JP2006339064A - Polybenzimidazole-based proton-conducting polymer film, manufacturing method of the same, and fuel cell using the same - Google Patents

Polybenzimidazole-based proton-conducting polymer film, manufacturing method of the same, and fuel cell using the same Download PDF

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房樹 藤林
Yoshimitsu Sakaguchi
佳充 坂口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new proton-conducting polymer film as a polymeric electrolyte film, capable of operating in a condition of high temperature and non-humidification, superior in proton conductivity and workability at assembling of the fuel cell, showing fully practical characteristics in durability. <P>SOLUTION: The polybenzimidazole-based proton conducting polymer film is formed by impregnating the polymeric film composed of polybenzimidazole expressed by Formula (1) as the main component with an acidic molecule, wherein X denotes one kind selected from -O-, -SO<SB>2</SB>-, -S-, -CO-, -C(CH<SB>3</SB>)<SB>2</SB>-, -C(CH<SB>3</SB>)<SB>2</SB>-, and -O-Ph-O-, and Ph denotes one kind selected from among orthophenylene, metaphenylene, and paraphenylene. The manufacturing method of the proton conductive film and the fuel cell, using the same, are provided. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、ポリベンズイミダゾール系化合物に酸性化合物を含浸させた高温無加湿用燃料電池膜およびその製造方法、ならびに当該膜を用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a high-temperature non-humidified fuel cell membrane obtained by impregnating a polybenzimidazole compound with an acidic compound, a method for producing the membrane, and a fuel cell using the membrane.

新しいエネルギー源として固体高分子型燃料電池膜が注目されている。その中で用いられる高分子膜は、カチオン交換膜として良好なプロトン導電率を示すとともに化学的、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、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、パーフルオロカーボンスルホン酸膜を用いた場合、100℃を超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ほか、膜の軟化も顕著となり、燃料電池として十分な性能を発揮することはできない。   As a new energy source, a polymer electrolyte fuel cell membrane has attracted attention. The polymer membrane used therein must exhibit good proton conductivity as a cation exchange membrane and be sufficiently stable chemically, thermally, electrochemically and mechanically. For this reason, perfluorocarbon sulfonic acid membranes, mainly “Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont, USA, have been used as long-term usable products. However, when a perfluorocarbon sulfonic acid membrane is used, if it is attempted to operate at a temperature exceeding 100 ° C., the moisture content of the membrane will drop drastically, and the membrane will soften significantly, thereby exhibiting sufficient performance as a fuel cell. I can't.

100℃以上の高温領域で燃料電池を運転するには、基本的に耐熱性の高いポリマーによる燃料電池膜が必要となる。ポリベンズイミダゾールは熱安定性の高いポリマーといえるが、リン酸を含浸するとさらに熱安定性が高くなるという報告があり(たとえば非特許文献1を参照。)、ポリベンズイミダゾールにリン酸を含浸させ、イオン伝導機能をリン酸により引き出した高温用の燃料電池用電解質膜が報告されている(たとえば、特許文献1を参照。)。   In order to operate a fuel cell in a high temperature region of 100 ° C. or higher, a fuel cell membrane made of a polymer having high heat resistance is basically required. Polybenzimidazole can be said to be a polymer having high thermal stability, but there is a report that when it is impregnated with phosphoric acid, the thermal stability is further increased (see, for example, Non-Patent Document 1), and polybenzimidazole is impregnated with phosphoric acid. A high-temperature fuel cell electrolyte membrane having an ion conduction function extracted by phosphoric acid has been reported (see, for example, Patent Document 1).

しかし、ポリベンズイミダゾール自体にはイオン伝導特性がないので、含浸するリン酸量が多く必要であるとともに、低分子化合物であるリン酸が徐々に流出してイオン伝導性が時間とともに低下していくという問題があった。さらに、リン酸含浸量が多くなると膜膨潤が大きくなるため、燃料電池を組み立てる際の障害になる問題も生じるものであった。この中では、ピリジン骨格を有するジカルボン酸モノマーを用いたポリベンズイミダゾール構造を使用することも記載されているが、同時に使用するテトラミンモノマーが3,3’−ジアミノベンジジンのみであり、この組み合わせのポリマーについても、上述と同様の欠点を示す傾向があった。   However, since polybenzimidazole itself does not have ionic conductivity, it requires a large amount of phosphoric acid to be impregnated, and phosphoric acid, which is a low-molecular compound, gradually flows out and the ionic conductivity decreases with time. There was a problem. Furthermore, since the membrane swelling increases as the phosphoric acid impregnation amount increases, there is a problem that becomes an obstacle when assembling the fuel cell. In this, it is also described that a polybenzimidazole structure using a dicarboxylic acid monomer having a pyridine skeleton is used, but the tetramine monomer used at the same time is only 3,3′-diaminobenzidine, and this combination polymer There was also a tendency to show the same defects as described above.

一方、ポリベンズイミダゾールなどの芳香族ポリアゾール系のポリマーに酸性基を導入して酸成分流出を抑えることが考えられ、スルホン酸基やホスホン酸基が含有するポリベンズイミダゾール系ポリマーによる高分子電解質膜が合成された(たとえば、特許文献2を参照。)。これらのポリマーは80℃付近でのプロトン伝導性はさほど大きくないが、高温での伝導性発現が期待されるものである。しかし、酸性基としてスルホン酸基を導入した構造のポリマーは有機溶媒への溶解性がよいので加工性に優れるものの、プロトン伝導性があまり高くならない傾向がある。一方、酸性基としてホスホン酸基を導入した構造のポリマーは、酸性基量を増やすことでプロトン伝導性を高くできる傾向がうかがえるが、それでも実用的に十分なプロトン伝導性を示すものとはいえない。また、これらのポリマーがプロトン伝導性を示すには加湿条件とする必要があるので、100℃以上の温度で加湿することなく使用することは不可能といえるものであった。   On the other hand, it is conceivable to introduce acid groups into aromatic polyazole polymers such as polybenzimidazole to suppress outflow of acid components, and polymer electrolyte membranes using polybenzimidazole polymers containing sulfonic acid groups or phosphonic acid groups Was synthesized (see, for example, Patent Document 2). These polymers are not so high in proton conductivity around 80 ° C., but are expected to exhibit conductivity at high temperatures. However, a polymer having a structure in which a sulfonic acid group is introduced as an acidic group has good processability because it has good solubility in an organic solvent, but has a tendency that proton conductivity is not so high. On the other hand, a polymer with a structure in which a phosphonic acid group is introduced as an acidic group tends to increase proton conductivity by increasing the amount of acidic groups, but it still cannot be said to exhibit practically sufficient proton conductivity. . Moreover, since it is necessary to make it a humidification condition in order for these polymers to show proton conductivity, it could be said that it was impossible to use it without humidifying at a temperature of 100 ° C. or higher.

このようにポリマー中にスルホン酸基やホスホン酸基などの酸性基を導入するだけでは100℃以上の高温領域かつ無加湿の条件では実用的なプロトン伝導性を示すことができないことから、無機酸、有機酸を含有させたスルホン酸基含有ポリベンズイミダゾール高分子膜が報告されている(たとえば、特許文献3を参照。)。これらは分子内に酸性基を有しているため、少ないリン酸含浸量でプロトン伝導性が発現すると期待できるものであるが、加工性や燃料電池膜特性が十分といえるものではなかった。また、これらの検討の中ではピリジン骨格を有するポリマー構造について検討されることはなかった。
特表平11−503262号公報 国際公開第02/38650号パンフレット 特開2003−327826号公報 E.J.Powersら、High Performance Polymers: Their Origin and Development、Elsevier、 New York(1986)、p.355
In this way, by simply introducing an acidic group such as a sulfonic acid group or a phosphonic acid group into a polymer, practical proton conductivity cannot be exhibited in a high temperature region of 100 ° C. or higher and no humidification. A sulfonic acid group-containing polybenzimidazole polymer film containing an organic acid has been reported (see, for example, Patent Document 3). Since these have acidic groups in the molecule, they can be expected to exhibit proton conductivity with a small amount of phosphoric acid impregnation, but the processability and fuel cell membrane characteristics are not sufficient. Further, in these studies, the polymer structure having a pyridine skeleton has not been studied.
Japanese National Patent Publication No. 11-503262 WO 02/38650 pamphlet JP 2003-327826 A E. J. et al. Powers et al., High Performance Polymers: Their Origin and Development, Elsevier, New York (1986), p. 355

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、高温無加湿条件で運転可能な高分子電解質膜として、優れたプロトン伝導性を示すだけでなく、燃料電池を組み立てる際の加工性に優れるとともに、耐久性においても十分な実用特性を示す新規なプロトン伝導性高分子膜を提供することである。   The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and its object is not only to exhibit excellent proton conductivity as a polymer electrolyte membrane that can be operated under high temperature and non-humidified conditions, The present invention is to provide a novel proton conductive polymer membrane that is excellent in processability when assembling a fuel cell and exhibits sufficient practical characteristics in terms of durability.

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、ピリジン環を有する特定のポリベンズイミダゾール系化合物に酸性分子を含浸させることにより、上記目的を達成する高分子膜が得られることを見出すに至った。すなわち、本発明は以下のとおりである。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that a polymer film that achieves the above object can be obtained by impregnating a specific polybenzimidazole compound having a pyridine ring with an acidic molecule. That is, the present invention is as follows.

本発明のポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜は、下記式(1)で示される構造を主成分とするポリベンズイミダゾールからなる高分子膜に酸性分子を含浸させたことを特徴とする。   The polybenzimidazole proton conductive polymer membrane of the present invention is characterized in that an acidic molecule is impregnated into a polymer membrane composed of polybenzimidazole having a structure represented by the following formula (1) as a main component.

Figure 2006339064
Figure 2006339064

(ただし、Xは−O−、−SO2−、−S−、−CO−、−C(CH32−、−C(CF32−、−O−Ph−O−よりなる群から選ばれる1種以上を示し、Phはオルトフェニレン、メタフェニレン、パラフェニレンから選ばれる1種以上を示す。)
本発明のポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜において、前記ポリベンズイミダゾールは、下記式(2)および/または(3)で示される構造を主成分とすることが、好ましい。
(Where X is a group consisting of —O—, —SO 2 —, —S—, —CO—, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—Ph—O—). And at least one selected from orthophenylene, metaphenylene, and paraphenylene.)
In the polybenzimidazole proton conductive polymer membrane of the present invention, it is preferable that the polybenzimidazole has a structure represented by the following formula (2) and / or (3) as a main component.

