JP5158586B2 - Black solid sulfonated substance, production method thereof, ion exchanger using the same, electrolyte membrane, catalyst, membrane electrode assembly, fuel cell - Google Patents
Black solid sulfonated substance, production method thereof, ion exchanger using the same, electrolyte membrane, catalyst, membrane electrode assembly, fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP5158586B2 JP5158586B2 JP2007272730A JP2007272730A JP5158586B2 JP 5158586 B2 JP5158586 B2 JP 5158586B2 JP 2007272730 A JP2007272730 A JP 2007272730A JP 2007272730 A JP2007272730 A JP 2007272730A JP 5158586 B2 JP5158586 B2 JP 5158586B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- black solid
- solid sulfonated
- present
- alkyl group
- black
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
Description
本発明は、黒色固体状スルホン化物質、その製造方法およびそれを用いたイオン交換体、電解質膜、触媒、膜電極接合体、燃料電池に関するものであり、さらに詳しくは、プロトン伝導膜、触媒、イオン交換体、膜電極接合体、燃料電池に使用できるイオン交換容量、触媒性能、プロトン伝導性が高く耐熱性に優れた黒色固体状スルホン化物質、その製造方法およびそれを用いたイオン交換体、電解質膜、触媒、膜電極接合体、燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a black solid sulfonated substance, a method for producing the same, an ion exchanger using the same, an electrolyte membrane, a catalyst, a membrane electrode assembly, and a fuel cell, and more specifically, a proton conducting membrane, a catalyst, Ion exchanger, membrane electrode assembly, ion exchange capacity that can be used for fuel cells, catalytic performance, black solid sulfonated substance with high proton conductivity and excellent heat resistance, its production method and ion exchanger using the same, The present invention relates to an electrolyte membrane, a catalyst, a membrane electrode assembly, and a fuel cell.
近年、高いエネルギー効率を有し、環境負荷の少ない燃料電池が注目されている。燃料電池とは、水素やメタノールなどの燃料を酸素または空気を用いて電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出すものである。 In recent years, fuel cells having high energy efficiency and low environmental impact have attracted attention. A fuel cell is one that converts chemical energy of fuel into electrical energy by electrochemically oxidizing fuel such as hydrogen or methanol using oxygen or air.
このような燃料電池は、用いる電解質の種類によって、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、アルカリ型などに分類される。このうち、陽イオン交換膜を電解質として用いる固体高分子型燃料電池は、用いる電解質膜を薄くすることにより燃料電池内の内部抵抗を低減できるため高電流で操作でき、小型化が可能である。このような利点から固体高分子型の研究が活発化している。 Such fuel cells are classified into a solid polymer type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, an alkaline type, and the like depending on the type of electrolyte used. Among these, a polymer electrolyte fuel cell using a cation exchange membrane as an electrolyte can be operated at a high current because the internal resistance in the fuel cell can be reduced by thinning the electrolyte membrane to be used, and can be miniaturized. Because of these advantages, research on solid polymer types has become active.
固体高分子型燃料電池に用いる電解質膜には、燃料電池の電極反応に関与するプロトンについて高いプロトン伝導性が要求される。このようなプロトン伝導性材料としては、商品名Nafion(デュポン社製)などのスルホン酸基含有フッ素樹脂が知られている。しかし、これらの高分子電解質材料は環境負荷の高いフッ素系の樹脂である上、合成経路が複雑であり、非常に高価であるという問題を抱えている。
また、スルホン酸基含有フッ素樹脂は、ガラス転移温度が低く、耐熱性が低いため、作動温度が約80℃〜100℃と低くなってしまい効率が悪くなるという問題点も抱えている。現在、スルホン酸基含有フッ素樹脂に代わる新たなプロトン伝導性材料の開発が進められているが未だ実用化には至っていない。
The electrolyte membrane used in the polymer electrolyte fuel cell is required to have high proton conductivity with respect to protons involved in the electrode reaction of the fuel cell. As such proton conductive materials, sulfonic acid group-containing fluororesins such as trade name Nafion (manufactured by DuPont) are known. However, these polymer electrolyte materials have a problem that they are fluorine resins having a high environmental load, and the synthesis route is complicated and very expensive.
In addition, since the sulfonic acid group-containing fluororesin has a low glass transition temperature and low heat resistance, the operating temperature is lowered to about 80 ° C. to 100 ° C., resulting in poor efficiency. Currently, development of a new proton conductive material to replace the sulfonic acid group-containing fluororesin is underway, but it has not yet been put into practical use.
また、近年、環境問題がクローズアップされ、高効率な触媒開発が注目されている。反応時、使用するエネルギーを低減させることで環境負荷を低減させることができるため、期待されている。このような例として、前述したスルホン酸基含有フッ素樹脂も触媒として用いられることもあるが、高価であるため、あまり使用されていない。 In recent years, environmental problems have been highlighted, and high-efficiency catalyst development has attracted attention. It is expected that the environmental load can be reduced by reducing the energy used during the reaction. As an example of this, the sulfonic acid group-containing fluororesin described above may be used as a catalyst, but is not so often used because it is expensive.
さらに商業化されているイオン交換樹脂も耐熱性が低く耐熱性の高い材料が求められている。 Furthermore, commercialized ion exchange resins are also demanded of materials having low heat resistance and high heat resistance.
燃料電池、触媒、イオン交換樹脂といった用途に用いられる材料としては、スルホン化された化合物が最適である。これはスルホン酸基が、プロトン伝導性能、触媒性能、イオン交換性能を発現するからである。 A sulfonated compound is optimal as a material used in applications such as fuel cells, catalysts, and ion exchange resins. This is because the sulfonic acid group exhibits proton conduction performance, catalyst performance, and ion exchange performance.
スルホン化された化合物の中で、アルキル基を有した芳香環をスルホン化した例は幾つかある。Backerらが、1935年にメシチレンとクロロスルホン酸とを反応させ、1,3,5−trimethylbenzene−2,4−disulfonyl chlorideを得ている(非特許文献1)。
また、Kilpatrickらは、1961年にメシチレンと硫酸との反応速度について調査している(非特許文献2)。
ヘキサメチルベンゼンのスルホン化についての報告例はほとんどない。Cerfontainらが1988年に室温で硫酸と反応させ、メチル基が移動するという報告したにとどまる(非特許文献3)。
また、我々が知る限り、クロロスルホン酸とヘキサメチルベンゼンとの反応の報告例はなかった。
Among the sulfonated compounds, there are several examples in which an aromatic ring having an alkyl group is sulfonated. Backer et al. Reacted mesitylene with chlorosulfonic acid in 1935 to obtain 1,3,5-trimethylbenzene-2,4-disulfonyl chloride (Non-patent Document 1).
Kilpatrick et al. Investigated the reaction rate between mesitylene and sulfuric acid in 1961 (Non-patent Document 2).
There are few reports on the sulfonation of hexamethylbenzene. Certaintain et al. Reported in 1988 that the methyl group moved by reacting with sulfuric acid at room temperature (Non-patent Document 3).
As far as we know, there has been no report of the reaction of chlorosulfonic acid with hexamethylbenzene.
次に固体高分子電解質膜のOHラジカルによる劣化について説明する。
図1および図2に示したように、従来の固体高分子型燃料電池(PEFC)の単セル11は、固体高分子電解質膜1(パーフルオロカーボンスルホン酸膜)をそれぞれカーボンブラック粒子に触媒物質[主として白金(Pt)あるいは白金族金属(Ru、Rh、Pd、Os、Ir)]を担持した空気極側触媒層2と燃料極側触媒層3とで挟持したセルの空気極側触媒層2と燃料極側触媒層3とをそれぞれ空気極側ガス拡散層4と燃料極側ガス拡散層5で挟持して空気極6および燃料極7を構成した膜電極接合体12を備えている。
そして、空気極側ガス拡散層4と燃料極側ガス拡散層5に面して反応ガス流通用のガス流路8を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路9を備えた導電性でかつガス不透過性の材料よりなる一組のセパレータ10により挟持して単セル11が構成される。
そして、空気などの酸化剤を空気極6に供給し、水素を含む燃料ガスもしくは有機物燃料を燃料極7に供給して発電するようになっている。
Next, the deterioration of the solid polymer electrolyte membrane due to OH radicals will be described.
