JP5884360B2 - Polymer electrolyte, polymer electrolyte membrane and solid polymer fuel cell using the same - Google Patents

Polymer electrolyte, polymer electrolyte membrane and solid polymer fuel cell using the same Download PDF

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Description

本発明は、高分子電解質、それを用いた高分子電解質膜および固体高分子形燃料電池に関し、特に、固体高分子形燃料電池に用いられる高分子電解質、それを用いた高分子電解質膜および固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte, a polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte, and a solid polymer fuel cell, and more particularly, a polymer electrolyte used in a solid polymer fuel cell, a polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte, and a solid polymer The present invention relates to a polymer fuel cell.

固体高分子形燃料電池(以下、「PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)」と記す。)は、環境負荷ガスの放出を削減することに貢献することができるため、燃料電池自動車や、定置用コジェネレーション、携帯電話の電源として研究開発が進められている。PEFCでは、電池内でプロトンの伝導が起こることによって発電反応が進行する。PEFCにおけるプロトン伝導には、水の存在が必須であり、それ故にPEFCの発電反応を進行させるためには、加湿器が必要となる。車両などに燃料電池を適用する場合、車載性の観点から、加湿器は小さいことが望まれるため、低加湿下でもプロトン伝導が良好に行われる電解質膜が求められている。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、旭化成社製)に代表されるフッ素系樹脂電解質は、低加湿下におけるプロトン伝導性に優れており、PEFCにおいて汎用されている材料である。   Solid polymer fuel cells (hereinafter referred to as “PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell)”) can contribute to reducing the release of environmentally harmful gases, so that fuel cell vehicles and stationary cogeneration Research and development is underway as a power source for mobile phones. In PEFC, a power generation reaction proceeds by proton conduction in the battery. The presence of water is indispensable for proton conduction in the PEFC, and therefore a humidifier is required to advance the power generation reaction of the PEFC. When a fuel cell is applied to a vehicle or the like, since a humidifier is desired to be small from the viewpoint of in-vehicle performance, there is a demand for an electrolyte membrane that allows good proton conduction even under low humidification. Fluorine resin electrolytes typified by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) and Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei) are excellent in proton conductivity under low humidification and are widely used in PEFC. is there.

しかしながら、フッ素系電解質膜は、フッ素からなる高分子材料であるため、リサイクル性が低いという問題があった。燃料電池自動車の普及を考えた場合、燃料電池をリサイクルできるかどうかという点が非常に重要であり、リサイクルができない材料の環境への負荷を無視することができない。
さらに、フッ素系樹脂電解質を単独で電解質膜として適用した場合、耐久性が低くなるという問題があった。このようなことから、フッ素系樹脂電解質の代替となる新たな材料の必要性が高まってきている。
However, since the fluorine-based electrolyte membrane is a polymer material made of fluorine, there is a problem that recyclability is low. Considering the widespread use of fuel cell vehicles, whether fuel cells can be recycled is very important, and the environmental impact of materials that cannot be recycled cannot be ignored.
Furthermore, when a fluorine resin electrolyte is applied alone as an electrolyte membrane, there is a problem that durability is lowered. For these reasons, there is an increasing need for new materials that can substitute for fluororesin electrolytes.

具体的な代替材料の一つとして炭化水素系電解質があり、この炭化水素系電解質の開発が近年行われてきている。炭化水素系材料は、一般的にフッ素系樹脂電解質よりも耐久性に優れ、フッ素系樹脂電解質の代替として期待される。
例えば、特許文献1には、炭化水素系電解質を用いて、低加湿で高いプロトン伝導性を得るために、液晶骨格を有する材料を用いて、スルホン酸基のネットワークを形成させることにより、低加湿で高いプロトン伝導性が得られることについて記載されている。
One specific alternative material is a hydrocarbon-based electrolyte, and the development of this hydrocarbon-based electrolyte has been carried out in recent years. Hydrocarbon materials are generally more durable than fluororesin electrolytes and are expected to replace fluororesin electrolytes.
For example, in Patent Document 1, in order to obtain a high proton conductivity with a low humidity by using a hydrocarbon-based electrolyte, a material having a liquid crystal skeleton is used to form a network of sulfonic acid groups, thereby reducing the low humidity. It is described that high proton conductivity can be obtained.

特開2003−55337号公報JP 2003-55337 A

しかしながら、特許文献1に記載のスルホン酸型液晶モノマー材料を高分子量化したスルホン化液晶ポリマー材料は、主鎖がメタクリル骨格、もしくはアクリル骨格である。このため、高分子電解質膜を薄膜化したことにより性能が向上しにくくなることがあった。また、上記の材料は、エステル結合を有するため、加水分解による分解反応が進行しやすくなることがあった。   However, the sulfonated liquid crystal polymer material obtained by increasing the molecular weight of the sulfonic acid type liquid crystal monomer material described in Patent Document 1 has a methacrylic skeleton or an acrylic skeleton. For this reason, it may be difficult to improve the performance by thinning the polymer electrolyte membrane. Moreover, since said material has an ester bond, the decomposition reaction by a hydrolysis may advance easily.

そこで、本発明は、上記の課題を解決するものであって、薄膜化可能な主鎖を有し、加水分解やラジカル耐性に優れ、発電性能を向上させた高分子電解質、それを用いた高分子電解質膜および固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention solves the above-mentioned problems, and has a main chain that can be made into a thin film, is excellent in hydrolysis and radical resistance, and has improved power generation performance. An object is to provide a molecular electrolyte membrane and a polymer electrolyte fuel cell.

本発明による高分子電解質、それを用いた高分子電解質膜および固体高分子形燃料電池は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
本発明のある態様による第1の高分子電解質は、下記の化学一般式(1)(A,Aはアルキレン基を示し、Bは電子求引性基を示し、Bは電子供与性基を示し、Yはスルホン酸基、ホスホン酸基、ヒドロキシル基、またはカルボキシル基から選択されるプロトン酸基を示し、nは10以上10000以下の整数とする。)で表される高分子単位を有し、前記電子求引性基はカルボニル基であり、前記電子供与性基はアミノ基であることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a polymer electrolyte according to the present invention, a polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte, and a polymer electrolyte fuel cell are configured as follows.
First polyelectrolyte according to an aspect of the present invention, the chemical general formula (1) (A 1, A 2 represents an alkylene group, B 1 represents an electron withdrawing group, B 2 is an electron And Y represents a protonic acid group selected from a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a hydroxyl group, or a carboxyl group, and n represents an integer of 10 to 10,000. It has a unit, the electron withdrawing group is a carbonyl group, wherein the electron donating group is characterized amino group der Rukoto.

Figure 0005884360
Figure 0005884360

上記の高分子電解質によれば、この高分子電解質は、主鎖がフェニレン骨格に変更され
ている。また、耐加水分解性を向上させるために、エステル部位が除去されている。同時
に、ラジカル耐性を向上させるために、電子求引性基が導入され、かつメソゲンにピリジ
ンが導入されている。
つまり、主鎖をアクリル骨格またはメタクリル骨格からフェニレン骨格に変更すること
で、高分子が剛直な骨格となり、高分子電解質を薄膜化させることが可能となる。さらに、高分子電解質を薄膜化した高分子電解質膜を燃料電池に用いた場合にも、発電性能を向上させることが可能となる。
また、上記の高分子電解質によれば、モノマーを容易に合成することができ、その高分子電解質からなる高分子電解質膜を柔軟にすることが可能となる。一方、電子供与性基を導入すると、例えば、メソゲン部位の電子密度が高くなり、ラジカルに攻撃されやすくなるが、その骨格に電子密度の低いピリジン骨格を導入しているため、ラジカル安定性を維持することが可能となる。
本発明のある態様による第2の高分子電解質は、前記アルキレン基は、−(CH−(mは1以上の整数とする。)であることを特徴とする。
According to the polymer electrolyte, the main chain of the polymer electrolyte is changed to a phenylene skeleton. Moreover, in order to improve hydrolysis resistance, the ester site | part is removed. At the same time, in order to improve radical resistance, an electron withdrawing group is introduced and pyridine is introduced into the mesogen.
That is, by changing the main chain from the acrylic skeleton or the methacryl skeleton to the phenylene skeleton, the polymer becomes a rigid skeleton, and the polymer electrolyte can be thinned. Furthermore, even when a polymer electrolyte membrane with a thin polymer electrolyte is used in a fuel cell, the power generation performance can be improved.
Moreover, according to said polymer electrolyte, a monomer can be synthesize | combined easily and it becomes possible to make the polymer electrolyte membrane which consists of the polymer electrolyte flexible. On the other hand, when an electron-donating group is introduced, for example, the electron density of the mesogen moiety becomes high and it is easy to be attacked by radicals, but since a pyridine skeleton having a low electron density is introduced into the skeleton, radical stability is maintained. It becomes possible to do.
The second polymer electrolyte according to aspects of the present invention, the alkylene group, - (CH 2) m - (m is an integer of 1 or more.) Characterized in that it is a.

