JP2006310068A - Solid electrolyte, membrane and electrode assembly, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体電解質、電極膜接合体および燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid electrolyte, an electrode membrane assembly, and a fuel cell.
近年、携帯機器等の電源として利用できるリチウムイオン電池、燃料電池が活発に研究されており、その部材であるリチウムイオン伝導材料、プロトン伝導材料といった固体電解質についても活発な研究が行われている。 Recently, lithium ion batteries can be used as power source for portable devices, fuel cells have been actively studied, lithium ion conducting material, also actively studied solid electrolyte such as proton-conductive material is made which is a member.
また、電源は同一出力であれば小型であることが好ましい。中でも燃料電池は、エンジン等の内燃機関に対して静粛、排ガスがクリーンである等の特徴および、内燃機関を上回る高エネルギー効率の可能性があることから、活発に検討されている。
一般に、プロトン伝導材料としてナフィオン(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が用いられているが、プロトン伝導度がまだ十分ではなく、プロトン伝導度を上げるため高分子構造中のスルホン酸基量を上げると、機械的強度の低下および水性溶媒への可溶化を引き起こしてしまう。また高温状態(例えば、100℃以上)では軟化が起こりプロトン伝導度が低下してしまうため、高温域(例えば、120〜140℃以上)での使用に問題がある。さらに使用するモノマーが比較的高価であり、また製造法が複雑なため製造コストが高くなるといった問題も残る。
Further, it is preferable that the power source is small as long as it has the same output. In particular, fuel cells are being actively studied because of their features such as quietness and cleanness of exhaust gas with respect to internal combustion engines such as engines, and the possibility of high energy efficiency exceeding that of internal combustion engines.
In general, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane represented by Nafion (registered trademark) is used as a proton conductive material, but the proton conductivity is not sufficient yet, and the sulfonic acid group in the polymer structure is increased in order to increase the proton conductivity. Increasing the amount causes a decrease in mechanical strength and solubilization in an aqueous solvent. Moreover, since it softens and proton conductivity falls in a high temperature state (for example, 100 degreeC or more), there exists a problem in use in a high temperature range (for example, 120-140 degreeC or more). Furthermore, the monomer used is relatively expensive, and the manufacturing method is complicated, resulting in an increase in manufacturing cost.
近年、剛性の高い高分子素材を使用した固体電解質の開発例が多く見られる中、高分子素材の中でも耐溶媒性の高い樹脂材料を用いた固体電解質の研究は以前から行われており、特許文献1〜5では、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリエーテルケトンを主体とした固体電解質が開発されている。しかしながら、いずれもスルホン酸基が高分子主鎖の芳香族環と直接結合しているため、高い作動温度によって徐々にスルホン酸基の脱離が起こり電池性能が低下するという問題がある。またスルホン酸基が高分子主鎖に直接結合しているため、疎水部である主鎖と親水部であるスルホン酸基の距離が短く水分子を必要以上に吸収するため低いスルホン酸基の導入量で水性溶媒に可溶してしまう問題が生じる。 In recent years, there have been many examples of development of solid electrolytes using high-rigidity polymer materials, and research on solid electrolytes using polymer materials with high solvent resistance has been conducted for many years. Documents 1 to 5 have developed solid electrolytes mainly composed of sulfonated polyether ether ketone, sulfonated polysulfone, and sulfonated polyether ketone. However, in any case, since the sulfonic acid group is directly bonded to the aromatic ring of the polymer main chain, there is a problem that the sulfonic acid group is gradually detached at a high operating temperature and the battery performance is lowered. In addition, since the sulfonic acid group is directly bonded to the polymer main chain, the distance between the hydrophobic main chain and the hydrophilic sulfonic acid group is short, and water molecules are absorbed more than necessary. There arises a problem that it is soluble in an aqueous solvent in an amount.
また、特許文献6では、重縮合で合成された高分子主鎖の芳香族環にアルキル基を介してスルホン酸基を結合させ固体電解質を作製している。この方法においては、スルホン酸基をメチレン鎖を介して主鎖と結合させることにより、主鎖の疎水部とスルホン酸基の付いた側鎖の親水部を比較的距離を置いて分離させることにより、プロトン伝導度および機械的強度の向上をめざしている。しかしながら実際ところ、反応効率が非常に低いためスルホン酸基の導入量が少なく、主鎖の疎水部とスルホン酸基の付いた側鎖の親水部が十分に分離されていないのが現状である。 In Patent Document 6, a solid electrolyte is produced by bonding a sulfonic acid group to an aromatic ring of a polymer main chain synthesized by polycondensation via an alkyl group. In this method, the sulfonic acid group is bonded to the main chain via a methylene chain, thereby separating the hydrophobic portion of the main chain from the hydrophilic portion of the side chain with the sulfonic acid group at a relatively long distance. The aim is to improve proton conductivity and mechanical strength. However, in reality, since the reaction efficiency is very low, the amount of sulfonic acid groups introduced is small, and the hydrophobic part of the main chain and the hydrophilic part of the side chain with sulfonic acid groups are not sufficiently separated.
本発明は、上記課題を解決することを目的としたものであって、十分なイオン伝導性能を有する固体電解質を提供することである。 An object of the present invention is to provide a solid electrolyte having a sufficient ion conduction performance.
本発明ではスルホン酸基の導入方法として、1つのスルホン酸基を有した置換基を導入するのではなく、2つ以上の複数のスルホン酸基を有した置換基を高分子構造に導入することにより、スルホン酸基を効率よく高分子構造に導入し、機械的強度を保ったまま、プロトン伝導度を向上できることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、下記手段により達成された。 In the present invention, as a method for introducing a sulfonic acid group, instead of introducing a substituent having one sulfonic acid group, a substituent having two or more sulfonic acid groups is introduced into the polymer structure. As a result, it was found that proton conductivity can be improved while efficiently introducing sulfonic acid groups into a polymer structure while maintaining mechanical strength, and the present invention has been completed. Specifically, it was achieved by the following means.
(1)2つ以上のスルホン酸基を有する基を主鎖および/または側鎖に有する高分子化合物を含む固体電解質。
(2)下記一般式(1)で表される基を、主鎖および/または側鎖に有する高分子化合物を含む固体電解質。
一般式(1)
(4)膜状である、(1)〜(3)のいずれかに記載の固体電解質。
(5)(1)〜(4)のいずれかに記載の固体電解質を有する電極膜接合体。
(6)(1)〜(4)のいずれかに記載の固体電解質を電極に有する電極膜接合体。
(7)一対の電極と、該電極間に設けられた(4)に記載の固体電解質を有する電極膜接合体。
(8)(5)〜(7)のいずれかに記載の電極膜接合体を含む燃料電池。
(9)ハロゲン化アルキル反応を介してスルホン酸基を導入することを特徴とする、(1)〜(4)のいずれかに記載の固体電解質の製造方法。
(1) A solid electrolyte containing a polymer compound having a group having two or more sulfonic acid groups in the main chain and / or side chain.
(2) A solid electrolyte containing a polymer compound having a group represented by the following general formula (1) in the main chain and / or side chain.
General formula (1)
(4) The solid electrolyte according to any one of (1) to (3), which is a film.
(5) An electrode membrane assembly having the solid electrolyte according to any one of (1) to (4).
(6) An electrode membrane assembly having a solid electrolyte according to any one of (1) to (4) as an electrode.
(7) An electrode membrane assembly having a pair of electrodes and the solid electrolyte according to (4) provided between the electrodes.
(8) A fuel cell comprising the electrode membrane assembly according to any one of (5) to (7).
(9) The method for producing a solid electrolyte according to any one of (1) to (4), wherein a sulfonic acid group is introduced via an alkyl halide reaction.
本発明により、プロトン導電性に優れた固体電解質を提供することが可能になった。 According to the present invention, it has become possible to provide a solid electrolyte excellent in proton conductivity.
以下において、本発明の内容について詳細に説明する。尚、本願明細書において「〜」とはその前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
本明細書において、ハロゲン置換とは、ハロゲン原子(例えば、フッ素原子、塩素原子)で置換されたことを意味する。
また、本発明でいう重合体には、2種類以上のモノマーを重合してなる、いわゆる、共重合体を含む趣旨である。
Hereinafter, the contents of the present invention will be described in detail. In the present specification, “to” is used to mean that the numerical values described before and after it are included as a lower limit value and an upper limit value.
In the present specification, halogen substitution means substitution with a halogen atom (for example, a fluorine atom or a chlorine atom).
The polymer referred to in the present invention is intended to include a so-called copolymer obtained by polymerizing two or more types of monomers.
本発明は、2つ以上のスルホン酸基を有する基を主鎖および/または側鎖に有する高分子化合物を含む固体電解質である。ここで、2つ以上のスルホン酸基を有する基とは、2つ以上のスルホン酸基が何らかの基の1つの基を介して、主鎖または側鎖に結合していることをいう。より好ましくは、2つ以上のスルホン酸基を有する基とは、一般式(1)で表される基である。
本発明の固体電解質は、一般式(1)で表される基を、主鎖および/または側鎖に有する高分子化合物を含む固体電解質であり、さらに好ましくは一般式(1)で表される基を側鎖に有する高分子化合物を含む固体電解質である。
The solid electrolyte of the present invention is a solid electrolyte containing a polymer compound having a group represented by the general formula (1) in the main chain and / or side chain, and more preferably represented by the general formula (1). It is a solid electrolyte containing a polymer compound having a group in the side chain.
一般式(1)において、L1はn1+1価の連結基を表し、好ましくは3価または4価の連結基を表し、より好ましくは3価の連結基を表す。
L1は、好ましくはアルキレン基(好ましくは炭素原子数(以下C数という)1〜20、例えば、メチレン基、エチレン基、メチルエチレン基、プロピレン基、メチルプロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基、ヘキシレン基、オクチレン基)、ハロゲン置換アルキレン基(好ましくはC数1〜20、例えば、ジフルオロメチレン基、テトラフルオロエチレン基、ヘキサフルオロヘキシレン基、テトラフルオロヘキシレン基、ジクロロンメチレン基)、アリーレン基(好ましくはC数6〜26、例えば、1,2−フェニレン基、1,3−フェニレン基、1,4−フェニレン基、4−フェニレンメチレン基、1,4−ナフチレン基)、ハロゲン置換アリーレン基(好ましくはC数6〜26、例えば、2,3,5,6−テトラフルオロ−1,4−フェニレン基、2,6−ジフルオロ−1,4−フェニレン基、2,3,5,6−テトラクロロ−1,4−フェニレン基、3,4,5,6−テトラブロモフェニレン基)、アルケニレン基(好ましくはC数2〜20、例えば、エテニレン基、プロペニレン基、ブタジエニレン基)、ハロゲン置換アルキニレン基(好ましくはC数2〜20、例えば、ジフルオロエテニレン基、テトラフルオロプロペニレン基、ジクロロエテニレン基)、アルキニレン基(好ましくはC数2〜20、例えば、エチニレン基、プロピニレン基)、アミド基、エステル基、スルホン酸アミド基、スルホン酸エステル基、ウレイド基、スルホニル基、スルフィニル基、チオエーテル基、エーテル基、カルボニル基、ヘテリレン基(好ましくはC数1〜26、例えば、6−クロロ−1,3,5−トリアジル−2,4−ジイル基、ピリミジン−2,4−ジイル基、キノキサリン−2,3−ジイル基)からなる群から選択される1つの基または2つ以上を組み合わせて構成される基であってC数0〜100以下の基(より好ましくはC数1〜20)から、水素原子を(n1−1)個除くことに得られる連結基である連結基を表す。
In the general formula (1), L 1 represents an n1 + 1 valent linking group, preferably a trivalent or tetravalent linking group, and more preferably a trivalent linking group.
