JP2003022709A - Blended polymer electrolyte, electrolytic membrane having the electrolyte as main component, and membrane /electrode junction containing the electrolyte - Google Patents

Blended polymer electrolyte, electrolytic membrane having the electrolyte as main component, and membrane /electrode junction containing the electrolyte

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JP2003022709A
JP2003022709A JP2001208225A JP2001208225A JP2003022709A JP 2003022709 A JP2003022709 A JP 2003022709A JP 2001208225 A JP2001208225 A JP 2001208225A JP 2001208225 A JP2001208225 A JP 2001208225A JP 2003022709 A JP2003022709 A JP 2003022709A
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electrolyte
polymer
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Kota Kitamura
幸太 北村
Yoshimitsu Sakaguchi
佳充 坂口
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Toyobo Co Ltd
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Toyobo Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polyelectrolyte superior in ionic conductivity and durability and suitable for a proton exchange membrane or the like of a fuel cell, and provide an electrolyic membrane having the electrolyte as the main component, and a membrane/electrode junction containing the electrolyte. SOLUTION: This is a blended polymer electrolyte composed of a mixture of (a) polybenzoxazole or polybenzthiazole having not less than one kind of groups selected from a sulfonic acid group and its salts or a phosphonic acid group and its salts, and (b) a basic polymer having at least one kind of groups selected from groups composed of a sulfonic acid group and its salts, a phosphonic acid group and its salts, and a carboxylic acid group and its salts.

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、高分子電解質膜と
して有用なポリマー電解質、それを主成分とする電解質
膜、及び該電解質を用いた膜/電極接合体に関するもの
である。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a polymer electrolyte useful as a polymer electrolyte membrane, an electrolyte membrane containing the polymer electrolyte as a main component, and a membrane / electrode assembly using the electrolyte.

【0002】[0002]

【従来の技術】液体電解質のかわりに高分子固体電解質
をイオン伝導体として用いる電気化学的装置の例とし
て、水電解槽や燃料電池を挙げることができる。これら
に用いられる高分子膜は、カチオン交換膜としてプロト
ン導電率と共に化学的、熱的、電気化学的及び力学的に
十分安定なものでなくてはならない。このため、長期に
わたり使用できるものとしては、主に米デュポン社製の
「ナフィオン(登録商標)」を代表例とするパーフルオ
ロカーボンスルホン酸膜が使用されてきた。しかしなが
ら、100℃を越える条件で運転しようとすると、膜の
含水率が急激に落ちる他、膜の軟化も顕著となる。この
ため、将来が期待されるメタノールを燃料とする燃料電
池においては、膜内のメタノール透過による性能低下が
起こり、十分な性能を発揮することはできない。また、
現在主に検討されている水素を燃料として80℃付近で
運転する燃料電池においても、膜のコストが高すぎるこ
とが燃料電池技術の確立の障害として指摘されている。
2. Description of the Related Art As an example of an electrochemical device using a solid polymer electrolyte as an ionic conductor instead of a liquid electrolyte, a water electrolysis cell or a fuel cell can be mentioned. The polymer membranes used for these must be sufficiently stable chemically, thermally, electrochemically and mechanically as a cation exchange membrane together with proton conductivity. Therefore, as a material that can be used for a long period of time, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane typified by "Nafion (registered trademark)" manufactured by DuPont, USA has been mainly used. However, when it is attempted to operate at a temperature exceeding 100 ° C., the water content of the membrane drops sharply and the membrane softens significantly. Therefore, in a fuel cell using methanol, which is expected in the future, the performance of the fuel cell deteriorates due to permeation of methanol in the membrane, and the fuel cell cannot exhibit sufficient performance. Also,
It is pointed out that the cost of the membrane is too high even in the fuel cell which is operated mainly at 80 ° C. using hydrogen as a fuel, which is currently being studied, as an obstacle to the establishment of the fuel cell technology.

【0003】パーフルオロカーボンスルホン酸膜に代わ
る電解質膜として、ポリエーテルエーテルケトンやポリ
エーテルスルホン、ポリスルホンなどのポリマーにスル
ホン酸基など酸性基を導入した、いわゆる炭化水素系ポ
リマー電解質が近年盛んに検討されている。しかしなが
ら、炭化水素系ポリマー電解質はパーフルオロカーボン
スルホン酸に比べて水和・膨潤しやすく、高湿度下での
耐久性に問題があった。
As an electrolyte membrane replacing the perfluorocarbon sulfonic acid membrane, a so-called hydrocarbon-based polymer electrolyte in which an acidic group such as a sulfonic acid group is introduced into a polymer such as polyetheretherketone, polyethersulfone, or polysulfone has been actively studied in recent years. ing. However, the hydrocarbon-based polymer electrolyte is more liable to hydrate and swell than perfluorocarbon sulfonic acid, and has a problem in durability under high humidity.

【0004】膨潤を抑制する方策の一つとして、塩基性
ポリマーとの混合が行なわれている。これは、ポリマー
電解質中のスルホン酸基などの酸性基を、塩基性ポリマ
ーによって架橋することで膨潤を抑制しようとするもの
である。例えば、スルホン酸基を有するポリエーテルス
ルホンやスルホン酸基を有するポリエーテルエーテルケ
トン(酸性ポリマー)と、ポリベンズイミダゾール(塩
基性ポリマー)との混合物(国際公開特許公報WO99
/54389号公報)などが知られている。しかしなが
ら、スルホン化ポリエーテルスルホンやスルホン化ポリ
エーテルエーテルケトンは、酸や熱によるスルホン酸基
の脱離が起こりやすく耐久性が充分ではなかった。
Mixing with a basic polymer is carried out as one of the measures for suppressing swelling. This is intended to suppress swelling by crosslinking an acidic group such as a sulfonic acid group in a polymer electrolyte with a basic polymer. For example, a mixture of polyethersulfone having a sulfonic acid group or polyetheretherketone having a sulfonic acid group (acidic polymer) and polybenzimidazole (basic polymer) (International Publication WO99 / WO99).
/ 54389). However, the sulfonated polyether sulfone and the sulfonated polyether ether ketone are insufficient in durability because the sulfonic acid group is likely to be removed by an acid or heat.

【0005】 一方、国際公開特許公報WO01/01
510号公報では、2,5−ジフルオロ−3,6−ジス
ルホテレフタル酸や、2,2’−ジスルホ−4,4’−
ジフェニルエーテルジカルボン酸を用いたポリベンズア
ゾールとポリベンズイミダゾールの混合物からなる膜が
記載されているが、そのイオン伝導性に関しては記述さ
れていない。
On the other hand, International Patent Publication WO 01/01
In JP 510, 2,5-difluoro-3,6-disulfoterephthalic acid and 2,2′-disulfo-4,4′-
Membranes composed of a mixture of polybenzazole and polybenzimidazole with diphenyletherdicarboxylic acid are described, but their ionic conductivity is not.

【0006】米国特許公報第5998550号にはスル
ホン酸基を有するポリベンズイミダゾールと塩基性の熱
硬化性化合物との分子複合体が、米国特許公報第602
5439号にはスルホン酸基を有するポリベンズイミダ
ゾールと塩基性の熱可塑性ポリマーとの分子複合体が、
それぞれ記載されているが、いずれにおいても電解質な
ど電気化学的な用途に関しては述べられていなかった。
また、スルホン酸基を有するポリベンズイミダゾール
は、パーフルオロカーボンスルホン酸や、スルホン酸基
を有するポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエ
ーテルエーテルケトンなどの他のポリマー電解質よりも
イオン伝導性が低いという欠点があった。
US Pat. No. 5,998,550 discloses a molecular complex of polybenzimidazole having a sulfonic acid group and a basic thermosetting compound, and US Pat.
No. 5439 discloses a molecular complex of polybenzimidazole having a sulfonic acid group and a basic thermoplastic polymer,
Although they are described respectively, none of them mentions electrochemical applications such as electrolytes.
Further, polybenzimidazole having a sulfonic acid group has a drawback that it has lower ionic conductivity than other polymer electrolytes such as perfluorocarbon sulfonic acid, polysulfone having a sulfonic acid group, polyether sulfone, and polyether ether ketone. It was

【0007】一般に、酸性ポリマーに塩基性ポリマーを
混合することで耐久性は向上するものの、同時に酸性ポ
リマーが本来有していたイオン伝導性を犠牲にするもの
であった。
Generally, the durability is improved by mixing the basic polymer with the acidic polymer, but at the same time, the ion conductivity originally possessed by the acidic polymer is sacrificed.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、燃料
電池のプロトン交換膜などに好適な、イオン伝導性と耐
久性に優れた高分子電解質、該電解質を主成分とする電
解質膜、及び該電解質を含む膜/電極接合体を提供する
ことにある。
An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte having excellent ionic conductivity and durability, which is suitable for a proton exchange membrane of a fuel cell, an electrolyte membrane containing the electrolyte as a main component, and It is to provide a membrane / electrode assembly containing the electrolyte.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するために鋭意研究を重ねた結果、酸性基を有す
るポリベンズオキサゾール又はポリベンズチアゾールと
酸性基を有する塩基性ポリマーを混合することによっ
て、耐久性、イオン伝導性などに優れた性能を示すポリ
マー電解質、電解質膜、及び膜/電極接合体が得られる
ことを見出し、本発明の完成に至った。
Means for Solving the Problems As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors of the present invention mixed polybenzoxazole or polybenzthiazole having an acidic group with a basic polymer having an acidic group. By doing so, it was found that a polymer electrolyte, an electrolyte membrane, and a membrane / electrode assembly having excellent performances such as durability and ionic conductivity can be obtained, and the present invention has been completed.

