JP2003017090A - Polymer electrolyte membrane and fuel cell using it - Google Patents

Polymer electrolyte membrane and fuel cell using it

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JP2003017090A
JP2003017090A JP2001201797A JP2001201797A JP2003017090A JP 2003017090 A JP2003017090 A JP 2003017090A JP 2001201797 A JP2001201797 A JP 2001201797A JP 2001201797 A JP2001201797 A JP 2001201797A JP 2003017090 A JP2003017090 A JP 2003017090A
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polymer electrolyte
sulfonic acid
electrolyte membrane
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Yasumasa Hidaka
康昌 日高
Katsuhiko Iwasaki
克彦 岩崎
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Sumitomo Chemical Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive polymer electrolyte membrane with high water resistance, high heat resistance, practical strength usable as a separator of a solid polymer electrolyte fuel cell. SOLUTION: This polymer electrolyte membrane is a composite material of a polymer electrolyte containing a block copolymer having one or more of blocks into which a sulfonic group is introduced and a block into which the sulfonic group is not practically introduced, and having at least one block among the whole blocks, which has an aromatic ring in the main chain; and a porous membrane.

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、高分子電解質膜、
中でも燃料電池用として好適に用いられる高分子電解質
膜に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a polymer electrolyte membrane,
Among them, the present invention relates to a polymer electrolyte membrane that is preferably used for fuel cells.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、高効率でクリーンなエネルギー変
換装置として、燃料電池が注目を集めている。中でも、
電解質としてプロトン伝導性を有する高分子膜を用いた
固体高分子型燃料電池は、コンパクトな構造で高出力が
得られ、かつ簡単なシステムで運転できることから、車
両用等の移動用電源として注目されている。
2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells have been attracting attention as a highly efficient and clean energy conversion device. Above all,
A polymer electrolyte fuel cell using a polymer membrane having proton conductivity as an electrolyte is attracting attention as a mobile power source for vehicles because it has a compact structure, high output, and can be operated with a simple system. ing.

【0003】固体高分子型燃料電池に用いられるプロト
ン伝導性の高分子電解質として、ナフィオン(デュポン
社の登録商標)をはじめとするパーフルオロスルホン酸
系の材料が、燃料電池としての特性に優れることから従
来主に使用されてきた。しかしながらこの材料は非常に
高価であるために、今後燃料電池を用いた発電システム
を広範に普及する際には大きな問題になると考えられて
いる。こうした状況において、パーフルオロスルホン酸
系の材料に替わり得る安価な高分子電解質の開発が近年
活発化してきている。なかでも耐熱性に優れフィルム強
度の高い芳香族ポリエーテルにスルホン酸基を導入した
材料が有望視されており、例えば、特表平11−502
249号公報にはスルホン化ポリエーテルケトン系の、
特開平10−45913号公報および特開平10−21
943号公報にはスルホン化ポリエーテルスルホン系の
高分子電解質が記載されている。
As a proton-conducting polymer electrolyte used in a polymer electrolyte fuel cell, a perfluorosulfonic acid-based material such as Nafion (registered trademark of DuPont) has excellent characteristics as a fuel cell. Since then, it has been mainly used. However, since this material is very expensive, it is considered to be a big problem in widespread use of power generation systems using fuel cells in the future. Under these circumstances, the development of inexpensive polymer electrolytes that can replace perfluorosulfonic acid-based materials has become active in recent years. Among them, a material in which a sulfonic acid group is introduced into an aromatic polyether having excellent heat resistance and high film strength is considered to be promising.
No. 249 discloses a sulfonated polyetherketone type,
JP-A-10-45913 and JP-A-10-21
Japanese Patent Publication No. 943 describes a sulfonated polyether sulfone-based polymer electrolyte.

【0004】これらの材料系では一般に、導入されるス
ルホン酸基の量が多いほどプロトン伝導度が高くなる
が、同時にポリマーの吸水率が高くなる傾向がある。そ
して、吸水性の高いポリマーから作成されたフィルム
は、燃料電池に用いた場合には該電池使用中に生成する
水によって大きな寸法変化を生じ、電極との接合界面に
内部応力が発生して剥離する結果、燃料電池特性が期待
できなくなる恐れがあるのみならず、膜自体の強度も吸
水によって大きく低下する。強度が低い場合、高分子電
解質膜を固体高分子型燃料電池や水電解装置などに組み
込む際に破れたり、組み込んだ後に膜の両側の圧力差に
よって膜が破裂したり、繰り返しの発電時に膜周辺の封
止部分が裂けたりすることがある。
In these material systems, generally, the larger the amount of sulfonic acid groups introduced, the higher the proton conductivity, but at the same time, the water absorption of the polymer tends to increase. When used in a fuel cell, a film made of a highly water-absorbent polymer undergoes a large dimensional change due to the water produced during the use of the cell, causing internal stress at the bonding interface with the electrode and peeling. As a result, not only the fuel cell characteristics may not be expected, but also the strength of the membrane itself is greatly reduced by water absorption. If the strength is low, the polymer electrolyte membrane may break when it is installed in a polymer electrolyte fuel cell, water electrolysis device, etc., or the membrane may rupture due to the pressure difference between the two sides of the polymer electrolyte membrane after it is installed. There is a case that the sealing part of the torn.

【0005】一方、高分子電解質膜の膜強度を改善する
ため、多孔膜や不織布と高分子電解質とを複合化するこ
とも提案されている。例えば、特開平1−22932号
公報には、固体高分子電解質型燃料電池用隔膜として、
超高分子量のポリオレフィン製多孔質膜の空孔中に陽イ
オン交換樹脂を充填してなる陽イオン交換膜が開示され
ている。また特開平6−29032号公報、特開平9−
194609号公報等には、ポリテトラフルオロエチレ
ンに代表されるフッ素系樹脂を母材の素材樹脂として使
用した陽イオン交換膜が開示されている。
On the other hand, in order to improve the membrane strength of the polymer electrolyte membrane, it has been proposed to combine a porous membrane or a non-woven fabric with the polymer electrolyte. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-22932 discloses a membrane for a solid polymer electrolyte fuel cell,
A cation exchange membrane is disclosed in which pores of an ultrahigh molecular weight polyolefin porous membrane are filled with a cation exchange resin. Further, JP-A-6-29032 and JP-A-9-
Japanese Patent Publication No. 194609 discloses a cation exchange membrane using a fluorine-based resin typified by polytetrafluoroethylene as a base material resin.

【0006】しかしながら、これらの陽イオン交換樹脂
を用いた複合膜は、イオン交換樹脂自体の耐水性、耐熱
性に問題があり、多孔膜や不織布と複合化しても、固体
高分子電解質型燃料電池用隔膜として満足できる特性を
発現するには到っていなかった。
However, the composite membrane using these cation exchange resins has a problem in water resistance and heat resistance of the ion exchange resin itself, and even if it is complexed with a porous membrane or a non-woven fabric, a solid polymer electrolyte fuel cell. It has not been possible to develop satisfactory properties as a diaphragm for use.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、耐水
性に優れ、耐熱性が高く、しかも固体高分子電解質型燃
料電池の隔膜として良好に使用できる実用強度を有し、
かつ安価な、高分子電解質膜を提供することにある。
The object of the present invention is to have excellent water resistance, high heat resistance, and practical strength which can be favorably used as a membrane of a solid polymer electrolyte fuel cell.
Another object is to provide an inexpensive polymer electrolyte membrane.

【0008】[0008]

【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行った結果、特定の高分子電
解質と多孔膜との複合膜が、固体高分子電解質型燃料電
池の隔膜として良好に使用できる実用強度を有する事を
見出し、本発明を完成するに至った。すなわち本発明に
よれば、スルホン酸基が導入されたブロックおよびスル
ホン酸基が実質的に導入されていないブロックをそれぞ
れ一つ以上有し、かつ全てのブロックのうち少なくとも
一つのブロックがその主鎖に芳香環を有するブロックで
あるブロック共重合体を含む高分子電解質と、多孔膜と
を複合化してなることを特徴とする高分子電解質膜なら
びに、該膜を使用してなることを特徴とする燃料電池を
提供するものである。
Means for Solving the Problems As a result of intensive studies aimed at achieving the above object, the present inventors have found that a composite membrane of a specific polymer electrolyte and a porous membrane is a solid polymer electrolyte fuel cell. They have found that they have a practical strength that can be favorably used as a diaphragm, and completed the present invention. That is, according to the present invention, each block has one or more blocks in which a sulfonic acid group is introduced and a block in which a sulfonic acid group is not substantially introduced, and at least one of all blocks has its main chain. A polymer electrolyte membrane comprising a polymer electrolyte containing a block copolymer having a block having an aromatic ring and a porous membrane, and a polymer electrolyte membrane using the membrane. A fuel cell is provided.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】次に、本発明をさらに詳細に説明
する。本発明の高分子電解質膜は、スルホン酸基が導入
されたブロックおよびスルホン酸基が実質的に導入され
ていないブロックをそれぞれ一つ以上有し、かつ全ての
ブロックのうち少なくとも一つのブロックがその主鎖に
芳香環を有するブロックであるブロック共重合体を含む
高分子電解質と、多孔膜とを複合化してなるものであ
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, the present invention will be described in more detail. The polymer electrolyte membrane of the present invention has at least one block in which a sulfonic acid group is introduced and a block in which a sulfonic acid group is not substantially introduced, and at least one block of all the blocks is It is a composite of a polymer electrolyte containing a block copolymer, which is a block having an aromatic ring in the main chain, and a porous membrane.

【0010】本発明においてブロックとは1種の繰り返
し単位が2個以上連結した高分子のことをいう。また、
ブロック共重合体とは2個以上のブロックが直接結合あ
るいは連結基を介して結合した高分子、すなわち2種類
以上の繰り返し単位からなる複数のブロックを含む高分
子のことをいう。
In the present invention, a block means a polymer in which two or more repeating units of one type are linked. Also,
The block copolymer refers to a polymer in which two or more blocks are directly bonded or bonded via a linking group, that is, a polymer including a plurality of blocks each composed of two or more kinds of repeating units.

【0011】また、本発明においてスルホン酸基が導入
されたブロックとは、ブロックを構成する繰り返し単位
のいずれかの部分に、該繰り返し単位1個あたり平均
0.5個以上のスルホン酸基(−SO3Hで表わされる
基)が結合しているブロックのことをいう。スルホン酸
基の、ブロックを構成する繰り返し単位への結合形態に
は特に制限はないが、芳香環にスルホン酸基が直接結合
した構造を有するものが、合成が比較的容易であり好ま
しい。
In the present invention, the block having a sulfonic acid group introduced therein means that, in any part of the repeating units constituting the block, an average of 0.5 or more sulfonic acid groups (- A group represented by SO 3 H) is bonded to the block. The binding form of the sulfonic acid group to the repeating unit constituting the block is not particularly limited, but those having a structure in which the sulfonic acid group is directly bonded to the aromatic ring are preferable because the synthesis is relatively easy.

【0012】一方、本発明においてスルホン酸基が実質
的に導入されていないブロックとは、ブロックを構成す
る繰り返し単位1個あたりのスルホン酸基導入量が平均
0.1個以下であるブロックのことをいう。
On the other hand, in the present invention, the block in which the sulfonic acid group is not substantially introduced means a block in which the introduced amount of the sulfonic acid group per repeating unit constituting the block is 0.1 or less on average. Say.