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, a
Then, a gas flow path 8 for reaction gas flow is provided facing the air electrode side gas diffusion layer 4 and the fuel electrode side
An oxidant such as air is supplied to the
すなわち、燃料極7、空気極6のそれぞれに反応ガスが供給されると、下記の電気化学反応が生じ直流電力を発生する。
燃料極側:2H2 →4H+ +4e-
空気極側:O2 +4H+ +4e- →2H2 O
燃料極側では水素分子(H2 )の酸化反応が起こり、空気極側では酸素分子(O2 )の還元反応が起こることで、燃料極7側で生成されたH+ イオンは固体高分子電解質膜1中を空気極6側に向かって移動し、e- (電子)は外部の負荷を通って空気極6側に移動する。
一方、空気極6側では酸化剤ガスに含まれる酸素と、燃料極7側から移動してきたH+ イオンおよびe- とが反応して水が生成される。かくして、固体高分子形燃料電池は、水素と酸素から直流電流を発生し、水を生成することになる。
That is, when the reaction gas is supplied to each of the
The fuel electrode side: 2H2 → 4H + + 4e -
The air electrode side: O2 + 4H + + 4e - → 2H2 O
An oxidation reaction of hydrogen molecules (H2) occurs on the fuel electrode side, and a reduction reaction of oxygen molecules (O2) occurs on the air electrode side, so that H + ions generated on the
On the other hand, on the
しかし、前記空気極側の還元反応(酸素分子(O2 )の4電子還元)は難しく、空気極側において副反応として下記の電気化学反応(酸素分子(O2 )の2電子還元)が生じて多くのH2 O2 が発生する。そして不純物としてFe(II)などが存在するとその触媒作用でH2 O2 が分解され、OH・(OHラジカル)とOH- が生成する。 However, the reduction reaction on the air electrode side (4-electron reduction of oxygen molecules (O2)) is difficult, and the following electrochemical reaction (2-electron reduction of oxygen molecules (O2)) occurs as a side reaction on the air electrode side. H2 O2 is generated. If Fe (II) or the like is present as an impurity, H2 O2 is decomposed by the catalytic action, and OH. (OH radical) and OH - are generated.
空気極側:O2 +2H+ +2e- →H2 O2
H2 O2 +Fe(II)→OH・+OH- +Fe(III )
生成したOH・(OHラジカル)は酸化力が大きく、固体高分子電解質膜1を酸化し分解し劣化する。
H2 O2 + Fe (II) → OH · + OH − + Fe (III)
The generated OH · (OH radical) has a large oxidizing power and oxidizes and decomposes and degrades the solid polymer electrolyte membrane 1.
本発明の第1の課題は、プロトン伝導性が高く、耐熱性に優れ、かつイオン交換容量、触媒性能、耐OHラジカル性にも優れた低価格の黒色固体状スルホン化物質を提供することであり、
本発明の第2の課題は、そのような黒色固体状スルホン化物質を低コストで容易に製造する方法を提供することであり、
さらに本発明の他の課題は、そのような黒色固体状スルホン化物質を用いた耐OHラジカル性に優れたプロトン伝導膜、触媒、イオン交換体、膜電極接合体、燃料電池を提供することである。
The first object of the present invention is to provide a low-cost black solid sulfonated material having high proton conductivity, excellent heat resistance, and excellent ion exchange capacity, catalyst performance, and OH radical resistance. Yes,
The second object of the present invention is to provide a method for easily producing such a black solid sulfonated material at low cost,
Still another object of the present invention is to provide a proton conductive membrane, a catalyst, an ion exchanger, a membrane electrode assembly, and a fuel cell, which are excellent in OH radical resistance using such a black solid sulfonated substance. is there.
本発明等は、上記課題を解決すべく、アルキル基を有する芳香環の研究を進めた結果ではなく、たまたま別の化合物をスルホン化する際、反応溶媒として反応性が低いと考えられるヘキサメチルベンゼンを用いた時に、思いがけず、溶媒に不溶なスルホン化した黒色固体状物質が得られたので、これを研究の発端として鋭意検討した結果、その他のアルキル基を有する芳香環でも上記課題が解決されることを見出し、しかも、優れた性能を有し、かつ低コストで容易に製造できることがわかり、本発明を完成するに到った。 The present invention is not the result of advancing research on an aromatic ring having an alkyl group in order to solve the above-mentioned problems. Hexamethylbenzene, which is considered to have low reactivity as a reaction solvent when happening to sulfonate another compound. As a result of diligent investigation as a starting point of research, the above problems were solved even with other aromatic rings having an alkyl group. It has been found that the present invention has excellent performance and can be easily manufactured at low cost, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明の請求項1記載の発明は、メシチレンあるいはヘキサメチルベンゼンから成るアルキル基を有する芳香環を備えた芳香族炭化水素化合物に対して、モル比で、0.2倍から100倍のクロロスルホン酸から成るスルホン化剤を加え、100℃以上300℃以下で加熱して多芳香環化して得られる、アルキル基を有するとともにスルホン酸基が導入されたことを特徴とする黒色固体状スルホン化物質である。 That is, the invention of claim 1, wherein the present invention, for the aromatic hydrocarbon compound having an aromatic ring with an alkyl group consisting of mesitylene, or hexamethylbenzene, at a molar ratio of from 100-fold to 0.2-fold A black solid sulfone having an alkyl group and having a sulfonic acid group introduced, obtained by adding a sulfonating agent comprising chlorosulfonic acid and heating at 100 ° C. to 300 ° C. for polyaromatic cyclization It is a chemical substance.
(削除) (Delete)
(削除) (Delete)
(削除) (Delete)
(削除) (Delete)
(削除) (Delete)
本発明の請求項2記載の発明は、請求項1記載の黒色固体状スルホン化物質において、固体13C−NMRで、125ppm〜150ppm、10ppmm〜30ppm、60ppm〜90ppmの3つのシグナルが少なくとも存在することを特徴とする。
The invention of
本発明の請求項3記載の発明は請求項1あるいは請求項2記載の黒色固体状スルホン化物質において、赤外スペクトルで、スルホン酸基由来のシグナルおよびアルキル基由来のシグナルが少なくとも存在することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the black solid sulfonated substance according to the first or second aspect , in the infrared spectrum, at least a signal derived from a sulfonic acid group and a signal derived from an alkyl group are present. Features.
本発明の請求項4記載の発明は、請求項1から請求項3のいずれかに記載の黒色固体状スルホン化物質において、元素分析でSが、2〜30質量%の範囲で存在することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the black solid sulfonated substance according to any one of the first to third aspects, S is present in the range of 2 to 30% by mass by elemental analysis. Features.
本発明の請求項5記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれかに記載の黒色固体状スルホン化物質において、酸価が、0.1〜8ミリ当量/gであることを特徴とする。
The invention according to
本発明の請求項6記載の発明は、請求項1から請求項5のいずれかに記載の黒色固体状スルホン化物質の製造方法であって、メシチレンあるいはヘキサメチルベンゼンから成るアルキル基を有する芳香環を備えた芳香族炭化水素化合物に対して、モル比で、0.2倍から100倍のクロロスルホン酸から成るスルホン化剤を加え、100℃以上300℃以下で加熱して多芳香環化して、スルホン酸基を導入することを特徴とする黒色固体状スルホン化物質の製造方法である。
The invention according to
本発明の請求項7記載の発明は、請求項1から請求項5のいずれかに記載の黒色固体状スルホン化物質を用いたことを特徴とするイオン交換体である。
The invention according to
本発明の請求項8記載の発明は、請求項1から請求項5のいずれかに記載の黒色固体状スルホン化物質を用いたことを特徴とする電解質膜である。 The invention according to claim 8 of the present invention is an electrolyte membrane using the black solid sulfonated substance according to any one of claims 1 to 5 .
本発明の請求項9記載の発明は、請求項1から請求項5のいずれかに記載の黒色固体状スルホン化物質を用いたことを特徴とする酸触媒である。 The invention according to claim 9 of the present invention is an acid catalyst characterized in that the black solid sulfonated substance according to any one of claims 1 to 5 is used.
本発明の請求項10記載の発明は、請求項8記載の電解質膜を用いたことを特徴とする膜電極接合体である。 A tenth aspect of the present invention is a membrane electrode assembly using the electrolyte membrane according to the eighth aspect.