上記の高分子電解質によれば、アルキレン基を−(CH−とすることで、高分子電解質からなる高分子電解質膜の柔軟性を維持しつつ、酸価の高い高分子電解質膜を得ることが可能となる According to the polymer electrolyte of the above, an alkylene group - (CH 2) m - and doing, while maintaining the flexibility of the polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte, a high acid value polymer electrolyte membrane Can be obtained .

本発明のある態様による第の高分子電解質は、前記化学一般式(1)に対して、ポリマー化が可能な基としてX,Xを有する下記の化学一般式(2)(X,Xはそれぞれ独立して塩素原子、臭素原子、またはヨウ素原子のいずれかを示す。)で表されるイオン性材料を含んで形成されたことを特徴とする。 The third polymer electrolyte according to an embodiment of the present invention has the following chemical general formula (2) (X 1 ) having X 1 and X 2 as groups capable of being polymerized with respect to the chemical general formula (1). , X 2 each independently represents a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom.).

Figure 0005884360
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上記の高分子電解質によれば、イオン性材料を含んで形成されているため、高分子電解質膜を薄膜化して際にも、膜電極接合体を形成することのできる十分な機械強度を得ることが可能となる
本発明のある態様による高分子電解質膜は、上記の第1〜のいずれか1つに記載の高分子電解質を用いて形成されたことを特徴とする。
According to the above polymer electrolyte, since it is formed to contain an ionic material, sufficient mechanical strength that can form a membrane electrode assembly can be obtained even when the polymer electrolyte membrane is thinned. Is possible .
A polymer electrolyte membrane according to an aspect of the present invention is characterized by being formed using the polymer electrolyte according to any one of the first to third aspects.

上記の高分子電解質膜によれば、上記で説明した高分子電解質を用いて形成されるため、発電性能を向上させることが可能となる。
本発明のある態様による固体高分子形燃料電池は、上の高分子電解質膜を用いて形成されたことを特徴とする。
上記の固体高分子形燃料電池によれば、上記で説明した高分子電解質を用いて形成された高分子電解質膜を用いて膜電極結合体が形成されるため、固体高分子形燃料電池としての発電性能を向上させることが可能となる。
Since the polymer electrolyte membrane is formed using the polymer electrolyte described above, it is possible to improve the power generation performance.
A solid polymer fuel cell according to an aspect of the present invention is formed using the above polymer electrolyte membrane.
According to the polymer electrolyte fuel cell, the membrane electrode assembly is formed using the polymer electrolyte membrane formed using the polymer electrolyte described above. The power generation performance can be improved.

本発明の高分子電解質によれば、主鎖をアクリル骨格またはメタクリル骨格からフェニレン骨格に変更することで、高分子が剛直な骨格となり、高分子電解質を薄膜化させることができる。さらに、高分子電解質を薄膜化した高分子電解質膜を燃料電池に用いた場合にも、発電性能を向上させることができる。また、本発明の高分子電解質は、電子密度の低いピリジンに加えて、電子求引性基を有するため、ラジカル安定性を向上させることができる。
さらに、上記の高分子電解質膜を用いて固体高分子形燃料電池を構成することにより、高い発電性能を備えた固体高分子形燃料電池を提供することができる。
According to the polymer electrolyte of the present invention, by changing the main chain from an acrylic skeleton or a methacryl skeleton to a phenylene skeleton, the polymer becomes a rigid skeleton, and the polymer electrolyte can be thinned. Furthermore, power generation performance can also be improved when a polymer electrolyte membrane obtained by thinning a polymer electrolyte is used in a fuel cell. Moreover, since the polymer electrolyte of the present invention has an electron-attracting group in addition to pyridine having a low electron density, radical stability can be improved.
Furthermore, a polymer electrolyte fuel cell having high power generation performance can be provided by constituting a polymer electrolyte fuel cell using the above polymer electrolyte membrane.

本発明の高分子電解質膜1の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体12を装着した固体高分子形燃料電池の単セル11の構成を示す分解断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an exploded sectional view showing a configuration of a single cell 11 of a polymer electrolyte fuel cell equipped with a membrane electrode assembly 12 having electrode catalyst layers formed on both surfaces of a polymer electrolyte membrane 1 of the present invention. 図1に示した膜電極結合体12の構成を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the structure of the membrane electrode assembly 12 shown in FIG.

以下に、添付した図面を参照して、本発明の高分子電解質、それを用いた高分子電解質膜および固体高分子形燃料電池について詳細に説明する。
なお、本発明は、以下に記載する各実施の形態に限定されうるものではなく、当事業者の知識に基づいて設計の変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
Hereinafter, a polymer electrolyte of the present invention, a polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte, and a solid polymer fuel cell will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
The present invention is not limited to the embodiments described below, and modifications such as design changes can be added based on the knowledge of the operator, and such modifications can be added. The described embodiments can also be included in the scope of the present invention.

まず、図1および図2を参照して、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池の単セル11の全体の構成を説明する。
図1は、本発明の高分子電解質膜(高分子電解質)1の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体12を装着した固体高分子形燃料電池の単セル11の構成を示す分解断面図である。
First, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, the whole structure of the single cell 11 of the polymer electrolyte fuel cell according to this embodiment will be described.
FIG. 1 is an exploded view showing the structure of a single cell 11 of a polymer electrolyte fuel cell equipped with a membrane electrode assembly 12 having electrode catalyst layers formed on both sides of a polymer electrolyte membrane (polymer electrolyte) 1 of the present invention. It is sectional drawing.

図1に示す固体高分子形燃料電池の単セル11は、その上下部を保護する2つのセパレータ10に膜電極結合体12が挟まれて形成される。なお、2つのセパレータ10のうちの一方のセパレータと膜電極結合体12との間には、ガス拡散層として空気極側ガス拡散層4が形成される。また、他方のセパレータと膜電極結合体12との間にも、同様にガス拡散層として燃料極側ガス拡散層5が形成される。   The single cell 11 of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 1 is formed by sandwiching a membrane electrode assembly 12 between two separators 10 that protect the upper and lower portions thereof. An air electrode side gas diffusion layer 4 is formed as a gas diffusion layer between one of the two separators 10 and the membrane electrode assembly 12. Similarly, the fuel electrode side gas diffusion layer 5 is formed as a gas diffusion layer between the other separator and the membrane electrode assembly 12.