L 1 is preferably an alkylene group (preferably having 1 to 20 carbon atoms (hereinafter referred to as C number), for example, methylene group, ethylene group, methylethylene group, propylene group, methylpropylene group, butylene group, pentylene group, hexylene. Group, octylene group), halogen-substituted alkylene group (preferably C 1-20, for example, difluoromethylene group, tetrafluoroethylene group, hexafluorohexylene group, tetrafluorohexylene group, dichloromethylene group), arylene group (Preferably having 6 to 26 carbon atoms, for example, 1,2-phenylene group, 1,3-phenylene group, 1,4-phenylene group, 4-phenylenemethylene group, 1,4-naphthylene group), halogen-substituted arylene group (Preferably C number 6-26, for example 2,3,5,6-tetrafluoro-1,4- Enylene group, 2,6-difluoro-1,4-phenylene group, 2,3,5,6-tetrachloro-1,4-phenylene group, 3,4,5,6-tetrabromophenylene group), alkenylene group (Preferably having 2 to 20 carbon atoms, such as ethenylene group, propenylene group, butadienylene group), halogen-substituted alkynylene group (preferably having 2 to 20 carbon atoms, such as difluoroethenylene group, tetrafluoropropenylene group, dichloroethenylene group) Group), alkynylene group (preferably C 2-20, for example, ethynylene group, propynylene group), amide group, ester group, sulfonic acid amide group, sulfonic acid ester group, ureido group, sulfonyl group, sulfinyl group, thioether group , Ether group, carbonyl group, and heterylene group (preferably having a C number of 1 to 26, for example, 6- One group or two or more selected from the group consisting of loro-1,3,5-triazyl-2,4-diyl group, pyrimidine-2,4-diyl group, quinoxaline-2,3-diyl group) A linking group which is a group formed in combination and is a linking group obtained by removing (n1-1) hydrogen atoms from a group having 0 to 100 carbon atoms (more preferably 1 to 20 carbon atoms). To express.
以下に、L1の好ましい例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、下記化合物の結合子のうち、いずれの位置にスルホン酸基が結合しているものも好ましい。
一般式(1)において、Mは、イオン性基を表し、好ましくはプロトン、アルカリ金属(リチウム、ナトリウム、カリウム)カチオン、アルカリ土類金属(カリウム、ストロンチウム、バリウム)カチオン、第四級アンモニウム(トリメチルアンモニウム、トリエチルアンモニウム、トリブチルアンモニウム、ベンジルトリメチルアンモニウム)カチオン、有機塩基(トリエチルアミン、ピリジン、メチルイミダゾール、モルホリン、トリブチルアンモニウム、トリス(2−ヒドロキシエチル)アミン)のプロトン化体からなる群から選択され、プロトンがより好ましい。 In the general formula (1), M represents an ionic group, preferably a proton, an alkali metal (lithium, sodium, potassium) cation, an alkaline earth metal (potassium, strontium, barium) cation, or a quaternary ammonium (trimethyl). A proton selected from the group consisting of protonated forms of ammonium, triethylammonium, tributylammonium, benzyltrimethylammonium) cation, organic base (triethylamine, pyridine, methylimidazole, morpholine, tributylammonium, tris (2-hydroxyethyl) amine) Is more preferable.
一般式(1)が塩を形成する場合、酸残基のプロトンが以下のカチオンに置換されているものが好ましく、その置換比(カチオン/酸残基比)は0〜1であって、固体電解質合成の過程では特に制限はないが、固体電解質として用いる場合は0.1以下が好ましい。塩を形成するカチオンとしては、アルカリ金属(リチウム、ナトリウム、カリウム)カチオン、アルカリ土類金属(カリウム、ストロンチウム、バリウム)カチオン、第四級アンモニウム(トリメチルアンモニウム、トリエチルアンモニウム、トリブチルアンモニウム、ベンジルトリメチルアンモニウム)カチオン、有機塩基(トリエチルアミン、ピリジン、メチルイミダゾール、モルホリン、トリブチルアンモニウム、トリス(2−ヒドロキシエチル)アミン)のプロトン化体が好ましく、アルカリ金属カチオンおよびアンモニウムカチオンがさらに好ましく、アルカリ金属カチオンが特に好ましい。 When the general formula (1) forms a salt, it is preferable that the proton of the acid residue is substituted with the following cation, the substitution ratio (cation / acid residue ratio) is 0 to 1, and the solid Although there is no restriction | limiting in particular in the process of electrolyte synthesis, when using as a solid electrolyte, 0.1 or less is preferable. Cations that form salts include alkali metal (lithium, sodium, potassium) cation, alkaline earth metal (potassium, strontium, barium) cation, quaternary ammonium (trimethylammonium, triethylammonium, tributylammonium, benzyltrimethylammonium) Protonates of cations and organic bases (triethylamine, pyridine, methylimidazole, morpholine, tributylammonium, tris (2-hydroxyethyl) amine) are preferred, alkali metal cations and ammonium cations are more preferred, and alkali metal cations are particularly preferred.
以下に、一般式(1)で表される基の好ましい例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、下記化合物の結合子のうち、いずれの位置にスルホン酸基が結合しているものも好ましい。
本発明の固体電解質に含有される高分子化合物は、特に定めるものではないが、ポリスルホン系、ポリケトン系、ポリアミド系、ポリエーテル系、ポリスチレン系、フッ素樹脂系、ポリオレフィン系化合物が好ましく、芳香族環を含む化合物がより好ましい。
以下に本発明の固体電解質が有する高分子化合物の主鎖構造を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。これらの主鎖構造は、2以上が組み合わせてなるものも好ましい。下記の中でも特に、1−6、1−7、2−17、2−18、2−19、2−20、2−21、2−22、3−1、3−2、3−3、3−4、3−5、3−6、3−7、3−14および3−15が好ましい。
The polymer compound contained in the solid electrolyte of the present invention is not particularly defined, but is preferably a polysulfone, polyketone, polyamide, polyether, polystyrene, fluororesin, or polyolefin compound, and an aromatic ring The compound containing is more preferable.
Although the main chain structure of the high molecular compound which the solid electrolyte of this invention has is shown below, this invention is not limited to these. These main chain structures are preferably those in which two or more are combined. Among the following, 1-6, 1-7, 2-17, 2-18, 2-19, 2-20, 2-21, 2-22, 3-1, 3-2, 3-3, 3 -4, 3-5, 3-6, 3-7, 3-14 and 3-15 are preferred.
ここで、下記構造中、2つ以上のスルホン酸基を含む基(好ましくは、一般式(1)で表される基)はいずれの位置に結合していてもよく、また、該主鎖構造に何らかの基を解して結合していてもよい。
何らかの基を解して結合している場合、このような基として、アルキレン基、ハロゲン置換アルキレン基、アリーレン基、ハロゲン置換アリーレン基、アルケニレン基、ハロゲン置換アルキニレン基、アルキニレン基、アミド基、エステル基、スルホン酸アミド基、スルホン酸エステル基、ウレイド基、スルホニル基、スルフィニル基、チオエーテル基、エーテル基、カルボニル基およびヘテリレン基からなる群から選択される1つの基または2つ以上を組み合わせて構成される基が挙げられる。
また、本発明の固体電解質に含まれる高分子化合物は、一般式(1)で表される基であって、互いに異なる基を2種類以上含んでいてもよい。
Here, in the following structure, a group containing two or more sulfonic acid groups (preferably, a group represented by the general formula (1)) may be bonded to any position, and the main chain structure. May be bonded through some group.
When bonded through any group, such groups include alkylene groups, halogen-substituted alkylene groups, arylene groups, halogen-substituted arylene groups, alkenylene groups, halogen-substituted alkynylene groups, alkynylene groups, amide groups, ester groups. A sulfonic acid amide group, a sulfonic acid ester group, a ureido group, a sulfonyl group, a sulfinyl group, a thioether group, an ether group, a carbonyl group, and a heterylene group. Group.
The polymer compound contained in the solid electrolyte of the present invention is a group represented by the general formula (1) and may contain two or more different groups.
一般式(1)で表される基を、主鎖および/または側鎖に有することを特徴とする高分子化合物を合成する方法の一例として、下記一般式(26)で表されるスルホン化合物と、下記一般式(27)で表される芳香族ジオール類とを重縮合させる製造方法が挙げられる。 As an example of a method for synthesizing a polymer compound having a group represented by the general formula (1) in the main chain and / or side chain, a sulfone compound represented by the following general formula (26): And a production method in which an aromatic diol represented by the following general formula (27) is polycondensed.
一般式(26)
一般式(27)
一般式(27)中、Aはそれぞれ独立に−C(R5R6)−、−O−、−S−、−CO−、−SO−、−SO2−より選ばれる2価の基を表し、R5およびR6は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基(例えば、メチル基、エチル基、ベンジル基等)、アルケニル基、アリール基、ハロゲン置換アルキル基(例えば、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基)を表し、好ましくは−C(CH3)2−、−C(CF3)2−、−O−、−S−、−CO−、−SO2−を表す。
mは0、1または2である。
RおよびRiは、それぞれ独立に、炭素数1〜10のアルキル基であり、sおよびsiは0〜
4の整数である。
In general formula (27), each A independently represents a divalent group selected from —C (R 5 R 6 ) —, —O—, —S—, —CO—, —SO—, —SO 2 —. R 5 and R 6 each independently represent a hydrogen atom, an alkyl group (for example, a methyl group, an ethyl group, a benzyl group, etc.), an alkenyl group, an aryl group, a halogen-substituted alkyl group (for example, a trifluoromethyl group, Pentafluoroethyl group), preferably —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—, —S—, —CO—, —SO 2 —.
m is 0, 1 or 2.
R and R i are each independently an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and s and s i are 0 to
It is an integer of 4.
一般式(26)で表されるスルホン酸基含有高分子化合物の具体例としては、以下に表される化合物を挙げることができる。
これらのスルホン化合物は単独であるいは2種以上を混合して使用することができる。 These sulfone compounds can be used alone or in admixture of two or more.