本発明の請求項11記載の発明は、請求項8記載の電解質膜を用いたことを特徴とする燃料電池である。 An eleventh aspect of the present invention is a fuel cell using the electrolyte membrane according to the eighth aspect.
本発明の請求項1記載の黒色固体状スルホン化物質は、メシチレンあるいはヘキサメチルベンゼンから成るアルキル基を有する芳香環を備えた芳香族炭化水素化合物に対して、モル比で、0.2倍から100倍のクロロスルホン酸から成るスルホン化剤を加え、100℃以上300℃以下で加熱して多芳香環化して得られる、アルキル基を有するとともにスルホン酸基が導入されたことを特徴とする黒色固体状スルホン化物質であり、
プロトン伝導性が高く、耐熱性に優れ、かつイオン交換容量、触媒性能、耐OHラジカル性にも優れ、しかも低価格であるという顕著な効果がある。
スルホン化効率が高い上、入手も容易であるという、さらなる顕著な効果がある。
前記芳香環1つ当たり3〜6のアルキル基を持つと、反応時間が少なくても目的物が得られるので、省エネルギーで環境負荷が少ないという、さらなる顕著な効果がある。
芳香環が1つであるので大量に市販されている安価な物質を用いることができる上、しかも得られる黒色固体状スルホン化物質は各性能に優れているという、さらなる顕著な効果がある。
メシチレンは安価であり、酸価も高くスルホン化効率が高いという、さらなる顕著な効果がある。
ヘキサメチルベンゼンはメシチレンに比べやや高価であるが、短時間の反応で黒色固体状スルホン化物質が得られるという、さらなる顕著な効果がある。
Black solid sulfonated material according to claim 1 of the present invention, for the aromatic hydrocarbon compound having an aromatic ring with an alkyl group consisting of mesitylene, or hexamethylbenzene, at a molar ratio of from 0.2 times A black color having an alkyl group and a sulfonic acid group introduced, obtained by adding a sulfonating agent composed of 100 times chlorosulfonic acid and heating at 100 ° C. or more and 300 ° C. or less to effect polyaromatic cyclization A solid sulfonated substance,
There is a remarkable effect that proton conductivity is high, heat resistance is excellent, ion exchange capacity, catalyst performance, OH radical resistance is excellent, and the price is low.
There is a further remarkable effect that the sulfonation efficiency is high and the availability is easy.
If the aromatic ring has 3 to 6 alkyl groups, the target product can be obtained even if the reaction time is short, so that there is a further remarkable effect that energy saving and environmental load are small.
Since there is only one aromatic ring, it is possible to use a commercially available inexpensive material in large quantities, and the black solid sulfonated material obtained has a further remarkable effect of being excellent in each performance.
Mesitylene has a further remarkable effect of being inexpensive, having a high acid value and high sulfonation efficiency.
Hexamethylbenzene is slightly more expensive than mesitylene, but has a further remarkable effect that a black solid sulfonated substance can be obtained in a short reaction.
(削除) (Delete)
(削除) (Delete)
(削除) (Delete)
(削除) (Delete)
(削除) (Delete)
本発明の請求項2記載の発明は、請求項1記載の黒色固体状スルホン化物質において、固体13C−NMRで、125ppm〜150ppm、10ppmm〜30ppm、60ppm〜90ppmの3つのシグナルが少なくとも存在することを特徴とするものである。このようなものは、活性が高く、極性溶媒にも不溶であり、酸触媒として確実に高性能が得られ易いという、さらなる顕著な効果がある。 According to the second aspect of the present invention, in the black solid sulfonated substance according to the first aspect, at least three signals of 125 ppm to 150 ppm, 10 ppmm to 30 ppm, and 60 ppm to 90 ppm exist in solid state 13 C-NMR. It is characterized by this. Such a thing has the further remarkable effect that high activity is high, it is insoluble also in a polar solvent, and it is easy to ensure high performance reliably as an acid catalyst.
本発明の請求項3記載の発明は請求項1あるいは請求項2記載の黒色固体状スルホン化物質において、赤外スペクトルで、スルホン酸基由来のシグナルおよびアルキル基由来のシグナルが少なくとも存在することを特徴とするものであり、
アルキル基が離脱しないでスルホン化が確実に行われており、確実にスルホン酸基が存在するので各性能が確実に良いことが保証されるという、さらなる顕著な効果がある。
According to a third aspect of the present invention, in the black solid sulfonated substance according to the first or second aspect , in the infrared spectrum, at least a signal derived from a sulfonic acid group and a signal derived from an alkyl group are present. It is a characteristic,
There is a further remarkable effect that the sulfonation is reliably performed without leaving the alkyl group, and that each performance is guaranteed to be surely good because the sulfonic acid group is surely present.
本発明の請求項4記載の発明は、請求項1から請求項3のいずれかに記載の黒色固体状スルホン化物質において、元素分析でSが、2〜30質量%の範囲で存在することを特徴とするものであり、
Sの比率が高ければ、それだけスルホン酸基が存在することが分かり、一般にスルホン酸基が存在すればするほど、プロトン伝導性が良くなるが、高すぎると水との親和性が増し、耐水性が低下するので燃料電池用途として使用が難しくなる。2から30質量%の範囲であれば耐水性を維持しながらプロトン伝導性が高いという、さらなる顕著な効果が得られる。
According to a fourth aspect of the present invention, in the black solid sulfonated substance according to any one of the first to third aspects, S is present in the range of 2 to 30% by mass by elemental analysis. It is a characteristic,
It can be seen that the higher the S ratio, the more sulfonic acid groups are present. Generally, the more sulfonic acid groups are present, the better the proton conductivity, but if it is too high, the affinity for water increases and the water resistance increases. Decreases, it becomes difficult to use as a fuel cell application. If it is in the range of 2 to 30% by mass, a further remarkable effect is obtained that the proton conductivity is high while maintaining the water resistance.
本発明の請求項5記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれかに記載の黒色固体状スルホン化物質において、酸価が、0.1〜8ミリ当量/gであることを特徴とするものであり、
耐水性、プロトン伝導性を兼ね備えた物質となり、使用しやすいという、さらなる顕著な効果が得られる。
The invention according to
It becomes a substance having both water resistance and proton conductivity, and a further remarkable effect that it is easy to use is obtained.
本発明の請求項6記載の発明は、請求項1から請求項5のいずれかに記載の黒色固体状スルホン化物質の製造方法であって、メシチレンあるいはヘキサメチルベンゼンから成るアルキル基を有する芳香環を備えた芳香族炭化水素化合物に対して、モル比で、0.2倍から100倍のクロロスルホン酸から成るスルホン化剤を加え、100℃以上300℃以下で加熱して多芳香環化して、スルホン酸基を導入することを特徴とする黒色固体状スルホン化物質の製造方法であり、
プロトン伝導性が高く、耐熱性に優れ、かつイオン交換容量、触媒性能、耐OHラジカル性にも優れ、しかも黒色固体状スルホン化物質を低コストで容易に製造できるという顕著な効果がある。
The invention according to
The proton conductivity is high, the heat resistance is excellent, the ion exchange capacity, the catalyst performance and the OH radical resistance are excellent, and a black solid sulfonated substance can be easily produced at low cost.
本発明の請求項7記載の発明は、請求項1から請求項5のいずれかに記載の黒色固体状スルホン化物質を用いたことを特徴とするイオン交換体であり、
イオン交換性能が高く耐熱性に優れ、低価格であるという、顕著な効果を奏する。
Invention of
It has a remarkable effect of high ion exchange performance, excellent heat resistance, and low price.
本発明の請求項8記載の発明は、請求項1から請求項5のいずれかに記載の黒色固体状スルホン化物質を用いたことを特徴とする電解質膜であり、
プロトン伝導性が高く、耐熱性に優れ、耐OHラジカル性が高く、低価格である上、環境負荷が小さいという、顕著な効果を奏する。
An invention according to claim 8 of the present invention is an electrolyte membrane using the black solid sulfonated substance according to any one of claims 1 to 5 ,
The proton conductivity is high, the heat resistance is excellent, the OH radical resistance is high, the price is low, and the environmental load is small.
