JP2002260705A - Solid polymer electrolyte material, liquid composite, solid polymer fuel cell, fluorine-containing polymer and solid polymer electrolyte film consisting of fluorine-containing polymer - Google Patents

Solid polymer electrolyte material, liquid composite, solid polymer fuel cell, fluorine-containing polymer and solid polymer electrolyte film consisting of fluorine-containing polymer

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JP2002260705A
JP2002260705A JP2001394775A JP2001394775A JP2002260705A JP 2002260705 A JP2002260705 A JP 2002260705A JP 2001394775 A JP2001394775 A JP 2001394775A JP 2001394775 A JP2001394775 A JP 2001394775A JP 2002260705 A JP2002260705 A JP 2002260705A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid polymer fuel cell which can constantly obtain a high fuel output power by involving a solid polymer electrolyte material with excellent ionie conductivity, water repellency and gas permeability, and further, to provide a solid polymer electrolyte material with high softening temperature suitable for a high-temperature operation. SOLUTION: The solid polymer electrolyte material consists of copolymers containing a repetition unit based on a fluorine-containing polymer giving a main chain a polymer having an aliphatic ring structure and a repetition unit based on a fluorine-containing vinyl compound as expressed with CF2 = CF(R<f> )j SO2 X. [j is 0 or 1, X denotes a group expressed by F, Cl, or OM (M denotes H, Na, K or the like), and R<f> denotes a perfluoroalkylene group with 1 to 20 carbon number (which may contain oxygen atom of ether linkage property)].

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
材料、液状組成物、固体高分子型燃料電池及びこれらに
適用できる含フッ素ポリマーに関する。
The present invention relates to a solid polymer electrolyte material, a liquid composition, a solid polymer fuel cell, and a fluoropolymer applicable to these.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、高い電池特性
を得られることに加え、小型軽量化が容易であることか
ら、電気自動車等の移動車両や、小型コジェネレーショ
ンシステムの電源等としての実用化が期待されている。
現在検討されている固体高分子型燃料電池は、その作動
温度領域が低くその排熱を利用しにくいので、水素等の
アノード反応ガス利用率及び空気等のカソード反応ガス
利用率の高い作動条件下において、高い発電効率、高い
出力密度を得ることのできる性能が要求されている。
2. Description of the Related Art A polymer electrolyte fuel cell has high cell characteristics and is easy to reduce in size and weight, so that it can be used as a power source for a mobile vehicle such as an electric vehicle or a small cogeneration system. Practical application is expected.
The polymer electrolyte fuel cell currently under study has a low operating temperature range and it is difficult to use its exhaust heat, so operating conditions with high utilization rates of anode reactant gas such as hydrogen and cathode reactant gas such as air are high. In such a case, high power generation efficiency and performance capable of obtaining a high output density are required.

【0003】従来より、固体高分子型燃料電池において
は、高分子電解質膜と同種或いは異種のイオン交換樹脂
で被覆した金属担持カーボンブラック等の触媒の微粒子
を電極触媒層の構成材料として使用し、いわゆる触媒層
内の反応サイトの3次元化を行なうことにより電池出力
の向上が図られている。
Conventionally, in a polymer electrolyte fuel cell, fine particles of a catalyst such as a metal-supported carbon black coated with the same or different ion exchange resin as the polymer electrolyte membrane have been used as a constituent material of an electrode catalyst layer. The so-called three-dimensional reaction site in the catalyst layer is intended to improve the battery output.

【0004】しかし、先に述べたような電池反応の反応
速度が比較的高い作動条件のもとでは、アノードからカ
ソードに向けて高分子電解質膜中を移動するプロトンに
伴って移動する水の量と、カソードの電極反応により生
成し凝縮する生成水の量とが多くなる。そのため、これ
らの水がカソードから外部に速やかに排出されず、カソ
ードの触媒層内に形成された反応ガス供給用の細孔がこ
れらの水により閉塞されてしまう現象、いわゆるフラッ
ディングの現象が起こり易かった。
[0004] However, under the above-mentioned operating conditions in which the reaction rate of the battery reaction is relatively high, the amount of water moving with the protons moving through the polymer electrolyte membrane from the anode to the cathode. And the amount of water generated and condensed by the electrode reaction of the cathode increases. Therefore, the water is not quickly discharged from the cathode to the outside, and the phenomenon that the pores for supplying the reaction gas formed in the catalyst layer of the cathode are blocked by the water, that is, the phenomenon of flooding is likely to occur. Was.

【0005】このようなフラッディングが起こると、触
媒層の反応サイトへのカソード反応ガスの供給が妨げら
れ、所望の電池出力を安定的に得られなくなる。そこ
で、電池出力の向上を図るとともに、その出力を安定的
に得るためには、電極触媒層内のイオン伝導性を低下さ
せることなくガス拡散性及び撥水性を向上させることが
必要となる。
[0005] When such flooding occurs, supply of the cathode reaction gas to the reaction site of the catalyst layer is hindered, and a desired battery output cannot be stably obtained. Therefore, in order to improve the battery output and obtain the output stably, it is necessary to improve the gas diffusion property and the water repellency without lowering the ion conductivity in the electrode catalyst layer.

【0006】これに対し、触媒層内のイオン交換樹脂の
イオン交換容量(以下、ARという)を小さくし触媒層
内のガス拡散性及び撥水性を確保することを意図する
と、イオン交換樹脂の含水率が低下することになり、イ
オン伝導性が低下して電池出力が低下する。更に、この
場合にはイオン交換樹脂のガス透過性も低下するため、
反応サイトに供給されるガスの供給が遅くなる。その結
果、濃度過電圧が増大し電池出力が低下する。
On the other hand, if it is intended to reduce the ion exchange capacity (hereinafter referred to as A R ) of the ion exchange resin in the catalyst layer to ensure gas diffusion and water repellency in the catalyst layer, the As a result, the water content decreases, the ionic conductivity decreases, and the battery output decreases. Further, in this case, the gas permeability of the ion exchange resin also decreases,
The supply of gas supplied to the reaction site is delayed. As a result, the concentration overvoltage increases and the battery output decreases.

【0007】一方、触媒層に含有されるイオン交換樹脂
のARを高くして、そのイオン伝導性とガス透過性を向
上させることを意図するとイオン交換樹脂の含水率が増
大してフラッディングが発生し易くなり、高い電池出力
を安定的に得ることが困難となるという問題があった。
On the other hand, by increasing the A R of the ion exchange resin contained in the catalyst layer, its ionic conductivity and when intended to improve the gas permeability water content of the ion exchange resin is increased flooding occurs And it is difficult to stably obtain a high battery output.

【0008】そのため、特開平5−36418号公報に
は、撥水化剤として、ポリテトラフルオロエチレン(以
下、PTFEという)、テトラフルオロエチレン/ヘキ
サフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレ
ン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体
等の含フッ素重合体等を、カソード触媒層中に含有させ
た固体高分子型燃料電池が提案されている。なお、本明
細書中において、「A/B共重合体」とは、Aに基づく
繰り返し単位とBに基づく繰り返し単位とからなる共重
合体を示す。
For this reason, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-36418 discloses that polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene / perfluoro ( There has been proposed a polymer electrolyte fuel cell in which a fluorine-containing polymer such as an (alkyl vinyl ether) copolymer is contained in a cathode catalyst layer. In this specification, “A / B copolymer” refers to a copolymer composed of a repeating unit based on A and a repeating unit based on B.

【0009】また、特開平7−211324号公報に
は、PTFEと共にフッ化ピッチをカソード触媒層中に
含有させた固体高分子型燃料電池が提案されている。更
に、特開平7−192738号公報には、触媒表面をフ
ッ素化被膜によりコーティング処理し、これを用いて固
体高分子型燃料電池のカソード触媒層を形成する方法が
提案されている。また、特開平5−251086号公
報、特開平7−134993号公報には、電極の厚さ方
向に対して撥水性に勾配を持たせる方法も提案されてい
る。
Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 7-212324 proposes a polymer electrolyte fuel cell in which pitch fluoride is contained in a cathode catalyst layer together with PTFE. Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-192938 proposes a method in which the surface of a catalyst is coated with a fluorinated film and used to form a cathode catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. H5-251086 and H7-134993 also propose a method of giving a gradient to the water repellency in the thickness direction of the electrode.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
5−36418号公報に記載の固体高分子型燃料電池の
ように触媒層中に撥水化剤を含有させると、撥水化剤の
絶縁性によるカソードの電気抵抗の増大や、触媒層の層
厚の増大による触媒層のガス拡散性の低下により、カソ
ードの分極特性がかえって低くなり、電池出力を向上す
ることができないという問題があった。また、触媒層中
の撥水化剤の含有量を低減させて電池出力を高くしよう
とすると触媒層内の撥水性が低下し、起動から比較的短
時間で電極の分極特性が低下し、更にはフラッディング
が発生してしまうという問題があった。
However, when a water repellent is contained in the catalyst layer as in the polymer electrolyte fuel cell described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-36418, the insulating property of the water repellent is reduced. As a result, the cathode's polarization characteristics are rather lowered due to an increase in the electric resistance of the cathode due to the increase in the electric resistance of the cathode due to the increase in the thickness of the catalyst layer, and the battery output cannot be improved. In addition, when the content of the water repellent in the catalyst layer is reduced to increase the battery output, the water repellency in the catalyst layer is reduced, and the polarization characteristics of the electrode are reduced in a relatively short time from the start. Has a problem that flooding occurs.

【0011】また、特開平7−211324号公報や特
開平7−192738号公報に記載の固体高分子型燃料
電池においては、触媒層に含有される触媒の表面をイオ
ン交換樹脂により均一に被覆することは困難であるた
め、カソード触媒層に含有されている触媒の量に見合う
十分な反応サイトを確保できず、高い電池出力を安定的
に得ることができないという問題があった。更に、特開
平5−251086号公報、特開平7−134993号
公報に記載の固体高分子型燃料電池は、その製造工程が
煩雑になるという問題があった。
In the polymer electrolyte fuel cells described in JP-A-7-212324 and JP-A-7-192338, the surface of the catalyst contained in the catalyst layer is uniformly coated with an ion exchange resin. However, there is a problem that a sufficient reaction site corresponding to the amount of the catalyst contained in the cathode catalyst layer cannot be secured, and a high battery output cannot be stably obtained. Furthermore, the polymer electrolyte fuel cells described in JP-A-5-251806 and JP-A-7-134993 have a problem that the manufacturing process is complicated.

【0012】そして、上記のようなガス拡散電極の触媒
層内の良好なガス拡散性及び撥水性の確保の問題は、ガ
ス拡散電極を水や食塩の電解等の他の電気化学プロセス
に応用する際にも、その分極特性を向上させてプロセス
の効率を向上させる上で重要となっている。
The problem of ensuring good gas diffusibility and water repellency in the catalyst layer of the gas diffusion electrode as described above is that the gas diffusion electrode is applied to other electrochemical processes such as electrolysis of water or salt. In this case, it is important in improving the polarization characteristics to improve the efficiency of the process.

【0013】また、現在検討されている固体高分子型燃
料電池は、作動温度領域が60〜90℃と低くその排熱
が利用しにくいという課題を有している。自動車用途に
おいては、冷却システムの小型化や燃料ガス中に含まれ
る一酸化炭素による触媒被毒低減のため、100℃より
も高い温度で運転できる燃料電池が求められている。
Further, the polymer electrolyte fuel cells currently under study have a problem that the operating temperature range is as low as 60 to 90 ° C. and the exhaust heat thereof is difficult to use. In automotive applications, a fuel cell that can be operated at a temperature higher than 100 ° C. is required to reduce the size of a cooling system and reduce catalyst poisoning due to carbon monoxide contained in fuel gas.

【0014】現在、燃料電池の実用化検討には、CF2=CF
OCF2CF(CF3)O(CF2)nSO3H (ただし、nは2又は3を示す)
とテトラフルオロエチレンの共重合体からなるパーフル
オロイオン交換樹脂が主に用いられているが、軟化温度
が100℃よりも低く、100℃以上の高温では強度が
低下するため燃料電池を100℃以上の高温で運転する
のは困難である。特に燃料電池の膜材料には100℃以
上の軟化温度を有し、且つ、燃料電池の使用に耐えられ
る強度を有するものが求められている。
At present, in consideration of the practical use of fuel cells, CF 2 = CF
OCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) n SO 3 H (where n represents 2 or 3)
A perfluoro ion exchange resin composed of a copolymer of ethylene and tetrafluoroethylene is mainly used. However, the softening temperature is lower than 100 ° C., and the strength decreases at a high temperature of 100 ° C. or higher. It is difficult to operate at high temperatures. In particular, there is a demand for a membrane material for a fuel cell that has a softening temperature of 100 ° C. or higher and has strength enough to withstand use of the fuel cell.

【0015】また、アノード及びカソードの触媒層にも
高分子電解質が通常含まれているが、該高分子電解質も
高温運転における耐久性の観点から、軟化温度が運転温
度よりも高いことが好ましい。更に、CF2=CFOCF2CF2SO3
Hとテトラフルオロエチレンの共重合体は軟化温度が1
00℃よりも高いことが知られている(ACS Symp.Ser.
(1989),Vol.395,pp370-400)が、製造コストが高く工業
的に製造することが困難である。
[0015] The polymer layers are usually also contained in the catalyst layers of the anode and the cathode, and it is preferable that the polymer electrolytes also have a softening temperature higher than the operating temperature from the viewpoint of durability in high-temperature operation. Furthermore, CF 2 = CFOCF 2 CF 2 SO 3
H and tetrafluoroethylene copolymer has a softening temperature of 1
It is known that the temperature is higher than 00 ° C (ACS Symp. Ser.
(1989), Vol. 395, pp 370-400), but the production cost is high and it is difficult to produce industrially.

【0016】本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑
みてなされたものであり、イオン伝導性、撥水性及びガ
ス透過性に優れた含フッ素ポリマー及びそれからなる固
体高分子電解質材料、該固体高分子電解質材料を含む液
状組成物、該固体高分子電解質材料からなる膜並びに該
固体高分子電解質材料を構成材料として含むことにより
高い電池出力を安定的に得ることのできる固体高分子型
燃料電池を提供することを目的とする。また、本発明
は、従来よりも高い温度で固体高分子型燃料電池の運転
を可能にするため、従来よりも高い軟化温度を有する固
体高分子電解質材料を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and has a fluorine-containing polymer having excellent ion conductivity, water repellency and gas permeability, a solid polymer electrolyte material comprising the same, and a solid polymer electrolyte. A liquid polymer composition comprising a polymer electrolyte material, a membrane comprising the polymer electrolyte material, and a polymer electrolyte fuel cell capable of stably obtaining a high battery output by including the polymer electrolyte material as a constituent material. The purpose is to provide. Another object of the present invention is to provide a solid polymer electrolyte material having a softening temperature higher than that of the related art, in order to enable the operation of the polymer electrolyte fuel cell at a higher temperature than before.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、重合体中に脂肪
族環構造を有する含フッ素スルホン酸ポリマーは高いイ
オン伝導性を有しており、これを固体高分子型燃料電池
の電極触媒層の固体高分子電解質材料として使用する
と、触媒層内のイオン伝導性を十分に確保しつつ燃料電
池の出力を向上させることができることを見出し、本発
明に到達した。さらに、本発明者らは、前記脂肪族環構
造を有する含フッ素スルホン酸ポリマーが高いイオン伝
導性を有すると同時に、従来のスルホン酸ポリマーより
も高い軟化温度を有しており、固体高分子型燃料電池の
高温運転に適した材料であることを見出した。
Means for Solving the Problems As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that a fluorinated sulfonic acid polymer having an aliphatic ring structure in a polymer has high ionic conductivity. When this is used as the solid polymer electrolyte material of the electrode catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell, it is possible to improve the output of the fuel cell while ensuring sufficient ion conductivity in the catalyst layer. Heading, the present invention has been reached. Further, the present inventors have found that the fluorinated sulfonic acid polymer having an aliphatic ring structure has a high ionic conductivity, and at the same time, has a higher softening temperature than a conventional sulfonic acid polymer, and a solid polymer type The material was found to be suitable for high-temperature operation of fuel cells.

【0018】すなわち、本発明は、ラジカル重合により
主鎖に脂肪族環構造を有するポリマーを与える含フッ素
モノマーAに基づく繰り返し単位と、下記式(1)で表
される含フッ素モノマーBに基づく繰り返し単位とを含
む共重合体からなることを特徴とする固体高分子電解質
材料を提供する。 CF2=CF(RfjSO2X …(1) ここで、式(1)中、jは0又は1を示し、Xはフッ素
原子、塩素原子又はOMで表される基を示す。そして、
OMで表される基のMは、水素原子、アルカリ金属原子
又はNR1234で表される基を示す。更に、NR1
234で表される基のR1、R2、R3及びR4は同一
でも異なっていてもよく、それぞれ水素原子又は1価の
有機基を示すが、好ましくは水素原子又は炭素数1〜4
のアルキル基である。また、Rfは直鎖又は分岐構造を
有する炭素数1〜20のポリフルオロアルキレン基であ
って、エーテル結合性の酸素原子が含まれていてもよ
い。
That is, the present invention relates to a repeating unit based on a fluorine-containing monomer A which gives a polymer having an aliphatic ring structure in the main chain by radical polymerization, and a repeating unit based on a fluorine-containing monomer B represented by the following formula (1). The present invention provides a solid polymer electrolyte material comprising a copolymer containing CF 2 = CF (R f ) j SO 2 X (1) Here, in the formula (1), j represents 0 or 1, and X represents a fluorine atom, a chlorine atom or a group represented by OM. And
M in the group represented by OM represents a hydrogen atom, an alkali metal atom, or a group represented by NR 1 R 2 R 3 R 4 . Furthermore, NR 1
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 in the group represented by R 2 R 3 R 4 may be the same or different and each represents a hydrogen atom or a monovalent organic group, but is preferably a hydrogen atom or a monovalent organic group. C 1-4
Is an alkyl group. R f is a linear or branched polyfluoroalkylene group having 1 to 20 carbon atoms, and may contain an etheric oxygen atom.

