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JP2008214508A - Compound consisting of solid acid and hyperbranched polymer and use thereof - Google Patents

Compound consisting of solid acid and hyperbranched polymer and use thereof Download PDF

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JP2008214508A
JP2008214508A JP2007054422A JP2007054422A JP2008214508A JP 2008214508 A JP2008214508 A JP 2008214508A JP 2007054422 A JP2007054422 A JP 2007054422A JP 2007054422 A JP2007054422 A JP 2007054422A JP 2008214508 A JP2008214508 A JP 2008214508A
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JP
Japan
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polymer
sulfonic acid
compound
amorphous carbon
group
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Application number
JP2007054422A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinichiro Yamagata
紳一郎 山形
Katsuyuki Kishi
克行 岸
Yukikazu Hara
亨和 原
Masaaki Kakimoto
雅明 柿本
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.)
Tokyo Institute of Technology NUC
Toppan Inc
Original Assignee
Tokyo Institute of Technology NUC
Toppan Printing Co Ltd
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Publication date
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  • Polymers With Sulfur, Phosphorus Or Metals In The Main Chain (AREA)
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Abstract

【課題】フィルム化する際のハンドリング性、フィルムの安定性や耐久性、プロトン伝導度に優れ、高分子電解質膜、固体酸触媒、イオン交換膜などに利用できる化合物の提供。
【解決手段】固体酸と多分岐高分子からなる化合物であって、前記固体酸が前記多分岐高分子と求電子置換反応によって結合していることを特徴とする化合物であり、好ましくは前記固体酸が、多環式芳香族炭化水素類を濃硫酸あるいは発煙硫酸中で加熱処理し多環状芳香族炭化水素を縮合およびスルホン化することによって得られるスルホン酸基が導入された無定形炭素であり、前記多分岐高分子が、主鎖に耐酸化性である芳香族構造を有し末端にはスルホン基を有する多分岐高分子である化合物により課題を解決できる。
【選択図】図1
[Problem] To provide a compound excellent in handling property in film formation, stability and durability of a film, and proton conductivity, and usable in a polymer electrolyte membrane, a solid acid catalyst, an ion exchange membrane and the like.
A compound comprising a solid acid and a hyperbranched polymer, wherein the solid acid is bonded to the hyperbranched polymer by an electrophilic substitution reaction, preferably the solid An acid is an amorphous carbon having a sulfonic acid group introduced by heat-treating polycyclic aromatic hydrocarbons in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid and condensing and sulfonating the polycyclic aromatic hydrocarbons. The problem can be solved by a compound in which the multi-branched polymer is a multi-branched polymer having an aromatic structure having oxidation resistance in the main chain and having a sulfone group at the terminal.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、固体酸と多分岐高分子からなる化合物およびその利用に関するものであり、さらに詳しくは、フィルム化する際のハンドリング性、フィルムの安定性や耐久性、およびプロトン伝導度に優れ、高分子電解質膜、固体酸触媒、イオン交換膜などに利用できる固体酸と多分岐高分子からなる化合物に関するものである。   The present invention relates to a compound comprising a solid acid and a multi-branched polymer and use thereof. More specifically, the present invention is excellent in handling properties in film formation, stability and durability of the film, and proton conductivity. The present invention relates to a compound comprising a solid acid and a multi-branched polymer that can be used for a molecular electrolyte membrane, a solid acid catalyst, an ion exchange membrane, and the like.

近年、高いエネルギー効率を有し、環境負荷の少ない燃料電池が注目されている。燃料電池とは、水素やメタノールなどの燃料を酸素または空気を用いて電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出すものである。
このような燃料電池は、用いる電解質の種類によって、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、アルカリ型などに分類される。このうち、陽イオン交換膜を電解質として用いる固体高分子型燃料電池は、用いる電解質膜を薄くすることにより燃料電池内の内部抵抗を低減できるため高電流で操作でき、小型化が可能である。このような利点から固体高分子型の研究が盛んになってきている。
In recent years, fuel cells having high energy efficiency and low environmental impact have attracted attention. A fuel cell is one that converts chemical energy of fuel into electrical energy by electrochemically oxidizing fuel such as hydrogen or methanol using oxygen or air.
Such fuel cells are classified into a solid polymer type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, an alkaline type, and the like depending on the type of electrolyte used. Among these, a polymer electrolyte fuel cell using a cation exchange membrane as an electrolyte can be operated at a high current because the internal resistance in the fuel cell can be reduced by thinning the electrolyte membrane to be used, and can be miniaturized. Because of these advantages, research on solid polymer types has become active.

固体高分子型燃料電池に用いる電解質膜には、燃料電池の電極反応に関与するプロトンについて高いプロトン伝導性が要求される。このようなプロトン伝導性高分子電解質膜材料としては、ナフィオン(Nafion, デュポン社の登録商標)などのスルホン酸基含有フッ素樹脂が知られている。
しかし、これらの高分子電解質材料は扱いづらいフッ素系の樹脂である上、合成経路が複雑であり、非常に高価であるという問題を抱えている。
また、スルホン酸基含有フッ素樹脂は、ガラス転移温度が低く、耐熱性が低いため、動作温度を高温化した際には樹脂が劣化する恐れも抱えている(特許文献1参照)。
The electrolyte membrane used in the polymer electrolyte fuel cell is required to have high proton conductivity with respect to protons involved in the electrode reaction of the fuel cell. As such proton conductive polymer electrolyte membrane materials, sulfonic acid group-containing fluororesins such as Nafion (registered trademark of DuPont) are known.
However, these polymer electrolyte materials have a problem that they are difficult to handle fluorine-based resins, have a complicated synthesis route, and are very expensive.
In addition, since the sulfonic acid group-containing fluororesin has a low glass transition temperature and low heat resistance, there is a risk that the resin will deteriorate when the operating temperature is increased (see Patent Document 1).

一方、スルホン基を有する多分岐高分子を用いて燃料電池用電解質膜を製造することが提案されている(特許文献2参照)。
しかしながら、この多分岐高分子は分子の絡み合いが生じにくいために、多分岐高分子のみで電解質膜のフィルム化を試みた場合では、フィルムの機械的強度が弱かったり、もしくはフィルム化自体が困難であるという課題がある。
On the other hand, it has been proposed to produce a fuel cell electrolyte membrane using a multi-branched polymer having a sulfone group (see Patent Document 2).
However, since this multibranched polymer is unlikely to cause molecular entanglement, when attempting to form an electrolyte membrane with only a multibranched polymer, the mechanical strength of the film is weak or the film itself is difficult to form. There is a problem that there is.

本発明者らは、スルホン酸基が導入された無定形炭素(スルホン酸基導入無定形炭素)である固体酸が燃料電池用電解質膜として優れた性質を持つことを見出し、先に出願を行った(特許文献3参照)。
特開2004−238311号公報 特開2003−183244号公報 国際出願番号:PCT/JP2004/13035
The present inventors have found that a solid acid which is amorphous carbon (sulfonic acid group-introduced amorphous carbon) having a sulfonic acid group introduced has excellent properties as an electrolyte membrane for a fuel cell, and filed an application earlier. (See Patent Document 3).
Japanese Patent Laid-Open No. 2004-238111 JP 2003-183244 A International application number: PCT / JP2004 / 13035

前記固体酸はプロトン伝導性が高く、耐熱性に優れ、また製造コストも低く、高分子電解質膜材料として極めて優れた性質を示す。しかしこの物質は粉状であるため、充分な強度を持つ電解質膜をつくるためには、通常はバインダー樹脂と混合してフィルム化する必要がある。
そしてバインダー樹脂と混合してフィルム化する際には、一度なんらかの溶媒中へバインダー樹脂とともに分散または溶解させてワニスを調整することが必要となる。しかしながら、スルホン酸基導入無定形炭素は溶媒に溶解しないためにワニスを調整するうえで制約が大きい。また、バインダー樹脂の選択によってはバインダーとの親和性も低く、フィルム化したあとで溶出する恐れもある。
The solid acid has high proton conductivity, excellent heat resistance, low production cost, and exhibits extremely excellent properties as a polymer electrolyte membrane material. However, since this substance is in a powder form, it is usually necessary to form a film by mixing with a binder resin in order to produce an electrolyte membrane having sufficient strength.
When mixing with the binder resin to form a film, it is necessary to adjust the varnish by dispersing or dissolving the binder resin together with the binder resin in some solvent. However, sulfonic acid group-introduced amorphous carbon does not dissolve in a solvent, so there are great restrictions in adjusting the varnish. Further, depending on the selection of the binder resin, the affinity with the binder is low, and there is a possibility of elution after film formation.

本発明の第1の目的は、フィルム化する際のハンドリング性、フィルムの安定性や耐久性、およびプロトン伝導度に優れ、高分子電解質膜、固体酸触媒、イオン交換膜などに利用できる化合物を提供することであり、
本発明の第2の目的は、そのような化合物の利用および用途を提供することである。
The first object of the present invention is to provide a compound that is excellent in handling properties in film formation, stability and durability of the film, and proton conductivity, and can be used for a polymer electrolyte membrane, a solid acid catalyst, an ion exchange membrane, and the like. Is to provide
A second object of the present invention is to provide the use and use of such compounds.

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、固体酸と溶媒との親和性が高い多分岐高分子を求電子置換反応にて結合させることによって、フィルム化する際のハンドリング性を向上させ、フィルムの安定性や耐久性を向上させ、且つプロトン伝導度を向上させるができることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have obtained a film by binding a multibranched polymer having a high affinity between a solid acid and a solvent by an electrophilic substitution reaction. It has been found that the handling properties can be improved, the stability and durability of the film can be improved, and the proton conductivity can be improved, and the present invention has been completed.

本発明の請求項1記載の発明は、固体酸と多分岐高分子からなる化合物であって、前記固体酸が前記多分岐高分子と求電子置換反応によって結合していることを特徴とする。   The invention according to claim 1 of the present invention is a compound comprising a solid acid and a multibranched polymer, wherein the solid acid is bonded to the multibranched polymer by an electrophilic substitution reaction.

本発明の請求項2は、請求項1記載の化合物において、前記固体酸が、多環式芳香族炭化水素類を濃硫酸あるいは発煙硫酸中で加熱処理し多環状芳香族炭化水素を縮合およびスルホン化することによって得られるスルホン酸基が導入された無定形炭素であることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the compound according to the first aspect, the solid acid is a heat-treated polycyclic aromatic hydrocarbon in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid to condense the polycyclic aromatic hydrocarbon and sulfone. Amorphous carbon into which a sulfonic acid group obtained by conversion is introduced.

本発明の請求項3は、請求項2記載の化合物において、前記スルホン酸基が導入された無定形炭素が、13C核磁気共鳴スペクトルにおいて縮合芳香族炭素6員環およびスルホン酸基が結合した縮合芳香族炭素6員環の化学シフトが検出されるスルホン酸基が導入された無定形炭素であることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the compound according to the second aspect, the amorphous carbon into which the sulfonic acid group is introduced is bonded to a condensed aromatic carbon 6-membered ring and a sulfonic acid group in a 13 C nuclear magnetic resonance spectrum. Amorphous carbon into which a sulfonic acid group capable of detecting a chemical shift of a condensed aromatic carbon 6-membered ring is introduced.

