JP7420629B2 - Polyelectrolyte - Google Patents

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JP7420629B2 JP2020071180A JP2020071180A JP7420629B2 JP 7420629 B2 JP7420629 B2 JP 7420629B2 JP 2020071180 A JP2020071180 A JP 2020071180A JP 2020071180 A JP2020071180 A JP 2020071180A JP 7420629 B2 JP7420629 B2 JP 7420629B2
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Description

本発明は、高分子電解質、高分子電解質溶液、電極触媒インク、電極触媒層、膜電極接合体、燃料電池、および高分子電解質の製造方法に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte, a polymer electrolyte solution, an electrode catalyst ink, an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, a fuel cell, and a method for producing a polymer electrolyte.

固体高分子型燃料電池を構成する膜電極接合体(MEA)には、白金等の触媒及び高分子電解質から形成される電極触媒層が設けられている。白金等の触媒は高価であるため、その使用量の低減が求められているが、触媒の使用量を削減すると電池の性能が低下する傾向がある。この不利益を回避するために、電極触媒層を形成する高分子電解質の酸素透過性を向上させて、電極中に酸素を行き渡らせる試みがなされてきた。 A membrane electrode assembly (MEA) that constitutes a polymer electrolyte fuel cell is provided with an electrode catalyst layer formed from a catalyst such as platinum and a polymer electrolyte. Since catalysts such as platinum are expensive, there is a need to reduce the amount of catalyst used, but reducing the amount of catalyst used tends to reduce battery performance. In order to avoid this disadvantage, attempts have been made to improve the oxygen permeability of the polymer electrolyte that forms the electrode catalyst layer to distribute oxygen throughout the electrode.

特許文献1には、酸素透過性が高く、カソード側触媒層高分子電解質として好適な高分子電解質として、ラジカル重合により主鎖に脂肪族環構造を有するポリマーを与える含フッ素モノマーに基づく繰り返し単位と、フッ素系スルホン酸含有モノマーに基づく繰り返し単位とを含む共重合体が記載されている。 Patent Document 1 describes a polymer electrolyte that has high oxygen permeability and is suitable as a cathode side catalyst layer polymer electrolyte, and uses a repeating unit based on a fluorine-containing monomer that provides a polymer having an aliphatic ring structure in the main chain through radical polymerization. , a repeating unit based on a fluorinated sulfonic acid-containing monomer.

特開2002-260705号公報Japanese Patent Application Publication No. 2002-260705

しかしながら、上記特許文献1に開示されている高分子電解質は、微多孔性高分子ではないため、実際の燃料電池の運転環境に近い低加湿条件及び高加湿条件のいずれにおいても発電性能が不十分であり、改善の余地があった。 However, since the polymer electrolyte disclosed in Patent Document 1 is not a microporous polymer, the power generation performance is insufficient under both low and high humidification conditions that are close to the actual operating environment of fuel cells. Therefore, there was room for improvement.

本発明は、上記現状に鑑み、低加湿と高加湿のいずれの条件でも高い発電性能を発現することができる高分子電解質を提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned current situation, the present invention aims to provide a polymer electrolyte that can exhibit high power generation performance under both low humidification and high humidification conditions.

すなわち、本発明は以下の通りである。 That is, the present invention is as follows.

・態様1
プロトン伝導性基を有する含フッ素微多孔性高分子であることを特徴とする、高分子電解質。
・Aspect 1
A polymer electrolyte characterized by being a fluorine-containing microporous polymer having a proton-conducting group.

・態様2
前記プロトン伝導性基が、スルホン酸基、およびリン酸基からなる群より選択される少なくとも1つである、態様1に記載の高分子電解質。
・Aspect 2
The polymer electrolyte according to aspect 1, wherein the proton conductive group is at least one selected from the group consisting of a sulfonic acid group and a phosphoric acid group.

・態様3
前記スルホン酸基が、下記式(1)で表される構造を含む、態様2に記載の高分子電解質。

Figure 0007420629000001
式中、*は結合手を表す。 ・Aspect 3
The polymer electrolyte according to aspect 2, wherein the sulfonic acid group includes a structure represented by the following formula (1).
Figure 0007420629000001
In the formula, * represents a bond.

・態様4
前記リン酸基が、下記式(2)で表される構造を含む、態様2または3に記載の高分子電解質。

Figure 0007420629000002
式中、*は結合手を表す。 ・Aspect 4
The polymer electrolyte according to aspect 2 or 3, wherein the phosphoric acid group includes a structure represented by the following formula (2).
Figure 0007420629000002
In the formula, * represents a bond.

・態様5
前記含フッ素微多孔性高分子の繰り返し単位の少なくとも一部が、1,4-ジオキシン構造を含む、態様1~4のいずれか1項に記載の高分子電解質。
・Aspect 5
The polymer electrolyte according to any one of aspects 1 to 4, wherein at least some of the repeating units of the fluorine-containing microporous polymer contain a 1,4-dioxin structure.

・態様6
前記含フッ素微多孔性高分子が、下記式(3)で表される繰り返し単位を含む、態様1~5のいずれか1項に記載の高分子電解質。

Figure 0007420629000003
式中、
Arは、下記で表されるいずれか1つの構造を表し;
Figure 0007420629000004
Arは、下記で表されるいずれか1つの構造を表し;
Figure 0007420629000005
は、それぞれ独立に、水素、ハロゲン基、シアノ基、ニトリル基、ニトロ基、ヒドロキシ基、置換もしくは非置換のアルキル基、置換もしくは非置換のシクロアルキル基、置換もしくは非置換のアルコキシ基、置換もしくは非置換のアリール基を表し;
mは0または1であり;
xは0<x≦6であり、yは0≦y<6であり、x+y≦6であり;
Aは、下記のいずれかの構造を表し;
Figure 0007420629000006
Zは、H、Cl、F、又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基を表し;
pは0または1を表し、qは0~2の整数を表し、rは0~12の整数を表し、ただし、q及びrは同時に0にならず;
sは0または1を表し、tは0または1を表し;
Yは、F、又はエーテル結合性酸素原子を有してもよい炭素数1~6のパーフルオロアルキル基を表し;
は、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を含む炭素数1~10のフッ素化炭化水素基を表し;
*は結合手を表す。 ・Aspect 6
The polymer electrolyte according to any one of aspects 1 to 5, wherein the fluorine-containing microporous polymer contains a repeating unit represented by the following formula (3).
Figure 0007420629000003
During the ceremony,
Ar 1 represents any one structure represented below;
Figure 0007420629000004
Ar 2 represents any one structure represented below;
Figure 0007420629000005
R 1 is each independently hydrogen, a halogen group, a cyano group, a nitrile group, a nitro group, a hydroxy group, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted alkoxy group, represents a substituted or unsubstituted aryl group;
m is 0 or 1;
x is 0<x≦6, y is 0≦y<6, and x+y≦6;
A represents any of the following structures;
Figure 0007420629000006
Z represents H, Cl, F, or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms;
p represents 0 or 1, q represents an integer from 0 to 2, r represents an integer from 0 to 12, provided that q and r are not 0 at the same time;
s represents 0 or 1, t represents 0 or 1;
Y represents F or a perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have an ether-bonding oxygen atom;
R f each independently represents a fluorinated hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms containing an ether-bonding oxygen atom;
* represents a bond.

・態様7
前記Arが、下記式(4)~(8)のうちのいずれか1つで表される構造である、態様6に記載の高分子電解質。

Figure 0007420629000007
式中、
xは0<x≦6であり、yは0≦y<6であり、x+y≦6である。 ・Aspect 7
The polymer electrolyte according to aspect 6, wherein the Ar 2 has a structure represented by any one of the following formulas (4) to (8).
Figure 0007420629000007
During the ceremony,
x is 0<x≦6, y is 0≦y<6, and x+y≦6.

・態様8
BET法で求められる比表面積が250~6000m/gである、態様1~7のいずれか1項に記載の高分子電解質。
・Aspect 8
The polymer electrolyte according to any one of aspects 1 to 7, which has a specific surface area of 250 to 6000 m 2 /g as determined by the BET method.

・態様9
態様1~8のいずれか1項に記載の含フッ素微多孔性高分子電解質と、水および有機溶媒からなる群より選択される少なくとも1種とを含むことを特徴とする、高分子電解質溶液。
・Aspect 9
A polymer electrolyte solution comprising the fluorine-containing microporous polymer electrolyte according to any one of aspects 1 to 8 and at least one selected from the group consisting of water and an organic solvent.

・態様10
態様9に記載の高分子電解質溶液と、触媒とを含むことを特徴とする、電極触媒インク。
・Aspect 10
An electrode catalyst ink comprising the polymer electrolyte solution according to aspect 9 and a catalyst.

・態様11
態様10に記載の電極触媒インクを含むことを特徴とする、電極触媒層。
・Aspect 11
An electrocatalyst layer comprising the electrocatalyst ink according to aspect 10.

・態様12
態様11に記載の電極触媒層と電解質膜とを備えることを特徴とする、膜電極接合体。
・Aspect 12
A membrane electrode assembly comprising the electrode catalyst layer according to aspect 11 and an electrolyte membrane.

・態様13
態様12に記載の膜電極接合体を備えることを特徴とする、燃料電池。
・Aspect 13
A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to aspect 12.

・態様14
(i)芳香族基と、当該芳香族基に直接結合した1個以上のフッ素原子とを有する含フッ素微多孔性高分子(P1)に、SOX基(式中、Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRであり;R、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基である。)を有する化合物を用いて、SOX基を導入し、SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子を得る工程と、
(ii)前記SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子の前記SOX基をスルホン酸基に変換する工程と、
を含むことを特徴とする、スルホン酸基を有する含フッ素微多孔性高分子電解質の製造方法。
・Aspect 14
(i) SO 3 X group (wherein, X is an alkali metal , an alkaline earth metal, or NR 1 R 2 R 3 R 4 ; R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. ) using a compound having SO 3 X groups to obtain a fluorine-containing microporous polymer having SO 3 X groups;
(ii) converting the SO 3 X group of the fluorine-containing microporous polymer having the SO 3 X group into a sulfonic acid group;
A method for producing a fluorine-containing microporous polymer electrolyte having a sulfonic acid group, the method comprising:

・態様15
前記(i)工程が、
(iii)前記含フッ素微多孔性高分子(P1)に、OW基(式中、Wは、水素、アルカリ金属、又はアルカリ土類金属である)を導入して、OW基を有する含フッ素微多孔性高分子を得る工程と、
(iv)前記OW基を有する含フッ素微多孔性高分子を、前記SOX基を有する化合物と反応させて、前記SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子を得る工程と、
を含む、態様14に記載の高分子電解質の製造方法。
・Aspect 15
The step (i) is
(iii) An OW group (in the formula, W is hydrogen, an alkali metal, or an alkaline earth metal) is introduced into the fluorine-containing microporous polymer (P1) to create a fluorine-containing microporous polymer having an OW group. obtaining a porous polymer;
(iv) reacting the fluorine-containing microporous polymer having the OW group with the compound having the SO 3 X group to obtain the fluorine-containing microporous polymer having the SO 3 X group;
The method for producing a polymer electrolyte according to aspect 14, comprising:

・態様16
前記(ii)工程が、(v)前記SOX基のXを、水素へイオン交換する工程を含む、態様14または15に記載の高分子電解質の製造方法。
・Aspect 16
The method for producing a polymer electrolyte according to aspect 14 or 15, wherein the step (ii) includes (v) ion-exchanging X of the SO 3 X group to hydrogen.

・態様17
前記SOX基を有する化合物が、下記式(9)または(10)で表される構造を有する、態様14~16のいずれか1項に記載の高分子電解質の製造方法。

Figure 0007420629000008
式中、
Zは、H、Cl、F、又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基を表し;
qは0~2の整数、rは0~12の整数を表し、ただし、q及びrは同時に0にならず;
tは0または1を表し;
Yは、F、又はエーテル結合性酸素原子を有してもよい炭素数1~6のパーフルオロアルキル基を表し;
は、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を含む炭素数1~10のフッ素化炭化水素基を表し;
Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRであり;
、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基である。 ・Aspect 17
The method for producing a polymer electrolyte according to any one of aspects 14 to 16, wherein the compound having an SO 3 X group has a structure represented by the following formula (9) or (10).
Figure 0007420629000008
During the ceremony,
Z represents H, Cl, F, or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms;
q represents an integer from 0 to 2, r represents an integer from 0 to 12, provided that q and r cannot be 0 at the same time;
t represents 0 or 1;
Y represents F or a perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have an ether-bonding oxygen atom;
R f each independently represents a fluorinated hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms containing an ether-bonding oxygen atom;
X is an alkali metal, an alkaline earth metal, or NR 1 R 2 R 3 R 4 ;
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.

・態様18
前記SOX基を有する化合物が、下記式(11)で表される構造を有する、態様14~17のいずれか1項に記載の高分子電解質の製造方法。

Figure 0007420629000009
式中、
Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRであり;
、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基である。 ・Aspect 18
The method for producing a polymer electrolyte according to any one of aspects 14 to 17, wherein the compound having an SO 3 X group has a structure represented by the following formula (11).
Figure 0007420629000009
During the ceremony,
X is an alkali metal, an alkaline earth metal, or NR 1 R 2 R 3 R 4 ;
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.

・態様19
(ア)芳香族基と、当該芳香族基の炭素原子に結合した4個以上のハロゲン原子と、SOX基(Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRであり、R、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基である。)と、1個以上のフッ素原子とを有する芳香族モノマー(M1)と、芳香族基と、当該芳香族基の炭素原子に結合した4個以上の水酸基とを有する芳香族モノマー(M2)とを準備する工程と、
(イ)触媒存在下に、前記芳香族モノマー(M1)のハロゲン原子と前記芳香族モノマー(M2)の水酸基とを縮合重合させて、SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子を得る工程と、
(ウ)前記SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子の前記SOX基をスルホン酸基に変換する工程と、
を含むことを特徴とする、スルホン酸基を有する含フッ素微多孔性高分子電解質の製造方法。
・Aspect 19
(a) An aromatic group, four or more halogen atoms bonded to the carbon atoms of the aromatic group, and an SO 3 X group (X is an alkali metal, an alkaline earth metal, or NR 1 R 2 R 3 R 4 , and R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms) and one or more fluorine atoms. a step of preparing a group monomer (M1), an aromatic monomer (M2) having an aromatic group and four or more hydroxyl groups bonded to a carbon atom of the aromatic group;
(b) Condensation polymerization of the halogen atom of the aromatic monomer (M1) and the hydroxyl group of the aromatic monomer (M2) in the presence of a catalyst to obtain a fluorine-containing microporous polymer having an SO 3 X group process and
(c) converting the SO 3 X group of the fluorine-containing microporous polymer having the SO 3 X group into a sulfonic acid group;
A method for producing a fluorine-containing microporous polymer electrolyte having a sulfonic acid group, the method comprising:

・態様20
前記(ウ)工程が、(エ)前記SOX基のXを、水素へイオン交換する工程を含む、態様19に記載の高分子電解質の製造方法。
・Aspect 20
The method for producing a polymer electrolyte according to aspect 19, wherein the step (c) includes (d) ion-exchanging X of the SO 3 X group to hydrogen.

・態様21
前記芳香族モノマー(M1)のハロゲン原子が、フッ素原子である、態様19又は20に記載の高分子電解質の製造方法。
・Aspect 21
The method for producing a polymer electrolyte according to aspect 19 or 20, wherein the halogen atom of the aromatic monomer (M1) is a fluorine atom.

・態様22
前記芳香族モノマー(M1)が、下記(12)で表されるいずれか1つの構造を有する、態様19~21に記載の高分子電解質の製造方法。

Figure 0007420629000010
式中、
は、それぞれ独立に、水素、ハロゲン基、シアノ基、ニトリル基、ニトロ基、ヒドロキシ基、置換もしくは非置換のアルキル基、置換もしくは非置換のシクロアルキル基、置換もしくは非置換のアルコキシ基、置換もしくは非置換のアリール基を表し;
mは0または1であり;
Bは、下記のいずれかの構造を表し;
Figure 0007420629000011
Zは、H、Cl、F、又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基を表し;
pは0または1を表し、qは0~2の整数を表し、rは0~12の整数を表し、ただし、q及びrは同時に0にならず;
sは0または1を表し、tは0または1を表し;
Yは、F、又はエーテル結合性酸素原子を有してもよい炭素数1~6のパーフルオロアルキル基を表し;
は、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を含む炭素数1~10のフッ素化炭化水素基を表し;
Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRであり;
、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基であり;
*は結合手を表す。 ・Aspect 22
The method for producing a polymer electrolyte according to aspects 19 to 21, wherein the aromatic monomer (M1) has any one structure represented by the following (12).
Figure 0007420629000010
During the ceremony,
R 1 is each independently hydrogen, a halogen group, a cyano group, a nitrile group, a nitro group, a hydroxy group, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted alkoxy group, represents a substituted or unsubstituted aryl group;
m is 0 or 1;
B represents any of the following structures;
Figure 0007420629000011
Z represents H, Cl, F, or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms;
p represents 0 or 1, q represents an integer from 0 to 2, r represents an integer from 0 to 12, provided that q and r are not 0 at the same time;
s represents 0 or 1, t represents 0 or 1;
Y represents F or a perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have an ether-bonding oxygen atom;
R f each independently represents a fluorinated hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms containing an ether-bonding oxygen atom;
X is an alkali metal, an alkaline earth metal, or NR 1 R 2 R 3 R 4 ;
R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms;
* represents a bond.

・態様23
前記芳香族モノマー(M1)が、下記(13)で表されるいずれか1つの構造を有する、態様19~22に記載の高分子電解質の製造方法。

Figure 0007420629000012
式中、
Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRであり;
、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基である。 ・Aspect 23
The method for producing a polymer electrolyte according to aspects 19 to 22, wherein the aromatic monomer (M1) has any one structure represented by the following (13).
Figure 0007420629000012
During the ceremony,
X is an alkali metal, an alkaline earth metal, or NR 1 R 2 R 3 R 4 ;
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.

・態様24
前記芳香族モノマー(M2)が、下記(14)で表されるいずれか1つの構造を有する、態様19~23に記載の高分子電解質の製造方法。

Figure 0007420629000013
・Aspect 24
The method for producing a polymer electrolyte according to aspects 19 to 23, wherein the aromatic monomer (M2) has any one structure represented by the following (14).
Figure 0007420629000013

本発明の含フッ素微多孔性高分子電解質は、低加湿と高加湿のいずれの条件でも高い発電性能を発現することができる。 The fluorine-containing microporous polymer electrolyte of the present invention can exhibit high power generation performance under both low humidification and high humidification conditions.

以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as "this embodiment") will be described in detail. Note that the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with various modifications within the scope of the gist.

本明細書に記載の製造方法において、(i)、(ii)および(iii)、ならびに(ア)、(イ)および(ウ)などの語句は、その製造方法における工程を他の工程と区別するためのみに用いている便宜的な語句であり、工程の順序を示すものではない。 In the manufacturing method described herein, words such as (i), (ii), and (iii), and (a), (b), and (c) are used to distinguish a step in the manufacturing method from other steps. This is a convenient term used only to describe the process and does not indicate the order of the process.

本開示において、数値範囲は、別段の記載がない限り、その範囲の下限値および上限値を含むことを意図している。例えば、250~6,000m/gは、250m/g以上6,000m/g以下を意味する。 In this disclosure, numerical ranges are intended to include the lower and upper limits of that range, unless stated otherwise. For example, 250 to 6,000 m 2 /g means 250 m 2 /g or more and 6,000 m 2 /g or less.

・含フッ素微多孔性高分子電解質
本実施形態の高分子電解質は、プロトン伝導性基を有する含フッ素微多孔性高分子であることで、高分子電解質の空隙が高まり、高酸素透過性を発現し、低加湿と高加湿のいずれの条件でも高い発電性能を発現することができる。ここで、高加湿とは相対湿度60%RH以上、低加湿とは相対湿度30%RH以下を指す。また、上記高分子電解質を含む電極触媒層は、表面にひび割れがなく、燃料電池の運転において、高化学耐久性を発現することができる。
・Fluorine-containing microporous polymer electrolyte The polymer electrolyte of this embodiment is a fluorine-containing microporous polymer having a proton-conducting group, which increases the voids in the polymer electrolyte and exhibits high oxygen permeability. However, high power generation performance can be achieved under both low and high humidification conditions. Here, high humidification refers to a relative humidity of 60% RH or more, and low humidification refers to a relative humidity of 30% RH or less. Further, the electrode catalyst layer containing the polymer electrolyte has no cracks on the surface and can exhibit high chemical durability during operation of the fuel cell.

本明細書において、微多孔性高分子とは、PIM(polymers of intrinsic microporosity)のことを言う。PIMは、マイクロポーラスポリマーの一種であり、高いガス透過性を有する。微多孔性高分子がフッ素原子を含むことで、高分子電解質の疎水性と耐久性が向上し、高い電池性能に寄与する。 In this specification, microporous polymer refers to PIM (polymers of intrinsic microporosity). PIM is a type of microporous polymer and has high gas permeability. The inclusion of fluorine atoms in the microporous polymer improves the hydrophobicity and durability of the polymer electrolyte, contributing to high battery performance.

プロトン伝導性基としては、例えば、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、スルホンアミド基等が挙げられる。プロトン伝導性基は、スルホン酸基、およびリン酸基からなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましい。スルホン酸基とリン酸基のどちらか一方を有してもよいし、その両方を有していてもよい。スルホン酸基を有することで、本発明の高分子電解質は、幅広い加湿条件下で高いプロトン伝導性を示す。リン酸基を有することで、本発明の高分子電解質は、低加湿から無加湿条件でも高いプロトン伝導性を示す。 Examples of the proton conductive group include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, and a sulfonamide group. The proton conductive group is preferably at least one selected from the group consisting of sulfonic acid groups and phosphoric acid groups. It may have either a sulfonic acid group or a phosphoric acid group, or it may have both. By having sulfonic acid groups, the polymer electrolyte of the present invention exhibits high proton conductivity under a wide range of humidified conditions. By having a phosphoric acid group, the polymer electrolyte of the present invention exhibits high proton conductivity even under low to no humidification conditions.

一実施形態では、高加湿条件は、60~100%RHである。一実施形態では、低加湿条件は、0~30%RHである。 In one embodiment, high humidification conditions are 60-100% RH. In one embodiment, low humidification conditions are 0-30% RH.