そして、膜電極結合体12は、高分子電解質膜1の空気極側ガス拡散層4の面に空気極側電極触媒層2が形成される。また、膜電極結合体12は、高分子電解質膜1の燃料極側ガス拡散層5の面に燃料極側電極触媒層3が形成される。
上記の空気極側電極触媒層2と空気極側ガス拡散層4とで、電極として機能する空気極6が形成される。さらに、燃料極側電極触媒層3と燃料極側ガス拡散層5とで、同じく電極として機能する燃料極7が形成される。この空気極6と燃料極7とに、図示しない外部の負荷が接続されることで、負荷を駆動することができる。
In the membrane electrode assembly 12, the air electrode side electrode catalyst layer 2 is formed on the surface of the air electrode side gas diffusion layer 4 of the polymer electrolyte membrane 1. In the membrane electrode assembly 12, the fuel electrode side electrode catalyst layer 3 is formed on the surface of the fuel electrode side gas diffusion layer 5 of the polymer electrolyte membrane 1.
The air electrode 6 that functions as an electrode is formed by the air electrode side electrode catalyst layer 2 and the air electrode side gas diffusion layer 4. Further, the fuel electrode 7 that functions as an electrode is formed by the fuel electrode side electrode catalyst layer 3 and the fuel electrode side gas diffusion layer 5. The load can be driven by connecting an external load (not shown) to the air electrode 6 and the fuel electrode 7.

また、セパレータ10には、一方の面にはガスが流れる経路としてガス流路8が形成され、他方の面には冷却水が流れる経路として冷却水流路9が形成されている。
また、図2は、図1に示した膜電極結合体12の構成を示す要部断面図である。図2に示す膜電極結合体12は、高分子電解質膜1の空気極6側の面に、空気極側電極触媒層2が形成されている。また、膜電極結合体12は、高分子電解質膜1の燃料極7側の面に、空気極側電極触媒層3が形成されている。
The separator 10 has a gas flow path 8 formed on one surface as a flow path for gas, and a cooling water flow path 9 formed on the other face as a flow path for cooling water.
FIG. 2 is a cross-sectional view of an essential part showing the configuration of the membrane electrode assembly 12 shown in FIG. In the membrane electrode assembly 12 shown in FIG. 2, the air electrode side electrode catalyst layer 2 is formed on the surface of the polymer electrolyte membrane 1 on the air electrode 6 side. The membrane electrode assembly 12 has the air electrode side electrode catalyst layer 3 formed on the surface of the polymer electrolyte membrane 1 on the fuel electrode 7 side.

下記の化学一般式(1)におけるA,Aはアルキレン基を示し、Bは電子求引性基を示し、Bは電子供与性基を示し、Yはスルホン酸基、ホスホン酸基、ヒドロキシル基、またはカルボキシル基から選択されるプロトン酸基を示し、nは10以上10000以下の整数とする。 A 1, A 2 in the following chemical formula (1) represents an alkylene group, B 1 represents an electron withdrawing group, B 2 represents an electron donating group, Y is a sulfonic acid group, a phosphonic acid A protonic acid group selected from a group, a hydroxyl group, or a carboxyl group, and n is an integer of 10 or more and 10,000 or less.

Figure 0005884360
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そして、上記の化学一般式(1)に対して、ポリマー化が可能な基としてX,Xを有する上記の化学一般式(2)で高分子単位が表わされる。上記の高分子電解質1は、下記の化学一般式(2)で表されるポリマー化可能な基を有するイオン性材料(以下、「モノマー」と記す。)を重合させることによって得られる。 Then, the above chemical formula (1), a polymer unit represented by the above chemical formula with X 1, X 2 as a possible polymerization group (2). The polymer electrolyte 1 is obtained by polymerizing an ionic material (hereinafter, referred to as “monomer”) having a polymerizable group represented by the following chemical general formula (2).

Figure 0005884360
Figure 0005884360

[モノマーについて]
上記の化学一般式(2)中のA,Aはアルキレン基、Bは電子求引性基、Bは電子供与性基、Yはスルホン酸基、ヒドロキシル基、カルボキシル基から選択されるプロトン酸基をそれぞれ示す。さらに、X,Xはそれぞれ独立して塩素原子、臭素原子、またはヨウ素原子のいずれかである。X,Xは同一の原子であっても、異なる原子でもよいが、同一の原子であることが好ましい。
[About monomer]
A 1, A 2 alkylene groups in the above chemical formula (2) selecting, B 1 is an electron withdrawing group, B 2 is an electron donating group, Y is a sulfonic acid group, a hydroxyl group, a carboxyl group Each of the protonic acid groups is shown. Further, X 1 and X 2 are each independently a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom. X 1 and X 2 may be the same atom or different atoms, but are preferably the same atom.

ここで、ポリマー化可能な基とは、具体的には、XまたはXを含む基のことをいう。また、イオン性材料とは、Yで表されるプロトン酸基を有する材料のことをいう。
上記の化学一般式(2)中のA,Aで表されるアルキレン基は、−(CH−(mは1以上の整数である。)であることが好ましく、mが3または4であることが特に好ましい。mが3または4であることによって、その高分子電解質からなる高分子電解質膜の柔軟性を維持しつつ、酸価の高い高分子電解質膜を得ることができる。
Here, the group which can be polymerized specifically refers to a group containing X 1 or X 2 . The ionic material means a material having a protonic acid group represented by Y.
Alkylene group represented by A 1, A 2 of the above chemical formula (2) in the, - (CH 2) m - (. M is 1 or more is an integer) is preferably, m is Particularly preferred is 3 or 4. When m is 3 or 4, a polymer electrolyte membrane having a high acid value can be obtained while maintaining the flexibility of the polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte.

上記の化学一般式(2)中のBは電子求引性基であることが好ましい。Bが電子求引性基であることによって、ラジカル安定性を向上させることができる。電子求引性基としては、スルホ基、ニトロ基、シアノ基、カルボニル基などが挙げられるが、特に、Bがカルボニル基である場合、上記の化学一般式(2)のモノマーを容易に合成でき、よりラジカル安定性を向上させることができる。 B 1 in the chemical general formula (2) is preferably an electron withdrawing group. When B 1 is an electron withdrawing group, radical stability can be improved. Examples of the electron withdrawing group include a sulfo group, a nitro group, a cyano group, and a carbonyl group. In particular, when B 1 is a carbonyl group, the monomer represented by the general formula (2) is easily synthesized. And radical stability can be further improved.

上記の化学一般式(2)中のBは電子供与性基であることが好ましい。電子供与性としては、特に、アミノ基が好ましい。Bがアミノ基であることにより、上記の化学一般式(2)のモノマーを容易に合成でき、その高分子電解質からなる高分子電解質膜を柔軟にすることができる。一方、電子供与性基を導入すると例えば、メソゲン部位の電子密度が高くなり、ラジカルに攻撃されやすくなるが、その骨格に電子密度の低いピリジン骨格を導入しているため、ラジカル安定性を維持することができる。
なお、高分子電解質1のイオン交換容量は、上記で説明したような高分子電解質膜の性能の観点から、2.1meq/g以上2.4meq/g以下であることが特に好ましい。
B 2 in the chemical general formula (2) is preferably an electron donating group. As the electron donating property, an amino group is particularly preferable. When B 2 is an amino group, the monomer represented by the general chemical formula (2) can be easily synthesized, and the polymer electrolyte membrane made of the polymer electrolyte can be made flexible. On the other hand, when an electron-donating group is introduced, for example, the electron density of the mesogen moiety increases and it is easily attacked by radicals. However, since a pyridine skeleton having a low electron density is introduced into the skeleton, radical stability is maintained. be able to.
The ion exchange capacity of the polymer electrolyte 1 is particularly preferably 2.1 meq / g or more and 2.4 meq / g or less from the viewpoint of the performance of the polymer electrolyte membrane as described above.

[モノマーの製造方法について]
上記の化学一般式(2)のモノマーの製造方法は特に限定されないが、例えば、Aが−(CH−、Bがカルボニル基、Bがアミノ基であり、Aが(−CH−、Yがスルホン酸基である場合、以下のようにして合成することができる。なお、A、B、A、Yが上記構成でない場合であっても、以下のような合成方法および公知の合成方法を組み合わせることによって、上記の化学一般式(2)のモノマーを製造することができる。
まず。下記の化学一般式(3)で表される化合物(A)を準備する。
[Manufacturing method of monomer]
The above manufacturing method of a monomer chemical formula (2) is not particularly limited, for example, A 1 is - (CH 2) 4 -, B 1 is a carbonyl group, B 2 is an amino group, A 2 is ( When —CH 2 ) 3 — and Y are sulfonic acid groups, they can be synthesized as follows. Even when A 1 , B 1 , A 2 , and Y are not the above-described configuration, the monomer of the above general formula (2) is produced by combining the following synthesis method and a known synthesis method. can do.
First. A compound (A) represented by the following chemical general formula (3) is prepared.