本発明の請求項4は、請求項2あるいは請求項3記載の化合物において、前記スルホン酸基が導入された無定形炭素が、粉末X線回折において半値幅が5〜30°である炭素(002)面の回折ピークが少なくとも検出されるスルホン酸基が導入された無定形炭素であることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the compound according to the second or third aspect, the amorphous carbon into which the sulfonic acid group is introduced is a carbon having a half-value width of 5 to 30 ° in powder X-ray diffraction (002 ) Amorphous carbon having a sulfonic acid group in which at least a diffraction peak of the surface is detected is introduced.

本発明の請求項5は、請求項2から請求項4のいずれかに記載の化合物において、前記スルホン酸基が導入された無定形炭素が、粉末X線回折において炭素(002)面の回折ピークのみが検出されるスルホン酸基が導入された無定形炭素であることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the compound according to any one of the second to fourth aspects, the amorphous carbon into which the sulfonic acid group is introduced is a diffraction peak on a carbon (002) plane in powder X-ray diffraction. Amorphous carbon into which a sulfonic acid group that can only be detected is introduced.

本発明の請求項6は、請求項2から請求項5のいずれかに記載の化合物において、前記スルホン酸基が導入された無定形炭素のスルホン酸密度が、0.5〜14mmol/gであるスルホン酸基が導入された無定形炭素であることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the compound according to any one of the second to fifth aspects, the sulfonic acid density of the amorphous carbon having the sulfonic acid group introduced is 0.5 to 14 mmol / g. It is an amorphous carbon having a sulfonic acid group introduced therein.

本発明の請求項7は、請求項1から請求項6のいずれかに記載の化合物において、前記多分岐高分子が、主鎖に耐酸化性である芳香族構造を有し末端にはスルホン基を有する多分岐高分子であることを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in the compound according to any one of the first to sixth aspects, the multi-branched polymer has an aromatic structure having oxidation resistance in the main chain and a sulfone group at the terminal. It is a multi-branched polymer having

本発明の請求項8は、請求項1から請求項7のいずれかに記載の化合物において、前記多分岐高分子が、ABX型モノマー(ただし、Xは2か3)の逐次重合によって合成され、その数平均重合度が2〜100であるような樹枝状高分子であって、ABX型モノマーとは1つの芳香族構造AとX個のスルホン基Bを有し且つ芳香族構造Aとスルホン基Bの一つずつが求電子置換反応することにより逐次重合するものであることを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the compound according to any one of the first to seventh aspects, the multi-branched polymer is synthesized by sequential polymerization of an AB X type monomer (where X is 2 or 3). A dendritic polymer having a number average degree of polymerization of 2 to 100, and AB X type monomer has one aromatic structure A and X number of sulfone groups B, and aromatic structure A Each of the sulfone groups B is sequentially polymerized by electrophilic substitution reaction.

本発明の請求項9は、請求項1から請求項8のいずれかに記載の化合物において、前記多分岐高分子が、少なくとも以下の式(A)〜(D)、式(E)〜(H)から選択されるモノマーから合成される多分岐高分子であることを特徴とする。
(但し、式(A)〜(D)、式(E)〜(H)中のArは、式(I)〜(K)から選択される少なくとも1つの基を示す。)
According to a ninth aspect of the present invention, in the compound according to any one of the first to eighth aspects, the multi-branched polymer has at least the following formulas (A) to (D) and formulas (E) to (H): It is a multi-branched polymer synthesized from a monomer selected from
(However, Ar in formulas (A) to (D) and formulas (E) to (H) represents at least one group selected from formulas (I) to (K).)

Figure 2008214508
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Figure 2008214508
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Figure 2008214508
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本発明の請求項10は、請求項1から請求項9のいずれかに記載の化合物において、前記多分岐高分子が、少なくとも以下の式(A’)〜(D’)、式(E’)〜(H’)から選択される基を含む多分岐高分子であることを特徴とする。
(但し、式(A’)〜(D’)、式(E’)〜(H’)中のArは、式(I’)〜(K’)から選択される少なくとも1つの基を示す。)
According to a tenth aspect of the present invention, in the compound according to any one of the first to ninth aspects, the multi-branched polymer has at least the following formulas (A ′) to (D ′) and a formula (E ′): It is a multi-branched polymer containing a group selected from ~ (H ').
(However, Ar in the formulas (A ′) to (D ′) and the formulas (E ′) to (H ′) represents at least one group selected from the formulas (I ′) to (K ′)). )

Figure 2008214508
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Figure 2008214508
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Figure 2008214508
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本発明の請求項11は、請求項1から請求項10のいずれかに記載の化合物において、前記多分岐高分子が、以下の式(L)〜(M)から選択される基を含む多分岐高分子であることを特徴とする。   An eleventh aspect of the present invention is the compound according to any one of the first to tenth aspects, wherein the multibranched polymer includes a group selected from the following formulas (L) to (M): It is a polymer.

Figure 2008214508
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本発明の請求項12は、請求項1から請求項11のいずれかに記載の化合物において、前記固体酸と前記多分岐高分子からなる化合物のプロトン伝導度が、0.01〜0.30S/cm(温度80℃湿度100%条件下で交流インピーダンス法による)であることを特徴とする。   According to a twelfth aspect of the present invention, in the compound according to any one of the first to eleventh aspects, a proton conductivity of the compound comprising the solid acid and the multi-branched polymer is 0.01 to 0.30 S /. cm (according to the alternating current impedance method at a temperature of 80 ° C. and a humidity of 100%).

本発明の請求項13は、請求項1から請求項12のいずれかに記載する化合物を用いたことを特徴とする高分子電解質膜である。   A thirteenth aspect of the present invention is a polymer electrolyte membrane using the compound according to any one of the first to twelfth aspects.

本発明の請求項14は、請求項1から請求項12のいずれかに記載する化合物を用いたことを特徴とする膜・電極接合体である。   A fourteenth aspect of the present invention is a membrane / electrode assembly using the compound according to any one of the first to twelfth aspects.

本発明の請求項15は、請求項1から請求項12のいずれかに記載の化合物を用いたことを特徴とする燃料電池である。   A fifteenth aspect of the present invention is a fuel cell using the compound according to any one of the first to twelfth aspects.

本発明の請求項1記載の発明は、固体酸と多分岐高分子からなる化合物であって、前記固体酸が前記多分岐高分子と求電子置換反応によって結合していることを特徴とするものであり、多分岐高分子のみでは十分なプロトン伝導性が得がたいのに対して、固体酸に多分岐高分子を結合させることによって、プロトン伝導性が高く、かつ耐熱性に優れ、そして溶媒との親和性に優れるためにフィルム化する際のハンドリング性に優れ、フィルム内での固体酸の安定性や耐久性にも優れており、しかも大量に産業廃棄されている硫酸ピッチを固体酸として、リサイクル使用すれば低コストとなるとともに環境負荷を大幅に低減可能となるという効果があり、膜強度を有する高分子電解質膜、高温動作でも効率が低下しない膜電極接合体および燃料電池、固体酸触媒、イオン交換膜などに利用できるという顕著な効果を奏する。
この固体酸に多分岐高分子を結合させたあとも、環境負荷を大幅に低減できる特性は保持されるという顕著な効果を奏する。
The invention according to claim 1 of the present invention is a compound comprising a solid acid and a multibranched polymer, wherein the solid acid is bonded to the multibranched polymer by an electrophilic substitution reaction. It is difficult to obtain sufficient proton conductivity with only a multi-branched polymer, but by combining the multi-branched polymer with a solid acid, the proton conductivity is high and the heat resistance is excellent. Because of its excellent affinity, it is easy to handle when it is made into a film, and it is also excellent in the stability and durability of the solid acid in the film. In addition, a large amount of industrially discarded sulfuric acid pitch is recycled as a solid acid. A polymer electrolyte membrane with membrane strength, a membrane electrode assembly and a fuel that have the effect of being able to reduce the environmental burden significantly when used, and that have membrane strength, efficiency that does not decrease even at high temperature operation Pond brings solid acid catalyst, a remarkable effect that can be utilized such as an ion exchange membrane.
Even after the multi-branched polymer is bonded to the solid acid, there is a remarkable effect that the characteristics capable of greatly reducing the environmental load are maintained.

本発明の請求項2は、請求項1記載の化合物において、前記固体酸が、多環式芳香族炭化水素類を濃硫酸あるいは発煙硫酸中で加熱処理し多環状芳香族炭化水素を縮合およびスルホン化することによって得られるスルホン酸基が導入された無定形炭素であることを特徴とするものであり、
プロトン伝導性がより優れた化合物を提供できるとともに環境負荷を大幅に低減できるというさらなる顕著な効果を奏する。
この固体酸はスルホン化と炭化という非常に簡便なステップで合成でき、しかも必ずしも精製された出発原料を必要とせず、重油、ピッチ、タール、アスファルトなどを出発原料としても良いので大幅なコストダウンになるというさらなる顕著な効果を奏する。
According to a second aspect of the present invention, in the compound according to the first aspect, the solid acid is a heat-treated polycyclic aromatic hydrocarbon in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid to condense the polycyclic aromatic hydrocarbon and sulfone. It is characterized by being an amorphous carbon into which a sulfonic acid group obtained by conversion is introduced,
It is possible to provide a compound with more excellent proton conductivity, and to achieve a further remarkable effect that the environmental load can be greatly reduced.
This solid acid can be synthesized in a very simple step of sulfonation and carbonization, and does not necessarily require refined starting materials. Heavy oil, pitch, tar, asphalt, etc. can be used as starting materials, greatly reducing costs. There is a further remarkable effect of becoming.

本発明の請求項3は、請求項2記載の化合物において、前記スルホン酸基が導入された無定形炭素が、13C核磁気共鳴スペクトルにおいて縮合芳香族炭素6員環およびスルホン酸基が結合した縮合芳香族炭素6員環の化学シフトが検出されるスルホン酸基が導入された無定形炭素であることを特徴とするものであり、
プロトン伝導性が確実により優れた化合物を提供できるというさらなる顕著な効果を奏する。
According to a third aspect of the present invention, in the compound according to the second aspect, the amorphous carbon into which the sulfonic acid group is introduced is bonded to a condensed aromatic carbon 6-membered ring and a sulfonic acid group in a 13 C nuclear magnetic resonance spectrum. Amorphous carbon into which a sulfonic acid group capable of detecting a chemical shift of a condensed aromatic carbon 6-membered ring is introduced,
There is a further remarkable effect that a compound having a more excellent proton conductivity can be provided.

本発明の請求項4は、請求項2あるいは請求項3記載の化合物において、前記スルホン酸基が導入された無定形炭素が、粉末X線回折において半値幅が5〜30°である炭素(002)面の回折ピークが少なくとも検出されるスルホン酸基が導入された無定形炭素であることを特徴とするものであり、
プロトン伝導性が確実により優れた化合物を提供できるというさらなる顕著な効果を奏する。
According to a fourth aspect of the present invention, in the compound according to the second or third aspect, the amorphous carbon into which the sulfonic acid group is introduced is a carbon having a half-value width of 5 to 30 ° in powder X-ray diffraction (002 ) Amorphous carbon introduced with a sulfonic acid group in which at least the diffraction peak of the surface is detected,
There is a further remarkable effect that a compound having a more excellent proton conductivity can be provided.

