JP2005276441A - Ion exchange membrane - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion exchange membrane which is used for a fuel cell and is superior in permeation suppression of liquid fuel. <P>SOLUTION: This is a non-fluorine system ion exchange membrane for fuel cell which is superior in methanol permeation suppression property, and in the formula showing methanol concentration dependency of methanol permeation coefficient of the ion exchange membrane: methanol permeation coefficient [μmol/m/s]=α×(concentration of methanol water solution [mol/l] ), the inclination α is less than 0.08. The ion exchange membrane contains a constituent component as shown in the general formula (2) as well as the general formula (1). <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明はイオン交換膜に関係し、詳しくは、燃料電池に使用される、特に液体燃料の透過抑止性に優れるイオン交換膜に関するものでる。   The present invention relates to an ion exchange membrane, and more particularly to an ion exchange membrane used in a fuel cell and particularly excellent in permeation deterrence of liquid fuel.

イオン交換膜を高分子固体電解質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上げることができる。これらに用いられるイオン交換膜は、カチオン交換膜としてプロトン伝導性を有するともに化学的、熱的、電気化学的およ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、ナフィオン(商品名)膜をメタノール等の液体有機燃料を燃料とする燃料電池に使用する場合、燃料極側に供給したメタノールがイオン交換膜を透過して空気極側に流れ込んでしまうクロスオーバーという問題が顕著である。このクロスオーバーが生じると、液体燃料と酸化剤が直接反応してしまい電力が低下するという問題や、液体燃料が空気極側から外部に漏れ出すといった問題が発生する。クロスオーバーを抑制するために一般的に行われる手法は、燃料であるメタノールの濃度を制限することであり、3〜6%程度の希薄メタノールを使用することで対応されている。しかしながら希薄メタノールで燃料電池を動作させる場合、燃料タンクが大きくなるので、燃料電池サイズが大きくなり、実用上好ましくない。このような観点から、高濃度の液体燃料を含む溶液を燃料として使用可能なイオン交換膜が望まれている。また、クロスオーバーを抑制するための一手法として、イオン交換膜の厚みを増加させるという手法も取られている。しかしながら厚みを増すと、メタノール透過係数も増加してしまうという欠点を有しているため、メタノール透過抑止の効果はそれほど大きくなかった。すなわち、イオン交換膜の厚みが増加した分、厚みに比例して抵抗値が上昇するのに対して、メタノール透過抑止性は十分に改善されないので、厚みを増す効果が良好に発現されなかった。このような観点から、メタノール透過係数の厚み依存性が小さな燃料電池用のイオン交換膜が望まれている。また、このような依存性が観察される理由として、本発明者らは、イオン交換膜内部でメタノール濃度の分布が発生する中、膜の膨潤性がメタノールと水で異なっていることが影響しているものと考えている。   As an example of an electrochemical device using an ion exchange membrane as a polymer solid electrolyte, a water electrolyzer and a fuel cell can be raised. The ion exchange membrane used for these must have proton conductivity as a cation exchange membrane and be sufficiently stable chemically, thermally, electrochemically and mechanically. For this reason, perfluorocarbon sulfonic acid membranes, typically “Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont, have been used as long-term usable products. However, when the Nafion (trade name) membrane is used in a fuel cell using liquid organic fuel such as methanol as fuel, the methanol supplied to the fuel electrode side passes through the ion exchange membrane and flows into the air electrode side. The problem is remarkable. When this crossover occurs, there arises a problem that the liquid fuel and the oxidant directly react to reduce power, and that the liquid fuel leaks outside from the air electrode side. A method generally used to suppress the crossover is to limit the concentration of methanol as a fuel, and this is dealt with by using about 3 to 6% diluted methanol. However, when the fuel cell is operated with dilute methanol, the fuel tank becomes large, so the fuel cell size becomes large, which is not practically preferable. From such a viewpoint, an ion exchange membrane that can use a solution containing a high-concentration liquid fuel as a fuel is desired. In addition, as a technique for suppressing the crossover, a technique of increasing the thickness of the ion exchange membrane is also taken. However, as the thickness increases, the methanol permeation coefficient also increases, so the effect of inhibiting methanol permeation was not so great. That is, while the resistance value increases in proportion to the increase in thickness of the ion exchange membrane, the methanol permeation deterrence is not sufficiently improved, so that the effect of increasing the thickness was not expressed well. From such a viewpoint, an ion exchange membrane for a fuel cell having a small thickness dependency of the methanol permeability coefficient is desired. In addition, the reason why such dependence is observed is that the inventors have influenced that the swelling property of the membrane is different between methanol and water while the distribution of methanol concentration occurs inside the ion exchange membrane. I believe that.

また、非フッ素系芳香族環含有ポリマーにスルホン酸基を導入したイオン交換膜も検討されており、化学的・物理的安定性に優れるものとして、ポリアリールエーテルスルホンをスルホン化したもの(例えば、非特許文献1参照。)、ポリエーテルエーテルケトンをスルホン化したもの(例えば、特許文献1参照。)、等が報告されている。例えばNafion(商品名)よりも幾分良好な液体燃料透過性を有するポリマーも一部紹介されている(非特許文献2参照)。しかしながら、これらの膜についての検討は近年始まったものであり、非フッ素系ポリマーを用いたイオン交換膜におけるポリマー構造を最適化して行く必要性が示されている。   In addition, an ion exchange membrane in which a sulfonic acid group is introduced into a non-fluorinated aromatic ring-containing polymer has been studied, and a polymer obtained by sulfonating a polyarylethersulfone (for example, having excellent chemical and physical stability (for example, Non-patent document 1), sulfonated polyether ether ketone (for example, refer to patent document 1), and the like have been reported. For example, some polymers having liquid fuel permeability somewhat better than Nafion (trade name) have been introduced (see Non-Patent Document 2). However, studies on these membranes have begun in recent years, and the necessity of optimizing the polymer structure in ion exchange membranes using non-fluorine polymers has been shown.

特開平6−93114号公報(第15−17頁)JP-A-6-93114 (pages 15-17) ジャーナル・オブ・メンブラン・サイエンス(Journal of Membrane Science)、(オランダ)1993年、83巻、P.211−220Journal of Membrane Science (Netherlands) 1993, 83, p. 211-220 The Electrochemical Society 203rd Meeting−Paris,Abs No.1167The Electrochemical Society 203rd Meeting-Paris, Abs No. 1167

本発明は、ダイレクトメタノール型燃料電池を始めとする液体燃料を使用するタイプの燃料電池において問題視されている、イオン交換膜の液体燃料透過抑止性が低いという問題を解決するものである。本発明のイオン交換膜は、高濃度の液体燃料を用いた場合でも、液体燃料のクロスオーバー量を少なく抑えることが可能なイオン交換膜であり、燃料電池とした場合、高濃度の液体燃料を使用することができる。さらには、メタノール透過係数の膜厚依存性が少ないため、厚みを増加させる効果を有効に働かせることが可能なイオン交換膜である。   The present invention solves the problem that the liquid fuel permeation inhibiting property of an ion exchange membrane is low, which is regarded as a problem in a fuel cell using a liquid fuel such as a direct methanol fuel cell. The ion exchange membrane of the present invention is an ion exchange membrane that can suppress the amount of crossover of liquid fuel to a low level even when a high concentration liquid fuel is used. Can be used. Furthermore, since the methanol permeability coefficient is less dependent on the film thickness, the ion exchange membrane can effectively exert the effect of increasing the thickness.

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、高濃度の液体燃料を用いた場合でも、液体燃料のクロスオーバー量を少なく抑えることが可能なイオン交換膜を発明した。また、本発明のイオン交換膜を使用した燃料電池は、高濃度の液体燃料を利用可能な優れた燃料電池であり、特に燃料電池の大きさを低減することが可能である。   As a result of intensive studies, the present inventors have invented an ion exchange membrane that can suppress the crossover amount of the liquid fuel even when a high concentration liquid fuel is used. In addition, the fuel cell using the ion exchange membrane of the present invention is an excellent fuel cell that can use high-concentration liquid fuel, and in particular, the size of the fuel cell can be reduced.

すなわち本発明は、プロトン伝導性を有する燃料電池用の非フッ素系イオン交換膜であって、イオン交換膜のメタノール透過係数のメタノール濃度依存性を示す下記式において、傾きαが、0.08よりも小さいことを特徴とする、メタノール透過抑止性に優れるイオン交換膜である。
メタノール透過係数[μmol/m/s]=α×(メタノール水溶液の濃度[mol/l])
That is, the present invention is a non-fluorine ion exchange membrane for a fuel cell having proton conductivity, and in the following formula showing the methanol concentration dependence of the methanol permeability coefficient of the ion exchange membrane, the slope α is 0.08 Is an ion exchange membrane excellent in methanol permeation deterrence.
Methanol permeability coefficient [μmol / m / s] = α × (methanol aqueous solution concentration [mol / l])

また、上記のイオン交換膜であって、50μm、200μmと厚みを変えて作り、両者のメタノール透過係数を比較した時、メタノール透過係数の差が25%以内となることを特徴とするイオン交換性ポリマーを含むことを特徴とするイオン交換膜である。   In addition, the ion exchange membrane according to the above, wherein the thickness is changed to 50 μm and 200 μm, and when the methanol permeability coefficient of both is compared, the difference in methanol permeability coefficient is within 25%. An ion exchange membrane comprising a polymer.

