JP5540681B2 - Modified electrolyte, method for producing the same, and modifier - Google Patents

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Description

本発明は、改質電解質及びその製造方法、並びに、改質剤に関し、さらに詳しくは、低EWであり、溶媒に対する高い可溶性を備えた改質電解質及びその製造方法、並びに、このような改質電解質の製造に用いられる改質剤に関する。   The present invention relates to a modified electrolyte, a production method thereof, and a modifier, and more particularly, a modified electrolyte having low EW and high solubility in a solvent, a production method thereof, and such a modification. The present invention relates to a modifier used for producing an electrolyte.

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体(MEA)を基本単位とする。また、固体高分子型燃料電池において、電極は、一般に、拡散層と触媒層の二層構造をとる。拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。また、触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の電極触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質(触媒層アイオノマ)との複合体からなる。   A solid polymer fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes are bonded to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane as a basic unit. In the polymer electrolyte fuel cell, the electrode generally has a two-layer structure of a diffusion layer and a catalyst layer. The diffusion layer is for supplying reaction gas and electrons to the catalyst layer, and carbon paper, carbon cloth, or the like is used. The catalyst layer is a part that becomes a reaction field of electrode reaction, and generally comprises a composite of carbon carrying an electrode catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte (catalyst layer ionomer).

このようなMEAを構成する電解質膜あるいは触媒層アイオノマには、耐酸化性に優れた炭化フッ素系電解質(例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成(株)製)、フレミオン(登録商標、旭硝子(株)製)等。)を用いるのが一般的である。また、炭化フッ素系電解質は、耐酸化性に優れるが、一般に極めて高価である。そのため、固体高分子型燃料電池の低コスト化を図るために、炭化水素系電解質の使用も検討されている。   The electrolyte membrane or catalyst layer ionomer that constitutes such an MEA has a fluorine-containing electrolyte excellent in oxidation resistance (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.), etc.) are generally used. In addition, the fluorine-containing electrolyte is excellent in oxidation resistance, but is generally very expensive. Therefore, in order to reduce the cost of the polymer electrolyte fuel cell, the use of a hydrocarbon-based electrolyte has been studied.

しかしながら、固体高分子型燃料電池を車載用動力源等として用いるためには、解決すべき課題が残されている。例えば、固体高分子型燃料電池において、高い性能を得るためには、電池の作動温度は高い方が好ましく、そのためには、電解質膜の耐熱性が高いことがこのましい。しかしながら、従来のフッ素系電解質膜は、高温における機械的強度が低いという問題がある。
また、燃料電池を高温低加湿又は無加湿で運転することが近年重要視されている。そのような条件下でも高いプロトン伝導性を発現させるためには、高イオン交換容量を有する電解質が必要である。しかしながら、高イオン交換容量を有する電解質は、高い含水率を有するために膜の膨潤変化が大きい。そのため、膜形状を維持できない場合や、水に溶解する場合がある。この高い伝導度と高い含水率というトレードオフをいかに克服するかが大きな課題となっている。
However, in order to use the polymer electrolyte fuel cell as an in-vehicle power source, there remain problems to be solved. For example, in a polymer electrolyte fuel cell, in order to obtain high performance, it is preferable that the operating temperature of the cell is high. For this purpose, it is preferable that the heat resistance of the electrolyte membrane is high. However, the conventional fluorine-based electrolyte membrane has a problem of low mechanical strength at high temperatures.
In recent years, it has been important to operate a fuel cell at high temperature and low humidity or without humidification. In order to develop high proton conductivity even under such conditions, an electrolyte having a high ion exchange capacity is required. However, an electrolyte having a high ion exchange capacity has a high moisture content, so that the swelling change of the membrane is large. For this reason, the film shape may not be maintained or may be dissolved in water. How to overcome the trade-off between high conductivity and high water content is a major issue.

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、両末端スルホニルフロライドをアミド化処理したナフィオン(登録商標)に作用させ、架橋反応させる方法が開示されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made.
For example, Patent Document 1 discloses a method in which both terminal sulfonyl fluorides are allowed to act on Nafion (registered trademark) subjected to amidation treatment to cause a crosslinking reaction.

また、特許文献2には、スルホンアミド化されたナフィオン(登録商標)とFO2S−CF2−CF2−CF2−Iとを反応させ、−I基を−SO2OH基に変換する電解質の製造方法が開示されている。
同文献には、このような方法によって、強度を担う主鎖部分の結晶性を低下させることなく、電気伝導度を高めることができる点が記載されている。
Patent Document 2 discloses that sulfonamidated Nafion (registered trademark) and FO 2 S—CF 2 —CF 2 —CF 2 —I are reacted to convert an —I group into an —SO 2 OH group. An electrolyte manufacturing method is disclosed.
This document describes that the electrical conductivity can be increased by such a method without lowering the crystallinity of the main chain portion that bears the strength.

また、特許文献3には、CF2=CFOCF2CF2SO2N(CF2CH3)SO2CF3と、テトラフルオロエチレンとを共重合させることにより得られる重合体が開示されている。
同文献には、このようにして得られた重合体のEWが710〜1300g/molである点が記載されている。
Patent Document 3 discloses a polymer obtained by copolymerizing CF 2 ═CFOCF 2 CF 2 SO 2 N (CF 2 CH 3 ) SO 2 CF 3 and tetrafluoroethylene.
This document describes that the EW of the polymer thus obtained is 710 to 1300 g / mol.

また、特許文献4には、電解質ではないが、活性光線又は放射線の照射により、HO3S(CF2)2SO2F、CF3SO2NHSO2(CF2)2SO2Fなどの化合物を発生させることが可能な化合物(例えば、これらのスルホニウム化合物、ヨードニウム化合物など)が開示されている。 Patent Document 4 discloses compounds such as HO 3 S (CF 2 ) 2 SO 2 F and CF 3 SO 2 NHSO 2 (CF 2 ) 2 SO 2 F that are not electrolytes but are irradiated with actinic rays or radiation. (For example, these sulfonium compounds and iodonium compounds) are disclosed.

さらに、特許文献5には、酸無水物と無機塩とを反応させ、スルホンハロゲンとスルホン酸塩を同時に持つ化合物を合成する方法が開示されている。   Further, Patent Document 5 discloses a method of synthesizing a compound having a sulfone halogen and a sulfonate at the same time by reacting an acid anhydride with an inorganic salt.

米国特許出願公開公報US6670424号US Patent Application Publication No. US 6670424 特開2002−324559号公報JP 2002-324559 A 特開2005−248104号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-248104 特開2007−3619号公報JP 2007-3619 A 欧州特許公開公報EP0280392号European Patent Publication No. EP0280392

燃料電池を高温低加湿又は無加湿で運転することが近年重要視されている。そのような条件下でも高いプロトン伝導度を発現させるためには、電解質膜だけでなく、電解質アイオノマもまた高いイオン交換容量を有している必要がある。
しかしながら、側鎖にスルホン酸基を持つ電解質をスルホンアミド化し、スルホンアミド化された電解質と両末端にスルホニルハライド基を備えた化合物とを反応させると、側鎖にスルホンイミド基が導入されるだけでなく、ポリマ同士の架橋反応も起こる。そのため、得られた電解質の溶媒への溶解度は、元の電解質に比べて低下する。また、溶解度の低下が著しい場合には、電解質が均一に溶解又は分散している溶液を作ることができない。そのため、このような電解質を触媒層アイオノマに応用するのは困難である。
In recent years, it has been important to operate a fuel cell at high temperature and low humidity or without humidification. In order to develop high proton conductivity even under such conditions, not only the electrolyte membrane but also the electrolyte ionomer needs to have a high ion exchange capacity.
However, when an electrolyte having a sulfonic acid group in the side chain is sulfonamidated and the sulfonamidated electrolyte is reacted with a compound having a sulfonyl halide group at both ends, only a sulfonimide group is introduced into the side chain. In addition, a cross-linking reaction between polymers occurs. Therefore, the solubility of the obtained electrolyte in the solvent is lower than that of the original electrolyte. In addition, when the decrease in solubility is significant, it is impossible to make a solution in which the electrolyte is uniformly dissolved or dispersed. Therefore, it is difficult to apply such an electrolyte to the catalyst layer ionomer.

一方、特許文献2に開示されているように、スルホンアミド化された電解質とFO2S−CF2−CF2−CF2−Iとを反応させると、実質的にポリマ間を架橋させることなく、側鎖にスルホンイミド基を導入することができる。しかしながら、この方法は、複数段階の反応を減るため、工程が煩雑となる。
さらに、カソード側の電極反応を促進させるためには、触媒層アイオノマで覆われた触媒に酸素及びプロトンを効率よく供給する必要がある。そのためには、カソード側の触媒層アイオノマは、酸素透過性及びプロトン伝導性に優れている必要がある。しかしながら、酸素透過性及びプロトン伝導性を高度に両立させた電解質が提案された例は、従来にはない。
On the other hand, as disclosed in Patent Document 2, when a sulfonamidated electrolyte and FO 2 S—CF 2 —CF 2 —CF 2 —I are reacted, the polymers are not substantially crosslinked. A sulfonimide group can be introduced into the side chain. However, this method reduces the number of steps of the reaction, and thus the process becomes complicated.
Furthermore, in order to promote the electrode reaction on the cathode side, it is necessary to efficiently supply oxygen and protons to the catalyst covered with the catalyst layer ionomer. For this purpose, the cathode-side catalyst layer ionomer needs to be excellent in oxygen permeability and proton conductivity. However, there has never been an example in which an electrolyte having a high degree of oxygen permeability and proton conductivity has been proposed.

本発明が解決しようとする課題は、低EWであり、高いプロトン伝導度を発現させることが可能であり、かつ、溶媒に対する高い可溶性を備え、触媒層アイオノマへの応用が可能な改質電解質及びその製造方法を提供することにある。
本発明が解決しようとする他の課題は、工程を煩雑化させることなく、低EWで、かつ、溶媒に対する高い可溶性を備えた改質電解質及びその製造方法を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、高プロトン伝導性に加えて、酸素透過性に優れた改質電解質及びその製造方法を提供することにある。
A problem to be solved by the present invention is a modified electrolyte that has a low EW, can exhibit high proton conductivity, has high solubility in a solvent, and can be applied to a catalyst layer ionomer. It is in providing the manufacturing method.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a modified electrolyte having low EW and high solubility in a solvent and a method for producing the same without complicating the process.
Another object of the present invention is to provide a modified electrolyte excellent in oxygen permeability in addition to high proton conductivity and a method for producing the same.