本発明の請求項9記載の発明は、請求項1から請求項5のいずれかに記載の黒色固体状スルホン化物質を用いたことを特徴とする酸触媒であり、
強酸として作用し触媒活性が高く耐熱性に優れ、低価格であるという、顕著な効果を奏する。
The invention according to claim 9 of the present invention is an acid catalyst characterized by using the black solid sulfonated substance according to any one of claims 1 to 5 ,
It has a remarkable effect of acting as a strong acid, having high catalytic activity, excellent heat resistance, and low cost.
本発明の請求項10記載の発明は、請求項8記載の電解質膜を用いたことを特徴とする膜電極接合体であり、
プロトン伝導性が高く、耐熱性に優れ、耐OHラジカル性が高く、低価格である上、環境負荷が小さいという、顕著な効果を奏する。
Invention of
The proton conductivity is high, the heat resistance is excellent, the OH radical resistance is high, the price is low, and the environmental load is small.
本発明の請求項11記載の発明は、請求項8記載の電解質膜を用いたことを特徴とする燃料電池であり、
高い作動温度で作動可能であるので一層高い発電効率が期待でき、信頼性が高まり、しかも低価格である上、環境負荷が小さいという、顕著な効果がある。
Invention of
Since it can operate at a high operating temperature, higher power generation efficiency can be expected, reliability is improved, and the cost is low, and the environmental load is small.
以下、本発明をさらに詳しく説明する。
本発明はアルキル基を有する芳香環を備えた芳香族炭化水素化合物にスルホン化剤を加え、加熱して得られる、アルキル基を有するとともにスルホン酸基が導入されたことを特徴とする黒色固体状スルホン化物質である。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The present invention is a sulfonating agent in addition to the aromatic hydrocarbon compound having an aromatic ring with an alkyl group, obtained by heating, a black solid, characterized in that the sulfonic acid groups introduced and having a alkyl group Sulfonated material.
本発明で用いるアルキル基を有する芳香環を備えた芳香族炭化水素化合物とは、芳香環を備えた芳香族炭化水素化合物のうち、アルキル基が直接芳香環と結合している物質を指す。
芳香環を備えた芳香族炭化水素化合物としては、ベンゼン環が含まれていればよく、ベンゼン環が一つの芳香族炭化水素あるいは二つ以上の多環式芳香族炭化水素である。
多環式芳香族炭化水素化合物の具体例としては、例えばナフタレン、ピレン、アントラセン、フェナントレン、ペリレン、コロネンなどの少なくとも2以上の芳香環が縮合している芳香族炭化水素化合物が挙げられる。
また、ベンゼン環ないし二つ以上の多環式芳香族炭化水素化合物が含まれる複素環であってもよい。このようなものとして、キノリン、フェナントロリン、イソキノリン、ベンゾジアジン、インドール、インダゾール、カルバゾールといった窒素含有複素環、ベンゾフランといった酸素含有複素環、ベンゾチオフェンといった硫黄含有複素環を備えた化合物を例示することができる。
The aromatic hydrocarbon compound having an aromatic ring having an alkyl group used in the present invention refers to a substance in which an alkyl group is directly bonded to an aromatic ring among aromatic hydrocarbon compounds having an aromatic ring.
The aromatic hydrocarbon compound having an aromatic ring only needs to contain a benzene ring, and the benzene ring is one aromatic hydrocarbon or two or more polycyclic aromatic hydrocarbons.
Specific examples of the polycyclic aromatic hydrocarbon compound include aromatic hydrocarbon compounds in which at least two aromatic rings such as naphthalene, pyrene, anthracene, phenanthrene, perylene, and coronene are condensed.
Further, it may be a benzene ring or a heterocyclic ring containing two or more polycyclic aromatic hydrocarbon compounds. Examples of such compounds include compounds having nitrogen-containing heterocycles such as quinoline, phenanthroline, isoquinoline, benzodiazine, indole, indazole and carbazole, oxygen-containing heterocycles such as benzofuran, and sulfur-containing heterocycles such as benzothiophene.
アルキル基に含まれる炭素の数としては、一つ以上であればよい。また、アルキル基は直鎖状でも分岐してもよい。 The number of carbons contained in the alkyl group may be one or more. The alkyl group may be linear or branched.
アルキル基の数としては、多いほど黒色固体状スルホン化物質が得られやすく望ましい。例えば、トルエンを出発原料とすると、反応の進行が遅く、150℃20時間の反応では、黒色オイル状の物質しか得られないのに対し、メシチレンやヘキサメチルベンゼンでは、この条件下でスルホン化すると既に黒色固体状スルホン化物質が反応系中に析出している。
このようにアルキル基の数は多いほど望ましいが、ベンゼン由来であるとヘキサメチルベンゼンの6つが、論理上上限となる。また、商業的にはコストの面も重要であり、これらを考慮して選択されるのが望ましい。
The larger the number of alkyl groups, the easier it is to obtain a black solid sulfonated material, which is desirable. For example, when toluene is used as a starting material, the reaction progresses slowly, and in the reaction at 150 ° C. for 20 hours, only a black oily substance can be obtained, whereas mesitylene and hexamethylbenzene are sulfonated under these conditions. A black solid sulfonated substance has already precipitated in the reaction system.
As described above, the larger the number of alkyl groups, the better. However, when it is derived from benzene, six of hexamethylbenzene is a logical upper limit. In addition, commercially, the cost is also important, and it is desirable that the selection be made in consideration of these.
アルキル基を有する芳香環を備えた芳香族炭化水素化合物の例としては、具体的には、例えばトルエン、キシレン、メシチレン、テトラメチルベンゼン、ペンタメチルベンゼン、ヘキサメチルベンゼン、メチルナフタレン、ジメチルナフタレン、トリメチルナフタレン、オクタメチルナフタレン、メチルアントラセン、ジメチルアントラセン、イソプロピルベンゼン、イソブチルベンゼンなどといった数多くの芳香環を備えた化合物を例示することができる。
また、窒素含有複素環を備えた化合物であるメチルキノリン、エチルキノリン、酸素含有複素環を備えた化合物であるメチルベンゾフラン、エチルべンゾフラン、硫黄含有複素環を備えた化合物であるメチルベンゾチオフェン、エチルベンゾチオフェンなども例示できる。
これらの中でも、メシチレンは安価であり、得られる黒色固体状スルホン化物質の酸価も高い。また、ヘキサメチルベンゼンはメシチレンに比べ、やや高価であるが、短時間の反応で黒色固体状スルホン化物質が得られるなどの効果があるので、これらメシチレンおよびヘキサメチルベンゼンは本発明において特に好ましく用いられる。
Specific examples of the aromatic hydrocarbon compound having an aromatic ring having an alkyl group include, for example, toluene, xylene, mesitylene, tetramethylbenzene, pentamethylbenzene, hexamethylbenzene, methylnaphthalene, dimethylnaphthalene, and trimethyl. Examples include compounds having many aromatic rings such as naphthalene, octamethylnaphthalene, methylanthracene, dimethylanthracene, isopropylbenzene, isobutylbenzene and the like.
In addition, methylquinoline and ethylquinoline which are compounds having nitrogen-containing heterocycle, methylbenzofuran and ethylbenzofuran which are compounds having oxygen-containing heterocycle, methylbenzothiophene and ethyl which are compounds having sulfur-containing heterocycle Examples include benzothiophene.
Among these, mesitylene is inexpensive and the resulting black solid sulfonated material has a high acid value. Hexamethylbenzene is slightly more expensive than mesitylene, but has the effect of obtaining a black solid sulfonated substance in a short reaction, so these mesitylene and hexamethylbenzene are particularly preferably used in the present invention. It is done.
スルホン化剤としては、一般に知られているものを用いることができ、発煙硫酸、硫酸、フルオロ硫酸、メタンスルホン酸、クロロスルホン酸、SO2 、SO3 、NaHSO3 、プロパンスルトン、ブタンスルトンや、その他のスルホン化物等を例示できる。この中でも、クロロスルホン酸は、得られたスルホン化含窒素複素環を有する有機化合物を精製しやすく良い。 As the sulfonating agent, generally known ones can be used, including fuming sulfuric acid, sulfuric acid, fluorosulfuric acid, methanesulfonic acid, chlorosulfonic acid, SO2, SO3, NaHSO3, propane sultone, butane sultone, and other sulfonated products. Etc. can be illustrated. Among these, chlorosulfonic acid is easy to purify the obtained organic compound having a sulfonated nitrogen-containing heterocyclic ring.