また、イオン交換膜として、下記一般式(1)とともに一般式(2)で示される構成成分を含むことを特徴とするイオン交換膜である。

Figure 2005276441
ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基またはケトン基、XはHまたは1価のカチオン種を示す。
Figure 2005276441
ただし、Ar'は2価の芳香族基を示す。 In addition, the ion exchange membrane includes a constituent represented by the following general formula (1) as well as the following general formula (1).
Figure 2005276441
Here, Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfone group or a ketone group, and X represents H or a monovalent cation species.
Figure 2005276441
However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.

また、上記いずれかのイオン交換膜を使用したイオン交換膜・電極接合体である。   Further, the present invention is an ion exchange membrane / electrode assembly using any one of the above ion exchange membranes.

また、上記イオン交換膜・電極接合体を使用した燃料電池である。   Further, the present invention is a fuel cell using the ion exchange membrane / electrode assembly.

本発明は、液体燃料溶液中に含まれる液体燃料の濃度を増加させた場合においても、液体燃料の透過を抑制可能なことを特徴とするイオン交換であり、本発明によるイオン交換膜は、液体燃料を使用する燃料電池に良好に使用可能であり、特に燃料電池の小型化に貢献する。   The present invention is an ion exchange characterized in that the permeation of liquid fuel can be suppressed even when the concentration of the liquid fuel contained in the liquid fuel solution is increased. The ion exchange membrane according to the present invention is a liquid It can be used favorably for fuel cells that use fuel, and contributes particularly to miniaturization of fuel cells.

以下、本発明を詳細に説明する。本発明は、膨潤の少ない、芳香環上に酸性基を導入したプロトン伝導性を有する炭化水素系のイオン交換膜であり、そのイオン交換膜を使用して作製した、例えばダイレクトメタノール型燃料電池は良好な発電性能を示すことが可能となる。本発明のイオン交換膜の特徴として、メタノールを始めとする液体燃料の濃度が高くても、液体燃料の透過を低く抑えることが可能であり、例えば代表的なフッ素系イオン交換膜であるNafion(商品名)において、後述の手法により測定された、下記式に示すイオン交換膜のメタノール透過係数(μmol/m/s)のメタノール水溶液濃度(mol/l)依存性の係数であるαが0.14の速度で透過しやすくなるという結果に対して、0.08以下に抑えることが可能であり、高濃度のメタノールを使用した際に透過量が増加する影響を小さく抑えることが可能となる。
メタノール透過係数[μmol/m/s]=α×(メタノール水溶液の濃度[mol/l])
その結果、高濃度のメタノール水溶液を使用してもメタノールのクロスリークを低減できるので、燃料濃度を高くすることができ、燃料電池に占める燃料タンクの大きさを小さくすることが可能である。αの値として、より好ましくは0.06以下であり、さらに好ましくは0.04以下であり、さらに好ましくは、0.02以下である。なお、αの値が0.08よりも大きくなると、燃料がクロスリークしやすいイオン交換膜となるため好ましくない。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. The present invention is a hydrocarbon-based ion exchange membrane having proton conductivity in which an acidic group is introduced onto an aromatic ring with less swelling, and a direct methanol fuel cell, for example, produced using the ion exchange membrane is It is possible to show good power generation performance. As a feature of the ion exchange membrane of the present invention, even if the concentration of liquid fuel such as methanol is high, the permeation of the liquid fuel can be kept low. For example, Nafion (a typical fluorine-based ion exchange membrane) (Trade name), α, which is a coefficient of dependence on the methanol aqueous solution concentration (mol / l) of the methanol permeability coefficient (μmol / m / s) of the ion exchange membrane represented by the following formula, measured by the method described later, is 0.00. In contrast to the result of facilitating permeation at a speed of 14, it can be suppressed to 0.08 or less, and the effect of increasing the permeation amount when using high-concentration methanol can be minimized.
Methanol permeability coefficient [μmol / m / s] = α × (methanol aqueous solution concentration [mol / l])
As a result, even if a high-concentration aqueous methanol solution is used, the cross leak of methanol can be reduced, so that the fuel concentration can be increased and the size of the fuel tank in the fuel cell can be reduced. The value of α is more preferably 0.06 or less, further preferably 0.04 or less, and further preferably 0.02 or less. If the value of α is larger than 0.08, it is not preferable because the fuel becomes an ion exchange membrane that easily cross leaks.

また、本発明のイオン交換膜の特徴として、膜厚を増加させた場合でも効果的に液体燃料の透過を低く抑えることが可能であり、例えば代表的なフッ素系イオン交換膜であるNafion(商品名)において厚みが増加すると、イオン交換膜のメタノール透過係数が増加するという現象に対して、本発明のイオン交換膜は、メタノール透過係数を一定に保つことが可能である。その結果、イオン交換膜の膜厚みを増加させた際に、メタノール透過を抑制する機能を効果的に発現させることができ、メタノール透過の少ない良好なイオン交換膜を提供することができる。すなわち、従来のイオン交換膜においては、厚みを二倍にしても、メタノール透過抑止能力は、若干改善されるものの二倍にはならないため、有効に厚みを増加する効果が発現されなかったのに対して、本発明のイオン交換膜においては、メタノール透過抑止能力は二倍となり、厚み増加の効果が有効に作用することを特徴とする。   Further, as a feature of the ion exchange membrane of the present invention, it is possible to effectively suppress the permeation of liquid fuel even when the film thickness is increased. For example, Nafion which is a typical fluorine ion exchange membrane (product) In contrast to the phenomenon that the methanol permeability coefficient of the ion exchange membrane increases as the thickness increases, the ion exchange membrane of the present invention can keep the methanol permeability coefficient constant. As a result, when the membrane thickness of the ion exchange membrane is increased, a function of suppressing methanol permeation can be effectively expressed, and a good ion exchange membrane with little methanol permeation can be provided. That is, in the conventional ion exchange membrane, even if the thickness is doubled, the methanol permeation inhibiting ability is not improved twice, although the effect of effectively increasing the thickness was not exhibited. On the other hand, in the ion exchange membrane of the present invention, the methanol permeation inhibiting ability is doubled, and the effect of increasing the thickness is effective.

メタノール透過係数の厚み依存性を知る手法としては、メタノール透過係数は、厚みが増えると増す傾向にあるので、同じ組成のポリマーからなる、約50μmの膜厚のイオン交換膜と約200μmの膜厚のイオン交換膜を作製し、メタノール透過係数を比較することは好ましい比較方法である。また、約50μmから約200μmの範囲で、複数の異なる厚みを有する膜を作製し、それぞれに対して測定したメタノール透過係数と厚みの関係から、メタノール透過係数の厚み依存性を求めることも可能である。厚みの異なるイオン交換膜を作製するためには、例えばポリマー溶液から流延法によってポリマー溶液を引き伸ばした後、溶媒を除去することによって、各種任意の厚みを有するイオン交換膜を作製することはり良好な方法である。ポリマー溶液の作製に当たっては、既に特定の厚みに成型されているイオン交換膜を、溶媒に溶解させるという手法を取ることも可能である。膜の作製方法に関する詳細は後述する。   As a method for knowing the thickness dependence of the methanol permeability coefficient, the methanol permeability coefficient tends to increase as the thickness increases. Therefore, an ion exchange membrane having a film thickness of about 50 μm and a film thickness of about 200 μm made of a polymer having the same composition. It is a preferable comparison method to prepare an ion exchange membrane and compare methanol permeability coefficients. It is also possible to produce a plurality of membranes having different thicknesses in the range of about 50 μm to about 200 μm, and obtain the thickness dependence of the methanol permeability coefficient from the relationship between the measured methanol permeability coefficient and thickness. is there. In order to produce ion exchange membranes with different thicknesses, for example, it is desirable to produce ion exchange membranes having various arbitrary thicknesses by stretching the polymer solution from the polymer solution by casting and then removing the solvent. It is a simple method. In producing the polymer solution, it is also possible to take a technique in which an ion exchange membrane already molded to a specific thickness is dissolved in a solvent. Details regarding the method of manufacturing the film will be described later.