上記課題を解決するために本発明に係る改質電解質は、(1.1)式〜(1.3)式で表されるいずれかの構造を備えていることを要旨とする。   In order to solve the above problems, the modified electrolyte according to the present invention is summarized as having any structure represented by the formulas (1.1) to (1.3).

Figure 0005540681
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本発明に係る改質電解質の製造方法は、
スルホンアミドポリマと、(3.1)〜(3.4)式で表されるいずれか1以上の改質剤とを反応させ、前記スルホンアミドポリマと前記改質剤とをスルホニルイミド基(−SO2NHSO2−)を介して結合させる反応工程
を備えている。
A method for producing a modified electrolyte according to the present invention includes:
The sulfonamide polymer is reacted with any one or more modifiers represented by the formulas (3.1) to (3.4), and the sulfonamide polymer and the modifier are reacted with a sulfonylimide group (- A reaction step of bonding via SO 2 NHSO 2 —).

X−[O2S(CF2)nSO2NH]a−SO24 ・・・(3.1)
但し、Xは、ハロゲン
nは、1以上の整数で、繰り返し単位の中で任意に選択することができる
aは、1以上の整数
4は、OH、又は、パーフルオロカーボン基
X- [O 2 S (CF 2 ) n SO 2 NH] a -SO 2 R 4 ··· (3.1)
However, X is halogen n is 1 or more integer, a, which can be arbitrarily selected in the repeating unit, an integer of 1 or more R 4 are, OH, or a perfluorocarbon group

X−[O2S(CF2)nSO2NH]a−SO25 ・・・(3.2)
但し、Xは、ハロゲン
nは、1以上の整数で、繰り返し単位の中で任意に選択することができる
aは、1以上の整数
5は、芳香族基
X- [O 2 S (CF 2 ) n SO 2 NH] a -SO 2 R 5 ··· (3.2)
However, X is halogen n is an integer of 1 or more, a which may be arbitrarily selected in the repeating unit, an integer of 1 or more R 5 is an aromatic group

XO2S−(CF2)n−SO26 ・・・(3.3)
但し、Xは、ハロゲン
nは、1以上の整数
6は、OH、OM(Mはアルカリ金属)、パーフルオロカーボン基、又は、芳香族基
XO 2 S- (CF 2) n -SO 2 R 6 ··· (3.3)
X is halogen n is an integer of 1 or more R 6 is OH, OM (M is an alkali metal), perfluorocarbon group, or aromatic group

Figure 0005540681
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前記スルホンアミドポリマは、(2)式で表される構造を備えているものが好ましい。   The sulfonamide polymer preferably has a structure represented by the formula (2).

Figure 0005540681
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さらに、本発明に係る改質剤は、(3.1)式で表される構造を備え、電解質を改質するために用いられることを要旨とする。
X−[O2S(CF2)nSO2NH]a−SO24 ・・・(3.1)
但し、Xは、ハロゲン
nは、1以上の整数で、繰り返し単位の中で任意に選択することができる
aは、1以上の整数
4は、OH、又は、パーフルオロカーボン基
Further, the modifier of the present invention is summarized in that used to modify the Bei example, electrolyte structure represented by (3.1) below.
X- [O 2 S (CF 2 ) n SO 2 NH] a -SO 2 R 4 ··· (3.1)
However, X is halogen n is 1 or more integer, a, which can be arbitrarily selected in the repeating unit, an integer of 1 or more R 4 are, OH, or a perfluorocarbon group

(3.1)〜(3.3)式で表される改質剤は、1個のスルホニルハライド基を備え、−I基を備えていない。また、(3.4)式で表される改質剤は、スルホンアミドポリマとの反応過程で(3.3)式で表される改質剤又はその誘導体を生成すると考えられる。そのため、これらのいずれかとスルホンアミドポリマとを反応させると、側鎖に容易にスルホンイミド基を導入することができる。両端がパーフルオロアルキル基で挟まれたスルホンイミド基は、強酸基として機能するので、スルホンイミド基の導入により、元のポリマに比べてEWが低下する。また、改質剤との反応時に、ポリマ間に架橋構造が導入されることがない。さらに、(3.1)〜(3.4)式で表される改質剤は、−I基を持たないので、製造工程を煩雑化させることもない。
さらに、末端が疎水基(特に、親水基を持たないパーフルオロカーボン基)である改質剤を用いて改質すると、高いプロトン伝導性を示し、かつ、高い酸素透過度を示す改質電解質が得られる。
The modifiers represented by the formulas (3.1) to (3.3) have one sulfonyl halide group and no -I group. Moreover, it is thought that the modifier represented by the formula (3.4) generates the modifier represented by the formula (3.3) or a derivative thereof in the reaction process with the sulfonamide polymer. Therefore, when any of these is reacted with a sulfonamide polymer, a sulfonimide group can be easily introduced into the side chain. Since the sulfonimide group having both ends sandwiched between perfluoroalkyl groups functions as a strong acid group, the introduction of the sulfonimide group lowers the EW compared to the original polymer. Further, no cross-linked structure is introduced between the polymers during the reaction with the modifier. Furthermore, since the modifier represented by the formulas (3.1) to (3.4) does not have the -I group, the manufacturing process is not complicated.
Furthermore, a modified electrolyte that exhibits high proton conductivity and high oxygen permeability can be obtained by modifying with a modifier having a hydrophobic group at the end (particularly a perfluorocarbon group having no hydrophilic group). It is done.

実施例1で得られた改質電解質の19F NMRスペクトルである。2 is a 19 F NMR spectrum of the modified electrolyte obtained in Example 1. 実施例2で得られた改質電解質の19F NMRスペクトルである。3 is a 19 F NMR spectrum of the modified electrolyte obtained in Example 2. 実施例5〜7で得られた改質電解質膜及び比較例2の電解質膜の末端炭素数と酸素透過度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the terminal carbon number of the modified electrolyte membrane obtained in Examples 5-7, and the electrolyte membrane of the comparative example 2, and oxygen permeability.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 改質電解質(1)]
本発明の第1の実施の形態に係る改質電解質は、(1.1)式で表される構造を備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Modified electrolyte (1)]
The modified electrolyte according to the first embodiment of the present invention has a structure represented by the formula (1.1).

Figure 0005540681
Figure 0005540681

Pは、パーフルオロアルキル鎖又は炭化水素鎖を表す。Qは、パーフルオロアルキル鎖、炭化水素鎖又は直接結合を表す。
「パーフルオロアルキル鎖」とは、C−F結合を含み、かつ、C−H結合を含まない鎖状構造をいう。パーフルオロアルキル鎖は、C−F結合に加えて、エーテル結合(−O−)、スルホニル結合(−SO2−)などを含んでいても良い。パーフルオロアルキル鎖は、直鎖状であっても良く、あるいは、分枝構造を備えていても良い。
「炭化水素鎖」とは、C−H結合を含む鎖状構造をいう。炭化水素鎖は、C−H結合に加えて、C−F結合、エーテル結合(−O−)、スルホニル結合(−SO2−)などを含んでいても良い。炭化水素鎖は、直鎖状であっても良く、あるいは、分枝構造を備えていても良い。
P represents a perfluoroalkyl chain or a hydrocarbon chain. Q represents a perfluoroalkyl chain, a hydrocarbon chain or a direct bond.
A “perfluoroalkyl chain” refers to a chain structure containing a C—F bond and no C—H bond. The perfluoroalkyl chain may contain an ether bond (—O—), a sulfonyl bond (—SO 2 —) and the like in addition to the C—F bond. The perfluoroalkyl chain may be linear or may have a branched structure.
“Hydrocarbon chain” refers to a chain structure containing a C—H bond. The hydrocarbon chain may contain a C—F bond, an ether bond (—O—), a sulfonyl bond (—SO 2 —) and the like in addition to the C—H bond. The hydrocarbon chain may be linear or may have a branched structure.

Pを構成するパーフルオロアルキル鎖としては、具体的には、
(1) −[CF2−CF2]x−[CF2−CF(−)]y−、
(2) −[CF2−CF2]x−[CF2−CF(CF3)]y−[CF2−CF(−)]z−、
などがある。
Pを構成する炭化水素鎖としては、具体的には、
(1) −[C64−SO2]x−(C63−)y−、
(2) −(C64−O)x−(C64−SO2)y−(C63−)z−、
(3) −[C64−C(CF3)2]x−(C63−)y−、
などがある。
As the perfluoroalkyl chain constituting P, specifically,
(1) - [CF 2 -CF 2] x - [CF 2 -CF (-)] y -,
(2) - [CF 2 -CF 2] x - [CF 2 -CF (CF 3)] y - [CF 2 -CF (-)] z -,
and so on.
As the hydrocarbon chain constituting P, specifically,
(1)-[C 6 H 4 -SO 2 ] x- (C 6 H 3- ) y- ,
(2) - (C 6 H 4 -O) x - (C 6 H 4 -SO 2) y - (C 6 H 3 -) z -,
(3) - [C 6 H 4 -C (CF 3) 2] x - (C 6 H 3 -) y -,
and so on.

Qを構成するパーフルオロアルキル鎖としては、具体的には、
(1) −OCF2CF(CF3)−、
(2) −[OCF2CF(CF3)]l−O−、
(3) −O(CF2)2−、
などがある。
Qを構成する炭化水素鎖としては、具体的には、
(1) −C64−、
(2) −(SO2−C64)−、
などがある。
As the perfluoroalkyl chain constituting Q, specifically,
(1) -OCF 2 CF (CF 3) -,
(2) - [OCF 2 CF (CF 3)] l -O-,
(3) -O (CF 2 ) 2- ,
and so on.
As the hydrocarbon chain constituting Q, specifically,
(1) -C 6 H 4 - ,
(2) - (SO 2 -C 6 H 4) -,
and so on.