スルホン酸基は、プロトン伝導性の観点から、強酸である下記式(1)で表される構造を含むことが好ましい。スルホン酸基に隣接する炭化水素が含フッ素であることで、スルホン酸基の酸性度が高まり、プロトン伝導性が向上し、高い発電性能に寄与する。

Figure 0007420629000014
*は結合手を表す。 From the viewpoint of proton conductivity, the sulfonic acid group preferably includes a structure represented by the following formula (1), which is a strong acid. When the hydrocarbon adjacent to the sulfonic acid group is fluorine-containing, the acidity of the sulfonic acid group increases, proton conductivity improves, and contributes to high power generation performance.
Figure 0007420629000014
* represents a bond.

リン酸基としては、合成容易性の観点から、下記式(2)で表される構造を含むことが好ましい。

Figure 0007420629000015
*は結合手を表す。 From the viewpoint of ease of synthesis, the phosphoric acid group preferably includes a structure represented by the following formula (2).
Figure 0007420629000015
* represents a bond.

フッ素微多孔性高分子の繰り返し単位の少なくとも一部は、1,4-ジオキシン構造を含むことが好ましい。例えば、フッ素微多孔性高分子の繰り返し単位の一部が、1,4-ジオキシン構造を含み、フッ素微多孔性高分子の他の繰り返し単位が1,4-ジオキシン構造以外の構造を含んでいてもよいし;フッ素微多孔性高分子の繰り返し単位の全てが、1,4-ジオキシン構造を含んでいてもよい。1,4-ジオキシン構造とは、下記式(15)で表されるジベンゾ-1,4-ジオキシンを言う。Arは芳香族基を表す。1,4-ジオキシン構造は、置換基を有してもよい。

Figure 0007420629000016
*は結合手を表す。 Preferably, at least a portion of the repeating units of the fluorine microporous polymer include a 1,4-dioxin structure. For example, some of the repeating units of the fluorine microporous polymer contain a 1,4-dioxin structure, and other repeating units of the fluorine microporous polymer contain a structure other than the 1,4-dioxin structure. Alternatively, all of the repeating units of the fluorine microporous polymer may contain a 1,4-dioxin structure. The 1,4-dioxin structure refers to dibenzo-1,4-dioxin represented by the following formula (15). Ar represents an aromatic group. The 1,4-dioxin structure may have a substituent.
Figure 0007420629000016
* represents a bond.

芳香族基としては、例えば、単環構造、多環構造、縮合環構造等の芳香族基が挙げられる。また、芳香族基は置換基を有してもよい。 Examples of the aromatic group include aromatic groups such as a monocyclic structure, a polycyclic structure, and a condensed ring structure. Further, the aromatic group may have a substituent.

芳香族基の置換基としては、例えば、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、フェニル基、フッ素置換フェニル基、アリール基、フェノキシ基、アルコキシ基等が挙げられる。 Examples of substituents for the aromatic group include a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, a phenyl group, a fluorine-substituted phenyl group, an aryl group, a phenoxy group, and an alkoxy group.

式(15)のArの具体例としては、下記の芳香族基等が挙げられる。

Figure 0007420629000017
式中、Rは、例えば、-O-、-S-、-C(=O)-、-SO-、-C(CH-、-C-、-C(CF-、-C-、-C-、-C12-、-C16-、-C-、-C-等の2価有機基を表す。 Specific examples of Ar in formula (15) include the following aromatic groups.
Figure 0007420629000017
In the formula, R 2 is, for example, -O-, -S-, -C(=O)-, -SO 2 -, -C(CH 3 ) 2 -, -C 2 H 4 -, -C(CF 3 ) Bivalents such as 2- , -C 2 F 4 -, -C 4 F 8 -, -C 6 F 12 -, -C 8 F 16 -, -C 6 H 4 -, -C 6 F 4 -, etc. Represents an organic group.

含フッ素微多孔性高分子は、例えば、下記式(3)で表される構造を含む骨格が挙げられ、下記式(3)で表される構造を繰り返し単位に含むことが好ましい。

Figure 0007420629000018
式中、
Arは、下記で表されるいずれか1つの構造を表す。
Figure 0007420629000019
Arは、下記で表されるいずれか1つの構造を表す。
Figure 0007420629000020
は、それぞれ独立に、水素、ハロゲン基、シアノ基、ニトリル基、ニトロ基、ヒドロキシ基、置換もしくは非置換のアルキル基、置換もしくは非置換のシクロアルキル基、置換もしくは非置換のアルコキシ基、置換もしくは非置換のアリール基を表す。
mは0または1である。
xは0<x≦6であり、yは0≦y<6であり、x+y≦6である。
Aは、下記の構造のいずれかを表す。
Figure 0007420629000021
式中、
Zは、H、Cl、F、又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基を表す。
pは0または1、qは0~2の整数、rは0~12の整数を表す。ただし、q及びrは同時に0にならない。
sは0または1、tは0または1を表す。
Yは、F、又はエーテル結合性酸素原子を有してもよい炭素数1~6のパーフルオロアルキル基を表す。
は、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を含む炭素数1~10のフッ素化炭化水素基を表す。
*は結合手を表す。 Examples of the fluorine-containing microporous polymer include a skeleton including a structure represented by the following formula (3), and it is preferable that the repeating unit includes the structure represented by the following formula (3).
Figure 0007420629000018
During the ceremony,
Ar 1 represents any one structure represented below.
Figure 0007420629000019
Ar 2 represents any one structure represented below.
Figure 0007420629000020
R 1 is each independently hydrogen, a halogen group, a cyano group, a nitrile group, a nitro group, a hydroxy group, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted alkoxy group, Represents a substituted or unsubstituted aryl group.
m is 0 or 1.
x is 0<x≦6, y is 0≦y<6, and x+y≦6.
A represents any of the structures below.
Figure 0007420629000021
During the ceremony,
Z represents H, Cl, F, or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms.
p represents 0 or 1, q represents an integer of 0 to 2, and r represents an integer of 0 to 12. However, q and r do not become 0 at the same time.
s represents 0 or 1, and t represents 0 or 1.
Y represents F or a perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have an ether-bonding oxygen atom.
R f each independently represents a fluorinated hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms and containing an ether-bonding oxygen atom.
* represents a bond.

本開示において、2つの芳香族環に結合しているFv(A)w(B)x基は、その芳香族環に直接結合し得る箇所の各置換基の数v、wまたはxを示し、その置換基F,(A)および(B)の位置は任意であることを示す。したがって、上記F6-x-y(OA)(OH)基を有するArの構造は、芳香族環の任意の位置に直接結合した(OA)基をx個有し、芳香族環の任意の位置に直接結合したOH基をy個有し、そして芳香族環の任意の位置に直接結合したF基を6-x-y個有することを意味する。同様に、上記F6-x(PO基を有するArの構造は、芳香族環の任意の位置に直接結合した(PO)基をx個有し、そして芳香族環の任意の位置に直接結合したF基を6-x個有することを意味する。他の2つの芳香族環に結合している置換基を有する構造についても同様である。 In the present disclosure, an Fv(A)w(B)x group bonded to two aromatic rings indicates the number v, w or x of each substituent at a position that can be directly bonded to the aromatic ring, It shows that the positions of the substituents F, (A) and (B) are arbitrary. Therefore, the structure of Ar 2 having the above F 6-xy (OA) x (OH) y group has x (OA) groups directly bonded to any position of the aromatic ring, and This means that it has y OH groups directly bonded to any position of the aromatic ring, and 6-xy F groups directly bonded to any position of the aromatic ring. Similarly, the structure of Ar 2 having the above F 6-x (PO 3 H 2 ) x group has x (PO 3 H 2 ) groups directly bonded to any position of the aromatic ring, and It means having 6-x F groups directly bonded to any position of the group ring. The same applies to structures having substituents bonded to two other aromatic rings.

Arは、酸素溶解度の観点から、下記式(4)~(8)のうちのいずれか1つで表される構造であることが好ましい。式(4)~(8)の構造である場合、スルホン酸基を有する側鎖が短いことで、高分子電解質中に形成される空隙が大きくなり、酸素溶解度が高まる。また、Arは、合成容易性の観点から、下記式(5)、(6)、および(8)のうちのいずれか1つで表される構造であることが更に好ましい。

Figure 0007420629000022
xは0<x≦6であり、yは0≦y<6であり、x+y≦6である。
xは、プロトン伝導性と熱水耐性の観点から、0.1≦x≦5.0が好ましく、0.3≦x≦4.0がより好ましく、0.5≦x≦3.0が更に好ましい。
yは、耐熱性の観点から、0≦y≦3が好ましく、0≦y≦1がより好ましく、0≦y≦0.5が更に好ましい。xおよびyは、それぞれ、NMRおよびEW測定より算出できる。 From the viewpoint of oxygen solubility, Ar 2 preferably has a structure represented by any one of the following formulas (4) to (8). In the structures of formulas (4) to (8), the side chains having sulfonic acid groups are short, which increases the voids formed in the polymer electrolyte and increases the oxygen solubility. Further, from the viewpoint of ease of synthesis, Ar 2 is more preferably a structure represented by any one of the following formulas (5), (6), and (8).
Figure 0007420629000022
x is 0<x≦6, y is 0≦y<6, and x+y≦6.
From the viewpoint of proton conductivity and hot water resistance, x is preferably 0.1≦x≦5.0, more preferably 0.3≦x≦4.0, and even more preferably 0.5≦x≦3.0. preferable.
From the viewpoint of heat resistance, y is preferably 0≦y≦3, more preferably 0≦y≦1, and even more preferably 0≦y≦0.5. x and y can be calculated from NMR and EW measurements, respectively.

Arは、合成容易性の観点から、下記で表される構造のいずれかであることが好ましい。

Figure 0007420629000023
From the viewpoint of ease of synthesis, Ar 1 is preferably one of the structures shown below.
Figure 0007420629000023

含フッ素微多孔性高分子は、式(3)で表される構造以外に、他の構造を含んでいても良い。含フッ素微多孔性高分子は、異なるArおよびArからなる群より選択される少なくとも1種を有する共重合体であってもよい。 The fluorine-containing microporous polymer may contain other structures in addition to the structure represented by formula (3). The fluorine-containing microporous polymer may be a copolymer having at least one selected from the group consisting of different Ar 1 and Ar 2 .

(特性)
高分子電解質は、当量重量EW(プロトン交換基1当量あたりの高分子電解質の乾燥質量グラム数)が100~2000g/eqであることが好ましい。即ち、上記EWの範囲内となるように共重合比やプロトン性伝導基導入率を制御することが好ましい。EWが上記の範囲内にあることにより、高分子電解質の加工性に一層優れ、電極触媒層の伝導度が低くなりすぎず、熱水への溶解性も小さい。EWの上限は、より好ましくは1000g/eqであり、更に好ましくは900g/eqである。EWの下限は、より好ましくは300g/eqであり、更に好ましくは500g/eqである。EWは、後述の実施例に記載の方法により、算出することができる。
(Characteristic)
The polymer electrolyte preferably has an equivalent weight EW (dry mass in grams of the polymer electrolyte per equivalent of proton exchange group) of 100 to 2000 g/eq. That is, it is preferable to control the copolymerization ratio and the protonic conductive group introduction rate so that they fall within the above range of EW. When the EW is within the above range, the polymer electrolyte has better processability, the conductivity of the electrode catalyst layer does not become too low, and the solubility in hot water is low. The upper limit of EW is more preferably 1000 g/eq, still more preferably 900 g/eq. The lower limit of EW is more preferably 300 g/eq, still more preferably 500 g/eq. EW can be calculated by the method described in Examples below.

高分子電解質は、高分子電解質の加工性、電気伝導度及び機械的強度がより一層優れることから、高分子電解質の重量平均分子量が、1,000~2,000,000であることが好ましく、より好ましくは5,000~1,000,000、さらに好ましくは10,000~700,000万である。 The polymer electrolyte preferably has a weight average molecular weight of 1,000 to 2,000,000, since the processability, electrical conductivity, and mechanical strength of the polymer electrolyte are even more excellent. More preferably 5,000 to 1,000,000, still more preferably 10,000 to 700,000,000.

重量平均分子量は、GPC(ゲルパーミェーションクロマトグラフ)法により測定される値であり、例えば、以下に示す方法により、標準ポリスチレンを基準として数平均分子量を算出することができる。 The weight average molecular weight is a value measured by GPC (gel permeation chromatography), and the number average molecular weight can be calculated based on standard polystyrene by the method shown below, for example.

GPC法の一例:TOSOH社製 HLC-8020を用い、カラムはShodex SuperHM-Mを3本、60℃、DMAc(50mmol/L LiBr含有)溶剤、またはカラムはShodex Super K-806HとK-803Lを用いて、35℃、クロロホルム溶剤にて、流速1.0mL/分で行うことができる。サンプル濃度は、0.1重量%で打ち込み量は100μLで行うことができる。 An example of the GPC method: TOSOH HLC-8020 was used, and the columns were 3 Shodex Super HM-M, 60°C, DMAc (containing 50 mmol/L LiBr) solvent, or the columns were Shodex Super K-806H and K-803L. It can be carried out using a chloroform solvent at 35° C. at a flow rate of 1.0 mL/min. The sample concentration can be 0.1% by weight and the injection amount can be 100 μL.

GPCにより分子量が測定できない場合は、メルトフローレート(MFR)により測定しても良い。 If the molecular weight cannot be measured by GPC, it may be measured by melt flow rate (MFR).

高分子電解質のMFRは、0.1~1,000g/10分であることが好ましく、0.5g/10分以上であることがより好ましく、1.0g/10分以上であることが更に好ましく、200g/10分以下であることがより好ましく、100g/10分以下であることが更に好ましい。 The MFR of the polymer electrolyte is preferably 0.1 to 1,000 g/10 minutes, more preferably 0.5 g/10 minutes or more, and even more preferably 1.0 g/10 minutes or more. , more preferably 200 g/10 minutes or less, and even more preferably 100 g/10 minutes or less.

MFRは、例えば、ASTM規格D1238に従って270℃、荷重2.16kgの条件下で、MELT INDEXER TYPE C-5059D(商品名、東洋精機社製)を用いて測定することができる。 MFR can be measured, for example, using MELT INDEXER TYPE C-5059D (trade name, manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd.) under the conditions of 270° C. and a load of 2.16 kg according to ASTM standard D1238.

高分子電解質は、80℃、30%RH条件でPt厚膜法により測定した酸素溶解度が7.0mol/m以上であることが、電池性能の観点から好ましい。触媒表面を覆う高分子電解質の薄膜は数nm程度であり、そこでの酸素透過性はバルクでの挙動とは異なる。すなわち、バルクでは酸素拡散性が律速となるが、薄膜では酸素溶解性が律速となる。酸素溶解度は、後述の実施例に記載の方法により、算出することができる。 From the viewpoint of battery performance, it is preferable that the polymer electrolyte has an oxygen solubility of 7.0 mol/m 3 or more as measured by the Pt thick film method at 80° C. and 30% RH. The thin film of polymer electrolyte that covers the catalyst surface is approximately several nm thick, and its oxygen permeability differs from the behavior in the bulk. That is, oxygen diffusivity is rate-determining in the bulk, but oxygen solubility is rate-determining in the thin film. Oxygen solubility can be calculated by the method described in Examples below.

高分子電解質の空隙の指標として、BET法による比表面積を用いることができる。比表面積は後述の方法で算出することができる。高分子電解質のBET法による比表面積は、酸素透過性の観点から、250m/g以上であることが好ましく、300m/g以上であることがより好ましく、350m/g以上であることが最も好ましい。比表面積は、バインダーの密着性の観点から、6,000m/g以下であることが好ましく、2,000m/g以下であることがより好ましく、1,000m/g以下であることが最も好ましい。 The specific surface area determined by the BET method can be used as an index of voids in the polymer electrolyte. The specific surface area can be calculated by the method described below. From the viewpoint of oxygen permeability, the specific surface area of the polymer electrolyte measured by the BET method is preferably 250 m 2 /g or more, more preferably 300 m 2 /g or more, and preferably 350 m 2 /g or more. Most preferred. From the viewpoint of binder adhesion, the specific surface area is preferably 6,000 m 2 /g or less, more preferably 2,000 m 2 /g or less, and 1,000 m 2 /g or less. Most preferred.

(高分子電解質の製造方法)
スルホン酸基を有する含フッ素微多孔性高分子電解質は、例えば、以下の第1および第2の製造方法で得ることができる。また、リン酸基を有する含フッ素微多孔性高分子電解質は、例えば、以下の第3の製造方法で得ることができる。
(Production method of polymer electrolyte)
The fluorine-containing microporous polymer electrolyte having sulfonic acid groups can be obtained, for example, by the following first and second production methods. Further, a fluorine-containing microporous polymer electrolyte having a phosphoric acid group can be obtained, for example, by the following third manufacturing method.

第1の製造方法
第1の製造方法は、
(i)芳香族基と、当該芳香族基に直接結合した1個以上のフッ素原子とを有する含フッ素微多孔性高分子(P1)に、SOX基(式中、Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRであり;R、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基である。)を有する化合物を用いて、SOX基を導入し、SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子を得る工程と、
(ii)前記SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子の前記SOX基をスルホン酸基に変換する工程と、
を含むことを特徴とする。
First manufacturing method The first manufacturing method is
(i) SO 3 X group (wherein, X is an alkali metal , an alkaline earth metal, or NR 1 R 2 R 3 R 4 ; R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. ) using a compound having SO 3 X groups to obtain a fluorine-containing microporous polymer having SO 3 X groups;
(ii) converting the SO 3 X group of the fluorine-containing microporous polymer having the SO 3 X group into a sulfonic acid group;
It is characterized by including.

(i)工程
(i)工程では、芳香族基と、当該芳香族基に直接結合した1個以上のフッ素原子とを有する含フッ素微多孔性高分子(P1)に、SOX基(式中、Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRであり;R、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基である。)を有する化合物を用いて、SOX基を導入し、SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子を得る。
(i) Step (i) In the step (i), a SO 3 X group (formula where X is an alkali metal, an alkaline earth metal, or NR 1 R 2 R 3 R 4 ; SO 3 X group is introduced using a compound having an alkyl group of .

含フッ素微多孔性高分子(P1)を得る方法としては、例えば、芳香族基を有し、当該芳香族基の炭素原子に4個以上のハロゲン原子および1個以上のフッ素原子が結合した含フッ素芳香族モノマー(M3)と、芳香族基を有し、芳香族基の炭素原子に4個以上の水酸基が結合した芳香族モノマー(M4)とを用い、触媒存在下に、モノマー(M3)のハロゲン原子と、モノマー(M4)の水酸基とを縮合重合させる方法が挙げられる。以下の式16に、一例として、芳香族基に結合した4個のハロゲン原子を有するモノマー(M3)と、芳香族基に結合した4個の水酸基を有するモノマー(M4)との縮合重合による含フッ素微多孔性高分子(P1)の形成を示す。

Figure 0007420629000024
式中、
nは整数で、構造単位の繰り返し数を表す。
Arは芳香族基を表す。
は、ハロゲン原子を表す。
ただし、モノマー(M3)のArに結合している1個以上のフッ素原子は省略している。 As a method for obtaining the fluorine-containing microporous polymer (P1), for example, a fluorine-containing microporous polymer (P1) having an aromatic group and having four or more halogen atoms and one or more fluorine atoms bonded to the carbon atom of the aromatic group can be used. Using a fluorine aromatic monomer (M3) and an aromatic monomer (M4) having an aromatic group and having four or more hydroxyl groups bonded to the carbon atom of the aromatic group, in the presence of a catalyst, the monomer (M3) Examples include a method of condensation polymerization of the halogen atom of and the hydroxyl group of the monomer (M4). In the following formula 16, as an example, a monomer (M3) having four halogen atoms bonded to an aromatic group and a monomer (M4) having four hydroxyl groups bonded to an aromatic group are included by condensation polymerization. The formation of a fluorine microporous polymer (P1) is shown.
Figure 0007420629000024
During the ceremony,
n is an integer and represents the number of repeats of the structural unit.
Ar represents an aromatic group.
R 3 represents a halogen atom.
However, one or more fluorine atoms bonded to Ar of the monomer (M3) are omitted.

Arの芳香族基としては、例えば、単環構造、多環構造、縮合環構造等の芳香族基が挙げられる。また、芳香族基は置換基を有してもよい。 Examples of the aromatic group of Ar include aromatic groups such as a monocyclic structure, a polycyclic structure, and a condensed ring structure. Further, the aromatic group may have a substituent.

のハロゲン原子としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子等が挙げられる。 Examples of the halogen atom for R 3 include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, and the like.

含フッ素芳香族モノマー(M3)としては、公知のモノマーが利用できるが、酸素溶解度の観点から、式(17)で表されるモノマーのいずれかであることが好ましい。モノマー(M3)は、合成容易性の観点から、下記式(18)で表されるモノマーであることが更に好ましい。

Figure 0007420629000025
As the fluorine-containing aromatic monomer (M3), known monomers can be used, but from the viewpoint of oxygen solubility, any of the monomers represented by formula (17) is preferable. From the viewpoint of ease of synthesis, the monomer (M3) is more preferably a monomer represented by the following formula (18).
Figure 0007420629000025

前記芳香族モノマー(M4)としては、公知のモノマーが利用できるが、酸素溶解度の観点から、下記式(14)で表されるモノマーのいずれかであることが好ましい。モノマー(M4)は、合成容易性の観点から、下記式(19)で表されるモノマーのいずれかであることが更に好ましい。

Figure 0007420629000026
As the aromatic monomer (M4), any known monomer can be used, but from the viewpoint of oxygen solubility, it is preferably one of the monomers represented by the following formula (14). From the viewpoint of ease of synthesis, the monomer (M4) is more preferably any of the monomers represented by the following formula (19).
Figure 0007420629000026

モノマー(M3)とモノマー(M4)との縮合重合は、塩基性触媒存在下、極性溶媒中で実施することが好ましい。 The condensation polymerization of monomer (M3) and monomer (M4) is preferably carried out in a polar solvent in the presence of a basic catalyst.