Figure 2006339064
Figure 2006339064

(ただし、Xは−O−、−SO2−、−S−、−CO−、−C(CH32−、−C(CF32−、−O−Ph−O−よりなる群から選ばれる1種以上を示し、Phはオルトフェニレン、メタフェニレン、パラフェニレンから選ばれる1種以上を示す。)
また本発明のポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜は、ポリベンズイミダゾールがさらに下記構造で示されるスルホン酸基および/またはホスホン酸基含有構成要素を含んでいることが好ましい。
(Where X is a group consisting of —O—, —SO 2 —, —S—, —CO—, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—Ph—O—). And at least one selected from orthophenylene, metaphenylene, and paraphenylene.)
In the polybenzimidazole proton conductive polymer membrane of the present invention, it is preferable that the polybenzimidazole further contains a sulfonic acid group and / or phosphonic acid group-containing component represented by the following structure.

Figure 2006339064
Figure 2006339064

(ただし、Xは直接結合、−O−、−SO2−、−S−、−CO−、−C(CH32−、−C(CF32−、−O−Ph−O−よりなる群から選ばれる1種以上を示し、Arは芳香族ユニットから選ばれる1種以上を示し、Phはオルトフェニレン、メタフェニレン、パラフェニレンから選ばれる1種以上を示し、Yはスルホン酸基、ホスホン酸基から選ばれる1種以上であり、全てが酸の形態であっても、一部またはその全てがその誘導体の形態であってもよく、nは1〜4の整数を示すものとする。)
本発明のポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜はまた、高分子膜の膜重量に対して、酸性分子が10〜1000重量%の範囲内で含有されていることが好ましい。
(Where X is a direct bond, —O—, —SO 2 —, —S—, —CO—, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—Ph—O—). One or more selected from the group consisting of Ar, one or more selected from aromatic units, Ph represents one or more selected from orthophenylene, metaphenylene and paraphenylene, Y represents a sulfonic acid group , One or more selected from phosphonic acid groups, all may be in the form of an acid, or part or all of it may be in the form of a derivative thereof, and n represents an integer of 1 to 4. To do.)
The polybenzimidazole proton conductive polymer membrane of the present invention also preferably contains acidic molecules in the range of 10 to 1000% by weight with respect to the membrane weight of the polymer membrane.

本発明は、上述した本発明のポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を製造する方法であって、上述したいずれかのポリベンズイミダゾールを主成分とする高分子膜を酸性分子液体または酸性分子を含む溶液に浸漬する工程を含むことを特徴とする、ポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜の製造方法を提供する。   The present invention provides a method for producing the above-described polybenzimidazole-based proton conductive polymer membrane of the present invention, wherein any one of the above-described polymer membranes containing polybenzimidazole as a main component is an acidic molecular liquid or acidic molecule. A method for producing a polybenzimidazole-based proton conductive polymer membrane is provided, which includes a step of immersing in a solution containing.

本発明はまた、酸素極と、燃料極と、前記酸素極および前記燃料極に挟持された、上述したいずれかのポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜である固体高分子電解質膜とを備え、酸化剤流路を形成した酸化剤配流板を酸素極側に設け、燃料流路を形成した燃料配流板を燃料極側に設けたものを単位セルとしたものである燃料電池も提供する。   The present invention also includes an oxygen electrode, a fuel electrode, and a solid polymer electrolyte membrane that is sandwiched between the oxygen electrode and the fuel electrode and is any of the polybenzimidazole proton conductive polymer membranes described above. There is also provided a fuel cell in which an oxidant flow plate having an oxidant flow path is provided on the oxygen electrode side and a fuel flow plate having a fuel flow path is provided on the fuel electrode side as a unit cell.

本発明のピリジン環を有するポリベンズイミダゾールに酸性分子を含浸させた高分子電解質膜によれば、優れたプロトン伝導性を示すだけでなく、燃料電池を組み立てる際の加工性に優れるとともに、耐久性においても十分な実用特性を示すため、特に高温無加湿条件で運転する燃料電池に最適な高分子電解質膜、およびそれを用いた燃料電池を提供することができる。   According to the polymer electrolyte membrane in which acidic molecules are impregnated with polybenzimidazole having a pyridine ring according to the present invention, not only exhibits excellent proton conductivity, but also has excellent processability when assembling a fuel cell and is durable. In particular, the polymer electrolyte membrane which is suitable for a fuel cell operating under high temperature and non-humidified conditions and a fuel cell using the same can be provided.

本発明のポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜は、下記式(1)で示される構造を主成分とするポリベンズイミダゾールからなる高分子膜に酸性分子を含浸させたことを特徴とする。   The polybenzimidazole proton conductive polymer membrane of the present invention is characterized in that an acidic molecule is impregnated into a polymer membrane composed of polybenzimidazole having a structure represented by the following formula (1) as a main component.

Figure 2006339064
Figure 2006339064

ただし、上記式(1)において、Xは−O−、−SO2−、−S−、−CO−、−C(CH32−、−C(CF32−、−O−Ph−O−よりなる群から選ばれる1種以上を示す。またPhはオルトフェニレン、メタフェニレン、パラフェニレンから選ばれる1種以上を示す。 In the above formula (1), X represents —O—, —SO 2 —, —S—, —CO—, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—Ph. 1 or more types chosen from the group which consists of -O- are shown. Ph represents one or more selected from orthophenylene, metaphenylene, and paraphenylene.

本発明において、上記式(1)で示される構造を主成分とするポリベンズイミダゾールは、モノマーとしての反応性の高さ、および得られたポリマーの取り扱い易さから、下記式(2)および/または(3)で示される構造を主成分とすることが好ましい。   In the present invention, the polybenzimidazole having the structure represented by the above formula (1) as a main component is represented by the following formula (2) and / or from the high reactivity as a monomer and the ease of handling of the obtained polymer. Or it is preferable to have as a main component the structure shown by (3).

Figure 2006339064
Figure 2006339064

(上記式(2)、(3)中、Xは上述と同様である。)
上記構造のポリベンズイミダゾールは、芳香族テトラミンまたはその誘導体とピリジン環を有するジカルボン酸またはその誘導体とを組み合わせたモノマー間の重合反応により合成することができる。上記式(1)(好ましくは式(2)、(3))の構造を与える芳香族テトラミンとしては、具体的には、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルエーテル、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホン、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルチオエーテル、3,3’,4,4’−テトラアミノベンゾフェノン、2,2−ビス(3,4−ジアミノフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,4−ジアミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、1,4−ビス(3,4−ジアミノフェノキシ)ベンゼン、1,3−ビス(3,4−ジアミノフェノキシ)ベンゼン、1,2−ビス(3,4−ジアミノフェノキシ)ベンゼンおよびこれらの誘導体が挙げられる。これらの芳香族テトラミン類の誘導体の具体例としては、塩酸、硫酸、リン酸などの酸との塩などを挙げることができる。これらの化合物は、必要に応じて塩化スズ(II)や亜リン酸化合物などの公知の酸化防止剤を含んでいてもよい。また、これらの芳香族テトラミンおよびその誘導体は単一化合物として使用してもよいが、複数の化合物を混合して使用してもよい。
(In the above formulas (2) and (3), X is the same as described above.)
The polybenzimidazole having the above structure can be synthesized by a polymerization reaction between monomers in which an aromatic tetramine or a derivative thereof and a dicarboxylic acid having a pyridine ring or a derivative thereof are combined. Specific examples of the aromatic tetramine that gives the structure of the above formula (1) (preferably the formulas (2) and (3)) include 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenyl ether, and 3,3 ′. , 4,4′-tetraaminodiphenylsulfone, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylthioether, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminobenzophenone, 2,2-bis (3,4 Diaminophenyl) propane, 2,2-bis (3,4-diaminophenyl) hexafluoropropane, 1,4-bis (3,4-diaminophenoxy) benzene, 1,3-bis (3,4-diaminophenoxy) Examples include benzene, 1,2-bis (3,4-diaminophenoxy) benzene and derivatives thereof. Specific examples of these aromatic tetramine derivatives include salts with acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid and phosphoric acid. These compounds may contain known antioxidants such as tin (II) chloride and phosphorous acid compounds as necessary. In addition, these aromatic tetramines and derivatives thereof may be used as a single compound, but a plurality of compounds may be mixed and used.

上記式(1)(好ましくは式(2)、(3))の構造を与えるジカルボン酸としては、2,5−ピリジンジカルボン酸、2,6−ピリジンカルボン酸、2,3−ピリジンカルボン酸、2,4−ピリジンカルボン酸、3,4−ピリジンカルボン酸、3,5−ピリジンカルボン酸およびそれらの誘導体である。誘導体の具体例としては、酸クロライドや各種低級アルコールとのエステル化合物などを例示することができる。これらのジカルボン酸およびその誘導体は単一化合物として使用してもよいが、複数の化合物を混合して使用してもよい。   Examples of the dicarboxylic acid that gives the structure of the above formula (1) (preferably the formulas (2) and (3)) include 2,5-pyridinedicarboxylic acid, 2,6-pyridinecarboxylic acid, 2,3-pyridinecarboxylic acid, 2,4-pyridinecarboxylic acid, 3,4-pyridinecarboxylic acid, 3,5-pyridinecarboxylic acid and derivatives thereof. Specific examples of the derivatives include acid chlorides and ester compounds with various lower alcohols. These dicarboxylic acids and derivatives thereof may be used as a single compound, or a plurality of compounds may be mixed and used.

本発明のポリベンズイミダゾール系高分子膜には、上記式(1)で示される以外のポリベンズイミダゾール構造が含まれていても構わない。その際使用される芳香族テトラミンとしては特に限定されることはないが、1,2,4,5−テトラアミノベンゼン、3,3’−ジアミノベンジジン、ビス(3,4−ジアミノフェニル)メタンなど、およびこれらの誘導体を挙げることができる。また、他に使用できるジカルボン酸としては、テレフタル酸、イソフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ジフェニルエーテルジカルボン酸、ジフェニルスルホンジカルボン酸、ビフェニルジカルボン酸、ターフェニルジカルボン酸、2,2−ビス(4−カルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパンなどのポリエステル原料として報告されている一般的な芳香族ジカルボン酸およびこれらの誘導体を使用することができる。そのほか、2,5−ジカルボキシベンゼンスルホン酸、3,5−ジカルボキシベンゼンスルホン酸、2,5−ジカルボキシ−1,4−ベンゼンジスルホン酸、4,6−ジカルボキシ−1,3−ベンゼンジスルホン酸、2,2’−ジスルホ−4,4’−ビフェニルジカルボン酸、3,3’−ジスルホ−4,4’−ビフェニルジカルボン酸などのスルホン酸含有ジカルボン酸およびこれらの誘導体、2,5−ジカルボキシフェニルホスホン酸、3,5−ジカルボキシフェニルホスホン酸、2,5−ビスホスホノテレフタル酸、4,6−ビスホスホノイソフタル酸などのホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸およびこれらの誘導体を使用することができる。   The polybenzimidazole polymer film of the present invention may contain a polybenzimidazole structure other than that represented by the above formula (1). The aromatic tetramine used at that time is not particularly limited, but 1,2,4,5-tetraaminobenzene, 3,3′-diaminobenzidine, bis (3,4-diaminophenyl) methane, etc. , And derivatives thereof. Other dicarboxylic acids that can be used include terephthalic acid, isophthalic acid, naphthalene dicarboxylic acid, diphenyl ether dicarboxylic acid, diphenyl sulfone dicarboxylic acid, biphenyl dicarboxylic acid, terphenyl dicarboxylic acid, and 2,2-bis (4-carboxyphenyl). Common aromatic dicarboxylic acids reported as polyester raw materials such as hexafluoropropane and derivatives thereof can be used. In addition, 2,5-dicarboxybenzenesulfonic acid, 3,5-dicarboxybenzenesulfonic acid, 2,5-dicarboxy-1,4-benzenedisulfonic acid, 4,6-dicarboxy-1,3-benzenedisulfone Sulfonic acid-containing dicarboxylic acids such as acids, 2,2′-disulfo-4,4′-biphenyldicarboxylic acid, 3,3′-disulfo-4,4′-biphenyldicarboxylic acid, and derivatives thereof, 2,5-di Aromatic dicarboxylic acids having a phosphonic acid group such as carboxyphenylphosphonic acid, 3,5-dicarboxyphenylphosphonic acid, 2,5-bisphosphonoterephthalic acid, 4,6-bisphosphonoisophthalic acid, and derivatives thereof Can be used.