アルキル基を有する芳香環を備えた芳香族炭化水素化合物と、スルホン化剤としての例えばクロロスルホン酸との反応は、通常の反応容器内にて行われる。この時、空気雰囲気下でも窒素雰囲気下、アルゴン雰囲気下でも良いが、クロロスルホン酸は水と反応するため、水が入らないようにする方が好ましい。 The reaction of an aromatic hydrocarbon compound having an aromatic ring having an alkyl group and, for example, chlorosulfonic acid as a sulfonating agent is carried out in a normal reaction vessel. At this time, an air atmosphere, a nitrogen atmosphere, or an argon atmosphere may be used. However, since chlorosulfonic acid reacts with water, it is preferable to prevent water from entering.
また、アルキル基を有する芳香環を備えた芳香族炭化水素化合物とクロロスルホン酸との仕込み量としては、モル比で、アルキル基を有する芳香環に対し、クロロスルホン酸が0.2倍から100倍が良い。0.2倍未満だと収率が著しく低くなる恐れがある。100倍を超えると未反応のクロロスルホン酸が多く存在するため、除去した後の中和処理が困難となる恐れがある。 The amount of the aromatic hydrocarbon compound having an aromatic ring having an alkyl group and chlorosulfonic acid is, in terms of molar ratio, 0.2 to 100 times that of chlorosulfonic acid with respect to the aromatic ring having an alkyl group. Double is good. If it is less than 0.2 times, the yield may be significantly reduced. If it exceeds 100 times, a large amount of unreacted chlorosulfonic acid is present, so that neutralization after removal may be difficult.
アルキル基を有する芳香環を備えた芳香族炭化水素化合物とスルホン化剤としてのクロロスルホン酸との反応には、クロロスルホン酸自体が溶媒であるため、溶媒がなくても良いが、アルキル基を有する芳香環を備えた芳香族炭化水素化合物が溶け難い場合は、溶媒があると良好に目的物が得られる。
このような目的で使用される溶媒としては、アルキル基を有する芳香環を備えた芳香族炭化水素化合物、スルホン化剤としてのクロロスルホン酸の両方を溶解し、かつ反応中変化しないものが望ましい。このようなものとしては、ハロゲン化溶媒が好適に使用できる。その中でも沸点が高いテトラクロロエタンは特に良い。
In the reaction of an aromatic hydrocarbon compound having an aromatic ring having an alkyl group and chlorosulfonic acid as a sulfonating agent, since chlorosulfonic acid itself is a solvent, there is no need for a solvent. When the aromatic hydrocarbon compound having an aromatic ring is difficult to dissolve, the desired product can be obtained satisfactorily if a solvent is present.
As a solvent used for such a purpose, a solvent which dissolves both an aromatic hydrocarbon compound having an aromatic ring having an alkyl group and chlorosulfonic acid as a sulfonating agent and which does not change during the reaction is desirable. As such a thing, a halogenated solvent can be used conveniently. Among them, tetrachloroethane having a high boiling point is particularly good.
反応温度としては、通常、100℃以上300℃以下が良い。100℃未満だと、黒化する反応が進行せず、得られるものは、黒色ではない物質が得られ、溶媒に溶けやすく、燃料電池や触媒として使用できないものが得られてしまう。
例えば、非特許文献2にあるようにメシチレンの場合は、1,3,5−trimethylbenzene−2,4−disulfonyl chlorideが得られる。300℃以上であると、クロロスルホン酸の沸点を大きく越えてしまい反応し難くなる。
The reaction temperature is usually 100 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. When the temperature is lower than 100 ° C., the reaction for blackening does not proceed, and what is obtained is a non-black substance, which is easily dissolved in a solvent and cannot be used as a fuel cell or a catalyst.
For example, as described in
こうして得られた黒色固体状スルホン化物質を特徴付ける特性としては、以下の特性が挙げられる。
(1)目視で黒色である、
(2)酸価を持つ、
(3)常温で固体である
の3点である。
なお、本発明においていう「黒色」とは、例えば、薄い黒色、濃い黒色、明るい黒色、暗い黒色、褐色がかった黒色、茶色っぽい黒色、赤みがかった黒色など各種の黒色の全てを全て包含するものであって、特別な黒色を意味するものではない。
このうち(2)の酸価は、アルカリ性水溶液で中和滴定することにより判る。上記3つの特性を併せ持つ黒色固体状スルホン化物質は、燃料電池に必要不可欠な耐OHラジカル性が良い。
耐OHラジカル性は、フェントン試験で計測することができる。フェントン試験とはFeを触媒にして過酸化水素からラジカルを発生させ、それに対する耐性を計測する試験である。
Properties that characterize the black solid sulfonated material thus obtained include the following properties.
(1) It is black visually.
(2) has an acid value,
(3) Three points that are solid at room temperature.
The “black” in the present invention includes all of various blacks such as light black, dark black, light black, dark black, brownish black, brownish black, and reddish black. It doesn't mean a special black color.
Among these, the acid value of (2) can be determined by neutralization titration with an alkaline aqueous solution. The black solid sulfonated material having the above three characteristics has good OH radical resistance essential for fuel cells.
The OH radical resistance can be measured by the Fenton test. The Fenton test is a test in which Fe is used as a catalyst to generate radicals from hydrogen peroxide and the resistance to the radicals is measured.
酸価は0.1〜8ミリ当量/gであることが好ましい。0.1ミリ当量/g未満であると、例えば燃料電池用途としてはプロトン伝導性に劣る恐れがある。また、8ミリ当量/gを超えると、水溶性になりやすく、例えば燃料電池用途としては使用し難くなる恐れがある。 The acid value is preferably 0.1 to 8 meq / g. If it is less than 0.1 meq / g, for example, the fuel cell may be inferior in proton conductivity. Moreover, when it exceeds 8 milliequivalent / g, it becomes easy to become water-soluble, for example, there exists a possibility that it may become difficult to use as a fuel cell use.
黒色固体状スルホン化物質は、赤外スペクトルでスルホン酸基由来、およびアルキル基由来のシグナルが確実に存在すると性能が良い。通常、スルホン酸基由来のシグナルは、900cm-1〜1300cm-1のシグナルで確認することができ、一方アルキル基由来のシグナルは2700cm-1〜3100cm-1に現れることで確認することが出来る。 The black solid sulfonated substance has good performance if signals derived from sulfonic acid groups and alkyl groups are reliably present in the infrared spectrum. Usually, the signal from a sulfonic acid group, can be found in the signal 900cm -1 ~1300cm -1, whereas signal derived from the alkyl groups can be confirmed by appearing at 2700cm -1 ~3100cm -1.
黒色固体状スルホン化物質は、元素分析でSが、2〜30%(質量%)の範囲で存在すると性能がさらに良くなる。元素分析機器としては、LECO社製CHNS−932、YANACO社製MT−5、YANACO社製YS−10、LECO社製VTF−900等がある。 The performance of the black solid sulfonated substance is further improved when S is present in the range of 2 to 30% (mass% ) by elemental analysis. Examples of the elemental analyzer include CHNS-932 manufactured by LECO, MT-5 manufactured by YANACO, YS-10 manufactured by YANACO, and VTF-900 manufactured by LECO.
黒色固体状スルホン化物質に固体13C−NMRで、芳香環由来の125ppm〜150ppm、アルキル基由来の10ppmm〜30ppm、および60ppm〜90ppmの3つのシグナルが少なくとも存在すると、さらに耐OHラジカル性および耐水性といった性能が良くなる。 The presence of at least three signals of 125 ppm to 150 ppm derived from an aromatic ring, 10 ppmm to 30 ppm derived from an alkyl group, and 60 ppm to 90 ppm in solid 13 C-NMR in a solid black sulfonated material, further increases OH radical resistance and water resistance. Performance such as gender is improved.
本発明の黒色固体状スルホン化物質は、例えばプロトン伝導膜、触媒、イオン交換体、膜電極接合体、燃料電池に使用できる。 The black solid sulfonated material of the present invention can be used, for example, in proton conducting membranes, catalysts, ion exchangers, membrane electrode assemblies, and fuel cells.