Figure 0005884360
Figure 0005884360

ここで、X,Xはそれぞれ塩素原子、臭素原子またはヨウ素原子のいずれかである。反応効率の点から、1,4−ジクロロベンゼンであることが好ましい。
次に、上記の化合物(A)と、下記の化学一般式(4)で表される化合物(B)とを反応させることによって、下記の化学一般式(5)で表される化合物(C)を得ることができる。
Here, X 1 and X 2 are each a chlorine atom, a bromine atom or an iodine atom. From the viewpoint of reaction efficiency, 1,4-dichlorobenzene is preferable.
Next, the compound (C) represented by the following chemical general formula (5) is reacted with the compound (B) represented by the following chemical general formula (4). Can be obtained.

Figure 0005884360
Figure 0005884360

ここで、上記の式中のXは、塩素原子、臭素原子またはヨウ素原子のいずれかである。なお、反応効率の点から、Xは、塩素原子であることが好ましい。 Here, X 1 in the above formula is either a chlorine atom, a bromine atom or an iodine atom. From the viewpoint of reaction efficiency, X 1 is preferably a chlorine atom.

Figure 0005884360
Figure 0005884360

この際の反応条件は、特に限定されるものではない。但し、反応温度が、好ましくは25℃以上80℃以下、より好ましくは40℃以上70℃以下であって、反応時間が、好ましくは8時間以上48時間以下、より好ましくは16時間以上32時間以下である反応条件下で反応が行われる。
また、上記の反応を行う際の圧力は、特に限定されるものではないため、加圧下、常圧(大気下)、または減圧下いずれかでよく、適宜設定すればよい。ただし、アルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガス雰囲気を用いて、反応を行うことが好ましい。
上記の化合物(B)は、化合物(A)100モル%に対して、50モル%以上100モル%以下であることが好ましく、80モル%以上100モル%以下であることが好ましい。
The reaction conditions at this time are not particularly limited. However, the reaction temperature is preferably 25 ° C. to 80 ° C., more preferably 40 ° C. to 70 ° C., and the reaction time is preferably 8 hours to 48 hours, more preferably 16 hours to 32 hours. The reaction is carried out under the reaction conditions.
Moreover, since the pressure at the time of performing said reaction is not specifically limited, it may be under pressure, normal pressure (atmosphere), or pressure reduction, and should just be set suitably. However, the reaction is preferably performed using an inert gas atmosphere such as argon gas or nitrogen gas.
The compound (B) is preferably 50 mol% or more and 100 mol% or less, and preferably 80 mol% or more and 100 mol% or less, relative to 100 mol% of the compound (A).

また、上記の反応を行う際に用いられる触媒としては、ルイス酸触媒であれば良い。ルイス酸触媒の例としては、無水塩化アルミニウムが挙げられる。
触媒は、化合物(A)100モル%以上に対して、100モル%以上200モル%以下であることが好ましく、100モル%以上150モル%以下であることがより好ましい。
次に、上記の化合物(C)と塩化チオニルとを反応させることによって、下記の化学一般式(6)で表される化合物(D)を得ることができる。
Moreover, what is necessary is just a Lewis' acid catalyst as a catalyst used when performing said reaction. An example of a Lewis acid catalyst is anhydrous aluminum chloride.
The catalyst is preferably 100 mol% or more and 200 mol% or less, more preferably 100 mol% or more and 150 mol% or less, relative to 100 mol% or more of the compound (A).
Next, the compound (D) represented by the following chemical formula (6) can be obtained by reacting the above compound (C) with thionyl chloride.

Figure 0005884360
Figure 0005884360

この際の反応条件は、特に限定されるものではないが、反応温度は好ましくは、25℃以上80℃以下、より好ましくは、40℃以上60℃以下、反応時間は好ましくは、1時間以上10時間以下、より好ましくは2時間以上5時間以下で反応が行われる。
反応は、反応効率の観点から、窒素雰囲気で行うことが望ましい。
上記の反応で用いられる反応溶媒としては、良溶媒であることが望ましく、例えば、テトラヒドロフラン、シクロヘキサノン、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、γ−ブチロラクトン、N,N−ジメチルイミダゾリノンなどが挙げられる。
次に、下記の化学一般式(7)で表される化合物(E)と、プロパンスルトンとを反応させる。
The reaction conditions at this time are not particularly limited, but the reaction temperature is preferably 25 ° C. or higher and 80 ° C. or lower, more preferably 40 ° C. or higher and 60 ° C. or lower, and the reaction time is preferably 1 hour or longer and 10 ° C. The reaction is performed for a time or less, more preferably 2 hours or more and 5 hours or less.
The reaction is desirably performed in a nitrogen atmosphere from the viewpoint of reaction efficiency.
The reaction solvent used in the above reaction is preferably a good solvent. For example, tetrahydrofuran, cyclohexanone, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylacetamide, N -Methyl-2-pyrrolidone, γ-butyrolactone, N, N-dimethylimidazolinone and the like.
Next, the compound (E) represented by the following chemical general formula (7) is reacted with propane sultone.

Figure 0005884360
Figure 0005884360

そして、上記の2つ化合物を反応させた結果、下記の化学一般式(8)で表される化合物(F)を得ることができる。   And as a result of making said 2 compound react, the compound (F) represented by following chemical general formula (8) can be obtained.

Figure 0005884360
Figure 0005884360

この際の反応条件は、特に限定されるものではないが、反応温度は好ましくは、25℃以上80℃以下が好ましい。また、反応時間は好ましくは、10時間以上48時間以下で行われる。なお、反応を行う雰囲気は、大気雰囲気下であってもよいし、窒素雰囲気下であってもよい。   The reaction conditions at this time are not particularly limited, but the reaction temperature is preferably 25 ° C. or higher and 80 ° C. or lower. The reaction time is preferably 10 hours to 48 hours. Note that the atmosphere in which the reaction is performed may be an air atmosphere or a nitrogen atmosphere.

この反応を行う際に用いられる反応溶媒としては、良溶媒であることが望ましく、より好ましくは、アルコール系溶媒であることが望ましい。具体的な反応溶媒として、例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、1−ブタノールが挙げられる。
上記のモノマーは、上記の化合物(D)と上記の化合物(F)とを反応させることにより、得ることができる。具体的には、上記の化学一般式(2)において、Aが−(CH−、Bがカルボニル基、Bがエーテル基であり、Aが−(CH−、Yがスルホン酸基であるモノマーが得られる。
The reaction solvent used in carrying out this reaction is desirably a good solvent, and more preferably an alcohol solvent. Specific examples of the reaction solvent include ethanol, methanol, propanol, and 1-butanol.
Said monomer can be obtained by making said compound (D) and said compound (F) react. Specifically, in the chemical general formula (2), A 1 is — (CH 2 ) 4 —, B 1 is a carbonyl group, B 2 is an ether group, and A 2 is — (CH 2 ) 3 —. , Y is a sulfonic acid group.

この際の反応条件は、特に限定されるものではないが、反応温度が好ましくは25℃以上80℃以下、より好ましくは40℃以上70℃以下、反応時間が好ましくは8時間以上48時間以下、より好ましくは16時間以上32時間以下で反応が行われる。
反応の際の圧力は、特に限定されるものではないが、加圧下、常圧(大気圧)下、または減圧下いずれかでよく、場合により適宜設定すればよいが、常圧下であることが好ましい。
The reaction conditions at this time are not particularly limited, but the reaction temperature is preferably 25 ° C. or more and 80 ° C. or less, more preferably 40 ° C. or more and 70 ° C. or less, the reaction time is preferably 8 hours or more and 48 hours or less, More preferably, the reaction is performed for 16 hours or more and 32 hours or less.
The pressure during the reaction is not particularly limited, and may be either under pressure, under normal pressure (atmospheric pressure), or under reduced pressure, and may be appropriately set depending on circumstances, but may be under normal pressure. preferable.