本発明の請求項5は、請求項2から請求項4のいずれかに記載の化合物において、前記スルホン酸基が導入された無定形炭素が、粉末X線回折において炭素(002)面の回折ピークのみが検出されるスルホン酸基が導入された無定形炭素であることを特徴とするものであり、
プロトン伝導性が確実により優れた化合物となり、このような純度が高い無定形固体酸を用いると、燃料電池に適用した時に発電性能により優れるというさらなる顕著な効果を奏する。
According to a fifth aspect of the present invention, in the compound according to any one of the second to fourth aspects, the amorphous carbon into which the sulfonic acid group is introduced is a diffraction peak on a carbon (002) plane in powder X-ray diffraction. It is characterized by being amorphous carbon into which only a sulfonic acid group that can be detected is introduced,
When the amorphous solid acid having such a high purity is surely superior in proton conductivity, the power generation performance is further improved when applied to a fuel cell.

本発明の請求項6は、請求項2から請求項5のいずれかに記載の化合物において、前記スルホン酸基が導入された無定形炭素のスルホン酸密度が、0.5〜14mmol/gであるスルホン酸基が導入された無定形炭素であることを特徴とするものであり、
プロトン伝導性が確実により優れた化合物を提供できるというさらなる顕著な効果を奏する。
According to a sixth aspect of the present invention, in the compound according to any one of the second to fifth aspects, the sulfonic acid density of the amorphous carbon having the sulfonic acid group introduced is 0.5 to 14 mmol / g. It is an amorphous carbon having a sulfonic acid group introduced,
There is a further remarkable effect that a compound having a more excellent proton conductivity can be provided.

本発明の請求項7は、請求項1から請求項6のいずれかに記載の化合物において、前記多分岐高分子が、主鎖に耐酸化性である芳香族構造を有し末端にはスルホン基を有する多分岐高分子であることを特徴とするものであり、
この多分岐高分子でスルホン酸基導入無定形炭素を表面修飾することによって溶媒との親和性が高く、かつ耐熱性に優れ、フィルム化する際のハンドリング性を向上させ、フィルムの安定性や耐久性を向上させ、プロトン伝導度を向上させることができるというさらなる顕著な効果を奏する。
According to a seventh aspect of the present invention, in the compound according to any one of the first to sixth aspects, the multi-branched polymer has an aromatic structure having oxidation resistance in the main chain and a sulfone group at the terminal. It is characterized by being a multi-branched polymer having
Surface modification of sulfonic acid group-introduced amorphous carbon with this multi-branched polymer has high affinity with solvents, excellent heat resistance, improved handling when forming into a film, and stability and durability of the film It is possible to improve the property and to further improve the proton conductivity.

本発明の請求項8は、請求項1から請求項7のいずれかに記載の化合物において、前記多分岐高分子がABX型モノマー(ただし、Xは2か3)の逐次重合によって合成され、その数平均重合度が2〜100であるような樹枝状高分子であって、ABX型モノマーとは1つの芳香族構造AとX個のスルホン基Bを有し且つ芳香族構造Aとスルホン基Bの一つずつが求電子置換反応することにより逐次重合するものであることを特徴とするものであり、
容易に合成できるとともに溶媒との親和性がより高く、この多分岐高分子にスルホン酸基導入無定形炭素を求電子置換反応によって結合させることによって、フィルム化する際のハンドリング性を向上させ、フィルムの安定性や耐久性を向上させ、且つプロトン伝導度を向上させるができるというさらなる顕著な効果を奏する。
Claim 8 of the present invention is the compound according to any one of claims 1 to 7, wherein the multi-branched polymer is synthesized by sequential polymerization of an AB X type monomer (where X is 2 or 3), A dendritic polymer having a number average degree of polymerization of 2 to 100, AB X type monomer having one aromatic structure A and X sulfone groups B, and aromatic structure A and sulfone Each of the groups B is one that is sequentially polymerized by electrophilic substitution reaction,
The film can be easily synthesized and has higher affinity with the solvent. By combining this multi-branched polymer with sulfonic acid group-introduced amorphous carbon through an electrophilic substitution reaction, the handling property when forming a film is improved. It is possible to improve the stability and durability of the resin and to further improve the proton conductivity.

本発明の請求項9は、請求項1から請求項8のいずれかに記載の化合物において、前記多分岐高分子が、少なくとも前記式(A)〜(D)、式(E)〜(H)から選択されるモノマーから合成される多分岐高分子であることを特徴とするものであり、
前記多分岐高分子を低コストで容易に合成できるというさらなる顕著な効果を奏する。
According to a ninth aspect of the present invention, in the compound according to any one of the first to eighth aspects, the multi-branched polymer is at least the formulas (A) to (D) and the formulas (E) to (H). It is characterized by being a multi-branched polymer synthesized from monomers selected from
There is a further remarkable effect that the multi-branched polymer can be easily synthesized at low cost.

本発明の請求項10は、請求項1から請求項9のいずれかに記載の化合物において、前記多分岐高分子が、少なくとも前記式(A’)〜(D’)、式(E’)〜(H’)から選択される基を含む多分岐高分子であることを特徴とするものであり、
フィルムの安定性や耐久性をさらに向上させ、且つプロトン伝導度をさらに向上させるができるというさらなる顕著な効果を奏する。
A tenth aspect of the present invention is the compound according to any one of the first to ninth aspects, wherein the multi-branched polymer is at least the formulas (A ′) to (D ′) and the formula (E ′) to It is a multi-branched polymer containing a group selected from (H ′),
There is a further remarkable effect that the stability and durability of the film can be further improved and the proton conductivity can be further improved.

本発明の請求項11は、請求項1から請求項10のいずれかに記載の化合物において、前記多分岐高分子が、前記式(L)〜(M)から選択される基を含む多分岐高分子であることを特徴とするものであり、
フィルムの安定性や耐久性をさらに向上させ、且つプロトン伝導度をさらに向上させることができるというさらなる顕著な効果を奏する。
The eleventh aspect of the present invention is the compound according to any one of the first to tenth aspects, wherein the hyperbranched polymer contains a group selected from the formulas (L) to (M). It is characterized by being a molecule,
There is a further remarkable effect that the stability and durability of the film can be further improved and the proton conductivity can be further improved.

本発明の請求項12は、請求項1から請求項11のいずれかに記載の化合物において、前記固体酸と前記多分岐高分子からなる化合物のプロトン伝導度が、0.01〜0.30S/cm(温度80℃湿度100%条件下で交流インピーダンス法による)であることを特徴とするものであり、
プロトン伝導度を確実に向上させるができるというさらなる顕著な効果を奏する。
According to a twelfth aspect of the present invention, in the compound according to any one of the first to eleventh aspects, a proton conductivity of the compound comprising the solid acid and the multi-branched polymer is 0.01 to 0.30 S /. cm (according to the alternating current impedance method at a temperature of 80 ° C. and a humidity of 100%),
There is a further remarkable effect that proton conductivity can be reliably improved.

本発明の請求項13は、請求項1から請求項12のいずれかに記載する化合物を用いたことを特徴とする高分子電解質膜であり、膜化する際のハンドリング性に優れ、膜内での固体酸の安定性や耐久性に優れており、プロトン伝導性、耐久性、機械的強度に優れ、かつ耐熱性に優れ、優れた性能を示すという顕著な効果を奏する。   A thirteenth aspect of the present invention is a polymer electrolyte membrane characterized by using the compound according to any one of the first to twelfth aspects, and has excellent handling properties when formed into a film, The solid acid is excellent in stability and durability, excellent in proton conductivity, durability, mechanical strength, excellent in heat resistance, and exhibits excellent performance.

本発明の請求項14は、請求項1から請求項12のいずれかに記載する化合物を用いたことを特徴とする膜・電極接合体であり、膜内での固体酸の安定性や耐久性に優れており、プロトン伝導性、耐久性、機械的強度に優れ、かつ耐熱性に優れ高温で動作可能であり、優れた性能を示すという顕著な効果を奏する。   A fourteenth aspect of the present invention is a membrane / electrode assembly comprising the compound according to any one of the first to twelfth aspects, and the stability and durability of the solid acid in the membrane. It is excellent in proton conductivity, durability, mechanical strength, heat resistance, operation at high temperature, and excellent performance.

本発明の請求項15は、請求項1から請求項12のいずれかに記載の化合物を用いたことを特徴とする燃料電池であり、次世代クリーンエネルギーとして使用される燃料電池の材料自体の環境負荷を低減でき、耐久性に優れ、高温で動作可能であり、そして優れた発電特性を示すという顕著な効果を奏する。   A fifteenth aspect of the present invention is a fuel cell using the compound according to any one of the first to twelfth aspects, and the environment of the fuel cell material itself used as next-generation clean energy. The load can be reduced, the durability is excellent, the operation is possible at a high temperature, and excellent power generation characteristics are exhibited.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の化合物は、固体酸と多分岐高分子からなることを特徴とするものである。
本発明おいて使用する固体酸は、水に不溶であり、酸としてはたらく官能基を有するものであれば特に限定されない。酸としてはたらく官能基には、例えば、OH、SO3 H、COOH、NO3 H、NO2 Hなどのブレンステッド酸の性質を持つ官能基、BF3 、AlCl3 などのルイス酸の性質を持つ官能基が含まれるが、これらに限定されるものではない。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The compound of the present invention is characterized by comprising a solid acid and a hyperbranched polymer.
The solid acid used in the present invention is not particularly limited as long as it is insoluble in water and has a functional group that functions as an acid. Examples of functional groups that function as acids include functional groups having Bronsted acid properties such as OH, SO 3 H, COOH, NO 3 H, and NO 2 H, and Lewis acid properties such as BF 3 and AlCl 3. Functional groups are included, but are not limited to these.

好適な固体酸としては、スルホン基導入無定形炭素を例示でき、また、これ以外にも、ゼオライト、IV族元素のシリケート、含水酸化ジルコニウム、含スルホン化ジルコニウム、有機系固体酸、モルデナイトなどの無機系固体酸などを例示できる。   Examples of suitable solid acid include amorphous carbon having a sulfone group introduced therein, and other inorganic materials such as zeolite, silicate of group IV element, hydrous zirconium oxide, hydrous zirconium oxide, organic solid acid, and mordenite. Examples thereof include system solid acids.

固体酸として使用するスルホン基導入無定形炭素は、スルホン酸基を持ち、無定形炭素としての性質を示す物質であればどのようなものでもよい。
ここで「無定形炭素」とは、炭素からなる物質であって、ダイヤモンドや黒鉛のような明確な結晶構造を持たない物質をいい、より具体的には、粉末X線回折において、明確なピークが検出されないか、あるいは幅の広いピークが検出される物質を意味する。
The sulfone group-introduced amorphous carbon used as the solid acid may be any substance having a sulfonic acid group and exhibiting properties as amorphous carbon.
Here, “amorphous carbon” refers to a substance made of carbon and does not have a clear crystal structure such as diamond or graphite, and more specifically, a clear peak in powder X-ray diffraction. Means a substance in which no or a broad peak is detected.

