JP2009293045A - Proton-conducting polymer membrane comprising polymer with sulfonic acid group and use thereof in fuel cells - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スルホン酸基含有ポリマーを含むプロトン伝導性高分子電解質膜に関し、これは、その顕著な化学的および熱的特性のため、多様な用途が可能で、特に、PEM燃料電池における高分子電解質膜(PEM)として適当である。 The present invention relates to a proton conducting polymer electrolyte membrane comprising a sulfonic acid group-containing polymer, which can be used in a variety of applications due to its remarkable chemical and thermal properties, particularly in PEM fuel cells. It is suitable as an electrolyte membrane (PEM).
燃料電池は、通常、電解質、および該電解質によって分離された2つの電極を含む。燃料電池では、2つの電極のうち1つには水素ガスまたはメタノール/水混合物のような燃料を供給し、他の電極には酸素ガスまたは空気のような酸化剤を供給し、その結果、燃料の酸化による化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される。酸化反応においては、プロトンおよび電子が形成される。
電解質は、水素イオン、すなわち、プロトンを透過させるが、水素ガスまたはメタノールのような反応性燃料および酸素ガスは透過させない。
A fuel cell typically includes an electrolyte and two electrodes separated by the electrolyte. In a fuel cell, one of the two electrodes is supplied with a fuel such as hydrogen gas or a methanol / water mixture and the other electrode is supplied with an oxidant such as oxygen gas or air, so that the fuel The chemical energy from the oxidation of is directly converted into electrical energy. In the oxidation reaction, protons and electrons are formed.
The electrolyte is permeable to hydrogen ions, ie protons, but not hydrogen gas or reactive fuels such as methanol and oxygen gas.
燃料電池は、一般に、各々が、電解質、および該電解質によって分離された2つの電極を含むMEA(膜電極接合体)として知られる2以上の個別のセルを含む。
燃料電池で使用される電解質は、高分子電解質膜のような固体、またはリン酸のような液体を含む。高分子電解質膜は、近年、燃料電池用の電解質として注目を引いている。原理的には、ポリマー膜は2つのカテゴリーに分けることが可能である。
Fuel cells generally include two or more individual cells known as MEAs (membrane electrode assemblies), each including an electrolyte and two electrodes separated by the electrolyte.
The electrolyte used in the fuel cell includes a solid such as a polymer electrolyte membrane or a liquid such as phosphoric acid. In recent years, polymer electrolyte membranes have attracted attention as electrolytes for fuel cells. In principle, polymer membranes can be divided into two categories.
第一のカテゴリーは、共有結合した酸基、好ましくはスルホン酸基を含むポリマーを素地として構成される陽イオン交換膜を含む。スルホン酸基は、水素イオンを放出してアニオンへ変換し、それによって、プロトンを伝導する。プロトンの移動度および、従って、プロトン伝導性は、水含有量に直接関連している。メタノールと水の非常に高い混和性のため、そのような陽イオン交換膜は、高いメタノール透過性を有し、従って、直接メタノール燃料電池への利用には適切でない。例えば、高温の結果、もし膜が乾燥すれば、膜の伝導性、従って、燃料電池の性能が劇的に低下する。そのような陽イオン交換膜を含む燃料電池の作動温度は、従って、水の沸点までに限定される。燃料の加湿は、例えばナフィオンのような汎用的スルホン化膜が用いられる高分子電解質膜燃料電池(PEMFC)の使用においては、大きな技術的課題である。 The first category includes cation exchange membranes constructed from a base comprising a polymer containing covalently bonded acid groups, preferably sulfonic acid groups. Sulfonic acid groups release hydrogen ions and convert them to anions, thereby conducting protons. Proton mobility and, therefore, proton conductivity is directly related to water content. Due to the very high miscibility of methanol and water, such cation exchange membranes have high methanol permeability and are therefore not suitable for direct methanol fuel cell applications. For example, if the membrane dries as a result of the high temperature, the membrane conductivity, and thus the performance of the fuel cell, is dramatically reduced. The operating temperature of a fuel cell comprising such a cation exchange membrane is therefore limited to the boiling point of water. Fuel humidification is a major technical issue in the use of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) in which a general-purpose sulfonated membrane such as Nafion is used.
かくして、例えば、ペルフルオロスルホン酸ポリマーは、高分子電解質膜のための材料として用いられる。ペルフルオロスルホン酸ポリマー(例えばナフィオン)は、一般に、ペルフルオロアルキレン基に結合したスルホン酸基を含有する側鎖のような、スルホン酸基を含む側鎖が結合しているテトラフルオロエチレンとトリフルオロビニルのコポリマーのようなペルフルオロ化炭化水素骨格を有する。
陽イオン交換膜は、好ましくは、共有結合した酸基、特にスルホン酸を含有する有機ポリマーを含む。ポリマーをスルホン化する方法はF.Kuceraら、Polymer Engineering and Science 1988、Vol.38、No.5、783−792(非特許文献1)に記載されている。
Thus, for example, perfluorosulfonic acid polymers are used as materials for polymer electrolyte membranes. Perfluorosulfonic acid polymers (eg, Nafion) are generally composed of tetrafluoroethylene and trifluorovinyl with attached side chains containing sulfonic acid groups, such as side chains containing sulfonic acid groups attached to perfluoroalkylene groups. It has a perfluorinated hydrocarbon backbone such as a copolymer.
The cation exchange membrane preferably comprises an organic polymer containing covalently bound acid groups, in particular sulfonic acid. Methods for sulfonating polymers are described in F.W. Kucera et al., Polymer Engineering and Science 1988, Vol. 38, no. 5, 783-792 (Non-patent Document 1).
以下に挙げるのは、燃料電池での使用に商業的重要性を得るに至った主なタイプの陽イオン交換膜である。
最も重要な代表は、ペルフルオロスルホン酸ポリマー ナフィオン(登録商標)(Nafion)(特許文献1)である。US4453991(特許文献2)に記載されているように、このポリマーは溶解させることができ、アイオノマーとして用いられる。陽イオン交換膜は、多孔性支持体材料にそのようなアイオノマーを充填することによっても得られる。好ましい支持体材料は発泡テフロン(登録商標)である(特許文献3)。
Listed below are the main types of cation exchange membranes that have gained commercial importance for use in fuel cells.
The most important representative is the perfluorosulfonic acid polymer Nafion (Nafion) (Patent Document 1). As described in US Pat. No. 4,453,991 (Patent Document 2), this polymer can be dissolved and used as an ionomer. Cation exchange membranes can also be obtained by filling a porous support material with such ionomers. A preferred support material is expanded Teflon (registered trademark) (Patent Document 3).
もう1つのペルフルオロ化陽イオン交換膜は、トリフルオロスチレンとスルホニル変性トリフルオロスチレンの共重合によって、US5422411(特許文献4)に記載されているようにして製造することができる。そのようなスルホニル変性トリフルオロスチレンコポリマーからなるアイオノマーを充填した多孔性支持体材料、特に発泡テフロン(登録商標)からなる複合体膜がUS5834523(特許文献5)に記載されている。
US6110616(特許文献6)は、ブタジエンおよびスチレンのコポリマー、および燃料電池用の陽イオン交換膜を製造するためのそれらに続くスルホン化について記載している。
Another perfluorinated cation exchange membrane can be produced by copolymerization of trifluorostyrene and sulfonyl-modified trifluorostyrene as described in US Pat. No. 5,422,411. A porous support material filled with an ionomer made of such a sulfonyl-modified trifluorostyrene copolymer, particularly a composite membrane made of expanded Teflon (registered trademark) is described in US Pat. No. 5,834,523 (Patent Document 5).
US 6110616 describes copolymers of butadiene and styrene and their subsequent sulfonation to produce cation exchange membranes for fuel cells.
さらなるクラスの部分的にフッ素化された陽イオン交換膜は、放射線グラフト化およびそれに続くスルホン化によって製造することができる。この場合、EP667983(特許文献7)またはDE19844645(特許文献8)に記載されているように、グラフト化反応は、好ましくはスチレンを用い、予め照射されたポリマーフィルムに対して行われる。引き続いてのスルホン化反応において、側鎖がスルホン化される。グラフト化と同時に架橋を行ってもよく、これにより、機械的特性を改変することができる。 A further class of partially fluorinated cation exchange membranes can be made by radiation grafting followed by sulfonation. In this case, as described in EP 667983 (Patent Document 7) or DE 19844645 (Patent Document 8), the grafting reaction is preferably carried out on a pre-irradiated polymer film using styrene. In the subsequent sulfonation reaction, the side chain is sulfonated. Cross-linking may be performed simultaneously with grafting, which can modify the mechanical properties.
前記膜以外に、さらなるクラスの非フッ素化膜が、高温安定性を有する熱可塑性樹脂をスルホン化することによって開発された。例えば、スルホン化ポリエーテルケトン(DE4219077(特許文献9)、EP96/01177(特許文献10))、スルホン化ポリスルホン(非特許文献2:J.Membr.Sci.83(1993)p.211)またはスルホン化ポリフェニレンスルフィド(特許文献11:DE19527435)の膜が知られている。スルホン化ポリエーテルケトンから製造されるアイオノマーはWO00/15691(特許文献12)に記載されている。
加えて、DE19817374(特許文献13)またはWO01/18894(特許文献14)に記載されているように、スルホン化ポリマーと塩基性ポリマーの混合物によって、製造された酸−塩基のブレンド膜が知られている。
In addition to the membranes, a further class of non-fluorinated membranes has been developed by sulfonated thermoplastic resins having high temperature stability. For example, sulfonated polyether ketone (DE4219077 (patent document 9), EP96 / 01177 (patent document 10)), sulfonated polysulfone (non-patent document 2: J. Membr. Sci. 83 (1993) p.211) or sulfone. A film of polyphenylene sulfide (Patent Document 11: DE19527435) is known. Ionomers produced from sulfonated polyether ketones are described in WO 00/15691 (Patent Document 12).
In addition, as described in DE 19817374 (Patent Document 13) or WO 01/18894 (Patent Document 14), an acid-base blend membrane produced by a mixture of a sulfonated polymer and a basic polymer is known. Yes.
膜特性をさらに改良するために、先行技術の陽イオン交換膜を高温安定性を有するポリマーと混合することが可能である。スルホン化PEKとa)ポリスルホン(DE4422158(特許文献15))、b)芳香族ポリアミド(DE42445264(特許文献16))またはc)ポリベンズイミダゾール(DE19851498(特許文献17))のブレンドからなる陽イオン交換膜の製造および特性が記載されている。 In order to further improve the membrane properties, it is possible to mix prior art cation exchange membranes with polymers having high temperature stability. Cation exchange consisting of a blend of a sulfonated PEK and a) polysulfone (DE 4422158 (Patent Document 15)), b) aromatic polyamide (DE 4244264 (Patent Document 16)) or c) polybenzimidazole (DE 19851498 (Patent Document 17)). The manufacture and properties of the membrane are described.
これらの全ての陽イオン交換膜の不利は、膜を加湿しなければならず、作動温度が100℃に制限され、膜が高いメタノール透過性を有するという事実である。これらの不利の理由は、プロトンの輸送が水分子の輸送と連動している膜の伝導性メカニズムである。これは、「ビヒクルメカニズム」として知られている(非特許文献3:K.−D.Kreuer、Chem.Mater.1996、8,610−641)。 The disadvantage of all these cation exchange membranes is the fact that the membrane must be humidified, the operating temperature is limited to 100 ° C. and the membrane has a high methanol permeability. The reason for these disadvantages is the membrane conductivity mechanism in which proton transport is linked to water molecule transport. This is known as “vehicle mechanism” (Non-Patent Document 3: K.-D. Kreuer, Chem. Mater. 1996, 8, 610-641).
第二のカテゴリーとして、塩基性ポリマーと強酸の複合体を含む高分子電解質膜が開発されている。例えば、WO96/13872(特許文献18)および対応する米国特許第5,525,436号(特許文献19)は、ポリベンズイミダゾールのような塩基性ポリマーがリン酸、硫酸等のような強酸で処理される、プロトン伝導性高分子電解質膜の製造方法を記載している。
J.Electrochem.Soc.Vol.142,No.7,1995,pp.L121−L123(非特許文献4)は、リン酸中でポリベンズイミダゾールをドーピングすることを記載している。
As a second category, a polymer electrolyte membrane including a complex of a basic polymer and a strong acid has been developed. For example, WO 96/13872 (Patent Document 18) and the corresponding US Pat. No. 5,525,436 (Patent Document 19) treat a basic polymer such as polybenzimidazole with a strong acid such as phosphoric acid or sulfuric acid. A method for producing a proton conductive polymer electrolyte membrane is described.
J. et al. Electrochem. Soc. Vol. 142, no. 7, 1995, pp. L121-L123 (Non-Patent Document 4) describes doping polybenzimidazole in phosphoric acid.
先行技術で公知の塩基性ポリマー膜の場合には、必要なプロトン伝導性を得るために用いられる鉱酸(通常、濃リン酸)が、通常はポリアゾールフィルムを形成した後に添加される。該ポリマーは、この場合、高度に濃縮されたリン酸よりなる電解質のための支持体として働く。ポリマー膜は、この場合、さらに重要な機能を果たす。特に、高い機械的安定性を有し、前記の2つの燃料のためのセパレーターとして働くことが要求される。 In the case of basic polymer membranes known from the prior art, the mineral acid (usually concentrated phosphoric acid) used to obtain the required proton conductivity is usually added after the polyazole film is formed. The polymer serves in this case as a support for an electrolyte consisting of highly concentrated phosphoric acid. The polymer membrane in this case performs a more important function. In particular, it is required to have high mechanical stability and to act as a separator for the two fuels.
この種のリン酸をドープした膜の主要な利点は、このタイプの高分子電解質膜が用いられる燃料電池は、そうでなければ必要となる燃料の加湿をせずに100℃を超える温度で作動させることができるという事実である。この能力は、いわゆるグロチウスメカニズム(非特許文献3:K.−D.Kreuer、Chem.Mater.1996、8、610−641)によって、さらなる水なくしてプロトンを輸送することができるリン酸の特性にある。 The main advantage of this type of phosphoric acid doped membrane is that fuel cells in which this type of polymer electrolyte membrane is used operate at temperatures above 100 ° C without otherwise humidifying the required fuel It is a fact that can be made. This ability is attributed to the properties of phosphate that can transport protons without further water by the so-called Grotius mechanism (K.-D. Kreuer, Chem. Mater. 1996, 8, 610-641). is there.
100℃を超える温度での作動が可能であると、燃料電池システムについて、さらなる利点が開かれる。まず、ガス汚染、特にCOに対するPt触媒の感受性が、大きく低下する。COは、天然ガス、メタノールまたはベンジンのような炭素含有化合物の水素リッチガスへの改質における副産物として、またはメタノールの直接酸化における中間体として生成する。典型的には、100℃未満の温度における燃料のCO含有量は、100ppmより低くなければならない。しかしながら、150〜200℃の範囲の温度においては、10000ppm以上のCOでさえ許容することができる(非特許文献5:N.J.Bjerrumら、Journal of Applied Electrochemistry、2001、31,773−779)。これは、上流の改質プロセスの実質的な簡素化および、従って、燃料電池システム全体のコスト低下に繋がる。 The ability to operate at temperatures above 100 ° C. opens up additional advantages for fuel cell systems. First, the sensitivity of the Pt catalyst to gas contamination, particularly CO, is greatly reduced. CO is produced as a by-product in reforming natural gas, carbon-containing compounds such as methanol or benzine to hydrogen-rich gases, or as an intermediate in the direct oxidation of methanol. Typically, the CO content of the fuel at temperatures below 100 ° C. must be lower than 100 ppm. However, at temperatures in the range of 150-200 ° C., even 10000 ppm CO or higher can be tolerated (NJ Bjerrum et al., Journal of Applied Electrochemistry, 2001, 31, 773-779). . This leads to a substantial simplification of the upstream reforming process and thus to a lower cost of the entire fuel cell system.
燃料電池の大きな利点は、電気化学反応の間に、燃料のエネルギーが直接、電気エネルギーおよび熱に変換されるという事実である。陰極では、反応生成物としては水が生成する。また、電気化学反応における副産物として熱がでる。例えば、自動車への適用、または種々の蓄電池システムの代替として電気モーターを駆動するために電気のみを利用する適用では、熱を除去して、システムがオーバーヒートするのを防ぐ必要がある。冷却は、燃料電池の全電気効率をさらに下げるさらなるエネルギー消費器具を必要とする。集中されたまたは集中されていない電気および熱の発生用のような静的応用では、熱は、熱交換器のような現存の技術によって効果的に利用することができる。そのような場合、効率を増大させるために高温にすることが求められる。もし作動温度が100℃を超え、周囲温度と作動温度の間の温度差が大きければ、膜の加湿のため100℃未満で作動させなければならない燃料電池と比べて、燃料電池システムを効率的に冷却すること、またはより小さな冷却面積を用いること、そしてさらなる器具をなしで済ますことが可能となる。 A major advantage of fuel cells is the fact that during the electrochemical reaction, the energy of the fuel is converted directly into electrical energy and heat. At the cathode, water is generated as a reaction product. In addition, heat is generated as a by-product in the electrochemical reaction. For example, in automotive applications or applications that only use electricity to drive an electric motor as an alternative to various storage battery systems, it is necessary to remove heat to prevent the system from overheating. Cooling requires additional energy consuming equipment that further reduces the overall electrical efficiency of the fuel cell. In static applications, such as for concentrated or unconcentrated electricity and heat generation, heat can be effectively utilized by existing technologies such as heat exchangers. In such cases, higher temperatures are required to increase efficiency. If the operating temperature exceeds 100 ° C and the temperature difference between the ambient temperature and the operating temperature is large, the fuel cell system is more efficient than a fuel cell that must be operated below 100 ° C due to membrane humidification. It is possible to cool or use a smaller cooling area and to dispense with further equipment.
しかしながら、これらの利点に加え、この種の燃料電池システムは不利も有する。例えば、リン酸でドープされた膜の耐久性は比較的限られている。その寿命は、特に、100℃未満、例えば80℃で燃料電池を作動させることによってかなり低下する。しかしながら、その意味では、燃料電池は起動、停止の際には、それらの温度で作動させなければならないことに注意すべきである。 However, in addition to these advantages, this type of fuel cell system also has disadvantages. For example, the durability of films doped with phosphoric acid is relatively limited. Its lifetime is considerably reduced, especially by operating the fuel cell below 100 ° C., for example at 80 ° C. In that sense, however, it should be noted that fuel cells must be operated at their temperatures when starting and stopping.
さらに、リン酸でドープされた膜の製造は、比較的高価である。というのは、通常は、まずプレポリマーが形成され、引き続いて、溶媒の助けを借りて注型してフィルムを形成するからである。フィルムを乾燥した後、最後の工程でそれを酸でドープする。 Furthermore, the production of membranes doped with phosphoric acid is relatively expensive. This is because usually a prepolymer is first formed and subsequently cast with the aid of a solvent to form a film. After the film is dried, it is doped with acid in the last step.
さらなる問題は、リン酸でドープされたポリアゾールフィルムの比較的低い機械的安定性である。かくして、もし機械的安定性が余りにも低ければ、膜は、燃料として利用される燃料電池に流入するガスによって生じる圧力によって損傷されるかもしれない。
加えて、公知の膜の伝導性のような性能は、比較的制限されている。
A further problem is the relatively low mechanical stability of polyazole films doped with phosphoric acid. Thus, if the mechanical stability is too low, the membrane may be damaged by the pressure generated by the gas flowing into the fuel cell used as fuel.