また、同一分子内に2個のアミノ基またはその誘導体と1個のカルボキシル基を持つ化合物を混合した重合系においても合成することができる。本発明のポリベンズイミダゾール系高分子膜は上記式(1)(好ましくは、上記式(2)および/または(3))で表される構造を主成分とするものであるので、他の構造成分は全体の50%未満であることが好ましい。   It can also be synthesized in a polymerization system in which two amino groups or a derivative thereof and a compound having one carboxyl group are mixed in the same molecule. Since the polybenzimidazole polymer membrane of the present invention has a structure represented by the above formula (1) (preferably, the above formula (2) and / or (3)) as a main component, The component is preferably less than 50% of the total.

本発明におけるピリジン環を有するポリベンズイミダゾール系化合物は、下記式(4)で示されるスルホン酸基および/またはホスホン酸基含有構成要素をさらに含んでいることも好ましい。   The polybenzimidazole compound having a pyridine ring in the present invention preferably further includes a sulfonic acid group and / or phosphonic acid group-containing component represented by the following formula (4).

Figure 2006339064
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上記式(4)において、Xは直接結合、−O−、−SO2−、−S−、−CO−、−C(CH32−、−C(CF32−、−O−Ph−O−よりなる群から選ばれる1種以上を示し、Arは芳香族ユニットから選ばれる1種以上を示し、Phはオルトフェニレン、メタフェニレン、パラフェニレンから選ばれる1種以上を示し、Yはスルホン酸基、ホスホン酸基から選ばれる1種以上であり、全てが酸の形態であっても、一部またはその全てがその誘導体の形態であってもよい。上記誘導体としては、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属塩のほか、各種金属塩、アンモニウム塩、アルキルアンモニウム塩などの塩構造を挙げることができるが、これらに限定されることはない。 In the above formula (4), X represents a direct bond, —O—, —SO 2 —, —S—, —CO—, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—. One or more selected from the group consisting of Ph—O—, Ar represents one or more selected from aromatic units, Ph represents one or more selected from orthophenylene, metaphenylene and paraphenylene, Y Is at least one selected from a sulfonic acid group and a phosphonic acid group, and all may be in the form of an acid, or part or all of it may be in the form of a derivative thereof. Examples of the derivatives include alkali metal salts such as sodium and potassium, and salt structures such as various metal salts, ammonium salts, and alkylammonium salts, but are not limited thereto.

上記式(4)において、nは1〜4の整数を示す。nが0であるユニットは十分なプロトン伝導性を引き出すには特に有用性はなく、nが5以上であるユニットはポリマーの耐水性を低下させてしまうためである。ただし、上記(1)のユニットを含む構造であれば、部分的にnが0や5以上のユニットが共存していても問題はない。   In said formula (4), n shows the integer of 1-4. A unit where n is 0 is not particularly useful for obtaining sufficient proton conductivity, and a unit where n is 5 or more lowers the water resistance of the polymer. However, as long as the structure includes the unit (1), there is no problem even if a unit where n is 0 or 5 or more partially coexists.

上記の式(4)で示す構造を含むポリベンズイミダゾール系化合物を合成する経路は特には限定されないが、通常は化合物中のイミダゾール環を形成し得る芳香族ジカルボン酸およびその誘導体よりなる群から選ばれる一種以上の化合物との反応により合成することができる。その際、使用するジカルボン酸の中にスルホン酸基やホスホン酸基、またはそれらの誘導体を含有するジカルボン酸を使用することで、得られるポリベンズイミダゾール中にスルホン酸基および/またはホスホン酸基を導入することができる。スルホン酸基やホスホン酸基を含むジカルボン酸はそれぞれ一種以上組み合わせて使用することができる。その際、スルホン酸基やホスホン酸基またはそれらの誘導体を含まないジカルボン酸も同時に使用して合成しても構わない。これらの構造を与えるモノマーと、上記式(1)(好ましくは式(2)および/または(3))を与えるモノマーとの重合により、ピリジン環とともに上記式(4)で示される酸性基ユニットをもつポリベンズイミダゾールを合成することができる。   The route for synthesizing the polybenzimidazole compound containing the structure represented by the above formula (4) is not particularly limited, but is usually selected from the group consisting of aromatic dicarboxylic acids capable of forming an imidazole ring in the compound and derivatives thereof. It can be synthesized by reaction with one or more compounds. At that time, by using a dicarboxylic acid containing a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, or a derivative thereof in the dicarboxylic acid to be used, a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group is added to the resulting polybenzimidazole. Can be introduced. One or more dicarboxylic acids containing a sulfonic acid group or a phosphonic acid group can be used in combination. In that case, you may synthesize | combine simultaneously using the dicarboxylic acid which does not contain a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, or those derivatives. By polymerization of the monomer giving these structures with the monomer giving the above formula (1) (preferably the formula (2) and / or (3)), the acidic group unit represented by the above formula (4) together with the pyridine ring Polybenzimidazole possessed can be synthesized.

上記の式(4)の構造を与えるスルホン酸基含有ジカルボン酸は、芳香族系ジカルボン酸中に1〜4個のスルホン酸基を含有するものを選択することができるが、具体例としては、たとえば、2,5−ジカルボキシベンゼンスルホン酸、3,5−ジカルボキシベンゼンスルホン酸、2,5−ジカルボキシ−1,4−ベンゼンジスルホン酸、4,6−ジカルボキシ−1,3−ベンゼンジスルホン酸、2,2’−ジスルホ−4,4’−ビフェニルジカルボン酸、3,3’−ジスルホ−4,4’−ビフェニルジカルボン酸などのスルホン酸含有ジカルボン酸およびこれらの誘導体を挙げることができる。誘導体としては、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属塩や、アンモニウム塩、アルキルアンモニウム塩などを挙げることができる。スルホン酸基含有ジカルボン酸の構造は特にこれらに限定されることはない。   The sulfonic acid group-containing dicarboxylic acid that gives the structure of the above formula (4) can be selected from those containing 1 to 4 sulfonic acid groups in the aromatic dicarboxylic acid. For example, 2,5-dicarboxybenzenesulfonic acid, 3,5-dicarboxybenzenesulfonic acid, 2,5-dicarboxy-1,4-benzenedisulfonic acid, 4,6-dicarboxy-1,3-benzenedisulfone Examples thereof include sulfonic acid-containing dicarboxylic acids such as acid, 2,2′-disulfo-4,4′-biphenyldicarboxylic acid, 3,3′-disulfo-4,4′-biphenyldicarboxylic acid, and derivatives thereof. Examples of the derivatives include alkali metal salts such as sodium and potassium, ammonium salts, and alkyl ammonium salts. The structure of the sulfonic acid group-containing dicarboxylic acid is not particularly limited to these.

スルホン酸基を含有するジカルボン酸の純度は特に限定されるものではないが、98%以上が好ましく、99%以上がより好ましい。スルホン酸基を含有するジカルボン酸を原料として重合されたポリイミダゾールは、スルホン酸基を含有しないジカルボン酸を用いた場合に比べて、重合度が低くなる傾向がみられるため、スルホン酸基を含有するジカルボン酸はできるだけ純度が高いものを用いることが好ましい。   The purity of the dicarboxylic acid containing a sulfonic acid group is not particularly limited, but is preferably 98% or more, and more preferably 99% or more. Polyimidazole polymerized using dicarboxylic acid containing sulfonic acid group as raw material tends to have a lower degree of polymerization than when dicarboxylic acid not containing sulfonic acid group is used. It is preferable to use a dicarboxylic acid having as high purity as possible.

上記の式(4)で示されるホスホン酸基を有するポリベンズイミダゾール系化合物を合成する際に用いるホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸およびその誘導体としては、特に限定されるものではなく、芳香族ジカルボン酸骨格中に1〜4個のホスホン酸基を有する化合物を好適に使用することができる。具体例としては、2,5−ジカルボキシフェニルホスホン酸、3,5−ジカルボキシフェニルホスホン酸、2,5−ビスホスホノテレフタル酸、4,6−ビスホスホノイソフタル酸などのホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸およびこれらの誘導体を挙げることができる。芳香族ジカルボン酸骨格中に5個以上のホスホン酸基を有すると、ポリマーの耐水性が低下する傾向がでてくるため好ましくない。ホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸の構造はこれらに限定されることはないが、上述したようにフェニレンホスホン酸基型のホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸が好ましい。   An aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group and a derivative thereof used for synthesizing a polybenzimidazole compound having a phosphonic acid group represented by the above formula (4) are not particularly limited, and aromatic A compound having 1 to 4 phosphonic acid groups in the dicarboxylic acid skeleton can be preferably used. Specific examples include phosphonic acid groups such as 2,5-dicarboxyphenylphosphonic acid, 3,5-dicarboxyphenylphosphonic acid, 2,5-bisphosphonoterephthalic acid, and 4,6-bisphosphonoisophthalic acid. And aromatic dicarboxylic acids and derivatives thereof. It is not preferable to have 5 or more phosphonic acid groups in the aromatic dicarboxylic acid skeleton because the water resistance of the polymer tends to be lowered. The structure of the aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group is not limited to these, but as described above, an aromatic dicarboxylic acid having a phenylenephosphonic acid group-type phosphonic acid group is preferable.

これらのホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸のホスホン酸誘導体としては、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属塩や、アンモニウム塩、アルキルアンモニウム塩などを挙げることができる。また、これらの化合物は単独で使用してもよいが、同時に複数使用することもできる。さらに、これらの化合物は、必要に応じて塩化スズ(II)や亜リン酸化合物などの公知の酸化防止剤を含んでいてもよい。   Examples of phosphonic acid derivatives of aromatic dicarboxylic acids having these phosphonic acid groups include alkali metal salts such as sodium and potassium, ammonium salts and alkylammonium salts. These compounds may be used alone or in combination. Furthermore, these compounds may contain known antioxidants such as tin (II) chloride and phosphorous acid compounds as necessary.