メタノール透過係数の厚み依存性は小さい程好ましく、少なくとも50μmのイオン交換膜と200μmのイオン交換膜を比較した際、メタノール透過係数の差が25%よりも小さいイオン交換膜が好ましく、より望ましくは15%以下であり、さらに好ましくは、10%以下にある膜が望ましい。上記範囲の厚みにおいてメタノール透過係数の差が25%よりも大きいと、厚みを増加させた際のメタノール透過抑止の効果は良好には発現されず、膜の抵抗増加による負の影響が大きくなるため好ましくない。なお、メタノール透過係数の厚み依存性を求める際に、実験誤差を小さくする意味では、約50μmから約200μmの間で異なる複数の膜厚のサンプルを調査することによって得られる、メタノール透過係数と厚みの間に見られる関係式から、メタノール透過係数の差を求める方法が好ましい。   The thickness dependence of the methanol permeability coefficient is preferably as small as possible. When comparing an ion exchange membrane of at least 50 μm and an ion exchange membrane of 200 μm, an ion exchange membrane having a difference in methanol permeability coefficient of less than 25% is preferred, more desirably 15 % Or less, more preferably 10% or less. If the difference in methanol permeability coefficient is greater than 25% in the thickness range above, the effect of inhibiting methanol permeation when the thickness is increased will not be exhibited well, and the negative influence due to increased resistance of the membrane will increase. It is not preferable. It should be noted that when determining the thickness dependence of the methanol permeability coefficient, in order to reduce the experimental error, the methanol permeability coefficient and thickness obtained by investigating a plurality of samples having different film thicknesses between about 50 μm and about 200 μm. A method of obtaining the difference in methanol permeability coefficient from the relational expression seen between

本発明のイオン交換膜およびイオン交換膜を作製するためのポリマーの種類としては、ポリスチレンスルホン酸、ポリ(トリフルオロスチレン)スルホン酸、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルカルボン酸、ポリビニルスルホン酸成分の少なくとも1種を含むアイオノマーが挙げられる。さらに、芳香族系のポリマーとして、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリフェニルキノキサリン、ポリアリールケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリイミド等の構成成分の少なくとも1種を含むポリマーに、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基、およびそれらの誘導体の少なくとも1種が導入されているポリマーが挙げられる。なお、ここでいうポリスルホン、ポエーテルスルホン、ポリエーテルケトン等は、その分子鎖にスルホン結合、エーテル結合、ケトン結合を有しているポリマーの総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどを含むとともに、特定のポリマー構造に限定するものではない。   The ion exchange membrane and the polymer for producing the ion exchange membrane of the present invention include at least one of polystyrene sulfonic acid, poly (trifluorostyrene) sulfonic acid, polyvinyl phosphonic acid, polyvinyl carboxylic acid, and polyvinyl sulfonic acid component. Ionomer containing. Furthermore, as aromatic polymers, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, polyarylene polymer, polyphenylquinoxaline, polyaryl ketone, polyether ketone, polybenzoxazole, Examples thereof include polymers in which at least one of sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, carboxyl groups, and derivatives thereof is introduced into a polymer containing at least one component such as polybenzthiazole and polyimide. Polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, and the like referred to here are generic names for polymers having a sulfone bond, an ether bond, and a ketone bond in the molecular chain thereof. Polyetherketoneketone, polyetheretherketone, It includes polyether ether ketone ketone, polyether ketone ether ketone ketone, polyether ketone sulfone and the like, and is not limited to a specific polymer structure.

上記酸性基を含有するポリマーのうち、芳香環上にスルホン酸基を持つポリマーは、上記例のような骨格を持つポリマーに対して適当なスルホン化剤を反応させることにより得ることができる。このようなスルホン化剤としては、例えば、芳香族環含有ポリマーにスルホン酸基を導入する例として報告されている、濃硫酸や発煙硫酸を使用するもの(例えば、Solid State Ionics,106,P.219(1998))、クロル硫酸を使用するもの(例えば、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,22,P.295(1984))、無水硫酸錯体を使用するもの(例えば、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,22,P.721(1984)、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,23,P.1231(1985))等が有効である。これらの試薬を用い、それぞれのポリマーに応じた反応条件を選定することにより実施することができる。また、特許第2884189号に記載のスルホン化剤等を用いることも可能である。   Among the polymers containing acidic groups, a polymer having a sulfonic acid group on an aromatic ring can be obtained by reacting a polymer having a skeleton as in the above example with a suitable sulfonating agent. Examples of such a sulfonating agent include those using concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid, which have been reported as an example of introducing a sulfonic acid group into an aromatic ring-containing polymer (for example, Solid State Ionics, 106, P.A. 219 (1998)), those using chlorosulfuric acid (for example, J. Polym. Sci., Polym. Chem., 22, P. 295 (1984)), those using anhydrous sulfuric acid complex (for example, J. Polym Sci., Polym.Chem., 22, P.721 (1984), J. Polym.Sci., Polym.Chem., 23, P.1231 (1985)) and the like are effective. It can carry out by selecting reaction conditions according to each polymer using these reagents. Moreover, it is also possible to use the sulfonating agent described in Japanese Patent No. 2884189.

また、上記ポリマーは、重合に用いるモノマーの中の少なくとも1種にイオン交換性官能基を含むモノマーを用いて合成することもできる。例えば、芳香族ジアミンと芳香族テトラカルボン酸二無水物から合成されるポリイミドにおいては、芳香族ジアミンの少なくとも1種にスルホン酸基含有ジアミンを用いて酸性化含有ポリイミドとすることが出来る。芳香族ジアミンジオールと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズオキサゾール、芳香族ジアミンジチオールと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズチアゾールの場合は、芳香族ジカルボン酸の少なくとも1種にスルホン酸基含有ジカルボン酸やホスホン酸基含有ジカルボン酸を使用することにより酸性基含有ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールとすることが出来る。芳香族ジハライドと芳香族ジオールから合成されるポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトンなどは、モノマーの少なくとも1種にスルホン酸基含有芳香族ジハライドやスルホン酸基含有芳香族ジオールを用いることで合成することが出来る。この際、スルホン酸基含有ジオールを用いるよりも、スルホン酸基含有ジハライドを用いる方が、重合度が高くなりやすいとともに、得られたポリマーの熱安定性が高くなるので好ましいと言える。   Moreover, the said polymer is also compoundable using the monomer which contains an ion-exchange functional group in at least 1 sort (s) in the monomer used for superposition | polymerization. For example, in a polyimide synthesized from an aromatic diamine and an aromatic tetracarboxylic dianhydride, an acidified polyimide can be obtained by using a sulfonic acid group-containing diamine as at least one aromatic diamine. In the case of polybenzoxazole synthesized from aromatic diamine diol and aromatic dicarboxylic acid, and polybenzthiazole synthesized from aromatic diamine dithiol and aromatic dicarboxylic acid, at least one kind of aromatic dicarboxylic acid contains sulfonic acid group By using dicarboxylic acid or phosphonic acid group-containing dicarboxylic acid, an acidic group-containing polybenzoxazole or polybenzthiazole can be obtained. Polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, etc. synthesized from aromatic dihalide and aromatic diol are synthesized by using sulfonic acid group-containing aromatic dihalide or sulfonic acid group-containing aromatic diol as at least one monomer. I can do it. At this time, it can be said that the use of a sulfonic acid group-containing dihalide is preferable to the use of a sulfonic acid group-containing diol because the degree of polymerization tends to increase and the thermal stability of the obtained polymer increases.

なお本発明におけるイオン交換膜を形成するためのポリマーは、スルホン酸基含有ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリエーテルケトン系ポリマーなどのポリアリーレンエーテル系化合物であることがより好ましい。   The polymer for forming the ion exchange membrane in the present invention is a polyarylene ether compound such as sulfonic acid group-containing polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, or polyether ketone polymer. Is more preferable.

さらに、これらのポリアリーレンエーテル系化合物のうち、下記一般式(1)とともに一般式(2)で示される構成成分を含むものが特に好ましく、特に優れている。   Further, among these polyarylene ether compounds, those containing the structural component represented by the general formula (2) together with the following general formula (1) are particularly preferable and particularly excellent.

Figure 2005276441
ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基またはケトン基、XはHまたは1価のカチオン種を示す。
Figure 2005276441
Here, Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfone group or a ketone group, and X represents H or a monovalent cation species.

Figure 2005276441
ただし、Ar'は2価の芳香族基を示す。
Figure 2005276441
However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.

上記一般式(2)で示される構成成分は、下記一般式(3)で示される構成成分であることが好ましい。   The component represented by the general formula (2) is preferably a component represented by the following general formula (3).

Figure 2005276441
ただし、Ar'は2価の芳香族基を示す。
Figure 2005276441
However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.

また、本発明のスルホン酸基を含有するポリアリーレンエーテル系ポリマーにおいては上記一般式(1)および一般式(2)で示される以外の構造単位が含まれていてもかまわない。このとき、上記一般式(1)または一般式(2)で示される以外の構造単位は50重量%以下であることが好ましい。50質量%以下とすることにより、本発明のイオン交換膜を形成するためのポリマーの特性を活かした組成物とすることができる。   In addition, the polyarylene ether-based polymer containing a sulfonic acid group of the present invention may contain structural units other than those represented by the general formula (1) and the general formula (2). At this time, it is preferable that structural units other than those represented by the general formula (1) or the general formula (2) are 50% by weight or less. By setting it to 50 mass% or less, it can be set as the composition which utilized the characteristic of the polymer for forming the ion exchange membrane of this invention.

本発明のイオン交換膜を形成するためのポリマーとしては、スルホン酸基含有量が0.3〜3.6meq/gの範囲にあることが好ましい。0.3meq/gよりも少ない場合には、イオン交換膜として使用したときに十分なイオン伝導性を示さない傾向があり、3.6meq/gよりも大きい場合にはイオン交換膜を高温高湿条件においた場合に膜膨潤が大きくなりすぎて使用に適さなくなる傾向がある。なお、スルホン酸基含有量はポリマー組成より計算することができる。より好ましくは0.5〜2.5meq/gである。   The polymer for forming the ion exchange membrane of the present invention preferably has a sulfonic acid group content in the range of 0.3 to 3.6 meq / g. If it is less than 0.3 meq / g, it tends to not exhibit sufficient ion conductivity when used as an ion exchange membrane, and if it is more than 3.6 meq / g, the ion exchange membrane is not hot and humid. When the conditions are met, membrane swelling tends to be too large to be suitable for use. The sulfonic acid group content can be calculated from the polymer composition. More preferably, it is 0.5-2.5 meq / g.