前記一般式(27)で表される化合物としては、ハイドロキノン、レゾルシン、2−メチルハイドロキノン、2−エチルハイドロキノン、2−プロピルハイドロキノン、2−ブチルハイドロキノン、2−ヘキシルハイドロキノン、2−オクチルハイドロキノン、2−デカニルハイドロキノン、2,3−ジメチルハイドロキノン、2,3−ジエチルハイドロキノン、2,5−ジメチルハイドロキノン、2,5−ジエチルハイドロキノン、2,6−ジメチルハイドロキノン、2,3,5−トリメチルハイドロキノン、2,3,5,6−テトラメチルハイドロキノン、4,4'−ジヒドロキシビフェニル、2,2'−ジヒドロキシビフェニル、3,3'−ジメチル−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3',5,5'−テトラメチル−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3'−ジクロロ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3',5,5'−テトラクロロ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3'−ジブロモ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3',5,5'−テトラブロモ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3'−ジフルオロ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3',5,5'−テトラフルオロ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、2,2'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3'−ジメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3',5,5'−テトラメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3'−ジクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3',5,5'−テトラクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3'−ジブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3',5,5'−テトラブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3'−ジフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3'5,5'−テトラフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、2,2'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3'−ジメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3',5,5'−テトラメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3'−ジクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3',5,5'−テトラクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3'−ジブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3',5,5'−テトラブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3'−ジフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3',5,5'−テトラフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、2,2'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3'−ジメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3',5,5'−テトラメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3'−ジクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3',5,5'−テトラクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3'−ジブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3',5,5'−テトラブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3'−ジフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3',5,5'−テトラフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,2'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3'−ジメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3',5,5'−テトラメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3'−ジクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3',5,5'−テトラクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3'−ジブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3',5,5'−テトラブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3'−ジフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3',5,5'−テトラフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(2−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−クロロ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジクロロ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−ブロモ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジジブロモ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−フルオロ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジフルオロ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、α,α'−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(2−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(2−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼン等が挙げられる。
これらの芳香族ジオール類は単独であるいは2種以上を混合して使用することができる。
Examples of the compound represented by the general formula (27) include hydroquinone, resorcin, 2-methylhydroquinone, 2-ethylhydroquinone, 2-propylhydroquinone, 2-butylhydroquinone, 2-hexylhydroquinone, 2-octylhydroquinone, 2- Decanyl hydroquinone, 2,3-dimethylhydroquinone, 2,3-diethylhydroquinone, 2,5-dimethylhydroquinone, 2,5-diethylhydroquinone, 2,6-dimethylhydroquinone, 2,3,5-trimethylhydroquinone, 2, 3,5,6-tetramethylhydroquinone, 4,4′-dihydroxybiphenyl, 2,2′-dihydroxybiphenyl, 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxybiphenyl, 3,3 ′, 5,5 ′ -Tetramethyl-4,4'-dihydride Roxybiphenyl, 3,3′-dichloro-4,4′-dihydroxybiphenyl, 3,3 ′, 5,5′-tetrachloro-4,4′-dihydroxybiphenyl, 3,3′-dibromo-4,4 ′ -Dihydroxybiphenyl, 3,3 ', 5,5'-tetrabromo-4,4'-dihydroxybiphenyl, 3,3'-difluoro-4,4'-dihydroxybiphenyl, 3,3', 5,5'-tetra Fluoro-4,4′-dihydroxybiphenyl, 4,4′-dihydroxydiphenylmethane, 2,2′-dihydroxydiphenylmethane, 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane, 3,3 ′, 5,5 ′ -Tetramethyl-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3'-dichloro-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3 ', 5,5'-tetrachloro-4, '-Dihydroxydiphenylmethane, 3,3'-dibromo-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3', 5,5'-tetrabromo-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3'-difluoro-4,4 '-Dihydroxydiphenylmethane, 3,3'5,5'-tetrafluoro-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 4,4'-dihydroxydiphenyl ether, 2,2'-dihydroxydiphenyl ether, 3,3'-dimethyl-4, 4'-dihydroxydiphenyl ether, 3,3 ', 5,5'-tetramethyl-4,4'-dihydroxydiphenyl ether, 3,3'-dichloro-4,4'-dihydroxydiphenyl ether, 3,3', 5,5 '-Tetrachloro-4,4'-dihydroxydiphenyl ether, 3,3'-dibromo-4,4'-dihi Roxydiphenyl ether, 3,3 ′, 5,5′-tetrabromo-4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 3,3′-difluoro-4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 3,3 ′, 5,5′-tetrafluoro -4,4'-dihydroxydiphenyl ether, 4,4'-dihydroxydiphenyl sulfide, 2,2'-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3'-dimethyl-4,4'-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3 ', 5 5'-tetramethyl-4,4'-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3'-dichloro-4,4'-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3 ', 5,5'-tetrachloro-4,4'-dihydroxy Diphenyl sulfide, 3,3′-dibromo-4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3 ′, 5,5 ′ -Tetrabromo-4,4'-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3'-difluoro-4,4'-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3 ', 5,5'-tetrafluoro-4,4'-dihydroxydiphenyl sulfide, 4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 2,2′-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4 '-Dihydroxydiphenylsulfone, 3,3'-dichloro-4,4'-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3', 5,5'-tetrachloro-4,4'-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3'-dibromo -4,4'-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3 ', 5,5'-tetrabromo-4,4'-dihydroxydiphenyls Hong, 3,3′-difluoro-4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3 ′, 5,5′-tetrafluoro-4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) ) Propane, 2,2-bis (2-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3-chloro-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3,5-dichloro-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3-bromo-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3,5-didibromo-4- Hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3-fluoro-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3,5-difluoro-4-hydroxyphene) ) Propane, 2,2-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) propane, α, α′-bis (4-hydroxyphenyl) -1,4-diisopropylbenzene, α, α′-bis ( 2-hydroxyphenyl) -1,4-diisopropylbenzene, α, α′-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-diisopropylbenzene, α, α′-bis (2-hydroxyphenyl) -1,3- Diisopropylbenzene, α, α′-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) -1,4-diisopropylbenzene, α, α′-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) -1,4- Diisopropylbenzene, α, α′-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) -1,3-diisopropylbenzene, α, α′-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxy Phenyl) -1,3-diisopropylbenzene and the like.
These aromatic diols can be used alone or in admixture of two or more.
また、前記一般式(26)で表される化合物および一般式(27)で表される化合物の割合は、一般式(27)で表される化合物1モルに対して、一般式(26)で表される化合物(モル比)は、0.9〜1.1モルが好ましく、0.93〜1.07がより好ましく、0.95〜1.05がさらに好ましい。 The ratio of the compound represented by the general formula (26) and the compound represented by the general formula (27) is represented by the general formula (26) with respect to 1 mol of the compound represented by the general formula (27). The compound (molar ratio) represented is preferably 0.9 to 1.1 mol, more preferably 0.93 to 1.07, and still more preferably 0.95 to 1.05.
前記一般式(26)で表される化合物と、前記一般式(27)で表される化合物とを重縮合して本発明のプロトン酸基含有ポリスルホンを合成する場合、塩基性化合物存在下で重縮合させる方法が好適に用いられる。 When the compound represented by the general formula (26) and the compound represented by the general formula (27) are polycondensed to synthesize the protonic acid group-containing polysulfone of the present invention, the polymerization is carried out in the presence of a basic compound. A condensation method is preferably used.
塩基性化合物の種類や反応条件等は特に規定されることはなく、公知の塩基性化合物や反応条件等を適用できる。塩基性化合物としてはアルカリ金属、アルカリ土類金属などの塩基性金属化合物、各種金属の炭酸塩、酢酸塩、水酸化物、第四級アンモニウム塩、ホスホニウム塩、有機塩基などが挙げられる。 The kind of basic compound, reaction conditions, and the like are not particularly defined, and known basic compounds and reaction conditions can be applied. Examples of basic compounds include basic metal compounds such as alkali metals and alkaline earth metals, carbonates, acetates, hydroxides, quaternary ammonium salts, phosphonium salts and organic bases of various metals.
これら触媒の使用量は、一般式(27)で表される化合物は、1モルに対して、0.05〜10.0モルが好ましく、0.1〜4.0モルがより好ましく、0.5〜2.5モルがさらに好ましい。 0.05-10.0 mol is preferable with respect to 1 mol of the compound represented by General formula (27), and, as for the usage-amount of these catalysts, 0.1-4.0 mol is more preferable, and 0.0. 5-2.5 mol is more preferable.
本発明のプロトン酸基含有高分子化合物を製造する反応は、通常、溶媒中で行う。
好ましい溶媒としては、下記のようなものが挙げられる。
1)エーテル系溶媒
1,2−ジメトキシエタン、ビス(2−メトキシエチル)エーテル、1,2−ビス(2−メトキシエトキシ)エタン、テトラヒドロフラン、ビス[2−(2−メトキシエトキシ)エチル]エーテル、1,4−ジオキサン等。
2)非プロトン性アミド系溶媒
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,N−ジエチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチルカプロラクタム、ヘキサメチルホスホロトリアミド等。
3)アミン系溶媒
ピリジン、キノリン、イソキノリン、α−ピコリン、β−ピコリン、γ−ピコリン、イソホロン、ピペリジン、2,4−ルチジン、2,6−ルチジン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミンン等。
4)その他の溶媒
ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、ジフェニルエーテル、スルホラン、ジフェニルスルホン、テトラメチル尿素、アニソール等。
The reaction for producing the protonic acid group-containing polymer compound of the present invention is usually carried out in a solvent.
The following are mentioned as a preferable solvent.
1) ether solvent 1,2-dimethoxyethane, bis (2-methoxyethyl) ether, 1,2-bis (2-methoxyethoxy) ethane, tetrahydrofuran, bis [2- (2-methoxyethoxy) ethyl] ether, 1,4-dioxane and the like.
2) Aprotic amide solvents N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N -Methylcaprolactam, hexamethylphosphorotriamide and the like.
3) Amine solvents pyridine, quinoline, isoquinoline, α-picoline, β-picoline, γ-picoline, isophorone, piperidine, 2,4-lutidine, 2,6-lutidine, trimethylamine, triethylamine, tripropylamine, tributylamine etc.
4) Other solvents: dimethyl sulfoxide, dimethyl sulfone, diphenyl ether, sulfolane, diphenyl sulfone, tetramethyl urea, anisole and the like.
これらの溶媒は、単独または2種以上混合して用いても差し支えない。また、下記5)項に示す溶媒の1種または2種以上とを更に混合して用いることもできる。混合して用いる場合は、必ずしも任意の割合で相互に溶解するような溶媒の組み合わせを選択する必要はなく、混合し合わなく不均一でも差し支えない。 These solvents may be used alone or in combination of two or more. Further, one or more of the solvents shown in the following item 5) may be further mixed and used. When mixed and used, it is not always necessary to select a combination of solvents that are mutually soluble in an arbitrary ratio, and they may be mixed or non-uniform.
これらの溶媒中で行う反応の濃度(以下、重合濃度と称する。)は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、特に制限なく調整することができる。 The concentration of the reaction carried out in these solvents (hereinafter referred to as polymerization concentration) can be adjusted without particular limitation without departing from the gist of the present invention.