【0013】また、本発明において、その主鎖に芳香環
を有するブロックは、上記スルホン酸基が導入されたブ
ロックであっても、スルホン酸基が実質的に導入されて
いないブロックであってもよく、またこれらの両方のブ
ロックであってもよい。
In the present invention, the block having an aromatic ring in its main chain may be a block having the sulfonic acid group introduced or a block having substantially no sulfonic acid group introduced. Well, it may be both of these blocks.

【0014】本発明において、スルホン酸基が導入され
たブロックとしては、例えば、ポリスチレン、ポリ(α
−メチルスチレン)、ポリ(アリルフェニルエーテ
ル)、ポリ(フェニルグリシジルエーテル)、ポリ(フ
ェニレンエーテル)、ポリフェニレンスルフィド、ポリ
エーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルスルホ
ン、ポリスルホン、ポリ(フェニルメチルシロキサ
ン)、ポリ(ジフェニルシロキサン)、ポリ(フェニル
メチルフォスファゼン)、ポリ(ジフェニルフォスファ
ゼン)、またはエポキシ樹脂等からなるブロックにスル
ホン酸基が導入されたブロックが挙げられる。中でも好
ましくは、下記一般式[1]で表される繰り返し単位を
有するブロック、下記一般式[2]で表される繰り返し
単位を有するブロック、またはエポキシ樹脂からなるブ
ロックにスルホン酸基が導入されたブロックが用いられ
る。
In the present invention, examples of the block having a sulfonic acid group introduced therein include polystyrene and poly (α
-Methylstyrene), poly (allylphenyl ether), poly (phenylglycidyl ether), poly (phenylene ether), polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyether ether sulfone, polysulfone, poly (phenylmethyl siloxane), poly (diphenyl) A block in which a sulfonic acid group is introduced into a block made of siloxane), poly (phenylmethylphosphazene), poly (diphenylphosphazene), an epoxy resin, or the like can be given. Above all, preferably, a sulfonic acid group is introduced into a block having a repeating unit represented by the following general formula [1], a block having a repeating unit represented by the following general formula [2], or a block made of an epoxy resin. Blocks are used.

【0015】 [1] (式[1]中、Xは、−O−、−S−、−NH−、また
は直接結合を表し、R1は、炭素数1から6のアルキル
基、炭素数1から6のアルコキシ基、またはフェニル基
を表わし、aは0〜3の整数である。 R1 が複数ある
場合は、これらは同一でも異なっていてもよい。)
[0015] [1] (In the formula [1], X represents —O—, —S—, —NH—, or a direct bond, R 1 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or 1 to 6 carbon atoms. Represents an alkoxy group or a phenyl group, and a is an integer of 0 to 3. When there are a plurality of R 1 , they may be the same or different.

【0016】 [2] (式[2]中、Ar1は下記構造から選ばれる基を表わ
す。) (上記式中、R2は、炭素数1から6のアルキル基、炭
素数1から6のアルコキシ基、フェニル基、またはフェ
ノキシ基を表わし、bは0〜4の整数であり、cは0〜
6の整数であり。R2が複数ある場合は、これらは同一
でも異なっていてもよい)
[0016] [2] (In the formula [2], Ar 1 represents a group selected from the following structures.) (In the above formula, R 2 represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, or a phenoxy group, b is an integer of 0 to 4, and c is 0 to 0.
It is an integer of 6. When there are a plurality of R 2's , these may be the same or different.

【0017】一般式[1]で表される繰り返し単位を有
するブロックとしては、ポリ(フェニレン)、ポリ(ア
ニリン)、ポリ(フェニレンエーテル)、ポリ(フェニ
レンスルフィド)、などが挙げられる。
Examples of the block having a repeating unit represented by the general formula [1] include poly (phenylene), poly (aniline), poly (phenylene ether), poly (phenylene sulfide), and the like.

【0018】中でも、一般式[1]においてXが−O−
で表されるポリ(フェニレンエーテル)が好ましく、具
体的には、ポリ(1,4−フェニレンエーテル)、ポリ
(2−メチル−1,4−フェニレンエーテル)、ポリ
(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)、
ポリ(2−フェニル−1,4−フェニレンエーテル)、
ポリ(2,6−ジフェニル−1,4−フェニレンエーテ
ル)、ポリ(2−メチル−1,3−フェニレンエーテ
ル)、ポリ(2,6−ジメチル−1,3−フェニレンエ
ーテル)、ポリ(2−フェニル−1,3−フェニレンエ
ーテル)、ポリ(2,6−ジフェニル−1,3−フェニ
レンエーテル)等が挙げられ、これらのなかで、ポリ
(1,4−フェニレンエーテル)、ポリ(2−フェニル
−1,4−フェニレンエーテル)、ポリ(2,6−ジフ
ェニル−1,4−フェニレンエーテル)がより好まし
く、ポリ(2−フェニル−1,4−フェニレンエーテ
ル)がさらに好ましい。
Among them, in the general formula [1], X is —O—
The poly (phenylene ether) represented by is preferable, and specifically, poly (1,4-phenylene ether), poly (2-methyl-1,4-phenylene ether), poly (2,6-dimethyl-1). , 4-phenylene ether),
Poly (2-phenyl-1,4-phenylene ether),
Poly (2,6-diphenyl-1,4-phenylene ether), poly (2-methyl-1,3-phenylene ether), poly (2,6-dimethyl-1,3-phenylene ether), poly (2- Phenyl-1,3-phenylene ether), poly (2,6-diphenyl-1,3-phenylene ether), and the like. Among these, poly (1,4-phenylene ether), poly (2-phenyl) -1,4-phenylene ether) and poly (2,6-diphenyl-1,4-phenylene ether) are more preferable, and poly (2-phenyl-1,4-phenylene ether) is further preferable.

【0019】一般式[1]で表される繰り返し単位を有
するブロックの前駆体は、公知の方法により製造するこ
とができる。例えば、ポリ(フェニレンエーテル)の場
合、フェノールを触媒存在下で酸化する酸化重合法や、
ハロゲン化フェノールを触媒とアルカリ存在下に縮合す
る(ウルマン反応と呼ばれる)方法により製造できる。
ここで、ブロックの前駆体とは、共重合反応によりブロ
ックとなる、反応部位をもつ単独高分子のことをいう
(以下同じ)。
The block precursor having the repeating unit represented by the general formula [1] can be produced by a known method. For example, in the case of poly (phenylene ether), an oxidative polymerization method in which phenol is oxidized in the presence of a catalyst,
It can be produced by a method of condensing a halogenated phenol with a catalyst in the presence of an alkali (called Ullmann reaction).
Here, the block precursor refers to a homopolymer having a reaction site, which becomes a block by a copolymerization reaction (the same applies hereinafter).

【0020】一方、前記一般式[2]で表される繰り返
し単位を有するブロックの前駆体は、例えば、下記式
On the other hand, the block precursor having the repeating unit represented by the above general formula [2] is, for example, the following formula.

【化1】 で表される芳香環を有するグリシジルエーテルを開環重
合して得られる。
[Chemical 1] It is obtained by ring-opening polymerization of a glycidyl ether having an aromatic ring represented by

【0021】具体的には、フェニルグリシジルエーテ
ル、o−トルイルグリシジルエーテル、m−トルイルグ
リシジルエーテル、p−トルイルグリシジルエーテル、
2,3−ジメチルフェニルグリシジルエーテル、2,4
−ジメチルフェニルグリシジルエーテル、2,5−ジメ
チルフェニルグリシジルエーテル、2,6−ジメチルフ
ェニルグリシジルエーテル、2,3,4−トリメチルフ
ェニルグリシジルエーテル、2,4,6−トリメチルフ
ェニルグリシジルエーテル、2,3,4,6−テトラメ
チルフェニルグリシジルエーテル、2−エチルフェニル
グリシジルエーテル、4−エチルフェニルグリシジルエ
ーテル、2−プロピルフェニルグリシジルエーテル、4
−n−プロピルフェニルグリシジルエーテル、4−プロ
ピルフェニルグリシジルエーテル、2−ブチルフェニル
グリシジルエーテル、4−ブチルフェニルグリシジルエ
ーテル、4−i−プロピルフェニルグリシジルエーテ
ル、2−ビフェニルグリシジルエーテル、4−ビフェニ
ルグリシジルエーテル、1−ナフチルグリシジルエーテ
ル、2−ナフチルグリシジルエーテル、などが挙げられ
る。これらは単独で用いてもよいし、複数のグリシジル
エーテルを用いて共重合体としてもよい。
Specifically, phenyl glycidyl ether, o-toluyl glycidyl ether, m-toluyl glycidyl ether, p-toluyl glycidyl ether,
2,3-dimethylphenyl glycidyl ether, 2,4
-Dimethylphenylglycidyl ether, 2,5-dimethylphenylglycidyl ether, 2,6-dimethylphenylglycidyl ether, 2,3,4-trimethylphenylglycidyl ether, 2,4,6-trimethylphenylglycidyl ether, 2,3 4,6-Tetramethylphenylglycidyl ether, 2-ethylphenylglycidyl ether, 4-ethylphenylglycidyl ether, 2-propylphenylglycidyl ether, 4
-N-propylphenyl glycidyl ether, 4-propylphenyl glycidyl ether, 2-butylphenyl glycidyl ether, 4-butylphenyl glycidyl ether, 4-i-propylphenyl glycidyl ether, 2-biphenyl glycidyl ether, 4-biphenyl glycidyl ether, 1-naphthyl glycidyl ether, 2-naphthyl glycidyl ether, etc. are mentioned. These may be used alone or as a copolymer using a plurality of glycidyl ethers.

【0022】また、必要に応じて上記の芳香環を有する
グリシジルエーテルと芳香環を含まないエポキシ化合物
とを共重合してなるブロックの前駆体を用いることも可
能である。芳香環を含まないエポキシ化合物として例え
ば、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、1,2−
エポキシブタン、シクロヘキサンエポキシド、エピフロ
ロヒドリン、エピクロロヒドリン、エピブロモヒドリ
ン、トリフルオロプロピレンオキシド、メチルグリシジ
ルエーテル、エチルグリシジルエーテル、プロピルグリ
シジルエーテル、ブチルグリシジルエーテルなどが挙げ
られる。かかる共重合体をブロックの一成分として用い
る場合、エポキシ成分の比率が高い場合には全体の耐熱
性が低下するため、芳香環を有するグリシジルエーテル
成分は60重量%以上であることが好ましく、80重量
%以上であることがより好ましい。
If necessary, it is also possible to use a block precursor obtained by copolymerizing the above-mentioned glycidyl ether having an aromatic ring and an epoxy compound containing no aromatic ring. As the epoxy compound containing no aromatic ring, for example, ethylene oxide, propylene oxide, 1,2-
Epoxy butane, cyclohexane epoxide, epifluorohydrin, epichlorohydrin, epibromohydrin, trifluoropropylene oxide, methyl glycidyl ether, ethyl glycidyl ether, propyl glycidyl ether, butyl glycidyl ether and the like can be mentioned. When such a copolymer is used as one component of the block, the heat resistance of the whole is lowered when the ratio of the epoxy component is high. Therefore, the glycidyl ether component having an aromatic ring is preferably 60% by weight or more. It is more preferable that the content is at least wt%.