好適なスルホン酸基導入無定形炭素としては、(1)以下の(A)、(B)および(C)の性質を持つスルホン酸基導入無定形炭素、(2)以下の(A)、(B)および(C)の性質、並びに以下の(D)および/または(E)の性質を持つスルホン酸基導入無定形炭素、(3)以下の(C)の性質を持つスルホン酸基導入無定形炭素を例示できる。   Suitable sulfonic acid group-introduced amorphous carbon is (1) sulfonic acid group-introduced amorphous carbon having the following properties (A), (B) and (C), and (2) the following (A), ( B) and (C), and sulfonic acid group-introduced amorphous carbon having the following properties (D) and / or (E): (3) No sulfonic acid group-introducing, having the following properties (C): An example is regular carbon.

(A)13C核磁気共鳴スペクトルにおいて縮合芳香族炭素6員環およびスルホン酸基が結合した縮合芳香族炭素6員環の化学シフトが検出される。
(B)粉末X線回折において半値幅が5〜30°である炭素(002)面の回折ピークが少なくとも検出される。
(C)プロトン伝導性を示す。
(D)スルホン酸密度が0.5〜14mmol/gである。
(E)硫黄含有量は、0.3〜15atm%である。
(A) A chemical shift of a condensed aromatic carbon 6-membered ring and a condensed aromatic carbon 6-membered ring to which a sulfonic acid group is bonded is detected in the 13 C nuclear magnetic resonance spectrum.
(B) In powder X-ray diffraction, at least a diffraction peak on the carbon (002) plane having a half width of 5 to 30 ° is detected.
(C) shows proton conductivity.
(D) The sulfonic acid density is 0.5 to 14 mmol / g.
(E) Sulfur content is 0.3-15 atm%.

上記(A)の性質に関して、縮合芳香族炭素6員環のピークは130ppmに、およびスルホン酸基が結合した縮合芳香族炭素6員環のピークシフトは140ppmに検出される。したがって、縮合芳香族炭素6員環がスルホン基を有していれば、140ppmへの化学シフトが検出されることとなる。13C核磁気共鳴スペクトルでは、定量的な取り扱いは考えていないために、140ppmへのピークシフトが検出できればよい。
上記(B)の性質に関して検出される回折ピークは(002)面以外のものがあってもよいが、(002)面の回折ピークのみが検出されることが好ましい。無定形炭素が粉体X線回折において、炭素(002)面の回折ピークを示さないと性能が悪く、ピークを示すものは優れた性能を示す。このような純度が高い無定形固体酸を用いると、さらに優れた発電特性を示す。
Regarding the property (A), the peak of the condensed aromatic carbon 6-membered ring is detected at 130 ppm, and the peak shift of the condensed aromatic carbon 6-membered ring to which the sulfonic acid group is bonded is detected at 140 ppm. Therefore, if the condensed aromatic carbon 6-membered ring has a sulfone group, a chemical shift to 140 ppm will be detected. In the 13 C nuclear magnetic resonance spectrum, since quantitative handling is not considered, it is only necessary to detect a peak shift to 140 ppm.
Although the diffraction peak detected for the property (B) may be other than the (002) plane, it is preferable that only the (002) plane diffraction peak is detected. In amorphous powder X-ray diffraction, amorphous carbon shows poor performance unless it shows a diffraction peak on the carbon (002) plane, and those showing a peak show excellent performance. When such an amorphous solid acid having a high purity is used, further excellent power generation characteristics are exhibited.

上記(C)の性質に関して、プロトン伝導度は特に限定されないが、0.01〜0.30Scm-1であることが好ましい(前記プロトン伝導度は、温度80℃、湿度100%の条件下、交流インピーダンス法によって測定される値である。)。プロトン伝導度が0.01Scm-1未満であると電池特性が不十分となってしまう恐れがあり、またプロトン伝導度が0.30Scm-1を超えると収率が下がってしまう恐れがある。 With respect to the property (C), the proton conductivity is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 0.30 Scm −1 (the proton conductivity is AC under conditions of a temperature of 80 ° C. and a humidity of 100%. It is a value measured by the impedance method.) If the proton conductivity is less than 0.01 Scm −1 , battery characteristics may be insufficient, and if the proton conductivity exceeds 0.30 Scm −1 , the yield may decrease.

上記(D)の性質に関し、スルホン酸密度は0.5〜14mmol/gであることが好ましい。スルホン基密度が0.5mmol/g未満であるとプロトン伝導度が不十分となってしまう恐れがあり、またスルホン基密度が14mmol/gを超えると収率が下がってしまう恐れがある。より望ましくは、スルホン酸密度は1〜8mmol/gである。   Regarding the property (D), the sulfonic acid density is preferably 0.5 to 14 mmol / g. If the sulfone group density is less than 0.5 mmol / g, the proton conductivity may be insufficient, and if the sulfone group density exceeds 14 mmol / g, the yield may decrease. More desirably, the sulfonic acid density is 1 to 8 mmol / g.

上記(E)の性質に関し、硫黄含有量は0.3〜15atm%であることが好ましいが、3〜10atm%であることがさらに好ましい。硫黄含有量が少ない場合では、スルホン基の密度が低くプロトン伝導度が不十分となってしまう恐れがある。硫黄含有量が多い場合では、スルホン酸基が導入された無定形炭素自体の合成における収率が低くなってしまう恐れがある。   Regarding the property (E), the sulfur content is preferably 0.3 to 15 atm%, more preferably 3 to 10 atm%. When the sulfur content is low, the density of the sulfone group is low and the proton conductivity may be insufficient. When the sulfur content is high, the yield in the synthesis of amorphous carbon itself having a sulfonic acid group introduced may be low.

スルホン酸基導入無定形炭素は、例えば、有機化合物を濃硫酸または発煙硫酸中で加熱処理することによって製造することができる。この製造方法の概略を図1に示す。
図1に示すように有機化合物を濃硫酸または発煙硫酸中で加熱処理すると、炭化、スルホン化、環同士の縮合が起きる。この結果、図1に示すようなスルホン酸基導入無定形炭素を得ることができる。
The sulfonic acid group-introduced amorphous carbon can be produced, for example, by heat-treating an organic compound in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid. An outline of this manufacturing method is shown in FIG.
As shown in FIG. 1, when an organic compound is heat-treated in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid, carbonization, sulfonation, and condensation between rings occur. As a result, sulfonic acid group-introduced amorphous carbon as shown in FIG. 1 can be obtained.

濃硫酸または発煙硫酸中の有機化合物の加熱処理は、窒素、アルゴンなどの不活性ガス気流中、あるいは乾燥空気気流中で行うことがスルホン酸密度の高い無定形炭素を製造する上で必要である。より好ましい処理は有機化合物を加えた濃硫酸または発煙硫酸に窒素、アルゴンなどの不活性ガス、あるいは乾燥空気を吹き込みながら加熱を行うことである。   Heat treatment of organic compounds in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid is necessary to produce amorphous carbon with a high sulfonic acid density in an inert gas stream such as nitrogen or argon, or in a dry air stream. . A more preferable treatment is to perform heating while blowing an inert gas such as nitrogen or argon or dry air into concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid to which an organic compound is added.

濃硫酸と芳香族化合物の反応によって芳香族スルホン酸と水が生成するが、この反応は平衡反応である。したがって反応系内の水が増えると、逆反応が早く進むため、無定形炭素に導入されるスルホン酸の量が著しく低下する。   Aromatic sulfonic acid and water are produced by the reaction of concentrated sulfuric acid and an aromatic compound, and this reaction is an equilibrium reaction. Therefore, as the amount of water in the reaction system increases, the reverse reaction proceeds faster, so the amount of sulfonic acid introduced into amorphous carbon is significantly reduced.

不活性ガスや乾燥空気気流中で反応を行うか、反応系にこれらのガスを吹き込みながら反応を行い、水を反応系から積極的に除去することによって高いスルホン酸密度をもつ無定形炭素を合成することができる。   Amorphous carbon with a high sulfonic acid density is synthesized by reacting in an inert gas or in a dry air stream, or reacting while blowing these gases into the reaction system, and actively removing water from the reaction system. can do.

加熱処理においては、有機化合物の部分炭化、環化および縮合などを進行させると共に、スルホン化を起こさせる。従って、加熱処理温度は、前記反応を進行させる温度であれば特に限定されないが、工業的には、100〜350℃が好ましく、さらに好ましくは150〜250℃である。
処理温度が100℃未満の場合、有機化合物の縮合、炭化が十分でなく、炭素の形成が不十分である恐れがあり、また、処理温度が350℃を超えると、スルホン酸基の熱分解が起きる場合がある。
In the heat treatment, partial carbonization, cyclization, condensation and the like of the organic compound are allowed to proceed and sulfonation is caused. Therefore, the heat treatment temperature is not particularly limited as long as the reaction proceeds, but industrially, 100 to 350 ° C is preferable, and 150 to 250 ° C is more preferable.
If the treatment temperature is less than 100 ° C., the condensation and carbonization of the organic compound may not be sufficient, and carbon formation may be insufficient. If the treatment temperature exceeds 350 ° C., thermal decomposition of the sulfonic acid group may occur. It may happen.

加熱処理時間は使用する有機化合物や処理温度などによって適宜選択できるが、通常、5〜50時間が好ましく、さらに好ましくは10〜20時間である。   Although heat processing time can be suitably selected according to the organic compound to be used, processing temperature, etc., 5 to 50 hours are preferable normally, More preferably, it is 10 to 20 hours.

使用する濃硫酸または発煙硫酸の量は特に限定されないが、有機化合物1モルに対し、通常、2.6〜50.0モルが好適であり、さらに好適には6.0〜36.0モルである。   The amount of concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid to be used is not particularly limited, but is usually 2.6 to 50.0 mol, more preferably 6.0 to 36.0 mol with respect to 1 mol of the organic compound. is there.

有機化合物としては、芳香族炭化水素類を使用することができるが、それ以外の有機化合物、例えば、グルコース、砂糖(スクロース)、セルロースのような天然物、ポリエチレン、ポリアクリルアミドのような合成高分子化合物を使用してもよい。
芳香族炭化水素類は、多環式芳香族炭化水素類でも単環式芳香族炭化水素類でもよく、例えば、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、ペリレン、コロネンなどを使用することができ、好適には、ナフタレンなどを使用することができる。有機化合物は、一種類だけを使用してもよいが、二種類以上を組み合わせて使用してもよい。
また必ずしも精製された有機化合物を使用する必要はなく、例えば、芳香族炭化水素類を含む重油、ピッチ、タール、アスファルトなどを使用してもよい。
As the organic compound, aromatic hydrocarbons can be used, but other organic compounds such as glucose, sugar (sucrose), natural products such as cellulose, synthetic polymers such as polyethylene and polyacrylamide. A compound may be used.
The aromatic hydrocarbons may be polycyclic aromatic hydrocarbons or monocyclic aromatic hydrocarbons, and for example, benzene, naphthalene, anthracene, perylene, coronene, etc. can be used, preferably Naphthalene or the like can be used. Only one type of organic compound may be used, but two or more types may be used in combination.
Further, it is not always necessary to use a purified organic compound, and for example, heavy oil containing aromatic hydrocarbons, pitch, tar, asphalt, and the like may be used.