さらに本発明のイオン交換膜を形成するためのポリマーとしては、下記一般式(4)とともに一般式(5)で示される構成成分を含むものが特に好ましい。ビフェニレン構造を有していることにより高温高湿条件での寸法安定性に優れるとともに、強靱性も高いものとなる。   Furthermore, as a polymer for forming the ion exchange membrane of the present invention, a polymer containing a constituent represented by the general formula (5) together with the following general formula (4) is particularly preferable. By having a biphenylene structure, it has excellent dimensional stability under high temperature and high humidity conditions, and also has high toughness.

Figure 2005276441
Figure 2005276441
ただし、XはHまたは1価のカチオン種を示す。
Figure 2005276441
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X represents H or a monovalent cation species.

本発明のスルホン酸基を含有するポリアリーレンエーテル系ポリマーは、下記一般式(6)および一般式(7)で表される化合物をモノマーとして含む芳香族求核置換反応により重合することができる。一般式(6)で表される化合物の具体例としては、3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン、3,3'−ジスルホ−4,4'−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルケトン、3,3'−ジスルホ−4,4'−ジフルオロジフェニルスルホン、およびそれらのスルホン酸基が1価カチオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価カチオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限される訳ではない。一般式(7)で表される化合物としては、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、等を挙げることができる。   The polyarylene ether-based polymer containing a sulfonic acid group of the present invention can be polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction containing compounds represented by the following general formulas (6) and (7) as monomers. Specific examples of the compound represented by the general formula (6) include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3, 3'-disulfo-4,4'-dichlorodiphenyl ketone, 3,3'-disulfo-4,4'-difluorodiphenyl sulfone, and those whose sulfonic acid groups are converted to salts with monovalent cation species Can be mentioned. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. Examples of the compound represented by the general formula (7) include 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, and the like. it can.

Figure 2005276441
Figure 2005276441
ただし、Yはスルホン基またはケトン基、Xは1価のカチオン種、Zは塩素またはフッ素を示す。本発明において、上記2,6−ジクロロベンゾニトリルおよび2,4−ジクロロベンゾニトリルは、異性体の関係にあり、いずれを用いたとしても良好なイオン伝導性、耐熱性、加工性および寸法安定性を達成することができる。その理由としては両モノマーとも反応性に優れるとともに、小さな繰り返し単位を構成することで分子全体の構造をより硬いものとしていると考えられている。
Figure 2005276441
Figure 2005276441
Y represents a sulfone group or a ketone group, X represents a monovalent cation species, and Z represents chlorine or fluorine. In the present invention, the above 2,6-dichlorobenzonitrile and 2,4-dichlorobenzonitrile are in an isomer relationship, and any of them is used, good ion conductivity, heat resistance, workability and dimensional stability. Can be achieved. The reason is considered that both monomers are excellent in reactivity and that the structure of the whole molecule is made harder by constituting a small repeating unit.

上述の芳香族求核置換反応において、上記一般式(6)、(7)で表される化合物とともに各種活性化ジフルオロ芳香族化合物やジクロロ芳香族化合物をモノマーとして併用することもできる。これらの化合物例としては、4,4'−ジクロロジフェニルスルホン、4,4'−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4'−ジフルオロベンゾフェノン、4,4'−ジクロロベンゾフェノン、デカフルオロビフェニル等が挙げられるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。   In the above-described aromatic nucleophilic substitution reaction, various activated difluoroaromatic compounds and dichloroaromatic compounds can be used in combination with the compounds represented by the general formulas (6) and (7) as monomers. Examples of these compounds include 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, decafluorobiphenyl, and the like. However, other aromatic dihalogen compounds, aromatic dinitro compounds, aromatic dicyano compounds and the like that are active in aromatic nucleophilic substitution can also be used.

また、上述の一般式(1)で表される構成成分中のArおよび上述の一般式(2)で表される構成成分中のAr'は、一般には芳香族求核置換重合において上述の一般式(6)、(7)で表される化合物とともに使用される芳香族ジオール成分モノマーより導入される構造である。このような芳香族ジオールモノマーの例としては、4,4'−ビフェノール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、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、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、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、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、ハイドロキノン、レゾルシン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン等があげられるが、この他にも芳香族求核置換反応によるポリアリーレンエーテル系化合物の重合に用いることができる各種芳香族ジオールを使用することもできる。これら芳香族ジオールは、単独で使用することができるが、複数の芳香族ジオールを併用することも可能である。   In addition, Ar in the structural component represented by the general formula (1) and Ar ′ in the structural component represented by the general formula (2) are generally the same as those described above in the aromatic nucleophilic substitution polymerization. It is a structure introduced from an aromatic diol component monomer used together with the compounds represented by formulas (6) and (7). Examples of such aromatic diol monomers include 4,4′-biphenol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxy). Phenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, 2,2-bis (4-hydroxy-3) , 5-dimethylphenyl) propane, bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane, bis ( 4-hydroxyphenyl) diphenylmethane, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bi (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, hydroquinone, resorcin, bis (4-hydroxyphenyl) ketone, etc. Various aromatic diols that can be used for polymerization of polyarylene ether compounds by aromatic nucleophilic substitution reaction can also be used. These aromatic diols can be used alone, but a plurality of aromatic diols can be used in combination.

本発明のスルホン酸基を含有するポリアリーレンエーテル系ポリマーを芳香族求核置換反応により重合する場合、上記一般式(6)および一般式(7)で表せる化合物を含む活性化ジフルオロ芳香族化合物及び/またはジクロロ芳香族化合物と芳香族ジオール類を塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等があげられるが、芳香族ジオール類を活性なフェノキシド構造にしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水材を使用することもできる。芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50重量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5重量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50重量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。   When the polyarylene ether-based polymer containing a sulfonic acid group of the present invention is polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction, an activated difluoroaromatic compound including the compounds represented by the above general formula (6) and general formula (7), and A polymer can be obtained by reacting a dichloro aromatic compound and an aromatic diol in the presence of a basic compound. The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more. Examples of the basic compound include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, and the like, and those that can convert an aromatic diol into an active phenoxide structure may be used. It can use without being limited to. In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. As a method for removing water out of the system, a water absorbing material such as molecular sieve can also be used. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by weight. When the amount is less than 5% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by weight, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult. After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, the polymer can be obtained by precipitating the polymer as a solid by adding the reaction solution in a solvent having low polymer solubility, and collecting the precipitate by filtration.

また、本発明のスルホン酸基を含有するポリアリーレンエーテル系ポリマーは、ポリマー対数粘度が0.1以上であることが好ましい。対数粘度が0.1よりも小さいと、イオン交換膜として成形したときに、膜が脆くなりやすくなる。還元比粘度は、0.3以上であることがさらに好ましい。一方、還元比粘度が5を超えると、ポリマーの溶解が困難になるなど、加工性での問題が出てくるので好ましくない。なお、対数粘度を測定する溶媒としては、一般にN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどの極性有機溶媒を使用することができるが、これらに溶解性が低い場合には濃硫酸を用いて測定することもできる。   The polyarylene ether-based polymer containing a sulfonic acid group of the present invention preferably has a polymer log viscosity of 0.1 or more. When the logarithmic viscosity is less than 0.1, the membrane tends to become brittle when molded as an ion exchange membrane. The reduced specific viscosity is more preferably 0.3 or more. On the other hand, if the reduced specific viscosity exceeds 5, problems in processability such as difficulty in dissolving the polymer occur, which is not preferable. As a solvent for measuring the logarithmic viscosity, polar organic solvents such as N-methylpyrrolidone and N, N-dimethylacetamide can be generally used. When the solubility in these is low, concentrated sulfuric acid is used. It can also be measured.

なお、必要に応じて、本発明のイオン交換膜を形成するためのポリマーは、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、ラジカル防止剤などの各種添加剤や、イオン交換膜の特性をコントロールするための貴金属、無機化合物や無機―有機のハイブリッド化合物、イオン性液体、などを含んでいても良い。また、可能な範囲で複数のものが混在していても良い。   In addition, if necessary, the polymer for forming the ion exchange membrane of the present invention is, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a cross-linking agent, a viscosity modifier, an antistatic agent, Various additives such as antibacterial agents, antifoaming agents, dispersants, polymerization inhibitors, radical inhibitors, precious metals for controlling the properties of ion exchange membranes, inorganic compounds and inorganic-organic hybrid compounds, ionic liquids, Etc. may be included. Further, a plurality of items may be mixed as much as possible.