塩基性触媒としては、例えば、アルカリ金属やアルカリ土類金属の炭酸塩、炭酸水素塩又は水酸化物が好ましい。これらの塩基性触媒の具体例としては、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸セシウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウムが挙げられる。 As the basic catalyst, for example, carbonates, hydrogen carbonates, or hydroxides of alkali metals or alkaline earth metals are preferable. Specific examples of these basic catalysts include sodium carbonate, potassium carbonate, cesium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, sodium hydroxide, potassium hydroxide, and cesium hydroxide.

塩基性触媒の添加量はモノマー(M4)に対して、0.1~12当量が好ましく、0.5~8当量がより好ましく、1~4当量が最も好ましい。 The amount of the basic catalyst added is preferably 0.1 to 12 equivalents, more preferably 0.5 to 8 equivalents, and most preferably 1 to 4 equivalents, based on the monomer (M4).

極性溶媒としては、例えば、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン等の非プロトン性の極性溶媒を含有する溶媒が好ましい。極性溶媒には、生成する含フッ素微多孔性高分子の溶解性を低下せず、縮合重合に悪影響を及ぼさない範囲で、例えば、トルエン、キシレン、ベンゼン、ベンゾトリフルオライド、キシレンヘキサフルオライド等が含有されてもよい。 Examples of the polar solvent include aprotic polar solvents such as N,N-dimethylacetamide, N,N-dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, dimethylsulfoxide, and 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone. Solvents that do are preferred. As the polar solvent, for example, toluene, xylene, benzene, benzotrifluoride, xylene hexafluoride, etc. may be used as long as it does not reduce the solubility of the fluorine-containing microporous polymer to be produced and does not adversely affect the condensation polymerization. May be included.

縮合重合の反応温度としては、10~300℃が好ましく、より好ましくは30~240℃であり、最も好ましくは60~200℃である。 The reaction temperature for condensation polymerization is preferably 10 to 300°C, more preferably 30 to 240°C, and most preferably 60 to 200°C.

縮合重合の反応時間としては、1~80時間が好ましく、より好ましくは2~60時間であり、最も好ましくは3~48時間である。 The reaction time for condensation polymerization is preferably 1 to 80 hours, more preferably 2 to 60 hours, and most preferably 3 to 48 hours.

含フッ素微多孔性高分子(P1)は、加工性、電気伝導度及び機械的強度がより一層優れることから、重量平均分子量が、1,000~2,000,000であることが好ましく、より好ましくは5,000~1,000,000、さらに好ましくは10,000~700,000万である。P1の分子量は、例えば、縮合重合時のモノマー(M3)とモノマー(M4)の仕込み比率を変化させることや、反応温度、反応時間によって制御することができる。 The fluorine-containing microporous polymer (P1) preferably has a weight average molecular weight of 1,000 to 2,000,000, and more preferably The number is preferably 5,000 to 1,000,000, more preferably 10,000 to 7,000,000. The molecular weight of P1 can be controlled, for example, by changing the charging ratio of monomer (M3) and monomer (M4) during condensation polymerization, or by controlling the reaction temperature and reaction time.

前述のモノマー(M3)とモノマー(M4)に、1種類以上の他のモノマーを加えて縮合重合を行ってもよい。 Condensation polymerization may be performed by adding one or more other monomers to the monomer (M3) and monomer (M4) described above.

SOX基(Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRであり、R、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基である。)を有する化合物は、例えば、下記式(9)または(10)で表される構造を有することが好ましい。式(9)および(10)のように、スルホン酸基に隣接する炭化水素が含フッ素であることで、酸性度が高まり、プロトン伝導性が向上し、高い発電性能に寄与する。

Figure 0007420629000027
式中、Zは、H、Cl、F、又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基を表す。
qは0~2の整数、rは0~12の整数を表す。ただし、q及びrは同時に0にならない。
tは0または1を表す。
Yは、F、又はエーテル結合性酸素原子を有してもよい炭素数1~6のパーフルオロアルキル基を表す。
は、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を含む炭素数1~10のフッ素化炭化水素基を表す。
Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRである。
、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基である。 SO 3 _ _ _ _ _ _ _ The compound having an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms preferably has a structure represented by the following formula (9) or (10), for example. As shown in formulas (9) and (10), when the hydrocarbon adjacent to the sulfonic acid group is fluorine-containing, acidity increases, proton conductivity improves, and contributes to high power generation performance.
Figure 0007420629000027
In the formula, Z represents H, Cl, F, or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms.
q represents an integer of 0 to 2, and r represents an integer of 0 to 12. However, q and r do not become 0 at the same time.
t represents 0 or 1.
Y represents F or a perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have an ether-bonding oxygen atom.
R f each independently represents a fluorinated hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms and containing an ether-bonding oxygen atom.
X is an alkali metal, an alkaline earth metal, or NR 1 R 2 R 3 R 4 .
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.

Xのアルカリ金属としては、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムなどが挙げられる。 Examples of the alkali metal of X include lithium, sodium, potassium, rubidium, and cesium.

Xのアルカリ土類金属としては、例えば、マグネシウム、カルシウムなどが挙げられる。 Examples of the alkaline earth metal of X include magnesium and calcium.

SOX基を有する化合物の具体例としては、CF=CF-OCFCFSOX、CF=CF-OCFCF(CF)-OCFCFSOX、CF=CF-OCFCF(CFOCFCFSOX)-OCFCFSOXが挙げられる。 Specific examples of compounds having an SO 3 X group include CF 2 =CF-OCF 2 CF 2 SO 3 Examples include CF-OCF 2 CF (CF 2 OCF 2 CF 2 SO 3 X)-OCF 2 CF 2 SO 3 X.

SOX基を有する化合物は、下記式(11)で表される構造を有することが、酸素溶解度の観点から好ましい。式(11)では、SOX基を有する化合物の構造が小さいことで、高分子電解質中に形成される空隙が大きくなり、酸素溶解度が高まる。

Figure 0007420629000028
式中、
Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRである。
、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基である。 The compound having an SO 3 X group preferably has a structure represented by the following formula (11) from the viewpoint of oxygen solubility. In formula (11), since the structure of the compound having an SO 3 X group is small, the voids formed in the polymer electrolyte become large and the oxygen solubility increases.
Figure 0007420629000028
During the ceremony,
X is an alkali metal, an alkaline earth metal, or NR 1 R 2 R 3 R 4 .
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.

SOX基を有する化合物が、前述のような二重結合を有する含フッ素スルホン酸誘導体であることで、含フッ素微多孔性高分子(P1)にOW基の導入を行う場合、含フッ素微多孔性高分子のOW基が、含フッ素スルホン酸誘導体の二重結合へ付加し、SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子を得ることができる。 Since the compound having an SO 3 The OW group of the porous polymer is added to the double bond of the fluorine-containing sulfonic acid derivative to obtain a fluorine-containing microporous polymer having an SO 3 X group.

SOX基の導入量は、SOX基を有する化合物の添加量や、反応温度、反応時間によって調整することができる。 The amount of SO 3 X group introduced can be adjusted by the amount of the compound having SO 3 X group, reaction temperature, and reaction time.

SOX基を有する化合物の添加量は、含フッ素微多孔性高分子(P1)の繰り返し単位(SOX基が導入される繰り返し単位、例えば、1,4-ジオキシン構造を有する繰り返し単位など)に対して、0.1~20当量が好ましく、1~10当量がより好ましく、1.1~5当量が最も好ましい。 The amount of the compound having an SO 3 ), preferably 0.1 to 20 equivalents, more preferably 1 to 10 equivalents, and most preferably 1.1 to 5 equivalents.

SOX基を有する化合物の溶媒への溶解性を向上させるため、各種クラウンエーテルを添加してもよい。クラウンエーテルの具体例としては、15-クラウン-5、および18-クラウン-6が挙げられる。クラウンエーテルの添加量としては、SOX基を有する化合物に対して、0.01~10当量が好ましく、0.01~5当量がより好ましく、0.01~3当量が最も好ましい。 Various crown ethers may be added to improve the solubility of the compound having an SO 3 X group in a solvent. Specific examples of crown ethers include 15-crown-5 and 18-crown-6. The amount of crown ether added is preferably 0.01 to 10 equivalents, more preferably 0.01 to 5 equivalents, and most preferably 0.01 to 3 equivalents, based on the compound having an SO 3 X group.

含フッ素微多孔性高分子にOW基を導入する場合、そのOW基を、SOX基を有する化合物の二重結合へ効率よく付加させるため、塩基を添加してもよい。塩基としては、水素化ナトリウム、t―ブトキシカリウム、t-ブトキシナトリウム、リチウムジイソプロピルアミドなどの嵩高い塩基が好ましい。嵩高い塩基であることで、塩基による二重結合への求核攻撃などの副反応を抑えることができる。副反応を抑制する観点から、OW基を有する含フッ素微多孔性高分子と塩基を反応させ、その後、SOX基を有する化合物を添加する方法が好ましい。 When introducing an OW group into a fluorine-containing microporous polymer, a base may be added in order to efficiently add the OW group to the double bond of a compound having an SO 3 X group. As the base, bulky bases such as sodium hydride, potassium t-butoxy, sodium t-butoxy, and lithium diisopropylamide are preferred. By being a bulky base, side reactions such as nucleophilic attacks on double bonds by the base can be suppressed. From the viewpoint of suppressing side reactions, a method is preferred in which a fluorine-containing microporous polymer having an OW group is reacted with a base, and then a compound having an SO 3 X group is added.

塩基の添加量としては、含フッ素微多孔性高分子(P1)の繰り返し単位(SOX基が導入される繰り返し単位、例えば、1,4-ジオキシン構造を有する繰り返し単位など)に対して、0.01~10当量が好ましく、0.1~5当量がより好ましく、0.5~3当量が最も好ましい。 The amount of the base to be added is based on the repeating unit of the fluorine-containing microporous polymer (P1) (the repeating unit into which an SO 3 X group is introduced, for example, the repeating unit having a 1,4-dioxin structure), 0.01 to 10 equivalents are preferred, 0.1 to 5 equivalents are more preferred, and 0.5 to 3 equivalents are most preferred.

P1にSOX基を導入する反応における溶媒としては、一般的な有機溶媒を使用可能であるが、二重結合部位への副反応を抑制する観点から、非プロトン性溶媒が好ましい。溶媒としては、例えば、テトラヒドロフラン、1,4-ジオキサン、1,2-ジメトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン等が挙げられる。 Although general organic solvents can be used as the solvent in the reaction for introducing the SO 3 Examples of the solvent include tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, N,N-dimethylacetamide, N,N-dimethylformamide, N- Examples include methylpyrrolidone, dimethylsulfoxide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, and the like.

反応温度としては、30~200℃が好ましく、より好ましくは40~160℃、最も好ましくは50~120℃である。 The reaction temperature is preferably 30 to 200°C, more preferably 40 to 160°C, and most preferably 50 to 120°C.

反応時間としては、1~80時間が好ましく、より好ましくは2~60時間、最も好ましくは3~24時間である。 The reaction time is preferably 1 to 80 hours, more preferably 2 to 60 hours, and most preferably 3 to 24 hours.

第1の製造方法では、(i)工程が、
(iii)前記含フッ素微多孔性高分子(P1)に、OW基(式中、Wは、水素、アルカリ金属、又はアルカリ土類金属である)を導入して、OW基を有する含フッ素微多孔性高分子を得る工程と、
(iv)前記OW基を有する含フッ素微多孔性高分子を、前記SOX基を有する化合物と反応させて、前記SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子を得る工程と、
を含むことが好ましい。
In the first manufacturing method, the step (i) is
(iii) An OW group (in the formula, W is hydrogen, an alkali metal, or an alkaline earth metal) is introduced into the fluorine-containing microporous polymer (P1) to create a fluorine-containing microporous polymer having an OW group. obtaining a porous polymer;
(iv) reacting the fluorine-containing microporous polymer having the OW group with the compound having the SO 3 X group to obtain the fluorine-containing microporous polymer having the SO 3 X group;
It is preferable to include.

(iii)工程
(iii)工程では、含フッ素微多孔性高分子(P1)に、OW基を導入して、OW基を有する含フッ素微多孔性高分子を得る。OW基を導入する方法としては、P1に、アルカリ金属の水酸化物またはアルカリ土類金属の水酸化物(以下、(iii)工程では、アルカリ金属の水酸化物およびアルカリ土類金属の水酸化物を単に「水酸化物」という)を反応させる方法が挙げられる。このような水酸化物の具体例としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム等が挙げられる。
(iii) Step (iii) In the step (iii), an OW group is introduced into the fluorine-containing microporous polymer (P1) to obtain a fluorine-containing microporous polymer having an OW group. As a method for introducing the OW group, P1 is treated with an alkali metal hydroxide or an alkaline earth metal hydroxide (hereinafter, in step (iii), an alkali metal hydroxide and an alkaline earth metal hydroxide). One example is a method of reacting a substance (simply referred to as a "hydroxide"). Specific examples of such hydroxides include sodium hydroxide, potassium hydroxide, cesium hydroxide, and the like.

OW基の導入量は、水酸化物の添加量、反応温度、および反応時間によって調整することができる。OW基の導入量は、NMRから算出できる。 The amount of OW groups introduced can be adjusted by adjusting the amount of hydroxide added, reaction temperature, and reaction time. The amount of OW group introduced can be calculated from NMR.

水酸化物の添加量は、OW基の導入量の観点から、P1の繰り返し単位(SOX基が導入される繰り返し単位、例えば、1,4-ジオキシン構造を有する繰り返し単位など)に対して、0.1~10当量が好ましく、0.5~5当量がより好ましく、1~3当量が最も好ましい。 The amount of hydroxide added is determined from the viewpoint of the amount of OW group introduced, relative to the repeating unit of P1 (the repeating unit into which the SO 3 X group is introduced, for example, the repeating unit having a 1,4-dioxin structure). , preferably 0.1 to 10 equivalents, more preferably 0.5 to 5 equivalents, most preferably 1 to 3 equivalents.

水酸化物の溶媒への溶解性が低い場合は、各種クラウンエーテルを添加することができる。クラウンエーテルの具体例としては、15-クラウン-5、および18-クラウン-6が挙げられる。クラウンエーテルの添加量としては、水酸化物に対して、0.01~10当量が好ましく、0.5~5当量がより好ましく、1~3当量以下が最も好ましい。 When the solubility of hydroxide in a solvent is low, various crown ethers can be added. Specific examples of crown ethers include 15-crown-5 and 18-crown-6. The amount of crown ether added is preferably 0.01 to 10 equivalents, more preferably 0.5 to 5 equivalents, and most preferably 1 to 3 equivalents or less relative to the hydroxide.

(iii)工程の溶媒としては一般的な有機溶媒を使用可能であるが、例えば、テトラヒドロフラン、1,4-ジオキサン、1,2-ジメトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン等が溶解性の観点から好ましい。アルカリ金属の水酸化物またはアルカリ土類金属の水酸化物を溶解するため、少量の水を添加してもよい。 As the solvent in step (iii), common organic solvents can be used, such as tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, N,N-dimethylacetamide, N,N-dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, dimethylsulfoxide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone and the like are preferred from the viewpoint of solubility. A small amount of water may be added to dissolve the alkali metal hydroxide or alkaline earth metal hydroxide.

(iii)工程の反応温度としては、30~200℃が好ましく、より好ましくは40~160℃、最も好ましくは50~120℃である。 The reaction temperature in step (iii) is preferably 30 to 200°C, more preferably 40 to 160°C, most preferably 50 to 120°C.

(iii)工程の反応時間としては、1~80時間が好ましく、より好ましくは2~60時間、最も好ましくは3~24時間である。 The reaction time in step (iii) is preferably 1 to 80 hours, more preferably 2 to 60 hours, and most preferably 3 to 24 hours.

(iv)工程
(iv)工程では、OW基を有する含フッ素微多孔性高分子を、SOX基を有する化合物と反応させて、SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子を得る。SOX基を有する化合物が上述したように、二重結合を有する場合、OW基がその二重結合に付加し、SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子が得られる。
(iv) In the step (iv), a fluorine-containing microporous polymer having an OW group is reacted with a compound having an SO 3 X group to obtain a fluorine-containing microporous polymer having an SO 3 X group. . As described above, when the compound having an SO 3 X group has a double bond, an OW group is added to the double bond to obtain a fluorine-containing microporous polymer having an SO 3

(iv)工程で用いる塩基、および溶媒ならびに(iv)工程の反応温度、および反応時間は、(i)工程で説明した内容と同様である。 The base and solvent used in step (iv), and the reaction temperature and reaction time in step (iv) are the same as described in step (i).

(ii)工程
(ii)工程では、前記SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子の前記SOX基をスルホン酸基に変換する。SOX基をスルホン酸基に変換可能な方法であれば特に限定されないが、SOX基のXを、水素へイオン交換することが好ましい。
Step (ii) In the step (ii), the SO 3 X groups of the fluorine-containing microporous polymer having SO 3 X groups are converted into sulfonic acid groups. Although there are no particular limitations on the method as long as it is possible to convert the SO 3 X group into a sulfonic acid group, it is preferable to ion-exchange the X of the SO 3

イオン交換の方法としては、特に限定されないが、例えば、SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子を、過剰量の塩酸の水溶液またはアルコール溶液にて処理する方法、およびSOX基を有する含フッ素微多孔性高分子の溶液を陽イオン交換樹脂に通液させる方法が挙げられる。 The ion exchange method is not particularly limited, but for example, a method in which a fluorine-containing microporous polymer having SO 3 X groups is treated with an excessive amount of an aqueous or alcoholic solution of hydrochloric acid , and A method of passing a solution of a fluorine-containing microporous polymer having a cation exchange resin through a cation exchange resin can be mentioned.

スルホン酸基の導入量は、NMR、EWから算出できる。 The amount of sulfonic acid groups introduced can be calculated from NMR and EW.

第2の製造方法
第2の製造方法は、
(ア)芳香族基と、当該芳香族基の炭素原子に結合した4個以上のハロゲン原子と、SOX基(Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRであり、R、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基である。)と、1個以上のフッ素原子とを有する芳香族モノマー(M1)と、芳香族基と、当該芳香族基の炭素原子に結合した4個以上の水酸基とを有する芳香族モノマー(M2)とを準備する工程と、
(イ)触媒存在下に、前記芳香族モノマー(M1)のハロゲン原子と前記芳香族モノマー(M2)の水酸基とを縮合重合させて、SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子を得る工程と、
(ウ)前記SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子の前記SOX基をスルホン酸基に変換する工程と、
を含むことを特徴とする。
Second manufacturing method The second manufacturing method is
(a) An aromatic group, four or more halogen atoms bonded to the carbon atoms of the aromatic group, and an SO 3 X group (X is an alkali metal, an alkaline earth metal, or NR 1 R 2 R 3 R 4 , and R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms) and one or more fluorine atoms. a step of preparing a group monomer (M1), an aromatic monomer (M2) having an aromatic group and four or more hydroxyl groups bonded to a carbon atom of the aromatic group;
(b) Condensation polymerization of the halogen atom of the aromatic monomer (M1) and the hydroxyl group of the aromatic monomer (M2) in the presence of a catalyst to obtain a fluorine-containing microporous polymer having an SO 3 X group process and
(c) converting the SO 3 X group of the fluorine-containing microporous polymer having the SO 3 X group into a sulfonic acid group;
It is characterized by including.

(ア)工程
(ア)工程では、芳香族基と、当該芳香族基の炭素原子に結合した4個以上のハロゲン原子と、SOX基(Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRであり、R、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基である。)と、1個以上のフッ素原子とを有する芳香族モノマー(M1)と;芳香族基と、当該芳香族基の炭素原子に結合した4個以上の水酸基とを有する芳香族モノマー(M2)とを準備する。
(A) Step (A) In step (A), an aromatic group, four or more halogen atoms bonded to the carbon atoms of the aromatic group, and an SO 3 X group (X is an alkali metal, an alkaline earth metal, or and one or more _ _ _ _ An aromatic monomer (M1) having a fluorine atom; and an aromatic monomer (M2) having an aromatic group and four or more hydroxyl groups bonded to the carbon atoms of the aromatic group are prepared.

芳香族モノマー(M1)
モノマー(M1)の芳香族基は、上記式(15)のArで説明した芳香族基と同様である。芳香族基の置換基もArで説明した置換基と同様である。
Aromatic monomer (M1)
The aromatic group of the monomer (M1) is the same as the aromatic group explained for Ar in formula (15) above. The substituents of the aromatic group are also the same as those explained for Ar.

モノマー(M1)は、その芳香族基の炭素原子に結合した4個以上のハロゲン原子を有する。重合性の観点から、モノマー(M1)の芳香族基の炭素原子に結合したハロゲン原子のうち4個は、フッ素原子であることが好ましい。モノマー(M1)は、前記4個以上のハロゲン原子とは別に、1個以上のフッ素原子を有する。 The monomer (M1) has four or more halogen atoms bonded to the carbon atoms of its aromatic group. From the viewpoint of polymerizability, four of the halogen atoms bonded to the carbon atoms of the aromatic group of the monomer (M1) are preferably fluorine atoms. The monomer (M1) has one or more fluorine atoms in addition to the four or more halogen atoms.

モノマー(M1)は、合成容易性の観点から、下記(12)で表されるいずれか1つの構造を有することが好ましい。

Figure 0007420629000029
式中、
は、それぞれ独立に、水素、ハロゲン基、シアノ基、ニトリル基、ニトロ基、ヒドロキシ基、置換もしくは非置換のアルキル基、置換もしくは非置換のシクロアルキル基、置換もしくは非置換のアルコキシ基、置換もしくは非置換のアリール基を表す。
mは0または1であり、Bは、下記のいずれかの構造を表す。
Figure 0007420629000030
Zは、H、Cl、F、又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基を表す。
pは0または1を表し、qは0~2の整数を表し、rは0~12の整数を表す。ただし、q及びrは同時に0にならない。
sは0または1を表し、tは0または1を表す。
Yは、F、又はエーテル結合性酸素原子を有してもよい炭素数1~6のパーフルオロアルキル基を表す。
は、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を含む炭素数1~10のフッ素化炭化水素基を表す。
Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRである。
、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基である。
*は結合手を表す。 From the viewpoint of ease of synthesis, the monomer (M1) preferably has any one structure represented by the following (12).
Figure 0007420629000029
During the ceremony,
R 1 is each independently hydrogen, a halogen group, a cyano group, a nitrile group, a nitro group, a hydroxy group, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted alkoxy group, Represents a substituted or unsubstituted aryl group.
m is 0 or 1, and B represents any of the following structures.
Figure 0007420629000030
Z represents H, Cl, F, or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms.
p represents 0 or 1, q represents an integer from 0 to 2, and r represents an integer from 0 to 12. However, q and r do not become 0 at the same time.
s represents 0 or 1, and t represents 0 or 1.
Y represents F or a perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have an ether-bonding oxygen atom.
R f each independently represents a fluorinated hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms and containing an ether-bonding oxygen atom.
X is an alkali metal, an alkaline earth metal, or NR 1 R 2 R 3 R 4 .
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.
* represents a bond.