上記の溶媒中で、一般式(27)で表される化合物と一般式(26)で表される化合物を反応させて、プロトン酸基含有ポリスルホンが得られる。この反応で特に好ましい溶媒は、上記2)項の非プロトン性アミド系溶媒と4)項のジメチルスルホキシドの組み合わせが挙げられる。 A proton acid group-containing polysulfone is obtained by reacting the compound represented by the general formula (27) with the compound represented by the general formula (26) in the above solvent. A particularly preferred solvent for this reaction is a combination of the aprotic amide solvent of the above item 2) and the dimethyl sulfoxide of the item 4).
雰囲気は特に制限はないが、空気、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴンが好ましく用いられ、不活性気体である窒素またはアルゴンが好ましい。 The atmosphere is not particularly limited, but air, nitrogen, helium, neon and argon are preferably used, and nitrogen or argon which is an inert gas is preferable.
更に、反応によって生成する水を系外に除く為に、別の溶媒を共存させることもできる。ここで用いられる溶媒としては、下記5)項のようなものが挙げられる。
5)ベンゼン、トルエン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン、クロルベンゼン、o−ジクロルベンゼン、m−ジクロルベンゼン、p−ジクロルベンゼン、ブロムベンゼン、o−ジブロモベンゼン、m−ジブロモベンゼン、p−ジブロモベンゼン、o−クロルトルエン、m−クロルトルエン、p−クロルトルエン、o−ブロモトルエン、m−ブロモトルエン、およびp−ブロモトルエンなどが挙げられる。これら溶媒は、単独または2種以上混合して用いても差し支えない。
Furthermore, in order to remove water generated by the reaction out of the system, another solvent may be allowed to coexist. Examples of the solvent used here include the following 5).
5) benzene, toluene, o-xylene, m-xylene, p-xylene, chlorobenzene, o-dichlorobenzene, m-dichlorobenzene, p-dichlorobenzene, bromobenzene, o-dibromobenzene, m-dibromo Examples include benzene, p-dibromobenzene, o-chlorotoluene, m-chlorotoluene, p-chlorotoluene, o-bromotoluene, m-bromotoluene, and p-bromotoluene. These solvents may be used alone or in combination of two or more.
また、上記1)から5)項に示す溶媒の2種以上を混合して用いることもできる。混合して用いる場合は、必ずしも任意の割合で相互に溶解するような溶媒の組み合わせを選択する必要はなく、混合し合わなく不均一でも差し支えない。それら脱水剤の使用量は、なんら制限はない。 In addition, two or more of the solvents shown in the above items 1) to 5) can be mixed and used. When mixed and used, it is not always necessary to select a combination of solvents that are mutually soluble in an arbitrary ratio, and they may be mixed or non-uniform. There is no limit to the amount of these dehydrating agents used.
反応温度、反応時間および反応圧力には、特に制限はなく公知の条件が適用できる。例えば、反応温度は、0〜300℃が好ましく、100〜270℃がより好ましく、130℃〜250℃がさらに好ましい。また、反応時間は、使用するモノマーの種類、溶媒の種類、および反応温度に応じて適宜定めることができるが、1〜72時間が好ましく、3〜48時間がより好ましく、5〜24時間がさらに好ましい。反応圧力については加圧下、減圧下でもよいが、常圧で構わない。 There are no particular limitations on the reaction temperature, reaction time, and reaction pressure, and known conditions can be applied. For example, the reaction temperature is preferably 0 to 300 ° C, more preferably 100 to 270 ° C, and still more preferably 130 ° C to 250 ° C. Moreover, although reaction time can be suitably determined according to the kind of monomer to be used, the kind of solvent, and reaction temperature, it is preferably 1 to 72 hours, more preferably 3 to 48 hours, and further 5 to 24 hours. preferable. The reaction pressure may be under pressure or under reduced pressure, but may be normal pressure.
上記高分子化合物にスルホン酸基を導入する方法としては、以下のような導入方法を用いることができ、芳香族基を有するものであればポリマーに直接導入しても、或いはモノマーに導入後に高分子化してもよい。
例えば、L1がメチレン基の場合には後記するクロロメチルメチルエーテル等のハロゲノメチル化剤を用いてハロゲノメチル化ポリスルホンとし、水酸基を構造中に含み、複数のスルホン酸ナトリウム部位を持った化合物、例えば下記に示されるような化合物を一般的な合成法であるウイリアムソン−エーテル合成法により反応させる方法などが挙げられる。
なお、これらの化合物の合成にはジチオランアルコールの酸化、チジオランカルボン酸およびエステルの還元および酸化、ジチアンカルボン酸およびエステルの還元および酸化といった方法を用いればよい。
As a method for introducing a sulfonic acid group into the above polymer compound, the following introduction method can be used. If it has an aromatic group, it can be introduced directly into the polymer or after introduction into the monomer. It may be molecularized.
For example, when L 1 is a methylene group, a halogenomethylated polysulfone using a halogenomethylating agent such as chloromethyl methyl ether described later, a compound containing a hydroxyl group in the structure and having a plurality of sodium sulfonate sites, Examples thereof include a method in which a compound as shown below is reacted by a general synthetic method of Williamson-ether synthesis.
For the synthesis of these compounds, methods such as oxidation of dithiolane alcohol, reduction and oxidation of thiolane carboxylic acid and ester, reduction and oxidation of dithiancarboxylic acid and ester may be used.
また、ハロゲノメチル化ポリスルホンをNaOHやCaCO3で加水分解し水酸基を導入した後、例えば下記に示されるような化合物あるいは上記化合物群の水酸基をハロゲンもしくはスルホネートに変換した化合物を用いて反応させることもできる。 Alternatively, after halogenomethylated polysulfone is hydrolyzed with NaOH or CaCO 3 to introduce a hydroxyl group, the reaction may be carried out using, for example, a compound as shown below or a compound in which the hydroxyl group of the above compound group is converted to halogen or sulfonate. it can.
また、ハロゲノメチル化ポリスルホンをNaOHやCaCO3で加水分解し水酸基を導入した後、例えば下記に示されるような化合物を反応させ複数のスルホン酸基を導入することもできる。 Further, after halogenomethylated polysulfone is hydrolyzed with NaOH or CaCO 3 to introduce a hydroxyl group, for example, a compound shown below can be reacted to introduce a plurality of sulfonic acid groups.
本発明において、ハロゲノアルキル基としては、クロロメチル基、ブロモメチル基、ヨードメチル基、クロロエチル基、ブロモエチル基、ヨードエチル基、クロロプロピル基、ブロモプロピル基、ヨードプロピル基、クロロブチル基、ブロモブチル基、ヨードブチル基、クロロペンチル基、ブロモペンチル基、ヨードペンチル基、クロロヘキシル基、ブロモヘキシル基、ヨードヘキシル基等のハロゲン化アルキル基(C数は1〜6が好ましい)が挙げられ、ハロゲン化メチル基が好ましい。 In the present invention, the halogenoalkyl group includes a chloromethyl group, bromomethyl group, iodomethyl group, chloroethyl group, bromoethyl group, iodoethyl group, chloropropyl group, bromopropyl group, iodopropyl group, chlorobutyl group, bromobutyl group, iodobutyl group, Examples include halogenated alkyl groups (C number is preferably 1 to 6) such as chloropentyl group, bromopentyl group, iodopentyl group, chlorohexyl group, bromohexyl group, iodohexyl group, and the like, and halogenated methyl groups are preferable.
本発明において好ましいハロゲン化メチル基を芳香環に導入(芳香環のハロゲノメチル化反応)するには、公知反応が広範囲に使用できる。例えばクロロメチル化剤として、クロロメチルメチルエーテル、1,4−ビス(クロロメトキシ)ブタン、1−クロロメトキシ−4−クロロブタンなどを用い、触媒として塩化スズ、塩化亜鉛、塩化アルミニウム、塩化チタンなどのルイス酸やフッ化水素酸などを用いてクロロメチル化反応を行うことにより、芳香環にクロロメチル基を導入することができる。溶媒には、ジクロロエタン、トリクロロエタン、テトラクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、ニトロベンゼンなどを用い、均一系で反応を行うことが好ましい。また、パラホルムアルデヒドと塩化水素、または臭化水素などを用いてハロゲン化メチル基を芳香環に導入することもできる。 In order to introduce a halogenated methyl group preferable in the present invention into an aromatic ring (halogenomethylation reaction of an aromatic ring), known reactions can be widely used. For example, chloromethyl methyl ether, 1,4-bis (chloromethoxy) butane, 1-chloromethoxy-4-chlorobutane, etc. are used as chloromethylating agents, and tin chloride, zinc chloride, aluminum chloride, titanium chloride, etc. are used as catalysts. A chloromethyl group can be introduced into the aromatic ring by performing a chloromethylation reaction using Lewis acid, hydrofluoric acid, or the like. The solvent is preferably dichloroethane, trichloroethane, tetrachloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, nitrobenzene, etc., and the reaction is preferably carried out in a homogeneous system. Moreover, a methyl halide group can also be introduce | transduced into an aromatic ring using paraformaldehyde, hydrogen chloride, or hydrogen bromide.
上記のようにして得られる、上記高分子化合物中のスルホン酸基量は、重合体を構成する単位に対して、好ましくは0.05〜6個、より好ましくは0.3〜4個である。0.05個以上とすることにより、プロトン伝導性がより良好となり、6個以下とすることにより、親水性が向上し過ぎて水溶性ポリマーとなってしまったり、耐久性が低下したりするのをより効果的に抑止できる。 The amount of the sulfonic acid group in the polymer compound obtained as described above is preferably 0.05 to 6 and more preferably 0.3 to 4 with respect to the unit constituting the polymer. . When the number is 0.05 or more, proton conductivity is improved, and when the number is 6 or less, the hydrophilicity is excessively improved to become a water-soluble polymer, or the durability is lowered. Can be suppressed more effectively.
また、このようにして得られる本発明の高分子化合物のスルホン化前の前駆体のポリマーの分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、好ましくは1,000〜1,000,000、より好ましくは1,500〜200,000である。1,000以上とすることにより、成形フィルムにクラックが発生しにくくすることができ、塗膜性がより良好となり、また強度的性質もより向上する。一方、1,000,000以下とすることにより、溶解性がより好ましいものとなり、また溶液粘度が高く加工性が不良になるなどの問題をより効果的に抑止できる。 The molecular weight of the precursor polymer before sulfonation of the polymer compound of the present invention thus obtained is a polystyrene-equivalent weight average molecular weight, preferably 1,000 to 1,000,000, more preferably 1. , 500 to 200,000. By setting it as 1,000 or more, it can make a crack difficult to generate | occur | produce in a molded film, a coating-film property becomes more favorable, and an intensity | strength property improves more. On the other hand, by setting it to 1,000,000 or less, solubility becomes more preferable, and problems such as high solution viscosity and poor processability can be more effectively suppressed.
