting carbon, the utilization efficiency of the catalyst is improved, which can contribute to the improvement of battery performance and cost reduction. Here, even when catalyst-supported carbon is used for the catalyst layer, a conductive agent can be added to further increase the electron conductivity. As such a conductive agent, the above-described carbon black is preferably used.

触媒層に用いられるイオン伝導性を有する物質(イオン伝導体)としては、一般的に、種々の有機、無機材料が公知であるが、燃料電池に用いる場合には、イオン伝導性を向上するスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などのイオン性基を有するポリマー(イオン伝導性ポリマー)が好ましく用いられる。なかでも、イオン性基の安定性の観点から、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成されるイオン伝導性を有するポリマー、あるいは本発明の高分子電解質材料および公知の炭化水素系高分子電解質材料が好ましく用いられる。パーフルオロ系イオン伝導性ポリマーとしては、例えばデュポン社製のナフィオン(登録商標)、旭化成社製のAciplex(登録商標)、旭硝子社製フレミオン(登録商標)などが好ましく用いられる。これらのイオン伝導性ポリマーは、溶液または分散液の状態で触媒層中に設ける。この際に、ポリマーを溶解あるいは分散化する溶媒は特に限定されるものではないが、イオン伝導性ポリマーの溶解性の点から極性溶媒が好ましい。なかでも、本発明で得られた高分子電解質材料が、触媒層中のイオン伝導性を有する物質(イオン伝導体)として最も好適に使用できる。特に、メタノール水溶液やメタノールを燃料にする燃料電池の場合、耐メタノール性の観点から本発明で得られた高分子電解質材料が耐久性などに有効である。本発明の高分子電解質材料を成型用可溶性高分子電解質材料の段階で加工し、MEAとした後で脱保護を行い、耐溶剤性を付与することにより、加工性と耐溶剤性を両立した極めて好ましいバインダーを作製することが可能である。   As the substance having ion conductivity (ion conductor) used in the catalyst layer, various organic and inorganic materials are generally known. However, when used in a fuel cell, sulfone which improves ion conductivity. A polymer having an ionic group such as an acid group, a carboxylic acid group, or a phosphoric acid group (ion conductive polymer) is preferably used. Among them, from the viewpoint of the stability of the ionic group, a polymer having ion conductivity composed of a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain, or the polymer electrolyte material of the present invention and a known hydrocarbon-based polymer. A molecular electrolyte material is preferably used. As the perfluoro-based ion conductive polymer, for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and the like are preferably used. These ion conductive polymers are provided in the catalyst layer in a solution or dispersion state. At this time, the solvent for dissolving or dispersing the polymer is not particularly limited, but a polar solvent is preferable from the viewpoint of the solubility of the ion conductive polymer. Among them, the polymer electrolyte material obtained in the present invention can be most suitably used as a substance (ion conductor) having ion conductivity in the catalyst layer. In particular, in the case of a fuel cell using methanol aqueous solution or methanol as fuel, the polymer electrolyte material obtained by the present invention is effective in durability from the viewpoint of methanol resistance. The polymer electrolyte material of the present invention is processed at the stage of a soluble polymer electrolyte material for molding, and after being made into a MEA, it is deprotected and imparts solvent resistance, thereby achieving both workability and solvent resistance. Preferred binders can be made.

前記、触媒と電子伝導体類は通常粉体であるので、イオン伝導体はこれらを固める役割を担うことが通常である。イオン伝導体は、触媒層を作製する際に触媒粒子と電子伝導体とを主たる構成物質とする塗液に予め添加し、均一に分散した状態で塗布することが電極性能の点から好ましいものである。触媒層に含まれるイオン伝導体の量としては、要求される電極特性や用いられるイオン伝導体の伝導度などに応じて適宜決められるべきものであり、特に限定されるものではないが、重量比で1〜80%の範囲が好ましく、5〜50%の範囲がさらに好ましい。イオン伝導体は、少な過ぎる場合はイオン伝導度が低く、多過ぎる場合はガス透過性を阻害する点で、いずれも電極性能を低下させることがある。   Since the catalyst and the electronic conductors are usually powders, the ionic conductor usually plays a role of solidifying them. It is preferable from the viewpoint of electrode performance that the ionic conductor is added in advance to a coating liquid containing catalyst particles and an electronic conductor as main constituents when the catalyst layer is prepared, and is applied in a uniformly dispersed state. is there. The amount of the ionic conductor contained in the catalyst layer should be appropriately determined according to the required electrode characteristics and the conductivity of the ionic conductor used, and is not particularly limited, but the weight ratio The range of 1 to 80% is preferable, and the range of 5 to 50% is more preferable. When the ion conductor is too small, the ion conductivity is low, and when it is too much, the gas permeability may be hindered.

かかる触媒層には、上記の触媒、電子伝導体、イオン伝導体の他に、種々の物質を含んでいてもよい。特に、触媒層中に含まれる物質の結着性を高めるために、上述のイオン伝導性ポリマー以外のポリマーを含んでもよい。このようなポリマーとしては例えば、ポリフッ化ビニル(PVF)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン(FEP)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリパーフルオロアルキルビニルエーテル(PFA)などのフッ素原子を含むポリマー、これらの共重合体、これらのポリマーを構成するモノマー単位とエチレンやスチレンなどの他のモノマーとの共重合体、あるいは、ブレンドポリマーなどを用いることができる。これらポリマーの触媒層中の含有量としては、重量比で5〜40%の範囲が好ましい。ポリマー含有量が多すぎる場合、電子およびイオン抵抗が増大し電極性能が低下する傾向がある。   Such a catalyst layer may contain various substances in addition to the catalyst, the electron conductor, and the ionic conductor. In particular, in order to improve the binding property of the substance contained in the catalyst layer, a polymer other than the above-described ion conductive polymer may be included. Examples of such a polymer include fluorine atoms such as polyvinyl fluoride (PVF), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene (FEP), polytetrafluoroethylene, and polyperfluoroalkyl vinyl ether (PFA). These copolymers, copolymers of monomer units constituting these polymers and other monomers such as ethylene and styrene, or blend polymers can be used. The content of these polymers in the catalyst layer is preferably in the range of 5 to 40% by weight. When there is too much polymer content, there exists a tendency for an electronic and ionic resistance to increase and for electrode performance to fall.

また、触媒層は、燃料が液体や気体の場合には、その液体や気体が透過しやすい構造を有していることが好ましく、電極反応に伴う副生成物質の排出も促す構造が好ましい。   In addition, when the fuel is a liquid or gas, the catalyst layer preferably has a structure in which the liquid or gas easily permeates, and preferably has a structure that promotes the discharge of by-products due to the electrode reaction.