モノマー(M1)は、酸素溶解度の観点から、下記式(13)で表されるいずれか1つの構造を有することが好ましい。式(13)の構造では、SOX基を有する側鎖が短いことで、高分子電解質中に形成される空隙が大きくなり、酸素溶解度が高まる。また、重合性の観点から、下記式(20)で表されるいずれかの構造を有することが更に好ましい。式(20)の構造では、電子吸引性基を有することで、縮合重合が進行しやすくなる。

Figure 0007420629000031

式中、
Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRである。
、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基である。 From the viewpoint of oxygen solubility, the monomer (M1) preferably has any one structure represented by the following formula (13). In the structure of formula (13), because the side chain having the SO 3 X group is short, the voids formed in the polymer electrolyte become larger and the oxygen solubility increases. Further, from the viewpoint of polymerizability, it is more preferable to have any of the structures represented by the following formula (20). In the structure of formula (20), the presence of an electron-withdrawing group facilitates the progress of condensation polymerization.
Figure 0007420629000031

During the ceremony,
X is an alkali metal, an alkaline earth metal, or NR 1 R 2 R 3 R 4 .
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.

Xのアルカリ金属およびアルカリ土類金属は、SOX基のものと同様である。 The alkali metal and alkaline earth metal of X are the same as those of the SO 3 X group.

(芳香族モノマーM1の合成)
モノマー(M1)は、例えば、以下の2つの方法で合成することができる。
(Synthesis of aromatic monomer M1)
Monomer (M1) can be synthesized, for example, by the following two methods.

モノマー(M1)の合成方法の1つ目は、対応するフェノール類と、SOX基を有する化合物を反応させる方法である(式21)。

Figure 0007420629000032
式中、
は、それぞれ独立に、水素、ハロゲン基、シアノ基、ニトリル基、ニトロ基、ヒドロキシ基、置換もしくは非置換のアルキル基、置換もしくは非置換のシクロアルキル基、置換もしくは非置換のアルコキシ基、置換もしくは非置換のアリール基を表す。
Bは、下記のいずれかの構造を表す。
Figure 0007420629000033
Zは、H、Cl、F、又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基を表す。
pは0または1を表し、qは0~2の整数を表し、rは0~12の整数を表す。ただし、q及びrは同時に0にならない。
sは0または1を表し、tは0または1を表す。
Yは、F、又はエーテル結合性酸素原子を有してもよい炭素数1~6のパーフルオロアルキル基を表す。
は、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を含む炭素数1~10のフッ素化炭化水素基を表す。Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRである。
、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基である。
*は結合手を表す。 The first method for synthesizing the monomer (M1) is a method of reacting a corresponding phenol with a compound having an SO 3 X group (Formula 21).
Figure 0007420629000032
During the ceremony,
R 1 is each independently hydrogen, a halogen group, a cyano group, a nitrile group, a nitro group, a hydroxy group, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted alkoxy group, Represents a substituted or unsubstituted aryl group.
B represents any of the following structures.
Figure 0007420629000033
Z represents H, Cl, F, or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms.
p represents 0 or 1, q represents an integer from 0 to 2, and r represents an integer from 0 to 12. However, q and r do not become 0 at the same time.
s represents 0 or 1, and t represents 0 or 1.
Y represents F or a perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have an ether-bonding oxygen atom.
R f each independently represents a fluorinated hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms and containing an ether-bonding oxygen atom. X is an alkali metal, an alkaline earth metal, or NR 1 R 2 R 3 R 4 .
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.
* represents a bond.

SOX基を有する化合物は、下記式(9)または(10)で表される構造を有することが好ましい。式(9)および(10)のように、スルホン酸基に隣接する炭化水素が含フッ素であることで、酸性度が高まり、プロトン伝導性が向上し、高い発電性能に寄与する。

Figure 0007420629000034
式中、Zは、H、Cl、F、又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基を表す。
qは0~2の整数、rは0~12の整数を表す。ただし、q及びrは同時に0にならない。
tは0または1を表す。
Yは、F、又はエーテル結合性酸素原子を有してもよい炭素数1~6のパーフルオロアルキル基を表す。
は、それぞれ独立にエーテル結合性酸素原子を含む炭素数1~10のフッ素化炭化水素基を表す。
Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRである。
、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基である。 The compound having an SO 3 X group preferably has a structure represented by the following formula (9) or (10). As shown in formulas (9) and (10), when the hydrocarbon adjacent to the sulfonic acid group is fluorine-containing, acidity increases, proton conductivity improves, and contributes to high power generation performance.
Figure 0007420629000034
In the formula, Z represents H, Cl, F, or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms.
q represents an integer of 0 to 2, and r represents an integer of 0 to 12. However, q and r do not become 0 at the same time.
t represents 0 or 1.
Y represents F or a perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have an ether-bonding oxygen atom.
R f each independently represents a fluorinated hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms and containing an ether-bonding oxygen atom.
X is an alkali metal, an alkaline earth metal, or NR 1 R 2 R 3 R 4 .
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.

Xのアルカリ金属およびアルカリ土類金属は、第1の製造方法で説明したXのものと同様である。 The alkali metal and alkaline earth metal of X are the same as those of X explained in the first manufacturing method.

SOX基を有する化合物の具体例としては、CF=CF-OCFCFSOX、CF=CF-OCFCF(CF)-OCFCFSOX、CF=CF-OCFCF(CFOCFCFSOX)-OCFCFSOXが挙げられる。 Specific examples of compounds having an SO 3 X group include CF 2 =CF-OCF 2 CF 2 SO 3 Examples include CF-OCF 2 CF (CF 2 OCF 2 CF 2 SO 3 X)-OCF 2 CF 2 SO 3 X.

前記SOX基を有する化合物は、下記式(11)で表される構造を有することが、酸素溶解度の観点から好ましい。式(11)では、SOX基を有する化合物の構造が小さいことで、高分子電解質中に形成される空隙が大きくなり、酸素溶解度が高まる。

Figure 0007420629000035
The compound having the SO 3 X group preferably has a structure represented by the following formula (11) from the viewpoint of oxygen solubility. In formula (11), since the structure of the compound having an SO 3 X group is small, the voids formed in the polymer electrolyte become large and the oxygen solubility increases.
Figure 0007420629000035

モノマー(M1)の合成において、SOX基を有する化合物が、前述のような二重結合を有する含フッ素スルホン酸誘導体であることで、フェノールの水酸基が、二重結合へ付加し、SOX基を有するモノマー(M1)を得ることができる。 In the synthesis of the monomer (M1), the compound having an SO 3 A monomer (M1) having an X group can be obtained.

モノマー(M1)の1つ目の合成方法では、SOX基を有する化合物に対して、フェノール類を当量以上用いて、反応を行うことが好ましい。具体的には、SOX基を有する化合物に対して、フェノール類の水酸基が、1.0~10当量が好ましく、1.1~5当量がより好ましく、1.2~3.0当量が最も好ましい。フェノール類が1.0当量以上であることで、目的の反応が選択的に進行する。また、添加量が10当量以下であることで、精製工程の負荷が小さくなる。 In the first method for synthesizing the monomer (M1), it is preferable to carry out the reaction using an equivalent or more amount of phenol with respect to the compound having an SO 3 X group. Specifically, the hydroxyl group of the phenol is preferably 1.0 to 10 equivalents, more preferably 1.1 to 5 equivalents, and 1.2 to 3.0 equivalents relative to the compound having an SO 3 X group. Most preferred. When the amount of phenols is 1.0 equivalent or more, the desired reaction proceeds selectively. Moreover, since the amount added is 10 equivalents or less, the load on the purification process is reduced.

モノマー(M1)の1つ目の合成方法では、反応を効率よく進行させるため、塩基を添加することが好ましい。塩基としては、水素化ナトリウム、t―ブトキシカリウム、t-ブトキシナトリウム、リチウムジイソプロピルアミドなどの嵩高い塩基が好ましい。嵩高い塩基であることで、塩基によるSOX基を有する化合物の二重結合部位への求核攻撃などの副反応を抑えることができる。副反応を抑制する観点から、まずフェノール類の水酸基を塩基と反応させ、フェノキシドを発生させた後、SOX基を有する化合物を添加することが好ましい。 In the first method for synthesizing the monomer (M1), it is preferable to add a base in order to allow the reaction to proceed efficiently. As the base, bulky bases such as sodium hydride, potassium t-butoxy, sodium t-butoxy, and lithium diisopropylamide are preferred. By being a bulky base, side reactions such as nucleophilic attack on the double bond site of a compound having an SO 3 X group by the base can be suppressed. From the viewpoint of suppressing side reactions, it is preferable to first react the hydroxyl group of the phenol with a base to generate phenoxide, and then add the compound having an SO 3 X group.

塩基の添加量としては、フェノール類の水酸基に対して、0.1~5.0当量が好ましく、0.1~2.0当量がより好ましく、0.1~1.0当量が最も好ましい。 The amount of the base added is preferably 0.1 to 5.0 equivalents, more preferably 0.1 to 2.0 equivalents, and most preferably 0.1 to 1.0 equivalents, based on the hydroxyl group of the phenol.

モノマー(M1)の1つ目の合成方法の溶媒としては一般的な有機溶媒を使用可能であるが、二重結合部位への副反応を抑制する観点から、非プロトン性溶媒が好ましい。溶媒としては、例えば、テトラヒドロフラン、1,4-ジオキサン、1,2-ジメトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン等が挙げられる。 Although general organic solvents can be used as the solvent in the first method of synthesizing the monomer (M1), aprotic solvents are preferred from the viewpoint of suppressing side reactions to the double bond site. Examples of the solvent include tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, N,N-dimethylacetamide, N,N-dimethylformamide, N- Examples include methylpyrrolidone, dimethylsulfoxide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, and the like.

モノマー(M1)の1つ目の合成方法の反応温度としては、30~200℃が好ましく、より好ましくは40~160℃、最も好ましくは50~120℃である。 The reaction temperature in the first method for synthesizing the monomer (M1) is preferably 30 to 200°C, more preferably 40 to 160°C, and most preferably 50 to 120°C.

モノマー(M1)の1つ目の合成方法の反応時間としては、1~80時間が好ましく、より好ましくは2~60時間、最も好ましくは3~24時間である。 The reaction time for the first method of synthesizing the monomer (M1) is preferably 1 to 80 hours, more preferably 2 to 60 hours, and most preferably 3 to 24 hours.

得られたモノマー(M1)を、更に精製してもよい。精製方法としては、特に限定されないが、例えば、分液抽出、晶析、再沈殿、カラムクロマトグラフィーなどが挙げられる。 The obtained monomer (M1) may be further purified. Purification methods include, but are not particularly limited to, liquid separation extraction, crystallization, reprecipitation, column chromatography, and the like.

モノマー(M1)の合成方法の2つ目の方法としては、銅触媒を用いた脱ハロゲンカップリング反応が挙げられる(式22)。

Figure 0007420629000036
式中、
は、それぞれ独立に、水素、ハロゲン基、シアノ基、ニトリル基、ニトロ基、ヒドロキシ基、置換もしくは非置換のアルキル基、置換もしくは非置換のシクロアルキル基、置換もしくは非置換のアルコキシ基、置換もしくは非置換のアリール基を表す。
は、エーテル結合性酸素原子を含む炭素数1~10のフッ素化炭化水素基を表す。
Xは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRである。
、R、R、及びRは、それぞれ独立して、水素、又は炭素数1~4のアルキル基である。 A second method for synthesizing the monomer (M1) includes a dehalogen coupling reaction using a copper catalyst (Formula 22).
Figure 0007420629000036
During the ceremony,
R 1 is each independently hydrogen, a halogen group, a cyano group, a nitrile group, a nitro group, a hydroxy group, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted alkoxy group, Represents a substituted or unsubstituted aryl group.
R f represents a fluorinated hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms and containing an ether-bonding oxygen atom.
X is an alkali metal, an alkaline earth metal, or NR 1 R 2 R 3 R 4 .
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.

モノマー(M1)の2つ目の合成方法では、例えば、Journal of Fluorine Chemistry, 2016,189,43-50を参考にすることで、下記式(23)のように、新たに4-トリフルオロメチル-2,3,5,6-テトラフルオロブロモベンゼンと1,1,2,2-テトラフルオロ-2-(1,1,2,2-テトラフルオロ-2-ヨードエトキシ)エタンスルホン酸カリウムを用いることで、SOX基を有する芳香族モノマー(M1)を得ることができる。

Figure 0007420629000037
In the second synthesis method of the monomer (M1), for example, by referring to Journal of Fluorine Chemistry, 2016, 189, 43-50, 4-trifluoromethyl is newly synthesized as shown in the following formula (23). - Using potassium 2,3,5,6-tetrafluorobromobenzene and 1,1,2,2-tetrafluoro-2-(1,1,2,2-tetrafluoro-2-iodoethoxy)ethanesulfonate In this way, an aromatic monomer (M1) having an SO 3 X group can be obtained.
Figure 0007420629000037

芳香族モノマー(M2)
モノマー(M2)の芳香族基は、上記式(15)のArで説明した芳香族基と同様である。芳香族基の置換基もArで説明した置換基と同様である。
Aromatic monomer (M2)
The aromatic group of the monomer (M2) is the same as the aromatic group explained for Ar in formula (15) above. The substituents of the aromatic group are also the same as those explained for Ar.

モノマー(M2)は、その芳香族基の炭素原子に結合した4個以上の水酸基を有する。 The monomer (M2) has four or more hydroxyl groups bonded to the carbon atoms of its aromatic group.

芳香族モノマー(M2)としては、公知のモノマーが利用できるが、酸素溶解度の観点から、下記式(14)で表されるモノマーのいずれかであることが好ましい。合成容易性の観点から、下記式(19)で表されるモノマーのいずれかであることが更に好ましい。

Figure 0007420629000038
As the aromatic monomer (M2), any known monomer can be used, but from the viewpoint of oxygen solubility, it is preferably one of the monomers represented by the following formula (14). From the viewpoint of ease of synthesis, any of the monomers represented by the following formula (19) is more preferable.
Figure 0007420629000038

(イ)工程
(イ)工程では、触媒存在下に、芳香族モノマー(M1)のハロゲン原子と芳香族モノマー(M2)の水酸基とを縮合重合させて、SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子を得る。
(B) Step (B) In the step (B), the halogen atom of the aromatic monomer (M1) and the hydroxyl group of the aromatic monomer (M2) are condensed and polymerized in the presence of a catalyst to form fluorine-containing microporous cells having SO 3 X groups. obtain a polymer.

モノマー(M1)とモノマー(M2)との縮合重合の触媒、および反応条件などの詳細に関しては、前述の第1の製造方法を参考にできる。 For details of the catalyst for condensation polymerization of monomer (M1) and monomer (M2), reaction conditions, etc., the above-mentioned first production method can be referred to.

モノマー(M1)とモノマー(M2)に、1種類以上の他のモノマーを加えて縮合重合を行ってもよい。 Condensation polymerization may be performed by adding one or more types of other monomers to the monomer (M1) and the monomer (M2).

(ウ)工程
(ウ)工程では、SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子のSOX基をスルホン酸基に変換する。SOX基をスルホン酸基に変換可能な方法であれば特に限定されないが、
SOX基のXを、水素へイオン交換することが好ましい。イオン交換の方法としては、第1の製造方法のイオン交換に記載した通りである。
(c) Step (c) In the step (c), the SO 3 X groups of the fluorine-containing microporous polymer having SO 3 X groups are converted into sulfonic acid groups. The method is not particularly limited as long as it can convert the SO 3 X group into a sulfonic acid group, but
Preferably, X of the SO 3 X group is ion-exchanged to hydrogen. The ion exchange method is as described in ion exchange in the first manufacturing method.

第3の製造方法
第3の製造方法は、
芳香族基と、当該芳香族基に直接結合した1個以上のフッ素原子とを有する含フッ素微多孔性高分子に、亜りん酸トリス(トリメチルシリル)を反応させる工程を含むことを特徴とする、リン酸基を有する含フッ素微多孔性高分子電解質の製造方法である。
Third manufacturing method The third manufacturing method is
characterized by comprising a step of reacting tris(trimethylsilyl) phosphite with a fluorine-containing microporous polymer having an aromatic group and one or more fluorine atoms directly bonded to the aromatic group, This is a method for producing a fluorine-containing microporous polymer electrolyte having a phosphoric acid group.

第3の製造方法は、
含フッ素微多孔性高分子(P1)を得る工程と、
上記で得られた含フッ素微多孔性高分子に、亜りん酸トリス(トリメチルシリル)を反応させて、トリメチルシリルエーテル基を導入する工程と、
トリメチルシリルエーテル基を加水分解によりリン酸基に変換する工程と、
を含むことが好ましい。
The third manufacturing method is
A step of obtaining a fluorine-containing microporous polymer (P1);
A step of reacting tris(trimethylsilyl) phosphite to the fluorine-containing microporous polymer obtained above to introduce a trimethylsilyl ether group;
a step of converting a trimethylsilyl ether group into a phosphate group by hydrolysis;
It is preferable to include.

含フッ素微多孔性高分子(P1)を得る方法は、第1の製造方法に記載した通りである。 The method for obtaining the fluorine-containing microporous polymer (P1) is as described in the first production method.

(リン酸基の導入)
含フッ素微多孔性高分子(P1)に、亜りん酸トリス(トリメチルシリル)を反応させて、トリメチルシリルエーテル基を導入する工程と、トリメチルシリルエーテル基を加水分解によりリン酸基に変換する工程については、Macromolecules,2011,44,6416-6423を参考にすることができる。これによって、リン酸基として下記式(2)で表される構造を含む、含フッ素微多孔性高分子電解質を得ることができる。

Figure 0007420629000039
*は結合手を表す。 (Introduction of phosphate group)
Regarding the step of reacting the fluorine-containing microporous polymer (P1) with tris(trimethylsilyl) phosphite to introduce a trimethylsilyl ether group, and the step of converting the trimethylsilyl ether group into a phosphoric acid group by hydrolysis, Macromolecules, 2011, 44, 6416-6423 can be referred to. Thereby, a fluorine-containing microporous polymer electrolyte containing a structure represented by the following formula (2) as a phosphoric acid group can be obtained.
Figure 0007420629000039
* represents a bond.

本発明の含フッ素微多孔性高分子電解質は、添加剤として、塩基性基含有金属錯体(以下、単に「金属錯体」ということがある)を含んでいてもよい。含フッ素微多孔性高分子電解質が、塩基性基含有金属錯体を含むことで、酸素溶解度が更に高くなり、燃料電池の高い発電性能と高い化学耐久性の更なる向上につながる。 The fluorine-containing microporous polymer electrolyte of the present invention may contain a basic group-containing metal complex (hereinafter sometimes simply referred to as "metal complex") as an additive. When the fluorine-containing microporous polymer electrolyte contains a basic group-containing metal complex, oxygen solubility is further increased, leading to further improvements in high power generation performance and high chemical durability of the fuel cell.

金属錯体としては、例えば、シッフ塩基金属錯体又はポルフィリノイド金属錯体が挙げられる。 Examples of metal complexes include Schiff base metal complexes and porphyrinoid metal complexes.

シッフ塩基金属錯体としては、例えば、サレン金属錯体が挙げられ、中でもコバルトサレンが強酸であるスルホン酸存在下でも脱金属が起こりにくく耐酸安定性が高く、かつ酸素溶解性に優れている。また、コバルトサレンは、特筆すべきことに、白金に対する被毒が少なく、電池性能と電池化学耐久性の両面で優れている。 Examples of Schiff base metal complexes include salen metal complexes, among which cobalt salen is difficult to demetalize even in the presence of sulfonic acid, which is a strong acid, and has high acid resistance and excellent oxygen solubility. Additionally, cobalt salen is noteworthy in that it has little poisoning against platinum and is excellent in both battery performance and battery chemical durability.

ポルフィリノイド金属錯体としては、例えば、ポルフィリン誘導体、フタロシアニン誘導体、コロール誘導体、クロリン誘導体、およびフェナントロリン誘導体のいずれかからなる金属錯体が挙げられ、中でもコバルトフッ素系フタロシアニンとフェナントロリンのコバルト錯体が、耐酸安定性と酸素溶解性に優れている。その中でも、白金に対する被毒が少なく、電池性能と電池化学耐久性の両面に優れているのはフェナントロリンのコバルト錯体である。 Examples of porphyrinoid metal complexes include metal complexes consisting of any one of porphyrin derivatives, phthalocyanine derivatives, chlorol derivatives, chlorin derivatives, and phenanthroline derivatives. Among them, cobalt complexes of cobalt fluorine-based phthalocyanine and phenanthroline are acid-resistant and stable. It has excellent oxygen solubility and oxygen solubility. Among these, the cobalt complex of phenanthroline is less poisonous to platinum and has excellent battery performance and battery chemical durability.

本実施形態において、金属錯体と、高分子電解質の混合比は、例えば、1~15/85~99重量パーセントであることが好ましい。金属錯体の割合が1重量パーセントより多いと、酸素溶解性の効果が高まり電池性能が高まる。一方、金属錯体の割合が15重量パーセント以下であると、白金に対する被毒の影響を抑え、電池性能を高められる。より好ましくは、金属錯体と、高分子電解質の混合比は、5~10/90~95重量パーセントであることが好ましい。 In this embodiment, the mixing ratio of the metal complex and the polymer electrolyte is preferably 1 to 15/85 to 99 weight percent, for example. When the proportion of the metal complex is more than 1% by weight, the oxygen solubility effect increases and the battery performance increases. On the other hand, when the proportion of the metal complex is 15% by weight or less, the influence of poisoning on platinum can be suppressed and battery performance can be improved. More preferably, the mixing ratio of the metal complex and the polymer electrolyte is 5 to 10/90 to 95 weight percent.