【0010】すなわち本発明は、 (1) (a)スルホン酸基及びその塩、又はホスホン
酸基及び蘇の塩からなる群より選ばれる一種以上の基を
分子中に1個以上有するポリベンズオキサゾール又はポ
リベンズチアゾールと、(b)スルホン酸基及びその
塩、ホスホン酸基及びその塩、カルボン酸基及びその塩
からなる群より選ばれる一種以上の基を分子中に1個以
上有する塩基性ポリマーとの混合物からなるブレンドポ
リマー電解質。(2) ポリベンズオキサゾール又はポ
リベンズチアゾールが下記一般式(1)又は(5);
That is, the present invention provides (1) a polybenzoxazole having at least one group selected from the group consisting of (a) a sulfonic acid group and a salt thereof, or a phosphonic acid group and a salt of Su. Or a basic polymer having polybenzthiazole and one or more groups selected from the group consisting of (b) sulfonic acid groups and salts thereof, phosphonic acid groups and salts thereof, carboxylic acid groups and salts thereof in the molecule. A blended polymer electrolyte consisting of a mixture with. (2) Polybenzoxazole or polybenzthiazole is represented by the following general formula (1) or (5);

【化6】 [式(1)は、Ar1及びAr2からなる繰り返し単位
と、Ar3及びAr4からなる繰り返し単位とが、ランダ
ム又はブロックで連結していることを表す。式中、Ar
1及びAr3は下記一般式(2);
[Chemical 6] [Formula (1) represents that the repeating unit consisting of Ar 1 and Ar 2 and the repeating unit consisting of Ar 3 and Ar 4 are linked randomly or in a block. In the formula, Ar
1 and Ar 3 are the following general formula (2);

【化7】 で表される残基より選ばれる一種以上の残基を表し、A
1とAr3は同一であっても異なっていてもよい。X1
及びX2はO又はSを表す。YはO、S、C=O、CH
2、C(CH32、C(CF3)、S(=O)2のいずれ
かを表す。Ar2は下記一般式(3);
[Chemical 7] Represents one or more residues selected from the residues represented by
r 1 and Ar 3 may be the same or different. X 1
And X 2 represents O or S. Y is O, S, C = O, CH
Represents any one of 2, C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ), and S (═O) 2 . Ar 2 is the following general formula (3):

【化8】 で表される群より選ばれる一種以上の残基を表す。Ar
4は下記一般式(4);
[Chemical 8] Represents one or more residues selected from the group represented by. Ar
4 is the following general formula (4);

【化9】 で表される残基よりなる群より選ばれる一種以上の残基
を表す。n1は1〜10000の整数を、m1は0〜10
000の整数をそれぞれ表す。]
[Chemical 9] Represents one or more residues selected from the group consisting of residues represented by. n 1 is an integer of 1 to 10000, m 1 is 0 to 10
Represents an integer of 000. ]

【化10】 [式(5)は、それぞれの繰り返し単位が、ランダム又
はブロックで連結していることを表す。式中、X3及び
4はS原子又はO原子のいずれかを表し、これらは同
一であっても異なっていてもよい。Zは、SO3H基、
PO32基、及びそれらの塩から選ばれる1種以上の基
を表す。qは1〜3の整数を、n2は1〜10000の
整数を、m2は0〜10000の整数をそれぞれ表
す。]で表されることを特徴とする(1)に記載のブレ
ンドポリマー電解質であり、並びに、(3) 塩基性ポ
リマーが、2−ビニルピリジンの重合体及びその共重合
体、4−ビニルピリジンとその共重合体、ポリベンズイ
ミダゾール、ポリキノリン、ポリキノキサリンからなる
群より選ばれる1種以上の化合物であることを特徴とす
る、(1)又は(2)に記載のブレンドポリマー電解質
であり、並びに、(4) (1)〜3のいずれかに記載
のブレンドポリマー電解質を主成分とする電解質膜であ
り、並びに、(5) (1)〜(3)のいずれかに記載
のブレンドポリマー電解質膜を、膜及び/又は電極層に
含むことを特徴とする膜/電極接合体、である。
[Chemical 10] [Formula (5) represents that each repeating unit is connected at random or in a block. In the formula, X 3 and X 4 represent either an S atom or an O atom, and these may be the same or different. Z is a SO 3 H group,
It represents one or more groups selected from PO 3 H 2 groups and salts thereof. q represents an integer of 1 to 3, n 2 represents an integer of 1 to 10000, and m 2 represents an integer of 0 to 10000. ] The blend polymer electrolyte according to (1), and (3) the basic polymer is a polymer of 2-vinylpyridine and a copolymer thereof, 4-vinylpyridine. The blend polymer electrolyte according to (1) or (2), which is one or more compounds selected from the group consisting of a copolymer thereof, polybenzimidazole, polyquinoline, and polyquinoxaline. (4) An electrolyte membrane containing the blend polymer electrolyte according to any one of (1) to 3 as a main component, and (5) the blend polymer electrolyte membrane according to any one of (1) to (3). , A membrane and / or electrode layer, and a membrane / electrode assembly.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下本発明について詳細に説明す
る。一般式(1)におけるAr1及びAr3の好ましい例
として、下記(1a)〜(1x);
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described in detail below. Preferred examples of Ar 1 and Ar 3 in the general formula (1) include the following (1a) to (1x);

【化11】 が挙げられるがこれに限定されるものではない。より好
ましいのは(1b)、(1c)、(1e)、(1f)、
(1g)、(1i)であり、最も好ましいのは(1
b)、(1c)である。
[Chemical 11] However, the present invention is not limited to this. More preferred are (1b), (1c), (1e), (1f),
(1g) and (1i), most preferably (1
b) and (1c).

【0012】Ar2の酸性基としては、スルホン酸基、
ホスホン酸基、カルボン酸基、及びそれらの塩を挙げる
ことができる。中でもスルホン酸基、ホスホン酸基が好
ましく、スルホン酸基がイオン伝導性を高めるためによ
り好ましい。塩を構成する化合物としては、ナトリウ
ム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、バリウム、
アルミニウム、鉄、チタン、銅などの金属イオンや、低
分子のアミン、イミダゾール化合物、ピリジン誘導体、
キノリン誘導体などが挙げられる。全酸性基中の塩は、
0〜99モル%の間にあることが好ましく、20モル%
以下であることがより好ましく、10モル%以下である
ことがさらに好ましい。酸性基の個数は1個以上であれ
ば良いが、2個以上あってもよい。スルホン酸基とホス
ホン酸などのように異なる酸性基が混在していてもよ
い。
As the acidic group of Ar 2 , a sulfonic acid group,
Mention may be made of phosphonic acid groups, carboxylic acid groups, and salts thereof. Of these, a sulfonic acid group and a phosphonic acid group are preferable, and a sulfonic acid group is more preferable because it enhances ion conductivity. As the compounds constituting the salt, sodium, potassium, magnesium, calcium, barium,
Metal ions such as aluminum, iron, titanium and copper, low molecular weight amines, imidazole compounds, pyridine derivatives,
Examples thereof include quinoline derivatives. The salts in all acidic groups are
It is preferably between 0 and 99 mol%, 20 mol%
It is more preferably at most, and even more preferably at most 10 mol%. The number of acidic groups may be one or more, but may be two or more. Different acidic groups such as sulfonic acid group and phosphonic acid may be mixed.