本発明のポリベンズイミダゾール系化合物の合成に用いる、ホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸の純度は特に限定されるものではないが、97%以上が好ましく、98%以上がより好ましい。ホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸を原料として重合されたポリベンズイミダゾール系化合物は、スルホン酸基およびホスホン酸基を有さない芳香族ジカルボン酸を原料として用いた場合に比べて、重合度が低くなる傾向がみられるため、ホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸はできるだけ純度の高いものを用いることが好ましい。すなわち、芳香族ジカルボン酸の純度が97%未満の場合には、得られるポリベンズイミダゾール系化合物の重合度が低下して固体高分子電解質の材料として適さないものとなる傾向がある。   The purity of the aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group used for the synthesis of the polybenzimidazole compound of the present invention is not particularly limited, but is preferably 97% or more, more preferably 98% or more. A polybenzimidazole compound polymerized using an aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group as a raw material has a degree of polymerization as compared with the case where an aromatic dicarboxylic acid having no sulfonic acid group and phosphonic acid group is used as a raw material. Since it tends to be low, it is preferable to use an aromatic dicarboxylic acid having a phosphonic acid group as high as possible. That is, when the purity of the aromatic dicarboxylic acid is less than 97%, the degree of polymerization of the resulting polybenzimidazole compound tends to be low, making it unsuitable as a solid polymer electrolyte material.

上述の芳香族テトラミン類およびそれらの誘導体よりなる群から選ばれる1種以上の化合物と、芳香族ジカルボン酸およびその誘導体よりなる群から選ばれる1種以上の化合物とを用いて、スルホン酸基および/またはホスホン酸基を有するポリベンズイミダゾール系化合物を合成する方法は、特に限定されるものではないが、たとえば、J.F.Wolfe, Encyclopedia of Polymer Science and Enginnering, 2nd Ed.,Vol.11. p.601(1988)に記載されるようなポリリン酸を溶媒とする脱水、環化重合により合成することができる。また、ポリリン酸の代わりにメタンスルホン酸/五酸化リン混合溶媒系を用いた同様の機構による重合を適用することもできる。なお、熱安定性の高いポリベンズイミダゾール系化合物を合成するには、一般によく使用されるポリリン酸を用いた重合が好ましい。   Using one or more compounds selected from the group consisting of the above-mentioned aromatic tetramines and derivatives thereof, and one or more compounds selected from the group consisting of aromatic dicarboxylic acids and derivatives thereof, a sulfonic acid group and The method for synthesizing a polybenzimidazole compound having a phosphonic acid group is not particularly limited. F. Wolfe, Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2nd Ed. , Vol. 11. p. 601 (1988), and can be synthesized by dehydration and cyclopolymerization using polyphosphoric acid as a solvent. In addition, polymerization by a similar mechanism using a mixed solvent system of methanesulfonic acid / phosphorus pentoxide instead of polyphosphoric acid can be applied. In order to synthesize a polybenzimidazole compound having high thermal stability, polymerization using polyphosphoric acid that is commonly used is preferred.

さらに、本発明のポリベンズイミダゾール系化合物を得るには、たとえば、適当な有機溶媒中や混合原料モノマー融体の形での反応でポリアミド構造などを有する前駆体ポリマーを合成しておき、その後の適当な熱処理などによる環化反応で目的のポリベンズイミダゾール構造に変換する方法なども使用することができる。   Furthermore, in order to obtain the polybenzimidazole compound of the present invention, for example, a precursor polymer having a polyamide structure or the like is synthesized by a reaction in a suitable organic solvent or in the form of a mixed raw material monomer melt. A method of converting to a target polybenzimidazole structure by a cyclization reaction by an appropriate heat treatment can also be used.

また、本発明のポリベンズイミダゾール系化合物を合成する際の反応時間は、個々の原料モノマーの組み合わせにより最適な反応時間があるので一概には規定できないが、従来報告されているような長時間をかけた反応では、スルホン酸基やホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸などの原料モノマーを含む系の場合には、得られるポリベンズイミダゾール系化合物の熱安定性が低下してしまうこともあり、この場合には反応時間を本発明の効果の得られる範囲で短くすることが好ましい。このように反応時間を短くすることにより、スルホン酸基およびホスホン酸基を有するポリベンズイミダゾール系化合物も熱安定性の高い状態で得ることができる。   In addition, the reaction time when synthesizing the polybenzimidazole compound of the present invention cannot be defined unconditionally because there is an optimum reaction time depending on the combination of individual raw material monomers, but it has a long time as previously reported. In the applied reaction, in the case of a system containing a raw material monomer such as an aromatic dicarboxylic acid having a sulfonic acid group or a phosphonic acid group, the thermal stability of the resulting polybenzimidazole compound may be lowered. In this case, it is preferable to shorten the reaction time as long as the effect of the present invention is obtained. Thus, by shortening reaction time, the polybenzimidazole type compound which has a sulfonic acid group and a phosphonic acid group can also be obtained in a state with high heat stability.

また、本発明のポリベンズイミダゾール系化合物の合成後においては、繰り返し単位を構成することになる原料モノマーが複数の種類からなる場合には、該繰り返し単位同士はランダム重合および/または交互的重合により結合していることで、高分子電解質膜の材料として安定した性能を示す特徴をもつ。なお、前記交互的重合とは、同一繰り返し単位が連続して結合していることが本質的にない結合様式であり、ランダム重合および後述するブロック重合とは明確に区別される(たとえば、NMR測定による連鎖分布の評価を用いて確認できる)。ここで、本発明のポリベンズイミダゾール系化合物をランダム重合および/または交互的重合の重合形式により合成するには、全てのモノマー原料を重合初期から当量性を合わせた配合割合で仕込んでおく方法で作ることが好ましい。   In addition, after the synthesis of the polybenzimidazole compound of the present invention, when the raw material monomer constituting the repeating unit is composed of a plurality of types, the repeating units are subjected to random polymerization and / or alternating polymerization. By being bonded, it has the characteristic of showing stable performance as a polymer electrolyte membrane material. The alternating polymerization is a bonding mode in which the same repeating unit is essentially not continuously bonded, and is clearly distinguished from random polymerization and block polymerization described later (for example, NMR measurement). Can be confirmed using the linkage distribution evaluation by Here, in order to synthesize the polybenzimidazole compound of the present invention by random polymerization and / or alternating polymerization, all monomer raw materials are charged at a blending ratio that combines equivalence from the initial stage of polymerization. It is preferable to make.

なお、ポリベンズイミダゾール系化合物をランダム重合や交互的重合ではなくブロック重合により合成することもできるが、その際には、当量性をずらした配合割合のモノマー原料の仕込み条件で第一成分のオリゴマーを合成し、さらにモノマー原料を追加して第二成分も含めて当量性が合う形に配合割合を調整した上で重合を行うことが好ましい。   Polybenzimidazole compounds can also be synthesized by block polymerization rather than random polymerization or alternating polymerization, but in this case, the first component oligomer is used under the same conditions as the monomer raw material with a mixed proportion shifted. It is preferable to perform polymerization after adding a monomer raw material and adjusting the blending ratio so that the equivalence is matched including the second component.

本発明におけるポリベンズイミダゾール系化合物の分子量は、特に限定されるものではないが、2,000以上であることが好ましく、4,000以上であればより好ましい。また、この分子量は1,000,000以下であることが好ましく、300,000以下であればより好ましい。この分子量が2,000未満の場合には、粘度の低下によりポリベンズイミダゾール系化合物から良好な性質を備えた成形物を得ることが困難となる。また、この分子量が1,000,000を超えると粘度の上昇によりポリベンズイミダゾール系化合物を成形することが困難となる。   The molecular weight of the polybenzimidazole compound in the present invention is not particularly limited, but is preferably 2,000 or more, more preferably 4,000 or more. The molecular weight is preferably 1,000,000 or less, and more preferably 300,000 or less. When this molecular weight is less than 2,000, it becomes difficult to obtain a molded product having good properties from a polybenzimidazole compound due to a decrease in viscosity. On the other hand, when the molecular weight exceeds 1,000,000, it becomes difficult to mold a polybenzimidazole compound due to an increase in viscosity.

なお、本発明におけるポリベンズイミダゾール系化合物の分子量は、実質的にはメタンスルホン酸中で測定した場合の対数粘度で評価することができる。そして、この対数粘度は0.3以上であることが好ましく、特に0.50以上であることがより好ましい。また、この対数粘度は8以下であることが好ましく、特に7以下であればより好ましい。この対数粘度が0.3未満の場合には、粘度の低下によりポリベンズイミダゾール系化合物から良好な性質を備えた成形物を得ることが困難となる。また、この対数粘度が8を超えると、粘度の上昇によりポリベンズイミダゾール系化合物を成形することが困難になる。   In addition, the molecular weight of the polybenzimidazole compound in the present invention can be substantially evaluated by logarithmic viscosity when measured in methanesulfonic acid. And this logarithmic viscosity is preferably 0.3 or more, and more preferably 0.50 or more. The logarithmic viscosity is preferably 8 or less, more preferably 7 or less. When the logarithmic viscosity is less than 0.3, it is difficult to obtain a molded product having good properties from the polybenzimidazole compound due to the decrease in viscosity. On the other hand, when the logarithmic viscosity exceeds 8, it becomes difficult to mold the polybenzimidazole compound due to the increase in viscosity.

本発明におけるポリベンズイミダゾール系化合物は、樹脂組成物中に主成分として配合されていても好適に使用することができる。樹脂組成物として上述したポリベンズイミダゾールとともに使用できるポリマーとしては、たとえばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン6、ナイロン6,6、ナイロン6,10、ナイロン12などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、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、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系ポリマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などの熱硬化性樹脂など、特に制限はない。   The polybenzimidazole compound in the present invention can be suitably used even if it is blended as a main component in the resin composition. Examples of the polymer that can be used with the polybenzimidazole described above as the resin composition include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, and polyethylene naphthalate, and polyamides such as nylon 6, nylon 6,6, nylon 6,10, and nylon 12. Acrylate resins such as polymethyl methacrylate, polymethacrylic acid esters, polymethyl acrylate, polyacrylic acid esters, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, polystyrene and diene polymers Various polyolefins, polyurethane resins, cellulose resins such as cellulose acetate and ethyl cellulose, polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylenes Fido, polyphenylene oxide, polysulfone, polyethersulfone, polyetheretherketone, polyetherimide, polyimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole and other aromatic polymers, epoxy resin, phenolic resin, novolak There are no particular restrictions on the resin and thermosetting resins such as benzoxazine resin.