【0023】芳香環を有するグリシジルエーテルあるい
はこれと芳香環を含まないエポキシ化合物の開環重合に
関しては、数多くの方法が知られており、それら公知の
重合方法をいずれも用いることができる。一般式[2]
で表される繰り返し単位の数は、好ましくは2個〜20
0個であり、より好ましくは5個〜50個である。
A number of methods are known for ring-opening polymerization of glycidyl ether having an aromatic ring or an epoxy compound containing no aromatic ring, and any of these known polymerization methods can be used. General formula [2]
The number of repeating units represented by is preferably 2 to 20
The number is 0, and more preferably 5 to 50.

【0024】一方、前記のエポキシ樹脂からなるブロッ
クとは、分子内に1または2個以上のエポキシ基をもつ
樹脂(エポキシ樹脂)を前駆体とするブロックのことを
いう。ただし、エポキシ樹脂を前駆体とするものでなく
ても、結果としてその形態になっているブロックを含
む。エポキシ樹脂からなるブロックのなかで、主鎖に芳
香環を有するエポキシ樹脂からなるブロックがより好ま
しく、下記一般式[3]で表わされる繰返し単位を有す
るブロックであることがさらに好ましい。 [3] ここで式[3]中、Ar2は下記構造から選ばれる基を
表わす。 (上記式中、R3は、炭素数1から6のアルキル基、炭
素数1から6のアルコキシ基、またはフェニル基を表わ
し、dは0〜3の整数であり、eは0〜2の整数であ
る。R3が複数ある場合は、これらは同一でも異なって
いてもよい。Yは、−O−、−S−、炭素数1〜20の
アルキレン基、炭素数1〜10のハロゲン化アルキレン
基、または炭素数1〜20のアルキレンジオキシ基を表
わす。Zが複数ある場合は、これらは同一でも異なって
いてもよい。)
On the other hand, the block made of the above-mentioned epoxy resin means a block whose precursor is a resin (epoxy resin) having one or more epoxy groups in the molecule. However, even if the epoxy resin is not used as a precursor, a block in the form is included as a result. Among the blocks composed of an epoxy resin, a block composed of an epoxy resin having an aromatic ring in its main chain is more preferred, and a block having a repeating unit represented by the following general formula [3] is even more preferred. [3] In the formula [3], Ar 2 represents a group selected from the following structures. (In the above formula, R 3 represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms, or a phenyl group, d is an integer of 0 to 3, and e is an integer of 0 to 2. When there are a plurality of R 3 , these may be the same or different, Y is —O—, —S—, an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms, a halogenated alkylene having 1 to 10 carbon atoms. Represents a group or an alkylenedioxy group having 1 to 20 carbon atoms. When there are a plurality of Zs, these may be the same or different.)

【0025】一般式[3]で表わされる繰り返し単位を
有するエポキシ樹脂は、一般に公知のエポキシ樹脂の合
成方法により合成することができる。これには例えば、
HO−Ar2−OHで表わされるジオール化合物をアル
カリ存在下にエピクロロヒドリンと反応させる方法や、
ジオール化合物とジグリシジルエーテル化合物を反応さ
せる方法が挙げられる。
The epoxy resin having a repeating unit represented by the general formula [3] can be synthesized by a generally known method for synthesizing an epoxy resin. For example,
A method of reacting a diol compound represented by HO-Ar 2 -OH with epichlorohydrin in the presence of alkali,
A method of reacting a diol compound and a diglycidyl ether compound can be mentioned.

【0026】HO−Ar2−OHで表わされるジオール
化合物として、具体的には、ハイドロキノン、レゾルシ
ノール、カテコール、1,2−ジヒドロキシナフタレ
ン、1,4−ジヒドロキシナフタレン、1,5−ジヒド
ロキシナフタレン、2,6−ジヒドロキシナフタレン、
2,7−ジヒドロキシナフタレン、4,4’−ジヒドロ
キシビフェニル、2,4’−ジヒドロキシビフェニル、
2,2’−ジヒドロキシビフェニル、4,4’−ジヒド
ロキシジフェニルメタン、1,1−ビス(4−ヒドロキ
シフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフ
ェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェ
ニル)ブタン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニ
ル)シクロヘキサン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフ
ェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプ
ロパン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1
−フェニルエタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジ
フェニルメタン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニ
ル)フルオレン、α,α’−ビス(4−ヒドロキシフェ
ニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、4,4’−
ジヒドロキシジフェニルエーテル、2,2’−ジヒドロ
キシジフェニルエーテル、ビス(4−ヒドロキシフェニ
ル)スルフィド、ビス(2−ヒドロキシフェニル)スル
フィド、1,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタ
ン、1,2−ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)エタ
ン、1,2−ビス(3−ヒドロキシフェノキシ)エタ
ン、1,2−ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)プロパ
ン、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)プロパ
ン、1,4−ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)ブタ
ン、1,6−ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)ヘキサ
ン、ジエチレングリコールビス(4−ヒドロキシフェニ
ル)エーテル等が挙げられる。
Specific examples of the diol compound represented by HO-Ar 2 -OH include hydroquinone, resorcinol, catechol, 1,2-dihydroxynaphthalene, 1,4-dihydroxynaphthalene, 1,5-dihydroxynaphthalene, 2, 6-dihydroxynaphthalene,
2,7-dihydroxynaphthalene, 4,4'-dihydroxybiphenyl, 2,4'-dihydroxybiphenyl,
2,2'-dihydroxybiphenyl, 4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (4- Hydroxyphenyl) butane, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane, 1,1- Bis (4-hydroxyphenyl) -1
-Phenylethane, bis (4-hydroxyphenyl) diphenylmethane, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, α, α'-bis (4-hydroxyphenyl) -1,4-diisopropylbenzene, 4,4 ' −
Dihydroxydiphenyl ether, 2,2′-dihydroxydiphenyl ether, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, bis (2-hydroxyphenyl) sulfide, 1,2-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 1,2-bis (4- Hydroxyphenoxy) ethane, 1,2-bis (3-hydroxyphenoxy) ethane, 1,2-bis (4-hydroxyphenoxy) propane, 1,3-bis (4-hydroxyphenoxy) propane, 1,4-bis ( 4-hydroxyphenoxy) butane, 1,6-bis (4-hydroxyphenoxy) hexane, diethylene glycol bis (4-hydroxyphenyl) ether and the like can be mentioned.

【0027】一般式[3]で表わされる繰り返し単位を
有するエポキシ樹脂からなるブロックを構成する繰り返
し単位の数は、好ましくは2個〜200個であり、より
好ましくは4個〜50個である。
The number of repeating units constituting a block made of an epoxy resin having a repeating unit represented by the general formula [3] is preferably 2 to 200, more preferably 4 to 50.

【0028】本発明における高分子電解質は、スルホン
酸基が導入された上記のようなブロックおよびスルホン
酸基が実質的に導入されていないブロックをそれぞれ一
つ以上有するものであるが、スルホン酸基が実質的に導
入されていないブロックとしては、一般式[4]で表わ
される繰り返し単位を有する芳香族ポリエーテルからな
るブロックであることが耐熱性が高いので好ましい。
The polyelectrolyte in the present invention has one or more blocks each having a sulfonic acid group introduced therein and one block having substantially no sulfonic acid group introduced therein. As the block in which is not substantially introduced, a block made of an aromatic polyether having a repeating unit represented by the general formula [4] is preferable because it has high heat resistance.

【0029】 [4] 一般式[4]において、R4は、炭素数1から6のアル
キル基を表わし、fは0〜4の整数である。 R4が複
数ある場合はこれらは同一でも異なっていてもよい。Z
は−CO−または−SO2−を表わす。具体的には、ポ
リエーテルケトンからなるブロック、ポリエーテルスル
ホンからなるブロック等が挙げられる
[0029] [4] In the general formula [4], R 4 represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and f is an integer of 0 to 4. When there are a plurality of R 4's, these may be the same or different. Z
It is -CO- or -SO 2 - represent. Specific examples include blocks made of polyetherketone and blocks made of polyethersulfone.

【0030】中でも、一般式[4]においてZが−SO
2−であるポリエーテルスルホンが、溶媒に対する溶解
性が高くより好ましい。一般式[4]で示されるブロッ
クの前駆体の一例である、ポリエーテルスルホンは、例
えば、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホンと
4,4’−ジクロロジフェニルスルホンとを重縮合して
合成することができる。ポリエーテルスルホンからなる
ブロックの前駆体の重量平均分子量は2000〜500
000が好ましく、より好ましくは2000〜5000
00であり、さらに好ましくは、8000〜10000
0であり、特に好ましくは8000〜100000のも
のが用いられる。分子量が2000より小さいと共重合
体のフィルム強度や耐熱性が低下する場合があり、分子
量が500000より大きいと溶解性が低下する場合が
ある。
Among them, Z in the general formula [4] is --SO.
A 2- polyether sulfone is more preferable because it has high solubility in a solvent. Polyethersulfone, which is an example of the precursor of the block represented by the general formula [4], is synthesized by, for example, polycondensing 4,4′-dihydroxydiphenylsulfone and 4,4′-dichlorodiphenylsulfone. You can The weight average molecular weight of the block precursor composed of polyethersulfone is 2000 to 500.
000 is preferable, and more preferably 2000-5000.
00, and more preferably 8000 to 10000
It is 0, and particularly preferably 8000 to 100,000 is used. When the molecular weight is less than 2000, the film strength and heat resistance of the copolymer may be lowered, and when the molecular weight is more than 500000, the solubility may be lowered.

【0031】次に、本発明における高分子電解質の製造
方法について説明する。2種以上のブロックの前駆体を
化学結合させてブロック共重合体を製造する方法には特
に制限はなく、それぞれのブロックの組合せに応じた適
切な公知の方法を用いることができる。
Next, the method for producing the polymer electrolyte according to the present invention will be described. The method for producing a block copolymer by chemically bonding two or more kinds of block precursors is not particularly limited, and a suitable known method can be used depending on the combination of the respective blocks.

【0032】例えば、一般式[1]で示されるブロック
の前駆体の一例であるポリ(フェニレンエーテル)と、
一般式[4]で示されるブロックの前駆体の一例である
ポリエーテルスルホンとを結合させる場合、末端に水酸
基が残存したポリ(フェニレンエーテル)と末端にハロ
ゲンが残存したポリエーテルスルホンとをアルカリ存在
下に縮合する方法が挙げられる。また、末端に水酸基が
残存したポリ(フェニレンエーテル)と末端に水酸基が
残存したポリエーテルスルホンとを結合させる場合は、
4,4’−ジフルオロベンゾフェノンまたは4,4’−
ジクロロジフェニルスルホン等のジハロゲン化合物を連
結剤として用い、同様の縮合反応で結合させることもで
きる。
For example, poly (phenylene ether), which is an example of the precursor of the block represented by the general formula [1],
When a polyether sulfone, which is an example of the precursor of the block represented by the general formula [4], is bonded, a poly (phenylene ether) having a hydroxyl group remaining at the terminal and a polyether sulfone having a halogen remaining at the terminal are present in an alkali. The method of condensing below is mentioned. Further, in the case of binding a poly (phenylene ether) having a hydroxyl group remaining at the terminal and a polyether sulfone having a hydroxyl group remaining at the terminal,
4,4'-difluorobenzophenone or 4,4'-
It is also possible to use a dihalogen compound such as dichlorodiphenyl sulfone as a linking agent and bond them by the same condensation reaction.