In addition, performance, such as the conductivity of known membranes, is relatively limited.
さらに、公知のリン酸をドープした膜は、直接メタノール燃料電池(DMFC)で用いることができない。にもかかわらず、その種の電池は特に興味深い。というのは、燃料としては、メタノール/水の混合物が使用できるからである。もしリン酸をベースとする公知の膜を用いれば、燃料電池は非常に短時間後に動かなくなる。 Furthermore, known membranes doped with phosphoric acid cannot be used directly in methanol fuel cells (DMFC). Nevertheless, such batteries are particularly interesting. This is because a methanol / water mixture can be used as the fuel. If known membranes based on phosphoric acid are used, the fuel cell will stop working after a very short time.
従って、本発明は、前記した目的を達成する新しい種類の高分子電解質膜を提供するという目的に基づく。特に、燃料電池の寿命を非常に急激に低下させることなく、0℃未満から200℃までに作動温度を拡大することを可能にすることである。 Therefore, the present invention is based on the object of providing a new type of polymer electrolyte membrane that achieves the aforementioned object. In particular, it is possible to extend the operating temperature from below 0 ° C. to 200 ° C. without reducing the life of the fuel cell very rapidly.
さらなる目的は、多くの異なる燃料電池で使用することができる高分子電解質膜を提供することである。かくして、該膜は、水素単独、および多数の炭素含有燃料、特に天然ガス、ベンジン、メタノールおよびバイオマスをそのエネルギー源として利用する燃料電池用として適していることになる。特に、該膜は、水素燃料電池および直接メタノール燃料電池(DMFC)で用いることができることになる。
また、本発明の膜は、安価であって、製造が簡単にできる。加えて、従って、高い性能、特に、広い温度範囲にわたって高い伝導性を呈する高分子電解質膜を提供するのが本発明の目的である。伝導性は、特に高温においてさらなる加湿なくして達成されることになる。
A further object is to provide a polymer electrolyte membrane that can be used in many different fuel cells. Thus, the membrane would be suitable for fuel cells utilizing hydrogen alone and a number of carbon-containing fuels, particularly natural gas, benzine, methanol and biomass as their energy sources. In particular, the membrane can be used in hydrogen fuel cells and direct methanol fuel cells (DMFC).
Also, the membrane of the present invention is inexpensive and easy to manufacture. In addition, it is therefore an object of the present invention to provide a polymer electrolyte membrane that exhibits high performance, particularly high conductivity over a wide temperature range. Conductivity will be achieved without further humidification, especially at high temperatures.
さらなる目的は、例えば、高い弾性率、高い引張強度および高い破壊靭性のような高い機械的安定性を示す高分子電解質膜を提供することである。
従って、本発明のもう1つの目的は、操作においても、例えば水素またはメタノールのような種々の燃料に対して低い透過性を有する膜を提供することである。
A further object is to provide a polymer electrolyte membrane that exhibits high mechanical stability such as, for example, high modulus, high tensile strength and high fracture toughness.
Accordingly, another object of the present invention is to provide a membrane that has low permeability to various fuels, such as hydrogen or methanol, even in operation.
これらの目的は、請求項1の全ての特徴を有する、スルホン酸基含有ポリマーを含むプロトン伝導性ポリマー膜によって達成される。さらに、基礎となる目的は、請求項19の全ての特徴を持つ、ポリアゾールをベースとするプロトン伝導性ポリマーコーティングを有する電極によって達成される。 These objects are achieved by a proton conducting polymer membrane comprising a sulfonic acid group-containing polymer having all the features of claim 1. Furthermore, the underlying object is achieved by an electrode having a proton-conducting polymer coating based on polyazole having all the features of claim 19.
本発明は、
A)ビニル含有スルホン酸を、カルボン酸モノマー当たり少なくとも2つの酸基を有する、1以上の芳香族カルボン酸、そのエステル、その酸ハライドまたはその酸無水物を含む1以上の芳香族テトラアミノ化合物と混合する、および/または
ビニル含有スルホン酸を、1以上の芳香族および/またはヘテロ芳香族ジアミノカルボン酸、そのエステル、その酸ハライドまたはその酸無水物と混合し、
B)工程A)により得られる混合物を、不活性ガス下で、350℃までの温度に加熱して、ポリアゾールポリマーを形成し、
C)工程A)および/またはB)による混合物を用いて、支持体に層を塗布し、
D)工程C)により得られるシート状構造体に存在するビニル含有スルホン酸を重合する
工程を含む方法によって得ることができる、スルホン酸基含有ポリマーを含むプロトン伝導性ポリマー膜を提供する。
The present invention
A) a vinyl-containing sulfonic acid with one or more aromatic tetraamino compounds comprising one or more aromatic carboxylic acids, esters thereof, acid halides or acid anhydrides thereof having at least two acid groups per carboxylic acid monomer; Mixing and / or mixing the vinyl-containing sulfonic acid with one or more aromatic and / or heteroaromatic diaminocarboxylic acids, their esters, their acid halides or their anhydrides,
B) The mixture obtained by step A) is heated under inert gas to a temperature of up to 350 ° C. to form a polyazole polymer,
C) using the mixture according to step A) and / or B) to apply a layer to the support,
D) Provided is a proton conductive polymer membrane containing a sulfonic acid group-containing polymer, which can be obtained by a method comprising a step of polymerizing a vinyl-containing sulfonic acid present in the sheet-like structure obtained by step C).
本発明の膜は、大きな温度範囲にわたって、さらなる加湿なしでも達成される、高い伝導性を示す。さらに、本発明の膜を備えた燃料電池は、それにより、燃料電池の寿命を大きく低下させることなく、低温にて、例えば80℃で作動させることができる。
本発明の高分子電解質膜は、メタノール透過性が非常に低く、従って、DMFCで用いるのに特に適している。かくして、水素、天然ガス、ベンジン、メタノールまたはバイオマスのような非常に多数の燃料で長時間燃料電池を作動させることが可能である。
また、本発明の膜は、簡単に、かつ安価に製造することができる。特に、ジメチルアセトアミドのような高価で、健康に害のある溶媒を大量に使う必要がない。
さらに、本発明の膜は、高い機械的安定性、特に、高い弾性率、高い引張強度および高い破壊靭性を示す。これらの膜は、加えて、驚くべき長い寿命を有する。
The membranes of the present invention exhibit high conductivity over a large temperature range that is achieved without further humidification. Furthermore, the fuel cell comprising the membrane of the present invention can thereby be operated at low temperatures, for example at 80 ° C., without significantly reducing the life of the fuel cell.
The polymer electrolyte membrane of the present invention has very low methanol permeability and is therefore particularly suitable for use in DMFC. Thus, it is possible to operate a fuel cell for a long time with a very large number of fuels such as hydrogen, natural gas, benzine, methanol or biomass.
Moreover, the membrane of the present invention can be produced easily and inexpensively. In particular, it is not necessary to use a large amount of an expensive and harmful solvent such as dimethylacetamide.
Furthermore, the films of the present invention exhibit high mechanical stability, in particular high modulus, high tensile strength and high fracture toughness. These membranes additionally have a surprisingly long lifetime.
ビニル含有スルホン酸は当該分野で公知である。これらは、少なくとも1つの炭素−炭素二重結合および少なくとも1つのスルホン酸基を含む化合物である。好ましくは、炭素−炭素二重結合を形成する2つの炭素原子には、少なくとも2つの、好ましくは3つの基が結合し、それは、二重結合の低い立体障害を生む。とりわけ、これらの基は、水素原子およびハロゲン原子、特にフッ素原子を含む。本発明においては、ポリビニルスルホン酸は、ビニル含有スルホン酸を単独で、またはさらなるモノマーおよび/または架橋剤と共に重合することによって得られる重合生成物である。 Vinyl-containing sulfonic acids are known in the art. These are compounds containing at least one carbon-carbon double bond and at least one sulfonic acid group. Preferably, at least two, preferably three, groups are attached to the two carbon atoms forming the carbon-carbon double bond, which results in low steric hindrance of the double bond. In particular, these groups contain hydrogen atoms and halogen atoms, in particular fluorine atoms. In the present invention, polyvinyl sulfonic acid is a polymerization product obtained by polymerizing vinyl-containing sulfonic acid alone or with additional monomers and / or crosslinking agents.
ビニル含有スルホン酸は、1、2、3以上の炭素−炭素二重結合を含むことができる。ビニル含有スルホン酸は、さらに、1、2、3以上のスルホン酸基を含むことができる。一般的にいえば、ビニル含有スルホン酸は2〜20、好ましくは2〜10の炭素原子を含む。 The vinyl-containing sulfonic acid can contain 1, 2, 3 or more carbon-carbon double bonds. The vinyl-containing sulfonic acid can further comprise 1, 2, 3 or more sulfonic acid groups. Generally speaking, vinyl-containing sulfonic acids contain 2 to 20, preferably 2 to 10 carbon atoms.
工程A)で用いるビニル含有スルホン酸は、好ましくは、次式の化合物を含む:式
[式中、Rは結合、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、互いに独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
xは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10であり、
yは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10である]
および/または式
[Wherein, R is a bond, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the group includes halogen, —OH, COOZ, —CN, Optionally substituted by NZ 2
Z, independently of one another, each is hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, —OH, — May be substituted by CN,
x is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10;
y is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10]
And / or formula
[式中、Rは結合、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、互いに独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
xは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10である]
および/または式
[Wherein, R is a bond, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the group includes halogen, —OH, COOZ, —CN, Optionally substituted by NZ 2
Z, independently of one another, each is hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, —OH, — May be substituted by CN,
x is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10]
And / or formula
[式中、Aは式COOR2、CN、CONR2 2、OR2、および/またはR2の基であり、ここに、R2は水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Rは結合、二価のC1〜C15アルキレン基、エチレンオキシ基のような二価のC1〜C15アルキレンオキシ基、または二価のC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、互いに独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
zは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10である。]
Wherein A is a group of formula COOR 2 , CN, CONR 2 2 , OR 2 , and / or R 2 , where R 2 is hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, ethylene a group or C5~C20 aryl or heteroaryl group, wherein the group consisting of halogen, -OH, COOZ, -CN, may be substituted by NZ 2,
R is a bond, a divalent C1-C15 alkylene group, a divalent C1-C15 alkyleneoxy group such as an ethyleneoxy group, or a divalent C5-C20 aryl or heteroaryl group. , -OH, COOZ, -CN, NZ 2 may be substituted,
Z, independently of one another, each is hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, —OH, — May be substituted by CN,
z is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10. ]
好ましいビニル含有スルホン酸は、エテンスルホン酸、プロペンスルホン酸、ブテンスルホン酸のようなスルホン酸基を含有するアルケン;例えば、2−スルホメチルアクリル酸、2−スルホメチルメタクリル酸、2−スルホメチルアクリルアミドおよび2−スルホメチルメタクリルアミドのようなスルホン酸基を含有するアクリル酸および/またはメタクリル酸化合物を含む。
特に好ましいのは、例えば、Aldrich社またはClariant GmbHから得ることができるような市販のビニルスルホン酸(エテンスルホン酸)が用いられる。好ましいビニルスルホン酸は70%を超える純度、特に90%、より好ましくは97%を超える純度を有する。
Preferred vinyl-containing sulfonic acids are alkenes containing sulfonic acid groups such as ethenesulfonic acid, propenesulfonic acid, butenesulfonic acid; for example, 2-sulfomethylacrylic acid, 2-sulfomethylmethacrylic acid, 2-sulfomethylacrylamide And acrylic acid and / or methacrylic acid compounds containing sulfonic acid groups such as 2-sulfomethylmethacrylamide.
Particular preference is given to using commercially available vinyl sulphonic acids (ethene sulphonic acids) as can be obtained, for example, from Aldrich or Clariant GmbH. Preferred vinyl sulfonic acids have a purity of more than 70%, in particular 90%, more preferably more than 97%.
ビニル含有スルホン酸は、あとで酸に変換することができる誘導体の形態で用いることができ、該酸への変換は、重合化状態でも行うことが可能である。そのような誘導体は、特に、ビニル含有スルホン酸の塩、エステル、アミドおよびハライドを含む。 The vinyl-containing sulfonic acid can be used in the form of a derivative that can be converted to an acid later, and the conversion to the acid can also be performed in a polymerized state. Such derivatives include in particular salts, esters, amides and halides of vinyl-containing sulfonic acids.
工程A)で調製される混合物は、ビニル含有スルホン酸を全重量にたいして、好ましくは、少なくとも1重量%、特に少なくとも5重量%、より好ましくは少なくとも20重量%を含む。本発明の1つの特別の態様によると、工程A)で調製される混合物は、全重量にたいして、60重量%以下のポリアゾール調製用モノマー、特に50重量%以下のポリアゾール調製用モノマー、より好ましくは30重量%以下のポリアゾール調製用モノマーを含む。 The mixture prepared in step A) preferably comprises at least 1% by weight, in particular at least 5% by weight, more preferably at least 20% by weight, based on the total weight of the vinyl-containing sulfonic acid. According to one particular embodiment of the invention, the mixture prepared in step A) is based on a total weight of not more than 60% by weight of polyazole preparation monomer, in particular not more than 50% by weight of polyazole preparation monomer, more preferably 30%. Contains no more than% by weight of monomer for polyazole preparation.
本発明の1つの特別な実施態様によると、工程A)による混合物はビニル含有ホスホン酸を含む。ビニル含有ホスホン酸の添加によって、驚くべきことに、膜の高温特性を改良することができる。これらのホスホン酸を比較的少量用いるだけで、加湿しなくても、結果として膜が破壊されることなく、本発明の膜を短時間作動することができる。もしビニル含有ホスホン酸の分率が増加すれば、性能は、温度が上昇するにつれて上がり、この能力は加湿なしでも得られる。 According to one particular embodiment of the invention, the mixture according to step A) comprises a vinyl-containing phosphonic acid. The addition of vinyl-containing phosphonic acid surprisingly can improve the high temperature properties of the membrane. By using only a relatively small amount of these phosphonic acids, the membrane of the present invention can be operated for a short time without resulting in destruction of the membrane without humidification. If the fraction of vinyl-containing phosphonic acid increases, the performance increases with increasing temperature, and this capability is obtained without humidification.
反応性基によって架橋することもできる膜に存在するポリビニルホスホン酸は、高温安定性を有するポリマーとで相互に入り込んだネットワークを形成する。従って、生成物の水による、またはDMFCの場合には、水性燃料による電解質の浸食が顕著に減少する。本発明の高分子電解質膜は、メタノール透過性が非常に低く、特に、DMFCで用いるのに適している。かくして、水素、天然ガス、ベンジン、メタノールまたはバイオマスのような複数の燃料での燃料電池の長期間作動が可能である。該膜は、これらの燃料が特に高い活性を示すのを可能とする。メタノールの酸化は、高温で高い活性で可能である。1つの特別の実施態様において、これらの膜は、特に100〜200℃の範囲の温度で、いわゆる蒸気形態のDMFCでの作動に適している。 Polyvinylphosphonic acid present in the membrane, which can also be cross-linked by reactive groups, forms an interpenetrating network with polymers having high temperature stability. Thus, erosion of the electrolyte by the product water or in the case of DMFC by the aqueous fuel is significantly reduced. The polymer electrolyte membrane of the present invention has very low methanol permeability and is particularly suitable for use in DMFC. Thus, long-term operation of the fuel cell with multiple fuels such as hydrogen, natural gas, benzine, methanol or biomass is possible. The membrane allows these fuels to exhibit particularly high activity. The oxidation of methanol is possible with high activity at high temperatures. In one particular embodiment, these membranes are suitable for operation in a so-called vapor form DMFC, especially at temperatures in the range of 100-200 ° C.
100℃を超える温度で作動させることが可能になった結果、ガス汚染、特にCOに対するPt触媒の感度が著しく低下する。COは、例えば天然ガス、メタノールまたはベンジンのような炭素含有化合物の水素リッチガスへの改質における副産物として、あるいはメタノールの直接酸化における中間体として生成される。典型的には、120℃を超える温度における燃料のCO含有率を、5000ppmよりも大きくすることができ、それでもPt触媒の触媒作用が劇的に低下することがない。しかしながら、150〜200℃の範囲の温度においては、10000ppm以上のCOでも許容される(N.J.Bjerrumら、Journal of Applied Electrochemistry、2001、31、773−779)。これは、上流の改質プロセスの実質的簡素化、および燃料電池システム全体のコスト削減に繋がる。 As a result of being able to operate at temperatures above 100 ° C., the sensitivity of the Pt catalyst to gas contamination, especially CO, is significantly reduced. CO is produced, for example, as a by-product in the reforming of carbon-containing compounds such as natural gas, methanol or benzine to hydrogen-rich gases, or as an intermediate in the direct oxidation of methanol. Typically, the CO content of the fuel at temperatures above 120 ° C. can be greater than 5000 ppm, yet the catalytic activity of the Pt catalyst is not dramatically reduced. However, at temperatures in the range of 150-200 ° C., more than 10000 ppm CO is acceptable (NJ Bjerrum et al., Journal of Applied Electrochemistry, 2001, 31, 773-779). This leads to substantial simplification of the upstream reforming process and cost reduction of the entire fuel cell system.
ホスホン酸含有量が高い本発明の膜は、さらなる加湿なしでも達成される、大きな温度範囲にわたる高い導電性を示す。さらに、本発明の膜を備えた燃料電池は、スルホン酸含有量が比較的高ければ、低温でも、例えば5℃で加湿しながら作動させることがでる。 The membranes of the invention with a high phosphonic acid content show a high conductivity over a large temperature range, which is achieved without further humidification. Furthermore, if the sulfonic acid content is relatively high, the fuel cell provided with the membrane of the present invention can be operated at a low temperature, for example, while humidifying at 5 ° C.
ビニル含有ホスホン酸は当該分野で公知である。これらは、少なくとも1つの炭素−炭素二重結合および少なくとも1つのホスホン酸基を含む化合物である。好ましくは、炭素−炭素二重結合を形成する2つの炭素原子には少なくとも2つの、好ましくは3つの基が結合し、それは、二重結合の低い立体障害を生む。これらの基としては、とりわけ、水素原子およびハロゲン原子、特にフッ素原子が挙げられる。本発明においては、ポリビニルホスホン酸は、ビニル含有ホスホン酸を単独で、またはさらにモノマーおよび/または架橋剤と共に重合することによって得られる重合産物である。
ビニル含有ホスホン酸は1、2、3以上の炭素−炭素二重結合を含むことができる。さらに、ビニル含有ホスホン酸は、1、2、3以上のホスホン酸基を含むことができる。
一般的にいえば、ビニル含有ホスホン酸は2〜20、好ましくは2〜10の炭素原子を含む。
Vinyl-containing phosphonic acids are known in the art. These are compounds containing at least one carbon-carbon double bond and at least one phosphonic acid group. Preferably, at least two, preferably three, groups are attached to the two carbon atoms forming the carbon-carbon double bond, which results in low steric hindrance of the double bond. These groups include, among others, hydrogen atoms and halogen atoms, especially fluorine atoms. In the present invention, polyvinyl phosphonic acid is a polymerization product obtained by polymerizing vinyl-containing phosphonic acid alone or in addition with a monomer and / or a crosslinking agent.