これら樹脂組成物として使用する場合には、ポリベンズイミダゾール系化合物は、樹脂組成物全体の50重量%以上100重量%未満含まれていることが好ましい。より好ましくは60重量%以上100重量%未満、特に好ましくは70重量%以上100重量%未満である。ポリベンズイミダゾール系化合物の含有量が樹脂組成物全体の50重量%未満である場合には、この樹脂組成物を含むイオン伝導膜の酸性分子保有性が低下する傾向となる。なお、本発明におけるポリベンズイミダゾール系化合物およびその樹脂組成物は、必要に応じて、たとえば酸化防止剤、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、などの各種添加剤を含んでいてもよい。   When used as these resin compositions, the polybenzimidazole compound is preferably contained in an amount of 50% by weight or more and less than 100% by weight based on the entire resin composition. More preferably, they are 60 weight% or more and less than 100 weight%, Most preferably, they are 70 weight% or more and less than 100 weight%. When the content of the polybenzimidazole compound is less than 50% by weight of the entire resin composition, the acidic molecule retention of the ion conductive membrane containing this resin composition tends to be reduced. The polybenzimidazole compound and the resin composition thereof according to the present invention are, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a crosslinking agent, a viscosity modifier, and an antistatic agent. Various additives such as an antibacterial agent, an antifoaming agent, a dispersant, and a polymerization inhibitor may be included.

本発明におけるポリベンズイミダゾール系化合物またはその樹脂組成物は、重合溶液、単離したポリマー、および再溶解させたポリマー溶液などからの押出し、圧延、キャストなどの任意の方法で膜形状に成形することができる。本発明におけるポリベンズイミダゾール化合物またはその樹脂組成物を含む膜を成形する好ましい方法としては、溶液からのキャストが挙げられる。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の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。これらのうち、特に有機溶媒系から成形することが好ましい。特に本発明のポリベンズイミダゾールが良好に溶解する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−ピロリドンを溶媒として選定することが好ましい。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。   The polybenzimidazole compound or the resin composition thereof in the present invention is formed into a film shape by any method such as extrusion, rolling, and casting from a polymerization solution, an isolated polymer, a re-dissolved polymer solution, and the like. Can do. A preferred method for forming a film containing the polybenzimidazole compound or the resin composition thereof in the present invention includes casting from a solution. Soluble solvents include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone, hexamethylphosphonamide, polyphosphoric acid, methanesulfonic acid, sulfuric acid A suitable acid can be selected from strong acids such as trifluoroacetic acid, but is not limited thereto. Among these, it is particularly preferable to mold from an organic solvent system. In particular, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, and N-methyl-2-pyrrolidone, in which the polybenzimidazole of the present invention is well dissolved, are preferably selected as the solvent. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range.

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0.1〜50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。溶媒の除去は、乾燥することが膜の均一性の観点からは好ましい。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もできる。キャストする基板には、ガラス板、テフロン(登録商標)板、金属板、ポリマーシート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。   As a means for improving 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 preferably in the range of 0.1 to 50% by weight. If it is too low, the moldability will deteriorate, and if it is too high, the workability will deteriorate. The solvent is preferably dried from the viewpoint of film uniformity. Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and alteration of a polymer or a solvent, it can also dry at the lowest temperature possible under reduced pressure. As a substrate to be cast, a glass plate, a Teflon (registered trademark) plate, a metal plate, a polymer sheet, 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 and can be easily cast.

キャストする際の溶液の厚みは特に制限されないが、30〜1500μm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100〜1000μm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。たとえば、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を確保することや、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。たとえば、加熱して溶媒を留去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。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、50μm以下であることがさらに好ましい。また、膜の強度や加工性の面から、膜厚は5μm以上であることが好ましい。   The thickness of the solution at the time of casting is not particularly limited, but is preferably 30 to 1500 μm. If it is too thin, the shape of the film cannot be maintained, and if it is too thick, a non-uniform film can be easily formed. More preferably, it is 100-1000 micrometers. As a method for controlling the cast thickness of the solution, a known method can be used. For example, a certain thickness can be ensured by using an applicator, a doctor blade, or the like, or the cast area can be kept constant by using a glass petri dish or the like, and the thickness can be controlled by the amount and concentration of the solution. The cast solution can obtain a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, when the solvent is distilled off by 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 solidification rate of the polymer can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time. The film of the present invention can have any film thickness depending on the purpose, but is preferably as thin as possible from the viewpoint of ion conductivity. Specifically, it is preferably 200 μm or less, and more preferably 50 μm or less. Moreover, it is preferable that a film thickness is 5 micrometers or more from the surface of the intensity | strength of a film | membrane or workability.

本発明のポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜は、上述してきた構造を有する高分子膜中に酸性分子が含浸されていることが特徴である。酸性分子として使用できる無機酸としては、リン酸、ポリリン酸、硫酸、硝酸、フッ酸、塩酸、臭化水素酸およびそれらの誘導体が挙げられる。また、有機酸としては、有機スルホン酸、有機ホスホン酸が使用される。有機スルホン酸の具体的な例としては、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸、ヘキサンスルホン酸、オクチルスルホン酸、ドデシルスルホン酸、セチルスルホン酸、スルホコハク酸、スルホグルタル酸、スルホアジピン酸、スルホピメリン酸、スルホスベリン酸、スルホアゼライン酸、スルホセバシン酸を始めとするアルキルスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ペンタフルオロエタンスルホン酸、ヘプタフルオロプロピルスルホン酸などのパーフルオロアルキルスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、1,3−ベンゼンスルホン酸、トルエンスルホン酸、オクチルベンゼンスルホン酸、2−メチル−5−イソプロピルベンゼンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、ジノニルナフタレンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸、クロロベンゼンスルホン酸、フェノールスルホン酸、トリクロロベンゼンスルホン酸、ニトロトルエンスルホン酸、ニトロベンゼンスルホン酸、スルホ安息香酸などの芳香族スルホン酸、およびこれらの誘導体を挙げることができるが、これらに限定されることなく各種構造の有機スルホン酸を使用することができる。有機ホスホン酸の具体的な例としては、フェニルホスホン酸、1,3−ジカルボキシフェニルホスホン酸などの芳香族系ホスホン酸、1−ヒドロキシエタン−1,1−ジホスホン酸、ビニルホスホン酸、などの脂肪族系ホスホン酸、およびこれらの誘導体を挙げることができるが、これらに限定されることなく各種構造の有機ホスホン酸を使用することができる。含浸させる酸性化合物は1種だけでなく、2種以上の混合物として含浸させることもできる。   The polybenzimidazole proton conductive polymer membrane of the present invention is characterized in that acidic molecules are impregnated in the polymer membrane having the structure described above. Examples of the inorganic acid that can be used as the acidic molecule include phosphoric acid, polyphosphoric acid, sulfuric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, hydrochloric acid, hydrobromic acid, and derivatives thereof. Moreover, organic sulfonic acid and organic phosphonic acid are used as the organic acid. Specific examples of organic sulfonic acids include methane sulfonic acid, ethane sulfonic acid, hexane sulfonic acid, octyl sulfonic acid, dodecyl sulfonic acid, cetyl sulfonic acid, sulfosuccinic acid, sulfoglutaric acid, sulfoadipic acid, sulfopimelic acid, sulfosuberin. Perfluoroalkyl sulfonic acids such as acid, sulfoazeleic acid, sulfosebacic acid and other alkyl sulfonic acids, trifluoromethane sulfonic acid, pentafluoroethane sulfonic acid, heptafluoropropyl sulfonic acid, benzene sulfonic acid, 1,3-benzene Sulfonic acid, toluenesulfonic acid, octylbenzenesulfonic acid, 2-methyl-5-isopropylbenzenesulfonic acid, dodecylbenzenesulfonic acid, dinonylnaphthalenesulfonic acid, naphthalenesulfonic acid, black Benzene sulfonic acid, phenol sulfonic acid, trichlorobenzene sulfonic acid, nitrotoluene sulfonic acid, nitrobenzene sulfonic acid, aromatic sulfonic acid such as sulfobenzoic acid, and derivatives thereof can be mentioned, but without limitation, various Organic sulfonic acids of the structure can be used. Specific examples of the organic phosphonic acid include phenylphosphonic acid, aromatic phosphonic acid such as 1,3-dicarboxyphenylphosphonic acid, 1-hydroxyethane-1,1-diphosphonic acid, vinylphosphonic acid, and the like. Examples thereof include aliphatic phosphonic acids and derivatives thereof, but organic phosphonic acids having various structures can be used without being limited thereto. The acidic compound to be impregnated can be impregnated not only as a single species but also as a mixture of two or more species.

酸性分子の含浸量は、本発明における高分子膜の膜重量に対して、10〜1000重量%の範囲であるのが好ましく、50〜800重量%の範囲であるのがより好ましい。酸性分子の含浸量が高分子膜の膜重量に対して10重量%未満であると、高温無加湿下でのプロトン伝導性が低くなる傾向が現れてくる。また酸性分子の含浸量が高分子膜の膜重量に対して1000重量%を超えると、高分子電解質膜から酸性分子が染み出すなどの問題が生じる傾向にある。なお、当該含浸量は、たとえば高分子電解質膜を熱水抽出することで酸性分子を膜から全て抜き出し、抽出前後の膜重量差より、100×(抽出前膜重量−抽出後膜重量)/抽出後膜重量(%)というようにして算出することができる。   The impregnation amount of the acidic molecule is preferably in the range of 10 to 1000% by weight, more preferably in the range of 50 to 800% by weight with respect to the film weight of the polymer film in the present invention. When the impregnation amount of the acidic molecule is less than 10% by weight with respect to the membrane weight of the polymer membrane, the proton conductivity tends to be lowered under high temperature and no humidification. Further, when the impregnation amount of acidic molecules exceeds 1000% by weight with respect to the weight of the polymer membrane, there is a tendency that acidic molecules ooze out from the polymer electrolyte membrane. The amount of impregnation is 100 × (membrane weight before extraction−membrane weight after extraction) / extraction from the difference in membrane weight before and after extraction, for example, by extracting all the acidic molecules from the membrane by hot water extraction of the polymer electrolyte membrane. It can be calculated as the weight of the back membrane (%).