本発明で言うプロトン伝導膜とは、プロトンを伝導する能力を持つ膜のことを言う。本発明の黒色固体状スルホン化物質を単独で膜化させたり、バインダー樹脂などを使用したりすることで膜化して使用される。
使用するバインダー樹脂としては、プロトン伝導性を示さない樹脂であってもよいが、スルホン酸基を導入するなどしてプロトン伝導性を示す樹脂がさらに好ましい。これらの樹脂は単独又は2種類以上を混合して使用ことができ、以下にあげるような樹脂の変性体(例えばスルホン酸基の導入)や共重合体を使用してもよい。
樹脂としては、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーン樹脂、プロピレン樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ビニリデン樹脂、フラン樹脂、ウレタン樹脂、フェニレンエーテル樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、アミド樹脂、イミド樹脂、ビニル樹脂、カルボン酸樹脂、フッ素樹脂、ナイロン樹脂、スチロール樹脂、エンジニアリングプラスチックなどを例示できるが、これらに限定されない。
また、上記のように有機樹脂だけでなく、有機無機ハイブリッド樹脂やシリケート樹脂、水ガラス、各種無機ポリマー等も使用できる。
The proton conducting membrane referred to in the present invention means a membrane having the ability to conduct protons. The black solid sulfonated substance of the present invention is used as a film by forming it alone or by using a binder resin or the like.
The binder resin to be used may be a resin that does not exhibit proton conductivity, but is more preferably a resin that exhibits proton conductivity by introducing a sulfonic acid group. These resins can be used alone or in admixture of two or more, and the following modified resins (for example, introduction of sulfonic acid groups) and copolymers may be used.
As the resin, epoxy resin, urea resin, silicone resin, propylene resin, phenol resin, xylene resin, melamine resin, polyester resin, alkyd resin, vinylidene resin, furan resin, urethane resin, phenylene ether resin, polycarbonate resin, acrylic resin, Examples include, but are not limited to, amide resins, imide resins, vinyl resins, carboxylic acid resins, fluororesins, nylon resins, styrene resins, and engineering plastics.
Moreover, not only organic resin as mentioned above but organic-inorganic hybrid resin, silicate resin, water glass, various inorganic polymers, etc. can be used.
本発明の黒色固体状スルホン化物質は強酸基が多く、高い酸触媒機能をもつことができるため、触媒としても良好に使用できる。
本発明の黒色固体状スルホン化物質単独で使用しても良いが、バインダー樹脂やアルミナなどに担時することでも使用できる。
Since the black solid sulfonated material of the present invention has many strong acid groups and can have a high acid catalyst function, it can be used well as a catalyst.
Although the black solid sulfonated substance of the present invention may be used alone, it can also be used by supporting it on a binder resin or alumina.
本発明でいうイオン交換体とは、イオンを選択的に透過する膜である。本発明の黒色固体状スルホン化物質を単独で使用できる他、本発明の黒色固体状スルホン化物質を上記バインダー樹脂やアルミナなどに担時することにより使用される。 The ion exchanger referred to in the present invention is a membrane that selectively transmits ions. Other usable black solid sulfonated material of the present invention alone, the black solid sulfonated material of the present invention is used by担時like the binder resin or alumina.
本発明の黒色固体状スルホン化物質を用いて、膜電極接合体を製造する方法の一例としては、以下の方法を示すことができる。
まず、本発明の黒色固体状スルホン化物質を単独、または上記バインダー樹脂などと混合し、次に支持体に積層し、乾燥などを行い、プロトン伝導膜(電解質膜)を形成する。さらに必要に応じて、その上に保護フィルムを積層して保存する。そして使用時、この支持体、保護フィルムを剥離した後、プロトン伝導膜の両側に触媒層、ガス拡散層を含有する電極層を形成する。これにより膜電極接合体が得られる。
As an example of a method for producing a membrane electrode assembly using the black solid sulfonated substance of the present invention, the following method can be shown.
First, the black solid sulfonated substance of the present invention is used alone or mixed with the binder resin or the like, then laminated on a support, dried, etc. to form a proton conducting membrane (electrolyte membrane). Further, if necessary, a protective film is laminated thereon and stored. In use, after peeling the support and the protective film, an electrode layer containing a catalyst layer and a gas diffusion layer is formed on both sides of the proton conducting membrane. Thereby, a membrane electrode assembly is obtained.
ここにセパレータや補助的な装置(ガス供給装置、冷却装置)を組み立て、単一あるいは積層することにより、燃料電池を作製することができる。 A fuel cell can be manufactured by assembling a separator or an auxiliary device (a gas supply device or a cooling device) in a single or stacked manner.
図1は前記プロトン伝導膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極結合体の一実施態様の断面説明図である。
前記プロトン伝導膜(電解質膜)1をその両面に常法により電極触媒層2、3を接合・積層して膜電極結合体12が形成される。
FIG. 1 is a cross-sectional explanatory view of one embodiment of a membrane electrode assembly in which electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the proton conducting membrane.
A
図2は、この膜電極結合体12を装着した固体高分子型燃料電池の単セルの一実施態様の構成を示す分解断面図である。膜電極結合体12の電極触媒層2および電極触媒層3と対向して、それぞれカーボンペーパーにカーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の混合物を塗布した構造を持つ空気極側ガス拡散層4および燃料極側ガス拡散層5が配置される。これによりそれぞれ空気極6および燃料極7が構成される。そして、単セルに面して反応ガス流通用のガス流路8を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路9を備えた導電性でかつガス不透過性の材料よりなる一組のセパレータ10により挟持して単セル11が構成される。
FIG. 2 is an exploded cross-sectional view showing the configuration of an embodiment of a single cell of a polymer electrolyte fuel cell equipped with the
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、この例示により本発明が限定的に解釈されるものではない。
(実施例1)
0.98gのヘキサメチルベンゼンを10mlのテトラクロロエタンに溶解させた。次に2.0ml(5当量)のクロロスルホン酸を加え150℃で20時間加熱した後に、析出した黒色物質をろ過した。次にクロロホルムで洗浄後、水中で2日間撹拌しながら洗浄した。このクロロホルム及び水洗浄を計三回行い、黒色固体状スルホン化物質を930mg得た。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not interpreted limitedly by this illustration.
Example 1
0.98 g of hexamethylbenzene was dissolved in 10 ml of tetrachloroethane. Next, 2.0 ml (5 equivalents) of chlorosulfonic acid was added and heated at 150 ° C. for 20 hours, and then the deposited black substance was filtered. Next, after washing with chloroform, the mixture was washed in water with stirring for 2 days. This chloroform and water washing was performed three times in total to obtain 930 mg of a black solid sulfonated substance.
(実施例2)
0.72gのメシチレン(トリメチルベンゼン)を10mlのテトラクロロエタンに溶解させた。次に2.0ml(5当量)のクロロスルホン酸を加え150℃で20時間加熱した後に、析出した黒色物質をろ過した。次にクロロホルムで洗浄後、水中で2日間洗浄させた。このクロロホルム及び水洗浄を計三回行い、黒色固体状スルホン化物質を607mg得た。
(Example 2)
0.72 g of mesitylene (trimethylbenzene) was dissolved in 10 ml of tetrachloroethane. Next, 2.0 ml (5 equivalents) of chlorosulfonic acid was added and heated at 150 ° C. for 20 hours, and then the deposited black substance was filtered. Next, after washing with chloroform, it was washed in water for 2 days. This chloroform and water washing was performed three times in total to obtain 607 mg of a black solid sulfonated substance.
(比較例1)
0.77gのナフタレンを10mlのテトラクロロエタンに溶解させた。次に2.0ml(5当量)のクロロスルホン酸を加え150℃で20時間加熱したが、黒色固体状スルホン化物質が析出しなかった。
(Comparative Example 1)
0.77 g of naphthalene was dissolved in 10 ml of tetrachloroethane. Next, 2.0 ml (5 equivalents) of chlorosulfonic acid was added and heated at 150 ° C. for 20 hours, but no black solid sulfonated substance was precipitated.