【0019】なお、本明細書において、「固体高分子電
解質材料」にはその前駆体も含める。即ち、式(1)に
示す−SO2X基のXが前述のOMである場合の−SO3
M基を分子中に有するイオン伝導性の含フッ素ポリマー
に加えて、−SO3M基の前駆体となる−SO2F基又は
−SO2Cl基を分子中に有する含フッ素ポリマーも固
体高分子電解質材料というものとする。本発明の固体高
分子電解質材料が−SO2F基又は−SO2Cl基を分子
中に有する含フッ素ポリマーの場合、これに塩基の水溶
液等を用いて加水分解処理をすることにより−SO3
基を分子中に有する含フッ素イオン伝導性ポリマーに変
換させ固体高分子電解質材料として使用することができ
るようになる。
In the present specification, the "solid polymer electrolyte material" includes its precursor. That is, -SO 3 when X of the —SO 2 X group shown in the formula (1) is OM described above.
In addition to the ionic conductivity of the fluoropolymer having an M group in the molecule, the fluoropolymer also solid high having a -SO 2 F group or -SO 2 Cl group is a precursor of the -SO 3 M group in the molecule It is referred to as a molecular electrolyte material. When the solid polymer electrolyte material of the present invention is a fluoropolymer having a —SO 2 F group or a —SO 2 Cl group in the molecule, the solid polymer electrolyte material is subjected to a hydrolysis treatment using an aqueous base solution or the like to obtain a —SO 3 M
It can be converted into a fluorine-containing ion-conductive polymer having a group in the molecule and used as a solid polymer electrolyte material.

【0020】従って、以下の説明において本発明の固体
高分子電解質材料のイオン伝導性を議論する場合には、
得られる固体高分子電解質材料が、式(1)に示すXに
より−SO2F基又は−SO2Cl基を分子中に有する含
フッ素ポリマーであるときには、これに加水分解処理を
施し、−SO3M基を分子中に有する含フッ素イオン伝
導性ポリマーとした場合のイオン伝導性を示すものとす
る。
Therefore, when discussing the ionic conductivity of the solid polymer electrolyte material of the present invention in the following description,
When the obtained solid polymer electrolyte material is a fluorine-containing polymer having a —SO 2 F group or a —SO 2 Cl group in the molecule by X shown in the formula (1), this is subjected to hydrolysis treatment, It shows the ionic conductivity of a fluorine-containing ion conductive polymer having a 3M group in the molecule.

【0021】また、本発明において、「主鎖に脂肪族環
構造を有するポリマーを与える含フッ素モノマーA」と
は、ラジカル重合により主鎖に脂肪族環構造を有するポ
リマーとなるものであり、具体的には分子中に脂肪族環
構造を有するモノマーと、分子中に脂肪族環構造を有し
ていないが重合反応の進行とともに脂肪族環構造を形成
する環化重合性モノマーとの2種類のタイプがある。更
に、「主鎖に脂肪族環構造を有する」とは、繰り返し単
位中の脂肪族環構造の炭素原子の少なくとも1つが主鎖
に共有されていることをいう。
In the present invention, the "fluorinated monomer A which gives a polymer having an aliphatic ring structure in the main chain" is a polymer which has an aliphatic ring structure in the main chain by radical polymerization. Specifically, there are two kinds of monomers: a monomer having an aliphatic ring structure in the molecule, and a cyclopolymerizable monomer having no aliphatic ring structure in the molecule but forming an aliphatic ring structure with the progress of the polymerization reaction. There are types. Further, “having an aliphatic ring structure in the main chain” means that at least one carbon atom of the aliphatic ring structure in the repeating unit is shared by the main chain.

【0022】本発明の固体高分子電解質材料は、上記の
含フッ素モノマーAに基づく繰り返し単位を有している
ためガス透過性が高くなっていると考えられる。また、
−SO2X基を有する含フッ素モノマーBに基づく繰り
返し単位を有するため、高いイオン伝導性も有する。更
に、これらの繰り返し単位中の炭素鎖に結合したフッ素
原子は撥水性に寄与している。そのため、本発明の固体
高分子電解質材料を固体高分子型燃料電池の電極触媒層
の構成材料として使用すれば、触媒層内において、高い
イオン伝導性と撥水性を保持しつつガス拡散性が従来よ
りも向上するので電池出力が向上し、然も、フラッディ
ングの発生が効果的に防止されるので、その高い出力を
安定して得ることが可能になる。
It is considered that the solid polymer electrolyte material of the present invention has high gas permeability because it has a repeating unit based on the above-mentioned fluorine-containing monomer A. Also,
Since it has a repeating unit based on the fluorine-containing monomer B having a —SO 2 X group, it also has high ion conductivity. Further, the fluorine atoms bonded to the carbon chains in these repeating units contribute to water repellency. Therefore, if the solid polymer electrolyte material of the present invention is used as a constituent material of the electrode catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell, the gas diffusion property is maintained in the catalyst layer while maintaining high ion conductivity and water repellency. As a result, the output of the battery is improved, and the occurrence of flooding is effectively prevented, so that the high output can be obtained stably.

【0023】このように、本発明の固体高分子電解質材
料を電極触媒層に用いた固体高分子型燃料電池が高い出
力を発現する理由は明確には解明されていないが、固体
高分子電解質材料中の含フッ素モノマーAに基づく繰り
返し単位に含まれる脂肪族環構造に起因していると考え
られる。すなわち、脂肪族環構造のために固体高分子電
解質材料が非晶質となることにより従来の固体高分子電
解質材料よりもガス透過性が向上すると考えられる。ま
た、本発明の固体高分子電解質材料を構成材料とする触
媒層を備えたガス拡散電極、或いは本発明の固体高分子
電解質材料から形成された高分子電解質膜は、固体高分
子型燃料電池のみならず食塩電解等の電気化学プロセス
にも使用できる。
As described above, the reason why the polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte material of the present invention for the electrode catalyst layer exhibits a high output has not been clearly elucidated, but the polymer electrolyte material is not clearly understood. It is thought to be due to the aliphatic ring structure contained in the repeating unit based on the fluorine-containing monomer A therein. That is, it is considered that the gas permeability is improved as compared with the conventional solid polymer electrolyte material by making the solid polymer electrolyte material amorphous due to the aliphatic ring structure. In addition, a gas diffusion electrode provided with a catalyst layer containing the solid polymer electrolyte material of the present invention as a constituent material, or a polymer electrolyte membrane formed from the solid polymer electrolyte material of the present invention is a solid polymer fuel cell only. Instead, it can also be used for electrochemical processes such as salt electrolysis.

【0024】また、本発明は、上述の固体高分子電解質
材料であり、かつ、含フッ素モノマーBに基づく繰り返
し単位の末端の−SO2X基が−SO3M基である固体高
分子電解質材料が、分子中に水酸基を有する有機溶媒に
溶解又は分散されていることを特徴とする液状組成物を
提供する。ここで、Mは式(1)に記載のMと同義であ
る。また、前記液状組成物には水が含まれていても良
く、有機溶媒の沸点が水の沸点よりも低い場合には、液
状組成物に水を添加して有機溶媒を留去することによ
り、スルホン酸ポリマーが実質的に有機溶媒を含まない
水に溶解又は分散した液状組成物を得ることもできる。
The present invention also provides a solid polymer electrolyte material as described above, wherein the terminal -SO 2 X group of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer B is a -SO 3 M group. Is dissolved or dispersed in an organic solvent having a hydroxyl group in the molecule. Here, M has the same meaning as M described in Formula (1). Further, the liquid composition may contain water, and when the boiling point of the organic solvent is lower than the boiling point of water, by adding water to the liquid composition and distilling off the organic solvent, A liquid composition in which the sulfonic acid polymer is dissolved or dispersed in water substantially free of an organic solvent can also be obtained.

【0025】本発明の固体高分子電解質材料のうち、−
SO2X基が−SO3M基であるものは、分子中に水酸基
を有する有機溶媒に溶解又は良好に分散できる。例え
ば、本発明の固体高分子電解質材料のうち−SO3H基
を有するものを上記有機溶媒に溶解又は分散させて得ら
れる液状組成物に、触媒の微粒子を分散させた液を使用
すると、固体高分子型燃料電池の触媒層を容易に形成で
き、ガス透過性に優れる触媒層を提供できる。
In the solid polymer electrolyte material of the present invention,
When the SO 2 X group is a —SO 3 M group, it can be dissolved or satisfactorily dispersed in an organic solvent having a hydroxyl group in the molecule. For example, when a liquid in which catalyst fine particles are dispersed in a liquid composition obtained by dissolving or dispersing a solid polymer electrolyte material having a -SO 3 H group in the organic solvent among the solid polymer electrolyte materials of the present invention, A catalyst layer of a polymer fuel cell can be easily formed, and a catalyst layer having excellent gas permeability can be provided.

【0026】更に、本発明は、アノードと、カソード
と、アノードとカソードとの間に配置された高分子電解
質膜とを有する固体高分子型燃料電池であって、上述の
電解質材料のうち含フッ素モノマーBが−SO3H基を
有する固体高分子電解質材料をカソードの構成材料とし
て含むことを特徴とする固体高分子型燃料電池を提供す
る。
Further, the present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell having an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode, wherein the polymer electrolyte is a fluorine-containing fuel cell. monomer B provides a polymer electrolyte fuel cell which comprises a solid polymer electrolyte material having a -SO 3 H group as a cathode of the material.

【0027】このように、本発明の固体高分子電解質材
料をカソードの触媒層の構成材料として使用する固体高
分子型燃料電池が安定した高い電池出力を長期にわたり
得ることが可能となるのは、カソードの触媒層内のイオ
ン伝導率と撥水性が十分に確保されつつ酸素ガスの拡散
性が向上するので、酸素濃度過電圧が低減するとともに
フラッディングの発生が効果的に防止されるためである
と考えられる。
As described above, the solid polymer electrolyte fuel cell using the solid polymer electrolyte material of the present invention as a constituent material of the catalyst layer of the cathode is capable of obtaining a stable and high battery output for a long time. This is because the diffusion of oxygen gas is improved while the ion conductivity and water repellency in the catalyst layer of the cathode are sufficiently ensured, so that the oxygen concentration overvoltage is reduced and flooding is effectively prevented. Can be

【0028】また、本発明の固体高分子電解質材料は、
主鎖に脂肪族環構造を有しているので、従来のスルホン
酸ポリマーよりも高い軟化温度を有し、燃料電池の高温
運転に適している。
Also, the solid polymer electrolyte material of the present invention comprises:
Since it has an aliphatic ring structure in the main chain, it has a higher softening temperature than conventional sulfonic acid polymers and is suitable for high-temperature operation of fuel cells.

【0029】更に、本発明は、下記式(I)で表される
繰り返し単位と、下記式(II)で表される含フッ素モ
ノマーDに基づく繰り返し単位とから実質的になる共重
合体であって、含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単
位の含有率が10〜75モル%であり、かつ、数平均分
子量が5000〜5000000であることを特徴とす
る含フッ素ポリマーを提供する。
Further, the present invention relates to a copolymer substantially comprising a repeating unit represented by the following formula (I) and a repeating unit based on a fluorine-containing monomer D represented by the following formula (II). And a fluorine-containing polymer having a content of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer D of 10 to 75 mol% and a number average molecular weight of 5,000 to 5,000,000.

【0030】[0030]

【化10】 Embedded image

【0031】ここで、式(I)及び(II)中、Rf16
及びRf17は同一でも異なっていてもよく、それぞれフ
ッ素原子又はトリフルオロメチル基を示し、k’は0又
は1を示し、Yは式(2)に記載のYと同義であり、M
は式(1)に記載のMと同義である。
In the formulas (I) and (II), R f16
And R f17 may be the same or different and each represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group; k ′ represents 0 or 1; Y has the same meaning as Y in formula (2);
Has the same meaning as M in Formula (1).

【0032】また、本発明は、パーフルオロ(3−ブテ
ニルビニルエーテル)に基づく繰り返し単位と、上記式
(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返
し単位とから実質的になる共重合体であって、含フッ素
モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率が10〜75
モル%であり、かつ、数平均分子量が5000〜500
0000であることを特徴とする含フッ素ポリマーを提
供する。
The present invention also relates to a copolymer substantially consisting of a repeating unit based on perfluoro (3-butenyl vinyl ether) and a repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the formula (II). Wherein the content of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer D is 10 to 75.
Mol%, and the number average molecular weight is 5,000 to 500.
0000 is provided.

【0033】更に、本発明は、パーフルオロ(2−メチ
レン−4−メチル−1,3−ジオキソラン)に基づく繰
り返し単位と、上記式(II)で表される含フッ素モノ
マーDに基づく繰り返し単位とから実質的になる共重合
体であって、含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位
の含有率が10〜75モル%であり、かつ、数平均分子
量が5000〜5000000であることを特徴とする
含フッ素ポリマーを提供する。
The present invention further relates to a repeating unit based on perfluoro (2-methylene-4-methyl-1,3-dioxolane) and a repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the above formula (II). Wherein the content of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer D is from 10 to 75 mol%, and the number-average molecular weight is from 5,000 to 5,000,000. Provide a polymer.

【0034】これらの本発明の含フッ素ポリマーは、本
発明の固体高分子電解質材料の中でも特にガス透過性が
高くなっていると考えられるものであり、特に高いイオ
ン伝導性も有する。更に、これらの繰り返し単位中の炭
素鎖に結合したフッ素原子は撥水性に寄与している。そ
のため、上記の本発明の含フッ素ポリマーは、先に述べ
た電気化学プロセスに備えられるガス拡散電極又は高分
子電解質膜の構成材料として好ましく使用することがで
きる。また、従来のスルホン酸ポリマーよりも高い軟化
温度を有し、燃料電池の高温運転に適している。
These fluoropolymers of the present invention are considered to have particularly high gas permeability among the solid polymer electrolyte materials of the present invention, and also have particularly high ionic conductivity. Further, the fluorine atoms bonded to the carbon chains in these repeating units contribute to water repellency. Therefore, the above-mentioned fluoropolymer of the present invention can be preferably used as a constituent material of a gas diffusion electrode or a polymer electrolyte membrane provided in the above-mentioned electrochemical process. In addition, it has a higher softening temperature than conventional sulfonic acid polymers and is suitable for high-temperature operation of fuel cells.

【0035】式(I)で表される繰り返し単位と、式
(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返
し単位とから実質的になる含フッ素ポリマーにおいて、
含フッ素ポリマー中の含フッ素モノマーDに基づく繰り
返し単位の含有率が10モル%未満であると、プロトン
伝導性が小さくなるので好ましくない。一方、上記の含
有率が75モル%を超えると、ガス拡散性が小さくなる
ので好ましくない。そして、上記と同様の観点から、共
重合体中の含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の
含有率は、15〜60モル%であることがより好まし
い。
In a fluoropolymer substantially consisting of a repeating unit represented by the formula (I) and a repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the formula (II),
If the content of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer D in the fluorine-containing polymer is less than 10 mol%, the proton conductivity is undesirably reduced. On the other hand, if the above content exceeds 75 mol%, the gas diffusivity becomes small, which is not preferable. And from a viewpoint similar to the above, it is more preferable that the content of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer D in the copolymer is 15 to 60 mol%.

【0036】更に、この含フッ素ポリマーの数平均分子
量が5000未満であると、膨潤度等の物性が経時的に
変化するため耐久性が不十分になる。一方、数平均分子
量が5000000を超えると、溶液の調製が困難にな
る。そして、上記と同様の観点から、含フッ素ポリマー
の数平均分子量は10000〜3000000であるこ
とがより好ましい。
Further, when the number average molecular weight of the fluoropolymer is less than 5,000, the physical properties such as the degree of swelling change with time, resulting in insufficient durability. On the other hand, when the number average molecular weight exceeds 5,000,000, it becomes difficult to prepare a solution. And from a viewpoint similar to the above, it is more preferable that the number average molecular weight of the fluoropolymer is 10,000 to 3,000,000.

【0037】また、パーフルオロ(3−ブテニルビニル
エーテル)に基づく繰り返し単位と、式(II)で表さ
れる含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位とから実
質的になる含フッ素ポリマーも前述の式(I)で表され
る繰り返し単位を含む含フッ素ポリマーと同様にこの含
フッ素ポリマー中の含フッ素モノマーDに基づく繰り返
し単位の含有率は、10〜75モル%であることが好ま
しく、15〜60モル%であることがより好ましい。更
に、この含フッ素ポリマーの数平均分子量も5000〜
5000000であることが好ましく、10000〜3
000000であることがより好ましい。
Further, a fluorine-containing polymer substantially consisting of a repeating unit based on perfluoro (3-butenylvinyl ether) and a repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the formula (II) is also represented by the aforementioned formula (I). Like the fluorine-containing polymer containing the repeating unit represented by I), the content of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer D in this fluorine-containing polymer is preferably from 10 to 75 mol%, and preferably from 15 to 60 mol%. % Is more preferable. Further, the number average molecular weight of this fluoropolymer is also 5,000 to
500000, preferably 10,000 to 3
More preferably, it is 000000.

【0038】また、パーフルオロ(2−メチレン−4−
メチル−1,3−ジオキソラン)に基づく繰り返し単位
と、式(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく
繰り返し単位とから実質的になる含フッ素ポリマーも前
述の式(I)で表される繰り返し単位を含む含フッ素ポ
リマーと同様にこの含フッ素ポリマー中の含フッ素モノ
マーDに基づく繰り返し単位の含有率は、10〜75モ
ル%であることが好ましく、15〜60モル%であるこ
とがより好ましい。更に、この含フッ素ポリマーの数平
均分子量も5000〜5000000であることが好ま
しく、10000〜3000000であることがより好
ましい。
Further, perfluoro (2-methylene-4-
A fluorine-containing polymer substantially consisting of a repeating unit based on methyl-1,3-dioxolane) and a repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the formula (II) is also represented by the aforementioned formula (I). Like the fluorine-containing polymer containing a repeating unit, the content of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer D in the fluorine-containing polymer is preferably from 10 to 75 mol%, more preferably from 15 to 60 mol%. preferable. Further, the number average molecular weight of this fluoropolymer is also preferably 5,000 to 5,000,000, and more preferably 10,000 to 3,000,000.

【0039】[0039]

【発明の実施の形態】以下、本発明を固体高分子型燃料
電池に適用した場合の好適な実施形態について詳細に説
明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments when the present invention is applied to a polymer electrolyte fuel cell will be described below in detail.

【0040】本発明の固体高分子型燃料電池は、アノー
ドと、カソードと、アノードとカソードとの間に配置し
た構成を有している。ガス拡散電極であるカソード及び
アノードは、何れもガス拡散層と、これらのガス拡散層
に隣接した触媒層とからなる。ガス拡散層の構成材料と
しては、電子伝導性を有する多孔質体(例えば、カーボ
ンクロスやカーボンペーパー)が使用される。
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention has an anode, a cathode, and a structure disposed between the anode and the cathode. Each of the cathode and anode, which are gas diffusion electrodes, comprises a gas diffusion layer and a catalyst layer adjacent to the gas diffusion layer. As a constituent material of the gas diffusion layer, a porous body having electron conductivity (for example, carbon cloth or carbon paper) is used.