以上に示したポリマーを、押し出し、圧延またはキャストなど任意の方法でイオン交換膜とすることができる。中でも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。この溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、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の非プロトン性極性溶媒や、メタノール、エタノール等のアルコール類から適切なものを選ぶ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。溶液中の化合物濃度は0.1〜50重量%の範囲であることが好ましい。溶液中の化合物濃度が0.1重量%未満であると良好な成形物を得るのが困難となる傾向にあり、50重量%を超えると加工性が悪化する傾向にある。溶液から成形体を得る方法は従来から公知の方法を用いて行うことができる。イオン交換膜を成形する手法として最も好ましいのは、溶液からのキャストであり、キャストした溶液から上記のように溶媒を除去してイオン交換膜を得ることができる。溶媒の除去は、乾燥によることがイオン交換膜の均一性の観点からは好ましい。また、化合物や溶媒の分解や変質を避けるため、減圧下でできるだけ低い温度で乾燥することもできる。また、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、10〜2000μmであることが好ましい。より好ましくは50〜1500μmである。溶液の厚みが10μmよりも薄いとイオン交換膜としての形態を保てなくなる傾向にあり、2000μmよりも厚いと不均一なイオン交換膜ができやすくなる傾向にある。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化合物の凝固速度を調整することができる。本発明のイオン交換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5〜300μmであることが好ましく、25〜250μmであることがさらに好ましい。イオン交換膜の厚みが5μmより薄いとイオン交換膜の取扱が困難となり燃料電池を作製した場合に短絡等が起こる傾向にあり、300μmよりも厚いとイオン交換膜の電気抵抗値が高くなり燃料電池の発電性能が低下する傾向にある。また本発明においては、イオン交換膜として記載したが、中空糸状に加工することも好ましい形であり、加工に際しては公知の処方を利用できる。   The polymer shown above can be made into an ion exchange membrane by any method such as extrusion, rolling or casting. Among these, it is preferable to mold from a solution dissolved in an appropriate solvent. Examples of the solvent include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone and hexamethylphosphonamide, and alcohols such as methanol and ethanol. An appropriate one can be selected, but is not limited thereto. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The compound concentration in the solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by weight. If the concentration of the compound in the solution is less than 0.1% by weight, it tends to be difficult to obtain a good molded product, and if it exceeds 50% by weight, the workability tends to deteriorate. A method of obtaining a molded body from a solution can be performed using a conventionally known method. The most preferable method for forming the ion exchange membrane is a cast from a solution, and the ion exchange membrane can be obtained by removing the solvent from the cast solution as described above. The solvent is preferably removed by drying from the viewpoint of the uniformity of the ion exchange membrane. Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and alteration of a compound or a solvent, it can also dry at the lowest temperature possible under reduced pressure. Further, when the viscosity of the solution is high, when the substrate or the solution is heated and cast at a high temperature, the viscosity of the solution is lowered and the casting can be easily performed. The thickness of the solution at the time of casting is not particularly limited, but is preferably 10 to 2000 μm. More preferably, it is 50-1500 micrometers. If the thickness of the solution is thinner than 10 μm, the form as an ion exchange membrane tends to be not maintained, and if it is thicker than 2000 μm, a non-uniform ion exchange membrane tends to be easily formed. As a method for controlling the cast thickness of the solution, a known method can be used. For example, the thickness can be controlled with the amount and concentration of the solution with a constant thickness using an applicator, a doctor blade, or the like, and with a cast area constant using a glass petri dish or the like. The cast solution can obtain a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, in the case of heating, the evaporation rate can be reduced by lowering the temperature in the first stage. In addition, when immersed in a non-solvent such as water, the coagulation rate of the compound can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time. The ion exchange membrane of the present invention can have any thickness depending on the purpose, but is preferably as thin as possible from the viewpoint of ion conductivity. Specifically, it is preferably 5 to 300 μm, and more preferably 25 to 250 μm. If the thickness of the ion exchange membrane is less than 5 μm, handling of the ion exchange membrane becomes difficult and a short circuit or the like tends to occur when a fuel cell is produced. If the thickness is greater than 300 μm, the electric resistance value of the ion exchange membrane increases and the fuel cell increases. The power generation performance tends to decrease. In the present invention, it is described as an ion exchange membrane, but it is also preferable to process it into a hollow fiber shape, and a known formulation can be used for processing.

最終的に得られたイオン交換膜を使用する場合、膜中のイオン性官能基は適当な酸処理により酸型に変換した形が好ましい。この際、イオン交換膜のイオン伝導率は1.0x10-3S/cm以上であることが好ましい。イオン伝導率が1.0x10-3S/cm以上である場合には、そのイオン交換膜を用いた燃料電池において良好な出力が得られる傾向にあり、1.0x10-3S/cm未満である場合には燃料電池の出力低下が起こる傾向にある。 When the finally obtained ion exchange membrane is used, it is preferable that the ionic functional group in the membrane is converted into an acid form by an appropriate acid treatment. At this time, the ion conductivity of the ion exchange membrane is preferably 1.0 × 10 −3 S / cm or more. When the ionic conductivity is 1.0 × 10 −3 S / cm or more, a good output tends to be obtained in a fuel cell using the ion exchange membrane, and is less than 1.0 × 10 −3 S / cm. In some cases, the output of the fuel cell tends to decrease.

なお、液体燃料のクロスリークを防ぐ意味では、メタノール透過係数の小さいイオン交換膜を使用することが好ましく、具体的には0.01から0.35μmol/m/sの範囲にあることが好ましく、より好適には、0.3μmol/m/sよりも小さいことが望ましく、さらには、0.25μmol/m/sよりも小さいことが好ましく、より望ましくは0.2μmol/m/sよりも小さいものが好適である。メタノール透過係数が0.35μmol/m/sよりも大きいと、メタノール透過抑止性の低いイオン交換膜となってしまう。逆に、0.01μmol/m/sよりも小さいとイオン伝導率と両立することが困難となる。そのような観点から、本発明で特に紹介した、下記一般式(1)とともに一般式(2)で示される構成成分を含むものが特に好ましく優れている。   In order to prevent the cross leak of the liquid fuel, it is preferable to use an ion exchange membrane having a small methanol permeability coefficient, specifically, preferably in the range of 0.01 to 0.35 μmol / m / s, More preferably, it is preferably less than 0.3 μmol / m / s, more preferably less than 0.25 μmol / m / s, more preferably less than 0.2 μmol / m / s. Is preferred. When the methanol permeability coefficient is larger than 0.35 μmol / m / s, an ion exchange membrane having a low methanol permeation inhibiting property is obtained. On the other hand, if it is less than 0.01 μmol / m / s, it becomes difficult to achieve both ionic conductivity. From such a viewpoint, those including the constituents represented by the general formula (2) together with the following general formula (1) particularly introduced in the present invention are particularly preferable and excellent.

Figure 2005276441
ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基またはケトン基、XはHまたは1価のカチオン種を示す。
Figure 2005276441
Here, Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfone group or a ketone group, and X represents H or a monovalent cation species.

Figure 2005276441
ただし、Ar’は2価の芳香族基を示す。
Figure 2005276441
However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.

また、上述した本発明のイオン交換膜に電極を設置することによって、本発明のイオン交換膜と電極との接合体を得ることができる。触媒の種類や電極の構成や電極に使用されるガス拡散層の種類や接合方法などは特に限定されるものではなく、公知のものが使用でき、また公知の技術を組み合わせたものも使用できる。電極に使用する触媒としては耐酸性と触媒活性の観点から適宜選出できるが、白金族系金属およびこれらの合金や酸化物が特に好ましい。例えばカソードに白金または白金系合金,アノードに白金または白金系合金や白金とルテニウムの合金を使用すると高効率発電に適している。複数の種類の触媒を使用していても良く、分布があっても良い。電極中の空孔率や、電極中に触媒と一緒に混在させるイオン伝導性樹脂の種類・量なども特に制限されるものではない。また疎水性化合物の含浸などに代表されるガス拡散性をコントロールするための手法なども好適に利用できる。電極を膜に接合する技術としては、膜―電極間に大きな抵抗が生じないようにすることが重要であり、また膜の膨潤収縮や、ガス発生の機械的な力によって剥離や電極触媒の剥落が生じないようにすることも重要である。この接合体の作製方法としては、従来から燃料電池または、水電解における電極−膜接合方法の公知技術として知られている手法、例えば触媒担持カーボンとイオン交換樹脂およびポリテトラフルオロエチレン等の撥水性を有する材料を混合してあらかじめ電極を作製し、これを膜に熱圧着する手法や、前記混合物を膜にスプレーやインクジェット等で直接析出させる方法などが好適に用いられる。また、化学めっきによる、例えば白金族のアンミン錯イオンのように金属イオンをカチオン型にした溶液に膜を浸漬してイオン交換(吸着)させてから、膜を還元剤溶液に接触させて、膜表面近傍の金属イオンを還元させると同時に膜内部の金属イオンを表面に拡散させ、強固な金属析出層を膜表面に形成させる方法などが上げられる。後者については、さらに化学めっき浴を用いて活性な金属析出層の上に所定の金属種および量をめっき成長させる方法もある。   Moreover, the joined body of the ion exchange membrane of this invention and an electrode can be obtained by installing an electrode in the ion exchange membrane of this invention mentioned above. The type of catalyst, the configuration of the electrode, the type of gas diffusion layer used for the electrode, the joining method, and the like are not particularly limited, and known ones can be used, and a combination of known techniques can also be used. The catalyst used for the electrode can be appropriately selected from the viewpoints of acid resistance and catalytic activity, but platinum group metals and alloys and oxides thereof are particularly preferable. For example, platinum or a platinum-based alloy for the cathode and platinum or a platinum-based alloy or an alloy of platinum and ruthenium for the anode are suitable for high-efficiency power generation. Multiple types of catalysts may be used and may be distributed. There are no particular restrictions on the porosity in the electrode or the type / amount of the ion conductive resin mixed with the catalyst in the electrode. In addition, a method for controlling gas diffusivity represented by impregnation with a hydrophobic compound can be suitably used. In order to join the electrode to the membrane, it is important not to generate a large resistance between the membrane and the electrode. In addition, the membrane is swollen and shrunk, and the mechanical force of gas generation causes peeling and electrode catalyst peeling. It is also important to prevent this from occurring. As a method for producing this joined body, there are conventionally known methods as a known technique for fuel cell or electrode-membrane joining methods in water electrolysis, for example, water-repellent properties such as catalyst-carrying carbon, ion exchange resin and polytetrafluoroethylene. A method in which an electrode is prepared in advance by mixing a material having the above and thermocompression-bonded to a film, or a method in which the mixture is directly deposited on the film by spraying, ink jet, or the like is preferably used. In addition, the membrane is immersed in a solution in which metal ions are cationized, such as platinum group ammine complex ions, by chemical plating, and ion exchange (adsorption) is performed, and then the membrane is brought into contact with the reducing agent solution to form a membrane. A method of reducing the metal ions in the vicinity of the surface and simultaneously diffusing the metal ions inside the film to the surface to form a strong metal deposition layer on the film surface, and the like. Regarding the latter, there is also a method in which a predetermined metal species and amount are plated and grown on an active metal deposition layer using a chemical plating bath.

