JP2010135280A - Proton conductive membrane and manufacturing method thereof, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】乾湿サイクル耐久性に優れたプロトン伝導膜を提供するとともに、出力が高く耐久性に優れる固体高分子型燃料電池を提供する。
【解決手段】[A]式(2)で表されることを特徴とする縮合芳香族環構成単位と、下記式(13)で表されるスルホン酸基を有する構成単位とを含むポリアリーレン系共重合体と、[B]含フッ素ポリマーとを含有するプロトン伝導膜であって、[A]ポリアリーレン系共重合体からなる連続相と[B]含フッ素ポリマーからなる分散相を有していることを特徴とするプロトン伝導膜。
【選択図】なしThe present invention provides a proton conducting membrane excellent in dry and wet cycle durability and a polymer electrolyte fuel cell having high output and excellent durability.
[A] A polyarylene system comprising a condensed aromatic ring structural unit represented by the formula (2) and a structural unit having a sulfonic acid group represented by the following formula (13) A proton conductive membrane containing a copolymer and [B] a fluorine-containing polymer, having a continuous phase consisting of [A] a polyarylene copolymer and a dispersed phase consisting of [B] a fluorine-containing polymer A proton conducting membrane characterized by comprising:
[Selection figure] None
Description
本発明は、ポリアリーレン系共重合体および含フッ素ポリマーを用いることによって補強されたプロトン伝導膜とその製造方法、及び該プロトン伝導膜の用途に関する。 The present invention relates to a proton conductive membrane reinforced by using a polyarylene copolymer and a fluorine-containing polymer, a method for producing the same, and uses of the proton conductive membrane.
燃料電池は、水素ガスや各種の炭化水素系燃料(天然ガス,メタンなど)を改質して得られる水素と、空気中の酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出す発電装置であり、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに高効率で直接変換できる無公害な発電方式として注目を集めている。 A fuel cell is a power generator that directly extracts electricity by electrochemically reacting hydrogen obtained by reforming hydrogen gas or various hydrocarbon fuels (natural gas, methane, etc.) and oxygen in the air. It is attracting attention as a pollution-free power generation system that can directly convert the chemical energy of fuel into electrical energy with high efficiency.
このような燃料電池は、触媒を担持した一対の電極膜(燃料極と空気極)と該電極膜に挟持されたプロトン伝導性の電解質膜(プロトン伝導膜という)とから構成される。燃料極の触媒によって、水素イオンと電子に分けられ、水素イオンはプロトン伝導膜を通って、空気極で酸素と反応して水になる仕組みになっている。 Such a fuel cell is composed of a pair of electrode membranes (fuel electrode and air electrode) carrying a catalyst and a proton conductive electrolyte membrane (referred to as proton conductive membrane) sandwiched between the electrode membranes. The fuel electrode catalyst separates hydrogen ions and electrons into hydrogen ions that pass through the proton conducting membrane and react with oxygen at the air electrode to become water.
近年この燃料電池には、高い発電性能が求められるようになっている。発電出力を高めるためには、発電時に高温で使用されることが求められ、このため燃料電池に使用されるプロトン伝導膜には、幅広い環境下で、特に高温下で高いプロトン伝導性を示す膜が求められていた。 In recent years, this fuel cell is required to have high power generation performance. In order to increase the power generation output, it is required to be used at a high temperature during power generation. For this reason, proton conductive membranes used for fuel cells have high proton conductivity under a wide range of environments, particularly at high temperatures. Was demanded.
このようなプロトン伝導膜として、スルホン酸基を有するポリマーが着目されていた。また、本出願人も高いプロトン伝導性を有するプロトン伝導膜として、特開2004−345997号公報(特許文献1)、特開2004−346163号公報(特許文献2)、特開2004−346164号公報(特許文献3)にて、スルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体を提案している。 As such a proton conductive membrane, a polymer having a sulfonic acid group has attracted attention. Further, as a proton conducting membrane having high proton conductivity, the present applicant also discloses Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-345997 (Patent Document 1), Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-346163 (Patent Document 2), and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-346164. (Patent Document 3) proposes a polyarylene polymer having a sulfonic acid group.
しかしながら、これらのポリマーは、剛直性であるポリアリーレン系共重合体からなっているので靭性が低く、また、これらのポリマーからなるプロトン伝導膜を燃料電池に用いると、その乾湿サイクル耐久性は必ずしも十分であるとはいえなかった。 However, these polymers are made of a polyarylene-based copolymer that is rigid, so that the toughness is low. Also, when a proton conductive membrane made of these polymers is used in a fuel cell, the durability of the wet and dry cycle is not necessarily limited. It was not enough.
一方、従来より、スルホン化ポリフェニレンオキシドをプロトン伝導膜として使用することは知られていた。たとえば、特表2002−502539(特許文献4)には、スルホン化ポリフェニレンオキシドとポリフッ化ビニリデンとを均一ブレンドすることで、高い電導率、可撓性、機械強度および水中での低膨潤率を付与することが開示されている。 On the other hand, it has hitherto been known to use sulfonated polyphenylene oxide as a proton conducting membrane. For example, Special Table 2002-502539 (Patent Document 4) gives high conductivity, flexibility, mechanical strength, and low swelling rate in water by uniformly blending sulfonated polyphenylene oxide and polyvinylidene fluoride. Is disclosed.
しかしながら、特許文献4に記載の膜では、高温下ではスルホン酸基の可逆的な脱離反応やスルホン酸が関与するポリフェニレンオキシドの架橋反応が発生することがあった。これにより、プロトン伝導性が低下したり、膜の脆化等が生じたりして、燃料電池の発電出力の低下や、膜が破断することにより発電不能に至る問題があった。 However, in the film described in Patent Document 4, a reversible elimination reaction of a sulfonic acid group or a polyphenylene oxide crosslinking reaction involving sulfonic acid may occur at a high temperature. As a result, there is a problem that proton conductivity is reduced, membrane embrittlement or the like occurs, power generation output of the fuel cell is reduced, or power generation is disabled when the membrane is broken.
本発明は、強度が高く、靭性に優れ、長期耐久性、特に、乾湿サイクル耐久性に優れたプロトン伝導膜を提供するとともに、出力が高く耐久性に優れる固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention provides a proton conductive membrane having high strength, excellent toughness, long-term durability, particularly dry and wet cycle durability, and a solid polymer fuel cell having high output and excellent durability. With the goal.
このような状況のもと、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、特定のスルホン化ポリアリーレンと、含フッ素ポリマーとを用いることにより、上記問題点をいずれも解消したプロトン伝導膜が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。 Under such circumstances, as a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, a proton conducting membrane that solves all of the above problems can be obtained by using a specific sulfonated polyarylene and a fluorine-containing polymer. As a result, the present invention has been completed.
すなわち、本発明の構成は以下の通りである。
[1][A]式(2)で表されることを特徴とする縮合芳香族環構成単位と、
下記式(13)で表されるスルホン酸基を有する構成単位とを含むポリアリーレン系共重合体と、
[B]含フッ素ポリマーとを含有するプロトン伝導膜であって、
[A]ポリアリーレン系共重合体からなる連続相と[B]含フッ素ポリマーからなる分散相を有していることを特徴とするプロトン伝導膜。
That is, the configuration of the present invention is as follows.
[1] [A] a condensed aromatic ring structural unit represented by the formula (2);
A polyarylene-based copolymer comprising a structural unit having a sulfonic acid group represented by the following formula (13);
[B] a proton conducting membrane containing a fluorine-containing polymer,
[A] A proton conducting membrane having a continuous phase composed of a polyarylene copolymer and a dispersed phase composed of [B] a fluorine-containing polymer.
各構成単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構成単位との接続を意味する。]
[2]前記ポリアリーレン系共重合体[A]が、下記式(9)で表される含窒素複素環基を有する構成単位を含むことを特徴とする[1]に記載のプロトン伝導膜。
Of the single wires at the end of each structural unit, one not having a substituent displayed on one side means connection with an adjacent structural unit. ]
[2] The proton conducting membrane according to [1], wherein the polyarylene copolymer [A] includes a structural unit having a nitrogen-containing heterocyclic group represented by the following formula (9).
[3]前記含フッ素ポリマー[B]がフッ化ビニリデン系ポリマー、テトラフルオロエチレン‐プロピレン系共重合体、含フッ素オレフィン・ビニルエーテル共重合体および含フッ素オレフィン・ビニルエステル共重合体の中から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする[1]または[2]に記載のプロトン伝導膜。
[4]プロトン伝導膜に含まれる含フッ素ポリマーからなる分散相の長径平均値が0.001〜1.0μmであることを特徴とする[1]〜[3]のいずれかに記載のプロトン伝導膜。
[5]プロトン伝導膜内のポリアリーレン系共重合体[A]と含フッ素ポリマー[B]の重量比が99:1〜50:50であることを特徴とする[1]〜[4]のいずれかに記載のプロトン伝導膜。
[6]前記式(2)中、Phはナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセンからなる群から選ばれる芳香族環に由来する2価の基であることを特徴とする、[1]〜[5]のいずれかに記載のプロトン伝導膜。
[7]前記縮合芳香族環構成単位が、下記式(3)で表されるものであることを特徴とする、[1]〜[6]のいずれかに記載のプロトン伝導膜;
[3] The fluorine-containing polymer [B] is selected from vinylidene fluoride polymers, tetrafluoroethylene-propylene copolymers, fluorine-containing olefin / vinyl ether copolymers, and fluorine-containing olefin / vinyl ester copolymers. The proton conducting membrane according to [1] or [2], which is at least one kind.
[4] The proton conduction according to any one of [1] to [3], wherein the average value of the major axis of the dispersed phase composed of the fluorine-containing polymer contained in the proton conducting membrane is 0.001 to 1.0 μm. film.
[5] The weight ratio of the polyarylene copolymer [A] and the fluorine-containing polymer [B] in the proton conducting membrane is 99: 1 to 50:50, according to [1] to [4] The proton conductive membrane according to any one of the above.
[6] In the formula (2), Ph is a divalent group derived from an aromatic ring selected from the group consisting of naphthalene, anthracene, tetracene, and pentacene. [1] to [5] The proton conductive membrane according to any one of the above.
[7] The proton conductive membrane according to any one of [1] to [6], wherein the condensed aromatic ring structural unit is represented by the following formula (3);
Dは直接結合、−O−、−CO−、−(CH2)j−(jは1〜10の整数である)および−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水素基を示す)からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、
Phは縮合芳香族環を有する2価の基を示し、R1〜R20は互いに同一であっても異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基およびニトリル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示す。
D is a direct bond, —O—, —CO—, — (CH 2 ) j — (j is an integer of 1 to 10) and —CR ′ 2 — (R ′ is an aliphatic hydrocarbon group, aromatic carbonization. Represents at least one structure selected from the group consisting of a hydrogen group or a halogenated hydrocarbon group),
Ph represents a divalent group having a condensed aromatic ring, R 1 to R 20 may be the same or different from each other, and a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a part or all of them are halogenated. And at least one atom or group selected from the group consisting of a halogenated alkyl group, an allyl group, an aryl group, a nitro group and a nitrile group.
lは0〜4の整数を示し、qは2以上の整数を示す。tは0〜4の整数を示す。
n、pは各構成単位の組成比を示し、pは0から1であり、n+p=1である。
構成単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構成単位との接続を意味する。]
l represents an integer of 0 to 4, and q represents an integer of 2 or more. t shows the integer of 0-4.
n and p show the composition ratio of each structural unit, p is 0 to 1, and n + p = 1.
Among the single lines at the end of the structural unit, those not having a substituent displayed on one side mean connection with the adjacent structural unit. ]
[8]前記縮合芳香族環構成単位が下記式(4)で表されるものであることを特徴とする
[7]に記載のプロトン伝導膜;
[8] The proton conducting membrane according to [7], wherein the condensed aromatic ring structural unit is represented by the following formula (4):
Pは下記式(5−1)〜(5−3)で表される構造から選ばれる少なくとも1種の構造であり、
Phは下記式(6)で表される構造である。
P is at least one structure selected from structures represented by the following formulas (5-1) to (5-3),
Ph is a structure represented by the following formula (6).
qは2以上の整数を示す。tは0〜4の整数を示す。
n、pは各構成単位の組成比を示し、pは0から1であり、n+p=1である。
構成単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構成単位との接続を意味する。]
q represents an integer of 2 or more. t shows the integer of 0-4.
n and p show the composition ratio of each structural unit, p is 0 to 1, and n + p = 1.
Among the single lines at the end of the structural unit, those not having a substituent displayed on one side mean connection with the adjacent structural unit. ]
溶媒に溶解ないし分散した後、製膜することを特徴とする[A]ポリアリーレン系共重合体からなる連続相と[B]含フッ素ポリマーからなる分散相を有するプロトン伝導膜の製造方法。
A method for producing a proton conducting membrane having a continuous phase composed of [A] a polyarylene copolymer and a dispersed phase composed of [B] a fluorine-containing polymer, wherein the membrane is formed after being dissolved or dispersed in a solvent.
[10][1]〜[8]のいずれかに記載のプロトン伝導膜と、該プロトン伝導膜の両側に、触媒層と、ガス拡散層とを備えてなる膜−電極接合体。
[11][10]に記載の膜−電極接合体を有する、固体高分子電解質型燃料電池。
[10] A membrane-electrode assembly comprising the proton conducting membrane according to any one of [1] to [8], and a catalyst layer and a gas diffusion layer on both sides of the proton conducting membrane.
[11] A solid polymer electrolyte fuel cell having the membrane-electrode assembly according to [10].
本発明のプロトン伝導膜は、特定のポリアリーレン系共重合体及び含フッ素ポリマーを用いているため、剛直性とともに、柔軟性を有し、このため乾湿サイクル耐久性に優れ、高い靭性を有する。また、ポリアリーレン系樹脂の持つ高いプロトン伝導性と、含フッ素ポリマーの持つ高い耐熱性、耐薬品性、化学耐性等に優れた性質を併せ持ったプロトン伝導膜を得ることができる。さらに、乾湿サイクル耐久性に優れ、高い靭性を有しているので、このプロトン伝導膜を有する固体高分子型燃料電池は、長期間運転しても安定した高出力が得られる。 Since the proton conductive membrane of the present invention uses a specific polyarylene copolymer and a fluorine-containing polymer, it has flexibility as well as rigidity, and thus has excellent wet / dry cycle durability and high toughness. In addition, a proton conductive membrane having both high proton conductivity of polyarylene resin and high heat resistance, chemical resistance, chemical resistance and the like of a fluorine-containing polymer can be obtained. Furthermore, since it has excellent dry / wet cycle durability and high toughness, the polymer electrolyte fuel cell having this proton conducting membrane can obtain a stable high output even if it is operated for a long period of time.
本発明のプロトン伝導膜は[A]ポリアリーレン系共重合体と[B]含フッ素ポリマーからなる。
[A]ポリアリーレン系共重合体
本発明で使用されるポリアリーレン系共重合体は、縮合芳香族環構成単位と、スルホン酸基を有する構成単位とを含む。
The proton conducting membrane of the present invention comprises [A] a polyarylene copolymer and [B] a fluorine-containing polymer.
[A] Polyarylene-based copolymer The polyarylene-based copolymer used in the present invention includes a condensed aromatic ring structural unit and a structural unit having a sulfonic acid group.
[縮合芳香族環構成単位]
本発明の共重合体が有する縮合芳香族環構成単位は、下記式(1)で表される。かかる構成単位を含むことにより、重合体に疎水部を付与することができる。また、縮合芳香族環を有するので、前記重合体の熱水耐性を向上させることができる。
[Condensed aromatic ring structural unit]
The condensed aromatic ring structural unit which the copolymer of this invention has is represented by following formula (1). By including such a structural unit, a hydrophobic portion can be imparted to the polymer. Moreover, since it has a condensed aromatic ring, the hot water resistance of the polymer can be improved.
ただし、Ar21、Ar22、Ar23、Ar24は、その水素原子の一部又はまたはすべてが、フッ素原子、ニトロ基、ニトリル基、又はまたは水素原子の一部またはすべてがフッ素置換されていてもよいアルキル基、アリル基若しくはアリール基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基で置換されていてもよい。 However, Ar 21 , Ar 22 , Ar 23 , and Ar 24 are such that some or all of the hydrogen atoms are fluorine atoms, nitro groups, nitrile groups, or some or all of the hydrogen atoms are fluorine-substituted. It may be substituted with at least one atom or group selected from the group consisting of an alkyl group, an allyl group or an aryl group.
A、Dは、それぞれ独立に、直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、または−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、
Bは酸素原子または硫黄原子であり、
s、tは、それぞれ独立に、0〜4の整数を示し、rは、0または1以上の整数を示す。
A and D are each independently a direct bond or —CO—, —SO 2 —, —SO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), — (CH 2 ). l— (l is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene At least one structure selected from the group consisting of a group, —O—, or —S—;
B is an oxygen atom or a sulfur atom,
s and t each independently represent an integer of 0 to 4, and r represents 0 or an integer of 1 or more.