また、反応を行う雰囲気は特に限定されるものではないが、アルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガス雰囲気で行うことが好ましい。
上記の化合物(D)は、上記の化合物(F)100モル%に対して、50モル%以上100モル%以下であることが好ましく、80モル%以上100モル%以下であることが好ましい。
The atmosphere in which the reaction is performed is not particularly limited, but it is preferably performed in an inert gas atmosphere such as argon gas or nitrogen gas.
The compound (D) is preferably 50 mol% or more and 100 mol% or less, and more preferably 80 mol% or more and 100 mol% or less with respect to 100 mol% of the compound (F).

また、この際用いられる触媒としては、ルイス酸触媒であれば良く、ルイス酸触媒の例としては、無水塩化アルミニウムが挙げられる。触媒は、上記の化合物(D)100モル%に対して、100モル%以上200モル%以下であることが好ましく、100モル%以上150モル以下であることがより好ましい。   The catalyst used at this time may be a Lewis acid catalyst, and an example of the Lewis acid catalyst is anhydrous aluminum chloride. The catalyst is preferably 100 mol% or more and 200 mol% or less, more preferably 100 mol% or more and 150 mol% or less with respect to 100 mol% of the compound (D).

[高分子電解質の製造方法について]
上記のモノマーの重合は、特に限定されるものではないが、特定の触媒の存在下に反応させることが好ましい。この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系としては、配位子成分、配位子が配位された遷移金属錯体、および還元剤を必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために塩を添加してもよい。
[Polymer electrolyte production method]
The polymerization of the monomer is not particularly limited, but it is preferable to react in the presence of a specific catalyst. The catalyst used in this case is a catalyst system containing a transition metal compound. The catalyst system includes a ligand component, a transition metal complex coordinated with the ligand, and a reducing agent as essential components. A salt may be added to increase the polymerization rate.

また、配位子成分としては、トリフェニルホスフィン、2,2’−ビピリジン、1,5−シクロオクタジエン、または1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパンなどが挙げられる。これらのうち、トリフェニルホスフィン、2,2’−ビピリジンが好ましい。上記の配位子成分である化合物は、1種類だけ単独で用いてもよいし、2種以上を併用して用いてもよい。配位子成分は、上記のモノマー100モル%に対して、1モル%100モル%以下であることが好ましく、1モル%以上20モル%以下であることがより好ましい。   Examples of the ligand component include triphenylphosphine, 2,2′-bipyridine, 1,5-cyclooctadiene, 1,3-bis (diphenylphosphino) propane, and the like. Of these, triphenylphosphine and 2,2'-bipyridine are preferred. Only one type of the above-mentioned ligand component may be used alone, or two or more types may be used in combination. The ligand component is preferably 1 mol% or less and 100 mol% or less, more preferably 1 mol% or more and 20 mol% or less with respect to 100 mol% of the monomer.

配位子が配位された遷移金属錯体としては、例えば、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、臭化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、ヨウ化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、硝酸ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケル(2,2−ビピリジン)、臭化ニッケル(2,2−ビピリジン)、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスフィン)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスファイト)ニッケル、またはテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウムなどが挙げられる。これらのうち、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケル(2,2−ビピリジン)が好ましい。遷移金属錯体は、上記モノマー100モル%に対して、1モル%以上100モル%以下であることが好ましく、1モル%以上20モル%以下であることがより好ましい。   Examples of transition metal complexes in which a ligand is coordinated include nickel chloride bis (triphenylphosphine), nickel bromide bis (triphenylphosphine), nickel iodide bis (triphenylphosphine), and nickel nitrate bis (tri Phenylphosphine), nickel chloride (2,2-bipyridine), nickel bromide (2,2-bipyridine), bis (1,5-cyclooctadiene) nickel, tetrakis (triphenylphosphine) nickel, tetrakis (triphenylphos) Phyto) nickel or tetrakis (triphenylphosphine) palladium. Of these, nickel chloride bis (triphenylphosphine) and nickel chloride (2,2-bipyridine) are preferred. The transition metal complex is preferably 1 mol% or more and 100 mol% or less, and more preferably 1 mol% or more and 20 mol% or less with respect to 100 mol% of the monomer.

上記の触媒系に使用することができる還元剤としては、例えば、鉄、亜鉛、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、ナトリウム、またはカルシウムなどが挙げられる。これらのうち、亜鉛、マグネシウム、マンガンが好ましい。これらの還元剤は、有機酸などの酸に接触させることにより、より活性化して用いることができる。還元剤は、上記モノマー100モル%に対して、1モル以上100モル%以下であることが好ましく、10モル%以上30モル%以下であることが好ましい。   Examples of the reducing agent that can be used in the above catalyst system include iron, zinc, manganese, aluminum, magnesium, sodium, and calcium. Of these, zinc, magnesium and manganese are preferred. These reducing agents can be used after being more activated by bringing them into contact with an acid such as an organic acid. The reducing agent is preferably 1 mol or more and 100 mol% or less, and preferably 10 mol% or more and 30 mol% or less with respect to 100 mol% of the monomer.

また、上記の触媒系において使用することのできる塩としては、フッ化ナトリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、硫酸ナトリウムなどのナトリウム化合物;フッ化カリウム、塩化カリウム、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、硫酸カリウムなどのカリウム化合物;フッ化テトラエチルアンモニウム、塩化テトラエチルアンモニウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウム、硫酸テトラエチルアンモニウムなどのアンモニウム化合物が挙げられる。これらのうち、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化カリウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウムが好ましい。塩は、上記モノマー100モル%に対して、1モル%以上100モル%以下であることが好ましく、10モル%以上30モル%以下であることが好ましい。   Examples of salts that can be used in the above catalyst system include sodium compounds such as sodium fluoride, sodium chloride, sodium bromide, sodium iodide, and sodium sulfate; potassium fluoride, potassium chloride, potassium bromide, iodine Potassium compounds such as potassium iodide and potassium sulfate; ammonium compounds such as tetraethylammonium fluoride, tetraethylammonium chloride, tetraethylammonium bromide, tetraethylammonium iodide, and tetraethylammonium sulfate. Of these, sodium bromide, sodium iodide, potassium bromide, tetraethylammonium bromide, and tetraethylammonium iodide are preferred. The salt is preferably 1 mol% or more and 100 mol% or less, and preferably 10 mol% or more and 30 mol% or less with respect to 100 mol% of the monomer.

また、上記重合の際に用いられる溶媒としては、例えば、テトラヒドロフラン、シクロヘキサノン、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、γ−ブチロラクトン、N,N−ジメチルイミダゾリジノンが好ましい。これらの重合溶媒は、十分に乾燥してから用いることが好ましい。   Examples of the solvent used in the polymerization include tetrahydrofuran, cyclohexanone, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, γ-butyrolactone, N, N-dimethylimidazolidinone is preferred. These polymerization solvents are preferably used after sufficiently dried.

重合の際の重合温度および重合時間は、特に限定されるものではなく、分子量や、重合の濃度等によって適宜設定すればよい。例えば、重量平均分子量が10万以上50万以下の重合体を得ることを目的とする場合、反応効率の点から、重合温度が好ましくは25℃以上80℃以下、より好ましくは40℃以上70℃以下、重合時間が好ましくは8時間以上40時間以下、より好ましくは16時間以上32時間以下で重合が行われる。   The polymerization temperature and the polymerization time during the polymerization are not particularly limited, and may be appropriately set depending on the molecular weight, the polymerization concentration, and the like. For example, when it is intended to obtain a polymer having a weight average molecular weight of 100,000 or more and 500,000 or less, the polymerization temperature is preferably 25 ° C. or more and 80 ° C. or less, more preferably 40 ° C. or more and 70 ° C. from the viewpoint of reaction efficiency. Hereinafter, the polymerization is performed in a polymerization time of preferably 8 hours to 40 hours, more preferably 16 hours to 32 hours.