また、電極基材としては、電気抵抗が低く、集電あるいは給電を行えるものを用いることができる。また、前記触媒層を集電体兼用で使用する場合は、特に電極基材を用いなくてもよい。電極基材の構成材としては、たとえば、炭素質、導電性無機物質が挙げられ、例えば、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛などの炭素材、ステンレススチール、モリブデン、チタンなどが例示される。これらの、形態は特に限定されず、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、燃料透過性の点から炭素繊維などの繊維状導電性物質(導電性繊維)が好ましい。導電性繊維を用いた電極基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造も使用可能である。たとえば、東レ(株)製カーボンペーパーTGPシリーズ、SOシリーズ、E-TEK社製カーボンクロスなどが用いられる。かかる織布としては、平織、斜文織、朱子織、紋織、綴織など、特に限定されること無く用いられる。また、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、スパンボンド法、ウォータージェットパンチ法、メルトブロー法によるものなど特に限定されること無く用いられる。また編物であってもよい。これらの布帛において、特に炭素繊維を用いた場合、耐炎化紡績糸を用いた平織物を炭化あるいは黒鉛化した織布、耐炎化糸をニードルパンチ法やウォータージェットパンチ法などによる不織布加工した後に炭化あるいは黒鉛化した不織布、耐炎化糸あるいは炭化糸あるいは黒鉛化糸を用いた抄紙法によるマット不織布などが好ましく用いられる。特に、薄く強度のある布帛が得られる点から不織布、やクロスを用いるのが好ましい。   Moreover, as an electrode base material, an electrical resistance is low and what can collect or supply electric power can be used. Further, when the catalyst layer is used also as a current collector, it is not necessary to use an electrode substrate. Examples of the constituent material of the electrode base material include carbonaceous and conductive inorganic substances. For example, a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, a carbon material such as graphite and expanded graphite, stainless steel, molybdenum And titanium. These forms are not particularly limited, and are used, for example, in the form of fibers or particles. From the viewpoint of fuel permeability, fibrous conductive materials (conductive fibers) such as carbon fibers are preferable. As an electrode base material using conductive fibers, either a woven fabric or a non-woven fabric structure can be used. For example, carbon paper TGP series, SO series manufactured by Toray Industries, Inc., carbon cloth manufactured by E-TEK, etc. are used. Examples of the woven fabric include plain weave, oblique weaving, satin weaving, crest weaving, binding weaving, and the like. Moreover, as a nonwoven fabric, it does not specifically limit, such as a paper making method, a needle punch method, a spun bond method, a water jet punch method, and a melt blow method. It may also be a knitted fabric. In these fabrics, especially when carbon fibers are used, a plain fabric using flame-resistant spun yarn is carbonized or graphitized woven fabric, and the flame-resistant yarn is carbonized after being processed into a nonwoven fabric by the needle punch method or water jet punch method. Alternatively, a graphitized nonwoven fabric, a flameproof yarn, a carbonized yarn, or a mat nonwoven fabric by a paper making method using a graphitized yarn is preferably used. In particular, it is preferable to use a nonwoven fabric or cloth from the viewpoint of obtaining a thin and strong fabric.

かかる電極基材に用いられる炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などがあげられる。   Examples of the carbon fiber used for the electrode substrate include polyacrylonitrile (PAN) carbon fiber, phenolic carbon fiber, pitch carbon fiber, and rayon carbon fiber.

また、かかる電極基材には、水の滞留によるガス拡散・透過性の低下を防ぐための撥水処理や、水の排出路を形成するための部分的撥水、親水処理や、抵抗を下げるための炭素粉末の添加等を行うこともできる。また、電極基材と触媒層の間に、少なくとも無機導電性物質と疎水性ポリマーを含む導電性中間層を設けることもできる。特に、電極基材が空隙率の大きい炭素繊維織物や不織布である場合、導電性中間層を設けることで、触媒層が電極基材にしみ込むことによる性能低下を抑えることができる。

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。
In addition, the electrode base material has a water repellent treatment for preventing gas diffusion / permeability deterioration due to water retention, a partial water repellent treatment for forming a water discharge path, a hydrophilic treatment, and a resistance reduction. For example, carbon powder can be added. Further, a conductive intermediate layer containing at least an inorganic conductive substance and a hydrophobic polymer can be provided between the electrode substrate and the catalyst layer. In particular, when the electrode base material is a carbon fiber woven fabric or a nonwoven fabric having a large porosity, by providing the conductive intermediate layer, it is possible to suppress performance degradation due to the catalyst layer soaking into the electrode base material.

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 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.

本発明の膜電極複合体を使用した燃料電池の燃料としては、酸素、水素およびメタン、エタン、プロパン、ブタン、メタノール、イソプロピルアルコール、アセトン、グリセリン、エチレングリコール、ギ酸、酢酸、ジメチルエーテル、ハイドロキノン、シクロヘキサンなどの炭素数1〜6の有機化合物およびこれらと水との混合物等が挙げられ、1種または2種以上の混合物でもよい。特に発電効率や電池全体のシステム簡素化の観点から水素、炭素数1〜6の有機化合物を含む燃料が好適に使用され、発電効率の点でとりわけ好ましいのは水素およびメタノール水溶液である。メタノール水溶液を用いる場合、メタノールの濃度としては、使用する燃料電池のシステムによって適宜選択されるが、できる限り高濃度のほうが長時間駆動の観点から好ましい。例えば、送液ポンプや送風ファンなど発電に必要な媒体を膜電極複合体に送るシステムや、冷却ファン、燃料希釈システム、生成物回収システムなどの補機を有するアクティブ型燃料電池はメタノールの濃度30〜100%以上の燃料を燃料タンクや燃料カセットにより注入し、0.5〜20%程度に希釈して膜電極複合体に送ることが好ましく、補機が無いパッシブ型の燃料電池はメタノールの濃度が10〜100%の範囲の燃料が好ましい。   Fuels for fuel cells using the membrane electrode assembly of the present invention include oxygen, hydrogen and methane, ethane, propane, butane, methanol, isopropyl alcohol, acetone, glycerin, ethylene glycol, formic acid, acetic acid, dimethyl ether, hydroquinone, cyclohexane Examples thereof include organic compounds having 1 to 6 carbon atoms and mixtures of these with water, and may be one kind or a mixture of two or more kinds. In particular, a fuel containing hydrogen and an organic compound having 1 to 6 carbon atoms is preferably used from the viewpoint of power generation efficiency and simplification of the entire battery system, and hydrogen and aqueous methanol are particularly preferable in terms of power generation efficiency. In the case of using an aqueous methanol solution, the concentration of methanol is appropriately selected depending on the fuel cell system to be used, but a concentration as high as possible is preferable from the viewpoint of long-time driving. For example, an active fuel cell having a system for sending a medium necessary for power generation, such as a liquid feed pump or a blower fan, to a membrane electrode assembly, or an auxiliary machine such as a cooling fan, a fuel dilution system, or a product recovery system has a methanol concentration of 30. It is preferable to inject ~ 100% or more of fuel with a fuel tank or fuel cassette, dilute it to about 0.5 to 20% and send it to the membrane electrode assembly. A passive fuel cell without auxiliary equipment has a methanol concentration Is preferable in the range of 10 to 100%.

さらに、本発明の高分子電解質材料を使用した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、テレビ、ラジオ、ミュージックプレーヤー、ゲーム機、ヘッドセット、DVDプレーヤーなどの携帯機器、産業用などの人型、動物型の各種ロボット、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。   Furthermore, the application of the polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte material of the present invention is not particularly limited, but a power supply source for a moving body is preferable. In particular, mobile devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, televisions, radios, music players, game machines, headsets, DVD players, human-type and animal-type robots for industrial use, home appliances such as cordless vacuum cleaners, and toys , Electric bicycles, motorcycles, automobiles, buses, trucks and other vehicles and ships, power supplies for mobiles such as railways, stationary primary generators such as stationary generators, or alternatives to these It is preferably used as a hybrid power source.

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。また、本実施例中には化学構造式を挿入するが、該化学構造式は読み手の理解を助ける目的で挿入するものであり、ポリマーの重合成分の化学構造、正確な組成、並び方、スルホン酸基の位置、数、分子量などを必ずしも正確に表すわけではなく、これらに限定されるものでない。   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. Further, a chemical structural formula is inserted in this example, and the chemical structural formula is inserted for the purpose of helping the reader to understand. The chemical structure of the polymerization component of the polymer, the exact composition, the arrangement, the sulfonic acid The position, number, molecular weight, and the like of the group are not necessarily expressed accurately, and are not limited thereto.