グルコース、セルロースなどの天然物や合成高分子化合物を原料とするときは、濃硫酸または発煙硫酸中での加熱処理の前に、これらの原料を不活性ガス気流中で加熱し、部分炭化させておくことが好ましい。
このときの加熱温度は、通常、100℃〜350℃が好ましく、処理時間は、通常、1〜20時間が好ましい。
部分炭化の状態は、加熱処理物の粉末X線回折パターンにおいて、半値幅が30°の(002)面の回折ピークが検出されるような状態が好ましい。
When using natural products such as glucose and cellulose or synthetic polymer compounds as raw materials, these materials are heated in an inert gas stream and partially carbonized before heat treatment in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid. It is preferable to keep it.
The heating temperature at this time is usually preferably 100 ° C. to 350 ° C., and the treatment time is usually preferably 1 to 20 hours.
The state of partial carbonization is preferably such that a (002) plane diffraction peak with a half width of 30 ° is detected in the powder X-ray diffraction pattern of the heat-treated product.

芳香族炭化水素類、またはこれを含む重油、ピッチ、タール、アスファルトなどを原料とする場合、濃硫酸または発煙硫酸中での加熱処理の後、生成物を真空加熱することが好ましい。これは、過剰の硫酸を除去すると共に、生成物の炭化・固化を促進させ、生成物の収率を増加させる。
真空排気は排気速度10L/min以上、到達圧力100torr以下の排気装置を用いることが好ましい。
好ましい加熱温度は140〜300℃、より好ましい温度は200〜280℃である。この温度における真空排気の時間は、通常2〜20時間である。
When using aromatic hydrocarbons or heavy oil containing the same, pitch, tar, asphalt, etc. as raw materials, it is preferable to heat the product in vacuum after heat treatment in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid. This removes excess sulfuric acid, promotes carbonization and solidification of the product, and increases the yield of the product.
For evacuation, it is preferable to use an evacuation apparatus having an evacuation speed of 10 L / min or more and an ultimate pressure of 100 torr or less.
A preferable heating temperature is 140 to 300 ° C, and a more preferable temperature is 200 to 280 ° C. The evacuation time at this temperature is usually 2 to 20 hours.

次いで、本発明で用いる多分岐高分子について説明する。
本発明で好ましく用いる多分岐高分子は主鎖に耐酸化性である芳香族構造を有し末端にはスルホン基を有することを特徴とする多分岐高分子である。
最初に多分岐高分子を合成するためのモノマーについて説明する。
多分岐高分子を合成するためのモノマーは前記式(A)〜(D)、式(E)〜(H)から選択されるモノマーからなる。
Next, the hyperbranched polymer used in the present invention will be described.
The multibranched polymer preferably used in the present invention is a multibranched polymer characterized by having an aromatic structure having oxidation resistance in the main chain and having a sulfone group at the terminal.
First, a monomer for synthesizing a hyperbranched polymer will be described.
The monomer for synthesizing the multi-branched polymer is a monomer selected from the above formulas (A) to (D) and formulas (E) to (H).

つぎに、多分岐高分子について説明する。この多分岐高分子は上述のモノマーから合成されるものである。この多分岐高分子は、スルホン基を有している。
多分岐高分子は、少なくとも前記式(A’)〜(D’)、式(E’)〜(H’)から選択される基を含む骨格構造を含むものである。
Next, the hyperbranched polymer will be described. This multi-branched polymer is synthesized from the above-mentioned monomers. This multi-branched polymer has a sulfone group.
The hyperbranched polymer includes a skeleton structure including at least a group selected from the above formulas (A ′) to (D ′) and formulas (E ′) to (H ′).

また、上述の多分岐高分子は、前記式(L)〜(M)から選択される末端基を含むものである。   Moreover, the above-mentioned multibranched polymer includes an end group selected from the above formulas (L) to (M).

また、上述の多分岐高分子は、末端に上述の前記式(L)〜(M)から選択される末端基がないところでは、末端はスルホン酸基、またはスルホン酸塩(Na、K、またはLiなど)基となっている。   Further, in the above-described multibranched polymer, the terminal is not a terminal group selected from the above formulas (L) to (M), and the terminal is a sulfonic acid group or a sulfonate (Na, K, or Li).

多分岐高分子の重合反応は上述のとおり、前記式(A)〜(D)、式(E)〜(H)のモノマーから合成される。この重合は、芳香族構造とスルホン基による求電子置換反応の繰り返しとなる。そこで、前記式(A)〜(D)の芳香族構造をA、スルホン基をBと簡略して、AB2型モノマーと表すこととする。また、スルホン基を3つもつ式(E)〜(H)のモノマーの場合では、AB3型モノマーと表すこととする。以上より、多分岐高分子は、ABX型モノマー(ただし、Xは2または3)の求電子置換反応による逐次重合によって合成される樹枝状高分子である。 As described above, the polymerization reaction of the multi-branched polymer is synthesized from the monomers of the formulas (A) to (D) and the formulas (E) to (H). This polymerization repeats the electrophilic substitution reaction with the aromatic structure and the sulfone group. Therefore, the aromatic structures of the above formulas (A) to (D) are simply expressed as A and the sulfone group as B, and expressed as an AB 2 type monomer. In the case of the monomers of formulas (E) to (H) having three sulfone groups, they are represented as AB 3 type monomers. From the above, the hyperbranched polymer is a dendritic polymer synthesized by sequential polymerization of an AB X type monomer (where X is 2 or 3) by electrophilic substitution reaction.

多分岐高分子の数平均重合度は、2〜100であることが好ましい。数平均重合度が2未満では機械的強度が不足する恐れがあり、数平均重合度が100を超えると機械的強度には優れるがフィルム化する際のハンドリング性が劣る恐れがある。   The number average degree of polymerization of the multi-branched polymer is preferably 2 to 100. If the number average degree of polymerization is less than 2, the mechanical strength may be insufficient. If the number average degree of polymerization exceeds 100, the mechanical strength may be excellent, but the handling property may be poor when forming a film.

つぎに、多分岐高分子を合成するためのモノマーおよび多分岐高分子の合成方法について説明する。
最初に、モノマーの合成方法について説明する。このモノマーの合成方法は以下の通りである。
すなわち、式(1)[ただし、式(1)においてXはClだけでも、Fだけでも、ClとFでもよい]に示すような、シアノ基、ニトロ基、クロロ基、フルオロ基などの電位吸引基とクロロ基またはフルオロ基を1つのベンゼン環に有する化合物とスルホン酸基(またはスルホン酸塩基)を持つフェノールとの反応によりモノマーを合成できる。
Next, a monomer for synthesizing the multibranched polymer and a method for synthesizing the multibranched polymer will be described.
First, a method for synthesizing monomers will be described. The method for synthesizing this monomer is as follows.
That is, potential attraction of a cyano group, a nitro group, a chloro group, a fluoro group, etc. as shown in Formula (1) [wherein X may be Cl alone, F alone, or Cl and F in Formula (1)] A monomer can be synthesized by reacting a group having a chloro group or fluoro group on one benzene ring with a phenol having a sulfonic acid group (or sulfonic acid group).

Figure 2008214508
Figure 2008214508

なお、モノマーの合成方法は、上述の方法に限定されるわけではない。このほか、モノマーの合成法にはつぎの方法を採用することができる。すなわち、式(2)に示すようにp−クロロまたはp−フルオロベンゼンスルホン酸(またはスルホン酸塩)とビスフェノール類との反応に示すように、ビスフェノール類のp−クロロまたはp−フルオロベンゼンスルホン酸(またはスルホン酸塩)への求電子置換反応によりモノマーを合成できる。   The method for synthesizing the monomer is not limited to the method described above. In addition, the following method can be adopted as a method for synthesizing the monomer. That is, as shown in the reaction of p-chloro or p-fluorobenzenesulfonic acid (or sulfonate) with bisphenols as shown in formula (2), p-chloro or p-fluorobenzenesulfonic acid of bisphenols Monomers can be synthesized by electrophilic substitution to (or sulfonate).

Figure 2008214508
Figure 2008214508

つぎに、多分岐高分子の合成方法について説明する。この多分岐高分子の合成法は以下の通りである。
すなわち、ナスフラスコに上述のAB2型モノマーと、たとえばメタンスルホン酸と五酸化リンの混合液を加え、窒素雰囲気下で所定温度に加熱し所定時間反応させる。その後アニソール(Anisole)などの末端封止剤を反応溶液中に加え、所定温度に加熱し所定時間反応させ末端を修飾する。
なお、多分岐高分子の合成方法は、上述の方法に限定されるわけではない。このほか、スルホン酸樹脂の合成法にはつぎの2種の方法を採用することができる。
Next, a method for synthesizing a multibranched polymer will be described. The method for synthesizing this multi-branched polymer is as follows.
That is, the above AB 2 type monomer and, for example, a mixed liquid of methanesulfonic acid and phosphorus pentoxide are added to the eggplant flask and heated to a predetermined temperature in a nitrogen atmosphere and reacted for a predetermined time. Thereafter, an end-capping agent such as Anisole is added to the reaction solution, heated to a predetermined temperature and reacted for a predetermined time to modify the end.
The method for synthesizing the hyperbranched polymer is not limited to the above-described method. In addition, the following two methods can be employed for the synthesis method of the sulfonic acid resin.

1つは、モノマーを硫酸、リン酸、ポリリン酸、五酸化リン、またはメタンスルホン酸、トリクロロメタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、フルオロスルホン酸などのスルホン酸類の単独液体中、0〜200℃(好ましくは30℃〜150℃である。低温では反応が遅すぎ、高温ではゲル化などの副反応が起こるからである。)で0.1〜72時間(好ましくは3〜48時間である。短いと十分な分子量が得られないからであり、あまり長くしても分子量の増加速度が小さくなるからである。)攪はんする方法である。   One is that the monomer is 0 in a single liquid of sulfuric acid, phosphoric acid, polyphosphoric acid, phosphorus pentoxide, or sulfonic acids such as methanesulfonic acid, trichloromethanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, benzenesulfonic acid, and fluorosulfonic acid. ˜200 ° C. (preferably 30 ° C. to 150 ° C. The reaction is too slow at low temperatures and side reactions such as gelation occur at high temperatures) for 0.1 to 72 hours (preferably 3 to 48 hours). This is because if the length is too short, a sufficient molecular weight cannot be obtained, and if the length is too long, the rate of increase in molecular weight will be small.)

他の1つは、モノマーを硫酸、リン酸、ポリリン酸、五酸化リンと、メタンスルホン酸、トリクロロメタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、フルオロスルホン酸などのスルホン酸類が、5〜95%(好ましくは30〜70%である。)含む混合物中で0〜200℃(好ましくは30〜150℃である。低温では反応が遅すぎ、高温ではゲル化などの副反応が起こるからである。)で0.1〜72時間(好ましくは3〜48時間である。短いと十分な分子量が得られないからであり、あまり長くしても分子量の増加速度が小さくなるからである。)攪はんする方法である。   In another one, the monomers are sulfuric acid, phosphoric acid, polyphosphoric acid, phosphorus pentoxide, and sulfonic acids such as methanesulfonic acid, trichloromethanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, benzenesulfonic acid, and fluorosulfonic acid. It is 0 to 200 ° C. (preferably 30 to 150 ° C.) in a mixture containing 95% (preferably 30 to 70%) because the reaction is too slow at low temperatures and side reactions such as gelation occur at high temperatures. For 0.1 to 72 hours (preferably 3 to 48 hours. If the length is too short, a sufficient molecular weight cannot be obtained, and if the length is too long, the increase rate of the molecular weight is small.) Stirring method.

