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JP5067083B2 - POLYMER ELECTROLYTE MATERIAL, POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, MEMBRANE ELECTRODE COMPOSITION AND POLYMER ELECTROLYTE TYPE FUEL CELL USING SAME - Google Patents
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POLYMER ELECTROLYTE MATERIAL, POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, MEMBRANE ELECTRODE COMPOSITION AND POLYMER ELECTROLYTE TYPE FUEL CELL USING SAME Download PDF

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Description

本発明は、高出力、高エネルギー容量および長期耐久性を達成することができる実用性に優れた高分子電解質材料、ならびにそれを用いた高分子電解質膜、膜電極複合体および高分子電解質型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte material excellent in practical use capable of achieving high output, high energy capacity, and long-term durability, and a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel using the same It relates to batteries.

燃料電池は、水素、メタノールなどの燃料を電気化学的に酸化することによって、電気エネルギーを取り出す一種の発電装置であり、近年、クリーンなエネルギー供給源として注目されている。なかでも高分子電解質型燃料電池は、標準的な作動温度が100℃前後と低く、かつ、エネルギー密度が高いことから、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として幅広い応用が期待されている。また、小型移動機器、携帯機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、携帯電話やパソコンなどへの搭載が期待されている。   BACKGROUND ART A fuel cell is a kind of power generation device that extracts electrical energy by electrochemically oxidizing a fuel such as hydrogen or methanol, and has recently attracted attention as a clean energy supply source. In particular, the polymer electrolyte fuel cell has a low standard operating temperature of around 100 ° C. and a high energy density, so that it is a relatively small-scale distributed power generation facility, a mobile power generator such as an automobile or a ship. As a wide range of applications are expected. It is also attracting attention as a power source for small mobile devices and portable devices, and is expected to be installed in mobile phones and personal computers in place of secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries.

高分子電解質型燃料電池においては、水素ガスを燃料とする従来の高分子電解質型燃料電池(以下、PEFCと記載する)に加えて、メタノールを直接供給するダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCと記載する)も注目されている。DMFCは燃料が液体で改質器を用いないために、エネルギー密度が高くなり一充填あたりの携帯機器の使用時間が長時間になるという利点がある。   In polymer electrolyte fuel cells, in addition to conventional polymer electrolyte fuel cells that use hydrogen gas as fuel (hereinafter referred to as PEFC), direct methanol fuel cells that supply methanol directly (hereinafter referred to as DMFC) It is also attracting attention. Since DMFC is liquid and does not use a reformer, it has the advantage that the energy density is high and the usage time of the portable device per filling is long.

燃料電池は通常、発電を担う反応の起こるアノードとカソードの電極と、アノードとカソード間のプロトン伝導体となる高分子電解質膜とが、膜電極複合体(以降、MEAと略称することがある。)を構成し、このMEAがセパレータによって挟まれたセルをユニットとして構成されている。ここで、電極は、ガス拡散の促進と集(給)電を行う電極基材(ガス拡散電極あるいは集電体とも云う)と、実際に電気化学的反応場となる電極触媒層とから構成されている。例えば、高分子電解質型燃料電池のアノード極では、水素ガスなどの燃料がアノード電極の触媒層で反応してプロトンと電子を生じ、電子は電極基材に伝導し、プロトンは高分子電解質膜へと伝導する。このため、アノード電極には、ガスの拡散性、電子伝導性、イオン伝導性が良好なことが要求される。一方、カソード電極では、酸素や空気などの酸化ガスがカソード電極の触媒層で、高分子電解質膜から伝導してきたプロトンと、電極基材から伝導してきた電子とが反応して水を生成する。このため、カソード電極においては、ガス拡散性、電子伝導性、イオン伝導性とともに、生成した水を効率よく排出することも必要になる。   In a fuel cell, an anode electrode and a cathode electrode in which a reaction responsible for power generation occurs, and a polymer electrolyte membrane serving as a proton conductor between the anode and the cathode are sometimes referred to as a membrane electrode assembly (hereinafter, abbreviated as MEA). ) And a cell in which this MEA is sandwiched between separators is configured as a unit. Here, the electrode is composed of an electrode substrate (also referred to as a gas diffusion electrode or a current collector) that promotes gas diffusion and collects (supply) electricity, and an electrode catalyst layer that actually becomes an electrochemical reaction field. ing. For example, in the anode electrode of a polymer electrolyte fuel cell, a fuel such as hydrogen gas reacts in the catalyst layer of the anode electrode to generate protons and electrons, which are conducted to the electrode substrate, and the protons flow to the polymer electrolyte membrane. Conducted with. For this reason, the anode electrode is required to have good gas diffusibility, electron conductivity, and ion conductivity. On the other hand, in the cathode electrode, an oxidizing gas such as oxygen or air is reacted with protons conducted from the polymer electrolyte membrane and electrons conducted from the electrode base material in the catalyst layer of the cathode electrode to produce water. For this reason, in the cathode electrode, it is necessary to efficiently discharge the generated water in addition to gas diffusibility, electron conductivity, and ion conductivity.

高分子電解質膜の要求特性としては、第一に高いプロトン伝導性があげられる。また、高分子電解質膜は、燃料と酸素の直接反応を防止するバリアとしての機能を担うため、燃料の低透過性が要求される。特に、メタノールなどの有機溶媒を燃料とするDMFC用高分子電解質膜においては、メタノール透過はメタノールクロスオーバー(以降、MCOと略称することがある。)と呼ばれ、電池出力およびエネルギー効率の低下という問題を引き起こす。その他の要求特性としては、燃料電池運転中の強い酸化雰囲気に耐えるための化学的安定性、薄膜化や膨潤乾燥の繰り返しに耐えうる機械強度などを挙げることができる。   As the required characteristics of the polymer electrolyte membrane, firstly, high proton conductivity can be mentioned. In addition, since the polymer electrolyte membrane functions as a barrier that prevents direct reaction between the fuel and oxygen, low permeability of the fuel is required. In particular, in a polymer electrolyte membrane for DMFC that uses an organic solvent such as methanol as fuel, methanol permeation is called methanol crossover (hereinafter sometimes abbreviated as MCO), which means that battery output and energy efficiency are reduced. Cause problems. Other required characteristics include chemical stability to withstand a strong oxidizing atmosphere during fuel cell operation and mechanical strength to withstand repeated thinning and swelling and drying.

これまで高分子電解質膜には、高分子電解質材料として、パーフルオロスルホン酸系ポリマーであるナフィオン(登録商標)(Nafion(登録商標):デュポン社製)が広く用いられてきた。ナフィオン(登録商標)は多段階合成を経て製造されるため非常に高価であり、かつ、クラスター構造を形成するために燃料クロスオーバーが大きいという課題があった。また、耐熱水性や耐熱メタノール性が不足するため、膨潤乾燥によって作成した膜の機械強度が低下するという問題や軟化点が低く高温で使用できないという問題、さらに、使用後の廃棄処理の問題や材料のリサイクルが困難といった課題もあった。そこで、これら高分子電解質型燃料電池の実用化のためには安価で燃料クロスオーバーの抑制された高分子電解質材料が市場から望まれていた。   Conventionally, Nafion (registered trademark) (Nafion (registered trademark): manufactured by DuPont), which is a perfluorosulfonic acid polymer, has been widely used for polymer electrolyte membranes as a polymer electrolyte material. Nafion (registered trademark) is very expensive because it is manufactured through multi-step synthesis, and there is a problem that fuel crossover is large to form a cluster structure. In addition, due to the lack of hot water resistance and methanol resistance, there is a problem that the mechanical strength of the film made by swelling and drying is lowered, a problem that the softening point is low and the film cannot be used at a high temperature, and a disposal problem and materials after use. There was also a problem that it was difficult to recycle. Therefore, in order to put these polymer electrolyte fuel cells into practical use, polymer electrolyte materials that are inexpensive and have suppressed fuel crossover have been desired from the market.

ここで、耐熱水性、耐熱メタノール性に優れるとはそれぞれ高温水中、高温メタノール中での寸法変化(膨潤)が小さいことを意味する。この寸法変化が大きい場合には、高分子電解質膜として使用している途中に膜が破損してしまったり、膨潤で電極触媒層と剥離し、抵抗が大きくなるので好ましくない。これら耐熱水性、耐熱メタノール性の特性はいずれも高分子電解質型燃料電池に使用される高分子電解質材料に要求される重要な特性である。   Here, being excellent in hot water resistance and heat resistant methanol property means that the dimensional change (swelling) in high temperature water and high temperature methanol is small. If this dimensional change is large, the membrane may be broken during use as a polymer electrolyte membrane, or it may swell and peel from the electrode catalyst layer, resulting in an increase in resistance. These hot water resistance and hot methanol properties are both important characteristics required for polymer electrolyte materials used in polymer electrolyte fuel cells.

このような欠点を克服するために、非パーフルオロ系ポリマーである炭化水素系ポリマーを高分子電解質材料として用いることについても既にいくつかの取り組みがなされている。炭化水素系ポリマーとしては、耐熱性、化学的安定性の点から芳香族ポリエーテルケトンや芳香族ポリエーテルスルホンについて特に活発に検討がなされてきた。   In order to overcome such drawbacks, some efforts have already been made to use a hydrocarbon-based polymer, which is a non-perfluoro-based polymer, as a polymer electrolyte material. As hydrocarbon polymers, aromatic polyether ketones and aromatic polyether sulfones have been particularly actively studied from the viewpoints of heat resistance and chemical stability.

例えば、芳香族ポリエーテルケトンである、難溶性の芳香族ポリエーテルエーテルケトン(ビクトレックス(登録商標)PEEK(登録商標)(ビクトレックス社製)等があげられる。)のスルホン化物(例えば、非特許文献1参照。)、芳香族ポリエーテルスルホンである狭義のポリスルホン(以降、PSFと略称することがある。)(UDEL P−1700(アモコ社製)等があげられる)や狭義のポリエーテルスルホン(以降、PESと略称することがある。)(スミカエクセル(登録商標)PES(住友化学社製)等があげられる)のスルホン化物(例えば、非特許文献2)等が報告されたが、高温高湿下でポリマーが膨潤する問題を抱えており、特にメタノールなど燃料水溶液中やスルホン酸密度が高くなる組成においてはその傾向が顕著であった。   For example, a sulfonated product (for example, non-soluble aromatic polyetheretherketone (Victrex (registered trademark) PEEK (registered trademark) (manufactured by Victrex), etc.)), which is an aromatic polyetherketone, is used. Patent Document 1), a narrowly defined polysulfone that is an aromatic polyethersulfone (hereinafter sometimes abbreviated as PSF) (UDEL P-1700 (manufactured by Amoco) and the like) and a narrowly defined polyethersulfone. (Hereafter, it may be abbreviated as PES.) Sulfonated products (for example, Non-Patent Document 2) of SUMIKAEXCEL (registered trademark) PES (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) have been reported. There is a problem that the polymer swells under high humidity, especially in a fuel aqueous solution such as methanol or in a composition where the sulfonic acid density is high. Direction was remarkable.

また、これらポリマーのスルホン化反応(高分子反応)により芳香環上にスルホン酸基を導入する方法では、ポリマー中に導入するスルホン酸基の量および位置を精密に制御できないという問題点を有していた。これを改善する方法として、スルホン酸基を導入したモノマーを用いた重合により得た、スルホン酸基量が制御されたスルホン化芳香族ポリエーテルスルホンの報告がなされている(例えば、非特許文献1参照)。しかしながら、ここにおいても高温高湿下でポリマーが膨潤する問題は改善されず、特にメタノールなど燃料水溶液中やスルホン酸密度が高くなる組成においてはその傾向が顕著で、このような耐熱水性や耐熱メタノール性に劣るポリマーからなる電解質膜ではメタノールなどの燃焼クロスオーバーや膨潤を十分に抑制することは困難であった。   In addition, the method of introducing sulfonic acid groups onto the aromatic ring by sulfonation reaction (polymer reaction) of these polymers has a problem that the amount and position of the sulfonic acid groups introduced into the polymer cannot be precisely controlled. It was. As a method for improving this, a sulfonated aromatic polyether sulfone having a controlled amount of sulfonic acid group obtained by polymerization using a monomer having a sulfonic acid group introduced therein has been reported (for example, Non-Patent Document 1). reference). However, the problem that the polymer swells under high temperature and high humidity is not improved here either, especially in a fuel aqueous solution such as methanol or in a composition having a high sulfonic acid density. It has been difficult to sufficiently suppress combustion crossover and swelling of methanol or the like with an electrolyte membrane made of a polymer having poor properties.

膨潤を抑制する方策の一つとして、塩基性ポリマーとの混合が行われている。これは、ポリマー中のスルホン酸基などの酸性基を、塩基性ポリマーによって架橋することで膨潤を抑制しようとするものである。例えば、スルホン酸基を有するポリエーテルスルホンやスルホン酸基を有するポリエーテルエーテルケトン(酸性ポリマー)とポリベンズイミダゾール(塩基性ポリマー)との混合物(特許文献1参照)などが知られている。しかしながら、異なるポリマーを分子レベルで混合することは通常困難であり、プロトン伝導性、燃料クロスオーバー、機械特性の全てに優れた膜を作製することは出来ていなかった。特許文献2では、酸性基を有するポリベンズオキサゾールと酸性基を有する塩基性ポリマーとのブレンドポリマーである高分子電解質材料が記載されているが、塩基性基の導入量が制御できておらず、プロトンが塩基性基にトラップされ、十分なプロトン伝導性が得られていなかった。さらに、特許文献3では、酸性基を有するモノマーと塩基性基を有するモノマーとを共重合させて得られるポリマーについて記載されているが、脂肪族系ポリマーであること、架橋性モノマーを添加せざるを得ないほど膨潤が大きいことから、これらのポリマーからなる膜の機械強度や耐熱水性が十分ではなかった。   As one of the measures for suppressing the swelling, mixing with a basic polymer is performed. This is intended to suppress swelling by crosslinking acidic groups such as sulfonic acid groups in the polymer with a basic polymer. For example, a polyethersulfone having a sulfonic acid group or a mixture of a polyetheretherketone having a sulfonic acid group (acidic polymer) and polybenzimidazole (basic polymer) (see Patent Document 1) is known. However, it is usually difficult to mix different polymers at the molecular level, and it has not been possible to produce a membrane having excellent proton conductivity, fuel crossover, and mechanical properties. Patent Document 2 describes a polymer electrolyte material that is a blend polymer of a polybenzoxazole having an acidic group and a basic polymer having an acidic group, but the introduction amount of the basic group cannot be controlled, Protons were trapped in the basic group, and sufficient proton conductivity was not obtained. Furthermore, Patent Document 3 describes a polymer obtained by copolymerizing a monomer having an acidic group and a monomer having a basic group. However, the polymer is an aliphatic polymer, and a crosslinkable monomer must be added. Therefore, the mechanical strength and hot water resistance of membranes made of these polymers were not sufficient.

このように、従来技術による高分子電解質材料は経済性、加工性、プロトン伝導性、燃料クロスオーバー、機械強度、ひいては長期耐久性を向上する手段としては不十分であり、産業上有用な燃料電池用高分子電解質材料とはなり得ていなかった。
「ポリマー」(Polymer), 1987, vol. 28, 1009. 「ジャーナル オブ メンブレンサイエンス」(Journal of MembraneScience), 83 (1993) 211-220. 国際公開特許公報W099/54389号公報 特開2003−022709号公報 特開2006−024552号公報
As described above, the polymer electrolyte material according to the prior art is insufficient as a means for improving economy, workability, proton conductivity, fuel crossover, mechanical strength, and long-term durability, and is an industrially useful fuel cell. It could not be a polymer electrolyte material for use.
"Polymer", 1987, vol. 28, 1009. “Journal of Membrane Science”, 83 (1993) 211-220. International Patent Publication No. W099 / 54389 JP 2003-022709 A JP 2006-024552 A

本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、高プロトン伝導度と低燃料クロスオーバーを両立し、機械強度、耐熱水性、耐熱メタノール性に優れる上に、高分子電解質型燃料電池としたときに高出力、高エネルギー密度、長期耐久性を達成することができる高分子電解質材料、およびそれからなる高分子電解質膜、膜電極複合体ならびに高分子電解質型燃料電池を提供せんとするものである。   In view of the background of such prior art, the present invention achieves both high proton conductivity and low fuel crossover, is excellent in mechanical strength, hot water resistance, and hot methanol resistance, and has a high polymer electrolyte fuel cell. It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte material that can achieve output, high energy density, and long-term durability, and a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell comprising the same.

本発明は、上記課題を解決するため次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明の高分子電解質材料は、少なくとも酸性基を有するモノマー構造、主鎖に塩基性基を有するモノマー構造および中性モノマー構造を共重合体構造として含有し、酸性基を有するモノマー構造が下記一般式(Q1−s)で表される構造であり、塩基性基が下記一般式(N1)〜(N8)から選ばれる窒素を含む複素環であることを特徴とするイオン性基含有高分子電解質材料である。また、本発明の高分子電解質膜、膜電極複合体および高分子電解質型燃料電池は、かかる高分子電解質材料を用いて構成されていることを特徴とするものである。

Figure 0005067083
(一般式(Q1−s)中、Xは−CO−、−SO−、または−P(Rp)O−(Rpは任意の有酸基)、MおよびMは水素、金属カチオン、アンモニウムカチオン、a1およびa2は1〜4の整数を表す。)
Figure 0005067083
The present invention employs the following means in order to solve the above problems. That is, the polymer electrolyte material of the present invention contains at least a monomer structure having an acidic group, a monomer structure having a basic group in the main chain, and a neutral monomer structure as a copolymer structure, and has a monomer structure having an acidic group. The structure represented by the following general formula (Q1-s), wherein the basic group is a heterocyclic ring containing nitrogen selected from the following general formulas (N1) to (N8): It is a molecular electrolyte material. In addition, the polymer electrolyte membrane, the membrane electrode assembly and the polymer electrolyte fuel cell of the present invention are characterized by using such a polymer electrolyte material.
Figure 0005067083
(In the general formula (Q1 -s), X 1 is -CO -, - SO 2 -, or -P (Rp) O- (Rp any Yusanmoto is), M 1 and M 2 is hydrogen, a metal cation , Ammonium cation, a1 and a2 represent an integer of 1 to 4.)
Figure 0005067083

本発明によれば、プロトン伝導性に優れ、かつ燃料遮断性、機械強度、耐熱水性、耐熱メタノール性、加工性、化学的安定性に優れた、高出力、高エネルギー容量および長期耐久性を達成することができる実用性に優れた高分子電解質材料、ならびにそれを用いた高性能な高分子電解質膜、膜電極複合体および固体高分子型燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, high output, high energy capacity and long-term durability are achieved with excellent proton conductivity, excellent fuel cutoff, mechanical strength, hot water resistance, heat resistance methanol resistance, processability, and chemical stability. It is possible to provide a polymer electrolyte material excellent in practicality that can be used, and a high-performance polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly and a solid polymer fuel cell using the same.