金属錯体は、含フッ素微多孔性高分子中に固定化されていてもよい。固定化の方法としては、特に限定されないが、下記論文を参考にできる。
Chemical Communication,2002,2780-2781
Chemical Communication,2002,2782-2783
Journal of Materials Chemistry,2003,13,2721-2726
Journal of Materials Chemistry,2005,15,1977-1986
The metal complex may be immobilized in the fluorine-containing microporous polymer. The immobilization method is not particularly limited, but the following papers can be referred to.
Chemical Communication, 2002, 2780-2781
Chemical Communication, 2002, 2782-2783
Journal of Materials Chemistry, 2003, 13, 2721-2726
Journal of Materials Chemistry, 2005, 15, 1977-1986

固定化された金属錯体を添加剤として、含フッ素微多孔性高分子電解質に含んでよい。あるいは、第1~第3の製造方法で述べた方法を用いて、固定化された金属錯体中の芳香族に直接結合したフッ素原子にスルホン酸基ないしリン酸基を導入することで、金属錯体が固定化された含フッ素微多孔性高分子電解質としてもよい。 The immobilized metal complex may be included in the fluorine-containing microporous polymer electrolyte as an additive. Alternatively, the metal complex can be produced by introducing a sulfonic acid group or a phosphoric acid group into the fluorine atom directly bonded to the aromatic group in the immobilized metal complex using the methods described in the first to third production methods. It may also be a fluorine-containing microporous polymer electrolyte in which is immobilized.

本発明の高分子電解質は、電極触媒インクを形成する原料として好適に用いることができる。 The polymer electrolyte of the present invention can be suitably used as a raw material for forming an electrode catalyst ink.

(高分子電解質溶液)
本実施形態の高分子電解質溶液は、本発明の高分子電解質と、水及び有機溶媒からなる群より選択される少なくとも1種とを含むことが好ましい。高分子電解質溶液は、燃料電池の電極触媒層(例えば、カソード用電極触媒層)を形成する原料として好適に用いることができる。高分子電解質溶液は、燃料電池の電極触媒層形成用高分子電解質溶液であることが好ましい。
(Polymer electrolyte solution)
The polymer electrolyte solution of the present embodiment preferably contains the polymer electrolyte of the present invention and at least one selected from the group consisting of water and an organic solvent. The polymer electrolyte solution can be suitably used as a raw material for forming an electrode catalyst layer (for example, a cathode electrode catalyst layer) of a fuel cell. The polymer electrolyte solution is preferably a polymer electrolyte solution for forming an electrode catalyst layer of a fuel cell.

高分子電解質溶液中の高分子電解質の質量割合は、1~50質量%であることが好ましく、5質量%以上であることがより好ましく、10質量%以上であることが更に好ましく、40質量%以下であることがより好ましく、30質量%以下であることが更に好ましく、25質量%以下であることが特に好ましい。高分子電解質溶液中の高分子電解質の含有量が1質量%以上であることにより、電極触媒インクの組成調製に自由度を付与でき、当該含有量が、50質量%以下であることにより高分子電解質溶液の粘度の経時安定性を付与できる。 The mass proportion of the polymer electrolyte in the polymer electrolyte solution is preferably 1 to 50% by mass, more preferably 5% by mass or more, even more preferably 10% by mass or more, and even more preferably 40% by mass. It is more preferably at most 30% by mass, even more preferably at most 25% by mass. When the content of the polymer electrolyte in the polymer electrolyte solution is 1% by mass or more, flexibility can be given to the composition preparation of the electrode catalyst ink, and when the content is 50% by mass or less, the polymer electrolyte The viscosity of the electrolyte solution can be stabilized over time.

有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、n-プロパノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、グリセリン等のプロトン性有機溶媒;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-メチルピロリドン、アセトニトリル、酢酸エチル等の非プロトン性溶媒;トリフルオロエタノール、バートレルXF、ノベック7100、ノベック7300等のフッ素系溶媒;等が挙げられる。これらは1種を単独で、又は2種以上を併用することができる。 Examples of organic solvents include protic organic solvents such as methanol, ethanol, n-propanol, isopropyl alcohol, butanol, and glycerin; N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, acetonitrile, and acetic acid. Examples include aprotic solvents such as ethyl; fluorine-based solvents such as trifluoroethanol, Vertrell XF, Novec 7100, and Novec 7300; and the like. These can be used alone or in combination of two or more.

高分子電解質溶液は、有機系添加剤を含んでもよい。また、高分子電解質溶液は、無機系添加剤を含んでもよい。 The polymer electrolyte solution may also contain organic additives. Moreover, the polymer electrolyte solution may contain an inorganic additive.

有機系添加剤としては、例えば、3級炭素に結合した水素、炭素-ハロゲン結合等を構造中に有する化合物等の原子がラジカルにより引き抜かれやすい化合物が挙げられる。有機系添加剤としては、具体的には、例えば、ポリアニリンなどの官能基で一部置換された芳香族化合物、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾオキサジアゾール、フェニル化ポリキノキサリン、フェニル化ポリキノリン等の不飽和の複素環化合物を挙げることができる。 Examples of organic additives include compounds whose atoms are easily extracted by radicals, such as compounds having hydrogen bonded to tertiary carbon, carbon-halogen bonds, etc. in their structures. Specifically, examples of organic additives include aromatic compounds partially substituted with functional groups such as polyaniline, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzothiazole, polybenzoxadiazole, and phenylated polyamides. Examples include unsaturated heterocyclic compounds such as quinoxaline and phenylated polyquinoline.

また、有機系添加剤としては、チオエーテル化合物も挙げられる。チオエーテル化合物としては、例えば、ジメチルチオエーテル、ジエチルチオエーテル、ジプロピルチオエーテル、メチルエチルチオエーテル、メチルブチルチオエーテルのようなジアルキルチオエーテル;テトラヒドロチオフェン、テトラヒドロアピランのような環状チオエーテル;メチルフェニルスルフィド、エチルフェニルスルフィド、ジフェニルスルフィド、ジベンジルスルフィドのような芳香族チオエーテル;等が挙げられる。 Furthermore, examples of organic additives include thioether compounds. Examples of thioether compounds include dialkylthioethers such as dimethylthioether, diethylthioether, dipropylthioether, methylethylthioether, and methylbutylthioether; cyclic thioethers such as tetrahydrothiophene and tetrahydroapyran; methylphenyl sulfide, ethylphenyl sulfide, Aromatic thioethers such as diphenyl sulfide and dibenzyl sulfide; and the like.

有機系添加剤は、1種を単独で用いても良いし、2種以上の混合物を用いても良い。 One type of organic additive may be used alone, or a mixture of two or more types may be used.

高分子電解質溶液中の有機系添加剤の質量割合は、0.1質量%以上が好ましく、1.0質量%以上がより好ましく、3.0質量%以上がさらに好ましい。有機系添加剤を0.1質量%以上含有することで、燃料電池運転での化学耐久性を向上させることが可能となる。 The mass proportion of the organic additive in the polymer electrolyte solution is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 1.0% by mass or more, and even more preferably 3.0% by mass or more. By containing 0.1% by mass or more of the organic additive, it is possible to improve chemical durability during fuel cell operation.

無機系添加剤としては、例えば、金属酸化物、金属炭酸塩、金属硝酸塩等が挙げられる。無機系添加剤は、1種を単独で用いても良いし、2種以上の混合物を用いても良い。 Examples of inorganic additives include metal oxides, metal carbonates, metal nitrates, and the like. One type of inorganic additive may be used alone, or a mixture of two or more types may be used.

金属酸化物としては、例えば、ジルコニア(ZrO)、チタニア(TiO)、シリカ(SiO)、アルミナ(Al)、酸化鉄(Fe2O、FeO、FeO4)、酸化銅(CuO、CuO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化イットリウム(Y)、酸化ニオブ(Nb)、酸化モリブデン(MoO)、酸化インジウム(In、InO)、酸化スズ(SnO)、酸化タンタル(Ta)、酸化タングステン(WO、W)、酸化鉛(PbO、PbO)、酸化ビスマス(Bi)、酸化セリウム(CeO、Ce)、酸化アンチモン(Sb、Sb)、酸化ゲルマニウム(GeO、GeO)、酸化ランタン(La)、酸化ルテニウム(RuO)、および酸化マンガン(MnO)、スズ添加酸化インジウム(ITO)、アンチモン添加酸化スズ(ATO)、および酸化アルミニウム亜鉛(ZnO・Al)等の複合酸化物を挙げることができる。 Examples of metal oxides include zirconia (ZrO 2 ), titania (TiO 2 ), silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), iron oxide (Fe2O 3 , FeO, Fe 3 O4), copper oxide ( CuO, Cu 2 O), zinc oxide (ZnO), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), molybdenum oxide (MoO 3 ), indium oxide (In 2 O 3 , In 2 O) , tin oxide (SnO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), tungsten oxide (WO 3 , W 2 O 5 ), lead oxide (PbO, PbO 2 ), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), cerium oxide ( CeO 2 , Ce 2 O 3 ), antimony oxide (Sb 2 O 3 , Sb 2 O 5 ), germanium oxide (GeO 2 , GeO), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), ruthenium oxide (RuO 2 ), and Examples include composite oxides such as manganese (MnO), tin-doped indium oxide (ITO), antimony-doped tin oxide (ATO), and aluminum zinc oxide (ZnO.Al 2 O 3 ).

金属炭酸塩としては、例えば、炭酸ジルコニウム(Zr(CO)、炭酸チタニウム(Ti(CO)、炭酸鉄(FeCO)、炭酸銅(CuCO)、炭酸亜鉛(ZnCO)、炭酸モリブデン、炭酸セリウム(CeCO)、炭酸ニッケル(NiCO)、炭酸コバルト(CoCO)、および炭酸マンガン(MnCO)等が挙げられる。 Examples of metal carbonates include zirconium carbonate (Zr(CO 3 ) 2 ), titanium carbonate (Ti(CO 3 ) 2 ), iron carbonate (FeCO 3 ), copper carbonate (Cu 2 CO 3 ), and zinc carbonate (ZnCO 3 ), molybdenum carbonate, cerium carbonate (CeCO 3 ), nickel carbonate (NiCO 3 ), cobalt carbonate (CoCO 3 ), and manganese carbonate (MnCO 3 ).

金属硝酸塩としては、例えば、硝酸ジルコニウム(Zr(NO)、硝酸鉄(Fe(NO)、硝酸銅(Cu(NO)、硝酸チタン(Ti(NO)、硝酸セリウム(Ce(NO)、硝酸ニッケル(Ni(NO)、硝酸コバルト(Co(NO)、および硝酸マンガン(Mn(NO)等が挙げられる。 Examples of metal nitrates include zirconium nitrate (Zr(NO 3 ) 4 ), iron nitrate (Fe(NO 3 ) 3 ), copper nitrate (Cu(NO 3 ) 2 ), and titanium nitrate (Ti(NO 3 ) 4 ). , cerium nitrate (Ce( NO3 ) 3 ), nickel nitrate (Ni( NO3 ) 2 ), cobalt nitrate (Co( NO3 ) 2 ), and manganese nitrate (Mn( NO3 ) 2 ).

無機添加剤は、親水性向上の観点からシリカ(SiO)が好ましく、化学耐久性向上の観点から酸化セリウム(CeO、Ce)、酸化マンガン(MnO)、炭酸セリウム(CeCO)、炭酸マンガン(MnCO)、硝酸セリウム(Ce(NO)、硝酸マンガン(Mn(NO)、および硝酸チタン(Ti(NO)が好ましい。 The inorganic additive is preferably silica (SiO 2 ) from the viewpoint of improving hydrophilicity, and cerium oxide (CeO 2 , Ce 2 O 3 ), manganese oxide (MnO), cerium carbonate (CeCO 3 ) from the viewpoint of improving chemical durability. , manganese carbonate (MnCO 3 ), cerium nitrate (Ce(NO 3 ) 3 ), manganese nitrate (Mn(NO 3 ) 2 ), and titanium nitrate (Ti(NO 3 ) 4 ) are preferred.

無機系添加剤の形態としては、粒子状、繊維状、非定形が挙げられるが、特に非定形であることが望ましい。 The form of the inorganic additive may be particulate, fibrous, or amorphous, but amorphous is particularly desirable.

高分子電解質溶液中の無機系添加剤の質量割合は、0.01~100質量%であることが好ましく、より好ましくは0.01~45質量%、更に好ましくは0.01~25質量%、特に好ましくは0.5~6.0質量%である。無機系添加剤を0.01質量%以上含有することで、燃料電池運転での化学耐久性を向上させることが可能となる。 The mass proportion of the inorganic additive in the polymer electrolyte solution is preferably 0.01 to 100 mass%, more preferably 0.01 to 45 mass%, even more preferably 0.01 to 25 mass%, Particularly preferred is 0.5 to 6.0% by mass. By containing 0.01% by mass or more of the inorganic additive, it is possible to improve chemical durability during fuel cell operation.

高分子電解質溶液は、所望の固形分濃度にするために、濃縮することが可能である。濃縮の方法としては特に限定されない。例えば、加熱し、溶媒を蒸発させる方法や、減圧濃縮する方法等がある。その結果得られる高分子電解質溶液の固形分率は、取り扱い性及び生産性を考慮して、最終的な高分子電解質溶液の固形分率は0.5~50質量%が好ましい。 Polyelectrolyte solutions can be concentrated to achieve a desired solids concentration. The concentration method is not particularly limited. For example, there is a method of heating to evaporate the solvent, a method of concentrating under reduced pressure, and the like. The solid content of the resulting polymer electrolyte solution is preferably 0.5 to 50% by mass in consideration of handleability and productivity.

高分子電解質溶液は、粗大粒子成分を除去する観点から、濾過されることがより好ましい。濾過方法は、特に限定されず、従来行われている一般的な方法が適用できる。 The polymer electrolyte solution is more preferably filtered from the viewpoint of removing coarse particle components. The filtration method is not particularly limited, and conventionally used general methods can be applied.

高分子電解質溶液は、含フッ素微多孔性高分子電解質以外にも、含フッ素微多孔性高分子ではない他の高分子電解質を含んでいてもよい。 In addition to the fluorine-containing microporous polymer electrolyte, the polymer electrolyte solution may contain other polymer electrolytes that are not fluorine-containing microporous polymers.

含フッ素微多孔性高分子ではない他の高分子電解質としては、特に限定されず、既知の高分子電解質を使うことができる。例えば、下記式(24)又は(25)で表わされる繰り返し単位を有する重合体が挙げられる。

Figure 0007420629000040
式中、
31は、それぞれ独立して、F、Cl、又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基を表す。
kは0~2の整数を表し、nは0~8の整数を表す。
32は、それぞれ独立して、F又はClを表す。
mは2~6の整数を表す。
31は、H、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNRを表す。
Rは、それぞれ独立に、アルキル基又はHを表す。)
Figure 0007420629000041
式中、
33は、F、Cl、又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基を表す。
oは0~1の整数を表す。
31は、エーテル結合を有していてもよい炭素数1~6のパーフルオロアルキレン基である。
32は、単結合又はエーテル結合を有していてもよい炭素数1~6のパーフルオロアルキレン基である。
31は、エーテル結合を有していてもよいパーフルオロアルキル基である。
Xは、O、N、又はCであり、XがOの場合はaは0であり、XがNの場合はaは1であり、XがCの場合はaは2である。
32は、H、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又はNR32 を表す。
32は、それぞれ独立に、アルキル基又はHを表わす。) The polymer electrolyte other than the fluorine-containing microporous polymer is not particularly limited, and known polymer electrolytes can be used. For example, there may be mentioned a polymer having a repeating unit represented by the following formula (24) or (25).
Figure 0007420629000040
During the ceremony,
Y 31 each independently represents F, Cl, or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms.
k represents an integer from 0 to 2, and n represents an integer from 0 to 8.
Y 32 each independently represents F or Cl.
m represents an integer from 2 to 6.
Z31 represents H, an alkali metal, an alkaline earth metal, or NR4 .
Each R independently represents an alkyl group or H. )
Figure 0007420629000041
During the ceremony,
Y 33 represents F, Cl, or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms.
o represents an integer from 0 to 1.
Q 31 is a perfluoroalkylene group having 1 to 6 carbon atoms which may have an ether bond.
Q 32 is a perfluoroalkylene group having 1 to 6 carbon atoms which may have a single bond or an ether bond.
R 31 is a perfluoroalkyl group which may have an ether bond.
X is O, N, or C; when X is O, a is 0; when X is N, a is 1; when X is C, a is 2.
Z 32 represents H, an alkali metal, an alkaline earth metal, or NR 32 4 .
R 32 each independently represents an alkyl group or H. )

式(24)について、Y31はF又はCFであることが好ましい。kは0であることが好ましい。nは0又は1であることが好ましい。Y32はFであることが好ましい。mは2であることが好ましい。Z31はH、Na、K、又はNHであることが好ましい。 Regarding formula (24), Y 31 is preferably F or CF 3 . Preferably, k is 0. It is preferable that n is 0 or 1. Y32 is preferably F. Preferably, m is 2. Preferably, Z31 is H, Na, K, or NH4 .

式(24)は、上述したものの中でも特に、-CF-CF(-O-CF-CF-SOH)-、又は-CF-CF(-O-CF-CF(CF)-O-CF-CF-SOH)-が好ましい。 Formula (24) is particularly applicable to -CF 2 -CF(-O-CF 2 -CF 2 -SO 3 H)- or -CF 2 -CF(-O-CF 2 -CF(CF 3 )-O-CF 2 -CF 2 -SO 3 H)- is preferred.

式(25)について、Y33はFであることが好ましい。oは0であることが好ましい。Q31は、-CF-CF-又は-CF-O-CF-CF-であることが好ましい。Q32は、-O-CF-CF-であることが好ましい。R31は、-CF又は-CF-CFであることが好ましい。XはOであることが好ましい。Z32は、H、Na、K、又はNHであることが好ましい。 Regarding formula (25), Y 33 is preferably F. It is preferable that o is 0. Q 31 is preferably -CF 2 -CF 2 - or -CF 2 -O-CF 2 -CF 2 -. Q 32 is preferably -O-CF 2 -CF 2 -. R 31 is preferably -CF 3 or -CF 2 -CF 3 . Preferably, X is O. Preferably, Z32 is H, Na, K, or NH4 .

式(25)は、上述したものの中でも特に、-CF-CF(-O-CF-CF(-CF-O-CF-CF-SOH)(-O-CF-CF-SOH)-が好ましい。 Formula (25) is particularly applicable to -CF 2 -CF (-O-CF 2 -CF (-CF 2 -O-CF 2 -CF 2 -SO 3 H) (-O-CF 2 -CF 2 -SO 3 H)- is preferred.

(電極触媒インク)
本実施形態の電極触媒インクは、本発明の高分子電解質溶液と触媒とを含むことが好ましい。
電極触媒インクは、燃料電池の電極触媒層(例えば、カソード用電極触媒層)を形成する原料として好適に用いることができる。電極触媒インクは、燃料電池の電極触媒層形成用電極触媒インクであることが好ましい。
(electrode catalyst ink)
The electrode catalyst ink of the present embodiment preferably contains the polymer electrolyte solution of the present invention and a catalyst.
The electrode catalyst ink can be suitably used as a raw material for forming an electrode catalyst layer (for example, a cathode electrode catalyst layer) of a fuel cell. The electrode catalyst ink is preferably an electrode catalyst ink for forming an electrode catalyst layer of a fuel cell.

触媒としては、電極触媒層において活性を有し得るものであれば特に限定されず、電極触媒層が用いられる燃料電池の使用目的に応じて適宜選択される。触媒は、触媒金属であることが好ましい。 The catalyst is not particularly limited as long as it can have activity in the electrode catalyst layer, and is appropriately selected depending on the purpose of use of the fuel cell in which the electrode catalyst layer is used. Preferably, the catalyst is a catalytic metal.

触媒としては、水素の酸化反応及び酸素の還元反応を促進する金属であることが好ましく、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、バナジウム、及びこれらの合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属であることがより好ましい。中でも、白金が好ましい。 The catalyst is preferably a metal that promotes the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen, such as platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, vanadium. More preferably, the metal is at least one metal selected from the group consisting of , and alloys thereof. Among these, platinum is preferred.

触媒金属の粒子径は限定されないが、10~1000オングストロームが好ましく、より好ましくは10~500オングストローム、最も好ましくは15~100オングストロームである。 The particle size of the catalyst metal is not limited, but is preferably 10 to 1000 angstroms, more preferably 10 to 500 angstroms, and most preferably 15 to 100 angstroms.

電極触媒インク中の高分子電解質の含有量は、電極触媒インクに対して、5~30質量%であることが好ましく、8質量%以上であることがより好ましく、10質量%以上であることが更に好ましく、20質量%以下であることがより好ましく、15質量%以下であることが更に好ましい。 The content of the polymer electrolyte in the electrode catalyst ink is preferably 5 to 30% by mass, more preferably 8% by mass or more, and preferably 10% by mass or more, based on the electrode catalyst ink. The content is more preferably 20% by mass or less, even more preferably 15% by mass or less.

電極触媒インク中の触媒の含有量は、高分子電解質に対して、50~200質量%であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、100質量%以上であることが更に好ましく、150質量%以下であることがより好ましく、130質量%以下であることが更に好ましい。 The content of the catalyst in the electrode catalyst ink is preferably 50 to 200% by mass, more preferably 80% by mass or more, and even more preferably 100% by mass or more, based on the polymer electrolyte. , more preferably 150% by mass or less, and even more preferably 130% by mass or less.

電極触媒インクは、更に、導電剤を含むことが好ましい。触媒及び導電剤は、触媒の粒子を担持した導電剤からなる複合粒子(例えば、Pt担持カーボン等)であることも好ましい形態の一つである。この場合、高分子電解質は、バインダーとしても機能する。 Preferably, the electrode catalyst ink further contains a conductive agent. One preferable form of the catalyst and the conductive agent is that the catalyst and the conductive agent are composite particles (for example, Pt-supported carbon, etc.) made of a conductive agent supporting particles of the catalyst. In this case, the polyelectrolyte also functions as a binder.

導電剤としては、導電性を有する粒子(導電性粒子)であれば限定されないが、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛及び各種金属(触媒金属を除く)からなる群より選択される少なくとも1種の導電性粒子であることが好ましい。これら導電剤の粒子径としては、好ましくは10オングストローム~10μm、より好ましくは50オングストローム~1μm、最も好ましくは100~5000オングストロームである。 The conductive agent is not limited as long as it has conductivity (conductive particles), but examples include carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black, activated carbon, graphite, and various metals (excluding catalytic metals). It is preferable that at least one type of conductive particle is selected from the group consisting of: The particle size of these conductive agents is preferably 10 angstroms to 10 μm, more preferably 50 angstroms to 1 μm, and most preferably 100 to 5000 angstroms.

