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JP2008166199A - POLYMER ELECTROLYTE, POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, AND FUEL CELL INCLUDING THE SAME - Google Patents

POLYMER ELECTROLYTE, POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, AND FUEL CELL INCLUDING THE SAME Download PDF

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JP2008166199A
JP2008166199A JP2006356450A JP2006356450A JP2008166199A JP 2008166199 A JP2008166199 A JP 2008166199A JP 2006356450 A JP2006356450 A JP 2006356450A JP 2006356450 A JP2006356450 A JP 2006356450A JP 2008166199 A JP2008166199 A JP 2008166199A
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JP
Japan
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polymer electrolyte
functional group
polymer
electrolyte membrane
group
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Withdrawn
Application number
JP2006356450A
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Japanese (ja)
Inventor
Yuichi Aihara
雄一 相原
Atsuo Muneuchi
篤夫 宗内
Takahito Ito
敬人 伊藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mie University NUC
Samsung R&D Institute Japan Co Ltd
Original Assignee
Mie University NUC
Samsung Yokohama Research Institute
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Publication date
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  • Polyethers (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Abstract

【課題】耐熱性があり且つ低湿状態でも優れたプロトン伝導性を有することにより、安価な原料を用いて簡便な化学合成法により生産性を向上させることが可能な高分子電解質、高分子電解質膜及びこれを備える燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明の高分子電解質は、主鎖にオリゴエチレンオキシド構造を有する高分岐ポリマーを主成分とする高分子電解質であって、上記高分岐ポリマーの側鎖の末端官能基として、少なくとも酸性官能基及び架橋性官能基を有する。上記高分岐ポリマーとしては,例えば,ポリ〔ビス(オリゴエチレングリコール)ベンゾエート〕などがある。
【選択図】なし
[PROBLEMS] To provide a polymer electrolyte and a polymer electrolyte membrane that are heat resistant and have excellent proton conductivity even in a low-humidity state, and can improve productivity by a simple chemical synthesis method using inexpensive raw materials. And a fuel cell including the same.
The polymer electrolyte of the present invention is a polymer electrolyte mainly composed of a hyperbranched polymer having an oligoethylene oxide structure in the main chain, and at least acidic as a terminal functional group of the side chain of the hyperbranched polymer. It has a functional group and a crosslinkable functional group. Examples of the hyperbranched polymer include poly [bis (oligoethylene glycol) benzoate].
[Selection figure] None

Description

本発明は、プロトン伝導性を有する燃料電池用の高分子電解質、高分子電解質膜及びこれを備える燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte for a fuel cell having proton conductivity, a polymer electrolyte membrane, and a fuel cell including the same.

プロトン伝導性の高分子電解質は、固体高分子型燃料電池をはじめとする電気化学デバイスに応用可能であり、特に、次世代のクリーンエネルギーとして注目される燃料電池においては、近年100℃以上の高温での運転が可能となるような無加湿あるいは低加湿下でプロトンが伝導可能な電解質膜の開発が注目されている。水に依存しない高温でプロトン伝導が可能な膜が提供されれば、燃料電池システムの簡略化が図られることから、例えば、家庭用コジェネレーション用途または自動車用用途等として普及が期待できる。   Proton-conducting polymer electrolytes can be applied to electrochemical devices including solid polymer fuel cells, and in particular, fuel cells that are attracting attention as next-generation clean energy have recently been used at high temperatures of 100 ° C. or higher. Attention has been focused on the development of electrolyte membranes capable of conducting protons under non-humidification or low humidification that enables operation at low temperatures. If a membrane capable of proton conduction at a high temperature that does not depend on water is provided, the fuel cell system can be simplified. For example, it can be expected to be widely used as a household cogeneration application or an automobile application.

固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜が触媒とガス拡散層等で構成される燃料極と酸素極とによって挟まれた構造であり、燃料極に水素ガスを、酸素極に空気または酸素を供給することによって、次式の電気化学反応が生じ、起電力を得る仕組みである。
(燃料極)H → 2H+2e
(酸素極)2H+(1/2)O+2e → H
A polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a polymer electrolyte membrane having proton conductivity is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode composed of a catalyst, a gas diffusion layer, and the like. By supplying air or oxygen to the electrode, an electrochemical reaction of the following formula occurs and an electromotive force is obtained.
(Fuel electrode) H 2 → 2H + + 2e
(Oxygen electrode) 2H + + (1/2) O 2 + 2e → H 2 O

ところで、上述したプロトン伝導性を有する高分子電解質膜としては、パーフルオロカーボンスルホン酸膜(例えば、米国デュポン社製ナフィオン(登録商標)膜等)、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、フルオロカーボンスルホン酸とポリビニリデンフロライドの混合膜、フルオロカーボンマトリックスにトリフルオロエチレンをグラフト化したもの、及びスルホン酸基を有するポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチオン伝導性膜としたもの等が従来から知られている。これらの高分子電解質のプロトン伝導は、スルホン酸の周囲の水分子が伝導に介在しているため、加湿等によって一定の湿潤状態で燃料電池に応用されるのが一般的である。したがって、運転温度は一般的に80℃以下とされるが、この温度制限により、触媒の一酸化炭素被毒などの問題が生じるため、選択的一酸化炭素除去が必要となり、システムはより複雑かつ高コスト化とならざるを得ない状況である。   By the way, examples of the polymer electrolyte membrane having proton conductivity described above include perfluorocarbon sulfonic acid membranes (for example, Nafion (registered trademark) membrane manufactured by DuPont, USA), sulfonated polyether ether ketone, fluorocarbon sulfonic acid and polyvinylidene. Conventionally known are fluoride mixed membranes, those obtained by grafting trifluoroethylene on a fluorocarbon matrix, and those obtained by using a cation exchange membrane made of a polystyrene-based cation exchange membrane having a sulfonic acid group. The proton conduction of these polymer electrolytes is generally applied to fuel cells in a certain wet state by humidification or the like because water molecules around the sulfonic acid are involved in conduction. Therefore, the operating temperature is generally set to 80 ° C. or lower. However, this temperature restriction causes problems such as carbon monoxide poisoning of the catalyst. Therefore, selective carbon monoxide removal is necessary, and the system is more complicated and The situation is inevitably high.

そのため、固体高分子電解質膜としては、(1)プロトン伝導性が優れていること、(2)電解質中の水分管理が容易であること、(3)耐熱性が優れていること、等の特性が要求される。   Therefore, the solid polymer electrolyte membrane has characteristics such as (1) excellent proton conductivity, (2) easy water management in the electrolyte, and (3) excellent heat resistance. Is required.

これらの要求特性を満足するため、例えば、特許文献1では、グラフト重合可能な基材ポリマーにポリビニルピリジンをグラフト重合し、そのグラフト基材にリン酸をドープすることにより、100℃以上の高温条件化でプロトン伝導性に優れた電解質膜を供給できるとされている。   In order to satisfy these required characteristics, for example, in Patent Document 1, polyvinyl pyridine is graft-polymerized on a base polymer that can be graft-polymerized, and phosphoric acid is doped on the graft base material, whereby a high-temperature condition of 100 ° C. or higher is achieved. It is said that an electrolyte membrane excellent in proton conductivity can be supplied by crystallization.

また、特許文献2では、酸性のポリマー(例えば、パーフルオロスルホン酸等)に塩基性ポリマー(例えば、プロピレングリコール等)を含浸により導入して、150℃の高温低湿状態でも良好なプロトン伝導性を得ることができるとされている。   In Patent Document 2, a basic polymer (for example, propylene glycol) is introduced into an acidic polymer (for example, perfluorosulfonic acid) by impregnation, and good proton conductivity is obtained even at a high temperature and low humidity of 150 ° C. It is said that you can get.

特開2001−213987号公報JP 2001-213987 A 特開2001−236973号公報JP 2001-236773 A 国際公開第2005/099010号パンフレットInternational Publication No. 2005/090910 Pamphlet Takahito Itoh,et al,「Ionic conductivity of the hyperbranched polymer−lithium metal salt systems」,J. of Power Sources, 81−82(1999),p.824〜829Takahito Itoh, et al, “Ionic conductance of the hyperbranched polymer-lithium metal salt systems”, J. Am. of Power Sources, 81-82 (1999), p. 824-829

しかしながら、上記特許文献1及び2に記載された発明では、高価な原料と複雑な工程を要し、生産コストも高くなるため、生産性が低いという問題があった。   However, the inventions described in Patent Documents 1 and 2 have a problem that productivity is low because expensive raw materials and complicated processes are required and production costs are high.

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、耐熱性があり且つ低湿状態でも優れたプロトン伝導性を有することにより、安価な原料を用いて簡便な化学合成法により生産性を向上させることが可能な、新規かつ改良された高分子電解質、高分子電解質膜及びこれを備える燃料電池を提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and its purpose is to provide a simple chemical synthesis using inexpensive raw materials because it has heat resistance and excellent proton conductivity even in a low humidity state. It is an object of the present invention to provide a new and improved polymer electrolyte, a polymer electrolyte membrane, and a fuel cell including the same, which can improve productivity by the method.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、リチウム電池用電解質材料として本発明者らが開発した樹木状構造を有する高分岐ポリマー(非特許文献1を参照)を基本高分子骨格とし、これを燃料電池の電解質膜用に改質する技術について鋭意検討を行った。ここで、上記樹木状構造を有する高分岐ポリマー(デンドリティックポリマーとも称される)は、コアとなる中心分子から枝分子が3次元的に樹木状に伸長した高分子である。この樹木状高分岐ポリマーは、通常の分岐高分子や線状高分子と比較して、立体的にかさ高く、溶解性が高く、非晶質で加工性に優れ、分子末端に多数の官能基を導入することができる、という特徴を有している。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have developed a hyperbranched polymer having a tree-like structure developed by the present inventors as an electrolyte material for lithium batteries (see Non-Patent Document 1). We have intensively studied the technology for making the basic polymer skeleton into a fuel cell electrolyte membrane. Here, the hyperbranched polymer having a dendritic structure (also referred to as a dendritic polymer) is a polymer in which branch molecules are three-dimensionally extended in a dendritic shape from a central core molecule. This dendritic hyperbranched polymer is sterically bulky, highly soluble, amorphous and excellent in processability compared to ordinary branched polymers and linear polymers, and has many functional groups at the molecular ends. Can be introduced.

上記検討の結果、本発明者らは、側鎖末端の官能基をアセチル基からフェニルスルホン酸等の酸性官能基に代えることにより、プロトン伝導性に優れた燃料電池用固体高分子電解質膜を製造できることを見出した(特許文献3を参照)。さらに、本発明者らは、側鎖末端の官能基をアセチル基からビニル基等の架橋性官能基に代えることにより、プロトン伝導性に優れ、且つ、自己支持性を有する燃料電池用固体高分子電解質膜を製造できることを見出し、これらの知見に基づいて本発明を完成するに至った。   As a result of the above studies, the present inventors manufactured a solid polymer electrolyte membrane for fuel cells excellent in proton conductivity by replacing the functional group at the end of the side chain from an acetyl group to an acidic functional group such as phenylsulfonic acid. It was found that this can be done (see Patent Document 3). Furthermore, the present inventors have changed the functional group at the end of the side chain from an acetyl group to a crosslinkable functional group such as a vinyl group, so that the solid polymer for fuel cells has excellent proton conductivity and has self-supporting properties. It has been found that an electrolyte membrane can be produced, and the present invention has been completed based on these findings.