(1)スルホン酸基密度
検体となる膜の試料を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) Density of sulfonic acid group A sample of a membrane serving as a specimen was immersed in pure water at 25 ° C. for 24 hours, vacuum-dried at 40 ° C. for 24 hours, and then 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Aを測定した。
(2) Proton conductivity After immersing the membrane sample in a 30% by weight aqueous methanol solution at 25 ° C. for 24 hours, the membrane sample is taken out in an atmosphere at 25 ° C. and a relative humidity of 50-80%, and proton conduction is performed as quickly as possible by the constant potential AC impedance method Degree A was measured.

また、膜の試料を25℃の純水に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Bを測定した。   Further, the membrane sample was immersed in pure water at 25 ° C. for 24 hours, and then taken out in an atmosphere at 25 ° C. and a relative humidity of 50 to 80%, and the proton conductivity B was measured as quickly as possible by the constant potential AC impedance method.

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 ResponseAnalyzer)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)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。
(3) 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.

(4)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の短冊に切り取り、25℃の水中に24時間浸漬後、ノギスで長さ(L1)を測長した。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)を測長し、その寸法変化の大きさを目視で観察した。
(4) 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 having a length of about 5 cm and a width of about 1 cm, immersed in water at 25 ° C. for 24 hours, and the length (L1) was 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 measured again with a caliper, and the size change was visually observed.

(5)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。
(5) Film thickness It measured using Mitutoyo ID-C112 type | mold set to Mitutoyo granite comparator stand BSG-20.

(6)核磁気共鳴スペクトル(NMR)
下記の測定条件で、H−NMRの測定を行い、構造確認および4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンと2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソランの混合比の定量を行った。該混合比(mol%)は7.6ppm(4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン由来)と7.2ppm(2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソラン由来)に認められるピークの積分値から算出した。
(6) Nuclear magnetic resonance spectrum (NMR)
Under the following measurement conditions, 1 H-NMR is measured to confirm the structure and to determine the mixing ratio of 4,4′-dihydroxybenzophenone and 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane. It was. The mixing ratio (mol%) is a peak observed at 7.6 ppm (derived from 4,4′-dihydroxybenzophenone) and 7.2 ppm (derived from 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane). Calculated from the integrated value.

装置 :日本電子社製EX−270
共鳴周波数 :270MHz(H−NMR)
測定温度 :室温
溶解溶媒 :DMSO−d6
内部基準物質:TMS(0ppm)
積算回数 :16回
また、下記の測定条件で、固体13C−CP/MASスペクトルの測定を行い、ケタール基の残存有無確認を行った。
Apparatus: EX-270 manufactured by JEOL Ltd.
Resonance frequency: 270 MHz ( 1 H-NMR)
Measurement temperature: room temperature Dissolving solvent: DMSO-d6
Internal reference material: TMS (0 ppm)
Accumulation count: 16 times Further, solid 13 C-CP / MAS spectrum was measured under the following measurement conditions, and the presence or absence of a ketal group was confirmed.

装置 :Chemagnetics社製CMX−300Infinity
測定温度 :室温
内部基準物質:Siゴム(1.56ppm)
測定核 :75.188829MHz
パルス幅 :90°パルス、4.5μsec
パルス繰り返し時間:ACQTM=0.03413sec、PD=9sec
スペクトル幅:30.003kHz
試料回転 :7kHz
コンタクトタイム:4msec
(7)メタノール透過量
膜状の試料を25℃の熱水に24時間浸漬した後、20℃において1モル%メタノール水溶液を用いて測定した。
Apparatus: CMX-300 Infinity manufactured by Chemagnetics
Measurement temperature: Room temperature Internal reference material: Si rubber (1.56ppm)
Measurement nucleus: 75.188829 MHz
Pulse width: 90 ° pulse, 4.5 μsec
Pulse repetition time: ACQTM = 0.03413sec, PD = 9sec
Spectrum width: 30.003 kHz
Sample rotation: 7 kHz
Contact time: 4msec
(7) Methanol Permeation A film-like sample was immersed in hot water at 25 ° C. for 24 hours and then measured at 20 ° C. using a 1 mol% methanol aqueous solution.

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1モル%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, and pure water (60 mL) was placed in one cell, and 1 mol% 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.

(10)ケタール基の残存量の分析(TPD−MS測定) 検体となる高分子電解質材料を以下の条件にて加熱時発生気体分析を行い、C2H4Oなど(m/z=29)および2-メチル-1,3-ジオキソラン(m/z=73)の和からケタール基の残存量(wt%)を定量した。
A.使用装置
TPD-MS装置
<主な仕様>
加熱部 : TRC製加熱装置(電気ヒーター式加熱炉,石英ガラス製反応管)
MS部 : 島津製作所製 GC/MS QP5050A
B.試験条件
加熱温度条件 : 室温〜550℃(昇温速度10℃/min)
雰囲気 : He流(50mL/min)(岩谷産業(株)製,純度99.995%)
C.試料
使用試料量 : 約1.5mg
前処理 : 80℃,180分間真空乾燥
D.標準品
タングステン酸ナトリウム2水和物(H2O標準試料):シグマアルドリッチ,特級 99%
1-ブテン(有機成分標準試料 ): GLサイエンス,7.92%/N2バランス
二酸化炭素 : GLサイエンス,99.9%
二酸化硫黄 : 住友精化,1.000%/N2バランス
フェノール : 和光純薬,特級 99.0%
2-メチル-1,3-ジオキソラン(C2H4Oなどおよび2-メチル-1,3-ジオキソラン標準試料): 東京化成工業,特級 98%
E.測定室温度(室温の範囲)

23±2℃
合成例1
下記一般式(G1)で表される2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソランの合成
(10) Analysis of residual amount of ketal group (TPD-MS measurement) The polymer electrolyte material to be a sample is subjected to gas analysis during heating under the following conditions, C 2 H 4 O, etc. (m / z = 29) The residual amount (wt%) of the ketal group was determined from the sum of 2-methyl-1,3-dioxolane (m / z = 73).
A. Equipment used
TPD-MS equipment <Main specifications>
Heating unit: TRC heating device (electric heater type heating furnace, quartz glass reaction tube)
MS Department: Shimadzu GC / MS QP5050A
B. Test conditions Heating temperature conditions: Room temperature to 550 ° C (Temperature increase rate 10 ° C / min)
Atmosphere: He flow (50mL / min) (Iwatani Corp., purity 99.995%)
C. Sample Amount of sample used: about 1.5mg
Pretreatment: vacuum drying at 80 ° C. for 180 minutes Standard sodium tungstate dihydrate (H 2 O standard sample): Sigma Aldrich, special grade 99%
1-butene (organic component standard sample): GL science, 7.92% / N 2 balance Carbon dioxide: GL science, 99.9%
Sulfur dioxide: Sumitomo Seika, 1.000% / N 2 balance Phenol: Wako Pure Chemicals, special grade 99.0%
2-methyl-1,3-dioxolane (C 2 H 4 O, etc. and 2-methyl-1,3-dioxolane standard sample): Tokyo Chemical Industry, special grade 98%
E. Measurement room temperature (room temperature range)

23 ± 2 ℃
Synthesis example 1
Synthesis of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane represented by the following general formula (G1)

Figure 0005250935
Figure 0005250935

モンモリロナイトクレイK10(150g)、ジヒドロキシベンゾフェノン99gをエチレングリコール242mL/オルトギ酸トリメチル99mL中、生成する副生成物を蒸留させながら110℃で反応させた。18h後、オルトギ酸トリメチルを66g追加し、合成48h反応させた。反応溶液に酢酸エチル300mLを追加し、濾過後、2%炭酸水素ナトリウム水溶液で4回抽出を行った。さらに、濃縮後、ジクロロエタンで再結晶する事により目的の2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソランを得た。   Montmorillonite clay K10 (150 g) and 99 g of dihydroxybenzophenone were reacted at 110 ° C. while distilling the produced by-products in 242 mL of ethylene glycol / 99 mL of trimethyl orthoformate. After 18 hours, 66 g of trimethyl orthoformate was added and reacted for 48 hours of synthesis. To the reaction solution was added 300 mL of ethyl acetate, and after filtration, extraction was performed 4 times with a 2% aqueous sodium hydrogen carbonate solution. Further, after concentration, the desired 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane was obtained by recrystallization from dichloroethane.