重合の際の重合圧力は、特に限定されず、加圧下、常圧(大気)下、減圧下のいずれかでよく、場合により適宜設定すればよいが、常圧下であることが好ましい。
上記のモノマーの重合度、すなわち上記の化学一般式(1)におけるnは、10以上10000以下であることが好ましく、より好ましくは、1000以上10000以下である。nが上記の範囲であることにより、高分子電解質を溶媒に容易に溶解させることができ、成膜性を良好にすることができる。
The polymerization pressure at the time of polymerization is not particularly limited, and may be any of under pressure, normal pressure (atmosphere), and reduced pressure, and may be appropriately set depending on circumstances, but is preferably under normal pressure.
The degree of polymerization of the monomer, that is, n in the chemical general formula (1) is preferably 10 or more and 10,000 or less, and more preferably 1000 or more and 10,000 or less. When n is in the above range, the polymer electrolyte can be easily dissolved in the solvent, and the film formability can be improved.

[高分子電解質膜の製造方法について]
このようにして得られた高分子電解質を用いて高分子電解質膜を製造する方法としては、特に限定されないが、例えば、本発明のポリフェニレン系電解質を溶媒に溶解して溶液とした後、キャスティングにより、基材上に塗布し、フィルム状に形成する方法や、所定のギャップに制御されたアプリケータを用いて塗工、成膜する方法、ダイコータを用いて成膜する方法等が挙げられる。
[Production method of polymer electrolyte membrane]
A method for producing a polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte thus obtained is not particularly limited. For example, the polyphenylene electrolyte of the present invention is dissolved in a solvent to form a solution, and then cast by casting. Examples thereof include a method of coating on a substrate and forming it into a film, a method of applying and forming a film using an applicator controlled to a predetermined gap, and a method of forming a film using a die coater.

また、成膜を行うのにあたっては、溶液の粘度を10mPa・s以上10000mPa・s以下とすることが好ましく、10mPa・s以上1000mPa・s以下とすることがより好ましい。上記範囲内であると、溶媒の残留量が少なく、また溶液を乾燥する際に多量の気泡が発生する確率が低いことと、レべリング効果により厚みむらが低減できるため、安定したプロトン伝導性が確保される。   In film formation, the viscosity of the solution is preferably 10 mPa · s or more and 10,000 mPa · s or less, and more preferably 10 mPa · s or more and 1000 mPa · s or less. Within the above range, the residual amount of the solvent is small, and the probability that a large amount of bubbles are generated when the solution is dried is low, and the thickness unevenness can be reduced by the leveling effect, so that stable proton conductivity is achieved. Is secured.

その際の高分子電解質の濃度は、分子量にもよるが、通常、2.5重量%以上50重量%以下、好ましくは7重量%以上25重量%以下である。上記の範囲内であれば、成膜性が優れる。
また、この際に用いられる溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、γ−ブチルラクトン、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチル尿素、ジメチルイミダゾリジノンなどの非プロトン系極性溶媒、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、iso−プロピルアルコール、sec−ブチルアルコール、tert−ブチルアルコールなどのアルコール系溶媒およびアセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン系溶媒などが挙げられる。これらの溶媒は、単独で用いてもよく、あるいは2種以上混合させてもよい。またこれらの溶媒に水を添加したものを用いてもよい。
また、粘度を調整した高分子電解質溶液は、例えば、基材にキャストされる。キャストする基材としては、金属材料、ガラス、セラミックス、プラスチックなどが挙げられる。基材の形状は特に限定されるものではない。
さらに、基材上に形成された塗膜は、好ましくは25℃以上140℃以下、0.1時間以上24時間以下で加熱され、本発明の高分子電解質膜が形成される。
In this case, the concentration of the polymer electrolyte is usually 2.5% by weight or more and 50% by weight or less, preferably 7% by weight or more and 25% by weight or less, although it depends on the molecular weight. Within the above range, the film formability is excellent.
Examples of the solvent used in this case include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, γ-butyllactone, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, dimethylurea, dimethylimidazolidinone. And aprotic polar solvents such as methanol, ethanol, propyl alcohol, iso-propyl alcohol, sec-butyl alcohol and tert-butyl alcohol, and ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone and cyclohexanone. These solvents may be used alone or in combination of two or more. Moreover, you may use what added water to these solvents.
Moreover, the polymer electrolyte solution whose viscosity has been adjusted is cast on a substrate, for example. Examples of the base material to be cast include metal materials, glass, ceramics, and plastics. The shape of the substrate is not particularly limited.
Furthermore, the coating film formed on the substrate is preferably heated at 25 ° C. or higher and 140 ° C. or lower and 0.1 hour or longer and 24 hours or shorter to form the polymer electrolyte membrane of the present invention.

[固体高分子形燃料電池について]
固体高分子形燃料電池は、一般に、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の両面に設けた空気極側電極触媒層および燃料極側触媒層とからなる膜電極接合体と、空気極側電極触媒層および燃料極側電極触媒層と対向して配置された空気極側ガス拡散層および燃料極側ガス拡散層と、これらを挟持したセパレータとから構成される。
本発明の高分子電解質は、薄膜化しても十分な機械強度を有し、耐加水分解性およびラジカル安定性を向上させることができることから、上記固体高分子形燃料電池を構成する高分子電解質膜の材料として用いることができる。また、導電性物質および触媒物質とともに、空気極側電極触媒層または燃料極側電極触媒層を形成することもできる。
以下、本発明を実施例および比較例により詳細に説明する。ただし、本発明は、これから説明する実施例および比較例に限定されるものではない。
[About polymer electrolyte fuel cells]
A polymer electrolyte fuel cell generally includes a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly comprising an air electrode side electrode catalyst layer and a fuel electrode side catalyst layer provided on both sides of the polymer electrolyte membrane, and an air electrode side electrode. The air electrode side gas diffusion layer and the fuel electrode side gas diffusion layer disposed to face the catalyst layer and the fuel electrode side electrode catalyst layer, and a separator sandwiching them.
The polymer electrolyte of the present invention has sufficient mechanical strength even when it is thinned, and can improve hydrolysis resistance and radical stability. Therefore, the polymer electrolyte membrane constituting the solid polymer fuel cell is used. It can be used as a material. Moreover, an air electrode side electrode catalyst layer or a fuel electrode side electrode catalyst layer can be formed together with the conductive material and the catalyst material.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples and Comparative Examples. However, the present invention is not limited to the examples and comparative examples described below.

[実施例]
<化合物(C−1)の合成>
1,4−ジクロロベンゼン14.6g(0.1mol)、1−クロロへキサン酸を13.6g(0.1mol)を用意し、塩化アルミニウム14.6g(0.11mol)を加えて、窒素雰囲気下、1時間撹拌を行った。この反応溶液の有機成分を抽出により回収し、シクロへキサンを用いて再結晶を行った。乾燥後、下記の化学一般式(9)で表される化合物(C−1)を得た。
[Example]
<Synthesis of Compound (C-1)>
Prepare 14.6 g (0.1 mol) of 1,4-dichlorobenzene and 13.6 g (0.1 mol) of 1-chlorohexanoic acid, add 14.6 g (0.11 mol) of aluminum chloride, and add nitrogen atmosphere. Under stirring for 1 hour. The organic component of the reaction solution was recovered by extraction and recrystallized using cyclohexane. After drying, a compound (C-1) represented by the following chemical general formula (9) was obtained.

Figure 0005884360
Figure 0005884360

<化合物(D−1)の合成>
窒素雰囲気下において、得られた化合物(C−1)50g(0.2mol)に、塩化チオニル118.9g(1mol)およびジメチルホルムアミド5mlを加えて、45℃で4時間加熱撹拌することにより、下記の化学一般式(10)で表される化合物(D−1)を得た。
<Synthesis of Compound (D-1)>
Under a nitrogen atmosphere, 118.9 g (1 mol) of thionyl chloride and 5 ml of dimethylformamide were added to 50 g (0.2 mol) of the obtained compound (C-1), followed by heating and stirring at 45 ° C. for 4 hours. Compound (D-1) represented by the general chemical formula (10) was obtained.