【0041】カソードの触媒層は、主として先に述べた
本発明の固体高分子電解質材料(−SO3H型)と触媒
とが含有されており、電池出力の向上と、その高い電池
出力を安定して得ることが可能な触媒層内の良好なイオ
ン伝導性と撥水性の確保とガス拡散性の向上が図られて
いる。
The catalyst layer of the cathode mainly contains the above-mentioned solid polymer electrolyte material (-SO 3 H type) of the present invention and a catalyst, thereby improving the battery output and stabilizing the high battery output. It is intended to ensure good ion conductivity and water repellency in the catalyst layer, which can be obtained by the above method, and to improve gas diffusibility.

【0042】カソードの触媒層に含有される本発明の固
体高分子電解質材料は、含フッ素モノマーAに基づく繰
り返し単位と、含フッ素モノマーBに基づく繰り返し単
位とを含む共重合体からなるが、含フッ素モノマーA、
含フッ素モノマーBともにパーフルオロモノマーである
ことが好ましい。特に、含フッ素モノマーBが下記式
(2)で表される化合物であることが好ましく、中でも
特に式(6)で表される化合物が好ましい。
The solid polymer electrolyte material of the present invention contained in the catalyst layer of the cathode comprises a copolymer containing a repeating unit based on the fluorinated monomer A and a repeating unit based on the fluorinated monomer B. Fluorine monomer A,
It is preferable that both the fluorinated monomers B are perfluoro monomers. In particular, the fluorine-containing monomer B is preferably a compound represented by the following formula (2), and particularly preferably a compound represented by the formula (6).

【0043】[0043]

【化11】 Embedded image

【0044】ここで、式(2)及び式(6)中、kは0
〜2の整数、mは1〜12の整数、k’は0又は1を示
し、Yはフッ素原子又はトリフルオロメチル基をそれぞ
れ示し、Xは前述の式(1)に記載のXと同義である。
このように、含フッ素モノマーAと含フッ素モノマーB
とがともにパーフルオロモノマーであると、得られる固
体高分子電解質材料の撥水性及び耐久性が向上する。ま
た、含フッ素モノマーBが式(2)で示される化合物で
あると、得られる固体高分子電解質材料は良好なイオン
伝導性を示す。
Here, in the equations (2) and (6), k is 0
An integer of 1 to 2, m is an integer of 1 to 12, k ′ represents 0 or 1, Y represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group, and X has the same meaning as X in the above formula (1). is there.
Thus, the fluorine-containing monomer A and the fluorine-containing monomer B
When both are perfluoromonomers, the water repellency and durability of the resulting solid polymer electrolyte material are improved. Further, when the fluorine-containing monomer B is a compound represented by the formula (2), the obtained solid polymer electrolyte material shows good ion conductivity.

【0045】そして、本発明における含フッ素モノマー
Aとは、先に述べたように具体的には分子中に脂肪族環
構造を有するモノマーと、環化重合性モノマーとの2種
類のタイプがあるが、含フッ素モノマーAに基づく繰り
返し単位が下記式(3)〜(5)の何れかで表されるこ
とが好ましい。
As described above, the fluorine-containing monomer A in the present invention specifically includes two types of a monomer having an aliphatic ring structure in the molecule and a cyclopolymerizable monomer. However, the repeating unit based on the fluorine-containing monomer A is preferably represented by any of the following formulas (3) to (5).

【0046】[0046]

【化12】 Embedded image

【0047】[0047]

【化13】 Embedded image

【0048】ここで、式(3)中、p、q及びrはそれ
ぞれ独立に0又は1を示し、Rf1及びRf2は同一でも異
なっていてもよく、それぞれフッ素原子、炭素数1〜5
のパーフルオロアルキル基又は炭素数1〜5のパーフル
オロアルコキシ基の何れかを示し、Rf3は炭素数1〜3
のパーフルオロアルキレン基であって、置換基として炭
素数1〜5のパーフルオロアルキル基又は炭素数1〜5
のパーフルオロアルコキシ基を有していてもよい。
Here, in the formula (3), p, q and r each independently represent 0 or 1, R f1 and R f2 may be the same or different, and each represents a fluorine atom and a carbon number of 1-5.
Represents a perfluoroalkyl group or a perfluoroalkoxy group having 1 to 5 carbon atoms, and R f3 represents 1 to 3 carbon atoms.
Wherein the substituent is a perfluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms or a perfluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms.
May have a perfluoroalkoxy group.

【0049】また、式(4)中、sは0又は1を示し、
f4、Rf5、Rf6及びRf7は同一でも異なっていてもよ
く、それぞれフッ素原子又は炭素数1〜5のパーフルオ
ロアルキル基の何れかを示し、Rf8はフッ素原子、炭素
数1〜5のパーフルオロアルキル基又は炭素数1〜5の
パーフルオロアルコキシ基を示す。ただし、上記のR f4
とRf5とは、s=0のときに連結してスピロ環を形成し
てもよい。
In the formula (4), s represents 0 or 1,
Rf4, Rf5, Rf6And Rf7May be the same or different
Each of which is a fluorine atom or a perfluoro group having 1 to 5 carbon atoms.
R represents any one off8Is a fluorine atom, carbon
1 to 5 perfluoroalkyl group or 1 to 5 carbon atoms
Shows a perfluoroalkoxy group. However, the above R f4
And Rf5And are linked when s = 0 to form a spiro ring
You may.

【0050】更に、式(5)中、Rf9、Rf10、Rf11
びRf12は同一でも異なっていてもよく、それぞれフッ
素原子又は炭素数1〜5のパーフルオロアルキル基の何
れかを示す。
Further, in the formula (5), R f9 , R f10 , R f11 and R f12 may be the same or different and each represents a fluorine atom or a perfluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms. .

【0051】前述の式(3)で示される繰り返し単位の
構造は、環化重合性モノマーから形成することができ、
f3で示されるパーフルオロアルキレン基には、置換基
として炭素数1〜5のパーフルオロアルキル基又は炭素
数1〜5のパーフルオロアルコキシ基が結合していても
よい。また、環化重合した場合、式(3)において、q
=0のときr=1であり、q=1のときr=0である。
当該繰り返し単位としては、具体的には、例えば、下記
式(7)〜(22)に示すものが挙げられる。
The structure of the repeating unit represented by the above formula (3) can be formed from a cyclopolymerizable monomer,
A perfluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms or a perfluoroalkoxy group having 1 to 5 carbon atoms may be bonded as a substituent to the perfluoroalkylene group represented by R f3 . When cyclopolymerization is carried out, in the formula (3), q
When r = 0, r = 1, and when q = 1, r = 0.
Specific examples of the repeating unit include those represented by the following formulas (7) to (22).

【0052】[0052]

【化14】 Embedded image

【0053】[0053]

【化15】 Embedded image

【0054】[0054]

【化16】 Embedded image

【0055】また、前述の式(4)で示される繰り返し
単位の構造は、分子中に脂肪族環構造を有するモノマー
から形成することが可能である。当該繰り返し単位とし
ては、具体的には、例えば、下記式(23)〜(32)
に示すものが挙げられる。更に、式(4)で示される繰
り返し単位の構造において、s=0のときRf4とRf5
により形成されるスピロ環が4〜6員環である場合、こ
の環を構成する元素としてエーテル性酸素原子が含まれ
ていてもよく、この環には置換基としてパーフルオロア
ルキル基が結合していてもよい。このような分子中に脂
肪族環構造を有するモノマーに基づく繰り返し単位の構
造としては、例えば、下記式(33)に示すものが挙げ
られる。
The structure of the repeating unit represented by the above formula (4) can be formed from a monomer having an aliphatic ring structure in the molecule. As the repeating unit, specifically, for example, the following formulas (23) to (32)
The following are mentioned. Further, in the structure of the repeating unit represented by the formula (4), when s = 0, when the spiro ring formed by R f4 and R f5 is a 4- to 6-membered ring, ether is used as an element constituting this ring. And a perfluoroalkyl group may be bonded as a substituent to this ring. Examples of the structure of the repeating unit based on a monomer having an aliphatic ring structure in the molecule include those represented by the following formula (33).

【0056】[0056]

【化17】 Embedded image

【0057】[0057]

【化18】 Embedded image

【0058】更に、前述の式(5)で示される繰り返し
単位の構造も、分子中に脂肪族環構造を有するモノマー
から形成することが可能である。当該繰り返し単位とし
ては、具体的には、例えば、下記式(34)〜(36)
に示すものが挙げられる。
Further, the structure of the repeating unit represented by the above formula (5) can also be formed from a monomer having an aliphatic ring structure in the molecule. As the repeating unit, specifically, for example, the following formulas (34) to (36)
The following are mentioned.

【0059】[0059]

【化19】 Embedded image

【0060】含フッ素モノマーAに基づく繰り返し単位
の中でも、特に式(7)、式(23)、式(24)、式
(29)及び式(34)でそれぞれ表される繰り返し単
位からなる群から選ばれる1種以上が好ましい。これら
の繰り返し単位を固体高分子電解質材料を構成する共重
合体中に導入するために原料として使用されるモノマー
(含フッ素モノマーA)はそれぞれ以下のとおりであ
る。式(7):パーフルオロ(3−ブテニルビニルエー
テル)、式(23):パーフルオロ(2,2−ジメチル
−1,3−ジオキソール)、式(24):パーフルオロ
(1,3−ジオキソール)、式(29):2,2,4−
トリフルオロ−5−トリフルオロメトキシ−1,3−ジ
オキソール、式(34):パーフルオロ(2−メチレン
−4−メチル−1,3−ジオキソラン)。
Among the repeating units based on the fluorine-containing monomer A, in particular, from the group consisting of the repeating units represented by the formulas (7), (23), (24), (29) and (34), respectively. One or more selected is preferred. The monomers (fluorinated monomers A) used as raw materials for introducing these repeating units into the copolymer constituting the solid polymer electrolyte material are as follows. Formula (7): Perfluoro (3-butenyl vinyl ether), Formula (23): Perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole), Formula (24): Perfluoro (1,3-dioxole) , Formula (29): 2,2,4-
Trifluoro-5-trifluoromethoxy-1,3-dioxole, formula (34): perfluoro (2-methylene-4-methyl-1,3-dioxolane).

【0061】これらの繰り返し単位と、前述の式(6)
で表されるモノマーに基づく繰り返し単位とを含む共重
合体からなる固体高分子電解質材料は、イオン伝導性が
高く、撥水性に優れかつ酸素透過性に優れるので特に好
ましい。特に、上記共重合体のうち−SO3H基を有す
るものを固体高分子型燃料電池のカソードの触媒層に含
有させると、得られる固体高分子型燃料電池の出力を従
来よりも高めることができる。
These repeating units and the above formula (6)
A solid polymer electrolyte material comprising a copolymer containing a repeating unit based on a monomer represented by the following formula (1) is particularly preferable because it has high ion conductivity, excellent water repellency, and excellent oxygen permeability. In particular, the inclusion of those with -SO 3 H groups of the copolymer in the catalyst layer of the cathode of a polymer electrolyte fuel cell, the output of the solid polymer electrolyte fuel cell obtained be made higher than the conventional it can.

【0062】本発明の固体高分子電解質材料の中でも、
前述の式(I)で表される繰り返し単位と、式(II)
で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位と
から実質的になる共重合体であって、含フッ素モノマー
Dに基づく繰り返し単位の含有率が10〜75モル%で
あり、かつ、数平均分子量が5000〜5000000
である含フッ素ポリマーが好ましい。また、その他に
は、パーフルオロ(3−ブテニルビニルエーテル)に基
づく繰り返し単位と、前述の式(II)で表される含フ
ッ素モノマーDに基づく繰り返し単位とから実質的にな
る共重合体であって、含フッ素モノマーDに基づく繰り
返し単位の含有率が10〜75モル%であり、かつ、数
平均分子量が5000〜5000000である含フッ素
ポリマーも好ましい。
Among the solid polymer electrolyte materials of the present invention,
A repeating unit represented by the above formula (I);
And a repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the formula: wherein the content of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer D is 10 to 75 mol%, and the number average molecular weight is Is 5000 to 5,000,000
Is preferred. In addition, a copolymer substantially consisting of a repeating unit based on perfluoro (3-butenyl vinyl ether) and a repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the above formula (II) is also available. Further, a fluorine-containing polymer having a repeating unit content of 10 to 75 mol% based on the fluorine-containing monomer D and a number average molecular weight of 5,000 to 5,000,000 is also preferable.

【0063】更に、その他には、パーフルオロ(2−メ
チレン−4−メチル−1,3−ジオキソラン)に基づく
繰り返し単位と、前述の式(II)で表される含フッ素
モノマーDに基づく繰り返し単位とから実質的になる共
重合体であって、含フッ素モノマーDに基づく繰り返し
単位の含有率が10〜75モル%であり、かつ、数平均
分子量が5000〜5000000である含フッ素ポリ
マーも好ましい。
Further, a repeating unit based on perfluoro (2-methylene-4-methyl-1,3-dioxolane) and a repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the above formula (II) And a fluorine-containing polymer having a repeating unit content of 10 to 75 mol% based on the fluorine-containing monomer D and a number average molecular weight of 5,000 to 5,000,000 is also preferable.

【0064】そして更に、本実施形態のように本発明の
固体高分子電解質材料を固体高分子型燃料電池の電解質
材料として使用する場合、含フッ素モノマーAに基づく
繰り返し単位と含フッ素モノマーBに基づく繰り返し単
位とを含む共重合体の−SO 2X基が、−SO3H基以外
であるときは、酸型化処理をして−SO3H基に変換し
てから使用する。なお、前駆体の−SO2F基の部分の
加水分解処理は、例えば、NaOHやKOH等の塩基の
水溶液又は該塩基と水と水溶性有機溶媒との混合溶液を
使用して−SO3Na基、−SO3K基等に変換する。こ
れらの酸型化処理は、例えば、塩酸、硝酸や硫酸等の水
溶液を使用し、−SO3H基に変換する。
Further, as in the present embodiment, the present invention
Solid polymer electrolyte material for polymer electrolyte fuel cell electrolyte
When used as a material, based on fluorine-containing monomer A
A repeating unit based on a repeating unit and a fluorine-containing monomer B
-SO of the copolymer containing TwoX group is -SOThreeOther than H group
In the case ofThreeConvert to H group
Before using. The precursor, -SOTwoOf the F group
The hydrolysis treatment is carried out, for example, with a base such as NaOH or KOH.
Aqueous solution or a mixed solution of the base, water and a water-soluble organic solvent
Use -SOThreeNa group, -SOThreeConvert to a K group or the like. This
These acid-forming treatments are performed, for example, with water such as hydrochloric acid, nitric acid and sulfuric acid.
Using the solution, -SOThreeConvert to H group.

【0065】また、本発明の固体高分子電解質材料であ
る共重合体の軟化温度は100℃以上であることが好ま
しい。ここで、本発明における固体高分子電解質材料の
軟化温度とは、固体高分子電解質材料の動的粘弾性の評
価試験において、固体高分子電解質材料の温度を室温付
近から徐々に昇温させながらその弾性率を測定した場合
に、固体高分子電解質材料の弾性率が急激に低下しはじ
めるときの温度を示す。従って、本発明における軟化温
度は通常tanδの値より求めるガラス転移温度とは異
なり、一般に該ガラス転移温度よりも低い温度領域で観
測される温度を示す。
The softening temperature of the copolymer which is the solid polymer electrolyte material of the present invention is preferably 100 ° C. or higher. Here, the softening temperature of the solid polymer electrolyte material in the present invention is, in the evaluation test of the dynamic viscoelasticity of the solid polymer electrolyte material, while gradually increasing the temperature of the solid polymer electrolyte material from around room temperature. It shows the temperature at which the elastic modulus of the solid polymer electrolyte material starts to drop sharply when the elastic modulus is measured. Therefore, the softening temperature in the present invention is different from the glass transition temperature usually obtained from the value of tan δ, and generally indicates a temperature observed in a temperature range lower than the glass transition temperature.

【0066】この軟化温度は、具体的には熱的機械分析
装置(TMA)を用い、直径1mmの石英プローブによ
るペネトレーション法により測定することができる。す
なわち、測定する固体高分子電解質材料を溶液からキャ
ストしてフィルムとし、このフィルムに対して石英プロ
ーブを当該フィルムの面の法線方向から接触させ、1〜
10℃/minの昇温速度で温度を上昇させてフィルム
に対するプローブのめり込みによりフィルムの厚みが急
激に減少しはじめる温度を軟化温度として計測する。
The softening temperature can be specifically measured by a thermal mechanical analyzer (TMA) by a penetration method using a quartz probe having a diameter of 1 mm. That is, the solid polymer electrolyte material to be measured is cast from a solution into a film, and a quartz probe is brought into contact with the film from the normal direction of the surface of the film, and
The temperature is increased at a rate of 10 ° C./min, and the temperature at which the thickness of the film begins to rapidly decrease due to the probe being immersed in the film is measured as the softening temperature.

【0067】なお、この方法により得られる軟化温度の
値が、先に述べたポリマーの弾性率の温度依存性のプロ
フィールに現れる急激な弾性率の低下が観測されはじめ
る温度の値に一致することを予め確認した。また、フィ
ルムにかかるプローブの荷重が小さすぎる場合にはフィ
ルムの熱膨張が観測されるが、荷重を最適化することに
より支障なくフィルムの軟化温度におけるプローブのめ
り込みの度合いを計測することができる。
It should be noted that the value of the softening temperature obtained by this method coincides with the above-mentioned temperature value at which a sudden decrease in the elastic modulus which appears in the profile of the temperature dependence of the elastic modulus of the polymer starts to be observed. Confirmed in advance. When the load of the probe applied to the film is too small, thermal expansion of the film is observed. However, by optimizing the load, it is possible to measure the degree of indentation of the probe at the softening temperature of the film without any trouble.