【0013】芳香族基とは、1個以上の芳香族環を含む
基を表す。芳香族基中には、炭素数1〜6のアルキル基
やその誘導体、O、Sなどのヘテロ原子を含んでいても
よいが、その場合、芳香族環の置換基や、芳香族環を連
結する基として存在していることが好ましい。芳香族環
とは、ベンゼン環、ナフタレン環などの炭化水素基の他
に、ピリジン環、キノリン環などの芳香族複素環も含ま
れる。Ar2中に、ハロゲン元素が共有結合で結合して
いると廃棄時に環境に悪影響を及ぼすため、Ar2は共
有結合で結合しているハロゲン元素を含まないことが好
ましい。酸性基は、芳香族環に直接又はアルキル基など
の他の有機基を介して結合していることが好ましい。酸
性基の脱離を抑制するため、酸性基が結合している芳香
族環には、アルキル基、エーテル基、アミノ基などの電
子供与性基が結合していないことが好ましい。特に限定
されるものではないが、Ar2の好ましい例として、下
記の構造(2a)〜(2d)で表される基を挙げること
ができる。
The aromatic group means a group containing at least one aromatic ring. The aromatic group may contain an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, a derivative thereof, or a hetero atom such as O or S. In that case, a substituent of the aromatic ring or a connection of the aromatic ring It is preferably present as a group that The aromatic ring includes not only hydrocarbon groups such as benzene ring and naphthalene ring but also aromatic heterocycles such as pyridine ring and quinoline ring. If a halogen element is covalently bonded to Ar 2 , the environment is adversely affected at the time of disposal. Therefore, Ar 2 preferably does not contain a halogen element covalently bonded. The acidic group is preferably bonded to the aromatic ring directly or through another organic group such as an alkyl group. In order to suppress the elimination of the acidic group, it is preferable that the aromatic ring to which the acidic group is bound is not bound to an electron donating group such as an alkyl group, an ether group or an amino group. Although not particularly limited, preferred examples of Ar 2 include groups represented by the following structures (2a) to (2d).

【化12】 中でも(2a)がより好ましい。[Chemical 12] Among them, (2a) is more preferable.

【0014】Ar4の好ましい例としては、下記の残基
(3a)〜(3t);
Preferred examples of Ar 4 are the following residues (3a) to (3t);

【化13】 を挙げることができるがこれらに限定されるものではな
い。中でも(3b)、(3e)、(3g)、(3k)、
(3m)がより好ましく、(3b)、(3m)が最も好
ましい。
[Chemical 13] However, the present invention is not limited to these. Among them, (3b), (3e), (3g), (3k),
(3m) is more preferable, and (3b) and (3m) are the most preferable.

【0015】X3及びX4はOであることがより好まし
く、いずれもOであることがイオン伝導性を高めるため
に最も好ましい。Zはスルホン酸基又はその塩であるこ
とが好ましい。n1及びn2は10以上であると成型体が
好ましい力学特性を示すためより好ましく、100以上
であることがさらに好ましい。また、m1及びm2は任
意の値であってよいが、m1/n1又はm2/n2が0
〜0.5の間であると、イオン伝導性が高くなるためよ
り好ましく、0〜0.2の間であるとさらに好ましい。
It is more preferable that X 3 and X 4 be O, and it is most preferable that both are O in order to enhance the ionic conductivity. Z is preferably a sulfonic acid group or a salt thereof. It is more preferable that n 1 and n 2 are 10 or more, since the molded body shows preferable mechanical properties, and it is further preferable that n 1 and n 2 are 100 or more. Further, m1 and m2 may be arbitrary values, but m1 / n1 or m2 / n2 is 0.
It is more preferable if it is between 0.5 and 0.5, and it is more preferable if it is between 0 and 0.2.

【0016】本発明における酸性ポリマーの好ましい例
を以下(4a)〜(4an)に示すが、これらに限定さ
れるものではない。
Preferred examples of the acidic polymer in the present invention are shown below in (4a) to (4an), but the invention is not limited thereto.

【化14】 [Chemical 14]

【0017】[0017]

【化15】 [Chemical 15]

【0018】中でも好ましいのは(4a)、(4c)、
(4e)、(4g)である。これらのポリマーは公知の
任意の方法で合成することができる。例えば、ビス(o
−アミノフェノール)化合物を、スルホン酸基やホスホ
ン酸基を有するジカルボン酸とを、ポリリン酸などの脱
水溶媒中で加熱攪拌して反応させることで得ることがで
きる。得られたポリマーは公知の方法で分離、精製して
使用することができる。これらのポリマーは、ホモポリ
マー(m1又はm2が0の場合)、ブロックコポリマー、
ランダムコポリマーのいずれであってもよく、目的に応
じて使用することができる。
Of these, (4a), (4c), and
(4e) and (4g). These polymers can be synthesized by any known method. For example, bis (o
-Aminophenol) compound can be obtained by reacting a dicarboxylic acid having a sulfonic acid group or a phosphonic acid group with heating and stirring in a dehydrating solvent such as polyphosphoric acid. The obtained polymer can be separated and purified by a known method before use. These polymers are homopolymers (when m 1 or m 2 is 0), block copolymers,
It may be any of random copolymers and can be used depending on the purpose.

【0019】本発明の酸性ポリマーにおける、スルホン
酸基及びホスホン酸基の一部が、ナトリウム、カリウ
ム、マグネシウム、カルシウム、バリウム、アルミニウ
ム、鉄、チタン、銅などの金属イオンや、低分子のアミ
ン、イミダゾール化合物、ピリジン誘導体、キノリン誘
導体などと塩を形成していても良いが、塩の割合が20
モル%以下であることが好ましく、10モル%以下であ
ることがさらに好ましい。
In the acidic polymer of the present invention, some of the sulfonic acid groups and phosphonic acid groups are metal ions such as sodium, potassium, magnesium, calcium, barium, aluminum, iron, titanium and copper, and low molecular weight amines. A salt may be formed with an imidazole compound, a pyridine derivative, a quinoline derivative, etc., but the ratio of the salt is 20.
It is preferably at most mol%, more preferably at most 10 mol%.

【0020】本発明における酸性基を有する塩基性ポリ
マーは、公知の任意の塩基性ポリマー構造に酸性基を有
するものを使用することができる。例としては、ビニル
アミンとビニルスルホン酸の共重合体、ビニルアミンと
ビニルホスホン酸の共重合体、ビニルアミンとアクリル
酸の共重合体、ポリ(4−ビニルピリジン)のスルホン
化物、4−ビニルピリジンとビニルスルホン酸の共重合
物、4−ビニルピリジンとビニルホスホン酸の共重合
物、ポリ(2−ビニルピリジン)のスルホン化物、スル
ホン化したポリベンズイミダゾール、スルホン化したポ
リキノリン、スルホン化したポリキノキサリン、ピリジ
ン環やキノリン環及びキノキサリン環を有する芳香族系
ポリマー(ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリ
エーテル、ポリスルフィド、ポリケトン、ポリエーテル
ケトン、ポリエーテルエーテルケトン)のスルホン化物
などを挙げることができ、スルホン基を有するポリベン
ズイミダゾール、ポリキノリン、ポリキノキサリンが好
ましい。好ましい構造を以下に示すがこれらに限定され
るものではない。
As the basic polymer having an acidic group in the present invention, any known basic polymer structure having an acidic group can be used. Examples include vinylamine and vinylsulfonic acid copolymers, vinylamine and vinylphosphonic acid copolymers, vinylamine and acrylic acid copolymers, sulfonated poly (4-vinylpyridine), 4-vinylpyridine and vinyl. Sulfonic acid copolymer, 4-vinylpyridine-vinylphosphonic acid copolymer, sulfonated poly (2-vinylpyridine), sulfonated polybenzimidazole, sulfonated polyquinoline, sulfonated polyquinoxaline, pyridine Examples include aromatic compounds having a ring, a quinoline ring, or a quinoxaline ring (polyether sulfone, polysulfone, polyether, polysulfide, polyketone, polyether ketone, polyether ether ketone), etc., and have a sulfone group. Polyben Imidazole, polyquinoline, polyquinoxaline is preferable. Preferred structures are shown below, but the invention is not limited thereto.