【0033】一方、一般式[2]で示されるブロックの
前駆体の一例であるポリ(フェニルグリシジルエーテ
ル)と、一般式[4]で示されるブロックの前駆体の一
例であるポリエーテルスルホンとを結合させる場合、末
端に水酸基を有するポリエーテルスルホンの末端水酸基
をアルカリ金属フェノラートに変換し、これを重合開始
点として芳香環を含むグリシジルエーテルの開環重合を
行い、引き続いてスルホン化を行うことにより合成する
ことができる。
On the other hand, poly (phenylglycidyl ether) which is an example of the precursor of the block represented by the general formula [2] and polyether sulfone which is an example of the precursor of the block represented by the general formula [4] are prepared. When binding, by converting the terminal hydroxyl group of the polyethersulfone having a hydroxyl group at the terminal to an alkali metal phenolate, ring-opening polymerization of a glycidyl ether containing an aromatic ring as a polymerization initiation point is performed, and then sulfonation is performed. Can be synthesized.

【0034】また、エピクロロヒドリン等のブロック化
反応に使用できるハロゲンを含むグリシジルエーテルを
フェニルグリシジルエーテルと共重合したブロックの前
駆体をまず合成し、これと末端に水酸基が残存したポリ
エーテルスルホンとをアルカリ存在下に縮合する方法等
が例示される。
Further, a block precursor obtained by copolymerizing a halogen-containing glycidyl ether, which can be used in a blocking reaction such as epichlorohydrin, with phenylglycidyl ether was first synthesized, and then polyether sulfone having a hydroxyl group remaining at the terminal was synthesized. Examples thereof include a method of condensing and in the presence of an alkali.

【0035】さらに、一般式[3]で示されるブロック
の前駆体の一例であるエポキシ樹脂と、一般式[4]で
示されるブロックの前駆体の一例であるポリエーテルス
ルホンとを結合させる場合、エポキシ樹脂の末端に残存
するグリシジル基をポリエーテルスルホンの末端に残存
する水酸基に開環付加させて結合させる方法が挙げられ
る。
Further, when an epoxy resin, which is an example of the precursor of the block represented by the general formula [3], and a polyether sulfone which is an example of the precursor of the block represented by the general formula [4] are combined, There may be mentioned a method in which the glycidyl group remaining at the terminal of the epoxy resin is ring-opened and added to the hydroxyl group remaining at the terminal of the polyether sulfone to bond it.

【0036】ブロックの前駆体の一つとしてポリエーテ
ルスルホンを用いる場合、ブロック共重合反応は、溶媒
を用いない溶融状態でも行うことは可能であるが、適当
な溶媒中で行うことが好ましい。溶媒としては、芳香族
炭化水素系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、アミ
ド系溶媒、スルホン系溶媒、スルホキシド系溶媒などを
用いることが出来るが、溶解性が高いことからアミド系
溶媒が好ましい。ここで、アミド系溶媒としては、N,
N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトア
ミド、N−メチルピロリドン等が挙げられる。ブロック
共重合反応の反応温度は20℃〜250℃が好ましく、
より好ましくは50℃〜200℃である。
When polyethersulfone is used as one of the block precursors, the block copolymerization reaction can be carried out in a molten state without using a solvent, but is preferably carried out in a suitable solvent. As the solvent, aromatic hydrocarbon solvents, ether solvents, ketone solvents, amide solvents, sulfone solvents, sulfoxide solvents and the like can be used, but amide solvents are preferable because of high solubility. Here, as the amide solvent, N,
Examples include N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone and the like. The reaction temperature of the block copolymerization reaction is preferably 20 ° C to 250 ° C,
More preferably, it is 50 ° C to 200 ° C.

【0037】本発明に用いるブロック共重合体において
スルホン酸基が実質的に導入されていないブロックがブ
ロック共重合体全体に対して60〜95重量%であるこ
とが好ましく、70〜90重量%であることがさらに好
ましい。スルホン酸基が実質的に導入されていないブロ
ックが95重量%より多い場合は、スルホン酸基導入後
のブロック共重合体中のスルホン酸当量が小さいために
十分な高分子電解質としての性能が得られない場合があ
り、また、60重量%より少ない場合はスルホン酸基導
入後のブロック共重合体の耐水性が低下する場合があ
る。
In the block copolymer used in the present invention, it is preferable that the block in which the sulfonic acid group is not substantially introduced is 60 to 95% by weight, and 70 to 90% by weight based on the whole block copolymer. It is more preferable that there is. If the block in which the sulfonic acid group is not substantially introduced is more than 95% by weight, sufficient performance as a polymer electrolyte is obtained because the sulfonic acid equivalent in the block copolymer after introducing the sulfonic acid group is small. If it is less than 60% by weight, the water resistance of the block copolymer after introduction of the sulfonic acid group may decrease.

【0038】本発明に用いるブロック共重合体におい
て、特定のブロックにスルホン酸基を導入する方法は特
に限定されないが、(a)スルホン酸基があらかじめ導
入されたブロックの前駆体とスルホン酸基が実質的に導
入されていないブロックの前駆体とを共重合させる方
法、(b)スルホン酸基が導入されるブロックとスルホ
ン酸基が実質的に導入されていないブロックからなる共
重合体を製造し、該共重合体の、スルホン酸基が導入さ
れるブロックにスルホン酸を選択的に導入する方法等が
あげられる。スルホン酸基が導入されたブロックの前駆
体は、該スルホン酸基が共重合反応を阻害する場合があ
るので、上記(b)の方法が好ましい。上記(a)の方
法において、スルホン酸基が導入されたブロックの前駆
体は、例えば、ブロックの前駆体をスルホン化すること
により製造できる。スルホン化剤としては、濃度が90
%以上の硫酸、発煙硫酸、クロロスルホン酸、SO3
どの公知のスルホン化剤を用いることができる。
In the block copolymer used in the present invention, the method of introducing the sulfonic acid group into a specific block is not particularly limited, but (a) the block precursor in which the sulfonic acid group is previously introduced and the sulfonic acid group are A method of copolymerizing a precursor of a block into which substantially no sulfonic acid groups have been introduced, and (b) a copolymer comprising a block into which sulfonic acid groups have been introduced and a block into which sulfonic acid groups have not been substantially introduced. , A method of selectively introducing sulfonic acid into a block of the copolymer into which a sulfonic acid group is introduced. In the block precursor into which the sulfonic acid group has been introduced, the method (b) is preferable because the sulfonic acid group may inhibit the copolymerization reaction. In the method (a), the block precursor having a sulfonic acid group introduced therein can be produced, for example, by sulfonation of the block precursor. As a sulfonating agent, the concentration is 90
A known sulfonating agent such as sulfuric acid, fuming sulfuric acid, chlorosulfonic acid, or SO 3 can be used in an amount of at least%.

【0039】上記(b)の方法で、共重合体にスルホン
酸基を選択的に導入する方法としては、(c)スルホン
酸基が導入されるブロックに存在し、スルホン酸基が実
質的に導入されていないブロックには存在しない官能基
を利用することができる。また他の方法としては、
(d)スルホン酸基が導入されるブロックと、スルホン
酸基が実質的に導入されていないブロックとのスルホン
化反応に対する反応性の相違を利用することが考えられ
る。
As a method for selectively introducing a sulfonic acid group into the copolymer by the method (b), (c) the sulfonic acid group is present in the block into which the sulfonic acid group is introduced, and the sulfonic acid group is substantially present. Functional groups that are not present in the unintroduced block can be utilized. As another method,
(D) It is considered to utilize the difference in reactivity for the sulfonation reaction between the block into which the sulfonic acid group is introduced and the block into which the sulfonic acid group is not substantially introduced.

【0040】上記(d)の方法の例として、本発明
(2)の、一般式[1]、[2]、または[3]で表わ
される繰り返し単位を有するブロックの前駆体と、一般
式[4]で表される繰り返し単位を有するブロックの前
駆体とを反応させてブロック共重合体を製造し、その後
該共重合体をスルホン化する工程を含む高分子電解質の
製造方法が挙げられる。例えば、硫酸をスルホン化剤と
する芳香環のスルホン化反応においては、一般式[4]
で表わされる繰り返し単位を有するブロックの芳香環
は、一般式[1]、[2]または[3]で表わされる繰
り返し単位を有するブロックの芳香環と比較して反応性
が低いことが知られている。従って、一般式[4]で表
わされる繰り返し単位を有するブロックの前駆体と、一
般式[1]、[2]、または[3]で表わされる繰り返
し単位を有するブロックの前駆体とを反応させて得られ
るブロック共重合体を適当な条件下で硫酸でスルホン化
することにより一般式[1]、[2]、または[3]で
表わされる繰り返し単位を有するブロックに選択的にス
ルホン酸基が導入され、一般式[4]で示されるブロッ
クには実質的にスルホン酸基が導入されていないブロッ
ク共重合体を製造することができる。
As an example of the method (d), a block precursor having a repeating unit represented by the general formula [1], [2] or [3] of the present invention (2) and a general formula [ 4] and a precursor of a block having a repeating unit represented by the formula [4] to produce a block copolymer, and then sulfonate the copolymer to produce a polymer electrolyte. For example, in the sulfonation reaction of an aromatic ring using sulfuric acid as a sulfonating agent, a compound of the general formula [4]
It is known that the aromatic ring of the block having the repeating unit represented by is less reactive than the aromatic ring of the block having the repeating unit represented by the general formula [1], [2] or [3]. There is. Therefore, the precursor of the block having the repeating unit represented by the general formula [4] is reacted with the precursor of the block having the repeating unit represented by the general formula [1], [2], or [3]. The resulting block copolymer is sulfonated with sulfuric acid under appropriate conditions to selectively introduce a sulfonic acid group into a block having a repeating unit represented by the general formula [1], [2], or [3]. It is possible to produce a block copolymer in which a sulfonic acid group is not substantially introduced into the block represented by the general formula [4].

【0041】スルホン化(スルホン酸基を導入)する工
程において、スルホン化剤としては、濃度が90%以上
の硫酸、発煙硫酸、クロロスルホン酸、またはSO3
どの公知のスルホン化剤を用いることができる。これら
の中で、濃度が90%以上の硫酸が好ましく、濃度94
〜99重量%の硫酸がより好ましい。なお、ブロック共
重合体のスルホン化反応が均一系にて進行するように、
スルホン化反応に関与しない有機溶媒を硫酸とともに少
量添加してもよい。これらの有機溶媒は上記に記した硫
酸の重量%値には含めていない。
In the step of sulfonation (introducing a sulfonic acid group), a known sulfonating agent such as sulfuric acid, fuming sulfuric acid, chlorosulfonic acid, or SO 3 having a concentration of 90% or more is used as the sulfonating agent. You can Among these, sulfuric acid having a concentration of 90% or more is preferable,
More preferred is 99 wt% sulfuric acid. In order that the sulfonation reaction of the block copolymer proceeds in a homogeneous system,
A small amount of an organic solvent that does not participate in the sulfonation reaction may be added together with sulfuric acid. These organic solvents are not included in the weight percent values for sulfuric acid noted above.