Xは、水素又はフッ素を表す。
1個のCに結合している2個のXは、双方が水素又はフッ素であっても良く、あるいは一方が水素で他方がフッ素であっても良い。m≧2である場合、Xは、同一であっても良く、あるいは、繰り返し単位毎に異なっていても良い。
X represents hydrogen or fluorine.
Two Xs bonded to one C may both be hydrogen or fluorine, or one may be hydrogen and the other may be fluorine. When m ≧ 2, X may be the same or different for each repeating unit.

mは、0以上の整数であり、−(CX2)−の繰り返し数を表す。
一般に、mが大きくなるほど、側鎖の疎水部が伸びるため、親水・疎水のモルフォロジ構造が取りやすくなる。mは、1以上が好ましい。
一方、mが大きくなりすぎると、分子量が増えるため、酸基密度低下によりプロトン伝導度が下がる。従って、mは、3以下が好ましい。
m is an integer of 0 or more, - (CX 2) - represents the number of repetitions.
In general, as m increases, the hydrophobic portion of the side chain extends, so that a hydrophilic / hydrophobic morphology structure is easily obtained. m is preferably 1 or more.
On the other hand, if m is too large, the molecular weight increases, and the proton conductivity decreases due to a decrease in acid group density. Accordingly, m is preferably 3 or less.

nは、1以上の整数であり、−(CF2)−の繰り返し数を表す。
一般に、nが大きくなるほど、改質電解質の製造に用いられる改質剤の合成が容易となる。nは、2以上が好ましく、さらに好ましくは、3以上である。
一方、nが大きくなりすぎると、改質電解質が溶媒に溶けにくくなる。また、酸基同士の間隔が長くなるために分子量が増加し、酸基の増加の効果が少なくなる。従って、nは、4以下が好ましい。
a≧2である場合、繰り返し単位中に含まれるnは、同一であっても良く、あるいは、繰り返し単位毎に異なっていても良い。
n is an integer of 1 or more, - (CF 2) - represents the number of repetitions.
In general, the larger n is, the easier it is to synthesize the modifier used in the production of the modified electrolyte. n is preferably 2 or more, and more preferably 3 or more.
On the other hand, when n becomes too large, the modified electrolyte becomes difficult to dissolve in the solvent. In addition, since the distance between the acid groups is increased, the molecular weight is increased, and the effect of increasing the acid groups is reduced. Therefore, n is preferably 4 or less.
When a ≧ 2, n contained in the repeating unit may be the same or may be different for each repeating unit.

aは、1以上の整数であり、−[SO2(CF2)nSO2NH]−の繰り返し数を表す。
一般に、aが大きくなるほど、酸基の数が多くなり、プロトン伝導度が大きくなる。高いプロトン伝導度を得るためには、aは、2以上が好ましい。
一方、aが大きくなりすぎると、含水率が高くなり、膨潤が大きくなる。従って、aは、3以下が好ましい。
a is an integer of 1 or more, and represents the number of repetitions of — [SO 2 (CF 2 ) n SO 2 NH] —.
In general, the larger a is, the greater the number of acid groups and the higher the proton conductivity. In order to obtain high proton conductivity, a is preferably 2 or more.
On the other hand, if a is too large, the moisture content increases and swelling increases. Therefore, a is preferably 3 or less.

1は、OH、又は、パーフルオロカーボン基を表す。
「パーフルオロカーボン基」とは、C−F結合を含み、かつ、C−H結合を含まない1価の基をいう。パーフルオロカーボン基は、C−F結合に加えて、各種の官能基(例えば、−CO2H、−PO32、−SO3Hなど)、エーテル結合(−O−)、スルホニル結合(−SO2−)などを含んでいても良い。さらに、パーフルオロカーボン基は、鎖式構造を備えていても良く、あるいは、脂環式構造を備えていても良い。
「鎖式構造を備えたパーフルオロカーボン基」とは、C−F結合を含み、C−H結合を含まず、かつ、環状構造を備えていない基を言う。鎖式構造は、直鎖状又は分岐状のいずれであっても良い。また、鎖式構造は、飽和結合(単結合)のみを備えていても良く、あるいは、これに代えて又はこれに加えて不飽和結合を備えていても良い。
「脂環式構造を備えたパーフルオロカーボン基」とは、C−F結合を含み、C−H結合を含まず、かつ、芳香環以外の環状構造を備えた基を言う。環状構造は、3員環以上であればよく、環内で架橋していても良い。
R 1 represents OH or a perfluorocarbon group.
The “perfluorocarbon group” refers to a monovalent group containing a C—F bond and not containing a C—H bond. In addition to the C—F bond, the perfluorocarbon group includes various functional groups (for example, —CO 2 H, —PO 3 H 2 , —SO 3 H, etc.), an ether bond (—O—), a sulfonyl bond (— SO 2 —) and the like may be included. Furthermore, the perfluorocarbon group may have a chain structure or an alicyclic structure.
The “perfluorocarbon group having a chain structure” refers to a group containing a C—F bond, no C—H bond, and no cyclic structure. The chain structure may be linear or branched. In addition, the chain structure may include only a saturated bond (single bond), or may include an unsaturated bond instead of or in addition to this.
The “perfluorocarbon group having an alicyclic structure” refers to a group having a C—F bond, no C—H bond, and having a cyclic structure other than an aromatic ring. The cyclic structure may be a three-membered ring or more, and may be crosslinked within the ring.

1がパーフルオロカーボン基である場合、改質電解質は、いずれか1種のR1が含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
パーフルオロカーボン基R1としては、具体的には、以下のようなものがある。
(1)−(CF2)kCF3(kは0以上9以下の整数。例えば、−CF3、−(CF2)3CF3、−(CF2)7CF3など。)。
(2)−(CF2)kCF(CF3)2(kは0以上8以下の整数。例えば、−(CF2)2CF(CF3)2など。)。
(3)−Ck2k-1(脂環式構造:kは3以上10以下の整数。例えば、−C611など)。
(4)−(CF2)kOCF3(kは1以上10以下の整数。例えば、−(CF2)3OCF3など。)。
(5)−(CF2)kPO32(kは1以上10以下の整数。例えば、−(CF2)3PO32など。)。
(6)−(CF2)kCO2H(kは1以上10以下の整数。例えば、−(CF2)3CO2Hなど。)。
(7)−(CF2)kSO3H(kは1以上10以下の整数。例えば、−(CF2)3SO3Hなど。)。
When R 1 is a perfluorocarbon group, the modified electrolyte may contain any one type of R 1 , or may contain two or more types.
Specific examples of the perfluorocarbon group R 1 include the following.
(1) - (CF 2) k CF 3 (k is 0 to 9 integer e.g., -CF 3, -. (CF 2) 3 CF 3, - such as (CF 2) 7 CF 3. ).
(2) - (CF 2) k CF (CF 3) 2 (k is 0 to 8 integer example, -. (CF 2) 2 CF (CF 3) 2 and the like.).
(3) -C k F 2k- 1 ( alicyclic structure:. K is 3 to 10 integer example, -C 6 F 11, etc.).
(4)-(CF 2 ) k OCF 3 (k is an integer of 1 to 10, for example,-(CF 2 ) 3 OCF 3 etc.).
(5) - (CF 2) k PO 3 H 2 (k is 1 to 10 integer example, -. (Such as CF 2) 3 PO 3 H 2 .).
(6) - (CF 2) k CO 2 H (k is 1 to 10 integer example, -. (CF 2) such as 3 CO 2 H.).
(7) - (CF 2) k SO 3 H (k is 1 to 10 integer example, -. (CF 2) such as 3 SO 3 H.).

(1.1)式で表される改質電解質の中でも、特に、(1.1.1)〜(1.1.5)式で表されるものが好ましい。   Among the modified electrolytes represented by the formula (1.1), those represented by the formulas (1.1.1) to (1.1.5) are particularly preferable.

Figure 0005540681
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Figure 0005540681
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(1.1)式で表される改質電解質において、分子構造(特に、繰り返し単位数a)を最適化すると、EWを低くすることができる。具体的には、分子構造を最適化することによって、EWは、1000g/mol以下となる。高いプロトン伝導度を得るためには、EWは、さらに好ましくは、820g/mol以下、さらに好ましくは、740g/mol以下である。
また、(1.1)式で表される改質電解質において、分子構造を最適化すると、改質電解質の溶媒に対する溶解度を高く維持することができる。(1.1)式で表される電解質において、分子構造を最適化すると、溶解度は、1wt%以上となる。触媒層アイオノマへの応用を容易化するためには、溶解度は、2wt%以上が好ましく、さらに好ましくは、5wt%以上である。
ここで、本発明において、「溶解度」とは、改質電解質の重量濃度を言う。また、溶液中のポリマ微粒子の光散乱で測定される平均粒子径が10〜1000nmであることが好ましい。さらに好ましくは、10〜500nmである。
In the modified electrolyte represented by the formula (1.1), EW can be lowered by optimizing the molecular structure (particularly, the number of repeating units a). Specifically, the EW is 1000 g / mol or less by optimizing the molecular structure. In order to obtain high proton conductivity, EW is more preferably 820 g / mol or less, and further preferably 740 g / mol or less.
In the modified electrolyte represented by the formula (1.1), when the molecular structure is optimized, the solubility of the modified electrolyte in the solvent can be maintained high. In the electrolyte represented by the formula (1.1), when the molecular structure is optimized, the solubility is 1 wt% or more. In order to facilitate application to the catalyst layer ionomer, the solubility is preferably 2 wt% or more, and more preferably 5 wt% or more.
Here, in the present invention, “solubility” refers to the weight concentration of the modified electrolyte. Moreover, it is preferable that the average particle diameter measured by the light scattering of the polymer fine particle in a solution is 10-1000 nm. More preferably, it is 10-500 nm.