【0021】[0021]

【化16】 [Chemical 16]

【0022】[0022]

【化17】 [Chemical 17]

【0023】これらの酸性基を有する塩基性ポリマー
は、公知の塩基性ポリマーを化学的に修飾して合成する
こともできるし、酸性基を有するモノマーを用いて重合
によって合成することもできる。前者の例としては、ク
ロル硫酸、無水硫酸発煙硫酸などによるスルホン化や、
クロロメチルエーテルによるクロロメチル化を経るホス
ホン酸基の導入で、ポリベンズイミダゾール、ポリビニ
ルピリジン、ポリキノリン、ポリキノキサリンから合成
する方法や、ポリベンズイミダゾールをアルカリ金属水
素化物でイオン化した後、アルキルサルトン、ハロゲン
化アルキルホスホン酸誘導体、ハロゲン化アルキルスル
ホン酸誘導体などを反応させることでスルホン酸基やホ
スホン酸基を導入する方法などが挙げられる。後者の方
法としては、2−スルホテレフタル酸、2,5−ジカル
ボキシベンゼンホスホン酸、2,5−ジスルホテレフタ
ル酸、2,5−ジカルボキシ1,4−ベンゼンジホスホ
ン酸、などのスルホ又はホスホテレフタル酸、4−スル
ホイソフタル酸、5−スルホイソフタル酸、4,6−ジ
スルホイソフタル酸、3,5−ジカルボキシベンゼンホ
スホン酸、2,4−ジカルボキシベンゼンホスホン酸、
4,6−ジカルボキシ−1,3−ベンゼンジホスホン
酸、などのスルホ又はホスホイソフタル酸、ビス(4−
カルボキシ−3−スルホフェニル)スルホン、ビス(4
−カルボキシ−2−スルホフェニル)スルホン、ビス
(4−カルボキシ−3−スルホフェニル)エーテル、ビ
ス(4−カルボキシ−2−スルホフェニル)エーテル、
4,4’−ジカルボキシ−3,3’−ジスルホベンズフ
ェノン、ビス(4−カルボキシ−2−スルホフェニル)
メタン、2,2−ビス(4−カルボキシ−2−スルホフ
ェニル)プロパン、ビス(4−カルボキシ−2−スルホ
フェニル)スルフィド、2,2−ビス(4−カルボキシ
−3−スルホフェニル)ヘキサフルオロプロパン、1,
5−ジスルホ−2,6−ナフタレンジカルボン酸、2−
スルホ−1,4−ナフタレンジカルボン酸、4,8−ジ
スルホ−2,6−ナフタレンジカルボン酸、4,8−ジ
ホスホ−2,6−ナフタレンジカルボン酸、6−ホスホ
−1,4−ナフタレンジカルボン酸、などの酸性基含有
ジカルボン酸を原料としてポリベンズイミダゾールを合
成する方法などが挙げられる。
The basic polymer having such an acidic group can be synthesized by chemically modifying a known basic polymer, or can be synthesized by polymerization using a monomer having an acidic group. Examples of the former include sulfonation with chlorosulfuric acid, anhydrous sulfuric acid and fuming sulfuric acid,
By introducing a phosphonic acid group through chloromethylation with chloromethyl ether, polybenzimidazole, polyvinylpyridine, polyquinoline, a method of synthesizing from polyquinoxaline, or after polybenzimidazole is ionized with an alkali metal hydride, alkyl sultone, Examples thereof include a method of introducing a sulfonic acid group or a phosphonic acid group by reacting a halogenated alkylphosphonic acid derivative or a halogenated alkylsulfonic acid derivative. Examples of the latter method include 2-sulfoterephthalic acid, 2,5-dicarboxybenzenephosphonic acid, 2,5-disulfoterephthalic acid, 2,5-dicarboxy-1,4-benzenediphosphonic acid, and the like. Phosphoterephthalic acid, 4-sulfoisophthalic acid, 5-sulfoisophthalic acid, 4,6-disulfoisophthalic acid, 3,5-dicarboxybenzenephosphonic acid, 2,4-dicarboxybenzenephosphonic acid,
Sulfo or phosphoisophthalic acid such as 4,6-dicarboxy-1,3-benzenediphosphonic acid, bis (4-
Carboxy-3-sulfophenyl) sulfone, bis (4
-Carboxy-2-sulfophenyl) sulfone, bis (4-carboxy-3-sulfophenyl) ether, bis (4-carboxy-2-sulfophenyl) ether,
4,4'-dicarboxy-3,3'-disulfobenzphenone, bis (4-carboxy-2-sulfophenyl)
Methane, 2,2-bis (4-carboxy-2-sulfophenyl) propane, bis (4-carboxy-2-sulfophenyl) sulfide, 2,2-bis (4-carboxy-3-sulfophenyl) hexafluoropropane , 1,
5-disulfo-2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2-
Sulfo-1,4-naphthalenedicarboxylic acid, 4,8-disulfo-2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 4,8-diphospho-2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 6-phospho-1,4-naphthalenedicarboxylic acid, Examples of the method include synthesizing polybenzimidazole using an acidic group-containing dicarboxylic acid as a raw material.

【0024】酸性基を有する塩基性ポリマー中の酸性基
の量は任意の値を取ることができるが、好ましくは0.
1〜5.0meq/gの範囲である。より好ましくは
1.0〜3.0meq/gである。酸性基を有するポリ
ベンズオキサゾール又はポリベンズチアゾール、及び酸
性基を有する塩基性ポリマーの分子量は1000〜10
000000の範囲であることが好ましく、10000
〜1000000の範囲であることがより好ましい。分
子量の測定は、ゲル分配クロマトグラフィー法、浸透圧
法、光散乱法、粘度測定法など公知の任意の方法で行な
うことができるが、粘度測定法が簡便である。粘度測定
法の一例として、対数粘度の測定を実施例に記載する。
ポリマー(4a)、(5a)などの剛直な直線状分子の
場合には、対数粘度が0.1〜100.0の範囲、より
好ましくは、1.0〜50.0の範囲、さらに好ましく
は、3.0〜30.0の範囲である。ポリマー(4a
b)、(5q)などの屈曲性分子の場合には、対数粘度
が0.1〜10.0の範囲であることが好ましく0.5
〜5.0の範囲であることがより好ましい。いずれのポ
リマーも、分子量が小さすぎると耐久性や力学特性など
が悪化し、分子量が大きすぎると溶液粘度などが大きく
なり加工性などが悪化する。
The amount of the acidic group in the basic polymer having an acidic group can be any value, but is preferably 0.
It is in the range of 1 to 5.0 meq / g. More preferably, it is 1.0 to 3.0 meq / g. The molecular weight of the polybenzoxazole or polybenzthiazole having an acidic group and the basic polymer having an acidic group is 1000 to 10
It is preferably in the range of 000000, and 10,000
More preferably, it is in the range of 1,000,000. The molecular weight can be measured by any known method such as a gel partition chromatography method, an osmotic pressure method, a light scattering method, and a viscosity measuring method, but the viscosity measuring method is simple. As an example of the viscosity measurement method, the measurement of logarithmic viscosity is described in Examples.
In the case of rigid linear molecules such as the polymers (4a) and (5a), the logarithmic viscosity is in the range of 0.1 to 100.0, more preferably 1.0 to 50.0, and further preferably , 3.0 to 30.0. Polymer (4a
In the case of flexible molecules such as b) and (5q), the logarithmic viscosity is preferably in the range of 0.1 to 10.0, and is preferably 0.5.
It is more preferably in the range of 5.0. If the molecular weight of any of the polymers is too small, the durability and mechanical properties will deteriorate, and if the molecular weight is too large, the solution viscosity will increase and the processability will deteriorate.