以下、本発明について詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明は、前記課題、つまり、プロトン伝導性に優れ、かつ燃料遮断性、機械強度、耐熱水性、耐熱メタノール性、加工性、化学的安定性に優れる上に、固体高分子型燃料電池に用いられたときに高出力、高エネルギー密度および長期耐久性を達成することができる高分子電解質材料について、鋭意検討し、少なくとも酸性基を有するモノマー構造、主鎖に塩基性基を有するモノマー構造および中性モノマー構造を共重合体構造として含有し、酸性基を有するモノマー構造が上記一般式(Q1−s)で表される構造であり、塩基性基が上記一般式(N1)〜(N8)から選ばれる窒素を含む複素環であることを特徴とするイオン性基含有高分子電解質材料を使用した場合に、かかる課題を一挙に解決することを究明したものである。 The present invention is excellent in proton conductivity, fuel cutoff, mechanical strength, hot water resistance, hot methanol resistance, processability, and chemical stability, and is used for a polymer electrolyte fuel cell. As a polymer electrolyte material that can achieve high output, high energy density and long-term durability, the monomer structure having at least an acidic group, the monomer structure having a basic group in the main chain, and a medium The monomer structure containing a basic monomer structure as a copolymer structure and having an acidic group is a structure represented by the general formula (Q1-s), and the basic group is represented by the general formulas (N1) to (N8). when using an ionic group-containing polymer electrolyte material characterized heterocyclic der Rukoto containing nitrogen chosen is obtained by investigation to solve such problems at a stroke.

本発明の高分子電解質材料は、単にポリマーとして酸性基とともに塩基性基を導入するのでなく、共重合体構造として酸性基を有するモノマー構造、主鎖に塩基性基を有するモノマー構造および中性モノマー構造を導入することにより、分子レベルで酸塩基の導入位置、導入量および導入比や酸性基と塩基性基の酸・塩基相互作用を厳密に制御し、高プロトン伝導性を維持したまま、高分子電解質材料の膨潤を抑制することを実現した。その結果、高温・高湿下やメタノールなどの燃料水溶液中での寸法安定性や機械強度に優れ、高プロトン伝導性と燃料クロスオーバー抑制を両立できた。また、イオン架橋によって耐溶剤性にも優れることから、高濃度メタノールを燃料として用いることが可能となる。さらに、塩基性基を主鎖に導入することにより、優れた化学的安定性と強靱な物性を達成することが可能となる。   The polymer electrolyte material of the present invention does not simply introduce a basic group together with an acidic group as a polymer, but a monomer structure having an acidic group as a copolymer structure, a monomer structure having a basic group in the main chain, and a neutral monomer By introducing the structure, the introduction position, introduction amount and introduction ratio of the acid base and the acid / base interaction between the acidic group and the basic group are strictly controlled at the molecular level, and high proton conductivity is maintained while maintaining high proton conductivity. Suppression of swelling of molecular electrolyte material was realized. As a result, it was excellent in dimensional stability and mechanical strength in high-temperature and high-humidity fuel solutions such as methanol, and achieved both high proton conductivity and suppression of fuel crossover. In addition, since the solvent resistance is excellent due to ionic crosslinking, it is possible to use high-concentration methanol as a fuel. Furthermore, it is possible to achieve excellent chemical stability and tough physical properties by introducing a basic group into the main chain.

本発明の高分子電解質材料および高分子電解質膜に用いられるイオン性基含有ポリマーは炭化水素系ポリマーであることがより好ましい。本発明でいうイオン性基含有炭化水素系ポリマーとは、パーフルオロ系ポリマー以外のイオン性基を有するポリマーのことを意味している。   The ionic group-containing polymer used in the polymer electrolyte material and the polymer electrolyte membrane of the present invention is more preferably a hydrocarbon polymer. The ionic group-containing hydrocarbon polymer referred to in the present invention means a polymer having an ionic group other than a perfluoro polymer.

ここで、パーフルオロ系ポリマーとは、該ポリマー中のアルキル基および/またはアルキレン基の水素の大部分または全部がフッ素原子に置換されたものを意味する。本明細書においては、ポリマー中のアルキル基および/またはアルキレン基の水素の85%以上がフッ素原子で置換されたポリマーを、パーフルオロ系ポリマーと定義する。   Here, the perfluoro polymer means a polymer in which most or all of the hydrogen atoms of the alkyl group and / or alkylene group in the polymer are substituted with fluorine atoms. In the present specification, a polymer in which 85% or more of hydrogen of an alkyl group and / or an alkylene group in a polymer is substituted with a fluorine atom is defined as a perfluoro polymer.

本発明のイオン性基を有するパーフルオロ系ポリマーの代表例としては、Nafion(登録商標)(デュポン社製)、フレミオン(登録商標)(旭硝子社製)およびアシプレックス(登録商標)(旭化成社製)などの市販品を挙げることができる。これらのイオン性基を有するパーフルオロ系ポリマーの構造は下記一般式(N1)で表すことができる。   Representative examples of the perfluoro polymer having an ionic group of the present invention include Nafion (registered trademark) (manufactured by DuPont), Flemion (registered trademark) (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and Aciplex (registered trademark) (manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.). ) And other commercial products. The structure of the perfluoro polymer having these ionic groups can be represented by the following general formula (N1).

Figure 0005067083
Figure 0005067083

[式(N1)中、n1、n2はそれぞれ独立に自然数を表す。k1およびk2はそれぞれ独立に0〜5の整数を表す。]
これらイオン性基を有するパーフルオロ系ポリマーは、ポリマー中の疎水性部分と親水性部分が明確な相構造を形成するために、含水状態ではポリマー中にクラスターと呼ばれる水のチャンネルが形成される。この水チャンネル中はメタノールなどの燃料の移動が容易であり、燃料クロスオーバー低減が望めない。嵩高い側鎖のために、示差走査熱量分析法で結晶化ピークは認められないので好ましくない。また、ポリマー分子鎖のパッキングが悪いために、引裂強度や引張破断強度が小さいので好ましくない。
[In Formula (N1), n1 and n2 each independently represents a natural number. k1 and k2 each independently represents an integer of 0 to 5. ]
In the perfluoro-based polymer having these ionic groups, a hydrophobic portion and a hydrophilic portion in the polymer form a clear phase structure, so that a water channel called a cluster is formed in the polymer in a water-containing state. In such a water channel, fuel such as methanol can easily move, and a reduction in fuel crossover cannot be expected. Due to the bulky side chain, no crystallization peak is observed in the differential scanning calorimetry, which is not preferable. Moreover, since the packing of the polymer molecular chain is poor, the tear strength and tensile strength at break are small, which is not preferable.

本発明の高分子電解質材料は、耐熱水性や機械強度などの点から、炭化水素系ポリマーの中でも主鎖に芳香環を有するポリマーがさらに好ましい。すなわち、主鎖に芳香環を有するポリマーであって、酸性基を有するものである。主鎖構造は、芳香環を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばエンジニアリングプラスチックとして使用されるような十分な機械強度を有するものが好ましい。   The polymer electrolyte material of the present invention is more preferably a polymer having an aromatic ring in the main chain among hydrocarbon polymers from the viewpoint of hot water resistance and mechanical strength. That is, it is a polymer having an aromatic ring in the main chain and having an acidic group. The main chain structure is not particularly limited as long as it has an aromatic ring, but preferably has a sufficient mechanical strength to be used, for example, as an engineering plastic.

本発明の高分子電解質材料に使用する主鎖に芳香環を有するポリマーの具体例としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリアリーレンホスフィンホキシド、ポリエーテルホスフィンホキシド、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドスルホン等の構成成分の少なくとも1種を含むポリマーが挙げられる。なお、ここでいうポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン等は、その分子鎖にスルホン結合、エーテル結合、ケトン結合を有しているポリマーの総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどを含むとともに、特定のポリマー構造を限定するものではない。   Specific examples of the polymer having an aromatic ring in the main chain used in the polymer electrolyte material of the present invention include polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyarylene ether-based polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, Composition of polyarylene polymer, polyarylene ketone, polyether ketone, polyarylene phosphine oxide, polyether phosphine oxoxide, polybenzoxazole, polybenzthiazole, polybenzimidazole, polyamide, polyimide, polyetherimide, polyimidesulfone, etc. Examples include polymers containing at least one of the components. Polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, and the like referred to here are generic names for polymers having a sulfone bond, an ether bond, and a ketone bond in the molecular chain thereof. Polyetherketoneketone, polyetheretherketone, It includes polyether ether ketone ketone, polyether ketone ether ketone ketone, polyether ketone sulfone and the like, and does not limit the specific polymer structure.

前記主鎖に芳香環を有するポリマーのなかでも、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリアリーレンホスフィンホキシド、ポリエーテルホスフィンホキシド等のポリマーが、機械強度、加工性および耐加水分解性の面からより好ましい。具体的には下記一般式(T1)で示される繰返し単位を有する主鎖に芳香族を含有するポリマーが挙げられる。   Among the polymers having an aromatic ring in the main chain, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyarylene ether polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyarylene ketone, polyether ketone, polyarylene phosphine hydroxide, poly A polymer such as ether phosphine oxide is more preferable from the viewpoint of mechanical strength, processability and hydrolysis resistance. Specifically, a polymer containing an aromatic group in the main chain having a repeating unit represented by the following general formula (T1) can be given.

Figure 0005067083
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(ここで、Z、Zは芳香環を含む有機基を表し、それぞれが2種類以上の基を表しても良い。ZおよびZの少なくとも1種のうち、少なくとも一部は酸性基を含有する。Yは電子吸引性基を表す。YはOまたはSを表す。aおよびbはそれぞれ独立に0または正の整数を表し、ただしaとbは同時に0ではない。)
かかる一般式(T1)で示される繰返し単位を有する主鎖に芳香族を含有するポリマーの中でも、一般式(T1−1)〜一般式(T1−6)で示される繰返し単位を有するポリマーは耐加水分解性、機械強度および製造コストの点でより好ましい。なかでも、機械強度や製造コストの面から、YがOである芳香族ポリエーテル系重合体がさらに好ましく、最も好ましくは一般式(T1−3)で示される繰返し単位を有するもの、すなわち、芳香族ポリエーテルケトン系重合体が最も好ましい。
(Here, Z 1 and Z 2 each represents an organic group containing an aromatic ring, and each of them may represent two or more groups. At least a part of at least one of Z 1 and Z 2 is an acidic group. Y 1 represents an electron-withdrawing group, Y 2 represents O or S. a and b each independently represent 0 or a positive integer, provided that a and b are not 0 at the same time.)
Among the polymers containing aromatic groups in the main chain having the repeating unit represented by the general formula (T1), the polymers having the repeating units represented by the general formula (T1-1) to the general formula (T1-6) are resistant to It is more preferable in terms of hydrolyzability, mechanical strength and production cost. Among them, from the viewpoint of mechanical strength and production cost, an aromatic polyether polymer in which Y 2 is O is more preferable, and most preferably has a repeating unit represented by the general formula (T1-3), that is, Aromatic polyether ketone polymers are most preferred.

Figure 0005067083
Figure 0005067083

(ここで、Z、Zは芳香環を含む有機基を表し、それぞれが2種類以上の基を表しても良い。ZおよびZの少なくとも1種のうち、少なくとも一部は酸性基を含有する。aおよびbはそれぞれ独立に0または正の整数を表し、ただしaとbは同時に0ではない。)
として好ましい有機基は、フェニレン基およびナフチレン基である。これらは置換されていてもよい。
(Here, Z 1 and Z 2 each represents an organic group containing an aromatic ring, and each of them may represent two or more groups. At least a part of at least one of Z 1 and Z 2 is an acidic group. A and b each independently represent 0 or a positive integer, provided that a and b are not 0 at the same time.)
Preferred organic groups as Z 1 are a phenylene group and a naphthylene group. These may be substituted.

一般式(T1−4)におけるRで示される有機基の好ましい例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ノルボルニル基、ビニル基、アリル基、ベンジル基、フェニル基、ナフチル基、フェニルフェニル基などである。工業的な入手の容易さの点ではRとして最も好ましいのはフェニル基である。 Preferred examples of the organic group represented by R p in the general formula (T1-4) include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, a norbornyl group, a vinyl group, an allyl group, and a benzyl group. A phenyl group, a naphthyl group, a phenylphenyl group, and the like. From the viewpoint of industrial availability, the most preferable R p is a phenyl group.

本発明において、芳香族ポリエーテル系重合体とは、主として芳香環から構成される重合体において、芳香環ユニットが連結する様式としてエーテル結合が含まれているものをいう。エーテル結合以外に、直接結合、ケトン、スルホン、スルフィド、各種アルキレン、イミド、アミド、エステル、ウレタン等、芳香族系ポリマーの形成に一般的に使用される結合様式が存在していても良い。エーテル結合は主構成成分の繰り返し単位あたり1個以上あることが好ましい。芳香環は炭化水素系芳香環だけでなく、ヘテロ環などを含んでいても良い。また、芳香環ユニットと共に一部脂肪族系ユニットがポリマーを構成していてもかまわない。芳香族ユニットは、アルキル基、アルコキシ基、芳香族基、アリロキシ基等の炭化水素系基、ハロゲン基、ニトロ基、シアノ基、アミノ基、ハロゲン化アルキル基、カルボキシル基、ホスホン酸基、水酸基等、任意の置換基を有していても良い。   In the present invention, the aromatic polyether-based polymer refers to a polymer mainly composed of an aromatic ring and containing an ether bond as a mode in which the aromatic ring units are connected. In addition to the ether bond, there may be a bond mode generally used for forming an aromatic polymer such as a direct bond, ketone, sulfone, sulfide, various alkylenes, imides, amides, esters, and urethanes. The ether bond is preferably at least one per repeating unit of the main constituent component. The aromatic ring may include not only a hydrocarbon aromatic ring but also a hetero ring. Further, a part of the aliphatic units may constitute a polymer together with the aromatic ring unit. Aromatic units include hydrocarbon groups such as alkyl groups, alkoxy groups, aromatic groups, allyloxy groups, halogen groups, nitro groups, cyano groups, amino groups, halogenated alkyl groups, carboxyl groups, phosphonic acid groups, hydroxyl groups, etc. And may have an arbitrary substituent.

本発明に使用される酸性基は、負電荷を有する原子団であれば特に限定されるものではないが、プロトン交換能を有するものが好ましい。このような官能基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基が好ましく用いられる。ここで、スルホン酸基は下記一般式(f1)で表される基、スルホンイミド基は下記一般式(f2)で表される基[式中Rは任意の原子団を表す。]、硫酸基は下記一般式(f3)で表される基、ホスホン酸基は下記一般式(f4)で表される基、リン酸基は下記一般式(f5)または(f6)で表される基、カルボン酸基は下記一般式(f7)で表される基を意味する。   The acidic group used in the present invention is not particularly limited as long as it is a negatively charged atomic group, but is preferably one having proton exchange ability. As such a functional group, a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfuric acid group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, and a carboxylic acid group are preferably used. Here, the sulfonic acid group is a group represented by the following general formula (f1), the sulfonimide group is a group represented by the following general formula (f2) [wherein R represents an arbitrary atomic group. The sulfuric acid group is represented by the following general formula (f3), the phosphonic acid group is represented by the following general formula (f4), and the phosphoric acid group is represented by the following general formula (f5) or (f6). And the carboxylic acid group means a group represented by the following general formula (f7).

Figure 0005067083
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かかる酸性基は前記官能基(f1)〜(f7)が塩となっている場合を含むものとする。前記塩を形成するカチオンとしては、任意の金属カチオン、NR4 +(Rは任意の有機基)等を例として挙げることができる。金属カチオンの場合、その価数等特に限定されるものではなく、使用することができる。好ましい金属イオンの具体例を挙げるとすれば、Li、Na、K、Rh、Mg、Ca、Sr、Ti、Al、Fe、Pt、Rh、Ru、Ir、Pd等が挙げられる。中でも、高分子電解質材料としては、安価で、溶解性に悪影響を与えず、容易にプロトン置換可能なNa、Kがより好ましく使用される。 Such acidic groups include the case where the functional groups (f1) to (f7) are salts. Examples of the cation forming the salt include an arbitrary metal cation, NR 4 + (R is an arbitrary organic group), and the like. In the case of a metal cation, the valence and the like are not particularly limited and can be used. Specific examples of preferable metal ions include Li, Na, K, Rh, Mg, Ca, Sr, Ti, Al, Fe, Pt, Rh, Ru, Ir, and Pd. Among them, Na and K that are inexpensive and can easily be proton-substituted without being adversely affected by solubility are more preferably used as the polymer electrolyte material.

これらの酸性基は前記高分子電解質材料中に2種類以上含むことができ、組み合わせることにより好ましくなる場合がある。組み合わせはポリマーの構造などにより適宜決められる。中でも、高プロトン伝導度の点から少なくともスルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基を有することがより好ましく、耐加水分解性の点から少なくともスルホン酸基を有することが必要であるTwo or more kinds of these acidic groups can be contained in the polymer electrolyte material, and may be preferable by combining them. The combination is appropriately determined depending on the structure of the polymer. Among these, it is more preferable to have at least a sulfonic acid group, a sulfonimide group, and a sulfuric acid group from the viewpoint of high proton conductivity, and it is necessary to have at least a sulfonic acid group from the viewpoint of hydrolysis resistance.

本発明の芳香族ポリエーテル系重合体の合成方法については、実質的に十分な高分子量化が可能な方法であれば特に限定されるものではないが、例えば芳香族活性ジハライド化合物と2価フェノール化合物の芳香族求核置換反応、またはハロゲン化芳香族フェノール化合物の芳香族求核置換反応を利用して合成することができる。   The method for synthesizing the aromatic polyether polymer of the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of substantially increasing the molecular weight. For example, an aromatic active dihalide compound and a dihydric phenol are used. It can be synthesized using an aromatic nucleophilic substitution reaction of a compound or an aromatic nucleophilic substitution reaction of a halogenated aromatic phenol compound.