すなわち、本発明のある観点によれば、主鎖にオリゴエチレンオキシド構造を有する高分岐ポリマーを主成分とする高分子電解質であって、高分岐ポリマーの側鎖の末端官能基として、少なくとも酸性官能基及び架橋性官能基を有する高分子電解質が提供される。   That is, according to one aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte mainly comprising a hyperbranched polymer having an oligoethylene oxide structure in the main chain, and at least an acidic functional group as a terminal functional group of a side chain of the hyperbranched polymer. And a polyelectrolyte having a crosslinkable functional group.

本発明の高分子電解質は、かかる構成を有することにより、高分岐ポリマーは、主鎖であるポリエチレンオキシド鎖を電荷移動媒体として機能し、酸性官能基がプロトン供与性のキャリアとして機能することから、水などの電荷移動媒体が存在しなくても、自己解離が可能であり且つプロトンを容易に伝導することができる。また、高分岐ポリマーの分子内に配置される架橋性末端官能基により、必要に応じて架橋反応を行うことも可能であり、ひいては自己支持性を有する電解質膜を提供することが可能となる。   Since the polymer electrolyte of the present invention has such a configuration, the hyperbranched polymer functions as a charge transfer medium using a polyethylene oxide chain as a main chain, and an acidic functional group functions as a proton-donating carrier. Even without a charge transfer medium such as water, self-dissociation is possible and protons can be easily conducted. Moreover, it is also possible to perform a crosslinking reaction as required by the crosslinkable terminal functional group arranged in the molecule of the hyperbranched polymer, and thus it is possible to provide an electrolyte membrane having self-supporting properties.

ここで、上記酸性官能基の一部または全部は、ホスホン酸基であることが好ましい。これにより、高分子電解質の耐熱性が著しく向上することが期待できる。これは、例えば、特開2006−265497号公報に背景技術として、「高温使用中、経時的にスルホ基の脱離を生じ、イオン交換容量の低下をきたし、性能が低下するという現象が見られることがある。これらの現象は、特に高温で顕著になる。」に見られるように、ポリイミド系高分子電解質に限らず、スルホン酸基をイオン性官能基として配する高分子化合物は、高温でのスルホン酸の脱離に伴う特性の低下が予想されるが、リン酸基・ホスホン酸基に関しては同様な報告はなされておらず、また、リン酸型燃料電池に見られるように、リン酸あるいはリン酸化合物は一般的に高温で安定とされているためである。従って、例えば、高温で作動させる必要があるリン酸型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池等に使用する場合など、イオン伝導度をある程度のレベルに維持しつつ、耐熱性を重視する必要がある場合には、酸性官能基の一部としてホスホン酸基を有することが好ましい。   Here, part or all of the acidic functional group is preferably a phosphonic acid group. Thereby, it can be expected that the heat resistance of the polymer electrolyte is remarkably improved. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-265497 discloses a background art that “the use of high temperatures causes the elimination of sulfo groups over time, resulting in a decrease in ion exchange capacity and a decrease in performance. These phenomena are particularly noticeable at high temperatures. ”As can be seen from the above, not only polyimide-based polymer electrolytes, but also polymer compounds having sulfonic acid groups as ionic functional groups can be used at high temperatures. However, the phosphoric acid group and the phosphonic acid group have not been reported in the same way, and as seen in phosphoric acid fuel cells, phosphoric acid groups are expected to lose their properties. Alternatively, the phosphoric acid compound is generally stable at high temperatures. Therefore, for example, when used in phosphoric acid fuel cells, solid oxide fuel cells, molten carbonate fuel cells, etc. that need to be operated at high temperatures, while maintaining ionic conductivity at a certain level, When importance is placed on the property, it is preferable to have a phosphonic acid group as part of the acidic functional group.

また、上記架橋性官能基の一部または全部は、アクリロイル基であることが好ましい。これにより、高分子電解質の合成過程の簡易化が可能となる。   Moreover, it is preferable that a part or all of the crosslinkable functional group is an acryloyl group. Thereby, the synthesis process of the polymer electrolyte can be simplified.

また、上記高分岐ポリマーとしては、例えば、下記一般式1で表されるポリ[ビス(オリゴエチレングリコール)ベンゾエート]が挙げられ、このうち、特に、(CHCHO)(m=1〜6)で表されるオリゴエチレンオキシド鎖と、ジオキシベンゾエートとから合成したAB型モノマーを重合して得られる樹木状構造を有するポリマーであることが好ましい。直鎖状の高分子の末端は2つであるのに対し、このように、上記高分岐ポリマーが樹木状構造を有するようにすることにより、高分子の末端が多く形成され、これにより、多くの末端官能基を導入することが可能となる。本発明においては、末端官能基として酸性官能基を多く導入すれば、プロトン伝導性を向上させることができ、末端官能基として架橋性官能基を多く導入すれば、分子間の架橋結合により機械的強度を向上させることができる。 Examples of the hyperbranched polymer include poly [bis (oligoethylene glycol) benzoate] represented by the following general formula 1, and among these, (CH 2 CH 2 O) m (m = 1) and oligoethylene oxide chain represented by 6) is preferably a polymer having a tree-like structure obtained by polymerizing an a 2 B type monomers synthesized from di oxybenzoate. Whereas the end of the linear polymer is two, in this way, by making the hyperbranched polymer have a tree-like structure, many ends of the polymer are formed. It is possible to introduce a terminal functional group. In the present invention, if a large number of acidic functional groups are introduced as terminal functional groups, proton conductivity can be improved, and if a large number of crosslinkable functional groups are introduced as terminal functional groups, mechanical cross-linking between molecules can be achieved. Strength can be improved.

Figure 2008166199
Figure 2008166199

また、上記架橋性官能基は、高分岐ポリマー中の末端官能基全体に対して、10mol%以上60mol%未満含まれていることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the said crosslinkable functional group is contained 10 mol% or more and less than 60 mol% with respect to the whole terminal functional group in a hyperbranched polymer.

また、本発明の別の観点によれば、上述した高分子電解質の主成分である高分岐ポリマーを架橋して形成される高分子電解質膜が提供される。   Moreover, according to another viewpoint of this invention, the polymer electrolyte membrane formed by bridge | crosslinking the hyperbranched polymer which is a main component of the polymer electrolyte mentioned above is provided.

また、本発明のさらに別の観点によれば、上記高分子電解質膜を備える燃料電池が提供される。このように、上記高温・低加湿の条件においてもプロトン伝導性を示し、かつ自己支持性を有する上記高分子電解質膜を電荷移動媒体として利用することにより、燃料電池システムの簡略化を図ることができる。   Moreover, according to another viewpoint of this invention, a fuel cell provided with the said polymer electrolyte membrane is provided. In this way, the fuel cell system can be simplified by using the polymer electrolyte membrane that exhibits proton conductivity even under the above-described conditions of high temperature and low humidity and has self-supporting property as a charge transfer medium. it can.

本発明によれば、耐熱性があり且つ低湿状態でも優れたプロトン伝導性を有することにより、安価な原料を用いて簡便な化学合成法により生産性を向上させることができ、さらには、自己支持性を有する高分子電解質、高分子電解質膜及びこれを備える燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, it has heat resistance and excellent proton conductivity even in a low-humidity state, so that productivity can be improved by a simple chemical synthesis method using inexpensive raw materials. It is possible to provide a polymer electrolyte having a property, a polymer electrolyte membrane, and a fuel cell including the same.

以下に、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.

本発明者らは、上述したように、耐熱性があり且つ無加湿状態でも優れたプロトン伝導性を有することにより、安価な原料を用いて簡便な化学合成法により生産性を向上させることが可能な高分子電解質を得るために、リチウム電池用電解質材料として本発明者らが開発した樹木状構造を有する高分岐ポリマーを基本高分子骨格とし、側鎖末端の官能基をアセチル基から酸性官能基に代えることにより、プロトン伝導性に優れた燃料電池用の高分子電解質膜を製造できることを見出した。   As described above, the inventors have heat resistance and excellent proton conductivity even in a non-humidified state, so that productivity can be improved by a simple chemical synthesis method using inexpensive raw materials. In order to obtain a simple polymer electrolyte, a highly branched polymer having a tree-like structure developed by the present inventors as an electrolyte material for lithium batteries is used as a basic polymer skeleton, and the functional group at the side chain terminal is changed from an acetyl group to an acidic functional group. It has been found that a polymer electrolyte membrane for a fuel cell excellent in proton conductivity can be produced by substituting for.

しかしながら、上記酸性官能基を有する樹木状高分岐ポリマーは、単独では粘糊状の液体であり、その固定化(電解質膜形成)には架橋剤を第2成分として用いる必要があった。また、上記樹木状高分岐ポリマーは、架橋性高分子とともにsemi−IPN(Interpenetrating Polymer Network)型高分子を形成するため、酸素極側で発生する水にこの高分子の一部が溶解する可能性があり、さらに、この高分子中における架橋反応を強いられるため、架橋自体が不均一になりやすく、一部は糊状となって溶出する等により不均一な電解質膜(膜の一部に孔が存在する等)となってしまうという問題があった。   However, the above-mentioned tree-like hyperbranched polymer having an acidic functional group is a sticky liquid alone, and a cross-linking agent has to be used as the second component for its immobilization (electrolyte film formation). The dendritic hyperbranched polymer forms a semi-IPN (Interpenetrating Polymer Network) type polymer together with the crosslinkable polymer, so that a part of the polymer may be dissolved in water generated on the oxygen electrode side. Furthermore, since the cross-linking reaction in this polymer is forced, the cross-linking itself is likely to be non-uniform, and a non-uniform electrolyte membrane (a part of the membrane has pores) due to elution as part of a paste. Etc.).

そこで、上記の問題を解決すべく本発明者らが検討を重ねた結果、本発明者らは、上記樹木状構造を有する高分岐ポリマーの側鎖の末端官能基として、酸性官能基に加えて架橋性官能基を導入することにより、樹木状構造を有する高分岐ポリマー単独で分子全体を完全に固定化することが可能となり、いわゆる自己支持性を有する固体高分子電解質膜が得られることを見出した。これにより、酸素極側で発生する水に対する溶解性もなくなり、均一な電解質膜を形成することができる。   Therefore, as a result of repeated studies by the present inventors to solve the above problems, the present inventors have added in addition to acidic functional groups as terminal functional groups of the side chains of the above-described highly branched polymer having a tree-like structure. It has been found that by introducing a crosslinkable functional group, it becomes possible to completely immobilize the whole molecule with a hyperbranched polymer having a tree-like structure alone, and a so-called self-supporting solid polymer electrolyte membrane can be obtained. It was. Thereby, the solubility with respect to the water generated on the oxygen electrode side is eliminated, and a uniform electrolyte membrane can be formed.