【0025】酸性基を有するポリベンズオキサゾール又
はポリベンズチアゾールに対する、酸性基を有する塩基
性ポリマーの量は任意の量をとることができるが、ポリ
ベンズオキサゾール又はポリベンズチアゾールの酸性基
のモル数に対して、酸性基を有する塩基性ポリマーの塩
基性基のモル数が、10〜100%の間であることが好
ましい、さらに20〜50%であると耐久性及びイオン
伝導性に優れたポリマー電解質を得ることができる。酸
性基を有するポリベンズオキサゾール又はポリベンズチ
アゾール、及び酸性基を有する塩基性ポリマーの分子量
は1000〜10000000の範囲であることが好ま
しく、10000〜1000000の範囲であることが
より好ましい。分子量の測定は、ゲル分配クロマトグラ
フィー法、浸透圧法、光散乱法、粘度測定法など公知の
任意の方法で行なうことができるが、粘度測定法が簡便
である。粘度測定法の一例として、対数粘度の測定を実
施例に記載する。ポリマー(4a)、(5a)などの剛
直な直線状分子の場合には、対数粘度が0.1〜10
0.0の範囲であることが好ましく、1.0〜50.0
の範囲であることがより好ましく、3.0〜30.0の
範囲であることが好ましい。ポリマー(4ab)、(5
q)などの屈曲性分子の場合には、対数粘度が0.1〜
10.0の範囲であることが好ましく0.5〜5.0の
範囲であることがより好ましい。いずれのポリマーも、
分子量が小さすぎると耐久性や力学特性などが悪化し、
分子量が大きすぎると溶液粘度などが大きくなり加工性
などが悪化する。
The amount of the basic polymer having an acidic group with respect to the polybenzoxazole or polybenzthiazole having an acidic group can be any amount, but the number of moles of the acidic group of polybenzoxazole or polybenzthiazole is not limited. On the other hand, the number of moles of basic groups of the basic polymer having an acidic group is preferably between 10 and 100%, and when it is 20 to 50%, a polymer electrolyte excellent in durability and ion conductivity. Can be obtained. The molecular weight of the polybenzoxazole or polybenzthiazole having an acidic group and the basic polymer having an acidic group is preferably in the range of 1,000 to 10,000,000, more preferably in the range of 10,000 to 1,000,000. The molecular weight can be measured by any known method such as a gel partition chromatography method, an osmotic pressure method, a light scattering method, and a viscosity measuring method, but the viscosity measuring method is simple. As an example of the viscosity measurement method, the measurement of logarithmic viscosity is described in Examples. In the case of rigid linear molecules such as polymers (4a) and (5a), the logarithmic viscosity is 0.1-10.
It is preferably in the range of 0.0, and 1.0 to 50.0
Is more preferable, and the range of 3.0 to 30.0 is preferable. Polymer (4ab), (5
In the case of a flexible molecule such as q), the logarithmic viscosity is 0.1 to
It is preferably in the range of 10.0, more preferably in the range of 0.5 to 5.0. Both polymers are
If the molecular weight is too small, durability and mechanical properties will deteriorate,
If the molecular weight is too large, the solution viscosity will increase and the processability will deteriorate.

【0026】酸性基を有するポリベンズオキサゾール又
はポリベンズチアゾールと酸性基を有する塩基性ポリマ
ーの量の混合には、公知の任意の方法を取ることができ
る。両者を共に溶解する溶媒中で混合しても良いし、ど
ちらか一方を塩にしておいてから両者を混合し、その
後、酸又はアルカリ処理によって塩からもとに戻すこと
もできる。溶媒中、低分子の酸又は塩基の存在下で両者
を混合してもよい。
For mixing the amounts of the polybenzoxazole or polybenzthiazole having an acidic group and the basic polymer having an acidic group, any known method can be used. Both may be mixed in a solvent that dissolves them together, or one of them may be made into a salt and then the two may be mixed, and then the salt may be restored by an acid or alkali treatment. Both may be mixed in a solvent in the presence of a low-molecular acid or base.

【0027】本発明のポリマー電解質は、混合溶液又は
単離したポリマー電解質から押し出し、紡糸、圧延、キ
ャストなど任意の方法で繊維やフィルムに成形したり、
コーティング材料などに使用したりすることができる。
成形する際には、適当な溶媒に溶解した溶液から成形す
ることが好ましい。溶解する溶媒としては、N,N−ジ
メチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、
ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、
ヘキサメチルホスホンアミドなど非プロトン極性溶媒
や、ポリリン酸、メタンスルホン酸、硫酸、トリフルオ
ロ酢酸などの強酸を用いることができるがこれらに限定
されるものではない。これらの溶媒は、可能な範囲で複
数を混合して使用してもよい。また、溶解性を向上させ
る手段として、臭化リチウム、塩化リチウム、塩化アル
ミニウムなどのルイス酸を有機溶媒に添加したものを溶
媒としてもよい。溶液中のポリマー濃度は0.1〜30
重量%の範囲であることが好ましい。低すぎると成形性
が悪化し、高すぎると加工性が悪化する。好ましくは
0.5〜5重量%である。
The polymer electrolyte of the present invention is extruded from a mixed solution or an isolated polymer electrolyte and formed into a fiber or film by any method such as spinning, rolling or casting,
It can be used as a coating material or the like.
When molding, it is preferable to mold from a solution dissolved in an appropriate solvent. As the solvent to be dissolved, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide,
Dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone,
An aprotic polar solvent such as hexamethylphosphonamide and a strong acid such as polyphosphoric acid, methanesulfonic acid, sulfuric acid, and trifluoroacetic acid can be used, but are not limited thereto. A plurality of these solvents may be mixed and used within a possible range. Further, as a means for improving the solubility, a solvent obtained by adding a Lewis acid such as lithium bromide, lithium chloride or aluminum chloride to an organic solvent may be used. The polymer concentration in the solution is 0.1-30
It is preferably in the range of% by weight. If it is too low, moldability deteriorates, and if it is too high, workability deteriorates. It is preferably 0.5 to 5% by weight.

【0028】溶液から成形体を得る方法は公知の方法を
用いることができる。例えば加熱、減圧乾燥、ポリマー
を溶解する溶媒と混和できるポリマー非溶媒への浸漬な
どによって、溶媒を除去しイオン性基含有ポリマーの成
形体を得ることができる。溶媒が有機溶媒の場合は、加
熱又は減圧乾燥で溶媒を留去させることが好ましい。溶
媒が強酸の場合には、水、メタノール、アセトンなどに
浸漬することが好ましい。この際、必要に応じて他のポ
リマーと複合された形で繊維やフィルムに成形すること
もできる。耐熱性や機械的特性に優れるポリアゾール系
ポリマーと組み合わせると、良好な成形をするのに都合
がよい。
As a method for obtaining a molded product from a solution, a known method can be used. For example, the molded product of the ionic group-containing polymer can be obtained by removing the solvent by heating, drying under reduced pressure, immersion in a polymer non-solvent that is miscible with a solvent that dissolves the polymer, and the like. When the solvent is an organic solvent, it is preferable to distill off the solvent by heating or drying under reduced pressure. When the solvent is a strong acid, it is preferably immersed in water, methanol, acetone or the like. At this time, if necessary, it may be formed into a fiber or film in a form of being combined with another polymer. When combined with a polyazole-based polymer having excellent heat resistance and mechanical properties, it is convenient for good molding.

【0029】本発明のポリマー電解質膜を成形する好ま
しい方法は、ポリマー電解質の溶液からのキャストであ
る。キャストした溶液から前記のように溶媒を除去して
電解質膜を得ることができる。溶媒の除去は乾燥による
ことが膜の均一性からは好ましい。また、ポリマーや溶
媒の分解や変質をさけるため、減圧下でできるだけ低い
温度で乾燥することが好ましい。キャストする基板に
は、ガラス板やテフロン(登録商標)板などを用いるこ
とができる。溶液の粘度が高い場合には、基板や溶液を
加熱して高温でキャストすると溶液の粘度が低下して容
易にキャストすることができる。キャストする際の溶液
の厚みは特に制限されないが、10〜1000μmであ
ることが好ましい。薄すぎると膜としての形態を保てな
くなり、厚すぎると不均一な膜ができやすくなる。より
好ましくは100〜500μmである。溶液のキャスト
厚を制御する方法は公知の方法を用いることができる。
例えば、アプリケーター、ドクターブレードなどを用い
て一定の厚みにしたり、ガラスシャーレなどを用いてキ
ャスト面積を一定にして溶液の量や濃度で厚みを制御す
ることができる。キャストした溶液は、溶媒の除去速度
を調整することでより均一な膜を得ることができる。例
えば、加熱する場合には最初の段階では低温にして蒸発
速度を下げたりすることができる。また、水などの非溶
媒に浸漬する場合には、溶液を空気中や不活性ガス中に
適当な時間放置しておくなどしてポリマーの凝固速度を
調整することができる。
The preferred method of forming the polymer electrolyte membrane of the present invention is casting of a polymer electrolyte solution. The solvent can be removed from the cast solution as described above to obtain an electrolyte membrane. It is preferable that the solvent is removed by drying in terms of film uniformity. Further, in order to prevent decomposition and deterioration of the polymer and solvent, it is preferable to dry under reduced pressure at the lowest temperature possible. As the substrate to be cast, a glass plate, a Teflon (registered trademark) plate, or the like can be used. When the viscosity of the solution is high, heating the substrate or the solution and casting at a high temperature lowers the viscosity of the solution, so that the solution can be easily cast. The thickness of the solution used for casting is not particularly limited, but is preferably 10 to 1000 μm. If it is too thin, the form of the film cannot be maintained, and if it is too thick, a non-uniform film is likely to be formed. More preferably, it is 100 to 500 μm. A known method can be used for controlling the cast thickness of the solution.
For example, an applicator, a doctor blade, or the like may be used to make the thickness constant, or a glass petri dish or the like may be used to make the casting area constant to control the thickness by the amount or concentration of the solution. A more uniform film can be obtained from the cast solution by adjusting the removal rate of the solvent. For example, when heating, the evaporation rate can be lowered by lowering the temperature in the first step. When immersed in a non-solvent such as water, the coagulation rate of the polymer can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time.