上記式(1)で表される構成単位は、好ましくは下記式(2)で表される構造である。 The structural unit represented by the above formula (1) is preferably a structure represented by the following formula (2).
Aは直接結合、−O−、−S−、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)i−(iは1〜10の整数である)、−(CH2)j−(jは1〜10の整数である)、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基およびフルオレニリデン基からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。 A is a direct bond, —O—, —S—, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) i — (i is an integer of 1 to 10) A), — (CH 2 ) j — (j is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group). ), At least one structure selected from the group consisting of a cyclohexylidene group and a fluorenylidene group.
ここで、−CR'2−のR'の具体的な例として、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、プロピル基、オクチル基、デシル基、オクタデシル基、フェニル基、トリフルオロメチル基などが挙げられる。これらのうち、直接結合、−O−、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水素基を示す)が好ましい。 Here, as specific examples of R ′ of —CR ′ 2 —, methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, propyl group, octyl group, decyl group, An octadecyl group, a phenyl group, a trifluoromethyl group, etc. are mentioned. Of these, a direct bond, —O—, and —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, or a halogenated hydrocarbon group) are preferable.
Bは酸素原子または硫黄原子を示し、酸素原子が好ましい。
Phは縮合芳香環構造を有する2価の基を示し、例えばナフタレン環、アントラセン環、テトラセン環、ペンタセン環などの環構造に由来する2価の基が挙げられ、なかでもナフタレン環由来の2価の基が好ましい。これらを含有することによって、式(1)で表される芳香族化合物をモノマーとした重合体に耐水性を付与することができる。
B represents an oxygen atom or a sulfur atom, preferably an oxygen atom.
Ph represents a divalent group having a condensed aromatic ring structure, and examples thereof include a divalent group derived from a ring structure such as a naphthalene ring, an anthracene ring, a tetracene ring, a pentacene ring, etc. Among them, a divalent group derived from a naphthalene ring Are preferred. By containing these, water resistance can be provided to the polymer which uses the aromatic compound represented by Formula (1) as a monomer.
Dは、直接結合、−O−、−S−、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)i−(iは1〜10の整数である)、−(CH2)j−(jは1〜10の整数である)、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基およびフルオレニリデン基からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。 D is a direct bond, —O—, —S—, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) i — (i is an integer of 1 to 10) ), — (CH 2 ) j — (j is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group. And at least one structure selected from the group consisting of a cyclohexylidene group and a fluorenylidene group.
各構成単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構成単位との接続を意味する。
ここで、−CR'2−のR'の具体的な例として、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、プロピル基、オクチル基、デシル基、オクタデシル基、フェニル基、トリフルオロメチル基などが挙げられる。これらのうち、直接結合、−O−、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水素基を示す)が好ましい。
Of the single wires at the end of each structural unit, one not having a substituent displayed on one side means connection with an adjacent structural unit.
Here, as specific examples of R ′ of —CR ′ 2 —, methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, propyl group, octyl group, decyl group, An octadecyl group, a phenyl group, a trifluoromethyl group, etc. are mentioned. Of these, a direct bond, —O—, and —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, or a halogenated hydrocarbon group) are preferable.
R1〜R20は互いに同一であっても異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基およびニトリル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示す。 R 1 to R 20 may be the same as or different from each other, and may be a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group in which some or all are halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group, and At least one atom or group selected from the group consisting of nitrile groups is shown.
前記縮合芳香族環構成単位が、下記式(3)で表されるものであることが好ましい。 It is preferable that the condensed aromatic ring structural unit is represented by the following formula (3).
Dは直接結合、−O−、−CO−、−(CH2)j−(jは1〜10の整数である)および−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水素基を示す)−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、
Phは縮合芳香族環構造を有する2価の基を示し、R1〜R20は互いに同一であっても異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基およびニトリル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示す。
D is a direct bond, -O -, - CO -, - (CH 2) j - (j is an integer of 1 to 10) and -CR '2 - (R' is an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon Represents a hydrogen group or a halogenated hydrocarbon group), and represents at least one structure selected from the group consisting of:
Ph represents a divalent group having a condensed aromatic ring structure, R 1 to R 20 may be the same or different from each other, and a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, part or all of which are halogenated And at least one atom or group selected from the group consisting of a halogenated alkyl group, an allyl group, an aryl group, a nitro group, and a nitrile group.
l、mは0〜4の整数を示し、qは2以上の整数を示す。tは0〜4の整数を示す。
n、pは各構成単位の組成比を示し、pは0から1であり、n+p=1である。]。
さらに、かかる縮合芳香族環構成単位として、下記式(4)で表されるものがより好ましい。
l and m represent an integer of 0 to 4, and q represents an integer of 2 or more. t shows the integer of 0-4.
n and p show the composition ratio of each structural unit, p is 0 to 1, and n + p = 1. ].
Furthermore, what is represented by following formula (4) as this condensed aromatic ring structural unit is more preferable.
Pは下記式(5−1)〜(5−3)で表される構造から選ばれる少なくとも1種の構造であり、
Phは下記式(6)で表される構造である。
qは2以上の整数を示す。tは0〜4の整数を示す。
n、pは各構成単位の組成比を示し、pは0から1であり、n+p=1である。]。
P is at least one structure selected from structures represented by the following formulas (5-1) to (5-3),
Ph is a structure represented by the following formula (6).
q represents an integer of 2 or more. t shows the integer of 0-4.
n and p show the composition ratio of each structural unit, p is 0 to 1, and n + p = 1. ].
耐水性を向上させるためには、より多くの縮合芳香族環構成単位を導入すること(上記pの値が大きいほど)が望ましい。しかし、より多くの縮環構成単位を導入すると、生成物の溶解性が著しく低下し、取り扱いが困難になる場合がある。そのような場合、2種類以上の異なる縮合芳香族環構成単位を用いることにより、生成物の溶解性を維持してより多くの縮合芳香族環構成単位を導入することが可能になる。pが0.01〜1の範囲にあることが好ましい。 In order to improve water resistance, it is desirable to introduce more condensed aromatic ring structural units (as the value of p is larger). However, when more condensed ring structural units are introduced, the solubility of the product is remarkably lowered and handling may be difficult. In such a case, the use of two or more different condensed aromatic ring structural units makes it possible to introduce more condensed aromatic ring structural units while maintaining the solubility of the product. It is preferable that p is in the range of 0.01-1.
例えば、pが0のもの、すなわち縮合芳香族環を有さないとしては、以下のものが挙げられる。 For example, when p is 0, ie, having no condensed aromatic ring, the following may be mentioned.
[含窒素複素環基を有する構成単位]
本発明では、含窒素複素環基を有する構成単位を含んでいてもよく、かかる含窒素複素環基は、下記式(7-1)で表される構造を有するものである。
−(Rs)e−(V−Rh)f ・・・(7-1)
式中、Vは、電子吸引性基であれば特に限定されないが、好ましくは、−O−、−S−、直接結合、−CO−、−SO2−又は−または−SO−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。
[Structural unit having nitrogen-containing heterocyclic group]
In the present invention, a structural unit having a nitrogen-containing heterocyclic group may be contained, and the nitrogen-containing heterocyclic group has a structure represented by the following formula (7-1).
− (R s ) e − (V−R h ) f (7-1)
In the formula, V is not particularly limited as long as it is an electron-withdrawing group, but is preferably selected from the group consisting of —O—, —S—, direct bond, —CO—, —SO 2 — or — or —SO—. It shows at least one selected structure.
Rsは、直接結合、または特に限定されない、任意の二価の有機基である。二価の有機基としては、炭素数1〜20炭化水素基であればよく、具体的には、メチレン基、エチレン基などのアルキレン基、フェニレン基などの芳香族環があげられる。 R s is a direct bond or any divalent organic group that is not particularly limited. The divalent organic group may be any hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, and specific examples include alkylene groups such as methylene group and ethylene group, and aromatic rings such as phenylene group.
Rsとして、−W−Ar9−で示される基でもよい。
前記式(7-1)の含窒素複素環基を有する構造としては、具体的には、下記式(7-2)で表されるものが好ましい。
−Rs−V−Rh ・・・(7-2)
上記式中、Ar9としては、フッ素原子で置換されていてもよい、ベンゼン環、縮合芳香環、含窒素複素環からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を有する2価の基を示す。
R s may be a group represented by —W—Ar 9 —.
As the structure having a nitrogen-containing heterocyclic group of the formula (7-1), specifically, a structure represented by the following formula (7-2) is preferable.
-R s -V-R h (7-2)
In the above formula, Ar 9 represents a divalent group having at least one structure selected from the group consisting of a benzene ring, a condensed aromatic ring, and a nitrogen-containing heterocyclic ring, which may be substituted with a fluorine atom. .
eは、0〜4の整数を示し、fは、1〜5の整数を示す。Wは、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CF2)u−(uは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−、直接結合からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。 e represents an integer of 0 to 4, and f represents an integer of 1 to 5. W represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, — (CF 2 ) u — (u is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —, or a group consisting of direct bonds. It shows at least one selected structure.
Rhは含窒素複素環基を示し、窒素を含む5員環、6員環構造が挙げられる。また、複素環内の窒素原子の数は、1個以上あれば特に制限されない、また複素環内には、窒素以外に、酸素や硫黄を含んでいても良い。 R h represents a nitrogen-containing heterocyclic group, and examples thereof include 5- and 6-membered ring structures containing nitrogen. Further, the number of nitrogen atoms in the heterocycle is not particularly limited as long as it is 1 or more, and the heterocycle may contain oxygen or sulfur in addition to nitrogen.
Rhを構成する含窒素複素環基として、具体的には、ピロール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、ピリジン、イミダゾール、イミダゾリン、ピラゾール、1,3,5−トリアジン、ピリミジン、ピリタジン、ピラジン、インドール、キノリン、イソキノリン、ブリン、ベンズイミダゾール、ベンズオキサゾール、ベンズチアゾール、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、カルバゾール、アクリジン、キノキサリン、キナゾリンからなる含窒素複素環化合物およびこれらの誘導体の炭素または窒素に結合する水素原子が引き抜かれてなる構造の基である。 Specific examples of the nitrogen-containing heterocyclic group constituting R h include pyrrole, thiazole, isothiazole, oxazole, isoxazole, pyridine, imidazole, imidazoline, pyrazole, 1,3,5-triazine, pyrimidine, pyritazine, and pyrazine. , Indole, quinoline, isoquinoline, bryne, benzimidazole, benzoxazole, benzthiazole, tetrazole, tetrazine, triazole, carbazole, acridine, quinoxaline, quinazoline It is a group having a structure in which atoms are extracted.
これらの含窒素複素環基は、置換基を有していてもよく、置換基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基などのアルキル基、フェニル基、トルイル基、ナフチル基等のアリール基、シアノ基、フッ素原子などがあげられる。 These nitrogen-containing heterocyclic groups may have a substituent. Examples of the substituent include alkyl groups such as a methyl group, an ethyl group, and a propyl group, and aryl groups such as a phenyl group, a toluyl group, and a naphthyl group. Group, cyano group, fluorine atom and the like.
本発明の共重合体が有する含窒素複素環基を有する構成単位は、下記式(8)で表される。 The structural unit having a nitrogen-containing heterocyclic group contained in the copolymer of the present invention is represented by the following formula (8).
式(8)中、V、e、f、Rs、Rhは前記式(7-1)および(7-2)と同様である。
含窒素複素環基を有する構造は、本発明のスルホン化ポリアリーレン中に、好ましくは下記式(7)で表される構造を有している。
In the formula (8), V, e, f, R s and R h are the same as those in the formulas (7-1) and (7-2).
The structure having a nitrogen-containing heterocyclic group preferably has a structure represented by the following formula (7) in the sulfonated polyarylene of the present invention.
上記式(7)における、含窒素複素環基Rhは、ピリジン環であることが好ましい。ピリジン環であると、含窒素複素環の中でも元来Nの塩基性度が低めであるため、低湿度領域でのプロトン伝導度が向上するという特性が発揮される。 In the above formula (7), the nitrogen-containing heterocyclic group R h is preferably a pyridine ring. In the case of a pyridine ring, since the basicity of N is originally low among nitrogen-containing heterocycles, the property of improving proton conductivity in a low humidity region is exhibited.
また、上記式(7)における、Vは−CO−か−SO2−であることが好ましい。−CO−はピリジン環と組合わせると、共役による安定化効果により熱的に安定な構造となりやすい。また、−SO2−は電子密度を下げて窒素の塩基性度がより抑制され、これによって、低湿度領域でのプロトン伝導性を特に高めることができる。 In the above formula (7), V is preferably —CO— or —SO 2 —. When -CO- is combined with a pyridine ring, it tends to have a thermally stable structure due to the stabilization effect by conjugation. In addition, —SO 2 — lowers the electron density and further suppresses the basicity of nitrogen, whereby proton conductivity in a low humidity region can be particularly enhanced.
主鎖の芳香環と電子吸引性基Zは、直接結合しているのが安定性の面から好ましいが、本発明の効果を阻害しない範囲で任意の2価の基(すなわちRs)が介在しても良い。ここで介在構造としては、炭素数1〜20の二価の有機基であれば特に限定されない。 The aromatic ring of the main chain and the electron-withdrawing group Z are preferably bonded directly from the viewpoint of stability, but an arbitrary divalent group (that is, R s ) is interposed as long as the effect of the present invention is not impaired. You may do it. Here, the interposition structure is not particularly limited as long as it is a divalent organic group having 1 to 20 carbon atoms.
含窒素複素環基を有する構成単位を有している共重合体を用いることにより、プロトン伝導性を損なうことなく、高温下で高いスルホン酸の安定性を有するプロトン伝導膜を得ることができる。 By using a copolymer having a structural unit having a nitrogen-containing heterocyclic group, a proton conductive membrane having high sulfonic acid stability at high temperatures can be obtained without impairing proton conductivity.
[スルホン酸基を有する構成単位]
本発明の共重合体は、スルホン酸基を有する構成単位を含むことができる。スルホン酸基を有する構成単位は下記式(10)で表される構造を有する構成単位である。スルホン酸基を有することによりプロトン伝導性を有する共重合体が得られる。
[Structural unit having sulfonic acid group]
The copolymer of the present invention can contain a structural unit having a sulfonic acid group. The structural unit having a sulfonic acid group is a structural unit having a structure represented by the following formula (10). By having a sulfonic acid group, a copolymer having proton conductivity can be obtained.
Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CF2)u−(uは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−、直接結合からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。
Zは、−O−、−S−、直接結合、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH3)2−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。
Y is —CO—, —SO 2 —, —SO—, — (CF 2 ) u — (u is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —, or a group consisting of direct bonds. It shows at least one selected structure.
Z is —O—, —S—, direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10) And at least one structure selected from the group consisting of —C (CH 3 ) 2 —.
R11は、直接結合、−O(CH2)p−、−O(CF2)p−、−(CH2)p−、−(CF2)p−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す(pは、1〜12の整数を示す)。 R 11 is at least one selected from the group consisting of a direct bond, —O (CH 2 ) p —, —O (CF 2 ) p —, — (CH 2 ) p —, and — (CF 2 ) p —. (P represents an integer of 1 to 12).
R12、R13は、それぞれ独立に、水素原子、アルカリ金属原子、脂肪族炭化水素基からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。ただし、上記式中に含まれる全てのR12およびR13のうち少なくとも1個は水素原子である。 R 12 and R 13 each independently represent at least one structure selected from the group consisting of a hydrogen atom, an alkali metal atom, and an aliphatic hydrocarbon group. However, at least one of all R 12 and R 13 included in the above formula is a hydrogen atom.
x1は0〜4の整数、x2は1〜5の整数、aは0〜1の整数、b1およびb2は0〜3の整数を示す。
上記式(10)で表されるスルホン酸基を有する構成単位は、好ましくは下記式(11)で表される構造を有する。
x 1 is an integer of 0 to 4, x 2 is an integer of from 1 to 5, a is an integer of 0 to 1, b1 and b2 represent an integer of 0 to 3.
The structural unit having a sulfonic acid group represented by the above formula (10) preferably has a structure represented by the following formula (11).
Zは直接結合または、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。このうち直接結合、−O−が好ましい。
Arは−SO3Hまたは−O(CH2)hSO3Hまたは−O(CF2)hSO3Hで表される置換基(hは1〜12の整数を示す)を有する芳香族基を示す。
Z represents a direct bond or at least one structure selected from the group consisting of —O— and —S—. Among these, a direct bond and -O- are preferable.
Ar is an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H or —O (CH 2 ) h SO 3 H or —O (CF 2 ) h SO 3 H (h represents an integer of 1 to 12). Indicates.