【0042】ブロック共重合体の硫酸への溶解とスルホ
ン化は同時に進行し、室温では通常2〜20時間で反応
が完了して均一な溶液になる。スルホン化されたブロッ
ク共重合体は、硫酸溶液を大量の水に注いで回収するこ
とができる。硫酸に対するブロック共重合体の濃度は、
好ましくは1〜50重量%、より好ましくは5〜30重
量%である。また、反応温度は0℃〜80℃が好まし
く、より好ましくは20℃〜40℃である。
Dissolution of the block copolymer in sulfuric acid and sulfonation proceed simultaneously, and the reaction is usually completed in 2 to 20 hours at room temperature to form a uniform solution. The sulfonated block copolymer can be recovered by pouring a sulfuric acid solution into a large amount of water. The concentration of the block copolymer with respect to sulfuric acid is
It is preferably 1 to 50% by weight, more preferably 5 to 30% by weight. The reaction temperature is preferably 0 ° C to 80 ° C, more preferably 20 ° C to 40 ° C.

【0043】かくして、高分子電解質が製造されるが、
本発明における高分子電解質は、通常の高分子に使用さ
れる可塑剤、安定剤、離型剤、等の添加剤を本発明の目
的に反しない範囲内で含有することもできる。また本発
明における高分子電解質は、分子間架橋構造を本発明の
目的に反しない範囲内で導入したものであっても良い。
Thus, the polymer electrolyte is produced,
The polyelectrolyte in the present invention may also contain additives such as plasticizers, stabilizers, release agents and the like used for ordinary polymers within the range not deviating from the object of the present invention. Further, the polymer electrolyte in the present invention may have an intermolecular crosslinked structure introduced within a range not deviating from the object of the present invention.

【0044】なお、一般式[1]〜[4]で表わされる
繰り返し単位を有するブロックの前駆体は、いずれも既
に合成技術が確立され、大量に使用されている安価な材
料である。これを原料として合成され、さらにスルホン
化された共重合体もまた、ナフィオン等のフッ素系の材
料と比較すると非常に安価である。
The precursors of the blocks having the repeating units represented by the general formulas [1] to [4] are inexpensive materials which have been already used in large amounts and have already been prepared by synthetic techniques. A copolymer synthesized using this as a raw material and further sulfonated is also very inexpensive as compared with a fluorine-based material such as Nafion.

【0045】本発明の高分子電解質膜は、上記のような
ブロック共重合体を含む高分子電解質と、多孔膜とを複
合化してなることを特徴とするものである。ここで、本
発明で使用する多孔膜は、高分子電解質を含浸させる母
材となるものであり、高分子電解質の強度や柔軟性、耐
久性のさらなる向上のために使用される。そのため、上
記使用目的を満たすものであればその形状や材質によら
ず用いる事ができるが、固体高分子電解質型燃料電池の
隔膜として良好に使用することを念頭に置いた場合、多
孔膜の形状としては膜厚1〜100μm、好ましくは3
〜30μm、さらに好ましくは5〜20μm、孔径は
0.01〜10μm、好ましくは0.02〜7μm、空
隙率は20〜98%、好ましくは30〜95%である。
多孔膜の膜厚が薄すぎると複合化後の強度補強の効果あ
るいは、柔軟性や耐久性を付与するといった補強効果が
不十分となり、ガス漏れ(クロスリーク)が発生しやす
くなる。膜厚が厚すぎると電気抵抗が高くなり、得られ
た複合膜が固体高分子型燃料電池の隔膜として好ましく
ない。一方、孔径が小さすぎると高分子固体電解質の含
浸が非常に困難となり、大きすぎると高分子固体電解質
への補強効果が弱くなる。空隙率が小さすぎると固体電
解質膜としての抵抗が大きくなり、大きすぎると一般に
多孔膜自体の強度が弱くなり補強効果が得られない。ま
た、多孔膜の材質としては、耐熱性の観点や、物理的強
度の補強効果を鑑みれば、脂肪族系高分子または、含フ
ッ素高分子が好ましい。
The polymer electrolyte membrane of the present invention is characterized in that the polymer electrolyte containing the above block copolymer and the porous membrane are combined. Here, the porous membrane used in the present invention serves as a base material for impregnating the polymer electrolyte, and is used for further improving the strength, flexibility and durability of the polymer electrolyte. Therefore, it can be used regardless of its shape or material as long as it meets the above purpose of use, but in consideration of good use as a membrane of a solid polymer electrolyte fuel cell, the shape of the porous membrane Has a film thickness of 1 to 100 μm, preferably 3
˜30 μm, more preferably 5 to 20 μm, pore size 0.01 to 10 μm, preferably 0.02 to 7 μm, and porosity 20 to 98%, preferably 30 to 95%.
If the thickness of the porous film is too thin, the effect of reinforcing the strength after compounding or the reinforcing effect of imparting flexibility and durability becomes insufficient, and gas leakage (cross leak) easily occurs. If the film thickness is too thick, the electric resistance will be high, and the obtained composite membrane is not preferable as a diaphragm for a polymer electrolyte fuel cell. On the other hand, if the pore size is too small, impregnation with the polymer solid electrolyte becomes very difficult, and if it is too large, the reinforcing effect on the polymer solid electrolyte becomes weak. If the porosity is too small, the resistance as a solid electrolyte membrane increases, and if it is too large, the strength of the porous membrane itself generally weakens and the reinforcing effect cannot be obtained. In addition, as the material of the porous film, an aliphatic polymer or a fluorine-containing polymer is preferable from the viewpoint of heat resistance and the effect of reinforcing physical strength.

【0046】ここで、好適に使用できる脂肪族系高分子
としてはポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プ
ロピレン共重合体等が挙げられるが、これらに限定され
るものではない。なおここで言うポリエチレンはポリエ
チレンの結晶構造を有するエチレン系のポリマーであ
り、例えばエチレンと他のモノマーとの共重合体をも含
み、具体的には直鎖状低密度ポリエチレン(LLDP
E)と称されるエチレンとα−オレフィンとの共重合体
などを含む。またここでいうポリプロピレンはポリプロ
ピレンの結晶構造を有するプロピレン系のポリマーであ
り、一般に使用されているプロピレン系ブロック共重合
体、ランダム共重合体など(これらはエチレンや1−ブ
テンなどとの共重合体である)を含むものである。
Here, examples of the aliphatic polymer that can be preferably used include polyethylene, polypropylene, and ethylene-propylene copolymer, but are not limited thereto. The polyethylene referred to here is an ethylene-based polymer having a crystal structure of polyethylene, and includes, for example, a copolymer of ethylene and another monomer, and is specifically a linear low-density polyethylene (LLDP).
E), a copolymer of ethylene and an α-olefin, and the like are included. The polypropylene referred to here is a propylene-based polymer having a polypropylene crystal structure, and is a commonly used propylene-based block copolymer, random copolymer, etc. (These are copolymers with ethylene, 1-butene, etc. Is included).

【0047】また、含フッ素高分子とは、分子内に炭素
−フッ素結合を少なくとも1個有する公知の熱可塑性樹
脂が制限なく使用される。通常は、脂肪族系高分子の水
素原子のすべてまたは大部分がフッ素原子によって置換
された構造のものが好適に使用される。
As the fluorine-containing polymer, a known thermoplastic resin having at least one carbon-fluorine bond in the molecule is used without limitation. Usually, an aliphatic polymer having a structure in which all or most of the hydrogen atoms are replaced by fluorine atoms is preferably used.

【0048】好適に使用できるフッ素系樹脂を例示すれ
ば、ポリトリフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエ
チレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリ(テト
ラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン)、ポ
リ(テトラフルオロエチレン−ペルフルオロアルキルエ
ーテル)、ポリフッ化ビニリデン等が挙げられるが、こ
れらに限定されるものではない。このうち、本発明で
は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ(テトラフルオ
ロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン)が好ましく、
特にポリテトラフルオロエチレンが好ましい。また、こ
れらのフッ素系樹脂は、機械的強度の良好さから平均分
子量が10万以上のものが好ましい。
Examples of suitable fluorine-based resins are polytrifluoroethylene, polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, poly (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene), poly (tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl). Ether), polyvinylidene fluoride and the like, but are not limited thereto. Of these, in the present invention, polytetrafluoroethylene and poly (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene) are preferable,
Polytetrafluoroethylene is particularly preferable. Further, these fluororesins preferably have an average molecular weight of 100,000 or more in terms of good mechanical strength.

【0049】本発明の高分子電解質膜は、上記高分子電
解質と上記多孔膜とを複合化してなる高分子電解質膜で
ある。その複合化方法に特に限定はないが、例えば、高
分子電解質溶液中に多孔膜を含浸し、多孔膜を取り出し
た後に溶媒を乾燥させて複合膜を得る方法や、高分子電
解質溶液を多孔膜に塗布し、溶媒を乾燥させて複合膜を
得る方法、多孔膜に減圧下で高分子電解質溶液を接触さ
せ、その後常圧に戻すことにより溶液を多孔膜空孔内に
含浸させ、溶媒を乾燥させて複合膜を得る方法等が挙げ
られる。
The polymer electrolyte membrane of the present invention is a polymer electrolyte membrane obtained by combining the above-mentioned polymer electrolyte and the above-mentioned porous membrane. The composite method is not particularly limited, for example, a method of obtaining a composite membrane by impregnating a porous membrane in a polymer electrolyte solution, taking out the porous membrane and then drying the solvent, or a polymer electrolyte solution in the porous membrane. To obtain a composite membrane by drying the solvent, contacting the polymer electrolyte solution with the porous membrane under reduced pressure, and then returning to normal pressure to impregnate the solution into the pores of the porous membrane and dry the solvent. And a method for obtaining a composite membrane.

【0050】高分子電解質溶液を調整する際に用いられ
る溶媒は、高分子電解質を溶解可能であり、その後に除
去し得るものであるならば特に制限はなく、例えばN,
N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトア
ミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキ
シド等の非プロトン性極性溶媒、、ジクロロメタン、ク
ロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼ
ン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶媒、メタノール、エ
タノール、プロパノール等のアルコール類、エチレング
リコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノ
エチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエー
テル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のア
ルキレングリコールモノアルキルエーテルが好適に用い
られる。これらは単独で用いることもできるが、必要に
応じて2種以上の溶媒を混合して用いることもできる。
中でも、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメ
チルアセトアミド、N−メチルピロリドン、ジメチルス
ルホキシドがポリマーの溶解性が高く好ましい。
The solvent used for preparing the polymer electrolyte solution is not particularly limited as long as it can dissolve the polymer electrolyte and can be removed thereafter. For example, N,
Aprotic polar solvents such as N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone and dimethylsulfoxide, and chlorine-based solvents such as dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene and dichlorobenzene. Alcohols such as methanol, ethanol and propanol, and alkylene glycol monoalkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether and propylene glycol monoethyl ether are preferably used. These may be used alone, or may be used as a mixture of two or more kinds of solvents, if necessary.
Among them, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, and dimethylsulfoxide are preferable because they have high polymer solubility.