【0030】本発明の膜は目的に応じて任意の膜厚にす
ることができるが、イオン伝導性の面からはできるだけ
薄いことが好ましい。具体的には200μm以下である
ことが好ましく、10〜50μmであることがさらに好
ましい。
The film of the present invention can have any film thickness depending on the purpose, but it is preferably as thin as possible from the viewpoint of ion conductivity. Specifically, it is preferably 200 μm or less, more preferably 10 to 50 μm.

【0031】本発明のポリマー電解質はイオン伝導性及
び耐久性に優れているため、フィルム、膜状にして燃料
電池などのプロトン交換膜として使用するのに適してい
る。さらに、本発明のポリマーを主成分にすることによ
り、本発明のポリマー電解質膜と電極との接合体を作製
するときのバインダー樹脂として利用することもでき
る。本発明のポリマー電解質膜を用いた膜/電極接合体
は、低い内部抵抗と高い耐久性を有しているため、燃料
電池の発電効率、耐久性を大きく向上させることができ
る。
Since the polymer electrolyte of the present invention is excellent in ionic conductivity and durability, it is suitable for use as a proton exchange membrane for fuel cells and the like in the form of a film or a membrane. Furthermore, by using the polymer of the present invention as a main component, it can be used as a binder resin when producing a bonded body of the polymer electrolyte membrane of the present invention and an electrode. Since the membrane / electrode assembly using the polymer electrolyte membrane of the present invention has low internal resistance and high durability, it is possible to greatly improve the power generation efficiency and durability of the fuel cell.

【0032】本発明の固体高分子電解質膜/電極接合体
は、高分子電解質膜に触媒金属と結着材とをホットプレ
スしたり、市販のガス拡散電極に本発明のポリマー電解
質を噴霧したり塗布したりして浸透させたもので前記の
高分子電解質膜を挟んで接合したりして得ることができ
る。また、テフロン、ポリプロピレン、ポリエチレン、
ポリエチレンテレフタレートなどの樹脂フィルムに、本
発明のポリマー電解質と触媒とを溶媒に均一に分散した
ペーストを塗布乾燥の繰り返しによって積層したもの
を、触媒層を内側にして高分子電解質膜を挟みホットプ
レスして接合することもできる。また、本発明のポリマ
ー高分子電解質と触媒とを溶媒に均一に分散したペース
トを、刷毛、筆、アプリケーター、噴霧、印刷などによ
って高分子電解質に塗布したのち溶媒を乾燥させて接合
することもできる。また、このペーストでカーボンペー
パーなどの電極材と本発明のポリマー電解質膜とを接合
してもよい。これらの方法は、あらかじめイオン性基を
Naなどのアルカリ金属塩としておいてから行ない、接
合後の酸処理によってもとの酸に戻すことをしてもよ
い。溶液あるいはペースト中のポリマー電解質の濃度は
0.1〜10重量%であることが好ましい。またスパッ
タリングなどによってポリマー電解質膜に直接触媒を接
合することもできる。
In the solid polymer electrolyte membrane / electrode assembly of the present invention, the catalyst metal and the binder are hot-pressed onto the polymer electrolyte membrane, or the polymer electrolyte of the present invention is sprayed onto a commercially available gas diffusion electrode. It can be obtained by applying or permeating the polymer electrolyte membrane with the polymer electrolyte membrane sandwiched therebetween and bonded. In addition, Teflon, polypropylene, polyethylene,
A resin film such as polyethylene terephthalate is coated with a paste in which the polymer electrolyte of the present invention and a catalyst are uniformly dispersed in a solvent and laminated by repeating drying, and the polymer layer is sandwiched with the catalyst layer inside and hot pressed. It can also be joined. Further, it is also possible to apply a paste in which the polymer polymer electrolyte of the present invention and the catalyst are evenly dispersed in a solvent to the polymer electrolyte by brush, brush, applicator, spray, printing, etc., and then dry the solvent for bonding. . Further, an electrode material such as carbon paper and the polymer electrolyte membrane of the present invention may be joined with this paste. In these methods, the ionic group may be prepared in advance as an alkali metal salt such as Na, and then the original acid may be restored by an acid treatment after bonding. The concentration of the polymer electrolyte in the solution or paste is preferably 0.1 to 10% by weight. Alternatively, the catalyst can be directly bonded to the polymer electrolyte membrane by sputtering or the like.

【0033】触媒は触媒金属の微粒子を担持した導電性
材料からなり、その他の成分を含んでいてもよい。金属
は白金を主成分とする貴金属であり、ロジウム、パラジ
ウム、金、銀、イリジウム、ルテニウムなどの他の金属
を含んでいてもよい。触媒の粒径は1〜50nmの範囲
であることが好ましい。高分子電解質に対する触媒の量
は50〜1000%の範囲であることが好ましい。その
他の成分としては、結着材としてポリテトラフルオロエ
チレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキ
ルビニルエーテルコポリマー、テトラフルオロエチレン
−ヘキサフルオロエチレンコポリマーなどが挙げられ
る。
The catalyst is made of a conductive material carrying fine particles of catalytic metal and may contain other components. The metal is a noble metal containing platinum as a main component, and may contain other metals such as rhodium, palladium, gold, silver, iridium, and ruthenium. The particle size of the catalyst is preferably in the range of 1 to 50 nm. The amount of catalyst with respect to the polymer electrolyte is preferably in the range of 50 to 1000%. Other components include polytetrafluoroethylene, a tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, and a tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer as a binder.

【0034】ホットプレスの条件は、使用する材料によ
って適当な条件を選ぶことができるが、プレス温度は1
00〜300℃、プレス圧力は1〜10MPaの範囲で
あることが好ましい。
The hot pressing conditions can be selected appropriately depending on the material used, but the pressing temperature is 1
The pressure is preferably in the range of 0 to 300 ° C. and the pressing pressure is in the range of 1 to 10 MPa.

【0035】[0035]

【実施例】以下本発明について実施例を用いて具体的に
説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されること
はない。各種測定は次のように行った。
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. Various measurements were performed as follows.

【0036】(イオン伝導性測定)自作測定用プローブ
(テフロン製)上で短冊状膜試料の表面に白金線(直
径:0.2mm)を押しあて、80℃95%RHの恒温
・恒湿オーブン((株)ナガノ科学機械製作所、LH−
20−01)中に試料を保持し、白金線間の10KHz
における交流インピーダンスをSOLARTRON社1
250FREQUENCY RESPONSE ANA
LYSERにより測定した。極間距離を変化させて測定
し、極間距離と抵抗測定値をプロットした勾配から以下
の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルした導
電率を算出した。 ・ポリマー電解質膜 導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]
×抵抗極間勾配[Ω/cm] ・膜/電極接合体 導電率(S/cm)=膜厚(cm)/膜の抵抗値(Ω)
/電極面積(cm2
(Ion conductivity measurement) A platinum wire (diameter: 0.2 mm) was pressed against the surface of the strip-shaped film sample on a probe for self-made measurement (made of Teflon), and a constant temperature and constant humidity oven at 80 ° C and 95% RH was used. (Nagano Scientific Machinery Works, LH-
20-01) hold the sample in 10 KHz between the platinum wires
AC impedance in SOLARTRON 1
250FREQUENCY RESPONSE ANA
It was measured by LYSER. The measurement was performed while changing the distance between the electrodes, and the conductivity in which the contact resistance between the film and the platinum wire was canceled was calculated from the gradient obtained by plotting the distance between the electrodes and the measured resistance value by the following formula. -Polymer electrolyte membrane conductivity [S / cm] = 1 / membrane width [cm] x membrane thickness [cm]
× Gradient between resistance poles [Ω / cm] ・ Membrane / electrode assembly conductivity (S / cm) = film thickness (cm) / film resistance (Ω)
/ Electrode area (cm 2 )

【0037】(ポリマー対数粘度)ポリマー濃度0.0
5g/dlのメタンスルホン酸溶液について、オストワ
ルド粘度計を用いて25℃で測定した。
(Polymer logarithmic viscosity) Polymer concentration 0.0
The methanesulfonic acid solution of 5 g / dl was measured at 25 ° C. using an Ostwald viscometer.