The vinyl-containing phosphonic acid can contain 1, 2, 3 or more carbon-carbon double bonds. Further, the vinyl-containing phosphonic acid can contain 1, 2, 3 or more phosphonic acid groups.
Generally speaking, vinyl-containing phosphonic acids contain 2 to 20, preferably 2 to 10 carbon atoms.
工程A)で用いるビニル含有ホスホン酸としては、好ましくは、次式の化合物が挙げられる:式
[式中、Rは結合、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、互いに独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
xは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10であり、
yは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10である]
および/または式
[Wherein, R is a bond, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the group includes halogen, —OH, COOZ, —CN, Optionally substituted by NZ 2
Z, independently of one another, each is hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, —OH, — May be substituted by CN,
x is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10;
y is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10]
And / or formula
[式中、Rは結合、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、互いに独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
xは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10である]
および/または式
[Wherein, R is a bond, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the group includes halogen, —OH, COOZ, —CN, Optionally substituted by NZ 2
Z, independently of one another, each is hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, —OH, — May be substituted by CN,
x is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10]
And / or formula
[式中、Aは式COOR2、CN、CONR2 2、OR2および/またはR2の基であり、ここに、R2は、水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Rは結合、二価のC1〜C15アルキレン基、エチレンオキシ基のような二価のC1〜C15アルキレンオキシ基、または二価のC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、互いに独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
xは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10である。]
Wherein A is a group of formula COOR 2 , CN, CONR 2 2 , OR 2 and / or R 2 , wherein R 2 is hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, ethylene a group or C5~C20 aryl or heteroaryl group, wherein the group consisting of halogen, -OH, COOZ, -CN, may be substituted by NZ 2,
R is a bond, a divalent C1-C15 alkylene group, a divalent C1-C15 alkyleneoxy group such as an ethyleneoxy group, or a divalent C5-C20 aryl or heteroaryl group. , -OH, COOZ, -CN, NZ 2 may be substituted,
Z, independently of one another, each is hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, —OH, — May be substituted by CN,
x is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10. ]
好ましいビニル含有ホスホン酸は、エテンホスホン酸、プロペンホスホン酸、ブテンホスホン酸のようなホスホン酸基を有するアルケン;例えば、2−ホスホノメタクリル酸、2−ホスホノメチルメタクリル酸、2−ホスホノメチルアクリルアミドおよび2−ホスホノメチルメタクリルアミドのようなホスホン酸基を有するアクリル酸および/またはメタクリル酸化合物を含む。 Preferred vinyl-containing phosphonic acids are alkenes having phosphonic acid groups such as ethenephosphonic acid, propenephosphonic acid, butenephosphonic acid; for example 2-phosphonomethacrylic acid, 2-phosphonomethylmethacrylic acid, 2-phosphonomethylacrylamide And acrylic acid and / or methacrylic acid compounds having a phosphonic acid group such as 2-phosphonomethylmethacrylamide.
特に好ましくは、例えばAldrich社またはClariant GmbHから得ることができるような、市販のビニルホスホン酸(エテンホスホン酸)が用いられる。好ましいビニルホスホン酸は、70%を超える純度、特に90%、より好ましくは97%を超える純度を有する。 Particular preference is given to using commercially available vinylphosphonic acids (ethenephosphonic acids), such as can be obtained, for example, from Aldrich or Clariant GmbH. Preferred vinylphosphonic acids have a purity of more than 70%, in particular 90%, more preferably more than 97%.
さらに、ビニル含有ホスホン酸は、あとで酸に変換することができる誘導体の形態で用いることができ、該酸への変換は、重合化状態で行うことができる。そのような誘導体は、特に、ビニル含有ホスホン酸の塩、エステル、アミドおよびハライドを含む。 Furthermore, the vinyl-containing phosphonic acid can be used in the form of a derivative that can later be converted to an acid, which conversion can be carried out in the polymerized state. Such derivatives include in particular salts, esters, amides and halides of vinyl-containing phosphonic acids.
ビニル含有ホスホン酸の使用は任意である。工程A)で調製された混合物は、ビニル含有ホスホン酸を、混合物の全重量に対して、好ましくは少なくとも20重量%、特に少なくとも30重量%、より好ましくは少なくとも50重量%含む。 The use of vinyl-containing phosphonic acid is optional. The mixture prepared in step A) preferably comprises at least 20% by weight, in particular at least 30% by weight, more preferably at least 50% by weight, of vinyl-containing phosphonic acid, based on the total weight of the mixture.
工程A)で調製された混合物は、さらに、他の有機および/または無機溶媒を含むことができる。有機溶媒としては、特に、ジメチルスルホキシド(DMSO)、酢酸エチルのようなエステルなどの極性非プロトン性溶媒、およびエタノール、プロパノール、イソプロパノールおよび/またはブタノールのようなアルコールなどの極性プロトン性溶媒があげられる。無機溶媒は、特に、水、リン酸およびポリリン酸を含む。 The mixture prepared in step A) can further comprise other organic and / or inorganic solvents. Organic solvents include in particular polar aprotic solvents such as esters such as dimethyl sulfoxide (DMSO), ethyl acetate, and polar protic solvents such as alcohols such as ethanol, propanol, isopropanol and / or butanol. . Inorganic solvents include in particular water, phosphoric acid and polyphosphoric acid.
これらは、加工特性に対して正の効果を与えることができる。特に、有機溶媒を添加することによって、例えば、工程B)で形成されるポリマーの溶解性を改良することができる。そのような溶液中のビニル含有スルホン酸の量は、一般的には、少なくとも5重量%、好ましくは少なくとも10重量%、より好ましくは10重量%〜97重量%である。そのような溶液中のビニル含有ホスホン酸の量は、好ましくは少なくとも5重量%、より好ましくは少なくとも10重量%、特に好ましくは10〜97重量%である。 These can have a positive effect on the processing characteristics. In particular, the solubility of the polymer formed in step B) can be improved, for example, by adding an organic solvent. The amount of vinyl-containing sulfonic acid in such a solution is generally at least 5% by weight, preferably at least 10% by weight, more preferably 10% to 97% by weight. The amount of vinyl-containing phosphonic acid in such a solution is preferably at least 5% by weight, more preferably at least 10% by weight, particularly preferably 10 to 97% by weight.
ビニル含有スルホン酸に対するビニル含有ホスホン酸の重量比は、広く変化させることができる。好ましくは、ビニル含有スルホン酸に対するビニル含有ホスホン酸の比は、1:100〜99:1の範囲、特に1:10〜10:1の範囲である。1:1以上の比率、特に3:1以上の比率、特に好ましくは5:1以上の比率では、膜は、加湿することなく100℃を超える温度でも作動させることができる。 The weight ratio of vinyl-containing phosphonic acid to vinyl-containing sulfonic acid can vary widely. Preferably, the ratio of vinyl-containing phosphonic acid to vinyl-containing sulfonic acid ranges from 1: 100 to 99: 1, in particular from 1:10 to 10: 1. At a ratio of 1: 1 or higher, in particular a ratio of 3: 1 or higher, particularly preferably a ratio of 5: 1 or higher, the membrane can be operated at temperatures above 100 ° C. without humidification.
工程A)で調製した混合物は、ビニル含有スルホン酸および/またはビニル含有ホスホン酸を好ましくは少なくとも10重量、特に少なくとも20〜98重量%を含む。
本発明の1つの特別の態様によると、ビニル含有スルホン酸に対するビニル含有ホスホン酸の比率は、重量基準で、1:99〜99:1、好ましくは1:50〜50:1の範囲であるが、これに限定されるものではない。
The mixture prepared in step A) preferably comprises at least 10%, in particular at least 20 to 98% by weight of vinyl-containing sulfonic acid and / or vinyl-containing phosphonic acid.
According to one particular embodiment of the invention, the ratio of vinyl-containing phosphonic acid to vinyl-containing sulfonic acid ranges from 1:99 to 99: 1, preferably 1:50 to 50: 1, on a weight basis. However, the present invention is not limited to this.
本発明に従って用いられる芳香族およびヘテロ芳香族テトラアミノ化合物は、好ましくは、3,3’,4,4’−テトラアミノビフェニル、2,3,5,6−テトラアミノピリジン、1,2,4,5−テトラアミノベンゼン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルエーテル、3,3’,4,4’−テトラアミノベンゾフェノン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルメタンおよび3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルジメチルメタンおよびその塩、特に、そのモノ−、ジ−、トリ−およびテトラ塩酸塩誘導体である。 The aromatic and heteroaromatic tetraamino compounds used according to the invention are preferably 3,3 ′, 4,4′-tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6-tetraaminopyridine, 1,2,4. , 5-tetraaminobenzene, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl sulfone, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl ether, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminobenzophenone, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylmethane and 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyldimethylmethane and its salts, in particular its mono-, di-, tri- and tetrahydrochloride derivatives is there.
本発明に従って用いられる芳香族カルボン酸は、ジカルボン酸およびトリカルボン酸およびテトラカルボン酸、またはそのエステル、その無水物またはその酸ハライド、特にその酸塩化物である。用語「芳香族カルボン酸」は、ヘテロ芳香族カルボン酸も等しく含む。芳香族ジカルボン酸は、好ましくは、イソフタル酸、テレフタル酸、フタル酸、5−ヒドロキシイソフタル酸、4−ヒドロキシイソフタル酸、2−ヒドロキシテレフタル酸、5−アミノイソフタル酸、5−N,N−ジメチルアミノイソフタル酸、5−N,N−ジエチルアミノイソフタル酸、2,5−ジヒドロキシテレフタル酸、2,6−ジヒドロキシイソフタル酸、4,6−ジヒドロキシイソフタル酸、2,3−ジヒドロキシフタル酸、2,4−ジヒドロキシフタル酸、3,4−ジヒドロキシフタル酸、3−フルオロフタル酸、5−フルオロイソフタル酸、2−フルオロテレフタル酸、テトラフルオロフタル酸、テトラフルオロイソフタル酸、テトラフルオロテレフタル酸、1,4−ナフタレンジカルボン酸、1,5−ナフタレンジカルボン酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、2,7−ナフタレンジカルボン酸、ジフェン酸、1,8−ジヒドロキシナフタレン−3,6−ジカルボン酸、ジフェニルエーテル−4,4’−ジカルボン酸、ベンゾフェノン−4,4’−ジカルボン酸、ジフェニルスルホン−4,4’−ジカルボン酸、ビフェニル−4,4’−ジカルボン酸、4−トリフルオロメチルフタル酸、2,2−ビス(4−カルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−スチルベンジカルボン酸、4−カルボキシ桂皮酸、およびそのC1〜C20アルキルエステルもしくはC5〜C12アリールエステル、またはその酸無水物またはその酸塩化物である。芳香族トリ−およびテトラカルボン酸またはそのC1〜C20アルキルエステルまたはC5〜C12アリールエステルまたはその酸無水物またはその酸塩化物は、好ましくは1,3,5−ベンゼントリカルボン酸(トリメシン酸)、1,2,4−ベンゼントリカルボン酸(トリメリット酸)、(2−カルボキシフェニル)イミノジ酢酸、3,5,3’−ビフェニルトリカルボン酸および3,5,4’−ビフェニルトリカルボン酸である。 The aromatic carboxylic acids used according to the invention are dicarboxylic acids and tricarboxylic acids and tetracarboxylic acids, or their esters, their anhydrides or their acid halides, in particular their acid chlorides. The term “aromatic carboxylic acid” includes heteroaromatic carboxylic acids as well. The aromatic dicarboxylic acid is preferably isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 5-hydroxyisophthalic acid, 4-hydroxyisophthalic acid, 2-hydroxyterephthalic acid, 5-aminoisophthalic acid, 5-N, N-dimethylamino. Isophthalic acid, 5-N, N-diethylaminoisophthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxyphthalic acid, 2,4-dihydroxy Phthalic acid, 3,4-dihydroxyphthalic acid, 3-fluorophthalic acid, 5-fluoroisophthalic acid, 2-fluoroterephthalic acid, tetrafluorophthalic acid, tetrafluoroisophthalic acid, tetrafluoroterephthalic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic Acid, 1,5-naphthalene dicarboxylic 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2,7-naphthalenedicarboxylic acid, diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether-4,4′-dicarboxylic acid, benzophenone-4,4 ′ -Dicarboxylic acid, diphenylsulfone-4,4'-dicarboxylic acid, biphenyl-4,4'-dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, 2,2-bis (4-carboxyphenyl) hexafluoropropane, 4, 4'-stilbene dicarboxylic acid, 4-carboxycinnamic acid, and its C1-C20 alkyl ester or C5-C12 aryl ester, or its acid anhydride or its acid chloride. The aromatic tri- and tetracarboxylic acid or its C1-C20 alkyl ester or C5-C12 aryl ester or its acid anhydride or its acid chloride is preferably 1,3,5-benzenetricarboxylic acid (trimesic acid), 1 2,4-benzenetricarboxylic acid (trimellitic acid), (2-carboxyphenyl) iminodiacetic acid, 3,5,3′-biphenyltricarboxylic acid and 3,5,4′-biphenyltricarboxylic acid.
芳香族テトラカルボン酸またはそのC1〜C20アルキルエステルもしくはC5〜C12アリールエステルまたはその酸無水物またはその酸塩化物は、好ましくは3,5,3’、5’−ビフェニルテトラカルボン酸、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸、2,2’、3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸、1,2,5,6−ナフタレンテトラカルボン酸および1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸である。 The aromatic tetracarboxylic acid or its C1-C20 alkyl ester or C5-C12 aryl ester or its acid anhydride or its acid chloride is preferably 3,5,3 ′, 5′-biphenyltetracarboxylic acid, 1,2 , 4,5-benzenetetracarboxylic acid, benzophenonetetracarboxylic acid, 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic acid, 2,2 ′, 3,3′-biphenyltetracarboxylic acid, 1,2,5 , 6-Naphthalenetetracarboxylic acid and 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic acid.
本発明に従って用いられるヘテロ芳香族カルボン酸は、ヘテロ芳香族ジカルボン酸およびトリカルボン酸およびテトラカルボン酸、ならびにそのエステルまたはその無水物である。ヘテロ芳香族カルボン酸とは、芳香族部位に少なくとも1つの窒素、酸素、硫黄またはリン原子を含む芳香族系を意味する。好ましくは、ピリジン−2,5−ジカルボン酸、ピリジン−3,5−ジカルボン酸、ピリジン−2,6−ジカルボン酸、ピリジン−2,4−ジカルボン酸、4−フェニル−2,5−ピリジンジカルボン酸、3,5−ピラゾールジカルボン酸、2,6−ピリミジンジカルボン酸、2,5−ピラジンジカルボン酸、2,4,6−ピリジントリカルボン酸、ベンズイミダゾール−5,6−ジカルボン酸である。また、そのC1〜C20アルキルエステルもしくはC5〜C12アリールエステル、あるいはその酸無水物またはその酸塩化物である。 The heteroaromatic carboxylic acids used in accordance with the present invention are heteroaromatic dicarboxylic acids and tricarboxylic acids and tetracarboxylic acids, and their esters or anhydrides. By heteroaromatic carboxylic acid is meant an aromatic system that contains at least one nitrogen, oxygen, sulfur or phosphorous atom in the aromatic moiety. Preferably, pyridine-2,5-dicarboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5-pyridinedicarboxylic acid 3,5-pyrazole dicarboxylic acid, 2,6-pyrimidine dicarboxylic acid, 2,5-pyrazine dicarboxylic acid, 2,4,6-pyridinetricarboxylic acid, benzimidazole-5,6-dicarboxylic acid. Moreover, it is the C1-C20 alkyl ester or C5-C12 aryl ester, its acid anhydride, or its acid chloride.
(用いるジカルボン酸に対して)トリカルボン酸および/またはテトラカルボン酸の量は、0〜30モル%、好ましくは0.1〜20モル%、特に0.5〜10モル%である。 The amount of tricarboxylic acid and / or tetracarboxylic acid (relative to the dicarboxylic acid used) is 0-30 mol%, preferably 0.1-20 mol%, in particular 0.5-10 mol%.
本発明に従って用いられる芳香族およびヘテロ芳香族ジアミノカルボン酸は、好ましくは、ジアミノ安息香酸およびそのモノ−およびジ塩酸塩誘導体である。 The aromatic and heteroaromatic diaminocarboxylic acids used according to the invention are preferably diaminobenzoic acid and its mono- and dihydrochloride derivatives.
工程A)においては、少なくとも2つの異なる芳香族カルボン酸の混合物を用いるのが好ましい。特に好ましいのは、芳香族カルボン酸に加えて、ヘテロ芳香族カルボン酸をも含む混合物を用いることである。ヘテロ芳香族カルボン酸に対する芳香族カルボン酸の混合比率は、1:99〜99:1、好ましくは1:50〜50:1の間である。 In step A) it is preferred to use a mixture of at least two different aromatic carboxylic acids. Particular preference is given to using mixtures which also contain heteroaromatic carboxylic acids in addition to aromatic carboxylic acids. The mixing ratio of aromatic carboxylic acid to heteroaromatic carboxylic acid is between 1:99 and 99: 1, preferably between 1:50 and 50: 1.
これらの混合物は、特に、N−ヘテロ芳香族ジカルボン酸と芳香族ジカルボン酸の混合物である。その限定されない例としては、イソフタル酸、テレフタル酸、フタル酸、2,5−ジヒドロキシテレフタル酸、2,6−ジヒドロキシイソフタル酸、4,6−ジヒドロキシイソフタル酸、2,3−ジヒドロキシフタル酸、2,4−ジヒドロキシフタル酸、3,4−ジヒドロキシフタル酸、1,4−ナフタレンジカルボン酸、1,5−ナフタレンジカルボン酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、2,7−ナフタレンジカルボン酸、ジフェン酸、1,8−ジヒドロキシナフタレン−3,6−ジカルボン酸、ジフェニルエーテル−4,4’−ジカルボン酸、ベンゾフェノン−4,4’−ジカルボン酸、ジフェニルスルホン−4,4’−ジカルボン酸、ビフェニル−4,4’−ジカルボン酸、4−トリフルオロメチルフタル酸、ピリジン−2,5−ジカルボン酸、ピリジン−3,5−ジカルボン酸、ピリジン−2,6−ジカルボン酸、ピリジン−2,4−ジカルボン酸、4−フェニル−2,5−ピリジンジカルボン酸、3,5−ピラゾールジカルボン酸、2,6−ピリミジンジカルボン酸および2,5−ピラジンジカルボン酸が挙げられる。 These mixtures are in particular mixtures of N-heteroaromatic dicarboxylic acids and aromatic dicarboxylic acids. Non-limiting examples include isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxyphthalic acid, 2, 4-dihydroxyphthalic acid, 3,4-dihydroxyphthalic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic acid, 1,5-naphthalenedicarboxylic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2,7-naphthalenedicarboxylic acid, diphenic acid, 1 , 8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether-4,4′-dicarboxylic acid, benzophenone-4,4′-dicarboxylic acid, diphenylsulfone-4,4′-dicarboxylic acid, biphenyl-4,4 ′ -Dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, pyridine-2,5- Carboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5-pyridinedicarboxylic acid, 3,5-pyrazole dicarboxylic acid, Examples include 2,6-pyrimidine dicarboxylic acid and 2,5-pyrazine dicarboxylic acid.