また、(1.1)式で表される改質電解質の中でも、R1が疎水基(すなわち、スルホン酸基等の親水基を持たないパーフルオロカーボン基)であるものが好ましい。側鎖の末端にこれらの疎水基を設けると、改質電解質の酸素透過性が向上する。
高い酸素透過性を得るためには、R1の炭素数は、2以上が好ましい。R1の炭素数は、さらに好ましくは、3以上である。
一方、R1の炭素数が多くなりすぎると、一般溶媒に溶解しなくなるという問題がある。従って、R1の炭素数は、20以下が好ましい。R1の炭素数は、さらに好ましくは、10以下である。
例えば、R1が−(CF2)kCF3である場合、kは1以上9以下が好ましく、さらに好ましくは、3以上7以下である。
また、R1が−(CF2)kCF(CF3)2である場合、kは0以上8以下が好ましく、さらに好ましくは、2以上6以下である。
また、R1が−Ck2k-1である場合、kは3以上10以下が好ましく、さらに好ましくは、5以上8以下である。
Among the modified electrolytes represented by the formula (1.1), those in which R 1 is a hydrophobic group (that is, a perfluorocarbon group having no hydrophilic group such as a sulfonic acid group) are preferable. When these hydrophobic groups are provided at the end of the side chain, the oxygen permeability of the modified electrolyte is improved.
In order to obtain high oxygen permeability, the carbon number of R 1 is preferably 2 or more. More preferably, the carbon number of R 1 is 3 or more.
On the other hand, if R 1 has too many carbon atoms, there is a problem that it cannot be dissolved in a general solvent. Therefore, the carbon number of R 1 is preferably 20 or less. The carbon number of R 1 is more preferably 10 or less.
For example, when R 1 is — (CF 2 ) k CF 3 , k is preferably 1 or more and 9 or less, and more preferably 3 or more and 7 or less.
Further, when R 1 is — (CF 2 ) k CF (CF 3 ) 2 , k is preferably 0 or more and 8 or less, and more preferably 2 or more and 6 or less.
Further, when R 1 is -C k F 2k-1, k is preferably 3 to 10, more preferably is 5 to 8.

[2. 改質電解質(2)]
本発明の第2の実施の形態に係る改質電解質は、(1.2)式で表される構造を備えている。(1.2)式中、P、Q、X、m、n、及び,aは、それぞれ、(1.1)式と同様であるので説明を省略する。
[2. Modified electrolyte (2)]
The modified electrolyte according to the second embodiment of the present invention has a structure represented by the formula (1.2). In the formula (1.2), P, Q, X, m, n, and a are the same as those in the formula (1.1), and the description thereof is omitted.

Figure 0005540681
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2は、芳香族基を表す。「芳香族基」とは、単環又は多環の芳香環を備えた1価の基をいう。芳香族基は、エーテル結合(−O−)、スルホニル結合(−SO2−)、スルホンイミド結合(−NHSO2−)、ポリフェニレン(−[C64]b−(b≧2))などを含んでいても良い。
芳香族基としては、具体的には、
(1)フェニル(−C65)、ナフチル(−C107)、アントラセン(−C149)、
(2)−(C64)n−C65(nは1以上の整数)、
(3)−(C64)n−(SO264)p−(C65)(n、pは1以上の整数)、
などがある。
R 2 represents an aromatic group. “Aromatic group” refers to a monovalent group having a monocyclic or polycyclic aromatic ring. Aromatic groups include ether bond (—O—), sulfonyl bond (—SO 2 —), sulfonimide bond (—NHSO 2 —), polyphenylene (— [C 6 H 4 ] b — (b ≧ 2)), etc. May be included.
As an aromatic group, specifically,
(1) phenyl (—C 6 H 5 ), naphthyl (—C 10 H 7 ), anthracene (—C 14 H 9 ),
(2) - (C 6 H 4) n -C 6 H 5 (n is an integer of 1 or more),
(3) - (C 6 H 4) n - (SO 2 C 6 H 4) p - (C 6 H 5) (n, p is an integer of 1 or more),
and so on.

(1.2)式で表される改質電解質の中でも、特に、(1.2.1)式で表されるものが好ましい。   Among the modified electrolytes represented by the formula (1.2), those represented by the formula (1.2.1) are particularly preferable.

Figure 0005540681
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(1.2)式で表される改質電解質において、分子構造(特に、繰り返し単位数a)を最適化すると、EWを低くすることができる。具体的には、分子構造を最適化することによって、EWは、1000g/mol以下となる。高いプロトン伝導度を得るためには、EWは、さらに好ましくは、820g/mol以下、さらに好ましくは、740g/mol以下である。
また、(1.2)式で表される改質電解質において、分子構造を最適化すると、改質電解質の溶媒に対する溶解度を高く維持することができる。(1.2)式で表される電解質において、分子構造を最適化すると、溶解度は、1wt%以上となる。触媒層アイオノマへの応用を容易化するためには、溶解度は、2wt%以上が好ましく、さらに好ましくは、5wt%以上である。
In the modified electrolyte represented by the formula (1.2), EW can be lowered by optimizing the molecular structure (particularly, the number of repeating units a). Specifically, the EW is 1000 g / mol or less by optimizing the molecular structure. In order to obtain high proton conductivity, EW is more preferably 820 g / mol or less, and further preferably 740 g / mol or less.
In the modified electrolyte represented by the formula (1.2), when the molecular structure is optimized, the solubility of the modified electrolyte in the solvent can be maintained high. In the electrolyte represented by the formula (1.2), when the molecular structure is optimized, the solubility is 1 wt% or more. In order to facilitate application to the catalyst layer ionomer, the solubility is preferably 2 wt% or more, and more preferably 5 wt% or more.

[3. 改質電解質(3)]
本発明の第3の実施の形態に係る改質電解質は、(1.3)式で表される構造を備えている。(1.3)式中、P、Q、X、m及びnは、それぞれ、(1.1)式と同様であるので説明を省略する。
[3. Modified electrolyte (3)]
The modified electrolyte according to the third embodiment of the present invention has a structure represented by the formula (1.3). In the formula (1.3), P, Q, X, m, and n are the same as those in the formula (1.1), and the description thereof is omitted.

Figure 0005540681
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3は、OH、パーフルオロカーボン基、又は、芳香族基を表す。パーフルオロカーボン基及び芳香族基は、それぞれ、(1.1)式及び(1.2)式中のパーフルオロカーボン基及び芳香族基と同様であるので説明を省略する。 R 3 represents OH, a perfluorocarbon group, or an aromatic group. The perfluorocarbon group and the aromatic group are the same as the perfluorocarbon group and the aromatic group in the formulas (1.1) and (1.2), respectively, and thus description thereof is omitted.

(1.3)式で表される改質電解質の中でも、特に、(1.3.1)式で表されるものが好ましい。   Among the modified electrolytes represented by the formula (1.3), those represented by the formula (1.3.1) are particularly preferable.

Figure 0005540681
Figure 0005540681

(1.3)式で表される改質電解質において、分子構造を最適化すると、EWを低くすることができる。具体的には、分子構造を最適化することによって、EWは、1000g/mol以下となる。高いプロトン伝導度を得るためには、EWは、さらに好ましくは、820g/mol以下、さらに好ましくは、740g/mol以下である。
また、(1.3)式で表される改質電解質において、分子構造を最適化すると、改質電解質の溶媒に対する溶解度を高く維持することができる。(1.3)式で表される電解質において、分子構造を最適化すると、溶解度は、1wt%以上となる。触媒層アイオノマへの応用を容易化するためには、溶解度は、2wt%以上が好ましく、さらに好ましくは、5wt%以上である。
In the modified electrolyte represented by the formula (1.3), EW can be lowered by optimizing the molecular structure. Specifically, the EW is 1000 g / mol or less by optimizing the molecular structure. In order to obtain high proton conductivity, EW is more preferably 820 g / mol or less, and further preferably 740 g / mol or less.
In the modified electrolyte represented by the formula (1.3), when the molecular structure is optimized, the solubility of the modified electrolyte in the solvent can be maintained high. In the electrolyte represented by the formula (1.3), when the molecular structure is optimized, the solubility is 1 wt% or more. In order to facilitate application to the catalyst layer ionomer, the solubility is preferably 2 wt% or more, and more preferably 5 wt% or more.

また、(1.3)式で表される改質電解質の中でも、R3が疎水基であるものが好ましい。R3が疎水基である場合、改質電解質の酸素透過性が向上する。疎水基の詳細については、R1と同様であるので、説明を省略する。 Of the modified electrolytes represented by the formula (1.3), those in which R 3 is a hydrophobic group are preferred. When R 3 is a hydrophobic group, the oxygen permeability of the modified electrolyte is improved. The details of the hydrophobic group are the same as those for R 1, and thus the description thereof is omitted.

[4. 改質電解質の製造方法]
本発明に係る改質電解質の製造方法は、スルホンアミドポリマと、改質剤とを反応させる反応工程を備えている。
[4. Method for producing modified electrolyte]
The method for producing a modified electrolyte according to the present invention includes a reaction step of reacting a sulfonamide polymer and a modifier.

[4.1. スルホンアミドポリマ]
スルホンアミドポリマとは、スルホンアミド基(−SO2NH2)を備えたポリマをいう。本発明において、スルホンアミドポリマの構造は特に限定されるものではなく、スルホンアミド基を備えたすべてのポリマに対して本発明を適用することができる。
これらの中でも、スルホンアミドポリマは、(2)式で表される構造を備えたポリマが好ましい。(2)式中のP、Q、X及びmについては、(1.1)式と同様であるので、説明を省略する。
[4.1. Sulfonamide polymer]
The sulfonamide polymer refers to a polymer having a sulfonamide group (—SO 2 NH 2 ). In the present invention, the structure of the sulfonamide polymer is not particularly limited, and the present invention can be applied to all polymers having a sulfonamide group.
Among these, the sulfonamide polymer is preferably a polymer having a structure represented by the formula (2). Since P, Q, X, and m in the formula (2) are the same as those in the formula (1.1), description thereof is omitted.

Figure 0005540681
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(2)式で表されるスルホンアミドポリマとしては、具体的には、
(1)パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマのスルホン酸基をスルホンアミド基に変換したパーフルオロカーボンスルホンアミドポリマ、
(2)ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸ポリマのスルホン酸基をスルホンアミド基に変換したポリエーテルエーテルケトンスルホンアミドポリマ、
などがある。
As the sulfonamide polymer represented by the formula (2), specifically,
(1) A perfluorocarbon sulfonamide polymer obtained by converting a sulfonic acid group of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer into a sulfonamide group,
(2) a polyether ether ketone sulfonamide polymer obtained by converting a sulfonic acid group of a polyether ether ketone sulfonic acid polymer into a sulfonamide group,
and so on.

[4.2. 改質剤]
「改質剤」とは、
(1)1個の反応点(すなわち、スルホニルハライド基)を持つ化合物、又は、
(2)1個の反応点を持つ化合物を生成可能な化合物
をいう。
改質剤としては、具体的には、以下のようなものがある。これらの改質剤は、いずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
[4.2. Modifier]
"Modifier"
(1) a compound having one reaction point (that is, a sulfonyl halide group), or
(2) A compound capable of producing a compound having one reaction point.
Specific examples of the modifier include the following. Any one of these modifiers may be used, or two or more thereof may be used in combination.