本発明に使用する酸性基を有するモノマー構造を得るためのモノマーとしては、酸性基を2価フェノール化合物、芳香族活性ジハライド化合物のいずれに導入しても構わないが、化学的耐久性を考慮して、芳香族活性ジハライド化合物に酸性基を導入した化合物をモノマーとして使用することにより合成することが好ましい。   As a monomer for obtaining a monomer structure having an acidic group used in the present invention, an acidic group may be introduced into either a dihydric phenol compound or an aromatic active dihalide compound, but in consideration of chemical durability. Thus, it is preferable to synthesize by using a compound having an acidic group introduced into an aromatic active dihalide compound as a monomer.

よって、本発明の高分子電解質材料は酸性基を有するモノマー構造として、下記一般式(Q1−s)で表されるモノマー構造であるTherefore, the polymer electrolyte material of the present invention as a monomer structure having an acidic group, a monomer structure represented by the following general formula (Q1-s).

Figure 0005067083
Figure 0005067083

(一般式(Q1−s)中、Xは−CO−、−SO−、または−P(Rp)O−(Rpは任意の有酸基)、MおよびMは水素、金属カチオン、アンモニウムカチオン、a1およびa2は1〜4の整数を表す。)
一般式(Q1−s)の中でも好ましいのは、機械強度、寸法安定性の観点から、下記一般式(Q2−s)である。
(In the general formula (Q1 -s), X 1 is -CO -, - SO 2 -, or -P (Rp) O- (Rp any Yusanmoto is), M 1 and M 2 is hydrogen, a metal cation , Ammonium cation, a1 and a2 represent an integer of 1 to 4.)
Of the general formula (Q1-s), the following general formula (Q2-s) is preferable from the viewpoint of mechanical strength and dimensional stability.

Figure 0005067083
Figure 0005067083

(一般式(Q2−s)中、M およびMは水素、金属カチオン、アンモニウムカチオンを表す。)
使用する芳香族活性ジハライド化合物としては、2価フェノール化合物との芳香族求核置換反応により高分子量化が可能なものであれば、特に限定されるものではない。芳香族活性ジハライド化合物に酸性基を導入した化合物をモノマーとして用いることは、酸性基の量を精密制御が可能な点から好ましい。プロトン伝導度および耐加水分解性の点から酸性基としてはスルホン酸基が最も好ましく、下記一般式(Q1)で表される芳香族ジハライド化合物がさらに好ましい。これらのスルホン酸基は重合の際には、スルホン酸基が1価カチオン種との塩になっていることが好ましい。1価カチオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限される訳ではない。これら芳香族活性ジハライド化合物は、単独で使用することができるが、複数の芳香族活性ジハライド化合物を併用することも可能である。
(In the general formula (Q2- s ) , M 3 and M 4 represent hydrogen, a metal cation, or an ammonium cation.)
The aromatic active dihalide compound to be used is not particularly limited as long as the molecular weight can be increased by an aromatic nucleophilic substitution reaction with a divalent phenol compound. It is preferable to use a compound in which an acidic group is introduced into an aromatic active dihalide compound as a monomer because the amount of the acidic group can be precisely controlled. In view of proton conductivity and hydrolysis resistance, the acidic group is most preferably a sulfonic acid group, and an aromatic dihalide compound represented by the following general formula (Q1) is more preferable. These sulfonic acid groups are preferably salted with a monovalent cationic species during polymerization. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. These aromatic active dihalide compounds can be used alone, but a plurality of aromatic active dihalide compounds can also be used in combination.

Figure 0005067083
Figure 0005067083

(一般式(Q1)中、Zはハロゲン、Xは−CO−、−SO−、または−P(Rp)O−(Rpは任意の有酸基)、MおよびMは水素、金属カチオン、アンモニウムカチオン、a1およびa2は1〜4の整数を表す。)
本発明において、一般式(Q1)で表される芳香族ジハライド化合物中の電子吸引性基Xの好ましい具体例としては、ケトン、スルホン、ホスフィンオキシド等が挙げられる。なお、ホスフィンオキシドの置換基の好ましい例は、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ノルボルニル基、ビニル基、アリル基、ベンジル基、フェニル基、ナフチル基、フェニルフェニル基などである。工業的な入手の容易さの点では置換基として最も好ましいのはフェニル基である。
(In general formula (Q1), Z 1 is halogen, X 1 is —CO—, —SO 2 —, or —P (Rp) O— (Rp is any acid group), M 1 and M 2 are hydrogen , Metal cation, ammonium cation, a1 and a2 each represent an integer of 1 to 4.)
In the present invention, preferred specific examples of the electron withdrawing group X 1 of the aromatic dihalide compound represented by the general formula (Q1), ketone, sulfone, phosphine oxide, and the like. Preferred examples of the phosphine oxide substituent include methyl, ethyl, propyl, isopropyl, cyclopentyl, cyclohexyl, norbornyl, vinyl, allyl, benzyl, phenyl, naphthyl, and phenylphenyl. Group. A phenyl group is most preferable as a substituent in terms of industrial availability.

なかでも、機械強度、寸法安定性の観点から、Xがケトンである、下記一般式(Q2)で表される芳香族ジハライド化合物がさらに好ましい。 Among these, from the viewpoint of mechanical strength and dimensional stability, an aromatic dihalide compound represented by the following general formula (Q2) in which X 1 is a ketone is more preferable.

Figure 0005067083
Figure 0005067083

(一般式(Q2)中、Zはハロゲン、MおよびMは水素、金属カチオン、アンモニウムカチオンを表す。)
一般式(Q1)で表される芳香族ジハライド化合物の具体例としては、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、等を挙げることができる。中でも、一般式(Q1)で表される芳香族活性ジハライド化合物としては、製造コスト、耐熱メタノール性、燃料クロスオーバー抑制効果の点から3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンがより好ましく、重合活性の点から3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが最も好ましい。
(In General Formula (Q2), Z 2 represents halogen, M 3 and M 4 represent hydrogen, a metal cation, and an ammonium cation.)
Specific examples of the aromatic dihalide compound represented by the general formula (Q1) include 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluoro. Diphenyl sulfone, 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfonate-4,4′- Examples thereof include dichlorodiphenylphenylphosphine oxide and 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylphenylphosphine oxide. Among these, as the aromatic active dihalide compound represented by the general formula (Q1), 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone is preferable in terms of production cost, heat-resistant methanol resistance, and fuel crossover suppression effect. 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone is more preferable, and 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone is most preferable from the viewpoint of polymerization activity.

本発明の高分子電解質材料において、酸性基を有するモノマー構造の含有モル分率W1は、構成単位の合計モル量に対して、2モル%以上40モル%以下、プロトン伝導性と寸法安定性とのバランスから、より好ましくは7モル%以上35モル%以下である。   In the polymer electrolyte material of the present invention, the content mole fraction W1 of the monomer structure having an acidic group is 2 mol% or more and 40 mol% or less with respect to the total molar amount of the structural units, proton conductivity and dimensional stability, From the balance, it is more preferably 7 mol% or more and 35 mol% or less.

一般式(Q1)で表されるスルホン酸基を有する芳香族ジハライド化合物の含有モル分率W1が2モル%未満であればプロトン伝導性が不足する場合があり、40モル%を越えると、寸法安定性が不足する場合があるのでそれぞれ好ましくない。   When the content mole fraction W1 of the aromatic dihalide compound having a sulfonic acid group represented by the general formula (Q1) is less than 2 mol%, proton conductivity may be insufficient. Since stability may be insufficient, each is not preferable.

本発明の高分子電解質材料において、前記一般式(Q1)で表される構成単位の含有モル分率W1は、スルホン酸基の中和滴定や元素分析により測定することができる。ただし、酸性基密度が塩基性密度より大きい場合には、中和滴定の測定から(酸性基密度−塩基性密度)が算出される。   In the polymer electrolyte material of the present invention, the molar fraction W1 of the structural unit represented by the general formula (Q1) can be measured by neutralization titration or elemental analysis of sulfonic acid groups. However, when the acidic group density is larger than the basic density, (acidic group density−basic density) is calculated from the neutralization titration measurement.

高分子電解質材料中のスルホン酸基の量は、スルホン酸基密度(mmol/g)の値として示すことができる。本発明における高分子電解質材料のスルホン酸基密度は、プロトン伝導性、燃料クロスオーバーおよび機械強度の点から0.5〜3.0mmol/gであることが好ましく、燃料クロスオーバーの点から最も好ましくは0.7〜1.5mmol/gである。スルホン酸基密度が、0.5mmol/gより低いと、プロトン伝導性が低いため十分な発電特性が得られないことがあり、3.0mmol/gより高いと燃料電池用電解質膜として使用する際に、十分な耐熱水性および含水時の機械的強度が得られないことがある。   The amount of sulfonic acid group in the polymer electrolyte material can be expressed as a value of sulfonic acid group density (mmol / g). The sulfonic acid group density of the polymer electrolyte material in the present invention is preferably 0.5 to 3.0 mmol / g in terms of proton conductivity, fuel crossover and mechanical strength, and most preferably in terms of fuel crossover. Is 0.7-1.5 mmol / g. When the sulfonic acid group density is lower than 0.5 mmol / g, sufficient proton generation characteristics may not be obtained due to low proton conductivity. When the sulfonic acid group density is higher than 3.0 mmol / g, it may be used as an electrolyte membrane for a fuel cell. In addition, sufficient hot water resistance and mechanical strength when containing water may not be obtained.

ここで、スルホン酸基密度とは、乾燥した高分子電解質材料1グラムあたりに導入されたスルホン酸基のモル数であり、値が大きいほどスルホン酸基の量が多いことを示す。スルホン酸基密度は、元素分析、中和滴定により求めることが可能である。これらの中でも測定の容易さから、元素分析法を用い、S/C比から算出することが好ましいが、スルホン酸基以外の硫黄源を含む場合などは、中和滴定法によりイオン交換容量を求めることもできる。   Here, the sulfonic acid group density is the number of moles of sulfonic acid groups introduced per gram of the dried polymer electrolyte material, and the larger the value, the greater the amount of sulfonic acid groups. The sulfonic acid group density can be determined by elemental analysis or neutralization titration. Among these, it is preferable to calculate from the S / C ratio using an elemental analysis method for ease of measurement. However, when a sulfur source other than a sulfonic acid group is included, the ion exchange capacity is obtained by a neutralization titration method. You can also

中和滴定の手順は下記のとおりである。測定は3回以上行ってその平均をとるものとする。
(1) 試料をミルにより粉砕し、粒径を揃えるため、目50メッシュの網ふるいにかけ、ふるいを通過したものを測定試料とする。
(2) サンプル管(蓋付き)を精密天秤で秤量する。
(3) 前記(1)の試料 約0.1gをサンプル管に入れ、40℃で16時間、真空乾燥する。
(4) 試料入りのサンプル管を秤量し、試料の乾燥重量を求める。
(5) 塩化ナトリウムを30重量%メタノール水溶液に溶かし、飽和食塩溶液を調製する。
(6) 試料に前記(5)の飽和食塩溶液を25mL加え、24時間撹拌してイオン交換する。
(7) 生じた塩酸を0.02mol/L水酸化ナトリウム水溶液で滴定する。指示薬として市販の滴定用フェノールフタレイン溶液(0.1体積%)を2滴加え、薄い赤紫色になった点を終点とする。
(8) イオン交換容量は下記の式により求める。
The procedure for neutralization titration is as follows. The measurement shall be performed three times or more and the average shall be taken.
(1) The sample is pulverized by a mill, and in order to make the particle diameter uniform, the sample is passed through a 50-mesh mesh sieve and the sample passed through the sieve is used as the measurement sample.
(2) Weigh the sample tube (with lid) with a precision balance.
(3) About 0.1 g of the sample of (1) is put into a sample tube and vacuum dried at 40 ° C. for 16 hours.
(4) Weigh the sample tube with the sample and determine the dry weight of the sample.
(5) Dissolve sodium chloride in a 30 wt% aqueous methanol solution to prepare a saturated saline solution.
(6) Add 25 mL of the saturated salt solution of (5) above to the sample and stir for 24 hours for ion exchange.
(7) Titrate the resulting hydrochloric acid with 0.02 mol / L aqueous sodium hydroxide. Two drops of a commercially available titration phenolphthalein solution (0.1% by volume) as an indicator are added, and the point at which light reddish purple is obtained is the end point.
(8) The ion exchange capacity is obtained by the following formula.

イオン交換容量(meq/g)=
〔水酸化ナトリウム水溶液の濃度(mmol/ml)×滴下量(ml)〕/試料の乾燥重量(g)
本発明のイオン性基を有するポリマーには本発明の目的を阻害しない範囲において、他の成分、例えば導電性若しくはイオン伝導性を有さない不活性なポリマーや有機あるいは無機の化合物、が含有されていても構わない。
Ion exchange capacity (meq / g) =
[Concentration of sodium hydroxide aqueous solution (mmol / ml) × Drip amount (ml)] / Dry weight of sample (g)
The polymer having an ionic group of the present invention contains other components, for example, an inactive polymer or an organic or inorganic compound having no conductivity or ionic conductivity, as long as the object of the present invention is not impaired. It does not matter.

イオン性基を導入する方法について例を挙げて説明すると、芳香族系化合物へのホスホン酸基の導入は、例えばPolymer Preprints, Japan , 51, 750 (2002) 等に記載の方法によって可能である。芳香族系化合物へのリン酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有する芳香族系化合物のリン酸エステル化によって可能である。芳香族系化合物へのカルボン酸基の導入は、例えばアルキル基やヒドロキシアルキル基を有する芳香族系化合物を酸化することによって可能である。芳香族系化合物への硫酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有する芳香族系化合物の硫酸エステル化によって可能である。芳香族系化合物をスルホン化する方法、すなわちスルホン酸基を導入する方法としては、たとえば特開平2−16126号公報あるいは特開平2−208322号公報等に記載の方法が公知である。   The method for introducing an ionic group will be described with an example. The introduction of a phosphonic acid group into an aromatic compound can be performed by the method described in Polymer Preprints, Japan, 51, 750 (2002), for example. Introduction of a phosphate group into an aromatic compound is possible by, for example, phosphoric esterification of an aromatic compound having a hydroxyl group. Introduction of a carboxylic acid group into an aromatic compound is possible, for example, by oxidizing an aromatic compound having an alkyl group or a hydroxyalkyl group. Introduction of a sulfate group into an aromatic compound can be performed by, for example, sulfate esterification of an aromatic compound having a hydroxyl group. As a method for sulfonating an aromatic compound, that is, a method for introducing a sulfonic acid group, for example, a method described in JP-A-2-16126 or JP-A-2-208322 is known.

具体的には、例えば、芳香族系化合物をクロロホルム等の溶媒中でクロロスルホン酸のようなスルホン化剤と反応させたり、濃硫酸や発煙硫酸中で反応することによりスルホン化することができる。スルホン化剤には芳香族系化合物をスルホン化するものであれば特に制限はなく、上記以外にも三酸化硫黄等を使用することができる。この方法により芳香族系化合物をスルホン化する場合には、スルホン化の度合いはスルホン化剤の使用量、反応温度および反応時間により、容易に制御できる。芳香族系化合物へのスルホンイミド基の導入は、例えばスルホン酸基とスルホンアミド基を反応させる方法によって可能である。   Specifically, for example, the aromatic compound can be sulfonated by reacting with a sulfonating agent such as chlorosulfonic acid in a solvent such as chloroform or by reacting in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid. The sulfonating agent is not particularly limited as long as it sulfonates an aromatic compound, and in addition to the above, sulfur trioxide and the like can be used. When the aromatic compound is sulfonated by this method, the degree of sulfonation can be easily controlled by the amount of the sulfonating agent used, the reaction temperature and the reaction time. Introduction of a sulfonimide group into an aromatic compound can be achieved, for example, by a method of reacting a sulfonic acid group and a sulfonamide group.

次に、主鎖に塩基性基を有するモノマー構造を得るためのモノマーについて説明する。   Next, a monomer for obtaining a monomer structure having a basic group in the main chain will be described.

本発明の高分子電解質材料は、塩基性基が酸性基と強固に架橋することで膨潤を抑制すること、ならびに機械強度と長期耐久性に優れた電解質膜を得るという観点から、側鎖ではなく主鎖に塩基性基を含有している必要がある。本発明において、モノマーにおける主鎖とは、ポリマーとなった際にその骨格を形成する部位のことであり、本発明において、窒素を含む複素環はラジカルトラップ剤として効果があり、電解質膜の化学的耐久性の観点からも導入することが好ましい。さらに窒素を含む複素環にはリン酸・硫酸等の強酸をドープすることで無加湿や低加湿でのプロトン伝導性を向上できるので好ましい。
主鎖に塩基性を有するとは、その塩基性を除去するとポリマーの骨格が切れてしまうことを意味する。
The polymer electrolyte material of the present invention is not a side chain from the viewpoint of suppressing swelling by strongly crosslinking a basic group with an acidic group and obtaining an electrolyte membrane excellent in mechanical strength and long-term durability. The main chain must contain a basic group. In the present invention, the main chain in the monomer is a site that forms a skeleton when it becomes a polymer. In the present invention, a nitrogen-containing heterocyclic ring is effective as a radical trapping agent, and the chemistry of the electrolyte membrane. It is preferable to introduce from the viewpoint of mechanical durability. Further, doping a nitrogen-containing heterocyclic ring with a strong acid such as phosphoric acid or sulfuric acid is preferable because proton conductivity can be improved without humidification or low humidification.
The basicity of the main chain means that the polymer skeleton is broken when the basicity is removed.

発明で使用する塩基性基としては、下記一般式(N1)〜(N8)から選ばれる窒素を含む複素環が挙げられ、これらの複素環が芳香族活性ジハライド化合物、2価のフェノール化合物のどちら側に含まれていても構わない。製造コストの観点から、なかでも一般式(N1)、(N6)および(N8)から選ばれる窒素を含む複素環がより好ましく、塩基性の強さから一般式(N1)で表される複素環が最も好ましい。 As a basic group used in the present invention, heterocycles can be mentioned including the nitrogen selected from the following formulas (N1) ~ (N8), these heterocycles aromatic active dihalide compound, a divalent phenol It may be contained on either side of the compound. From the viewpoint of production cost, among these, a heterocyclic ring containing nitrogen selected from the general formulas (N1), (N6) and (N8) is more preferable, and the heterocyclic ring represented by the general formula (N1) due to its basic strength. Is most preferred.