【0038】(耐水性試験)ポリマー電解質膜50mg
を5mlのイオン交換水とともにガラスアンプル中に封
入した。アンプルは105℃で3日間加熱した。冷却後
アンプルを開封し、1G2のガラスフィルターで固形物
を濾取した。フィルターは80℃で一晩減圧乾燥し、濾
過前後の重量から、固形分の重量を求め、重量減少率を
求めた。 重量減少率[%]=残留物重量[mg]/50×100
(Water resistance test) Polymer electrolyte membrane 50 mg
Was enclosed in a glass ampoule together with 5 ml of ion-exchanged water. The ampoule was heated at 105 ° C for 3 days. After cooling, the ampoule was opened and the solid substance was collected by filtration with a 1G2 glass filter. The filter was dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight, the weight of the solid content was determined from the weight before and after filtration, and the weight reduction rate was determined. Weight reduction rate [%] = residue weight [mg] / 50 × 100

【0039】(イオン性基の定量)ポリマー電解質膜1
00mgを0.01NのNaOH水溶液50mlに浸漬
し、25℃で一晩攪拌した。その後、0.05NのHC
l水溶液で中和滴定した。中和滴定には、平沼産業株式
会社製電位差滴定装置COMTITE−980を用い
た。イオン性基量は下記式で求められる。 イオン性基含有量[meq/g]=(10−滴定量[m
l])/2
(Quantification of Ionic Group) Polymer Electrolyte Membrane 1
00 mg was immersed in 50 ml of 0.01 N NaOH aqueous solution, and stirred overnight at 25 ° C. After that, 0.05N HC
1 neutralization titration with an aqueous solution. For the neutralization titration, a potentiometric titrator COMTITE-980 manufactured by Hiranuma Sangyo Co., Ltd. was used. The amount of ionic groups is calculated by the following formula. Ionic group content [meq / g] = (10-titration amount [m
l]) / 2

【0040】(耐熱性評価)島津製作所製熱重量分析機
TGA−50を用いて、約2mgのサンプルポリマー
を、アルゴン雰囲気下で100℃で10分間予備乾燥の
後、10℃/分の速度で昇温して測定した。重量変化曲
線の変曲点の温度を熱減量開始温度とした。
(Heat Resistance Evaluation) About 2 mg of the sample polymer was pre-dried at 100 ° C. for 10 minutes in an argon atmosphere using a thermogravimetric analyzer TGA-50 manufactured by Shimadzu Corporation, and then at a rate of 10 ° C./minute. The temperature was raised and measured. The temperature at the inflection point of the weight change curve was taken as the heat loss starting temperature.

【0041】(実施例1)m1/n1=0、対数粘度
5.3dl/gである酸性基を有するポリベンズオキサ
ゾール(4a)0.140g、対数粘度1.2dl/g
である酸性基を有する塩基性ポリマー(5ae)0.0
28g、0.06gのトリエチルアミンを30mlのジ
メチルスルホキシド(以下DMSOと略する)を60℃
で加熱攪拌して溶解した。溶液を1G2ガラスフィルタ
ーで濾過した後、直径90mmのガラス製平底シャーレ
に注ぎ、40℃で2日間、次いで100℃で1日間それ
ぞれ減圧乾燥してDMSOを除去した。剥離した膜は、
ゆるやかに攪拌した1N HCl水溶液中室温で1日間
処理した。膜はイオン交換水で水洗し、100℃のイオ
ン交換水中で1時間処理した。その後、膜を取りだし、
窒素気流下で乾燥した。得られた膜を、25℃のイオン
交換水に1日浸漬したときの吸水量は、膜の乾燥重量に
対して85重量%であった。膜についての各種評価結果
を表1に示す。
Example 1 0.140 g of polybenzoxazole (4a) having an acidic group having m1 / n1 = 0 and an inherent viscosity of 5.3 dl / g, and an inherent viscosity of 1.2 dl / g.
A basic polymer (5ae) having an acidic group of 0.0
28 g, 0.06 g of triethylamine and 30 ml of dimethyl sulfoxide (hereinafter abbreviated as DMSO) at 60 ° C.
It was heated and stirred at to dissolve. The solution was filtered through a 1G2 glass filter, poured into a glass flat-bottomed dish having a diameter of 90 mm, and dried under reduced pressure at 40 ° C. for 2 days and then at 100 ° C. for 1 day to remove DMSO. The peeled film is
It was treated at room temperature in a 1N HCl aqueous solution with gentle stirring for 1 day. The membrane was washed with deionized water and treated in deionized water at 100 ° C. for 1 hour. After that, take out the film,
It was dried under a nitrogen stream. When the obtained membrane was immersed in ion-exchanged water at 25 ° C. for 1 day, the water absorption was 85% by weight based on the dry weight of the membrane. Table 1 shows various evaluation results of the film.

【0042】(実施例2〜16)ポリマーと混合比を変
更した他は、実施例1と同様の手順で膜を作製し、各種
評価を行なった。評価結果を表1に示す。
(Examples 2 to 16) Membranes were prepared and various evaluations were performed in the same procedure as in Example 1 except that the mixing ratio with the polymer was changed. The evaluation results are shown in Table 1.

【0043】(実施例17)m1/n1=0、対数粘度
5.3dl/gである酸性ポリマー(4a)0.140
g、ポリマー(5o)0.030gを10mlのメタン
スルホン酸(以下MSAと略する)を室温で攪拌して溶
解した。溶液を1G2ガラスフィルターで濾過した後、
窒素雰囲気下ガラス板上に600μmの厚みで流延し
た。そのまま窒素雰囲気下で1時間放置した後、イオン
交換水に浸漬して凝固させた。得られた膜は、酸が検出
されなくなるまでイオン交換水を交換しつつ、数日間イ
オン交換水に浸漬した。その後、膜を金属性の枠に固定
し、窒素気流下で乾燥した。評価結果を表1に示す。
(株)日立製作所製270−30形赤外分光光度計を用
いて測定した膜の透過IRスペクトルを図1に示す。
(Example 17) 0.140 of acidic polymer (4a) having m1 / n1 = 0 and logarithmic viscosity of 5.3 dl / g
g and 0.030 g of polymer (5o) were dissolved by stirring 10 ml of methanesulfonic acid (hereinafter abbreviated as MSA) at room temperature. After filtering the solution through a 1G2 glass filter,
It was cast on a glass plate in a nitrogen atmosphere to a thickness of 600 μm. After being left as it was for 1 hour in a nitrogen atmosphere, it was immersed in ion-exchanged water to be solidified. The obtained membrane was immersed in ion-exchanged water for several days while exchanging the ion-exchanged water until no acid was detected. After that, the film was fixed on a metal frame and dried under a nitrogen stream. The evaluation results are shown in Table 1.
FIG. 1 shows the transmission IR spectrum of the film, which was measured using a Hitachi Ltd. model 270-30 infrared spectrophotometer.

【0044】(実施例19〜28)ポリマーと混合比を
変更した他は、実施例17と同様の手順で膜を作製し
た。評価結果を表1に示す。
(Examples 19 to 28) Membranes were prepared by the same procedure as in Example 17 except that the mixing ratio with the polymer was changed. The evaluation results are shown in Table 1.

【0045】(実施例23)白金担持量が20wt%で
あるカーボンブラック(粒子径が20〜30nm)0.
72gとナフィオン(登録商標)溶液(デュポン社製;
「ナフィオン(登録商標)溶液20%」)1gを均一に
なるようにグリセリン5gに混合分散することによって
ペーストを調整した。得られたペーストをスプレーによ
り噴霧することによって実施例1で得たポリマー電解質
膜の一方の面に塗布し、減圧乾燥した。もう一方の面に
も同様にペーストを塗布し、減圧乾燥した。得られた/
電極接合体の白金担持量は0.5mg/cm2であっ
た。この導電率を測定したところ1.5×10-3S/c
mであった。
(Example 23) Carbon black having a platinum loading of 20 wt% (particle size 20 to 30 nm)
72 g and Nafion (registered trademark) solution (manufactured by DuPont;
The paste was prepared by uniformly dispersing 1 g of “Nafion (registered trademark) solution 20%”) in 5 g of glycerin. The obtained paste was applied by spraying on one surface of the polymer electrolyte membrane obtained in Example 1 and dried under reduced pressure. Similarly, the paste was applied to the other surface and dried under reduced pressure. Obtained /
The amount of platinum supported on the electrode assembly was 0.5 mg / cm 2. When this conductivity was measured, it was 1.5 × 10 −3 S / c.
It was m.

【0046】(比較例1〜2)酸性基を有する塩基性ポ
リマーの代わりに、下記の構造;
(Comparative Examples 1 and 2) Instead of the basic polymer having an acidic group, the following structures;

【化18】 のポリベンズイミダゾール(以下PBIと略する)を用
い、その溶媒としてN,N−ジメチルアセトアミド(以
下DMAcと略する)を用いた他は、実施例と同様にし
て膜を作製した。評価結果を表1に示す。
[Chemical 18] Polybenzimidazole (hereinafter abbreviated as PBI) was used, and N, N-dimethylacetamide (hereinafter abbreviated as DMAc) was used as the solvent, to prepare a film in the same manner as in the example. The evaluation results are shown in Table 1.