本発明におけるポリベンズイミダゾールを含む高分子膜に酸性分子を含浸させる方法は、該高分子膜を液状の酸性分子そのものまたは酸性分子を含む溶液に含浸することにより行うことができる。この際、浸漬させる温度条件、浸漬時間を変えることにより、酸性分子含有量をコントロールすることができる。酸性分子含有量は、浸漬温度、浸漬時間の組み合わせで決定されるが、浸漬させる温度としては20〜150℃の範囲とすることが好ましい。前記温度が20℃未満である場合には、含浸速度が遅くなる傾向にあり、また150℃を超える場合には、含浸時に膜の変形が起こり易い傾向にあるためである。また、浸漬時間は10分から20時間の範囲内であることが好ましい。当該時間が10分未満である場合には、酸性分子が十分に均等に含浸されにくい傾向にあり、また20時間を越える場合には、生産性が低下する傾向にあるためである。ビニルホスホン酸を含む溶液を用いて浸漬処理を行う場合は、溶媒としては水、低級アルコールなど、酸性分子と良好に混合する溶媒を用いることができる。溶液濃度は50%以上であることが好ましい。   The method of impregnating a polymer film containing polybenzimidazole with acidic molecules in the present invention can be performed by impregnating the polymer film with a liquid acidic molecule itself or a solution containing acidic molecules. Under the present circumstances, acidic molecule content can be controlled by changing the temperature conditions and immersion time to immerse. Although acidic molecule content is determined by the combination of immersion temperature and immersion time, it is preferable to set it as the range of 20-150 degreeC as temperature to make it immersed. This is because when the temperature is less than 20 ° C., the impregnation rate tends to be slow, and when it exceeds 150 ° C., the membrane tends to be easily deformed during the impregnation. The immersion time is preferably in the range of 10 minutes to 20 hours. This is because when the time is less than 10 minutes, acidic molecules tend not to be impregnated sufficiently evenly, and when it exceeds 20 hours, productivity tends to decrease. When the immersion treatment is performed using a solution containing vinylphosphonic acid, a solvent that can be well mixed with acidic molecules, such as water and lower alcohol, can be used as the solvent. The solution concentration is preferably 50% or more.

また、上述した本発明のイオン伝導性高分子膜を電極に設置することによって、本発明のイオン伝導性高分子膜と電極との接合体を得ることができる。この接合体の作製方法としては、従来から公知の方法を用いて行うことができ、たとえば、電極表面に接着剤を塗布しイオン伝導膜と電極とを接着する方法またはイオン伝導膜と電極とを加熱加圧する方法などがある。そして、酸素極と、燃料極と、該酸素極および燃料極に挟持された本発明の固体高分子電解質膜を備え、酸化剤流路に形成した酸化剤配流板を酸素極側に設け、燃料流路を形成した燃料配流板を燃料極側に設けたものを単位セルとすることにより、特に100℃以上の高温で運転できるとともに加湿条件を必要としない燃料電池とすることができる。   Moreover, the assembly of the ion conductive polymer film of the present invention and the electrode can be obtained by installing the above-described ion conductive polymer film of the present invention on the electrode. As a method for producing this joined body, a conventionally known method can be used. For example, an adhesive is applied to the electrode surface and the ion conductive film and the electrode are bonded, or the ion conductive film and the electrode are bonded. There is a method of heating and pressing. An oxygen electrode, a fuel electrode, and a solid polymer electrolyte membrane of the present invention sandwiched between the oxygen electrode and the fuel electrode, and an oxidant distribution plate formed in the oxidant channel provided on the oxygen electrode side, By using a unit cell with a fuel flow distribution plate having a flow path formed on the fuel electrode side, a fuel cell that can be operated at a high temperature of 100 ° C. or higher and does not require humidification conditions can be obtained.

<実施例>
以下、本発明を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。なお、各種測定は次のように行った。
<Example>
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.

(1)溶液粘度
ポリベンズイミダゾール系化合物の粉末を0.5g/dlの濃度でメタンスルホン酸に溶解し、30℃の恒温槽中でオストワルド粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度〔In(ta/tb)〕/cで評価した(taは試料溶液の落下秒数、cはポリマー濃度)。
(1) Solution viscosity A polybenzimidazole compound powder is dissolved in methanesulfonic acid at a concentration of 0.5 g / dl, and the viscosity is measured using an Ostwald viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C. (Ta / tb)] / c (ta is the number of seconds the sample solution falls, and c is the polymer concentration).

(2)イオン伝導性
高分子電解質膜を白金電極(直径:13mm)に挟み、ソーラートロン(Solartron)社製電気化学測定システム12608Wを用いて複素インピーダンス測定を行い、得られた抵抗値からイオン伝導度(単位:S/cm)の温度依存性を求めた。
(2) Ionic conductivity A polymer electrolyte membrane is sandwiched between platinum electrodes (diameter: 13 mm), complex impedance is measured using an electrochemical measurement system 12608W manufactured by Solartron, and ion conduction is determined from the obtained resistance value. The temperature dependence of degree (unit: S / cm) was determined.

(3)燃料電池特性
高分子電解質膜を、市販の燃料電池用電極(Electrochem社製)で挟持して膜電極接合体とし、150℃、無加湿の条件下、水素/空気で燃料電池特性の測定を行った。
(3) Fuel cell characteristics A polymer electrolyte membrane is sandwiched between commercially available fuel cell electrodes (manufactured by Electrochem) to form a membrane electrode assembly. Measurements were made.

<実施例1>
3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホン6,000g(2.1557×10-2mole)、2,6−ピリジンジカルボン酸3.6026g(2.1557×10-2mole)、ポリリン酸(五酸化リン含量:75%)36.86g、五酸化リン29.54gを重合容器に量り取る。窒素を流し、オイルバス上ゆっくり攪拌しながら100℃まで昇温する。100℃で1時間保持した後、150℃に昇温して1時間、200℃に昇温して5時間重合した。重合終了後放冷し、水を加えて重合物を取り出し、家庭用ミキサーを用いてpH試験紙が中性になるまで水洗を繰り返した。得られたポリマーは80℃で終夜減圧乾燥した。ポリマーの対数粘度は、1.78を示した。
<Example 1>
3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylsulfone 6,000 g (2.1557 × 10 −2 mole), 2,6-pyridinedicarboxylic acid 3.6602 g (2.1557 × 10 −2 mole), polyphosphorus 36.86 g of acid (phosphorus pentoxide content: 75%) and 29.54 g of phosphorus pentoxide are weighed into a polymerization vessel. The temperature is raised to 100 ° C. while slowly stirring on an oil bath while flowing nitrogen. After maintaining at 100 ° C. for 1 hour, the temperature was raised to 150 ° C. for 1 hour, and the temperature was raised to 200 ° C. and polymerized for 5 hours. After completion of the polymerization, the mixture was allowed to cool, water was added, the polymer was taken out, and washing with water was repeated until the pH test paper became neutral using a household mixer. The obtained polymer was dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight. The logarithmic viscosity of the polymer was 1.78.

得られたポリマー1gをN−メチル−2−ピロリドン(NMP)10gにオイルバス上で溶解し、ホットプレート上ガラス板にキャストし、フィルム状になるまでNMPを留去した後、水中に一晩以上浸漬した。得られたフィルムは、希硫酸(濃硫酸6ml、水300ml)中に1日以上浸漬した後、純水でさらに数回浸漬洗浄し21μmの厚みの高分子膜1を得た。   1 g of the obtained polymer was dissolved in 10 g of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) on an oil bath, cast on a glass plate on a hot plate, NMP was distilled off until a film was formed, and then overnight in water. Soaked above. The obtained film was immersed in dilute sulfuric acid (concentrated sulfuric acid 6 ml, water 300 ml) for 1 day or longer, and further immersed and washed several times with pure water to obtain a polymer film 1 having a thickness of 21 μm.

この高分子膜1をオルトリン酸(純度:85%、東京化成株式会社製)に30℃で3時間浸漬して、オルトリン酸を添加したポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を得た。このときのオルトリン酸含有量は重量変化から計算して、高分子膜1の膜重量あたり230重量%であった。得られたポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜について前述の方法によりイオン伝導度の温度依存性および燃料電池発電特性を測定した。   This polymer membrane 1 was immersed in orthophosphoric acid (purity: 85%, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) at 30 ° C. for 3 hours to obtain a polybenzimidazole proton conductive polymer membrane to which orthophosphoric acid was added. At this time, the content of orthophosphoric acid was 230% by weight based on the weight of the polymer film 1 calculated from the change in weight. With respect to the obtained polybenzimidazole proton conductive polymer membrane, the temperature dependence of the ionic conductivity and the fuel cell power generation characteristics were measured by the method described above.

表1には、発電初期および500時間経過後における開回路電圧および電流密度0.3A/cm2における出力電圧を指す。また図1には、イオン伝導度の温度依存性を示し、図2には、発電初期の電流−電圧特性を示す。図3には、開回路電圧および電流密度0.3A/cm2における出力電圧の経時変化を示す。 Table 1 indicates the open circuit voltage at the initial stage of power generation and after 500 hours and the output voltage at a current density of 0.3 A / cm 2 . FIG. 1 shows the temperature dependence of ion conductivity, and FIG. 2 shows the current-voltage characteristics at the initial stage of power generation. FIG. 3 shows changes with time in the output voltage at an open circuit voltage and a current density of 0.3 A / cm 2 .

<実施例2>
実施例1で得た高分子膜1をビニルホスホン酸(純度:85%、東京化成株式会社製)に50℃で3時間浸漬してビニルホスホン酸を添加したポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を得た。このときのビニルホスホン酸含有量は、重量変化から計算して、高分子膜1の膜重量に対して280重量%であった。このポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を用いて実施例1と同様な方法により、イオン伝導度および燃料電池発電特性測定を行った。150℃におけるイオン伝導度の値および燃料電池について発電初期および500時間後の開回路電圧と電流密度が0.3A/cm2における出力電圧を表1に示す。
<Example 2>
A polybenzimidazole proton conductive polymer in which the polymer membrane 1 obtained in Example 1 was immersed in vinylphosphonic acid (purity: 85%, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) at 50 ° C. for 3 hours and vinylphosphonic acid was added. A membrane was obtained. The vinylphosphonic acid content at this time was 280% by weight based on the weight of the polymer film 1 calculated from the change in weight. Using this polybenzimidazole proton conductive polymer membrane, ion conductivity and fuel cell power generation characteristics were measured in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the value of the ionic conductivity at 150 ° C. and the output voltage of the fuel cell at the initial stage of power generation and after 500 hours at an open circuit voltage and a current density of 0.3 A / cm 2 .

<実施例3>
2,6−ピリジンジカルボン酸の代わりに2,5−ピリジンジカルボン酸を用いたこと以外は実施例1と同様にして23μmの厚みの高分子膜2を作製した。反応により得られたポリマーの対数粘度は1.39を示した。この高分子膜2に実施例1と同様の方法によりオルトリン酸を添加しポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を得た。このときのオルトリン酸含有量は重量変化から計算して、高分子膜2の膜重量に対して220重量%であった。このポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を用いて実施例1と同様の方法により、イオン伝導度および燃料電池発電特性測定を行った。150℃におけるイオン伝導度の値および燃料電池について発電初期および500時間後の開回路電圧と電流密度が0.3A/cm2における出力電圧を表1に示す。
<Example 3>
A polymer film 2 having a thickness of 23 μm was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2,5-pyridinedicarboxylic acid was used instead of 2,6-pyridinedicarboxylic acid. The logarithmic viscosity of the polymer obtained by the reaction was 1.39. Orthophosphoric acid was added to this polymer membrane 2 in the same manner as in Example 1 to obtain a polybenzimidazole proton conductive polymer membrane. The orthophosphoric acid content at this time was 220% by weight based on the weight of the polymer film 2 calculated from the change in weight. Using this polybenzimidazole proton conductive polymer membrane, ion conductivity and fuel cell power generation characteristics were measured in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the value of the ionic conductivity at 150 ° C. and the output voltage of the fuel cell at the initial stage of power generation and after 500 hours at an open circuit voltage and a current density of 0.3 A / cm 2 .