Figure 0005067083
Figure 0005067083

主鎖に塩基性基を有するモノマー構造として下記一般式(N1−1)で表されるモノマー構造が好ましい。   As the monomer structure having a basic group in the main chain, a monomer structure represented by the following general formula (N1-1) is preferable.

Figure 0005067083
Figure 0005067083

これらの塩基性基を含む化合物の中でも、合成の容易さ、安定性の高さの点で、下記一般式(Q3−s)で表される化合物構造が好ましい。   Among these compounds containing a basic group, a compound structure represented by the following general formula (Q3-s) is preferable from the viewpoint of ease of synthesis and high stability.

Figure 0005067083
Figure 0005067083

塩基性基含有モノマーとしては、下記一般式(N1−2)で表される塩基性基含有ビスフェノール、または下記一般式(N1−3)で表される塩基性基含有芳香族ジハライド化合物が最も好ましい。   As the basic group-containing monomer, a basic group-containing bisphenol represented by the following general formula (N1-2) or a basic group-containing aromatic dihalide compound represented by the following general formula (N1-3) is most preferable. .

Figure 0005067083
Figure 0005067083

本発明の高分子電解質材料において、主鎖に塩基性基を有するモノマー構造の含有モル分率W2は、構成単位の合計モル量に対して、0.5モル%以上15モル%以下であることがより好ましく、架橋構造の構築による寸法安定性の観点からさらに好ましくは3モル%以上10モル%以下である。0.5モル%未満であると架橋効果がみられず、15モル%を越えるとプロトン伝導性が低下してしまう場合があるのでそれぞれ好ましくない。   In the polymer electrolyte material of the present invention, the content mole fraction W2 of the monomer structure having a basic group in the main chain is 0.5 mol% or more and 15 mol% or less with respect to the total mol amount of the structural units. Is more preferably 3 mol% or more and 10 mol% or less from the viewpoint of dimensional stability due to the construction of a crosslinked structure. If it is less than 0.5 mol%, no crosslinking effect is observed, and if it exceeds 15 mol%, proton conductivity may be lowered.

また、酸性基を有するモノマー構造と主鎖に塩基性基を有するモノマー構造の含有モル分率比W2/W1は、0.02〜0.4であることがより好ましく、さらに好ましくは0.1〜0.3である。0.02未満であると、架橋効果が見られない場合があり、0.4を越えると酸性基が弱められプロトン伝導性が不足する場合があるのでそれぞれ好ましくない。   The molar fraction ratio W2 / W1 of the monomer structure having an acidic group and the monomer structure having a basic group in the main chain is more preferably 0.02 to 0.4, still more preferably 0.1. ~ 0.3. If it is less than 0.02, the crosslinking effect may not be observed, and if it exceeds 0.4, the acidic group may be weakened and proton conductivity may be insufficient.

次に、本発明で使用する中性モノマー構造を得るためのモノマーについて説明する。   Next, the monomer for obtaining the neutral monomer structure used in the present invention will be described.

本発明の高分子電解質材料は、分子レベルで酸塩基の導入位置、導入量および導入比を厳密に制御する観点から、中性モノマーを共重合させる必要がある。本発明において、中性モノマーとは、モノマー自体が中性であることを意味するのではなく、共重合されてポリマーとなった時に酸性基も塩基性基も含有しないことを意味する。例えば、ビスフェノール化合物であっても2個のフェノール基以外に酸性基や塩基性基を有していなければ、中性モノマーと定義する。また、本発明の芳香族ポリエーテル系重合体においては、中性モノマーは芳香族ジハライド化合物側であってもビスフェノール側であってもその両方に含有していても構わない。酸性基を有するモノマーや塩基性基を有するモノマーに応じて便宜選択することが可能である。   In the polymer electrolyte material of the present invention, it is necessary to copolymerize a neutral monomer from the viewpoint of strictly controlling the introduction position, introduction amount and introduction ratio of the acid base at the molecular level. In the present invention, the neutral monomer does not mean that the monomer itself is neutral, but means that it contains neither an acidic group nor a basic group when copolymerized into a polymer. For example, even a bisphenol compound is defined as a neutral monomer if it has no acidic group or basic group in addition to two phenol groups. In the aromatic polyether polymer of the present invention, the neutral monomer may be contained on the aromatic dihalide compound side, the bisphenol side, or both. It is possible to select conveniently according to the monomer having an acidic group or the monomer having a basic group.

中性モノマー構造としては、下記一般式(Ar1−1)〜(Ar1−13)から選ばれた化合物構造が好ましい。 なかでも、(Ar1−4)がより好ましい。   As the neutral monomer structure, a compound structure selected from the following general formulas (Ar1-1) to (Ar1-13) is preferable. Of these, (Ar1-4) is more preferable.

Figure 0005067083
Figure 0005067083

本発明において中性モノマーとして使用する芳香族活性ジハライド化合物の好適な具体例としては、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジクロロジフェニルケトン、4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、4,4’−ジクロロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、4,4’−ジフルオロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、等を挙げることができる。中でも4,4’−ジクロロジフェニルケトン、4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが機械強度、耐熱メタノール性、燃料クロスオーバー抑制効果の点からより好ましく、重合活性の点から4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが最も好ましい。これら芳香族活性ジハライド化合物は、単独で使用することができるが、複数の芳香族活性ジハライド化合物を併用することも可能である。   Preferable specific examples of the aromatic active dihalide compound used as a neutral monomer in the present invention include 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 4,4′-dichlorodiphenylketone, 4 , 4'-difluorodiphenyl ketone, 4,4'-dichlorodiphenylphenylphosphine oxide, 4,4'-difluorodiphenylphenylphosphine oxide, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, etc. Can do. Among these, 4,4′-dichlorodiphenyl ketone and 4,4′-difluorodiphenyl ketone are more preferable from the viewpoint of mechanical strength, heat-resistant methanol resistance, and fuel crossover suppression effect, and 4,4′-difluorodiphenyl ketone from the viewpoint of polymerization activity. Is most preferred. These aromatic active dihalide compounds can be used alone, but a plurality of aromatic active dihalide compounds can also be used in combination.

本発明の高分子電解質材料においては、中性モノマーとしてビスフェノール化合物を共重合させることも好適である。この際、耐熱水性、耐熱メタノール性および機械強度などを考慮してビスフェノール化合物の構造を便宜選択することが可能である。   In the polymer electrolyte material of the present invention, it is also preferable to copolymerize a bisphenol compound as a neutral monomer. At this time, the structure of the bisphenol compound can be conveniently selected in consideration of hot water resistance, hot methanol resistance, mechanical strength, and the like.

本発明において中性モノマーとして使用するビスフェノール化合物の好適な具体例としては、下記一般式(ArB1-1)〜(ArB1-13)で示される化合物を例示できる。これらは置換基を有していてもよい。これらの中でも一般式(ArB1-1)〜(ArB1-9)で示される化合物は、燃料透過抑制効果が大きく、燃料中での寸法安定性向上に有効であるため特に好ましく、本発明の高分子電解質材料は、一般式(ArB1-1)〜(ArB1-9)の化合物のうち少なくとも1種類をモノマーとして使用することが好ましい。一般式(ArB1-1)〜(ArB1-9)の化合物の中でも特に好ましいのは、一般式(ArB1-1)〜(ArB1-6)で、最も好ましいのは(ArB1-4)の化合物である。   Specific examples of suitable bisphenol compounds used as neutral monomers in the present invention include compounds represented by the following general formulas (ArB1-1) to (ArB1-13). These may have a substituent. Among these, the compounds represented by the general formulas (ArB1-1) to (ArB1-9) are particularly preferable because they have a large fuel permeation suppressing effect and are effective in improving dimensional stability in fuel. As the electrolyte material, it is preferable to use at least one of the compounds represented by the general formulas (ArB1-1) to (ArB1-9) as a monomer. Of the compounds of the general formulas (ArB1-1) to (ArB1-9), the compounds of the general formulas (ArB1-1) to (ArB1-6) are particularly preferable, and the compound of the (ArB1-4) is most preferable. .

Figure 0005067083
Figure 0005067083

一般式(ArB1-4)の化合物からなる芳香族ポリエーテルケトン系ポリマーはそのパッキングの良さおよび極めて強い分子間凝集力から結晶性を示し、一般的な溶剤に全く溶解しない性質がある。これに対し、ポリマー中に保護基を含有させることにより、特にこれまで製膜が困難なものが多かったポリエーテルケトン系ポリマー等の結晶性ポリマーの結晶性を低減させてることで溶解性を付与し、製膜に使用できる。本発明の高分子電解質材料に使用する保護基としては、有機合成で一般的に用いられる保護基があげられ、該保護基とは、後の段階で除去することを前提に、一時的に導入される置換基であり、反応性の高い官能基を保護し、その後の反応に対して不活性とするものであり、反応後に脱保護して元の官能基に戻すことのできるものである。すなわち、保護される官能基と対となるものであり、例えばt−ブチル基を水酸基の保護基として用いる場合があるが、同じt−ブチル基がアルキレン鎖に導入されている場合は、これを保護基とは呼ばない。保護基を導入する反応を保護(反応)、除去する反応を脱保護(反応)と呼称される。   The aromatic polyetherketone polymer composed of the compound of the general formula (ArB1-4) exhibits crystallinity because of its good packing and extremely strong intermolecular cohesive force, and has the property of not dissolving in a general solvent at all. On the other hand, by adding a protecting group in the polymer, solubility has been improved by reducing the crystallinity of crystalline polymers such as polyetherketone-based polymers that have been difficult to form in the past. And can be used for film formation. Examples of the protective group used in the polymer electrolyte material of the present invention include those commonly used in organic synthesis, and the protective group is temporarily introduced on the assumption that it is removed at a later stage. It is a substituent to be protected, which protects a highly reactive functional group and renders it inactive to the subsequent reaction, and can be deprotected and returned to the original functional group after the reaction. That is, it is a pair with a functional group to be protected. For example, a t-butyl group may be used as a protective group for a hydroxyl group, but when the same t-butyl group is introduced into an alkylene chain, It is not called a protecting group. The reaction for introducing a protecting group is called protection (reaction), and the reaction for removal is called deprotection (reaction).

このような保護反応としては、例えば、セオドア・ダブリュー・グリーン(Theodora W. Greene)、「プロテクティブ グループス イン オーガニック シンセシス」(Protective Groups in Organic Synthesis)、米国、ジョン ウイリー アンド サンズ(John Wiley & Sons, Inc)、1981、に詳しく記載されており、これらが好ましく使用できる。保護反応および脱保護反応の反応性や収率、保護基含有状態の安定性、製造コスト等を考慮して適宜選択することが可能である。また、重合反応において保護基を導入する段階としては、モノマー段階からでも、オリゴマー段階からでも、ポリマー段階でもよく、適宜選択することが可能である。   Such protective reactions include, for example, Theodora W. Greene, “Protective Groups in Organic Synthesis”, US, John Wiley & Sons, Inc), 1981, which can be preferably used. It can be appropriately selected in consideration of the reactivity and yield of the protection reaction and deprotection reaction, the stability of the protecting group-containing state, the production cost, and the like. In addition, the stage for introducing a protecting group in the polymerization reaction may be selected from the monomer stage, the oligomer stage, or the polymer stage, and can be appropriately selected.

保護反応の具体例を挙げるとすれば、ケトン部位をアセタールまたはケタール部位で保護/脱保護する方法、ケトン部位をアセタールまたはケタール部位のヘテロ原子類似体、例えばチオアセタールやチオケタール、で保護/脱保護する方法が挙げられる。これらの方法については、前記「プロテクティブ グループス イン オーガニック シンセシス」(Protective Groups in Organic Synthesis)のチャプター4に記載されている。また、スルホン酸と可溶性エステル誘導体との間で保護/脱保護する方法、芳香環に可溶性基としてt−ブチル基を導入および酸で脱t−ブチル化して保護/脱保護する方法等が挙げられる。しかしながら、これらに限定されることなく、好ましく使用できる。一般的な溶剤に対する溶解性を向上させ、結晶性を低減する点では、立体障害が大きいという点で脂肪族基、特に環状部分を含む脂肪族基が保護基として好ましく用いられる。   Specific examples of the protection reaction include protecting / deprotecting a ketone moiety with an acetal or ketal moiety, and protecting / deprotecting a ketone moiety with a heteroatom analog of the acetal or ketal moiety, such as thioacetal or thioketal. The method of doing is mentioned. These methods are described in Chapter 4 of “Protective Groups in Organic Synthesis”. Further, a method for protecting / deprotecting between a sulfonic acid and a soluble ester derivative, a method for protecting / deprotecting by introducing a t-butyl group as a soluble group into an aromatic ring and det-butylating with an acid, etc. . However, it is not limited to these and can be preferably used. In terms of improving solubility in a general solvent and reducing crystallinity, an aliphatic group, particularly an aliphatic group containing a cyclic moiety, is preferably used as a protective group in terms of large steric hindrance.

保護基を導入する官能基の位置としては、ポリマーの主鎖であることがより好ましい。本発明の高分子電解質材料は、加工性向上を目的としてパッキングが良いポリマーに保護基を導入することから、ポリマーの側鎖部分に保護基を導入しても本発明の効果が十分に得られない場合がある。ここで、ポリマーの主鎖に存在する官能基とは、その官能基を削除した場合にポリマー鎖が切れてしまう官能基と定義する。例えば、芳香族ポリエーテルケトンのケトン基を削除するとベンゼン環とベンゼン環が切れてしまうことを意味するものである。   The position of the functional group for introducing the protective group is more preferably the main chain of the polymer. Since the polymer electrolyte material of the present invention introduces a protecting group into a polymer having good packing for the purpose of improving processability, the effect of the present invention can be sufficiently obtained even if a protecting group is introduced into the side chain portion of the polymer. There may not be. Here, the functional group present in the main chain of the polymer is defined as a functional group that breaks the polymer chain when the functional group is deleted. For example, this means that if the ketone group of the aromatic polyether ketone is deleted, the benzene ring and the benzene ring are broken.

本発明において、ポリマーが結晶性であるとは、ポリマーがなんらかの条件で結晶化されうる、結晶化可能な性質を有することを意味する。また、ポリマーが非晶であるとはポリマーの結晶性の有無にかかわらず、使用する際のポリマーの状態として非晶であることを意味するものである。これらポリマーの結晶性の有無、結晶と非晶の状態については、広角X線回折(XRD)における結晶由来の鋭いピークや示差走査熱量分析法(DSC)における結晶化ピーク等によって評価することができる。   In the present invention, the polymer being crystalline means that the polymer has a crystallizable property that can be crystallized under some conditions. The term “amorphous polymer” means that the polymer is amorphous when used, regardless of whether the polymer is crystalline or not. The presence or absence of crystallinity of these polymers and the crystalline and amorphous states can be evaluated by sharp peaks derived from crystals in wide-angle X-ray diffraction (XRD), crystallization peaks in differential scanning calorimetry (DSC), and the like. .

本発明の高分子電解質材料に使用する保護反応としては、反応性や安定性の点で、さらに好ましくは、ケトン部位をアセタールまたはケタール部位で保護/脱保護する方法、ケトン部位をアセタールまたはケタール部位のヘテロ原子類似体、例えばチオアセタールやチオケタール、で保護/脱保護する方法である。従って、本発明において中性モノマーとして使用するビスフェノール化合物として、下記一般式(P1−1)あるいは(P2−1)で示される化合物であることが好ましい。   The protective reaction used in the polymer electrolyte material of the present invention is more preferably a method of protecting / deprotecting a ketone moiety with an acetal or ketal moiety, and a ketone moiety with an acetal or ketal moiety in terms of reactivity and stability. This is a method of protecting / deprotecting with a heteroatom analog of thioacetal or thioketal. Accordingly, the bisphenol compound used as a neutral monomer in the present invention is preferably a compound represented by the following general formula (P1-1) or (P2-1).

Figure 0005067083
Figure 0005067083

(一般式(P1−1)および(P2−1)において、Ar〜Arは任意の2価のアリーレン基、RおよびRはHおよびアルキル基から選ばれた少なくとも1種の基、Rは任意のアルキレン基、EはOまたはSを表す。一般式(P1−1)および一般式(P2−1)で表される化合物は任意に置換されていてもよい。)
本発明に使用する、特に好ましいビスフェノール化合物の具体例としては、下記一般式(r1)〜(r10)で表される化合物、並びにこれらのビスフェノール化合物由来の誘導体が挙げることができる。
(In the general formulas (P1-1) and (P2-1), Ar 1 to Ar 4 are any divalent arylene group, R 1 and R 2 are at least one group selected from H and an alkyl group, R 3 represents an arbitrary alkylene group, and E represents O or S. The compounds represented by the general formula (P1-1) and the general formula (P2-1) may be optionally substituted.
Specific examples of particularly preferred bisphenol compounds used in the present invention include compounds represented by the following general formulas (r1) to (r10), and derivatives derived from these bisphenol compounds.

Figure 0005067083
Figure 0005067083

これらビスフェノール化合物のなかでも、安定性の点から一般式(r4)〜(r10)で表される化合物がより好ましく、さらに好ましくは一般式(r4)、(r5)および(r9)で表される化合物、最も好ましくは一般式(r4)で表される化合物である。   Among these bisphenol compounds, compounds represented by the general formulas (r4) to (r10) are more preferable from the viewpoint of stability, and more preferably represented by the general formulas (r4), (r5), and (r9). A compound, most preferably a compound represented by the general formula (r4).

本発明において、反応時間が短く高い転化率で上記一般式のケタールビスフェノール化合物を製造することができる方法としては、例えば、ケトン前駆体の4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンとを、下記一般式(2)   In the present invention, as a method for producing a ketal bisphenol compound of the above general formula with a short reaction time and high conversion rate, for example, 4,4′-dihydroxybenzophenone as a ketone precursor is represented by the following general formula (2 )

Figure 0005067083
Figure 0005067083

〔式中、R1,R2,R3およびR4はそれぞれ独立した置換基を表わし、R1,R2,R3およびR4は、水素原子または炭素数1〜4の直鎖もしくは分岐状の炭化水素基を示す。〕で示されるグリコール類(2)とをアルキルオルトエステル類および有機スルホン酸類の存在下に反応させる方法がある。 [Wherein R 1 , R 2 , R 3 and R 4 each represent an independent substituent, and R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are a hydrogen atom or a linear or branched group having 1 to 4 carbon atoms. -Like hydrocarbon group. And a glycol (2) represented by formula (II) in the presence of an alkyl orthoester and an organic sulfonic acid.