また上記のイオン交換膜・電極接合体を燃料電池に組み込むことによって良好な性能を有する燃料電池を提供できる。燃料電池に使用されるセパレータの種類や、燃料や酸化ガスの流速・供給方法・流路の構造・燃料電池の構造などや、運転方法、運転条件、温度分布、燃料電池の制御方法などは特に限定されるものではない。   In addition, a fuel cell having good performance can be provided by incorporating the ion exchange membrane / electrode assembly into the fuel cell. The type of separator used in the fuel cell, the flow rate of fuel and oxidant gas, the supply method, the structure of the flow path, the structure of the fuel cell, the operation method, operating conditions, temperature distribution, the control method of the fuel cell, etc. It is not limited.

本発明のイオン交換膜は、高濃度の液体燃料を使用した場合でも、液体燃料透過抑止性に優れる。また、液体燃料透過抑止性の厚み依存性が小さい。それらの特性を生かして、例えばダイレクトメタノール型燃料電池のイオン交換膜として好適に利用することができ、そうして作製した燃料電池は優れた性能を示す。   The ion exchange membrane of the present invention is excellent in liquid fuel permeation deterrence even when a high concentration liquid fuel is used. Moreover, the thickness dependence of liquid fuel permeation suppression is small. Taking advantage of these characteristics, it can be suitably used, for example, as an ion exchange membrane of a direct methanol fuel cell, and the fuel cell thus produced exhibits excellent performance.

以下に本発明の実施例を示すが本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Examples of the present invention are shown below, but the present invention is not limited to these Examples.

評価法・測定法   Evaluation and measurement methods

<イオン交換膜の膜厚>
イオン交換膜の厚みは、マイクロメーター(Mitutoyo 標準マイクロメーター 0−25mm 0.01mm)を用いて測定することにより求めた。測定は5×5cmの大きさのサンプルに対して20箇所測定し、その平均値を膜厚とした。なお測定は、室温が20℃で湿度が30±5RH%にコントロールされた測定室内で評価を行った。サンプルは、24時間以上、測定室内で静置したものを使用した。
<Ion exchange membrane thickness>
The thickness of the ion exchange membrane was determined by measurement using a micrometer (Mitutoyo standard micrometer 0-25 mm 0.01 mm). The measurement was performed at 20 points on a 5 × 5 cm sample, and the average value was taken as the film thickness. The measurement was performed in a measurement room in which the room temperature was 20 ° C. and the humidity was controlled to 30 ± 5 RH%. The sample used was left in the measurement chamber for 24 hours or more.

<イオン交換容量(酸型)>
イオン交換容量(IEC)としては、イオン交換膜に存在する酸型の官能基量を測定した。まずサンプル調整として、サンプル片(5×5cm)を80℃のオーブンで窒素気流下2時間乾燥し、さらにシリカゲルを充填したデシケータ中で30分間放置冷却した後、乾燥重量を測定した(Ws)。次いで、200mlの密閉型のガラス瓶に、200mlの1mol/l塩化ナトリウム-超純水溶液と秤量済みの前記サンプルを入れ、密閉状態で、室温で24時間攪拌した。次いで溶液30mlを取り出し、10mMの水酸化ナトリウム水溶液(市販の標準溶液)で中和滴定し、滴定量(T)より下記式を用いて、IEC(酸型)を求めた。
IEC(meq/g)=10T/(30Ws)×0.2
(Tの単位:ml Wsの単位:g)
<Ion exchange capacity (acid type)>
As the ion exchange capacity (IEC), the amount of acid type functional groups present in the ion exchange membrane was measured. First, as a sample preparation, a sample piece (5 × 5 cm) was dried in an oven at 80 ° C. under a nitrogen stream for 2 hours, further allowed to cool in a desiccator filled with silica gel for 30 minutes, and then the dry weight was measured (Ws). Next, 200 ml of a 1 mol / l sodium chloride-ultra pure aqueous solution and the weighed sample were placed in a 200 ml sealed glass bottle, and stirred in a sealed state at room temperature for 24 hours. Next, 30 ml of the solution was taken out, neutralized and titrated with a 10 mM aqueous sodium hydroxide solution (commercially available standard solution), and IEC (acid type) was determined from the titration amount (T) using the following formula.
IEC (meq / g) = 10 T / (30 Ws) × 0.2
(Unit of T: ml Unit of Ws: g)

<膨潤率>
膨潤率は、サンプル(5×5cm)の正確な乾燥重量(Ws)と、サンプルを70℃の超純水に2時間浸漬した後取り出し、サンプル表面に存在する余分な水滴をキムワイプ(商品名)を用いてふき取り、直ぐに測定した重量(Wl)から、下記式を用いて求めた。
膨潤率(%)=(Wl−Ws)/Ws×100(%)
<Swelling rate>
The swelling rate is determined by measuring the exact dry weight (Ws) of the sample (5 × 5 cm) and the sample after immersing it in ultra pure water at 70 ° C. for 2 hours, and removing excess water droplets existing on the sample surface by Kimwipe (trade name) Was obtained using the following formula from the weight (Wl) measured immediately.
Swelling rate (%) = (Wl−Ws) / Ws × 100 (%)

<イオン伝導率>
イオン伝導率σは次のようにして測定した。自作測定用プローブ(ポリテトラフルロエチレン製)上で幅10mmの短冊状膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、80℃、相対湿度95%の恒温恒湿槽中に試料を保持し、白金線間の10kHzにおける交流インピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を10mmから40mmまで10mm間隔で変化させて測定し、極間距離と抵抗測定値をプロットした直線の勾配Dr[Ω/cm]から下記の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルして算出した。
σ[S/cm]=1/(膜幅×膜厚[cm]×Dr)
<Ionic conductivity>
The ionic conductivity σ was measured as follows. A platinum wire (diameter: 0.2 mm) is pressed against the surface of a strip-shaped film sample having a width of 10 mm on a self-made measurement probe (made of polytetrafluoroethylene) in a constant temperature and humidity chamber at 80 ° C. and a relative humidity of 95%. The AC impedance at 10 kHz between the platinum wires was measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. The contact distance between the membrane and the platinum wire is measured by the following formula from the slope Dr [Ω / cm] of the straight line in which the distance between the electrodes is changed from 10 mm to 40 mm at intervals of 10 mm and the distance between the electrodes and the measured resistance value are plotted. Canceled and calculated.
σ [S / cm] = 1 / (film width × film thickness [cm] × Dr)