[4.2.1. 第1の具体例]
改質剤の第1の具体例は、(3.1)式で表される化合物からなる。
X−[O2S(CF2)nSO2NH]a−SO24 ・・・(3.1)
但し、Xは、ハロゲン
nは、1以上の整数で、繰り返し単位の中で任意に選択することができる
aは、1以上の整数
4は、OH、又は、パーフルオロカーボン基
(3.1)式中、n、a及びR4は、それぞれ、(1.1)式中のn、a及びR1と同様であるので説明を省略する。
[4.2.1. First specific example]
A first specific example of the modifier is composed of a compound represented by the formula (3.1).
X- [O 2 S (CF 2 ) n SO 2 NH] a -SO 2 R 4 ··· (3.1)
However, X is halogen n is an integer of 1 or more and can be arbitrarily selected in the repeating unit a is an integer of 1 or more R 4 is OH or a perfluorocarbon group (3.1) In the formula, n, a, and R 4 are the same as n, a, and R 1 in the formula (1.1), respectively, and thus description thereof is omitted.

(3.1)式で表される改質剤の中でも、特に、
(1)F−[O2S(CF2)3SO2NH]a−SO3H(a≧1)、
(2)F−[O2S(CF2)3SO2NH]a−SO2CF3(a≧1)、
(3)F−[O2S(CF2)3SO2NH]a−SO2(CF2)3CF3(a≧1)、
(4)F−[O2S(CF2)3SO2NH]a−SO2(CF2)7CF3(a≧1)、
(5)F−[O2S(CF2)3SO2NH]a−SO2(CF2)2CF(CF3)2(a≧1)、
(6)F−[O2S(CF2)3SO2NH]a−SO2611(a≧1)、
などが好ましい。
Among the modifiers represented by the formula (3.1),
(1) F— [O 2 S (CF 2 ) 3 SO 2 NH] a —SO 3 H (a ≧ 1),
(2) F- [O 2 S (CF 2 ) 3 SO 2 NH] a —SO 2 CF 3 (a ≧ 1),
(3) F- [O 2 S (CF 2 ) 3 SO 2 NH] a —SO 2 (CF 2 ) 3 CF 3 (a ≧ 1),
(4) F— [O 2 S (CF 2 ) 3 SO 2 NH] a —SO 2 (CF 2 ) 7 CF 3 (a ≧ 1),
(5) F— [O 2 S (CF 2 ) 3 SO 2 NH] a —SO 2 (CF 2 ) 2 CF (CF 3 ) 2 (a ≧ 1),
(6) F— [O 2 S (CF 2 ) 3 SO 2 NH] a —SO 2 C 6 F 11 (a ≧ 1),
Etc. are preferable.

[4.2.2. 第2の具体例]
改質剤の第2の具体例は、(3.2)式で表される化合物からなる。
X−[O2S(CF2)nSO2NH]a−SO25 ・・・(3.2)
但し、Xは、ハロゲン
nは、1以上の整数
aは、1以上の整数
5は、芳香族基
(3.2)式中、n、a及びR5は、それぞれ、(1.2)式中のn、a及びR2と同様であるので説明を省略する。
[4.2.2. Second specific example]
A second specific example of the modifying agent is a compound represented by the formula (3.2).
X- [O 2 S (CF 2 ) n SO 2 NH] a -SO 2 R 5 ··· (3.2)
However, X is halogen n is 1 or more integer a is the integer of 1 or more R 5, in an aromatic group (3.2) formula, n, a and R 5, respectively, (1.2) Since it is the same as n, a and R 2 in the formula, description thereof is omitted.

(3.2)式で表される改質剤の中でも、特に、
(1) F−[O2S(CF2)3SO2NH]a−SO265(a≧1)、
(2) F−[O2S(CF2)3SO2NH]a−SO2(C64)n65(a≧1)、
などが好ましい。
Among the modifiers represented by the formula (3.2),
(1) F— [O 2 S (CF 2 ) 3 SO 2 NH] a —SO 2 C 6 H 5 (a ≧ 1),
(2) F— [O 2 S (CF 2 ) 3 SO 2 NH] a —SO 2 (C 6 H 4 ) n C 6 H 5 (a ≧ 1),
Etc. are preferable.

[4.2.3. 第3の具体例]
改質剤の第3の具体例は、(3.3)式で表される化合物からなる。
XO2S−(CF2)n−SO26 ・・・(3.3)
但し、Xは、ハロゲン
nは、1以上の整数
6は、OH、OM(Mはアルカリ金属)、パーフルオロカーボン基、又は、芳香族基
[4.2.3. Third specific example]
A third specific example of the modifying agent is a compound represented by the formula (3.3).
XO 2 S- (CF 2) n -SO 2 R 6 ··· (3.3)
X is halogen n is an integer of 1 or more R 6 is OH, OM (M is an alkali metal), perfluorocarbon group, or aromatic group

(3.3)式において、R6は、OH、パーフルオロカーボン基又は芳香族基に加えて、OM(Mはアルカリ金属)である場合がある。
6に関するその他の点、及び、(3.3)式中のnは、(3.1)式及び(3.2)と同様であるので詳細な説明を省略する。
In the formula (3.3), R 6 may be OM (M is an alkali metal) in addition to OH, a perfluorocarbon group or an aromatic group.
Since other points regarding R 6 and n in the expression (3.3) are the same as those in the expressions (3.1) and (3.2), detailed description thereof is omitted.

(3.3)式で表される改質剤の中でも、特に、FO2S−(CF2)3−SO3Hが好ましい。 Among the modifiers represented by the formula (3.3), FO 2 S— (CF 2 ) 3 —SO 3 H is particularly preferable.

[4.2.4. 第4の具体例]
改質剤の第4の具体例は、(3.4)式で表される化合物からなる。
[4.2.4. Fourth Specific Example]
The 4th specific example of a modifier consists of a compound represented by (3.4) Formula.

Figure 0005540681
Figure 0005540681

(3.4)式で表される化合物は、環状無水スルホン酸化合物である。環状無水スルホン酸化合物とスルホンアミドポリマとを反応させると、環状無水スルホン酸化合物が開環し、開環した生成物の一端がスルホンアミド基と結合する。
nは、環状無水スルホン酸化合物に含まれるパーフルオロアルキル鎖の炭素数を表す。一般に、nが大きくなるほど、原料の分子量が増大し、取り扱いやすいという利点がある。従って、nは、2以上が好ましく、さらに好ましくは、3以上である。
一方、nが大きくなりすぎると、環状構造が不安定となる。そのため、分子間での脱水反応が優先し、モノマーとして単離するのが困難となる。従って、nは、4以下が好ましい。
(3.4) The compound represented by the formula is a cyclic sulfonic anhydride compound. When the cyclic sulfonic anhydride compound and the sulfonamide polymer are reacted, the cyclic sulfonic anhydride compound is opened, and one end of the ring-opened product is bonded to the sulfonamide group.
n represents the carbon number of the perfluoroalkyl chain contained in the cyclic sulfonic anhydride compound. In general, as n increases, there is an advantage that the molecular weight of the raw material increases and it is easy to handle. Therefore, n is preferably 2 or more, and more preferably 3 or more.
On the other hand, if n is too large, the ring structure becomes unstable. Therefore, the dehydration reaction between molecules has priority, and it becomes difficult to isolate as a monomer. Therefore, n is preferably 4 or less.

[4.3. 改質電解質の合成反応]
例えば、スルホンアミドポリマと(3.1)式〜(3.3)式で表される改質剤とを反応させると、縮合反応が起こり、スルホンアミドポリマと改質剤とがスルホニルイミド結合(−SO2NHSO2−)を介して結合する。この時、塩基存在下で縮合反応を行うと、縮合反応を促進させることができる。
塩基としては、具体的には、トリエチルアミン、トリメチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、DBU(ジアザバイシクロウンデセン)、N,N−ジイソプロピルエチルアミン(DIPEA)などがある。
[4.3. Synthetic reaction of modified electrolyte]
For example, when a sulfonamide polymer and a modifier represented by the formulas (3.1) to (3.3) are reacted, a condensation reaction occurs, and the sulfonamide polymer and the modifier are bonded to a sulfonylimide bond ( Bonding via —SO 2 NHSO 2 —). At this time, if the condensation reaction is performed in the presence of a base, the condensation reaction can be promoted.
Specific examples of the base include triethylamine, trimethylamine, tripropylamine, tributylamine, DBU (diazabicycloundecene), N, N-diisopropylethylamine (DIPEA), and the like.

(4.1)式に、スルホンアミドポリマと(3.1)式で表される改質剤(但し、X=F)との反応式を示す。
(4.2)式に、スルホンアミドポリマと、(3.3)式で表される改質剤(但し、X=F)との反応式を示す。
(4.3)式に、スルホンアミドポリマと(3.4)式で表される改質剤との反応式を示す。
Formula (4.1) shows a reaction formula between a sulfonamide polymer and a modifier represented by formula (3.1) (where X = F).
Formula (4.2) shows a reaction formula between a sulfonamide polymer and a modifier (provided that X = F) represented by formula (3.3).
Formula (4.3) shows the reaction formula between the sulfonamide polymer and the modifier represented by formula (3.4).

Figure 0005540681
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Figure 0005540681
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また、(3.4)式で表される化合物(環状無水スルホン酸化合物)とMX(Mはアルカリ金属、Xはハロゲン)とを反応させると、環状無水スルホン酸化合物が開環し、(3.3)式で表される改質剤(但し、R6=OM)が生成する。次いで、得られた改質剤とスルホンアミドポリマとを反応させると、縮合反応により両者が結合する。
(4.4)式に、これらの反応の反応式を示す。
Further, when a compound represented by the formula (3.4) (cyclic sulfonic anhydride compound) and MX (M is an alkali metal and X is halogen) are reacted, the cyclic sulfonic anhydride compound is opened, and (3 .3) A modifier represented by the formula (where R 6 = OM) is produced. Subsequently, when the obtained modifier and the sulfonamide polymer are reacted, both are bonded by a condensation reaction.
Equation (4.4) shows the reaction formula of these reactions.