ここで、一般に、スルホン酸基等の酸性官能基とアクリロイル基等の架橋性官能基を単一分子に導入する場合、架橋性官能基の反応性が高いため、酸性官能基と架橋性官能基の双方を導入することは技術的に容易ではないものと考えられる。すなわち、一段階の反応で酸性官能基と架橋性官能基の双方を導入することは不可能であり、また、酸性官能基を先に導入することもできないという知見も本発明者らが行った実験により得られている。これに対して、本発明者らは、架橋性官能基を先に導入し、一度得られた中間生成物を単離してから、再度、酸性官能基を導入すればよいことを見出し、本発明を完成させた。   Here, in general, when an acidic functional group such as a sulfonic acid group and a crosslinkable functional group such as an acryloyl group are introduced into a single molecule, the reactivity of the crosslinkable functional group is high, so the acidic functional group and the crosslinkable functional group It is considered that it is not technically easy to introduce both of them. That is, the present inventors have also found that it is impossible to introduce both an acidic functional group and a crosslinkable functional group in a one-step reaction, and that an acidic functional group cannot be introduced first. It is obtained by experiment. In contrast, the present inventors have found that it is only necessary to introduce a crosslinkable functional group first, isolate an intermediate product once obtained, and then introduce an acidic functional group again. Was completed.

なお、酸性官能基としてホスホン酸基を使用する場合には、ホスホン酸基が反応に寄与してしまうため、ホスホン酸基を上記樹木状高分岐ポリマーに直接導入することができない。そのため、ホスホン酸エステルを導入後、加水分解を行ってホスホン酸とすることで目的とする化合物(側鎖の末端に酸性官能基が導入された樹木状高分岐ポリマー)を得ることができる。   In addition, when using a phosphonic acid group as an acidic functional group, since a phosphonic acid group will contribute to reaction, a phosphonic acid group cannot be directly introduce | transduced into the said dendritic hyperbranched polymer. Therefore, after introducing a phosphonic acid ester, hydrolysis can be performed to obtain a phosphonic acid, whereby a target compound (a dendritic hyperbranched polymer having an acidic functional group introduced at the end of a side chain) can be obtained.

(本発明に係る高分子電解質の構造)
以下、このようにして完成された本発明に係る高分子電解質の構造について詳細に説明する。
(Structure of polymer electrolyte according to the present invention)
Hereinafter, the structure of the polymer electrolyte according to the present invention thus completed will be described in detail.

本発明に係る高分子電解質は、主鎖にオリゴエチレンオキシド構造を有する高分岐ポリマーを主成分とするものであって、この高分岐ポリマーの側鎖の末端官能基として、少なくとも酸性官能基及び架橋性官能基を有する。   The polyelectrolyte according to the present invention is mainly composed of a hyperbranched polymer having an oligoethylene oxide structure in the main chain, and has at least an acidic functional group and a crosslinkable as a terminal functional group of a side chain of the hyperbranched polymer. Has a functional group.

かかる構成によれば、本発明の高分岐ポリマーは、オリゴエチレンオキシド主鎖を電荷移動媒体として、酸性官能基をプロトン供与性のキャリアとしての機能を備えることから、水などの電荷移動媒体が存在しなくても、自己解離が可能かつプロトンを伝導することができる高分子電解質を提供することができる。また、高分岐ポリマーの分子内に配置される架橋性末端官能基により、必要に応じて架橋反応を行うことも可能であり、ひいては自己支持性を有する電解質膜を提供することが可能となる。   According to such a configuration, the hyperbranched polymer of the present invention has a function as an oligoethylene oxide main chain as a charge transfer medium and an acidic functional group as a proton-donating carrier, and therefore there is a charge transfer medium such as water. Even if not, a polymer electrolyte capable of self-dissociation and capable of conducting protons can be provided. Moreover, it is also possible to perform a crosslinking reaction as required by the crosslinkable terminal functional group arranged in the molecule of the hyperbranched polymer, and thus it is possible to provide an electrolyte membrane having self-supporting properties.

ここで、主鎖にオリゴエチレンオキシド構造を有する高分岐ポリマーとしては、例えば、下記一般式1で示されるポリ[ビス(オリゴエチレングリコール)ベンゾエート]が挙げられる。   Here, examples of the highly branched polymer having an oligoethylene oxide structure in the main chain include poly [bis (oligoethylene glycol) benzoate] represented by the following general formula 1.

Figure 2008166199
Figure 2008166199

このようなポリ[ビス(オリゴエチレングリコール)ベンゾエート]としては、特に、(CHCHO)(m=1〜6)で示されるオリゴエチレンオキシド鎖とジオキシベンゾエートとから合成したAB型単量体を重合して得られる樹木状構造を有するポリマーであることが好ましい。 As such poly [bis (oligoethylene glycol) benzoate], in particular, A 2 B synthesized from an oligoethylene oxide chain represented by (CH 2 CH 2 O) m (m = 1 to 6) and dioxybenzoate. A polymer having a tree-like structure obtained by polymerizing a type monomer is preferred.

かかる構成によれば、直鎖状の高分子の末端は2つであるのに対し、このように、上記高分岐ポリマーが樹木状構造を有するようにすることにより、高分子の末端が多く形成され、これにより、多くの末端官能基を導入することが可能となる。本発明においては、末端官能基として酸性官能基を多く導入すれば、プロトン伝導性を向上させることができ、末端官能基として架橋性官能基を多く導入すれば、分子間の架橋結合により機械的強度を向上させることができる。   According to such a configuration, the end of the linear polymer is two, but in this way, by forming the hyperbranched polymer to have a tree-like structure, many ends of the polymer are formed. This makes it possible to introduce many terminal functional groups. In the present invention, if a large number of acidic functional groups are introduced as terminal functional groups, proton conductivity can be improved, and if a large number of crosslinkable functional groups are introduced as terminal functional groups, mechanical cross-linking between molecules can be achieved. Strength can be improved.

上記酸性官能基としては、例えば、スルホン酸基、スルフィン酸基、リン酸基、ホスホン酸基、メタンスルホン酸基等のアルキルスルホン酸基、フルオロメタンスルホン酸基等のフルオロアルキルスルホン酸基、カルボン酸基、フルオロホウ酸基等のプロトンを放出し得る官能基を挙げることができる。このような酸性官能基は、1種または2種以上を導入することができるが、特にホスホン酸基を含むことが好ましい。酸性官能基の一部、または架橋性官能基を除く全ての末端官能基としてホスホン酸を配することにより、高分岐ポリマーを含有する高分子電解質の耐熱性を著しく向上させることができる。   Examples of the acidic functional groups include sulfonic acid groups, sulfinic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups, alkylsulfonic acid groups such as methanesulfonic acid groups, fluoroalkylsulfonic acid groups such as fluoromethanesulfonic acid groups, Examples thereof include functional groups capable of releasing protons such as acid groups and fluoroboric acid groups. Such acidic functional groups can be introduced singly or in combination of two or more, and particularly preferably contain a phosphonic acid group. By arranging phosphonic acid as a part of the acidic functional group or as all the terminal functional groups excluding the crosslinkable functional group, the heat resistance of the polymer electrolyte containing the highly branched polymer can be remarkably improved.

また、上記架橋性官能基としては、例えば、ビニル基、アリル基、1−プロペニル基、アクリロイル基、グリシジルエーテル基、イソシアネート基、チオイソシアネート基等の二重結合を有する官能基を挙げることができる。このような架橋性官能基は、1種または2種以上を導入することができるが、特にアクリロイル基を含むことが好ましい。架橋性官能基の一部、または酸性官能基を除く全ての末端官能基としてアクリロイル基を配することにより、高分子電解質の合成過程を簡易化することが可能となる。   Examples of the crosslinkable functional group include a functional group having a double bond such as a vinyl group, an allyl group, a 1-propenyl group, an acryloyl group, a glycidyl ether group, an isocyanate group, and a thioisocyanate group. . Such a crosslinkable functional group can be introduced singly or in combination of two or more, and particularly preferably contains an acryloyl group. By arranging an acryloyl group as a part of the crosslinkable functional group or as all the terminal functional groups excluding the acidic functional group, the synthesis process of the polymer electrolyte can be simplified.

また、本発明の高分子電解質においては、上記架橋性官能基は、上述した高分岐ポリマー中の末端官能基全体に対して、10mol%以上60mol%未満の導入率で含まれていることが好ましく、30mol%以上60mol%未満の導入率で含まれていることがより好ましい。   In the polymer electrolyte of the present invention, it is preferable that the crosslinkable functional group is contained at an introduction rate of 10 mol% or more and less than 60 mol% with respect to the entire terminal functional group in the hyperbranched polymer described above. More preferably, it is contained at an introduction rate of 30 mol% or more and less than 60 mol%.

架橋性官能基の導入率が10mol%未満であると、分子間架橋の効果が不十分であるため、機械的強度が低く、また、自己支持性を有する電解質膜を得ることができない場合があり、架橋性官能基は、10mol%以上の導入率で含まれていることが好ましい。一方、架橋性官能基の導入率が60mol%以上であると、架橋密が高すぎて電解質膜が脆くなり、また、プロトン伝導性も低下するため、架橋性官能基は、60mol%未満の導入率で含まれていることが好ましい。   If the introduction ratio of the crosslinkable functional group is less than 10 mol%, the intermolecular crosslinking effect is insufficient, so that the mechanical strength is low and an electrolyte membrane having self-supporting properties may not be obtained. The crosslinkable functional group is preferably contained at an introduction rate of 10 mol% or more. On the other hand, when the introduction ratio of the crosslinkable functional group is 60 mol% or more, the crosslink density is too high, the electrolyte membrane becomes brittle, and the proton conductivity is lowered. It is preferable that it is contained at a rate.

なお、架橋性官能基の導入率(末端官能基全体に対するアクリロイル基の割合)は、架橋性官能基を導入する反応の反応時間、触媒として用いるN,N−ジシクロヘキシルカルボジイミド(DCC)の量、及び架橋性官能基として導入されるアクリル酸等の架橋剤の量で決まる。具体的には、架橋性官能基の導入率を上記範囲にするためには、反応時間を24〜48時間、DCCの量を高分岐ポリマーの繰り返し単位のモル数に対し1〜4倍、架橋剤の量を高分岐ポリマーの繰り返し単位のモル数に対し0.5〜3倍とすることが好ましい。   The introduction rate of the crosslinkable functional group (the ratio of the acryloyl group to the entire terminal functional group) is the reaction time of the reaction for introducing the crosslinkable functional group, the amount of N, N-dicyclohexylcarbodiimide (DCC) used as a catalyst, and It is determined by the amount of a crosslinking agent such as acrylic acid introduced as a crosslinkable functional group. Specifically, in order to make the introduction rate of the crosslinkable functional group within the above range, the reaction time is 24 to 48 hours, the amount of DCC is 1 to 4 times the number of moles of the repeating unit of the hyperbranched polymer, The amount of the agent is preferably 0.5 to 3 times the number of moles of the repeating unit of the hyperbranched polymer.

このように、本発明の高分子電解質は、高分岐ポリマーの末端に適切な導入率で架橋性官能基が配され、この架橋性官能基が架橋反応により分子間架橋を形成することにより、自己支持性を有する電解質膜を得ることができ、ひいては、このような自己支持性を有する電解質膜を備える燃料電池等のプロトン伝導性を必要とする電気化学デバイスに応用することができる。   As described above, the polyelectrolyte of the present invention has a crosslinkable functional group arranged at an appropriate introduction rate at the end of the highly branched polymer, and this crosslinkable functional group forms an intermolecular crosslink by a crosslink reaction. An electrolyte membrane having supportability can be obtained, and by extension, it can be applied to an electrochemical device that requires proton conductivity, such as a fuel cell having such a self-supporting electrolyte membrane.