合成例2
下記一般式(G2)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 2
Synthesis of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the following general formula (G2)

Figure 0005250935
Figure 0005250935

4,4’−ジフルオロベンゾフェノン109.1g(アルドリッチ試薬)を発煙硫酸(50%SO3)150mL(和光純薬試薬)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(G2)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。純度は99.3%であった。構造はH−NMRで確認した。不純物はキャピラリー電気泳動(有機物)およびイオンクロマトグラフィー(無機物)で定量分析を行った。 109.1 g (Aldrich reagent) of 4,4′-difluorobenzophenone was reacted at 100 ° C. for 10 hours in 150 mL of fuming sulfuric acid (50% SO 3) (Wako Pure Chemicals reagent). 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 obtained precipitate was separated by filtration and recrystallized with an aqueous ethanol solution to obtain disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the above formula (G2). The purity was 99.3%. The structure was confirmed by 1 H-NMR. Impurities were quantitatively analyzed by capillary electrophoresis (organic matter) and ion chromatography (inorganic matter).

実施例1
下記一般式(G3)で表されるポリマーの合成
Example 1
Synthesis of a polymer represented by the following general formula (G3)

Figure 0005250935
Figure 0005250935

(一般式中、*はその位置で上一般式の右端と下一般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、前記合成例1で得た2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキサン5.2g、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン1.1g、および前記合成例2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6.3g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、上記一般式(G3)で示される高分子電解質材料を得た。重量平均分子量は23万であった。
(In the general formula, * represents that the right end of the upper general formula and the left end of the lower general formula are bonded at that position.)
3.5 g of potassium carbonate, 5.2 g of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxane obtained in Synthesis Example 1, 1.1 g of 4,4′-difluorobenzophenone, and Synthesis Example 2 Polymerization was performed at 190 ° C. in N-methylpyrrolidone (NMP) using 6.3 g of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in the above. Purification was performed by re-precipitation with a large amount of water to obtain a polymer electrolyte material represented by the above general formula (G3). The weight average molecular weight was 230,000.

得られた一般式(G3)の高分子電解質材料を溶解させた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200℃で10分間熱処理し、高分子電解質膜を得た。高分子電解質材料の溶解性は極めて良好であった。25℃で1N塩酸に24時間浸漬してプロトン置換、脱保護反応した後に、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄した。   The obtained 25 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) solution in which the polymer electrolyte material of the general formula (G3) was dissolved was cast on a glass substrate, dried at 100 ° C. for 4 hours, and then at 200 ° C. under nitrogen. For 10 minutes to obtain a polymer electrolyte membrane. The solubility of the polymer electrolyte material was very good. After immersing in 1N hydrochloric acid at 25 ° C. for 24 hours to carry out proton substitution and deprotection, it was immersed in a large excess amount of pure water for 24 hours and thoroughly washed.

得られた膜は膜厚41μm、面積当たりのプロトン伝導度Aは5.1S/cmであった。また、60℃、30wt%メタノール水溶液中でほとんど寸法変化が認められず、伝導度が高く、耐熱メタノール性に優れていた。また、IRからケタール基の存在が確認できた。 The obtained membrane had a thickness of 41 μm and a proton conductivity A per area of 5.1 S / cm 2 . Further, almost no dimensional change was observed in a 60 ° C., 30 wt% methanol aqueous solution, the conductivity was high, and the heat resistant methanol resistance was excellent. Moreover, the presence of a ketal group could be confirmed from IR.

実施例2
下記一般式(G4)で表されるポリマーの合成
Example 2
Synthesis of a polymer represented by the following general formula (G4)

Figure 0005250935
Figure 0005250935

(一般式中、*はその位置で上一般式の右端と下一般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、前記合成例1で得た2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキサン2.6g、4,4’−ジヒドロキシテトラフェニルメタン3.5g、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン3.1g、および前記合成例2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2.5g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、上記一般式(G4)で示されるポリマーを得た。得られたポリマーの重量平均分子量は24万であった。
(In the general formula, * represents that the right end of the upper general formula and the left end of the lower general formula are bonded at that position.)
3.5 g of potassium carbonate, 2.6 g of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxane obtained in Synthesis Example 1, 3.5 g of 4,4′-dihydroxytetraphenylmethane, 4,4 Using 190 g of '-difluorobenzophenone and 2.5 g of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in Synthesis Example 2 above, in N-methylpyrrolidone (NMP) at 190 ° C. The polymerization was carried out at Purification was carried out by reprecipitation with a large amount of water to obtain a polymer represented by the above general formula (G4). The weight average molecular weight of the obtained polymer was 240,000.

一般式(G3)のポリマーを一般式(G4)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。ポリマーの溶解性は極めて良好であった。   A film was prepared by the method described in Example 1 except that the polymer of the general formula (G3) was changed to the polymer of the general formula (G4). The solubility of the polymer was very good.

得られた膜は膜厚43μm、面積当たりのプロトン伝導度Aは5.6S/cmであった。また、60℃、30wt%メタノール水溶液中でほとんど寸法変化が認められず、伝導度が高く、耐熱メタノール性に優れていた。また、IRからケタール基の存在が確認できた。 The obtained membrane had a thickness of 43 μm and a proton conductivity A per area of 5.6 S / cm 2 . Further, almost no dimensional change was observed in a 60 ° C., 30 wt% methanol aqueous solution, the conductivity was high, and the heat resistant methanol resistance was excellent. Moreover, the presence of a ketal group could be confirmed from IR.

合成例3
前記式(G1)で表される2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソラン(K−DHBP)の合成 テフロン(登録商標)製攪拌羽根、温度計を備えた3Lフラスコに4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン(495g、DHBP、東京化成試薬)、およびモンモリロナイトクレイK10(750g、アルドリッチ試薬)を入れ、窒素置換後、エチレングリコール(1200mL、和光純薬試薬)/オルトギ酸トリメチル(500mL、和光純薬試薬)を追加した。攪拌しながらバス温110℃/内温74℃/蒸気温52℃で、メタノール、ギ酸メチルをオルトギ酸トリメチルとともに徐々に蒸留させながら8時間反応させた。次に、オルトギ酸トリメチル500mLを追加し、さらに8時間反応させた。

酢酸エチル1Lで希釈後、濾過によりクレイを除去し、酢酸エチル500mL×3の洗液も加えた。2%NaHCO水溶液1Lで4回、飽和食塩水1Lで1回抽出し、NaSOで脱水後、濃縮した。得られた白色スラリー溶液へジクロロメタン500mL追加し、濾過・ジクロロメタン250mL×3で洗浄することにより、目的のK−DHBP/DHBP混合物を淡黄色固体として得た(収量:347g、K−DHBP/DHBP=94/6(mol%))。構造はH−NMRで確認し、K−DHBP/DHBPの比を算出した。その他不純物はガスクロマトグラフィーで認められなかった。
Synthesis example 3
Synthesis of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane (K-DHBP) represented by the formula (G1) In a 3 L flask equipped with a Teflon (registered trademark) stirring blade and a thermometer 4,4′-dihydroxybenzophenone (495 g, DHBP, Tokyo Kasei Reagent) and montmorillonite clay K10 (750 g, Aldrich Reagent) were added, and after nitrogen substitution, ethylene glycol (1200 mL, Wako Pure Chemical Reagent) / trimethyl orthoformate (500 mL) , Wako Pure Chemical Reagent). While stirring, at a bath temperature of 110 ° C./inner temperature of 74 ° C./steam temperature of 52 ° C., methanol and methyl formate were reacted together with trimethyl orthoformate for 8 hours while gradually distilling. Next, 500 mL of trimethyl orthoformate was added, and the mixture was further reacted for 8 hours.