芳香族基として具体的には、フェニル基、ナフチル基、アントリル基、フェナントリル基などが挙げられる。これらの基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。芳香族基は前記した−SO3Hまたは−O(CH2)hSO3Hまたは−O(CF2)hSO3Hで表される置換基で、少なくとも1個置換されていることが必要であり、ナフチル基である場合には2個以上置換していることが好ましい。 Specific examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthryl group, and a phenanthryl group. Of these groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable. The aromatic group needs to be substituted with at least one substituent represented by the above-described —SO 3 H or —O (CH 2 ) h SO 3 H or —O (CF 2 ) h SO 3 H. In the case of a naphthyl group, it is preferable that two or more are substituted.
cは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、dは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、kは1〜4の整数を示す。
c、dの値とY、Z、Arの構造についての好ましい組み合わせとして、
(1)c=0、d=0であり、Yは−CO−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、
(2)c=1、d=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、
(3)c=1、d=1、k=1であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、
(4)c=1、d=0であり、Yは−CO−であり、Arが置換基として2個の−SO3Hを有するナフチル基である構造、
(5)c=1、d=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−O(CH2)4SO3Hを有するフェニル基である構造などを挙げることができる。
c is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, d is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and k is an integer of 1 to 4.
As a preferable combination of the values of c and d and the structures of Y, Z and Ar,
(1) a structure in which c = 0, d = 0, Y is —CO—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(2) a structure in which c = 1, d = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent;
(3) c = 1, a d = 1, k = 1, Y is -CO-, Z is -O-, and the structure Ar is a phenyl group having a -SO 3 H as a substituent,
(4) a structure in which c = 1, d = 0, Y is —CO—, and Ar is a naphthyl group having two —SO 3 H as substituents;
(5) c = 1, d = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —O (CH 2 ) 4 SO 3 H as a substituent. Examples include structures.
スルホン酸基を有する構成単位は、下記式(12a)によって表すこともできる。 The structural unit having a sulfonic acid group can also be represented by the following formula (12a).
Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CF2)u−(uは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−、または直接結合からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。 Y is —CO—, —SO 2 —, —SO—, — (CF 2 ) u — (u is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —, or a group consisting of a direct bond. At least one structure selected from the above is shown.
Zは、−O−、−S−、直接結合、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−またはC(CH3)2−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。 Z is —O—, —S—, direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO—, — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), — or C ( And at least one structure selected from the group consisting of CH 3 ) 2 —.
R11は、直接結合、−O(CH2)p−、−O(CF2)p−、−(CH2)p−、−または(CF2)p−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す(pは、1〜12の整数を示す)。 R 11 is at least one selected from the group consisting of a direct bond, —O (CH 2 ) p —, —O (CF 2 ) p —, — (CH 2 ) p —, — or (CF 2 ) p —. The structure of a seed is shown (p shows the integer of 1-12).
R12、R13は、それぞれ独立に、水素原子、アルカリ金属原子、または脂肪族炭化水素基からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。ただし、上記式中に含まれる全てのR12およびR13のうち少なくとも1個は水素原子である。 R 12 and R 13 each independently represent at least one structure selected from the group consisting of a hydrogen atom, an alkali metal atom, or an aliphatic hydrocarbon group. However, at least one of all R 12 and R 13 included in the above formula is a hydrogen atom.
x1は、0〜4の整数。x2は、1〜5の整数。aは、0〜1の整数。bは、0〜3の整数を示す。
スルホン酸基を有する構成単位は、好ましくは、下記式(12)で表される繰り返し単位から構成される。
x 1 is 0-4 integer. x 2 is an integer of 1 to 5. a is an integer of 0 to 1. b shows the integer of 0-3.
The structural unit having a sulfonic acid group is preferably composed of a repeating unit represented by the following formula (12).
Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CF2)u−(uは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−、直接結合からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。
Zは、−O−、−S−、直接結合、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH3)2−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。
Y is —CO—, —SO 2 —, —SO—, — (CF 2 ) u — (u is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —, or a group consisting of direct bonds. It shows at least one selected structure.
Z is —O—, —S—, direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO—, — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) Shows at least one structure selected from the group consisting of 2- .
R11は、直接結合、−O(CH2)p−、−O(CF2)p−、−(CH2)p−、−(CF2)p−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す(pは、1〜12の整数を示す)。 R 11 is at least one selected from the group consisting of a direct bond, —O (CH 2 ) p —, —O (CF 2 ) p —, — (CH 2 ) p —, and — (CF 2 ) p —. (P represents an integer of 1 to 12).
R12、R13は、それぞれ独立に、水素原子、アルカリ金属原子、脂肪族炭化水素基からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。ただし、上記式中に含まれる全てのR12およびR13のうち少なくとも1個は水素原子である。 R 12 and R 13 each independently represent at least one structure selected from the group consisting of a hydrogen atom, an alkali metal atom, and an aliphatic hydrocarbon group. However, at least one of all R 12 and R 13 included in the above formula is a hydrogen atom.
x1は0〜4の整数、x2は1〜5の整数、aは0〜1の整数、b1、b2は0〜3の整数を示す。
上記式(12)又は(12a)で表される繰り返し単位は、好ましくは、下記式(13)で表される構造を有する。
x 1 is an integer of 0 to 4, x 2 is an integer of 1 to 5, a is an integer of 0 to 1, and b1 and b2 are integers of 0 to 3.
The repeating unit represented by the above formula (12) or (12a) preferably has a structure represented by the following formula (13).
なお、前記式(8)および(11)のYおよびZは、同一のものであって異なるものであってもよい。
In the above formulas (8) and (11), Y and Z may be the same and different.
スルホン化ポリアリーレン系共重合体
本発明のスルホン化ポリアリーレン系共重合体は、上記式(10)で表されるスルホン酸基を有する構成単位と、上記式(1)で表される縮合芳香族環構成単位とを含むことが特徴であり、下記式(14)又は下記式(14a)で表される重合体である。各構成単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構成単位との接続を意味する。
Sulfonated polyarylene copolymer The sulfonated polyarylene copolymer of the present invention comprises a structural unit having a sulfonic acid group represented by the above formula (10) and a condensed fragrance represented by the above formula (1). And a polymer represented by the following formula (14) or the following formula (14a). Of the single wires at the end of each structural unit, one not having a substituent displayed on one side means connection with an adjacent structural unit.
含窒素芳香族側鎖を含む場合、式(14)又は(14a)に式(7)で表される構造単位を含む。
上記式(14)で表されるスルホン化ポリアリーレンは、好ましくは下記式(15)で表される構造を有する。
When the nitrogen-containing aromatic side chain is included, the structural unit represented by the formula (7) is included in the formula (14) or (14a).
The sulfonated polyarylene represented by the above formula (14) preferably has a structure represented by the following formula (15).
式(15)において、xは、0.5〜99.9モル%、好ましくは10〜99.5モル%であり、yは、0.1〜99.5モル%、好ましくは0.5〜89.5モル%である。
本発明に係る重合体のイオン交換容量は通常0.3〜5meq/g、好ましくは0.5〜3meq/g、さらに好ましくは0.8〜2.8meq/gである。イオン交換容量が0.3meq/g以上であれば、プロトン伝導度が高く、かつ発電性能の高いものが得られる。一方、5meq/g以下であれば、耐水性の低下を抑制でき、耐水性の高いものが得られる。
In the formula (15), x is 0.5 to 99.9 mol%, preferably 10 to 99.5 mol%, and y is 0.1 to 99.5 mol%, preferably 0.5 to It is 89.5 mol%.
The ion exchange capacity of the polymer according to the present invention is usually 0.3 to 5 meq / g, preferably 0.5 to 3 meq / g, and more preferably 0.8 to 2.8 meq / g. When the ion exchange capacity is 0.3 meq / g or more, a proton conductivity is high and a power generation performance is high. On the other hand, if it is 5 meq / g or less, the fall of water resistance can be suppressed and a thing with high water resistance will be obtained.
上記のイオン交換容量は、縮合芳香族環構成単位、含窒素複素環基を有する構成単位およびスルホン酸基を有する構成単位の種類、使用割合、組み合わせを変えることにより、調整することができる。したがって重合時に各構成単位を誘導する前駆体(モノマー・オリゴマー)の仕込み量比、種類を変えれば調整することができる。 The ion exchange capacity can be adjusted by changing the type, the use ratio, and the combination of the condensed aromatic ring structural unit, the structural unit having a nitrogen-containing heterocyclic group, and the structural unit having a sulfonic acid group. Therefore, it can be adjusted by changing the charge amount ratio and type of the precursor (monomer / oligomer) that induces each structural unit during polymerization.
概してスルホン酸基を有する構成単位が多くなるとイオン交換容量が増え、プロトン伝導性が高くなるが、耐水性が低下する。一方、スルホン酸基を有する構成単位が少なくなると、イオン交換容量が小さくなり、耐水性が高まるが、プロトン伝導性が低下する。 In general, when the number of structural units having a sulfonic acid group increases, the ion exchange capacity increases and the proton conductivity increases, but the water resistance decreases. On the other hand, when the number of structural units having a sulfonic acid group decreases, the ion exchange capacity decreases and the water resistance increases, but the proton conductivity decreases.
上記式(15)の重合体は、式(7)で表される構成単位を含んでいてもよく、かかる構成単位を含んでいると、高温条件下でのスルホン酸基の安定性が向上し、その結果耐熱性が向上する。なお、含窒素複素環式芳香族化合物の窒素原子は、塩基性を有するため、スルホン酸基との間でイオン的な相互作用を形成する。これによって、スルホン酸基の安定性を高め、高温条件下でのスルホン酸基の脱離が抑制される。また、同様に高温条件下でスルホン酸基に由来するポリマー分子間の架橋反応をも抑制することができる。含窒素複素環式芳香族化合物は、プロトン伝導性を損なわず、これらの効果を発現できる適度な強さの塩基性を有する化合物である。また、式(13)で表される構成単位すなわちxの構成単位に対する、式(9)で表される構成単位のモル比は、0.001〜50であり、好ましくは、0.1〜30であり、さらに好ましくは、1〜25である。 The polymer of the above formula (15) may contain a structural unit represented by the formula (7). When such a structural unit is contained, the stability of the sulfonic acid group under high temperature conditions is improved. As a result, the heat resistance is improved. In addition, since the nitrogen atom of a nitrogen-containing heterocyclic aromatic compound has basicity, it forms ionic interaction with a sulfonic acid group. This enhances the stability of the sulfonic acid group and suppresses the elimination of the sulfonic acid group under high temperature conditions. Similarly, the cross-linking reaction between polymer molecules derived from sulfonic acid groups can be suppressed under high temperature conditions. The nitrogen-containing heterocyclic aromatic compound is a compound having an adequately strong basicity that can exhibit these effects without impairing proton conductivity. The molar ratio of the structural unit represented by the formula (9) to the structural unit represented by the formula (13), that is, the structural unit of x is 0.001 to 50, preferably 0.1 to 30. More preferably, it is 1-25.
縮合芳香族環構成単位を含んでいると、分子量の調整や、上記各構成単位の含有量の調整などを行いやすくなるとともに、熱的、化学的に安定な重合体を得ることができる。縮合芳香族環構成単位を含むことにより、重合体に疎水部を付与することができるとともに、縮合芳香族環を有するので、前記重合体にメタノール耐性を付与することができる。 When the condensed aromatic ring structural unit is contained, it becomes easy to adjust the molecular weight and the content of each structural unit, and a thermally and chemically stable polymer can be obtained. By including the condensed aromatic ring structural unit, a hydrophobic portion can be imparted to the polymer, and since the condensed aromatic ring is included, methanol resistance can be imparted to the polymer.
本発明の重合体の分子量は、ゲルパーミエションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。
このような重合体は、本出願人による、特開2008−163158号公報、特開2005−126391号公報、特開2004−346164号公報、特開2005−60484号公報、特開2005−82757号公報などに記載の方法で調製できる。
以下に具体的なポリアリーレンの製造方法について記載する。
The molecular weight of the polymer of the present invention is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene-equivalent weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC).
Such polymers are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2008-163158, 2005-126391, 2004-346164, 2005-60484, and 2005-82757 by the present applicant. It can be prepared by the method described in the publication.
A specific method for producing polyarylene will be described below.
<ポリマーの製造方法>
本発明で使用されるスルホン酸基を有するポリアリーレンの製造には、例えば下記に示すA法、B法、C法の3通りの方法を用いることができる。
<Method for producing polymer>
For the production of the polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention, for example, the following three methods A, B, and C can be used.
(A法)
特開2004−137444号公報に記載の方法と同様に、下記式(16)で表されるモノマー(A)および必要に応じて下記式(24)で表されるモノマー(C)および下記式(18)で表されるモノマー(B)を共重合させ、スルホン酸エステル基を有する重合体を製造し、このスルホン酸エステル基を脱エステル化して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基に変換することにより合成することができる。
(Method A)
Similarly to the method described in JP-A-2004-137444, the monomer (A) represented by the following formula (16) and, if necessary, the monomer (C) represented by the following formula (24) and the following formula ( The monomer (B) represented by 18) is copolymerized to produce a polymer having a sulfonic acid ester group, and the sulfonic acid ester group is deesterified to convert the sulfonic acid ester group into a sulfonic acid group. Can be synthesized.
モノマー(A)
モノマー(A)は、スルホン酸基を有するモノマーであり、下記式(16)で表される。
Monomer (A)
The monomer (A) is a monomer having a sulfonic acid group, and is represented by the following formula (16).
Xは、塩素、臭素、ヨウ素、メタンスルホニル基、トリフルオロメタンスルホニル基、ベンゼンスルホニル基、トルエンスルホニル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。 X represents at least one structure selected from the group consisting of chlorine, bromine, iodine, methanesulfonyl group, trifluoromethanesulfonyl group, benzenesulfonyl group, and toluenesulfonyl group.
Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−、直接結合からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。
Zは、−O−、−S−、直接結合、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH3)2−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。
Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —, or a group consisting of direct bonds. It shows at least one selected structure.
Z is —O—, —S—, direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO—, — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) Shows at least one structure selected from the group consisting of 2- .
R11は、直接結合、−O(CH2)p−、−O(CF2)p−、−(CH2)p−、−(CF2)p−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す(pは、1〜12の整数を示す)。 R 11 is at least one selected from the group consisting of a direct bond, —O (CH 2 ) p —, —O (CF 2 ) p —, — (CH 2 ) p —, and — (CF 2 ) p —. (P represents an integer of 1 to 12).
R12、R13は、水素原子、アルカリ金属原子、脂肪族炭化水素基からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。ただし、上記式中に含まれる全てのR12およびR13のうち少なくとも1個は水素原子である。 R 12 and R 13 each represents at least one structure selected from the group consisting of a hydrogen atom, an alkali metal atom, and an aliphatic hydrocarbon group. However, at least one of all R 12 and R 13 included in the above formula is a hydrogen atom.
x1は、0〜4の整数、x2は、1〜5の整数、aは、0〜1の整数、bは、0〜3の整数を示す。
上記式(16)で表されるモノマーは、好ましくは下記式(17)で表される構造を有する。
x 1 is an integer of 0 to 4, x 2 is an integer of 1 to 5, a is an integer of 0 to 1, and b is an integer of 0 to 3.
The monomer represented by the above formula (16) preferably has a structure represented by the following formula (17).
Y,Z、kは式(16)と同じであり、Rは炭素数4〜12のアルキル基を示す。cは0〜10、dは0〜10の整数を表す。
Arは−SO3Rまたは−O(CH2)hSO3Rまたは−O(CF2)hSO3Rで表される置換基(hは1〜12の整数を示す)を有する芳香族基を示す。
Y, Z, and k are the same as those in formula (16), and R represents an alkyl group having 4 to 12 carbon atoms. c represents an integer of 0 to 10, and d represents an integer of 0 to 10.
Ar is an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 R or —O (CH 2 ) h SO 3 R or —O (CF 2 ) h SO 3 R (h represents an integer of 1 to 12). Indicates.
式(17)で表される化合物の具体的な例としては、下記式で表される化合物、特開2004−137444号公報、特開2004−345997号公報、特開2004−346163号公報に記載されているスルホン酸エステル類を挙げることができる。 Specific examples of the compound represented by the formula (17) include compounds represented by the following formulas, JP-A Nos. 2004-137444, 2004-345997, and 2004-346163. The sulfonic acid esters that have been described can be mentioned.
モノマー(B)
モノマー(B)は、縮合芳香族環構造を有するモノマーであり、下記式(18)で表される。
Monomer (B)
The monomer (B) is a monomer having a condensed aromatic ring structure, and is represented by the following formula (18).
Xは、塩素、臭素、ヨウ素、メタンスルホニル基、トリフルオロメタンスルホニル基、ベンゼンスルホニル基、トルエンスルホニル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。 X represents at least one structure selected from the group consisting of chlorine, bromine, iodine, methanesulfonyl group, trifluoromethanesulfonyl group, benzenesulfonyl group, and toluenesulfonyl group.
A、Dは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、s、tは、それぞれ独立に、0〜4の整数を示し、rは、0または1以上の整数を示す。)
上記式(18)で表されるモノマーは、好ましくは下記式(19)で表される構造を有する。
A and D are independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), — (CH 2 ) 1 — ( l is an integer of 1 to 10), - CR '2 - ( R' represents an aliphatic hydrocarbon group, aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group), cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, - At least one structure selected from the group consisting of O- and -S-, B is independently an oxygen atom or a sulfur atom, s and t each independently represent an integer of 0 to 4, r represents 0 or an integer of 1 or more. )
The monomer represented by the above formula (18) preferably has a structure represented by the following formula (19).