(本発明に係る高分子電解質膜の製造方法)
以上、本発明に係る高分子電解質の構造について説明した。次に、かかる高分子電解質膜の製造方法について説明する。なお、以下の説明では、主鎖にオリゴエチレンオキシド構造を有する高分岐ポリマーが、(CHCHO)(m=1〜6)で表されるオリゴエチレンオキシド鎖と、ジオキシベンゾエートとから合成したAB型モノマーを重合して得られる樹木状構造を有するポリ[ビス(オリゴエチレングリコール)ベンゾエート]である場合を例に挙げて説明する。
(Method for producing polymer electrolyte membrane according to the present invention)
The structure of the polymer electrolyte according to the present invention has been described above. Next, a method for producing such a polymer electrolyte membrane will be described. In the following description, a hyperbranched polymer having an oligoethylene oxide structure in the main chain is synthesized from an oligoethylene oxide chain represented by (CH 2 CH 2 O) m (m = 1 to 6) and dioxybenzoate. The case of poly [bis (oligoethylene glycol) benzoate] having a dendritic structure obtained by polymerizing the prepared A 2 B type monomer will be described as an example.

まず、(CHCHO)(m=1〜6)で表されるオリゴエチレンオキシド鎖と、ジオキシベンゾエートを原料として合成したAB型モノマーを重合させ、ポリ[ビス(オリゴエチレングリコール)ベンゾエート]を合成する。次いで、ポリ[ビス(オリゴエチレングリコール)ベンゾエート]の側鎖の末端に、アクリロイル基等の架橋性官能基を導入する。 First, an oligoethylene oxide chain represented by (CH 2 CH 2 O) m (m = 1 to 6) and an A 2 B type monomer synthesized from dioxybenzoate as a raw material are polymerized to produce poly [bis (oligoethylene glycol). ) Benzoate]. Next, a crosslinkable functional group such as an acryloyl group is introduced at the end of the side chain of poly [bis (oligoethylene glycol) benzoate].

上記側鎖末端への架橋性官能基の導入方法としては、例えば、アクリル酸等の分子末端に重合性官能基を1つ以上有し架橋結合が可能な物質を、N,N−ジシクロヘキシルカルボジイミド(DCC)や4−(N,N−ジメチルアミノ)ピリジン(DMAP)等の物質とともに、上記ポリ[ビス(オリゴエチレングリコール)ベンゾエート]と反応させることにより、分子末端に架橋性官能基が導入されたポリ[ビス(オリゴエチレングリコール)ベンゾエート]を合成することができる。   As a method for introducing a crosslinkable functional group into the side chain terminal, for example, a substance having one or more polymerizable functional groups at the molecular terminal, such as acrylic acid, which can be cross-linked is converted to N, N-dicyclohexylcarbodiimide ( DCC) and 4- (N, N-dimethylamino) pyridine (DMAP) together with the above poly [bis (oligoethylene glycol) benzoate] introduced a crosslinkable functional group at the molecular end. Poly [bis (oligoethylene glycol) benzoate] can be synthesized.

さらに、架橋性官能基が導入されたポリ[ビス(オリゴエチレングリコール)ベンゾエート]を単離後、この分子の側鎖の末端に、スルホン酸基、ホスホン酸基等の酸性官能基を導入する。   Furthermore, after isolating poly [bis (oligoethylene glycol) benzoate] into which a crosslinkable functional group has been introduced, an acidic functional group such as a sulfonic acid group or a phosphonic acid group is introduced at the end of the side chain of this molecule.

上記側鎖末端への酸性官能基の導入方法としては、例えば、o−スルホ安息香酸、m−スルホ安息香酸またはp−安息香酸、あるいはジスルホ安息香酸のアルカリ金属塩により側鎖末端をエステル化した後、スルホン酸基に変換することによって、分子末端に架橋性官能基及び酸性官能基(この例ではスルホン酸基)が導入されたポリ[ビス(オリゴエチレングリコール)ベンゾエート]を合成することができる。   Examples of the method for introducing an acidic functional group into the side chain terminal include esterification of the side chain terminal with an alkali metal salt of o-sulfobenzoic acid, m-sulfobenzoic acid or p-benzoic acid, or disulfobenzoic acid. Thereafter, poly [bis (oligoethylene glycol) benzoate] in which a crosslinkable functional group and an acidic functional group (in this example, a sulfonic acid group) are introduced at the molecular end can be synthesized by conversion to a sulfonic acid group. .

また、上記側鎖末端への酸性官能基導入の別の方法としては、例えば、リン酸またはホスホン酸エステルを官能基として有する安息香酸化合物により側鎖末端をエステル化した後、官能基であるリン酸またはホスホン酸エステルの加水分解により、側鎖末端を酸性官能基に変換することによっても、分子末端に架橋性官能基及び酸性官能基(この例ではリン酸基またはホスホン酸基)が導入されたポリ[ビス(オリゴエチレングリコール)ベンゾエート]を合成することができる。   Further, as another method for introducing the acidic functional group to the side chain terminal, for example, after esterifying the side chain terminal with a benzoic acid compound having phosphoric acid or phosphonic acid ester as a functional group, A crosslinkable functional group and an acidic functional group (in this example, a phosphoric acid group or a phosphonic acid group) are also introduced into the molecular terminal by converting the side chain terminal to an acidic functional group by hydrolysis of an acid or phosphonic acid ester. Poly [bis (oligoethylene glycol) benzoate] can be synthesized.

このように、本発明に係る高分子電解質膜は、オリゴエチレンオキシド鎖やジオキシベンゾエートなどの安価な原料を用いて、簡便な化学合成法により製造することができる。そのため、高分子電解質膜の生産性を向上させることができる。また、上述したようにして製造された高分子電解質膜は、分子中に酸性官能基を有することから、耐熱性があり且つ低湿状態でも優れたプロトン伝導性を有するものである。さらに、本発明の高分子電解質膜は、分子中に酸性官能基のみならず架橋性官能基をも有することから、機械的強度が高く、自己支持性を有する膜を製造することができる。   Thus, the polymer electrolyte membrane according to the present invention can be produced by a simple chemical synthesis method using inexpensive raw materials such as oligoethylene oxide chains and dioxybenzoate. Therefore, the productivity of the polymer electrolyte membrane can be improved. In addition, the polymer electrolyte membrane produced as described above has an acidic functional group in the molecule, and thus has heat resistance and excellent proton conductivity even in a low humidity state. Furthermore, since the polymer electrolyte membrane of the present invention has not only acidic functional groups but also crosslinkable functional groups in the molecule, it is possible to produce a membrane having high mechanical strength and self-supporting properties.

なお、本発明に係る高分子電解質の製造の際には、上述したように、初めに架橋性官能基を導入した後に、酸性官能基を導入しなければならない。これは、酸性官能基と架橋性官能基を単一の分子に導入する場合には、架橋性反応基の反応性が高いため、一般的に、一段階の反応で同時に導入することは不可能であり、さらに、本発明者らの実験から、酸性官能基を先に導入することはできないことが明らかになったためである。従って、架橋性官能基を先に導入し、一度得られた中間生成物を単離してから、再度、酸性官能基を導入する必要がある。   In the production of the polymer electrolyte according to the present invention, as described above, after the crosslinkable functional group is first introduced, the acidic functional group must be introduced. This is because when an acidic functional group and a crosslinkable functional group are introduced into a single molecule, it is generally impossible to introduce them simultaneously in one step because the reactivity of the crosslinkable reactive group is high. Furthermore, it is because it became clear from an experiment by the present inventors that an acidic functional group cannot be introduced first. Therefore, it is necessary to introduce the crosslinkable functional group first, isolate the intermediate product once obtained, and then introduce the acidic functional group again.

また、上述したようにして製造された高分子電解質膜を利用して、公知の方法により、燃料電池等の電気化学デバイスを製造することができる。   Moreover, electrochemical devices, such as a fuel cell, can be manufactured by a well-known method using the polymer electrolyte membrane manufactured as mentioned above.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、下記実施例により本発明は限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

<実施例>
(AB型モノマーの合成)
まず、オリゴエチレンオキシド鎖とジオキシベンゾエートとから合成したAB型モノマーの一例として、Methyl 3,5−bis[(8’−hydroxy−3’,6’−dioxaoctyl)oxy]benzoate (3)を合成した。すなわち、下記反応式1に示すように、マグネティックスターラー、ジムロートを装備した300mlナスフラスコにMethyl 3,5−dihydroxybenzoate (1) (8.41g,50.0mmol)、Triethylene glycol monochlorohydrin (2) (18.5g,110mmol)、KCO (49.8g,361mmol)、18−Crown−6 (0.30g,1.15mmol)、アセトニトリル200mlを計り取り、フラスコ内を窒素気流下にし、50時間還流した。析出した白色固体を吸引濾過で取り除き、エバポレーターにより、濾液から溶媒を留去しオイル状の生成物を得た。ジクロロメタンを用いて充填したシリカゲルカラムに得られたオイルを通し、未反応物を含む第1、2バンドを酢酸エチルにより取り除き、溶離液をメタノールに変えて第3バンドを集め、溶媒を減圧留去することにより、Methyl 3,5−bis[(8’−hydroxy−3’,6’−dioxaoctyl)oxy]benzoate (3)を淡黄色の透明オイル状の物質として得た。収量は15.3gであり、収率は71.0%であった。
<Example>
(Synthesis of A 2 B type monomer)
First, as an example of an A 2 B type monomer synthesized from an oligoethylene oxide chain and dioxybenzoate, Methyl 3,5-bis [(8′-hydroxy-3 ′, 6′-dioxotactic) oxy] benzoate (3) is used. Synthesized. That is, as shown in the following reaction formula 1, in a 300 ml eggplant flask equipped with a magnetic stirrer and a Dimroth, Methyl 3,5-dihydroxybenzoate (1) (8.41 g, 50.0 mmol), Triethylene monochloromonohydrin (2) (18. 5 g, 110 mmol), K 2 CO 3 (49.8 g, 361 mmol), 18-Crown-6 (0.30 g, 1.15 mmol), and 200 ml of acetonitrile were weighed, and the flask was refluxed for 50 hours under a nitrogen stream. . The precipitated white solid was removed by suction filtration, and the solvent was distilled off from the filtrate by an evaporator to obtain an oily product. The obtained oil was passed through a silica gel column packed with dichloromethane, the first and second bands containing unreacted substances were removed with ethyl acetate, the eluent was changed to methanol, the third band was collected, and the solvent was distilled off under reduced pressure. As a result, Methyl 3,5-bis [(8′-hydroxy-3 ′, 6′-dioxoctyl) oxy] benzoate (3) was obtained as a pale yellow transparent oily substance. The yield was 15.3 g, and the yield was 71.0%.