もし、できるだけ分子量を大きくしたいのであれば、テトラアミノ化合物と、カルボン酸モノマー当たり少なくとも2つの酸基を含む1以上の芳香族カルボン酸および/またはそのエステルとの反応におけるアミノ基に対するカルボン酸基のモル比は、好ましくは約1:2である。 If it is desired to increase the molecular weight as much as possible, the carboxylic acid groups can be compared with the amino groups in the reaction of the tetraamino compound with one or more aromatic carboxylic acids and / or their esters containing at least two acid groups per carboxylic acid monomer. The molar ratio is preferably about 1: 2.
工程A)で調製された混合物は、好ましくは、少なくとも2重量%、特に5〜20重量%のポリアゾール製造のためのモノマーを含む。 The mixture prepared in step A) preferably contains at least 2% by weight, in particular 5-20% by weight, of monomers for the production of polyazoles.
工程B)で形成されるポリアゾールベースのポリマーは、一般式(I)および/または(II)および/または(III)および/または(IV)および/または(V)および/または(VI)および/または(VII)および/または(VIII)および/または(IX)および/または(X)および/または(XI)および/または(XII)および/または(XIII)および/または(XIV)および/または(XV)および/または(XVI)および/または(XVII)および/または(XVIII)および/または(XIX)および/または(XX)および/または(XXI)および/または(XXII)のアゾール繰り返し単位を含む。 The polyazole-based polymer formed in step B) is of the general formula (I) and / or (II) and / or (III) and / or (IV) and / or (V) and / or (VI) and And / or (VII) and / or (VIII) and / or (IX) and / or (X) and / or (XI) and / or (XII) and / or (XIII) and / or (XIV) and / or An azole repeating unit of (XV) and / or (XVI) and / or (XVII) and / or (XVIII) and / or (XIX) and / or (XX) and / or (XXI) and / or (XXII) Including.
[式中、
Arは、各々が同一または異なり、単環または多環であってよい四価芳香族またはヘテロ芳香族基であり、
Ar1は、各々が同一または異なり、単環または多環であってよい二価芳香族またはヘテロ芳香族基であり、
Ar2は、各々が同一または異なり、単環または多環であってよい二価または三価芳香族またはヘテロ芳香族基であり、
Ar3は、各々が同一または異なり、単環または多環であってよい三価芳香族またはヘテロ芳香族基であり、
Ar4は、各々が同一または異なり、単環または多環であってよい三価芳香族またはヘテロ芳香族基であり、
Ar5は、各々が同一または異なり、単環または多環であってよい四価芳香族またはヘテロ芳香族基であり、
Ar6は、各々が同一または異なり、単環または多環であってよい二価芳香族またはヘテロ芳香族基であり、
Ar7は、各々が同一または異なり、単環または多環であってよい二価芳香族またはヘテロ芳香族基であり、
Ar8は、各々が同一または異なり、単環または多環であってよい三価芳香族またはヘテロ芳香族基であり、
Ar9は、各々が同一または異なり、単環または多環であってよい二価または三価または四価芳香族またはヘテロ芳香族基であり、
Ar10は、各々が同一または異なり、単環または多環であってよい二価または三価芳香族またはヘテロ芳香族基であり、
Ar11は、各々が同一または異なり、単環または多環であってよい二価芳香族またはヘテロ芳香族基であり、
Xは、各々が同一または異なり、酸素、硫黄、または、さらなる基として水素原子、1〜20の炭素原子を有する基、好ましくは、分岐または非分岐アルキルまたはアルコキシ基またはアリール基を有するアミノ基であり、
Rは、各々が同一または異なり、水素、アルキル基および芳香族基であり、式XXにおけるRは二価基であるという条件で各々が同一または異なり、水素、アルキル基および芳香族基であり、
n、mは10以上、好ましくは100以上の整数である。]
[Where:
Ar is a tetravalent aromatic or heteroaromatic group, each of which may be the same or different and may be monocyclic or polycyclic;
Ar 1 is a divalent aromatic or heteroaromatic group, each of which may be the same or different and may be monocyclic or polycyclic,
Ar 2 is a divalent or trivalent aromatic or heteroaromatic group, each of which may be the same or different and may be monocyclic or polycyclic;
Ar 3 is a trivalent aromatic or heteroaromatic group, each of which may be the same or different and may be monocyclic or polycyclic,
Ar 4 is a trivalent aromatic or heteroaromatic group, each of which may be the same or different and may be monocyclic or polycyclic,
Ar 5 is a tetravalent aromatic or heteroaromatic group, each of which may be the same or different and may be monocyclic or polycyclic,
Ar 6 is a divalent aromatic or heteroaromatic group, each of which may be the same or different and may be monocyclic or polycyclic;
Ar 7 is a divalent aromatic or heteroaromatic group, each of which may be the same or different and may be monocyclic or polycyclic,
Ar 8 is a trivalent aromatic or heteroaromatic group, each of which may be the same or different and may be monocyclic or polycyclic;
Ar 9 is a divalent or trivalent or tetravalent aromatic or heteroaromatic group, each of which may be the same or different and may be monocyclic or polycyclic;
Ar 10 is a divalent or trivalent aromatic or heteroaromatic group, each of which may be the same or different and may be monocyclic or polycyclic,
Ar 11 is a divalent aromatic or heteroaromatic group, each of which may be the same or different and may be monocyclic or polycyclic,
Each X is the same or different and is oxygen, sulfur or a group having a hydrogen atom, 1 to 20 carbon atoms as a further group, preferably an amino group having a branched or unbranched alkyl or alkoxy group or an aryl group. Yes,
Each R is the same or different and is hydrogen, an alkyl group and an aromatic group, and each R is the same or different on the condition that R in Formula XX is a divalent group, and is a hydrogen, an alkyl group and an aromatic group;
n and m are integers of 10 or more, preferably 100 or more. ]
本発明で好ましい芳香族またはヘテロ芳香族基は、ベンゼン、ナフタレン、ジフェニル、ジフェニルエーテル、ジフェニルメタン、ジフェニルジメチルメタン、ビスフェノン、ジフェニルスルホン、チオフェン、フラン、ピロール、チアゾール、オキサゾール、イミダゾール、イソチアゾール、イソオキサゾール、ピラゾール、1,3,4−オキサジアゾール、2,5−ジフェニル−1,3,4−オキサジアゾール、1,3,4−チアジアゾール、1,3,4−トリアゾール、2,5−ジフェニル−1,3,4−トリアゾール、1,2,5−トリフェニル−1,3,4−トリアゾール、1,2,4−オキサジアゾール、1,2,4−チアジアゾール、1,2,4−トリアゾール、1,2,3−トリアゾール、1,2,3,4−テトラゾール、ベンゾ[b]チオフェン、ベンゾ[b]フラン、インドール、ベンゾ[c]チオフェン、ベンゾ[c]フラン、イソインドール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール、ベンズイミダゾール、ベンズイソオキサゾール、ベンズイソチアゾール、ベンゾピラゾール、ベンゾチアジアゾール、ベンゾトリアゾール、ジベンゾフラン、ジベンゾチオフェン、カルバゾール、ピリジン、ビピリジン、ピラジン、ピラゾール、ピリミジン、ピリダジン、1,3,5−トリアジン、1,2,4−トリアジン、1,2,4,5−トリアジン、テトラジン、キノリン、イソキノリン、キノキサリン、キナゾリン、シンノリン、1,8−ナフチリジン、1,5−ナフチリジン、1,6−ナフチリジン、1,7−ナフチリジン、フタラジン、ピリドピリミジン、プリン、プテリジンまたはキノリジン、4H−キノリジン、ジフェニルエーテル、アントラセン、ベンゾピロール、ベンゾオキサチアジアゾール、ベンゾオキサジアゾール、ベンゾピリジン、ベンゾピラジン、ベンゾピラジジン、ベンゾピリミジン、ベンゾトリアジン、インドリジン、ピリドピリジン、イミダゾピリミジン、ピラジノピリミジン、カルバゾール、アクリジン、フェナジン、ベンゾキノリン、フェノキサジン、フェノチアジン、アクリジン、ベンゾプテリジン、フェナントロリンおよびフェナントレンに由来し、これらは、必要に応じて置換されていてもよい。 Preferred aromatic or heteroaromatic groups in the present invention are benzene, naphthalene, diphenyl, diphenyl ether, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane, bisphenone, diphenylsulfone, thiophene, furan, pyrrole, thiazole, oxazole, imidazole, isothiazole, isoxazole, Pyrazole, 1,3,4-oxadiazole, 2,5-diphenyl-1,3,4-oxadiazole, 1,3,4-thiadiazole, 1,3,4-triazole, 2,5-diphenyl- 1,3,4-triazole, 1,2,5-triphenyl-1,3,4-triazole, 1,2,4-oxadiazole, 1,2,4-thiadiazole, 1,2,4-triazole 1,2,3-triazole, 1,2,3,4-tetrazole, Nzo [b] thiophene, benzo [b] furan, indole, benzo [c] thiophene, benzo [c] furan, isoindole, benzoxazole, benzothiazole, benzimidazole, benzisoxazole, benzisothiazole, benzopyrazole, Benzothiadiazole, benzotriazole, dibenzofuran, dibenzothiophene, carbazole, pyridine, bipyridine, pyrazine, pyrazole, pyrimidine, pyridazine, 1,3,5-triazine, 1,2,4-triazine, 1,2,4,5-triazine , Tetrazine, quinoline, isoquinoline, quinoxaline, quinazoline, cinnoline, 1,8-naphthyridine, 1,5-naphthyridine, 1,6-naphthyridine, 1,7-naphthyridine, phthalazine, pyridopyrimidine, Phosphorus, pteridine or quinolidine, 4H-quinolidine, diphenyl ether, anthracene, benzopyrrole, benzooxathiadiazole, benzooxadiazole, benzopyridine, benzopyrazine, benzopyrazidine, benzopyrimidine, benzotriazine, indolizine, pyridopyridine, imidazopyrimidine, pyrazino It is derived from pyrimidine, carbazole, acridine, phenazine, benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, acridine, benzopteridine, phenanthroline and phenanthrene, which may be optionally substituted.
Ar1、Ar4、Ar6、Ar7、Ar8、Ar9、Ar10およびAr11の置換パターンは任意であり;例えば、フェニレンの場合には、Ar1、Ar4、Ar6、Ar7、Ar8、Ar9、Ar10またはAr11は、オルト−、メタ−およびパラ−フェニレンとすることができる。特に好ましい基は、ベンゼンおよびビフェニレンに由来し、それらは、必要に応じて置換されていてもよい。 The substitution pattern for Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 and Ar 11 is arbitrary; for example, in the case of phenylene, Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 or Ar 11 can be ortho-, meta- and para-phenylene. Particularly preferred groups are derived from benzene and biphenylene, which may be optionally substituted.
好ましいアルキル基は、メチル、エチル、n−またはイソプロピルおよびt−ブチル基のような、1〜4個の炭素原子を有する短鎖アルキル基である。
好ましい芳香族基はフェニルまたはナフチル基である。アルキル基および芳香族基は置換されていてもよい。
好ましい置換基は、フッ素のようなハロゲン原子、アミノ基、ヒドロキシル基、または例えばメチルまたはエチル基のような短鎖アルキル基である。
Preferred alkyl groups are short chain alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms, such as methyl, ethyl, n- or isopropyl and t-butyl groups.
Preferred aromatic groups are phenyl or naphthyl groups. Alkyl groups and aromatic groups may be substituted.
Preferred substituents are halogen atoms such as fluorine, amino groups, hydroxyl groups, or short chain alkyl groups such as methyl or ethyl groups.
好ましいのは、基Xが1つの繰り返し単位内で同一である式(I)の繰り返し単位を含むポリアゾールである。
ポリアゾールは、原理的には、例えば、その基Xにおいて異なる別異の繰り返し単位を有することもできる。しかしながら、1つの繰り返し単位には同一の基Xのみであることが好ましい。
Preference is given to polyazoles comprising a repeating unit of the formula (I) in which the group X is identical within one repeating unit.
Polyazoles can in principle also have different and different repeating units in the group X, for example. However, it is preferred that only one identical group X is present in one repeating unit.
さらに好ましいポリアゾールポリマーは、ポリイミダゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリキノキサリン、ポリチアジアゾール、ポリ(ピリジン)、ポリ(ピリミジン)、およびポリ(テトラアザピレン)である。 Further preferred polyazole polymers are polyimidazole, polybenzothiazole, polybenzoxazole, polyoxadiazole, polyquinoxaline, polythiadiazole, poly (pyridine), poly (pyrimidine), and poly (tetraazapyrene).
本発明のさらなる実施態様において、アゾール繰り返し単位を含むポリマーは、互に異なる式(I)〜(XXII)の少なくとも2つの単位を含むコポリマーまたはブレンドである。ポリマーとしては、ブロックコポリマー(ジブロック、トリブロック)、ランダムコポリマー、周期性コポリマーおよび/または交互ポリマーの形態であってよい。 In a further embodiment of the invention, the polymer comprising azole repeat units is a copolymer or blend comprising at least two units of formulas (I) to (XXII) which are different from each other. The polymer may be in the form of a block copolymer (diblock, triblock), random copolymer, periodic copolymer and / or alternating polymer.
本発明の1つの特に好ましい実施態様において、アゾール繰り返し単位を含むポリマーは式(I)および/または(II)の単位のみを含むポリアゾールである。
ポリマー中のアゾール繰り返し単位の数は、好ましくは10以上の整数である。特に好ましいポリマーは、少なくとも100のアゾール繰り返し単位を含む。
In one particularly preferred embodiment of the invention, the polymer comprising azole repeat units is a polyazole comprising only units of formula (I) and / or (II).
The number of azole repeating units in the polymer is preferably an integer of 10 or more. Particularly preferred polymers contain at least 100 azole repeat units.
本発明において、ベンズイミゾール繰り返し単位を含むポリマーが好ましい。ベンズイミダゾール繰り返し単位を含む非常に有用なポリマーのいくつかの例は以下の式によって示される。 In the present invention, a polymer containing a benzimidazole repeating unit is preferred. Some examples of very useful polymers containing benzimidazole repeat units are shown by the following formula:
記載された製法によって得ることができるポリアゾール、特にポリベンズイミダゾールは、一般に、高い分子量を特徴とする。固有粘度として測定して、該分子量は、好ましくは少なくとも0.2dl/g、より好ましくは0.7〜10dl/g、特に0.8〜5dl/gである。 Polyazoles, in particular polybenzimidazoles, which can be obtained by the described process, are generally characterized by a high molecular weight. Measured as intrinsic viscosity, the molecular weight is preferably at least 0.2 dl / g, more preferably 0.7 to 10 dl / g, in particular 0.8 to 5 dl / g.
工程A)による混合物がトリカルボン酸および/またはテトラカルボン酸も含む場合、それによって形成されたポリマー中に分岐/架橋を生じる。これは機械的な性質の改良に寄与する。
工程A)で得られた混合物を、工程B)に従って、350℃まで、好ましくは280℃まで、特に200℃まで、好ましくは100℃〜250℃の範囲、より好ましくは100℃〜200℃の範囲まで加熱する。加熱の間、不活性ガス、例えば窒素、またはネオンまたはアルゴンのような希ガスを用いる。
If the mixture according to step A) also contains a tricarboxylic acid and / or a tetracarboxylic acid, it causes branching / crosslinking in the polymer formed thereby. This contributes to improved mechanical properties.
The mixture obtained in step A) is subjected to step B) up to 350 ° C., preferably up to 280 ° C., in particular up to 200 ° C., preferably in the range from 100 ° C. to 250 ° C., more preferably in the range from 100 ° C. to 200 ° C. Until heated. During heating, an inert gas such as nitrogen or a noble gas such as neon or argon is used.
工程B)の目的は、カルボン酸基をアミノ基と反応させることである。この反応は水を放出する。本発明の1つの特別の態様によると、工程B)で生成された水は反応平衡から除去される。方法は当該分野で普及している。水は、例えば、留去することができる。さらに、水は乾燥剤と結合することもできる。乾燥剤の性質に応じて、それは反応混合物中に残ってもよく、または反応混合物から分離することもできる。乾燥剤としては五酸化リン(P2O5)またはシリカゲルを用いることができる。 The purpose of step B) is to react the carboxylic acid group with an amino group. This reaction releases water. According to one particular embodiment of the invention, the water produced in step B) is removed from the reaction equilibrium. Methods are prevalent in the field. Water can be distilled off, for example. In addition, water can be combined with a desiccant. Depending on the nature of the desiccant, it can remain in the reaction mixture or can be separated from the reaction mixture. As the desiccant, phosphorus pentoxide (P 2 O 5 ) or silica gel can be used.
該プロセスの1つの変法において、工程B)による加熱を、工程C)に従ってシート状構造体が形成された後に行うことができる。 In one variant of the process, the heating according to step B) can be performed after the sheet-like structure has been formed according to step C).
本発明のさらなる実施態様において、架橋することができるモノマーを用いることができる。モノマーの温度安定性に応じて、それは工程A)の混合物、あるいは工程B)によるポリアゾールの調製後に添加することができる。さらに、架橋することができるモノマーを工程C)に従ってシート状構造体に適用することもできる。 In a further embodiment of the invention, monomers capable of crosslinking can be used. Depending on the temperature stability of the monomer, it can be added after the preparation of the mixture of step A) or the polyazole according to step B). Furthermore, monomers that can be crosslinked can also be applied to the sheet-like structure according to step C).
架橋することができるモノマーとしては、特に、少なくとも2つの炭素−炭素二重結合を含む化合物が挙げられる。好ましいのは、ジエン、トリエン、テトラエン、ジメチルアクリレート、トリメチルアクリレート、テトラメチルアクリレート、ジアクリレート、トリアクリレートおよびテトラアクリレートである。 Monomers that can be crosslinked include, in particular, compounds containing at least two carbon-carbon double bonds. Preference is given to dienes, trienes, tetraenes, dimethyl acrylates, trimethyl acrylates, tetramethyl acrylates, diacrylates, triacrylates and tetraacrylates.
特に好ましいのは式
[式中、Rは、C1〜C15アルキル基、C5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基、NR’、−SO2、PR’、Si(R’)2であり、前記の基は、置換されていてもよく、
R’は、互いに独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、C5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、
nは少なくとも2である]
[Wherein R is a C1-C15 alkyl group, a C5-C20 aryl or heteroaryl group, NR ′, —SO 2 , PR ′, Si (R ′) 2 , wherein the group is substituted Well,
R ′ are each independently hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, a C5-C20 aryl or heteroaryl group,
n is at least 2]
前記の基Rの置換基は、好ましくは、ハロゲン、ヒドロキシル、カルボキシ、カルボキシル、カルボキシルエステル、ニトリル、アミン、シリル、シロキサン基である。 The substituent of the group R is preferably a halogen, hydroxyl, carboxy, carboxyl, carboxyl ester, nitrile, amine, silyl, siloxane group.