<メタノール透過速度およびメタノール透過係数>
イオン交換膜の液体燃料透過速度はメタノール透過速度およびメタノール透過係数として、以下の方法で測定した。25℃に調整したメタノール水溶液に24時間浸漬したイオン交換膜をH型セルに挟み込み、セルの片側に100mlのメタノール水溶液(メタノール水溶液の調整には、市販の試薬特級グレードのメタノールと超純水(18MΩ・cm)を使用。)を、他方のセルに100mlの超純水を注入し、25℃で両側のセルを撹拌しながら、イオン交換膜を通って超純水中に拡散してくるメタノール量をガスクロマトグラフを用いて測定することで算出した(イオン交換膜の面積は、2.0cm2)。なお具体的には、超純水を入れたセルのメタノール濃度変化速度[Ct](mmol/L/s)より以下の式を用いて算出した。
メタノール透過速度[mmol/m2/s]=(Ct[mmol/L/s]× 0.1[L])/2×10-4[m2
メタノール透過係数[μmol/m/s]=メタノール透過速度[mmol/m2/s]×膜厚[m]×1000
なお、メタノール透過係数のメタノール濃度依存性を測定する方法としては、まず、メタノール水溶液として、1.0mol/lのメタノール水溶液と5.0mol/lのメタノール水溶液を用いた試験を行い、それぞれの濃度でメタノール透過係数を求めた。次いで、メタノール透過係数とメタノール水溶液濃度をプロットした図の傾きから、下記式の傾きαを算出した。なお、測定は5回行い、計算にはその平均値を用いた。傾きαを求めるに際して、切片は必ずしも0となっていない(切片はあるものとしてαを算出している。)。理由として、メタノール水溶液濃度に対してメタノール透過係数が、必ずしも直線的に変化するわけではないと推定している。しかしながら、本発明におけるメタノール透過係数のメタノール水溶液濃度依存性を求めるに当たっては、上記のように、異なる二種類の濃度のメタノール水溶液を用いた試験を行い、その2点の間から求まる直線の傾きとして算出した。
メタノール透過係数[μmol/m/s]=α×(メタノール水溶液の濃度[mol/l])
<Methanol permeation rate and methanol permeation coefficient>
The liquid fuel permeation rate of the ion exchange membrane was measured as a methanol permeation rate and a methanol permeation coefficient by the following method. An ion exchange membrane immersed in an aqueous methanol solution adjusted to 25 ° C. for 24 hours is sandwiched in an H-type cell, and 100 ml of an aqueous methanol solution is added to one side of the cell (a commercially available reagent-grade grade methanol and ultrapure water ( Injecting 100 ml of ultrapure water into the other cell and stirring the cells on both sides at 25 ° C., methanol diffuses into the ultrapure water through the ion exchange membrane. The amount was calculated by measuring using a gas chromatograph (the area of the ion exchange membrane was 2.0 cm 2 ). Specifically, it was calculated using the following formula from the methanol concentration change rate [Ct] (mmol / L / s) of the cell containing ultrapure water.
Methanol permeation rate [mmol / m 2 / s] = (Ct [mmol / L / s] × 0.1 [L]) / 2 × 10 −4 [m 2 ]
Methanol permeability coefficient [μmol / m / s] = Methanol permeation rate [mmol / m 2 / s] × film thickness [m] × 1000
In addition, as a method for measuring the methanol concentration dependency of the methanol permeability coefficient, first, as a methanol aqueous solution, a test using a 1.0 mol / l methanol aqueous solution and a 5.0 mol / l methanol aqueous solution was performed. The methanol permeability coefficient was determined. Next, the slope α of the following equation was calculated from the slope of the graph plotting the methanol permeability coefficient and the methanol aqueous solution concentration. The measurement was performed 5 times, and the average value was used for the calculation. In determining the slope α, the intercept is not necessarily 0 (α is calculated assuming that there is an intercept). The reason is that the methanol permeability coefficient does not necessarily change linearly with respect to the concentration of the aqueous methanol solution. However, in determining the methanol aqueous solution concentration dependence of the methanol permeability coefficient in the present invention, as described above, a test using two different concentrations of aqueous methanol solution was performed, and the slope of the straight line obtained from the two points was obtained. Calculated.
Methanol permeability coefficient [μmol / m / s] = α × (methanol aqueous solution concentration [mol / l])

<発電特性>
デュポン社製20%ナフィオン(商品名)溶液に、市販の54%白金/ルテニウム触媒担持カーボン(田中貴金属工業株式会社 燃料電池用触媒)と、少量の超純水およびイソプロパノールを加え、均一になるまで撹拌し、触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、東レ製カーボンペーパーTGPH−060(疎水化処理品)に白金の付着量が2mg/cm2になるように均一に塗布・乾燥して、アノード用の電極触媒層付きガス拡散層を作製した。また、同様の手法で、白金/ルテニウム触媒担持カーボンに替えて市販の白金触媒担持カーボン(田中貴金属工業株式会社 燃料電池用触媒)を用いて、疎水化したカーボンペーパー上に電極触媒層を形成することで、カソード用の電極触媒層付きガス拡散層を作製した(1mg−白金/cm2)。上記2種類の電極触媒層付きガス拡散層の間に、イオン交換膜を、電極触媒層が膜に接するように挟み、ホットプレス法により135℃、2MPaにて3分間加圧、加熱することにより、膜−電極接合体とした。この接合体をElectrochem社製の評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込んでセル温度40℃で、アノードおよびカソードにそれぞれ40℃のメタノール水溶液と空気を供給しながら、電流密度0.1A/cm2で放電試験を行った際の電圧を調べた。メタノール水溶液としては1mol/lおよび5mol/lの液を用い、それぞれ個別に評価した。
<Power generation characteristics>
Add a commercially available 54% platinum / ruthenium catalyst-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Co., Ltd. fuel cell catalyst), a small amount of ultrapure water and isopropanol to a DuPont 20% Nafion (trade name) solution until uniform. Stir to prepare a catalyst paste. This catalyst paste is uniformly applied to Toray carbon paper TGPH-060 (hydrophobized product) so that the amount of platinum deposited is 2 mg / cm 2 and dried, and a gas diffusion layer with an electrode catalyst layer for the anode Was made. In addition, in the same manner, an electrode catalyst layer is formed on the hydrophobized carbon paper using a commercially available platinum catalyst-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. fuel cell catalyst) instead of platinum / ruthenium catalyst-supported carbon. This produced a gas diffusion layer with an electrode catalyst layer for the cathode (1 mg-platinum / cm 2 ). By sandwiching an ion exchange membrane between the two types of gas diffusion layers with an electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane, and pressurizing and heating at 135 ° C. and 2 MPa for 3 minutes by a hot press method A membrane-electrode assembly was obtained. This assembly was incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and a current density of 0.1 A / cm 2 was supplied while supplying a methanol aqueous solution and air of 40 ° C. to the anode and the cathode at a cell temperature of 40 ° C., respectively. The voltage when the discharge test was conducted was examined. As the methanol aqueous solution, liquids of 1 mol / l and 5 mol / l were used and evaluated individually.

実施例1
モル比で1.00:1.99:2.99:3.21となるように、3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩、2,6−ジクロロベンゾニトリル、4,4'−ビフェノール、炭酸カリウムの混合物を調整し、その混合物15.1gをモリキュラーシーブ4.20gと共に100ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。溶媒としてはNMPを加え、145℃で一時間撹拌した後、反応温度を190−200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約5.5時間)。放冷の後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰させた超純水中で1時間洗浄した後、乾燥した。ポリマーの25%NMP溶液を調整した。流延法によってポリマー溶液を薄く引き延ばし、100℃次いで150℃で一晩乾燥することフィルムを作製した。次いで、2mol/lの硫酸水溶液中に2時間浸漬し、水洗5回後、枠に固定した状態で室温で乾燥し、実施例1のイオン交換膜を作製した。
Example 1
3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt, 2,6-dichlorobenzonitrile such that the molar ratio is 1.00: 1.99: 2.99: 3.21; A mixture of 4,4′-biphenol and potassium carbonate was prepared, and 15.1 g of the mixture was weighed into a 100 ml four-necked flask together with 4.20 g of molecular sieves, and then flushed with nitrogen. After adding NMP as a solvent and stirring at 145 ° C. for 1 hour, the reaction was continued by raising the reaction temperature to 190-200 ° C. and sufficiently increasing the viscosity of the system (about 5.5 hours). After standing to cool, the precipitated molecular sieve was removed and the mixture was precipitated in water as a strand. The obtained polymer was washed in boiling ultrapure water for 1 hour and then dried. A 25% NMP solution of polymer was prepared. The polymer solution was thinly drawn by a casting method and dried at 100 ° C. and then 150 ° C. overnight to produce a film. Subsequently, it was immersed in a 2 mol / l sulfuric acid aqueous solution for 2 hours, washed 5 times with water, and then dried at room temperature in a state of being fixed to a frame to produce an ion exchange membrane of Example 1.

実施例2
3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩、2,6−ジクロロベンゾニトリル、4,4'−ビフェノール、炭酸カリウムをモル比で1.00:2.31:3.31:3.46となるように仕込んだ事を除いて実施例1の手法を用いて実施例2のイオン交換膜を作製した。
Example 2
3,3′-Disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt, 2,6-dichlorobenzonitrile, 4,4′-biphenol and potassium carbonate in a molar ratio of 1.00: 2.31: 3. 31: The ion exchange membrane of Example 2 was produced using the method of Example 1 except that it was charged to be 3.46.

実施例3
3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩、2,6−ジクロロベンゾニトリル、4,4'−ビフェノール、炭酸カリウムをモル比で1.00:3.25:4.25:4.46となるように仕込んだ事を除いて実施例1の手法を用いて実施例3のイオン交換膜を作製した。
Example 3
3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt, 2,6-dichlorobenzonitrile, 4,4′-biphenol and potassium carbonate in a molar ratio of 1.00: 3.25: 4. 25: The ion exchange membrane of Example 3 was produced using the method of Example 1 except that it was charged to be 4.46.