Xはフッ素を除くハロゲン原子、−SO2CH3および−SO2CF3から選ばれる原子または基を示し、
Phはナフタレン基、アントラセン基、テトラセン基、ペンタセン基から選ばれる基が好ましい。
X represents a halogen atom excluding fluorine, an atom or group selected from —SO 2 CH 3 and —SO 2 CF 3 ;
Ph is preferably a group selected from a naphthalene group, an anthracene group, a tetracene group, and a pentacene group.
式(19)で表される化合物は、さらには、下記式(20)で表される化合物が好ましい。 The compound represented by the formula (19) is more preferably a compound represented by the following formula (20).
さらに、このような化合物として、下記式(21)で表されるものが好ましい。 Furthermore, as such a compound, what is represented by following formula (21) is preferable.
上記式(18)で表される化合物は、例えば、次のような反応により合成することができる。
まず、下記式(22−1)で表されるビスフェノール類、必要に応じて式(22−2)で表されるビスフェノール類をアルカリ金属塩とする。
The compound represented by the above formula (18) can be synthesized, for example, by the following reaction.
First, bisphenols represented by the following formula (22-1) and, if necessary, bisphenols represented by the formula (22-2) are used as alkali metal salts.
このとき、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジフェニルスルホン、ジメチルスルホキサイドなどの誘電率の高い極性溶媒に溶解した後、リチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属、水素化アルカリ金属、水酸化アルカリ金属、アルカリ金属炭酸塩などを加える。アルカリ金属はフェノールの水酸基に対し、過剰気味で反応させ、通常、1.1〜2倍当量、好ましくは1.2〜1.5倍当量で使用する。このとき、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、アニソールなどの水と共沸する溶媒を共存させて、反応の進行を促進させることが好ましい。 At this time, after dissolving in a polar solvent having a high dielectric constant such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, sulfolane, diphenylsulfone, dimethylsulfoxide, an alkali metal such as lithium, sodium, potassium, Add alkali metal hydride, alkali metal hydroxide, alkali metal carbonate, etc. The alkali metal is reacted in excess with respect to the hydroxyl group of phenol, and is usually used in an amount of 1.1 to 2 times equivalent, preferably 1.2 to 1.5 times equivalent. At this time, it is preferable to promote the progress of the reaction by coexisting a solvent azeotropic with water such as benzene, toluene, xylene, chlorobenzene, and anisole.
次いで、上記ビスフェノール類のアルカリ金属塩を下記式(23)で表されるジハロゲン化物と反応させる。 Next, the alkali metal salt of the bisphenol is reacted with a dihalide represented by the following formula (23).
式(22−1)で表されるビスフェノール類として、例えば、1,3−ビス[1−メチル−1−(4−ヒドロキシフェニル)エチル]ベンゼン(Bis−M)、1,4−ビス[1−メチル−1−(4−ヒドロキシフェニル)エチル]ベンゼン、1,3−(4−ヒドロキシベンゾイルベンゼン)、1,4−(4−ヒドロキシベンゾイルベンゼン)、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ベンゼン、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ベンゼン、4,4'−イソプロピリデンビフェノール(Bis−A)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン(Bis−AF)、4,4'−ビスヒドロキシベンゾフェノン(4,4'−DHBP)、4,4'−ビスヒドロキシジフェニルスルホン(4,4'−DHDS)、4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、4,4'−ジヒドロキシビフェニル(4,4'−DHBP)、ビス(4―ヒドロキシフェニル)メタン、レゾルシノール(RES)、ヒドロキノン(HQ)、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン(BPFL)、9,9−ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)フルオレン(BCFL)、4,4'−イソプロピリデンビス(2−フェニルフェノール)、4,4'−シクロヘキシリデンビス(2−シクロヘキシルフェノール)などが挙げられる。なかでも1,3−ビス[1−メチル−1−(4−ヒドロキシフェニル)エチル]ベンゼン(Bis−M)、1,4−ビス[1−メチル−1−(4−ヒドロキシフェニル)エチル]ベンゼン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン(Bis−AF)、レゾルシノール(RES)、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン(BPFL)が好ましい。これらのビスフェノール類は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。 Examples of the bisphenols represented by the formula (22-1) include 1,3-bis [1-methyl-1- (4-hydroxyphenyl) ethyl] benzene (Bis-M), 1,4-bis [1 -Methyl-1- (4-hydroxyphenyl) ethyl] benzene, 1,3- (4-hydroxybenzoylbenzene), 1,4- (4-hydroxybenzoylbenzene), 1,3-bis (4-hydroxyphenoxy) Benzene, 1,4-bis (4-hydroxyphenoxy) benzene, 1,4-bis (4-hydroxyphenyl) benzene, 1,3-bis (4-hydroxyphenyl) benzene, 4,4′-isopropylidenebiphenol ( Bis-A), 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane (Bis-AF), 4, 4'-bishydroxybenzophenone (4,4'-DHBP), 4,4'-bishydroxydiphenyl sulfone (4,4'-DHDS), 4,4'-dihydroxydiphenyl ether, 4,4'-dihydroxybiphenyl (4 , 4′-DHBP), bis (4-hydroxyphenyl) methane, resorcinol (RES), hydroquinone (HQ), 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene (BPFL), 9,9-bis (4- Hydroxy-3-methylphenyl) fluorene (BCFL), 4,4′-isopropylidenebis (2-phenylphenol), 4,4′-cyclohexylidenebis (2-cyclohexylphenol) and the like. Among them, 1,3-bis [1-methyl-1- (4-hydroxyphenyl) ethyl] benzene (Bis-M), 1,4-bis [1-methyl-1- (4-hydroxyphenyl) ethyl] benzene 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane (Bis-AF), resorcinol (RES), 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) Fluorene (BPFL) is preferred. These bisphenols may be used alone or in combination of two or more.
また、式(22−2)で表されるビスフェノール類として、例えば、1,5−ジヒドロキシナフタレン(1,5−NAP)、1,6−ジヒドロキシナフタレン(1,6−NAP)、1,7−ジヒドロキシナフタレン(1,7−NAP)、2,6−ジヒドロキシナフタレン(2,6−NAP)、2,7−ジヒドロキシナフタレン(2,7−NAP)、2,3−ジヒドロキシナフタレン(2,3−NAP)などが挙げられる。なかでも、2,7−ジヒドロキシナフタレン(2,7−NAP)、1,5−ジヒドロキシナフタレン(1,5−NAP)、1,6−ジヒドロキシナフタレン(1,6−NAP)、1,7−ジヒドロキシナフタレン(1,7−NAP)が好ましい。これらのビスフェノール類は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。 Examples of the bisphenols represented by the formula (22-2) include 1,5-dihydroxynaphthalene (1,5-NAP), 1,6-dihydroxynaphthalene (1,6-NAP), 1,7- Dihydroxynaphthalene (1,7-NAP), 2,6-dihydroxynaphthalene (2,6-NAP), 2,7-dihydroxynaphthalene (2,7-NAP), 2,3-dihydroxynaphthalene (2,3-NAP) ) And the like. Among them, 2,7-dihydroxynaphthalene (2,7-NAP), 1,5-dihydroxynaphthalene (1,5-NAP), 1,6-dihydroxynaphthalene (1,6-NAP), 1,7-dihydroxy Naphthalene (1,7-NAP) is preferred. These bisphenols may be used alone or in combination of two or more.
式(23)で表されるジハロゲン化物として、例えば、4,4'−ジクロロベンゾフェノン(4,4'−DCBP)、4,4'−ジフルオロベンゾフェノン(4,4'−DFBP)、4−クロロ−4'−フルオロベンゾフェノン、2−クロロ−4'−フルオロベンゾフェノン、4,4'−ジクロロジフェニルスルホン(4,4'−DCDS)、4,4'−ジフルオロジフェニルスルホン(4,4'−DFDS)、2,6−ジニトロベンゾニトリル、2,5−ジニトロベンゾニトリル、2,4−ジニトロベンゾニトリル、2,6−ジクロロベンゾニトリル(2,6−DCBN)、2,5−ジクロロベンゾニトリル(2,5−DCBN)、2,4−ジクロロベンゾニトリル(2,4−DBN)、2,6−ジフルオロベンゾニトリル(2,6−DFBN)、2,5−ジフルオロベンゾニトリル(2,5−DFBN)、2,4−ジフルオロベンゾニトリル(2,4−DFBN)などが挙げられる。これらのビスフェノール類は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。 Examples of the dihalide represented by the formula (23) include 4,4′-dichlorobenzophenone (4,4′-DCBP), 4,4′-difluorobenzophenone (4,4′-DFBP), 4-chloro- 4′-fluorobenzophenone, 2-chloro-4′-fluorobenzophenone, 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone (4,4′-DCDS), 4,4′-difluorodiphenyl sulfone (4,4′-DFDS), 2,6-dinitrobenzonitrile, 2,5-dinitrobenzonitrile, 2,4-dinitrobenzonitrile, 2,6-dichlorobenzonitrile (2,6-DCBN), 2,5-dichlorobenzonitrile (2,5 -DCBN), 2,4-dichlorobenzonitrile (2,4-DBN), 2,6-difluorobenzonitrile (2,6-DFBN), 2,5 -Difluorobenzonitrile (2,5-DFBN), 2,4-difluorobenzonitrile (2,4-DFBN) and the like. These bisphenols may be used alone or in combination of two or more.
上記ジハロゲン化物は、ビスフェノールに対し1.0001〜3倍モル、好ましくは1.001〜2倍モルの量で用いられる。また両末端が塩素原子となるように、反応終了後に、例えば、ジクロロ化合物を過剰に加えてさらに反応させてもよい。ジフルオロ化合物やジニトロ化合物を用いた場合には、両末端が塩素原子となるよう、反応後半時にジクロロ化合物を添加する方法などを用いる工夫が必要である。 The dihalide is used in an amount of 1.0001 to 1 mol, preferably 1.001 to 2 mol based on bisphenol. Further, after the completion of the reaction, for example, an excess of a dichloro compound may be further reacted so that both ends are chlorine atoms. When a difluoro compound or a dinitro compound is used, it is necessary to devise a method of adding a dichloro compound in the latter half of the reaction so that both ends are chlorine atoms.
これらの反応は、反応温度が60℃〜300℃、好ましくは80℃〜250℃の範囲で、反応時間が15分〜100時間、好ましくは1時間〜24時間の範囲で行われる。
得られた化合物はオリゴマーないしポリマーであるが、これらはポリマーの一般的な精製方法、例えば、溶解−沈殿の操作によって精製することができる。分子量の調整は、過剰の芳香族ジクロライドとビスフェノールとの反応モル比によって行う。芳香族ジクロライドが過剰にあるため、得られる化合物の分子末端は、芳香族クロライドになっている。
In these reactions, the reaction temperature is 60 ° C to 300 ° C, preferably 80 ° C to 250 ° C, and the reaction time is 15 minutes to 100 hours, preferably 1 hour to 24 hours.
The obtained compound is an oligomer or a polymer, and these can be purified by a general purification method of a polymer, for example, a dissolution-precipitation operation. The molecular weight is adjusted by the reaction molar ratio of excess aromatic dichloride and bisphenol. Since the aromatic dichloride is in excess, the molecular end of the resulting compound is an aromatic chloride.
上記の方法で合成される芳香族化合物の具体的な構造として、例えば以下のものを挙げることができる。 Specific examples of the aromatic compound synthesized by the above method include the following.
以下は、n=0であり、2種類以上の式(22−2)の化合物を用いて構成される芳香族化合物の具体例を示す。 The following is a specific example of an aromatic compound in which n = 0 and composed of two or more types of compounds of the formula (22-2).
以下は、n=0であり、1種類の式(22−2)の化合物を用いて構成される芳香族化合物の具体例を示す。
The following is a specific example of an aromatic compound in which n = 0 and one type of compound of formula (22-2) is used.
これらの芳香族化合物のなかでも、(22−2)の化合物として、2,7−ジヒドロキシナフタレン(2,7−NAP)、1,5−ジヒドロキシナフタレン(1,5−NAP)、1,6−ジヒドロキシナフタレン(1,6−NAP)、(1−1)の化合物として、1,3−ビス[1−メチル−1−(4−ヒドロキシフェニル)エチル]ベンゼン(Bis−M)、1,4−ビス[1−メチル−1−(4−ヒドロキシフェニル)エチル]ベンゼン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン(Bis−AF)、レゾルシノール(RES)から合成される該化合物が好ましい。 Among these aromatic compounds, compounds of (22-2) include 2,7-dihydroxynaphthalene (2,7-NAP), 1,5-dihydroxynaphthalene (1,5-NAP), 1,6- As compounds of dihydroxynaphthalene (1,6-NAP) and (1-1), 1,3-bis [1-methyl-1- (4-hydroxyphenyl) ethyl] benzene (Bis-M), 1,4- Bis [1-methyl-1- (4-hydroxyphenyl) ethyl] benzene, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane (Bis-AF) The compound synthesized from resorcinol (RES) is preferred.
上記式中のn、pの比を変えることにより、ポリマーのガラス転移温度を調整することができる。なかでもポリマー加工性の観点から、p=0.1〜1の値をとる化合物が好ましい。 The glass transition temperature of the polymer can be adjusted by changing the ratio of n and p in the above formula. Among these, a compound having a value of p = 0 to 1 is preferable from the viewpoint of polymer processability.
モノマー(C)
モノマー(C)は、含窒素複素環構造を有するモノマーであり、下記式(24)で表される。
Monomer (C)
The monomer (C) is a monomer having a nitrogen-containing heterocyclic structure and is represented by the following formula (24).
W、V、Ar9、Ar10、R21、eおよびfは前記式(7)と同様である。
具体的には、下記式(25)で表される。
W, V, Ar 9 , Ar 10 , R 21 , e and f are the same as in the above formula (7).
Specifically, it is represented by the following formula (25).
モノマー(C)の具体例として、下記の化合物を挙げることができる。 Specific examples of the monomer (C) include the following compounds.
モノマー(C)を合成する方法としては、例えば下記式(26)で表される化合物と、含窒素複素環化合物とを、求核置換反応させる方法を挙げることができる。 Examples of the method for synthesizing the monomer (C) include a method in which a compound represented by the following formula (26) and a nitrogen-containing heterocyclic compound are subjected to a nucleophilic substitution reaction.
X'はハロゲン原子を示し、具体的にはフッ素原子または塩素原子であることが好ましく、フッ素原子がより好ましい。
X ′ represents a halogen atom, specifically, preferably a fluorine atom or a chlorine atom, more preferably a fluorine atom.
式(26)で表される化合物の具体例としては、2,4−ジクロロ−4'−フルオロベンゾフェノン、2,5−ジクロロ−4'−フルオロベンゾフェノン、2,6−ジクロロ−4'−フルオロベンゾフェノン、2,4−ジクロロ−2'−フルオロベンゾフェノン、2,5−ジクロロ−2'−フルオロベンゾフェノン、2,6−ジクロロ−2'−フルオロベンゾフェノン、2,4−ジクロロフェニル−4'−フルオロフェニルスルホン、2,5−ジクロロフェニル−4'−フルオロフェニルスルホン、2,6−ジクロロフェニル−4'−フルオロフェニルスルホン、2,4−ジクロロフェニル−2'−フルオロフェニルスルホン、2,4−ジクロロフェニル−2'−フルオロフェニルスルホン、2,4−ジクロロフェニル−2'−フルオロフェニルスルホン。これらの化合物のうち2,5−ジクロロ−4'−フルオロベンゾフェノンが好ましい。 Specific examples of the compound represented by the formula (26) include 2,4-dichloro-4′-fluorobenzophenone, 2,5-dichloro-4′-fluorobenzophenone, and 2,6-dichloro-4′-fluorobenzophenone. 2,4-dichloro-2′-fluorobenzophenone, 2,5-dichloro-2′-fluorobenzophenone, 2,6-dichloro-2′-fluorobenzophenone, 2,4-dichlorophenyl-4′-fluorophenylsulfone, 2,5-dichlorophenyl-4'-fluorophenylsulfone, 2,6-dichlorophenyl-4'-fluorophenylsulfone, 2,4-dichlorophenyl-2'-fluorophenylsulfone, 2,4-dichlorophenyl-2'-fluorophenyl Sulfone, 2,4-dichlorophenyl-2'-fluorophenylsulfone. Of these compounds, 2,5-dichloro-4'-fluorobenzophenone is preferred.
含窒素複素環化合物は、活性水素を有するものであり、この活性水素と式(26)で表される化合物のX'で表される基を置換反応させる。
活性水素を有する含窒素複素環化合物としては、ピロール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、ピリジン、イミダゾール、イミダゾリン、ピラゾール、1,3,5−トリアジン、ピリミジン、ピリタジン、ピラジン、インドール、キノリン、イソキノリン、ブリン、ベンズイミダゾール、ベンズオキサゾール、ベンズチアゾール、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、カルバゾール、アクリジン、キノキサリン、キナゾリン、2−ヒドロキシピリジン、3−ヒドロキシピリジン、4−ヒドロキシピリジン、3−ヒドロキシキノリン、8−ヒドロキシキノリン、2−ヒドロキシピリミジン、2−メルカプトピリジン、3−メルカプトピリジン、4−メルカプトピリジン、2−メルカプトピリミジン、2−メルカプトベンズチアゾールなどを挙げることができる。
The nitrogen-containing heterocyclic compound has active hydrogen, and this active hydrogen is subjected to a substitution reaction with the group represented by X ′ of the compound represented by the formula (26).