複合粒子としては、導電性粒子に対する触媒粒子の含有量が、好ましくは1~99質量%、より好ましくは10~90質量%、最も好ましくは30~70質量%である。具体的には、田中貴金属工業(株)製TEC10E40E、TEC10E50E、TEC10E50HT等のPt触媒担持カーボンが好適な例として挙げられる。 In the composite particles, the content of catalyst particles relative to the conductive particles is preferably 1 to 99% by mass, more preferably 10 to 90% by mass, and most preferably 30 to 70% by mass. Specifically, preferred examples include Pt catalyst-supported carbons such as TEC10E40E, TEC10E50E, and TEC10E50HT manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.

複合粒子の含有量は、高分子電解質に対して、1.0~3.0質量%であることが好ましく、より好ましくは1.4~2.9質量%、更に好ましくは1.7~2.9質量%、特に好ましくは1.7~2.3質量%である。 The content of the composite particles is preferably 1.0 to 3.0% by mass, more preferably 1.4 to 2.9% by mass, even more preferably 1.7 to 2% by mass, based on the polymer electrolyte. .9% by weight, particularly preferably 1.7-2.3% by weight.

電極触媒インクは、更に、撥水剤を含んでもよい。撥水剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFE)、テトラフルオロエチレンとパーフルオロ(2,2-ジメチル-1,3-ジオキソール)の共重合体が挙げられる。撥水剤の形状としては特に限定されないが、定形性のものであればよく、粒子状、繊維状であることが好ましく、これらが単独で使用されても混合して使用されていてもよい。 The electrocatalyst ink may further contain a water repellent. Examples of the water repellent include polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE) and a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoro(2,2-dimethyl-1,3-dioxole). The shape of the water repellent is not particularly limited, but it may be of any fixed shape, preferably particulate or fibrous, and these may be used alone or in combination.

撥水剤の含有量は、高分子電解質に対して、0.01~30.0質量%であることが好ましく、より好ましくは1.0~25.0質量%、更に好ましくは2.0~20.0質量%、特に好ましくは5.0~10.0質量%である。 The content of the water repellent is preferably 0.01 to 30.0% by mass, more preferably 1.0 to 25.0% by mass, even more preferably 2.0 to 25.0% by mass, based on the polymer electrolyte. 20.0% by weight, particularly preferably 5.0-10.0% by weight.

(電極触媒層)
本実施形態の電極触媒層としては、高分子電解質を含む電極触媒層であることが好ましい。電極触媒層は、電極触媒インクを含むことが好ましく、電極触媒インクからなることがより好ましい。電極触媒層は、安価に製造することができる上、酸素透過性が高い。電極触媒層は、カソード用電極触媒層として用いることができ、燃料電池用として好適に用いることができる。
(electrode catalyst layer)
The electrode catalyst layer of this embodiment is preferably an electrode catalyst layer containing a polymer electrolyte. The electrode catalyst layer preferably contains an electrode catalyst ink, and more preferably consists of an electrode catalyst ink. The electrode catalyst layer can be manufactured at low cost and has high oxygen permeability. The electrode catalyst layer can be used as a cathode electrode catalyst layer, and can be suitably used for fuel cells.

電極触媒層は、高分子電解質及び触媒からなることが好ましい。電極触媒層は、電極面積に対する高分子電解質の担持量が、好ましくは0.001~10mg/cm、より好ましくは0.01~5mg/cm、更に好ましくは0.1~1mg/cmである。 The electrode catalyst layer preferably comprises a polymer electrolyte and a catalyst. In the electrode catalyst layer, the amount of polymer electrolyte supported relative to the electrode area is preferably 0.001 to 10 mg/cm 2 , more preferably 0.01 to 5 mg/cm 2 , and still more preferably 0.1 to 1 mg/cm 2 It is.

電極触媒層は、高分子電解質、触媒及び導電剤からなるものであることが好ましい。電極触媒層は、高分子電解質と、上記複合粒子(例えば、Pt担持カーボン等)と、からなるものであることも好ましい形態の一つである。この場合、高分子電解質は、バインダーとしても機能する。 The electrode catalyst layer preferably comprises a polymer electrolyte, a catalyst, and a conductive agent. In one preferred embodiment, the electrode catalyst layer is composed of a polymer electrolyte and the composite particles (eg, Pt-supported carbon, etc.). In this case, the polyelectrolyte also functions as a binder.

導電剤としては、電極触媒インクで説明したものと同様である。 The conductive agent is the same as that described for the electrode catalyst ink.

複合粒子としては、導電性粒子に対して触媒粒子が、好ましくは1~99質量%、より好ましくは10~90質量%、最も好ましくは30~70質量%である。具体的には、田中貴金属工業(株)製TEC10E40E等のPt触媒担持カーボンが好適な例として挙げられる。 In the composite particles, the catalyst particles preferably account for 1 to 99% by mass, more preferably 10 to 90% by mass, and most preferably 30 to 70% by mass relative to the conductive particles. Specifically, a suitable example is Pt catalyst-supported carbon such as TEC10E40E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.

複合粒子の含有率は、電極触媒層の全質量に対し、20~95質量%であることが好ましく、より好ましくは40~90質量%、更に好ましくは50~85質量%、特に好ましくは60~80質量%である。 The content of the composite particles is preferably 20 to 95% by mass, more preferably 40 to 90% by mass, even more preferably 50 to 85% by mass, particularly preferably 60 to 85% by mass, based on the total mass of the electrode catalyst layer. It is 80% by mass.

電極触媒層が燃料電池の電極触媒層として用いられる場合、電極面積に対する触媒金属の担持量としては、電極触媒層を形成した状態で、好ましくは0.001~10mg/cm、より好ましくは0.01~5mg/cm、更に好ましくは0.1~1mg/cm、更により好ましくは0.2~0.5mg/cmである。 When the electrode catalyst layer is used as an electrode catalyst layer of a fuel cell, the amount of catalyst metal supported relative to the electrode area is preferably 0.001 to 10 mg/cm 2 , more preferably 0. 0.01 to 5 mg/cm 2 , more preferably 0.1 to 1 mg/cm 2 , even more preferably 0.2 to 0.5 mg/cm 2 .

電極触媒層の厚みとしては、好ましくは0.01~200μm、より好ましくは0.1~100μm、最も好ましくは1~50μmである。 The thickness of the electrode catalyst layer is preferably 0.01 to 200 μm, more preferably 0.1 to 100 μm, and most preferably 1 to 50 μm.

電極触媒層は、必要に応じて撥水剤を含んでもよい。 The electrode catalyst layer may contain a water repellent if necessary.

撥水剤としては、電極触媒インクで説明したものと同様である。 The water repellent is the same as that described for the electrode catalyst ink.

電極触媒層が撥水剤を含有する場合、撥水剤の含有率としては、電極触媒層の全質量に対し、好ましくは0.001~20質量%、より好ましくは0.01~10質量%、最も好ましくは0.1~5質量%である。 When the electrode catalyst layer contains a water repellent, the content of the water repellent is preferably 0.001 to 20% by mass, more preferably 0.01 to 10% by mass, based on the total mass of the electrode catalyst layer. , most preferably 0.1 to 5% by weight.

電極触媒層は、親水性向上及び化学耐久性向上のため、無機系添加剤を配合しても良い。 The electrode catalyst layer may contain inorganic additives to improve hydrophilicity and chemical durability.

無機系添加剤としては、高分子電解質溶液で説明したものと同様である。 The inorganic additives are the same as those explained for the polymer electrolyte solution.

無機系添加剤の含有率としては、電極触媒層の全質量に対し、好ましくは0.001~20質量%、より好ましくは0.01~10質量%、最も好ましくは0.1~5質量%である。 The content of the inorganic additive is preferably 0.001 to 20% by mass, more preferably 0.01 to 10% by mass, and most preferably 0.1 to 5% by mass, based on the total mass of the electrode catalyst layer. It is.

電極触媒層の製造方法は、例えば、得られた高分子電解質溶液に触媒を分散させて電極触媒インクを調製する工程と、電極触媒インクを基材に塗布する工程と、基材に塗布した電極触媒インクを乾燥させて電極触媒層を得る工程と、を含む。 The method for producing an electrode catalyst layer includes, for example, a step of preparing an electrode catalyst ink by dispersing a catalyst in the obtained polymer electrolyte solution, a step of applying the electrode catalyst ink to a base material, and a step of preparing an electrode catalyst ink applied to the base material. The method includes a step of drying the catalyst ink to obtain an electrode catalyst layer.

得られた高分子電解質溶液に触媒を分散させて電極触媒インクを調製する工程は、得られたエマルジョン又は高分子電解質溶液に、複合粒子を分散させた電極触媒インクを調製するものであることが好ましい。 The step of preparing an electrocatalyst ink by dispersing a catalyst in the obtained polymer electrolyte solution is to prepare an electrode catalyst ink in which composite particles are dispersed in the obtained emulsion or polymer electrolyte solution. preferable.

電極触媒インクの塗布は、例えば、スクリーン印刷法、スプレー法等の一般的に知られている各種方法を用いることが可能である。 The electrode catalyst ink can be applied by various commonly known methods such as screen printing and spraying.

(膜電極接合体)
本実施形態の膜電極接合体(membrane/electrode assembly)(以下、「MEA」ともいう。)は、電極触媒層と電解質膜とを備えることが好ましい。本実施形態の膜電極接合体は、電極触媒層を備えるため、電池特性並びに機械的強度に優れ、安定性に優れる。膜電極接合体は、燃料電池用として好適に用いることができる。
(Membrane electrode assembly)
The membrane/electrode assembly (hereinafter also referred to as "MEA") of this embodiment preferably includes an electrode catalyst layer and an electrolyte membrane. Since the membrane electrode assembly of this embodiment includes an electrode catalyst layer, it has excellent battery characteristics, mechanical strength, and stability. The membrane electrode assembly can be suitably used for fuel cells.

電解質膜の両面にアノードとカソードの2種類の電極触媒層が接合したユニットは、膜電極接合体と呼ばれる。電極触媒層のさらに外側に一対のガス拡散層を対向するように接合したものについても、MEAと呼ばれる場合がある。電極触媒層はプロトン伝導性を有することが必要となる。 A unit in which two types of electrode catalyst layers, an anode and a cathode, are joined to both sides of an electrolyte membrane is called a membrane electrode assembly. An MEA in which a pair of gas diffusion layers are joined to face each other further outside the electrode catalyst layer may also be called an MEA. The electrode catalyst layer needs to have proton conductivity.

アノードとしての電極触媒層は、燃料(例えば水素)を酸化して容易にプロトンを生じさせる触媒を包含し、カソードとしての電極触媒層は、プロトン及び電子と酸化剤(例えば酸素や空気)を反応させて水を生成させる触媒を包含する。アノードとカソードのいずれについても、触媒としては上述した触媒金属を好適に用いることができる。 The electrode catalyst layer as an anode includes a catalyst that easily generates protons by oxidizing fuel (e.g. hydrogen), and the electrode catalyst layer as a cathode reacts protons and electrons with an oxidizing agent (e.g. oxygen or air). and a catalyst for producing water. For both the anode and the cathode, the above-mentioned catalytic metals can be suitably used as the catalyst.

ガス拡散層としては、例えば、市販のカーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等を用いることができる。これらのガス拡散層は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等により撥水処理されていることが好ましい。ガス拡散層の具体例として、炭素繊維トレカ(東レ社製)、パイロフィル(三菱ケミカル社製)、SIGRACET GDL(MFCテクノロジー社製)等が挙げられる。 As the gas diffusion layer, for example, commercially available carbon cloth, carbon paper, carbon felt, etc. can be used. These gas diffusion layers are preferably treated to be water repellent, for example, with polytetrafluoroethylene. Specific examples of the gas diffusion layer include carbon fiber trading cards (manufactured by Toray Industries, Inc.), pyrofil (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), and SIGRACET GDL (manufactured by MFC Technology Corporation).

MEAは、例えば、電極触媒層の間に電解質膜を挟みこみ、熱プレスにより接合することにより作製することができる。当業者にはMEAの作製方法は周知である。MEAの作製方法は、例えば、JOURNAL OF APPLIED ELECTROCHEMISTRY,22(1992)p.1-7に詳しく記載されている。 The MEA can be produced, for example, by sandwiching an electrolyte membrane between electrode catalyst layers and joining them by hot pressing. Methods for making MEAs are well known to those skilled in the art. The method for producing MEA is described, for example, in JOURNAL OF APPLIED ELECTROCHEMISTRY, 22 (1992) p. 1-7 is described in detail.

MEA(一対のガス拡散電極が対向した構造のMEAを含む。)は、例えば、更にバイポーラプレートやバッキングプレート等の一般的な燃料電池に用いられる構成成分と組み合わされて、燃料電池が構成される。 The MEA (including an MEA having a structure in which a pair of gas diffusion electrodes face each other) is further combined with components used in general fuel cells such as a bipolar plate and a backing plate to configure a fuel cell. .

バイポーラプレートとは、例えば、その表面に燃料や酸化剤等のガスを流すための溝を形成させたグラファイトと樹脂との複合材料、又は金属製のプレート等を意味する。バイポーラプレートは、電子を外部負荷回路へ伝達する機能の他、燃料や酸化剤を電極触媒近傍に供給する流路としての機能を持っている。こうしたバイポーラプレートの間にMEAを挿入して複数積み重ねることにより、燃料電池が製造される。 A bipolar plate means, for example, a composite material of graphite and resin, a metal plate, etc., on the surface of which grooves are formed for flowing gases such as fuel and oxidizer. In addition to the function of transmitting electrons to an external load circuit, the bipolar plate also functions as a flow path for supplying fuel and oxidizer to the vicinity of the electrode catalyst. A fuel cell is manufactured by inserting a plurality of MEAs between such bipolar plates and stacking them.

(燃料電池)
本実施形態の燃料電池は、上記膜電極接合体を備えることが好ましい。燃料電池は、固体高分子形燃料電池であることが好ましい。燃料電池は、膜電極接合体を有するものであれば特に限定されず、通常、燃料電池を構成するガス等の構成成分を含むものであってよい。燃料電池は、電極触媒層を有する膜電極接合体を備えるものであるため、電池特性並びに機械的強度に優れ、安定性に優れる。
(Fuel cell)
The fuel cell of this embodiment preferably includes the membrane electrode assembly described above. Preferably, the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell. The fuel cell is not particularly limited as long as it has a membrane electrode assembly, and may normally contain constituent components such as gas that constitute the fuel cell. Since a fuel cell includes a membrane electrode assembly having an electrode catalyst layer, it has excellent cell characteristics, mechanical strength, and stability.

次に本発明を、実施例をあげて説明するが、この実施例は本発明を例示することのみを目的としており、本発明を限定するものではない。 Next, the present invention will be explained with reference to Examples, but these Examples are only intended to illustrate the present invention, and are not intended to limit the present invention.

(イオン交換容量)
イオン交換基の対イオンがプロトンの状態となっている高分子電解質膜、およそ2~20cmを、25℃、飽和NaCl水溶液30mlに浸漬し、撹拌しながら30分間放置した。次いで、飽和NaCl水溶液中のプロトンを、フェノールフタレインを指示薬として0.01N水酸化ナトリウム水溶液として中和滴定した。中和後に得られた、イオン交換基の対イオンがナトリウムイオンの状態となっている高分子電解質膜を、純水ですすぎ、更に真空乾燥して秤量した。中和に要した水酸化ナトリウムの物質量をM(mmol)、イオン交換基の対イオンがナトリウムイオンの高分子電解質膜の重量をW(mg)とし、下記式により当量重量EW(g/eq)を求めた。
EW=(W/M)-22
(ion exchange capacity)
Approximately 2 to 20 cm 2 of a polymer electrolyte membrane in which the counter ion of the ion exchange group is a proton was immersed in 30 ml of a saturated NaCl aqueous solution at 25° C. and left for 30 minutes with stirring. Next, protons in the saturated aqueous NaCl solution were neutralized and titrated using a 0.01N aqueous sodium hydroxide solution using phenolphthalein as an indicator. The polymer electrolyte membrane obtained after neutralization, in which the counter ions of the ion exchange groups were in the state of sodium ions, was rinsed with pure water, further dried in vacuum, and weighed. The amount of sodium hydroxide required for neutralization is M (mmol), the weight of the polymer electrolyte membrane in which the counter ion of the ion exchange group is sodium ion is W (mg), and the equivalent weight EW (g/eq. ) was sought.
EW=(W/M)-22

(比表面積)
高分子電解質の空隙の指標として、BET法による比表面積を用いた。比表面積は、液体窒素温度下(77K)での窒素ガス吸着法をマイクロトラック・ベル社製のBelsorp Mini Xを用いて測定し、BET法による解析にて、比表面積を算出した。
(Specific surface area)
The specific surface area determined by the BET method was used as an index of voids in the polymer electrolyte. The specific surface area was measured by a nitrogen gas adsorption method under liquid nitrogen temperature (77 K) using Belsorp Mini X manufactured by Microtrac Bell, and was calculated by analysis using the BET method.

(酸素溶解度)
Electrochimica Acta 209 (2016) 682-690を参考に、高分子電解質の膜の酸素溶解度を、クロノアンペロメトリー法を用いて測定した。ガラス封入した100μmφの白金微小電極を厚さ200μm程度のサンプルに押し当てて、温度、湿度を調整した。窒素又は酸素雰囲気下にて、電位を1100mV(vs.SHE)に保持した後、400mVにステップして電流値を測定した。窒素及び酸素雰囲気下で観測された電流値の差分を印加時間の-1/2乗に対してプロットし、直線性が得られた範囲において下記式を用いて酸素溶解度を算出した。
I=4πFrDc[1+r/(πDt)1/2+0.2732exp{-0.3911r/(Dt)1/2}]
ただし、Iは電流値(A)、Fはファラデー定数(96500C/mol)、rは電極半径(cm)、Dは酸素拡散係数(cm/s)、cは酸素溶解度(mol/m)、tは時間(s)である。本検討では評価温度80℃、湿度30%での酸素溶解度を示した。
(oxygen solubility)
With reference to Electrochimica Acta 209 (2016) 682-690, the oxygen solubility of a polymer electrolyte membrane was measured using a chronoamperometry method. Temperature and humidity were adjusted by pressing a glass-encapsulated platinum microelectrode with a diameter of 100 μm against a sample with a thickness of about 200 μm. In a nitrogen or oxygen atmosphere, the potential was held at 1100 mV (vs. SHE), then stepped to 400 mV, and the current value was measured. The difference between the current values observed under nitrogen and oxygen atmospheres was plotted against the −1/2 power of the application time, and the oxygen solubility was calculated using the following formula within the range where linearity was obtained.
I=4πFrDc[1+r/(πDt) 1/2 +0.2732exp{-0.3911r/(Dt) 1/2 }]
However, I is the current value (A), F is the Faraday constant (96500C/mol), r is the electrode radius (cm), D is the oxygen diffusion coefficient (cm 2 /s), and c is the oxygen solubility (mol/m 3 ). , t is time (s). In this study, the oxygen solubility was shown at an evaluation temperature of 80° C. and a humidity of 30%.

(SEM観察)
ダイコーターで作製した触媒層の表面を、走査型電子顕微鏡(製品名:VE8800、キーエンス社製)を用い、倍率50倍、加速電圧1kVの条件で観察した。観察の結果、触媒層表面にひび割れがなかった場合を「A」(良好)、ひび割れが見られた場合を「B」(不良)と表記した。
(SEM observation)
The surface of the catalyst layer produced using a die coater was observed using a scanning electron microscope (product name: VE8800, manufactured by Keyence Corporation) under conditions of a magnification of 50 times and an acceleration voltage of 1 kV. As a result of the observation, cases where there were no cracks on the surface of the catalyst layer were rated "A" (good), and cases where cracks were observed were rated "B" (poor).

(燃料電池評価)
高温低加湿条件下におけるMEAの性能を評価するため、以下のような手順で発電試験を実施した。
(Fuel cell evaluation)
In order to evaluate the performance of MEA under high temperature and low humidity conditions, a power generation test was conducted using the following procedure.

(1)電極触媒インクの調製
固形分濃度15質量%の高分子電解質溶液、電極触媒(TEC10E40E、田中貴金属工業(株)製、白金担持量36.7wt%)を白金/パーフルオロスルホン酸ポリマーが1/1.15(質量)となるように配合し、次いで、固形分(電極触媒とパーフルオロスルホン酸ポリマーの合計)が11wt%となるようにエタノールを加え、ホモジナイザー(アズワン社製)により回転数が3000rpmで10分間、撹拌することで電極触媒インクを得た。
(1) Preparation of electrode catalyst ink A polymer electrolyte solution with a solid content concentration of 15% by mass, an electrode catalyst (TEC10E40E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., platinum loading amount of 36.7wt%), and a platinum/perfluorosulfonic acid polymer. 1/1.15 (mass), then ethanol was added so that the solid content (total of the electrode catalyst and perfluorosulfonic acid polymer) was 11 wt%, and the mixture was rotated using a homogenizer (manufactured by As One). An electrode catalyst ink was obtained by stirring at 3000 rpm for 10 minutes.

(2)電極触媒層の作製
ダイコーター(製品名:理化ダイ、伊藤忠ファインテクノ社製)を用い、膜厚100μmのテフロン(登録商標)基材(製品名:ナフロンテープ、ニチアス社製)上に上記電極触媒インクを、白金量が0.2mg/cmとなるように塗布し、160℃、5分の条件で乾燥および固化させることで電極触媒層を得た。
(2) Preparation of electrode catalyst layer Using a die coater (product name: Rika Dai, manufactured by Itochu Fine Techno Co., Ltd.), coat it on a Teflon (registered trademark) substrate (product name: Naflon Tape, manufactured by Nichias Corporation) with a film thickness of 100 μm. The above electrode catalyst ink was applied so that the amount of platinum was 0.2 mg/cm 2 , and was dried and solidified at 160° C. for 5 minutes to obtain an electrode catalyst layer.