なお、本発明のスルホン酸基含有高分子化合物の構造は、赤外線吸収スペクトルによって、1,030〜1,045cm-1、1,160〜1,190cm-1のS=O吸収、1,130〜1,250cm-1のC−O−C吸収、1,640〜1,660cm-1のC=O吸収などにより確認でき、これらの組成比は、スルホン酸の中和滴定や、元素分析により知ることができる。また、核磁気共鳴スペクトル( 1H−NMR)により、6.8〜8.0ppmの芳香族プロトンのピークから、その構造を確認することができる。 The structure of the sulfonic acid group-containing polymer compound of the present invention, the infrared absorption spectrum, 1,030~1,045cm -1, S = O absorption at 1,160~1,190cm -1, 1,130~ C-O-C absorption at 2090 cm @ -1, confirmed by like C = O absorption of 1,640~1,660Cm -1, these composition ratio, neutralization titration of sulfonic acid or learned by elemental analysis be able to. Moreover, the structure can be confirmed from the peak of the aromatic proton at 6.8 to 8.0 ppm by nuclear magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR).
次に、本発明のプロトン伝導膜は、上記スルホン酸基含有共重合体からなるが、上記スルホン酸基含有共重合体以外に、硫酸、リン酸などの無機酸、カルボン酸を含む有機酸、適量の水などを併用しても良い。 Next, the proton conductive membrane of the present invention is composed of the sulfonic acid group-containing copolymer, but besides the sulfonic acid group-containing copolymer, an inorganic acid such as sulfuric acid and phosphoric acid, an organic acid containing a carboxylic acid, An appropriate amount of water may be used in combination.
本発明の固体電解質は、最終的に2つ以上のスルホン酸基を有する基を主鎖および/または側鎖に有する高分子化合物を含む固体電解質になれば、他の高分子化合物とのブレンドまたは、2つ以上のスルホン酸基を有する基を含むモノマーとスルホン酸基を有しないモノマーとの共重合体にする等、適宜調整することが可能である。 When the solid electrolyte of the present invention finally becomes a solid electrolyte containing a polymer compound having a group having two or more sulfonic acid groups in the main chain and / or side chain, a blend with another polymer compound or It is possible to adjust appropriately such as making a copolymer of a monomer containing a group having two or more sulfonic acid groups and a monomer having no sulfonic acid group.
本発明の固体電解質をプロトン伝導材料として使用する場合、プロトン型に変換する必要がある。この工程は固体電解質を酸性溶液に浸漬することで行なう。酸性溶液としてはプロトン酸溶液が好ましく、このプロトン酸としては、塩酸、硫酸、硝酸、過塩素酸、テトラフルオロ硼酸、ヘキサフルオロ砒素酸、臭化水素酸、固体酸(タングストリン酸、タングステンペルオキソ錯体等)等、スルホン酸類(例えば、炭素数1〜15のスルホン酸類であり、ベンゼンスルホン酸、トルエンスルホン酸、ヘキサフルオロベンゼンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ドデシルスルホン酸等)が挙げられる。これらを2種以上併用することも可能である。特に、塩酸または硝酸が好ましい。この工程における温度は10〜100℃が好ましく、20〜80℃がより好ましい。反応時間は0.1〜24時間が好ましく、0.5〜12時間がさらに好ましい。酸溶液の濃度は0.1〜10規定が好ましく、0.5〜5規定がさらに好ましい。 When the solid electrolyte of the present invention is used as a proton conductive material, it needs to be converted into a proton type. This step is performed by immersing the solid electrolyte in an acidic solution. As the acidic solution, a protonic acid solution is preferable. Examples of the protonic acid include hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, perchloric acid, tetrafluoroboric acid, hexafluoroarsenic acid, hydrobromic acid, solid acid (tungstophosphoric acid, tungsten peroxo complex). etc.) and the like, sulfonic acids (e.g., a sulfonic acid of 1 to 15 carbon atoms, benzenesulfonic acid, toluenesulfonic acid, hexafluoro benzenesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, dodecyl sulfonic acid). Two or more of these may be used in combination. In particular, hydrochloric acid or nitric acid is preferable. 10-100 degreeC is preferable and the temperature in this process has more preferable 20-80 degreeC. The reaction time is preferably 0.1 to 24 hours, more preferably 0.5 to 12 hours. The concentration of the acid solution is preferably 0.1 to 10 N, and more preferably 0.5 to 5 N.
次に、本発明の固体電解質は、上記スルホン酸基含有共重合体からなるが、上記スルホン酸基含有共重合体以外に、硫酸、リン酸などの無機酸、カルボン酸を含む有機酸、適量の水などを併用してもよい。 Next, the solid electrolyte of the present invention comprises the sulfonic acid group-containing copolymer. In addition to the sulfonic acid group-containing copolymer, an inorganic acid such as sulfuric acid and phosphoric acid, an organic acid containing a carboxylic acid, an appropriate amount Water may be used in combination.
得られる固体電解質は例えば、プロトン伝導性電解質や電極用電解質として用いことができる。 The obtained solid electrolyte can be used, for example, as a proton conductive electrolyte or an electrode electrolyte.
プロトン伝導性電解質膜に使用する場合、形状は膜状が好ましく、プロトン伝導性電解質膜の厚さは10〜500μmが好ましく、25〜150μmがより好ましい。成形した時点で膜状であってもよいし、バルク体に成形した後に、切断して膜状に加工することもできる。製膜工程においては、原料となる高分子化合物を融点より高い温度に保持した液体、または溶媒を用いて溶解した液体を用いて、押出成型によって製膜してもよいし、これらの液体をキャストまたは塗布して製膜してもよい。これらの操作はカレンダーロール、キャストロール等のロールまたはTダイを用いたフィルム成形機で行なうことができ、プレス機器を用いたプレス成形とすることもできる。さらに延伸工程を追加し、膜厚制御、膜特性改良を行ってもよい。 When used for a proton conductive electrolyte membrane, the shape is preferably a membrane, and the thickness of the proton conductive electrolyte membrane is preferably 10 to 500 μm, more preferably 25 to 150 μm. It may be in the form of a film at the time of molding, or may be cut into a film after being formed into a bulk body. In the film forming process, the liquid was maintained a polymer compound as a raw material to above the melting point temperature or by using a liquid prepared by dissolving with a solvent, a film may be formed by extrusion molding, cast these liquids Alternatively, it may be formed by coating. These operations can be performed with a film forming machine using a roll such as a calendar roll or a cast roll or a T-die, and can also be a press forming using a press machine. Further, a stretching process may be added to control film thickness and improve film characteristics.
さらに製膜工程を経た後に表面処理を行なってもよい。表面処理としては、粗面処理、表面切削、除去、コーティング処理を行なってもよく、これらは電極との密着を改良できることがある。 Furthermore, surface treatment may be performed after the film forming step. As the surface treatment, rough surface treatment, surface cutting, removal, and coating treatment may be performed, which may improve the adhesion with the electrode.
また、本発明の固体電解質を、多孔質基材の細孔に含浸させて膜を形成することが可能である。細孔を有する基材上に本発明の第二工程終了後の反応液を塗布含浸させるか、基材を反応液に浸漬し、細孔内に固体電解質を満たして膜を形成してもよい。細孔を有する基材の好ましい例としては、多孔性ポリプロピレン、多孔性ポリテトラフルオロエチレン、多孔性架橋型耐熱性ポリエチレン、多孔性ポリイミドなどが挙げられる。 In addition, it is possible to form a film by impregnating the solid electrolyte of the present invention into the pores of the porous substrate. The reaction solution after completion of the second step of the present invention may be applied and impregnated on a substrate having pores, or the substrate may be immersed in the reaction solution to fill the pores with a solid electrolyte to form a film. . Preferable examples of the substrate having pores include porous polypropylene, porous polytetrafluoroethylene, porous cross-linked heat-resistant polyethylene, and porous polyimide.
さらに必要に応じて調湿した環境での加熱処理、放射線(可視光、紫外線、γ線、電子線等)照射処理を行なって改質処理を行なっても良い。また、架橋工程の後に不要な成分を除去することを目的に、水、有機溶媒等による洗浄工程および乾燥工程を追加しても良い。 Further, if necessary, the modification treatment may be performed by performing a heat treatment in a conditioned environment and a radiation (visible light, ultraviolet ray, γ ray, electron beam, etc.) irradiation treatment. Moreover, you may add the washing | cleaning process and drying process by water, an organic solvent, etc. for the purpose of removing an unnecessary component after a bridge | crosslinking process.
固体電解質の他の成分
本発明の固体電解質には、膜特性を向上させるため、必要に応じて、酸化防止剤、繊維、微粒子、吸水剤、可塑剤、相溶剤等を添加してもよい。これら添加剤の含有量は固体電解質の全体量に対し1〜30質量%の範囲が好ましい。
Other components of solid electrolyte To improve the membrane characteristics, the solid electrolyte of the present invention may contain an antioxidant, fibers, fine particles, water-absorbing agent, plasticizer, compatibilizer, and the like, if necessary. The content of these additives is preferably in the range of 1 to 30% by mass with respect to the total amount of the solid electrolyte.
酸化防止剤としては、(ヒンダード)フェノール系、一価または二価のイオウ系、三価〜五価のリン系、ベンゾフェノン系、ベンゾトリアゾール系、ヒンダードアミン系、シアノアクリレート系、サリチレート系、オキザリックアシッドアニリド系の各化合物が好ましい例として挙げられる。具体的には特開平8−53614号公報、特開平10−101873号公報、特開平11−114430号公報、特開2003−151346号公報に記載の化合物が挙げられる。 Antioxidants include (hindered) phenolic, monovalent or divalent sulfur, trivalent to pentavalent phosphorus, benzophenone, benzotriazole, hindered amine, cyanoacrylate, salicylate, oxalic Acid anilide compounds are preferred examples. Specific examples thereof include compounds described in JP-A-8-53614, JP-A-10-101873, JP-A-11-114430, and JP-A-2003-151346.
繊維としては、パーフルオロカーボン繊維、セルロース繊維、ガラス繊維、ポリエチレン繊維等が好ましい例として挙げられ、具体的には特開平10−312815号公報、特開2000−231928号公報、特開2001−307545号公報、特開2003−317748号公報、特開2004−63430号公報、特開2004−107461号公報に記載の繊維が挙げられる。 Preferred examples of the fibers include perfluorocarbon fibers, cellulose fibers, glass fibers, polyethylene fibers, and the like, and specifically, JP-A-10-31815, JP-A-2000-231828, JP-A-2001-307545. Examples thereof include fibers described in JP-A No. 2003-317748, JP-A No. 2004-63430, and JP-A No. 2004-107461.
微粒子としては、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化ジルコニウム等からなる微粒子が好ましい例として挙げられ、具体的には特開平6−111834号公報、特開2003−178777号公報、特開2004−217921号公報に記載の微粒子が挙げられる。 Examples of the fine particles include fine particles made of silica, alumina, titanium oxide, zirconium oxide, and the like. Specifically, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 6-1111834, 2003-178777, and 2004-217921. Fine particles described in the publication can be mentioned.