Examples of nitrogen-containing heterocyclic compounds having active hydrogen include pyrrole, thiazole, isothiazole, oxazole, isoxazole, pyridine, imidazole, imidazoline, pyrazole, 1,3,5-triazine, pyrimidine, pyritazine, pyrazine, indole, quinoline, Isoquinoline, bromine, benzimidazole, benzoxazole, benzthiazole, tetrazole, tetrazine, triazole, carbazole, acridine, quinoxaline, quinazoline, 2-hydroxypyridine, 3-hydroxypyridine, 4-hydroxypyridine, 3-hydroxyquinoline, 8-hydroxy Quinoline, 2-hydroxypyrimidine, 2-mercaptopyridine, 3-mercaptopyridine, 4-mercaptopyridine, 2-mercaptopyrimidine, 2-me , And the like mercapto benzthiazole.
これらの化合物のうち、ピロール、イミダゾール、インドール、カルバゾール、ベンズオキサゾール、ベンズイミダゾールが好ましい。
式(26)で表される化合物と活性水素を有する含窒素複素環化合物との反応は、有機溶媒中で行うことが好ましい。N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジフェニルスルホン、ジメチルスルホキシドなどの極性溶媒を用いる。反応を促進するために、アルカリ金属、水素化アルカリ金属、水酸化アルカリ金属、アルカリ金属炭酸塩などを用いる。式(26)で表される化合物と、活性水素を有する含窒素複素環化合物との比率は、等モルもしくは活性水素を有する含窒素複素環化合物を過剰に加えて反応させる。具体的には、活性水素を有する含窒素複素環化合物は式(26)で表される化合物の1〜3倍モル、特に1〜1.5倍モル使用することが好ましい。
Of these compounds, pyrrole, imidazole, indole, carbazole, benzoxazole, and benzimidazole are preferable.
The reaction between the compound represented by formula (26) and the nitrogen-containing heterocyclic compound having active hydrogen is preferably carried out in an organic solvent. A polar solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, sulfolane, diphenylsulfone, dimethylsulfoxide is used. In order to accelerate the reaction, alkali metal, alkali metal hydride, alkali metal hydroxide, alkali metal carbonate, or the like is used. The ratio between the compound represented by the formula (26) and the nitrogen-containing heterocyclic compound having active hydrogen is such that an equimolar amount or nitrogen-containing heterocyclic compound having active hydrogen is added in excess. Specifically, the nitrogen-containing heterocyclic compound having active hydrogen is preferably used in an amount of 1 to 3 times mol, particularly 1 to 1.5 times mol of the compound represented by the formula (26).
反応温度は0℃〜300℃で、10℃〜200℃が好ましい。反応時間は15分〜100時間、好ましくは1時間〜24時間である。
生成物は再結晶などの方法で精製して用いることが好ましい。
The reaction temperature is 0 ° C to 300 ° C, preferably 10 ° C to 200 ° C. The reaction time is 15 minutes to 100 hours, preferably 1 hour to 24 hours.
The product is preferably used after being purified by a method such as recrystallization.
重合
本発明の重合体を得るためはまず上記各種モノマーを共重合させ、前駆体を得る。
この共重合は、触媒の存在下に行われるが、この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系としては、(1)遷移金属塩および配位子となる化合物(以下、「配位子成分」という。)、または配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)、ならびに(2)還元剤を必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために、遷移金属塩以外の塩を添加してもよい。
Polymerization In order to obtain the polymer of the present invention, the above various monomers are first copolymerized to obtain a precursor.
This copolymerization is carried out in the presence of a catalyst, and the catalyst used in this case is a catalyst system containing a transition metal compound. This catalyst system is (1) a transition metal salt and a ligand. A compound (hereinafter referred to as “ligand component”) or a transition metal complex coordinated with a ligand (including a copper salt) and (2) a reducing agent as essential components, and further increase the polymerization rate. Therefore, salts other than transition metal salts may be added.
これらの触媒成分の具体例、各成分の使用割合、反応溶媒、濃度、温度、時間等の重合条件としては、特開2001−342241号公報に記載の化合物および条件を採用することができる。 As specific examples of these catalyst components, the use ratio of each component, reaction solvent, concentration, temperature, time, and other polymerization conditions, the compounds and conditions described in JP-A No. 2001-342241 can be employed.
たとえば、遷移金属塩としては、塩化ニッケル、臭化ニッケルなどが好適に使用され、また、配位子となる化合物としては、トリフェニルホスフィン、トリ−o−トリルホスフィン、トリ−m−トリルホスフィン、トリ−p−トリルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリ−tert−ブチルホスフィン、トリオクチルホスフィン、2,2′−ビピリジンなどが好適に使用される。さらに、あらかじめ配位子が配位された遷移金属(塩)としては、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケル(2,2′ビピリジン)が好適に使用される。還元剤としては、例えば、鉄、亜鉛、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、ナトリウム、カルシウムなどを挙げることできるが、亜鉛、マグネシウム、マンガンが好ましい。「塩」としては、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化カリウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウムが好ましい。反応には重合溶媒を使用してもよく、具体的には、テトラヒドロフラン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、1−メチル−2−ピロリドンなどが好適に使用される。 For example, as the transition metal salt, nickel chloride, nickel bromide and the like are preferably used, and as the compound serving as a ligand, triphenylphosphine, tri-o-tolylphosphine, tri-m-tolylphosphine, Tri-p-tolylphosphine, tributylphosphine, tri-tert-butylphosphine, trioctylphosphine, 2,2′-bipyridine and the like are preferably used. Furthermore, nickel chloride bis (triphenylphosphine) and nickel chloride (2,2′bipyridine) are preferably used as the transition metal (salt) in which the ligand is coordinated in advance. Examples of the reducing agent include iron, zinc, manganese, aluminum, magnesium, sodium, and calcium, and zinc, magnesium, and manganese are preferable. As the “salt”, sodium bromide, sodium iodide, potassium bromide, tetraethylammonium bromide, and tetraethylammonium iodide are preferable. A polymerization solvent may be used for the reaction, and specifically, tetrahydrofuran, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, 1-methyl-2-pyrrolidone and the like are preferably used.
触媒系における各成分の使用割合は、遷移金属塩または配位子が配位された遷移金属(塩)が、モノマーの総計1モルに対し、通常、0.0001〜10モル、好ましくは0.01〜0.5モルである。この範囲にあれば、触媒活性が高く、また分子量も高く重合することが可能である。触媒系に遷移金属塩以外の塩を使用する場合、その使用割合は、モノマーの総計1モルに対し、通常、0.001〜100モル、好ましくは0.01〜1モルである。かかる範囲であれば、重合速度を上げる効果が充分となる。重合溶媒中におけるモノマーの総計の濃度は、通常、1〜90質量%、好ましくは5〜40質量%である。また、本発明の重合体を重合する際の重合温度は、通常、0〜200℃、好ましくは50〜100℃である。また、重合時間は、通常、0.5〜100時間、好ましくは1〜40時間である。 The proportion of each component used in the catalyst system is usually from 0.0001 to 10 mol, preferably from 0.0001 to 10 mol, based on 1 mol of the total amount of monomers of the transition metal salt or the transition metal (salt) coordinated with the ligand. 01-0.5 mol. If it exists in this range, it can polymerize with high catalyst activity and high molecular weight. When a salt other than a transition metal salt is used in the catalyst system, the amount used is usually 0.001 to 100 mol, preferably 0.01 to 1 mol, per 1 mol of the total amount of monomers. Within such a range, the effect of increasing the polymerization rate is sufficient. The total concentration of the monomers in the polymerization solvent is usually 1 to 90% by mass, preferably 5 to 40% by mass. Moreover, the polymerization temperature at the time of superposing | polymerizing the polymer of this invention is 0-200 degreeC normally, Preferably it is 50-100 degreeC. The polymerization time is usually 0.5 to 100 hours, preferably 1 to 40 hours.
次いで、得られた重合体を加水分解して、構成単位中のスルホン酸エステル基(−SO3R)をスルホン酸基(−SO3H)に転換する。
加水分解は、(1)少量の塩酸を含む過剰量の水またはアルコールに、上記スルホン酸エステル基を有する重合体を投入し、5分間以上撹拌する方法、(2)トリフルオロ酢酸中で上記スルホン酸エステル基を有する重合体を80〜120℃程度の温度で5〜10時間程度反応させる方法、(3)重合体中のスルホン酸エステル基(−SO3R)1モルに対して1〜3倍モルのリチウムブロマイドを含む溶液、例えばN−メチルピロリドンなどの溶液中で上記スルホン酸エステル基を有する重合体を80〜150℃程度の温度で3〜10時間程度反応させた後、塩酸を添加する方法などにより行うことができる。
Next, the obtained polymer is hydrolyzed to convert the sulfonic acid ester group (—SO 3 R) in the structural unit into a sulfonic acid group (—SO 3 H).
Hydrolysis includes (1) a method in which the polymer having a sulfonic acid ester group is added to an excess amount of water or alcohol containing a small amount of hydrochloric acid, and the mixture is stirred for 5 minutes or longer. (2) the sulfone is added in trifluoroacetic acid. a method of reacting about 5 to 10 hours at a temperature of about 80 to 120 ° C. the polymer having an ester group, (3) sulfonic acid ester group in the polymer (-SO 3 R) 1 to 3 relative to 1 mole of After the polymer having a sulfonic acid ester group is reacted at a temperature of about 80 to 150 ° C. for about 3 to 10 hours in a solution containing double moles of lithium bromide, such as N-methylpyrrolidone, hydrochloric acid is added. It can be performed by the method of doing.
(B)法
上記方法以外にも、例えば、特開2001−342241号公報に記載の方法と同様に、上記式(16)で表される骨格を有し、かつスルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しないモノマーと、上記モノマー(18)と、上記モノマー(24)を共重合させ、この重合体を、スルホン化剤を用いて、スルホン化することにより合成することもできる(これをB法という)。
(B) Method In addition to the above method, for example, as in the method described in JP-A-2001-342241, it has a skeleton represented by the above formula (16), and has a sulfonic acid group and a sulfonic acid ester group. The monomer (18) and the monomer (24) can be copolymerized, and the polymer can be synthesized by sulfonation using a sulfonating agent (this is Method B). Called).
B法において用いることのできる、上記式(10)で表される構成単位となりうるスルホン酸基、またはスルホン酸エステル基を有しないモノマーの具体的な例として、特開2001−342241号公報、特開2002−293889号公報に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。 As specific examples of the monomer having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group that can be a structural unit represented by the above formula (10) that can be used in Method B, JP-A-2001-342241, Mention may be made of the dihalides described in Kaikai 2002-293889.
(C)法
また上記方法以外に、式(16)において、Arが−O(CH2)hSO3Hまたは−O(CF2)hSO3Hで表される置換基を有する芳香族基である場合には、例えば、特開2005−606254号公報に記載の方法と同様に、上記式(16)で表されるモノマーと、上記式(18)で表されるモノマーまたはオリゴマーと、上記式(24)で表されるモノマーを共重合させ、次にアルキルスルホン酸またはフッ素置換されたアルキルスルホン酸を導入する方法で合成することもできる(これをC法という)。
(C) method also in addition to the above method, in formula (16), an aromatic group having a substituent Ar is represented by -O (CH 2) h SO 3 H or -O (CF 2) h SO 3 H In this case, for example, as in the method described in JP-A-2005-606254, the monomer represented by the above formula (16), the monomer or oligomer represented by the above formula (18), and the above It can also be synthesized by copolymerizing the monomer represented by the formula (24) and then introducing an alkylsulfonic acid or a fluorine-substituted alkylsulfonic acid (this is called C method).
(C法)において用いることのできる、上記式(16)で表されるモノマーの具体的な例として、特開2005−36125号公報に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。具体的には、2,5−ジクロロ−4'−ヒドロキシベンゾフェノン、2,4−ジクロロ−4'−ヒドロキシベンゾフェノン、2,6−ジクロロ−4'−ヒドロキシベンゾフェノン、2,5−ジクロロ−2',4'−ジヒドロキシベンゾフェノン、2,4−ジクロロ−2',4'−ジヒドロキシベンゾフェノンをあげることができる。またこれらの化合物のヒドロキシル基をテトラヒドロピラニル基などで保護した化合物をあげることができる。またヒドロキシル基がチオール基にかわったもの、塩素原子が、臭素原子、ヨウ素原子におきかわったものもあげることができる。 Specific examples of the monomer represented by the above formula (16) that can be used in (Method C) include dihalides described in JP-A-2005-36125. Specifically, 2,5-dichloro-4′-hydroxybenzophenone, 2,4-dichloro-4′-hydroxybenzophenone, 2,6-dichloro-4′-hydroxybenzophenone, 2,5-dichloro-2 ′, Examples thereof include 4′-dihydroxybenzophenone and 2,4-dichloro-2 ′, 4′-dihydroxybenzophenone. Moreover, the compound which protected the hydroxyl group of these compounds by the tetrahydropyranyl group etc. can be mention | raise | lifted. Further, those in which a hydroxyl group is replaced with a thiol group and those in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom can also be mentioned.
(C法)では、重合体(スルホン酸基を有さない)に、特開2005−60625号公報に記載の方法で、アルキルスルホン酸基を導入する。例えば、前駆体の重合体のヒドロキシル基と、プロパンスルトン、ブタンスルトンなどを反応させることで導入することができる。 In (Method C), an alkylsulfonic acid group is introduced into a polymer (which does not have a sulfonic acid group) by the method described in JP-A-2005-60625. For example, it can be introduced by reacting the hydroxyl group of the precursor polymer with propane sultone, butane sultone, or the like.
[B]含フッ素ポリマー
本発明では、溶剤可溶性の含フッ素ポリマーが使用される。このような含フッ素ポリマーは、耐熱性、耐薬品性、機械的特性、耐摩耗性などに優れ、ガス透過性が小さいという特徴をもっている。
[B] Fluorine-containing polymer In the present invention, a solvent-soluble fluorine-containing polymer is used. Such a fluorine-containing polymer is characterized by excellent heat resistance, chemical resistance, mechanical properties, wear resistance, and the like, and low gas permeability.
さらに、溶剤可溶性の含フッ素ポリマーを使用することにより、ポリアリーレン系共重合体からなる連続相と含フッ素ポリマーからなる分散相とを有するプロトン伝導膜の製造を容易にするという性質を有している。このような溶剤可溶性の含フッ素ポリマーとしては、特に制限されるものではないが、例えば、フッ化ビニリデン系単独(共)重合体、フルオロオレフィン/炭化水素系オレフィン共重合体、フルオロアクリレート共重合体、フルオロエポキシ化合物などを使用することができる。 Furthermore, by using a solvent-soluble fluorine-containing polymer, it has the property of facilitating the production of a proton conducting membrane having a continuous phase made of a polyarylene copolymer and a dispersed phase made of a fluorine-containing polymer. Yes. Such a solvent-soluble fluorine-containing polymer is not particularly limited, and examples thereof include vinylidene fluoride homo (co) polymers, fluoroolefin / hydrocarbon olefin copolymers, and fluoroacrylate copolymers. , Fluoroepoxy compounds and the like can be used.
これらの中でも、上記ポリアリーレン系共重合体と組み合わせる観点では、(1)フッ化ビニリデン系単独(共)重合体、(2)フルオロオレフィン/炭化水素系オレフィン共重合体からなるものが好ましい。 Among these, from the viewpoint of combining with the polyarylene-based copolymer, those composed of (1) a vinylidene fluoride homo (co) polymer and (2) a fluoroolefin / hydrocarbon olefin copolymer are preferable.