用いるグリコール類(2)において、炭素数1〜4の直鎖もしくは分岐状の炭化水素基の具体例としてはメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、t−ブチル基などが挙げられる。具体的なグリコール類(2)としては、エチレングリコール、1,2−プロパンジオール、2,3−ブタンジオール、2−メチル−1,2−プロパンジオール、2−メチル−2,3−ブタンジオール、2,3−ジメチル−2,3−ブタンジオール、1,2−ペンタンジオール、2,3−ペンタンジオール、1,2−ヘキサンジオール、2,3−ヘキサンジオール、3,4−ヘキサンジオールなどが挙げられる。グリコール類(2)の使用量は4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンに対し通常、1モル倍〜30モル倍、好ましくは5モル倍〜15モル倍である。   Specific examples of the linear or branched hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms in the glycols (2) used include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, and t-butyl. Group and the like. Specific glycols (2) include ethylene glycol, 1,2-propanediol, 2,3-butanediol, 2-methyl-1,2-propanediol, 2-methyl-2,3-butanediol, 2,3-dimethyl-2,3-butanediol, 1,2-pentanediol, 2,3-pentanediol, 1,2-hexanediol, 2,3-hexanediol, 3,4-hexanediol, etc. It is done. The amount of glycols (2) to be used is usually 1 to 30 mol times, preferably 5 to 15 mol times with respect to 4,4'-dihydroxybenzophenone.

用いるアルキルオルトエステル類としては、オルトギ酸トリメチル、オルトギ酸トリエチル、オルト酢酸トリメチル、オルト酢酸トリエチルなどが挙げられる。アルキルオルトエステル類の使用量は4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンに対し通常、1モル倍〜10モル倍、好ましくは2モル倍〜5モル倍である。   Examples of the alkyl orthoester used include trimethyl orthoformate, triethyl orthoformate, trimethyl orthoacetate, triethyl orthoacetate and the like. The amount of alkyl orthoester used is usually 1 to 10 moles, preferably 2 to 5 moles per 4,4'-dihydroxybenzophenone.

本反応において用いられる有機スルホン酸類は例えば、p−トルエンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、キシレンスルホン酸、メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸などが挙げられる。好ましくはp−トルエンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸が用いられる。また、用いる酸は結晶水を含んでいてもよい。有機スルホン酸類の使用量は4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンに対し通常、0.1モル%〜50モル%、好ましくは0.5モル%〜5モル%である。   Examples of the organic sulfonic acids used in this reaction include p-toluenesulfonic acid, benzenesulfonic acid, xylenesulfonic acid, methanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, and the like. Preferably, p-toluenesulfonic acid and benzenesulfonic acid are used. Moreover, the acid to be used may contain crystal water. The amount of the organic sulfonic acids used is usually 0.1 mol% to 50 mol%, preferably 0.5 mol% to 5 mol%, based on 4,4'-dihydroxybenzophenone.

この反応は必要に応じ溶媒中で行なわれる。溶媒としては、例えば、トルエン、キシレンなどの炭化水素類などが挙げられ、それぞれ単独でまたは2種以上を組合せて用いられる。   This reaction is performed in a solvent if necessary. Examples of the solvent include hydrocarbons such as toluene and xylene, and each is used alone or in combination of two or more.

4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンとグリコール類(2)とを混合するには、例えば窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気下、溶媒中、あるいは溶媒の不存在下で4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンとグリコール類(2)、アルキルオルトエステル類、有機スルホン酸類を任意の順に加えればよい。   For mixing 4,4′-dihydroxybenzophenone and glycols (2), for example, in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas, in a solvent, or in the absence of a solvent, 4,4′-dihydroxybenzophenone and glycol are mixed. Class (2), alkyl orthoesters, and organic sulfonic acids may be added in any order.

反応温度は通常、20〜150℃の範囲で行われる。好ましくは、25℃から用いられるオルトギ酸エステル類の沸点附近までの温度で行われ、より好ましくはオルトギ酸エステル類から副生する該アルコールを留去する温度で行われる。反応時間は通常、0.1時間以上、10時間以下であり、0.5〜8時間で反応は終了する。反応後は、反応混合物に有機溶媒を混合して中和後、水洗処理などを行ってもよい。   The reaction temperature is usually in the range of 20 to 150 ° C. Preferably, the reaction is carried out at a temperature from 25 ° C. to the boiling point of the orthoformate used, more preferably at a temperature at which the alcohol produced as a by-product from the orthoformate is distilled off. The reaction time is usually from 0.1 hour to 10 hours, and the reaction is completed in 0.5 to 8 hours. After the reaction, the reaction mixture may be mixed with an organic solvent, neutralized, and then washed with water.

4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンとグリコール類(2)とを反応させてケタールビスフェノール化合物が生成するが、ケタールビスフェノール化合物を取り出すには、例えば、pH9〜13のアルカリ水溶液、有機溶媒を加えた後、未反応のグリコール類を含む水層を分液し、ケタールビスフェノール化合物を含む有機層を得ることができる。この際に用いる有機溶媒としては、例えばトルエン、ベンゼン、エチルベンゼン、アミルベンゼン、イソプロピルベンゼン、キシレン、ヘプタン、ヘキサン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、ジクロロエタン、トリクロロエタン、クロロフォルム、クロロトルエン、ジクロロトルエン、塩化メチル、塩化メチレン、アミルアルコール、オクタノール、t−ブタノール、ベンジルアルコール、メチルターシャリーブチルエーテル、ジイソブチルケトン、ジイソプロピルケトン、メチルエチルケトン、メチルイソプロピルケトン、安息香酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸イソブチル、酢酸アミル、酢酸ベンジル、プロピオン酸メチル等が挙げられる。また、有機溶媒は単独でも2種以上を併用することも出来る。これらのうち酢酸エチル、酢酸イソブチル、メチルイソブチルケトンが好ましい。   Reaction of 4,4′-dihydroxybenzophenone and glycols (2) produces a ketal bisphenol compound. To remove the ketal bisphenol compound, for example, after adding an alkaline aqueous solution of pH 9 to 13 and an organic solvent, An aqueous layer containing unreacted glycols can be separated to obtain an organic layer containing a ketal bisphenol compound. Examples of the organic solvent used in this case include toluene, benzene, ethylbenzene, amylbenzene, isopropylbenzene, xylene, heptane, hexane, chlorobenzene, dichlorobenzene, dichloroethane, trichloroethane, chloroform, chlorotoluene, dichlorotoluene, methyl chloride, and methylene chloride. , Amyl alcohol, octanol, t-butanol, benzyl alcohol, methyl tertiary butyl ether, diisobutyl ketone, diisopropyl ketone, methyl ethyl ketone, methyl isopropyl ketone, methyl benzoate, ethyl acetate, propyl acetate, isobutyl acetate, amyl acetate, benzyl acetate, propion Examples include methyl acid. The organic solvent can be used alone or in combination of two or more. Of these, ethyl acetate, isobutyl acetate, and methyl isobutyl ketone are preferred.

ケタールビスフェノール化合物を含む反応液を抽出する際に用いる有機溶媒の使用量は、ケタールビスフェノール類を溶解させ得る量以上であればいくらでも良いが、通常ケタールビスフェノール化合物に対し、1〜30倍量であり、好ましくは3〜10倍量の範囲である。1倍量以下ならケタールビスフェノール化合物が完全に溶解されないため抽出効率が低下する。30倍以上とすると容積効率が低下し、経済性が悪くなる。   The amount of the organic solvent used when extracting the reaction solution containing the ketal bisphenol compound may be any amount as long as it is an amount that can dissolve the ketal bisphenols, but is usually 1 to 30 times the amount of the ketal bisphenol compound. The amount is preferably in the range of 3 to 10 times. If the amount is less than 1 time, the extraction efficiency is lowered because the ketal bisphenol compound is not completely dissolved. If it is 30 times or more, the volumetric efficiency is lowered and the economic efficiency is deteriorated.

用いるpH9〜13のアルカリ水溶液としては、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等のアルカリ金属炭酸塩類やアンモニア等の水溶液が挙げられる。このアルカリ水溶液は、グリコール類だけでなく、不純物の4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンをも効率よく水層に取り除きことができる。しかし、pH9未満のアルカリ水溶液の場合は、不純物の4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンの除去が不十分となってしまう。また、pH13以上のアルカリ水溶液の場合は、グリコール類や不純物の4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンだけでなくケタールビスフェノール化合物も水層に抽出されるため収率が低下する。   Examples of the alkaline aqueous solution having a pH of 9 to 13 include alkali metal carbonates such as sodium carbonate and potassium carbonate, and aqueous solutions of ammonia. This aqueous alkaline solution can efficiently remove not only glycols but also 4,4'-dihydroxybenzophenone as an impurity into the aqueous layer. However, in the case of an alkaline aqueous solution having a pH of less than 9, removal of the impurity 4,4'-dihydroxybenzophenone is insufficient. In the case of an alkaline aqueous solution having a pH of 13 or more, not only the glycols and impurities 4,4'-dihydroxybenzophenone but also the ketal bisphenol compound are extracted into the aqueous layer, resulting in a decrease in yield.

精製方法としては、得られたケタールビスフェノール化合物を含む有機溶媒を濃縮、晶析操作することにより4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンの量が1重量%以下の高純度のケタールビスフェノール化合物を得ることができる。例えば、濃縮液をそのまま冷却してケタールビスフェノール化合物を晶析した後、固液分離する方法、あるいは濃縮液に貧溶媒を加え冷却晶析した後、固液分離する方法などが挙げられる。   As a purification method, a high-purity ketal bisphenol compound in which the amount of 4,4′-dihydroxybenzophenone is 1% by weight or less can be obtained by concentrating and crystallizing an organic solvent containing the obtained ketal bisphenol compound. . For example, the concentrated solution is cooled as it is to crystallize the ketal bisphenol compound, followed by solid-liquid separation, or the concentrated solution is added with a poor solvent, cooled and crystallized, and then solid-liquid separated.

なお、本発明の高分子電解質材料の化学構造は、赤外線吸収スペクトルによって、1,030〜1,045cm-1 、1,160〜1,190cm-1 のS=O吸収、1,130〜1,250cm-1のC−O−C吸収、1,640〜1,660cm-1のC=O吸収などにより確認でき、これらの組成比は、スルホン酸基の中和滴定や、元素分析により知ることができる。また、核磁気共鳴スペクトル( 1 H−NMR)により、例えば6.8〜8.0ppmの芳香族プロトンのピークから、その構造を確認することができる。また、溶液13C−NMRや固体13C−NMRによって、スルホン酸基の付く位置や並び方を確認することができる。 The chemical structure of the polymer electrolyte material of the present invention has an S = O absorption of 1,030 to 1,045 cm −1 , 1,160 to 1,190 cm −1 , 1,130 to 1 , C-O-C absorption at 250 cm -1, can be confirmed by such C = O absorption of 1,640~1,660Cm -1, these composition ratio, neutralization titration or sulfonic acid groups, knowing by elemental analysis Can do. Moreover, the structure can be confirmed from the peak of an aromatic proton of 6.8 to 8.0 ppm, for example, by nuclear magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR). Further, the position and arrangement of sulfonic acid groups can be confirmed by solution 13 C-NMR and solid 13 C-NMR.

さらに、本発明の高分子電解質材料は、スルホン酸基や塩基性基の染色によるTEMでの相分離構造解析、EPMAでのSやNの分布解析、種々の溶剤を用いたポリマーの抽出等を併用することによって共重合体構造またはブレンド物構造を区別することが可能である。 本発明における芳香族求核置換反応による重合は、上記モノマー混合物を塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。   Furthermore, the polymer electrolyte material of the present invention can be used for TEM phase analysis by dyeing sulfonic acid groups and basic groups, S and N distribution analysis by EPMA, polymer extraction using various solvents, etc. By using in combination, it is possible to distinguish the copolymer structure or the blend structure. In the polymerization by the aromatic nucleophilic substitution reaction in the present invention, a polymer can be obtained by reacting the monomer mixture in the presence of a basic compound. The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more.

塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等があげられるが、芳香族ジオール類を活性なフェノキシド構造にしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。   Examples of the basic compound include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, and the like, and those that can convert an aromatic diol into an active phenoxide structure may be used. It can use without being limited to. In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system.

水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水剤を使用することもできる。芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50重量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5重量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50重量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。   As a method for removing water out of the system, a water-absorbing agent such as molecular sieve can also be used. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by weight. When the amount is less than 5% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by weight, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult. After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, the polymer can be obtained by precipitating the polymer as a solid by adding the reaction solution in a solvent having low polymer solubility, and collecting the precipitate by filtration.

このようにして得られる本発明の高分子電解質材料として用いるポリマーの分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、0.1万〜500万、好ましくは1万〜50万である。0.1万未満では、成型した膜にクラックが発生するなど機械強度が不十分な場合がある。一方、500万を超えると、溶解性が不充分となり、また溶液粘度が高く、加工性が不良になるなどの問題がある場合がある。   The molecular weight of the polymer used as the polymer electrolyte material of the present invention thus obtained is 10000 to 5 million, preferably 10,000 to 500,000 in terms of polystyrene-converted weight average molecular weight. If it is less than 10,000, the mechanical strength may be insufficient, such as cracking in the molded film. On the other hand, if it exceeds 5 million, there may be problems such as insufficient solubility, high solution viscosity, and poor processability.

本発明の高分子電解質材料として用いるポリマー中のスルホン酸基はブロック共重合で導入しても、ランダム共重合で導入しても構わない。用いるポリマーの化学構造や結晶性の高さによって適宜選択することができる。燃料遮断性や低含水率が必要である場合にはランダム共重合がより好ましく、プロトン伝導性や高含水率が必要である場合にはブロック共重合がより好ましく用いられる。   The sulfonic acid group in the polymer used as the polymer electrolyte material of the present invention may be introduced by block copolymerization or random copolymerization. It can be appropriately selected depending on the chemical structure of the polymer used and the high crystallinity. Random copolymerization is more preferable when fuel barrier properties and low water content are required, and block copolymerization is more preferably used when proton conductivity and high water content are required.

本発明の高分子電解質材料を燃料電池用として使用する際には、通常膜の状態および触媒層のバインダーで使用される。   When the polymer electrolyte material of the present invention is used for a fuel cell, it is usually used in a membrane state and a binder for a catalyst layer.

本発明の高分子電解質材料を高分子電解質膜に成型する方法に特に制限はないが、溶液状態より製膜する方法あるいは溶融状態より製膜する方法等が可能である。前者では、たとえば、該高分子電解質材料をN−メチル−2−ピロリドン等の溶媒に溶解し、その溶液をガラス板等の上に流延塗布し、溶媒を除去することにより製膜する方法が例示できる。   The method for forming the polymer electrolyte material of the present invention into a polymer electrolyte membrane is not particularly limited, but a method of forming a film from a solution state or a method of forming a film from a molten state is possible. In the former, for example, the polymer electrolyte material is dissolved in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone, the solution is cast on a glass plate or the like, and the solvent is removed to form a film. It can be illustrated.

本発明の高分子電解質材料を燃料電池用として使用する際には、通常膜の状態で使用される。しかしながら、本発明の高分子電解質材料は、膜状に限定されるものではなく、その形状としては、前述の膜状の他、板状、繊維状、中空糸状、粒子状、塊状など、使用用途によって様々な形態をとりうる。本発明の高分子電解質材料を膜へ転化する方法に特に制限はないが、溶液状態より製膜する方法あるいは溶融状態より製膜する方法等が可能である。前者では、たとえば、該高分子電解質材料をN,N−ジメチルアセトアミド等の溶媒に溶解し、その溶液をガラス板等の上に流延塗布し、溶媒を除去することにより製膜する方法が例示できる。   When the polymer electrolyte material of the present invention is used for a fuel cell, it is usually used in a membrane state. However, the polymer electrolyte material of the present invention is not limited to a membrane shape, and the shape is not limited to the above-mentioned membrane shape, but can be used such as a plate shape, a fiber shape, a hollow fiber shape, a particle shape, and a lump shape. Can take various forms. The method for converting the polymer electrolyte material of the present invention into a membrane is not particularly limited, but a method of forming a film from a solution state or a method of forming a film from a molten state is possible. In the former, for example, a method of forming a film by dissolving the polymer electrolyte material in a solvent such as N, N-dimethylacetamide, casting the solution on a glass plate or the like, and removing the solvent is exemplified. it can.

製膜に用いる溶媒としては、高分子電解質材料を溶解し、その後に除去し得るものであればよく、例えば、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒、γ−ブチロラクトン、酢酸ブチルなどのエステル系溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、あるいはイソプロパノールなどのアルコール系溶媒、水およびこれらの混合物が好適に用いられるが、非プロトン性極性溶媒が最も溶解性が高く好ましい。   The solvent used for film formation is not particularly limited as long as the polymer electrolyte material can be dissolved and then removed. For example, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone , Aprotic polar solvents such as dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, hexamethylphosphontriamide, ester solvents such as γ-butyrolactone and butyl acetate, carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate Solvent, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, alkylene glycol monoalkyl ether such as propylene glycol monoethyl ether, or isopropanol Alcohol solvents, water and mixtures thereof is preferably used, is preferred for high highest solubility aprotic polar solvent.

必要な固形分濃度に調製したポリマー溶液を常圧の濾過もしくは加圧濾過などに供し、高分子電解質溶液中に存在する異物を除去することは強靱な膜を得るために好ましい方法である。ここで用いる濾材は特に限定されるものではないが、ガラスフィルターや金属性フィルターが好適である。該濾過で、ポリマー溶液が通過する最小のフィルターの孔径は、1μm以下が好ましい。濾過を行わないと異物の混入を許すこととなり、膜破れが発生したり、耐久性が不十分となるので好ましくない。   It is a preferable method to obtain a tough membrane by subjecting the polymer solution prepared to a required solid content concentration to normal pressure filtration or pressure filtration to remove foreign substances present in the polymer electrolyte solution. The filter medium used here is not particularly limited, but a glass filter or a metallic filter is suitable. In the filtration, the pore size of the minimum filter through which the polymer solution passes is preferably 1 μm or less. If filtration is not carried out, foreign matter is allowed to enter, and film breakage occurs or durability becomes insufficient.