Figure 0005540681
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縮合反応後、NaOH水溶液又はNaOH水溶液とアルコール(例えば、エタノール)との混合溶媒で洗浄する。塩基共存下でスルホンアミドポリマと改質剤とを反応させると、ポリマの酸基と塩基とが結合し、塩になっていると考えられる。NaOHによる洗浄は、塩基塩をNa塩に変換するために行われる。
洗浄後、H22及びHNO3で処理する。H22処理は、残留有機分を除去するために行われる。残留有機分は、Pt等の被毒物質となる。また、HNO3処理は、Na塩を酸体にするために行われる。
After the condensation reaction, it is washed with an aqueous NaOH solution or a mixed solvent of an aqueous NaOH solution and an alcohol (for example, ethanol). When the sulfonamide polymer and the modifier are reacted in the presence of a base, it is considered that the acid group and base of the polymer are bonded to form a salt. Washing with NaOH is performed to convert the base salt to the Na salt.
After washing, it is treated with H 2 O 2 and HNO 3 . The H 2 O 2 treatment is performed to remove residual organic components. Residual organic components become poisonous substances such as Pt. Further, HNO 3 treatment is performed to the Na salt to acid derivative.

[4.4. 反応条件]
スルホンアミドと改質剤とを縮合反応させる場合、反応温度は、80℃未満が好ましい。反応温度が高すぎると、反応が複雑となり、分解物が生成する。
[4.4. Reaction conditions]
When the sulfonamide and the modifier are subjected to a condensation reaction, the reaction temperature is preferably less than 80 ° C. If the reaction temperature is too high, the reaction becomes complicated and a decomposition product is generated.

[5. 改質剤の製造方法]
[5.1. 改質剤の合成反応]
上述した改質剤は、市販されているか、あるいは、市販されている類似の分子構造を備えた化合物を出発原料に用いて、公知の反応により製造することができる。
例えば、FO2S(CF2)nSO3H(CnSF、nは1以上の整数)は、FO2S(CF2)nSO2F(CnF、nは1以上の整数)に対して所定量の水と塩基(例えば、DIPEA)とを加え、これらを反応させることにより製造することができる。
また、XO2S(CF2)nSO3M(Xはハロゲン、Mはアルカリ金属、nは1以上の整数)は、(3.4)式で表される環状無水スルホン酸化合物とMX(Mはアルカリ金属、Xはハロゲン)とを反応させることにより得られる。
[5. Method for producing modifier]
[5.1. Synthetic reaction of modifier]
The above-mentioned modifier is commercially available, or can be produced by a known reaction using a commercially available compound having a similar molecular structure as a starting material.
For example, FO 2 S (CF 2 ) n SO 3 H (CnSF, n is an integer greater than or equal to 1) is located relative to FO 2 S (CF 2 ) n SO 2 F (CnF, n is an integer greater than or equal to 1). It can be produced by adding a fixed amount of water and a base (for example, DIPEA) and reacting them.
XO 2 S (CF 2 ) n SO 3 M (X is halogen, M is an alkali metal, and n is an integer of 1 or more) is a cyclic sulfonic anhydride compound represented by the formula (3.4) and MX ( M is an alkali metal, and X is a halogen).

また、(3.1)式で表される改質剤は、
(1)(5.1.1)式に示すように、スルホニルハライドモノマとスルホニルアミドモノマとを(k+1):kのモル比で反応させ、
(2)(5.1.2)式に示すように、H−R7を用いて、得られたオリゴマの片方の末端のみ官能基変換を施す、
ことにより得られる。
この時、炭素数nが同一であるスルホニルハライドモノマ及びスルホニルアミドモノマを出発原料に用いると、繰り返し単位中に含まれるnが同一である改質剤が得られる。一方、炭素数nが異なるスルホニルハライドモノマ及び/又はスルホニルアミドモノマを出発原料に用いると、繰り返し単位毎にnが異なる改質剤が得られる。
The modifier represented by the formula (3.1) is
(1) As shown in the formula (5.1.1), a sulfonyl halide monomer and a sulfonylamide monomer are reacted at a molar ratio of (k + 1): k,
(2) As shown in the formula (5.1.2), using HR 7 , functional group conversion is performed only on one end of the obtained oligomer.
Can be obtained.
At this time, when a sulfonyl halide monomer and a sulfonylamide monomer having the same carbon number n are used as starting materials, a modifier having the same n contained in the repeating unit is obtained. On the other hand, when a sulfonyl halide monomer and / or sulfonylamide monomer having a different carbon number n is used as a starting material, a modifier having a different n for each repeating unit is obtained.

Figure 0005540681
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例えば、(5.1.2)式において、H−R7として、H2Oを用いると、次の(3.1.1)式で表される改質剤が得られる。
FO2S(CF2)n−[SO2NHSO2(CF2)n]2k−SO3
≡F−[O2S(CF2)nSO2NH]2k−SO2(CF2)nSO3H ・・(3.1.1)
For example, in the formula (5.1.2), when H 2 O is used as HR 7 , a modifier represented by the following formula (3.1.1) is obtained.
FO 2 S (CF 2) n - [SO 2 NHSO 2 (CF 2) n] 2k -SO 3 H
≡F- [O 2 S (CF 2 ) n SO 2 NH] 2k —SO 2 (CF 2 ) n SO 3 H (3.1.1)

あるいは、まず、CnSFと塩基(例えば、アンモニア、LiNTMS2など)からH2NO2S(CF2)nSO3H(CnSA、nは1以上の整数)を合成する。次の(5.2)式に、CnSAの合成反応の一例を示す。
FO2S(CF2)nSO3H+LiNTMS2→H2NO2S(CF2)nSO3
・・(5.2)
次いで、(5.1.2)式において、H−R7に代えてCnSAを用いると、次の(3.1.2)式で表される改質剤が得られる。
FO2S(CF2)n−[SO2NHSO2(CF2)n]2k−SO2NHSO2(CF2)nSO3
≡F−[O2S(CF2)nSO2NH]2k+1−SO2(CF2)nSO3H ・・(3.1.2)
Alternatively, first, H 2 NO 2 S (CF 2 ) n SO 3 H (CnSA, n is an integer of 1 or more) is synthesized from CnSF and a base (for example, ammonia, LiNTMS 2 or the like). An example of the synthesis reaction of CnSA is shown in the following formula (5.2).
FO 2 S (CF 2 ) n SO 3 H + LiNTMS 2 → H 2 NO 2 S (CF 2 ) n SO 3 H
.. (5.2)
Next, in the formula (5.1.2), when CnSA is used in place of HR 7 , a modifier represented by the following formula (3.1.2) is obtained.
FO 2 S (CF 2) n - [SO 2 NHSO 2 (CF 2) n] 2k -SO 2 NHSO 2 (CF 2) n SO 3 H
≡F- [O 2 S (CF 2 ) n SO 2 NH] 2k + 1 -SO 2 (CF 2) n SO 3 H ·· (3.1.2)

(3.1)式で表される改質剤で、R4が−(CF2)nPO3Hであるものは、−(CF2)n−PO(OMe)2を酸処理することにより製造することができる。
(3.1)式で表される改質剤で、R4が−(CF2)nCO2Hであるものは、−(CF2)n−COFを加水分解することにより製造することができる。
(3.1)式で表される改質剤で、R4が−(CF2)nOCF3であるものは、−(CH2)n−OCH3を電解フッ素化することにより製造することができる。
(3.2)式で表される改質剤は、FO2S(CF2)nSO2FとH2NSO265とを反応させることにより製造することができる。
その他の改質剤についても、上述した方法と同様の方法により製造することができる。
(3.1) A modifier represented by the formula wherein R 4 is — (CF 2 ) n PO 3 H is obtained by subjecting — (CF 2 ) n —PO (OMe) 2 to an acid treatment. Can be manufactured.
(3.1) A modifier represented by the formula, wherein R 4 is — (CF 2 ) n CO 2 H, may be produced by hydrolyzing — (CF 2 ) n —COF. it can.
(3.1) A modifier represented by the formula, wherein R 4 is — (CF 2 ) n OCF 3 , is produced by electrolytic fluorination of — (CH 2 ) n —OCH 3. Can do.
The modifier represented by the formula (3.2) can be produced by reacting FO 2 S (CF 2 ) n SO 2 F with H 2 NSO 2 C 6 H 5 .
Other modifiers can also be produced by the same method as described above.

[5.2. 反応条件]
C3Fのような両末端がスルホニルハライド基である出発原料の片方の末端のみをスルホン酸基に変換する場合、出発原料:1当量に対して、塩基(例えば、DIPEA):2当量と反応物(例えば、水):1当量を加える。塩基を添加することによって目的とする改質剤が得られるのは、塩基が反応により生成した改質剤の酸基部分を中和し、反応性を下げる(安定性を上げる)ためと考えられる。
この時の反応温度は、80℃未満が好ましい。反応温度が高すぎると、反応が複雑となり、分解物が生成する。そのため、生成した改質剤を分離するのが困難となる。反応温度は、好ましくは、0℃〜室温である。
[5.2. Reaction conditions]
When only one end of a starting material having both ends of a sulfonyl halide group such as C3F is converted into a sulfonic acid group, starting material: 1 equivalent, base (eg, DIPEA): 2 equivalents and reactant ( For example, water): add 1 equivalent. The reason why the target modifier can be obtained by adding the base is considered to be to neutralize the acid group portion of the modifier generated by the reaction and reduce the reactivity (to increase the stability). .
The reaction temperature at this time is preferably less than 80 ° C. If the reaction temperature is too high, the reaction becomes complicated and a decomposition product is generated. For this reason, it is difficult to separate the generated modifier. The reaction temperature is preferably 0 ° C. to room temperature.

[6. 改質電解質及びその製造方法、並びに、改質剤の作用]
(3.1)〜(3.3)式で表される改質剤は、1個のスルホニルハライド基を備え、−I基を備えていない。また、(3.4)式で表される改質剤は、スルホンアミドポリマとの反応過程で(3.3)式で表される改質剤又はその誘導体を生成すると考えられる。
そのため、これらのいずれかとスルホンアミドポリマとを反応させると、側鎖に容易にスルホンイミド基を導入することができる。両端がパーフルオロアルキル基で挟まれたスルホンイミド基は、強酸基として機能するので、スルホンイミド基の導入により、元のポリマに比べてEWが低下する。また、改質剤との反応時に、ポリマ間に架橋構造が導入されることがない。さらに、(3.1)〜(3.4)式で表される改質剤は、−I基を持たないので、製造工程を煩雑化させることもない。
[6. Modified electrolyte, production method thereof, and action of modifier]
The modifiers represented by the formulas (3.1) to (3.3) have one sulfonyl halide group and no -I group. Moreover, it is thought that the modifier represented by the formula (3.4) generates the modifier represented by the formula (3.3) or a derivative thereof in the reaction process with the sulfonamide polymer.
Therefore, when any of these is reacted with a sulfonamide polymer, a sulfonimide group can be easily introduced into the side chain. Since the sulfonimide group having both ends sandwiched between perfluoroalkyl groups functions as a strong acid group, the introduction of the sulfonimide group lowers the EW compared to the original polymer. Further, no cross-linked structure is introduced between the polymers during the reaction with the modifier. Furthermore, since the modifier represented by the formulas (3.1) to (3.4) does not have the -I group, the manufacturing process is not complicated.