特に好ましい架橋剤は、アリルメタクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、テトラエチレンおよびポリエチレングリコールジメタクリレート、1,3−ブタンジオールジメタクリレート、グリセロールジメタクリレート、ジウレタンジメタクリレート、トリメチルプロパントリメタクリレート、エポキシアクリレート、例えば、エバクリル(Ebacryl)、N’,N−メチレンビスアクリルアミド、カルビノール、ブタジエン、イソプレン、クロロプレン、ジビニルベンゼンおよび/またはビスフェノールAジメチルアクリレートである。これらの化合物は、例えば、名称CN−120、CN104およびCN−980でSartomer Company Exton、Pennsylvaniaから商業的に入手可能である。 Particularly preferred crosslinking agents are allyl methacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, diethylene glycol dimethacrylate, triethylene glycol dimethacrylate, tetraethylene and polyethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butanediol dimethacrylate, glycerol dimethacrylate, diurethane dimethacrylate, Trimethylpropane trimethacrylate, epoxy acrylate, such as Ebacryl, N ′, N-methylenebisacrylamide, carbinol, butadiene, isoprene, chloroprene, divinylbenzene and / or bisphenol A dimethyl acrylate. These compounds are commercially available from, for example, Sartomer Company Exton, Pennsylvania under the names CN-120, CN104 and CN-980.
架橋剤の使用は任意である。これらの化合物は、ビニル含有スルホン酸および、用いる場合は、ビニル含有ホスホン酸の重量に対して、通常は0.05〜30重量%、好ましくは0.1〜20重量%、より好ましくは1〜10重量%の範囲で用いることができる。 The use of a cross-linking agent is optional. These compounds are usually 0.05 to 30% by weight, preferably 0.1 to 20% by weight, more preferably 1 to 20% by weight based on the weight of the vinyl-containing sulfonic acid and, if used, the vinyl-containing phosphonic acid. It can be used in the range of 10% by weight.
工程A)で生成したポリマーの混合物は溶液とすることができ、この場合、分散または懸濁したポリマーが、この混合物中に存在してもよい。 The mixture of polymers produced in step A) can be a solution, in which case a dispersed or suspended polymer may be present in this mixture.
好ましいポリマーとしては、ポリ(クロロプレン)、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリ(p−キシリレン)、ポリアリールメチレン、ポリスチレン、ポリメチルスチレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、ポリビニルエーテル、ポリビニルアミン、ポリ(N−ビニルアセトアミド)、ポリビニルイミダゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルピリジン、ポリビニルクロライド、ポリビニリデンクロライド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルジフルオライド、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンテトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンとの、ペルフルオロプロピルビニルエーテルとの、トリフルオロニトロソメタンとの、カルボアルコキシペルフルオロアルコキシビニルエーテルとのPTFEのコポリマー、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリビニルフルオライド、ポリビニリデンフルオライド、ポリアクロレイン、ポリアクリルアミド、ポリアクリロニトリル、ポリシアノアクリレート、ポリメタクリルイミド、特にノルボルネンのシクロオレフィン性コポリマーのようなポリオレフィン;主鎖中にC−O結合を有するポリマー、例えばポリアセタール、ポリオキシメチレン、ポリエーテル、ポリプロピレンオキサイド、ポリエピクロロヒドリン、ポリテトラヒドロフラン、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエステル、特にポリヒドロキシ酢酸、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリヒドロキシベンゾエート、ポリヒドロキシプロピオン酸、ポリプロピオン酸、ポリピバロラクトン、ポリカプロラクトン、フラン樹脂、フェノールアリール樹脂、ポリマロン酸およびポリカルボネートであり;主鎖中にC−S結合を有するポリマー、その例はポリスルフィドエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリアリールエーテルスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリフェニレンスルフィドスルホンおよびポリ(フェニルスルフィド−1,4−フェニレン);主鎖中にC−N結合を有するポリマー、例えばポリイミン、ポリイソシアナイド、ポリエーテルイミン、ポリエーテルイミド、ポリ(トリフルオロメチル)ビス(フタルイミド)フェニル、ポリアニリン、ポリアラミド、ポリアミド、ポリヒドラジド、ポリウレタン、ポリイミド、ポリアゾール、ポリアゾールエーテルケトン、ポリウレア、ポリアジン;液晶ポリマー、特にベクトラ(Vectra);および無機ポリマー、例えばポリシラン、ポリカルボシラン、ポリシロキサン、ポリケイ酸、ポリシリケート、シリコーン、ポリホスファゼンおよびポリチアジルが挙げられる。 Preferred polymers include poly (chloroprene), polyacetylene, polyphenylene, poly (p-xylylene), polyarylmethylene, polystyrene, polymethylstyrene, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyvinyl ether, polyvinylamine, poly (N-vinylacetamide). , Polyvinyl imidazole, polyvinyl carbazole, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl pyridine, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polytetrafluoroethylene, polyvinyl difluoride, polyhexafluoropropylene, polyethylene tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, and perfluoropropyl vinyl ether Of carboalkoxyperfluoroal with trifluoronitrosomethane PTFE copolymer with xylvinyl ether, such as polychlorotrifluoroethylene, polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, polyacrolein, polyacrylamide, polyacrylonitrile, polycyanoacrylate, polymethacrylamide, especially cycloolefin copolymer of norbornene Polyolefins; polymers having C—O bonds in the main chain, such as polyacetals, polyoxymethylenes, polyethers, polypropylene oxides, polyepichlorohydrins, polytetrahydrofurans, polyphenylene oxides, polyether ketones, polyether ether ketones, polyethers Ketone ketone, polyether ether ketone ketone, polyether ketone ether ketone ketone, polyester, especially polyester Hydroxyacetic acid, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyhydroxybenzoate, polyhydroxypropionic acid, polypropionic acid, polypivalolactone, polycaprolactone, furan resin, phenol aryl resin, polymalonic acid and polycarbonate; in the main chain Examples of the polymer having a C—S bond are polysulfide ether, polyphenylene sulfide, polyether sulfone, polysulfone, polyether ether sulfone, polyaryl ether sulfone, polyphenylene sulfone, polyphenylene sulfide sulfone and poly (phenyl sulfide-1,4- Phenylene); polymers having a C—N bond in the main chain, such as polyimines, polyisocyanides, polyetherimines, polyethers Terimide, poly (trifluoromethyl) bis (phthalimido) phenyl, polyaniline, polyaramid, polyamide, polyhydrazide, polyurethane, polyimide, polyazole, polyazole ether ketone, polyurea, polyazine; liquid crystal polymer, especially Vectra; and inorganic polymer For example, polysilane, polycarbosilane, polysiloxane, polysilicic acid, polysilicate, silicone, polyphosphazene and polythiazyl.
性能特性をさらに改良するために、さらに充填剤を膜に添加することができ、特に、プロトン伝導性充填剤、およびさらなる酸を添加することができる。該添加は、例えば工程A)、工程B)、工程C)および/または工程D)で行うことができる。これらの添加剤は、もしそれらが液体であれば、工程D)による重合後に添加することもできる。
プロトン伝導性充填剤の限定されない例は:
CsHSO4、Fe(SO4)2、(NH4)3H(SO4)2、LiHSO4、NaHSO4、KHSO4、RbSO4、LiN2H5SO4、NH4HSO4のような硫酸塩、
Zr3(PO4)4、Zr(HPO4)2、HZr2(PO4)3、UO2PO4・3H2O、H8UO2PO4、Ce(HPO4)2、Ti(HPO4)2、KH2PO4、NaH2PO4、LiH2PO4、NH4H2PO4、CsH2PO4、CaHPO4、MgHPO4、HSbP2O8、HSb3P2O14、H5Sb5P2O20のようなリン酸塩、
H3PW12O40・nH2O(n=21〜29)、H3SiW12O40・nH2O(n=21〜29)、HxWO3、HSbWO6、H3PMo12O40、H2Sb4O11、HTaWO6、HNbO3、HTiNbO5、HTiTaO5、HSbTeO6、H5Ti4O9、HSbO3、H2MoO4のようなポリ酸、
(NH4)3H(SeO4)2、UO2AsO4、(NH4)3H(SeO4)2、KH2AsO4、Cs3H(SeO4)2、Rb3H(SeO4)2のようなセレン化物およびヒ化物、
Al2O3、Sb2O5、ThO2、SnO2、ZrO2、MoO3のような酸化物、
ゼオライト、ゼオライト(NH4 +)、シートシリケート、フレームワークシリケート、H−ナトロライト、H−モルデナイト、NH4−アナルシン、NH4−ソーダライト、NH4−ガレート、H−モンモリロナイトのようなシリケート、
HClO4、SbF5のような酸、
カーバイド、特にSiC、Si3N4、繊維、特にガラス繊維、ガラス粉末および/またはポリマー繊維(好ましくはポリアゾール系)のような充填剤である。
In order to further improve the performance characteristics, further fillers can be added to the membrane, in particular proton-conducting fillers and further acids can be added. The addition can be performed, for example, in step A), step B), step C) and / or step D). These additives can also be added after the polymerization according to step D) if they are liquid.
Non-limiting examples of proton conductive fillers are:
Sulfates such as CsHSO 4 , Fe (SO 4 ) 2 , (NH 4 ) 3 H (SO 4 ) 2 , LiHSO 4 , NaHSO 4 , KHSO 4 , RbSO 4 , LiN 2 H 5 SO 4 , NH 4 HSO 4 ,
Zr 3 (PO 4 ) 4 , Zr (HPO 4 ) 2 , HZr 2 (PO 4 ) 3 , UO 2 PO 4 .3H 2 O, H 8 UO 2 PO 4 , Ce (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4) ) 2 , KH 2 PO 4 , NaH 2 PO 4 , LiH 2 PO 4 , NH 4 H 2 PO 4 , CsH 2 PO 4 , CaHPO 4 , MgHPO 4 , HSbP 2 O 8 , HSb 3 P 2 O 14 , H 5 Phosphates such as Sb 5 P 2 O 20 ,
H 3 PW 12 O 40 · nH 2 O (n = 21~29), H 3 SiW 12 O 40 · nH 2 O (n = 21~29), H x WO 3, HSbWO 6, H 3 PMo 12 O 40 , polyacids such as H 2 Sb 4 O 11, HTaWO 6, HNbO 3, HTiNbO 5, HTiTaO 5, HSbTeO 6, H 5 Ti 4 O 9, HSbO 3, H 2 MoO 4,
(NH 4 ) 3 H (SeO 4 ) 2 , UO 2 AsO 4 , (NH 4 ) 3 H (SeO 4 ) 2 , KH 2 AsO 4 , Cs 3 H (SeO 4 ) 2 , Rb 3 H (SeO 4 ) selenide and arsenide, such as 2,
Oxides such as Al 2 O 3 , Sb 2 O 5 , ThO 2 , SnO 2 , ZrO 2 , MoO 3 ,
Zeolite, zeolite (NH 4 +), sheet silicates, framework silicates, H- Natororaito, H- mordenite, NH 4 - Anarushin, NH 4 - sodalite, NH 4 - gallate, H- silicates such as montmorillonite,
Acids such as HClO 4 , SbF 5 ,
Fillers such as carbides, in particular SiC, Si 3 N 4 , fibers, in particular glass fibers, glass powder and / or polymer fibers (preferably polyazole-based).
これらの添加剤は、プロトン伝導性ポリマー膜に通常の量で加えることができるが、その場合、高い伝導性、長い寿命および高い機械的安定性のような膜の正の特性が、非常に多くの添加剤を添加することによって余りにも大きく影響されるべきではない。一般に、工程D)による重合後の膜は、80重量%以下、好ましくは50重量%以下、より好ましくは20重量%以下の添加剤を含む。 These additives can be added in normal amounts to proton conducting polymer membranes, but in that case the positive properties of the membrane such as high conductivity, long life and high mechanical stability are very many. It should not be affected too much by adding the additives. In general, the polymerized film according to step D) contains 80% by weight or less, preferably 50% by weight or less, more preferably 20% by weight or less of additives.
該膜は、さらに、ペルフルオロ化スルホン酸添加剤(好ましくは0.1〜20重量%、より好ましくは0.2〜15重量%、非常に好ましくは0.2〜10重量%)を含むこともできる。これらの添加剤は、性能の改良、陰極近辺における酸素溶解性および酸素拡散の増加、およびリン酸およびリン酸塩の白金への吸着の減少に導く。(Electrolyte additives for phosphoric acid fuel cells.Gang,Xiao; Hjuler,H.A.; Olsen,C.;Berg,R.W.; Bjerrum,N.J., Chem.Dep.A,Tech.Univ.Demark,Lyngby,Den. J.Electrochem.Soc.(1993),140(4),896−902およびPerfluorosulfonimide as an additive in phophoric acid fuel cell. Razaq,M.; Razaq,A.; Yeager,E.;
DesMarteau,Darryl. D.; Singh,S. Case Cent. Electrochem.Sci.,Case West.Reserve Univ., Cleveland,OH,USA. J.Electrochem. Soc.(1989),136(2),385−90)
The membrane may further comprise a perfluorinated sulfonic acid additive (preferably 0.1 to 20 wt%, more preferably 0.2 to 15 wt%, very preferably 0.2 to 10 wt%). it can. These additives lead to improved performance, increased oxygen solubility and oxygen diffusion near the cathode, and decreased adsorption of phosphoric acid and phosphate to platinum. (Electrolyte additive for phosphoric acid fuel cells. Gang, Xiao; Hjuler, HA; Olsen, C .; Berg, RW; Bjerrum, NJ, Chem. Dep. Ryby, Den. J. Electrochem. Soc. (1993), 140 (4), 896-902, and Perfluorosulfiide as an additive in phophoric acid fuel cell.
DesMarteau, Darryl. D. Singh, S .; Case Cent. Electrochem. Sci. , Case West. Reserve Univ. , Cleveland, OH, USA. J. et al. Electrochem. Soc. (1989), 136 (2), 385-90)
ペルスルホン化添加剤の限定されない例は、トリフルオロメタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸カリウム、トリフルオロメタンスルホン酸ナトリウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸アンモニウム、ペルフルオロヘキサンスルホン酸カリウム、ペルフルオロヘキサンスルホン酸ナトリウム、ペルフルオロヘキサンスルホン酸リチウム、ペルフルオロヘキサンスルホン酸アンモニウム、ペルフルオロヘキサンスルホン酸、ノナフルオロブタンスルホン酸カリウム、ノナフルオロブタンスルホン酸ナトリウム、ノナフルオロブタンスルホン酸リチウム、ノナフルオロブタンスルホン酸アンモニウム、ノナフルオロブタンスルホン酸セシウム、ペルフルオロヘキサスルホン酸トリエチルアンモニウム、ペルフルオロスルホイミドおよびナフィオンである。 Non-limiting examples of persulfonated additives include trifluoromethane sulfonic acid, potassium trifluoromethane sulfonate, sodium trifluoromethane sulfonate, lithium trifluoromethane sulfonate, ammonium trifluoromethane sulfonate, potassium perfluorohexane sulfonate, sodium perfluorohexane sulfonate , Lithium perfluorohexanesulfonate, ammonium perfluorohexanesulfonate, perfluorohexanesulfonic acid, potassium nonafluorobutanesulfonate, sodium nonafluorobutanesulfonate, lithium nonafluorobutanesulfonate, ammonium nonafluorobutanesulfonate, nonafluorobutanesulfone Cesium acid, triethylammonium perfluorohexasulfonate Um, a perfluorosulfonate imides and Nafion.
シート状構造体は、ポリマーフィルム製造に関する技術として知られた自体公知の方法(キャスティング、スプレイイング、ナイフコーティング、押出)によって工程B)に従って形成される。従って、混合物はシート状構造体を形成するのに適している。該混合物は、従って、溶液または懸濁液とすることができ、低溶解性の成分の分率は、シート状構造体が形成できるような量に限定される。適当な支持体は、該条件下で不活性ということができる全ての支持体である。これらの支持体は、特にポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリヘキサフルオロプロピレン、PTFEとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマー、ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド(PPS)およびポリプロピレン(PP)のフィルムを含む。 The sheet-like structure is formed according to step B) by a method known per se (casting, spraying, knife coating, extrusion) known as a technique relating to polymer film production. Thus, the mixture is suitable for forming a sheet-like structure. The mixture can thus be a solution or a suspension and the fraction of low solubility components is limited to such an amount that a sheet-like structure can be formed. Suitable supports are all supports that can be inert under the conditions. These supports include polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyhexafluoropropylene, copolymers of PTFE and hexafluoropropylene, polyimide, polyphenylene sulfide (PPS) and polypropylene (PP) films. Including.
粘度を調整するには、適切であれば、水および/または容易に蒸発できる有機溶媒を混合物に加えることができる。これによって、粘度が所望の値に調整され、膜の形成を容易に行うことができる。
シート状構造体の厚みは、一般に、15〜2000μm、好ましくは30〜1500μm、特に50〜1200μmの間であるが、これに限定されるものではない。
To adjust the viscosity, if appropriate, water and / or an easily evaporable organic solvent can be added to the mixture. Thus, the viscosity is adjusted to a desired value, and the film can be easily formed.
The thickness of the sheet-like structure is generally 15 to 2000 μm, preferably 30 to 1500 μm, particularly 50 to 1200 μm, but is not limited thereto.
ビニル含有スルホン酸および、存在する場合、ビニル含有ホスホン酸の工程D)における重合は、好ましくはラジカル重合によって行われる。ラジカルは熱的に、光化学的に、化学的および/または電気化学的に形成することができる。 The polymerization in step D) of the vinyl-containing sulfonic acid and, if present, the vinyl-containing phosphonic acid is preferably carried out by radical polymerization. The radicals can be formed thermally, photochemically, chemically and / or electrochemically.
その例として、ラジカルを形成することができる少なくとも1つの物質を含む開始剤溶液を、溶液および/または分散液を工程B)に従って加熱した後、混合物に添加することができる。また、工程C)の後に得られたシート状構造体に開始剤を塗布することもできる。これは、先行技術として知られた自体公知の手段(例えば、スプレイイング、ディッピング等)によって行うことができる。 As an example, an initiator solution comprising at least one substance capable of forming radicals can be added to the mixture after the solution and / or dispersion has been heated according to step B). It is also possible to apply an initiator to the sheet-like structure obtained after step C). This can be done by means known per se known as prior art (for example, spraying, dipping, etc.).