Figure 0005884360
Figure 0005884360

<化合物(F)の合成>
窒素雰囲気下、2−アミノ−5−フェニルピリジン(上記の化学一般式(7)で表わされる化合物(E))49.4g(0.29mol)に、プロパンスルトンを141.7g(1.16mol)および水酸化ナトリウム20g(0.5mol)、メタノールを200ml加えて、48時間撹拌した。
その後、ジエチルエーテルで再沈殿させ、ろ過した。ろ過物を塩酸にて洗いこみ、上記の化学一般式(8)で表わされる化合物(F)を得た。
<モノマーの合成>
窒素雰囲気下、化合物(D−1)を10g(0.038mol)に、化合物(F)を11.1g(0.038mol)、塩化アルミニウムを5.56g(0.042mol)、30mlのジメチルホルムアミドを加えて、60℃で1時間撹拌させて、下記の化学一般式(11)で表わされる実施例のモノマーを得た。
<Synthesis of Compound (F)>
Under a nitrogen atmosphere, 141.7 g (1.16 mol) of propane sultone was added to 49.4 g (0.29 mol) of 2-amino-5-phenylpyridine (compound (E) represented by the above chemical formula (7)). Then, 20 g (0.5 mol) of sodium hydroxide and 200 ml of methanol were added and stirred for 48 hours.
Then, it reprecipitated with diethyl ether and filtered. The filtrate was washed with hydrochloric acid to obtain the compound (F) represented by the above chemical general formula (8).
<Synthesis of monomer>
Under a nitrogen atmosphere, 10 g (0.038 mol) of the compound (D-1), 11.1 g (0.038 mol) of the compound (F), 5.56 g (0.042 mol) of aluminum chloride, and 30 ml of dimethylformamide were added. In addition, the mixture was stirred at 60 ° C. for 1 hour to obtain a monomer of an example represented by the following chemical general formula (11).

Figure 0005884360
Figure 0005884360

<高分子電解質の合成>
窒素雰囲気下、実施例のモノマーを7.79g(14.58mmol)に、トリフェニルホスフィン1.493g(5.692mmol)、ヨウ化ナトリウム0.293g(1.953mmol)、亜鉛1.281g(19.59mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケル(II)ジクロリド0.311g(0.475mmol)を加える。さらに、溶媒として、20mlのジメチルホルムアミドを加えて、60℃で24時間撹拌して、下記の化学一般式(12)で表わされる実施例の高分子電解質を得た。
<Synthesis of polymer electrolyte>
Under a nitrogen atmosphere, 7.79 g (14.58 mmol) of the monomer of the example, 1.493 g (5.692 mmol) of triphenylphosphine, 0.293 g (1.953 mmol) of sodium iodide, and 1.281 g (19.19) of zinc. 59 mmol), 0.311 g (0.475 mmol) of bis (triphenylphosphine) nickel (II) dichloride is added. Furthermore, 20 ml of dimethylformamide was added as a solvent, and the mixture was stirred at 60 ° C. for 24 hours to obtain a polymer electrolyte of an example represented by the following chemical general formula (12).

Figure 0005884360
Figure 0005884360

[比較例]
<9−ブロモ−1−デセンの合成>
500mlの三角フラスコにベンゼン100ml及びピリジン1.0gを加えて、9−デセン−1−オール25g(0.16mol)を溶解した。次に、三臭化リン43.2g(0.16mol)を溶解させたベンゼン溶液100mlを氷冷下でゆっくりと滴下した後、室温で18時間撹拌した。その後、反応液を氷水中に注ぎ、ジエチルエーテル300mlで抽出した。ここで得たエーテル−ベンゼン混合液は、無水硫酸ナトリウムで一晩脱水した。求引ろ過により硫酸ナトリウムを除き、エーテル−ベンゼンを減圧除去し、残渣を減圧蒸留して目的物9−ブロモ−1−デセンを得た。
[Comparative example]
<Synthesis of 9-bromo-1-decene>
To a 500 ml Erlenmeyer flask, 100 ml of benzene and 1.0 g of pyridine were added to dissolve 25 g (0.16 mol) of 9-decen-1-ol. Next, 100 ml of a benzene solution in which 43.2 g (0.16 mol) of phosphorus tribromide was dissolved was slowly added dropwise under ice cooling, followed by stirring at room temperature for 18 hours. Thereafter, the reaction solution was poured into ice water and extracted with 300 ml of diethyl ether. The ether-benzene mixture obtained here was dehydrated overnight with anhydrous sodium sulfate. Sodium sulfate was removed by suction filtration, ether-benzene was removed under reduced pressure, and the residue was distilled under reduced pressure to obtain the desired product 9-bromo-1-decene.

<4−(9−デセニルオキシフェニル)フェノールの合成>
水酸化ナトリウム0.08mol(3.40g)を100mlのエタノールに溶解させた。この溶液を4,4’−ビフェノール0.08mol(14.9g)を溶解させた100mLエタノールに少量ずつ加えて、エタノールを減圧除去した。残渣を150mLDMFに窒素気流下で加温して溶解させた(A液)。上記で調整した9−ブロム−1−デセン0.072mol(15.8g)、フェノチアジン0.1gを30mLのDMFに溶解させた(B液)。窒素雰囲気下でよく撹拌しながらA液にB液を30分程度かけて加えて、40℃で24時間反応させた。反応終了後、反応液を冷却し、300mLの10%冷希塩酸で洗浄した後、300mLのエーテルで抽出し、次いで100mL冷蒸留水で洗浄した。エーテル層は、無水硫酸ナトリウムで一晩脱水する。硫酸ナトリウムをろ過により取り除き、エーテルを減圧除去する。残渣に300mLのヘキサンを加えて、ろ過により沈殿物を得る。次いで、200mLベンゼンを加えて、ベンゼン可溶部分をベンゼンを用いたカラムクロマトグラフィーで精製してスルホン化4−(9−デセニルオキシフェニル)フェノールを得た。
<Synthesis of 4- (9-decenyloxyphenyl) phenol>
Sodium hydroxide 0.08 mol (3.40 g) was dissolved in 100 ml of ethanol. This solution was added little by little to 100 mL ethanol in which 0.08 mol (14.9 g) of 4,4′-biphenol was dissolved, and ethanol was removed under reduced pressure. The residue was dissolved in 150 mL DMF by heating under a nitrogen stream (solution A). 0.072 mol (15.8 g) of 9-bromo-1-decene prepared above and 0.1 g of phenothiazine were dissolved in 30 mL of DMF (solution B). Liquid B was added to liquid A over about 30 minutes while stirring well in a nitrogen atmosphere, and reacted at 40 ° C. for 24 hours. After completion of the reaction, the reaction solution was cooled, washed with 300 mL of 10% cold dilute hydrochloric acid, extracted with 300 mL of ether, and then washed with 100 mL of cold distilled water. The ether layer is dehydrated with anhydrous sodium sulfate overnight. Sodium sulfate is removed by filtration and ether is removed under reduced pressure. 300 mL of hexane is added to the residue, and a precipitate is obtained by filtration. Next, 200 mL of benzene was added, and the benzene-soluble part was purified by column chromatography using benzene to obtain sulfonated 4- (9-decenyloxyphenyl) phenol.