After dilution with 1 L of ethyl acetate, the clay was removed by filtration, and a washing solution of ethyl acetate 500 mL × 3 was also added. Extraction was performed 4 times with 1 L of 2% NaHCO 3 aqueous solution and once with 1 L of saturated brine, dehydrated with Na 2 SO 4 and concentrated. Dichloromethane (500 mL) was added to the obtained white slurry solution, and filtration and washing with dichloromethane (250 mL × 3) were performed to obtain the target K-DHBP / DHBP mixture as a pale yellow solid (yield: 347 g, K-DHBP / DHBP = 94/6 (mol%)). The structure was confirmed by 1 H-NMR, and the ratio of K-DHBP / DHBP was calculated. Other impurities were not observed by gas chromatography.

実施例3
下記一般式(G5)で表されるポリマーの合成
Example 3
Synthesis of a polymer represented by the following general formula (G5)

Figure 0005250935
Figure 0005250935

(一般式中、*はその位置で上一般式の右端と下一般式の左端とが結合していることを表す。スルホン酸基はNa型で記載しているが、重合中にK型に置換された部分を含む。ビスフェノール残査は全てK−DHBP残査で記載しているが、DHBP残査を含む。)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム13.82g(アルドリッチ試薬、100mmol)、前記合成例3で得たK−DHBP/DHBP=94/6(mol%)混合物20.4g(80mmol)、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン12.2g(アルドリッチ試薬、56mmol)、および前記合成例2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10.1g(24mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)110mL、トルエン55mL中で180℃で脱水後、昇温してトルエン除去、230℃で5時間重合を行った。多量の水で再沈殿することで精製を行い、上記一般式(G5)で示される成型用可溶性高分子電解質材料を得た。重量平均分子量は21万であった。
(In the general formula, * represents that the right end of the upper general formula and the left end of the lower general formula are bonded at that position. The sulfonic acid group is described in the Na type, but the K type is changed during the polymerization. (Includes substituted moieties. All bisphenol residues are listed as K-DHBP residues, but include DHBP residues.)
In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introduction tube, and a Dean-Stark trap, 13.82 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 100 mmol), K-DHBP / DHBP obtained in Synthesis Example 3 above = 94/6 (mol%) ) 20.4 g (80 mmol) of the mixture, 12.2 g of 4,4′-difluorobenzophenone (Aldrich reagent, 56 mmol), and disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in Synthesis Example 2 10.1 g (24 mmol) was added, and after nitrogen substitution, dehydration was performed at 110 ° C. in 110 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 55 mL of toluene, and then the temperature was raised to remove toluene, and polymerization was performed at 230 ° C. for 5 hours. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of water to obtain a soluble polymer electrolyte material for molding represented by the above general formula (G5). The weight average molecular weight was 210,000.

固体13C−CP/MASスペクトルにおいて、ケミカルシフト約65ppmと約110ppmにケタール基由来のピークが認められた。また、上記一般式(G5)で示される成型用可溶性高分子電解質材料についてTPD−MS測定によるケタール基由来物質の定量分析を行ったところ、250℃あたりにCOなどが5.10w%、2-メチル-1,3-ジオキソランが0.43wt%と合計5.53wt%のケタール基由来物質が検出された。 In the solid 13 C-CP / MAS spectrum, peaks derived from ketal groups were observed at chemical shifts of about 65 ppm and about 110 ppm. Furthermore, was subjected to quantitative analysis of the ketal group derived materials by TPD-MS measurement for molding the soluble polymer electrolyte material represented by the general formula (G5), etc. C 2 H 4 O per 250 ° C. is 5.10w %, 2-methyl-1,3-dioxolane was 0.43 wt%, and a total of 5.53 wt% of ketal group-derived substances were detected.

実施例4
実施例3で得られた一般式(G5)の成型用可溶性高分子電解質材料を溶解させた25重量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液をガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、ガラス基板上に流延塗布し、100℃にて4h乾燥後、窒素下250℃まで30分かけて昇温、250℃で10分間熱処理し、膜を得た。成型用可溶性高分子電解質材料の溶解性は極めて良好であった。95℃で6N塩酸に24時間浸漬してプロトン置換、脱保護反応した後に、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄し、高分子電解質膜を得た。
Example 4
A 25 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) solution in which the molding soluble polymer electrolyte material of general formula (G5) obtained in Example 3 was dissolved was pressure filtered using a glass fiber filter, and then on a glass substrate. And dried at 100 ° C. for 4 hours, heated to 250 ° C. under nitrogen for 30 minutes, and heat-treated at 250 ° C. for 10 minutes to obtain a film. The solubility of the soluble polymer electrolyte material for molding was very good. After being immersed in 6N hydrochloric acid at 95 ° C. for 24 hours for proton substitution and deprotection, it was immersed in a large excess of pure water for 24 hours and washed sufficiently to obtain a polymer electrolyte membrane.

評価結果は表1にまとめた。得られた高分子電解質膜は、伝導度を維持しながら、燃料遮断性にも優れていた。また、熱水中や熱メタノール中に浸漬しても溶解や崩壊することもなく、強靱な膜であり、耐熱水性および耐熱メタノール性に極めて優れていた。   The evaluation results are summarized in Table 1. The obtained polymer electrolyte membrane was excellent in fuel barrier properties while maintaining conductivity. Moreover, even if it was immersed in hot water or hot methanol, it was a tough film without dissolving or disintegrating, and it was extremely excellent in hot water resistance and hot methanol resistance.

また、固体13C−CP/MASスペクトルにおいて、脱保護前の膜で認められたケミカルシフト約65ppmと約110ppm(ケタール基由来)のピークが、脱保護後の高分子電解質膜にはほとんど認められなかった。このことから脱保護反応は高い転化率で進行していた。 Moreover, in the solid 13 C-CP / MAS spectrum, peaks of chemical shifts of about 65 ppm and about 110 ppm (derived from ketal groups) recognized in the film before deprotection are almost observed in the polymer electrolyte film after deprotection. There wasn't. Therefore, the deprotection reaction proceeded at a high conversion rate.

実施例5
実施例4において、プロトン置換、脱保護反応の条件を25℃で1N塩酸に24時間浸漬変更した以外は実施例4に記載の方法で高分子電解質膜の作製を行った。
Example 5
In Example 4, a polymer electrolyte membrane was prepared by the method described in Example 4 except that the conditions for proton substitution and deprotection were changed by immersion in 1N hydrochloric acid at 25 ° C. for 24 hours.

評価結果は表1にまとめた。極めて強靱な電解質膜であった。伝導度を維持しながら、燃料遮断性にも優れていた。   The evaluation results are summarized in Table 1. It was an extremely tough electrolyte membrane. While maintaining conductivity, it was excellent in fuel cutoff.

また、固体13C−CP/MASスペクトルにおいて、脱保護前の膜で認められたケミカルシフト約65ppmと約110ppm(ケタール基由来)のピークが、脱保護後の高分子電解質膜にも少量認められた。このことから脱保護反応は比較的高い転化率で進行していた。 In addition, in the solid 13 C-CP / MAS spectrum, peaks of chemical shifts of about 65 ppm and about 110 ppm (derived from ketal groups) observed in the membrane before deprotection are also observed in a small amount in the polymer electrolyte membrane after deprotection. It was. Therefore, the deprotection reaction proceeded at a relatively high conversion rate.