以上のとおり多分岐高分子は合成される。
この多分岐高分子は、直鎖状高分子では両端2つの末端部分しか持たないのに対して、その分子量に比例した数だけの末端部分を有している。そして、この多分岐高分子は、主鎖が耐酸化性である芳香族構造であり、末端部分にスルホン酸(またはスルホン酸塩)基を有している。そのために、優れた溶媒親和性も有している。
As described above, the hyperbranched polymer is synthesized.
This multi-branched polymer has only two terminal portions at both ends in a linear polymer, whereas the number of terminal portions is proportional to the molecular weight. This multi-branched polymer has an aromatic structure in which the main chain is oxidation-resistant, and has a sulfonic acid (or sulfonate) group at the terminal portion. Therefore, it also has excellent solvent affinity.

次に、固体酸と多分岐高分子を反応させて化合物を合成する方法について説明するが、例えば、多分岐高分子を合成する際に固体酸を同時に混合するだけでよい。もしくは、多分岐高分子を合成している途中で固体酸を混合してもよい。固体酸のスルホン基が多分岐高分子の芳香族構造へ求電子置換反応することにより結合される。
もしくは、多分岐高分子のスルホン基が固体酸の芳香族構造へと求電子置換反応する副反応も起こりうる。このような副反応が生じても特に問題はない。どちらについても芳香族構造とスルホン基との求電子置換反応が起きることにより結合が生じることとなるためである。このようにして固体酸と多分岐高分子は、求電子置換反応することによって結合する。
Next, a method of synthesizing a compound by reacting a solid acid with a hyperbranched polymer will be described. For example, when synthesizing a hyperbranched polymer, it is only necessary to mix the solid acid at the same time. Alternatively, a solid acid may be mixed during the synthesis of the multibranched polymer. The sulfone group of the solid acid is bonded to the aromatic structure of the multi-branched polymer by an electrophilic substitution reaction.
Alternatively, a side reaction may occur in which the sulfo group of the multi-branched polymer undergoes an electrophilic substitution reaction into the aromatic structure of the solid acid. There is no particular problem even if such a side reaction occurs. This is because in both cases, a bond is formed by an electrophilic substitution reaction between the aromatic structure and the sulfone group. In this way, the solid acid and the hyperbranched polymer are bonded by an electrophilic substitution reaction.

このようにして合成した固体酸と多分岐高分子からなる化合物のプロトン伝導度は、0.01〜0.30Scm-1(温度80℃、湿度100%の条件下、交流インピーダンス法によって測定される値である)となることが望ましい。プロトン伝導度が0.01Scm-1未満であると電池特性が不十分となってしまう恐れがあり、またプロトン伝導度が0.30Scm-1を超えると収率が下がってしまう恐れがあるためである。
このようにして合成した固体酸と多分岐高分子からなる化合物は、優れたプロトン伝導性と耐熱性を有するため、燃料電池用高分子電解質として用いることができる。
また、優れた溶媒親和性を有するため、バインダー樹脂と混合して燃料電池用高分子電解質のワニスを調整する際に非常にハンドリングに優れている。
なお、この化合物の用途は上述の燃料電池用高分子電解質に限定されるわけではない。この化合物の用途は、このほか、電気分解用高分子電解質、純水製造用イオン交換樹脂、帯電防止剤なども挙げることができる。
The proton conductivity of the compound composed of the solid acid and the multi-branched polymer synthesized in this manner is measured by the AC impedance method under the conditions of 0.01 to 0.30 Scm −1 (temperature 80 ° C., humidity 100%). Value). If the proton conductivity is less than 0.01 Scm −1 , battery characteristics may be insufficient, and if the proton conductivity exceeds 0.30 Scm −1 , the yield may decrease. is there.
The compound composed of the solid acid and the multi-branched polymer thus synthesized has excellent proton conductivity and heat resistance, and therefore can be used as a polymer electrolyte for fuel cells.
Moreover, since it has excellent solvent affinity, it is very excellent in handling when adjusting the varnish of the polymer electrolyte for fuel cells by mixing with a binder resin.
The use of this compound is not limited to the polymer electrolyte for fuel cells described above. In addition to this, the use of this compound can also include a polymer electrolyte for electrolysis, an ion exchange resin for producing pure water, an antistatic agent, and the like.

本発明の化合物は、プロトン伝導性や固体酸触媒として優れ、また、耐久性(耐熱性、耐酸性、化学的安定性)およびコスト性に優れていることから、前記のようにイオン交換体、プロトン伝導性材料、電解質膜、固体酸触媒担持体などとして非常に有用である。さらに、本発明の化合物を利用して固体電解質膜を作製し、これを用いて膜電極接合体や燃料電池を作製することが可能である。   The compound of the present invention is excellent as proton conductivity and a solid acid catalyst, and also has excellent durability (heat resistance, acid resistance, chemical stability) and cost performance. It is very useful as a proton conductive material, an electrolyte membrane, a solid acid catalyst carrier and the like. Furthermore, it is possible to produce a solid electrolyte membrane using the compound of the present invention, and to produce a membrane electrode assembly and a fuel cell using this.

本発明の化合物を用いて電解質膜を作成する方法の一例としては、まず、本発明の化合物を支持体に積層し乾燥などを行い、電解質膜を作製する。必要に応じてその上へ保護フィルムを積層して保存する。   As an example of a method for producing an electrolyte membrane using the compound of the present invention, first, the compound of the present invention is laminated on a support and dried to produce an electrolyte membrane. If necessary, a protective film is laminated thereon and stored.

本発明の電解質膜を用いて膜電極接合体を製造する方法は、例えば、使用時、この支持体、保護フィルムを剥離させた後、電解質の両面に、ナフィオン(Nafion, デュポン社の登録商標)などのプロトン伝導性樹脂溶液をバインダーとして塗布して、触媒層付きガス拡散電極を合わせ、ホットプレスにすることで膜電極接合体が得られる。本発明はこれに限定されるものではない。   The method for producing a membrane electrode assembly using the electrolyte membrane of the present invention is, for example, in use, after peeling off the support and the protective film, on both sides of the electrolyte, Nafion (registered trademark of Nafion, DuPont) A membrane electrode assembly can be obtained by applying a proton conductive resin solution such as a binder as a binder, combining the gas diffusion electrodes with a catalyst layer, and hot pressing. The present invention is not limited to this.

ここにセパレータや補助的な装置(ガス供給装置、冷却装置)を組み立て、単一あるいは積層することにより、燃料電池を作製することができる。
すなわち、上記のような方法で得られた膜電極接合体を、ガスセパレーターなどで挟むことで、本発明の燃料電池が得られる。
A fuel cell can be manufactured by assembling a separator or an auxiliary device (a gas supply device or a cooling device) in a single or stacked manner.
That is, the fuel cell of the present invention can be obtained by sandwiching the membrane electrode assembly obtained by the above method with a gas separator or the like.

本発明の燃料電池は、単独または複数を積層してスタックを形成して、用いることもできる。   The fuel cell of the present invention can be used alone or in a stack of a plurality of layers.

図6は本発明の膜電極結合体の一実施態様の断面説明図である。
前記電解質膜1をその両面に常法により電極触媒層2、3を接合・積層して膜電極結合体12が形成される。
FIG. 6 is a cross-sectional explanatory view of one embodiment of the membrane electrode assembly of the present invention.
The membrane electrode assembly 12 is formed by joining and laminating the electrode catalyst layers 2 and 3 on both surfaces of the electrolyte membrane 1 by a conventional method.

図7は、この膜電極結合体12を装着した固体高分子型燃料電池の単セルの一実施態様の構成を示す分解断面図である。膜電極結合体12の電極触媒層2および電極触媒層3と対向して、それぞれカーボンペーパーにカーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の混合物を塗布した構造を持つ空気極側ガス拡散層4および燃料極側ガス拡散層5が配置される。これによりそれぞれ空気極6および燃料極7が構成される。そして、単セルに面して反応ガス流通用のガス流路8を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路9を備えた導電性でかつガス不透過性の材料よりなる一組のセパレータ10により挟持して単セル11が構成される。   FIG. 7 is an exploded cross-sectional view showing the configuration of an embodiment of a single cell of a polymer electrolyte fuel cell equipped with the membrane electrode assembly 12. The air electrode side gas diffusion layer 4 having a structure in which a mixture of carbon black and polytetrafluoroethylene (PTFE) is applied to carbon paper, facing the electrode catalyst layer 2 and the electrode catalyst layer 3 of the membrane electrode assembly 12, and The fuel electrode side gas diffusion layer 5 is disposed. Thereby, the air electrode 6 and the fuel electrode 7 are comprised, respectively. A set of conductive and gas-impermeable materials having a gas flow path 8 for reaction gas flow facing a single cell and a cooling water flow path 9 for cooling water flow on the opposing main surface. A single cell 11 is formed by being sandwiched by the separator 10.

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
(固体酸の製造)
20gのナフタレンを300mLの96%濃硫酸に加え、この混合物に窒素ガスを30ml/minで吹き込みながら250℃で15時間加熱することによって黒色の液体が得られた。
この液体を排気速度50L/min、到達圧力1×10-2torr以下の高真空ロータリーポンプで真空排気しながら250℃で5時間加熱することによって過剰の濃硫酸の除去と炭化の促進を行い、黒色粉末を得た。
この黒色粉末を不活性気流中下180℃で12時間加熱した後、300mLの蒸留水で洗浄し、洗浄後の蒸留水中の硫酸が前述した閃光燃焼を用いた元素分析計による元素分析の検出限界以下になるまでこの操作を繰り返して、固体酸を得た。得られた固体酸は水に不溶であった。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not limited to a following example.
(Example 1)
(Production of solid acid)
A black liquid was obtained by adding 20 g of naphthalene to 300 mL of 96% concentrated sulfuric acid and heating the mixture at 250 ° C. for 15 hours while blowing nitrogen gas at 30 ml / min.
The liquid is heated at 250 ° C. for 5 hours while being evacuated with a high vacuum rotary pump with an exhaust speed of 50 L / min and an ultimate pressure of 1 × 10 −2 torr or less, thereby removing excess concentrated sulfuric acid and promoting carbonization. A black powder was obtained.
This black powder is heated at 180 ° C. for 12 hours in an inert air flow, then washed with 300 mL of distilled water, and the sulfuric acid in the distilled water after washing is detected by the elemental analyzer using flash combustion as described above. This operation was repeated until the following was obtained to obtain a solid acid. The obtained solid acid was insoluble in water.