Figure 2008166199
Figure 2008166199

(樹木状構造を有する高分岐ポリマーの合成)
次に、上記のようにして合成したAB型モノマーを重合して得られる樹木状構造を有する高分岐ポリマーの一例として、Poly[bis(triethylene glycol) benzoate] (4)を合成した。すなわち、下記反応式2に示すように、マグネティックスターラーを装備した30mlナスフラスコにMethyl 3,5−bis[(8’−hydroxy− 3’,6’−dioxaoctyl)oxy]benzoate (3) (4.01g,9.28mmol)を計り取り、触媒としてTributyltin(IV) Chloride (0.05g,0.15mmol)を加えた後、フラスコ内を窒素気流下にし、210℃に加熱して2時間重合させた。得られたゴム状固体を少量のTHFに溶解し、ヘキサンに沈殿させ、減圧下で乾燥させることにより、poly [bis(triethylene glycol) benzoate] (4)(分子量:Mn=4,000)を粘性固体として得た。収量は1.77gであり、収率は44.1%であった。
(Synthesis of hyperbranched polymer with dendritic structure)
Next, as an example of a hyperbranched polymer having a tree-like structure obtained by polymerizing the A 2 B type monomer synthesized as described above, Poly [bis (triethylene glycol) benzoate] (4) was synthesized. That is, as shown in the following reaction formula 2, Methyl 3,5-bis [(8′-hydroxy-3 ′, 6′-dioxoctyl) oxy] benzoate (3) (4) was added to a 30 ml eggplant flask equipped with a magnetic stirrer. 01 g, 9.28 mmol) was measured, and Tributyltin (IV) Chloride (0.05 g, 0.15 mmol) was added as a catalyst, and then the flask was placed in a nitrogen stream and heated to 210 ° C. for polymerization for 2 hours. . The obtained rubber-like solid was dissolved in a small amount of THF, precipitated in hexane, and dried under reduced pressure, whereby poly [bis (triethylene glycol) benzoate] (4) (molecular weight: Mn = 4,000) was made viscous. Obtained as a solid. The yield was 1.77 g, and the yield was 44.1%.

Figure 2008166199
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(末端にホスホン酸基及び架橋性官能基が導入された高分岐ポリマーの合成(1))
次に、上述したようにして合成されたPoly[bis(triethylene glycol) benzoate] (4)の側鎖の末端に、架橋性官能基及びホスホン酸基を導入すべく、末端高分岐ポリマー(HBP−PE−Ac) (8)を合成した。すなわち、下記反応式3に示すように、ナスフラスコにPoly[bis(triethylene glycol) benzoate] (4) 3.64g(9.10mmol)(分子量:M=4,100)、精製アクリル酸(5) 0.66g(9.10mmol)、N,N−ジシクロヘキシルカルボジイミド(DCC) 1.88g(9.10mmol)、4−(N,N−ジメチルアミノ)ピリジン(DMAP) 1.11g(9.10mmol)、塩化メチレン60mlを計り取り、窒素雰囲気下、室温で48時間攪拌し、Poly[bis(triethylene glycol) benzoate] (4)の側鎖の末端に、架橋性官能基を導入した。架橋性官能基が導入されたPoly[bis(triethylene glycol) benzoate] (4)を含む溶液に、4−(diethoxyphosphorylmethyl)benzoic acid (7) 2.48g(9.10mmol)、N,N−ジシクロヘキシルカルボジイミド (DCC) 1.88g(9.10mmol)、4−(N,N−ジメチルアミノ)ピリジン (DMAP) 1.10g(9.03mmol)加え、窒素雰囲気下、48時間攪拌した。吸引濾過後、濾液より溶媒を減圧留去した。得られた粘性固体を、塩化メチレンとエタノール混合溶媒とイソプロピルエーテルを用いた溶解―再沈殿法により精製し、淡黄色粘性固体としてHBP−PE−Ac (8)を得た。収量は3.64gであり、アクリロイル含量は、H―NMRにより算出した結果、33%であった。
(Synthesis of a highly branched polymer having a phosphonic acid group and a crosslinkable functional group introduced at the terminal (1))
Next, in order to introduce a crosslinkable functional group and a phosphonic acid group at the end of the side chain of Poly [bis (triethylene glycol) benzoate] (4) synthesized as described above, a terminal hyperbranched polymer (HBP- PE-Ac) (8) was synthesized. That is, as shown in the following reaction formula 3, Poly [bis (triethylene glycol) benzoate] (4) 3.64 g (9.10 mmol) (molecular weight: M n = 4,100), purified acrylic acid (5 ) 0.66 g (9.10 mmol), N, N-dicyclohexylcarbodiimide (DCC) 1.88 g (9.10 mmol), 4- (N, N-dimethylamino) pyridine (DMAP) 1.11 g (9.10 mmol) Then, 60 ml of methylene chloride was weighed and stirred at room temperature for 48 hours in a nitrogen atmosphere, and a crosslinkable functional group was introduced into the end of the side chain of Poly [bis (triethylene) benzoate] (4). In a solution containing Poly [bis (triethylene glycol) benzoate] (4) having a crosslinkable functional group introduced, 4- (diethylphosphorylmethyl) benzoic acid (7) 2.48 g (9.10 mmol), N, N-dicyclohexyldiimide (DCC) 1.88 g (9.10 mmol) and 4- (N, N-dimethylamino) pyridine (DMAP) 1.10 g (9.03 mmol) were added, and the mixture was stirred for 48 hours in a nitrogen atmosphere. After suction filtration, the solvent was distilled off from the filtrate under reduced pressure. The resulting viscous solid was purified by a dissolution-reprecipitation method using a mixed solvent of methylene chloride, ethanol and isopropyl ether to obtain HBP-PE-Ac (8) as a pale yellow viscous solid. The yield was 3.64 g, and the acryloyl content was 33% as calculated by 1 H-NMR.

Figure 2008166199
Figure 2008166199

(末端にホスホン酸基及び架橋性官能基が導入された高分岐ポリマーの合成(2))
最後に、上述のようにして得られたHBP−PE−Ac (8)の側鎖の末端に導入されたホスホン酸エステルを加水分解することにより、末端にホスホン酸基及び架橋性官能基が導入された高分岐ポリマーの一例として、HBP−PA−Ac(9)を合成した。すなわち、下記反応式4に示すように、ナスフラスコにHBP−PE−Ac (8) 3.64gを計り取り、塩化メチレン30mlに溶解させた。次いで、ブロモトリメチルシラン(TMSBr)2.2ml(17.0mmol)を加え、窒素雰囲気下、室温で17時間攪拌した。溶媒を減圧留去後、メタノール40mlを加え、更に12時間攪拌した。溶媒を減圧留去して得た残留物を、N,N−ジメチルホルムアミドーイソプロピルエーテルを用いた溶解−再沈殿法により精製し、最後にイソプロピルアルコールで洗浄し、淡黄色固体として末端高分岐ポリマーであるHBP−PA−Ac (9)を得た。収量は3.59gであった。HBP−PA−Ac (9)のFT−IRスペクトルを図1に示す。
(Synthesis of a highly branched polymer having a phosphonic acid group and a crosslinkable functional group introduced at the end (2))
Finally, the phosphonic acid ester introduced at the end of the side chain of HBP-PE-Ac (8) obtained as described above is hydrolyzed to introduce a phosphonic acid group and a crosslinkable functional group at the end. As an example of the resulting highly branched polymer, HBP-PA-Ac (9) was synthesized. That is, as shown in the following reaction formula 4, 3.64 g of HBP-PE-Ac (8) was weighed into an eggplant flask and dissolved in 30 ml of methylene chloride. Next, 2.2 ml (17.0 mmol) of bromotrimethylsilane (TMSBr) was added, and the mixture was stirred at room temperature for 17 hours under a nitrogen atmosphere. After the solvent was distilled off under reduced pressure, 40 ml of methanol was added and the mixture was further stirred for 12 hours. The residue obtained by distilling off the solvent under reduced pressure was purified by the dissolution-reprecipitation method using N, N-dimethylformamide-isopropyl ether, and finally washed with isopropyl alcohol to give a highly branched polymer as a pale yellow solid. HBP-PA-Ac (9) was obtained. The yield was 3.59g. The FT-IR spectrum of HBP-PA-Ac (9) is shown in FIG.

Figure 2008166199
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(末端にスルホン酸基及び架橋性官能基が導入された高分岐ポリマーの合成)
また、上述したようにして合成されたPoly[bis(triethylene glycol) benzoate] (4)の側鎖の末端に、架橋性官能基及びスルホン酸基を導入すべく、末端高分岐ポリマー(HBP−Ac−OH) (10)を合成した。すなわち、下記反応式5に示すように、ナスフラスコにPoly[bis(triethylene glycol) benzoate] (4) 1.99g(5.0mmol)(分子量:M=3,000)、精製アクリル酸(5) 0.72g(9.9mmol)、N,N−ジシクロヘキシルカルボジイミド(DCC) 1.03g(5.0mmol)、4−(N,N−ジメチルアミノ)ピリジン(DMAP) 0.61g(5.0mmol)、塩化メチレン30mlを秤り取り、窒素雰囲気下、室温で60時間攪拌した。吸引濾過後、濾液より溶媒を減圧留去した。得られた粘性固体を、塩化メチレンとエタノール混合溶媒とイソプロピルエーテルを用いた溶解―再沈殿法により精製し、褐色粘性固体としてHBP−Ac−OH (6)を得た。収量は1.92gであり、アクリロイル含量は、H―NMRにより算出した結果、46%であった。
(Synthesis of hyperbranched polymers with sulfonic acid groups and crosslinkable functional groups introduced at the ends)
Moreover, in order to introduce | transduce a crosslinkable functional group and a sulfonic acid group into the terminal of the side chain of Poly [bis (triethyleneglycol) benzoate] (4) synthesize | combined as mentioned above, a terminal hyperbranched polymer (HBP-Ac -OH) (10) was synthesized. That is, as shown in the following reaction formula 5, Poly [bis (triethylene glycol) benzoate] (4) 1.99 g (5.0 mmol) (molecular weight: M n = 3,000), purified acrylic acid (5 ) 0.72 g (9.9 mmol), N, N-dicyclohexylcarbodiimide (DCC) 1.03 g (5.0 mmol), 4- (N, N-dimethylamino) pyridine (DMAP) 0.61 g (5.0 mmol) Then, 30 ml of methylene chloride was weighed and stirred at room temperature for 60 hours in a nitrogen atmosphere. After suction filtration, the solvent was distilled off from the filtrate under reduced pressure. The resulting viscous solid was purified by a dissolution-reprecipitation method using a mixed solvent of methylene chloride, ethanol and isopropyl ether to obtain HBP-Ac-OH (6) as a brown viscous solid. The yield was 1.92 g, and the acryloyl content was 46% as calculated by 1 H-NMR.