実施例6
4,4’−ジフルオロベンゾフェノン12.2g(アルドリッチ試薬、56mmol)、および前記合成例2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10.1g(24mmol)の仕込量をそれぞれ10.5g(48mmol)、13.5g(32mmol)に変えた以外は実施例4に記載の方法で成型用可溶性高分子電解質材料および高分子電解質膜の作製を行った。成型用可溶性高分子電解質材料の重量平均分子量は25万であった。
Example 6
Charge of 12.2 g of 4,4′-difluorobenzophenone (Aldrich reagent, 56 mmol) and 10.1 g (24 mmol) of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in Synthesis Example 2 A soluble polymer electrolyte material for molding and a polymer electrolyte membrane were prepared by the method described in Example 4 except that 1 was changed to 10.5 g (48 mmol) and 13.5 g (32 mmol), respectively. The weight-average molecular weight of the molding soluble polymer electrolyte material was 250,000.

評価結果は表1にまとめた。得られた高分子電解質膜は極めて強靱な電解質膜であった。伝導度を維持しながら、燃料遮断性にも優れていた。   The evaluation results are summarized in Table 1. The obtained polymer electrolyte membrane was a very tough electrolyte membrane. While maintaining conductivity, it was excellent in fuel cutoff.

また、固体13C−CP/MASスペクトルにおいて、脱保護前の膜で認められたケミカルシフト約65ppmと約110ppm(ケタール基由来)のピークが、脱保護後の高分子電解質膜にはほとんど認められなかった。このことから脱保護反応は高い転化率で進行していた。 Moreover, in the solid 13 C-CP / MAS spectrum, peaks of chemical shifts of about 65 ppm and about 110 ppm (derived from ketal groups) recognized in the film before deprotection are almost observed in the polymer electrolyte film after deprotection. There wasn't. Therefore, the deprotection reaction proceeded at a high conversion rate.

実施例7
4,4’−ジフルオロベンゾフェノン12.2g(アルドリッチ試薬、56mmol)、および前記合成例2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10.1g(24mmol)の仕込量をそれぞれ8.7g(40mmol)、13.5g(40mmol)に変えた以外は実施例4に記載の方法で成型用可溶性高分子電解質材料および高分子電解質膜の作製を行った。成型用可溶性高分子電解質材料の重量平均分子量は19万であった。
Example 7
Charge of 12.2 g of 4,4′-difluorobenzophenone (Aldrich reagent, 56 mmol) and 10.1 g (24 mmol) of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in Synthesis Example 2 A soluble polymer electrolyte material for molding and a polymer electrolyte membrane were prepared by the method described in Example 4 except that γ was changed to 8.7 g (40 mmol) and 13.5 g (40 mmol), respectively. The weight-average molecular weight of the soluble polymer electrolyte material for molding was 190,000.

評価結果は表1にまとめた。得られた高分子電解質膜は極めて強靱な電解質膜であった。伝導度が高く、燃料遮断性も比較的優れていた。   The evaluation results are summarized in Table 1. The obtained polymer electrolyte membrane was a very tough electrolyte membrane. The conductivity was high and the fuel cutoff was relatively good.

また、固体13C−CP/MASスペクトルにおいて、脱保護前の膜で認められたケミカルシフト約65ppmと約110ppm(ケタール基由来)のピークが、脱保護後の高分子電解質膜にはほとんど認められなかった。このことから脱保護反応は高い転化率で進行していた。 Moreover, in the solid 13 C-CP / MAS spectrum, peaks of chemical shifts of about 65 ppm and about 110 ppm (derived from ketal groups) recognized in the film before deprotection are almost observed in the polymer electrolyte film after deprotection. There wasn't. Therefore, the deprotection reaction proceeded at a high conversion rate.

比較例1
市販のナフィオン(登録商標)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(登録商標)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。
Comparative Example 1
A commercially available Nafion (registered trademark) 117 membrane (manufactured by DuPont) was used to evaluate ion conductivity, MCO and heat-resistant methanol resistance. The Nafion (registered trademark) 117 membrane was immersed in 5% hydrogen peroxide water at 100 ° C. for 30 minutes, then in 5% dilute sulfuric acid at 100 ° C. for 30 minutes, and then thoroughly washed with deionized water at 100 ° C. .

膜厚209μm、面積当たりのプロトン伝導度Aは5.0S/cmであった。また、60℃、30wt%メタノール水溶液中で約20%寸法変化(膨潤)が認められた。伝導度は高いが、耐熱メタノール性が不十分であった。 The film thickness was 209 μm, and the proton conductivity A per area was 5.0 S / cm 2 . In addition, a dimensional change (swelling) of about 20% was observed in a 60 wt. C., 30 wt% aqueous methanol solution. The conductivity was high, but the heat-resistant methanol resistance was insufficient.

評価結果は表1にまとめた。伝導度は高いが、燃料遮断性には劣っていた。   The evaluation results are summarized in Table 1. The conductivity was high, but the fuel cutoff was inferior.

比較例2
市販のナフィオン(登録商標)111膜(デュポン社製)を用い、各種特性を評価した。ナフィオン(登録商標)111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。
Comparative Example 2
Various properties were evaluated using a commercially available Nafion (registered trademark) 111 membrane (manufactured by DuPont). The Nafion (registered trademark) 111 membrane was immersed in 5% hydrogen peroxide water at 100 ° C. for 30 minutes, and subsequently immersed in 5% dilute sulfuric acid at 100 ° C. for 30 minutes, and then thoroughly washed with deionized water at 100 ° C. .

評価結果は表1にまとめた。伝導度は高いが、燃料遮断性には劣っていた。   The evaluation results are summarized in Table 1. The conductivity was high, but the fuel cutoff was inferior.

比較例3
PEEKのスルホン化
ポリエーテルエーテルケトン(ビクトレックス(登録商標)PEEK(登録商標)(ビクトレックス社製))10gを濃硫酸100mL中、25℃で20時間反応させた。大量の水中に徐々に投入することによりポリエーテルエーテルケトンのスルホン化物を得た。得られたポリマーのスルホン酸基密度は2.1mmol/gであった。ポリマーが溶けながらスルホン化されるのでスルホン酸基の位置、量を再現性よく得ることは困難であった。
Comparative Example 3
Sulfonation of PEEK 10 g of polyetheretherketone (Victrex (registered trademark) PEEK (registered trademark) (manufactured by Victrex)) was reacted in 100 mL of concentrated sulfuric acid at 25 ° C. for 20 hours. By gradually throwing it into a large amount of water, a sulfonated product of polyetheretherketone was obtained. The resulting polymer had a sulfonic acid group density of 2.1 mmol / g. Since the polymer is sulfonated while being dissolved, it is difficult to obtain the position and amount of the sulfonic acid group with good reproducibility.

得られたスルホン化物を溶解させた25重量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液をガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、ガラス基板上に流延塗布し、100℃にて4h乾燥し、膜を得た。ポリマーの溶解性は良好であった。大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄し、高分子電解質膜を得た。   A 25 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) solution in which the resulting sulfonated product was dissolved was subjected to pressure filtration using a glass fiber filter, and then cast on a glass substrate, dried at 100 ° C. for 4 hours, Got. The solubility of the polymer was good. The polymer electrolyte membrane was obtained by immersing in a large excess of pure water for 24 hours and thoroughly washing.

評価結果は表1にまとめた。伝導度は比較的高いが、燃料遮断性には劣っていた。また、60℃、30wt%メタノール水溶液中や95℃熱水中で崩壊してしまった。   The evaluation results are summarized in Table 1. The conductivity was relatively high, but the fuel shut-off property was inferior. Moreover, it collapsed in 60 degreeC and 30 wt% methanol aqueous solution, or 95 degreeC hot water.