【0047】(比較例3)酸性基を有する塩基性ポリマ
ーの代わりに、下記の構造;
(Comparative Example 3) Instead of the basic polymer having an acidic group, the following structure:

【化19】 のポリベンズイミダゾール(以下p−PBIと略する)
を用いた他は、実施例と同様にして膜を作製した。評価
結果を表1に示す。
[Chemical 19] Polybenzimidazole (hereinafter abbreviated as p-PBI)
A film was prepared in the same manner as in Example except that was used. The evaluation results are shown in Table 1.

【0048】(比較例4)市販のイオン交換膜であるN
afion(登録商標)112(デュポン社製)につい
て各種評価を行なった。評価結果を表1に示す。
Comparative Example 4 N which is a commercially available ion exchange membrane
Various evaluations were performed on afion (registered trademark) 112 (manufactured by DuPont). The evaluation results are shown in Table 1.

【0049】[0049]

【表1】 [Table 1]

【0050】[0050]

【発明の効果】本発明のポリマー電解質により、イオン
伝導性と耐久性に優れたポリマー電解質、ポリマー電解
質膜、膜/電極接合体を提供することができる。
EFFECTS OF THE INVENTION The polymer electrolyte of the present invention can provide a polymer electrolyte, a polymer electrolyte membrane, and a membrane / electrode assembly having excellent ionic conductivity and durability.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】実施例17で得られた膜のIRスペクトル。FIG. 1 is an IR spectrum of the film obtained in Example 17.

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成14年6月19日(2002.6.1
9)
[Submission date] June 19, 2002 (2002.6.1)
9)

【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】0044[Correction target item name] 0044

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0044】(実施例1〜28)ポリマーと混合比を
変更した他は、実施例17と同様の手順で膜を作製し
た。評価結果を表1に示す。
(Examples 18 to 28) A film was prepared in the same procedure as in Example 17, except that the mixing ratio with the polymer was changed. The evaluation results are shown in Table 1.

【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】0045[Name of item to be corrected] 0045

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0045】(実施例2)白金担持量が20wt%で
あるカーボンブラック(粒子径が20〜30nm)0.
72gとナフィオン(登録商標)溶液(デュポン社製;
「ナフィオン(登録商標)溶液20%」)1gを均一に
なるようにグリセリン5gに混合分散することによって
ペーストを調整した。得られたペーストをスプレーによ
り噴霧することによって実施例1で得たポリマー電解質
膜の一方の面に塗布し、減圧乾燥した。もう一方の面に
も同様にペーストを塗布し、減圧乾燥した。得られた/
電極接合体の白金担持量は0.5mg/cm2であっ
た。この導電率を測定したところ1.5×10-3S/c
mであった。
[0045] (Example 2 9) a carbon black supported platinum amount is 20 wt% (particle diameter of 20 to 30 nm) 0.
72 g and Nafion (registered trademark) solution (manufactured by DuPont;
The paste was prepared by uniformly dispersing 1 g of “Nafion (registered trademark) solution 20%”) in 5 g of glycerin. The obtained paste was applied by spraying on one surface of the polymer electrolyte membrane obtained in Example 1 and dried under reduced pressure. Similarly, the paste was applied to the other surface and dried under reduced pressure. Obtained /
The amount of platinum supported on the electrode assembly was 0.5 mg / cm 2. When this conductivity was measured, it was 1.5 × 10 −3 S / c.
It was m.

───────────────────────────────────────────────────── 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 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01M 8/10 H01M 8/10

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 (a)スルホン酸基及びその塩、又はホ
スホン酸基及び蘇の塩からなる群より選ばれる一種以上
の基を分子中に1個以上有するポリベンズオキサゾール
又はポリベンズチアゾールと、(b)スルホン酸基及び
その塩、ホスホン酸基及びその塩、カルボン酸基及びそ
の塩からなる群より選ばれる一種以上の基を分子中に1
個以上有する塩基性ポリマーとの混合物からなることを
特徴とするブレンドポリマー電解質。
1. A polybenzoxazole or polybenzthiazole having at least one group selected from the group consisting of (a) a sulfonic acid group and a salt thereof, or a phosphonic acid group and a salt of Su, in a molecule, (B) One or more groups selected from the group consisting of sulfonic acid groups and salts thereof, phosphonic acid groups and salts thereof, carboxylic acid groups and salts thereof in one molecule
A blended polymer electrolyte comprising a mixture with one or more basic polymers.
【請求項2】 ポリベンズオキサゾール又はポリベンズ
チアゾールが下記一般式(1)又は(5); 【化1】 [式(1)は、Ar1及びAr2からなる繰り返し単位
と、Ar3及びAr4からなる繰り返し単位とが、ランダ
ム又はブロックで連結していることを表す。式中、Ar
1及びAr3は下記一般式(2); 【化2】 で表される残基より選ばれる一種以上の残基を表し、A
1とAr3は同一であっても異なっていてもよい。X1
及びX2はO又はSを表す。YはO、S、C=O、CH
2、C(CH32、C(CF3)、S(=O)2のいずれ
かを表す。Ar2は下記一般式(3); 【化3】 で表される群より選ばれる一種以上の残基を表す。Ar
4は下記一般式(4); 【化4】 で表される残基よりなる群より選ばれる一種以上の残基
を表す。n1は1〜10000の整数を、m1は0〜10
000の整数をそれぞれ表す。] 【化5】 [式(5)は、それぞれの繰り返し単位が、ランダム又
はブロックで連結していることを表す。式中、X3及び
4はS原子又はO原子のいずれかを表し、これらは同
一であっても異なっていてもよい。Zは、SO3H基、
PO32基、及びそれらの塩から選ばれる1種以上の基
を表す。qは1〜3の整数を、n2は1〜10000の
整数を、m2は0〜10000の整数をそれぞれ表
す。]で表されることを特徴とする請求項1に記載のブ
レンドポリマー電解質。
2. Polybenzoxazole or polybenzthiazole is represented by the following general formula (1) or (5); [Formula (1) represents that the repeating unit consisting of Ar 1 and Ar 2 and the repeating unit consisting of Ar 3 and Ar 4 are linked randomly or in a block. In the formula, Ar
1 and Ar 3 are represented by the following general formula (2); Represents one or more residues selected from the residues represented by
r 1 and Ar 3 may be the same or different. X 1
And X 2 represents O or S. Y is O, S, C = O, CH
Represents any one of 2, C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ), and S (═O) 2 . Ar 2 is represented by the following general formula (3); Represents one or more residues selected from the group represented by. Ar
4 is the following general formula (4); Represents one or more residues selected from the group consisting of residues represented by. n 1 is an integer of 1 to 10000, m 1 is 0 to 10
Represents an integer of 000. ] [Chemical 5] [Formula (5) represents that each repeating unit is connected at random or in a block. In the formula, X 3 and X 4 represent either an S atom or an O atom, and these may be the same or different. Z is a SO 3 H group,
It represents one or more groups selected from PO 3 H 2 groups and salts thereof. q represents an integer of 1 to 3, n 2 represents an integer of 1 to 10000, and m 2 represents an integer of 0 to 10000. ] The blend polymer electrolyte of Claim 1 represented by these.
【請求項3】 塩基性ポリマーが、2−ビニルピリジン
の重合体及びその共重合体、4−ビニルピリジンとその
共重合体、ポリベンズイミダゾール、ポリキノリン、ポ
リキノキサリンからなる群より選ばれる1種以上の化合
物であることを特徴とする、請求項1又は2に記載のブ
レンドポリマー電解質。
3. The basic polymer is one or more selected from the group consisting of a polymer of 2-vinylpyridine and its copolymer, 4-vinylpyridine and its copolymer, polybenzimidazole, polyquinoline, polyquinoxaline. The blended polymer electrolyte according to claim 1, wherein the blended polymer electrolyte is a compound according to claim 1.
【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載のブレン
ドポリマー電解質を主成分とする電解質膜。
4. An electrolyte membrane containing the blended polymer electrolyte according to claim 1 as a main component.
【請求項5】 請求項1〜3のいずれかに記載のブレン
ドポリマー電解質膜を、膜及び/又は電極層に含むこと
を特徴とする膜/電極接合体。
5. A membrane / electrode assembly comprising the blend polymer electrolyte membrane according to claim 1 in a membrane and / or an electrode layer.
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