(1)ポリフッ化ビニリデン系単独(共)重合体
フッ化ビニリデン系単独(共)重合体としては、特に制限されるものではないが、例えば、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、フッ化ビニリデンとテトラフルオロエチレンとの共重合体、およびフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレンとの三元共重合体などを挙げることができる。ここで、フッ化ビニリデンと共重合可能な少なくとも1種の他の単量体としては、たとえば、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、トリフルオロプロピレン、テトラフルオロプロピレン、ペンタフルオロプロピレン、トリフルオロブテン、テトラフルオロイソブテン、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)、フッ化ビニルなどの含フッ素単量体、エチレン、プロピレン、アルキルビニルエーテルなどの非フッ素単量体があげられる。これらをそれぞれ単独で、または、任意に組み合わせて用いることができる。このようなポリフッ化ビニリデン系単独(共)重合体は、特に、広い温度範囲にわたって、衝撃強さが大きく、さらに熱変形温度が高いなど高温力学特性にも優れ、ほとんどあらゆる加工方法が適用できるという特徴を有するため、酸化性の強い雰囲気以外で用いる場合には好ましい。
(1) Polyvinylidene fluoride homo (co) polymer The vinylidene fluoride homo (co) polymer is not particularly limited, but for example, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride and hexafluoropropylene Examples thereof include a copolymer, a copolymer of vinylidene fluoride and tetrafluoroethylene, and a terpolymer of vinylidene fluoride, hexafluoropropylene and tetrafluoroethylene. Here, as the at least one other monomer copolymerizable with vinylidene fluoride, for example, tetrafluoroethylene, chlorotrifluoroethylene, trifluoroethylene, hexafluoropropylene, trifluoropropylene, tetrafluoropropylene, Examples thereof include fluorine-containing monomers such as pentafluoropropylene, trifluorobutene, tetrafluoroisobutene, perfluoro (alkyl vinyl ether) and vinyl fluoride, and non-fluorine monomers such as ethylene, propylene and alkyl vinyl ether. These can be used alone or in any combination. Such polyvinylidene fluoride homo (co) polymers are particularly excellent in high-temperature mechanical properties such as high impact strength and high heat distortion temperature over a wide temperature range, and almost all processing methods can be applied. Since it has characteristics, it is preferable when used in an atmosphere other than a strong oxidizing atmosphere.
(2)フルオロオレフィン/炭化水素系オレフィン共重合体
本発明で用いられるフルオロオレフィンはフッ化ビニル、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、1,1−ジクロロ−2,2−ジフルオロエチレン、1−クロロー1,2−ジフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、1,1,3,3,3−ペンタフルオロプロピレン、2,3,3,3−テトラフルオロプロピレン、3,3,3−トリフルオロプロピレン、1,1,2−トリフルオロプロピレン等のフルオロオレフィンであり、好ましくはテトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンの1種または2種以上のものである。
(2) Fluoroolefin / hydrocarbon olefin copolymer The fluoroolefin used in the present invention is vinyl fluoride, vinylidene fluoride, chlorotrifluoroethylene, tetrafluoroethylene, 1,1-dichloro-2,2-difluoroethylene. , 1-chloro-1,2-difluoroethylene, hexafluoropropylene, 1,1,3,3,3-pentafluoropropylene, 2,3,3,3-tetrafluoropropylene, 3,3,3-trifluoropropylene , 1,1,2-trifluoropropylene and the like, and preferably one or more of tetrafluoroethylene, chlorotrifluoroethylene, and hexafluoropropylene.
当該フルオロオレフィンと共重合可能な炭化水素系オレフィン共重合体として代表的なものにはカルボン酸ビニルエステル類、ヒドロキシアルキルビニルエーテル類またはアルキルビニルエーテル類があり、まずカルボン酸エステル類の具体例としては酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ビバリン酸ビニル、カプロン酸ビニル、カプリル酸ビニル、カプリン酸ビニル、バーサチック酸ビニル、ラウリン酸ビニルもしくはステアリン酸ビニル等の直鎖ないしは分岐状脂肪族カルボン酸ビニルエステル類;シクロヘキサンカルボン酸ビニルエステル等の脂環式カルボン酸のビニルエステル;または安息香酸ビニルエステル、p-tert-ブチル安息香酸ビニル若しくはサリチル酸ビニル等の芳香族ビニルエステルなどが挙げられる。 Typical examples of the hydrocarbon-based olefin copolymer copolymerizable with the fluoroolefin include carboxylic acid vinyl esters, hydroxyalkyl vinyl ethers or alkyl vinyl ethers. First, specific examples of the carboxylic acid esters include acetic acid. Linear or branched aliphatic carboxylic acid vinyl esters such as vinyl, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl bivalate, vinyl caproate, vinyl caprylate, vinyl caprate, vinyl versatate, vinyl laurate or vinyl stearate A vinyl ester of an alicyclic carboxylic acid such as cyclohexanecarboxylic acid vinyl ester; or an aromatic vinyl ester such as vinyl benzoate, vinyl p-tert-butylbenzoate or vinyl salicylate.
次に、上記したヒドロキシアルキルビニルエーテル類の具体例としてはヒドロキシエチルビニルエーテル、ヒドロキシプロピルビニルエーテルまたはヒドロキシブチルビニルエーテルなどが挙げられるし、また上記したアルキルビニルエーテルの具体例としてはメチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、n-プロピルビニルエーテル、n-ブチルビニルエーテル、iso-ブチルビニルエーテルまたはtert-ブチルビニルエーテルなどが挙げられる。 Next, specific examples of the above hydroxyalkyl vinyl ethers include hydroxyethyl vinyl ether, hydroxypropyl vinyl ether or hydroxybutyl vinyl ether, and specific examples of the above alkyl vinyl ether include methyl vinyl ether, ethyl vinyl ether, n-propyl. Examples thereof include vinyl ether, n-butyl vinyl ether, iso-butyl vinyl ether and tert-butyl vinyl ether.
さらに、フルオロオレフィンと共重合可能な他の炭化水素系オレフィン共重合体としては、エチレン、プロピレン若しくはブテン等のα‐オレフィン類;塩化ビニル若しくは塩化ビニリデン等の、フルオロオレフィンを除いたハロゲン化ビニル(ビニリデン)類;スチレン、α‐メチルスチレン、p-tert-ブチルスチレン、o-メチルスチレンもしくはp-メチルスチレン等の芳香族ビニル化合物;マレイン酸若しくはフマル酸等の(エチレン性不飽和)二重結合含有他塩基酸のモノないしはジエステル類;(メタ)アクリロニトリル、(メタ)アクリルアミド、N-メチロール化(メタ)アクリルアミド若しくはN-ブトキシメチル(メタ)アクリルアミド等の含窒素ビニル化合物;または(無水)マレイン酸若しくは(無水)イタコン酸等の(エチレン性不飽和)二重結合含有(無水)多塩基酸なども使用することができるし、さらにはアリルアルコールまたはアリルグリシジルエーテルなども使用することができる。 Further, other hydrocarbon-based olefin copolymers copolymerizable with fluoroolefins include α-olefins such as ethylene, propylene or butene; vinyl halides excluding fluoroolefins such as vinyl chloride or vinylidene chloride ( Vinylidenes); aromatic vinyl compounds such as styrene, α-methylstyrene, p-tert-butylstyrene, o-methylstyrene or p-methylstyrene; (ethylenically unsaturated) double bonds such as maleic acid or fumaric acid Mono- or diesters of other basic acids containing; nitrogen-containing vinyl compounds such as (meth) acrylonitrile, (meth) acrylamide, N-methylolated (meth) acrylamide or N-butoxymethyl (meth) acrylamide; or (anhydrous) maleic acid Or (anhydrous) itaconic acid etc. It can also be used such as the sum) double bond-containing (anhydrous) polybasic acids, more can be used, such as allyl alcohol or allyl glycidyl ether.
このような共重合に用いられる炭化水素系オレフィンは、その共重合体の溶剤に対する溶解性、あるいは硬化特性といった観点から選ばれる。
フルオロオレフィン/炭化水素系オレフィン共重合体としては、特に制限されるものではないが、例えば、テトラフルオロエチレンとプロピレンの交互共重合体、テトラフルオロエチレンとプロピレン、フッ化ビニリデンとの交互共重合体、クロロトリフルオロエチレンとプロピレンとの交互共重合体、テトラフルオロエチレンやクロロトリフルオロエチレンとエチルビニルエーテル、クロロエチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテルの共重合体、含フッ素オレフィンとヒドロキシビニルエーテルの共重合体、クロロエチルビニルエーテルと酢酸ビニルの共重合体、含フッ素オレフィンとアクリル酸エステルの共重合体、含フッ素オレフィンとメタクリル酸エステルの共重合体、フルオロオレフィンとカルボン酸ビニルエステルの共重合体などからなるものが好ましい。
The hydrocarbon-based olefin used for such copolymerization is selected from the viewpoint of solubility of the copolymer in a solvent or curing characteristics.
The fluoroolefin / hydrocarbon olefin copolymer is not particularly limited. For example, an alternating copolymer of tetrafluoroethylene and propylene, an alternating copolymer of tetrafluoroethylene and propylene, or vinylidene fluoride. , Alternating copolymers of chlorotrifluoroethylene and propylene, copolymers of tetrafluoroethylene or chlorotrifluoroethylene and ethyl vinyl ether, chloroethyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, copolymers of fluorine-containing olefin and hydroxy vinyl ether, chloroethyl Copolymers of vinyl ether and vinyl acetate, copolymers of fluorinated olefins and acrylic esters, copolymers of fluorinated olefins and methacrylates, copolymers of fluoroolefins and carboxylic acid vinyl esters Those made of, for example, coalescence is preferable.
特に、このようなフルオロオレフィン/炭化水素系オレフィン共重合体をプロトン伝導膜に用いると、該プロトン伝導膜の靭性が向上させることができるので、望ましい。
本発明で用いられる含フッ素ポリマー[B]の分子量は、ゲルパーミエションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量で、5000〜10000000、好ましくは50000〜1000000であることが望ましい。分子量が小さすぎると、含フッ素ポリマーの有する優れた性質を発揮できず、また、分子量が大きすぎると、プロトン伝導膜の製造が困難になる。
In particular, the use of such a fluoroolefin / hydrocarbon olefin copolymer for the proton conducting membrane is desirable because the toughness of the proton conducting membrane can be improved.
The molecular weight of the fluorine-containing polymer [B] used in the present invention is 5,000 to 10,000,000, preferably 50,000 to 1,000,000 in terms of polystyrene-equivalent weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC). If the molecular weight is too small, the excellent properties of the fluorine-containing polymer cannot be exhibited, and if the molecular weight is too large, it becomes difficult to produce a proton conducting membrane.
プロトン伝導膜の構成
本発明に係るプロトン伝導膜は、前記[A]ポリアリーレン系共重合体と、[B]含フッ素ポリマーとを含有しており、[A]ポリアリーレン系共重合体からなる連続相と[B]含フッ素ポリマーからなる分散相により構成された海島構造を有している。
Configuration of Proton Conducting Membrane The proton conducting membrane according to the present invention contains the above [A] polyarylene copolymer and [B] a fluorine-containing polymer, and consists of [A] polyarylene copolymer. It has a sea-island structure composed of a continuous phase and a dispersed phase comprising [B] a fluorine-containing polymer.
また、本発明のプロトン伝導膜には、必要に応じて相溶剤が含まれていてもよい。
このような相溶剤としては、公知の界面活性剤、公知の高分子界面活性剤等が使用される。また、前記ポリアリーレン系共重合体と親和性を有する単量体、及び前記含フッ素ポリマーと親和性を有する単量体を共重合してなる重合体を相溶剤として用いることも可能である。このような重合体としてはブロック共重合体、交互重合体、ランダム共重合体、スターポリマー等の公知の高分子材料を用いることができる。前記[A]ポリアリーレン系共重合体と親和性を有する単量体としては、水酸基、エステル基、アミド基、カルバモイル基、スルファモイル基、エーテル基、プロトン酸基を始めとする極性基を含むものである。また、前記[B]含フッ素ポリマーと親和性を有する単量体としてはフルオロアルキル基、置換ないしは非置換のアルキル基、置換ないしは非置換のアルキレン基、置換ないしは非置換のアリール基、置換ないしは非置換のアリーレン基等を有するものが挙げられ用いられる。これら二つの群よりなる単量体成分を上述したごとく重合させることにより目的とする高分子タイプの相溶剤が得られる。好ましい具体例として、ポリビニルアセタール、ポリビニルブチラール等を例示することができる。
Moreover, the proton conductive membrane of the present invention may contain a compatibilizer as necessary.
As such a compatibilizer, a known surfactant, a known polymer surfactant, or the like is used. Moreover, it is also possible to use as a compatibilizer a polymer obtained by copolymerizing a monomer having affinity with the polyarylene copolymer and a monomer having affinity with the fluorine-containing polymer. As such a polymer, a known polymer material such as a block copolymer, an alternating polymer, a random copolymer, or a star polymer can be used. The monomer having an affinity for the [A] polyarylene copolymer includes a polar group including a hydroxyl group, an ester group, an amide group, a carbamoyl group, a sulfamoyl group, an ether group, and a protonic acid group. . The monomer having an affinity for the [B] fluoropolymer is a fluoroalkyl group, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkylene group, a substituted or unsubstituted aryl group, a substituted or non-substituted group. Those having a substituted arylene group are exemplified. By polymerizing the monomer components consisting of these two groups as described above, the intended polymer type compatibilizer is obtained. Preferred specific examples include polyvinyl acetal and polyvinyl butyral.
本発明に使用されるプロトン伝導膜内のポリアリーレン系共重合体[A]と含フッ素ポリマー[B]の重量比は、99:1〜50:50であり、好ましくは90:10〜60:40である。また、本発明に使用される相溶剤[C]の使用量は、[A]ポリアリーレン系共重合体と[B]含フッ素ポリマーの合計量100質量部に対して0〜2質量部、好ましくは、0〜0.5質量部である。 The weight ratio of the polyarylene copolymer [A] and the fluoropolymer [B] in the proton conducting membrane used in the present invention is 99: 1 to 50:50, preferably 90:10 to 60: 40. The amount of the compatibilizer [C] used in the present invention is 0 to 2 parts by mass, preferably 100 parts by mass of the total amount of [A] polyarylene copolymer and [B] fluoropolymer. Is 0 to 0.5 parts by mass.
ポリアリーレン系共重合体と含フッ素ポリマーの重量比が上記範囲内であれば、プロトン伝導性、靱性、耐熱性、耐薬品性、機械的特性、耐摩耗性が良好なプロトン伝導膜が得られる。 When the weight ratio of the polyarylene copolymer and the fluorine-containing polymer is within the above range, a proton conductive membrane having good proton conductivity, toughness, heat resistance, chemical resistance, mechanical properties, and wear resistance can be obtained. .
前記海島構造においては、含フッ素ポリマーからなる分散相の形は、特に限定されない。分散相の長径平均値は、特に限定されないが、0.001〜1.0μmの範囲が好ましい。より好ましくは、0.005〜0.5μm、さらに好ましくは0.01〜0.2μmである。
プロトン伝導膜の分散相の長径平均値が上記範囲であると、プロトン伝導性、靱性、耐熱性、耐薬品性、機械的特性、耐摩耗性が良好なプロトン伝導膜が得られる。
In the sea-island structure, the shape of the dispersed phase composed of the fluorine-containing polymer is not particularly limited. Although the major axis average value of the dispersed phase is not particularly limited, a range of 0.001 to 1.0 μm is preferable. More preferably, it is 0.005-0.5 micrometer, More preferably, it is 0.01-0.2 micrometer.
When the average value of the major axis of the dispersed phase of the proton conducting membrane is in the above range, a proton conducting membrane having good proton conductivity, toughness, heat resistance, chemical resistance, mechanical properties, and wear resistance can be obtained.
プロトン伝導膜の製造方法
本発明のプロトン伝導体は、ポリアリーレン系共重合体[A]及び含フッ素ポリマー[B]および必要に応じておのおのに相溶する相溶剤を、溶媒に溶解ないし分散した後、製膜することにより製造される。
Proton conductor of the production method the present invention of the proton conductive membrane, a compatibilizer having compatibility with each optionally polyarylene copolymer [A] and fluoropolymer [B] and were dissolved or dispersed in a solvent Thereafter, it is manufactured by forming a film.
この方法において、あらかじめ、ポリアリーレン系共重合体[A]のスルホン酸基をアルカリ(アルカリ金属の水酸塩、炭酸塩、アンモニアやアミン類)で中和させておいてもよく、スルホン酸基のままポリアリーレン系共重合体[A]を用いてもよい。さらにスルホン酸エステル基を有する[A]ポリアリーレン系共重合体を使用してもよい。なお、中和したものやエステル基となっているものは製膜後、イオン交換や加水分解などの処理によってスルホン酸基に転換される。 In this method, the sulfonic acid group of the polyarylene copolymer [A] may be previously neutralized with an alkali (alkali metal hydroxide, carbonate, ammonia or amines). The polyarylene copolymer [A] may be used as it is. Furthermore, you may use the [A] polyarylene-type copolymer which has a sulfonate group. The neutralized or ester group is converted to a sulfonic acid group by a treatment such as ion exchange or hydrolysis after film formation.
ポリアリーレン系共重合体[A]、含フッ素ポリマー[B]、相溶剤の全てが溶媒に溶解する組み合わせを用いることが好ましいが、必ずしも全てが溶媒に溶解する必要はなく、少なくともいずれかの成分の一種類以上が溶媒に溶解し残りの成分は溶媒に分散する形態をとってもよい。このように作製した高分子分散液を適当な基板上に塗布し溶媒を除去する工程を経て所望するプロトン伝導膜を得ることができる。 It is preferable to use a combination in which the polyarylene copolymer [A], the fluorine-containing polymer [B], and the compatibilizer are all soluble in the solvent, but it is not always necessary that all of them be soluble in the solvent. One or more types may be dissolved in a solvent and the remaining components may be dispersed in the solvent. A desired proton conducting membrane can be obtained through a step of applying the polymer dispersion prepared in this manner onto a suitable substrate and removing the solvent.