比較例4
PEKのスルホン化
ポリエーテルケトン(ビクトレックス社製)10gを発煙硫酸100mL中、100℃で2h反応させた。濃硫酸で希釈後、大量の水中に徐々に投入することによりポリエーテルケトンのスルホン化物SPEK−2を得た。得られたSPEK−2のスルホン酸基密度は1.2mmol/gであった。
Comparative Example 4
Sulfonation of PEK 10 g of polyetherketone (manufactured by Victorex) was reacted in 100 mL of fuming sulfuric acid at 100 ° C. for 2 hours. After diluting with concentrated sulfuric acid, it was gradually poured into a large amount of water to obtain a polyether ketone sulfonated product SPEK-2. The sulfonic acid group density of the obtained SPEK-2 was 1.2 mmol / g.

SPEK−2ポリマーはN−メチルピロリドン(NMP)に溶解させることができず、製膜が困難であった。実施例1のポリマーと組成は類似しているが、溶解性に劣っていた。また、IR、固体13C−CP/MASスペクトル、TPD−MSからケタール基の存在が確認できなかった。 The SPEK-2 polymer could not be dissolved in N-methylpyrrolidone (NMP), and film formation was difficult. The composition was similar to the polymer of Example 1, but poor in solubility. Further, the presence of a ketal group could not be confirmed from IR, solid 13 C-CP / MAS spectrum, and TPD-MS.

比較例5
前記合成例3で得たK−DHBP/DHBP=94/6(mol%)混合物20.4g(80mmol)の仕込量をDHBP17.1g(80mmol)に変えた以外は実施例3に記載の方法でポリエーテルケトンポリマーの重合を行った。重合初期段階から、ポリマーが析出し、重合が困難であった。溶剤不溶性のため分子量測定はできなかった。溶解性が不足するので、製膜することはできず、各種測定を行うこともできなかった。
Comparative Example 5
The method described in Example 3 was used except that the amount of 20.4 g (80 mmol) of the K-DHBP / DHBP = 94/6 (mol%) mixture obtained in Synthesis Example 3 was changed to 17.1 g (80 mmol) of DHBP. Polymerization of polyetherketone polymer was performed. From the initial stage of polymerization, a polymer was precipitated, and the polymerization was difficult. Molecular weight could not be measured due to solvent insolubility. Since the solubility was insufficient, the film could not be formed and various measurements could not be performed.

実施例3〜7、比較例1〜3の各評価結果を表1に示す。実施例3〜7の成型用可溶性高分子電解質材料は溶解性に優れていた。また、実施例3〜7の高分子電解質膜はプロトン伝導性に優れ、かつ、燃料遮断性に優れていた。比較例の電解質膜は、燃料遮断性に劣っていた。   The evaluation results of Examples 3 to 7 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 1. The soluble polymer electrolyte material for molding of Examples 3 to 7 was excellent in solubility. In addition, the polymer electrolyte membranes of Examples 3 to 7 were excellent in proton conductivity and excellent in fuel cutoff. The electrolyte membrane of the comparative example was inferior in fuel barrier properties.

Figure 0005250935
Figure 0005250935

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, fuel cells, water electrolysis devices, chloroalkali electrolysis devices, 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 (17)

少なくとも保護基とイオン性基を含有し、該保護基が主鎖に導入されている高分子電解質材料であって、該保護基で保護された構成単位として、下記一般式(P1)および(P2)から選ばれる少なくとも1種を含有することを特徴とする高分子電解質材料。
Figure 0005250935
(一般式(P1)および(P2)において、Ar 〜Ar は任意の2価のアリーレン基、R およびR はHおよびアルキル基から選ばれた少なくとも1種の基、R は任意のアルキレン基、EはOまたはSを表し、それぞれが2種類以上の基を表しても良い。式(P1)および(P2)で表される構成単位は任意に置換されていてもよい。)
Contains at least protecting group and an ionic group, the protecting group is a high molecular electrolyte material that is introduced into the main chain, as a structural unit protected by the protecting group, the following general formula (P1) and (P2 A polymer electrolyte material comprising at least one selected from
Figure 0005250935
(In the general formulas (P1) and (P2), Ar 1 to Ar 4 are any divalent arylene group, R 1 and R 2 are at least one group selected from H and an alkyl group, and R 3 is any And E represents O or S, each of which may represent two or more groups, and the structural units represented by the formulas (P1) and (P2) may be optionally substituted.)
前記一般式(P1)および(P2)において、EがO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。 In the general formula (P1) and (P2), a polymer electrolyte material according to claim 1, characterized in that E is O. 該高分子電解質材料が芳香族ポリエーテル系重合体であることを特徴とする請求項1または2に記載の高分子電解質材料。 The polymer electrolyte material according to claim 1 or 2 , wherein the polymer electrolyte material is an aromatic polyether polymer. 該保護基を含む構成単位として、少なくとも下記一般式(P3)で表される構成単位を含有す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。
Figure 0005250935
(一般式(P3)中のn1は1〜7の整数である。一般式(P3)で表される構成単位は任意に置換されていてもよい。)
As the structural unit containing the protecting group, the polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 3, characterized by containing the structural unit represented by at least the following general formula (P3).
Figure 0005250935
(N1 in General Formula (P3) is an integer of 1 to 7. The structural unit represented by General Formula (P3) may be optionally substituted.)
昇温熱脱離−質量分析法による発生気体分析において、少なくともCOガスおよび/またはCガスが検出さ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。 Temperature heat desorption - in generating gas analysis by mass spectrometry, at least C 2 H 4 O gas and / or C 4 polymer electrolyte material according to claim 1 H 8 O 2 gas is characterized in that it is detected . O発生気体量とC発生気体量の合計が、高分子電解質材料の乾燥重量に対して0.01重量%以上、20重量%以下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 total amount of C 2 H 4 O generated gas and C 4 H 8 O 2 generated gas is 0.01 wt% or more and 20 wt% or less with respect to the dry weight of the polymer electrolyte material. The polymer electrolyte material according to claim 5 . 該高分子電解質材料が下記一般式(P4)で表される構成単位をさらに含有す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。
Figure 0005250935
(一般式(P4)で表される構成単位は任意に置換されていてもよいが、イオン性基は含有しない。)
The polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 6 , wherein the polymer electrolyte material further contains a structural unit represented by the following general formula (P4).
Figure 0005250935
(The structural unit represented by the general formula (P4) may be optionally substituted, but does not contain an ionic group.)
該高分子電解質材料が下記一般式(P5)で表される構成単位をさらに含有す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。
Figure 0005250935
(一般式(P5)中、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。一般式(P5)で表される構成単位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 7 , wherein the polymer electrolyte material further contains a structural unit represented by the following general formula (P5).
Figure 0005250935
(In General Formula (P5), M 1 and M 2 represent hydrogen, a metal cation, an ammonium cation, and a1 and a2 each represent an integer of 1 to 4. The structural unit represented by General Formula (P5) is optionally substituted. May be.)
該高分子電解質材料が下記一般式(X−1)〜(X−5)から選ばれた少なくとも1種の構成単位をさらに含有す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。
Figure 0005250935
(式(X−1)〜(X−5)で表される基は任意に置換されていてもよい。)
The polymer electrolyte material further contains at least one structural unit selected from the following general formulas (X-1) to (X-5), according to any one of claims 1 to 8 . Polymer electrolyte material.
Figure 0005250935
(The groups represented by the formulas (X-1) to (X-5) may be optionally substituted.)
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 9, 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10に記載の高分子電解質材料。 The polymer electrolyte material according to claim 10 , wherein the ionic group is a sulfonic acid group. スルホン酸基密度が0.5〜3.0mmol/gであることを特徴する請求項11に記載に記載の高分子電解質材料。 The polymer electrolyte material according to claim 11 , wherein the sulfonic acid group density is 0.5 to 3.0 mmol / g. 該保護基を含有する構成単位としてアセタールおよび/またはケタール部位を含有し、該保護基の一部を脱保護せしめてケトン部位を設けることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の高分子電解質材料。 Containing acetal and / or ketal site as building blocks containing the protecting group, according to any one of claims 1 to 12, characterized by providing a portion of it allowed deprotection ketone site of the protecting group Polymer electrolyte material. 請求項1〜13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部品。 Polyelectrolyte component, characterized in that it is constructed using the polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 13. 請求項1〜13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膜電極複合体。 A membrane electrode assembly comprising the polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 13 . 請求項1〜13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型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 13 . 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16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 16, 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.
JP2006024208A 2005-02-15 2006-02-01 POLYMER ELECTROLYTE MATERIAL, POLYMER ELECTROLYTE PARTS, MEMBRANE ELECTRODE COMPOSITE AND POLYMER ELECTROLYTE TYPE FUEL CELL USING SAME Active JP5250935B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006024208A JP5250935B2 (en) 2005-02-15 2006-02-01 POLYMER ELECTROLYTE MATERIAL, POLYMER ELECTROLYTE PARTS, MEMBRANE ELECTRODE COMPOSITE AND POLYMER ELECTROLYTE TYPE FUEL CELL USING SAME