吸水剤(親水性物質)としては、架橋ポリアクリル酸塩、デンプン−アクリル酸塩、ポバール、ポリアクリロニトリル、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルピロリドン、ポリグリコールジアルキルエーテル、ポリグリコールジアルキルエステル、シリカゲル、合成ゼオライト、アルミナゲル、チタニアゲル、ジルコニアゲル、イットリアゲルが好ましい例として挙げられ、具体的には特開平7−135003号公報、特開平8−20716号公報、特開平9−251857号公報に記載の吸水剤が挙げられる。 Water-absorbing agents (hydrophilic substances) include cross-linked polyacrylate, starch-acrylate, poval, polyacrylonitrile, carboxymethylcellulose, polyvinylpyrrolidone, polyglycol dialkyl ether, polyglycol dialkyl ester, silica gel, synthetic zeolite, alumina gel , Titania gel, zirconia gel, and yttria gel are preferable examples. Specific examples include water absorbing agents described in JP-A Nos. 7-13003, 8-20716, and 9-251857. .
可塑剤としては、リン酸エステル系化合物、フタル酸エステル系化合物、脂肪族一塩基酸エステル系化合物、脂肪族二塩基酸エステル系化合物、二価アルコールエステル系化合物、オキシ酸エステル系化合物、塩素化パラフィン、アルキルナフタレン系化合物、スルホンアルキルアミド系化合物、オリゴエーテル類、カーボネート類、芳香族ニトリル類が好ましい例として挙げられ、具体的には特開2003−197030号公報、特開2003−288916号公報、特開2003−317539号公報に記載の可塑剤が挙げられる。 Plasticizers include phosphate ester compounds, phthalate ester compounds, aliphatic monobasic acid ester compounds, aliphatic dibasic acid ester compounds, dihydric alcohol ester compounds, oxyacid ester compounds, and chlorination. Paraffin, alkylnaphthalene compounds, sulfonalkylamide compounds, oligoethers, carbonates, and aromatic nitriles are preferable examples, and specifically, JP2003-970030A and JP2003-288916A. And plasticizers described in JP-A No. 2003-317539.
さらに本発明の固体電解質には、(1)膜の機械的強度を高める目的、および(2)膜中の酸濃度を高める目的で種々の高分子化合物を含有させてもよい。
(1)機械的強度を高める目的には、分子量10,000〜1,000,000程度で本発明の固体電解質と相溶性のよい高分子化合物が適する。例えば、パーフッ素化ポリマー、ポリスチレン、ポリエチレングリコール、ポリオキセタン、ポリ(メタ)アクリレート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、およびこれらの2以上の重合体が好ましく、含有量としては全体に対し1〜30質量%の範囲が好ましい。
Further, the polymer electrolyte of the present invention may contain various polymer compounds for the purpose of (1) increasing the mechanical strength of the film and (2) increasing the acid concentration in the film.
(1) For the purpose of increasing mechanical strength, a polymer compound having a molecular weight of about 10,000 to 1,000,000 and having good compatibility with the solid electrolyte of the present invention is suitable. For example, perfluorinated polymer, polystyrene, polyethylene glycol, polyoxetane, poly (meth) acrylate, polyether ketone, polyether sulfone, and two or more polymers thereof are preferable, and the content is 1 to 30 based on the total. A range of mass% is preferred.
相溶剤としては、沸点または昇華点が250℃以上のものが好ましく、300℃以上のものがさらに好ましい。
(2)酸濃度を高める目的には、ナフィオンに代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー、側鎖にリン酸基を有するポリ(メタ)アクリレート、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリベンズイミダゾールなどの耐熱芳香族高分子のスルホン化物などのプトロン酸部位を有する高分子化合物などが好ましく、含有量としては全体に対し1〜30質量%の範囲が好ましい。
The compatibilizer preferably has a boiling point or sublimation point of 250 ° C. or higher, more preferably 300 ° C. or higher.
(2) For the purpose of increasing the acid concentration, perfluorocarbon sulfonic acid polymer represented by Nafion, poly (meth) acrylate having a phosphate group in the side chain, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfone Polymer compounds having a ptronic acid moiety such as sulfonated products of heat-resistant aromatic polymers such as sulfonated polysulfone and sulfonated polybenzimidazole are preferable, and the content is preferably in the range of 1 to 30% by mass.
本発明の固体電解質の特性としては、以下の諸性能を持つものが好ましい。
イオン伝導度は例えば25℃95%相対湿度において、0.005S/cm以上であることが好ましく、0.01S/cm以上であるものがより好ましい。
強度としては例えば引っ張り強度が350kg/cm2以上であることが好ましく、450kg/cm2以上であるものが特に好ましい。
耐久性については30%過酸化水素中で一定温度での経時前後で、重量、イオン交換容量の変化率が20%以下であることが好ましく、10%以下であることが特に好ましい。さらにイオン交換水中で一定温度での体積膨潤率は、10%以下であることが好ましく、5%以下であることが特に好ましい。
本発明の固体電解質は安定した吸水率および含水率を持つものが好ましい。また、アルコール類、水およびこれらの混合溶媒に対し、溶解度は実質的に無視できる程度である物が好ましい。また上記溶媒に浸漬した時の重量減少、形態変化も実質的に無視できる程度である物が好ましい。
膜状に形成した場合のイオン伝導方向は表面から裏面の方向が、それ以外の方向に対し高い方が好ましい。
本発明の固体電解質の耐熱温度は、100℃以上であることが好ましく、150℃以上がより好ましく、200℃以上がさらに好ましい。耐熱温度は例えば1℃/分の測度で加熱していったときの重量減少5%に達した時間として定義できる。この重量減少は、水分等の蒸発分を除いて計算される。
As the characteristics of the solid electrolyte of the present invention, those having the following performances are preferred.
For example, the ionic conductivity is preferably 0.005 S / cm or more, more preferably 0.01 S / cm or more at 25 ° C. and 95% relative humidity.
For example, the tensile strength is preferably 350 kg / cm 2 or more, particularly preferably 450 kg / cm 2 or more.
As for durability, the rate of change in weight and ion exchange capacity is preferably 20% or less, particularly preferably 10% or less, before and after aging at a constant temperature in 30% hydrogen peroxide. Furthermore, the volume swelling rate at a constant temperature in ion-exchanged water is preferably 10% or less, and particularly preferably 5% or less.
The solid electrolyte of the present invention preferably has a stable water absorption and water content. Moreover, the thing whose solubility is a grade which can be disregarded substantially with respect to alcohol, water, and these mixed solvents is preferable. Moreover, the thing which is a grade which can be substantially disregarded in the weight reduction and shape change when immersed in the said solvent is preferable.
When formed into a film, the ion conduction direction is preferably such that the direction from the front surface to the back surface is higher than the other directions.
The heat resistant temperature of the solid electrolyte of the present invention is preferably 100 ° C. or higher, more preferably 150 ° C. or higher, and further preferably 200 ° C. or higher. The heat resistant temperature can be defined as, for example, the time when the weight loss reaches 5% when heated at a rate of 1 ° C./min. This weight loss is calculated excluding evaporation such as moisture.
燃料電池
本発明の固体電解質は、電極膜接合体(Membrane and Electrode Assembly)(以下「MEA」という)および、該電極膜接合体を用いた燃料電池に用いることができる。
図1は本発明の電極膜接合体の断面概略図の一例を示したものである。MEA10は、膜状の固体電解質11と、それを挟んで対向するアノード電極12及カソード電極13を備える。
アノード電極12とカソード電極13は、多孔質導電シート(例えば、カーボンペーパー)12a、13aと触媒層12b、13bからなる。触媒層12b、13bは、白金粒子等の触媒金属を担持したカーボン粒子(例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ等)をプロトン伝導材料(例えば、ナフィオン等)に分散させた分散物からなる。触媒層12b、13bを固体電解質11に密着させるために、多孔質導電シート12a、13aに触媒層12b、13bを塗設したものを、固体電解質11にホットプレス法で圧着するか、適当な支持体に触媒層12b、13bを塗設したものを、固体電解質11に転写しながら圧着した後、多孔質導電シート12a、13aで挟み込む方法を一般に用いる。
Fuel Cell The solid electrolyte of the present invention can be used for an electrode membrane assembly (hereinafter referred to as “MEA”) and a fuel cell using the electrode membrane assembly.
FIG. 1 shows an example of a schematic cross-sectional view of the electrode membrane assembly of the present invention. The
The
電極の作製方法について説明する。本発明の固体電解質を溶媒に溶解し、白金担持カーボンと混合、分散する。このときの溶媒は複素環化合物(3−メチル−2−オキサゾリジノン、N−メチルピロリドン等)、環状エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、鎖状エーテル類(ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールジアルキルエーテル等)、アルコール類(メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテル等)、多価アルコール類(エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリン等)、ニトリル化合物(アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等)、非極性溶媒(トルエン、キシレン等)、塩素系溶媒(メチレンクロリド、エチレンクロリド等)、アミド類(N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、アセタミド等)、水等が好ましく用いられ、この中でも複素環化合物、アルコール類、多価アルコール類、アミド類が好ましく用いられる。 A method for manufacturing the electrode will be described. The solid electrolyte of the present invention is dissolved in a solvent and mixed and dispersed with platinum-supporting carbon. Solvents at this time are heterocyclic compounds (3-methyl-2-oxazolidinone, N-methylpyrrolidone, etc.), cyclic ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), chain ethers (diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl). Ether, polyethylene glycol dialkyl ether, polypropylene glycol dialkyl ether, etc.), alcohols (methanol, ethanol, isopropanol, ethylene glycol monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene glycol monoalkyl ether, polypropylene glycol monoalkyl ether, etc.), many Polyhydric alcohols (ethylene glycol, propylene glycol, polyethylene glycol, poly Pyrene glycol, glycerin, etc.), nitrile compounds (acetonitrile, glutarodinitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, benzonitrile, etc.), nonpolar solvents (toluene, xylene, etc.), chlorinated solvents (methylene chloride, ethylene chloride, etc.), Amides (N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, acetamide, etc.), water and the like are preferably used, and among these, heterocyclic compounds, alcohols, polyhydric alcohols and amides are preferably used.
分散法は攪拌による方法でも良いが、超音波分散、ボールミル等を用いることもできる。得られた分散液は上記の塗布法を用いて塗布することができる。 The dispersion method may be a method using stirring, but ultrasonic dispersion, ball mill, or the like can also be used. The obtained dispersion can be applied using the above-described application method.