【0068】固体高分子型燃料電池の作動温度は一般に
80℃以下であるので、触媒層に含有される固体高分子
電解質材料の軟化温度が100℃以上であれば、電池の
作動中において触媒層中の固体高分子電解質材料の膨潤
度等の物性の経時的な変化を抑制することが可能とな
る。そのため、電池作動中における触媒層中の固体高分
子電解質材料の耐久性が向上する。また、軟化温度が1
00℃以上の固体高分子電解質材料をカソードの触媒層
に加えて、アノードの触媒層、高分子電解質膜の材料と
して使用すれば、上記と同様に電池作動中におけるアノ
ードの触媒層中の電解質材料或いは高分子電解質膜の耐
久性が向上し、ひいては電池寿命を向上させることが可
能となる。
Since the operating temperature of a polymer electrolyte fuel cell is generally 80 ° C. or lower, if the softening temperature of the solid polymer electrolyte material contained in the catalyst layer is 100 ° C. or higher, the catalyst layer during the operation of the cell may be used. It is possible to suppress a temporal change in physical properties such as the degree of swelling of the solid polymer electrolyte material therein. Therefore, the durability of the solid polymer electrolyte material in the catalyst layer during operation of the battery is improved. In addition, the softening temperature is 1
If a solid polymer electrolyte material at a temperature of 00 ° C. or higher is used as a material for the anode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane in addition to the cathode catalyst layer, the electrolyte material in the anode catalyst layer during the operation of the battery as described above. Alternatively, the durability of the polymer electrolyte membrane is improved, and thus the battery life can be improved.

【0069】更に、この場合には、高分子電解質膜にも
軟化温度が100℃以上の固体高分子電解質材料を用い
ることにより従来の固体高分子型燃料電池の作動温度を
80℃よりも高くすることができる。これにより、電池
の排熱をより有効に利用することが可能となるととも
に、電池の除熱が容易となるため作動中の電池の温度制
御がより容易となる。
Further, in this case, the operating temperature of the conventional solid polymer fuel cell is made higher than 80 ° C. by using a solid polymer electrolyte material having a softening temperature of 100 ° C. or more also for the polymer electrolyte membrane. be able to. As a result, the exhaust heat of the battery can be more effectively used, and the heat of the battery can be easily removed, so that the temperature control of the battery during operation becomes easier.

【0070】また、この場合には、アノード反応ガス中
に含まれる一酸化炭素等による触媒被毒を軽減すること
が可能となり、この点においても電池寿命を向上させる
ことが可能となる。更に、本発明の固体高分子電解質材
料を固体酸触媒として使用する場合にも軟化温度を高く
することができれば反応温度を高くすることができるの
で、所望の反応をより高い温度領域において進行させる
ことが可能となる。
In this case, catalyst poisoning due to carbon monoxide or the like contained in the anode reaction gas can be reduced, and in this respect, the battery life can be improved. Furthermore, even when the solid polymer electrolyte material of the present invention is used as a solid acid catalyst, if the softening temperature can be increased, the reaction temperature can be increased, so that the desired reaction can be performed in a higher temperature range. Becomes possible.

【0071】高い軟化温度を有し、且つ、膜としての実
用強度を得るためには、前述の式(I)で表される繰り
返し単位と、式(II)で表される含フッ素モノマーD
に基づく繰り返し単位と、テトラフルオロエチレンに基
づく繰り返し単位から実質的になる共重合体であって、
前述の式(I)で表される繰り返し単位が5〜70モル
%、好ましくは10〜60モル%、更に好ましくは20
〜60モル%であり、テトラフルオロエチレンに基づく
繰り返し単位が10〜85モル%、好ましくは15〜7
0モル%、更に好ましくは20〜60モル%であり、式
(II)で表される含フッ素モノマーDに基づく繰り返
し単位の含有率が5〜40モル%、好ましくは10〜3
0モル%であり、かつ、数平均分子量が5000〜50
00000である含フッ素ポリマーが特に好適である。
In order to have a high softening temperature and obtain practical strength as a film, the repeating unit represented by the above formula (I) and the fluorine-containing monomer D represented by the formula (II)
And a copolymer substantially consisting of a repeating unit based on tetrafluoroethylene,
The repeating unit represented by the above formula (I) contains 5 to 70 mol%, preferably 10 to 60 mol%, more preferably 20 mol%.
6060 mol%, and the repeating unit based on tetrafluoroethylene is 108585 mol%, preferably 1577 mol%.
0 mol%, more preferably 20 to 60 mol%, and the content of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer D represented by the formula (II) is 5 to 40 mol%, preferably 10 to 3 mol%.
0 mol% and a number average molecular weight of 5,000 to 50
A fluorinated polymer of 00000 is particularly preferred.

【0072】また、本発明の固体高分子電解質材料は、
Rが0.5〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂(以下、m
eq./gとする)であることが好ましい。固体高分子
電解質材料のARが0.5meq./g未満となると、
固体高分子電解質材料の含水率が低下しそのイオン伝導
性が低くなるので、固体高分子電解質材料を固体高分子
型燃料電池の電極の触媒層の構成材料として使用する
と、十分な電池出力を得ることが困難になる。
Further, the solid polymer electrolyte material of the present invention comprises:
A R is 0.5 to 2.5 meq / g dry resin (hereinafter, m
eq. / G). A R is 0.5meq the polymer electrolyte material. / G is less than
Since the water content of the polymer electrolyte material is reduced and its ionic conductivity is reduced, sufficient battery output is obtained when the polymer electrolyte material is used as a constituent material of the catalyst layer of the electrode of the polymer electrolyte fuel cell. It becomes difficult.

【0073】一方、固体高分子電解質材料のARが2.
5meq./gを超えると、固体高分子電解質材料中の
イオン交換基の密度が増大し、固体高分子電解質材料の
強度が低くなり易い。また、固体高分子型燃料電池の電
極の触媒層の構成材料として使用すると、含水率が高く
なりすぎるために触媒層におけるガス拡散性或いは排水
性が低下してフラッディングが発生し易くなる。なお、
上記と同様の観点から本発明の固体高分子電解質材料の
Rは0.7〜2.0meq./gであることがより好
ましく、0.9〜1.5meq./gであることが更に
好ましい。
[0073] On the other hand, A R of the solid polymer electrolyte material 2.
5meq. / G, the density of ion exchange groups in the solid polymer electrolyte material increases, and the strength of the solid polymer electrolyte material tends to decrease. Further, when used as a constituent material of the catalyst layer of the electrode of the polymer electrolyte fuel cell, the water content becomes too high, so that the gas diffusion property or drainage property in the catalyst layer is reduced, and flooding is likely to occur. In addition,
A R is 0.7~2.0meq the polymer electrolyte material of the present invention from the same viewpoint as described above. / G, more preferably 0.9 to 1.5 meq. / G is more preferable.

【0074】更に、本発明の固体高分子電解質材料の数
平均分子量は特に限定されず、用途に応じて共重合体の
重合度を変化させることにより適宜設定してよいが、本
実施形態のように固体高分子型燃料電池のカソードの触
媒層の構成材料として使用する場合には、5000〜5
000000であることが好ましく、10000〜30
00000であることがより好ましい。固体高分子電解
質材料の数平均分子量が5000未満であると、膨潤度
等の物性が経時的に変化するため耐久性が不十分にな
る。一方、数平均分子量が5000000を超えると、
溶液の調製が困難になる。
Further, the number average molecular weight of the solid polymer electrolyte material of the present invention is not particularly limited, and may be appropriately set by changing the degree of polymerization of the copolymer according to the intended use. When used as a constituent material of a catalyst layer of a cathode of a polymer electrolyte fuel cell,
000000, preferably 10,000 to 30
More preferably, it is 00000. When the number average molecular weight of the solid polymer electrolyte material is less than 5,000, the physical properties such as the degree of swelling change with time, resulting in insufficient durability. On the other hand, when the number average molecular weight exceeds 5,000,000,
Preparation of the solution becomes difficult.

【0075】また、本発明の固体高分子電解質材料中の
含フッ素モノマーAに基づく繰り返し単位と含フッ素モ
ノマーBに基づく繰り返し単位との比率(物質量比)は
特に限定されず、用途に応じて適宜設定してよいが、本
実施形態のように固体高分子型燃料電池のカソードの触
媒層の構成材料として使用する場合には、上記ARの範
囲に適合するように選定されるのが好ましい。
The ratio (substance ratio) of the repeating unit based on the fluorinated monomer A to the repeating unit based on the fluorinated monomer B in the solid polymer electrolyte material of the present invention is not particularly limited. it may be appropriately set, when used as a constituent material of the cathode catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell as in the present embodiment is preferably chosen to match the range of the a R .

【0076】また、本発明の固体高分子電解質材料に
は、当該固体高分子電解質材料を構成する繰り返し単位
として含フッ素モノマーAに基づく繰り返し単位及び含
フッ素モノマーBに基づく繰り返し単位以外の他の繰り
返し単位が強度の調整等の必要に応じて含有されていて
もよい。このような他の繰り返し単位を与えるモノマー
は特に限定されるものではないが、例えば、テトラフル
オロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、フッ化ビ
ニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、トリフルオロエ
チレン、フッ化ビニル、エチレン、下記式(37)〜
(40)で表される含フッ素ビニル化合物等が挙げられ
る。
Further, the solid polymer electrolyte material of the present invention includes a repeating unit other than the repeating unit based on the fluorinated monomer A and the repeating unit based on the fluorinated monomer B as a repeating unit constituting the solid polymer electrolyte material. The unit may be contained as required for adjusting the strength. The monomer providing such another repeating unit is not particularly limited, for example, tetrafluoroethylene, chlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride, hexafluoropropylene, trifluoroethylene, vinyl fluoride, ethylene, Equation (37)-
A fluorine-containing vinyl compound represented by (40) is exemplified.

【0077】なお、得られる共重合体の強度を向上させ
る場合、これらのモノマーの中では、重合反応に対する
活性の高さと、耐久性(パーフルオロ構造)と、入手の
容易さとの観点からテトラフルオロエチレンを用いるこ
とが好ましい。 CH2=CHRf13 …(37) CH2=CHCH2f13 …(38)
In order to improve the strength of the obtained copolymer, among these monomers, tetrafluorotetrafluoroethylene is preferred from the viewpoints of high activity for polymerization reaction, durability (perfluoro structure) and easy availability. Preferably, ethylene is used. CH 2 CHCHR f13 (37) CH 2 CHCHCH 2 R f13 (38)

【0078】[0078]

【化20】 Embedded image

【0079】CF2=CFORf14Z …(40)CF 2 = CFOR f14 Z (40)

【0080】ここで、式(37)及び式(38)中、R
f13は炭素数1〜12のパーフルオロアルキル基を示
す。また、式(39)中、aは0〜3の整数を示し、W
はフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示し、Rf15
は直鎖又は分岐構造を有する炭素数1〜12のパーフル
オロアルキル基を示す。更に、式(40)中、Rf14
直鎖又は分岐構造を有する炭素数1〜12のパーフルオ
ロアルキレン基であって、エーテル結合性の酸素原子が
含まれていてもよく、Zは−CN、−COORf1 6(R
f16は炭素数1〜6のアルキル基を示す。)又は−CO
Fからなる群から選ばれる何れかを示す。
Here, in equations (37) and (38), R
f13 represents a perfluoroalkyl group having 1 to 12 carbon atoms. In the formula (39), a represents an integer of 0 to 3;
Represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group, R f15
Represents a C1-C12 perfluoroalkyl group having a linear or branched structure. Further, in the formula (40), R f14 is a perfluoroalkylene group having 1 to 12 carbon atoms having a linear or branched structure, which may contain an oxygen atom having an ether bond, and Z represents —CN , -COOR f1 6 (R
f16 represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms. ) Or -CO
Any one selected from the group consisting of F.

【0081】また、本発明の固体高分子電解質材料につ
いて、含フッ素モノマーAに基づく繰り返し単位及び含
フッ素モノマーBに基づく繰り返し単位以外に他の繰り
返し単位を含有させる場合、他の繰り返し単位の含有量
は、固体高分子電解質材料の用途に応じて適宜設定して
よい、本実施形態のように固体高分子型燃料電池のカソ
ードの触媒層の構成材料として使用する場合には、固体
高分子電解質材料を構成する共重合体中の当該他の繰り
返し単位の含有量は35質量%未満とすることが好まし
い。この値が35質量%を超えると、燃料電池の出力ア
ップの効果が小さくなる。
When the solid polymer electrolyte material of the present invention contains other repeating units other than the repeating unit based on the fluorinated monomer A and the repeating unit based on the fluorinated monomer B, the content of the other repeating unit May be appropriately set according to the use of the solid polymer electrolyte material.When used as a constituent material of the catalyst layer of the cathode of the polymer electrolyte fuel cell as in the present embodiment, the solid polymer electrolyte material It is preferable that the content of the other repeating unit in the copolymer constituting is less than 35% by mass. When this value exceeds 35% by mass, the effect of increasing the output of the fuel cell is reduced.

【0082】更に、式(39)で表される含フッ素ビニ
ルエーテル化合物の中では、下記式(41)〜(43)
で表される含フッ素ビニルエーテル化合物を用いること
が好ましい。ただし、下記式(41)〜(43)中、b
は1〜8の整数、dは1〜8の整数、eは2又は3をそ
れぞれ示す。
Further, among the fluorine-containing vinyl ether compounds represented by the formula (39), the following formulas (41) to (43)
It is preferable to use a fluorine-containing vinyl ether compound represented by the following formula: However, in the following formulas (41) to (43), b
Represents an integer of 1 to 8, d represents an integer of 1 to 8, and e represents 2 or 3.

【0083】[0083]

【化21】 Embedded image

【0084】また、本発明におけるカソードの触媒層に
それぞれ含まれる触媒は特に限定されるものではない
が、例えば、白金等の白金族金属又はその合金等をカー
ボンに担持した触媒が好ましい。
The catalyst contained in the catalyst layer of the cathode in the present invention is not particularly limited. For example, a catalyst in which a platinum group metal such as platinum or an alloy thereof is supported on carbon is preferable.

【0085】更に、カソードの触媒層において、触媒と
固体高分子電解質材料との質量比の範囲は、触媒の質量
(金属とカーボン担体をあわせた全質量):固体高分子
電解質材料の質量=20:80〜95:5であることが
好ましく、30:70〜90:10であることがより好
ましい。
Further, in the catalyst layer of the cathode, the range of the mass ratio of the catalyst to the solid polymer electrolyte material is as follows: mass of the catalyst (total mass of the metal and the carbon support): mass of the solid polymer electrolyte material = 20 : 80 to 95: 5, more preferably 30:70 to 90:10.

【0086】ここで、固体高分子電解質材料に対する触
媒の含有率が低すぎると、触媒量が少なくなるので反応
サイトが不足する傾向がある。また、触媒を被覆する固
体高分子電解質材料の被覆層の厚みが大きくなり固体高
分子電解質材料中における反応ガスの拡散速度が小さく
なる傾向がある。更に、反応ガスの拡散に必要な細孔が
樹脂により塞がれてフラッディングの現象が生じ易くな
るおそれがある。
Here, if the content of the catalyst with respect to the solid polymer electrolyte material is too low, the amount of the catalyst becomes small, so that there is a tendency that reaction sites become insufficient. Further, the thickness of the coating layer of the solid polymer electrolyte material covering the catalyst tends to increase, and the diffusion rate of the reaction gas in the solid polymer electrolyte material tends to decrease. Furthermore, the pores required for the diffusion of the reaction gas may be blocked by the resin, which may cause a flooding phenomenon.

【0087】一方、固体高分子電解質材料に対する触媒
の含有率が高すぎると、触媒に対して当該触媒を被覆す
る固体高分子電解質材料の量が不足して反応サイトが少
なくなり電池出力が低下する傾向がある。また、固体高
分子電解質材料は、触媒層のバインダ及び触媒層と高分
子電解質膜との接着剤としても機能するが、その機能が
不十分となり触媒層構造を安定に維持できなくなる傾向
が大きくなる。
On the other hand, if the content of the catalyst with respect to the solid polymer electrolyte material is too high, the amount of the solid polymer electrolyte material coating the catalyst with respect to the catalyst becomes insufficient, so that the number of reaction sites decreases and the battery output decreases. Tend. Further, the solid polymer electrolyte material also functions as a binder for the catalyst layer and an adhesive between the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane, but the function is insufficient and the tendency of the catalyst layer structure to be unable to be stably maintained increases. .

【0088】また、この燃料電池のアノードの触媒層の
構成は特に限定されず、従来の固体高分子型燃料電池の
アノードの触媒層と同様の構成にでき、本発明の固体高
分子電解質材料を含有していてもよく、他の樹脂を含有
していてもよい。
The configuration of the anode catalyst layer of this fuel cell is not particularly limited, and can be the same as that of the conventional solid polymer electrolyte fuel cell anode catalyst layer. It may contain, or may contain another resin.

【0089】更に、本発明におけるカソード及びアノー
ドの触媒層の層厚は、1〜500μmであることが好ま
しく、5〜100μmであることがより好ましい。更
に、本発明における触媒層には、必要に応じてPTFE
等の撥水化剤を含有させてもよい。ただし、撥水化剤は
絶縁体であるためその量は少量であるほど望ましく、そ
の添加量は30質量%以下が好ましい。
The thickness of the cathode and anode catalyst layers in the present invention is preferably 1 to 500 μm, more preferably 5 to 100 μm. Further, if necessary, PTFE may be added to the catalyst layer in the present invention.
And the like. However, since the water repellent is an insulator, it is desirable that the amount thereof is small, and the addition amount is preferably 30% by mass or less.

【0090】また、本発明の固体高分子型燃料電池に使
用する高分子電解質膜は、湿潤状態下で良好なプロトン
伝導性を示すイオン交換膜が用いられ、耐久性の観点か
らパーフルオロポリマーからなるイオン交換膜が好まし
い。高分子電解質膜を構成する固体高分子材料として
は、例えば、本発明の固体高分子電解質材料を用いても
よく、従来の固体高分子型燃料電池に使用されているイ
オン交換樹脂等を用いてもよい。
As the polymer electrolyte membrane used in the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, an ion exchange membrane showing good proton conductivity in a wet state is used. Is preferred. As the solid polymer material constituting the polymer electrolyte membrane, for example, the solid polymer electrolyte material of the present invention may be used, and an ion exchange resin or the like used in a conventional solid polymer fuel cell may be used. Is also good.

【0091】以下、本発明において固体高分子電解質材
料に用いる含フッ素ポリマーの製造方法の一例について
説明する。先ず、含フッ素モノマーBとしては、−SO
2F基又は−SO2Cl基を有するものを用いる。含フッ
素モノマーAと含フッ素モノマーBとの重合反応は、ラ
ジカルが生起する条件のもとで行われるものであれば特
に限定されない。例えば、バルク重合、溶液重合、懸濁
重合、乳化重合、液体又は超臨界の二酸化炭素中の重合
等により行なってもよい。
Hereinafter, an example of a method for producing a fluoropolymer used for a solid polymer electrolyte material in the present invention will be described. First, as the fluorine-containing monomer B, -SO
One having a 2 F group or a —SO 2 Cl group is used. The polymerization reaction between the fluorinated monomer A and the fluorinated monomer B is not particularly limited as long as the polymerization reaction is carried out under conditions in which radicals are generated. For example, the polymerization may be performed by bulk polymerization, solution polymerization, suspension polymerization, emulsion polymerization, polymerization in liquid or supercritical carbon dioxide, and the like.