[評価方法]
(赤外スペクトルによるスルホン酸基およびアルキル基の確認):
実施例1、2で得られた化合物をJASCO社製FT/IR−460plusにて、赤外スペクトル(KBr錠剤法)を計測し確認した。実施例1の化合物の赤外スペクトルを図3に、実施例2の化合物の赤外スペクトルを図4に示す。その結果を表1に示す。
[Evaluation method]
(Confirmation of sulfonic acid group and alkyl group by infrared spectrum):
The compounds obtained in Examples 1 and 2 were confirmed by measuring the infrared spectrum (KBr tablet method) with FT / IR-460plus manufactured by JASCO. The infrared spectrum of the compound of Example 1 is shown in FIG. 3, and the infrared spectrum of the compound of Example 2 is shown in FIG. The results are shown in Table 1.
(元素分析によるS量の分析):
実施例1、2で得られた黒色固体状スルホン化物質をYANACO社製YS−10にて計測し、S(硫黄)、Cl(塩素)の含有量(質量%)を得た。
さらに、他の元素も分析した。YANACO社製MT−5にてC(炭素)、H(水素)を計測した。また、さらにLECO社製VTF−900でO(酸素)を計測した。その結果を表1に示す。
3種類の装置で各元素の質量%を測定しているため、測定誤差により各元素の質量%を合計しても100質量%となるのは難しい。
(S amount analysis by elemental analysis):
The black solid sulfonated materials obtained in Examples 1 and 2 were measured with YS-10 manufactured by YANACO, and the contents (mass%) of S (sulfur) and Cl (chlorine) were obtained.
In addition, other elements were analyzed. C (carbon) and H (hydrogen) were measured with MT-5 manufactured by YANACO. Further, O (oxygen) was measured with a VTF-900 manufactured by LECO. The results are shown in Table 1.
Since the mass% of each element is measured by three types of apparatuses, it is difficult to reach 100 mass% even if the mass% of each element is summed due to measurement errors.
(酸価):
5規定の硝酸ナトリウム水溶液中で黒色固体状スルホン化物質と2日間、反応させ、黒色固体状スルホン化物質をフィルターでろ過した。この黒色固体状スルホン化物質を取り除いた酸性溶液に水酸化ナトリウム溶液を滴下し中和点を計測した。その滴下した量により酸価を算出した。その結果を表1に示す。
(Acid value):
The black solid sulfonated material was reacted for 2 days in a 5N aqueous sodium nitrate solution, and the black solid sulfonated material was filtered through a filter. A sodium hydroxide solution was dropped into the acidic solution from which the black solid sulfonated material was removed, and the neutralization point was measured. The acid value was calculated from the amount dropped. The results are shown in Table 1.
(固体13C−NMRによる分析):
計測機器:核磁気共鳴装置(JEOL−ECA−400)
計測条件:5300Hzの回転数で計測した。
実施例1で得られた黒色固体状スルホン化物質の核磁気共鳴スペクトルを図5に、実施例2で得られた黒色固体状スルホン化物質の核磁気共鳴スペクトルを図6に示す。その結果を表1に示す。
(Analysis by solid state 13 C-NMR):
Measuring instrument: Nuclear magnetic resonance apparatus (JEOL-ECA-400)
Measurement conditions: Measured at a rotational speed of 5300 Hz.
The nuclear magnetic resonance spectrum of the black solid sulfonated material obtained in Example 1 is shown in FIG. 5, and the nuclear magnetic resonance spectrum of the black solid sulfonated material obtained in Example 2 is shown in FIG. The results are shown in Table 1.
(耐OHラジカル性):
<フェントン試験>
実施例1で得られた黒色固体状スルホン化物質をフェントン試薬(80℃、3%H2 O2 、2ppmFe2+)に入れ、80℃3時間条件で、色が目視で変化するまでの時間を測定した。
測定した時間が長ければ、耐OHラジカル性に優れ、測定した時間が短かければ耐OHラジカル性が劣るとして、耐OHラジカル性を評価した。その結果を表1に示す。
(OH radical resistance):
<Fenton test>
The black solid sulfonated substance obtained in Example 1 was put in Fenton reagent (80 ° C., 3% H 2
When the measured time was long, the OH radical resistance was excellent, and when the measured time was short, the OH radical resistance was inferior. The results are shown in Table 1.
また図3〜図6から、次のことが判る。
なお比較例1では、黒色固体状スルホン化物質が得られなかったので計測できなかった。
赤外スペクトルによるスルホン酸基、アルキル基の存在の確認及び、固体13C−NMRによる分析から、メシチレン(実施例2)を出発原料としても、ヘキサメチルベンゼン(実施例1)を出発原料としても、得られる黒色固体状スルホン化物質のシグナルはほぼ変わらず、同じ種類の本発明の物質であることが示唆される。
また、図3、図4より、赤外スペクトルでスルホン酸基のシグナルの他、OHのシグナルが大きく現れた。また、元素分析でSが検出されたことから、黒色固体状スルホン化物質は、スルホン酸基が存在していることが支持される。
さらに、赤外スペクトルでは2976cm-1にシグナルがあり、また固体13C−NMRでも10〜30ppmにシグナルが観測されることから黒色固体状スルホン化物質は、アルキル基が存在していることが示唆される。
The following can be seen from FIGS.
In Comparative Example 1, measurement was not possible because a black solid sulfonated substance was not obtained.
From confirmation of presence of sulfonic acid group and alkyl group by infrared spectrum and analysis by solid state 13 C-NMR, mesitylene (Example 2) is used as a starting material, and hexamethylbenzene (Example 1) is used as a starting material. The signal of the resulting black solid sulfonated material is almost unchanged, suggesting that it is the same kind of material of the present invention.
In addition, from FIG. 3 and FIG. 4, in addition to the sulfonic acid group signal, a large OH signal appeared in the infrared spectrum. Further, since S was detected by elemental analysis, the black solid sulfonated material is supported to have a sulfonic acid group.
Furthermore, a signal is observed at 2976 cm −1 in the infrared spectrum, and a signal is observed at 10 to 30 ppm also in solid 13 C-NMR, suggesting that the black solid sulfonated substance has an alkyl group. Is done.
また固体13C−NMRで芳香族由来のシグナルが130ppm付近に存在し、ハロゲン化溶媒にも水にも溶けないことから、反応時に芳香環が壊れずに多芳香環化が行われていることが示唆される。
ヘキサメチルベンゼン(実施例1)を出発原料とするよりもメシチレン(実施例2)を出発原料とした方が、酸価が高くスルホン酸基の数も多いことがわかった。
In addition, aromatic solid-state signals are present in the vicinity of 130 ppm in solid 13 C-NMR, and since they are insoluble in halogenated solvents and water, polyaromatic cyclization is performed without breaking the aromatic ring during the reaction. Is suggested.
It was found that the acid value was higher and the number of sulfonic acid groups was larger when mesitylene (Example 2) was used as a starting material than when hexamethylbenzene (Example 1) was used as a starting material.
耐OHラジカル性は、OHラジカルが発生する燃料電池では、必須の条件といえる。Fe2+2ppm、3%過酸化水素、80℃3時間条件では実施例1の本発明の物質は色の変化が観察されなかった。そこで単純計算で25倍強い条件であるFe2+10ppm、3%過酸化水素、80℃15時間条件で行っても、1時間以上の耐OHラジカル性を示した。
そこでさらに、比較実験として、アルキル基のないベンゼン環がつながった構造であるポリフェニレンを同条件(Fe2+2ppm、3%過酸化水素、80℃3時間)で行った。耐OHラジカル性はなく、この条件でも30%分解されてしまった。
以上のように本発明の黒色固体状スルホン化物質は、耐OHラジカル性が著しく高いことが判った。
The OH radical resistance can be said to be an essential condition for a fuel cell in which OH radicals are generated. Under the conditions of
Therefore, as a comparative experiment, polyphenylene having a structure in which a benzene ring having no alkyl group was connected was conducted under the same conditions (
As described above, it was found that the black solid sulfonated material of the present invention has extremely high OH radical resistance.
このようにアルキル基を有する芳香環にスルホン化剤のクロロスルホン酸を加え、加熱して得られる本発明の黒色固体状スルホン化物質は、耐OHラジカル性が高く、スルホン酸基を有する。このため、本発明の黒色固体状スルホン化物質を用いて従来に比べ高い性能のプロトン伝導膜、固体酸触媒、イオン交換体、膜電極接合体、燃料電池を提供できることが判る。 Thus, the black solid sulfonated material of the present invention obtained by adding chlorosulfonic acid as a sulfonating agent to an aromatic ring having an alkyl group and heating is high in OH radical resistance and has a sulfonic acid group. For this reason, it turns out that a proton conductive membrane, a solid acid catalyst, an ion exchanger, a membrane electrode assembly, and a fuel cell having higher performance than conventional ones can be provided by using the black solid sulfonated material of the present invention.