分散液の塗布について説明する。塗布工程においては、上記分散液を用いて、押出成型によって製膜してもよいし、これらの分散液をキャスト、または塗布して製膜してもよい。支持体は特に限定されないが、好ましい例としてはガラス基板、金属基板、高分子フィルム、反射板等を挙げることができる。高分子フィルムとしては、トリアセチルセルロース(TAC)等のセルロース系高分子フイルム、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)等のエステル系高分子フィルム、ポリトリフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系高分子フィルム、ポリイミドフィルム等が挙げられる。塗布方式は公知の方法でよく、例えば、カーテンコーティング法、押し出しコーティング法、ロールコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、印刷コーティング法等を用いることができる。特に、支持体として導電性多孔質体(カーボンペーパー、カーボンクロス)をもちいると直接触媒電極が作製できる。 Application of the dispersion will be described. In the coating step, the dispersion may be used to form a film by extrusion molding, or these dispersions may be cast or applied to form a film. Although a support body is not specifically limited, As a preferable example, a glass substrate, a metal substrate, a polymer film, a reflecting plate, etc. can be mentioned. Examples of the polymer film include cellulose polymer films such as triacetyl cellulose (TAC), ester polymer films such as polyethylene terephthalate (PET) and polyethylene naphthalate (PEN), and fluorine such as polytrifluoroethylene (PTFE). Examples thereof include a polymer film and a polyimide film. The coating method may be a known method, for example, using curtain coating method, extrusion coating method, roll coating method, spin coating method, dip coating method, bar coating method, spray coating method, slide coating method, print coating method, etc. Can do. In particular, when a conductive porous body (carbon paper, carbon cloth) is used as a support, a catalyst electrode can be directly produced.
これらの操作はカレンダーロール、キャストロール等のロールまたはTダイを用いたフィルム成形機で行なうこともでき、プレス機器を用いたプレス成形とすることもできる。さらに延伸工程を追加し、膜厚制御、膜特性改良を行ってもよい。 These operations can be performed by a film forming machine using a roll such as a calendar roll or a cast roll or a T die, or can be a press forming using a press machine. Further, a stretching process may be added to control film thickness and improve film characteristics.
塗布工程の乾燥温度は乾燥速度に関連し、材料の性質に応じて選択することができる。好ましくは−20℃〜150℃であり、より好ましくは20℃〜120℃であり、さらに好ましくは50℃〜100℃である。
乾燥時間は乾燥時間は1分〜48時間が好ましく、5分〜10時間がさらに好ましく、10分〜5時間が特に好ましい。48時間以下とすることにより、生産性の観点からより好ましいが、1分以上とすることにより、気泡、表面の凹凸等の欠陥を寄り効果的に抑止できる。このため、また湿度の制御も重要であり、25〜100%RHが好ましく、50%〜95%がさらに好ましい。
The drying temperature of the coating process is related to the drying speed and can be selected according to the properties of the material. Preferably it is -20 degreeC-150 degreeC, More preferably, it is 20 degreeC-120 degreeC, More preferably, it is 50 degreeC-100 degreeC.
The drying time is preferably 1 minute to 48 hours, more preferably 5 minutes to 10 hours, and particularly preferably 10 minutes to 5 hours. By setting it to 48 hours or less, it is more preferable from the viewpoint of productivity, but by setting it to 1 minute or more, defects such as bubbles and surface irregularities can be effectively suppressed. For this reason, control of humidity is also important, and 25 to 100% RH is preferable, and 50% to 95% is more preferable.
塗布工程における塗布液中には金属イオンの含量が少ない物が好ましく、特に遷移金属イオン、なかでも鉄イオン、ニッケルイオン、コバルトイオンは少ないものが好ましい。含量は500ppm以下が好ましく、100ppm以下が特に好ましい。従って、前述の工程で使用する溶媒も、これらのイオンの含量の低い物が好ましい。 The coating solution in the coating step preferably has a low content of metal ions, and particularly preferably has a low amount of transition metal ions, especially iron ions, nickel ions and cobalt ions. The content is preferably 500 ppm or less, particularly preferably 100 ppm or less. Therefore, the solvent used in the above-mentioned process is also preferably a solvent having a low content of these ions.
さらに製膜工程を経た後に表面処理を行なってもよい。表面処理としては、粗面処理、表面切削、除去、コーティング処理を行なってもよく、これらは固体電解質膜あるいは多孔質導電体との密着を改良できることがある。 Furthermore, surface treatment may be performed after the film forming step. As the surface treatment, rough surface treatment, surface cutting, removal, and coating treatment may be performed, which may improve the adhesion with the solid electrolyte membrane or the porous conductor.
触媒層12b、13bを固体電解質膜11に密着させるために、多孔質導電シート12a、13aに触媒層12b、13bを塗設したものを、固体電解質11膜にホットプレス法(好ましくは120〜130℃、2〜100 kg/cm2)で圧着するか、適当な支持体に触媒層12b、13bを塗設したものを、固体電解質11に転写しながら圧着した後、多孔質導電シート12a、13aで挟み込む方法を一般が好ましく用いられる。
In order to bring the catalyst layers 12b and 13b into close contact with the
図2は燃料電池構造の一例を示す。燃料電池はMEA10と、MEA10を挟持する一対のセパレータ21、22と、セパレータ21、22に取り付けられたステンレスネットからなる集電体17およびパッキン14とを有する。アノード極側のセパレータ21にはアノード極側開口部15が設けられ、カソード極側のセパレータ22にはカソード極側開口16設けられている。アノード極側開口部15からは、水素、アルコール類(メタノール等)等のガス燃料またはアルコール水溶液等の液体燃料が供給され、カソード極側開口部16からは、酸素ガス、空気等の酸化剤ガスが供給される。
FIG. 2 shows an example of a fuel cell structure. The fuel cell includes an
水素−酸素系燃料電池における活性分極はアノード極(水素極)に比べ、カソード極(空気極)が大きい。これは、アノード極に比べ、カソード極の反応(酸素の還元)が遅いためである。酸素極の活性向上を目的として、Pt−Cr、Pt−Ni、Pt−Co、Pt−Cu、Pt−Feなどのさまざまな白金基二元金属を用いることができる。アノード燃料にメタノール水溶液を用いる直接メタノール燃料電池においては、メタノールの酸化過程で生じるCOによる触媒被毒を抑制することが重要である。この目的のために、Pt−Ru、Pt−Fe、Pt−Ni、Pt−Co、Pt−Moなどの白金基二元金属、Pt−Ru−Mo、Pt−Ru−W、Pt−Ru−Co、Pt−Ru−Fe、Pt−Ru−Ni、Pt−Ru−Cu、Pt−Ru−Sn、Pt−Ru−Auなどの白金基三元金属を用いることができる。 The active polarization in the hydrogen-oxygen fuel cell is larger in the cathode electrode (air electrode) than in the anode electrode (hydrogen electrode). This is because the cathode electrode reaction (oxygen reduction) is slower than the anode electrode. For the purpose of improving the activity of the oxygen electrode, various platinum-based binary metals such as Pt—Cr, Pt—Ni, Pt—Co, Pt—Cu, and Pt—Fe can be used. In a direct methanol fuel cell using an aqueous methanol solution as an anode fuel, it is important to suppress catalyst poisoning due to CO that occurs during the oxidation process of methanol. For this purpose, platinum-based binary metals such as Pt—Ru, Pt—Fe, Pt—Ni, Pt—Co, Pt—Mo, Pt—Ru—Mo, Pt—Ru—W, Pt—Ru—Co Platinum-based ternary metals such as Pt—Ru—Fe, Pt—Ru—Ni, Pt—Ru—Cu, Pt—Ru—Sn, and Pt—Ru—Au can be used.
活性金属を担持させるカーボン材料としては、アセチレンブラック、Vulcan XC−72、ケチェンブラック、カーボンナノホーン(CNH)、カーボンナノチューブ(CNT)が好ましく用いられる。 As the carbon material for supporting the active metal, acetylene black, Vulcan XC-72, ketjen black, carbon nanohorn (CNH), and carbon nanotube (CNT) are preferably used.
触媒層の機能は、(1)燃料を活性金属に輸送すること、(2)燃料の酸化(アノード極)、還元(カソード極)反応の場を提供すること、(3)酸化還元により生じた電子を集電体に伝達すること、(4)反応により生じたプロトンを固体電解質に輸送すること、である。(1)のために触媒層は、液体および気体燃料が奥まで透過できる多孔質性であることが必要である。(2)は上記で述べた活性金属触媒が、(3)は同じく上記で述べたカーボン材料が担う。(4)の機能を果たすために、触媒層にプロトン伝導材料を混在させる。 The function of the catalyst layer was caused by (1) transporting the fuel to the active metal, (2) providing a field for the oxidation (anode electrode) and reduction (cathode electrode) reaction of the fuel, and (3) redox. (4) transporting protons generated by the reaction to the solid electrolyte. For (1), the catalyst layer needs to be porous so that liquid and gaseous fuel can permeate deeply. (2) is the active metal catalyst described above, and (3) is the same carbon material as described above. In order to fulfill the function (4), a proton conductive material is mixed in the catalyst layer.
触媒層のプロトン伝導材料としては、プロトン供与基を持った固体であれば制限はないが、固体電解質に用いられる酸残基を有する高分子化合物(例えばナフィオンに代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸、側鎖リン酸基ポリ(メタ)アクリレート、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールなどの耐熱性芳香族高分子のスルホン化物など)が好ましく用いられる。本発明の固体電解質を触媒層に用いると、固体電解質と同種の材料となるため、固体電解質と触媒層との電気化学的密着性が高まりより有利である。 The proton conductive material of the catalyst layer is not limited as long as it is a solid having a proton donating group, polymer compounds having an acid residue used for the solid electrolyte (e.g. a perfluorocarbon sulfonic acid represented by Nafion, side A sulfonated product of a heat-resistant aromatic polymer such as a chain phosphate group poly (meth) acrylate, a sulfonated polyetheretherketone, and a sulfonated polybenzimidazole is preferably used. When the solid electrolyte of the present invention is used for the catalyst layer, the material is the same type as that of the solid electrolyte, so that the electrochemical adhesion between the solid electrolyte and the catalyst layer is increased, which is more advantageous.
活性金属の使用量は、0.03〜10mg/cm2の範囲が電池出力と経済性の観点から適している。活性金属を担持するカーボン材料の量は、活性金属の質量に対して、1〜10倍が適している。プロトン伝導材料の量は、活性金属担持カーボンの質量に対して、0.1〜0.7倍が適している。 The amount of active metal used is suitably in the range of 0.03 to 10 mg / cm 2 from the viewpoint of battery output and economy. The amount of the carbon material supporting the active metal is suitably 1 to 10 times the mass of the active metal. The amount of the proton conductive material is suitably 0.1 to 0.7 times the mass of the active metal-carrying carbon.
電極基材、透過層または裏打ち材とも呼ばれ、集電機能および水がたまりガスの透過が悪化するのを防ぐ役割を担う。通常は、カーボンペーパーやカーボン布を使用し、撥水化のためにポリテトラフルオロエチレン(PTFE)処理を施したものを使用することもできる。 It is also called an electrode substrate, a permeable layer, or a backing material, and plays a role of preventing current collection and water accumulation and deterioration of gas permeation. Usually, carbon paper or carbon cloth can be used, and polytetrafluoroethylene (PTFE) treated for water repellency can be used.