(固体酸の解析)
スルホン酸基導入無定形炭素の13CMAS(Magnetic angle spinning )核磁気共鳴スペクトルの測定:ASX200(Bruker社製、測定周波数:50.3MHz)を使用して測定した。
図4はスルホン酸基導入無定形炭素の13CMAS(Magnetic Angle Spinning)核磁気共鳴スペクトルの測定結果を示すグラフである。
130ppm付近には縮合芳香族炭素6員環による化学シフトが現れ、140ppm付近にはスルホン酸基が結合した縮合芳香族炭素6員環による化学シフトが現れた。
スルホン酸基導入無定形炭素のX線解析装置:Geigerflex RAD−B,CuKα(株式会社リガク社製)を使用した。
図5はスルホン酸基導入無定形炭素のX線解析結果を示すグラフである。
炭素(002)面と(004)面の回折ピークが確認された。(002)面の回折ピークの半値幅は11°であった。
また、スルホン酸密度の測定は以下のとおりである。製造した材料1gを蒸留水100mLに分散させ、0.1M水酸化ナトリウム水溶液で滴定することによって求めた。なお、中和点はpHメータを用いて決定した。4.9mmol/gであった。
(Analysis of solid acid)
Measurement of 13 CMAS (Magnetic angle spinning) nuclear magnetic resonance spectrum of sulfonic acid group-introduced amorphous carbon: Measurement was performed using ASX200 (manufactured by Bruker, measurement frequency: 50.3 MHz).
FIG. 4 is a graph showing the measurement results of 13 CMAS (Magnetic Angle Spinning) nuclear magnetic resonance spectrum of amorphous carbon introduced with sulfonic acid groups.
A chemical shift due to the condensed aromatic carbon 6-membered ring appeared near 130 ppm, and a chemical shift due to the condensed aromatic carbon 6-membered ring bonded with the sulfonic acid group appeared near 140 ppm.
X-ray analyzer for sulfonic acid group-introduced amorphous carbon: Geigerflex RAD-B, CuKα (manufactured by Rigaku Corporation) was used.
FIG. 5 is a graph showing the results of X-ray analysis of sulfonic acid group-introduced amorphous carbon.
The diffraction peaks of the carbon (002) plane and (004) plane were confirmed. The half width of the diffraction peak on the (002) plane was 11 °.
Moreover, the measurement of a sulfonic acid density is as follows. 1 g of the produced material was dispersed in 100 mL of distilled water and determined by titrating with a 0.1 M aqueous sodium hydroxide solution. The neutralization point was determined using a pH meter. It was 4.9 mmol / g.

(固体酸の性能評価)
固体酸粉末を加圧成型(日本分光社製、10mmΦ錠剤成型器、成型条件:400kg/cm2 、室温、1分)することによって、厚さ0.7mm、直径10mmのディスクを作製し、ディスクの片面に白金を蒸着した後、インピーダンスアナライザー(HYP4192A)を用いて交流インピーダンス法によってプロトン伝導度を測定した。
周波数5〜13MHz、印加電圧12mV、温度80℃、湿度100%にてセルのインピーダンスの絶対値と位相角を測定した。得られたデータは、コンピュータを用いて発振レベル12mVにて複素インピーダンス測定を行った。プロトン伝導度は2.2×10-1Scm-1であることが確認された。
この結果は、上記スルホン酸基導入無定形炭素がナフィオンに匹敵するプロトン伝導度を有することを示している。
(Performance evaluation of solid acid)
A solid acid powder is pressure-molded (manufactured by JASCO Corporation, 10 mmΦ tablet molding machine, molding conditions: 400 kg / cm 2 , room temperature, 1 minute) to produce a disk having a thickness of 0.7 mm and a diameter of 10 mm. After depositing platinum on one side, proton conductivity was measured by an AC impedance method using an impedance analyzer (HYP4192A).
The absolute value and phase angle of the cell impedance were measured at a frequency of 5 to 13 MHz, an applied voltage of 12 mV, a temperature of 80 ° C., and a humidity of 100%. The obtained data was subjected to complex impedance measurement using a computer at an oscillation level of 12 mV. The proton conductivity was confirmed to be 2.2 × 10 −1 Scm −1 .
This result indicates that the sulfonic acid group-introduced amorphous carbon has proton conductivity comparable to that of Nafion.

(多分岐高分子を合成するためのモノマーの合成)
最初に以下の方法により式(3)によりモノマーを合成した。
300mlの三口フラスコにDean−stark抽出器と窒素導入管をつけ、窒素気流下で、11.8gのp−phenol sulfonic acidsodium saltと炭酸カリウム6.6g、150mlのジメチルスルホキシド(DMSO)および60mlのトルエン(Toluene)を加え、165℃で2時間共沸脱水を行った。
トルエンを留去した後、2,6−ジクロロベンゾニトリル(2,6−dichlorobenzonitrile)を3.4g加え、150℃で48時間反応させた。
反応溶液をガラスフィルターでろ別後、800mlのクロロホルムに投入し沈澱を析出させた。得られた沈澱をメタノールで1時間還流洗浄した後、水で2度再結晶を行いAB2型モノマーを得た。
収率は46%であった。得られたAB2型モノマーの構造は1H−NMRおよびIRにより確認した。
(Synthesis of monomers to synthesize hyperbranched polymers)
First, a monomer was synthesized according to the formula (3) by the following method.
A 300 ml three-necked flask was equipped with a Dean-stark extractor and a nitrogen inlet tube, and under a nitrogen stream, 11.8 g of p-phenolic sulfonic acid salt and 6.6 g of potassium carbonate, 150 ml of dimethyl sulfoxide (DMSO) and 60 ml of toluene. (Toluene) was added and azeotropic dehydration was performed at 165 ° C. for 2 hours.
After the toluene was distilled off, 3.4 g of 2,6-dichlorobenzonitrile (2,6-dichlorobenzonitrile) was added and reacted at 150 ° C. for 48 hours.
The reaction solution was filtered through a glass filter, and then poured into 800 ml of chloroform to precipitate. The obtained precipitate was refluxed and washed with methanol for 1 hour and then recrystallized twice with water to obtain AB type 2 monomer.
The yield was 46%. The structure of the obtained AB 2 type monomer was confirmed by 1H-NMR and IR.

Figure 2008214508
Figure 2008214508

(多分岐高分子の合成および固体酸と多分岐高分子からなる本発明の化合物の合成)
つぎに、以下の方法により、得られたAB2型モノマーから多分岐高分子を合成した。
すなわち、50mlのナスフラスコに0.4gの上述AB2型モノマーと5mlのメタンスルホン酸と五酸化リンの混合液を加え、窒素雰囲気下で120℃で48時間反応させ多分岐高分子を合成した。
図2(イ)は合成した多岐高分子の分子構造を示し、(ロ)はこの多岐高分子の分子鎖を示すイメージ図である。
つぎに、以下の方法により、得られた多分岐高分子を含む反応溶液中に0.05gの固体酸を加え、120℃で更に24時間反応させ末端を修飾した。
反応終了後、800mlの水に投入し反応物を析出させた後、メタノールで1時間還流洗浄し、100℃で1晩減圧乾燥し、固体酸と多分岐高分子からなる本発明の化合物を得た。得られた本発明の化合物は水溶媒に対して良好な親和性を示し溶解した。
図3は固体酸と多岐高分子からなる本発明の化合物の分子構造を示す説明図である。
(Synthesis of multi-branched polymer and synthesis of compound of the present invention consisting of solid acid and multi-branched polymer)
Next, a multi-branched polymer was synthesized from the obtained AB 2 type monomer by the following method.
That is, a mixed solution of 0.4 g of the AB type 2 monomer, 5 ml of methanesulfonic acid and phosphorus pentoxide was added to a 50 ml eggplant flask and reacted at 120 ° C. for 48 hours in a nitrogen atmosphere to synthesize a multibranched polymer. .
FIG. 2 (a) shows the molecular structure of the synthesized manifold polymer, and (b) is an image diagram showing the molecular chain of the manifold polymer.
Next, 0.05 g of solid acid was added to the obtained reaction solution containing the multibranched polymer by the following method, and the reaction was further performed at 120 ° C. for 24 hours to modify the ends.
After completion of the reaction, the reaction product was poured into 800 ml of water, washed with refluxing with methanol for 1 hour, and dried under reduced pressure at 100 ° C. overnight to obtain the compound of the present invention consisting of a solid acid and a hyperbranched polymer. It was. The resulting compound of the present invention dissolved with good affinity for aqueous solvents.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the molecular structure of the compound of the present invention comprising a solid acid and a variety of polymers.

(固体酸と多岐高分子からなる本発明の化合物の解析)
本発明の化合物の13CMAS(Magnetic Angle Spinning )核磁気共鳴スペクトルの測定:ASX200(Bruker社製、測定周波数:50.3MHz)を使用して測定した。
130ppm付近には縮合芳香族炭素6員環による化学シフトが現れ、140ppm付近にはスルホン酸基が結合した縮合芳香族炭素6員環による化学シフトが現れた。
本発明の化合物のX線解析装置:Geigerflex RAD−B,CuKα(株式会社リガク社製)を使用した。
炭素(002)面と(004)面の回折ピークが確認された。(002)面の回折ピークの半値幅は11°であった。
また、本発明の化合物のスルホン酸密度の測定は以下のとおりである。製造した材料1gを蒸留水100mLに分散させ、0.1M水酸化ナトリウム水溶液で滴定することによって求めた。なお、中和点はpHメータを用いて決定した。スルホン酸密度は5.5mmol/gであった。
(Analysis of the compound of the present invention consisting of solid acid and various polymers)
Measurement of 13 CMAS (Magnetic Angle Spinning) nuclear magnetic resonance spectrum of the compound of the present invention: Measurement was performed using ASX200 (manufactured by Bruker, measurement frequency: 50.3 MHz).
A chemical shift due to the condensed aromatic carbon 6-membered ring appeared near 130 ppm, and a chemical shift due to the condensed aromatic carbon 6-membered ring bonded with the sulfonic acid group appeared near 140 ppm.
X-ray analyzer for the compound of the present invention: Geigerflex RAD-B, CuKα (manufactured by Rigaku Corporation) was used.
The diffraction peaks of the carbon (002) plane and (004) plane were confirmed. The half width of the diffraction peak on the (002) plane was 11 °.
Moreover, the measurement of the sulfonic acid density of the compound of this invention is as follows. 1 g of the produced material was dispersed in 100 mL of distilled water and determined by titrating with a 0.1 M aqueous sodium hydroxide solution. The neutralization point was determined using a pH meter. The sulfonic acid density was 5.5 mmol / g.

(固体酸と多分岐高分子からなる本発明の化合物の性能評価)
本発明の化合物の粉末を加圧成型(日本分光社製、10mmΦ錠剤成型器、成型条件:400kg/cm2 、室温、1分)することによって、厚さ0.7mm、直径10mmのディスクを作製し、ディスクの片面に白金を蒸着した後、インピーダンスアナライザー(HYP4192A)を用いて交流インピーダンス法によってプロトン伝導度を測定した。
周波数5〜13MHz、印加電圧12mV、温度80℃、湿度100%にてセルのインピーダンスの絶対値と位相角を測定した。得られたデータは、コンピュータを用いて発振レベル12mVにて複素インピーダンス測定を行った。プロトン伝導度は2.4×10-1Scm-1であることが確認された。この結果は、本発明の化合物がナフィオンに匹敵するプロトン伝導度を有することを示している。
(Performance evaluation of the compound of the present invention comprising a solid acid and a hyperbranched polymer)
By subjecting the powder of the compound of the present invention to pressure molding (manufactured by JASCO Corporation, 10 mmΦ tablet molding machine, molding conditions: 400 kg / cm 2 , room temperature, 1 minute), a disk having a thickness of 0.7 mm and a diameter of 10 mm is produced. Then, after depositing platinum on one surface of the disk, proton conductivity was measured by an AC impedance method using an impedance analyzer (HYP4192A).
The absolute value and phase angle of the cell impedance were measured at a frequency of 5 to 13 MHz, an applied voltage of 12 mV, a temperature of 80 ° C., and a humidity of 100%. The obtained data was subjected to complex impedance measurement using a computer at an oscillation level of 12 mV. The proton conductivity was confirmed to be 2.4 × 10 −1 Scm −1 . This result indicates that the compound of the present invention has proton conductivity comparable to that of Nafion.