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005037272 2005-02-15
JP2005037272 2005-02-15
JP2006024208A JP5250935B2 (en) 2005-02-15 2006-02-01 POLYMER ELECTROLYTE MATERIAL, POLYMER ELECTROLYTE PARTS, MEMBRANE ELECTRODE COMPOSITE AND POLYMER ELECTROLYTE TYPE FUEL CELL USING SAME

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2006261103A JP2006261103A (en) 2006-09-28
JP5250935B2 true JP5250935B2 (en) 2013-07-31

Family

ID=37100079

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006024208A Active JP5250935B2 (en) 2005-02-15 2006-02-01 POLYMER ELECTROLYTE MATERIAL, POLYMER ELECTROLYTE PARTS, MEMBRANE ELECTRODE COMPOSITE AND POLYMER ELECTROLYTE TYPE FUEL CELL USING SAME

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5250935B2 (en)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5549712B2 (en) * 2005-07-29 2014-07-16 東レ株式会社 Polymer electrolyte material, polymer electrolyte component, membrane electrode composite, and polymer electrolyte fuel cell
CN101485022B (en) * 2006-08-11 2012-06-06 东丽株式会社 Polymer electrolyte material, polymer electrolyte molded product using the polymer electrolyte material and method for manufacturing the polymer electrolyte molded product, membrane electrode compositite body and solid polymer fuel battery
JP4949009B2 (en) * 2006-12-27 2012-06-06 本田技研工業株式会社 Membrane-electrode structure for polymer electrolyte fuel cell
JP4997965B2 (en) * 2006-12-27 2012-08-15 Jsr株式会社 Electrode electrolyte for polymer fuel cell and use thereof
JP2008239647A (en) 2007-03-23 2008-10-09 Toshiba Corp Polymer electrolyte material, method for producing polymer electrolyte material, polymer electrolyte component, fuel cell and method for producing fuel cell
GB0709815D0 (en) * 2007-05-22 2007-07-04 Cytec Tech Corp Reversible derivation of poly (aryl ether ketones)
JP5315643B2 (en) * 2007-08-09 2013-10-16 東レ株式会社 Ketal bisphenols and process for producing the same
JP5407355B2 (en) * 2009-01-21 2014-02-05 東レ株式会社 Manufacturing method of electrolyte membrane
WO2010082623A1 (en) 2009-01-19 2010-07-22 東レ株式会社 Process for producing polymeric electrolyte membrane
JP5482507B2 (en) * 2009-07-15 2014-05-07 東レ株式会社 POLYMER ELECTROLYTE MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE
JP6069972B2 (en) * 2011-09-13 2017-02-01 東レ株式会社 Aromatic sulfonimide derivative, sulfonimide group-containing polymer, polymer electrolyte material using the same, polymer electrolyte molded article, and solid polymer fuel cell
JP2013067686A (en) * 2011-09-21 2013-04-18 Toray Ind Inc Polymer electrolyte composition, polymer electrolyte molding, and polymer electrolyte fuel cell
JP5957954B2 (en) * 2012-02-29 2016-07-27 東レ株式会社 POLYMER ELECTROLYTE MOLDED BODY, POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, MEMBRANE ELECTRODE COMPOSITION AND SOLID POLYMER TYPE FUEL CELL USING THE SAME
KR102098639B1 (en) * 2013-09-30 2020-04-08 코오롱인더스트리 주식회사 Polymer electrolyte membrane, method for manufacturing the same and membrane-electrode assembly comprising the same

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19754305A1 (en) * 1997-12-08 1999-06-10 Hoechst Ag Process for producing a membrane for operating fuel cells and electrolysers
GB0107075D0 (en) * 2001-03-21 2001-05-09 Victrex Mfg Ltd Fuel cell
JP4106983B2 (en) * 2002-03-25 2008-06-25 住友化学株式会社 Aromatic polymer, production method thereof and use thereof
JP4135558B2 (en) * 2003-05-21 2008-08-20 Jsr株式会社 Polyarylene having sulfonic acid group and method for producing the same, and proton conducting membrane for direct methanol fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP2006261103A (en) 2006-09-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11108071B2 (en) Method for producing polymer electrolyte molded article, polymer electrolyte material, polymer electrolyte membrane, and polymer electrolyte fuel cell
JP5250935B2 (en) POLYMER ELECTROLYTE MATERIAL, POLYMER ELECTROLYTE PARTS, MEMBRANE ELECTRODE COMPOSITE AND POLYMER ELECTROLYTE TYPE FUEL CELL USING SAME
JP5858129B2 (en) Method for producing polymer electrolyte molded body
JP5915600B2 (en) POLYMER ELECTROLYTE MOLDED BODY, POLYMER ELECTROLYTE PARTS, MEMBRANE ELECTRODE COMPOSITE AND POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL
JP5261877B2 (en) Method for producing polymer electrolyte molded body
JP5369365B2 (en) POLYMER ELECTROLYTE MATERIAL AND POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, AND POLYELECTROLYTE COMPONENT, POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, MEMBRANE ELECTRODE COMPOSITION AND POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL USING SAME
JP5067083B2 (en) POLYMER ELECTROLYTE MATERIAL, POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, MEMBRANE ELECTRODE COMPOSITION AND POLYMER ELECTROLYTE TYPE FUEL CELL USING SAME
JP5309822B2 (en) Aromatic sulfonic acid derivative, sulfonated polymer, polymer electrolyte material and polymer electrolyte fuel cell using the same
JP5315877B2 (en) Polymer electrolyte material and polymer electrolyte fuel cell using the same
JP5655878B2 (en) Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP5141040B2 (en) POLYMER ELECTROLYTE MATERIAL, POLYMER ELECTROLYTE MOLDED BODY, POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, MEMBRANE ELECTRODE COMPLEX AND SOLID POLYMER TYPE FUEL CELL
JP5549712B2 (en) Polymer electrolyte material, polymer electrolyte component, membrane electrode composite, and polymer electrolyte fuel cell
JP5151051B2 (en) POLYMER ELECTROLYTE MATERIAL, POLYMER ELECTROLYTE PARTS, MEMBRANE ELECTRODE COMPOSITE AND POLYMER ELECTROLYTE TYPE FUEL CELL USING SAME
JP4992184B2 (en) Polymer having ionic group, polymer electrolyte material, polymer electrolyte component, membrane electrode composite, and polymer electrolyte fuel cell
JP2007039536A (en) Ionic group-containing polymer

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090121

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120529

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120711

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130122

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130220

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130319

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130401

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 5250935

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160426

Year of fee payment: 3