【0051】本発明の高分子電解質と多孔膜とを複合化
してなる高分子電解質膜は、高分子電解質の強度や柔軟
性、耐久性が改良されており、固体高分子電解質型燃料
電池の隔膜として良好に使用され得る。
The polymer electrolyte membrane of the present invention, which is a composite of a polymer electrolyte and a porous membrane, has improved strength, flexibility and durability of the polymer electrolyte, and is a membrane of a solid polymer electrolyte fuel cell. Can be used as well.

【0052】本発明の高分子電解質膜を燃料電池に使用
する際、高分子電解質膜の厚みに特に制限はないが、3
〜200μmが好ましく、4〜100μmがより好まし
く、5〜50μmがさらに好ましい。高分子電解質膜の
膜厚が薄すぎると実用に耐える膜強度が得られず、膜厚
が厚すぎると電気抵抗が高くなり、固体高分子型燃料電
池の隔膜として好ましくない。膜厚は多孔膜の厚み、高
分子電解質溶液濃度あるいは、高分子電解質溶液の多孔
膜への塗布厚を適切に選択する事により制御できる。
When the polymer electrolyte membrane of the present invention is used in a fuel cell, the thickness of the polymer electrolyte membrane is not particularly limited, but 3
-200 micrometers is preferable, 4-100 micrometers is more preferable, 5-50 micrometers is still more preferable. If the film thickness of the polymer electrolyte membrane is too thin, the film strength for practical use cannot be obtained, and if the film thickness is too thick, the electrical resistance becomes high, which is not preferable as a membrane for a polymer electrolyte fuel cell. The film thickness can be controlled by appropriately selecting the thickness of the porous membrane, the concentration of the polymer electrolyte solution, or the coating thickness of the polymer electrolyte solution on the porous membrane.

【0053】次に本発明の燃料電池について説明する。
本発明の燃料電池は、本発明により提供される高分子電
解質膜を用いてなるものであり、上記高分子電解質膜の
両面に、触媒および集電体としての導電性物質を接合す
ることにより製造することができる。該触媒としては、
水素または酸素との酸化還元反応を活性化できるもので
あれば特に制限はなく、公知のものを用いることができ
るが、白金の微粒子を用いることが好ましい。白金の微
粒子は活性炭や黒鉛などの粒子状または繊維状のカーボ
ンに担持されて用いることが好ましい。集電体としての
導電性物質に関しても公知の材料を用いることができる
が、多孔質性のカーボン織布またはカーボンペーパー
が、原料ガスを触媒へ効率的に輸送するために好まし
い。多孔質性のカーボン織布またはカーボンペーパーに
白金微粒子または白金微粒子を担持したカーボンを接合
させる方法、およびそれを高分子電解質フィルムと接合
させる方法については、例えば、J. Electro
chem. Soc.: Electrochemic
al Science and Technolog
y, 1988, 135(9), 2209 に記載
されている方法等の公知の方法を用いることができる。
Next, the fuel cell of the present invention will be described.
The fuel cell of the present invention comprises the polymer electrolyte membrane provided by the present invention, and is produced by bonding a conductive substance as a catalyst and a current collector to both surfaces of the polymer electrolyte membrane. can do. As the catalyst,
There is no particular limitation as long as it can activate the redox reaction with hydrogen or oxygen, and known materials can be used, but it is preferable to use platinum fine particles. The platinum fine particles are preferably used by being supported on a particulate or fibrous carbon such as activated carbon or graphite. Known materials can be used for the conductive substance as the current collector, but porous carbon woven cloth or carbon paper is preferable for efficiently transporting the raw material gas to the catalyst. For the method of joining platinum fine particles or carbon carrying platinum fine particles to a porous carbon woven cloth or carbon paper, and the method of joining it to a polymer electrolyte film, see, for example, J. Electro
chem. Soc. : Electrochemical
al Science and Technology
y, 1988, 135 (9), 2209 and other known methods can be used.

【0054】[0054]

【実施例】以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、
本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものでは
ない。
The present invention will be described below with reference to examples.
The present invention is not limited to these examples.

【0055】製造例1 高分子電解質(P1)の製造例 無水塩化第一銅99mgと2−メチルベンズオキサゾー
ル266mgをトルエン1ml中で大気下室温で15分
撹拌した。これに2−フェニルフェノール8.5gとト
ルエン30mlを加え、酸素雰囲気下50℃で5時間撹
拌した。反応終了後、塩酸を含むメタノール中に注いで
ポリマーを析出させ、ろ過、乾燥してポリ(2−フェニ
ルフェニレンエーテル)(以下PE1と呼ぶ)を得た。
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、スミカエクセルPE
S5003P(住友化学工業製、水酸基末端ポリエーテ
ルスルホン)を3.0g、PE1を0.75g、炭酸カ
リウム0.04g、N,N−ジメチルアセトアミド(以
下DMAcと呼ぶ)15mlおよびトルエン3mlを加
え、加熱撹拌してトルエンと水の共沸条件下にて脱水
後、トルエンを蒸留除去した。ここに4,4’−ジフル
オロベンゾフェノン0.05gを添加し、160℃にて
5時間加熱攪拌した。反応液を大量の塩酸酸性メタノー
ルに滴下し、得られた沈殿物をろ過回収し、80℃にて
減圧乾燥して3.8gのブロック共重合体を得た。
Production Example 1 Production Example of Polymer Electrolyte (P1) 99 mg of anhydrous cuprous chloride and 266 mg of 2-methylbenzoxazole were stirred in 1 ml of toluene at room temperature in the air for 15 minutes. To this, 8.5 g of 2-phenylphenol and 30 ml of toluene were added, and the mixture was stirred at 50 ° C. for 5 hours in an oxygen atmosphere. After the reaction was completed, it was poured into methanol containing hydrochloric acid to precipitate a polymer, which was filtered and dried to obtain poly (2-phenylphenylene ether) (hereinafter referred to as PE1).
Add Sumika Excel PE to a flask equipped with an azeotropic distillation unit.
Add 3.0 g of S5003P (Sumitomo Chemical Co., Ltd. hydroxyl group terminated polyether sulfone), 0.75 g of PE1, 0.04 g of potassium carbonate, 15 ml of N, N-dimethylacetamide (hereinafter referred to as DMAc) and 3 ml of toluene, and heat. After stirring and dehydration under the azeotropic condition of toluene and water, toluene was distilled off. 0.05 g of 4,4'-difluorobenzophenone was added thereto, and the mixture was heated and stirred at 160 ° C for 5 hours. The reaction solution was added dropwise to a large amount of hydrochloric acid-acidic methanol, and the obtained precipitate was collected by filtration and dried under reduced pressure at 80 ° C. to obtain 3.8 g of a block copolymer.

【0056】得られたブロック共重合体2gを98%硫
酸20mlとともに室温下にて攪拌し、均一溶液とした
後さらに2時間攪拌を継続した。得られた溶液を大量の
氷水中に滴下し、得られた沈殿物をろ過回収した。さら
に洗液が中性になるまでイオン交換水によるミキサー洗
浄繰返した後、40℃にて減圧乾燥してスルホン化した
ブロック共重合体を得た。以下、概高分子電解質を(P
1)と略記する事がある。
2 g of the obtained block copolymer was stirred with 20 ml of 98% sulfuric acid at room temperature to form a uniform solution, and the stirring was continued for another 2 hours. The obtained solution was dropped into a large amount of ice water, and the obtained precipitate was collected by filtration. Further, the mixer was repeatedly washed with ion-exchanged water until the washing liquid became neutral, and then dried under reduced pressure at 40 ° C. to obtain a sulfonated block copolymer. Hereinafter, the polyelectrolyte (P
It may be abbreviated as 1).

【0057】製造例2 高分子電解質(P2)の製造例 製造例1と同様の触媒を用い、溶媒にクロロベンゼンを
用いて2−フェニルフェノール12.25gと4,4’
−ジヒドロキシビフェニル1.49gをモノマーとして
酸化重合させることにより、両末端水酸基のポリ(2−
フェニルフェニレンエーテル)(以下PE2と呼ぶ)を
得た。共沸蒸留装置を備えたフラスコに、スミカエクセ
ルPES5003Pを50g、炭酸カリウム0.36
g、DMAc180mlおよびトルエン25mlを添加
した。系内を窒素置換し、トルエンと水の共沸条件下に
て2時間加熱攪拌して脱水した後、トルエンを蒸留除去
した。ここに4,4’−ジフロロベンゾフェノン9.5
gを添加し、160℃にて5時間加熱攪拌した。反応液
を大量のメタノールに滴下し、生成した沈殿物をろ過回
収した。得られた沈殿物を加熱還流下の大量のアセトン
により5時間攪拌洗浄した後、アセトンより取り出し、
80℃にて減圧乾燥して45gの鎖末端フッ素化ポリエ
ーテルスルホンを得た。
Production Example 2 Production Example of Polymer Electrolyte (P2) Using the same catalyst as in Production Example 1 and using chlorobenzene as a solvent, 12.25 g of 2-phenylphenol and 4,4 ′ were prepared.
-Oxidative polymerization of 1.49 g of dihydroxybiphenyl as a monomer to give poly (2-
Phenylphenylene ether) (hereinafter referred to as PE2) was obtained. In a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, 50 g of Sumika Excel PES5003P and 0.36 of potassium carbonate were added.
g, 180 ml of DMAc and 25 ml of toluene were added. The system was replaced with nitrogen, and the mixture was heated and stirred for 2 hours under the azeotropic condition of toluene and water for dehydration, and then toluene was distilled off. Here, 4,4'-difluorobenzophenone 9.5
g was added, and the mixture was heated with stirring at 160 ° C. for 5 hours. The reaction solution was added dropwise to a large amount of methanol, and the produced precipitate was collected by filtration. The resulting precipitate was washed with a large amount of acetone under heating under reflux with stirring for 5 hours, and then taken out from acetone,
After drying under reduced pressure at 80 ° C., 45 g of chain-end fluorinated polyether sulfone was obtained.

【0058】共沸蒸留装置を備えたフラスコに、0.7
5gのPE2、炭酸カリウム0.03g、DMAc15
mlおよびトルエン3mlを添加した。トルエンと水の
共沸条件下にて脱水後、トルエンを蒸留除去した。ここ
に上で得た鎖末端フッ素化ポリエーテルスルホン3gを
添加し、160℃にて5時間加熱攪拌した。反応液を大
量の塩酸酸性メタノールに滴下し、得られた沈殿物をろ
過回収し、40℃にて減圧乾燥して3.6gのブロック
共重合体を得た。得られたブロック共重合体を実施例1
と同様にして98%硫酸を用いてスルホン化を行い、ス
ルホン化したブロック共重合体を得た。以下、概高分子
電解質を(P2)と略記する事がある。
A flask equipped with an azeotropic distillation apparatus was charged with 0.7
5 g PE2, potassium carbonate 0.03 g, DMAc15
ml and 3 ml of toluene were added. After dehydration under the azeotropic condition of toluene and water, toluene was distilled off. 3 g of the chain-end fluorinated polyether sulfone obtained above was added thereto, and the mixture was heated and stirred at 160 ° C. for 5 hours. The reaction solution was added dropwise to a large amount of acidic methanol with hydrochloric acid, and the obtained precipitate was collected by filtration and dried under reduced pressure at 40 ° C. to obtain 3.6 g of a block copolymer. The block copolymer thus obtained was used in Example 1.
In the same manner as above, sulfonation was performed using 98% sulfuric acid to obtain a sulfonated block copolymer. Hereinafter, the polymer electrolyte may be abbreviated as (P2).