実施例4、5、6、7
流延法によってポリマー溶液を引き伸ばす際の、ポリマー溶液の厚みを変えたことを除いて、実施例1の手法により、実施例1のイオン交換膜とは厚みのことなる、実施例4、5、6、7のイオン交換膜を作製した。
Examples 4, 5, 6, 7
Except for changing the thickness of the polymer solution when the polymer solution is stretched by the casting method, the thickness of the ion exchange membrane of Example 1 is different from that of Example 1, except that the thickness of the polymer solution is changed. 6 and 7 ion exchange membranes were prepared.

比較例1
市販のNafion(商品名)117膜を比較例1のイオン交換膜とした。
Comparative Example 1
A commercially available Nafion (trade name) 117 membrane was used as the ion exchange membrane of Comparative Example 1.

比較例2
市販のNafion(商品名)112膜を比較例2のイオン交換膜とした。
Comparative Example 2
A commercially available Nafion (trade name) 112 membrane was used as the ion exchange membrane of Comparative Example 2.

比較例3
3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩、4,4'−ジクロロジフェニルスルホン、4,4'−ビフェノール、炭酸カリウムをモル比で1.00:1.38:2.38:3.15となるように仕込んだ事を除いて実施例1の手法を用いて比較例2のイオン交換膜を作製した。すなわち、実施例1で用いた2,6−ジクロロベンゾニトリルの変わりに4,4'−ジクロロジフェニルスルホンを用い、かつ実施例1のイオン交換膜と同程度のIECを有する膜とするために、仕込み比を調整した。
Comparative Example 3
3,3′-Disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 4,4′-biphenol and potassium carbonate in a molar ratio of 1.00: 1.38: 2 .38: The ion exchange membrane of Comparative Example 2 was produced using the method of Example 1 except that the amount was charged to be 3.15. That is, in order to use 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone instead of 2,6-dichlorobenzonitrile used in Example 1 and to have a IEC comparable to that of the ion exchange membrane of Example 1, The charging ratio was adjusted.

実施例1、2、3、4、5、6、7、比較例1、2、3、の物性評価結果を表1に示す。   The physical property evaluation results of Examples 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 and Comparative Examples 1, 2, 3, are shown in Table 1.

Figure 2005276441
Figure 2005276441

メタノール濃度がメタノール透過性に及ぼす影響を比較するための実験として行った、実施例1,2,3及び比較例1,3の結果を比較考察する。まず実施例1、2、3の結果より、本発明のイオン交換膜は、いずれもメタノール濃度を上げた際にメタノール透過係数の上昇は少なく(αが小さい)、その結果、発電試験において高濃度のメタノール水溶液を燃料として使用した場合でも、発電性能が良好な、優れた燃料電池となることが分かる。しかしながら、比較例1のパーフルオロカーボンスルホン酸膜や、比較例3の炭化水素系膜は、αの値が大きく、高濃度のメタノール溶液を使用した時にメタノールのクロスオーバー量の増加が著しいものであり、高濃度のメタノール溶液を燃料として使用した場合、劇的な性能低下が生じた。比較例1の膜において特にαが大きかった原因は、フッ素のメタノールに対する親和性が強いためであると推定される。一方、比較例3の膜は、炭化水素系の膜であり、比較例1に比べれば良好な膜であったが、膨潤が大きく、メタノール透過抑止性は充分でなかったものと考えられる。比較例3の膜は、フッ素系膜よりもダイレクトメタノール型燃料電池用のイオン交換膜として有用なものであるとして、最近注目を集めるイオン交換膜である。しかしながら、ポリマー組成の観点から十分に最適化はされておらず、実施例に示したイオン交換膜ほど、良好なα値を持たないものであった。   The results of Examples 1, 2, and 3 and Comparative Examples 1 and 3 conducted as experiments for comparing the effect of methanol concentration on methanol permeability will be compared and discussed. First, from the results of Examples 1, 2, and 3, all of the ion exchange membranes of the present invention have a small increase in methanol permeability coefficient (α is small) when the methanol concentration is increased, and as a result, a high concentration in the power generation test. It can be seen that even when the methanol aqueous solution is used as a fuel, an excellent fuel cell with good power generation performance is obtained. However, the perfluorocarbon sulfonic acid membrane of Comparative Example 1 and the hydrocarbon-based membrane of Comparative Example 3 have a large α value, and when using a high-concentration methanol solution, the amount of methanol crossover increases significantly. When a high-concentration methanol solution was used as a fuel, a dramatic performance degradation occurred. The reason why α was particularly large in the film of Comparative Example 1 is presumed to be due to the strong affinity of fluorine for methanol. On the other hand, the membrane of Comparative Example 3 is a hydrocarbon-based membrane and is a better membrane than Comparative Example 1, but it is considered that the swelling was large and the methanol permeation inhibiting property was not sufficient. The membrane of Comparative Example 3 is an ion exchange membrane that has recently attracted attention as being more useful as an ion exchange membrane for direct methanol fuel cells than a fluorine membrane. However, it has not been sufficiently optimized from the viewpoint of the polymer composition, and the ion exchange membrane shown in the examples did not have a better α value.

次にメタノール透過係数の厚み依存性を比較するための実験として行った、実施例1、4、5、6、7及び比較例1、2の結果を比較考察する。比較例1と比較例2のイオン交換膜の特性を比較してみると、メタノール透過係数の膜厚依存性が大きいため、膜厚を4倍にしても、メタノール透過抑止性は1.75倍しか改善されておらず、メタノール透過抑止性の改善効果に比べて抵抗の増加が大きいことが分かる。一方実施例の膜は、厚みによらずメタノール透過係数はほぼ一定であるため、厚みが4倍になった場合、メタノール透過抑止性もほぼ4倍となり、比較例のイオン交換膜に比べて改善効果が大きな、より優れたイオン交換膜であると言える。   Next, the results of Examples 1, 4, 5, 6, 7 and Comparative Examples 1 and 2, which were conducted as experiments for comparing the thickness dependence of the methanol permeability coefficient, will be compared. When comparing the characteristics of the ion exchange membranes of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the methanol permeation coefficient is highly dependent on the film thickness. Therefore, even if the film thickness is quadrupled, the methanol permeation inhibition is 1.75 times. However, it has been improved, and it can be seen that the increase in resistance is larger than the improvement effect of methanol permeation deterrence. On the other hand, the membrane of the example has a substantially constant methanol permeation coefficient regardless of the thickness. Therefore, when the thickness is increased by 4 times, the methanol permeation inhibiting property is also substantially increased by 4 times, which is an improvement over the ion exchange membrane of the comparative example. It can be said that this is a superior ion exchange membrane having a large effect.

以上のことから、本発明のイオン交換膜は、ダイレクトメタノール型燃料電池をはじめとする液体燃料を使用するタイプの燃料電池用のイオン交換膜として良好に働く、新規なイオン交換膜であり、燃料電池に使用した際に優れた性能を示す。   From the above, the ion exchange membrane of the present invention is a novel ion exchange membrane that works well as an ion exchange membrane for a fuel cell of a type that uses a liquid fuel such as a direct methanol fuel cell. Excellent performance when used in batteries.

燃料電池とした際に、液体燃料透過抑止性に優れるイオン交換膜を提供することができ、信頼性に優れ、高性能な燃料電池を供給することが可能となる。   When a fuel cell is used, an ion exchange membrane having excellent liquid fuel permeation deterrence can be provided, and a highly reliable and high performance fuel cell can be supplied.

Claims (5)

プロトン伝導性を有する燃料電池用の非フッ素系イオン交換膜であって、メタノール透過係数のメタノール濃度依存性を示す下記式において、傾きαが、0.08よりも小さいことを特徴とするイオン交換膜。
メタノール透過係数[μmol/m/s]=α×(メタノール水溶液の濃度[mol/l])
A non-fluorine ion exchange membrane for a fuel cell having proton conductivity, characterized in that the slope α is smaller than 0.08 in the following equation showing the methanol concentration dependence of the methanol permeability coefficient. film.
Methanol permeability coefficient [μmol / m / s] = α × (methanol aqueous solution concentration [mol / l])
50μm、200μmと厚みを変えて作り、両者のメタノール透過係数を比較した時、メタノール透過係数の差が25%以内となることを特徴とする、請求項1の範囲のイオン交換膜。 The ion exchange membrane according to claim 1, wherein the difference in methanol permeation coefficient is within 25% when the methanol permeation coefficients of the two are compared with each other by comparing the methanol permeation coefficients of 50 μm and 200 μm. 下記一般式(1)とともに一般式(2)で示される構成成分を含むことを特徴とする請求項1乃至2のいずれかの範囲のイオン交換膜。
Figure 2005276441
ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基またはケトン基、XはHまたは1価のカチオン種を示す。
Figure 2005276441
ただし、Ar'は2価の芳香族基を示す。
The ion exchange membrane according to any one of claims 1 to 2, comprising a component represented by the following general formula (1) and the general formula (2).
Figure 2005276441
Here, Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfone group or a ketone group, and X represents H or a monovalent cation species.
Figure 2005276441
However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.
請求項1乃至3のいずれかの範囲のイオン交換膜を使用したイオン交換膜・電極接合体。 An ion exchange membrane / electrode assembly using the ion exchange membrane according to any one of claims 1 to 3. 請求項4の範囲のイオン交換膜・電極接合体を使用した燃料電池。 A fuel cell using the ion exchange membrane / electrode assembly according to claim 4.
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