フラスコにHBP−Ac−OH (6)(1.92g)、4−Sulfobenzoic Acid Monopotassium Salt (10)(2.06g、8.6mmol)、DMAP(0.52g,4.3mmol)、DCC(1.77g,8.6mmol),DMF30mLを秤り取り、窒素雰囲気下、26時間攪拌した。吸引濾過後、濾液より溶媒を減圧留去した。得られた粘性固体を、DMFとイソプロピルエーテルを用いた溶解―再沈殿法により精製し、黄色粘性固体としてHBP−SOK−Ac (11)を得た。収量は1.95gであり、H―NMRにより算出したアクリロイル含量とSOK含量は、それぞれ44%と56%であった。HBP−SOK−Ac (11)のFT−IRスペクトルを図2に示す。 The flask was charged with HBP-Ac-OH (6) (1.92 g), 4-Sulfobenzoic Acid Monopotassium Salt (10) (2.06 g, 8.6 mmol), DMAP (0.52 g, 4.3 mmol), DCC (1. 77 g, 8.6 mmol) and 30 mL of DMF were weighed and stirred for 26 hours under a nitrogen atmosphere. After suction filtration, the solvent was distilled off from the filtrate under reduced pressure. The obtained viscous solid was purified by a dissolution-reprecipitation method using DMF and isopropyl ether to obtain HBP-SO 3 K-Ac (11) as a yellow viscous solid. The yield was 1.95 g, and the acryloyl content and SO 3 K content calculated by 1 H-NMR were 44% and 56%, respectively. The FT-IR spectrum of HBP-SO 3 K-Ac (11) is shown in FIG.

Figure 2008166199
Figure 2008166199

(高分子電解質膜の製造)
以上のようにして合成された末端高分岐ポリマー HBP−PA−Ac (9)とCHClを質量比で50:50で溶液を調製し、ポリエチレンテレフタレートフィルム(PETフィルム)上にキャストし、架橋反応を行った。架橋反応は、室温で24時間、真空中において室温で24時間、真空中において130℃に加熱して24時間の順で行った。重合した試料をCHCl,HO,MeOH,DMSO(ジメチルスルホキシド)に浸したが、溶解せずに膨潤したことから、加熱による架橋反応の進行が示唆された。
(Manufacture of polymer electrolyte membrane)
A terminal hyperbranched polymer synthesized as described above HBP-PA-Ac (9) and CH 2 Cl 2 were prepared at a mass ratio of 50:50, cast onto a polyethylene terephthalate film (PET film), A cross-linking reaction was performed. The crosslinking reaction was performed in the order of 24 hours at room temperature, 24 hours at room temperature in a vacuum, and 24 hours by heating to 130 ° C. in a vacuum. The polymerized sample was immersed in CH 2 Cl 2 , H 2 O, MeOH, DMSO (dimethyl sulfoxide), but swelled without dissolving, suggesting the progress of the crosslinking reaction by heating.

また、合成された末端高分岐ポリマー HBP−SOK−Ac (11)とDMAcを質量比で50:50で溶液を調製し、PETフィルム上にキャストし、架橋反応を行った。架橋反応は、80℃のホットプレート上で24時間加熱、真空中において120℃に加熱して48時間の順で行った。重合した試料をHO,MeOH,DMFに浸したが、溶解せずに膨潤したことから、加熱による架橋反応の進行が示唆された。さらに、重合した試料フィルムを1N塩酸に24時間浸漬するとスルホン酸カリウム塩からスルホン酸(架橋HBP−SOH−Ac)へ変換される。架橋HBP−SOH−AcのFT−IRスペクトルを図3に示す。 Further, a synthesized terminal hyperbranched polymer HBP-SO 3 K-Ac (11) and DMAc were prepared at a mass ratio of 50:50, cast onto a PET film, and subjected to a crosslinking reaction. The crosslinking reaction was carried out in the order of 48 hours by heating on a hot plate at 80 ° C. for 24 hours and in vacuum at 120 ° C. Although the polymerized sample was immersed in H 2 O, MeOH, and DMF, it swelled without dissolving, suggesting the progress of the crosslinking reaction by heating. Furthermore, when the polymerized sample film is immersed in 1N hydrochloric acid for 24 hours, it is converted from sulfonic acid potassium salt to sulfonic acid (crosslinked HBP-SO 3 H-Ac). The FT-IR spectrum of the crosslinked HBP-SO 3 H-Ac is shown in FIG.

(固体高分子燃料電池の作製と評価)
上記末端高分岐ポリマー HBP−PA−Ac (9)を架橋して得られるプロトン伝導性固体高分子電解質膜(以下、「架橋HBP−PA−Ac膜」という。)を用いた固体高分子型燃料電池を作製すべく、市販のElectrochem社製の触媒付ガス拡散電極(白金1mg/cm担持カーボンペーパー)を3cm角に2枚切り出して、それぞれ、正極および負極とした。HBP−PA−Ac (9)を架橋して得られるプロトン伝導性固体高分子電解質膜を5cm角に切り取り、電解質層として中央に配置されるように挟み込み,膜電極接合体を形成した。このときに特にホットプレス等は行わなかった。また、作製した膜電極接合体の電解質部からガスリークを避けるため、フッ素ゴムのガスケットを配した上、ガス流路となる溝を形成した2枚のカーボンセパレータで挟み、更にカーボンセパレータの上からエンドプレートを配置してトルクレンチを用いて5kgf/cmで締め付けて固体高分子型燃料電池を作製した。そして、この固体高分子型燃料電池を用い、アノードガスに水素、カソードガスに酸素を使用して発電試験を行った。電池温度(セル温度)を130℃(試験温度130℃のまま2時間保持)とし、水素及び酸素の供給量はそれぞれ、100ml/分,100ml/分とし、供給ガスの加湿は行わなかった。固体高分子燃料電池の評価は、北斗電工株式会社製の電気化学測定装置HZ−3000を用いて、電流走査を行うことによって、変化する電圧(直流分極特性)を調べた。図4に、本実施例の燃料電池セルの直流分極特性を示したグラフを示す。なお、図4の縦軸は電圧[V]、横軸は電流[mA]を示してある。
(Production and evaluation of solid polymer fuel cell)
Solid polymer fuel using a proton conductive solid polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as “crosslinked HBP-PA-Ac membrane”) obtained by crosslinking the terminal hyperbranched polymer HBP-PA-Ac (9). In order to produce a battery, two commercially available gas diffusion electrodes with catalyst (electroplated by 1 mg / cm 2 of carbon paper) manufactured by Electrochem were cut into 3 cm squares, which were used as a positive electrode and a negative electrode, respectively. A proton conductive solid polymer electrolyte membrane obtained by crosslinking HBP-PA-Ac (9) was cut into 5 cm square and sandwiched so as to be arranged in the center as an electrolyte layer to form a membrane electrode assembly. At this time, no hot pressing or the like was performed. In addition, in order to avoid gas leakage from the electrolyte part of the fabricated membrane electrode assembly, a fluororubber gasket is provided, sandwiched between two carbon separators having grooves to form gas flow paths, and further, the carbon separator ends from above. The plate was placed and tightened at 5 kgf / cm 2 using a torque wrench to produce a polymer electrolyte fuel cell. Using this polymer electrolyte fuel cell, a power generation test was conducted using hydrogen as the anode gas and oxygen as the cathode gas. The battery temperature (cell temperature) was 130 ° C. (the test temperature was maintained at 130 ° C. for 2 hours), the supply amounts of hydrogen and oxygen were 100 ml / min and 100 ml / min, respectively, and the supply gas was not humidified. The polymer electrolyte fuel cell was evaluated by examining the voltage (DC polarization characteristics) that changed by performing current scanning using an electrochemical measuring device HZ-3000 manufactured by Hokuto Denko Corporation. In FIG. 4, the graph which showed the direct current | flow polarization characteristic of the fuel battery cell of a present Example is shown. In FIG. 4, the vertical axis represents voltage [V], and the horizontal axis represents current [mA].

図4に示したように、上記燃料電池では、電流が約15mAまで発電可能であった。上記燃料電池は、130℃という高温においても、供給ガスの加湿を行わなかったにもかかわらず発電が可能であった。このことから、一般的には燃料電池を高温作動させる場合には加湿器が必要とされているが、本発明によれば、加湿器を必要とせずに高温作動が可能な燃料電池を供給することが可能となることが示唆された。   As shown in FIG. 4, the fuel cell was able to generate power up to a current of about 15 mA. The fuel cell was able to generate power even at a high temperature of 130 ° C. even though the supply gas was not humidified. Therefore, a humidifier is generally required when operating the fuel cell at a high temperature. According to the present invention, a fuel cell capable of operating at a high temperature without supplying a humidifier is provided. It was suggested that it would be possible.

<イオン伝導性試験>
上記の方法により得られた高分子電解質膜のフィルム(架橋HBP−PA−Acのフィルム)について、イオン伝導率の測定を行った。このフィルムは、予備試験にて高温でも軟化に伴う形状変化が起こらないことを確認し、機械的強度が十分であることから、特にOリング等の支持具を用いずに、イオン伝導率測定用のセルを作製した。サンプルは、60℃雰囲気に半日放置した後、150℃まで昇温して半日放置した。その後、10℃毎の降温条件で、複素交流インピーダンス測定装置により、ブロッキング電極で交流2端子法(1MHz〜1Hz)10mmVの振幅で、抵抗を測定した。そして、測定した抵抗値から各温度におけるイオン伝導率を求めた。
<Ion conductivity test>
The ion conductivity of the polymer electrolyte membrane film (crosslinked HBP-PA-Ac film) obtained by the above method was measured. In this preliminary film, it was confirmed that the shape change caused by softening did not occur even at high temperatures, and the mechanical strength was sufficient, so that it was not necessary to use a support such as an O-ring. A cell was prepared. The sample was left in a 60 ° C. atmosphere for half a day, then heated to 150 ° C. and left for half a day. Then, resistance was measured with the amplitude of 10 mmV of AC 2 terminal methods (1 MHz-1 Hz) with the blocking electrode with the complex alternating current impedance measuring apparatus on the temperature fall conditions for every 10 degreeC. And the ionic conductivity in each temperature was calculated | required from the measured resistance value.

上記イオン伝導率の測定の結果を図5に示した。なお、図5は、本実施例に係る高分子電解質膜(架橋HBP−PA−Acのフィルム)のイオン伝導率を示すアレニウスプロットであり、縦軸にイオン伝導度[Scm−1]、横軸に温度のパラメータとして(1000/T)[K−1]を示してある。図5からわかるように、本実施例に係る高分子電解質膜は、150℃という高温かつ無加湿の条件化においても、10−5S/cm〜10−6S/cmと実用上十分なイオン伝導率を示した。一方、工業的に使用されているナフィオン膜は、無加湿条件下では絶縁体であり電解質膜として使用することができない。 The measurement result of the ionic conductivity is shown in FIG. FIG. 5 is an Arrhenius plot showing the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane (crosslinked HBP-PA-Ac film) according to the present example. The ordinate represents ionic conductivity [Scm −1 ] and the abscissa represents the ionic conductivity. (1000 / T) [K −1 ] is shown as a temperature parameter. As can be seen from FIG. 5, the polymer electrolyte membrane according to the present example is practically sufficient at 10 −5 S / cm 2 to 10 −6 S / cm 2 even under conditions of a high temperature of 150 ° C. and no humidification. Showed good ionic conductivity. On the other hand, Nafion membranes used industrially are insulators under non-humidified conditions and cannot be used as electrolyte membranes.