【0059】製造例3 高分子電解質(P3)の製造例 無水塩化第一銅99mgとN,N,N’,N’−テトラ
メチル−1,3−プロパンジアミン65mgをクロロベ
ンゼン5ml中で大気下室温で15分撹拌した。これに
2,6−ジフェニルフェノール4.43g、4,4’−
ジヒドロキシビフェニル0.37gとクロロベンゼン1
5mlを加え、酸素雰囲気下60℃で5時間撹拌した。
反応終了後、塩酸を含むメタノール中に注いでポリマー
を析出させ、ろ過、乾燥して両末端水酸基のポリ(2,
6−ジフェニルフェニレンエーテル)(以下PE3と呼
ぶ)を得た。スミカエクセルPES5003Pを8.0
g、PE3を2.0g、炭酸カリウム0.2g、4,
4’−ジフルオロベンゾフェノン0.26g、DMAc
50ml、トルエン5mlを用いて実施例1と同様に反
応を行い9.8gのブロック共重合体を得た。得られた
ブロック共重合体を98%硫酸にてスルホン化を行い、
スルホン化したブロック共重合体を得た。以下、概高分
子電解質を(P3)と略記する事がある。
Preparation Example 3 Preparation Example of Polymer Electrolyte (P3) 99 mg of anhydrous cuprous chloride and 65 mg of N, N, N ', N'-tetramethyl-1,3-propanediamine in 5 ml of chlorobenzene at room temperature in the atmosphere. It was stirred for 15 minutes. To this, 4.43 g of 2,6-diphenylphenol, 4,4'-
0.37 g of dihydroxybiphenyl and 1 of chlorobenzene
5 ml was added, and the mixture was stirred at 60 ° C. for 5 hours in an oxygen atmosphere.
After completion of the reaction, the polymer is poured into methanol containing hydrochloric acid to precipitate the polymer, which is filtered and dried to obtain poly (2
6-diphenylphenylene ether) (hereinafter referred to as PE3) was obtained. Sumika Excel PES5003P 8.0
g, PE3 2.0 g, potassium carbonate 0.2 g, 4,
0.26 g of 4'-difluorobenzophenone, DMAc
The reaction was carried out in the same manner as in Example 1 using 50 ml of toluene and 5 ml of toluene to obtain 9.8 g of a block copolymer. The obtained block copolymer is sulfonated with 98% sulfuric acid,
A sulfonated block copolymer was obtained. Hereinafter, the polymer electrolyte may be abbreviated as (P3).

【0060】実施例1 高分子電解質(P1)とポリエチレン製多孔膜とを複合
化してなる高分子電解質膜の製造 P1を15質量%の濃度でN,N−ジメチルアセトアミ
ド(以下、DMAcと略記する事がある)に溶解し、ガ
ラス板上に固定したポリエチレン製多孔膜(膜厚9μ
m、空隙率36%、孔径0.04μm)上に塗布した。
常圧下で溶媒を乾燥させ、目的とする高分子電解質膜を
得た。
Example 1 A composite of a polymer electrolyte (P1) and a polyethylene porous membrane
Production of a polymer electrolyte membrane obtained by dissolving P1 in N, N-dimethylacetamide (hereinafter, sometimes abbreviated as DMAc) at a concentration of 15% by mass, and fixing the P1 on a glass plate. Thickness 9μ
m, porosity 36%, pore diameter 0.04 μm).
The solvent was dried under normal pressure to obtain the intended polymer electrolyte membrane.

【0061】実施例2 高分子電解質(P1)とポリテトラフルオロエチレン製
多孔膜とを複合化してなる高分子電解質膜の製造 P1を15質量%の濃度でメタノール/ジクロロメタン
混合溶媒に溶解し、ガラス板上に固定したポリテトラフ
ルオロエチレン製多孔膜(膜厚15μm、空隙率90
%、孔径3.0μm)上に塗布した。常圧下で溶媒を乾
燥させ、目的とする高分子電解質膜を得た。
Example 2 Polymer electrolyte (P1) and polytetrafluoroethylene
Production of Polymer Electrolyte Membrane Composed of Composite with Porous Membrane Polytetrafluoroethylene Porous Membrane (Film Thickness 15 μm, Void) Dissolved P1 at a Concentration of 15% by Mass in a Mixed Solvent of Methanol / Dichloromethane Rate 90
%, Pore diameter 3.0 μm). The solvent was dried under normal pressure to obtain the intended polymer electrolyte membrane.

【0062】実施例3、4 高分子電解質(P2)あるいは(P3)と、ポリテトラ
フルオロエチレン製多孔膜とを複合化してなる高分子電
解質膜の製造 実施例2と同様の手法により、高分子電解質(P2)と
ポリテトラフルオロエチレン製多孔膜とを複合化してな
る高分子電解質膜、あるいは(P3)とポリテトラフル
オロエチレン製多孔膜とを複合化してなる高分子電解質
膜を作成した。
Examples 3, 4 Polymer electrolyte (P2) or (P3)
A polymer electrolyte formed by combining a fluoroethylene porous membrane
Production of Degraded Membrane By the same method as in Example 2, a polymer electrolyte membrane obtained by compounding the polymer electrolyte (P2) and a polytetrafluoroethylene porous membrane, or (P3) and a polytetrafluoroethylene porous membrane. A polymer electrolyte membrane was prepared by combining with the membrane.

【0063】比較例1 高分子電解質(P1)からなる膜の製造 P1を15質量%の濃度でDMAcに溶解し、ガラス板
上に流延した。常圧下で溶媒を乾燥させ、目的とする高
分子電解質膜を得た。
Comparative Example 1 Production of Membrane Made of Polymer Electrolyte (P1) P1 was dissolved in DMAc at a concentration of 15 mass% and cast on a glass plate. The solvent was dried under normal pressure to obtain the intended polymer electrolyte membrane.

【0064】比較例2、3 高分子電解質(P2)あるいは(P3)からなる膜の製
比較例1と同様に、高分子電解質P2あるいはP3を1
5質量%の濃度でDMAcに溶解し、ガラス板上に流延
した。常圧下で溶媒を乾燥させ、目的とする高分子電解
質膜を得た。
Comparative Examples 2 and 3 Preparation of a membrane composed of the polymer electrolyte (P2) or (P3)
In the same manner as in Comparative Example 1, the polymer electrolyte P2 or P3 was added to 1
It was dissolved in DMAc at a concentration of 5% by mass and cast on a glass plate. The solvent was dried under normal pressure to obtain the intended polymer electrolyte membrane.

【0065】プロトン伝導度測定 プロトン伝導度測定は、恒湿高温槽中80℃、90%R
Hの条件下で、SI1260型高性能インピーダンス・
ゲイン/フェースアナライザ(IMPEDANCE/GAIN-PHASE A
NALYZER、solartoron社製)及び1287型ポテンショ
スタット(ELECTROCHEMICAL INTERFACE、solartoron社
製)を用いて、交流インピーダンス法で測定した。単位
はS/cmである。
Measurement of Proton Conductivity Proton conductivity was measured in a constant temperature and high temperature bath at 80 ° C. and 90% R.
SI1260 type high performance impedance under H condition
Gain / face analyzer (IMPEDANCE / GAIN-PHASE A
NALYZER, manufactured by solartoron) and 1287 type potentiostat (ELECTROCHEMICAL INTERFACE, manufactured by solartoron) were used to measure by the AC impedance method. The unit is S / cm.

【0066】吸水率測定 イオン交換水中に高分子電解質膜を浸漬し、100℃で
2時間煮沸後、イオン交換水中から高分子電解質膜を取
り出した。表面水をふき取った後、下式に従い、HR7
3型ハロゲン水分計(Halogen Moisture Analyzer、MET
TLER TOLEDO社製)を用いて含水率を測定した。 (含水率)=100×{(吸水フィルム重量)−(乾燥
フィルム重量)}/(乾燥フィルム重量)
Measurement of Water Absorption Rate The polymer electrolyte membrane was immersed in ion-exchanged water and boiled at 100 ° C. for 2 hours, and then the polymer electrolyte membrane was taken out from the ion-exchanged water. After wiping off the surface water, HR7
Type 3 Halogen Moisture Analyzer, MET
The water content was measured using TLER TOLEDO). (Water content) = 100 × {(water absorption film weight) − (dry film weight)} / (dry film weight)

【0067】燃料電池特性評価 高分子電解質膜の両面に、繊維状のカーボンに担持され
た白金触媒と集電体としての多孔質性のカーボン織布を
接合した。該ユニットの一面に加湿酸素ガス、他面に加
湿水素ガスを流し、該接合体の発電特性を測定した。
Evaluation of Fuel Cell Characteristics A platinum catalyst supported on fibrous carbon and a porous carbon woven cloth as a current collector were bonded to both sides of the polymer electrolyte membrane. Humidified oxygen gas was supplied to one surface of the unit and humidified hydrogen gas was supplied to the other surface, and the power generation characteristics of the joined body were measured.

【0068】実施例1〜6および、比較例1〜3で得ら
れた高分子電解質膜についてプロトン伝導度並びに吸水
率の測定を行った。結果を下表1にまとめた。
The proton conductivity and water absorption of the polymer electrolyte membranes obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 were measured. The results are summarized in Table 1 below.

【0069】表1 Table 1

【0070】実施例1〜4で得られた高分子電解質膜に
ついて燃料電池特性評価を行った。作動、停止操作を繰
り返し、1週間評価したが、燃料電池特性の低下や、ガス
リークは観察されなかった。一方比較例1〜3で得られ
た高分子電解質膜について同様の燃料電池特性評価を行
ったところ、1週間後にはいずれもガスリークが発生
し、特性の低下が認められた。
Fuel cell characteristics of the polymer electrolyte membranes obtained in Examples 1 to 4 were evaluated. The operation and stop operations were repeated and evaluated for one week, but no deterioration in fuel cell characteristics or gas leak was observed. On the other hand, when the same fuel cell characteristic evaluation was performed on the polymer electrolyte membranes obtained in Comparative Examples 1 to 3, after one week, gas leaks occurred and deterioration of the characteristics was observed.

【0071】[0071]

【発明の効果】本発明によれば、スルホン酸基が導入さ
れたブロックおよびスルホン酸基が実質的に導入されて
いないブロックをそれぞれ一つ以上有し、かつ全てのブ
ロックのうち少なくとも一つのブロックがその主鎖に芳
香環を有するブロックであるブロック共重合体を含む高
分子電解質と、多孔膜とが複合化してなることを特徴と
する新規高分子電解質膜が提供される。該高分子電解質
膜は耐熱性が高く、しかも耐水性や耐久性に優れる事か
ら、固体高分子電解質型燃料電池の隔膜として良好に使
用し得る。
EFFECTS OF THE INVENTION According to the present invention, each block has at least one block into which a sulfonic acid group is introduced and one block into which a sulfonic acid group is not substantially introduced, and at least one block among all blocks. There is provided a novel polymer electrolyte membrane comprising a polymer electrolyte containing a block copolymer, which is a block having an aromatic ring in its main chain, and a porous membrane. Since the polymer electrolyte membrane has high heat resistance and excellent water resistance and durability, it can be favorably used as a membrane of a solid polymer electrolyte fuel cell.