(3)MEAの作製
プレス機(製品名:SFA-37、神藤金属工業社製)を用い、電解質膜(製品名:NafionHP、ケマーズ社製)の両面に、アノード側に高分子電解質としてNafionDE2020CSを用いた電極触媒層を、カソード側に本実施形態の高分子電解質を用いた電極触媒層を、温度160℃、圧力13MPaの条件で熱プレスすることで、MEAを得た。
(3) Preparation of MEA Using a press machine (product name: SFA-37, manufactured by Shinto Metal Industry Co., Ltd.), apply Nafion DE2020CS as a polymer electrolyte on both sides of an electrolyte membrane (product name: Nafion HP, manufactured by Chemours) on the anode side. An MEA was obtained by hot pressing the used electrode catalyst layer using the polymer electrolyte of this embodiment on the cathode side at a temperature of 160° C. and a pressure of 13 MPa.

(4)燃料電池単セルの作製
MEAの両極にガス拡散層(製品名:GDL35BC、MFCテクノロジー社製)を重ね、次いでガスケット、バイポーラプレート、およびバッキングプレートを重ねることで燃料電池単セルを得た。
(4) Production of fuel cell single cell A fuel cell single cell was obtained by layering a gas diffusion layer (product name: GDL35BC, manufactured by MFC Technology) on both poles of the MEA, and then layering a gasket, bipolar plate, and backing plate. .

(5)発電試験
燃料電池単セルを評価装置(東陽テクニカ社製燃料電池評価システム890CL)にセットして、発電試験を実施した。
(5) Power generation test A power generation test was conducted by setting the single fuel cell cell in an evaluation device (Fuel Cell Evaluation System 890CL manufactured by Toyo Technica).

発電の試験条件は、高加湿条件を、セル温度65℃、アノード及びカソードの加湿ボトル60℃(相対湿度80%RH)に設定し、低加湿条件を、セル温度90℃、アノード及びカソードの加湿ボトル61℃(相対湿度30%RH)に設定し、アノード側に水素ガス、カソード側に空気ガスを、それぞれ900ml/minの条件で供給した。また、アノード側とカソード側の両方を無加圧(大気圧)とした。 The test conditions for power generation were as follows: high humidification conditions were set to a cell temperature of 65°C and anode and cathode humidification bottles of 60°C (relative humidity 80% RH), and low humidification conditions were a cell temperature of 90°C and anode and cathode humidification. The temperature of the bottle was set at 61° C. (relative humidity: 30% RH), and hydrogen gas was supplied to the anode side and air gas was supplied to the cathode side at a rate of 900 ml/min. Further, both the anode side and the cathode side were left unpressurized (atmospheric pressure).

上記高加湿条件において、電流密度0.2A/cmにおいて電圧値が0.830V以上であれば「A」(優れる)、0.820V超0.830V未満であれば「B」(普通)、0.820V以下であれば「C」(劣る)として表記し;電流密度0.8A/cmにおいて電圧値が0.685V以上であれば「A」(優れる)、0.675V超0.685V未満であれば「B」(普通)、0.675V以下であれば「C」(劣る)として表記した。 Under the above high humidification conditions, if the voltage value is 0.830V or more at a current density of 0.2A/cm 2 , it will be rated "A" (excellent), if it is more than 0.820V and less than 0.830V, it will be rated "B" (fair). If it is 0.820V or less, it is marked as "C"(poor); if the voltage value is 0.685V or more at a current density of 0.8A/ cm2 , it is marked as "A" (excellent), and more than 0.675V is 0.685V. If it was less than 0.675V, it was labeled as "B" (fair), and if it was 0.675V or less, it was labeled as "C" (poor).

また、上記低加湿条件において、電流密度0.2A/cmにおいて電圧値が0.750V以上であれば「A」(優れる)、0.720V超0.750V未満であれば「B」(普通)、0.720V以下であれば「C」(劣る)として表記し;電流密度0.8A/cmにおいて電圧値が0.550V以上であれば「A」(優れる)、0.440V超0.550V未満であれば「B」(普通)、0.440V以下であれば「C」(劣る)として表記した。 Under the above low humidification conditions, if the voltage value is 0.750V or more at a current density of 0.2A/ cm2 , it will be rated "A" (excellent), and if it exceeds 0.720V and is less than 0.750V, it will be rated "B" (fair). ), if it is 0.720V or less, it is marked as "C"(poor); if the voltage value is 0.550V or more at a current density of 0.8A/ cm2 , it is marked as "A" (excellent), and it is more than 0.440V. If it was less than .550V, it was rated "B" (fair), and if it was 0.440V or less, it was rated "C" (poor).

(化学耐久性)
燃料電池単セルを評価装置(東陽テクニカ製燃料電池評価システム890CL)にセットして、セル温度90℃、加湿ボトル61℃(相対湿度30%RH)、アノード側に水素ガス、カソード側に空気ガスを、それぞれ300cc/minの条件で流通させることでOCV試験を実施した。
(chemical durability)
A fuel cell single cell was set in the evaluation device (Toyo Technica Fuel Cell Evaluation System 890CL), the cell temperature was 90°C, the humidifier bottle was 61°C (relative humidity 30% RH), hydrogen gas was applied to the anode side, and air gas was applied to the cathode side. An OCV test was carried out by distributing the following at a rate of 300 cc/min.

OCV試験の終点を判定するために、カソード側にマイクロガスクロマトグラフ(製品名:CP-4900、GLサイエンス社製)を接続し、アノード側より透過するHガスの濃度を測定した。Hガスの濃度が1000ppmを越えた時点を終点とした。終点が200時間以上を「A」(良好)、200時間未満を「B」(不良)と表記した。 In order to determine the end point of the OCV test, a micro gas chromatograph (product name: CP-4900, manufactured by GL Science) was connected to the cathode side, and the concentration of H 2 gas permeating from the anode side was measured. The end point was when the concentration of H 2 gas exceeded 1000 ppm. An end point of 200 hours or more was designated as "A" (good), and an end point of less than 200 hours was designated as "B" (poor).

(実施例1)
100mlの三つ口フラスコに、2,3,5,6-テトラフルオロ-4-(トリフルオロメチル)フェノール7.0g(30mmol)、1,2-ジメトキシエタン10ml、および水素化ナトリウム0.45g(60%、12mmol)を入れ、窒素置換してキャップをした後、50℃で1時間撹拌した。その後、CF=CF-OCFCFSONa 3.5g(12mmol)と、1,2-ジメトキシエタン10mlを加え、95℃で6時間撹拌した。反応終了後、エバポレーターにより溶媒を除去し、残固体に酢酸エチルおよび食塩水を加え、分液抽出および溶媒留去を行った。その後、カラムクロマトグラフィーにて精製を行い、溶媒留去後、式(26)で表されるスルホン酸ナトリウム基を有する芳香族モノマー(M1)を4.0g(収率65%)で得た。19F-NMRにて、-58ppmに積分比3、-84ppmに積分比1、-86ppmに積分比1、-89ppmに積分比2、-119ppmに積分比2、-141ppmに積分比2、-146ppmに積分比1、-155ppmに積分比2のピークが各々見られた。H-NMRにて、6.5~6.8ppmに積分比1のピークが見られた。

Figure 0007420629000042
(Example 1)
In a 100 ml three-necked flask, 7.0 g (30 mmol) of 2,3,5,6-tetrafluoro-4-(trifluoromethyl)phenol, 10 ml of 1,2-dimethoxyethane, and 0.45 g of sodium hydride ( 60%, 12 mmol), purged with nitrogen, capped, and stirred at 50° C. for 1 hour. Thereafter, 3.5 g (12 mmol) of CF 2 =CF-OCF 2 CF 2 SO 3 Na and 10 ml of 1,2-dimethoxyethane were added, and the mixture was stirred at 95° C. for 6 hours. After the reaction was completed, the solvent was removed using an evaporator, ethyl acetate and brine were added to the remaining solid, and liquid separation extraction and solvent distillation were performed. Thereafter, purification was performed by column chromatography, and after distilling off the solvent, 4.0 g (yield 65%) of an aromatic monomer (M1) having a sodium sulfonate group represented by formula (26) was obtained. In 19 F-NMR, integral ratio 3 at -58 ppm, integral ratio 1 at -84 ppm, integral ratio 1 at -86 ppm, integral ratio 2 at -89 ppm, integral ratio 2 at -119 ppm, integral ratio 2 at -141 ppm, - A peak with an integral ratio of 1 was observed at 146 ppm, and a peak with an integral ratio of 2 was observed at -155 ppm. In 1 H-NMR, a peak with an integral ratio of 1 was observed at 6.5 to 6.8 ppm.
Figure 0007420629000042

続いて、モノマー(M1)と3,3,3’,3’-テトラメチル-1,1’-スピロビインダン-5,5’,6,6’-テトラオール(モノマー(M2))を用いて縮合重合を行った。100mlの三つ口フラスコに、モノマー(M1) 4.0g(7.5mmol)、モノマー(M2)2.5g(7.5mol)、炭酸カリウム 2.1g(15mmol)、およびN,N-ジメチルホルムアミド50mlを入れ、窒素置換してキャップをした後、150℃で48時間撹拌した。重合終了後、放冷し、反応液をイオン交換水に投入し、ガラスフィルターで減圧ろ過後、イオン交換水で十分に洗浄し、100℃で12時間乾燥した。SONa基を有する含フッ素微多孔性高分子電解質(A1)を、収量4.2g(収率70%)で得た。 Subsequently, condensation was performed using monomer (M1) and 3,3,3',3'-tetramethyl-1,1'-spirobiindane-5,5',6,6'-tetraol (monomer (M2)). Polymerization was performed. In a 100 ml three-necked flask, 4.0 g (7.5 mmol) of monomer (M1), 2.5 g (7.5 mol) of monomer (M2), 2.1 g (15 mmol) of potassium carbonate, and N,N-dimethylformamide. After adding 50 ml of the flask, purging with nitrogen and capping the flask, the flask was stirred at 150° C. for 48 hours. After the polymerization was completed, it was allowed to cool, and the reaction solution was poured into ion-exchanged water, filtered under reduced pressure through a glass filter, thoroughly washed with ion-exchanged water, and dried at 100° C. for 12 hours. A fluorine-containing microporous polymer electrolyte (A1) having an SO 3 Na group was obtained in a yield of 4.2 g (yield 70%).

更に、以下のように、その高分子電解質(A1)のイオン交換を行った。250mlのPPボトルに、高分子電解質(A1) 4.2gおよび4N塩酸水溶液100ml加え、60℃で2時間撹拌した。その後、デカンテーションで上澄みの液を除去した。このイオン交換の操作を4回繰り返した。その後、ガラスフィルターで減圧ろ過後、イオン交換水で十分に洗浄し、100℃で12時間乾燥した。式(27)で表されるスルホン酸基を有する含フッ素微多孔性高分子電解質(A2)を、収量3.7g(収率88%)で得た。19F-NMRにて、-57~-60ppmに積分比3、-83~-92ppmに積分比4、-118~-121ppmに積分比2、-145~-148ppmに積分比1のピークが各々見られた。H-NMRにて、0.8-1.7ppmに積分比12、1.9~-2.5ppmに積分比4、5.7-7.3ppmに積分比5のピークが見られた。

Figure 0007420629000043
Furthermore, the polymer electrolyte (A1) was ion-exchanged as follows. 4.2 g of polymer electrolyte (A1) and 100 ml of 4N hydrochloric acid aqueous solution were added to a 250 ml PP bottle, and the mixture was stirred at 60° C. for 2 hours. Thereafter, the supernatant liquid was removed by decantation. This ion exchange operation was repeated four times. Thereafter, it was filtered under reduced pressure using a glass filter, thoroughly washed with ion-exchanged water, and dried at 100° C. for 12 hours. A fluorine-containing microporous polymer electrolyte (A2) having a sulfonic acid group represented by formula (27) was obtained in a yield of 3.7 g (yield 88%). In 19F -NMR, there are peaks with an integral ratio of 3 at -57 to -60 ppm, a peak at an integral ratio of 4 at -83 to -92 ppm, a peak at an integral ratio of 2 at -118 to -121 ppm, and a peak at an integral ratio of 1 at -145 to -148 ppm. It was seen. In 1 H-NMR, peaks were observed at an integral ratio of 12 at 0.8-1.7 ppm, at an integral ratio of 4 at 1.9--2.5 ppm, and at an integral ratio of 5 at 5.7-7.3 ppm.
Figure 0007420629000043

得られた高分子電解質(A2)をエタノールとともに100mLオートクレーブ中に入れて密閉し、窒素置換した後、撹拌翼で撹拌しながら160℃まで昇温して6時間保持した。その後、オートクレーブを自然冷却して、固形分濃度10質量%の均一なポリマー溶液を作製した。得られた固形分濃度10質量%のポリマー溶液を80℃にて減圧濃縮して、固形分濃度15質量%の高分子電解質溶液を作製した。 The obtained polymer electrolyte (A2) was placed in a 100 mL autoclave together with ethanol, the autoclave was sealed, and the autoclave was purged with nitrogen.The autoclave was then heated to 160° C. while being stirred with a stirring blade and held for 6 hours. Thereafter, the autoclave was naturally cooled to prepare a uniform polymer solution with a solid content concentration of 10% by mass. The obtained polymer solution with a solid content concentration of 10% by mass was concentrated under reduced pressure at 80° C. to produce a polymer electrolyte solution with a solid content concentration of 15% by mass.

その高分子電解質溶液を、シャーレへ投入し、80℃30分、続いて120℃30分乾燥し、さらに続いて160℃15分熱処理することで、厚み200μmの膜を作製した。高分子電解質(A2)の比表面積、膜のEW及び酸素溶解度を表1に示す。また高分子電解質溶液を用いて、上記「燃料電池評価」の(1)~(4)に記載の方法に従い、電極触媒インク、電極触媒層、MEA、燃料電池単セルを作製し、電極触媒層のひび割れの有無、電池性能及び化学耐久性を評価した。結果を表1に示す。 The polymer electrolyte solution was poured into a petri dish, dried at 80° C. for 30 minutes, then at 120° C. for 30 minutes, and then heat-treated at 160° C. for 15 minutes, thereby producing a 200 μm thick film. Table 1 shows the specific surface area, membrane EW, and oxygen solubility of the polymer electrolyte (A2). Further, using the polymer electrolyte solution, an electrode catalyst ink, an electrode catalyst layer, an MEA, and a fuel cell single cell were prepared according to the methods described in (1) to (4) of "Fuel Cell Evaluation" above, and the electrode catalyst layer was The presence or absence of cracks, battery performance, and chemical durability were evaluated. The results are shown in Table 1.

高分子電解質(A2)の比表面積は大きく、膜は高い酸素溶解度を示す。また高分子電解質溶液を含む電極触媒層にはひび割れがなく、電池性能及び化学耐久性が比較例の材料よりも高いことが分かる。 The specific surface area of the polymer electrolyte (A2) is large, and the membrane exhibits high oxygen solubility. Furthermore, there were no cracks in the electrode catalyst layer containing the polymer electrolyte solution, indicating that the battery performance and chemical durability were higher than the comparative example materials.

(実施例2)
100ml三つ口フラスコに、3,3,3’,3’-テトラメチル-1,1’-スピロビインダン-5,5’,6,6’-テトラオール(モノマーM4)4.1g(12mol)、炭酸カリウム 1.7g(12mmol)、およびN,N-ジメチルホルムアミド25mlを入れ、窒素置換してキャップをした後、100℃で30分間撹拌した。その後、デカフルオロビフェニル(モノマーM3)4.0g(12mol)、およびN,N-ジメチルホルムアミド115mlを、三つ口フラスコにゆっくり滴下した。滴下終了後、100℃で24時間撹拌した。その後、放冷し、再沈殿をメタノールクロロホルムにて3回行った。ガラスフィルターで減圧ろ過後、イオン交換水で十分に洗浄し、100℃で12時間乾燥した。式(28)で表される含フッ素微多孔性高分子(P1)を、収量5.2g(収率73%)で得た。19F-NMRにて、-138~-141ppmに積分比2、-142~-145ppmに積分比2、-163~166ppmに積分比2のピークが各々見られた。H-NMRにて、1.0-1.8ppmに積分比12、1.9~-2.5ppmに積分比4、6.3-6.9ppmに積分比4のピークが各々見られた。GPCにて、重量平均分子量は20,000、分子量分布5であった。

Figure 0007420629000044
(Example 2)
In a 100 ml three-neck flask, 4.1 g (12 mol) of 3,3,3',3'-tetramethyl-1,1'-spirobiindane-5,5',6,6'-tetraol (monomer M4), 1.7 g (12 mmol) of potassium carbonate and 25 ml of N,N-dimethylformamide were added, the atmosphere was purged with nitrogen, the mixture was capped, and the mixture was stirred at 100° C. for 30 minutes. Thereafter, 4.0 g (12 mol) of decafluorobiphenyl (monomer M3) and 115 ml of N,N-dimethylformamide were slowly dropped into the three-necked flask. After the dropwise addition was completed, the mixture was stirred at 100°C for 24 hours. Thereafter, it was allowed to cool, and reprecipitation was performed three times with methanol and chloroform. After vacuum filtration with a glass filter, it was thoroughly washed with ion-exchanged water and dried at 100° C. for 12 hours. A fluorine-containing microporous polymer (P1) represented by formula (28) was obtained in an amount of 5.2 g (yield 73%). In 19 F-NMR, peaks of integral ratio 2 were observed at -138 to -141 ppm, at -142 to -145 ppm, and at -163 to 166 ppm, respectively. In 1H -NMR, peaks with an integral ratio of 12 were observed at 1.0-1.8 ppm, a peak with an integral ratio of 4 between 1.9 and -2.5 ppm, and a peak with an integral ratio of 4 at 6.3-6.9 ppm. . GPC showed that the weight average molecular weight was 20,000 and the molecular weight distribution was 5.
Figure 0007420629000044

次に、高分子(P1)に、以下のようにOW基の導入を行った。200mlの三つ口フラスコに、高分子(P1) 5g、水酸化カリウム 0.8g(14mmol)、18-クラウン-6 3.8g(14mmol)、水5ml、および1,4-ジオキサン90mlを入れ、窒素置換してキャップをした後、100℃で6時間撹拌した。反応液をイオン交換水に投入し、ガラスフィルターで減圧ろ過後、イオン交換水で十分に洗浄し、100℃で12時間乾燥した。式(29)で表されるOW基を有する含フッ素微多孔性高分子(P2)を、収量3.7g(収率70%)で得た。その高分子(P2)のNMRより、式(28)の繰り返し単位中に6つある芳香族に直接結合したフッ素原子のうち1つがOW基に変換されていることが分かった。(式(29)) Next, OW groups were introduced into the polymer (P1) as follows. In a 200 ml three-necked flask, put 5 g of polymer (P1), 0.8 g (14 mmol) of potassium hydroxide, 3.8 g (14 mmol) of 18-crown-6, 5 ml of water, and 90 ml of 1,4-dioxane. After purging with nitrogen and capping the reactor, the reactor was stirred at 100° C. for 6 hours. The reaction solution was poured into ion-exchanged water, filtered under reduced pressure through a glass filter, thoroughly washed with ion-exchanged water, and dried at 100° C. for 12 hours. A fluorine-containing microporous polymer (P2) having an OW group represented by formula (29) was obtained in an amount of 3.7 g (yield 70%). NMR of the polymer (P2) revealed that one of the six fluorine atoms directly bonded to the aromatic group in the repeating unit of formula (28) was converted to an OW group. (Formula (29))

続いて、200mlの三つ口フラスコに、高分子(P2) 3.5g、水素化ナトリウム0.21g(60%、5.7mmol)、および1,4-ジオキサン30mlを入れ、窒素置換してキャップをした後、50℃で1時間撹拌した。その後、CF=CF-OCFCFSONa 8.0g(27mmol)、15-クラウン-5 1.2g(5.4mmol)、および1,4-ジオキサン40mlを加え、100℃で24時間撹拌した。その後、反応液をイオン交換水に投入し、ガラスフィルターで減圧ろ過後、イオン交換水で十分に洗浄し、100℃で12時間乾燥した。式(30)で表されるSONa基を有する含フッ素微多孔性高分子電解質を、収量3.2g(収率66%)で得た。 Next, 3.5 g of polymer (P2), 0.21 g (60%, 5.7 mmol) of sodium hydride, and 30 ml of 1,4-dioxane were placed in a 200 ml three-necked flask, the atmosphere was replaced with nitrogen, and the cap was capped. After that, the mixture was stirred at 50°C for 1 hour. Then, 8.0 g (27 mmol) of CF 2 =CF-OCF 2 CF 2 SO 3 Na, 1.2 g (5.4 mmol) of 15-crown-5, and 40 ml of 1,4-dioxane were added, and the mixture was heated at 100°C for 24 hours. Stirred. Thereafter, the reaction solution was poured into ion-exchanged water, filtered under reduced pressure through a glass filter, thoroughly washed with ion-exchanged water, and dried at 100° C. for 12 hours. A fluorine-containing microporous polymer electrolyte having an SO 3 Na group represented by formula (30) was obtained in a yield of 3.2 g (yield 66%).