<耐熱性試験>
また,上記のようにして合成した酸性官能基(ここではホスホン酸基)及び架橋性官能基を有する高分岐ポリマー(9)を,熱重量分析(TG/DTA)にて測定した結果を図6に示した。図6は、本発明の実施例に係る高分子電解質の熱重量分析の結果を示すグラフである。この結果,上記高分岐ポリマーの熱的性質に関しては,200℃以下の重量損失は殆ど無く,202.2℃においての重量損失は0.5%であり,耐熱性のあることが確認された。
<Heat resistance test>
Moreover, the result of measuring the hyperbranched polymer (9) having an acidic functional group (here, phosphonic acid group) and a crosslinkable functional group synthesized as described above by thermogravimetric analysis (TG / DTA) is shown in FIG. It was shown to. FIG. 6 is a graph showing the results of thermogravimetric analysis of the polymer electrolyte according to the example of the present invention. As a result, with respect to the thermal properties of the hyperbranched polymer, there was almost no weight loss at 200 ° C. or less, and the weight loss at 202.2 ° C. was 0.5%, confirming heat resistance.

<機械的強度試験>
さらに、本発明の実施例に係る高分子電解質膜(架橋HBP−PA−Acのフィルム)に対して、機械的強度の試験を行った。具体的には、上述したようにして得られた高分子電解質膜の試験片を5枚積み重ねて、針侵入モードにて熱機械測定(TMA:Thermal Mechanical Analysis)を行った。TMA測定は、室温から150℃までを5℃/分で昇温し、その間、針侵入圧を50mNの一定に設定し、高分子電解膜の変位を調査した。
<Mechanical strength test>
Furthermore, a mechanical strength test was performed on the polymer electrolyte membrane (crosslinked HBP-PA-Ac film) according to the example of the present invention. Specifically, five test pieces of the polymer electrolyte membrane obtained as described above were stacked, and thermomechanical measurement (TMA: Thermal Mechanical Analysis) was performed in the needle penetration mode. In the TMA measurement, the temperature was increased from room temperature to 150 ° C. at a rate of 5 ° C./min. During that time, the needle penetration pressure was set to a constant value of 50 mN, and the displacement of the polymer electrolyte membrane was investigated.

上記TMA測定の結果を図7に示した。なお、図7は、温度の変化に対する高分子電解質膜の針侵入による変位を示すグラフであり、縦軸に膜の変位[μm]、横軸に温度[℃]を示してある。図7からわかるように、加熱と供に本発明の実施例に係る高分子電解質膜は膨張し、直線的に膜の変位が増加していることから、針の膜への侵入がない、すなわち、熱によって融解しない膜であることが確認された。換言すると、図7から、本発明の実施例に係る高分子電解質膜は、熱−加重応答に対して直線的に膨張することが明確である。本試験の場合には、140℃まで融解せずに膜形状を有していることがわかる。なお、比較例1に係る高分子電解質(高分子末端に架橋性官能基を有しないもの)については、自己支持性を有する膜を形成することができないため、本試験は不可能であった。   The result of the TMA measurement is shown in FIG. FIG. 7 is a graph showing displacement due to needle penetration of the polymer electrolyte membrane with respect to temperature change. The vertical axis shows the membrane displacement [μm], and the horizontal axis shows the temperature [° C.]. As can be seen from FIG. 7, the polymer electrolyte membrane according to the embodiment of the present invention expands with heating, and the displacement of the membrane increases linearly, so that there is no penetration of the needle into the membrane. The film was not melted by heat. In other words, it is clear from FIG. 7 that the polymer electrolyte membrane according to the embodiment of the present invention linearly expands with respect to the heat-weighted response. In the case of this test, it turns out that it has a film | membrane shape, without melt | dissolving to 140 degreeC. In addition, about the polymer electrolyte which concerns on the comparative example 1 (one which does not have a crosslinkable functional group in a polymer terminal), since the film | membrane which has a self-supporting property cannot be formed, this test was impossible.

<比較例1>
比較例1として、高分岐ポリマーの一例としてのPoly[bis(triethylene glycol) benzoate] (4)の側鎖末端に酸性官能基のみを有し、架橋官能基を有しない高分岐ポリマーHBP−PA (11)を合成した。
<Comparative Example 1>
As Comparative Example 1, Poly [bis (triethylene glycol) benzoate] (4) as an example of a hyperbranched polymer (4) has only an acidic functional group at the end of the side chain, and does not have a crosslinkable functional group HBP-PA ( 11) was synthesized.

(HBP−PEの合成)
具体的には、まず、下記反応式6に示すように、ナスフラスコにPoly[bis(triethylene glycol) benzoate] (4) 3.62g(9.03mmol)(分子量:M=4,000)、4−(diethoxyphosphorylmethyl)benzoic acid (7) 2.50g(9.03mmol)、N,N−ジシクロヘキシルカルボジイミド (DCC) 1.86g(9.03mmol)、4−(N,N−ジメチルアミノ)ピリジン (DMAP) 1.10g(9.03mmol)加え、窒素雰囲気下で48時間攪拌した。吸引濾過後、濾液より溶媒を減圧留去した。得られた粘性固体を、塩化メチレンとエタノール混合溶媒とヘキサンを用いた溶解―再沈殿法により精製し、淡黄色粘性固体としてHBP−PE(10)(分子量 M=4,300)を得た。収量は5.56gであった。
(Synthesis of HBP-PE)
Specifically, first, as shown in the following reaction formula 6, Poly [bis (triethylene glycol) benzoate] (4) 3.62 g (9.03 mmol) (molecular weight: M n = 4,000) in an eggplant flask. 4- (diethylphosphomethyl) benzoic acid (7) 2.50 g (9.03 mmol), N, N-dicyclohexylcarbodiimide (DCC) 1.86 g (9.03 mmol), 4- (N, N-dimethylamino) pyridine (DMAP) ) 1.10 g (9.03 mmol) was added and stirred for 48 hours under a nitrogen atmosphere. After suction filtration, the solvent was distilled off from the filtrate under reduced pressure. The obtained viscous solid was purified by a dissolution-reprecipitation method using a mixed solvent of methylene chloride, ethanol and hexane to obtain HBP-PE (10) (molecular weight M n = 4,300) as a pale yellow viscous solid. . The yield was 5.56g.

Figure 2008166199
Figure 2008166199

(HBP−PAの合成)
次に、上記のようにして得られたHBP−PE (10) 5.56g(8.59mmol,M=4,300)を、ナスフラスコに計り取り、塩化メチレン70mlに溶解させた。次いで、下記反応式7に示すように、ブロモトリメチルシラン(TMSBr) 3.0ml(23.3mmol)を加え、窒素雰囲気下で14時間還流した。溶媒を減圧留去して得た残留物にメタノール70mlを加え、10時間攪拌した。反応物をN,N−ジメチルホルムアミドーイソプロピルエーテルを用いた溶解−再沈殿法により精製後、減圧加熱乾燥して、淡黄色固体としてHBP−PA (11)を得た。収量は3.13gであった。
(Synthesis of HBP-PA)
Next, 5.56 g (8.59 mmol, M n = 4,300) of HBP-PE (10) obtained as described above was weighed into an eggplant flask and dissolved in 70 ml of methylene chloride. Then, as shown in the following reaction formula 7, 3.0 ml (23.3 mmol) of bromotrimethylsilane (TMSBr) was added and refluxed for 14 hours in a nitrogen atmosphere. To the residue obtained by distilling off the solvent under reduced pressure, 70 ml of methanol was added and stirred for 10 hours. The reaction product was purified by a dissolution-reprecipitation method using N, N-dimethylformamide-isopropyl ether and then dried by heating under reduced pressure to obtain HBP-PA (11) as a pale yellow solid. The yield was 3.13g.

Figure 2008166199
Figure 2008166199

得られた高分子 HBP−PA (11)は粘糊状の半固体であったが、この高分子単独で自己支持性のある膜の形成は不可能であった。このことから、高分子末端に架橋性官能基を導入することにより、自己支持性を有する膜を得ることができることが示唆された。   Although the obtained polymer HBP-PA (11) was a paste-like semi-solid, it was impossible to form a self-supporting film with this polymer alone. This suggests that a self-supporting membrane can be obtained by introducing a crosslinkable functional group into the polymer terminal.

<比較例2>
一方、比較例2として、高分岐ポリマーの一例としてのPoly[bis(triethylene glycol) benzoate] (4)の側鎖末端に架橋性官能基のみを有し、酸性官能基を有しない高分岐ポリマーAcrylated Poly[bis(triethylene glycol)benzoate] (1d)(架橋性官能基の導入率=100%)を合成した。
<Comparative example 2>
On the other hand, as Comparative Example 2, a highly branched polymer Acrylate which has only a crosslinkable functional group at the end of the side chain of Poly [bis (triethylene glycol) benzoate] (4) as an example of a hyperbranched polymer and does not have an acidic functional group. Poly [bis (triethylene glycol) benzoate] (1d) (introduction rate of crosslinkable functional group = 100%) was synthesized.

具体的には、下記反応式8に示すように、マグネティックスターラーを装備した100ml ナスフラスコにPoly[bis(triethylene glycol)benzoate] (4) (4.05g,9.35mmol)、Acryloyl Chloride (2.30g,28.0mmol)を計り取り、攪拌しながら塩化メチレン25mlに溶解したTriethylamine (4.0g,28.0mmol)を滴下し、室温で24時間攪拌した。反応溶液を分液ロートに入れ、塩化メチレンと飽和食塩水を加えて分液し、抽出した塩化メチレン層を無水硫酸マグネシウムで乾燥した。濾過より溶媒を減圧留去した。得られたオイル状の生成物に少量の塩化メチレンを加え、その溶液をイソプロピルエーテルに沈殿させ精製した後、減圧下で乾燥させることによりAcrylated Poly[bis(triethylene glycol)benzoate] (1d) (M=3,200)を黄色粘性オイルとして得た。収量は3.23gであり、収率は76%であった。 Specifically, as shown in the following reaction formula 8, Poly [bis (triethylene glycol) benzoate] (4) (4.05 g, 9.35 mmol), Acryloyl Chloride (2. 30 g, 28.0 mmol) was measured, and while stirring, Trithylamine (4.0 g, 28.0 mmol) dissolved in 25 ml of methylene chloride was added dropwise, and the mixture was stirred at room temperature for 24 hours. The reaction solution was placed in a separatory funnel, methylene chloride and saturated brine were added for liquid separation, and the extracted methylene chloride layer was dried over anhydrous magnesium sulfate. The solvent was removed under reduced pressure by filtration. A small amount of methylene chloride was added to the obtained oily product, and the solution was precipitated and purified in isopropyl ether, and then dried under reduced pressure to give an acrylated poly [bis (triethyleneglycol) benzoate] (1d) (M n = 3,200) was obtained as a yellow viscous oil. The yield was 3.23 g and the yield was 76%.

Figure 2008166199
Figure 2008166199

次に、上記のようにして得られた黄色粘性オイル(高分子)に、過酸化ベンゾイル(BPO)を10質量%添加し、48時間重合を行った。その結果、得られた生成物は茶色の硬い膜であり水に不溶であった。このことから、高分岐ポリマーの末端に導入されたアクリロイル基により架橋結合が形成されていることが示唆された。   Next, 10% by mass of benzoyl peroxide (BPO) was added to the yellow viscous oil (polymer) obtained as described above, and polymerization was performed for 48 hours. As a result, the obtained product was a brown hard film and insoluble in water. This suggested that a crosslink was formed by the acryloyl group introduced at the end of the highly branched polymer.