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─────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成14年5月22日(2002.5.2
2)
[Submission date] May 22, 2002 (2002.5.2)
2)

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0030[Name of item to be corrected] 0030

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0030】中でも、一般式[4]においてZが−SO
2−であるポリエーテルスルホンが、溶媒に対する溶解
性が高くより好ましい。一般式[4]で示されるブロッ
クの前駆体の一例である、ポリエーテルスルホンは、例
えば、4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホンと
4,4'−ジクロロジフェニルスルホンとを重縮合して
合成することができる。ポリエーテルスルホンからなる
ブロックの前駆体の重量平均分子量は2000〜500
000が好ましく、より好ましくは8000〜1000
00のものが用いられる。分子量が2000より小さい
と共重合体のフィルム強度や耐熱性が低下する場合があ
り、分子量が500000より大きいと溶解性が低下す
る場合がある。
Among them, Z in the general formula [4] is --SO.
A 2- polyether sulfone is more preferable because it has high solubility in a solvent. Polyethersulfone, which is an example of the precursor of the block represented by the general formula [4], is synthesized by, for example, polycondensing 4,4′-dihydroxydiphenylsulfone and 4,4′-dichlorodiphenylsulfone. You can The weight average molecular weight of the block precursor composed of polyethersulfone is 2000 to 500.
000, more preferably from 8 000-1000
No. 00 is used. When the molecular weight is less than 2000, the film strength and heat resistance of the copolymer may be lowered, and when the molecular weight is more than 500000, the solubility may be lowered.

【手続補正2】[Procedure Amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0056[Correction target item name] 0056

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0056】得られたブロック共重合体2gを98%硫
酸20mlとともに室温下にて攪拌し、均一溶液とした
後さらに2時間攪拌を継続した。得られた溶液を大量の
氷水中に滴下し、得られた沈殿物をろ過回収した。さら
に洗液が中性になるまでイオン交換水によるミキサー洗
繰返した後、40℃にて減圧乾燥してスルホン化し
たブロック共重合体を得た。以下、概高分子電解質を
(P1)と略記することがある。
2 g of the obtained block copolymer was stirred with 20 ml of 98% sulfuric acid at room temperature to form a uniform solution, and the stirring was continued for another 2 hours. The obtained solution was dropped into a large amount of ice water, and the obtained precipitate was collected by filtration. Further, the mixer was repeatedly washed with ion-exchanged water until the washing liquid became neutral, and then dried under reduced pressure at 40 ° C. to obtain a sulfonated block copolymer. Hereinafter, the polymer electrolyte may be abbreviated as (P1).

───────────────────────────────────────────────────── 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 8/10 H01M 8/10 // C08L 101:00 C08L 101:00 Fターム(参考) 4F071 AA75 AA78 AF36 AF42 AH15 BA02 BB02 BC02 4J031 AA53 AA57 AA58 AB04 AC04 AC05 AD01 AF23 AF30 5G301 CA30 CD01 5H026 AA06 CX05 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01M 8/10 H01M 8/10 // C08L 101: 00 C08L 101: 00 F term (reference) 4F071 AA75 AA78 AF36 AF42 AH15 BA02 BB02 BC02 4J031 AA53 AA57 AA58 AB04 AC04 AC05 AD01 AF23 AF30 5G301 CA30 CD01 5H026 AA06 CX05

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】スルホン酸基が導入されたブロックおよび
スルホン酸基が実質的に導入されていないブロックをそ
れぞれ一つ以上有し、かつ全てのブロックのうち少なく
とも一つのブロックがその主鎖に芳香環を有するブロッ
クであるブロック共重合体を含む高分子電解質と、多孔
膜とを複合化してなることを特徴とする高分子電解質
膜。
1. A sulphonic acid group-introduced block and a sulfonic acid group-introduced block are each one or more, and at least one of all blocks has an aromatic fragrance in its main chain. A polymer electrolyte membrane comprising a polymer electrolyte containing a block copolymer, which is a block having a ring, and a porous membrane.
【請求項2】スルホン酸基が導入されたブロックが、芳
香環にスルホン酸基が直接結合した構造を有することを
特徴とする請求項1記載の高分子電解質膜。
2. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the block having a sulfonic acid group introduced has a structure in which a sulfonic acid group is directly bonded to an aromatic ring.
【請求項3】スルホン酸基が導入されたブロックが、一
般式[1]で表される繰り返し単位を有するブロックに
スルホン酸基が導入されたブロックであることを特徴と
する請求項1または2記載の高分子電解質膜。 [1] (式[1]中、Xは、−O−、−S−、−NH−、また
は直接結合を表し、R1は、炭素数1から6のアルキル
基、炭素数1から6のアルコキシ基、またはフェニル基
を表わし、aは0〜3の整数である。R1 が複数ある場
合は、これらは同一でも異なっていてもよい。)
3. The block having a sulfonic acid group introduced thereinto is a block having a sulfonic acid group introduced into a block having a repeating unit represented by the general formula [1]. The polymer electrolyte membrane described. [1] (In the formula [1], X represents —O—, —S—, —NH—, or a direct bond, R 1 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or 1 to 6 carbon atoms. Represents an alkoxy group or a phenyl group, and a is an integer of 0 to 3. When there are a plurality of R 1 , they may be the same or different.
【請求項4】一般式[1]においてXが−O−であるこ
とを特徴とする請求項3記載の高分子電解質膜。
4. The polymer electrolyte membrane according to claim 3, wherein X in the general formula [1] is —O—.
【請求項5】スルホン酸基が導入されたブロックが、一
般式[2]で表される繰り返し単位を有するブロックに
スルホン酸基が導入されたブロックであることを特徴と
する請求項1または2記載の高分子電解質膜。 [2] (式[2]中、Ar1は下記構造から選ばれる基を表わ
す。) (上記式中、R2は、炭素数1から6のアルキル基、炭
素数1から6のアルコキシ基、フェニル基、またはフェ
ノキシ基を表わし、bは0〜4の整数であり、cは0〜
6の整数であり。R2が複数ある場合は、これらは同一
でも異なっていてもよい)
5. The block having a sulfonic acid group introduced thereinto is a block having a sulfonic acid group introduced into a block having a repeating unit represented by the general formula [2]. The polymer electrolyte membrane described. [2] (In the formula [2], Ar 1 represents a group selected from the following structures.) (In the above formula, R 2 represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms, a phenyl group, or a phenoxy group, b is an integer of 0 to 4, and c is 0 to 0.
It is an integer of 6. When there are a plurality of R 2's , these may be the same or different.
【請求項6】スルホン酸基が導入されたブロックが、エ
ポキシ樹脂からなるブロックにスルホン酸基が導入され
たブロックであることを特徴とする請求項1または2記
載の高分子電解質膜。
6. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the block having the sulfonic acid group introduced is a block having the sulfonic acid group introduced to a block made of an epoxy resin.
【請求項7】エポキシ樹脂からなるブロックが、一般式
[3]で表される繰り返し単位を有するブロックにスル
ホン酸基が導入されたブロックであることを特徴とする
請求項6記載の高分子電解質膜。 [3] (式[3]中、Ar2は下記構造から選ばれる基を表わ
す。 (上記式中、R3は、炭素数1から6のアルキル基、炭
素数1から6のアルコキシ基、またはフェニル基を表わ
し、dは0〜3の整数であり、eは0〜2の整数であ
る。R3が複数ある場合は、これらは同一でも異なって
いてもよい。Yは、−O−、−S−、炭素数1〜20の
アルキレン基、炭素数1〜10のハロゲン化アルキレン
基、または炭素数1〜20のアルキレンジオキシ基を表
わす。Yが複数ある場合は、これらは同一でも異なって
いてもよい。)
7. The polymer electrolyte according to claim 6, wherein the block made of an epoxy resin is a block having a sulfonic acid group introduced into a block having a repeating unit represented by the general formula [3]. film. [3] (In the formula [3], Ar 2 represents a group selected from the following structures. (In the above formula, R 3 represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms, or a phenyl group, d is an integer of 0 to 3, and e is an integer of 0 to 2. When there are a plurality of R 3 , these may be the same or different, Y is —O—, —S—, an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms, a halogenated alkylene having 1 to 10 carbon atoms. Or a alkylenedioxy group having 1 to 20 carbon atoms. When there are a plurality of Y's, these may be the same or different.)
【請求項8】スルホン酸基が実質的に導入されていない
ブロックが、一般式[4]で表わされる繰り返し単位を
有する芳香族ポリエーテルであることを特徴とする請求
項1〜7のいずれかに記載の高分子電解質膜。 [4] (式[4]中、R4は、炭素数1から6のアルキル基を
表わし、fは0〜4の整数である。 R4が複数ある場
合はこれらは同一でも異なっていてもよい。Zは−CO
−または−SO2−を表わす)
8. A block in which a sulfonic acid group is not substantially introduced is an aromatic polyether having a repeating unit represented by the general formula [4], and the block is any one of claims 1 to 7. The polymer electrolyte membrane according to 1. [4] (In the formula [4], R 4 represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and f is an integer of 0 to 4. When there are a plurality of R 4, they may be the same or different. Good, Z is -CO
- or -SO 2 - represents a)
【請求項9】一般式[4]においてZが−SO2−であ
ることを特徴とする請求項8記載の高分子電解質膜。
9. The polymer electrolyte membrane according to claim 8, wherein Z in the general formula [4] is —SO 2 —.
【請求項10】スルホン酸基が実質的に導入されていな
いブロックがブロック共重合体全体に対して60〜95
重量%であることを特徴とする請求項1〜9記載の高分
子電解質膜。
10. A block in which a sulfonic acid group is not substantially introduced is 60 to 95 with respect to the entire block copolymer.
It is weight%, The polymer electrolyte membrane of Claims 1-9 characterized by the above-mentioned.
【請求項11】高分子電解質が、一般式[1]、
[2]、または[3]で表わされる繰り返し単位を有す
るブロックの前駆体と、一般式[4]で表される繰り返
し単位を有するブロックの前駆体とを反応させてブロッ
ク共重合体を製造し、その後該共重合体をスルホン化す
る事により製造されることを特徴とする請求項1〜10
記載の高分子電解質膜。
11. A polymer electrolyte is represented by the general formula [1],
A block copolymer having a repeating unit represented by [2] or [3] is reacted with a block precursor having a repeating unit represented by the general formula [4] to produce a block copolymer. And then produced by sulfonation of the copolymer.
The polymer electrolyte membrane described.
【請求項12】高分子電解質が、ブロック共重合体を濃
度が90%以上の硫酸によりスルホン化する事により製
造されることを特徴とする請求項11記載の高分子電解
質膜。
12. The polymer electrolyte membrane according to claim 11, wherein the polymer electrolyte is produced by sulfonation of a block copolymer with sulfuric acid having a concentration of 90% or more.
【請求項13】多孔膜が脂肪族系高分子または、含フッ
素高分子からなる事を特徴とする請求項1〜12のいず
れかに記載の高分子電解質膜。
13. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the porous membrane comprises an aliphatic polymer or a fluorine-containing polymer.
【請求項14】請求項1〜13のいずれかに記載の高分
子電解質膜を使用してなることを特徴とする燃料電池。
14. A fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 13.
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