【0092】ラジカルを生起させる方法は特に限定され
ず、例えば、紫外線、γ線、電子線等の放射線を照射す
る方法を用いてもよく、通常のラジカル重合で用いられ
るラジカル開始剤を使用する方法を用いてもよい。重合
反応の反応温度も特に限定されず、例えば、通常は15
〜150℃程度である。ラジカル開始剤を使用する場
合、ラジカル開始剤としては、例えば、ビス(フルオロ
アシル)パーオキシド類、ビス(クロロフルオロアシ
ル)パーオキシド類、ジアルキルパーオキシジカーボネ
ート類、ジアシルパーオキシド類、パーオキシエステル
類、アゾ化合物類、過硫酸塩類等が挙げられる。
The method for generating radicals is not particularly limited. For example, a method of irradiating radiation such as ultraviolet rays, γ rays, and an electron beam may be used, and a method of using a radical initiator used in ordinary radical polymerization may be used. May be used. The reaction temperature of the polymerization reaction is not particularly limited.
About 150 ° C. When a radical initiator is used, examples of the radical initiator include bis (fluoroacyl) peroxides, bis (chlorofluoroacyl) peroxides, dialkylperoxydicarbonates, diacyl peroxides, peroxyesters, Examples include azo compounds and persulfates.

【0093】溶液重合を行なう場合には、使用する溶媒
は取り扱い性の観点から、通常は20〜350℃の沸点
を有していることが好ましく、40〜150℃の沸点を
有していることがより好ましい。そして、溶媒中に、含
フッ素モノマーと含フッ素ビニル化合物とを所定量投入
し、ラジカル開始剤等を添加してラジカルを生起させて
重合を行なう。
When performing the solution polymerization, the solvent to be used usually preferably has a boiling point of 20 to 350 ° C., and preferably has a boiling point of 40 to 150 ° C. from the viewpoint of handleability. Is more preferred. Then, a predetermined amount of a fluorinated monomer and a fluorinated vinyl compound are charged into a solvent, and a radical initiator or the like is added to generate a radical to perform polymerization.

【0094】ここで、使用可能な溶媒としては、例え
ば、(i)パーフルオロトリブチルアミン、パーフルオ
ロトリプロピルアミン等のポリフルオロトリアルキルア
ミン化合物、(ii)パーフルオロヘキサン、パーフル
オロオクタン、パーフルオロデカン、パーフルオロドデ
カン、パーフルオロ(2,7−ジメチルオクタン)、2
H,3H−パーフルオロペンタン、1H−パーフルオロ
ヘキサン、1H−パーフルオロオクタン、1H−パーフ
ルオロデカン、1H,4H−パーフルオロブタン、1
H,1H,1H,2H,2H−パーフルオロヘキサン、
1H,1H,1H,2H,2H−パーフルオロオクタ
ン、1H,1H,1H,2H,2H−パーフルオロデカ
ン、3H,4H−パーフルオロ(2−メチルペンタ
ン)、2H,3H−パーフルオロ(2−メチルペンタ
ン)等のフルオロアルカン、(iii)3,3−ジクロ
ロ−1,1,1,2,2−ペンタフルオロプロパン、
1,3−ジクロロ−1,1,2,2,3−ペンタフルオ
ロプロパン、1,1−ジクロロ−1−フルオロエタン等
のクロロフルオロアルカン、(iv)ヘキサフルオロプ
ロペンの2量体、ヘキサフルオロプロペンの3量体等の
分子鎖末端に二重結合を有しないフルオロオレフィン、
(v)パーフルオロデカリン、パーフルオロシクロヘキ
サン、パーフルオロ(1,2−ジメチルシクロヘキサ
ン)、パーフルオロ(1,3−ジメチルシクロヘキサ
ン)、パーフルオロ(1,3,5−トリメチルシクロヘ
キサン)、パーフルオロジメチルシクロブタン(構造異
性を問わない)等のポリフルオロシクロアルカン、(v
i)パーフルオロ(2−ブチルテトラヒドロフラン)等
のポリフルオロ環状エーテル化合物、(vii)n−C
37OCH3、n−C37OCH2CF3、n−C37
CHFCF3、n−C37OC25、n−C49OC
3、iso−C49OCH3、n−C49OC25、i
so−C49OC25、n−C49OCH2CF3、n−
511OCH3、n−C613OCH3、n−C511
25、CF3OCF(CF3)CF2OCH3、CF3
CHFCH 2OCH3、CF3OCHFCH2OC25、n
−C37OCF2CF(CF3)OCHFCF3等のヒド
ロフルオロエーテル類、(viii)フッ素含有低分子
量ポリエーテル、(ix)tert−ブタノール等が挙げら
れる。なお、これらの溶媒は、単独で用いてもよいし、
2種以上を混合して用いてもよい。
Here, usable solvents include, for example,
If (i) perfluorotributylamine, perfluoro
Polyfluorotrialkylamines such as rotripropylamine
Min compound, (ii) perfluorohexane, perflu
Orooctane, perfluorodecane, perfluorodode
Can, perfluoro (2,7-dimethyloctane), 2
H, 3H-perfluoropentane, 1H-perfluoro
Hexane, 1H-perfluorooctane, 1H-perf
Luorodecane, 1H, 4H-perfluorobutane, 1
H, 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorohexane,
1H, 1H, 1H, 2H, 2H-perfluoroocta
1H, 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorodeca
3H, 4H-perfluoro (2-methylpentane
), 2H, 3H-perfluoro (2-methylpentane)
(Iii) 3,3-dichloro
B-1,1,1,2,2-pentafluoropropane,
1,3-dichloro-1,1,2,2,3-pentafluoro
Lopropane, 1,1-dichloro-1-fluoroethane, etc.
Chlorofluoroalkane, (iv) hexafluorop
Dimer of lopene, trimer of hexafluoropropene, etc.
A fluoroolefin having no double bond at the molecular chain end,
(V) perfluorodecalin, perfluorocyclohexene
San, perfluoro (1,2-dimethylcyclohexa
), Perfluoro (1,3-dimethylcyclohexa)
), Perfluoro (1,3,5-trimethylcyclohexane)
Xan), perfluorodimethylcyclobutane (structural differences)
Polyfluorocycloalkanes of any nature), (v
i) Perfluoro (2-butyltetrahydrofuran) etc.
(Vii) n-C
ThreeF7OCHThree, N-CThreeF7OCHTwoCFThree, N-CThreeF7O
CHFCFThree, N-CThreeF7OCTwoHFive, N-CFourF9OC
HThree, Iso-CFourF9OCHThree, N-CFourF9OCTwoHFive, I
so-CFourF9OCTwoHFive, N-CFourF9OCHTwoCFThree, N-
CFiveF11OCHThree, N-C6F13OCHThree, N-CFiveF11O
CTwoHFive, CFThreeOCF (CFThree) CFTwoOCHThree, CFThreeO
CHFCH TwoOCHThree, CFThreeOCHFCHTwoOCTwoHFive, N
-CThreeF7OCFTwoCF (CFThree) OCHFCFThreeHide
Lofluoroethers, (viii) fluorine-containing low molecular
Polyether, (ix) tert-butanol and the like.
It is. Incidentally, these solvents may be used alone,
You may mix and use 2 or more types.

【0095】また、溶液重合を行なう場合に使用する溶
媒の他の例としては、1,1,2−トリクロロ−1,
2,2−トリフルオロエタン、1,1,1−トリクロロ
−2,2,2−トリフルオロエタン、1,1,1,3−
テトラクロロ−2,2,3,3−テトラフルオロプロパ
ン、1,1,3,4−テトラクロロ−1,2,2,3,
4,4−ヘキサフルオロブタン等のクロロフルオロカー
ボン類を挙げることができる。ただし、これらのクロロ
フルオロカーボン類は、技術的には使用できるが、地球
環境に与える影響を考慮すると、その使用は好ましくな
い。
Other examples of the solvent used for carrying out the solution polymerization include 1,1,2-trichloro-1,1
2,2-trifluoroethane, 1,1,1-trichloro-2,2,2-trifluoroethane, 1,1,1,3-
Tetrachloro-2,2,3,3-tetrafluoropropane, 1,1,3,4-tetrachloro-1,2,2,3
Chlorofluorocarbons such as 4,4-hexafluorobutane can be mentioned. However, although these chlorofluorocarbons can be used technically, their use is not preferred in view of the impact on the global environment.

【0096】重合により得られる共重合体は−SO2
基又は−SO2Cl基を有しているので加水分解や必要
に応じて酸型化処理を行い、−SO3M基に変換する。
The copolymer obtained by the polymerization is -SO 2 F
Since it has a group or a —SO 2 Cl group, it is subjected to hydrolysis and, if necessary, acidification treatment to be converted to a —SO 3 M group.

【0097】次に、本発明の固体高分子型燃料電池につ
いて、その製造方法の一例を説明するとともに本発明の
液状組成物を固体高分子型燃料電池に適用する場合の好
適な実施形態について説明する。本発明の固体高分子型
燃料電池のカソード及びアノードの触媒層を有するガス
拡散電極を作製するための方法は特に限定されず、公知
の方法により作製することができる。
Next, an example of a method for producing the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described, and a preferred embodiment in which the liquid composition of the present invention is applied to a polymer electrolyte fuel cell will be described. I do. The method for producing the gas diffusion electrode having the cathode and anode catalyst layers of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is not particularly limited, and can be produced by a known method.

【0098】例えば、カソードの触媒層は、−SO3
基を有する本発明の固体高分子電解質材料を分子中に水
酸基を有する溶媒に溶解又は分散させた液状組成物に触
媒を混合して調製した触媒層形成用の塗工液を用いて形
成することができる。
For example, the catalyst layer of the cathode is composed of -SO 3 H
The solid polymer electrolyte material of the present invention having a group is formed using a coating solution for forming a catalyst layer prepared by mixing a catalyst with a liquid composition obtained by dissolving or dispersing in a solvent having a hydroxyl group in a molecule. Can be.

【0099】本発明の固体高分子電解質材料は、−SO
3M基を有する場合、水酸基を有する有機溶媒に良好に
溶解又は分散することができる。水酸基を有する有機溶
媒は特に限定されないが、アルコール性の水酸基を有す
る有機溶媒が好ましい。
The solid polymer electrolyte material of the present invention comprises -SO
When it has a 3M group, it can be well dissolved or dispersed in an organic solvent having a hydroxyl group. The organic solvent having a hydroxyl group is not particularly limited, but an organic solvent having an alcoholic hydroxyl group is preferable.

【0100】アルコール性の水酸基を有する有機溶媒と
しては、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパ
ノール、2−プロパノール、2,2,2−トリフルオロ
エタノール、2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−1
−プロパノール、2,2,3,3−テトラフルオロ−1
−プロパノール、4,4,5,5,5−ペンタフルオロ
−1−ペンタノール、1,1,1,3,3,3−ヘキサ
フルオロ−2−プロパノール、3,3,3−トリフルオ
ロ−1−プロパノール、3,3,4,4,5,5,6,
6,6−ノナフルオロ−1−ヘキサノール、3,3,
4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8−トリデ
カフルオロ−1−オクタノール等が挙げられる。また、
アルコール以外の有機溶媒としては、酢酸等のカルボキ
シル基を有する有機溶媒も使用できる。
Examples of the organic solvent having an alcoholic hydroxyl group include, for example, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 2,2,2-trifluoroethanol, 2,2,3,3,3-pentafluoro -1
-Propanol, 2,2,3,3-tetrafluoro-1
-Propanol, 4,4,5,5,5-pentafluoro-1-pentanol, 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol, 3,3,3-trifluoro-1 -Propanol, 3,3,4,4,5,5,6
6,6-nonafluoro-1-hexanol, 3,3
4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluoro-1-octanol and the like. Also,
As an organic solvent other than alcohol, an organic solvent having a carboxyl group such as acetic acid can be used.

【0101】ここで、水酸基を有する有機溶媒は上記の
溶媒を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いて
もよく、更に、水又は他の含フッ素溶媒等と混合して用
いてもよい。他の含フッ素溶媒としては、先に述べた固
体高分子電解質材料の製造における溶液重合反応におい
て、好ましい含フッ素溶媒として例示した含フッ素溶媒
が例示される。
As the organic solvent having a hydroxyl group, the above-mentioned solvents may be used alone, or two or more kinds may be used as a mixture, and may be used as a mixture with water or another fluorine-containing solvent. You may. Examples of other fluorinated solvents include the fluorinated solvents exemplified as preferred fluorinated solvents in the solution polymerization reaction in the production of the solid polymer electrolyte material described above.

【0102】なお、水酸基を有する有機溶媒を水又は他
の含フッ素溶媒との混合溶媒として使用する場合、水酸
基を有する有機溶媒の含有量は溶媒全質量に対して10
%以上であることが好ましく、20%以上であることが
より好ましい。また、この場合、はじめから固体高分子
電解質材料を混合溶媒中に溶解又は分散させてもよく、
また、固体高分子電解質材料を先ず水酸基を有する有機
溶媒に溶解又は分散させた後、水又は他の含フッ素溶媒
を混合してもよい。更に、このような溶媒に対する固体
高分子電解質材料の溶解又は分散は、大気圧下又はオー
トクレーブなどで密閉加圧した条件のもとで、0〜25
0℃の温度範囲で行なうことが好ましく、20〜150
℃の範囲で行なうことがより好ましい。
When an organic solvent having a hydroxyl group is used as a mixed solvent with water or another fluorinated solvent, the content of the organic solvent having a hydroxyl group is 10% based on the total mass of the solvent.
% Or more, and more preferably 20% or more. In this case, the solid polymer electrolyte material may be dissolved or dispersed in the mixed solvent from the beginning,
Further, after the solid polymer electrolyte material is first dissolved or dispersed in an organic solvent having a hydroxyl group, water or another fluorinated solvent may be mixed. Further, the dissolution or dispersion of the solid polymer electrolyte material in such a solvent may be carried out at a pressure of 0 to 25 at atmospheric pressure or under a condition in which the material is closed and pressurized in an autoclave or the like.
It is preferably carried out in a temperature range of 0 ° C.
It is more preferable to carry out in the range of ° C.

【0103】また、本発明の液状組成物中の固体高分子
電解質材料の含有量は液状組成物全質量に対して1〜5
0%であることが好ましく、3〜30%であることがよ
り好ましい。固体高分子電解質材料の含有量が1%未満
であると、この液に触媒を混合することにより塗工液を
調製し、これを用いてカソードの触媒層を作製するとき
に所望の厚みの触媒層を作製するのに塗工回数が多くな
ることや、このような塗工液は、多量の有機溶媒を含む
ためコストがかかりかつその除去作業の時間が長くなる
等、製造作業を効率よく行ないにくい。一方、固体高分
子電解質材料の含有量が50%を超えると液状組成物の
粘度が高くなりすぎて取扱いにくくなり易い。
The content of the solid polymer electrolyte material in the liquid composition of the present invention is 1 to 5 with respect to the total mass of the liquid composition.
It is preferably 0%, more preferably 3 to 30%. When the content of the solid polymer electrolyte material is less than 1%, a coating solution is prepared by mixing a catalyst with the solution, and a catalyst having a desired thickness is prepared when the coating solution is prepared using the coating solution. Efficient manufacturing operations such as increasing the number of coatings to form a layer, and such coating liquids involve a large amount of an organic solvent and are costly and require a long time to remove them. Hateful. On the other hand, when the content of the solid polymer electrolyte material exceeds 50%, the viscosity of the liquid composition becomes too high, which makes it difficult to handle.

【0104】更に、液状組成物には本発明の固体高分子
電解質材料に加え、これとは別の固体高分子電解質材料
となる樹脂を含有させてもよく、この場合、液状組成物
を原料として得られる触媒層のガス拡散性及び撥水性を
十分に確保する観点から、液状組成物中の本発明の固体
高分子電解質材料の含有量は液状組成物中の全ての固体
高分子電解質材料の総質量に対して20%以上であるこ
とが好ましく、50%以上であることがより好ましい。
Further, the liquid composition may contain, in addition to the solid polymer electrolyte material of the present invention, a resin which is another solid polymer electrolyte material. In this case, the liquid composition is used as a raw material. From the viewpoint of ensuring sufficient gas diffusivity and water repellency of the obtained catalyst layer, the content of the solid polymer electrolyte material of the present invention in the liquid composition is determined by the sum of all the solid polymer electrolyte materials in the liquid composition. It is preferably at least 20%, more preferably at least 50%, based on the mass.

【0105】そして、カソードの触媒層は、本発明の液
状組成物に白金が担持されたカーボンブラック等の微粒
子からなる触媒を混合して調製した触媒層形成用の塗工
液を用いて、高分子電解質膜、ガス拡散層、又は、支持
板上に厚さが均一になるように形成し、溶媒を乾燥除去
後、必要に応じてホットプレスを施すなどすることによ
り作製できる。塗工液は所望により本発明の液状組成物
と触媒とを混合した後、溶媒を留去して固形分を取り出
し、別の溶媒に再分散することにより調製したものを用
いてもよい。その再分散溶液は、通常前述のアルコール
性溶媒から選択され、水を含んでいてもよい。このよう
にして、ガス拡散性及び撥水性に優れるカソードの触媒
層が得られる。
The catalyst layer of the cathode is formed by using a coating liquid for forming a catalyst layer prepared by mixing a catalyst composed of fine particles such as carbon black carrying platinum with the liquid composition of the present invention. It can be formed on a molecular electrolyte membrane, a gas diffusion layer, or a support plate so as to have a uniform thickness, and after drying and removing the solvent, performing hot pressing as necessary. The coating liquid may be prepared by mixing the liquid composition of the present invention and the catalyst, if desired, and then distilling off the solvent to take out a solid content and redispersing it in another solvent. The redispersion solution is usually selected from the above-mentioned alcoholic solvents and may contain water. In this way, a cathode catalyst layer having excellent gas diffusion properties and water repellency can be obtained.

【0106】特に、ポリマー自体の軟化温度が100℃
以上である固体高分子電解質材料を含む液状組成物から
塗工液を調製して触媒層を作製すると、層内のガス拡散
性が顕著に向上する。固体高分子電解質材料の軟化温度
が100℃以上であると、塗工液から溶媒が徐々に揮発
する際に固体高分子電解質材料が収縮しにくいため、固
体高分子電解質材料の内部又は固体高分子電解質材料に
より被覆された触媒粒子の凝集体間に適度な大きさの細
孔が形成されていくためであると考えられる。
In particular, the softening temperature of the polymer itself is 100 ° C.
When a coating solution is prepared from the liquid composition containing the solid polymer electrolyte material described above to form a catalyst layer, gas diffusivity in the layer is significantly improved. When the softening temperature of the solid polymer electrolyte material is 100 ° C. or higher, the solid polymer electrolyte material is unlikely to shrink when the solvent gradually evaporates from the coating solution, so that the inside of the solid polymer electrolyte material or the solid polymer This is presumably because pores of an appropriate size are formed between the aggregates of the catalyst particles coated with the electrolyte material.