本発明の化合物は、固体酸と多分岐高分子からなる化合物であって、前記固体酸が前記多分岐高分子と求電子置換反応によって結合していることを特徴とするものであり、多分岐高分子のみでは十分なプロトン伝導性が得がたいのに対して、固体酸に多分岐高分子を求電子置換反応にて結合させることによって、プロトン伝導性が高く、かつ耐熱性に優れ、そして溶媒との親和性に優れるためにフィルム化する際のハンドリング性に優れ、フィルム内での固体酸の安定性や耐久性にも優れており、しかも大量に産業廃棄されている硫酸ピッチを固体酸として、リサイクル使用すれば低コストとなるとともに環境負荷を大幅に低減可能となるという効果があり、膜強度を有する高分子電解質膜、高温で動作可能な膜電極接合体および燃料電池、固体酸触媒、イオン交換膜などに利用できるという顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。   The compound of the present invention is a compound comprising a solid acid and a hyperbranched polymer, wherein the solid acid is bonded to the hyperbranched polymer by an electrophilic substitution reaction. While it is difficult to obtain sufficient proton conductivity with a polymer alone, by combining a multi-branched polymer with a solid acid by an electrophilic substitution reaction, the proton conductivity is high and the heat resistance is excellent. Because of its excellent affinity, it has excellent handling properties when it is made into a film, is excellent in the stability and durability of the solid acid in the film, and uses sulfuric acid pitch, which is industrially discarded in large quantities, as a solid acid. Recycling has the effect of lowering the cost and significantly reducing the environmental impact, and has a polymer electrolyte membrane having membrane strength, a membrane electrode assembly operable at high temperatures, and a fuel cell, Body acid catalyst, since a marked effect that can be utilized such as an ion exchange membrane, a high industrial value.

スルホン酸基導入無定形炭素を製造する工程を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the process of manufacturing sulfonic acid group introduction | transduction amorphous carbon. (イ)はAB2型モノマー(A:ベンゼン環、B:スルホン基)を重合してできる多岐高分子の分子構造を示し、(ロ)はこの多岐高分子の分子鎖を示すイメージ図である。(A) shows the molecular structure of a manifold polymer formed by polymerizing an AB2 type monomer (A: benzene ring, B: sulfone group), and (B) is an image diagram showing the molecular chain of the manifold polymer. 固体酸と多岐高分子からなる本発明の化合物の分子構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the molecular structure of the compound of this invention which consists of a solid acid and various polymers. スルホン酸基導入無定形炭素の13CMAS(Magnetic Angle Spinning)核磁気共鳴スペクトルの測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the 13 CMAS (Magnetic Angle Spinning) nuclear magnetic resonance spectrum of sulfonic acid group introduction | transduction amorphous carbon. スルホン酸基導入無定形炭素のX線解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the X-ray-analysis result of a sulfonic acid group introduction | transduction amorphous carbon. 電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極結合体の一実施態様の断面説明図である。It is sectional explanatory drawing of one embodiment of the membrane electrode assembly which formed the electrode catalyst layer on both surfaces of the electrolyte membrane. 図6に示した膜電極結合体を装着した固体高分子型燃料電池の単セルの構成を示す分解断面図である。FIG. 7 is an exploded cross-sectional view showing the configuration of a single cell of a polymer electrolyte fuel cell equipped with the membrane electrode assembly shown in FIG. 6.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質膜
2、3 電極触媒層
4 空気極側ガス拡散層
5 燃料極側ガス拡散層
6 空気極
7 燃料極
8 ガス流路
9 冷却水流路
10 セパレータ
11 単セル
12 膜電極結合体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2, 3 Electrode catalyst layer 4 Air electrode side gas diffusion layer 5 Fuel electrode side gas diffusion layer 6 Air electrode 7 Fuel electrode 8 Gas flow path 9 Cooling water flow path 10 Separator 11 Single cell 12 Membrane electrode assembly

Claims (15)

固体酸と多分岐高分子からなる化合物であって、前記固体酸が前記多分岐高分子と求電子置換反応によって結合していることを特徴とする化合物。   A compound comprising a solid acid and a hyperbranched polymer, wherein the solid acid is bound to the hyperbranched polymer by an electrophilic substitution reaction. 前記固体酸が、多環式芳香族炭化水素類を濃硫酸あるいは発煙硫酸中で加熱処理し多環状芳香族炭化水素を縮合およびスルホン化することによって得られるスルホン酸基が導入された無定形炭素であることを特徴とする請求項1記載の化合物。   Amorphous carbon into which the solid acid is introduced, obtained by heat-treating polycyclic aromatic hydrocarbons in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid, and condensing and sulfonating the polycyclic aromatic hydrocarbons The compound according to claim 1, wherein 前記スルホン酸基が導入された無定形炭素が、13C核磁気共鳴スペクトルにおいて縮合芳香族炭素6員環およびスルホン酸基が結合した縮合芳香族炭素6員環の化学シフトが検出されるスルホン酸基が導入された無定形炭素であることを特徴とする請求項2記載の化合物。 Amorphous carbon into which the sulfonic acid group is introduced is a sulfonic acid in which a chemical shift of a condensed aromatic carbon 6-membered ring and a condensed aromatic carbon 6-membered ring to which a sulfonic acid group is bonded is detected in 13 C nuclear magnetic resonance spectrum 3. The compound according to claim 2, wherein the compound is an amorphous carbon having a group introduced therein. 前記スルホン酸基が導入された無定形炭素が、粉末X線回折において半値幅が5〜30°である炭素(002)面の回折ピークが少なくとも検出されるスルホン酸基が導入された無定形炭素であることを特徴とする請求項2あるいは請求項3記載の化合物。   The amorphous carbon into which the sulfonic acid group is introduced is amorphous carbon into which a sulfonic acid group in which at least a diffraction peak of a carbon (002) plane having a half width of 5 to 30 ° in powder X-ray diffraction is detected is introduced. The compound according to claim 2 or 3, wherein 前記スルホン酸基が導入された無定形炭素が、粉末X線回折において炭素(002)面の回折ピークのみが検出されるスルホン酸基が導入された無定形炭素であることを特徴とする請求項2から請求項4のいずれかに記載の化合物。   The amorphous carbon into which the sulfonic acid group is introduced is amorphous carbon into which a sulfonic acid group in which only a diffraction peak of the carbon (002) plane is detected in powder X-ray diffraction is introduced. The compound according to any one of claims 2 to 4. 前記スルホン酸基が導入された無定形炭素のスルホン酸密度が、0.5〜14mmol/gであるスルホン酸基が導入された無定形炭素であることを特徴とする請求項2から請求項5のいずれかに記載の化合物。   The amorphous carbon into which the sulfonic acid density of the amorphous carbon into which the sulfonic acid group is introduced is 0.5 to 14 mmol / g is an amorphous carbon into which the sulfonic acid group has been introduced. The compound in any one of. 前記多分岐高分子が、主鎖に耐酸化性である芳香族構造を有し末端にはスルホン基を有する多分岐高分子であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の化合物。   7. The multi-branched polymer according to claim 1, wherein the multi-branched polymer is a multi-branched polymer having an aromatic structure having oxidation resistance in a main chain and having a sulfone group at a terminal. The described compound. 前記多分岐高分子がABX型モノマー(ただし、Xは2か3)の逐次重合によって合成され、その数平均重合度が2〜100であるような樹枝状高分子であって、ABX型モノマーとは1つの芳香族構造AとX個のスルホン基Bを有し且つ芳香族構造Aとスルホン基Bの一つずつが求電子置換反応することにより逐次重合するものであることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載の高分子。 The multi-branched polymer is a dendritic polymer synthesized by sequential polymerization of an AB X type monomer (where X is 2 or 3), and the number average degree of polymerization is 2 to 100, and the AB X type The monomer is characterized in that it has one aromatic structure A and X sulfone groups B, and each of the aromatic structure A and the sulfone group B is sequentially polymerized by electrophilic substitution reaction. The polymer according to any one of claims 1 to 7. 前記多分岐高分子が、少なくとも以下の式(A)〜(D)、式(E)〜(H)から選択されるモノマーから合成される多分岐高分子であることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれかに記載の化合物。
(但し、式(A)〜(D)、式(E)〜(H)中のArは、式(I)〜(K)から選択される少なくとも1つの基を示す。)
Figure 2008214508
Figure 2008214508
Figure 2008214508
The multibranched polymer is a multibranched polymer synthesized from a monomer selected from at least the following formulas (A) to (D) and formulas (E) to (H). The compound according to any one of claims 8 to 9.
(However, Ar in formulas (A) to (D) and formulas (E) to (H) represents at least one group selected from formulas (I) to (K).)
Figure 2008214508
Figure 2008214508
Figure 2008214508
前記多分岐高分子が、少なくとも以下の式(A’)〜(D’)、式(E’)〜(H’)から選択される基を含む多分岐高分子であることを特徴とする請求項1から請求項9のいずれかに記載の化合物。
(但し、式(A’)〜(D’)、式(E’)〜(H’)中のArは、式(I’)〜(K’)から選択される少なくとも1つの基を示す。)
Figure 2008214508
Figure 2008214508
Figure 2008214508
The multi-branched polymer is a multi-branched polymer including at least a group selected from the following formulas (A ′) to (D ′) and formulas (E ′) to (H ′). Item 10. The compound according to any one of Items 1 to 9.
(However, Ar in the formulas (A ′) to (D ′) and the formulas (E ′) to (H ′) represents at least one group selected from the formulas (I ′) to (K ′)). )
Figure 2008214508
Figure 2008214508
Figure 2008214508
前記多分岐高分子が、以下の式(L)〜(M)から選択される基を含む多分岐高分子であることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれかに記載の化合物。
Figure 2008214508
The compound according to any one of claims 1 to 10, wherein the multi-branched polymer is a multi-branched polymer including a group selected from the following formulas (L) to (M).
Figure 2008214508
前記固体酸と前記多分岐高分子からなる化合物のプロトン伝導度が、0.01〜0.30S/cm(温度80℃湿度100%条件下で交流インピーダンス法による)であることを特徴とする請求項1から請求項11のいずれかに記載の化合物。   The proton conductivity of the compound comprising the solid acid and the multi-branched polymer is 0.01 to 0.30 S / cm (according to an alternating current impedance method at a temperature of 80 ° C. and a humidity of 100%). The compound in any one of Claims 1-11. 請求項1から請求項12のいずれかに記載する化合物を用いたことを特徴とする高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane comprising the compound according to any one of claims 1 to 12. 請求項1から請求項12のいずれかに記載する化合物を用いたことを特徴とする膜・電極接合体。   A membrane-electrode assembly comprising the compound according to any one of claims 1 to 12. 請求項1から請求項12のいずれかに記載の化合物を用いたことを特徴とする燃料電池。   A fuel cell using the compound according to any one of claims 1 to 12.
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JP2009269960A (en) * 2008-05-01 2009-11-19 Tokyo Institute Of Technology Polymer having salt structure and method for producing the same
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