更に、以下のように、高分子電解質のイオン交換を行った。250mlのPPボトルに、高分子電解質 3.2gおよび4N塩酸水溶液100mlを加え、60℃で2時間撹拌した。その後、デカンテーションで上澄みの液を除去した。前述と同じ操作を4回繰り返した。その後、ガラスフィルターで減圧ろ過後、イオン交換水で十分に洗浄し、100℃で12時間乾燥した。式(31)で表されるスルホン酸基を有する含フッ素微多孔性高分子電解質を、収量2.9g(収率90%)で得た。式(31)の高分子電解質のNMRより、式(29)の繰り返し単位中にあるOW基にスルホン酸基を有する化合物が付加していると分かった。19F-NMRにて、-85~-94ppmに積分比4、-120~-123ppmに積分比2、-140~-151ppmに積分比4、-165~171ppmに積分比2のピークが各々見られた。H-NMRにて、0.7-1.6ppmに積分比12、1.9~-2.5ppmに積分比4、5.8-7.4ppmに積分比5のピークが見られた。

Figure 0007420629000045
Furthermore, ion exchange of the polymer electrolyte was performed as follows. 3.2 g of polymer electrolyte and 100 ml of 4N hydrochloric acid aqueous solution were added to a 250 ml PP bottle, and the mixture was stirred at 60° C. for 2 hours. Thereafter, the supernatant liquid was removed by decantation. The same operation as described above was repeated four times. Thereafter, it was filtered under reduced pressure using a glass filter, thoroughly washed with ion-exchanged water, and dried at 100° C. for 12 hours. A fluorine-containing microporous polymer electrolyte having a sulfonic acid group represented by formula (31) was obtained in a yield of 2.9 g (yield 90%). NMR of the polymer electrolyte of formula (31) revealed that a compound having a sulfonic acid group was added to the OW group in the repeating unit of formula (29). In 19F -NMR, peaks with an integral ratio of 4 were observed at -85 to -94 ppm, at an integral ratio of 2 between -120 and -123 ppm, at an integral ratio of 4 between -140 and -151 ppm, and at an integral ratio of 2 between -165 and 171 ppm. It was done. In 1 H-NMR, peaks were observed at an integral ratio of 12 at 0.7-1.6 ppm, at an integral ratio of 4 at 1.9--2.5 ppm, and at an integral ratio of 5 at 5.8-7.4 ppm.
Figure 0007420629000045

得られた式(31)の高分子電解質を、実施例1と同様な方法で溶液化し、固形分濃度15質量%の高分子電解質溶液を得た。高分子電解質溶液を用いて上述の方法により、厚み200μmの膜を作製した。式(31)の高分子電解質の比表面積、膜のEW及び酸素溶解度を表1に示す。また高分子電解質溶液を用いて、実施例1と同様な方法で、電極触媒インク、電極触媒層、MEA、燃料電池単セルを作製し、電極触媒層のひび割れ有無、電池性能及び化学耐久性を評価した。結果を表1に示す。 The obtained polymer electrolyte of formula (31) was converted into a solution in the same manner as in Example 1 to obtain a polymer electrolyte solution with a solid content concentration of 15% by mass. A membrane with a thickness of 200 μm was produced using the polymer electrolyte solution by the method described above. Table 1 shows the specific surface area, membrane EW, and oxygen solubility of the polymer electrolyte of formula (31). In addition, using the polymer electrolyte solution, an electrode catalyst ink, an electrode catalyst layer, an MEA, and a fuel cell single cell were prepared in the same manner as in Example 1, and the presence or absence of cracks in the electrode catalyst layer, battery performance, and chemical durability were determined. evaluated. The results are shown in Table 1.

式(31)の高分子電解質の比表面積は大きく、膜は高い酸素溶解度を示す。また高分子電解質溶液を含む電極触媒層にはひび割れがなく、電池性能及び化学耐久性が比較例の材料よりも高いことが分かる。 The specific surface area of the polymer electrolyte of formula (31) is large, and the membrane exhibits high oxygen solubility. Furthermore, there were no cracks in the electrode catalyst layer containing the polymer electrolyte solution, indicating that the battery performance and chemical durability were higher than the comparative example materials.

(実施例3)
3,3,3’,3’-テトラメチル-1,1’-スピロビインダン-5,5’,6,6’-テトラオール(モノマーM4)にかえて、2,2’,3,3’-テトラヒドロキシ-1,1’-ビナフチルを用いたこと以外は、実施例2と同様の方法で、式(32)で表されるスルホン酸基を有する含フッ素微多孔性高分子電解質を得た。19F-NMRにて、-84~-93ppmに積分比4、-119~-122ppmに積分比2、-140~-151ppmに積分比4、-165~171ppmに積分比2のピークが各々見られた。H-NMRにて、5.7-7.8ppmに積分比11のピークが各々見られた。

Figure 0007420629000046
(Example 3)
Instead of 3,3,3',3'-tetramethyl-1,1'-spirobiindane-5,5',6,6'-tetraol (monomer M4), 2,2',3,3'- A fluorine-containing microporous polymer electrolyte having a sulfonic acid group represented by formula (32) was obtained in the same manner as in Example 2, except that tetrahydroxy-1,1'-binaphthyl was used. In 19F -NMR, peaks with an integral ratio of 4 were observed at -84 to -93 ppm, at an integral ratio of 2 between -119 and -122 ppm, at an integral ratio of 4 between -140 and -151 ppm, and at an integral ratio of 2 between -165 and 171 ppm. It was done. In 1 H-NMR, peaks with an integral ratio of 11 were observed at 5.7-7.8 ppm.
Figure 0007420629000046

その高分子電解質を、実施例1と同様な方法で溶液化し、固形分濃度15質量%の高分子電解質溶液を得た。高分子電解質溶液を用いて上述の方法により、厚み200μmの膜を作製した。高分子電解質の比表面積、膜のEW及び酸素溶解度を表1に示す。また高分子電解質溶液を用いて、実施例1と同様な方法で、電極触媒インク、電極触媒層、MEA、燃料電池単セルを作製し、電極触媒層のひび割れ有無、電池性能及び化学耐久性を評価した。結果を表1に示す。 The polymer electrolyte was converted into a solution in the same manner as in Example 1 to obtain a polymer electrolyte solution with a solid content concentration of 15% by mass. A membrane with a thickness of 200 μm was produced using the polymer electrolyte solution by the method described above. Table 1 shows the specific surface area of the polymer electrolyte, the EW of the membrane, and the oxygen solubility. In addition, using the polymer electrolyte solution, an electrode catalyst ink, an electrode catalyst layer, an MEA, and a fuel cell single cell were prepared in the same manner as in Example 1, and the presence or absence of cracks in the electrode catalyst layer, battery performance, and chemical durability were determined. evaluated. The results are shown in Table 1.

高分子電解質の比表面積は大きく、膜は高い酸素溶解度を示す。また高分子電解質溶液を含む電極触媒層にはひび割れがなく、電池性能及び化学耐久性が比較例の材料よりも高いことが分かる。 The specific surface area of the polymer electrolyte is large, and the membrane exhibits high oxygen solubility. Furthermore, there were no cracks in the electrode catalyst layer containing the polymer electrolyte solution, indicating that the battery performance and chemical durability were higher than the comparative example materials.

(比較例1)
市販のナフィオン溶液(Nafion DE2020CS、SIGMA-ALDRICH社製)を用いて、実施例1と同様にして、厚さ200μmのキャスト膜を製膜し、EW、比表面積、酸素溶解度を測定した。結果を表1に示す。
(Comparative example 1)
Using a commercially available Nafion solution (Nafion DE2020CS, manufactured by SIGMA-ALDRICH), a cast film with a thickness of 200 μm was formed in the same manner as in Example 1, and the EW, specific surface area, and oxygen solubility were measured. The results are shown in Table 1.

またナフィオン溶液を用い実施例1と同様に、電極触媒インク、電極触媒層、MEA、燃料電池単セルを作製し、電極触媒層のひび割れ有無、電池性能及び化学耐久性を評価した。結果を表1に示す。 Further, an electrode catalyst ink, an electrode catalyst layer, an MEA, and a single fuel cell were prepared using the Nafion solution in the same manner as in Example 1, and the presence or absence of cracks in the electrode catalyst layer, battery performance, and chemical durability were evaluated. The results are shown in Table 1.

Nafion DE2020CSは、比表面積が小さく、酸素溶解度が低い。また電極触媒層にひび割れが生じており、電池性能及び化学耐久性が低くなる。 Nafion DE2020CS has a small specific surface area and low oxygen solubility. In addition, cracks occur in the electrode catalyst layer, resulting in poor battery performance and chemical durability.

(比較例2)
ラジカル重合法で得られた、パーフルオロ(2,2-ジメチル-1,3-ジオキソール)とCF=CFOCFCF(CF)OCFCFSOFとの共重合体(69.8mol%/30.2mol%)をポリマー前駆体として用い、水酸化カリウム(15質量%)を溶解した水溶液中に70℃で10時間接触させ、70℃水中に5時間浸漬後、70℃の2N塩酸水溶液に1時間浸漬させる処理を4回繰り返した後、イオン交換水で水洗し、乾燥させることで、パーフルオロ(2,2-ジメチル-1,3-ジオキソール)/CF=CFOCFCF(CF)OCFCFSOH(パーフルオロスルホン酸樹脂)からなる高分子電解質を得た。実施例1と同様の方法で、パーフルオロスルホン酸樹脂溶液、及び厚さ200μmのキャスト膜を作製した。パーフルオロスルホン酸樹脂の比表面積、キャスト膜のEW及び酸素溶解度を表1に示す。
(Comparative example 2)
Copolymer of perfluoro(2,2-dimethyl-1,3-dioxole) and CF 2 =CFOCF 2 CF (CF 3 )OCF 2 CF 2 SO 2 F obtained by radical polymerization method (69.8 mol) %/30.2 mol%) as a polymer precursor, was brought into contact with an aqueous solution containing potassium hydroxide (15% by mass) at 70°C for 10 hours, immersed in 70°C water for 5 hours, and then exposed to 2N hydrochloric acid at 70°C. After repeating the treatment of immersion in an aqueous solution for 1 hour four times, washing with ion-exchanged water and drying, perfluoro(2,2-dimethyl-1,3-dioxole)/CF 2 =CFOCF 2 CF (CF 3 ) A polymer electrolyte made of OCF 2 CF 2 SO 3 H (perfluorosulfonic acid resin) was obtained. A perfluorosulfonic acid resin solution and a cast film with a thickness of 200 μm were prepared in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the specific surface area of the perfluorosulfonic acid resin, the EW of the cast film, and the oxygen solubility.

またパーフルオロスルホン酸樹脂溶液を用いて実施例1と同様に、電極触媒インク、電極触媒層、MEA、燃料電池単セルを作製し、電極触媒層のひび割れ有無、電池性能及び化学耐久性を評価した。結果を表1に示す。 Furthermore, in the same manner as in Example 1, an electrode catalyst ink, an electrode catalyst layer, an MEA, and a single fuel cell were prepared using the perfluorosulfonic acid resin solution, and the presence or absence of cracks in the electrode catalyst layer, battery performance, and chemical durability were evaluated. did. The results are shown in Table 1.

パーフルオロスルホン酸樹脂は、実施例に比べて比表面積が低く、酸素溶解度も実施例に比べ低いため、電池性能も十分ではない。また、電極触媒層にひび割れが生じており、化学耐久性が低くなる。 Since the perfluorosulfonic acid resin has a lower specific surface area and a lower oxygen solubility than the examples, the battery performance is also not sufficient. In addition, cracks have occurred in the electrode catalyst layer, resulting in a decrease in chemical durability.

Figure 0007420629000047
Figure 0007420629000047

Claims (15)

プロトン伝導性基を有する含フッ素微多孔性高分子であり、
前記含フッ素微多孔性高分子が、下記式(3)で表される繰り返し単位を含み、
式中、
Ar は、下記で表されるいずれか1つの構造を表し;
Ar は、下記で表されるいずれか1つの構造を表し;
は、それぞれ独立に、水素、ハロゲン基、置換もしくは非置換のアルキル基を表し;
mは0または1であり;
xは0<x≦6であり、yは0≦y<6であり、x+y≦6であり;
Aは、下記の構造を表し;
Zは、H、Cl、F、又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基を表し;
pは0または1を表し、qは0~2の整数を表し、rは0~12の整数を表し、ただし、q及びrは同時に0にならず;
*は結合手を表すことを特徴とする、高分子電解質。
A fluorine-containing microporous polymer having a proton-conducting group,
The fluorine-containing microporous polymer contains a repeating unit represented by the following formula (3),
During the ceremony,
Ar 1 represents any one structure represented below;
Ar 2 represents any one structure represented below;
R 1 each independently represents hydrogen, a halogen group, or a substituted or unsubstituted alkyl group;
m is 0 or 1;
x is 0<x≦6, y is 0≦y<6, and x+y≦6;
A represents the following structure;
Z represents H, Cl, F, or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms;
p represents 0 or 1, q represents an integer from 0 to 2, r represents an integer from 0 to 12, provided that q and r are not 0 at the same time;
* is a polymer electrolyte characterized by representing a bond .
前記Arが、下記式(4)~(8)のうちのいずれか1つで表される構造である、請求項に記載の高分子電解質。
式中、
xは0<x≦6であり、yは0≦y<6であり、x+y≦6である。
The polymer electrolyte according to claim 1 , wherein the Ar 2 has a structure represented by any one of the following formulas (4) to (8).
During the ceremony,
x is 0<x≦6, y is 0≦y<6, and x+y≦6.
BET法で求められる比表面積が250~6000m/gである、請求項1または2に記載の高分子電解質。 The polymer electrolyte according to claim 1 or 2 , which has a specific surface area of 250 to 6000 m 2 /g as determined by the BET method. 請求項1~のいずれか1項に記載の含フッ素微多孔性高分子電解質と、水および有機溶媒からなる群より選択される少なくとも1種とを含むことを特徴とする、高分子電解質溶液。 A polymer electrolyte solution comprising the fluorine-containing microporous polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 3 and at least one selected from the group consisting of water and an organic solvent. . 請求項に記載の高分子電解質溶液と、触媒とを含むことを特徴とする、電極触媒インク。 An electrode catalyst ink comprising the polymer electrolyte solution according to claim 4 and a catalyst. 請求項に記載の電極触媒インクを含むことを特徴とする、電極触媒層。 An electrocatalyst layer comprising the electrocatalyst ink according to claim 5 . 請求項に記載の電極触媒層と電解質膜とを備えることを特徴とする、膜電極接合体。 A membrane electrode assembly comprising the electrode catalyst layer according to claim 6 and an electrolyte membrane. 請求項に記載の膜電極接合体を備えることを特徴とする、燃料電池。 A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 7 . 含フッ素芳香族モノマー(M3)と、芳香族モノマー(M4)とを縮合重合させて、芳香族基と、当該芳香族基に直接結合した1個以上のフッ素原子とを有する含フッ素微多孔性高分子(P1)を形成する工程と、
(i)前記含フッ素微多孔性高分子(P1)に、SOX基(式中、Xは、アルカリ金属である。)を有する化合物を用いて、SOX基を導入し、SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子を得る工程と、
(ii)前記SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子の前記SOX基をスルホン酸基に変換する工程と、
を含み、
前記含フッ素芳香族モノマー(M3)が、下記式(17)で表されるモノマーのいずれかであり、
前記芳香族モノマー(M4)が、下記式(14)で表されるモノマーのいずれかであり、
前記SO X基を有する化合物が、下記式(9)で表される構造を有し、
式中、
Zは、H、Cl、F、又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基を表し;
qは0~2の整数、rは0~12の整数を表し、ただし、q及びrは同時に0にならず; Xは、アルカリ金属であることを特徴とする、スルホン酸基を有する含フッ素微多孔性高分子電解質の製造方法。
A fluorine-containing microporous material obtained by condensation polymerization of a fluorine-containing aromatic monomer (M3) and an aromatic monomer (M4) and having an aromatic group and one or more fluorine atoms directly bonded to the aromatic group. A step of forming a polymer (P1);
(i) An SO 3 X group is introduced into the fluorine-containing microporous polymer (P1) using a compound having an SO 3 3. Obtaining a fluorine-containing microporous polymer having an X group;
(ii) converting the SO 3 X group of the fluorine-containing microporous polymer having the SO 3 X group into a sulfonic acid group;
including;
The fluorine-containing aromatic monomer (M3) is any of the monomers represented by the following formula (17),
The aromatic monomer (M4) is any of the monomers represented by the following formula (14),
The compound having the SO 3 X group has a structure represented by the following formula (9),
During the ceremony,
Z represents H, Cl, F, or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms;
q represents an integer of 0 to 2, r represents an integer of 0 to 12, provided that q and r are not 0 at the same time; A method for producing a microporous polymer electrolyte.
前記(i)工程が、
(iii)前記含フッ素微多孔性高分子(P1)に、OW基(式中、Wは、水素、アルカリ金属である)を導入して、OW基を有する含フッ素微多孔性高分子を得る工程と、
(iv)前記OW基を有する含フッ素微多孔性高分子を、前記SOX基を有する化合物と反応させて、前記SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子を得る工程と、
を含む、請求項に記載の高分子電解質の製造方法。
The step (i) is
(iii) An OW group (in the formula, W is hydrogen or an alkali metal ) is introduced into the fluorine-containing microporous polymer (P1) to produce a fluorine-containing microporous polymer having an OW group. The process of obtaining
(iv) reacting the fluorine-containing microporous polymer having the OW group with the compound having the SO 3 X group to obtain the fluorine-containing microporous polymer having the SO 3 X group;
The method for producing a polymer electrolyte according to claim 9 , comprising:
前記(ii)工程が、(v)前記SOX基のXを、水素へイオン交換する工程を含む、請求項9または10に記載の高分子電解質の製造方法。 The method for producing a polymer electrolyte according to claim 9 or 10 , wherein the step (ii) includes (v) ion-exchanging X of the SO 3 X group to hydrogen. 前記SOX基を有する化合物が、下記式(11)で表される構造を有する、請求項9~11のいずれか1項に記載の高分子電解質の製造方法。
式中、
Xは、アルカリ金属である。
The method for producing a polymer electrolyte according to any one of claims 9 to 11 , wherein the compound having an SO 3 X group has a structure represented by the following formula (11).
During the ceremony,
X is an alkali metal .
(ア)芳香族基と、当該芳香族基の炭素原子に結合した4個以上のハロゲン原子と、SOX基(Xは、アルカリ金属である。)と、1個以上のフッ素原子とを有する芳香族モノマー(M1)と、芳香族基と、当該芳香族基の炭素原子に結合した4個以上の水酸基とを有する芳香族モノマー(M2)とを準備する工程と、
(イ)触媒存在下に、前記芳香族モノマー(M1)のハロゲン原子と前記芳香族モノマー(M2)の水酸基とを縮合重合させて、SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子を得る工程と、
(ウ)前記SOX基を有する含フッ素微多孔性高分子の前記SOX基をスルホン酸基に変換する工程と、
を含み、
前記芳香族モノマー(M1)が、下記(12)で表されるいずれか1つの構造を有し、
式中、
は、それぞれ独立に、水素、ハロゲン基、置換もしくは非置換のアルキル基を表し;
mは0または1であり;
Bは、下記の構造を表し;
Zは、H、Cl、F、又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基を表し;
pは0または1を表し、qは0~2の整数を表し、rは0~12の整数を表し、ただし、q及びrは同時に0にならず;
Xは、アルカリ金属であり;
*は結合手を表し、
前記芳香族モノマー(M2)が、下記(14)で表されるいずれか1つの構造を有する、
ことを特徴とする、スルホン酸基を有する含フッ素微多孔性高分子電解質の製造方法。
(a) an aromatic group, four or more halogen atoms bonded to a carbon atom of the aromatic group, an SO 3 X group (X is an alkali metal ), and one or more fluorine atoms; a step of preparing an aromatic monomer (M1) having an aromatic group and an aromatic monomer (M2) having an aromatic group and four or more hydroxyl groups bonded to a carbon atom of the aromatic group;
(b) Condensation polymerization of the halogen atom of the aromatic monomer (M1) and the hydroxyl group of the aromatic monomer (M2) in the presence of a catalyst to obtain a fluorine-containing microporous polymer having an SO 3 X group process and
(c) converting the SO 3 X group of the fluorine-containing microporous polymer having the SO 3 X group into a sulfonic acid group;
including;
The aromatic monomer (M1) has any one structure represented by the following (12),
During the ceremony,
R 1 each independently represents hydrogen, a halogen group, or a substituted or unsubstituted alkyl group;
m is 0 or 1;
B represents the following structure;
Z represents H, Cl, F, or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms;
p represents 0 or 1, q represents an integer from 0 to 2, r represents an integer from 0 to 12, provided that q and r are not 0 at the same time;
X is an alkali metal;
* represents a bond,
The aromatic monomer (M2) has any one structure represented by the following (14),
A method for producing a fluorine-containing microporous polymer electrolyte having a sulfonic acid group, characterized in that:
前記(ウ)工程が、(エ)前記SOX基のXを、水素へイオン交換する工程を含む、請求項13に記載の高分子電解質の製造方法。 14. The method for producing a polymer electrolyte according to claim 13 , wherein the step (c) includes (d) ion-exchanging X of the SO 3 X group to hydrogen. 前記芳香族モノマー(M1)が、下記(13)で表されるいずれか1つの構造を有する、請求項13または14に記載の高分子電解質の製造方法。
式中、
Xは、アルカリ金属である。
The method for producing a polymer electrolyte according to claim 13 or 14 , wherein the aromatic monomer (M1) has any one structure represented by the following (13).
During the ceremony,
X is an alkali metal .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120264589A1 (en) 2009-11-12 2012-10-18 Naiying Du Polymers of intrinsic microporosity containing tetrazole groups
US20130247756A1 (en) 2012-02-15 2013-09-26 National University Of Singapore Uv-rearranged pim-1 polymeric membranes and a process of preparing thereof
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US8814982B2 (en) 2011-12-08 2014-08-26 Uop Llc Tetrazole functionalized polymer membranes
JP2016006173A (en) 2014-05-28 2016-01-14 ダイキン工業株式会社 Ionomer having high oxygen permeability
JP2017117575A (en) 2015-12-22 2017-06-29 トヨタ自動車株式会社 Solid polymer electrolytic material for fuel battery air electrode and method for manufacturing the same
US20180043656A1 (en) 2017-09-18 2018-02-15 LiSo Plastics, L.L.C. Oriented Multilayer Porous Film
JP2019186154A (en) 2018-04-16 2019-10-24 旭化成株式会社 Polymer electrolyte

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120264589A1 (en) 2009-11-12 2012-10-18 Naiying Du Polymers of intrinsic microporosity containing tetrazole groups
US8814982B2 (en) 2011-12-08 2014-08-26 Uop Llc Tetrazole functionalized polymer membranes
US20130247756A1 (en) 2012-02-15 2013-09-26 National University Of Singapore Uv-rearranged pim-1 polymeric membranes and a process of preparing thereof
JP2013188742A (en) 2012-02-17 2013-09-26 Fujifilm Corp Composite membrane for gas separation, method for producing the same, gas separation module using the same, gas separation device, and gas separation method
JP2016006173A (en) 2014-05-28 2016-01-14 ダイキン工業株式会社 Ionomer having high oxygen permeability
JP2017117575A (en) 2015-12-22 2017-06-29 トヨタ自動車株式会社 Solid polymer electrolytic material for fuel battery air electrode and method for manufacturing the same
US20180043656A1 (en) 2017-09-18 2018-02-15 LiSo Plastics, L.L.C. Oriented Multilayer Porous Film
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