次いで、得られた高分子電解質膜は酸性基の少なくとも一部を金属塩の状態にしてから熱処理することが好ましい。金属塩の金属はスルホン酸と塩を形成しうるものであればよいが、価格および環境負荷の点からはLi、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Mo、Wなどが好ましく、これらの中でもLi、Na、K、Ca、Sr、Baがより好ましく、Li、Na、Kがさらに好ましい。この熱処理の温度は好ましくは150〜550℃、さらに好ましくは160〜400℃、特に好ましくは180〜350℃である。熱処理時間は、好ましくは10秒〜12時間、さらに好ましくは30秒〜6時間、特に好ましくは1時間前後である。熱処理温度が低すぎると、燃料透過性の抑制効果が不足する。一方、高すぎると膜材料の劣化を生じやすくなる。熱処理時間が10秒未満であると燃料透過性の抑制効果が不足する。一方、12時間を超えると膜材料の劣化を生じやすくなる。熱処理により得られた高分子電解質膜は必要に応じて酸性水溶液に浸漬することによりプロトン置換することができる。この方法で成形することによって本発明の高分子電解質膜はプロトン伝導度と燃料遮断性をより良好なバランスで両立することが可能となる。   Next, the obtained polymer electrolyte membrane is preferably heat-treated after at least a part of the acidic groups is in a metal salt state. The metal of the metal salt may be any metal that can form a salt with sulfonic acid, but from the viewpoint of cost and environmental load, Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Mo, W, and the like are preferable. Among these, Li, Na, K, Ca, Sr, and Ba are more preferable, and Li, Na, and K are more preferable. The temperature of this heat treatment is preferably 150 to 550 ° C, more preferably 160 to 400 ° C, and particularly preferably 180 to 350 ° C. The heat treatment time is preferably 10 seconds to 12 hours, more preferably 30 seconds to 6 hours, and particularly preferably around 1 hour. If the heat treatment temperature is too low, the effect of suppressing fuel permeability is insufficient. On the other hand, if it is too high, the film material tends to deteriorate. If the heat treatment time is less than 10 seconds, the effect of suppressing fuel permeability is insufficient. On the other hand, when it exceeds 12 hours, the film material tends to deteriorate. The polymer electrolyte membrane obtained by the heat treatment can be proton-substituted by being immersed in an acidic aqueous solution as necessary. By molding by this method, the polymer electrolyte membrane of the present invention can achieve both a good balance between proton conductivity and fuel cutoff.

熱処理により得られた高分子電解質膜は、必要に応じて酸性水溶液に浸漬することによりプロトン置換することができる。この方法で成形することによって本発明の高分子電解質膜はプロトン伝導度と燃料遮断性をより良好なバランスで両立することが可能となる。中でも、重合や製膜までは酸性基の少なくとも一部を金属塩の状態にしておき、製膜後に前記手法によって酸型に置換することがより好ましい。この方法によって、加工時には酸塩基相互作用を働かないようにして、加工性を付与し、加工後に酸塩基相互作用によってポリマー鎖間の擬似架橋を付与することが可能となる。また、アセタールおよび/またはケタールで保護したケトン部位の一部または全部を脱保護せしめ、ケトン部位とする方法は特に限定されるものではないが、成型した後で、酸処理する方法が挙げられる。具体的には、成型された膜を塩酸や硫酸水溶液中に浸漬することにより脱保護することが可能であり、酸の濃度や水溶液の温度については成型体への染みこみ安さ等を考慮して適宜選択することができる。例えば、膜厚50μmの膜であれば6N塩酸水溶液に例示されるような酸性水溶液中に浸漬し、95℃で8時間加熱することにより、容易に脱保護することが可能である。ただし、脱保護の条件としてはこれらに限定される物ではなく、酸性ガスや有機酸等で脱保護しても構わない。   The polymer electrolyte membrane obtained by the heat treatment can be proton-substituted by being immersed in an acidic aqueous solution as necessary. By molding by this method, the polymer electrolyte membrane of the present invention can achieve both a good balance between proton conductivity and fuel cutoff. Among them, it is more preferable that at least a part of the acidic group is in the form of a metal salt until polymerization or film formation, and the acid type is substituted by the above method after film formation. By this method, it is possible to prevent the acid-base interaction from acting at the time of processing, to impart processability, and to provide pseudo-crosslinking between polymer chains by the acid-base interaction after processing. Moreover, the method of deprotecting a part or all of the ketone moiety protected with acetal and / or ketal to form a ketone moiety is not particularly limited, but includes a method of acid treatment after molding. Specifically, it is possible to deprotect the molded membrane by immersing it in an aqueous hydrochloric acid or sulfuric acid solution. The acid concentration and aqueous solution temperature take into account the ease of soaking into the molded product. It can be selected appropriately. For example, if the film has a thickness of 50 μm, it can be easily deprotected by dipping in an acidic aqueous solution as exemplified by a 6N hydrochloric acid aqueous solution and heating at 95 ° C. for 8 hours. However, the deprotection conditions are not limited to these, and the deprotection may be performed with an acid gas or an organic acid.

本発明の高分子電解質膜の膜厚としては、好ましくは1〜2000μmのものが好適に使用される。実用に耐える膜の強度を得るには1μmより厚い方がより好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能の向上のためには2000μmより薄い方が好ましい。かかる膜厚のさらに好ましい範囲は3〜500μm、特に好ましい範囲は5〜250μmである。かかる膜厚は、溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御することができる。   The film thickness of the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably 1 to 2000 μm. A thickness of more than 1 μm is more preferable for obtaining the strength of a film that can withstand practical use, and a thickness of less than 2000 μm is preferable for reducing the film resistance, that is, improving the power generation performance. A more preferable range of the film thickness is 3 to 500 μm, and a particularly preferable range is 5 to 250 μm. The film thickness can be controlled by the solution concentration or the coating thickness on the substrate.

また、本発明の高分子電解質材料には、通常の高分子化合物に使用される可塑剤、安定剤あるいは離型剤等の添加剤を、本発明の目的に反しない範囲内で添加することができる。   In addition, an additive such as a plasticizer, a stabilizer, or a mold release agent used for a general polymer compound may be added to the polymer electrolyte material of the present invention within a range not contrary to the object of the present invention. it can.

また、本発明の高分子電解質材料には、前述の諸特性に悪影響をおよぼさない範囲内で機械的強度、熱安定性、加工性などの向上を目的に、各種ポリマー、エラストマー、フィラー、微粒子、各種添加剤などを含有させてもよい。   In addition, the polymer electrolyte material of the present invention includes various polymers, elastomers, fillers, and the like for the purpose of improving mechanical strength, thermal stability, workability, and the like within a range that does not adversely affect the above-described properties. Fine particles, various additives, and the like may be included.

本発明の高分子電解質膜は、その20℃の条件下、30重量%メタノール水溶液に対する単位面積当たりのメタノール透過量が40μmol・min−1・cm−2以下であることが好ましい。該高分子電解質膜を用いた燃料電池において、燃料濃度が高い領域において高出力および高エネルギー容量が得られるという観点から、高い燃料濃度を保持すべく、燃料透過量が小さいことが望まれるからである。メタノール透過量は、25℃の純水に高分子電解質膜を24時間浸漬した後で測定する。 The polymer electrolyte membrane of the present invention preferably has a methanol permeation amount per unit area of 40 μmol · min −1 · cm −2 or less with respect to a 30 wt% aqueous methanol solution under the condition of 20 ° C. In the fuel cell using the polymer electrolyte membrane, from the viewpoint of obtaining high output and high energy capacity in a region where the fuel concentration is high, it is desired that the fuel permeation amount is small in order to maintain a high fuel concentration. is there. The amount of methanol permeated is measured after the polymer electrolyte membrane is immersed in pure water at 25 ° C. for 24 hours.

かかる観点からは、0μmol・min−1・cm−2が最も好ましいが、プロトン伝導性を確保する観点からは0.01μmol・min−1・cm−2以上が好ましい。 From this viewpoint, 0 μmol · min −1 · cm −2 is most preferable, but from the viewpoint of ensuring proton conductivity, 0.01 μmol · min −1 · cm −2 or more is preferable.

なおかつ、本発明の高分子電解質膜は、単位面積当たりのプロトン伝導度が1S・cm−2以上であることが好ましく、2S・cm−2以上がより好ましい。プロトン伝導度は、25℃の純水に高分子電解質膜を24時間浸漬した後、25℃、相対湿度50〜80%の雰囲気中に取り出し、できるだけ素早く行う定電位交流インピーダンス法により測定することができる。 In addition, the polymer electrolyte membrane of the present invention preferably has a proton conductivity per unit area of 1 S · cm −2 or more, and more preferably 2 S · cm −2 or more. Proton conductivity can be measured by the constant potential alternating current impedance method, which is performed as quickly as possible after immersing the polymer electrolyte membrane in pure water at 25 ° C. for 24 hours, taking it out in an atmosphere of 25 ° C. and 50% to 80% relative humidity. it can.

単位面積当たりのプロトン伝導度を1S・cm−2以上とすることにより、燃料電池用高分子電解質膜として使用する際に、十分なプロトン伝導性、すなわち十分な電池出力を得ることができる。プロトン伝導度は高い方が好ましいが、高プロトン伝導度の膜はメタノール水などの燃料により溶解や崩壊しやすくなり、また燃料透過量も大きくなる傾向があるので、現実的な上限は50S・cm−2である。 By setting the proton conductivity per unit area to 1 S · cm −2 or more, when used as a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, sufficient proton conductivity, that is, sufficient battery output can be obtained. Higher proton conductivity is preferable, but a membrane with high proton conductivity is likely to be dissolved or disintegrated by a fuel such as methanol water, and the fuel permeation amount tends to increase, so a practical upper limit is 50 S · cm. -2 .

本発明の高分子電解質膜は、上記したような低メタノール透過量と高プロトン伝導度を同時に達成することが、高出力と高エネルギー容量を両立させる上から好ましい。   The polymer electrolyte membrane of the present invention preferably achieves the low methanol permeation amount and the high proton conductivity as described above from the viewpoint of achieving both high output and high energy capacity.

かかる高分子電解質材料を燃料電池として用いる際の高分子電解質材料と電極の接合法については特に制限はなく、公知の方法(例えば、電気化学,1985, 53, 269.記載の化学メッキ法、J. Electrochem. Soc.: Electrochemical Science and Technology, 1988, 135(9), 2209. 記載のガス拡散電極の熱プレス接合法など)を適用することが可能である。   There are no particular limitations on the method of joining the polymer electrolyte material and the electrode when such a polymer electrolyte material is used as a fuel cell, and known methods (for example, the chemical plating method described in Electrochemistry, 1985, 53, 269. Electrochem. Soc .: Electrochemical Science and Technology, 1988, 135 (9), 2209. can be applied.

本発明の高分子電解質材料は、種々の用途に適用可能である。例えば、体外循環カラム、人工皮膚などの医療用途、ろ過用用途、イオン交換樹脂用途、各種構造材用途、電気化学用途に適用可能である。中でも種々の電気化学用途により好ましく利用できる。電気化学用途としては、例えば、燃料電池、レドックスフロー電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等が挙げられるが、中でも燃料電池が最も好ましい。さらに燃料電池のなかでも高分子電解質型燃料電池に好適であり、これには水素を燃料とするものとメタノールなどの有機化合物を燃料とするものがあり、炭素数1〜6の有機化合物およびこれらと水の混合物から選ばれた少なくとも1種を燃料とする直接型燃料電池に特に好ましく用いられる。炭素数1〜6の有機化合物としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどの炭素数1〜3のアルコール、ジメチルエーテルが好ましく、メタノールが最も好ましく使用される。   The polymer electrolyte material of the present invention can be applied to various uses. For example, it can be applied to medical applications such as extracorporeal circulation columns and artificial skin, applications for filtration, ion exchange resin applications, various structural materials, and electrochemical applications. Among these, it can be preferably used for various electrochemical applications. Examples of the electrochemical application include a fuel cell, a redox flow battery, a water electrolysis device, a chloroalkali electrolysis device, and the like, among which the fuel cell is most preferable. Further, among fuel cells, it is suitable for a polymer electrolyte fuel cell, and there are those using hydrogen as a fuel and those using an organic compound such as methanol as a fuel. It is particularly preferably used for a direct fuel cell using at least one selected from a mixture of water and water as fuel. As the organic compound having 1 to 6 carbon atoms, alcohols having 1 to 3 carbon atoms such as methanol, ethanol and isopropyl alcohol, and dimethyl ether are preferable, and methanol is most preferably used.

本発明の膜電極複合体を使用した燃料電池の燃料としては、酸素、水素およびメタン、エタン、プロパン、ブタン、メタノール、イソプロピルアルコール、アセトン、グリセリン、エチレングリコール、ギ酸、酢酸、ジメチルエーテル、ハイドロキノン、シクロヘキサンなどの炭素数1〜6の有機化合物およびこれらと水との混合物等が挙げられ、1種または2種以上の混合物でもよい。特に発電効率や電池全体のシステム簡素化の観点から水素、炭素数1〜6の有機化合物を含む燃料が好適に使用され、発電効率の点でとりわけ好ましいのは水素およびメタノール水溶液である。   Fuels for fuel cells using the membrane electrode assembly of the present invention include oxygen, hydrogen and methane, ethane, propane, butane, methanol, isopropyl alcohol, acetone, glycerin, ethylene glycol, formic acid, acetic acid, dimethyl ether, hydroquinone, cyclohexane Examples thereof include organic compounds having 1 to 6 carbon atoms and mixtures of these with water, and may be one kind or a mixture of two or more kinds. In particular, a fuel containing hydrogen and an organic compound having 1 to 6 carbon atoms is preferably used from the viewpoint of power generation efficiency and simplification of the entire battery system, and hydrogen and aqueous methanol are particularly preferable in terms of power generation efficiency.

メタノール水溶液を用いる場合、メタノールの濃度としては、使用する燃料電池のシステムによって適宜選択されるが、できる限り高濃度のほうが長時間駆動の観点から好ましい。例えば、送液ポンプや送風ファンなど発電に必要な媒体を膜電極複合体に送るシステムや、冷却ファン、燃料希釈システム、生成物回収システムなどの補機を有するアクティブ型燃料電池はメタノールの濃度30〜100%以上の燃料を燃料タンクや燃料カセットにより注入し、0.5〜20%程度に希釈して膜電極複合体に送ることが好ましく、補機が無いパッシブ型の燃料電池はメタノールの濃度が10〜100%の範囲の燃料が好ましい。   In the case of using an aqueous methanol solution, the concentration of methanol is appropriately selected depending on the fuel cell system to be used. A concentration as high as possible is preferable from the viewpoint of long-time driving. For example, an active fuel cell having a system for sending a medium necessary for power generation, such as a liquid feed pump or a blower fan, to a membrane electrode assembly, or an auxiliary machine such as a cooling fan, a fuel dilution system, or a product recovery system has a methanol concentration of 30 It is preferable to inject ~ 100% or more of fuel with a fuel tank or fuel cassette, dilute it to about 0.5 to 20% and send it to the membrane electrode assembly. A passive fuel cell without auxiliary equipment has a methanol concentration Is preferable in the range of 10 to 100%.

さらに、本発明の高分子電解質材料を使用した固体高分子型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、移動体の電力供給源が好ましいものである。特に、携帯電話、パソコン、PDA、テレビ、ラジオ、ミュージックプレーヤー、ゲーム機、ヘッドセット、DVDプレーヤーなどの携帯機器、産業用などの人型、動物型の各種ロボット、コードレス掃除機等の家電、玩具類、電動自転車、自動二輪、自動車、バス、トラックなどの車両や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源、据え置き型の発電機など従来の一次電池、二次電池の代替、もしくはこれらとのハイブリット電源として好ましく用いられる。   Furthermore, the application of the polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte material of the present invention is not particularly limited, but a power supply source for a moving body is preferable. In particular, mobile devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, televisions, radios, music players, game machines, headsets, DVD players, human-type and animal-type robots for industrial use, home appliances such as cordless vacuum cleaners, and toys , Electric bicycles, motorcycles, automobiles, buses, trucks and other vehicles and ships, power supplies for mobiles such as railways, stationary primary generators such as stationary generators, or alternatives to these It is preferably used as a hybrid power source.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、各物性の測定条件は次の通りである。また、本実施例中には化学構造式を挿入するが、該化学構造式は読み手の理解を助ける目的で挿入するものであり、ポリマーの重合成分の化学構造、正確な組成、並び方、スルホン酸基の位置、数、分子量などを必ずしも正確に表すわけではなく、これらに限定されるものでない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these. In addition, the measurement conditions of each physical property are as follows. Further, a chemical structural formula is inserted in this example, and the chemical structural formula is inserted for the purpose of helping the reader to understand. The chemical structure of the polymerization component of the polymer, the exact composition, the arrangement, the sulfonic acid The position, number, molecular weight, and the like of the group are not necessarily expressed accurately, and are not limited thereto.

(1)スルホン酸基密度
高分子電解質膜を25℃の純水に24時間浸漬し、40℃で24時間真空乾燥した後、元素分析により測定した。炭素、水素、窒素の分析は全自動元素分析装置varioEL、硫黄の分析はフラスコ燃焼法・酢酸バリウム滴定、フッ素の分析はフラスコ燃焼・イオンクロマトグラフ法で実施した。ポリマーの組成比から単位グラムあたりのスルホン酸基密度(mmol/g)を算出した。
(1) Density of sulfonic acid group The polymer electrolyte membrane was immersed in pure water at 25 ° C. for 24 hours, vacuum-dried at 40 ° C. for 24 hours, and then measured by elemental analysis. Carbon, hydrogen, and nitrogen were analyzed by a fully automatic elemental analyzer varioEL, sulfur was analyzed by a flask combustion method / barium acetate titration, and fluorine was analyzed by a flask combustion / ion chromatograph method. The sulfonic acid group density per unit gram (mmol / g) was calculated from the composition ratio of the polymer.

(2)プロトン伝導度
膜の試料を25℃の純水に24時間浸漬した後、25℃、相対湿度50〜80%の雰囲気中に取り出し、できるだけ素早く定電位交流インピーダンス法でプロトン伝導度を測定した。
(2) Proton conductivity After immersing a membrane sample in pure water at 25 ° C. for 24 hours, the membrane sample is taken out in an atmosphere at 25 ° C. and a relative humidity of 50 to 80%, and the proton conductivity is measured by the constant potential AC impedance method as quickly as possible. did.