【0107】また、アノードの触媒層も上記のカソード
の触媒層と同様にして形成することができる。ただし、
アノードの触媒層形成用の塗工液は本発明の液状組成物
を用いてもよく、従来の固体高分子電解質材料を所定の
溶媒に溶解または分散させた液を用いて調製してもよ
い。
Further, the anode catalyst layer can be formed in the same manner as the above-mentioned cathode catalyst layer. However,
The coating liquid for forming the catalyst layer of the anode may use the liquid composition of the present invention, or may be prepared using a liquid in which a conventional solid polymer electrolyte material is dissolved or dispersed in a predetermined solvent.

【0108】そして、作製されたカソードの触媒層及び
アノードの触媒層を高分子電解質膜とガス拡散層との間
に配置することにより、固体高分子型燃料電池を作製で
きる。ここで、触媒層を高分子電解質膜上に形成した場
合には、例えば、別途用意したガス拡散層を触媒層上に
隣接して配置又は接合する。また、触媒層をガス拡散層
上に形成し、ガス拡散電極を予め形成した場合には、例
えば、別途用意した高分子電解質膜を触媒層に隣接して
配置又は接合する。更に、触媒層を支持板上に形成した
場合には、例えば、別途用意した高分子電解質膜に転写
し、その後支持板を剥離して別途用意したガス拡散層を
触媒層上に隣接して配置又は接合する。
By disposing the prepared cathode catalyst layer and anode catalyst layer between the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer, a polymer electrolyte fuel cell can be manufactured. Here, when the catalyst layer is formed on the polymer electrolyte membrane, for example, a separately prepared gas diffusion layer is arranged or joined adjacent to the catalyst layer. When the catalyst layer is formed on the gas diffusion layer and the gas diffusion electrode is formed in advance, for example, a separately prepared polymer electrolyte membrane is arranged or joined adjacent to the catalyst layer. Further, when the catalyst layer is formed on the support plate, for example, it is transferred to a separately prepared polymer electrolyte membrane, and then the support plate is peeled off and a separately prepared gas diffusion layer is arranged adjacent to the catalyst layer. Or join.

【0109】高分子電解質膜と触媒層、触媒層とガス拡
散層の接合は、例えば、ホットプレスやロールプレスに
より行ってもよい。このとき、パーフルオロスルホン酸
ポリマー溶液等を接着剤に用いて非加熱により両者を接
合させてもよい。
The bonding between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer, or between the catalyst layer and the gas diffusion layer, may be performed by, for example, hot pressing or roll pressing. At this time, the two may be joined by non-heating using a perfluorosulfonic acid polymer solution or the like as an adhesive.

【0110】また、先に述べたように、電池を構成する
高分子電解質膜を本発明の固体高分子電解質材料を用い
て作製してもよい。
As described above, a polymer electrolyte membrane constituting a battery may be manufactured using the solid polymer electrolyte material of the present invention.

【0111】以上、本発明の好適な実施形態について詳
細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるも
のではない。例えば、上記の実施形態においては、アノ
ード反応ガスとして水素を主成分とするガスを用いる場
合の固体高分子型燃料電池について説明したが、本発明
の固体高分子型燃料電池は、例えば、アノード反応ガス
としてメタノールガスをアノードに直接導入する構成の
ものであってもよい。
The preferred embodiments of the present invention have been described in detail, but the present invention is not limited to the above embodiments. For example, in the above embodiment, the polymer electrolyte fuel cell in the case where a gas containing hydrogen as a main component is used as the anode reaction gas has been described. A configuration in which methanol gas is directly introduced into the anode as a gas may be used.

【0112】また、上記の実施形態においては、本発明
の固体高分子電解質材料を含む液状組成物を固体高分子
型燃料電池の電極の触媒層に用いる場合について説明し
たが、他の用途にも使用できる。例えば、本発明の固体
高分子電解質材料を用いて膜を形成する場合、1)食塩
電解等に使用する陽イオン選択透過膜、2)水電解用の
膜、3)過酸化水素製造、オゾン製造、排酸回収等に使
用するプロトン選択透過膜、4)脱塩又は製塩に使用す
る電気透析用陽イオン交換膜等として各種の電気化学プ
ロセスにおいて使用できる。
Further, in the above embodiment, the case where the liquid composition containing the solid polymer electrolyte material of the present invention is used for the catalyst layer of the electrode of the polymer electrolyte fuel cell has been described. Can be used. For example, when a membrane is formed using the solid polymer electrolyte material of the present invention, 1) a cation selective permeable membrane used for salt electrolysis and the like, 2) a membrane for water electrolysis, 3) hydrogen peroxide production, ozone production It can be used in various electrochemical processes as a cation exchange membrane for electrodialysis and the like, which is used for proton permeation membrane used for recovery of waste acid, etc., and 4) desalination or salt production.

【0113】更に、電気化学プロセス以外にも、本発明
の固体高分子電解質材料を用いて膜を形成し、例えば、
酸、塩基、及び塩類の分離精製に用いる拡散透析用の
膜、蛋白質分離のための荷電型多孔膜(荷電型逆浸透
膜、荷電型限外ろ過膜、荷電型ミクロろ過膜等)、除湿
膜、加湿膜等にも使用できる。更に、本発明の固体高分
子電解質材料は、例えば、リチウムイオン電池のポリマ
ー電解質、固体酸触媒、陽イオン交換樹脂、修飾電極を
用いたセンサー、空気中の微量イオンを除去するための
イオン交換フィルターやアクチュエーター等にも使用で
きる。
Further, in addition to the electrochemical process, a film is formed by using the solid polymer electrolyte material of the present invention.
Membrane for diffusion dialysis used for separation and purification of acids, bases, and salts, charged porous membrane for protein separation (charged reverse osmosis membrane, charged ultrafiltration membrane, charged microfiltration membrane, etc.), dehumidification membrane It can also be used as a humidifying film. Further, the solid polymer electrolyte material of the present invention includes, for example, a polymer electrolyte for a lithium ion battery, a solid acid catalyst, a cation exchange resin, a sensor using a modified electrode, and an ion exchange filter for removing trace ions in the air. And actuators.

【0114】[0114]

【実施例】以下、実施例及び比較例を挙げて本発明つい
て更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限
定されるものではない。なお、以下の実施例及び比較例
の説明において下記化合物を下記略号を用いて記載す
る。 PSVE:CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2
2SO2F、 PSVE−H:CF2=CFOCF2CF(CF3)OC
2CF2SO3H、 BVE:パーフルオロ(3−ブテニルビニルエーテ
ル)、 PDD:パーフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジ
オキソール)、 MMD:パーフルオロ(2−メチレン−4−メチル−
1,3−ジオキソラン) TFE:テトラフルオロエチレン IPP:(CH32CHOC(=O)OOC(=O)O
CH(CH32、 HCFC141b:CH3CCl2F、 HCFC225cb:CClF2CF2CHClF。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples. In the following description of Examples and Comparative Examples, the following compounds are described using the following abbreviations. PSVE: CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) OCF 2 C
F 2 SO 2 F, PSVE- H: CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) OC
F 2 CF 2 SO 3 H, BVE: perfluoro (3-butenyl vinyl ether), PDD: perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole), MMD: perfluoro (2-methylene-4-methyl −
1,3-dioxolane) TFE: tetrafluoroethylene IPP: (CH 3 ) 2 CHOC (= O) OOC (= O) O
CH (CH 3 ) 2 , HCFC141b: CH 3 CCl 2 F, HCFC225cb: CCLF 2 CF 2 CHClF.

【0115】[合成例1](PDD/PSVE−H共重
合体1) 容積0.2Lのステンレス製オートクレーブに、PDD
26.0g、PSVE127.8g、IPP0.46g
を入れ、オートクレーブ内の気体を窒素によりパージし
た後、窒素を全圧が0.3MPa(ゲージ圧)となるよ
うに導入した。次に、オートクレーブ内の温度を40℃
として、内容物を撹拌しながら重合を開始した。重合開
始から10時間後、オートクレーブを冷却し系内のガス
をパージして重合を止め、HCFC225cbで希釈
後、ヘキサンに投入することでポリマーを沈殿させ、ヘ
キサンで2回、更にHCFC141bで1回洗浄した。
[Synthesis Example 1] (PDD / PSVE-H copolymer 1) PDD was placed in a 0.2 L stainless steel autoclave.
26.0 g, PSVE 127.8 g, IPP 0.46 g
, And the gas in the autoclave was purged with nitrogen, and then nitrogen was introduced so that the total pressure became 0.3 MPa (gauge pressure). Next, the temperature in the autoclave was set to 40 ° C.
The polymerization was started while stirring the contents. Ten hours after the start of the polymerization, the autoclave was cooled, the gas in the system was purged to stop the polymerization, the polymerization was stopped, diluted with HCFC225cb, and then poured into hexane to precipitate the polymer, which was washed twice with hexane and once with HCFC141b. did.

【0116】ろ過後、80℃で16時間、真空乾燥する
ことにより、白色のポリマー41.6gを得た。元素分
析で硫黄の含有量を求め、ポリマー中のPDDに基づく
繰り返し単位とPSVEに基づく繰り返し単位とのモル
比(PDD/PSVE)とA Rとを求めたところ、PD
D/PSVE=56.5/43.5であり、AR=1.
31meq./gであった。また、GPCによりポリマ
ーの数平均分子量を測定したところポリメタクリル酸メ
チル換算の数平均分子量は3.3万であった。重量平均
分子量は5.6万であった。
After filtration, vacuum drying at 80 ° C. for 16 hours
Thereby, 41.6 g of a white polymer was obtained. Elemental content
The sulfur content is determined by precipitation and is based on the PDD in the polymer.
Moles of repeating units and repeating units based on PSVE
Ratio (PDD / PSVE) and A RAnd asked, PD
D / PSVE = 56.5 / 43.5, AR= 1.
31 meq. / G. In addition, polymer by GPC
The number average molecular weight of the
The number average molecular weight in terms of chill was 33,000. Weight average
The molecular weight was 56,000.

【0117】次に、得られたポリマーをKOHの水/エ
タノール混合溶液に浸漬して加水分解処理し、次いで、
希硫酸水溶液に浸漬して酸型化処理した。次に、ポリマ
ーをイオン交換水により洗浄し乾燥した後、エタノール
に溶解してポリマー(PDD/PSVE−H共重合体
1)10質量%の透明なエタノール溶液を得た。
Next, the obtained polymer was immersed in a water / ethanol mixed solution of KOH to carry out a hydrolysis treatment.
It was immersed in a dilute sulfuric acid aqueous solution to perform an acid-form treatment. Next, the polymer was washed with ion-exchanged water and dried, and then dissolved in ethanol to obtain a clear ethanol solution of 10% by mass of the polymer (PDD / PSVE-H copolymer 1).

【0118】上記のポリマーのエタノール溶液を使用し
てキャスト膜を作成し、先に述べた1mmφ石英プロー
ブによるペネトレーション法によりポリマーの軟化温度
を測定した。先ず、ポリマーのエタノール溶液10質量
部とブタノール2質量部の混合溶液を調製し、この溶液
を用いて室温でキャスト製膜し、160℃において30
分乾燥させることにより厚みが約200μmのキャスト
膜を得た。次に、得られたキャスト膜をTMA(マック
サイエンス社製)にセットした。
A cast film was prepared using the above-mentioned ethanol solution of the polymer, and the softening temperature of the polymer was measured by the penetration method using the 1 mmφ quartz probe described above. First, a mixed solution of 10 parts by mass of an ethanol solution of a polymer and 2 parts by mass of butanol was prepared, and a cast film was formed at room temperature using this solution.
After drying for a minute, a cast film having a thickness of about 200 μm was obtained. Next, the obtained cast film was set on TMA (manufactured by Mac Science).

【0119】そして昇温速度5℃/minでキャスト膜
の温度を昇温させながら、キャスト膜と1mmφ石英プ
ローブとの接触部に対して0.2Hzのsinカーブに
基づく振動荷重(荷重振動範囲:1〜6g、平均荷重:
3.5g)をかけて、キャスト膜の厚みの変化を測定し
た。そして、キャスト膜に対するプローブのめり込みに
より膜の厚みが急激に減少しはじめる温度を軟化点とし
て計測した。その結果、このポリマーの軟化温度は15
0℃であった。
Then, while increasing the temperature of the cast film at a rate of 5 ° C./min, a vibration load (load vibration range: load vibration range: 0.2 Hz) was applied to the contact portion between the cast film and the 1 mmφ quartz probe. 1 to 6 g, average load:
3.5 g), and the change in thickness of the cast film was measured. Then, the temperature at which the thickness of the film began to rapidly decrease due to the indentation of the probe into the cast film was measured as the softening point. As a result, the softening temperature of this polymer is 15
It was 0 ° C.

【0120】[合成例2](PDD/PSVE−H共重
合体2) 容積0.2Lのステンレス製オートクレーブに、PDD
36.4g、PSVE123.1g、IPP0.48g
を入れ、合成例1と同様にして重合を開始した。重合開
始から3.2時間後、オートクレーブを冷却し、系内の
ガスをパージして重合を止め、HCFC225cbで希
釈後ヘキサンに投入することで沈殿させ、ヘキサンで2
回、更にHCFC141bで1回洗浄した。
[Synthesis Example 2] (PDD / PSVE-H copolymer 2) PDD was placed in a stainless steel autoclave having a volume of 0.2 L.
36.4 g, PSVE 123.1 g, IPP 0.48 g
And polymerization was started in the same manner as in Synthesis Example 1. After 3.2 hours from the start of the polymerization, the autoclave was cooled, the polymerization was stopped by purging the gas in the system, and the mixture was diluted with HCFC225cb and then poured into hexane to precipitate.
Twice, and once with HCFC141b.

【0121】ろ過後、80℃で16時間、真空乾燥する
ことにより、白色のポリマー25.3gを得た。得られ
たポリマーについて合成例1と同様に、加水分解、酸型
化処理してPDD/PSVE−H共重合体2を得るとと
もに合成例1と同様のキャラクタリゼーションを行なっ
た。その結果、PDD/PSVE=69.8/30.
2、AR=0.99meq./g、ポリメタクリル酸メ
チル換算の数平均分子量:5.8万、重量平均分子量:
9.5万、軟化温度:180℃であった。
After filtration, the resultant was vacuum-dried at 80 ° C. for 16 hours to obtain 25.3 g of a white polymer. The obtained polymer was subjected to hydrolysis and acidification treatment in the same manner as in Synthesis Example 1 to obtain PDD / PSVE-H copolymer 2, and was subjected to the same characterization as in Synthesis Example 1. As a result, PDD / PSVE = 69.8 / 30.
2, A R = 0.99meq. / G, number average molecular weight in terms of polymethyl methacrylate: 58,000, weight average molecular weight:
950,000, softening temperature: 180 ° C.

【0122】[合成例3](BVE/PSVE−H共重
合体1) 窒素雰囲気下において、容積300mLのフラスコに、
BVE120.0g、PSVE128.5g、IPP
0.76gを入れ、フラスコ内の温度を40℃として、
内容物を撹拌しながら重合を開始した。重合開始から1
6.7時間後、フラスコ内を冷却して重合を止め、ヘキ
サンに投入することでポリマーを沈殿させ、さらにヘキ
サンで3回洗浄した。
[Synthesis Example 3] (BVE / PSVE-H copolymer 1) In a nitrogen atmosphere, a 300 mL flask was placed in a flask.
BVE 120.0 g, PSVE 128.5 g, IPP
0.76 g was added, and the temperature in the flask was set to 40 ° C.
The polymerization was started while stirring the contents. 1 from the start of polymerization
After 6.7 hours, the polymerization was stopped by cooling the inside of the flask, and the polymer was precipitated by pouring into hexane, followed by washing with hexane three times.

【0123】ろ過後、80℃で16時間、真空乾燥する
ことにより、白色のポリマー47.8gを得た。得られ
たポリマーについて合成例1と同様に、加水分解、酸型
化処理してBVE/PSVE−H共重合体1を得るとと
もに合成例1と同様のキャラクタリゼーションを行なっ
た。その結果、BVE/PSVE=67.0/33.
0、AR=0.99meq./g、ポリメタクリル酸メ
チル換算の数平均分子量:2.9万、重量平均分子量
4.2万、軟化温度:110℃であった。
After filtration, the resultant was vacuum-dried at 80 ° C. for 16 hours to obtain 47.8 g of a white polymer. The obtained polymer was subjected to hydrolysis and acidification treatment in the same manner as in Synthesis Example 1 to obtain BVE / PSVE-H copolymer 1, and was subjected to the same characterization as in Synthesis Example 1. As a result, BVE / PSVE = 67.0 / 33.
0, A R = 0.99 meq. / G, number average molecular weight in terms of polymethyl methacrylate: 29,000, weight average molecular weight 42,000, and softening temperature: 110 ° C.

【0124】[合成例4](BVE/PSVE−H共重
合体2) 窒素雰囲気下において、容積300mLのフラスコに、
BVE150.0g、PSVE103.0g、IPP
0.77gをいれ、合成例3と同様にして重合を開始し
た。重合開始から10.7時間後、フラスコ内を冷却し
て重合を止め、ヘキサンに投入することでポリマーを沈
殿させ、ヘキサンで3回、さらにHCFC141bで1
回洗浄した。
[Synthesis Example 4] (BVE / PSVE-H copolymer 2) Under a nitrogen atmosphere, a 300 mL flask was placed in a flask.
BVE 150.0 g, PSVE 103.0 g, IPP
0.77 g was added, and polymerization was started in the same manner as in Synthesis Example 3. After 10.7 hours from the start of the polymerization, the inside of the flask was cooled to stop the polymerization, and the polymer was precipitated by pouring the mixture into hexane. The polymer was precipitated three times with hexane and further with HCFC141b.
Washed twice.