MEAの作製には、次の4つの方法が好ましい。
(1)プロトン伝導材料塗布法:活性金属担持カーボン、プロトン伝導材料、溶媒を基本要素とする触媒ペースト(インク)を固体電解質の両側に直接塗布し、多孔質導電シートを(熱)圧着して5層構成のMEAを作製する。
(2)多孔質導電シート塗布法:触媒ペーストを多孔質導電シート表面に塗布し、触媒層を形成させた後、固体電解質と圧着し、5層構成のMEAを作製する。
(3)Decal法:触媒ペーストをPTFE上に塗布し、触媒層を形成させた後、固体電解質に触媒層のみを転写させ3層のMEAを形成させ、多孔質導電シートを圧着し、5層構成のMEAを作製する。
(4)触媒後担持法:白金未担持カーボン材料をプロトン伝導材料とともに混合したインクを固体電解質、多孔質導電シートあるいはPTFE上に塗布・製膜した後、白金イオンを当該固体電解質に含浸させ、白金粒子を膜中で還元析出させて触媒層を形成させる。触媒層を形成させた後は、上記(1)〜(3)の方法にてMEAを作製する。
The following four methods are preferable for the production of MEA.
(1) Proton conductive material coating method: A catalyst paste (ink) based on active metal-supported carbon, proton conductive material, and solvent is directly applied to both sides of the solid electrolyte, and a porous conductive sheet is (thermally) pressed. A 5-layer MEA is fabricated.
(2) Porous conductive sheet coating method: After applying a catalyst paste to the surface of the porous conductive sheet to form a catalyst layer, it is pressure-bonded to a solid electrolyte to produce a MEA having a five-layer structure.
(3) Decal method: After applying a catalyst paste on PTFE to form a catalyst layer, only the catalyst layer is transferred to a solid electrolyte to form a three-layer MEA, and a porous conductive sheet is pressure-bonded to form five layers. An MEA having a configuration is manufactured.
(4) Post-catalyst support method: After applying and forming an ink in which a platinum unsupported carbon material is mixed with a proton conductive material on a solid electrolyte, a porous conductive sheet, or PTFE, and impregnating the solid electrolyte with platinum ions, Platinum particles are reduced and deposited in the film to form a catalyst layer. After forming the catalyst layer, the MEA is produced by the above methods (1) to (3).
本発明の固体電解質を用いる燃料電池の燃料として用いることのできるのは、アノード燃料としては、水素、アルコール類(メタノール、イソプロパノール、エチレングリコールなど)、エーテル類(ジメチルエーテル、ジメトキシメタン、トリメトキシメタンなど)、ギ酸、水素化ホウ素錯体、アスコルビン酸などが挙げられる。カソード燃料としては、酸素(大気中の酸素も含む)、過酸化水素などが挙げられる。 The anode fuel that can be used as the fuel of the fuel cell using the solid electrolyte of the present invention is hydrogen, alcohols (methanol, isopropanol, ethylene glycol, etc.), ethers (dimethyl ether, dimethoxymethane, trimethoxymethane, etc.) ), Formic acid, borohydride complexes, ascorbic acid and the like. Examples of the cathode fuel include oxygen (including oxygen in the atmosphere) and hydrogen peroxide.
固体高分子型燃料電池と同義である直接メタノール型燃料電池では、アノード燃料として、メタノール濃度3〜64質量%のメタノール水溶液が使用される。アノード反応式(CH3OH+H2O→CO2+6H++6e)により、1モルのメタノールに対し、1モルの水が必要であり、この時のメタノール濃度は64質量%に相当する。メタノール濃度が高い程、同エネルギー容量での燃料タンクを含めた電池の質量および体積が小さくできる利点がある。しかしながら、メタノール濃度が高い程、メタノールが固体電解質を透過しカソード側で酸素と反応し電圧を低下させる、いわゆるクロスオーバー現象が顕著となり、出力が低下する傾向にある。そこで、用いる固体電解質のメタノール拡散性により、最適濃度が決められる。直接メタノール型燃料電池のカソード反応式は、(3/2O2+6H++6e-→H2O)であり、燃料として酸素(通常は空気中の酸素)が用いられる。 In a direct methanol fuel cell, which is synonymous with a polymer electrolyte fuel cell, a methanol aqueous solution having a methanol concentration of 3 to 64% by mass is used as an anode fuel. According to the anode reaction formula (CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e), 1 mol of water is required for 1 mol of methanol, and the methanol concentration at this time corresponds to 64% by mass. The higher the methanol concentration, there is an advantage that the mass and volume of the battery including the fuel tank with the same energy capacity can be reduced. However, the higher the methanol concentration, the more so-called crossover phenomenon that methanol permeates the solid electrolyte and reacts with oxygen on the cathode side to lower the voltage, and the output tends to decrease. Therefore, the optimum concentration is determined by the methanol diffusibility of the solid electrolyte used. The cathode reaction formula of the direct methanol fuel cell is (3 / 2O 2 + 6H + + 6e − → H 2 O), and oxygen (usually oxygen in the air) is used as the fuel.
上記アノード燃料およびカソード燃料を、それぞれの触媒層に供給する方法には、(1)ポンプ等の補機を用いて強制循環させる方法(アクティブ型)と、(2)補機を用いない方法(例えば、液体の場合には毛管現象や自然落下により、気体の場合には大気に触媒層を晒し供給するパッシブ型)の2通りがある。高出力が得られるアクティブ型が好ましい。 The methods for supplying the anode fuel and the cathode fuel to the respective catalyst layers include (1) a method of forced circulation using an auxiliary device such as a pump (active type), and (2) a method not using an auxiliary device ( For example, in the case of a liquid, there are two types, that is, a passive type in which the catalyst layer is exposed to the atmosphere and supplied in the case of a gas due to capillary action or natural fall. An active type capable of obtaining high output is preferable.
燃料電池の単セル電圧は一般的に1V以下であるので、負荷の必要電圧に合わせて、単セルを直列スタッキングして用いる。スタッキングの方法としては、単セルを平面上に並べる「平面スタッキング」および、単セルを、両側に燃料流路の形成されたセパレーターを介して積み重ねる「バイポーラースタッキング」が用いられる。前者は、カソード極(空気極)が表面に出るため、空気を取り入れ易く、薄型にできることから小型燃料電池に適している。この他にも、MEMS技術を応用し、シリコンウェハー上に微細加工を施し、スタッキングする方法も提案されている。 Since the single cell voltage of the fuel cell is generally 1 V or less, the single cells are used by stacking in series according to the required voltage of the load. As the stacking method, “planar stacking” in which the single cells are arranged on a plane and “bipolar stacking” in which the single cells are stacked via separators having fuel flow paths formed on both sides are used. The former is suitable for a small fuel cell because the cathode electrode (air electrode) comes out on the surface, so that air can be easily taken in and can be made thin. In addition to this, a method of applying MEMS technology, performing fine processing on a silicon wafer, and stacking has been proposed.
燃料電池は、運輸用、家庭用、携帯機器用など様々な利用が考えられているが、例えば、好ましく適用できる運輸用途としては、自動車(乗用車、貨物車、二輪車、個人用ビーグル)、船舶、家庭用としてはコジェネシステム、掃除機、ロボット、携帯機器としては携帯電話、ノートパソコン、電子スチルカメラ、PDA、ビデオカメラ、携帯ゲーム機、などが挙げられる。さらに、ポータブル発電機、野外照明機器などにも用いることができる。また、産業用や家庭用などのロボットあるいはその他の玩具の電源としても好ましく用いることができる。さらには、これらの機器に搭載された2次電池、キャパシタの充電用電源としても有用である。 The fuel cell is considered for various uses such as transportation, home use, and portable equipment. For example, preferable transportation applications include automobiles (passenger cars, freight cars, motorcycles, personal beagles), ships, For home use, cogeneration systems, vacuum cleaners, robots, and portable devices include mobile phones, notebook computers, electronic still cameras, PDAs, video cameras, and portable game machines. Furthermore, it can be used for portable generators, outdoor lighting devices, and the like. Moreover, it can be preferably used as a power source for industrial or household robots or other toys. Furthermore, it is also useful as a power source for charging secondary batteries and capacitors mounted on these devices.
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す具体例に限定されるものではない。 The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the specific examples shown below.
[イオン伝導度測定法]
固体電解質サンプルを直径5mmの円形に打ち抜き、2枚のステンレス板に挟み、交流インピーダンス法により、25℃、相対湿度95%におけるイオン伝導度を測定する。
[Ion conductivity measurement method]
A solid electrolyte sample is punched out into a circle having a diameter of 5 mm, sandwiched between two stainless steel plates, and ion conductivity at 25 ° C. and relative humidity of 95% is measured by an alternating current impedance method.
(実施例1) 固体電解質の作製
モノマーとして、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−クロロフェニルフェニル)スルホンを用い、丸善:第4版実験化学講座、28巻、高分子合成、P.357にある重合法に従い、ポリスルホン(I)を合成する。次いで、クロロメチル化法(Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol. 39, 2943-2950, 2001に記載)により、クロロメチル基を導入する。このクロロメチル化ポリスルホン(III)に、化合物(IV)をウイリアムソン−エーテル合成法により反応させ塩交換を行い、スルホン化ポリスルホン(V)を得る。下記方法に従って、イオン導電率を測定する。
(実施例2) 固体電解質の作製
4−(4‘−フェノキシ)フェノキシ安息香酸を用い、丸善:第4版実験化学講座、28巻、高分子合成、P.185にある重合法に従い、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)(VI)を合成する。次いで、クロロメチル化法(Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol. 39, 2943-2950, 2001に記載)により、クロロメチル基を導入する。このクロロメチル化ポリスルホン(VIII)に、化合物(IX)をウイリアムソン−エーテル合成法により反応させ塩交換を行い、スルホン化ポリスルホン(X)を得る。下記方法に従って、イオン導電率を測定する。
Example 2 Production of Solid Electrolyte Using 4- (4′-phenoxy) phenoxybenzoic acid, Maruzen: 4th Edition Experimental Chemistry Course, Vol. 28, Polymer Synthesis, p. According to the polymerization method at 185, polyetheretherketone (PEEK) (VI) is synthesized. Next, a chloromethyl group is introduced by a chloromethylation method (described in Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol. 39, 2943-2950, 2001). The chloromethylated polysulfone (VIII) is reacted with the compound (IX) by the Williamson-ether synthesis method to perform salt exchange to obtain the sulfonated polysulfone (X). The ionic conductivity is measured according to the following method.
10・・・燃料電池電極膜複合体(MEA)
11・・・固体電解質
12・・・アノード電極
12a・・・アノード極多孔質導電シート
12b・・・アノード極触媒層
13・・・カソード電極
13a・・・カソード極多孔質導電シート
13b・・・カソード極触媒層
14・・・パッキン
15・・・アノード極側開口部
16・・・カソード極側開口部
17・・・集電体
21,22・・・セパレータ
10 ... Fuel cell electrode membrane composite (MEA)
11 ... Solid electrolyte
12 ... Anode electrode
12a ... Anode porous conductive sheet
12b ... Anode electrode catalyst layer
13 ... Cathode electrode
13a ... Cathode porous conductive sheet
13b ... Cathode electrode catalyst layer
14 ... Packing
15 ... Anode pole side opening
16 ... Cathode pole side opening
17 ... current collector
21,22 ... Separator
Claims (9)
一般式(1)
General formula (1)
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