ここで使用される溶媒としては、公知の溶媒を使うことができる。具体例を挙げると、ピリジン、キノリン、ピロリドン、ジメチルフォルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルフォキシド、N−メチルピロリドン、シクロヘキサノンなどに代表される極性溶媒が、上記の目的に対して良好な結果を与えることができる。これらの溶媒と併用しても良い溶媒としては、メタノール、エタノールに代表されるアルコール類、アセトン、2−ブタノンに代表されるケトン類、酢酸エチル、酢酸ブチルに代表されるエステル類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサンに代表されるエーテル類、トリエチルアミン、エチレンジアミンに代表されるアミン類などが挙げられ使用される。 As the solvent used here, a known solvent can be used. Specific examples include polar solvents typified by pyridine, quinoline, pyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, cyclohexanone and the like, which give good results for the above purpose. be able to. Examples of solvents that may be used in combination with these solvents include methanol, alcohols typified by ethanol, acetone, ketones typified by 2-butanone, ethyl acetate, esters typified by butyl acetate, diethyl ether, Examples include tetrahydrofuran, ethers typified by dioxane, triethylamine, amines typified by ethylenediamine, and the like.
このような各材料と、溶媒を混合撹拌、あるいは分散することで目的とする高分子分散液を得ることができる。両者を混合する際には、加熱撹拌しても良いし、あるいはボールミル、アトライター、遊星ミルに代表される分散装置を用いて混合分散しても良い。このようにして準備された塗工液は、ブレードコート、ワイヤーバーコート、スピンコート、スプレーコート、浸漬塗工、ビードコートをはじめとする公知の塗工手段を用いて基板上に塗布することができる。 The target polymer dispersion can be obtained by mixing and stirring or dispersing each of these materials and a solvent. When mixing the two, they may be heated and stirred, or may be mixed and dispersed using a dispersing device represented by a ball mill, an attritor, or a planetary mill. The coating solution thus prepared can be applied on the substrate using known coating means such as blade coating, wire bar coating, spin coating, spray coating, dip coating, and bead coating. it can.
[膜−電極接合体]
本発明にかかる膜−電極接合体は、前記プロトン伝導膜と、該プロトン伝導膜の両側に、触媒層と、ガス拡散層とを備えた膜−電極接合体である。典型的には、前記プロトン伝導膜を挟んで一方にはカソード電極用の触媒層と他方にはアノード電極用の触媒層が設けられており、さらにカソード側およびアノード側の各触媒層のプロトン伝導膜と反対側に接して、カソード側およびアノード側にそれぞれガス拡散層が設けられている。
[Membrane-electrode assembly]
The membrane-electrode assembly according to the present invention is a membrane-electrode assembly comprising the proton conducting membrane, a catalyst layer, and a gas diffusion layer on both sides of the proton conducting membrane. Typically, a catalyst layer for the cathode electrode is provided on one side and the catalyst layer for the anode electrode is provided on the other side of the proton conducting membrane, and the proton conduction of each catalyst layer on the cathode side and the anode side is further provided. Gas diffusion layers are provided on the cathode side and the anode side, respectively, in contact with the side opposite to the membrane.
ガス拡散層、触媒層として、公知のものを特に制限なく使用可能である。
具体的にガス拡散層は、多孔性基材又は多孔性基材と微多孔層の積層構造体からなる。ガス拡散層が多孔性基材と微多孔層の積層構造体からなる場合には、微多孔層が触媒層に接して設けられる。カソード側およびアノード側のガス拡散層は、撥水性を付与するために含フッ素重合体を含んでいることが好ましい。
Known gas diffusion layers and catalyst layers can be used without particular limitation.
Specifically, the gas diffusion layer is composed of a porous substrate or a laminated structure of a porous substrate and a microporous layer. When the gas diffusion layer is composed of a laminated structure of a porous substrate and a microporous layer, the microporous layer is provided in contact with the catalyst layer. The gas diffusion layers on the cathode side and the anode side preferably contain a fluoropolymer in order to impart water repellency.
触媒層は、触媒、イオン交換樹脂電解質から構成される。触媒としては、白金、パラジウム、金、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属触媒が好ましく用いられる。また、貴金属触媒は、合金や混合物などのように、2種以上の元素が含まれるものであってもよい。
このような貴金属触媒は、通常、高比表面積カーボン微粒子に担持したものを用いることができる。
The catalyst layer is composed of a catalyst and an ion exchange resin electrolyte. As the catalyst, a noble metal catalyst such as platinum, palladium, gold, ruthenium or iridium is preferably used. The noble metal catalyst may contain two or more elements such as an alloy or a mixture.
As such noble metal catalyst, one supported on high specific surface area carbon fine particles can be used.
イオン交換樹脂電解質は、前記触媒を担持したカーボンを結着させるバインダー成分として働くとともに、燃料極では触媒上の反応によって発生したイオンをプロトン伝導膜へ効率的に供給し、また、空気極ではプロトン伝導膜から供給されたイオンを触媒へ効率的に供給する。 The ion exchange resin electrolyte functions as a binder component that binds the carbon carrying the catalyst, and efficiently supplies ions generated by the reaction on the catalyst to the proton conducting membrane at the fuel electrode, and protons at the air electrode. The ions supplied from the conductive membrane are efficiently supplied to the catalyst.
本発明で用いられる触媒層のイオン交換樹脂としては、触媒層内のプロトン伝導性を向上させるためにプロトン交換基を有するポリマーが好ましい。このようなポリマーに含まれるプロトン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などがあるが特に限定されるものではない。また、このようなプロトン交換基を有するポリマーも、特に限定されることなく選ばれるが、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成されるプロトン交換基を有するポリマーや、スルホン化ポリアリーレンなどが好ましく用いられる。また、上記のプロトン伝導膜を構成するスルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体をイオン交換性樹脂として使用してもよく、さらにプロトン交換基を有するフッ素原子を含むポリマーや、エチレンやスチレンなどから得られる他のポリマー、これらの共重合体やブレンドであっても構わない。このようなイオン交換樹脂電解質は、公知のものを特に制限なく使用可能であり、たとえばNafion(DuPont社、登録商標)やスルホン化ポリアリーレン等を特に制限なく使用できる。 The ion exchange resin for the catalyst layer used in the present invention is preferably a polymer having a proton exchange group in order to improve proton conductivity in the catalyst layer. Proton exchange groups contained in such polymers include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and phosphoric acid groups, but are not particularly limited. A polymer having such a proton exchange group is also selected without any particular limitation, and a polymer having a proton exchange group composed of a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain, or a sulfonated polyarylene. Etc. are preferably used. In addition, a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group constituting the proton conductive membrane may be used as an ion exchange resin, and a polymer containing a fluorine atom having a proton exchange group, ethylene, styrene, etc. Other polymers obtained from the above, copolymers or blends thereof may be used. As such an ion exchange resin electrolyte, known ones can be used without particular limitation, and for example, Nafion (DuPont, registered trademark), sulfonated polyarylene, etc. can be used without particular limitation.
本発明で用いられる触媒層に必要に応じてさらに、炭素繊維、イオン交換基を有しない樹脂を用いてもよい。これらの樹脂としては撥水性の高い樹脂であることが好ましい。例えば含フッ素共重合体、シランカップリング剤、シリコーン樹脂、ワックス、ポリホスファゼンなどを挙げることができるが、好ましくは含フッ素共重合体である。 If necessary, a resin having no carbon fiber or ion exchange group may be used for the catalyst layer used in the present invention. These resins are preferably resins with high water repellency. For example, fluorine-containing copolymers, silane coupling agents, silicone resins, waxes, polyphosphazenes and the like can be mentioned, and fluorine-containing copolymers are preferred.
[燃料電池]
本発明に係る固体高分子型燃料電池は、前記膜−電極接合体を含むことを特徴としている。具体的には、少なくとも一つ以上の膜−電極接合体及びその両側に位置するセパレータを含む少なくとも一つの電気発生部;燃料を前記電気発生部に供給する燃料供給部;及び酸化剤を前記電気発生部に供給する酸化剤供給部を含む固体高分子型燃料電池であって、膜−電極接合体が上記記載のものであることを特徴とする。
[Fuel cell]
The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes the membrane-electrode assembly. Specifically, at least one electricity generation unit including at least one membrane-electrode assembly and separators located on both sides thereof; a fuel supply unit that supplies fuel to the electricity generation unit; and an oxidant as the electricity A solid polymer fuel cell including an oxidant supply unit for supplying to a generation unit, wherein the membrane-electrode assembly is as described above.
本発明の電池に用いられるセパレーターとしては、通常の燃料電池に用いられるものを用いることができる。具体的にはカーボンタイプのもの、金属タイプのものなどを用いることができる。 As the separator used in the battery of the present invention, those used in ordinary fuel cells can be used. Specifically, carbon type or metal type can be used.
また、燃料電池を構成する部材としては、公知のものを特に制限なく使用することが可能である。本発明の電池は単セルで用いることもできるし、複数の単セルを直列に繋いだスタックとして用いることもできる。スタックの方法としては公知のものを用いることができる。具体的には単セルを平面状に並べた平面スタッキング、及び燃料または酸化剤の流路がセパレーターの裏表面にそれぞれ形成されているセパレーターを介して単セルを積み重ねるバイポーラースタッキングを用いることができる。 Moreover, as a member which comprises a fuel cell, it is possible to use a well-known thing without a restriction | limiting in particular. The battery of the present invention can be used as a single cell or as a stack in which a plurality of single cells are connected in series. As a stacking method, a known method can be used. Specifically, planar stacking in which single cells are arranged in a plane and bipolar stacking in which single cells are stacked via separators each having a fuel or oxidant flow path formed on the back surface of the separator can be used. .
[実施例]
以下に、実施例及び比較例により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されない。
[Example]
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited thereto.
<電極ペーストの調製>
50mlのポリボトルに直径5mmのジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZボール」)25gを入れ、白金担持カーボン粒子(Pt:46質量%担持、田中貴金属工業株式会社製「TEC10E50E」)1.51g、蒸留水0.88g、n−プロピルアルコール12.47gおよびナフィオン(商品名、デュポン社製)の20質量%溶液4.59gを加え、ペイントシェーカーで60分間攪拌することにより、電極ペーストを得た。
<Preparation of electrode paste>
Put 50 g of zirconia balls with a diameter of 5 mm (“YTZ ball” manufactured by Nikkato Co., Ltd.) into a 50 ml plastic bottle, 1.51 g of platinum-supported carbon particles (Pt: 46% by mass, “TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), distillation 0.88 g of water, 12.47 g of n-propyl alcohol and 4.59 g of a 20% by mass solution of Nafion (trade name, manufactured by DuPont) were added and stirred for 60 minutes with a paint shaker to obtain an electrode paste.
<電極の製造>
上記の様に調製した高分子電解質膜の片面に、5cm×5cmの開口を有するマスクを用いて上記電極ペーストをドクターブレードにて塗布し、また上記電極ペーストを塗布していない面に、5cm×5cmの開口を有するマスクを用いて、ドクターブレードにて上記電極ペーストを塗布した。これを120℃で60分間乾燥後、各電極触媒層の触媒塗布量は0.50mg/cm2であった。
<Manufacture of electrodes>
The electrode paste is applied with a doctor blade on one side of the polymer electrolyte membrane prepared as described above using a mask having an opening of 5 cm × 5 cm, and 5 cm × on the surface where the electrode paste is not applied. The electrode paste was applied with a doctor blade using a mask having an opening of 5 cm. After drying this at 120 ° C. for 60 minutes, the amount of catalyst applied to each electrode catalyst layer was 0.50 mg / cm 2 .
<ガス拡散層の作製>
(1)多孔性基材の作製
多孔性基材としてカーボンペーパー(商品名:TGPH−060、東レ株式会社製)を5cm×5cmのサイズに切断し、これを30mlの1.2質量%ポリテトラフルオロエチレン樹脂微粒子分散水溶液に5分間浸漬させた後、75℃の乾燥炉にて15分間乾燥させた。この基材を370℃の電気炉にて1時間焼成させ、アノードおよびカソード用撥水剤コート多孔性基材を作製した。
<Production of gas diffusion layer>
(1) Production of porous substrate Carbon paper (trade name: TGPH-060, manufactured by Toray Industries, Inc.) as a porous substrate is cut into a size of 5 cm x 5 cm, and this is 30 ml of 1.2 mass% polytetra After being immersed in a fluoroethylene resin fine particle dispersed aqueous solution for 5 minutes, it was dried in a 75 ° C. drying oven for 15 minutes. This substrate was baked in an electric furnace at 370 ° C. for 1 hour to produce a water repellent coated porous substrate for anode and cathode.
(2)微多孔層の形成
炭素粒子(商品名:バルカンXC−72、キャボット社製)2.4g、60質量%ポリテトラフルオロエチレン樹脂微粒子分散水溶液6.2g、蒸留水104.9g、分散剤(商品名:TRITONX−100、シグマ−アルドリッチ社製)10.3gを混合させ、この混合物を均一になるまで遊星ボールミル(商品名:P−5、フリッチュ社製)を使用して攪拌し、アノード用微多孔層形成用ペーストを調製した。このペーストを微多孔層の重量が1.0mg/cm2となるようにアプリケーターを使用して均一に塗布した後、75℃の乾燥炉にて30分間乾燥させ、微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(2) Formation of microporous layer 2.4 g of carbon particles (trade name: Vulcan XC-72, manufactured by Cabot Corporation), 6.2 g of a 60% by mass polytetrafluoroethylene resin fine particle dispersed aqueous solution, 104.9 g of distilled water, a dispersing agent (Trade name: TRITON-100, manufactured by Sigma-Aldrich) 10.3 g was mixed, and this mixture was stirred using a planetary ball mill (trade name: P-5, manufactured by Fritsch) until uniform. A paste for forming a microporous layer was prepared. After applying this paste uniformly using an applicator so that the weight of the microporous layer is 1.0 mg / cm 2 , the paste is dried in a drying oven at 75 ° C. for 30 minutes to provide a water repellent coating with a microporous layer. A porous substrate was prepared.
<燃料電池の作製>
上記電極触媒層が両面に形成された電解質膜を、2枚のガス拡散層で挟み、圧力60kg/cm2下、160℃×20minの条件でホットプレス成形して、膜−電極接合体を作製した。得られた電極−膜接合体を2枚のチタン製の集電体で挟み、さらにその外側にヒーターを配置し、有効面積25cm2の評価用燃料電池を作製した。
<Fabrication of fuel cell>
The electrolyte membrane having the electrode catalyst layer formed on both sides is sandwiched between two gas diffusion layers and hot press molded under a pressure of 60 kg / cm 2 and a temperature of 160 ° C. for 20 minutes to produce a membrane-electrode assembly. did. The obtained electrode-membrane assembly was sandwiched between two titanium current collectors, and a heater was placed on the outside thereof to produce a fuel cell for evaluation having an effective area of 25 cm 2 .
<乾湿サイクル耐久評価>
(1)乾湿サイクル試験
燃料電池の温度を70℃に保ち、アノード極とカソード極ともに、相対湿度100%を10分間、相対湿度0%(乾燥窒素ガスの相対湿度である)を40分間の条件を1サイクルとして、窒素を大気圧供給し、10サイクル毎に水素クロスオーバー量を測定し、乾湿サイクル評価前の水素クロスオーバー量の10倍以上になるサイクル数まで試験を継続した。
<Dry and wet cycle durability evaluation>
(1) Dry / wet cycle test The temperature of the fuel cell is maintained at 70 ° C., and the relative humidity is 100% for 10 minutes and the relative humidity is 0% (relative humidity of dry nitrogen gas) for 40 minutes. As a cycle, nitrogen was supplied at atmospheric pressure, the hydrogen crossover amount was measured every 10 cycles, and the test was continued until the number of cycles became 10 times or more the hydrogen crossover amount before the wet and dry cycle evaluation.
(2)水素クロスオーバー量測定
燃料電池の温度を70℃に保ち、アノード極とカソード極に、相対湿度100%の条件で、アノード極に水素、カソード極に窒素を大気圧供給し、電圧0.4Vで1時間保持した際の酸化電流の平均値から水素クロスオーバー量を算出した。
(2) Measurement of hydrogen crossover amount Maintaining the temperature of the fuel cell at 70 ° C., supplying hydrogen to the anode electrode and nitrogen to the cathode electrode at atmospheric pressure at a relative humidity of 100% to the anode electrode and the cathode electrode. The hydrogen crossover amount was calculated from the average value of the oxidation current when held at 4 V for 1 hour.