【0125】ろ過後、80℃で16時間、真空乾燥する
ことにより、白色のポリマー38.0gを得た。得られ
たポリマーについて合成例1と同様に、加水分解、酸型
化処理してBVE/PSVE−H共重合体2を得るとと
もに合成例1と同様のキャラクタリゼーションを行なっ
た。その結果、BVE/PSVE=76.1/23.
9、AR=0.75meq./g、ポリメタクリル酸メ
チル換算の数平均分子量:3.8万、重量平均分子量:
5.3万、軟化温度:110℃であった。
After filtration, vacuum drying was performed at 80 ° C. for 16 hours to obtain 38.0 g of a white polymer. The obtained polymer was hydrolyzed and acidified to obtain a BVE / PSVE-H copolymer 2 in the same manner as in Synthesis Example 1, and was subjected to the same characterization as in Synthesis Example 1. As a result, BVE / PSVE = 76.1 / 23.
9, A R = 0.75 meq. / G, number average molecular weight in terms of polymethyl methacrylate: 38,000, weight average molecular weight:
53,000, softening temperature: 110 ° C.

【0126】[合成例5](TFE/PSVE−H共重
合体) 固体高分子型燃料電池の電極の触媒層の材料又は高分子
電解質膜の材料として従来より用いられている、TFE
/PSVE共重合体を公知の方法により製造した。得ら
れたポリマーについて合成例1と同様に、加水分解、酸
型化処理してTFE/PSVE−H共重合体を得るとと
もに合成例1と同様にしてキャラクタリゼーションを行
なったところ、TFE/PSVE=82.2/17.
8、AR=1.1meq./g、軟化温度:80℃であ
った。
[Synthesis Example 5] (TFE / PSVE-H copolymer) TFE conventionally used as a material for a catalyst layer of an electrode of a polymer electrolyte fuel cell or a material for a polymer electrolyte membrane.
/ PSVE copolymer was produced by a known method. The obtained polymer was subjected to hydrolysis and acidification treatment in the same manner as in Synthesis Example 1 to obtain a TFE / PSVE-H copolymer, and was subjected to characterization in the same manner as in Synthesis Example 1. TFE / PSVE = 82.2 / 17.
8, A R = 1.1 meq. / G, softening temperature: 80 ° C.

【0127】[合成例6](MMD/PSVE−H共重
合体1) 0.2LのオートクレーブにIPP:0.68g、PSV
E:207.1g、MMD:20.0gを入れ、減圧脱気し
たあとに窒素で加圧パージを3回行い、窒素で全圧が
0.12MPa(ゲージ圧)となるように加圧した。4
0℃に昇温し、2.5時間反応させた。重合溶液をヘキ
サンに注いでポリマーを凝集し、さらにヘキサンで3回
洗浄した。室温で一晩、真空乾燥を行い、さらに80℃
で一晩真空乾燥を行った。収量:16.9g(収率:7.
4%)。
[Synthesis Example 6] (MMD / PSVE-H copolymer 1) In a 0.2 L autoclave, IPP: 0.68 g, PSV
E: 207.1 g and MMD: 20.0 g were charged, and after degassing under reduced pressure, pressurizing purge was performed three times with nitrogen and pressurized with nitrogen so that the total pressure became 0.12 MPa (gauge pressure). 4
The temperature was raised to 0 ° C., and the reaction was performed for 2.5 hours. The polymerization solution was poured into hexane to coagulate the polymer, and then washed three times with hexane. Vacuum dry at room temperature overnight, and further at 80 ° C.
And vacuum dried overnight. Yield: 16.9 g (yield: 7.
4%).

【0128】元素分析で硫黄の含有量を求め、ポリマー
中のMMDに基づく繰り返し単位とPSVEに基づく繰
り返し単位とのモル比(MMD/PSVE)とARとを
求めたところ、MMD/PSVE=76.0/24.0
であり、AR=0.82meq./gであった。また、
GPCによりポリマーの数平均分子量を測定したところ
ポリメタクリル酸メチル換算の数平均分子量は4.5
万、重量平均分子量は7.0万であった。
[0128] determine the content of sulfur in the elemental analysis, was determined and A R molar ratio (MMD / PSVE) and repeating units based on the repeating units and PSVE based on MMD in the polymer, MMD / PSVE = 76 0.0 / 24.0
A R = 0.82 meq. / G. Also,
When the number average molecular weight of the polymer was measured by GPC, the number average molecular weight in terms of polymethyl methacrylate was 4.5.
10,000 and the weight average molecular weight was 70,000.

【0129】ポリマーをKOH/H2O/DMSO=1
1/59/30(質量比)の溶液に浸漬し、90℃で7日
間保持した。室温に戻して水洗を行い、さらに90℃で
水に浸漬した。この水洗を3回繰り返した。さらに1m
ol/Lの塩酸に90℃で1日浸漬し、室温に戻して水
洗を行い、さらに90℃で水に浸漬した。この水洗を3
回繰り返した。80℃で16時間オーブン中で乾燥し、
さらに80℃で真空乾燥し、酸型化したポリマーを得
た。
KOH / H 2 O / DMSO = 1
It was immersed in a 1/59/30 (mass ratio) solution and kept at 90 ° C. for 7 days. It was returned to room temperature, washed with water, and further immersed in water at 90 ° C. This washing was repeated three times. 1m more
The resultant was immersed in ol / L hydrochloric acid at 90 ° C. for 1 day, returned to room temperature, washed with water, and further immersed in water at 90 ° C. 3 times
Repeated times. Dried in an oven at 80 ° C. for 16 hours,
Furthermore, it was vacuum-dried at 80 ° C to obtain an acidified polymer.

【0130】合成例1と同様にしてこのポリマーの10
質量%のエタノール溶液を調製し、キャスト膜を作製し
た。キャスト膜の軟化温度は135℃であった。
In the same manner as in Synthesis Example 1, 10
A mass% ethanol solution was prepared to prepare a cast film. The softening temperature of the cast film was 135 ° C.

【0131】[合成例7](MMD/PSVE−H共重
合体2) 仕込みのPSVEを207.1g、MMDを13.3gと
し、窒素を導入して全圧を0.11MPa(ゲージ圧)
とし、反応時間を6時間とした以外は合成例6と同様に
してポリマー19.6gを得た(収率:8.9%)。
[Synthesis Example 7] (MMD / PSVE-H copolymer 2) The charged PSVE was 207.1 g, the MMD was 13.3 g, and nitrogen was introduced to bring the total pressure to 0.11 MPa (gauge pressure).
19.6 g of a polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 6 except that the reaction time was changed to 6 hours (yield: 8.9%).

【0132】合成例6と同様にポリマー中のMMDに基
づく繰り返し単位とPSVEに基づく繰り返し単位との
モル比(MMD/PSVE)とARとを求めたところ、
MMD/PSVE=66.7/33.3であり、AR
1.07meq./gであった。また、ポリメタクリル
酸メチル換算の数平均分子量は2.4万、重量平均分子
量は3.9万であった。
The molar ratio (MMD / PSVE) and A R of the repeating unit based on MMD and the repeating unit based on PSVE in the polymer were determined in the same manner as in Synthesis Example 6.
MMD / PSVE = 66.7 / 33.3 and A R =
1.07 meq. / G. Further, the number average molecular weight in terms of polymethyl methacrylate was 24,000, and the weight average molecular weight was 39,000.

【0133】上記ポリマーを合成例6と同様にして酸型
化し、MMD/PSVE−H共重合体を得た。合成例1
と同様にしてこのポリマーの9.6質量%のエタノール
溶液を調製し、キャスト膜を作製した。キャスト膜の軟
化温度は125℃であった。
The above polymer was converted to an acid form in the same manner as in Synthesis Example 6 to obtain an MMD / PSVE-H copolymer. Synthesis Example 1
A 9.6% by mass ethanol solution of this polymer was prepared in the same manner as described above to prepare a cast film. The softening temperature of the cast film was 125 ° C.

【0134】[合成例8](TFE/PDD/PSVE
−H共重合体) 0.2LのオートクレーブにPDDを14.3g、PSV
Eを52.6g、HCFC−225cbを76.9g、I
PPを0.36gを入れ、凍結脱気した。TFEを5.9
g導入後、40℃に昇温して重合を開始した。このとき
圧力は0.26MPa(ゲージ圧)であった。40℃で
10時間反応させ、圧力が0.07MPa(ゲージ圧)
になったところで、反応を停止した。重合溶液をヘキサ
ンに注いでポリマーを凝集し、ヘキサンで3回洗浄し
た。80℃で一晩真空乾燥を行った。収量:25.0g
(収率:34.4%)。
[Synthesis Example 8] (TFE / PDD / PSVE)
-H copolymer) In a 0.2 L autoclave, 14.3 g of PDD, PSV
52.6 g of E, 76.9 g of HCFC-225cb, I
0.36 g of PP was added and the mixture was frozen and degassed. 5.9 TFE
After introducing g, the temperature was raised to 40 ° C. to initiate polymerization. At this time, the pressure was 0.26 MPa (gauge pressure). The reaction is performed at 40 ° C for 10 hours, and the pressure is 0.07 MPa (gauge pressure).
When it became, the reaction was stopped. The polymerization solution was poured into hexane to coagulate the polymer, and washed three times with hexane. Vacuum drying was performed at 80 ° C. overnight. Yield: 25.0 g
(Yield: 34.4%).

【0135】19F-NMRでポリマー組成を求めたとこ
ろ、TFE/PDD/PSVE=42/35/22(モ
ル比)であり、ARは0.98meq./gであった。ま
た、GPCによるポリメタクリル酸メチル換算の数平均
分子量は5.3万、重量平均分子量は8.3万であっ
た。
[0135] In 19 F-NMR was determined the polymer composition, a TFE / PDD / PSVE = 42/ 35/22 ( molar ratio), A R is 0.98 meq. / G. The number average molecular weight in terms of polymethyl methacrylate by GPC was 53,000, and the weight average molecular weight was 83,000.

【0136】160℃でポリマーをプレスして厚さ10
0μmのフィルムを作製した。このフィルムをKOH/
2O/DMSO=11/59/30(質量比)の溶液に
浸漬し、90℃で17時間保持して加水分解した。室温
に戻して水洗を3回行った。さらに1mol/Lの硫酸
に室温で2時間浸漬して水洗した。この硫酸浸漬と水洗
を3回繰り返し、最後にさらに3回水洗を行った。80
℃で16時間オーブン中で乾燥し、さらに80℃で真空
乾燥し、酸型の乾燥フィルムを得た。合成例1の手法に
より測定した軟化温度は120℃であった。引っ張り試
験における最大点応力は6.1MPa、破断点伸度は3.
0%であった。膜として充分な強度を有することが確認
できた。
The polymer was pressed at 160 ° C. to a thickness of 10
A 0 μm film was produced. This film is KOH /
It was immersed in a solution of H 2 O / DMSO = 11/59/30 (mass ratio) and kept at 90 ° C. for 17 hours for hydrolysis. After returning to room temperature, washing was performed three times. Further, it was immersed in 1 mol / L sulfuric acid at room temperature for 2 hours and washed with water. This sulfuric acid immersion and water washing were repeated three times, and finally, water washing was further performed three times. 80
The resultant was dried in an oven at a temperature of 16 ° C. for 16 hours, and further dried in a vacuum at a temperature of 80 ° C. to obtain an acid-type dried film. The softening temperature measured by the method of Synthesis Example 1 was 120 ° C. The maximum stress in the tensile test was 6.1 MPa, and the elongation at break was 3.
It was 0%. It was confirmed that the film had sufficient strength.

【0137】上記ポリマーから合成例1と同様にして酸
型化ポリマーの14.5質量%エタノール溶液を調製す
ることができた。
From the above polymer, a 14.5% by mass ethanol solution of the acid-form polymer was prepared in the same manner as in Synthesis Example 1.

【0138】なお、フィルムの引っ張り試験は、フィル
ムをJIS K−7127に規定される試験片タイプ2
の形状(長さ:150mm、幅:10mm、標線間距
離:50mm)に切り出し、チャック間初期距離:10
0mm、引張速度50mm/min、25℃、相対湿度
50%の条件下で行った。
The tensile test of the film was performed using a test piece type 2 specified in JIS K-7127.
(Length: 150 mm, width: 10 mm, distance between marked lines: 50 mm), and initial distance between chucks: 10
The test was performed under the conditions of 0 mm, a tensile speed of 50 mm / min, 25 ° C., and a relative humidity of 50%.

【0139】(実施例1)実施例1の単位セルは、以下
に説明する手順により作製した。先ず、Pt担持カーボ
ン(Pt担持量:54質量%)を、PDD/PSVE−
H共重合体1の10質量%エタノール溶液に分散させた
分散液(Pt担持カーボンの質量:上記共重合体の質量
=6:4)を調製した。次に、分散液を十分に撹拌した
後、更に蒸発乾固して得られる固形物を粉砕した。次
に、この粉末を2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−
1−プロパノール中に再分散させ、固形分濃度が5質量
%であるカソードの触媒層形成用の塗工液を調製した。
Example 1 The unit cell of Example 1 was manufactured according to the procedure described below. First, Pt-supported carbon (Pt-supported amount: 54% by mass) was added to PDD / PSVE-
A dispersion (mass of Pt-supported carbon: mass of the above-described copolymer = 6: 4) was prepared by dispersing in a 10% by mass ethanol solution of H copolymer 1. Next, after sufficiently stirring the dispersion, the solid obtained by further evaporating to dryness was pulverized. Next, this powder was mixed with 2,2,3,3,3-pentafluoro-
It was redispersed in 1-propanol to prepare a coating liquid for forming a cathode catalyst layer having a solid content of 5% by mass.

【0140】次に、Pt担持カーボン(Pt担持量:4
0質量%)を、TFE/PSVE−H共重合体(AR
1.1meq./g)の9質量%エタノール溶液及びエ
タノールと混ぜて分散させ、更に水を加えて固形分濃度
が8質量%であるアノードの触媒層形成用の塗工液(エ
タノールの質量:水の質量=1:1、Pt担持カーボン
の質量:上記共重合体の質量=7:3)を調製した。
Next, Pt-supported carbon (Pt-supported amount: 4
0 mass%), TFE / PSVE-H copolymer (A R =
1.1 meq. / G) of a 9% by mass ethanol solution and ethanol, and the mixture is dispersed, and water is further added thereto to form a coating solution for forming an anode catalyst layer having a solid concentration of 8% by mass (mass of ethanol: mass of water = 1: 1, mass of Pt-supported carbon: mass of the above copolymer = 7: 3) was prepared.

【0141】また、アノード及びカソードのガス拡散層
として、撥水性カーボンクロス(繊維織布)の片表面を
撥水性カーボン粉末層(カーボンブラックとPTFEの
混合物)で目詰めし、更にホットプレスを施して触媒層
を形成するカーボン粉末層表面を平坦にした厚さ約34
0μmのものを用意した。更に、高分子電解質膜とし
て、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体からなる
高分子電解質膜(商品名:フレミオンHR、旭硝子社
製、AR=1.1meq./g、乾燥膜厚50μm)を
用意した。
Further, one surface of a water-repellent carbon cloth (fiber woven fabric) was plugged with a water-repellent carbon powder layer (a mixture of carbon black and PTFE) as a gas diffusion layer for the anode and the cathode, and further hot-pressed. Thickness of the carbon powder layer forming the catalyst layer by flattening
A thing of 0 μm was prepared. Further, as the polymer electrolyte membrane, a polymer electrolyte membrane (trade name: Flemion HR, manufactured by Asahi Glass Co., A R = 1.1 meq./g, dry film thickness 50 μm) made of a sulfonic acid-type perfluorocarbon polymer was prepared. .

【0142】次に、上記ガス拡散層の撥水性カーボン粉
末層側の面にカソードの触媒層形成用の塗工液をPt量
が0.8mg/cm2となるように一回塗布して乾燥さ
せて触媒層を形成し、カソードを作製した。一方、アノ
ードの触媒層形成用の塗工液をカソードと同様の手順で
上記ガス拡散層シートの撥水性カーボン粉末層側の面に
Pt量が0.5mg/cm2となるように一回塗布して
乾燥させて触媒層を形成し、アノードを得た。
Next, a coating solution for forming a cathode catalyst layer was applied once on the surface of the gas diffusion layer on the side of the water-repellent carbon powder layer so that the Pt amount was 0.8 mg / cm 2 and dried. Thus, a catalyst layer was formed, and a cathode was produced. On the other hand, the coating liquid for forming the catalyst layer of the anode was applied once on the surface of the gas diffusion layer sheet on the side of the water-repellent carbon powder layer in the same procedure as the cathode so that the Pt amount was 0.5 mg / cm 2. After drying, a catalyst layer was formed to obtain an anode.

【0143】次に、得られたカソード及びアノードを有
効電極面積が25cm2となるように切り出した。そし
て、カソード及びアノードともに触媒層側を内側に向け
て対向させ、その間に高分子電解質膜を挟み込んだ状態
でホットプレスすることでカソード及びアノードの各触
媒層と高分子電解質膜とを接合させ、膜・電極接合体を
作製した。
Next, the obtained cathode and anode were cut out so as to have an effective electrode area of 25 cm 2 . Then, both the cathode and the anode are opposed to each other with the catalyst layer side facing inward, and the cathode and anode catalyst layers and the polymer electrolyte membrane are joined by hot pressing with the polymer electrolyte membrane sandwiched therebetween, A membrane-electrode assembly was produced.

【0144】(比較例1)実施例1において調製したア
ノードの触媒層形成用の塗工液を用いて、アノードとカ
ソードとの両方を作製した以外は、実施例1と同様にし
て膜・電極接合体を作製した。
Comparative Example 1 A membrane / electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that both the anode and the cathode were prepared using the coating liquid for forming a catalyst layer of the anode prepared in Example 1. A joined body was produced.

【0145】[電池特性試験]上記の実施例1及び比較例
1の各膜・電極接合体にガス流路の形成されたカーボン
製のセパレータを装着して測定セルとし、電子負荷(高
砂製作所社製,FK400L)と直流電源(高砂製作所
社製,EX750L)を用いて測定セルの電流電圧特性
試験を行った。測定条件は、水素導入口圧力;0.15
MPa、空気導入口圧力;0.15MPa、測定セルの
作動温度;80℃とし、作動後10時間経過後、出力電
流密度をそれぞれ0.3A/cm2、1.0A/cm2とし
たときのセル電圧(iRフリー)を測定した。また、こ
の作動条件において水素利用率が70%、空気利用率が
40%となように水素ガス及び空気の流量を調節した。
その結果を表1に示す。
[Battery Characteristics Test] A carbon separator having a gas flow path was attached to each of the membrane / electrode assemblies of Example 1 and Comparative Example 1 to form a measurement cell, and an electronic load (Takasago Seisakusho Co., Ltd.) And a DC power supply (EX750L, manufactured by Takasago Seisakusho Co., Ltd.) and a current-voltage characteristic test of the measurement cell was performed. Measurement conditions were: hydrogen inlet pressure; 0.15
MPa, air inlet pressure: 0.15 MPa, operating temperature of the measuring cell: 80 ° C., and after 10 hours from the operation, when the output current densities were 0.3 A / cm 2 and 1.0 A / cm 2 , respectively. The cell voltage (iR free) was measured. Further, under these operating conditions, the flow rates of hydrogen gas and air were adjusted so that the hydrogen utilization rate was 70% and the air utilization rate was 40%.
Table 1 shows the results.