就中、適当なラジカル形成剤はアゾ化合物、ペルオキシ化合物、ペルスルフェート化合物またはアゾアミジンを含む。限定されない例としては、ジベンゾイルペルオキサイド、ジクメンペルオキサイド、クメンヒドロペルオキサイド、ジイソプロピルペルオキシジカルボネート、ビス(4−t−ブチルシクロヘキシル)ペルオキシジカルボネート、過硫酸二カリウム、ペルオキシ二硫酸アンモニウム、2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオニトリル)(AIBN)、2,2’−アゾビス(イソブタン酸アミジン)塩酸塩、ベンゾピナコール、ジベンジル誘導体、メチルエチレンケトンペルオキサイド、1,1−アゾビスシクロヘキサンカルボニトリル、メチルエチルケトンペルオキサイド、アセチルアセトンペルオキサイド、ジラウリルペルオキサイド、ジデカノイルペルオキサイド、tert−ブチルペル−2−エチルヘキサノエート、ケトンペルオキサイド、メチルイソブチルケトンペルオキサイド、シクロヘキサノンペルオキサイド、ジベンゾイルペルオキサイド、tert−ブチルペルオキシベンゾエート、tert−ブチルペルオキシイソプロピルカーボネート、2,5−ビス(2−エチルヘキサノイルペルオキシ)−2,5−ジメチルヘキサン、tert−ブチルペルオキシ−2−エチルヘキサノエート、tert−ブチルペルオキシ−3,5,5−トリメチルヘキサノエート、tert−ブチルペルオキシイソブチレート、tert−ブチルペルオキシアセテート、ジクミルペルオキサイド、1,1−ビス(tert−ブチルペルオキシ)シクロヘキサン、1,1−ビス(tert−ブチルペルオキシ)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、クミルヒドロペルオキサイド、tert−ブチルヒドロペルオキサイド、ビス(4−tert−ブチルシクロヘキシル)ペルオキシジカーボネート、およびVazo(登録商標)、例えばVazo V50(登録商標)およびVazo WS(登録商標)の名称でDuPontから入手できるラジカル形成剤を含む。 In particular, suitable radical formers include azo compounds, peroxy compounds, persulfate compounds or azoamidines. Non-limiting examples include dibenzoyl peroxide, dicumene peroxide, cumene hydroperoxide, diisopropyl peroxydicarbonate, bis (4-t-butylcyclohexyl) peroxydicarbonate, dipotassium persulfate, ammonium peroxydisulfate, 2, 2′-azobis (2-methylpropionitrile) (AIBN), 2,2′-azobis (amidine isobutanoate) hydrochloride, benzopinacol, dibenzyl derivative, methyl ethylene ketone peroxide, 1,1-azobiscyclohexanecarbo Nitrile, methyl ethyl ketone peroxide, acetylacetone peroxide, dilauryl peroxide, didecanoyl peroxide, tert-butylper-2-ethylhexanoate, ketone peroxide Id, methyl isobutyl ketone peroxide, cyclohexanone peroxide, dibenzoyl peroxide, tert-butylperoxybenzoate, tert-butylperoxyisopropyl carbonate, 2,5-bis (2-ethylhexanoylperoxy) -2,5-dimethylhexane Tert-butylperoxy-2-ethylhexanoate, tert-butylperoxy-3,5,5-trimethylhexanoate, tert-butylperoxyisobutyrate, tert-butylperoxyacetate, dicumyl peroxide, 1, 1-bis (tert-butylperoxy) cyclohexane, 1,1-bis (tert-butylperoxy) -3,3,5-trimethylcyclohexane, cumyl hydroperoxide, Radical formation available from DuPont under the names ert-butyl hydroperoxide, bis (4-tert-butylcyclohexyl) peroxydicarbonate, and Vazo®, eg Vazo V50® and Vazo WS® Contains agents.
加えて、照射下でラジカルを形成するラジカル形成剤を用いることができる。好ましい化合物としては、α,α−ジエトキシアセトフェノン(DEAP、Upjon Corp)、n−ブチルベンゾインエーテル(Trigonal−14(登録商標),AKZO)および2,2−ジメトキシ−2−フェニルアセトフェノン(Igacure 651(登録
商標))および1−ベンゾイルシクロヘキサノール(Igacure 184(登録商標))、ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)フェニルホスフィンオキサイド(Irgacure 819(登録商標))および1−[4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル]−2−ヒドロキシ−2−フェニルプロパン−1−オン(Irgacure 2959(登録商標))が挙げられ、その各々はCiba Geigy Corp.から商業的に入手可能である。
(ビニル含有スルホン酸および、用いる場合、ビニル含有ホスホン酸の合計に対して)0.0001〜5重量%、特に0.01〜3重量%のラジカル形成剤を添加するのが通常である。ラジカル形成剤の量は、所望の重合度に応じて変化させることができる。
In addition, a radical former that forms radicals under irradiation can be used. Preferred compounds include α, α-diethoxyacetophenone (DEAP, Upjon Corp), n-butylbenzoin ether (Trigonal-14 (registered trademark), AKZO) and 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone (Igacure 651 ( 1) -benzoylcyclohexanol (Igacure 184®), bis (2,4,6-trimethylbenzoyl) phenylphosphine oxide (Irgacure 819®) and 1- [4- (2- Hydroxyethoxy) phenyl] -2-hydroxy-2-phenylpropan-1-one (Irgacure 2959®), each of which is available from Ciba Geigy Corp. Commercially available.
It is usual to add from 0.0001 to 5% by weight, in particular from 0.01 to 3% by weight of radical former (based on the total of vinyl-containing sulfonic acid and vinyl-containing phosphonic acid, if used). The amount of radical former can be varied depending on the desired degree of polymerization.
重合はIRまたはNIRの作用によっても行うこともできる(IR=赤外、すなわち、700nmを超える波長を有する光;NIR=近赤外、すなわち、約700〜2000nmの範囲の波長、または約0.6〜1.75eVの範囲のエネルギーを有する光)。
重合は、400nm未満の波長を有するUV光の作用によっても行うこともできる。この重合方法は自体公知であり、例えば、Hans Joerg Elias,Makromolekulare Chemie,第5版,第1巻,492−511;D.R.Arnold,N.C.Baird,J.R.Bolton,J.C.D.Brand,P.W.M Jacobs,P.de Mayo,W.R.Ware,Photochemistry−An Introduction, Academic Press,New York およびM.K.Mishra,Radical Photopolymerization of Vinyl Monomers,J.Macromol.Sci.−Revs.Macromol.Chem.Phys.C22(1982−1983)409に記載されている。
Polymerization can also be carried out by the action of IR or NIR (IR = infrared, ie light having a wavelength above 700 nm; NIR = near infrared, ie wavelength in the range of about 700-2000 nm, or about 0.1. Light having an energy in the range of 6 to 1.75 eV).
The polymerization can also be carried out by the action of UV light having a wavelength of less than 400 nm. This polymerization method is known per se, for example, Hans Joerg Elias, Makromolekule Chemie, 5th edition, volume 1, 492-511; R. Arnold, N.M. C. Baird, J. et al. R. Bolton, J. et al. C. D. Brand, P.M. W. M Jacobs, P.M. de Mayo, W.M. R. Walle, Photochemistry-An Introduction, Academic Press, New York and M.C. K. Misra, Radical Photopolymerization of Vinyl Monomers, J. et al. Macromol. Sci. -Revs. Macromol. Chem. Phys. C22 (1982-1983) 409.
重合は、β、γおよび/または電子線の作用によって行うこともできる。本発明の1つの特別な実施態様によると、膜は1〜300kGy、好ましくは3〜200kGy、非常に好ましくは20〜100kGyの範囲の放射線量で照射する。 Polymerization can also be carried out by the action of β, γ and / or electron beams. According to one particular embodiment of the invention, the membrane is irradiated with a radiation dose in the range 1 to 300 kGy, preferably 3 to 200 kGy, very preferably 20 to 100 kGy.
ビニル含有スルホン酸および、用いる場合には、ビニル含有ホスホン酸の工程D)における重合は、好ましくは室温(20℃)を超え、かつ200℃未満の温度、特に40℃〜150℃の間、より好ましくは50℃〜120℃の間の温度で行われる。重合は好ましくは、常圧の下で行われるが、圧力の作用の下で行うこともできる。重合は、シート状構造体を固化に導き、この固化は、ミクロ硬度を測定することによってモニターすることができる。重合によってもたらされる硬度の増加は、好ましくは、工程B)で得られたシート状構造体の硬度に対して少なくとも20%である。 The polymerization in step D) of the vinyl-containing sulfonic acid and, if used, vinyl-containing phosphonic acid is preferably above room temperature (20 ° C.) and below 200 ° C., in particular between 40 ° C. and 150 ° C., and more. Preferably it is carried out at a temperature between 50 ° C and 120 ° C. The polymerization is preferably carried out under normal pressure, but can also be carried out under the action of pressure. The polymerization leads to solidification of the sheet-like structure, which can be monitored by measuring the microhardness. The increase in hardness caused by the polymerization is preferably at least 20% with respect to the hardness of the sheet-like structure obtained in step B).
本発明の1つの特別な実施態様によると、膜は高い機械的安定性を有する。その大きさは、DIN 50539に従ったミクロ硬度測定によって決定される膜の硬度によって与えられる。該測定では、膜を3mNまでの力にてビッカースダイアモンドに20秒間にわたって継続的に暴露し、侵入深さを測定する。それによれば、室温における硬度は、少なくとも0.01 N/mm2、好ましくは少なくとも0.1 N/mm2、非常に好ましくは少なくとも1N/mm2であるが、これに限定されるものではない。その後、力を3mNに5秒間一定に保持し、クリープを侵入深さから計算する。好ましい膜においては、これらの条件下でのクリープCHU 0.003/20/5は、20%未満、好ましくは10%未満、非常に好ましくは5%未満である。ミクロ硬度測定によって決定された弾性率YHUは、少なくとも0.5MPa、特に少なくとも5MPa、非常に好ましくは少なくとも10MPaであるが、これに限定されるものではない。 According to one particular embodiment of the invention, the membrane has a high mechanical stability. Its magnitude is given by the hardness of the film as determined by microhardness measurements according to DIN 50539. In the measurement, the membrane is continuously exposed to Vickers diamond for 20 seconds with a force up to 3 mN and the penetration depth is measured. According to it, the hardness at room temperature is at least 0.01 N / mm 2 , preferably at least 0.1 N / mm 2 , very preferably at least 1 N / mm 2 , but is not limited thereto. . The force is then held constant at 3 mN for 5 seconds and the creep is calculated from the penetration depth. In preferred membranes, the creep C HU 0.003 / 20/5 under these conditions is less than 20%, preferably less than 10%, very preferably less than 5%. The elastic modulus YHU determined by microhardness measurement is at least 0.5 MPa, in particular at least 5 MPa, very preferably at least 10 MPa, but is not limited thereto.
所望の重合度によって、重合後に得られるシート状構造体は、自己支持性膜である。重合度は好ましくは少なくとも2、特に少なくとも5、非常に好ましく少なくとも30繰り返し単位、特に少なくとも50繰り返し単位、非常に特に好ましくは少なくとも100繰り返し単位である。この重合度は、GPC方法によって測定することができる分子量Mnの数値平均から決定される。分解を引き起こすことなく膜に存在するポリビニルスルホン酸を単離するという問題のため、この値は、溶媒なしに、かつポリマーの添加なしに、ビニル含有スルホン酸および、用いる場合には、ビニル含有ホスホン酸を重合することによって行われる試験から決定される。この場合、ビニル含有スルホン酸および、用いる場合には、ビニル含有ホスホン酸およびラジカル開始剤の分率は、膜の溶解後の比率と比較して一定に保持される。比較重合で達成される変換率は、使用されるビニル含有スルホン酸および、用いる場合には、ビニル含有ホスホン酸に対して、好ましくは20%以上、特に40%以上、特に好ましくは75%以上である。 Depending on the desired degree of polymerization, the sheet-like structure obtained after the polymerization is a self-supporting membrane. The degree of polymerization is preferably at least 2, in particular at least 5, very preferably at least 30 repeating units, in particular at least 50 repeating units, very particularly preferably at least 100 repeating units. This degree of polymerization is determined from the numerical average of the molecular weight Mn that can be measured by the GPC method. Due to the problem of isolating the polyvinyl sulfonic acid present in the membrane without causing degradation, this value is calculated without vinyl and without the addition of a polymer and, if used, vinyl containing phosphonic acid and, if used, vinyl containing phosphonic acid. Determined from tests performed by polymerizing the acid. In this case, the vinyl-containing sulfonic acid and, if used, the fraction of vinyl-containing phosphonic acid and radical initiator are kept constant compared to the ratio after dissolution of the membrane. The conversion achieved in the comparative polymerization is preferably at least 20%, in particular at least 40%, particularly preferably at least 75%, based on the vinyl-containing sulfonic acid used and, if used, the vinyl-containing phosphonic acid. is there.
工程D)における重合は、層の厚みの減少に繋がり得る。自己支持性膜の厚みは、好ましくは15〜1000μm、より好ましくは20〜500μm、特に30〜250μmの間である。
工程D)によって得られる膜は、好ましくは自己支持性である。すなわち、それは、損傷を起こさずに支持体から脱着させることができ、引き続いて、所望であれば、さらに直接加工することができる。
The polymerization in step D) can lead to a reduction in the layer thickness. The thickness of the self-supporting membrane is preferably 15 to 1000 μm, more preferably 20 to 500 μm, especially 30 to 250 μm.
The membrane obtained by step D) is preferably self-supporting. That is, it can be detached from the support without causing damage and can be subsequently further processed directly if desired.
工程D)による重合に続き、膜は熱的に、光化学的に、化学的および/または電気化学的に表面を架橋させることができる。膜表面のこの硬化は、膜の特性をさらに改良する。 Following the polymerization according to step D), the film can be thermally, photochemically, chemically and / or electrochemically cross-linked on the surface. This curing of the membrane surface further improves the properties of the membrane.
1つの特別な態様によると、膜は少なくとも150℃、好ましくは少なくとも200℃、特に好ましくは少なくとも250℃の温度まで加熱することができる。熱的架橋は、好ましくは酸素の存在下で行われる。この製造工程おける酸素濃度は、通常、5〜50容量%、好ましくは10〜40容量%の範囲にあるが、これに限定されるものではない。 According to one particular embodiment, the membrane can be heated to a temperature of at least 150 ° C., preferably at least 200 ° C., particularly preferably at least 250 ° C. Thermal crosslinking is preferably performed in the presence of oxygen. The oxygen concentration in this production process is usually in the range of 5 to 50% by volume, preferably 10 to 40% by volume, but is not limited thereto.
架橋は、IRまたはNIR(IR=赤外、すなわち、700nmを超える波長を有する光;NIR=近赤外、すなわち、約700〜2000nmの範囲の波長、または約0.6〜1.75eVの範囲のエネルギーを有する光)および/またはUV光の作用によっても行うことができる。さらなる方法は、β、γおよび/または電子線の照射を行うことである。この場合における放射線の量は好ましくは5〜200kGy、特に、10〜100kGyである。照射は、空気中または不活性ガス下で行うことができる。これによって、膜の使用特性、特にその耐久性が改善される。
架橋反応の時間は、所望の架橋度に応じて、広い範囲で変化させることができる。一般に、この反応時間は1秒〜10時間の範囲、好ましくは1分〜1時間であるが、これに限定されるものではない。
Cross-linking is IR or NIR (IR = infrared, ie light having a wavelength above 700 nm; NIR = near infrared, ie, wavelength in the range of about 700-2000 nm, or in the range of about 0.6-1.75 eV. Can also be performed by the action of UV light. A further method is to perform β, γ and / or electron beam irradiation. The amount of radiation in this case is preferably 5 to 200 kGy, in particular 10 to 100 kGy. Irradiation can be performed in air or under an inert gas. This improves the use properties of the membrane, in particular its durability.
The time for the crosslinking reaction can be varied within a wide range depending on the desired degree of crosslinking. In general, the reaction time is in the range of 1 second to 10 hours, preferably 1 minute to 1 hour, but is not limited thereto.
本発明の1つの特別な実施態様によると、膜は、膜の全重量に対して、少なくとも3%、好ましくは少なくとも5%、より好ましくは少なくとも7重量%の(元素としての)リンを含む。リンの分率は、元素分析によって決定することができる。この目的では、膜を真空(1ミリバール)下で110℃で3時間乾燥する。 According to one particular embodiment of the invention, the membrane comprises at least 3%, preferably at least 5%, more preferably at least 7% by weight phosphorus (as an element) relative to the total weight of the membrane. The phosphorus fraction can be determined by elemental analysis. For this purpose, the membrane is dried under vacuum (1 mbar) at 110 ° C. for 3 hours.
本発明のポリマー膜は、今日までに知られたドープしたポリマー膜と比較して、改良された材料特性を示す。それらは、特に、公知のドープしてないポリマー膜と比較して、既に固有電導率を示す。これは、スルホン酸およびホスホン酸基を含有するポリマーを存在させることによって特に実現される。 The polymer film of the present invention exhibits improved material properties compared to doped polymer films known to date. They already exhibit a specific conductivity, in particular compared to known undoped polymer films. This is particularly achieved by the presence of a polymer containing sulfonic and phosphonic acid groups.
本発明の固有電導率は、70℃の温度にて少なくとも0.001S/cm、好ましくは少なくとも10mS/cm、特に少なくとも20mS/cmである。これらの値を得るために、本発明の膜を加湿することができる。この目的では、例えば、エネルギー源として用いられる化合物、例えば、水素またはメタノールに、ある分率の水を供することができる。しかしながら、多くの場合、これらの電導率値を与えるのに反応によって生成した水で十分である。 The intrinsic conductivity of the present invention is at least 0.001 S / cm, preferably at least 10 mS / cm, in particular at least 20 mS / cm at a temperature of 70 ° C. To obtain these values, the membrane of the present invention can be humidified. For this purpose, for example, a fraction of water can be supplied to a compound used as an energy source, for example hydrogen or methanol. In many cases, however, the water produced by the reaction is sufficient to provide these conductivity values.
膜の全重量に対して、ポリビニルホスホン酸の重量分率が10%を超えれば、膜は、一般には、160℃の温度において少なくとも1mS/cm、好ましくは少なくとも3mS/cm、特に少なくとも5mS/cm、特に好ましくは少なくとも10mS/cmの電導率を示す。これらの値は、加湿することなく達成される。 If the weight fraction of polyvinylphosphonic acid exceeds 10% relative to the total weight of the membrane, the membrane is generally at least 1 mS / cm, preferably at least 3 mS / cm, especially at least 5 mS / cm at a temperature of 160 ° C. Particularly preferably, it exhibits a conductivity of at least 10 mS / cm. These values are achieved without humidification.
比電導率は、白金電極(ワイア、0.25mm直径)を用いてポテンシオスタティックモードにて4−極配置におけるインピーダンススペクトロスコピーによって測定される。集電電極の間の距離は2cmである。得られたスペクトルは、オーム抵抗およびキャパシターの平行な配置よりなる単純なモデルを用いて評価する。リン酸をドープした膜の試料断面は、試料の取り付け直前に測定される。温度依存性を測定するには、測定セルをオーブン中にて所望の温度とし、試料に直ぐに隣接した位置にあるPt−100熱電対によって調節される。温度が到達した後、測定を開始する前に、試料をその温度に10分間保持する。 Specific conductivity is measured by impedance spectroscopy in a 4-pole configuration in potentiostatic mode using a platinum electrode (wire, 0.25 mm diameter). The distance between the collecting electrodes is 2 cm. The resulting spectrum is evaluated using a simple model consisting of a parallel arrangement of ohmic resistors and capacitors. The sample cross section of the membrane doped with phosphoric acid is measured immediately before the sample is attached. To measure temperature dependence, the measuring cell is brought to the desired temperature in the oven and adjusted by a Pt-100 thermocouple located immediately adjacent to the sample. After the temperature has reached, the sample is held at that temperature for 10 minutes before starting the measurement.
液体直接メタノール燃料電池において、90℃、0.5Mメタノール溶液で作動する時のクロスオーバー電流密度は、好ましくは100mA/cm2未満、特に70mA/cm2未満、より好ましくは50mA/cm2未満、非常に好ましくは10mA/cm2未満である。ガス状直接メタノール燃料電池において、160℃、2Mメタノール溶液にて作動する時のクロスオーバー電流密度は、好ましくは100mA/cm2未満、特に50mA/cm2未満、非常に好ましくは10mA/cm2未満である。 In a liquid direct methanol fuel cell, the crossover current density when operating with a 0.5 M methanol solution at 90 ° C. is preferably less than 100 mA / cm 2 , in particular less than 70 mA / cm 2 , more preferably less than 50 mA / cm 2 , Very preferably less than 10 mA / cm 2 . In a gaseous direct methanol fuel cell, the crossover current density when operating at 160 ° C. in a 2M methanol solution is preferably less than 100 mA / cm 2 , in particular less than 50 mA / cm 2 , very preferably less than 10 mA / cm 2 It is.