<実施例4>
実施例3で得た高分子膜2に実施例2と同様の方法によりビニルホスホン酸を添加しポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を得た。このときのビニルホスホン酸含有量は重量変化から計算して、高分子膜2の膜重量に対して300重量%であった。このポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を用いて実施例1と同様な方法により、イオン伝導度および燃料電池発電特性測定を行った。150℃におけるイオン伝導度の値および燃料電池について発電初期および500時間後の開回路電圧と電流密度が0.3A/cm2における出力電圧を表1に示す。
<Example 4>
Vinyl phosphonic acid was added to the polymer membrane 2 obtained in Example 3 in the same manner as in Example 2 to obtain a polybenzimidazole proton conductive polymer membrane. The vinylphosphonic acid content at this time was 300% by weight based on the weight of the polymer film 2 calculated from the change in weight. Using this polybenzimidazole proton conductive polymer membrane, ion conductivity and fuel cell power generation characteristics were measured in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the value of the ionic conductivity at 150 ° C. and the output voltage of the fuel cell at the initial stage of power generation and after 500 hours when the open circuit voltage and current density are 0.3 A / cm 2 .

<実施例5>
実施例1において、2,6−ピリジンジカルボン酸の代わりに、2,5−ピリジンジカルボン酸2.5218g(1.5090×10-2mole)と2,5−ジカルボキシベンゼンスルホン酸モノナトリウム(純度:99%)1.7343g(0.6467×10-2mole)を用いて20μmの厚みの高分子膜3を作製した。反応により得られたポリマーの対数粘度は1.89を示した。この高分子膜3に実施例1と同様の方法によりオルトリン酸を添加しベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を得た。このときのオルトリン酸含有量は重量変化から計算して、高分子膜3の膜重量に対して200重量%であった。このベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を用いて実施例1と同様の方法により、イオン伝導度および燃料電池発電特性測定を行った。150℃におけるイオン伝導度の値および燃料電池について発電初期および500時間後の開回路電圧と電流密度が0.3A/cm2における出力電圧を表1に示す。
<Example 5>
In Example 1, instead of 2,6-pyridinedicarboxylic acid, 2.5218 g (1.5090 × 10 −2 mole) of 2,5-pyridinedicarboxylic acid and monosodium 2,5-dicarboxybenzenesulfonate (purity) : 99%) A polymer film 3 having a thickness of 20 μm was produced using 1.7343 g (0.6467 × 10 −2 mole). The logarithmic viscosity of the polymer obtained by the reaction was 1.89. Orthophosphoric acid was added to the polymer membrane 3 in the same manner as in Example 1 to obtain a benzimidazole proton conductive polymer membrane. At this time, the content of orthophosphoric acid was 200% by weight based on the weight of the polymer film 3 as calculated from the change in weight. Using this benzimidazole-based proton conductive polymer membrane, ion conductivity and fuel cell power generation characteristics were measured in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the value of the ionic conductivity at 150 ° C. and the output voltage of the fuel cell at the initial stage of power generation and after 500 hours at an open circuit voltage and a current density of 0.3 A / cm 2 .

<実施例6>
実施例3において、2,5−ピリジンジカルボン酸の代わりに、2,6−ピリジンジカルボン酸2.8821g(1.7246×10-2mole)と3,5−ジカルボキシフェニルホスホン酸(純度:98%)1.0615g(0.4311×10-2mole)を用いて21μmの厚みの高分子膜4を作製した。反応により得られたポリマーの対数粘度は1.66を示した。この高分子膜4に実施例2と同様の方法によりビニルホスホン酸を添加しベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を得た。このときのビニルホスホン酸含有量は重量変化から計算して、高分子膜4の膜重量に対して300重量%であった。このベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を用いて実施例1と同様な方法により、イオン伝導度および燃料電池発電特性測定を行った。150℃におけるイオン伝導度の値および燃料電池について発電初期および500時間後の開回路電圧と電流密度が0.3A/cm2における出力電圧を表1に示す。
<Example 6>
In Example 3, instead of 2,5-pyridinedicarboxylic acid, 2,8821 g (1.7246 × 10 −2 mole) of 2,6-pyridinedicarboxylic acid and 3,5-dicarboxyphenylphosphonic acid (purity: 98 %) 1.0615 g (0.4311 × 10 −2 mole) was used to prepare a polymer film 4 having a thickness of 21 μm. The logarithmic viscosity of the polymer obtained by the reaction was 1.66. Vinyl phosphonic acid was added to the polymer membrane 4 in the same manner as in Example 2 to obtain a benzimidazole proton conductive polymer membrane. The vinylphosphonic acid content at this time was 300% by weight based on the weight of the polymer film 4 calculated from the change in weight. Using this benzimidazole-based proton conductive polymer membrane, ion conductivity and fuel cell power generation characteristics were measured in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the value of the ionic conductivity at 150 ° C. and the output voltage of the fuel cell at the initial stage of power generation and after 500 hours when the open circuit voltage and current density are 0.3 A / cm 2 .

<実施例7>
高分子膜1をビニルホスホン酸に30℃で1時間浸漬する以外は実施例2と同様にしてビニルホスホン酸を添加したベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を得た。このときのビニルホスホン酸含有量は重量変化から計算して、高分子膜1の膜重量に対して210重量%であった。このベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を用いて実施例1と同様の方法により、イオン伝導度および燃料電池発電特性測定を行った。150℃におけるイオン伝導度の値および燃料電池について発電初期および500時間後の開回路電圧と電流密度が0.3A/cm2における出力電圧を表1に示す。
<Example 7>
A benzimidazole proton conductive polymer membrane to which vinylphosphonic acid was added was obtained in the same manner as in Example 2 except that the polymer membrane 1 was immersed in vinylphosphonic acid at 30 ° C. for 1 hour. The vinylphosphonic acid content at this time was 210% by weight based on the weight of the polymer film 1 calculated from the change in weight. Using this benzimidazole-based proton conductive polymer membrane, ion conductivity and fuel cell power generation characteristics were measured in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the value of the ionic conductivity at 150 ° C. and the output voltage of the fuel cell at the initial stage of power generation and after 500 hours at an open circuit voltage and a current density of 0.3 A / cm 2 .

<実施例8>
高分子膜1をビニルホスホン酸(純度:85%、東京化成株式会社製)に50℃で10時間浸漬する以外は実施例2と同様にしてビニルホスホン酸を添加したベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を得た。このときのビニルホスホン酸含有量は重量変化から計算して、高分子膜1の膜重量に対して390重量%であった。このベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を用いて実施例1と同様の方法により、イオン伝導度および燃料電池発電特性測定を行った。
<Example 8>
Benzimidazole proton conductive high conductivity obtained by adding vinylphosphonic acid in the same manner as in Example 2 except that polymer membrane 1 is immersed in vinylphosphonic acid (purity: 85%, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) at 50 ° C. for 10 hours. A molecular film was obtained. The vinylphosphonic acid content at this time was 390% by weight based on the weight of the polymer film 1 calculated from the change in weight. Using this benzimidazole-based proton conductive polymer membrane, ion conductivity and fuel cell power generation characteristics were measured in the same manner as in Example 1.

<比較例1>
米国特許第3313783号公報、米国特許第3509108号公報、米国特許第3555389号公報などに記載されている製造方法を参考として、ポリ−2,2’−(m−フェニレン)−5,5’−ビベンズイミダゾールを得た。このポリマー1gをジメチルアセトアミド(DMAC)10gにオイルバス上で溶解し、ホットプレート上ガラス板にキャストし、フィルム状になるまでDMACを留去した。さらに120℃で12時間真空乾燥し、DMACを完全に留去した20μmの厚みの高分子膜5を得た。
<Comparative Example 1>
Poly-2,2 ′-(m-phenylene) -5,5′- with reference to the production methods described in US Pat. No. 3,313,783, US Pat. No. 3,509,108, US Pat. No. 3,555,389, and the like. Bibenzimidazole was obtained. 1 g of this polymer was dissolved in 10 g of dimethylacetamide (DMAC) on an oil bath, cast on a glass plate on a hot plate, and DMAC was distilled off until a film was formed. Furthermore, it vacuum-dried at 120 degreeC for 12 hours, and obtained the polymer film 5 of the thickness of 20 micrometers from which DMAC was distilled off completely.

この高分子膜5に室温にてオルトリン酸に3時間浸漬してオルトリン酸を添加したプロトン伝導性高分子膜を得た。このときのオルトリン酸含有量は重量変化から計算して、高分子膜5の膜重量に対して410重量%であった。得られたプロトン伝導性高分子膜について実施例1と同様な方法によりイオン伝導度の温度依存性および燃料電池発電特性を測定した。   The polymer membrane 5 was immersed in orthophosphoric acid at room temperature for 3 hours to obtain a proton conductive polymer membrane to which orthophosphoric acid was added. The orthophosphoric acid content at this time was 410% by weight based on the weight of the polymer film 5 calculated from the change in weight. For the obtained proton conductive polymer membrane, the temperature dependence of the ionic conductivity and the fuel cell power generation characteristics were measured in the same manner as in Example 1.

表2には、発電初期および500時間経過後における開回路電圧および電流密度0.3A/cm2における出力電圧を示す。また図1には、イオン伝導度の温度依存性を示し、図2には、発電初期の電流−電圧特性を示す。図3には、開回路電圧および電流密度0.3A/cm2における出力電圧の経時変化を示す。 Table 2 shows the open circuit voltage at the initial stage of power generation and after 500 hours, and the output voltage at a current density of 0.3 A / cm 2 . FIG. 1 shows the temperature dependence of ion conductivity, and FIG. 2 shows the current-voltage characteristics at the initial stage of power generation. FIG. 3 shows changes with time in the output voltage at an open circuit voltage and a current density of 0.3 A / cm 2 .

<比較例2>
比較例1で得た高分子膜5をビニルホスホン酸に120℃で3時間浸漬したこと以外は実施例2と同様な方法によりビニルホスホン酸を添加しプロトン伝導性高分子膜を得た。このときのビニルホスホン酸含有量は重量変化から計算して、高分子膜5の膜重量あたり390重量%であった。このベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を用いて実施例1と同様の方法により、イオン伝導度および燃料電池発電特性測定を行った。150℃におけるイオン伝導度の値および燃料電池について発電初期および500時間後の開回路電圧と電流密度が0.3A/cm2における出力電圧を表2に示す。
<Comparative Example 2>
Vinyl phosphonic acid was added in the same manner as in Example 2 except that the polymer film 5 obtained in Comparative Example 1 was immersed in vinyl phosphonic acid at 120 ° C. for 3 hours to obtain a proton conductive polymer film. The vinylphosphonic acid content at this time was 390% by weight based on the weight of the polymer film 5 calculated from the change in weight. Using this benzimidazole-based proton conductive polymer membrane, ion conductivity and fuel cell power generation characteristics were measured in the same manner as in Example 1. Table 2 shows the value of the ion conductivity at 150 ° C. and the output voltage at the initial power generation and after 500 hours of the open circuit voltage and the current density of 0.3 A / cm 2 for the fuel cell.