<3−[6−(9−デセニルオキシ)ビフェニルオキシ]プロピルスルホン酸の合成>
N,N−ジメチルホルムアミド30mL中に重合禁止剤であるフェノチアジン0.05gを溶解させた。そこへ、1,8−ジアザビシクロ[5,4,0]−7−ウンデセン(DBU)0.008mol(1.22g)と4−(9−デセニルオキシフェニル)フェノール0.002mol(0.65g)、3−ブロモプロパンスルホン酸ナトリウム0.008mol(1.32g)を溶解させ、窒素雰囲気下、50℃で48時間撹拌した。反応終了後、溶媒を濃縮したジエチルエーテルを加えて、ろ過することにより沈殿を得た。次に、沈殿を蒸留水でよく洗浄した。次に、洗浄後の沈殿を6mol/LのHCl中で24時間撹拌後、遠心分離機により沈殿を得て、この沈殿をジエチルエーテルで洗浄後、乾燥して、比較例のモノマーである3−[6−(9−デセニルオキシ)ビフェニルオキシ]プロピルスルホン酸を得た。
<Synthesis of 3- [6- (9-decenyloxy) biphenyloxy] propylsulfonic acid>
In 30 mL of N, N-dimethylformamide, 0.05 g of phenothiazine, which is a polymerization inhibitor, was dissolved. There, 1,8-diazabicyclo [5,4,0] -7-undecene (DBU) 0.008 mol (1.22 g) and 4- (9-decenyloxyphenyl) phenol 0.002 mol (0.65 g) ), 0.008 mol (1.32 g) of sodium 3-bromopropanesulfonate was dissolved and stirred at 50 ° C. for 48 hours under a nitrogen atmosphere. After completion of the reaction, diethyl ether with concentrated solvent was added and filtered to obtain a precipitate. Next, the precipitate was washed well with distilled water. Next, after the washed precipitate was stirred in 6 mol / L HCl for 24 hours, the precipitate was obtained by a centrifuge, and this precipitate was washed with diethyl ether and dried to obtain a monomer of Comparative Example 3- [6- (9-decenyloxy) biphenyloxy] propylsulfonic acid was obtained.

<3−[6−(9−デセニルオキシ)ビフェニルオキシ]プロピルスルホン酸の高分子量化>
窒素雰囲気下、3−[6−(9−デセニルオキシ)ビフェニルオキシ]プロピルスルホン酸を488mg(1mmol)、開始剤であるAIBNを6.6mg(0.04mmol)加えて、ジメチルスルホキシドを4.7ml加えた。その後、60℃で60時間熱重合して高分子量化させた。その後、アセトンで再沈殿させ、比較例の高分子電解質である3−[6−(9−デセニルオキシ)ビフェニルオキシ]プロピルスルホン酸ポリマーを得た。
<Molecularization of 3- [6- (9-decenyloxy) biphenyloxy] propylsulfonic acid>
Under a nitrogen atmosphere, 488 mg (1 mmol) of 3- [6- (9-decenyloxy) biphenyloxy] propylsulfonic acid, 6.6 mg (0.04 mmol) of AIBN as an initiator were added, and 4.7 ml of dimethyl sulfoxide was added. It was. Then, it polymerized by heat polymerization at 60 ° C. for 60 hours. Then, it reprecipitated with acetone and obtained 3- [6- (9-decenyloxy) biphenyloxy] propylsulfonic acid polymer which is a polymer electrolyte of a comparative example.

[高分子電解質の成膜]
実施例および比較例の高分子電解質をジメチルスルホキシドに溶解させた後、ガラスにキャストし、45℃で12時間、80℃で12時間、80℃で1時間真空乾燥させることで、実施例および比較例の高分子電解質膜を得た。
[評価]
<薄膜化>
実施例の高分子電解質膜は、比較例の高分子電解質膜に比較して、薄膜化しても膜電極接合体が作製できる機械強度を有していた。
<フェントン試験>
また、60℃、3%過酸化水素水溶液、4ppmFe2+中に、実施例および比較例の高分子電解質膜を浸漬させた。その結果、実施例の高分子電解質膜の方が、比較例の高分子電解質膜より、高い耐久性を有していることを確認した。
[Polymer electrolyte deposition]
The polymer electrolytes of Examples and Comparative Examples were dissolved in dimethyl sulfoxide, and then cast into glass, followed by vacuum drying at 45 ° C. for 12 hours, 80 ° C. for 12 hours, and 80 ° C. for 1 hour. An example polymer electrolyte membrane was obtained.
[Evaluation]
<Thinning>
The polymer electrolyte membrane of the example had a mechanical strength that can produce a membrane electrode assembly even if it was made thinner than the polymer electrolyte membrane of the comparative example.
<Fenton test>
Further, the polymer electrolyte membranes of Examples and Comparative Examples were immersed in 60 ° C., 3% hydrogen peroxide aqueous solution, and 4 ppm Fe 2+ . As a result, it was confirmed that the polymer electrolyte membrane of the example had higher durability than the polymer electrolyte membrane of the comparative example.

本発明は、電気自動車、燃料電池自動車などの自動車や、ノートパソコン、携帯電話、携帯情報端末などのモバイル機器、家庭用発電装置などの発電源として用いられる固体高分子形燃料電池を構成する高分子電解質膜などに利用することができる。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell used as a power source for automobiles such as electric vehicles and fuel cell vehicles, mobile devices such as notebook computers, mobile phones and personal digital assistants, and power generators for home use. It can be used for a molecular electrolyte membrane.

1……高分子電解質膜(高分子電解質)
2……空気極側電極触媒層
3……燃料極側電極触媒層
4……空気極側ガス拡散層
5……燃料極側ガス拡散層
6……空気極
7……燃料極
8……ガス流路
9……冷却水流路
10……セパレータ
11……固体高分子形燃料電池の単セル
12……膜電極結合体
1 ... Polymer electrolyte membrane (Polymer electrolyte)
2 …… Air electrode side electrode catalyst layer 3 …… Fuel electrode side electrode catalyst layer 4 …… Air electrode side gas diffusion layer 5 …… Fuel electrode side gas diffusion layer 6 …… Air electrode 7 …… Fuel electrode 8 …… Gas Channel 9 ... Cooling water channel 10 ... Separator 11 ... Single cell of polymer electrolyte fuel cell 12 ... Membrane electrode assembly

Claims (5)

下記の化学一般式(1)(A,Aはアルキレン基を示し、Bは電子求引性基を示し、Bは電子供与性基を示し、Yはスルホン酸基、ホスホン酸基、ヒドロキシル基、またはカルボキシル基から選択されるプロトン酸基を示し、nは10以上10000以下の整数とする。)で表される高分子単位を有し、
前記電子求引性基はカルボニル基であり、前記電子供与性基はアミノ基であることを特徴とする高分子電解質。
Figure 0005884360
Following chemical formula (1) (A 1, A 2 represents an alkylene group, B 1 represents an electron withdrawing group, B 2 represents an electron donating group, Y is a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a hydroxyl group or a protonic acid group selected from carboxyl group,, n will have a polymer unit represented by that.) and 10 to 10,000 integer,
It said electron withdrawing group is a carbonyl group, wherein the electron donating group of the polymer electrolyte, wherein the amino group der Rukoto.
Figure 0005884360
前記アルキレン基は、−(CH−(mは1以上の整数とする。)であることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質。 The alkylene group, - (CH 2) m - (. M is the integer of 1 or more) polymer electrolyte according to claim 1, characterized in that a. 前記化学一般式(1)に対して、ポリマー化が可能な基としてX,Xを有する下記の化学一般式(2)(X,Xはそれぞれ独立して塩素原子、臭素原子、またはヨウ素原子のいずれかを示す。)で表されるイオン性材料を含んで形成された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。
Figure 0005884360
With respect to the chemical general formula (1), the following chemical general formula (2) having X 1 and X 2 as groups capable of being polymerized (X 1 and X 2 are each independently a chlorine atom, a bromine atom, Or an iodine atom.) The polymer electrolyte according to claim 1 or 2 , wherein the polymer electrolyte is formed by including an ionic material represented by the following formula.
Figure 0005884360
請求項1〜のいずれか1項に記載の高分子電解質を用いて形成されたことを特徴とする高分子電解質膜。 A polymer electrolyte membrane formed using the polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 3 . 請求項に記載の高分子電解質膜を用いて形成されたことを特徴とする固体高分子形燃料電池。 A solid polymer fuel cell, comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 4 .
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