クロスオーバー電流密度を測定するためには、陰極で放出される二酸化炭素の量をCO2センサーを用いて測定する。CO2の量について得られた値を用いて、P.Zelenay,S.C.Thomas,S.Gottesfled in S.Gottesfeld,T.F.Fuller “Proton Conducting Membrane Fuel Cells II” ESC Proc.Vol.98−27 pp.300−308に記載されたようにクロスオーバー電流密度を計算する。 In order to measure the crossover current density, the amount of carbon dioxide released at the cathode is measured using a CO 2 sensor. Using the values obtained for the amount of CO 2 , P.I. Zelenay, S .; C. Thomas, S .; Gottestred in S. Gottesfeld, T .; F. Fuller “Proton Conducting Membrane Fuel Cells II” ESC Proc. Vol. 98-27 pp. Calculate the crossover current density as described in 300-308.
本発明の本来的に電導性のポリマー膜の可能な使用分野としては、燃料電池、電気分解、キャパシターおよび蓄電池系における使用がある。それらの特性を考慮すると、ポリマー膜は、燃料電池、特にDMFC燃料電池(直接メタノール燃料電池)で好ましく用いることができる。 Possible fields of use of the inherently conductive polymer membranes of the present invention include use in fuel cells, electrolysis, capacitors and battery systems. Considering these characteristics, the polymer membrane can be preferably used in a fuel cell, particularly a DMFC fuel cell (direct methanol fuel cell).
本発明は、本発明の少なくとも1つのポリマー膜を含む膜電極接合体を提供する。膜電極接合体は、例えば白金、ルテニウムまたはパラジウムのような触媒活性物質の量が低い場合でも高い性能を示す。このために、触媒的に活性な層を設けたガス拡散層を用いることができる。
ガス拡散層は、一般には電子電導性を呈する。通常、この目的では、電導性であって、酸抵抗性であるシート状構造体が使用なされる。そのような構造体は、例えば、炭素繊維ペーパー、黒鉛化炭素繊維ペーパー、炭素繊維ファブリック、黒鉛化炭素繊維ファブリックおよび/またはシート状構造体が含まれ、それらは、カーボンブラックを添加することにより電導性になっている。
The present invention provides a membrane electrode assembly comprising at least one polymer membrane of the present invention. Membrane electrode assemblies exhibit high performance even when the amount of catalytically active material such as platinum, ruthenium or palladium is low. For this purpose, a gas diffusion layer provided with a catalytically active layer can be used.
The gas diffusion layer generally exhibits electronic conductivity. Usually, for this purpose, a sheet-like structure that is electrically conductive and acid resistant is used. Such structures include, for example, carbon fiber paper, graphitized carbon fiber paper, carbon fiber fabric, graphitized carbon fiber fabric and / or sheet-like structures, which are electrically conductive by adding carbon black. It has become sex.
触媒的に活性な層は、触媒的に活性な物質を含む。そのような物質は貴金属、特に、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウムおよび/またはルテニウムを含む。これらの物質は、相互に合金の形態で用いることもできる。さらに、これらの物質は、例えば、Cr、Zr、Ni、Coおよび/またはTiのような非貴金属との合金として用いることができる。加えて、前記した貴金属および/または非貴金属の酸化物も用いることもできる。本発明の1つの特別な態様によると、触媒的に活性な化合物は、好ましくは1〜1000nm、特に10〜200nm、好ましくは20〜100nmのサイズを持つ粒子の形態で用いられる。 The catalytically active layer includes a catalytically active material. Such materials include noble metals, particularly platinum, palladium, rhodium, iridium and / or ruthenium. These substances can also be used in the form of alloys with each other. Furthermore, these materials can be used as alloys with non-noble metals such as Cr, Zr, Ni, Co and / or Ti, for example. In addition, the above-mentioned noble metal and / or non-noble metal oxides can also be used. According to one particular embodiment of the invention, the catalytically active compound is preferably used in the form of particles having a size of 1-1000 nm, in particular 10-200 nm, preferably 20-100 nm.
さらに、触媒的に活性な層は、汎用の添加剤を含んでもよい。これらには、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のようなフルオロポリマー、および表面活性物質を含む。
本発明の1つの特別な実施態様によると、少なくとも1つの貴金属および、場合によっては、1以上の支持体材料を含む触媒材料に対するフルオロポリマーの重量比は0.1よりも大きく、好ましくはこの比率は、0.2〜0.6の範囲である。
Furthermore, the catalytically active layer may contain general purpose additives. These include, for example, fluoropolymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE), and surface active materials.
According to one particular embodiment of the invention, the weight ratio of fluoropolymer to catalyst material comprising at least one noble metal and optionally one or more support materials is greater than 0.1, preferably this ratio Is in the range of 0.2 to 0.6.
本発明の1つの特別な実施態様によると、触媒層1〜1000μm、特に5〜500μm、好ましくは10〜300μmの範囲の厚みを有する。この数字は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて得ることができる顕微鏡写真で断面における層の厚みを測定することによって決定することができる平均数値を表わす。 According to one particular embodiment of the invention, the catalyst layer has a thickness in the range of 1 to 1000 μm, in particular 5 to 500 μm, preferably 10 to 300 μm. This number represents an average value that can be determined by measuring the thickness of the layers in cross-section with a photomicrograph obtained using a scanning electron microscope (SEM).
本発明の1つの特別な実施態様によると、触媒層の貴金属含有量は、0.1〜10.0mg/cm2、好ましくは0.2〜6.0mg/cm2、特に好ましくは0.3〜3.0mg/cm2である。これらの数字は、シート状試料の元素分析によって決定することができる。 According to one particular embodiment of the present invention, the noble metal content of the catalyst layer, 0.1 to 10.0 mg / cm 2, preferably 0.2~6.0mg / cm 2, particularly preferably 0.3 it is a ~3.0mg / cm 2. These numbers can be determined by elemental analysis of the sheet-like sample.
膜電極接合体に関するさらなる情報については、技術文献、特に、特許出願WO01/18894 A2、DE19509748、DE19509749、WO00/26982、WO92/15121およびDE19757492を参照する。膜電極接合体の構成および製造、および選択すべき電極、ガス拡散層および触媒に関する前記文献における開示も本明細書の一部である。 For further information on membrane electrode assemblies, reference is made to the technical literature, in particular the patent applications WO 01/18894 A2, DE 1950748, DE 19509749, WO 00/26982, WO 92/15121 and DE 19757482. The disclosures in the above documents relating to the construction and production of membrane electrode assemblies and the electrodes, gas diffusion layers and catalysts to be selected are also part of this description.
もう1つの変法において、触媒的に活性な層を本発明の膜に塗布することができ、これは、ガス拡散層に連結することができる。
本発明の1つの変法において、膜は支持体上ではなく、その代わり、直接電極上に形成することができる。その結果、工程D)による処理はそれに対応して短縮することができるか、あるいは開始剤溶液の量を減らすことができる。というのは、膜が自己支持性である必要はもはやないからである。また、この種の膜および本発明のポリマー膜でコーティングした電極も本発明によって提供される。
In another variation, a catalytically active layer can be applied to the membrane of the present invention, which can be coupled to a gas diffusion layer.
In one variant of the invention, the membrane can be formed directly on the electrode instead of on the support. As a result, the process according to step D) can be correspondingly shortened or the amount of initiator solution can be reduced. This is because the membrane no longer needs to be self-supporting. Also provided by the present invention is an electrode coated with this type of membrane and the polymer membrane of the present invention.
さらに、積層膜電極接合体中でビニル含有ホスホン酸およびビニル含有スルホン酸の重合を行うこともできる。そのためには、溶液を電極に塗布し、同じようにコーティングされた第2の電極と対置して2つをプレスする。引き続いて、積層膜電極接合体において重合を前記したごとく行う。 Furthermore, polymerization of vinyl-containing phosphonic acid and vinyl-containing sulfonic acid can also be performed in the laminated membrane electrode assembly. To do so, apply the solution to the electrodes and press the two against a similarly coated second electrode. Subsequently, polymerization is performed in the laminated film electrode assembly as described above.
コーティングは、2〜500μm、好ましくは5〜300μm、特に10〜200μmの間の厚みを有する。これは、いわゆるミクロ燃料電池、特にミクロDMFC燃料電池での使用を可能とする。
この種のコーティングを持つ膜を、必要に応じて、本発明の少なくとも1つのポリマー膜を含む膜電極接合体に設置することができる。
The coating has a thickness of between 2 and 500 μm, preferably between 5 and 300 μm, in particular between 10 and 200 μm. This enables use in so-called micro fuel cells, in particular micro DMFC fuel cells.
A membrane with this type of coating can be placed on a membrane electrode assembly comprising at least one polymer membrane of the present invention, if desired.
さらなる変法において、触媒的に活性な層を本発明の膜に塗布することができ、この層をガス拡散層に連結することができる。その目的では、膜を工程A)〜D)に従って形成し、触媒を塗布する。1つの変法において、開始剤溶液に先立って、またはそれと共に、触媒を塗布することができる。また、これらの構造体も本発明によって提供される。 In a further variant, a catalytically active layer can be applied to the membrane of the invention and this layer can be connected to a gas diffusion layer. For that purpose, a film is formed according to steps A) to D) and a catalyst is applied. In one variation, the catalyst can be applied prior to or in conjunction with the initiator solution. These structures are also provided by the present invention.
加えて、工程A)〜D)に従い、既に触媒を含む支持体または支持体フィルムに膜を形成することができる。支持体または支持体フィルムの除去後、触媒は本発明の膜上に存在する。これらの構造体も本発明の主題である。
同様に、本発明の主題は、ポリアゾール系のさらなるポリマー膜、またはポリアゾール系の少なくとも1つのポリマーを含むポリマーブレンド膜と組み合わせた、少なくとも1つのコーティングされた電極および/または本発明の少なくとも1つのポリマー膜を含む膜電極接合体である。
In addition, according to steps A) to D), a membrane can be formed on a support or support film that already contains a catalyst. After removal of the support or support film, the catalyst is present on the membrane of the present invention. These structures are also the subject of the present invention.
Similarly, the subject of the invention is at least one coated electrode and / or at least one polymer according to the invention in combination with a polyazole-based further polymer film or a polymer blend film comprising at least one polymer based on polyazole. A membrane electrode assembly including a membrane.
Claims (21)
[式中、Rは結合、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
xは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10であり、
yは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10である]
および/または式:
[式中、Rは結合、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
xは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9、または10である]
および/または式:
[式中、Aは式COOR2、CN、CONR2 2、OR2、および/またはR2の基であり、
ここに、R2は水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15−アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Rは結合、二価のC1〜C15アルキレン基、エチレンオキシ基のような二価のC1〜C15アルキレンオキシ基、またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
xは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10である]
で表されるビニル含有スルホン酸を、
3,3’,4,4’−テトラアミノビフェニル、2,3,5,6−テトラアミノビリジン、1,2,4,5−テトラアミノベンゼン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルエーテル、3,3’,4,4’−テトラアミノベンゾフェノン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルメタンおよび3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルジメチルメタンから選ばれる1以上の芳香族テトラアミノ化合物、およびイソフタル酸、テレフタル酸、フタル酸、5−ヒドロキシイソフタル酸、4−ヒドロキシイソフタル酸、2−ヒドロキシテレフタル酸、5−アミノイソフタル酸、5−N,N−ジメチルアミノイソフタル酸、5−N,N−ジエチルアミノイソフタル酸、2,5−ジヒドロキシテレフタル酸、2,5−ジヒドロキシイソフタル酸、2,3−ジヒドロキシイソフタル酸、2,3−ジヒドロキシフタル酸、2,4−ジヒドロキシフタル酸、3,4−ジヒドロキシフタル酸、3−フルオロフタル酸、5−フルオロイソフタル酸、2−フルオロテレフタル酸、テトラフルオロフタル酸、テトラフルオロイソフタル酸、テトラフルオロテレフタル酸、1,4−ナフタレンジカルボン酸、1,5−ナフタレンジカルボン酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、2,7−ナフタレンジカルボン酸、ジフェン酸、1,8−ジヒドロキシナフタレン−3,6−ジカルボン酸、ジフェニルエーテル4,4’−ジカルボン酸、ベンゾフェノン−4,4’−ジカルボン酸、ジフェニルスルホン4,4’−ジカルボン酸、ビフェニル−4,4‘−ジカルボン酸、4−トリフルオロメチルフタル酸、2,2−ビス(4−カルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−スチルベンジカルボン酸、4−カルボキシ桂皮酸、またはそのC1〜C20アルキルエステル、そのC5〜C12アリールエステル、その酸無水物またはその酸塩化物から選ばれる1以上の芳香族カルボン酸
と混合するか、および/または
上記式(1)および/または(2)および/または(3)で表されるビニル含有スルホン酸を、
ピリジン−2,5−ジカルボン酸、ピリジン−3,5−ジカルボン酸、ビリジン−2,6−ジカルボン酸、ピリジン−2,4−ジカルボン酸、4−フェニル−2,5−ビリジンジカルボン酸、3,5−ピラゾールジカルボン酸、2,6−ピリミジンジカルボン酸、2,5−ピラジンジカルボン酸、2,4,6−ピリジントリカルボン酸、ベンゾイミダゾール−5,6−ジカルボン酸、およびそのC1〜C20アルキルエステルまたはC5〜C12アリールエステル、その酸無水物またはその酸塩化物から選ばれる1以上の芳香族および/またはヘテロ芳香族ジアミノカルボン酸
と混合し、
該混合物がポリアゾールを生成するモノマーを少なくとも2重量%とビニル含有スルホン酸を少なくとも10〜98重量%を含み、
B)工程A)により得られる混合物を、不活性ガス下で、350℃までの温度に加熱して、ポリアゾールポリマーを形成し、
C)工程A)および/またはB)による混合物を用いて、支持体に15〜2000μmの厚さの層を塗布し、
D)工程C)により得られるシート状構造体に存在するビニル含有スルホン酸を、工程B)における加熱後該混合物に加えられるか、または工程C)の後に得られたシート状構造物に塗布されてビニル含有スルホン酸全量の0.0001〜5重量%存在するラジカル形成剤から熱的、光化学的、化学的および/または電気化学的にフリーラジカルを形成するラジカル重合によって重合し、該重合が室温(20℃)〜200℃未満の温度で行われる工程からなる方法で得られる70℃の温度で少なくとも0.001S/cmの電導率を有するスルホン酸基含有ポリマーからなるプロトン伝導性ポリマー膜。 A) The following formula:
[Wherein, R is a bond, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the group includes halogen, —OH, COOZ, —CN, Optionally substituted by NZ 2
Each Z is independently hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, —OH, —CN May be replaced by
x is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10;
y is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10]
And / or formula:
[Wherein, R is a bond, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the group includes halogen, —OH, COOZ, —CN, Optionally substituted by NZ 2
Each Z is independently hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, —OH, —CN May be replaced by
x is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10]
And / or formula:
Wherein A is a group of formula COOR 2 , CN, CONR 2 2 , OR 2 , and / or R 2 ,
Here, R 2 is hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15-alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the above groups are halogen, —OH, COOZ, —CN. , May be substituted by NZ 2 ,
R is a bond, a divalent C1-C15 alkylene group, a divalent C1-C15 alkyleneoxy group such as an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group. , COOZ, -CN, NZ 2 may be substituted,
Each Z is independently hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, —OH, —CN May be replaced by
x is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10]
A vinyl-containing sulfonic acid represented by
3,3 ′, 4,4′-tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6-tetraaminopyridine, 1,2,4,5-tetraaminobenzene, 3,3 ′, 4,4′-tetraamino Diphenylsulfone, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl ether, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminobenzophenone, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylmethane and 3,3 ′, One or more aromatic tetraamino compounds selected from 4,4′-tetraaminodiphenyldimethylmethane, and isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 5-hydroxyisophthalic acid, 4-hydroxyisophthalic acid, 2-hydroxyterephthalic acid, 5-aminoisophthalic acid, 5-N, N-dimethylaminoisophthalic acid, 5-N, N-diethylaminoisophthalic acid, 2,5-dihydroxyte Phthalic acid, 2,5-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxyphthalic acid, 2,4-dihydroxyphthalic acid, 3,4-dihydroxyphthalic acid, 3-fluorophthalic acid, 5 -Fluoroisophthalic acid, 2-fluoroterephthalic acid, tetrafluorophthalic acid, tetrafluoroisophthalic acid, tetrafluoroterephthalic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic acid, 1,5-naphthalenedicarboxylic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2,7-naphthalenedicarboxylic acid, diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether 4,4′-dicarboxylic acid, benzophenone-4,4′-dicarboxylic acid, diphenylsulfone 4,4 ′ -Dicarboxylic acid, biphenyl-4,4'-dicarbo Acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, 2,2-bis (4-carboxyphenyl) hexafluoropropane, 4,4′-stilbene dicarboxylic acid, 4-carboxycinnamic acid, or a C1-C20 alkyl ester thereof, C5 Or mixed with one or more aromatic carboxylic acids selected from C12 aryl esters, acid anhydrides or acid chlorides thereof, and / or in the above formulas (1) and / or (2) and / or (3) Represented vinyl-containing sulfonic acid,
Pyridine-2,5-dicarboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5-pyridine carboxylic acid, 3, 5-pyrazole dicarboxylic acid, 2,6-pyrimidine dicarboxylic acid, 2,5-pyrazine dicarboxylic acid, 2,4,6-pyridinetricarboxylic acid, benzimidazole-5,6-dicarboxylic acid, and C1-C20 alkyl ester thereof or Mixed with one or more aromatic and / or heteroaromatic diaminocarboxylic acids selected from C5 to C12 aryl esters, acid anhydrides or acid chlorides thereof,
The mixture comprises at least 2% by weight of a monomer that forms a polyazole and at least 10-98% by weight of a vinyl-containing sulfonic acid;
B) The mixture obtained by step A) is heated under inert gas to a temperature of up to 350 ° C. to form a polyazole polymer,
C) Using the mixture according to step A) and / or B), a layer with a thickness of 15 to 2000 μm is applied to the support,
D) The vinyl-containing sulfonic acid present in the sheet-like structure obtained by step C) is added to the mixture after heating in step B) or applied to the sheet-like structure obtained after step C). Then, polymerization is carried out by radical polymerization that forms free radicals thermally, photochemically, chemically and / or electrochemically from a radical-forming agent present in an amount of 0.0001 to 5% by weight of the total amount of vinyl-containing sulfonic acid. A proton conductive polymer membrane comprising a sulfonic acid group-containing polymer having a conductivity of at least 0.001 S / cm at a temperature of 70 ° C. obtained by a method comprising a step performed at a temperature of (20 ° C.) to less than 200 ° C.