本発明に係る改質電解質の製造方法は、ポリマの改質により低EW化が可能であり、スルホンアミド基を有するポリマ全般に対して適用できる。また、ポリマ間に化学架橋が起こらないので、元ポリマの物性をほとんど損なうことがない。そのため、本発明に係る方法により得られる改質電解質は、溶媒に溶解させることができ、触媒層アイオノマとしての利用も可能となる。本発明に係る改質電解質は、高伝導性であり低抵抗となることから、従来の電解質(例えば、ナフィオン(登録商標))を利用した燃料電池よりも高温低加湿条件化で作動できる可能性がある。
さらに、スルホンアミドポリマの2官能化改質時に、末端に疎水基(特に、親水基を持たないパーフルオロカーボン基)を導入すると、高プロトン伝導性と高酸素透過性を同時に達成することができる。酸素は、ポリマと水の界面付近を拡散していることから、疎水基が酸素透過性を高めていると考えられる。このような改質電解質をMEAのカソード側の触媒層アイオノマとして用いると、従来のMEAに比べて高温低加湿条件下で高い性能を示す。これは、低湿度下でもプロトンと酸素が触媒に十分供給されるためと考えられる。さらに、改質には、従来ポリマの転用が可能であるため、新たに多段階の合成ルートを経る必要がなく、製造コストを下げることができる。
The method for producing a modified electrolyte according to the present invention can reduce EW by modifying a polymer, and can be applied to all polymers having a sulfonamide group. Further, since no chemical cross-linking occurs between the polymers, the physical properties of the original polymer are hardly impaired. Therefore, the modified electrolyte obtained by the method according to the present invention can be dissolved in a solvent and can be used as a catalyst layer ionomer. Since the modified electrolyte according to the present invention has high conductivity and low resistance, there is a possibility that it can be operated under a high temperature and low humidification condition as compared with a fuel cell using a conventional electrolyte (for example, Nafion (registered trademark)). There is.
Furthermore, when a hydrophobic group (particularly a perfluorocarbon group having no hydrophilic group) is introduced at the terminal during bifunctional modification of the sulfonamide polymer, high proton conductivity and high oxygen permeability can be achieved at the same time. Since oxygen diffuses in the vicinity of the interface between the polymer and water, it is considered that the hydrophobic group enhances oxygen permeability. When such a modified electrolyte is used as the catalyst layer ionomer on the cathode side of the MEA, it exhibits high performance under high temperature and low humidification conditions as compared with the conventional MEA. This is probably because protons and oxygen are sufficiently supplied to the catalyst even under low humidity. Furthermore, since conventional polymers can be used for modification, it is not necessary to newly go through a multi-stage synthesis route, and the manufacturing cost can be reduced.

(実施例1)
[1. 試料の作製]
アセトニトリル中、0℃で、FO2S(CF2)3SO2F(C3F):30gとDIPEA(33mL)に対し、水を1当量加えることにより、FO2S(CF2)3SO3H(C3SF)を生成させた(19F NMRスペクトルで確認)。
これに、側鎖をスルホンアミド化したナフィオン(登録商標)(10g)とDIPEA(33mL)を加えて80℃で2週間反応させた。溶媒を除いたのちに、NaOH水溶液/EtOH混合溶媒で洗浄し、H22及びHNO3で処理することで、同じ側鎖にスルホンイミド基とスルホン酸基の2つを同時に持つポリマ(12g)を得た。(6.1)式に、合成反応式を示す。
Example 1
[1. Preparation of sample]
FO 2 S (CF 2 ) 3 SO 3 H by adding 1 equivalent of water to 30 g and DIPEA (33 mL) at 0 ° C. in acetonitrile at FO 2 S (CF 2 ) 3 SO 2 F (C3F) (C3SF) was generated (confirmed by 19 F NMR spectrum).
To this, Nafion (registered trademark) (10 g) having sulfonamidated side chains and DIPEA (33 mL) were added and reacted at 80 ° C. for 2 weeks. After removing the solvent, it was washed with a NaOH aqueous solution / EtOH mixed solvent and treated with H 2 O 2 and HNO 3 , so that a polymer having both a sulfonimide group and a sulfonic acid group on the same side chain (12 g ) The synthesis reaction formula is shown in (6.1) Formula.

Figure 0005540681
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[2. 評価]
得られたポリマ(改質電解質)の構造を19F NMRスペクトル及びIRスペクトルで確認した。図1に、得られたポリマの19F NMRスペクトルを示す。図1より、目的とする化合物が得られていることがわかる。
得られた改質電解質は、エタノールと水の混合溶媒(重量比1:1)でオートクレーブ処理することで溶液化が可能であり、触媒インクの作製が可能であった。また、これを触媒層として用いたMEAを作製し燃料電池評価を行ったところ、発電可能であることを確認した。
[2. Evaluation]
The structure of the obtained polymer (modified electrolyte) was confirmed by 19 F NMR spectrum and IR spectrum. FIG. 1 shows the 19 F NMR spectrum of the obtained polymer. FIG. 1 shows that the target compound is obtained.
The obtained modified electrolyte could be made into a solution by autoclaving with a mixed solvent of ethanol and water (weight ratio 1: 1), and a catalyst ink could be produced. Moreover, when MEA using this as a catalyst layer was produced and fuel cell evaluation was performed, it confirmed that electric power generation was possible.

(実施例2)
[1. 試料の作製]
C3F(1.4g)に対し、CF3SO2NH2(0.47g)を作用させ、片側をトリフルオロメチル化した。これと、側鎖をスルホンアミド化したナフィオン(登録商標)(0.70g)とをアセトニトリル中で反応させることで、同じ側鎖にスルホンイミド基を2つ持つポリマ(1.0g)を得た。(6.2)式に合成反応式を示す。
(Example 2)
[1. Preparation of sample]
CF 3 SO 2 NH 2 (0.47 g) was allowed to act on C3F (1.4 g) to trifluoromethylate one side. By reacting this with Nafion (registered trademark) (0.70 g) whose side chain was sulfonamidated in acetonitrile, a polymer (1.0 g) having two sulfonimide groups on the same side chain was obtained. . The synthesis reaction formula is shown in formula (6.2).

Figure 0005540681
Figure 0005540681

[2. 評価]
得られたポリマ(改質電解質)の構造を19F NMRスペクトル及びIRスペクトルで確認した。図2に、得られたポリマの19F NMRスペクトルを示す。図2より、目的とする化合物が得られていることがわかる。
[2. Evaluation]
The structure of the obtained polymer (modified electrolyte) was confirmed by 19 F NMR spectrum and IR spectrum. FIG. 2 shows the 19 F NMR spectrum of the obtained polymer. FIG. 2 shows that the target compound is obtained.

(実施例3)
[1. 試料の作製]
[1.1. 改質剤の作製]
アセトニトリル中、C3F:22.5gとC3A:11.0gとを混合(モル比で(k+1):kに相当)し、0℃で塩基(DIPEA)と反応させることで両末端がSO2Fであるポリスルホンイミドを得た。得られたポリスルホンイミドに塩基(DIPEA)(18.5g)と1当量の水を加え、ポリスルホンイミドの片側のみスルホン酸基に変換した。(6.3)式に、合成反応式を示す。
(Example 3)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Preparation of modifier]
In acetonitrile, C3F: 22.5 g and C3A: 11.0 g were mixed (corresponding to (k + 1): k in molar ratio) and reacted with a base (DIPEA) at 0 ° C., so that both ends were SO 2 F. A polysulfonimide was obtained. Base (DIPEA) (18.5 g) and 1 equivalent of water were added to the obtained polysulfonimide, and only one side of the polysulfonimide was converted into a sulfonic acid group. (6.3) Formula shows the synthesis reaction formula.

Figure 0005540681
Figure 0005540681

[1.2. 改質電解質の作製]
[1.1.]で得られた改質剤を用いた以外は、実施例1と同様にして、改質電解質を作製した。
[2. 評価]
19F NMRスペクトル及びIRスペクトルにより、目的とする改質電解質が得られていることを確認した。
[1.2. Preparation of modified electrolyte]
[1.1. A modified electrolyte was produced in the same manner as in Example 1 except that the modifier obtained in the above was used.
[2. Evaluation]
It was confirmed by the 19 F NMR spectrum and IR spectrum that the desired modified electrolyte was obtained.

(比較例1)
アセトニトリル中でC3FとC3Aとを2:1で混合し、塩基(DIPEA)を加えて80℃で加熱した。反応温度が高いために分解物が生成し、目的物を分離することができなかった。
(Comparative Example 1)
C3F and C3A were mixed 2: 1 in acetonitrile, and a base (DIPEA) was added and heated at 80 ° C. Since the reaction temperature was high, a decomposition product was generated, and the target product could not be separated.

(実施例4)
[1. 試料の作製]
環状無水スルホン酸(n=3)とポリスルホンアミドポリマとを塩基共存下で反応させることで、側鎖にスルホンイミド基とスルホン酸基とを持つ化合物を合成した。(6.4)式に、合成反応式を示す。
Example 4
[1. Preparation of sample]
A compound having a sulfonimide group and a sulfonic acid group in the side chain was synthesized by reacting cyclic sulfonic anhydride (n = 3) with polysulfonamide polymer in the presence of a base. (6.4) Formula shows a synthesis reaction formula.

Figure 0005540681
Figure 0005540681

[2. 評価]
IRスペクトルにより、目的とする改質電解質が得られていることを確認した。
[2. Evaluation]
It was confirmed by IR spectrum that the desired modified electrolyte was obtained.