測定装置としては、Solartron製電気化学測定システム(Solartron 1287 Electrochemical InterfaceおよびSolartron 1255B Frequency Response Analyzer)を使用した。サンプルは、φ2mmおよびφ10mmの2枚の円形電極(ステンレス製)間に加重1kgをかけて挟持した。有効電極面積は0.0314cmである。サンプルと電極の界面には、ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸)の15%水溶液を塗布した。25℃において、交流振幅50mVの定電位インピーダンス測定を行い、膜厚方向のプロトン伝導度を求めた。 As a measuring apparatus, a Solartron electrochemical measurement system (Solartron 1287 Electrochemical Interface and Solartron 1255B Frequency Response Analyzer) was used. The sample was sandwiched between two circular electrodes (made of stainless steel) of φ2 mm and φ10 mm with a weight of 1 kg. The effective electrode area is 0.0314 cm 2 . A 15% aqueous solution of poly (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) was applied to the interface between the sample and the electrode. At 25 ° C., a constant potential impedance measurement with an AC amplitude of 50 mV was performed to determine proton conductivity in the film thickness direction.

(3)重量平均分子量
高分子電解質材料の重量平均分子量をGPCにより測定した。紫外検出器と示差屈折計の一体型装置として東ソー製HLC−8022GPCを、またGPCカラムとして東ソー製TSK gel SuperHM−H(内径6.0mm、長さ15cm)2本を用い、N−メチル−2−ピロリドン溶媒(臭化リチウムを10mmol/L含有するN−メチル−2−ピロリドン溶媒)にて、サンプル濃度0.1wt%、流量0.2mL/min、温度40℃で測定し、標準ポリスチレン換算により重量平均分子量を求めた。
(3) Weight average molecular weight The weight average molecular weight of the polymer electrolyte material was measured by GPC. Tosoh's HLC-8022GPC is used as an integrated device of an ultraviolet detector and a differential refractometer, and Tosoh's TSK gel SuperHM-H (inner diameter 6.0 mm, length 15 cm) is used as the GPC column. N-methyl-2 -Measured with a pyrrolidone solvent (N-methyl-2-pyrrolidone solvent containing 10 mmol / L lithium bromide) at a sample concentration of 0.1 wt%, a flow rate of 0.2 mL / min, and a temperature of 40 ° C. The weight average molecular weight was determined.

(4)膜厚
ミツトヨ製グラナイトコンパレータスタンドBSG−20にセットしたミツトヨ製ID−C112型を用いて測定した。
(4) Film thickness It measured using Mitutoyo ID-C112 type | mold set to Mitutoyo granite comparator stand BSG-20.

(5)耐熱水性
電解質膜の耐熱水性は95℃、熱水中での寸法変化率を測定することにより評価した。電解質膜を長さ約5cm、幅約1cmの短冊に切り取り、25℃の水中に24時間浸漬後、ノギスで長さ(L1)を測長した。該電解質膜を95℃の熱水中に8時間浸漬後、再度ノギスで長さ(L2)を測長し、その寸法変化の大きさを目視で観察した。
(5) Hot water resistance The hot water resistance of the electrolyte membrane was evaluated by measuring the dimensional change rate in hot water at 95 ° C. The electrolyte membrane was cut into a strip having a length of about 5 cm and a width of about 1 cm, immersed in water at 25 ° C. for 24 hours, and the length (L1) was measured with a caliper. The electrolyte membrane was immersed in hot water at 95 ° C. for 8 hours, and then the length (L2) was measured again with a caliper, and the size change was visually observed.

(6)耐熱メタノール性
高分子電解質膜の耐熱メタノール性は60℃、30wt%メタノール水溶液中での寸法変化率を測定することにより評価した。高分子電解質膜を長さ約5cm、幅約1cmの短冊状に切り取り、25℃の水中に24時間浸漬後、ノギスで長さ(L1)を正確に測長した。該高分子電解質膜を60℃の30wt%メタノール水溶液中に12時間浸漬後、再度ノギスで長さ(L2)を正確に測長し、下記算式(S1)にて寸法変化率を計算した。
(6) Heat-resistant methanol property The heat-resistant methanol property of the polymer electrolyte membrane was evaluated by measuring the dimensional change rate in a 30 wt% methanol aqueous solution at 60 ° C. The polymer electrolyte membrane was cut into a strip having a length of about 5 cm and a width of about 1 cm, immersed in water at 25 ° C. for 24 hours, and then the length (L1) was accurately measured with a caliper. The polymer electrolyte membrane was immersed in a 30 wt% methanol aqueous solution at 60 ° C. for 12 hours, and then the length (L2) was accurately measured again with a caliper, and the dimensional change rate was calculated by the following formula (S1).

(30wt%メタノール水溶液中での寸法変化率)=L2/L1……(S1)
L1 :25℃の水中に24時間浸漬後の高分子電解質膜の長さ(cm)
L2 :60℃の30wt%メタノール水溶液中に12時間浸漬後の高分子電解質膜の長さ(cm)
(7)メタノール透過量
膜状の試料を25℃の純水に24時間浸漬した後、20℃において1モル%メタノール水溶液を用いて測定した。
(Dimensional change rate in 30 wt% methanol aqueous solution) = L2 / L1 (S1)
L1: length of polymer electrolyte membrane (cm) after being immersed in water at 25 ° C. for 24 hours
L2: Length of the polymer electrolyte membrane (cm) after being immersed in a 30 wt% methanol aqueous solution at 60 ° C. for 12 hours
(7) Methanol Permeation A film-like sample was immersed in pure water at 25 ° C. for 24 hours and then measured at 20 ° C. using a 1 mol% methanol aqueous solution.

H型セル間にサンプル膜を挟み、一方のセルには純水(60mL)を入れ、他方のセルには1モル%メタノール水溶液(60mL)を入れた。セルの容量は各80mLであった。また、セル間の開口部面積は1.77cmであった。20℃において両方のセルを撹拌した。1時間、2時間および3時間経過時点で純水中に溶出したメタノール量を島津製作所製ガスクロマトグラフィ(GC−2010)で測定し定量した。グラフの傾きから単位時間あたりのメタノール透過量を求めた。
(8)核磁気共鳴スペクトル(NMR)
下記の測定条件で、NMRの測定を行い、モノマー構造を確認した。
A sample membrane was sandwiched between the H-type cells, and pure water (60 mL) was placed in one cell, and 1 mol% aqueous methanol solution (60 mL) was placed in the other cell. The cell capacity was 80 mL each. Moreover, the opening area between cells was 1.77 cm < 2 >. Both cells were stirred at 20 ° C. The amount of methanol eluted in pure water at the time of 1 hour, 2 hours and 3 hours was measured and quantified with a gas chromatography (GC-2010) manufactured by Shimadzu Corporation. The methanol permeation amount per unit time was determined from the slope of the graph.
(8) Nuclear magnetic resonance spectrum (NMR)
NMR measurement was performed under the following measurement conditions to confirm the monomer structure.

装置 :日本電子社製EX−270
共鳴周波数 :270MHz
測定温度 :室温
溶解溶媒 :DMSO−d6
内部基準物質:TMS(0ppm)
合成例1
下記一般式(G1)で表される2,2’−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−6,6’−ビベンゾイミダゾールの合成
Apparatus: EX-270 manufactured by JEOL Ltd.
Resonance frequency: 270 MHz
Measurement temperature: room temperature Dissolving solvent: DMSO-d6
Internal reference material: TMS (0 ppm)
Synthesis example 1
Synthesis of 2,2′-bis (4-hydroxyphenyl) -6,6′-bibenzimidazole represented by the following general formula (G1)

Figure 0005067083
Figure 0005067083

攪拌器、温度計及び留出管を備えた 500mlフラスコに、3,3′−ジアミノベンジジンと4−ヒドロキシ安息香酸を入れ、ポリリン酸をフラスコの壁を洗い流しながら加えた。その後、内温を175℃まで徐々に昇温し24時間撹拌した。メタノールを加え沈殿させ、濾過により単離した。これに水とメタノールを加え、過剰のポリリン酸と未反応4−ヒドロキシ安息香酸を除去した。粗生成物をNMPで再結晶化しG1を得た。この結晶をGC分析したところ99.8%純度であった。
合成例2
下記一般式(G2)で表される2,2’−ビス(4−フルオロフェニル)−6,6’−ビベンゾイミダゾールの合成
In a 500 ml flask equipped with a stirrer, thermometer and distillation tube, 3,3′-diaminobenzidine and 4-hydroxybenzoic acid were added, and polyphosphoric acid was added while washing the wall of the flask. Thereafter, the internal temperature was gradually raised to 175 ° C. and stirred for 24 hours. Methanol was added to precipitate and isolated by filtration. Water and methanol were added thereto to remove excess polyphosphoric acid and unreacted 4-hydroxybenzoic acid. The crude product was recrystallized with NMP to obtain G1. This crystal was analyzed by GC and found to be 99.8% pure.
Synthesis example 2
Synthesis of 2,2′-bis (4-fluorophenyl) -6,6′-bibenzimidazole represented by the following general formula (G2)

Figure 0005067083
Figure 0005067083

攪拌器、温度計及び留出管を備えた 500mlフラスコに、3,3′−ジアミノベンジジンと4−フルオロ安息香酸を入れ、ポリリン酸をフラスコの壁を洗い流しながら加えた。その後、内温を175℃まで徐々に昇温し24時間撹拌した。メタノールを加え沈殿させ、濾過により単離した。これに水とメタノールを加え、過剰のポリリン酸と未反応4−フルオロ安息香酸を除去した。粗生成物をNMPで再結晶化しG1を得た。この結晶をGC分析したところ99.2%純度であった。
合成例3
下記一般式(G3)で表されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンの合成
In a 500 ml flask equipped with a stirrer, thermometer and distillation tube, 3,3'-diaminobenzidine and 4-fluorobenzoic acid were added, and polyphosphoric acid was added while washing the flask wall. Thereafter, the internal temperature was gradually raised to 175 ° C. and stirred for 24 hours. Methanol was added to precipitate and isolated by filtration. Water and methanol were added thereto, and excess polyphosphoric acid and unreacted 4-fluorobenzoic acid were removed. The crude product was recrystallized with NMP to obtain G1. This crystal was analyzed by GC and found to be 99.2% pure.
Synthesis example 3
Synthesis of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the following general formula (G3)

Figure 0005067083
Figure 0005067083

4,4’−ジフルオロベンゾフェノン109.1g(アルドリッチ試薬)を発煙硫酸(50%SO)150mL(和光純薬試薬)中、100℃で10h反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、NaOHで中和した後、食塩200gを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、エタノール水溶液で再結晶し、上記一般式(G3)で示されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを得た。純度は99.3%であった。構造はH−NMRで確認した。不純物はキャピラリー電気泳動(有機物)およびイオンクロマトグラフィー(無機物)で定量分析を行った。
合成例4
前記式(r4)で表される2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソラン(K−DHBP)の合成
攪拌器、温度計及び留出管を備えた 500mlフラスコに、4,4′−ジヒドロキシベンゾフエノン49.5g、エチレングリコール134g、オルトギ酸トリメチル96.9g及びp−トルエンスルホン酸1水和物0.50gを仕込み溶解する。その後78〜82℃で2時間保温攪拌した。更に、内温を120℃まで徐々に昇温、ギ酸メチル、メタノール、オルトギ酸トリメチルの留出が完全に止まるまで加熱した。この反応液を室温まで冷却後、反応液を酢酸エチルで希釈し、有機層を5%炭酸カリウム水溶液100mlで洗浄し分液後、溶媒を留去した。残留物にジクロロメタン80mlを加え結晶を析出させ、濾過し、乾燥して2,2−ビス(4−ヒドロキシフエニル)−1,3−ジオキソラン52.0gを得た。この結晶をGC分析したところ99.8%の2,2−ビス(4−ヒドロキシフエニル)−1,3−ジオキソランと0.2%の4,4′−ジヒドロキシベンゾフエノンであった。
109.1 g (Aldrich reagent) of 4,4′-difluorobenzophenone was reacted at 100 ° C. for 10 hours in 150 mL of fuming sulfuric acid (50% SO 3 ) (Wako Pure Chemicals reagent). Thereafter, the mixture was poured little by little into a large amount of water, neutralized with NaOH, and 200 g of sodium chloride was added to precipitate the composite. The resulting precipitate was filtered off and recrystallized with an aqueous ethanol solution to obtain disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the above general formula (G3). The purity was 99.3%. The structure was confirmed by 1 H-NMR. Impurities were quantitatively analyzed by capillary electrophoresis (organic matter) and ion chromatography (inorganic matter).
Synthesis example 4
Synthesis of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane (K-DHBP) represented by the formula (r4) In a 500 ml flask equipped with a stirrer, a thermometer and a distillation tube, 4,4'-dihydroxybenzophenone, 134 g of ethylene glycol, 96.9 g of trimethyl orthoformate and 0.50 g of p-toluenesulfonic acid monohydrate are charged and dissolved. Thereafter, the mixture was stirred while maintaining at 78 to 82 ° C. for 2 hours. Further, the internal temperature was gradually raised to 120 ° C. and heated until the distillation of methyl formate, methanol, and trimethyl orthoformate completely stopped. After cooling this reaction liquid to room temperature, the reaction liquid was diluted with ethyl acetate, the organic layer was washed with 100 ml of 5% aqueous potassium carbonate solution and separated, and then the solvent was distilled off. Crystals were precipitated by adding 80 ml of dichloromethane to the residue, filtered and dried to obtain 52.0 g of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane. GC analysis of the crystals revealed 99.8% 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane and 0.2% 4,4'-dihydroxybenzophenone.

実施例1
下記一般式(J1)で表される高分子電解質材料の合成および評価、ならびに高分子電解質膜の作成および評価
Example 1
Synthesis and evaluation of a polymer electrolyte material represented by the following general formula (J1), and preparation and evaluation of a polymer electrolyte membrane

Figure 0005067083
Figure 0005067083

(式中、*はその位置で上式の右端と下式の左端とが結合していることを表す。)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム6.9g(アルドリッチ試薬、50mmol)、4,4’−ジヒドロキシテトラフェニルメタン13.4g(38mmol)、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン4.4g(アルドリッチ試薬、20mmol)、前記合成例1で得たビスフェノールモノマー0.84g(2.0mmol)、および前記合成例3で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン8.9g(21mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)60mL、トルエン40mL中で180℃で脱水後、昇温してトルエン除去、230℃で12時間重合を行った。多量の水で再沈殿することで精製を行い、上記一般式(J1)で示される高分子電解質材料を得た。得られた高分子電解質材料の重量平均分子量は45万、製膜、プロトン置換(詳細は後述)後のスルホン酸基密度は1.4mmol/gであった。
(In the formula, * represents that the right end of the upper formula and the left end of the lower formula are connected at that position.)
In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introduction tube, and a Dean-Stark trap, 6.9 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 50 mmol), 13.4 g (38 mmol) of 4,4′-dihydroxytetraphenylmethane, 4,4 '-Difluorobenzophenone 4.4 g (Aldrich reagent, 20 mmol), 0.84 g (2.0 mmol) of the bisphenol monomer obtained in Synthesis Example 1, and disodium 3,3'-disulfonate-4 obtained in Synthesis Example 3 , 4′-difluorobenzophenone 8.9 g (21 mmol) was added, and after nitrogen replacement, dehydration was performed at 180 ° C. in 60 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 40 mL of toluene, and the temperature was raised to remove toluene. Polymerization was performed. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of water to obtain a polymer electrolyte material represented by the above general formula (J1). The weight average molecular weight of the obtained polymer electrolyte material was 450,000, and the sulfonic acid group density after membrane formation and proton substitution (details will be described later) was 1.4 mmol / g.

得られた高分子電解質材料を溶解させた20重量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液をガラス基板上に流延塗布し、高分子電解質膜を得た。さらに、100℃にて4h乾燥後、窒素下350℃で10分間熱処理することで、高分子電解質膜を得た。これを25℃で1N塩酸に24時間浸漬してプロトン置換した後に、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄した。   A 20 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) solution in which the obtained polymer electrolyte material was dissolved was casted on a glass substrate to obtain a polymer electrolyte membrane. Furthermore, after drying at 100 ° C. for 4 hours, heat treatment was performed at 350 ° C. for 10 minutes under nitrogen to obtain a polymer electrolyte membrane. This was immersed in 1N hydrochloric acid at 25 ° C. for 24 hours for proton substitution, and then sufficiently immersed in a large excess amount of pure water for 24 hours for washing.

得られた高分子電解質膜は膜厚32μmであった。評価結果は表1にまとめた。高プロトン伝導性を維持したまま、メタノールクロスオーバーの抑制効果が大きかった。また、耐熱メタノール性に優れていた。   The obtained polymer electrolyte membrane had a thickness of 32 μm. The evaluation results are summarized in Table 1. While maintaining high proton conductivity, the effect of suppressing methanol crossover was great. Moreover, it was excellent in heat-resistant methanol property.

実施例2
下記式(J2)で表される高分子電解質材料の合成および評価、ならびに高分子電解質膜の作成および評価
Example 2
Synthesis and evaluation of polymer electrolyte material represented by the following formula (J2), and creation and evaluation of polymer electrolyte membrane

Figure 0005067083
Figure 0005067083

(式中、*はその位置で上式の右端と下式の左端とが結合していることを表す。)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム6.9g(アルドリッチ試薬、50mmol)、9,9’−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン (38mmol)、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン4.4g(アルドリッチ試薬、20mmol)、前記合成例1で得たビスフェノールモノマー0.84g(2.0mmol)、および前記合成例3で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン8.9g(21mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)60mL、トルエン40mL中で180℃で脱水後、昇温してトルエン除去、230℃で12時間重合を行った。多量の水で再沈殿することで精製を行い、上記一般式(J2)で示される高分子電解質材料を得た。得られた高分子電解質材料の重量平均分子量は35万、製膜、プロトン置換(詳細は後述)後のスルホン酸基密度は1.4mmol/gであった。
(In the formula, * represents that the right end of the upper formula and the left end of the lower formula are connected at that position.)
To a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen inlet tube, and a Dean-Stark trap, 6.9 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 50 mmol), 9,9′-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene (38 mmol), 4, 4.4 g (Aldrich reagent, 20 mmol) of 4′-difluorobenzophenone, 0.84 g (2.0 mmol) of the bisphenol monomer obtained in Synthesis Example 1, and disodium 3,3′-disulfonate obtained in Synthesis Example 3 8.9 g (21 mmol) of 4,4′-difluorobenzophenone was added, and after nitrogen replacement, dehydration was performed at 180 ° C. in 60 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 40 mL of toluene. Time polymerization was performed. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of water to obtain a polymer electrolyte material represented by the above general formula (J2). The obtained polymer electrolyte material had a weight average molecular weight of 350,000, and the sulfonic acid group density after membrane formation and proton substitution (details will be described later) was 1.4 mmol / g.