Figure 2006339064
Figure 2006339064

Figure 2006339064
Figure 2006339064

表1には、実施例1〜8のベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜について、表2には比較例1、2についての150℃におけるイオン伝導度およびこのベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を用いて製造した燃料電池について、初期の開回路電圧および500時間後の開回路電圧と、電流密度0.3A/cm2における初期の電池電圧および500時間後の電池電圧を示した。また、表1には、初期の電圧を100%としたときの500時間後の低下率(%)を併せて記載した。表1および表2に示した結果より、初期状態では、各実施例および比較例との間で、回路電圧について大きな差は見られないが、電流密度0.3A/cm2の電圧について若干の差が認められる。さらに、500時間経過後では、明らかに比較例の電圧が実施例に対して劣化していることが判る。 Table 1 shows the benzimidazole proton conductive polymer membranes of Examples 1 to 8, Table 2 shows the ionic conductivity at 150 ° C. and the benzimidazole proton conductive polymer membranes of Comparative Examples 1 and 2. The initial open circuit voltage and the open circuit voltage after 500 hours, the initial battery voltage at a current density of 0.3 A / cm 2, and the battery voltage after 500 hours were shown for the fuel cell produced using Table 1 also shows the reduction rate (%) after 500 hours when the initial voltage is 100%. From the results shown in Tables 1 and 2, in the initial state, there is no significant difference in the circuit voltage between the examples and the comparative examples, but there is a slight difference in the voltage with a current density of 0.3 A / cm 2. There is a difference. Furthermore, it can be seen that the voltage of the comparative example is deteriorated with respect to the example after 500 hours.

図1には、実施例1および比較例1について、イオン伝導度の温度依存性を示す。本発明のベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜は、比較例1のプロトン伝導性高分子膜に比較して酸の含有量が少ないにも関わらずイオン伝導性が同等であることが分かる。   FIG. 1 shows the temperature dependence of the ionic conductivity for Example 1 and Comparative Example 1. It can be seen that the benzimidazole proton conductive polymer membrane of the present invention is equivalent in ion conductivity to the proton conductive polymer membrane of Comparative Example 1 although the acid content is small.

図2には、実施例1および比較例1について、測定初期での電流密度と電池電圧との関係を示す。本発明のベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜は、比較例1のプロトン伝導性高分子膜に比例して酸の含浸量が少ないにも関わらず燃料電池特性が同等であることが分かる。   FIG. 2 shows the relationship between the current density and the battery voltage at the initial measurement for Example 1 and Comparative Example 1. It can be seen that the benzimidazole proton conductive polymer membrane of the present invention has the same fuel cell characteristics although the amount of acid impregnation is small in proportion to the proton conductive polymer membrane of Comparative Example 1.

図3には、実施例1および比較例1について、開回路電圧(OCV)および電流密度0.3A/cm2での発電時の電池電圧と、燃料電池の運転時間との関係を示す。図3に示すように、比較例1については、運転時間が長時間になるにつれて、どちらの電圧も低下していくことが分かる。一方、実施例については電圧の低下が殆どみられない。 FIG. 3 shows the relationship between the open circuit voltage (OCV) and the battery voltage during power generation at a current density of 0.3 A / cm 2 and the operation time of the fuel cell for Example 1 and Comparative Example 1. As shown in FIG. 3, it can be seen that in Comparative Example 1, both voltages decrease as the operation time becomes longer. On the other hand, almost no decrease in voltage is observed in the examples.

以上のように、実施例1ないし実施例8のベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜は、比較例1、2のプロトン伝導性高分子膜に対して、電気特性および耐久性に優れていることが分かる。   As described above, the benzimidazole proton conductive polymer membranes of Examples 1 to 8 are superior in electrical characteristics and durability to the proton conductive polymer membranes of Comparative Examples 1 and 2. I understand.

本発明によるベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜により、高温無加湿条件で運転可能な高分子電解質膜として、優れたプロトン伝導性を示すだけでなく、燃料電池を組み立てる際の加工性に優れるとともに、耐久性においても十分な実用特性を示す新規な高分子電解質膜を得ることができる。これらの特性を活かして、本発明のプロトン伝導性高分子膜は、各種電池電解質、センサ、コンデンサ、電解膜など幅広い用途で利用することができ、産業界の発展、成長に寄与することができる。   The benzimidazole proton conductive polymer membrane according to the present invention not only exhibits excellent proton conductivity as a polymer electrolyte membrane that can be operated under high-temperature and non-humidified conditions, but also has excellent processability when assembling a fuel cell. Thus, a novel polymer electrolyte membrane exhibiting sufficient practical characteristics in terms of durability can be obtained. Taking advantage of these characteristics, the proton conductive polymer membrane of the present invention can be used in a wide range of applications such as various battery electrolytes, sensors, capacitors, electrolytic membranes, and can contribute to the development and growth of industry. .

実施例1および比較例1について、イオン伝導度の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of ion conductivity about Example 1 and Comparative Example 1. FIG. 実施例1および比較例1について、測定初期の電流密度と電池電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the current density of a measurement initial stage, and a battery voltage about Example 1 and Comparative Example 1. FIG. 実施例1および比較例1について、開回路電圧および電流密度0.3A/cm2での発電時の電池特性と、燃料電池の運転時間との関係を示すグラフである。5 is a graph showing the relationship between the battery characteristics during power generation at an open circuit voltage and a current density of 0.3 A / cm 2 and the operating time of the fuel cell for Example 1 and Comparative Example 1.

Claims (6)

下記式(1)で示される構造を主成分とするポリベンズイミダゾールからなる高分子膜に酸性分子を含浸させたことを特徴とするポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜。
Figure 2006339064
(ただし、Xは−O−、−SO2−、−S−、−CO−、−C(CH32−、−C(CF32−、−O−Ph−O−よりなる群から選ばれる1種以上を示し、Phはオルトフェニレン、メタフェニレン、パラフェニレンから選ばれる1種以上を示す。)
A polybenzimidazole-based proton conductive polymer membrane, wherein a polymer membrane composed of polybenzimidazole having a structure represented by the following formula (1) as a main component is impregnated with an acidic molecule.
Figure 2006339064
(Where X is a group consisting of —O—, —SO 2 —, —S—, —CO—, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—Ph—O—). And at least one selected from orthophenylene, metaphenylene, and paraphenylene.)
前記ポリベンズイミダゾールは、下記式(2)および/または(3)で示される構造を主成分とすることを特徴とする、請求項1に記載のポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜。
Figure 2006339064
(ただし、Xは−O−、−SO2−、−S−、−CO−、−C(CH32−、−C(CF32−、−O−Ph−O−よりなる群から選ばれる1種以上を示し、Phはオルトフェニレン、メタフェニレン、パラフェニレンから選ばれる1種以上を示す。)
The polybenzimidazole-based proton conductive polymer membrane according to claim 1, wherein the polybenzimidazole has a structure represented by the following formula (2) and / or (3) as a main component.
Figure 2006339064
(Where X is a group consisting of —O—, —SO 2 —, —S—, —CO—, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—Ph—O—). And at least one selected from orthophenylene, metaphenylene, and paraphenylene.)
ポリベンズイミダゾールがさらに下記構造で示されるスルホン酸基および/またはホスホン酸基含有構成要素を含んでいることを特徴とする、請求項1または2に記載のポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜。
Figure 2006339064
(ただし、Xは直接結合、−O−、−SO2−、−S−、−CO−、−C(CH32−、−C(CF32−、−O−Ph−O−よりなる群から選ばれる1種以上を示し、Arは芳香族ユニットから選ばれる1種以上を示し、Phはオルトフェニレン、メタフェニレン、パラフェニレンから選ばれる1種以上を示し、Yはスルホン酸基、ホスホン酸基から選ばれる1種以上であり、全てが酸の形態であっても、一部またはその全てがその誘導体の形態であってもよく、nは1〜4の整数を示すものとする。)
The polybenzimidazole proton conductive polymer membrane according to claim 1 or 2, wherein the polybenzimidazole further contains a sulfonic acid group and / or phosphonic acid group-containing component represented by the following structure: .
Figure 2006339064
(Where X is a direct bond, —O—, —SO 2 —, —S—, —CO—, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—Ph—O—). One or more selected from the group consisting of Ar, one or more selected from aromatic units, Ph represents one or more selected from orthophenylene, metaphenylene and paraphenylene, Y represents a sulfonic acid group , One or more selected from phosphonic acid groups, all may be in the form of an acid, or part or all of it may be in the form of a derivative thereof, and n represents an integer of 1 to 4. To do.)
高分子膜の膜重量に対して、酸性分子が10〜1000重量%の範囲内で含有されていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載のポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜。   The polybenzimidazole proton conductivity according to any one of claims 1 to 3, wherein an acidic molecule is contained within a range of 10 to 1000% by weight with respect to a film weight of the polymer film. Polymer membrane. 請求項1〜4のいずれかに記載のポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜を製造する方法であって、
請求項1〜3のいずれかに記載のポリベンズイミダゾールを主成分とする高分子膜を酸性分子液体または酸性分子を含む溶液に浸漬する工程を含むことを特徴とする、ポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜の製造方法。
A method for producing the polybenzimidazole-based proton conductive polymer membrane according to any one of claims 1 to 4,
A polybenzimidazole proton conduction comprising a step of immersing the polymer film comprising polybenzimidazole as a main component according to any one of claims 1 to 3 in an acidic molecule liquid or a solution containing acidic molecules. For producing a conductive polymer film.
酸素極と、
燃料極と、
前記酸素極および前記燃料極に挟持された、請求項1〜4のいずれかに記載のポリベンズイミダゾール系プロトン伝導性高分子膜である固体高分子電解質膜とを備え、
酸化剤流路を形成した酸化剤配流板を酸素極側に設け、燃料流路を形成した燃料配流板を燃料極側に設けたものを単位セルとしたものである燃料電池。
An oxygen electrode,
An anode,
A solid polymer electrolyte membrane, which is a polybenzimidazole-based proton conductive polymer membrane according to any one of claims 1 to 4, sandwiched between the oxygen electrode and the fuel electrode,
A fuel cell in which an oxidant flow plate having an oxidant flow path is provided on the oxygen electrode side and a fuel flow plate having a fuel flow path is provided on the fuel electrode side as a unit cell.
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