(実施例5〜7、比較例2)
[1. 試料の作製]
改質剤:FSO2(CF2)3SO2NHSO24(R4=−(CF2)3CF3、−CF3、又は、−OH)を用いてナフィオン(登録商標)の改質を行い、末端にパーフルオロブチル基(実施例5)、トリフルオロメチル基(実施例6)、又は、スルホン酸基(実施例7)を導入した。これらの改質電解質にエタノールと水の混合溶媒を加え、200℃でオートクレーブ処理した。その後、溶液のホモジナイザ処理を行った。この溶液からキャスト膜を作製した。キャスト膜を140℃で乾燥後、1N NaOH水溶液、H22水溶液、及び、1N HNO3水溶液でそれぞれ洗浄した。
比較として、市販のナフィオン(登録商標)膜(比較例2)も試験に用いた。
(Examples 5-7, Comparative Example 2)
[1. Preparation of sample]
Modifier: FSO 2 (CF 2) 3 SO 2 NHSO 2 R 4 (R 4 = - (CF 2) 3 CF 3, -CF 3, or, -OH) modification of Nafion (registered trademark) using a And a perfluorobutyl group (Example 5), a trifluoromethyl group (Example 6), or a sulfonic acid group (Example 7) was introduced at the terminal. A mixed solvent of ethanol and water was added to these modified electrolytes and autoclaved at 200 ° C. Thereafter, the solution was homogenized. A cast film was prepared from this solution. The cast film was dried at 140 ° C. and then washed with 1N NaOH aqueous solution, H 2 O 2 aqueous solution, and 1N HNO 3 aqueous solution.
As a comparison, a commercially available Nafion (registered trademark) membrane (Comparative Example 2) was also used in the test.

[2. 試験方法]
[2.1. 当量重量EW及び含水率]
洗浄した膜の当量重量EW及び含水率を測定した。当量重量EWの測定には、滴定法を用いた。また、含水率は、室温、水中で膜を24時間浸漬し、その時の重量と60℃で乾燥させた時の重量の差を乾燥重量で割ることで求めた。
含水率(%)=(含水重量−乾燥重量)×100/乾燥重量
[2.2. プロトン伝導度]
洗浄した膜のプロトン伝導度(25℃)を測定した。プロトン伝導度の測定には、交流2端子法を用いた。
[2.3. 酸素透過度]
洗浄した膜の酸素透過度(80℃)を測定した。酸素透過度の測定には、微小電極を用いたポテンシャルステップ法を用いた。
[2. Test method]
[2.1. Equivalent weight EW and water content]
The equivalent weight EW and moisture content of the washed membrane were measured. A titration method was used to measure the equivalent weight EW. The moisture content was determined by immersing the membrane in water at room temperature for 24 hours and dividing the difference between the weight at that time and the weight when dried at 60 ° C. by the dry weight.
Water content (%) = (moisture content−dry weight) × 100 / dry weight [2.2. Proton conductivity]
The proton conductivity (25 ° C.) of the washed membrane was measured. The alternating current two-terminal method was used for the measurement of proton conductivity.
[2.3. Oxygen permeability]
The oxygen permeability (80 ° C.) of the washed membrane was measured. For measurement of oxygen permeability, a potential step method using a microelectrode was used.

[3. 結果]
表1に、当量重量EW、含水率、プロトン伝導度及び酸素透過度を示す。また、図3に、末端基R4(=R1)の炭素数(末端炭素数)と酸素透過度との関係を示す。
表1及び図3より、以下のことがわかる。
(1)末端にスルホン酸基を導入した改質電解質(実施例7)の場合、その酸素透過度は比較例2とほぼ同等であるが、そのプロトン伝導度は比較例2より向上する。
(2)末端に疎水基を導入した改質電解質(実施例5、6)の場合、そのプロトン伝導度は末端にスルホン酸基を導入した改質電解質(実施例7)より若干劣るが、その酸素透過度は実施例7より向上する。
(3)末端炭素数が多くなるほど、電解質の酸素透過度は向上する。
[3. result]
Table 1 shows the equivalent weight EW, water content, proton conductivity and oxygen permeability. FIG. 3 shows the relationship between the carbon number (terminal carbon number) of the terminal group R 4 (= R 1 ) and the oxygen permeability.
Table 1 and FIG. 3 show the following.
(1) In the case of the modified electrolyte having a sulfonic acid group introduced at the terminal (Example 7), its oxygen permeability is almost the same as that of Comparative Example 2, but its proton conductivity is improved as compared with Comparative Example 2.
(2) In the case of a modified electrolyte having a hydrophobic group introduced at the end (Examples 5 and 6), the proton conductivity is slightly inferior to the modified electrolyte having a sulfonic acid group introduced at the end (Example 7). The oxygen permeability is improved from that in Example 7.
(3) The oxygen permeability of the electrolyte improves as the number of terminal carbons increases.

Figure 0005540681
Figure 0005540681

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る改質電解質及びその製造方法は、固体高分子型燃料電池、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、酸素及び/又は水素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種電気化学デバイスに用いられる電解質膜や触媒層内電解質、及びその製造方法として使用することができる。
また、本発明に係る改質剤は、このような改質電解質を製造するための原料として用いることができる。
The modified electrolyte and the method for producing the same according to the present invention include various types such as a polymer electrolyte fuel cell, a water electrolysis apparatus, a hydrohalic acid electrolysis apparatus, a salt electrolysis apparatus, an oxygen and / or hydrogen concentrator, a humidity sensor, and a gas sensor. It can be used as an electrolyte membrane used in an electrochemical device, an electrolyte in a catalyst layer, and a manufacturing method thereof.
Moreover, the modifier according to the present invention can be used as a raw material for producing such a modified electrolyte.

Claims (9)

(1.1)式で表される構造を備えた改質電解質。
Figure 0005540681
(1.1) A modified electrolyte having a structure represented by the formula:
Figure 0005540681
前記R1は、
−(CF2)kCF3(但し、kは1以上9以下の整数)、
−(CF2)kCF(CF3)2(但し、kは0以上8以下の整数)、又は、
−Ck2k-1(但し、kは3以上10以下の整数)
である請求項1に記載の改質電解質。
R 1 is
-(CF 2 ) k CF 3 (where k is an integer from 1 to 9),
-(CF 2 ) k CF (CF 3 ) 2 (where k is an integer from 0 to 8), or
-C k F 2k-1 (where k is an integer from 3 to 10)
The modified electrolyte according to claim 1, wherein
(1.2)式で表される構造を備えた改質電解質。
Figure 0005540681
(1.2) A modified electrolyte having a structure represented by the formula:
Figure 0005540681
(1.3)式で表される構造を備えた改質電解質。
Figure 0005540681
(1.3) A modified electrolyte having a structure represented by the formula:
Figure 0005540681
前記R3は、
−(CF2)kCF3(但し、kは1以上9以下の整数)、
−(CF2)kCF(CF3)2(但し、kは0以上8以下の整数)、又は、
−Ck2k-1(但し、kは3以上10以下の整数)
である請求項4に記載の改質電解質。
R 3 is
-(CF 2 ) k CF 3 (where k is an integer from 1 to 9),
-(CF 2 ) k CF (CF 3 ) 2 (where k is an integer from 0 to 8), or
-C k F 2k-1 (where k is an integer from 3 to 10)
The modified electrolyte according to claim 4, wherein
触媒層アイオノマとして用いられる請求項1から5までのいずれかに記載の改質電解質。   The modified electrolyte according to any one of claims 1 to 5, which is used as a catalyst layer ionomer. スルホンアミドポリマと、(3.1)式〜(3.4)で表されるいずれか1以上の改質剤とを反応させ、前記スルホンアミドポリマと前記改質剤とをスルホニルイミド基(−SO2NHSO2−)を介して結合させる反応工程
を備えた改質電解質の製造方法。
X−[O2S(CF2)nSO2NH]a−SO24 ・・・(3.1)
但し、Xは、ハロゲン
nは、1以上の整数で、繰り返し単位の中で任意に選択することができる
aは、1以上の整数
4は、OH、又は、パーフルオロカーボン基
X−[O2S(CF2)nSO2NH]a−SO25 ・・・(3.2)
但し、Xは、ハロゲン
nは、1以上の整数で、繰り返し単位の中で任意に選択することができる
aは、1以上の整数
5は、芳香族基
XO2S−(CF2)n−SO26 ・・・(3.3)
但し、Xは、ハロゲン
nは、1以上の整数
6は、OH、OM(Mはアルカリ金属)、パーフルオロカーボン基、又は、芳香族基
Figure 0005540681
The sulfonamide polymer is reacted with any one or more modifiers represented by formulas (3.1) to (3.4), and the sulfonamide polymer and the modifier are reacted with a sulfonylimide group (- A method for producing a modified electrolyte, comprising a reaction step of bonding via SO 2 NHSO 2 —).
X- [O 2 S (CF 2 ) n SO 2 NH] a -SO 2 R 4 ··· (3.1)
However, X is halogen n is an integer of 1 or more, a which may be arbitrarily selected in the repeating unit, an integer of 1 or more R 4 are, OH, or a perfluorocarbon group X- [O 2 S (CF 2) n SO 2 NH] a -SO 2 R 5 ··· (3.2)
However, X is halogen n is an integer of 1 or more, a which may be arbitrarily selected in the repeating unit, an integer of 1 or more R 5 is an aromatic group XO 2 S- (CF 2) n -SO 2 R 6 ··· (3.3)
X is halogen n is an integer of 1 or more R 6 is OH, OM (M is an alkali metal), perfluorocarbon group, or aromatic group
Figure 0005540681
前記スルホンアミドポリマは、(2)式で表される構造を備えている請求項7に記載の改質電解質の製造方法。
Figure 0005540681
The said sulfonamide polymer is a manufacturing method of the modified electrolyte of Claim 7 provided with the structure represented by (2) Formula.
Figure 0005540681
(3.1)式で表される構造を備え、電解質を改質するために用いられる改質剤。
X−[O2S(CF2)nSO2NH]a−SO24 ・・・(3.1)
但し、Xは、ハロゲン
nは、1以上の整数で、繰り返し単位の中で任意に選択することができる
aは、1以上の整数
4は、OH、又は、パーフルオロカーボン基
(3.1) A modifier having a structure represented by the formula and used for modifying an electrolyte .
X- [O 2 S (CF 2 ) n SO 2 NH] a -SO 2 R 4 ··· (3.1)
However, X is halogen n is 1 or more integer, a, which can be arbitrarily selected in the repeating unit, an integer of 1 or more R 4 are, OH, or a perfluorocarbon group
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