<プロトン伝導度の測定>
得られたプロトン伝導膜を5mm幅の短冊状膜試料に加工し、かかる試料表面に、白金線(直径0.5mm)を押し当て、恒温恒湿装置中に試料を保持し、白金線間の交流インピーダンス測定から交流抵抗を求めた。すなわち、85℃、相対湿度90%の環境下で交流10kHzにおけるインピーダンスを測定した。抵抗測定装置として、(株)NF回路設計ブロック製のケミカルインピーダンス測定システムを用い、恒温恒湿装置には、(株)ヤマト科学製のJW241を使用した。白金線は、5mm間隔に5本押し当てて、線間距離を5〜20mmに変化させ、交流インピーダンスを測定した。交流インピーダンスから、各抵抗線間勾配を測定し、線間距離と抵抗線間勾配から膜の比抵抗を算出し、比抵抗の逆数および膜厚から、プロトン伝導率を算出した。
比抵抗R(Ω・cm)=0.5(cm)×膜厚(cm)×抵抗線間勾配(Ω/cm)
<Measurement of proton conductivity>
The obtained proton conducting membrane is processed into a strip-like membrane sample having a width of 5 mm, a platinum wire (diameter 0.5 mm) is pressed against the surface of the sample, the sample is held in a constant temperature and humidity apparatus, AC resistance was obtained from AC impedance measurement. That is, the impedance at AC 10 kHz was measured in an environment of 85 ° C. and relative humidity 90%. A chemical impedance measurement system manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd. was used as the resistance measurement device, and JW241 manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd. was used as the constant temperature and humidity device. Five platinum wires were pressed at intervals of 5 mm, the distance between the wires was changed to 5 to 20 mm, and the AC impedance was measured. The slope between each resistance line was measured from the AC impedance, the specific resistance of the membrane was calculated from the distance between the lines and the slope between the resistance lines, and the proton conductivity was calculated from the reciprocal of the specific resistance and the film thickness.
Specific resistance R (Ω · cm) = 0.5 (cm) × film thickness (cm) × resistance-to-resistance gradient (Ω / cm)
[合成例1]:疎水性ユニットDの合成
撹拌機、温度計、冷却管、Dean−Stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた1lの三つ口のフラスコに、2,6−ジクロロベンゾニトリル49.4g(0.29mol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン88.4g(0.26mol)、炭酸カリウム47.3g(0.34mol)をはかりとった。窒素置換後、スルホラン346ml、トルエン173mlを加えて攪拌した。フラスコをオイルバスにつけ、150℃に加熱還流させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Dean−Stark管で系外に除去しながら反応させると、約3時間で水の生成がほとんど認められなくなった。反応温度を徐々に上げながら大部分のトルエンを除去した後、200℃で3時間反応を続けた。次に、2,6−ジクロロベンゾニトリル12.3g(0.072mol)を加え、さらに5時間反応した。
[Synthesis Example 1]: Synthesis of hydrophobic unit D 2,6-dichlorobenzonitrile was added to a 1 l three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, a condenser tube, a Dean-Stark tube, and a three-way cock for introducing nitrogen. 49.4 g (0.29 mol), 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane 88.4 g (0.26 mol), potassium carbonate 47.3 g (0.34 mol) was weighed. After substitution with nitrogen, 346 ml of sulfolane and 173 ml of toluene were added and stirred. The flask was placed in an oil bath and heated to reflux at 150 ° C. When water produced by the reaction was azeotroped with toluene and reacted while being removed from the system with a Dean-Stark tube, almost no water was observed in about 3 hours. After removing most of the toluene while gradually raising the reaction temperature, the reaction was continued at 200 ° C. for 3 hours. Next, 12.3 g (0.072 mol) of 2,6-dichlorobenzonitrile was added and reacted for another 5 hours.
得られた反応液を放冷後、トルエン100mlを加えて希釈した。副生した無機化合物の沈殿物を濾過除去し、濾液を2lのメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収し乾燥後、テトラヒドロフラン250mlに溶解した。これをメタノール2lに再沈殿し、目的の化合物107gを得た。 The resulting reaction solution was allowed to cool and then diluted by adding 100 ml of toluene. The precipitate of the inorganic compound produced as a by-product was removed by filtration, and the filtrate was put into 2 l of methanol. The precipitated product was separated by filtration, collected, dried, and dissolved in 250 ml of tetrahydrofuran. This was reprecipitated in 2 l of methanol to obtain 107 g of the objective compound.
得られた目的の化合物のGPC(THF溶媒)で求めたポリスチレン換算の数平均分子量は7300であった。得られた化合物は構造式D−1で表されるオリゴマーであった。 The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (THF solvent) of the obtained target compound was 7300. The obtained compound was an oligomer represented by Structural Formula D-1.
乾燥したN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)540mlを、3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル135.0g(0.336mol)と、合成例1で合成した疎水性ユニットD40.7g(5.6mmol)、2,5−ジクロロ−4'−(1−イミダゾリル)ベンゾフェノン6.71g(16.8mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド6.71g(10.3mmol)、トリフェニルホスフィン35.9g(0.137mol)、ヨウ化ナトリウム1.54g(10.3mmol)、亜鉛53.7g(0.821mol)の混合物中に窒素下で加えた。
反応系を撹拌下に加熱し(最終的には79℃まで加温)、3時間反応させた。反応途中で系中の粘度上昇が観察された。重合反応溶液をDMAc730mlで希釈し、30分撹拌し、セライトを濾過助剤に用い、濾過した。 The reaction system was heated with stirring (finally heated to 79 ° C.) and reacted for 3 hours. An increase in viscosity in the system was observed during the reaction. The polymerization reaction solution was diluted with 730 ml of DMAc, stirred for 30 minutes, and filtered using Celite as a filter aid.
濾液の一部をメタノールに注ぎ、凝固させた。ネオペンチル基で保護されたスルホン酸誘導体からなる共重合体のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)による分子量は、Mn=58,000、Mw=135,300であった。 A part of the filtrate was poured into methanol and solidified. The molecular weight of the copolymer consisting of a sulfonic acid derivative protected with a neopentyl group, as determined by gel permeation chromatography (GPC), was Mn = 58,000 and Mw = 135,300.
前記濾液をエバポレーターで濃縮し、濾液に臭化リチウム43.8g(0.505mol)を加え、内温110℃で7時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、室温まで冷却し、アセトン4lに注ぎ、凝固した。凝固物を濾集、風乾後、ミキサーで粉砕し、1N塩酸1500mlで攪拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物は洗浄液のpHが5以上となるまで、イオン交換水で洗浄後、80℃で一晩乾燥し、目的のポリアリーレン系共重合体23.0gを得た。この脱保護後のポリアリーレン系共重合体の分子量は、Mn=60,000、Mw=175,000であった。このポリマーのイオン交換容量は2.4meq/gであった。得られたポリアリーレン系共重合体D−N1は、構造式D−2で表される化合物である。 The filtrate was concentrated with an evaporator, 43.8 g (0.505 mol) of lithium bromide was added to the filtrate, and the mixture was reacted at an internal temperature of 110 ° C. for 7 hours under a nitrogen atmosphere. After the reaction, the mixture was cooled to room temperature, poured into 4 l of acetone and solidified. The coagulum was collected by filtration, air-dried, pulverized with a mixer, and washed with 1500 ml of 1N hydrochloric acid while stirring. After filtration, the product was washed with ion exchanged water until the pH of the washing solution reached 5 or higher, and then dried at 80 ° C. overnight to obtain 23.0 g of the desired polyarylene copolymer. The molecular weight of the polyarylene copolymer after deprotection was Mn = 60,000 and Mw = 175,000. The ion exchange capacity of this polymer was 2.4 meq / g. The resulting polyarylene copolymer D-N1 is a compound represented by the structural formula D-2.
合成例2で得られたポリアリーレン系共重合体に対し、フッ素系重合体(ポリフッ化ビニリデン;型番301F、エルフ・アトケム社製)が20質量%となるように、N−メチル−2−ピロリドンに溶解してポリマー溶液を得た。得られたポリマー溶液の粘度は6000mPa・sであった。
N-methyl-2-pyrrolidone so that the fluorine-containing polymer (polyvinylidene fluoride; model number 301F, manufactured by Elf Atchem) is 20% by mass with respect to the polyarylene copolymer obtained in Synthesis Example 2. To obtain a polymer solution. The viscosity of the obtained polymer solution was 6000 mPa · s.
得られたポリマー溶液を、PETフィルム上にドクターブレードによりに塗布したのち、乾燥して、プロトン伝導膜を形成した。
得られたプロトン伝導膜を透過型電子顕微鏡で観察したところ、ポリアリーレン系共重合体からなる連続相と含フッ素ポリマーからなる分散相が観察された。分散相の長径平均値は、0.05μmであった。
The obtained polymer solution was applied onto a PET film with a doctor blade and then dried to form a proton conducting membrane.
When the obtained proton conducting membrane was observed with a transmission electron microscope, a continuous phase composed of a polyarylene copolymer and a dispersed phase composed of a fluoropolymer were observed. The average major axis value of the dispersed phase was 0.05 μm.
また、得られたプロトン伝導膜を用いて膜電極複合体および燃料電池を製造し、乾湿サイクル耐久評価を行ったところ、耐久試験前のプロトン伝導率は、0.34S/cm、水素クロスオーバー量は、15mmol/h/cm2であったのに対して、乾湿サイクル試験で200回後の水素クロスオーバー量は、20mmol/h/cm2であり、乾湿サイクル評価前の水素クロスオーバー量の10倍未満であった。乾湿サイクル試験は200回までで終了とした。 In addition, a membrane electrode assembly and a fuel cell were produced using the obtained proton conducting membrane and subjected to a wet and dry cycle durability evaluation. As a result, the proton conductivity before the durability test was 0.34 S / cm, the hydrogen crossover amount. Was 15 mmol / h / cm 2 , whereas the hydrogen crossover amount after 200 cycles in the dry / wet cycle test was 20 mmol / h / cm 2 , which was 10% of the hydrogen crossover amount before the dry / wet cycle evaluation. It was less than double. The dry / wet cycle test was completed up to 200 times.
[実施例2]
合成例2で得られたポリアリーレン系共重合体に対し、フッ素系重合体(テトラフルオロエチレンープロピレン共重合体;太平化成社製)が20質量%となるように、N−メチル−2−ピロリドンに溶解した。ポリマー溶液の粘度は7000mPa・sであった。
[Example 2]
With respect to the polyarylene copolymer obtained in Synthesis Example 2, the N-methyl-2-propylene polymer (tetrafluoroethylene-propylene copolymer; manufactured by Taihei Kasei Co., Ltd.) is 20% by mass. Dissolved in pyrrolidone. The viscosity of the polymer solution was 7000 mPa · s.
得られたポリマー溶液を、PETフィルム上にドクターブレードによりに塗布したのち、乾燥して、プロトン伝導膜を形成した。
得られたプロトン伝導膜を透過型電子顕微鏡で観察したところ、ポリアリーレン系共重合体からなる連続相と含フッ素ポリマーからなる分散相が観察された。分散相の長径平均値は、0.1μmであった。
The obtained polymer solution was applied onto a PET film with a doctor blade and then dried to form a proton conducting membrane.
When the obtained proton conducting membrane was observed with a transmission electron microscope, a continuous phase composed of a polyarylene copolymer and a dispersed phase composed of a fluoropolymer were observed. The long axis average value of the dispersed phase was 0.1 μm.
また、得られたプロトン伝導膜を用いて膜電極複合体および燃料電池を製造し、乾湿サイクル耐久評価を行ったところ、耐久試験前のプロトン伝導率は、0.34S/cm、水素クロスオーバー量は、15mmol/h/cm2であったのに対して、乾湿サイクル試験で200回後の水素クロスオーバー量は、18mmol/h/cm2であり、乾湿サイクル評価前の水素クロスオーバー量の10倍未満であった。乾湿サイクル試験は200回までで終了とした。 In addition, a membrane electrode assembly and a fuel cell were produced using the obtained proton conducting membrane and subjected to a wet and dry cycle durability evaluation. As a result, the proton conductivity before the durability test was 0.34 S / cm, the hydrogen crossover amount. Was 15 mmol / h / cm 2 , whereas the hydrogen crossover amount after 200 cycles in the dry / wet cycle test was 18 mmol / h / cm 2 , which was 10% of the hydrogen crossover amount before the dry / wet cycle evaluation. It was less than double. The dry / wet cycle test was completed up to 200 times.
〔比較例1〕
合成例2で得られたポリアリーレン系共重合体をN−メチル−2−ピロリドンに溶解した。ポリマー溶液の粘度は5000mPa・sであった。
[Comparative Example 1]
The polyarylene copolymer obtained in Synthesis Example 2 was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone. The viscosity of the polymer solution was 5000 mPa · s.
得られたポリマー溶液を、PETフィルム上にドクターブレードによりに塗布したのち、乾燥して、表面にイオン交換樹脂層を形成した。
得られたプロトン伝導膜を用いて膜電極複合体および燃料電池を製造し、乾湿サイクル耐久評価を行ったところ、耐久試験前のプロトン伝導率は、0.33S/cm、水素クロスオーバー量は、14mmol/h/cm2であったのに対して、乾湿サイクル試験30回で水素クロスオーバー量は、154mmol/h/cm2となり、乾湿サイクル評価前の水素クロスオーバー量の10倍以上となった。
The obtained polymer solution was applied onto a PET film with a doctor blade and then dried to form an ion exchange resin layer on the surface.
Using the obtained proton conducting membrane, a membrane electrode assembly and a fuel cell were produced and subjected to a wet and dry cycle durability evaluation. As a result, the proton conductivity before the durability test was 0.33 S / cm, and the hydrogen crossover amount was whereas there was a 14mmol / h / cm 2, hydrogen crossover amount dry-wet cycle test 30 times became 154mmol / h / cm 2, and the wet-dry cycle costing 10 times or more of the preceding hydrogen crossover amount .
Claims (11)
下記式(13)で表されるスルホン酸基を有する構成単位とを含むポリアリーレン系共重合体と、
[B]含フッ素ポリマーとを含有するプロトン伝導膜であって、
[A]ポリアリーレン系共重合体からなる連続相と[B]含フッ素ポリマーからなる分散相を有していることを特徴とするプロトン伝導膜。
各構成単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構成単位との接続を意味する。] [A] a condensed aromatic ring structural unit represented by the formula (2);
A polyarylene-based copolymer comprising a structural unit having a sulfonic acid group represented by the following formula (13);
[B] a proton conducting membrane containing a fluorine-containing polymer,
[A] A proton conducting membrane having a continuous phase composed of a polyarylene copolymer and a dispersed phase composed of [B] a fluorine-containing polymer.
Of the single wires at the end of each structural unit, one not having a substituent displayed on one side means connection with an adjacent structural unit. ]
Dは直接結合、−O−、−CO−、−(CH2)j−(jは1〜10の整数である)および−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水素基を示す)からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、
Phは縮合芳香族環を有する2価の基を示し、R1〜R20は互いに同一であっても異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基およびニトリル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基を示す。
lは0〜4の整数を示し、qは2以上の整数を示す。tは0〜4の整数を示す。
n、pは各構成単位の組成比を示し、pは0から1であり、n+p=1である。
構成単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構成単位との接続を意味する。] The proton conductive membrane according to any one of claims 1 to 6, wherein the condensed aromatic ring structural unit is represented by the following formula (3):
D is a direct bond, —O—, —CO—, — (CH 2 ) j — (j is an integer of 1 to 10) and —CR ′ 2 — (R ′ is an aliphatic hydrocarbon group, aromatic carbonization. Represents at least one structure selected from the group consisting of a hydrogen group or a halogenated hydrocarbon group),
Ph represents a divalent group having a condensed aromatic ring, R 1 to R 20 may be the same or different from each other, and a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a part or all of them are halogenated. And at least one atom or group selected from the group consisting of a halogenated alkyl group, an allyl group, an aryl group, a nitro group and a nitrile group.
l represents an integer of 0 to 4, and q represents an integer of 2 or more. t shows the integer of 0-4.
n and p show the composition ratio of each structural unit, p is 0 to 1, and n + p = 1.
Among the single lines at the end of the structural unit, those not having a substituent displayed on one side mean connection with the adjacent structural unit. ]
Pは下記式(5−1)〜(5−3)で表される構造から選ばれる少なくとも1種の構造であり、
Phは下記式(6)で表される構造である。
qは2以上の整数を示す。tは0〜4の整数を示す。
n、pは各構成単位の組成比を示し、pは0から1であり、n+p=1である。
構成単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構成単位との接続を意味する。]
P is at least one structure selected from structures represented by the following formulas (5-1) to (5-3),
Ph is a structure represented by the following formula (6).
q represents an integer of 2 or more. t shows the integer of 0-4.
n and p show the composition ratio of each structural unit, p is 0 to 1, and n + p = 1.
Among the single lines at the end of the structural unit, those not having a substituent displayed on one side mean connection with the adjacent structural unit. ]
溶媒に溶解ないし分散した後、製膜することを特徴とする[A]ポリアリーレン系共重合体からなる連続相と[B]含フッ素ポリマーからなる分散相を有するプロトン伝導膜の製造方法。 [A] a polyarylene copolymer comprising a condensed aromatic ring structural unit represented by the formula (2) and a structural unit having a sulfonic acid group represented by the formula (13); [B] a fluorine-containing polymer,
A method for producing a proton conducting membrane having a continuous phase composed of [A] a polyarylene copolymer and a dispersed phase composed of [B] a fluorine-containing polymer, wherein the membrane is formed after being dissolved or dispersed in a solvent.
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