【0146】[0146]

【表1】 [Table 1]

【0147】[0147]

【発明の効果】本発明によれば、脂肪族環構造を有する
繰り返し単位が固体高分子電解質材料となる共重合体中
に導入されているので、良好なイオン伝導性、撥水性を
有し、かつガス透過性に優れた固体高分子電解質材料
と、これを含む液状組成物並びに高い電池出力を安定的
に得ることのできる固体高分子型燃料電池を提供でき
る。また、本発明の固体高分子電解質材料は軟化温度が
従来のものよりも高いので固体高分子型燃料電池だけで
なく、他の電気化学プロセスにおけるイオン選択透過
膜、逆浸透膜、ろ過膜、隔膜等として応用する際にも、
高い温度で使用することができる特徴を有する。
According to the present invention, since a repeating unit having an aliphatic ring structure is introduced into a copolymer serving as a solid polymer electrolyte material, it has good ion conductivity and water repellency, In addition, it is possible to provide a solid polymer electrolyte material having excellent gas permeability, a liquid composition containing the same, and a solid polymer fuel cell capable of stably obtaining a high battery output. In addition, the solid polymer electrolyte material of the present invention has a softening temperature higher than that of the conventional one, so it can be used not only for solid polymer fuel cells, but also for ion selective permeable membranes, reverse osmosis membranes, filtration membranes, diaphragms in other electrochemical processes. When applying as etc.,
It has the feature that it can be used at high temperatures.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/02 H01M 8/02 P (72)発明者 田沼 敏弘 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地 旭硝子株式会社内 (72)発明者 国狭 康弘 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地 旭硝子株式会社内 Fターム(参考) 4J100 AC26R AE38Q AF15P AP01Q AR32P AU28P BA02Q BA04P BA56Q BA57Q BA59Q BB07P BB12P BB12Q BB13P BB13Q BB18P CA04 CA05 DA01 DA56 JA45 5H026 AA06 EE19 HH00 HH08 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01M 8/02 H01M 8/02 P (72) Inventor Toshihiro Tanuma 1150 Hazawacho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Asahi Glass Incorporated (72) Inventor Yasuhiro Kunisaka 1150 Hazawa-cho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Asahi Glass Co., Ltd. DA01 DA56 JA45 5H026 AA06 EE19 HH00 HH08

Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ラジカル重合により主鎖に脂肪族環構造
を有するポリマーを与える含フッ素モノマーAに基づく
繰り返し単位と、 下記式(1)で表される含フッ素モノマーBに基づく繰
り返し単位とを含む共重合体からなることを特徴とする
固体高分子電解質材料。 CF2=CF(RfjSO2X …(1) [式(1)中、jは0又は1を示し、 Xはフッ素原子、塩素原子又はOM{Mは、水素原子、
アルカリ金属原子又はNR1234(R1、R2、R3
及びR4は同一でも異なっていてもよく、それぞれ水素
原子又は1価の有機基を示す)で表される基を示す}で
表される基を示し、 Rfは直鎖又は分岐構造を有する炭素数1〜20のポリ
フルオロアルキレン基であって、エーテル結合性の酸素
原子が含まれていてもよい。]
1. A repeating unit based on a fluorine-containing monomer A that gives a polymer having an aliphatic ring structure in a main chain by radical polymerization, and a repeating unit based on a fluorine-containing monomer B represented by the following formula (1): A solid polymer electrolyte material comprising a copolymer. CF 2 = CF (R f ) j SO 2 X (1) [In the formula (1), j represents 0 or 1, X is a fluorine atom, a chlorine atom or OM {M is a hydrogen atom,
An alkali metal atom or NR 1 R 2 R 3 R 4 (R 1 , R 2 , R 3
And R 4 may be the same or different and each represents a hydrogen atom or a monovalent organic group), and represents a group represented by}, and R f has a linear or branched structure It is a polyfluoroalkylene group having 1 to 20 carbon atoms, and may contain an etheric oxygen atom. ]
【請求項2】 前記含フッ素モノマーAがパーフルオロ
モノマーであり、 前記含フッ素モノマーBが下記式(2)で表されること
を特徴とする請求項1に記載の固体高分子電解質材料。 【化1】 [式(2)中、kは0〜2の整数、mは1〜12の整
数、Yはフッ素原子又はトリフルオロメチル基をそれぞ
れ示し、Xは前記式(1)に記載のXと同義である。]
2. The solid polymer electrolyte material according to claim 1, wherein the fluorinated monomer A is a perfluoromonomer, and the fluorinated monomer B is represented by the following formula (2). Embedded image [In the formula (2), k represents an integer of 0 to 2, m represents an integer of 1 to 12, Y represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group, and X has the same meaning as X in the formula (1). is there. ]
【請求項3】 前記含フッ素モノマーAに基づく繰り返
し単位が下記式(3)〜(5)の何れかで表されること
を特徴とする請求項1又は2に記載の固体高分子電解質
材料。 【化2】 [式(3)中、p、q及びrはそれぞれ独立に0又は1
を示し、 Rf1及びRf2は同一でも異なっていてもよく、それぞれ
フッ素原子、炭素数1〜5のパーフルオロアルキル基又
は炭素数1〜5のパーフルオロアルコキシ基の何れかを
示し、 Rf3は炭素数1〜3のパーフルオロアルキレン基であっ
て、置換基として炭素数1〜5のパーフルオロアルキル
基又は炭素数1〜5のパーフルオロアルコキシ基を含有
していてもよい。] 【化3】 [式(4)中、sは0又は1を示し、 Rf4、Rf5、Rf6及びRf7は同一でも異なっていてもよ
く、それぞれフッ素原子又は炭素数1〜5のパーフルオ
ロアルキル基の何れかを示し(ただし、Rf4とRf5
は、s=0のときに連結してスピロ環を形成してもよ
い)、 Rf8はフッ素原子、炭素数1〜5のパーフルオロアルキ
ル基又は炭素数1〜5のパーフルオロアルコキシ基を示
す。] 【化4】 [式(5)中、Rf9、Rf10、Rf11及びRf12は同一で
も異なっていてもよく、それぞれフッ素原子又は炭素数
1〜5のパーフルオロアルキル基の何れかを示す。]
3. The solid polymer electrolyte material according to claim 1, wherein the repeating unit based on the fluorine-containing monomer A is represented by any of the following formulas (3) to (5). Embedded image [In the formula (3), p, q and r are each independently 0 or 1
Are shown, R f1 and R f2 may be the same or different, each a fluorine atom, one of the perfluoroalkoxy groups perfluoroalkyl group or 1-5 C1-5 atoms, R f3 Is a perfluoroalkylene group having 1 to 3 carbon atoms, and may contain a perfluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms or a perfluoroalkoxy group having 1 to 5 carbon atoms as a substituent. ] [In the formula (4), s represents 0 or 1, and R f4 , R f5 , R f6 and R f7 may be the same or different and each represents a fluorine atom or a perfluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms. Rf4 and Rf5 may be linked to each other when s = 0 to form a spiro ring, and Rf8 is a fluorine atom or a perfluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms. Or a perfluoroalkoxy group having 1 to 5 carbon atoms. ] [In the formula (5), R f9 , R f10 , R f11 and R f12 may be the same or different and each represents a fluorine atom or a C 1-5 perfluoroalkyl group. ]
【請求項4】 前記含フッ素モノマーAが、パーフルオ
ロ(3−ブテニルビニルエーテル)、パーフルオロ
(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)、パーフ
ルオロ(1,3−ジオキソール)、2,2,4−トリフ
ルオロ−5−トリフルオロメトキシ−1,3−ジオキソ
ール、パーフルオロ(2−メチレン−4−メチル−1,
3−ジオキソラン)からなる群から選択される少なくと
も1種であり、 前記含フッ素モノマーBが、下記式(6)で表されるこ
とを特徴とする請求項3の何れかに記載の固体高分子電
解質材料。 【化5】 [式(6)中、k’は0又は1を示し、Xは前記式
(1)に記載のXと同義であり、Yは前記式(2)に記
載のYと同義である。]
4. The fluorine-containing monomer A comprises perfluoro (3-butenyl vinyl ether), perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole), perfluoro (1,3-dioxole), 2,4-trifluoro-5-trifluoromethoxy-1,3-dioxole, perfluoro (2-methylene-4-methyl-1,
The solid polymer according to any one of claims 3 to 5, wherein the fluorine-containing monomer B is at least one selected from the group consisting of (3-dioxolane), and the fluorine-containing monomer B is represented by the following formula (6). Electrolyte material. Embedded image [In the formula (6), k ′ represents 0 or 1, X has the same meaning as X in the formula (1), and Y has the same meaning as Y in the formula (2). ]
【請求項5】 前記含フッ素モノマーAがパーフルオロ
(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)であり、 前記含フッ素モノマーA及び前記含フッ素モノマーBの
ほかに、さらに、テトラフルオロエチレンに基づく繰り
返し単位が含まれていることを特徴とする請求項4に記
載の固体高分子電解質材料。
5. The fluorine-containing monomer A is perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole), and in addition to the fluorine-containing monomer A and the fluorine-containing monomer B, a tetrafluoroethylene The solid polymer electrolyte material according to claim 4, comprising a repeating unit based on the polymer electrolyte.
【請求項6】 イオン交換容量が0.5〜2.5ミリ当
量/g乾燥樹脂であることを特徴とする請求項1〜5の
何れかに記載の固体高分子電解質材料。
6. The solid polymer electrolyte material according to claim 1, wherein the ion exchange capacity is 0.5 to 2.5 meq / g dry resin.
【請求項7】 前記含フッ素モノマーBに基づく繰り返
し単位の末端の−SO2X基が−SO3H基である固体高
分子電解質材料であって、かつ固体高分子型燃料電池の
構成材料として使用されることを特徴とする請求項1〜
6の何れかに記載の固体高分子電解質材料。
7. A solid polymer electrolyte material in which a terminal —SO 2 X group of a repeating unit based on the fluorine-containing monomer B is a —SO 3 H group, and a constituent material of a solid polymer fuel cell Claim 1 characterized by being used
7. The solid polymer electrolyte material according to any one of 6.
【請求項8】 前記共重合体の軟化温度が100℃以上
であることを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の
固体高分子電解質材料。
8. The solid polymer electrolyte material according to claim 1, wherein the softening temperature of the copolymer is 100 ° C. or higher.
【請求項9】 請求項1〜8の何れかに記載の固体高分
子電解質材料であり、かつ、前記含フッ素モノマーBに
基づく繰り返し単位の末端の−SO2X基が−SO3
{Mは、水素原子、アルカリ金属原子又はNR123
4(R1、R2、R3及びR4は同一でも異なっていても
よく、それぞれ水素原子又は1価の有機基を示す)で表
される基を示す}基である固体高分子電解質材料が、分
子中に水酸基を有する有機溶媒に溶解又は分散されてい
ることを特徴とする液状組成物。
9. The solid polymer electrolyte material according to claim 1, wherein the terminal —SO 2 X group of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer B is —SO 3 M
{M is a hydrogen atom, an alkali metal atom or NR 1 R 2 R 3
R 4 (R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be the same or different and each represents a hydrogen atom or a monovalent organic group). A liquid composition, wherein the material is dissolved or dispersed in an organic solvent having a hydroxyl group in a molecule.
【請求項10】 アノードと、カソードと、前記アノー
ドと前記カソードとの間に配置された高分子電解質膜と
を有する固体高分子型燃料電池であって、 請求項7に記載の固体高分子電解質材料を前記カソード
の構成材料として含むことを特徴とする固体高分子型燃
料電池。
10. A solid polymer electrolyte fuel cell comprising an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode, wherein the polymer electrolyte fuel cell according to claim 7. A polymer electrolyte fuel cell, comprising a material as a constituent material of the cathode.
【請求項11】 下記式(I)で表される繰り返し単位
と、下記式(II)で表される含フッ素モノマーDに基
づく繰り返し単位とから実質的になる共重合体であっ
て、 前記含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率
が10〜75モル%であり、かつ、 数平均分子量が5000〜5000000であることを
特徴とする含フッ素ポリマー。 【化6】 [式(I)及び(II)中、Rf16、Rf17は同一でも異
なっていてもよく、それぞれフッ素原子又はトリフルオ
ロメチル基を示し、k’は0又は1を示し、Yはフッ素
原子又はトリフルオロメチル基を示し、Mは、水素原
子、アルカリ金属原子又はNR1234(R1、R2
3及びR4は同一でも異なっていてもよく、それぞれ水
素原子又は1価の有機基を示す)で表される基を示
す。]
11. A copolymer substantially consisting of a repeating unit represented by the following formula (I) and a repeating unit based on a fluorine-containing monomer D represented by the following formula (II): A fluorine-containing polymer, wherein the content of the repeating unit based on the fluorine monomer D is from 10 to 75 mol%, and the number average molecular weight is from 5,000 to 5,000,000. Embedded image [In formulas (I) and (II), R f16 and R f17 may be the same or different and each represent a fluorine atom or a trifluoromethyl group, k ′ represents 0 or 1, Y represents a fluorine atom or M represents a hydrogen atom, an alkali metal atom or NR 1 R 2 R 3 R 4 (R 1 , R 2 ,
R 3 and R 4 may be the same or different and each represents a hydrogen atom or a monovalent organic group). ]
【請求項12】 パーフルオロ(3−ブテニルビニルエ
ーテル)に基づく繰り返し単位と、下記式(II)で表
される含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位とから
実質的になる共重合体であって、 前記含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率
が10〜75モル%であり、かつ、 数平均分子量が5000〜5000000であることを
特徴とする含フッ素ポリマー。 【化7】 [式(II)中、k’は0又は1を示し、Yはフッ素原
子又はトリフルオロメチル基を示し、Mは、水素原子、
アルカリ金属原子又はNR1234(R1、R2、R3
及びR4は同一でも異なっていてもよく、それぞれ水素
原子又は1価の有機基を示す)で表される基を示す。]
12. A copolymer substantially consisting of a repeating unit based on perfluoro (3-butenyl vinyl ether) and a repeating unit based on a fluorine-containing monomer D represented by the following formula (II): A fluorine-containing polymer, wherein the content of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer D is 10 to 75 mol%, and the number average molecular weight is 5,000 to 5,000,000. Embedded image [In the formula (II), k ′ represents 0 or 1, Y represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group, M represents a hydrogen atom,
An alkali metal atom or NR 1 R 2 R 3 R 4 (R 1 , R 2 , R 3
And R 4 may be the same or different and each represents a hydrogen atom or a monovalent organic group). ]
【請求項13】 パーフルオロ(2−メチレン−4−メ
チル−1,3−ジオキソラン)に基づく繰り返し単位
と、下記式(II)で表される含フッ素モノマーDに基
づく繰り返し単位とから実質的になる共重合体であっ
て、 前記含フッ素モノマーDに基づく繰り返し単位の含有率
が10〜75モル%であり、かつ、 数平均分子量が5000〜5000000であることを
特徴とする含フッ素ポリマー。 【化8】 [式(II)中、k’は0又は1を示し、Yはフッ素原
子又はトリフルオロメチル基を示し、Mは、水素原子、
アルカリ金属原子又はNR1234(R1、R2、R3
及びR4は同一でも異なっていてもよく、それぞれ水素
原子又は1価の有機基を示す)で表される基を示す。]
13. Substantially a repeating unit based on perfluoro (2-methylene-4-methyl-1,3-dioxolane) and a repeating unit based on a fluorine-containing monomer D represented by the following formula (II) A fluorine-containing polymer having a repeating unit content based on the fluorine-containing monomer D of 10 to 75 mol% and a number average molecular weight of 5,000 to 5,000,000. Embedded image [In the formula (II), k ′ represents 0 or 1, Y represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group, M represents a hydrogen atom,
An alkali metal atom or NR 1 R 2 R 3 R 4 (R 1 , R 2 , R 3
And R 4 may be the same or different and each represents a hydrogen atom or a monovalent organic group). ]
【請求項14】 下記式(I)で表される繰り返し単位
と、下記式(II)で表される含フッ素モノマーDに基
づく繰り返し単位とテトラフルオロエチレンに基づく繰
り返し単位から実質的になる共重合体であって、 下記式(I)で表される繰り返し単位の含有率が5〜7
0モル%、テトラフルオロエチレンに基づく繰り返し単
位の含有率が10〜85モル%、前記含フッ素モノマー
Dに基づく繰り返し単位の含有率が5〜40モル%であ
り、かつ、 数平均分子量が5000〜5000000であることを
特徴とする含フッ素ポリマー。 【化9】 [式(I)及び(II)中、Rf16、Rf17は同一でも異
なっていてもよく、それぞれフッ素原子又はトリフルオ
ロメチル基を示し、k’は0又は1を示し、Yはフッ素
原子又はトリフルオロメチル基を示し、Mは、水素原
子、アルカリ金属原子又はNR1234(R1、R2
3及びR4は同一でも異なっていてもよく、それぞれ水
素原子又は1価の有機基を示す)で表される基を示
す。]
14. A copolymer consisting essentially of a repeating unit represented by the following formula (I), a repeating unit based on a fluorine-containing monomer D represented by the following formula (II), and a repeating unit based on tetrafluoroethylene: And the content of the repeating unit represented by the following formula (I) is 5 to 7:
0 mol%, the content of the repeating unit based on tetrafluoroethylene is 10 to 85 mol%, the content of the repeating unit based on the fluorine-containing monomer D is 5 to 40 mol%, and the number average molecular weight is 5,000 to 5,000. A fluoropolymer having a molecular weight of 5,000,000. Embedded image [In formulas (I) and (II), R f16 and R f17 may be the same or different and each represent a fluorine atom or a trifluoromethyl group, k ′ represents 0 or 1, Y represents a fluorine atom or M represents a hydrogen atom, an alkali metal atom or NR 1 R 2 R 3 R 4 (R 1 , R 2 ,
R 3 and R 4 may be the same or different and each represent a hydrogen atom or a monovalent organic group). ]
【請求項15】 請求項14に記載の含フッ素ポリマー
からなる固体高分子電解質膜。
15. A solid polymer electrolyte membrane comprising the fluoropolymer according to claim 14.
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