[式中、Rは結合、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基、またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
xは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10であり、
yは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10である]
および/または式:
[式中、Rは結合、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
xは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9、または10である]
および/または式:
[式中、Aは式COOR2、CN、CONR2 2、OR2および/またはR2の基であり、
ここに、R2は水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Rは結合、二価のC1〜C15アルキレン基、エチレンオキシ基のような二価のC1〜C15アルキレンオキシ基、または二価のC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基、またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
xは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10である]
で表される化合物であることを特徴とする請求項6記載の膜。 A vinyl-containing phosphonic acid has the formula:
[Wherein, R is a bond, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the above groups are halogen, —OH, COOZ, —CN , May be substituted by NZ 2 ,
Each Z is independently hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, —OH, —CN May be replaced by
x is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10;
y is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10]
And / or formula:
[Wherein, R is a bond, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the group includes halogen, —OH, COOZ, —CN, Optionally substituted by NZ 2
Each Z is independently hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, —OH, —CN May be replaced by
x is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10]
And / or formula:
Wherein A is a group of formula COOR 2 , CN, CONR 2 2 , OR 2 and / or R 2 ,
Here, R 2 is hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the groups are halogen, —OH, COOZ, —CN, Optionally substituted by NZ 2
R is a bond, a divalent C1-C15 alkylene group, a divalent C1-C15 alkyleneoxy group such as an ethyleneoxy group, or a divalent C5-C20 aryl or heteroaryl group. , -OH, COOZ, -CN, NZ 2 may be substituted,
Each Z is independently hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, -OH,- May be substituted by CN,
x is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10]
The film according to claim 6, wherein the film is a compound represented by the formula:
[式中、Rは結合、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
xは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10であり、
yは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10である]
および/または式:
[式中、Rは結合、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
xは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9、または10である]
および/または式:
[式中、Aは式COOR2、CN、CONR2 2、OR2、および/またはR2の基であり、
ここに、R2は水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15−アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Rは結合、二価のC1〜C15アルキレン基、エチレンオキシ基のような二価のC1〜C15アルキレンオキシ基、またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
xは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10である]
で表されるビニル含有スルホン酸を、
3,3’,4,4’−テトラアミノビフェニル、2,3,5,6−テトラアミノビリジン、1,2,4,5−テトラアミノベンゼン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルエーテル、3,3’,4,4’−テトラアミノベンゾフェノン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルメタンおよび3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルジメチルメタンから選ばれる1以上の芳香族テトラアミノ化合物、およびイソフタル酸、テレフタル酸、フタル酸、5−ヒドロキシイソフタル酸、4−ヒドロキシイソフタル酸、2−ヒドロキシテレフタル酸、5−アミノイソフタル酸、5−N,N−ジメチルアミノイソフタル酸、5−N,N−ジエチルアミノイソフタル酸、2,5−ジヒドロキシテレフタル酸、2,5−ジヒドロキシイソフタル酸、2,3−ジヒドロキシイソフタル酸、2,3−ジヒドロキシフタル酸、2,4−ジヒドロキシフタル酸、3,4−ジヒドロキシフタル酸、3−フルオロフタル酸、5−フルオロイソフタル酸、2−フルオロテレフタル酸、テトラフルオロフタル酸、テトラフルオロイソフタル酸、テトラフルオロテレフタル酸、1,4−ナフタレンジカルボン酸、1,5−ナフタレンジカルボン酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、2,7−ナフタレンジカルボン酸、ジフェン酸、1,8−ジヒドロキシナフタレン−3,6−ジカルボン酸、ジフェニルエーテル4,4’−ジカルボン酸、ベンゾフェノン−4,4’−ジカルボン酸、ジフェニルスルホン4,4’−ジカルボン酸、ビフェニル−4,4‘−ジカルボン酸、4−トリフルオロメチルフタル酸、2,2−ビス(4−カルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−スチルベンジカルボン酸、4−カルボキシ桂皮酸、またはそのC1〜C20アルキルエステル、そのC5〜C12アリールエステル、その酸無水物またはその酸塩化物から選ばれる1以上の芳香族カルボン酸
と混合するか、および/または
上記式(1)および/または(2)および/または(3)で表されるビニル含有スルホン酸を、
ピリジン−2,5−ジカルボン酸、ピリジン−3,5−ジカルボン酸、ビリジン−2,6−ジカルボン酸、ピリジン−2,4−ジカルボン酸、4−フェニル−2,5−ビリジンジカルボン酸、3,5−ピラゾールジカルボン酸、2,6−ピリミジンジカルボン酸、2,5−ピラジンジカルボン酸、2,4,6−ピリジントリカルボン酸、ベンゾイミダゾール−5,6−ジカルボン酸、およびそのC1〜C20アルキルエステルまたはC5〜C12アリールエステル、その酸無水物またはその酸塩化物から選ばれる1以上の芳香族および/またはヘテロ芳香族ジアミノカルボン酸
と混合し、
該混合物がポリアゾールを生成するモノマーを少なくとも2重量%とビニル含有スルホン酸を少なくとも10〜98重量%を含み、
B)工程A)により得られる混合物を、不活性ガス下で、350℃までの温度に加熱して、ポリアゾールポリマーを形成し、
C)工程A)および/またはB)による混合物を用いて、支持体に15〜2000μmの厚さの層を塗布し、
D)工程C)により得られるシート状構造体に存在するビニル含有スルホン酸を、工程B)における加熱後該混合物に加えられるか、または工程C)の後に得られたシート状構造物に塗布されてビニル含有スルホン酸全量の0.0001〜5重量%存在するラジカル形成剤から熱的、光化学的、化学的および/または電気化学的にフリーラジカルを形成するラジカル重合によって重合し、該重合が室温(20℃)〜200℃未満の温度で行われる工程からなる方法で得られる70℃の温度で少なくとも0.001S/cmの電導率を有するポリアゾールをベースとするプロトン伝導性ポリマーコーティングを有する電極。 A) The following formula:
[Wherein, R is a bond, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the group includes halogen, —OH, COOZ, —CN, Optionally substituted by NZ 2
Each Z is independently hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, —OH, —CN May be replaced by
x is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10;
y is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10]
And / or formula:
[Wherein, R is a bond, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the group includes halogen, —OH, COOZ, —CN, Optionally substituted by NZ 2
Each Z is independently hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, —OH, —CN May be replaced by
x is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10]
And / or formula:
Wherein A is a group of formula COOR 2 , CN, CONR 2 2 , OR 2 , and / or R 2 ,
Here, R 2 is hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15-alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the above groups are halogen, —OH, COOZ, —CN. , May be substituted by NZ 2 ,
R is a bond, a divalent C1-C15 alkylene group, a divalent C1-C15 alkyleneoxy group such as an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group. , COOZ, -CN, NZ 2 may be substituted,
Each Z is independently hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, —OH, —CN May be replaced by
x is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10]
A vinyl-containing sulfonic acid represented by
3,3 ′, 4,4′-tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6-tetraaminopyridine, 1,2,4,5-tetraaminobenzene, 3,3 ′, 4,4′-tetraamino Diphenylsulfone, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl ether, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminobenzophenone, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylmethane and 3,3 ′, One or more aromatic tetraamino compounds selected from 4,4′-tetraaminodiphenyldimethylmethane, and isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 5-hydroxyisophthalic acid, 4-hydroxyisophthalic acid, 2-hydroxyterephthalic acid, 5-aminoisophthalic acid, 5-N, N-dimethylaminoisophthalic acid, 5-N, N-diethylaminoisophthalic acid, 2,5-dihydroxyte Phthalic acid, 2,5-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxyphthalic acid, 2,4-dihydroxyphthalic acid, 3,4-dihydroxyphthalic acid, 3-fluorophthalic acid, 5 -Fluoroisophthalic acid, 2-fluoroterephthalic acid, tetrafluorophthalic acid, tetrafluoroisophthalic acid, tetrafluoroterephthalic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic acid, 1,5-naphthalenedicarboxylic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2,7-naphthalenedicarboxylic acid, diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether 4,4′-dicarboxylic acid, benzophenone-4,4′-dicarboxylic acid, diphenylsulfone 4,4 ′ -Dicarboxylic acid, biphenyl-4,4'-dicarbo Acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, 2,2-bis (4-carboxyphenyl) hexafluoropropane, 4,4′-stilbene dicarboxylic acid, 4-carboxycinnamic acid, or a C1-C20 alkyl ester thereof, C5 Or mixed with one or more aromatic carboxylic acids selected from C12 aryl esters, acid anhydrides or acid chlorides thereof, and / or in the above formulas (1) and / or (2) and / or (3) Represented vinyl-containing sulfonic acid,
Pyridine-2,5-dicarboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5-pyridine carboxylic acid, 3, 5-pyrazole dicarboxylic acid, 2,6-pyrimidine dicarboxylic acid, 2,5-pyrazine dicarboxylic acid, 2,4,6-pyridinetricarboxylic acid, benzimidazole-5,6-dicarboxylic acid, and C1-C20 alkyl ester thereof or Mixed with one or more aromatic and / or heteroaromatic diaminocarboxylic acids selected from C5-C12 aryl esters, acid anhydrides or acid chlorides thereof,
The mixture comprises at least 2% by weight of a monomer that forms a polyazole and at least 10-98% by weight of a vinyl-containing sulfonic acid;
B) The mixture obtained by step A) is heated under inert gas to a temperature of up to 350 ° C. to form a polyazole polymer,
C) Using the mixture according to step A) and / or B), a layer with a thickness of 15 to 2000 μm is applied to the support,
D) The vinyl-containing sulfonic acid present in the sheet-like structure obtained by step C) is added to the mixture after heating in step B) or applied to the sheet-like structure obtained after step C). Then, polymerization is carried out by radical polymerization that forms free radicals thermally, photochemically, chemically and / or electrochemically from a radical-forming agent present in an amount of 0.0001 to 5% by weight of the total amount of vinyl-containing sulfonic acid. An electrode having a proton conductive polymer coating based on polyazole having a conductivity of at least 0.001 S / cm at a temperature of 70 ° C. obtained by a process comprising a step performed at a temperature of (20 ° C.) to less than 200 ° C.
[式中、Rは結合、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
xは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10であり、
yは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10である]
および/または式:
[式中、Rは結合、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
xは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9、または10である]
および/または式:
[式中、Aは式COOR2、CN、CONR2 2、OR2、および/またはR2の基であり、
ここに、R2は水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15−アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Rは結合、二価のC1〜C15アルキレン基、エチレンオキシ基のような二価のC1〜C15アルキレンオキシ基、またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、COOZ、−CN、NZ2によって置換されていてもよく、
Zは、独立して、各々が水素、C1〜C15アルキル基、C1〜C15アルコキシ基、エチレンオキシ基またはC5〜C20アリールもしくはヘテロアリール基であり、前記の基は、ハロゲン、−OH、−CNによって置換されていてもよく、
xは整数1、2、3、4、5、6、7、8、9または10である]
で表されるビニル含有スルホン酸を、
3,3’,4,4’−テトラアミノビフェニル、2,3,5,6−テトラアミノビリジン、1,2,4,5−テトラアミノベンゼン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルエーテル、3,3’,4,4’−テトラアミノベンゾフェノン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルメタンおよび3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルジメチルメタンから選ばれる1以上の芳香族テトラアミノ化合物、およびイソフタル酸、テレフタル酸、フタル酸、5−ヒドロキシイソフタル酸、4−ヒドロキシイソフタル酸、2−ヒドロキシテレフタル酸、5−アミノイソフタル酸、5−N,N−ジメチルアミノイソフタル酸、5−N,N−ジエチルアミノイソフタル酸、2,5−ジヒドロキシテレフタル酸、2,5−ジヒドロキシイソフタル酸、2,3−ジヒドロキシイソフタル酸、2,3−ジヒドロキシフタル酸、2,4−ジヒドロキシフタル酸、3,4−ジヒドロキシフタル酸、3−フルオロフタル酸、5−フルオロイソフタル酸、2−フルオロテレフタル酸、テトラフルオロフタル酸、テトラフルオロイソフタル酸、テトラフルオロテレフタル酸、1,4−ナフタレンジカルボン酸、1,5−ナフタレンジカルボン酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、2,7−ナフタレンジカルボン酸、ジフェン酸、1,8−ジヒドロキシナフタレン−3,6−ジカルボン酸、ジフェニルエーテル4,4’−ジカルボン酸、ベンゾフェノン−4,4’−ジカルボン酸、ジフェニルスルホン4,4’−ジカルボン酸、ビフェニル−4,4‘−ジカルボン酸、4−トリフルオロメチルフタル酸、2,2−ビス(4−カルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−スチルベンジカルボン酸、4−カルボキシ桂皮酸、またはそのC1〜C20アルキルエステル、そのC5〜C12アリールエステル、その酸無水物またはその酸塩化物から選ばれる1以上の芳香族カルボン酸
と混合するか、および/または
上記式(1)および/または(2)および/または(3)で表されるビニル含有スルホン酸を、
ピリジン−2,5−ジカルボン酸、ピリジン−3,5−ジカルボン酸、ビリジン−2,6−ジカルボン酸、ピリジン−2,4−ジカルボン酸、4−フェニル−2,5−ビリジンジカルボン酸、3,5−ピラゾールジカルボン酸、2,6−ピリミジンジカルボン酸、2,5−ピラジンジカルボン酸、2,4,6−ピリジントリカルボン酸、ベンゾイミダゾール−5,6−ジカルボン酸、およびそのC1〜C20アルキルエステルまたはC5〜C12アリールエステル、その酸無水物またはその酸塩化物から選ばれる1以上の芳香族および/またはヘテロ芳香族ジアミノカルボン酸
と混合し、
該混合物がポリアゾールを生成するモノマーを少なくとも2重量%とビニル含有スルホン酸を少なくとも10〜98重量%を含み、
B)工程A)により得られる混合物を、不活性ガス下で、350℃までの温度に加熱して、ポリアゾールポリマーを形成し、
C)工程A)および/またはB)による混合物を用いて、支持体に15〜2000μmの厚さの層を塗布し、
D)工程C)により得られるシート状構造体に存在するビニル含有スルホン酸を、工程B)における加熱後該混合物に加えられるか、または工程C)の後に得られたシート状構造物に塗布されてビニル含有スルホン酸全量の0.0001〜5重量%存在するラジカル形成剤から熱的、光化学的、化学的および/または電気化学的にフリーラジカルを形成するラジカル重合によって重合し、該重合が室温(20℃)〜200℃未満の温度で行われる工程からなり、70℃の温度で少なくとも0.001S/cmの電導率を有するスルホン酸基含有ポリマーからなるプロトン伝導性ポリマー膜の製造方法。 A) The following formula:
[Wherein, R is a bond, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the group includes halogen, —OH, COOZ, —CN, Optionally substituted by NZ 2
Each Z is independently hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, —OH, —CN May be replaced by
x is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10;
y is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10]
And / or formula:
[Wherein, R is a bond, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the group includes halogen, —OH, COOZ, —CN, Optionally substituted by NZ 2
Each Z is independently hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, —OH, —CN May be replaced by
x is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10]
And / or formula:
Wherein A is a group of formula COOR 2 , CN, CONR 2 2 , OR 2 , and / or R 2 ,
Here, R 2 is hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15-alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, and the above groups are halogen, —OH, COOZ, —CN. , May be substituted by NZ 2 ,
R is a bond, a divalent C1-C15 alkylene group, a divalent C1-C15 alkyleneoxy group such as an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group. , COOZ, -CN, NZ 2 may be substituted,
Each Z is independently hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group, or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the groups are halogen, —OH, —CN May be replaced by
x is an integer 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10]
A vinyl-containing sulfonic acid represented by
3,3 ′, 4,4′-tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6-tetraaminopyridine, 1,2,4,5-tetraaminobenzene, 3,3 ′, 4,4′-tetraamino Diphenylsulfone, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl ether, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminobenzophenone, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylmethane and 3,3 ′, One or more aromatic tetraamino compounds selected from 4,4′-tetraaminodiphenyldimethylmethane, and isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 5-hydroxyisophthalic acid, 4-hydroxyisophthalic acid, 2-hydroxyterephthalic acid, 5-aminoisophthalic acid, 5-N, N-dimethylaminoisophthalic acid, 5-N, N-diethylaminoisophthalic acid, 2,5-dihydroxyte Phthalic acid, 2,5-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxyphthalic acid, 2,4-dihydroxyphthalic acid, 3,4-dihydroxyphthalic acid, 3-fluorophthalic acid, 5 -Fluoroisophthalic acid, 2-fluoroterephthalic acid, tetrafluorophthalic acid, tetrafluoroisophthalic acid, tetrafluoroterephthalic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic acid, 1,5-naphthalenedicarboxylic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2,7-naphthalenedicarboxylic acid, diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether 4,4′-dicarboxylic acid, benzophenone-4,4′-dicarboxylic acid, diphenylsulfone 4,4 ′ -Dicarboxylic acid, biphenyl-4,4'-dicarbo Acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, 2,2-bis (4-carboxyphenyl) hexafluoropropane, 4,4′-stilbene dicarboxylic acid, 4-carboxycinnamic acid, or a C1-C20 alkyl ester thereof, C5 Or mixed with one or more aromatic carboxylic acids selected from C12 aryl esters, acid anhydrides or acid chlorides thereof, and / or in the above formulas (1) and / or (2) and / or (3) Represented vinyl-containing sulfonic acid,
Pyridine-2,5-dicarboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5-pyridine carboxylic acid, 3, 5-pyrazole dicarboxylic acid, 2,6-pyrimidine dicarboxylic acid, 2,5-pyrazine dicarboxylic acid, 2,4,6-pyridinetricarboxylic acid, benzimidazole-5,6-dicarboxylic acid, and C1-C20 alkyl ester thereof or Mixed with one or more aromatic and / or heteroaromatic diaminocarboxylic acids selected from C5-C12 aryl esters, acid anhydrides or acid chlorides thereof,
The mixture comprises at least 2% by weight of a monomer that forms a polyazole and at least 10-98% by weight of a vinyl-containing sulfonic acid;
B) The mixture obtained by step A) is heated under inert gas to a temperature of up to 350 ° C. to form a polyazole polymer,
C) Using the mixture according to step A) and / or B), a layer with a thickness of 15 to 2000 μm is applied to the support,
D) The vinyl-containing sulfonic acid present in the sheet-like structure obtained by step C) is added to the mixture after heating in step B) or applied to the sheet-like structure obtained after step C). Then, polymerization is carried out by radical polymerization that forms free radicals thermally, photochemically, chemically and / or electrochemically from a radical-forming agent present in an amount of 0.0001 to 5% by weight of the total amount of vinyl-containing sulfonic acid. A method for producing a proton conductive polymer membrane comprising a sulfonic acid group-containing polymer having a conductivity of at least 0.001 S / cm at a temperature of 70 ° C., comprising a step performed at a temperature of (20 ° C.) to less than 200 ° C.
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| WO2000022684A2 (en) * | 1998-08-28 | 2000-04-20 | Foster-Miller, Inc. | Composite solid polymer electrolyte membranes |
| JP2002146018A (en) * | 2000-11-15 | 2002-05-22 | Toyobo Co Ltd | Ion-conductive polyazole containing sulfonic acid group |
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| JP2002201269A (en) * | 2001-01-09 | 2002-07-19 | Toyobo Co Ltd | Novel polybenzazole having ionic group and membrane containing it as main component |
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2009
- 2009-09-18 JP JP2009217782A patent/JP2009293045A/en active Pending
Patent Citations (4)
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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