また、この比較例2による高分子膜は、分子内にイオンと成り得る成分を有しないことから予想されるとおり、上記本発明の実施例に係る高分子電解質に対して行ったような複素交流インピーダンス測定は不可能であった。測定装置の性能から、10Ω以上の不導体であることが確認された。 Further, as expected from the fact that the polymer film according to Comparative Example 2 does not have a component capable of forming an ion in the molecule, the complex alternating current as performed for the polymer electrolyte according to the example of the present invention is used. Impedance measurement was not possible. From the performance of the measuring device, it was confirmed that it was a non-conductor of 10 7 Ω or more.

以上の結果から、分子末端が架橋性官能基のみで、酸性官能基が存在しない場合には、イオン伝導性を有しないことがわかった。また、上述した本発明の実施例に係る高分子電解質に対して行ったイオン伝導度の試験の結果からも示唆されるように、架橋性官能基の増加(逆に言うと、酸性官能基の減少)に伴って、イオン伝導が低下するのは高分子内におけるイオンキャリアの減少に比例するのは明確である(下記表1を参照)。従って、良好なイオン伝導性を保つにはキャリア密度が高い、即ち、酸性官能基が多く、架橋性官能基が少ないことが好ましい。一方で、上述の通り、比較例1の高分子が自己支持性の膜を形成しないことからもわかるように、少なくとも高分子電解質の一部に架橋性官能基を有することが必要であり、特に、架橋性官能基の導入率が10%以上、60%未満であると、良好なイオン伝導性を保ちつつ、かつ、自己支持性を有する膜を形成することができるため、好ましい。   From the above results, it was found that when the molecular terminal is only a crosslinkable functional group and no acidic functional group is present, it does not have ionic conductivity. Further, as suggested from the results of the ionic conductivity test performed on the polymer electrolytes according to the examples of the present invention described above, the increase in crosslinkable functional groups (in other words, It is clear that the decrease in ionic conduction is proportional to the decrease in ion carriers in the polymer (see Table 1 below). Therefore, in order to maintain good ion conductivity, it is preferable that the carrier density is high, that is, there are many acidic functional groups and few crosslinkable functional groups. On the other hand, as described above, as can be seen from the fact that the polymer of Comparative Example 1 does not form a self-supporting film, it is necessary that at least a part of the polymer electrolyte has a crosslinkable functional group. When the introduction ratio of the crosslinkable functional group is 10% or more and less than 60%, a film having self-supporting property can be formed while maintaining good ion conductivity.

Figure 2008166199
Figure 2008166199

<イオン伝導度の熱安定性試験>
次に、上記本発明の実施例に係る高分子電解質(架橋HBP−PA−Acのフィルム)、及び一般的なパーフルオロスルホン酸型の高分子電解質として市販のナフィオンを用いた電解質膜(以下、「ナフィオン膜」という)に対して、イオン伝導度の熱に対する安定性の試験を行った。ナフィオン膜のサンプルの作製は以下のようにして行った。すなわち、市販のNafion(登録商標)の20%溶液(Aldrich社製 52,712−2)からドクターブレードを用いたキャスト法によって高分子電解質膜を得た。乾燥温度は40℃とし、得られた膜(本発明の実施例に係る高分子電解質膜及びナフィオン膜)を水中でガラス基材より剥離して湿潤状態の膜を用いて、高温における抵抗(ここでは、イオン伝導度の逆数に定数を乗じたもの)の熱安定性の比較評価を行った。
<Ion conductivity thermal stability test>
Next, the polymer electrolyte (crosslinked HBP-PA-Ac film) according to the examples of the present invention, and an electrolyte membrane (hereinafter, referred to as Nafion) using commercially available Nafion as a general perfluorosulfonic acid type polymer electrolyte. A test of stability of ionic conductivity against heat was conducted on “Nafion membrane”. A sample of Nafion membrane was prepared as follows. That is, a polymer electrolyte membrane was obtained from a commercially available 20% solution of Nafion (registered trademark) (52,712-2 manufactured by Aldrich) by a casting method using a doctor blade. The drying temperature was set to 40 ° C., and the obtained membranes (the polymer electrolyte membrane and the Nafion membrane according to the examples of the present invention) were peeled off from the glass substrate in water, and a wet membrane was used. Then, a comparative evaluation of the thermal stability of the inverse of the ionic conductivity multiplied by a constant was performed.

上記イオン伝導度の熱安定性試験の結果を図8に示した。なお、図8は、本発明の実施例に係る高分子電解質と比較例としてのパーフルオロスルホン酸型高分子電解質膜であるナフィオン膜の、経過時間に対する膜抵抗の変化を示したグラフであり、縦軸に膜抵抗の上昇率[%]、横軸に経過時間[時間]を示してある。図8に示すように、本発明の実施例に係る高分子電解質膜は、高温(本試験では150℃)の条件下においても、膜抵抗がほとんど上昇せず、安定したイオン伝導度を示すことがわかった。一方、ナフィオン膜は、時間の経過と共に(本実験においては8時間を経過した辺りから)、膜抵抗が急激に上昇し、イオン伝導度が顕著に低下することがわかった。   The result of the thermal stability test of the ionic conductivity is shown in FIG. FIG. 8 is a graph showing changes in membrane resistance with respect to elapsed time of a polymer electrolyte according to an example of the present invention and a Nafion membrane which is a perfluorosulfonic acid type polymer electrolyte membrane as a comparative example. The vertical axis shows the rate of increase in membrane resistance [%], and the horizontal axis shows the elapsed time [hour]. As shown in FIG. 8, the polymer electrolyte membranes according to the examples of the present invention show stable ion conductivity with little increase in membrane resistance even under high temperature conditions (150 ° C. in this test). I understood. On the other hand, it was found that with the Nafion membrane, with the passage of time (in the present experiment, after about 8 hours), the membrane resistance suddenly increased and the ionic conductivity significantly decreased.

ナフィオン(登録商標)等のパーフルオロスルホン酸型高分子固体電解質は、水分を保持した状態で優れたイオン伝導性を有することから、高分子固体電解質膜を用いた燃料電池用途に適した膜である。しかしながら、水を媒体としたイオン伝導機構であることから、上記実験からも明らかなように、100℃以上の温度域においてはイオン伝導性の低下が著しい。しかしながら、本発明の電解質におけるイオン伝導は水を媒体としないため、150℃においても安定した膜抵抗、すなわち、安定したイオン伝導度を維持可能である。従って、以上の実験及び検討から、本発明の高分子電解質によれば、高温においても安定したイオン伝導を達成できることが示唆された。   Perfluorosulfonic acid type polymer solid electrolytes such as Nafion (registered trademark) have excellent ionic conductivity in a state where moisture is retained. Therefore, these membranes are suitable for fuel cell applications using polymer solid electrolyte membranes. is there. However, since it is an ionic conduction mechanism using water as a medium, the ionic conductivity is remarkably lowered in a temperature range of 100 ° C. or higher, as is apparent from the above experiment. However, since ionic conduction in the electrolyte of the present invention does not use water as a medium, stable membrane resistance, that is, stable ionic conductivity can be maintained even at 150 ° C. Therefore, the above experiments and studies suggest that the polymer electrolyte of the present invention can achieve stable ionic conduction even at high temperatures.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this example. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.

本発明の一実施例に係るHBP−PA−Ac (9)のFT−IRスペクトルである。It is a FT-IR spectrum of HBP-PA-Ac (9) concerning one example of the present invention. 本発明の一実施例に係るHBP−SOK−Ac (11)のFT−IRスペクトルである。It is an FT-IR spectrum of HBP-SO 3 K-Ac according to an embodiment of the present invention (11). 本発明の一実施例に係る架橋HBP−SOH−AcのFT−IRスペクトルである。It is an FT-IR spectrum of crosslinking HBP-SO 3 H-Ac according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施例に係る燃料電池セルの直流分極特性を示したグラフである。3 is a graph showing a direct current polarization characteristic of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施例に係る高分子電解質膜のイオン伝導率を示すアレニウスプロットである。It is an Arrhenius plot which shows the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane which concerns on one Example of this invention. 本発明の実施例に係る高分子電解質の熱重量分析の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the thermogravimetric analysis of the polymer electrolyte which concerns on the Example of this invention. 温度の変化に対する高分子電解質膜の針侵入による変位を示すグラフである。It is a graph which shows the displacement by the needle | hook penetration of the polymer electrolyte membrane with respect to the change of temperature. 本発明の実施例に係る高分子電解質と比較例としてのパーフルオロスルホン酸型高分子電解質膜であるナフィオン膜の、経過時間に対する膜抵抗の変化を示したグラフである。It is the graph which showed the change of the membrane resistance with respect to elapsed time of the polymer electrolyte which concerns on the Example of this invention, and the Nafion membrane which is a perfluorosulfonic acid type polymer electrolyte membrane as a comparative example.

Claims (8)

主鎖にオリゴエチレンオキシド構造を有する高分岐ポリマーを主成分とする高分子電解質であって、
前記高分岐ポリマーの側鎖の末端官能基として、少なくとも酸性官能基及び架橋性官能基を有することを特徴とする、高分子電解質。
A polymer electrolyte mainly composed of a highly branched polymer having an oligoethylene oxide structure in the main chain,
A polymer electrolyte comprising at least an acidic functional group and a crosslinkable functional group as a terminal functional group of a side chain of the hyperbranched polymer.
前記酸性官能基の一部又は全部は、ホスホン酸基であることを特徴とする、請求項1に記載の高分子電解質。   The polymer electrolyte according to claim 1, wherein a part or all of the acidic functional group is a phosphonic acid group. 前記架橋性官能基の一部又は全部は、アクリロイル基であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の高分子電解質。   The polymer electrolyte according to claim 1 or 2, wherein a part or all of the crosslinkable functional group is an acryloyl group. 前記高分岐ポリマーは、下記一般式1で表されるポリ[ビス(オリゴエチレングリコール)ベンゾエート]であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の高分子電解質。
Figure 2008166199
The polymer electrolyte according to claim 1, wherein the highly branched polymer is poly [bis (oligoethylene glycol) benzoate] represented by the following general formula 1.
Figure 2008166199
前記ポリ[ビス(オリゴエチレングリコール)ベンゾエート]は、(CHCHO)(m=1〜6)で表されるオリゴエチレンオキシド鎖と、ジオキシベンゾエートとから合成したAB型モノマーを重合して得られる樹木状構造を有するポリマーであることを特徴とする、請求項4に記載の高分子電解質。 The poly [bis (oligoethylene glycol) benzoate] is an A 2 B type monomer synthesized from an oligoethylene oxide chain represented by (CH 2 CH 2 O) m (m = 1 to 6) and dioxybenzoate. The polymer electrolyte according to claim 4, which is a polymer having a tree-like structure obtained by polymerization. 前記架橋性官能基は、前記高分岐ポリマー中の末端官能基全体に対して、10mol%以上60mol%未満含まれることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の高分子電解質。   6. The polymer electrolyte according to claim 1, wherein the crosslinkable functional group is contained in an amount of 10 mol% or more and less than 60 mol% with respect to the entire terminal functional group in the hyperbranched polymer. 請求項1〜6のいずれかに記載の高分子電解質の主成分である高分岐ポリマーを架橋して形成される、高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane formed by crosslinking the hyperbranched polymer that is a main component of the polymer electrolyte according to claim 1. 請求項7に記載の高分子電解質膜を備える、燃料電池。   A fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 7.
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