実施例1と同様にして得られた高分子電解質膜は膜厚31μmであった。評価結果は表1にまとめた。高プロトン伝導性を維持したまま、メタノールクロスオーバーの抑制効果が大きかった。また、耐熱メタノール性に優れていた。
実施例3
下記一般式(J3)で表される高分子電解質材料の合成および評価、ならびに高分子電解質膜の作成および評価
The polymer electrolyte membrane obtained in the same manner as in Example 1 had a thickness of 31 μm. The evaluation results are summarized in Table 1. While maintaining high proton conductivity, the effect of suppressing methanol crossover was great. Moreover, it was excellent in heat-resistant methanol property.
Example 3
Synthesis and evaluation of a polymer electrolyte material represented by the following general formula (J3), and preparation and evaluation of a polymer electrolyte membrane

Figure 0005067083
Figure 0005067083

(式中、*はその位置で上式の右端と下式の左端とが結合していることを表す。)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム6.9g(アルドリッチ試薬、50mmol)、4,4’−ジヒドロキシテトラフェニルメタン14.1g(40mmol)、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン4.2g(アルドリッチ試薬、19mmol)、前記合成例2で得た芳香族ジハライドモノマー0.84g(2.0mmol)、および前記合成例3で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン8.5g(20mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)60mL、トルエン40mL中で180℃で脱水後、昇温してトルエン除去、230℃で12時間重合を行った。多量の水で再沈殿することで精製を行い、上記一般式(J3)で示される高分子電解質材料を得た。得られた高分子電解質材料の重量平均分子量は40万、製膜、プロトン置換(詳細は後述)後のスルホン酸基密度は1.3mmol/gであった。
(In the formula, * represents that the right end of the upper formula and the left end of the lower formula are connected at that position.)
In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen inlet tube, and a Dean-Stark trap, 6.9 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 50 mmol), 14.1 g (40 mmol) of 4,4′-dihydroxytetraphenylmethane, 4,4 '-Difluorobenzophenone 4.2 g (Aldrich reagent, 19 mmol), aromatic dihalide monomer 0.84 g (2.0 mmol) obtained in Synthesis Example 2, and disodium 3,3′-di-acid obtained in Synthesis Example 3 Add 8.5 g (20 mmol) of sulfonate-4,4′-difluorobenzophenone, purge with nitrogen, dehydrate at 180 ° C. in 60 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 40 mL of toluene, and then elevate the temperature to remove toluene, 230 ° C. For 12 hours. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of water to obtain a polymer electrolyte material represented by the above general formula (J3). The weight average molecular weight of the obtained polymer electrolyte material was 400,000, and the sulfonic acid group density after membrane formation and proton substitution (details will be described later) was 1.3 mmol / g.

実施例1と同様にして得られた高分子電解質膜は膜厚32μmであった。評価結果は表1にまとめた。高プロトン伝導性を維持したまま、メタノールクロスオーバーの抑制効果が大きかった。また、耐熱メタノール性に優れていた。
実施例4
下記一般式(J4)で表される高分子電解質材料の合成および評価、ならびに高分子電解質膜の作成および評価
The polymer electrolyte membrane obtained in the same manner as in Example 1 had a thickness of 32 μm. The evaluation results are summarized in Table 1. While maintaining high proton conductivity, the effect of suppressing methanol crossover was great. Moreover, it was excellent in heat-resistant methanol property.
Example 4
Synthesis and evaluation of a polymer electrolyte material represented by the following general formula (J4), and preparation and evaluation of a polymer electrolyte membrane

Figure 0005067083
Figure 0005067083

(式中、*はその位置で上式の右端と下式の左端とが結合していることを表す。)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム6.9g(アルドリッチ試薬、50mmol)、合成例4で得られたK−DHBP9.81g(38mmol)、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン4.4g(アルドリッチ試薬、20mmol)、前記合成例1で得たビスフェノールモノマー0.84g(2.0mmol)、および前記合成例3で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン8.9g(21mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)60mL、トルエン40mL中で180℃で脱水後、昇温してトルエン除去、230℃で12時間重合を行った。多量の水で再沈殿することで精製を行い、上記一般式(J4)で示される高分子電解質材料を得た。得られた高分子電解質材料の重量平均分子量は45万、製膜、プロトン置換(詳細は後述)後のスルホン酸基密度は1.4mmol/gであった。
(In the formula, * represents that the right end of the upper formula and the left end of the lower formula are connected at that position.)
In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introduction tube, and a Dean-Stark trap, 6.9 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 50 mmol), 9.81 g (38 mmol) of K-DHBP obtained in Synthesis Example 4, 4, 4 '-Difluorobenzophenone 4.4 g (Aldrich reagent, 20 mmol), 0.84 g (2.0 mmol) of the bisphenol monomer obtained in Synthesis Example 1, and disodium 3,3'-disulfonate-4 obtained in Synthesis Example 3 , 4′-difluorobenzophenone 8.9 g (21 mmol) was added, and after nitrogen replacement, dehydration was performed at 180 ° C. in 60 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 40 mL of toluene, and the temperature was raised to remove toluene. Polymerization was performed. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of water to obtain a polymer electrolyte material represented by the above general formula (J4). The weight average molecular weight of the obtained polymer electrolyte material was 450,000, and the sulfonic acid group density after membrane formation and proton substitution (details will be described later) was 1.4 mmol / g.

得られた式(J4)の成型用可溶性高分子電解質材料を溶解させた25重量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液をガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、ガラス基板上に流延塗布し、100℃にて4h乾燥後、窒素下300℃まで30分かけて昇温、300℃で10分間熱処理し、膜を得た。ポリマーの溶解性は極めて良好であった。95℃で6N塩酸に24時間浸漬してプロトン置換、脱保護反応した後に、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄し、高分子電解質膜を得た。 得られた高分子電解質膜は膜厚32μmであった。評価結果は表1にまとめた。高プロトン伝導性を維持したまま、メタノールクロスオーバーの抑制効果が大きかった。また、耐熱メタノール性に優れていた。
実施例5
下記一般式(J5)で表される高分子電解質材料の合成および評価、ならびに高分子電解質膜の作成および評価
The obtained 25 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) solution in which the soluble polymer electrolyte material for molding of the formula (J4) was dissolved was subjected to pressure filtration using a glass fiber filter, and then cast onto a glass substrate. After drying at 100 ° C. for 4 hours, the temperature was raised to 300 ° C. over 30 minutes under nitrogen and heat treated at 300 ° C. for 10 minutes to obtain a film. The solubility of the polymer was very good. After being immersed in 6N hydrochloric acid at 95 ° C. for 24 hours for proton substitution and deprotection, it was immersed in a large excess of pure water for 24 hours and washed sufficiently to obtain a polymer electrolyte membrane. The obtained polymer electrolyte membrane had a thickness of 32 μm. The evaluation results are summarized in Table 1. While maintaining high proton conductivity, the effect of suppressing methanol crossover was great. Moreover, it was excellent in heat-resistant methanol property.
Example 5
Synthesis and evaluation of polymer electrolyte material represented by the following general formula (J5), and preparation and evaluation of polymer electrolyte membrane

Figure 0005067083
Figure 0005067083

(式中、*はその位置で上式の右端と下式の左端とが結合していることを表す。)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム6.9g(アルドリッチ試薬、50mmol)、合成例4で得られたK−DHBP10.33g(40mmol)、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン4.2g(アルドリッチ試薬、19mmol)、前記合成例2で得た芳香族ジハライドモノマー0.84g(2.0mmol)、および前記合成例3で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン8.5g(20mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)60mL、トルエン40mL中で180℃で脱水後、昇温してトルエン除去、230℃で12時間重合を行った。多量の水で再沈殿することで精製を行い、上記一般式(J3)で示される高分子電解質材料を得た。得られた高分子電解質材料の重量平均分子量は40万、製膜、プロトン置換(詳細は後述)後のスルホン酸基密度は1.3mmol/gであった。
(In the formula, * represents that the right end of the upper formula and the left end of the lower formula are connected at that position.)
In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introducing tube, and a Dean-Stark trap, 6.9 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 50 mmol), 10.33 g (40 mmol) of K-DHBP obtained in Synthesis Example 4, 4, 4 '-Difluorobenzophenone 4.2 g (Aldrich reagent, 19 mmol), aromatic dihalide monomer 0.84 g (2.0 mmol) obtained in Synthesis Example 2, and disodium 3,3′-di-acid obtained in Synthesis Example 3 Add 8.5 g (20 mmol) of sulfonate-4,4′-difluorobenzophenone, purge with nitrogen, dehydrate at 180 ° C. in 60 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 40 mL of toluene, and then elevate the temperature to remove toluene, 230 ° C. For 12 hours. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of water to obtain a polymer electrolyte material represented by the above general formula (J3). The weight average molecular weight of the obtained polymer electrolyte material was 400,000, and the sulfonic acid group density after membrane formation and proton substitution (details will be described later) was 1.3 mmol / g.

得られた式(J5)の成型用可溶性高分子電解質材料を溶解させた25重量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液をガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、ガラス基板上に流延塗布し、100℃にて4h乾燥後、窒素下300℃まで30分かけて昇温、300℃で10分間熱処理し、膜を得た。ポリマーの溶解性は極めて良好であった。95℃で6N塩酸に24時間浸漬してプロトン置換、脱保護反応した後に、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄し、高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜は膜厚32μmであった。評価結果は表1にまとめた。高プロトン伝導性を維持したまま、メタノールクロスオーバーの抑制効果が大きかった。また、耐熱メタノール性に優れていた。   The obtained 25 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) solution in which the soluble polymer electrolyte material for molding of the formula (J5) was dissolved was subjected to pressure filtration using a glass fiber filter, and then cast onto a glass substrate. After drying at 100 ° C. for 4 hours, the temperature was raised to 300 ° C. over 30 minutes under nitrogen and heat treated at 300 ° C. for 10 minutes to obtain a film. The solubility of the polymer was very good. After being immersed in 6N hydrochloric acid at 95 ° C. for 24 hours for proton substitution and deprotection, it was immersed in a large excess of pure water for 24 hours and washed sufficiently to obtain a polymer electrolyte membrane. The obtained polymer electrolyte membrane had a thickness of 32 μm. The evaluation results are summarized in Table 1. While maintaining high proton conductivity, the effect of suppressing methanol crossover was great. Moreover, it was excellent in heat-resistant methanol property.

比較例1
市販のナフィオン(登録商標)117膜(デュポン社製)を用い、イオン伝導度、耐熱水性、MCOおよび耐熱メタノール性を評価した。ナフィオン(登録商標)117膜は100℃の5%過酸化水素水中にて30分、続いて100℃の5%希硫酸中にて30分浸漬した後、100℃の脱イオン水でよく洗浄した。評価結果は表1にまとめた。
Comparative Example 1
A commercially available Nafion (registered trademark) 117 membrane (manufactured by DuPont) was used to evaluate ion conductivity, hot water resistance, MCO, and hot methanol resistance. The Nafion (registered trademark) 117 membrane was immersed in 5% hydrogen peroxide water at 100 ° C. for 30 minutes, then in 5% dilute sulfuric acid at 100 ° C. for 30 minutes, and then thoroughly washed with deionized water at 100 ° C. . The evaluation results are summarized in Table 1.

比較例2     Comparative Example 2

Figure 0005067083
Figure 0005067083

(式中、*はその位置で上式の右端と下式の左端とが結合していることを表す。)
実施例1で得た前記式(J1)の高分子電解質材料を前記式(J4)のポリマーに変えたこと以外は実施例1に記載の方法で高分子電解質膜の作製を行った。
(In the formula, * represents that the right end of the upper formula and the left end of the lower formula are connected at that position.)
A polymer electrolyte membrane was prepared by the method described in Example 1, except that the polymer electrolyte material of the formula (J1) obtained in Example 1 was changed to the polymer of the formula (J4).

得られた高分子電解質膜は膜厚38μmであった。評価結果は表1にまとめた。メタノールクロスオーバーの抑制効果があまりなかった。また、耐熱メタノール性が不足していた。   The obtained polymer electrolyte membrane had a thickness of 38 μm. The evaluation results are summarized in Table 1. There was not much suppression effect of methanol crossover. Moreover, heat-resistant methanol property was insufficient.

実施例1〜5、比較例1〜2の各評価結果を表1に示す。実施例1〜5の膜は比較例1のナフィオン(登録商標)117膜と比較してメタノールクロスオーバーの抑制効果が大きく、耐熱メタノール性にも優れていた。また、比較例2の膜と比較して同程度のスルホン酸基を有するにもかかわらずメタノールクロスオーバーの抑制効果が大きく、耐熱メタノール性にも優れていた。   Each evaluation result of Examples 1-5 and Comparative Examples 1-2 is shown in Table 1. The membranes of Examples 1 to 5 had a greater effect of suppressing methanol crossover than the Nafion (registered trademark) 117 membrane of Comparative Example 1, and were excellent in heat-resistant methanol resistance. Further, although having the same level of sulfonic acid group as compared with the membrane of Comparative Example 2, the effect of suppressing methanol crossover was great and the heat resistant methanol resistance was also excellent.

Figure 0005067083
Figure 0005067083

本発明の電解質膜は、種々の電気化学装置(例えば、燃料電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等)に適用可能である。これら装置の中でも、燃料電池用に好適であり、特にメタノール水溶液を燃料とする燃料電池に好適である。   The electrolyte membrane of the present invention can be applied to various electrochemical devices (for example, a fuel cell, a water electrolysis device, a chloroalkali electrolysis device, etc.). Among these devices, it is suitable for a fuel cell, and particularly suitable for a fuel cell using a methanol aqueous solution as a fuel.

本発明の高分子電解質型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、携帯電話、パソコン、PDA、ビデオカメラ、デジタルカメラなどの携帯機器、コードレス掃除機等の家電、玩具類、電動自転車、自動二輪、自動車、バス、トラックなどの車両や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源、据え置き型の発電機など従来の一次電池、二次電池の代替、もしくはこれらとのハイブリット電源として好ましく用いられる。   The use of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is not particularly limited, but mobile devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, video cameras, digital cameras, home appliances such as cordless vacuum cleaners, toys, electric bicycles, automatic It is preferably used as a power supply source for vehicles such as motorcycles, automobiles, buses, trucks, etc., moving bodies such as ships, railways, etc., conventional primary batteries such as stationary generators, alternatives to secondary batteries, or hybrid power sources with these. .

Claims (11)

酸性基を有するモノマー構造、主鎖に塩基性基を有するモノマー構造、および中性モノマー構造を共重合体構造として含有し、酸性基を有するモノマー構造が下記一般式(Q1−s)で表される構造であり、塩基性基が下記一般式(N1)〜(N8)から選ばれる窒素を含む複素環であることを特徴とするイオン性基含有高分子電解質材料。
Figure 0005067083
(一般式(Q1−s)中、Xは−CO−、−SO−、または−P(Rp)O−(Rpは任意の有酸基)、MおよびMは水素、金属カチオン、アンモニウムカチオン、a1およびa2は1〜4の整数を表す。)
Figure 0005067083
A monomer structure having an acidic group, a monomer structure having a basic group in the main chain, and a neutral monomer structure are contained as a copolymer structure, and the monomer structure having an acidic group is represented by the following general formula (Q1-s). An ionic group-containing polymer electrolyte material, wherein the basic group is a heterocyclic ring containing nitrogen selected from the following general formulas (N1) to (N8).
Figure 0005067083
(In the general formula (Q1 -s), X 1 is -CO -, - SO 2 -, or -P (Rp) O- (Rp any Yusanmoto is), M 1 and M 2 is hydrogen, a metal cation , Ammonium cation, a1 and a2 represent an integer of 1 to 4.)
Figure 0005067083
該共重合体が芳香族ポリエーテル系共重合体である請求項1に記載の高分子電解質材料。   The polymer electrolyte material according to claim 1, wherein the copolymer is an aromatic polyether copolymer. 一般式(Q1−s)が下記一般式(Q2−s)である請求項1または2に記載の高分子電解質材料。
Figure 0005067083
(一般式(Q2−s)中、MおよびMは水素、金属カチオン、アンモニウムカチオンを表す。)
The polymer electrolyte material according to claim 1 or 2, wherein the general formula (Q1-s) is the following general formula (Q2-s).
Figure 0005067083
(In the general formula (Q2-s), M 3 and M 4 represent hydrogen, a metal cation, or an ammonium cation.)
酸性基を有するモノマー構造の含有モル分率W1が、2モル%以上40モル%以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の高分子電解質材料。   The polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 3, wherein the content mole fraction W1 of the monomer structure having an acidic group is 2 mol% or more and 40 mol% or less. 主鎖に塩基性基を有するモノマー構造が、下記一般式(Q3−s)で表される化合物構造である請求項1〜4のいずれかに記載の高分子電解質材料。
Figure 0005067083
The polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 4, wherein the monomer structure having a basic group in the main chain is a compound structure represented by the following general formula (Q3-s).
Figure 0005067083
主鎖に塩基性基を有するモノマー構造の含有モル分率W2が、0.5モル%以上15モル%以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の高分子電解質材料。   The polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 5, wherein the content mole fraction W2 of the monomer structure having a basic group in the main chain is 0.5 mol% or more and 15 mol% or less. . 酸性基を有するモノマー構造と主鎖に塩基性基を有するモノマー構造の含有モル分率の比W2/W1が0.02〜0.4であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の高分子電解質材料。   The ratio W2 / W1 of the content mole fraction of the monomer structure having an acidic group and the monomer structure having a basic group in the main chain is 0.02 to 0.4. The polymer electrolyte material described in 1. 中性モノマー構造が、下記一般式(Ar1−1)〜(Ar1−6)から選ばれた少なくとも1つの化合物構造である請求項1〜7のいずれかに記載の高分子電解質材料。
Figure 0005067083
The polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 7, wherein the neutral monomer structure is at least one compound structure selected from the following general formulas (Ar1-1) to (Ar1-6).
Figure 0005067083
請求項1〜8のいずれかに記載の高分子電解質材料からなることを特徴とする高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte material according to claim 1. 請求項1〜8のいずれかに記載の高分子電解質材料を用いて構成されたことを特徴とする膜電極複合体。   A membrane electrode assembly comprising the polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 8. 請求項1〜8のいずれかに記載の高分子電解質材料を用いて構成されたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。   A solid polymer fuel cell comprising the polymer electrolyte material according to claim 1.
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