本発明の黒色固体状スルホン化物質は、メシチレンあるいはヘキサメチルベンゼンから成るアルキル基を有する芳香環を備えた芳香族炭化水素化合物に対して、モル比で、0.2倍から100倍のクロロスルホン酸から成るスルホン化剤を加え、100℃以上300℃以下で加熱して多芳香環化して得られる、アルキル基を有するとともにスルホン酸基が導入されたことを特徴とするものであり、
プロトン伝導性が高く、耐熱性に優れ、かつイオン交換容量、触媒性能、耐OHラジカル性にも優れ、しかも低価格であるという顕著な効果があり、
本発明の製造法により、そのような黒色固体状スルホン化物質を低コストで容易に製造することができ、そして、そのような黒色固体状スルホン化物質を用いた耐OHラジカル性に優れたプロトン伝導膜、触媒、イオン交換体、膜電極接合体、燃料電池を提供することができるので、産業上の利用価値が高い。
Black solid sulfonated material of the present invention, for the aromatic hydrocarbon compound having an aromatic ring with an alkyl group consisting of mesitylene, or hexamethylbenzene, at a molar ratio of 100 times 0.2 times chlorosulfonic It is characterized by adding a sulfonating agent comprising an acid and heating at 100 ° C. or more and 300 ° C. or less and polyaromatic cyclization , having an alkyl group and a sulfonic acid group introduced,
High proton conductivity, excellent heat resistance, excellent ion exchange capacity, catalytic performance, OH radical resistance, and low price.
According to the production method of the present invention, such a black solid sulfonated material can be easily produced at low cost, and a proton excellent in OH radical resistance using such a black solid sulfonated material. Since a conductive membrane, a catalyst, an ion exchanger, a membrane electrode assembly, and a fuel cell can be provided, the industrial utility value is high.
1 電解質膜
2 空気極側電極触媒層
3 燃料極側電極触媒層
4 空気極側ガス拡散層
5 燃料極側ガス拡散層
6 空気極
7 燃料極
8 ガス流路
9 冷却水流路
10 セパレータ
11 単セル
12 膜電極結合体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007272730A JP5158586B2 (en) | 2007-10-19 | 2007-10-19 | Black solid sulfonated substance, production method thereof, ion exchanger using the same, electrolyte membrane, catalyst, membrane electrode assembly, fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007272730A JP5158586B2 (en) | 2007-10-19 | 2007-10-19 | Black solid sulfonated substance, production method thereof, ion exchanger using the same, electrolyte membrane, catalyst, membrane electrode assembly, fuel cell |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2009102227A JP2009102227A (en) | 2009-05-14 |
| JP5158586B2 true JP5158586B2 (en) | 2013-03-06 |
Family
ID=40704389
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007272730A Active JP5158586B2 (en) | 2007-10-19 | 2007-10-19 | Black solid sulfonated substance, production method thereof, ion exchanger using the same, electrolyte membrane, catalyst, membrane electrode assembly, fuel cell |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5158586B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2025225355A1 (en) * | 2024-04-24 | 2025-10-30 | 富士フイルム株式会社 | Porous separator and method for using same |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0617360B2 (en) * | 1990-05-30 | 1994-03-09 | 工業技術院長 | Alkylbenzene disulfonyl halide and method for producing the same |
| JP2001240588A (en) * | 1999-12-24 | 2001-09-04 | Lion Corp | Method for producing alkylbenzenesulfonate |
| JP2005314452A (en) * | 2004-04-27 | 2005-11-10 | Sumitomo Chemical Co Ltd | Polyarylene polymer and use thereof |
-
2007
- 2007-10-19 JP JP2007272730A patent/JP5158586B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2009102227A (en) | 2009-05-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Cheng et al. | A mini-review on anion exchange membranes for fuel cell applications: Stability issue and addressing strategies | |
| Liu et al. | High-performance and scalable poly (terphenyl-furan piperidinium) membrane for anion exchange membrane fuel cell with 2 W cm− 2 of peak power density | |
| KR100646954B1 (en) | Cell voltage measuring device of fuel cell stack and fuel cell system using same | |
| US20120156582A1 (en) | Fuel cell | |
| JP5365045B2 (en) | Macromolecular organic compounds having a nitrogen-containing heterocyclic ring having a pyridyloxy group bound to a sulfonated pyridyloxy group or sulfonate in the molecule as a constituent unit, and a nitrogen-containing compound having a pyridyloxy group bound to a sulfonated pyridyloxy group or sulfonate Organic compounds composed of heterocycles, ion exchangers using them, electrolyte membranes, catalysts, membrane electrode assemblies, fuel cells | |
| JP6698148B2 (en) | Fluorine-based nanocomposite membrane containing polyhedral oligomeric silsesquioxane having a proton donor and a proton acceptor, and method for producing the same | |
| JP5158586B2 (en) | Black solid sulfonated substance, production method thereof, ion exchanger using the same, electrolyte membrane, catalyst, membrane electrode assembly, fuel cell | |
| JP5648250B2 (en) | Polymer organic compounds and organic compounds having sulfonated nitrogen-containing heterocycles, methods for producing them, ion exchangers, electrolyte membranes, pharmaceuticals, catalysts, membrane electrode assemblies, fuel cells using them | |
| JP2007520852A (en) | High-temperature proton conducting polymer membrane, method for producing the same, membrane-electrode assembly using the same, and fuel cell including the same | |
| JP5386684B2 (en) | FUEL CELL REACTOR AND METHOD FOR PRODUCING COMPOUND USING THE SAME | |
| JP5636608B2 (en) | A polymer organic compound having a nitrogen-containing heterocyclic ring having an N-alkylenesulfonic acid group or N-alkylenesulfonic acid group, and an organic compound having a nitrogen-containing heterocyclic ring having an N-alkylenesulfonic acid group or N-alkylenesulfonic acid group, Pharmaceuticals, disinfectants or antibacterial agents, ion exchangers, electrolyte membranes, catalysts, membrane electrode assemblies, fuel cells using them | |
| JP5129778B2 (en) | Solid polymer electrolyte, membrane thereof, membrane / electrode assembly using the same, and fuel cell | |
| KR100696460B1 (en) | Hydrogen ion conductive polymer | |
| JP5282190B2 (en) | Novel polymer organic compound and ion exchanger, electrolyte membrane, catalyst, membrane electrode assembly, fuel cell using the same | |
| JP5277493B2 (en) | New polymer organic compound and ion exchanger, electrolyte membrane, catalyst, membrane electrode assembly, fuel cell using the same | |
| JP2007265844A (en) | Catalyst layer for fuel cell, membrane electrode assembly using the same, and fuel cell | |
| JP2009235262A (en) | Polymerized organic compound comprising nitrogen-having heterocycle containing o-alkylene sulfonic acid group or o-alkylene sulfonic acid base, and nitrogen-having heterocycle derivative containing o-alkylene sulfonic acid group or o-alkylene sulfonic acid base, medicament, disinfectant or antibiotic, ion exchanger, electrolyte membrane, catalyst, membrane electrode conjugate, fuel cell using the same | |
| KR20100100815A (en) | Ionically conductive polymer for use in electrochemical devices | |
| JP4913397B2 (en) | Proton conducting solid polymer electrolyte and fuel cell | |
| JP4925399B2 (en) | Method for producing solid acid | |
| JP5268081B2 (en) | Solid acid and process for producing the same | |
| Wang et al. | Recent progress in the development of anion exchange membranes for electrochemical devices | |
| JP5282189B2 (en) | Novel polymer organic compound and ion exchanger, electrolyte membrane, catalyst, membrane electrode assembly, fuel cell using the same | |
| Chu et al. | Fuel permeability of anion exchange membranes under electric field | |
| JP5458320B2 (en) | Novel organic compound, novel polymer organic compound and polymer electrolyte, polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly, fuel cell using the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100715 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100812 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120621 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120731 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120919 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20121106 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20121203 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5158586 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151221 Year of fee payment: 3 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |