JP2007084739A - Ionic group-bearing polymer, polyelectrolyte material, polyelectrolyte component, membrane electrode assembly, and polyelectrolyte-type fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ionic group-bearing polymer excellent in proton conductivity, especially proton conductivity under low-humidifying conditions, and swelling resistance, to provide a polyelectrolyte material made thereof, to provide a polyelectrolyte component made from the above material, to provide a membrane electrode assembly constituted of the above components, and to provide a polyelectrolyte-type fuel cell using the above composite. <P>SOLUTION: The ionic group-bearing polymer has ionic groups each comprising a structure of the formula(A1)( wherein, G<SP>1</SP>is a substituent selected from a ketone group and a sulfone group ). <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、プロトン伝導性、特に低加湿条件下でのプロトン伝導性と、耐膨潤性の両方に優れたイオン性基を有するポリマーならびに高分子電解質材料、さらにはそれらからなる高分子電解質部品、膜電極複合体および高分子電解質型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer having an ionic group excellent in proton conductivity, particularly proton conductivity under low humidification conditions and swelling resistance, a polymer electrolyte material, and a polymer electrolyte component comprising the same, The present invention relates to a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell.

イオン性基を有するポリマーは、例えば、医療材料用途、ろ過用途、濃縮用途、イオン交換樹脂用途、各種構造材用途、コーティング材用途、高分子アクチュエーター、電気化学用途などに使用されている。   Polymers having an ionic group are used, for example, in medical material applications, filtration applications, concentration applications, ion exchange resin applications, various structural material applications, coating material applications, polymer actuators, electrochemical applications, and the like.

電気化学用途においては、イオン性基を有するポリマーは、高分子電解質材料、高分子電解質部品または膜電極複合体として、キャパシター、燃料電池、レドックスフロー電池、水電解装置およびクロロアルカリ電解装置などに使用されている。   In electrochemical applications, polymers with ionic groups are used in capacitors, fuel cells, redox flow batteries, water electrolyzers and chloroalkali electrolyzers as polymer electrolyte materials, polymer electrolyte components or membrane electrode composites. Has been.

これらの中で、燃料電池は、排出物が少なく、かつエネルギー効率が高く、環境への負担の低い発電装置である。このため、近年の地球環境保護への高まりの中で注目される技術である。燃料電池は、比較的小規模の分散型発電施設や、自動車、船舶などの移動体の発電装置として、将来的にも期待されている発電装置である。また、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、あるいは二次電池とのハイブリッド化により、携帯電話やパソコンなどの小型移動機器への搭載も期待されている。   Among these, the fuel cell is a power generation device that has low emissions, high energy efficiency, and low environmental burden. For this reason, it is a technology that attracts attention in the recent increase in global environmental protection. A fuel cell is a power generation device that is expected to be used in the future as a power generation device for a relatively small-scale distributed power generation facility or a moving body such as an automobile or a ship. In addition, instead of secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries, or by hybridization with secondary batteries, it is expected to be mounted on small mobile devices such as mobile phones and personal computers.

高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell。以下、PEFCとも記載する。)においては、水素ガスを燃料とする従来型のものに加えて、メタノールなどの燃料を水素ガスに改質することなく直接供給する直接型燃料電池も注目されている。直接型燃料電池は、従来のPEFCに比べて出力が低いものの、燃料が液体で改質器を用いないために、エネルギー密度が高くなり、一充填あたりの発電時間が長時間になるという利点がある。   In polymer electrolyte fuel cells (hereinafter also referred to as PEFC), in addition to conventional batteries that use hydrogen gas as fuel, there is no need to reform fuel such as methanol into hydrogen gas. Direct fuel cells that supply directly are also attracting attention. Although the direct fuel cell has a lower output than the conventional PEFC, the fuel is liquid and does not use a reformer, so the energy density is high and the power generation time per filling is long. is there.

直接型燃料電池用の高分子電解質材料においては、水素ガスを燃料とする従来のPEFC用の高分子電解質材料に要求される性能に加えて、燃料の透過抑制も要求される。特に高分子電解質材料を用いた高分子電解質膜中の燃料透過は、燃料クロスオーバー、ケミカルショートとも呼ばれ、電池出力およびエネルギー容量が低下するという問題を引き起こす。   In the polymer electrolyte material for a direct fuel cell, in addition to the performance required for a conventional polymer electrolyte material for PEFC using hydrogen gas as a fuel, suppression of fuel permeation is also required. In particular, fuel permeation through a polymer electrolyte membrane using a polymer electrolyte material is also called fuel crossover or chemical short, and causes a problem that the battery output and energy capacity are reduced.

また、直接型燃料電池においては、水素ガスを燃料とする従来のPEFCとは異なる性能が要求される。すなわち、直接型燃料電池においては、アノード電極ではメタノール水溶液などの燃料がアノード電極の触媒層で反応してプロトン、電子、二酸化炭素を生じ、電子は電極基材に伝導し、プロトンは高分子電解質に伝導し、二酸化炭素は電極基材を通過して系外へ放出される。このため、従来のPEFCのアノード電極の要求特性に加えて、メタノール水溶液などの燃料透過性や二酸化炭素の排出性も要求される。さらに、直接型燃料電池のカソード電極では、従来のPEFCと同様な反応に加えて、電解質膜を透過したメタノールなどの燃料と酸素あるいは空気などの酸化ガスがカソード電極の触媒層で、二酸化炭素と水を生成する反応も起こる。このため、従来のPEFCよりも生成水が多くなるため、さらに効率よく水を排出することが必要となる。   Further, the direct fuel cell is required to have a performance different from that of a conventional PEFC using hydrogen gas as a fuel. That is, in a direct type fuel cell, a fuel such as a methanol aqueous solution reacts with the catalyst layer of the anode electrode to produce protons, electrons, and carbon dioxide at the anode electrode, and the electrons are conducted to the electrode substrate, and the protons are polymer electrolyte. The carbon dioxide passes through the electrode substrate and is released out of the system. For this reason, in addition to the required characteristics of the anode electrode of the conventional PEFC, fuel permeability such as aqueous methanol solution and carbon dioxide emission are also required. Further, in the cathode electrode of the direct type fuel cell, in addition to the reaction similar to that of the conventional PEFC, fuel such as methanol that has permeated through the electrolyte membrane and oxidizing gas such as oxygen or air are mixed with carbon dioxide in the cathode electrode catalyst layer. Reactions that produce water also occur. For this reason, since generated water becomes more than conventional PEFC, it is necessary to discharge water more efficiently.

従来、高分子電解質膜として“ナフィオン”(デュポン社製、商品名)に代表されるパーフルオロ系プロトン伝導性ポリマー膜が使用されてきた。しかし、これらのパーフルオロ系プロトン伝導性ポリマー膜は、直接型燃料電池においてはメタノールなどの燃料透過量が大きく、電池出力やエネルギー容量が十分でないという問題があった。またパーフルオロ系プロトン伝導性ポリマーは、フッ素を使用するという点から価格も非常に高いものである。   Conventionally, a perfluoro proton conductive polymer membrane represented by “Nafion” (manufactured by DuPont, trade name) has been used as a polymer electrolyte membrane. However, these perfluoro proton conductive polymer membranes have a problem that the fuel permeation amount of methanol or the like is large in the direct fuel cell, and the cell output and energy capacity are not sufficient. Perfluoro proton conductive polymers are also very expensive in terms of using fluorine.

そこで、非フッ素系のプロトン伝導体の高分子電解質が市場から望まれており、非フッ素系ポリマーをベースとした高分子電解質膜についても既にいくつかの取り組みがなされている。   Therefore, non-fluorine proton conductor polymer electrolytes are desired from the market, and some efforts have already been made on polymer electrolyte membranes based on non-fluorine polymers.

例えば、芳香族ポリエーテル系ポリマーであって、イオン性基を1個有するベンゾフェノン部位またはイオン性基を1個有するジフェニルスルホン部位を有するもの(例えば、非特許文献1および特許文献1参照)、および芳香族ポリエーテル系ポリマーであって、イオン性基を2個有するベンゾフェノン部位またはイオン性基を2個有するジフェニルスルホン部位を有するもの(例えば、特許文献2参照)が提案されているが、これら従来の技術においては、得られる高分子電解質材料のプロトン伝導性、特に低加湿条件下でのプロトン伝導性と、耐膨潤性の両立が困難であるという問題があった。
第53回高分子学会年次大会予稿集, II Pd120, 53(1), 1640 (2004) 特開2005-015607号公報 国際公開WO2004/079844号パンフレット
For example, an aromatic polyether polymer having a benzophenone moiety having one ionic group or a diphenylsulfone moiety having one ionic group (see, for example, Non-Patent Document 1 and Patent Document 1), Aromatic polyether polymers having a benzophenone moiety having two ionic groups or a diphenylsulfone moiety having two ionic groups have been proposed (see, for example, Patent Document 2). In this technique, there is a problem that it is difficult to achieve both proton conductivity of the obtained polymer electrolyte material, particularly proton conductivity under low humidification conditions and swelling resistance.
Proceedings of the 53rd Annual Meeting of the Polymer Society of Japan, II Pd120, 53 (1), 1640 (2004) JP 2005-015607 A International Publication WO2004 / 079844 Pamphlet

本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み検討した結果達成されたものであり、プロトン伝導性、特に低加湿条件下でのプロトン伝導性と、耐膨潤性の両方に優れたイオン性基を有するポリマーならびに高分子電解質材料を提供し、さらにはそれらからなる高分子電解質部品、膜電極複合体によって高効率の高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とするものである。   The present invention has been achieved as a result of examination in view of the background of such prior art, and has an ionic group excellent in both proton conductivity, particularly proton conductivity under low humidification conditions and swelling resistance. It is an object of the present invention to provide a polymer and a polymer electrolyte material, and further to provide a polymer electrolyte fuel cell with high efficiency by using a polymer electrolyte component and a membrane electrode assembly made of the polymer and the polymer electrolyte material.

上記目的を達成するため本発明によれば、下記式(A1)の構造を含有することを特徴とするイオン性基を有するポリマーが提供される。   In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a polymer having an ionic group characterized by containing a structure of the following formula (A1).

Figure 2007084739
Figure 2007084739

[式(A1)中、Gはケトン基およびスルホン基から選ばれた置換基を表す。XはHおよび任意のカチオンを表す。mおよびnは0〜4の整数を表し、3≦(m+n)≦8である。式(A1)で表される構造は任意に置換されていてもよい。]
また、本発明によれば、上記イオン性基を有するポリマーからなる高分子電解質材料、高分子電解質部品、膜電極複合体ならびに高分子電解質型燃料電池が提供される。
[In Formula (A1), G 1 represents a substituent selected from a ketone group and a sulfone group. X represents H and any cation. m and n represent an integer of 0 to 4, and 3 ≦ (m + n) ≦ 8. The structure represented by the formula (A1) may be optionally substituted. ]
The present invention also provides a polymer electrolyte material, a polymer electrolyte component, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell made of the above polymer having an ionic group.

本発明によれば、プロトン伝導性、特に低加湿条件下でのプロトン伝導性と、耐膨潤性の両方に優れたイオン性基を有するポリマーならびに高分子電解質材料を得ることができ、さらにはそれらからなる高分子電解質部品、膜電極複合体、によって高効率の高分子電解質型燃料電池を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a polymer and a polymer electrolyte material having an ionic group excellent in both proton conductivity, particularly proton conductivity under low humidification conditions, and swelling resistance. A high-efficiency polymer electrolyte fuel cell can be obtained by using the polymer electrolyte component and the membrane electrode assembly.

以下、本発明を具体的に説明する。   The present invention will be specifically described below.

本発明のイオン性基を有するポリマーは、下記式(A1)の構造を含有することを特徴とする。   The polymer having an ionic group according to the present invention is characterized by containing a structure represented by the following formula (A1).

Figure 2007084739
Figure 2007084739

[式(A1)中、Gはケトン基およびスルホン基から選ばれた置換基を表す。XはHおよび任意のカチオンを表す。mおよびnは0〜4の整数を表し、3≦(m+n)≦8である。式(A1)で表される構造は任意に置換されていてもよい。]
式(A1)中、Gはケトン基およびスルホン基から選ばれた置換基を表す。ここでケトン基とは式(g−1)で表される基、スルホン基とは式(g−2)で表される基のことである。
[In Formula (A1), G 1 represents a substituent selected from a ketone group and a sulfone group. X represents H and any cation. m and n represent an integer of 0 to 4, and 3 ≦ (m + n) ≦ 8. The structure represented by the formula (A1) may be optionally substituted. ]
In formula (A1), G 1 represents a substituent selected from a ketone group and a sulfone group. Here, the ketone group is a group represented by the formula (g-1), and the sulfone group is a group represented by the formula (g-2).

Figure 2007084739
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XはHおよび任意のカチオンを表す。好適なカチオンとしては各種アルカリ金属、各種アルカリ土類金属、および各種アンモニウムなどのカチオンを挙げることができ、なかでもLi、Na、Kのカチオンが特に好ましい。またXとして複数種類のHまたはカチオンを併用してもよい。   X represents H and any cation. Suitable cations include cations such as various alkali metals, various alkaline earth metals, and various ammoniums. Among them, cations of Li, Na, and K are particularly preferable. Moreover, you may use together multiple types of H or a cation as X.

mおよびnは0〜4の整数を表し、3≦(m+n)≦8である。(m+n)が3以上であることにより、プロトン伝導性、特に低加湿条件下でのプロトン伝導性と、耐膨潤性の両方に優れたイオン性基を有するポリマーを得ることが可能になる。これは極性基であるGの近傍にイオン性基(スルホン酸基)が多数集中して配置されることによる効果と推察される。芳香環に多くのスルホン酸基を導入することは一般に容易ではなくコストアップにつながるので、3≦(m+n)≦4であることがより好ましい。 m and n represent an integer of 0 to 4, and 3 ≦ (m + n) ≦ 8. When (m + n) is 3 or more, it becomes possible to obtain a polymer having an ionic group excellent in both proton conductivity, particularly proton conductivity under low humidification conditions and swelling resistance. This is presumably due to the fact that a large number of ionic groups (sulfonic acid groups) are concentrated in the vicinity of G 1 which is a polar group. Introducing many sulfonic acid groups into an aromatic ring is generally not easy and leads to an increase in cost, and therefore it is more preferable that 3 ≦ (m + n) ≦ 4.

本発明のイオン性基を有するポリマーは、下記式(P1)の繰り返し単位を含む骨格を有することが好ましい。かかる骨格は耐加水分解性に優れ、各種機械特性に優れた強靱なポリマーが得られるからである。

−Y11−Z11−Y21−Z21− (P1)

[式(P1)中、Y11およびY12はそれぞれOまたはSを表す。Z11は芳香環を含む2価の基を表し、Z11は任意に置換されていてもよい。Z21は前記式(A1)で表される基を表す。]
式(P1)中、Y11およびY12はそれぞれOまたはSを表すが、より好ましくはOである。
The polymer having an ionic group of the present invention preferably has a skeleton containing a repeating unit of the following formula (P1). This is because such a skeleton is excellent in hydrolysis resistance, and a tough polymer excellent in various mechanical properties can be obtained.

-Y 11 -Z 11 -Y 21 -Z 21 - (P1)

[In Formula (P1), Y 11 and Y 12 each represent O or S. Z 11 represents a divalent group containing an aromatic ring, and Z 11 may be optionally substituted. Z 21 represents a group represented by the formula (A1). ]
In formula (P1), Y 11 and Y 12 each represent O or S, and more preferably O.

式(P1)中、Z11は芳香環を含む2価の基を表し、Z11は任意に置換されていてもよいが、プロトン伝導性、燃料遮断性、燃料による膨潤への耐性、および製膜溶媒への溶解性のいずれにも優れた特性を得るという観点で、その好適な例は、下記式(Z1−1)〜(Z1−12)で表される基、および下記式(B1)〜(B3)で表される基であり、中でも式(B1)〜(B3)で表される基が特に好ましい。 In formula (P1), Z 11 represents a divalent group containing an aromatic ring, and Z 11 may be optionally substituted, but proton conductivity, fuel blocking property, resistance to swelling by fuel, and production From the viewpoint of obtaining excellent properties in both solubility in the membrane solvent, suitable examples thereof include groups represented by the following formulas (Z1-1) to (Z1-12), and the following formula (B1). To (B3), among which groups represented by formulas (B1) to (B3) are particularly preferable.

Figure 2007084739
Figure 2007084739

Figure 2007084739
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[式(B1)〜(B3)中、Qは直接結合、メチレン基、カルボニル基、OおよびSから選ばれた置換基を表す。QはH、メチル基およびフェニル基から選ばれた置換基を表す。Qはカルボニル基およびスルホニル基から選ばれた置換基を表す。QはO、SおよびN−Rから選ばれた置換基を表す。RはH、アルキル基およびアリール基から選ばれた置換基を表す。式(B1)〜(B3)で表される構造は任意に置換されていてもよい。]
式(B1)において、Qは直接結合、メチレン基、カルボニル基、OおよびSから選ばれた置換基を表すが、最も好ましくは直接結合である。
[In Formulas (B1) to (B3), Q 1 represents a substituent selected from a direct bond, a methylene group, a carbonyl group, O and S. Q 2 represents a substituent selected from H, a methyl group, and a phenyl group. Q 3 represents a substituent selected from a carbonyl group and a sulfonyl group. Q 4 represents a substituent selected from O, S and N—R 1 . R 1 represents a substituent selected from H, an alkyl group, and an aryl group. The structures represented by formulas (B1) to (B3) may be optionally substituted. ]
In formula (B1), Q 1 represents a direct bond, a methylene group, a carbonyl group, a substituent selected from O and S, and most preferably a direct bond.

式(B2)において、QはH、アルキル基およびアリール基から選ばれた置換基を表すが、好ましくはH、メチル基、フェニル基であり、最も好ましくはフェニル基である。 In formula (B2), Q 2 represents a substituent selected from H, an alkyl group, and an aryl group, preferably H, a methyl group, and a phenyl group, and most preferably a phenyl group.

式(B3)において、Qはカルボニル基およびスルホニル基から選ばれた置換基を表すが、好ましくはカルボニル基である。QはO、SおよびN−Rから選ばれた置換基を表すが、好ましくはOおよびN−Rであり、最も好ましくはOである。RはH、アルキル基およびアリール基から選ばれた置換基を表すが、好ましくはHまたは炭素数1〜3のアルキル基である。 In the formula (B3), Q 3 represents a substituent selected from a carbonyl group and a sulfonyl group, and is preferably a carbonyl group. Q 4 represents a substituent selected from O, S and N—R 1 , preferably O and N—R 1 , and most preferably O. R 1 represents a substituent selected from H, an alkyl group, and an aryl group, and is preferably H or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms.

式(Z1−1)〜(Z1−12)で表される基、および式(B1)〜(B3)で表される基は任意に置換されていてもよい。任意の種類の置換基により任意の数、置換されてよいが、好ましい置換基は炭素数1〜3のアルキル基、ハロゲン化アルキル基、フェニル基、ハロゲン基およびイオン性基である。好ましい置換基の数は0〜8である。   The groups represented by the formulas (Z1-1) to (Z1-12) and the groups represented by the formulas (B1) to (B3) may be optionally substituted. Any number of substituents may be substituted in any number, but preferred substituents are alkyl groups having 1 to 3 carbon atoms, halogenated alkyl groups, phenyl groups, halogen groups and ionic groups. The number of preferable substituents is 0-8.

式(P1)中、Z21は前記式(A1)で表される基を表す。 In the formula (P1), Z 21 represents a group represented by the formula (A1).

本発明のイオン性基を有するポリマーは、さらに下記式(P2)の繰り返し単位を含む骨格を有することも好ましい。

−Y12−Z12−Y22−Z22− (P2)

[式(P2)中、Y12およびY22はそれぞれOまたはSを表す。Z12は芳香環を含む2価の基を表し、Z12は任意に置換されていてもよい。Z22は電子吸引性基を有する芳香環を含む2価の基を表し、Z22は任意に置換されていてもよい。]
式(P2)中、Y12およびY22はそれぞれOまたはSを表すが、より好ましくはOである。
The polymer having an ionic group of the present invention preferably further has a skeleton containing a repeating unit of the following formula (P2).

-Y 12 -Z 12 -Y 22 -Z 22 - (P2)

[In Formula (P2), Y 12 and Y 22 each represent O or S. Z 12 represents a divalent group containing an aromatic ring, and Z 12 may be optionally substituted. Z 22 represents a divalent group containing an aromatic ring having an electron-withdrawing group, and Z 22 may be optionally substituted. ]
In formula (P2), Y 12 and Y 22 each represent O or S, and more preferably O.

式(P2)中、Z12は芳香環を含む2価の基を表し、Z12は任意に置換されていてもよいが、その好適な例は、前記式(P1)におけるZ11の好適な例と同様である。 In the formula (P2), Z 12 represents a divalent group containing an aromatic ring, and Z 12 may be optionally substituted. A preferred example thereof is a preferred example of Z 11 in the formula (P1). Similar to the example.

式(P2)中、Z21は電子吸引性基を有する芳香環を含む2価の基を表し、Z21は任意に置換されていてもよいが、プロトン伝導性、燃料遮断性、燃料による膨潤への耐性、および製膜溶媒への溶解性のいずれにも優れた特性を得るという観点で、その好適な例は、下記式(Z2−1)〜(Z2−12)で表される基であり、中でも特に好ましいのは式(Z2−1)で表される基、および式(Z2−2)で表される基である。 In the formula (P2), Z 21 represents a divalent group containing an aromatic ring having an electron-withdrawing group, and Z 21 may be optionally substituted, but proton conductivity, fuel cutoff, swelling due to fuel From the viewpoint of obtaining excellent properties in both resistance to water and solubility in a film-forming solvent, suitable examples thereof are groups represented by the following formulas (Z2-1) to (Z2-12). Among them, a group represented by the formula (Z2-1) and a group represented by the formula (Z2-2) are particularly preferable.

22は任意に置換されていてもよいが、好ましい置換基は炭素数1〜3のアルキル基、ハロゲン化アルキル基、フェニル基、ハロゲン基およびイオン性基である。好ましい置換基の数は電子吸引性基を含めて1〜9である。 Z 22 may be optionally substituted, but preferred substituents are an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, a halogenated alkyl group, a phenyl group, a halogen group and an ionic group. The number of preferable substituents is 1 to 9 including the electron withdrawing group.

Figure 2007084739
Figure 2007084739

本発明のイオン性基を有するポリマーは、下記式(P3)の繰り返し単位を含む骨格を有することも好ましい。

−Y13−Z13−Y23−Z23− (P3)

[式(P3)中、Y13およびY23はそれぞれOまたはSを表す。Z13は芳香環を含む2価の基を表し、Z13は任意に置換されていてもよい。Z23は下記式(A2)で表される基を表す。]
The polymer having an ionic group of the present invention preferably has a skeleton containing a repeating unit of the following formula (P3).

-Y 13 -Z 13 -Y 23 -Z 23 - (P3)

[In Formula (P3), Y 13 and Y 23 each represent O or S. Z 13 represents a divalent group containing an aromatic ring, and Z 13 may be optionally substituted. Z 23 represents a group represented by the following formula (A2). ]

Figure 2007084739
Figure 2007084739

[式(A2)中、Gはケトン基およびスルホン基から選ばれた置換基を表す。XはHおよび任意のカチオンを表す。]
式(P3)中、Y13およびY23はそれぞれOまたはSを表すが、より好ましくはOである。
[In Formula (A2), G 2 represents a substituent selected from a ketone group and a sulfone group. X represents H and any cation. ]
In formula (P3), Y 13 and Y 23 each represent O or S, and more preferably O.

式(P3)中、Z13は芳香環を含む2価の基を表し、Z13は任意に置換されていてもよいが、その好適な例は、前記式(P1)におけるZ11の好適な例と同様である。 In the formula (P3), Z 13 represents a divalent group containing an aromatic ring, and Z 13 may be optionally substituted. A preferred example thereof is a preferred example of Z 11 in the formula (P1). Similar to the example.

式(A2)中、Gはケトン基およびスルホン基から選ばれた置換基を表す。ここでケトン基とは前記式(g−1)で表される基、スルホン基とは前記式(g−2)で表される基のことである。 Wherein (A2), G 2 represents a substituent selected from a ketone group and sulfone group. Here, the ketone group is a group represented by the formula (g-1), and the sulfone group is a group represented by the formula (g-2).

XはHおよび任意のカチオンを表す。好適なカチオンとしては各種アルカリ金属、各種アルカリ土類金属、および各種アンモニウムなどのカチオンを挙げることができ、なかでもLi、Na、Kのカチオンが特に好ましい。またXとして複数種類のHまたはカチオンを併用してもよい。式(A2)で表される基はさらに任意に置換されていてもよいが、置換されていないものが最も好適である。   X represents H and any cation. Suitable cations include cations such as various alkali metals, various alkaline earth metals, and various ammoniums. Among them, cations of Li, Na, and K are particularly preferable. Moreover, you may use together multiple types of H or a cation as X. The group represented by the formula (A2) may be further optionally substituted, but most preferably not substituted.

本発明のイオン性基を有するポリマーにおいて、式(A1)で表される基に由来するSOX基の数は、該イオン性基を有するポリマーの全SOX基数に対して、0.1%〜100%の範囲が好ましく、1%〜90%がより好ましく、5%〜70%がさらに好ましい。式(A1)で表される基に由来するSOX基の数の割合が少なすぎると本発明の効果が得られにくくなるため好ましくない。式(A1)で表される基に由来するSOX基の数の割合が多すぎると、ポリマーの製造コストが上がり好ましくない場合がある。 In the polymer having ionic groups of the present invention, the number of SO 3 X groups derived from a group represented by the formula (A1), relative to the total SO 3 X groups of a polymer having the ionic group, 0. The range of 1% to 100% is preferable, 1% to 90% is more preferable, and 5% to 70% is more preferable. If the ratio of the number of SO 3 X groups derived from the group represented by the formula (A1) is too small, it is difficult to obtain the effects of the present invention, which is not preferable. If the ratio of the number of SO 3 X groups derived from the group represented by the formula (A1) is too large, the production cost of the polymer may increase, which may be undesirable.

本発明のイオン性基を有するポリマーは、前記式(P1)の繰り返し単位を含む骨格を有することが好ましいが、かかるポリマーは、例えば下記の方法で得ることができる。すなわち、H−Y11−Z11−Y21−H〔Y11、Z11およびY21は式(P1)中の記号と同じ意味である。〕で表される化合物および/またはその塩と、E−Z21−E〔Z21は式(P1)中の記号と同じ意味である。EはFまたはClを表す。〕で表される芳香族ハライド化合物を、高温下で縮合重合する方法である。縮合重合においては必要に応じて炭酸カリウムなどの脱酸剤を用いることができる。また、通常はジフェニルスルホン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルイミダゾリジノンなどの非プロトン性溶媒を用いることができる。縮合反応に際して水が発生する場合にはトルエンなどの共沸溶媒を加え、共沸により水を除去することも好ましく行われる。反応温度は100〜300℃程度であり、反応時間は1〜72時間程度である。 The polymer having an ionic group of the present invention preferably has a skeleton containing the repeating unit of the formula (P1). Such a polymer can be obtained, for example, by the following method. That, H-Y 11 -Z 11 -Y 21 -H [Y 11, Z 11 and Y 21 have the same meanings as the symbols in the formula (P1). A compound and / or a salt thereof], E-Z 21 -E [Z 21 has the same meaning as the symbols in the formula (P1). E represents F or Cl. ] The aromatic halide compound represented by this is the method of carrying out condensation polymerization under high temperature. In the condensation polymerization, a deoxidizing agent such as potassium carbonate can be used as necessary. In addition, aprotic solvents such as diphenylsulfone, dimethylformamide, dimethylsulfoxide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylimidazolidinone can be used. When water is generated during the condensation reaction, it is also preferable to add an azeotropic solvent such as toluene and remove the water by azeotropic distillation. The reaction temperature is about 100 to 300 ° C., and the reaction time is about 1 to 72 hours.

本発明のイオン性基を有するポリマーは、さらに前記式(P2)および/または前記式(P3)の繰り返し単位を含む骨格を有することも好ましい。前記式(P2)の繰り返し単位を含む骨格を有する場合は、前記重合系にさらにH−Y12−Z12−Y22−H〔Y12、Z12およびY22は式(P2)中の記号と同じ意味である。〕で表される化合物および/またはその塩と、E−Z22−E〔Z22は式(P2)中の記号と同じ意味である。EはFまたはClを表す。〕で表される芳香族ハライド化合物を加えることによって、前記式(P2)の繰り返し単位を含む骨格が得られる。前記式(P3)の繰り返し単位を含む骨格を有する場合は、前記重合系にさらにH−Y13−Z13−Y23−H〔Y13、Z13およびY23は式(P3)中の記号と同じ意味である。〕で表される化合物および/またはその塩と、E−Z23−E〔Z23は式(P3)中の記号と同じ意味である。EはFまたはClを表す。〕で表される芳香族ハライド化合物を加えることによって、前記式(P3)の繰り返し単位を含む骨格が得られる。 The polymer having an ionic group of the present invention preferably further has a skeleton containing the repeating unit of the formula (P2) and / or the formula (P3). In the case of having a skeleton containing the repeating unit of the formula (P2), H—Y 12 —Z 12 —Y 22 —H [Y 12 , Z 12 and Y 22 are symbols in the formula (P2). Means the same. A compound and / or a salt thereof], E-Z 22 -E [Z 22 has the same meaning as the symbols in the formula (P2). E represents F or Cl. A skeleton containing the repeating unit of the formula (P2) is obtained by adding the aromatic halide compound represented by the formula (P2). If having a skeleton comprising a repeating unit of the formula (P3), the symbols of the polymerization system further H-Y 13 -Z 13 -Y 23 -H [Y 13, Z 13 and Y 23 are in the formula (P3) Means the same. And a salt thereof, and EZ 23 -E [Z 23 has the same meaning as the symbol in formula (P3). E represents F or Cl. By adding the aromatic halide compound represented by the formula, a skeleton containing the repeating unit of the formula (P3) can be obtained.

本発明のイオン性基を有するポリマーの分子量は、重量平均分子量で10000以上が好ましく、20000以上がより好ましい。分子量が小さすぎると燃料への耐膨潤性が小さくなる傾向があり好ましくない。また分子量が大きすぎると溶媒への溶解性が小さくな
り好ましくないため、分子量は5000000以下が好ましく、2000000以下がより好ましく、1000000以下がさらに好ましい。
The molecular weight of the polymer having an ionic group of the present invention is preferably 10,000 or more, more preferably 20,000 or more in terms of weight average molecular weight. If the molecular weight is too small, the swelling resistance to fuel tends to decrease, which is not preferable. On the other hand, if the molecular weight is too large, the solubility in a solvent is decreased, which is not preferable. Therefore, the molecular weight is preferably 5000000 or less, more preferably 2000000 or less, and even more preferably 1000000 or less.

本発明のイオン性基を有するポリマーの重量平均分子量は、GPC(ゲル浸透クロマトグラフィー)により測定するものとする。具体的には、紫外検出器を備えるGPC装置及び内径6.0mm、長さ15cmのGPCカラムを2本用い、N−メチル−2−ピロリドン溶媒(臭化リチウムを10mmol/L含有するN−メチル−2−ピロリドン溶媒にて、流量0.2mL/minで測定し、標準ポリスチレン換算により重量平均分子量を求めるものとする。   The weight average molecular weight of the polymer having an ionic group of the present invention is measured by GPC (gel permeation chromatography). Specifically, using a GPC apparatus equipped with an ultraviolet detector and two GPC columns having an inner diameter of 6.0 mm and a length of 15 cm, an N-methyl-2-pyrrolidone solvent (N-methyl containing 10 mmol / L of lithium bromide) was used. It is measured with a flow rate of 0.2 mL / min in a -2-pyrrolidone solvent, and the weight average molecular weight is obtained by standard polystyrene conversion.

本発明のイオン性基を有するポリマーのイオン性基は少なくともスルホン酸基またはその塩からなるが、他のイオン性基と併用することも好ましい。他のイオン性基としては、負電荷を有する原子団が好ましく、プロトン交換能を有するものが好ましい。このような官能基としては、硫酸基( −OSO(OH) )、スルホンイミド基( −SONHSOR(Rは有機基を表す。) )、ホスホン酸基( −PO(OH) )、リン酸基( −OPO(OH))、カルボン酸基( −CO(OH) )、およびこれらの塩等を好ましく採用することができる。中でも、高プロトン伝導度の点からはスルホンイミド基が好ましく、化学安定性付与の点からはホスホン酸基が好ましい。 The ionic group of the polymer having an ionic group of the present invention comprises at least a sulfonic acid group or a salt thereof, but it is also preferable to use it in combination with another ionic group. The other ionic group is preferably a negatively charged atomic group, and preferably has proton exchange ability. As such a functional group, a sulfuric acid group (—OSO 2 (OH) 2 ), a sulfonimide group (—SO 2 NHSO 2 R (R represents an organic group)), a phosphonic acid group (—PO (OH) 2 ), Phosphoric acid groups (—OPO (OH) 2 ), carboxylic acid groups (—CO (OH) 2), and salts thereof can be preferably employed. Of these, a sulfonimide group is preferable from the viewpoint of high proton conductivity, and a phosphonic acid group is preferable from the viewpoint of imparting chemical stability.

本発明のイオン性基を有するポリマーの製造において、イオン性基を導入する方法は、イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法と、高分子反応でイオン性基を導入する方法が挙げられる。   In the production of the polymer having an ionic group of the present invention, examples of the method for introducing an ionic group include a method of polymerizing using a monomer having an ionic group and a method of introducing an ionic group by a polymer reaction. .

イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法としては、繰り返し単位中にイオン性基を有したモノマーを用いれば良く、必要により適当な保護基を導入して重合後脱保護基を行えばよい。かかる方法は例えばJournal of Membrane Science,197(2002) 231-242 に記載がある。この方法はポリマーのイオン交換容量の制御が容易であり、工業的にも適用が容易であることから、非常に好ましい。   As a method of polymerizing using a monomer having an ionic group, a monomer having an ionic group in a repeating unit may be used, and if necessary, an appropriate protecting group may be introduced to perform a deprotecting group after polymerization. . Such a method is described in, for example, Journal of Membrane Science, 197 (2002) 231-242. This method is very preferable because it is easy to control the ion exchange capacity of the polymer and is industrially applicable.

次に、高分子反応でイオン性基を導入する方法について例を挙げて説明すると、芳香族系高分子をスルホン化する方法、すなわちスルホン酸基を導入する方法としては、たとえば特開平2−16126号公報あるいは特開平2−208322号公報等に記載の方法が公知である。具体的には、例えば、芳香族系高分子をクロロホルム等の溶媒中でクロロスルホン酸のようなスルホン化剤と反応させたり、濃硫酸や発煙硫酸中で反応させたりすることによりスルホン化することができる。スルホン化剤には芳香族系高分子をスルホン化するものであれば特に制限はなく、上記以外にも三酸化硫黄等を使用することができる。この方法により芳香族系高分子をスルホン化する場合には、スルホン化の度合いはスルホン化剤の使用量、反応温度および反応時間により、容易に制御できる。芳香族系高分子へのスルホンイミド基の導入は、例えばスルホン酸基とスルホンアミド基を反応させる方法によって可能である。   Next, a method for introducing an ionic group by a polymer reaction will be described with reference to an example. As a method for sulfonating an aromatic polymer, that is, a method for introducing a sulfonic acid group, for example, JP-A-2-16126. The methods described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-208322 and the like are known. Specifically, for example, sulfonation by reacting an aromatic polymer with a sulfonating agent such as chlorosulfonic acid in a solvent such as chloroform or by reacting in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid. Can do. The sulfonating agent is not particularly limited as long as it sulfonates an aromatic polymer, and sulfur trioxide or the like can be used in addition to the above. When the aromatic polymer is sulfonated by this method, the degree of sulfonation can be easily controlled by the amount of the sulfonating agent used, the reaction temperature and the reaction time. Introduction of a sulfonimide group into an aromatic polymer can be achieved, for example, by a method of reacting a sulfonic acid group and a sulfonamide group.

本発明のイオン性基を有するポリマーのスルホン酸基の含有量は、イオン交換容量で示すことができる。本発明のイオン性基を有するポリマーにおけるイオン交換容量は、プロトン伝導性および耐膨潤性の点から0.01〜3.5meq/gであることが好ましく、さらに好ましくは、0.1〜2.5meq/gである。イオン交換容量が、0.01meq/gより低いと、伝導度が低いため出力性能が低下することがあり、3.0meq/gより高いと高分子電解質膜として使用する際に、十分な耐膨潤性および含水時の機械的強度が得られないことがあるため、それぞれ好ましくない。   The content of the sulfonic acid group of the polymer having an ionic group of the present invention can be represented by an ion exchange capacity. The ion exchange capacity of the polymer having an ionic group of the present invention is preferably from 0.01 to 3.5 meq / g, more preferably from 0.1 to 2.5 in terms of proton conductivity and swelling resistance. 5 meq / g. When the ion exchange capacity is lower than 0.01 meq / g, the output performance may be lowered due to low conductivity. When the ion exchange capacity is higher than 3.0 meq / g, sufficient swelling resistance is obtained when used as a polymer electrolyte membrane. And mechanical strength at the time of water content may not be obtained.

ここで、イオン交換容量とは、乾燥したイオン性基を有するポリマーの単位グラム当たりに導入されたスルホン酸基のモル量である。本発明においては、イオン交換容量は滴定により特定する。   Here, the ion exchange capacity is the molar amount of sulfonic acid groups introduced per unit gram of the polymer having a dry ionic group. In the present invention, the ion exchange capacity is specified by titration.

イオン性基がスルホン酸基の場合の滴定の手順は下記のとおりである。測定は3回以上行ってその平均をとるものとする。なおスルホン酸基以外のイオン性基についてもそれぞれ公知の滴定方法が適用できる。
(1) 試料をミルにより粉砕し、粒径を揃えるため、目50メッシュの網ふるいにかけ、ふるいを通過したものを測定試料とする。
(2) サンプル管(蓋付き)を精密天秤で秤量する。
(3) 前記(1)の試料 約0.1gをサンプル管に入れ、40℃で16時間、真空乾燥する。
(4) 試料入りのサンプル管を秤量し、試料の乾燥重量を求める。
(5) 塩化ナトリウムを30重量%メタノール水溶液に溶かし、飽和食塩溶液を調製する。
(6) 試料に前記(5)の飽和食塩溶液を25mL加え、24時間撹拌してイオン交換する。
(7) 生じた塩酸を0.02mol/L水酸化ナトリウム水溶液で滴定する。指示薬として市販の滴定用フェノールフタレイン溶液(0.1体積%)を2滴加え、薄い赤紫色になった点を終点とする。
(8) イオン交換容量は下記の式により求める。
The titration procedure when the ionic group is a sulfonic acid group is as follows. The measurement shall be performed three times or more and the average shall be taken. A known titration method can be applied to ionic groups other than sulfonic acid groups.
(1) The sample is pulverized by a mill, and in order to make the particle size uniform, the sample is passed through a 50-mesh mesh sieve and the sample passed through the sieve is used as the measurement sample.
(2) Weigh the sample tube (with lid) with a precision balance.
(3) About 0.1 g of the sample of (1) is put into a sample tube and vacuum dried at 40 ° C. for 16 hours.
(4) Weigh the sample tube with the sample and determine the dry weight of the sample.
(5) Dissolve sodium chloride in a 30 wt% aqueous methanol solution to prepare a saturated saline solution.
(6) Add 25 mL of the saturated salt solution of (5) above to the sample, and stir for 24 hours for ion exchange.
(7) Titrate the resulting hydrochloric acid with 0.02 mol / L aqueous sodium hydroxide. Two drops of a commercially available titration phenolphthalein solution (0.1% by volume) as an indicator are added, and the point at which light reddish purple is obtained is the end point.
(8) The ion exchange capacity is obtained by the following formula.

イオン交換容量(meq/g)=
〔水酸化ナトリウム水溶液の濃度(mmol/ml)×滴下量(ml)〕/試料の乾燥重量(g)
本発明のイオン性基を有するポリマーには、本発明の目的を阻害しない範囲において、他の成分、例えば導電性若しくはイオン伝導性を有さない不活性なポリマーや有機あるいは無機の化合物が含有されていても構わない。
Ion exchange capacity (meq / g) =
[Concentration of sodium hydroxide aqueous solution (mmol / ml) × Drip amount (ml)] / Dry weight of sample (g)
The polymer having an ionic group of the present invention contains other components, for example, an inactive polymer or an organic or inorganic compound that does not have conductivity or ionic conductivity, as long as the object of the present invention is not impaired. It does not matter.

本発明のイオン性基を有するポリマーは、高分子電解質材料または高分子電解質部品として電気化学用途に使用することが好ましい。高分子電解質部品としては高分子電解質膜および電極触媒層を挙げることができる。   The polymer having an ionic group of the present invention is preferably used for electrochemical applications as a polymer electrolyte material or a polymer electrolyte component. Examples of the polymer electrolyte component include a polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer.

本発明の高分子電解質材料を高分子電解質膜とする場合の製法を述べる。高分子電解質材料を膜へ転化する方法としては、高分子電解質材料を溶液、懸濁液あるいは乳濁液とし、該液を所望の膜厚となるようにコーティングしてから加熱により溶媒を除去することによって製膜する方法、すなわち溶媒キャスト法が挙げられる。   A production method when the polymer electrolyte material of the present invention is used as a polymer electrolyte membrane will be described. As a method of converting the polymer electrolyte material into a membrane, the polymer electrolyte material is made into a solution, suspension or emulsion, and the solution is coated to a desired film thickness, and then the solvent is removed by heating. The method of forming into a film by this, ie, the solvent cast method, is mentioned.

該液の固形分濃度は、好ましくは1〜50重量%、さらに好ましくは5〜30重量%、特に好ましくは10重量%前後である。   The solid concentration of the liquid is preferably 1 to 50% by weight, more preferably 5 to 30% by weight, and particularly preferably about 10% by weight.

コーティング法としては、スプレーコート、刷毛塗り、ディップコート、ダイコート、カーテンコート、フローコート、スピンコート、スクリーン印刷などの手法が適用できる。   As the coating method, methods such as spray coating, brush coating, dip coating, die coating, curtain coating, flow coating, spin coating, and screen printing can be applied.

製膜に用いる溶媒としては、高分子電解質材料を溶解し、その後に除去し得るものであればよく、例えば、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒、γ−ブチロラクトン、酢酸ブチルなどのエステル系溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、あるいはイソプロパノールなどのアルコール系溶媒、水およびこれらの混合物が好適に用いられるが、非プロトン性極性溶媒が最も溶解性が高く好ましい。   The solvent used for film formation is not particularly limited as long as the polymer electrolyte material can be dissolved and then removed. For example, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone , Dimethyl sulfoxide, sulfolane, aprotic polar solvents such as 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone and hexamethylphosphontriamide, ester solvents such as γ-butyrolactone and butyl acetate, carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate Solvent, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, alkylene glycol monoalkyl ether such as propylene glycol monoethyl ether, or isopropanol Alcohol solvents, water and mixtures thereof is preferably used, is preferred for high highest solubility aprotic polar solvent.

次いで、得られた高分子電解質膜はイオン性基の少なくとも一部を金属塩の状態にしてから熱処理することが好ましい。金属塩の金属はスルホン酸と塩を形成しうるものであればよいが、価格および環境負荷の点からはLi、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Mo、Wなどが好ましく、これらの中でもLi、Na、K、Ca、Sr、Baがより好ましく、Li、Na、Kがさらに好ましい。この熱処理の温度は好ましくは150〜550℃、さらに好ましくは160〜400℃、特に好ましくは180〜350℃である。熱処理時間は、好ましくは10秒〜12時間、さらに好ましくは30秒〜6時間、特に好ましくは1時間前後である。熱処理温度が低すぎると、燃料透過性の抑制効果が不足する。一方、高すぎると膜材料の劣化を生じやすくなる。熱処理時間が10秒未満であると燃料透過性の抑制効果が不足する。一方、12時間を超えると膜材料の劣化を生じやすくなる。熱処理により得られた高分子電解質膜は必要に応じて酸性水溶液に浸漬することにより、プロトン置換することができる。この方法で成形することによって本発明の高分子電解質膜はプロトン伝導度と燃料遮断性をより良好なバランスで両立することが可能となる。   Next, the obtained polymer electrolyte membrane is preferably heat-treated after at least a part of the ionic groups is in a metal salt state. The metal of the metal salt may be any metal that can form a salt with sulfonic acid, but from the viewpoint of cost and environmental load, Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Mo, W, and the like are preferable. Among these, Li, Na, K, Ca, Sr, and Ba are more preferable, and Li, Na, and K are more preferable. The temperature of this heat treatment is preferably 150 to 550 ° C, more preferably 160 to 400 ° C, and particularly preferably 180 to 350 ° C. The heat treatment time is preferably 10 seconds to 12 hours, more preferably 30 seconds to 6 hours, and particularly preferably around 1 hour. If the heat treatment temperature is too low, the effect of suppressing fuel permeability is insufficient. On the other hand, if it is too high, the film material tends to deteriorate. If the heat treatment time is less than 10 seconds, the effect of suppressing fuel permeability is insufficient. On the other hand, when it exceeds 12 hours, the film material tends to deteriorate. The polymer electrolyte membrane obtained by the heat treatment can be proton-substituted by being immersed in an acidic aqueous solution as necessary. By molding by this method, the polymer electrolyte membrane of the present invention can achieve both a good balance between proton conductivity and fuel cutoff.

本発明の高分子電解質膜は、さらに必要に応じて放射線照射などの手段によって高分子構造を架橋せしめることもできる。かかる高分子電解質膜を架橋せしめることにより、燃料クロスオーバーおよび燃料に対する膨潤をさらに抑制する効果が期待でき、機械的強度が向上し、より好ましくなる場合がある。かかる放射線照射の種類としては例えば、電子線照射やγ線照射を挙げることができる。   In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the polymer structure can be further cross-linked by means such as radiation irradiation as necessary. By crosslinking such a polymer electrolyte membrane, an effect of further suppressing fuel crossover and swelling with respect to the fuel can be expected, and the mechanical strength may be improved, which may be more preferable. Examples of such radiation irradiation include electron beam irradiation and γ-ray irradiation.

本発明の高分子電解質膜の膜厚としては、好ましくは1〜2000μmのものが好適に使用される。実用に耐える膜の強度を得るには1μmより厚い方がより好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能の向上のためには2000μmより薄い方が好ましい。かかる膜厚のさらに好ましい範囲は3〜500μm、特に好ましい範囲は5〜250μmである。かかる膜厚は、溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御することができる。   The film thickness of the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably 1 to 2000 μm. A thickness of more than 1 μm is more preferable for obtaining the strength of a film that can withstand practical use, and a thickness of less than 2000 μm is preferable for reducing the film resistance, that is, improving the power generation performance. A more preferable range of the film thickness is 3 to 500 μm, and a particularly preferable range is 5 to 250 μm. The film thickness can be controlled by the solution concentration or the coating thickness on the substrate.

また、本発明の高分子電解質材料には、通常の高分子化合物に使用される可塑剤、安定剤あるいは離型剤等の添加剤を、本発明の目的に反しない範囲内で添加することができる。   In addition, an additive such as a plasticizer, a stabilizer, or a mold release agent used for a general polymer compound may be added to the polymer electrolyte material of the present invention within a range not contrary to the object of the present invention. it can.

また、本発明の高分子電解質材料には、前述の諸特性に悪影響をおよぼさない範囲内で、機械的強度、熱安定性、加工性などの向上を目的に、各種ポリマー、エラストマー、フィラー、微粒子、各種添加剤などを含有させてもよい。   In addition, the polymer electrolyte material of the present invention includes various polymers, elastomers, fillers for the purpose of improving mechanical strength, thermal stability, workability, and the like within a range that does not adversely affect the above-described properties. , Fine particles, various additives, and the like may be contained.

本発明の高分子電解質膜は、単位面積当たりのプロトン伝導度が1S・cm−2以上であることが好ましく、2S・cm−2以上がより好ましい。プロトン伝導度は、25℃の純水に高分子電解質膜を24時間浸漬した後、25℃、相対湿度50〜80%の雰囲気中に取り出し、できるだけ素早く行う定電位交流インピーダンス法により測定することができる。 The polymer electrolyte membrane of the present invention preferably has proton conductivity per unit area is 1S · cm -2 or more, 2S · cm -2 or more is more preferable. Proton conductivity can be measured by the constant potential alternating current impedance method, which is performed as quickly as possible after immersing the polymer electrolyte membrane in pure water at 25 ° C. for 24 hours, taking it out in an atmosphere of 25 ° C. and 50% to 80% relative humidity. it can.

単位面積当たりのプロトン伝導度を1S・cm−2以上とすることにより、燃料電池用高分子電解質膜として使用する際に、十分なプロトン伝導性、すなわち十分な電池出力を得ることができる。プロトン伝導度は高い方が好ましいが、高プロトン伝導度の膜はメタノール水などの燃料により溶解や崩壊しやすくなり、また燃料透過量も大きくなる傾向があるので、現実的な上限は50S・cm−2である。 By setting the proton conductivity per unit area to 1 S · cm −2 or more, when used as a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, sufficient proton conductivity, that is, sufficient battery output can be obtained. Higher proton conductivity is preferable, but a membrane with high proton conductivity is likely to be dissolved or disintegrated by a fuel such as methanol water, and the fuel permeation amount tends to increase, so a practical upper limit is 50 S · cm. -2 .

さらに、本発明の高分子電解質膜は、低加湿下において高いプロトン伝導度を示すことが好ましい。これは例えば自動車用燃料電池において低加湿下での運転が求められるためである。具体的には本発明の高分子電解質膜は、70℃、相対湿度30%において、単位面積当たりのプロトン伝導度が0.05S・cm−2以上であることが好ましく、0.1S・cm−2以上がより好ましい。低加湿下におけるプロトン伝導度は、25℃の純水に高分子電解質膜を24時間浸漬した後、70℃、相対湿度30%の恒温恒湿槽中に10時間以上放置した後、該恒温恒湿槽中で行う定電位交流インピーダンス法により測定することができる。 Furthermore, the polymer electrolyte membrane of the present invention preferably exhibits high proton conductivity under low humidification. This is because, for example, an automobile fuel cell is required to operate under low humidification. The polymer electrolyte membrane of the present invention specifically, 70 ° C., at a relative humidity of 30%, preferably proton conductivity per unit area is 0.05 S · cm -2 or more, 0.1 S · cm - Two or more are more preferable. The proton conductivity under low humidification is determined by immersing the polymer electrolyte membrane in pure water at 25 ° C. for 24 hours, leaving it in a constant temperature and humidity chamber at 70 ° C. and 30% relative humidity for 10 hours or more, and It can be measured by a constant potential AC impedance method performed in a wet tank.

70℃、相対湿度30%における単位面積当たりのプロトン伝導度を0.05S・cm−2以上とすることにより自動車用燃料電池用の高分子電解質膜として使用しうるプロトン伝導性、すなわち必要な電池出力を得ることができる。プロトン伝導度は高い方が好ましいが、高プロトン伝導度の高分子電解質膜は水による膨潤が大きくなる傾向があり好ましくないので、70℃、相対湿度30%における単位面積当たりのプロトン伝導度の現実的な上限は50S・cm−2である。 Proton conductivity per unit area at 70 ° C. and 30% relative humidity is 0.05 S · cm −2 or more, which can be used as a polymer electrolyte membrane for an automobile fuel cell, that is, a necessary battery. Output can be obtained. Higher proton conductivity is preferred, but polymer electrolyte membranes with high proton conductivity tend to be swollen by water and are not preferred. Therefore, the actual proton conductivity per unit area at 70 ° C. and 30% relative humidity is undesirable. A typical upper limit is 50 S · cm −2 .

さらに、本発明の高分子電解質膜は、水による膨潤率が、1.2以下が好ましく、1.1以下がより好ましく、1.07以下がさらに好ましい。水による膨潤率は下記(数式1)で定義される。なお、サンプルの電解質膜は約2mm×約10mmの短冊状のものを使用し、長さとしては長手方向のサイズをノギスで測定する。

水による膨潤率=L2/L1 (数式1)

[(数式1)中、L1は20℃、相対湿度30%雰囲気に24時間放置した後の高分子電解質膜の長さを表す。L2は、L1を測定後、20℃、純水中に24時間放置した後の高分子電解質膜の長さを表す。]
本発明の高分子電解質膜は、20℃における、30重量%メタノール水溶液に対する単位面積当たりのメタノール透過量が40μmol・min−1・cm−2以下であることが好ましく、20μmol・min−1・cm−2以下であることがさらに好ましい。該高分子電解質膜を用いた直接型燃料電池において、燃料濃度が高い領域において高出力および高エネルギー容量が得られるという観点から、高い燃料濃度を保持すべく、燃料透過量が小さいことが望まれるからである。メタノール透過量は、25℃の純水に高分子電解質膜を24時間浸漬した後で測定する。
Furthermore, in the polymer electrolyte membrane of the present invention, the swelling ratio with water is preferably 1.2 or less, more preferably 1.1 or less, and even more preferably 1.07 or less. The swelling ratio with water is defined by the following (Formula 1). The sample electrolyte membrane is a strip of about 2 mm × about 10 mm, and the length is measured with a caliper for the length in the longitudinal direction.

Swelling ratio by water = L2 / L1 (Formula 1)

[In (Formula 1), L1 represents the length of the polymer electrolyte membrane after being left in an atmosphere of 20 ° C. and 30% relative humidity for 24 hours. L2 represents the length of the polymer electrolyte membrane after standing in pure water for 24 hours after measuring L1. ]
In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the methanol permeation amount per unit area with respect to a 30 wt% methanol aqueous solution at 20 ° C. is preferably 40 μmol · min −1 · cm −2 or less, and 20 μmol · min −1 · cm. -2 or less is more preferable. In the direct fuel cell using the polymer electrolyte membrane, it is desired that the fuel permeation amount is small in order to maintain a high fuel concentration from the viewpoint of obtaining a high output and a high energy capacity in a region where the fuel concentration is high. Because. The amount of methanol permeated is measured after the polymer electrolyte membrane is immersed in pure water at 25 ° C. for 24 hours.

かかる観点からは、0μmol・min−1・cm−2が最も好ましいが、プロトン伝導性を確保する観点からは0.01μmol・min−1・cm−2以上が好ましい。 From this viewpoint, 0 μmol · min −1 · cm −2 is most preferable, but from the viewpoint of ensuring proton conductivity, 0.01 μmol · min −1 · cm −2 or more is preferable.

本発明の高分子電解質膜は、プロトン伝導性、特に低加湿条件下でのプロトン伝導性と、耐膨潤性を同時に達成することが好ましく、その達成が可能であるところに本発明の高分子電解質膜の特長がある。   The polymer electrolyte membrane of the present invention preferably achieves proton conductivity, particularly proton conductivity under low humidification conditions, and swelling resistance at the same time. There is a feature of the film.

本発明の膜電極複合体(MEA)は、本発明の高分子電解質材料を用いて構成されるものである。かかる膜電極複合体は、本発明の高分子電解質材料を用いて構成される高分子電解質部品からなる。かかる高分子電解質部品としては、高分子電解質膜および/または電極触媒層が挙げられる。   The membrane electrode assembly (MEA) of the present invention is constituted using the polymer electrolyte material of the present invention. Such a membrane electrode assembly is composed of a polymer electrolyte component constituted by using the polymer electrolyte material of the present invention. Examples of such a polymer electrolyte component include a polymer electrolyte membrane and / or an electrode catalyst layer.

電極触媒層は、電極反応を促進する電極触媒、電子伝導体、イオン伝導体などを含む層である。かかる電極触媒層に含まれる電極触媒としては、例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金などの貴金属触媒が好ましく用いられる。これらの内の1種類を単独で用いてもよいし、合金、混合物など、2種類以上を併用してもよい。

かかる電極触媒層に含まれる電子伝導体(導電材)としては、電子伝導性や化学的な安定性の点から炭素材料、無機導電材料が好ましく用いられる。なかでも、非晶質、結晶質の炭素材料が挙げられる。例えば、チャネルブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが電子伝導性と比表面積の大きさから好ましく用いられる。ファーネスブラックとしては、キャボット社製“バルカンXC−72”(R)、“バルカンP”(R)、“ブラックパールズ880”(R)、“ブラックパールズ1100”(R)、“ブラックパールズ1300”(R)、“ブラックパールズ2000”(R)、“リーガル400”(R)、ケッチェンブラック・インターナショナル社製“ケッチェンブラック”(R)EC、EC600JD、三菱化学社製#3150、#3250などが挙げられ、アセチレンブラックとしては電気化学工業社製“デンカブラック”(R)などが挙げられる。
The electrode catalyst layer is a layer containing an electrode catalyst that promotes an electrode reaction, an electron conductor, an ion conductor, and the like. As the electrode catalyst contained in the electrode catalyst layer, for example, a noble metal catalyst such as platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, gold is preferably used. One of these may be used alone, or two or more of them, such as alloys and mixtures, may be used in combination.

As the electron conductor (conductive material) contained in the electrode catalyst layer, a carbon material or an inorganic conductive material is preferably used from the viewpoint of electronic conductivity and chemical stability. Among these, amorphous and crystalline carbon materials are mentioned. For example, carbon black such as channel black, thermal black, furnace black, and acetylene black is preferably used because of its electronic conductivity and specific surface area. Furnace Black includes "Vulcan XC-72" (R), "Vulcan P" (R), "Black Pearls 880" (R), "Black Pearls 1100" (R), "Black Pearls 1300" ( R), “Black Pearls 2000” (R), “Legal 400” (R), “Ketjen Black” (R) EC, EC600JD, Mitsubishi Chemical Corporation # 3150, # 3250, etc. Examples of acetylene black include “DENKA BLACK” (R) manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.

また、カーボンブラックのほか、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素なども使用することができる。これらの炭素材料の形態としては、不定形粒子状のほか繊維状、鱗片状、チューブ状、円錐状、メガホン状のものも用いることができる。また、これら炭素材料を後処理加工したものを用いてもよい。   In addition to carbon black, artificial graphite or carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, furan resin, and the like can also be used. As the form of these carbon materials, in addition to irregular particles, fibers, scales, tubes, cones, and megaphones can also be used. Moreover, you may use what post-processed these carbon materials.

また、かかる電子伝導体は、触媒粒子と均一に分散していることが電極性能の点で好ましい。このため、触媒粒子と電子伝導体は予め塗液として、よく分散させておくことが好ましい。   Moreover, it is preferable in terms of electrode performance that the electron conductor is uniformly dispersed with the catalyst particles. For this reason, it is preferable that the catalyst particles and the electron conductor are well dispersed in advance as a coating liquid.

さらに、かかる電極触媒層として、触媒と電子伝導体とが一体化した触媒担持カーボン等を用いることも好ましい実施態様である。この触媒担持カーボンを用いることにより、触媒の利用効率が向上し、電池性能の向上および低コスト化に寄与できる。ここで、電極触媒層に触媒担持カーボンを用いた場合においても、電子伝導性をさらに高めるために導電剤を添加することも可能である。このような導電剤としては、上述のカーボンブラックが好ましく用いられる。   Furthermore, it is also a preferred embodiment that catalyst-supporting carbon in which the catalyst and the electron conductor are integrated is used as the electrode catalyst layer. By using this catalyst-supporting carbon, the utilization efficiency of the catalyst is improved, which can contribute to the improvement of battery performance and cost reduction. Here, even when catalyst-supported carbon is used for the electrode catalyst layer, a conductive agent can be added to further increase the electron conductivity. As such a conductive agent, the above-described carbon black is preferably used.

かかる電極触媒層に用いられるイオン伝導性を有する物質(イオン伝導体)としては、一般的に、種々の有機、無機材料が公知であるが、燃料電池に用いる場合には、イオン伝導性を向上するスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などのイオン性基を有するポリマー(イオン伝導性ポリマー)が好ましく用いられる。なかでも、イオン性基の安定性の観点から、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成されるイオン伝導性を有するポリマー、あるいは本発明のイオン性基を有するポリマーが好ましく用いられる。パーフルオロ系イオン伝導性ポリマーとしては、例えばデュポン社製の“ナフィオン”(R)、旭化成社製の“Aciplex”(R)、旭硝子社製“フレミオン”(R)などが好ましく用いられる。これらのイオン伝導性ポリマーは、溶液または分散液の状態で電極触媒層中に設ける。この際に、ポリマを溶解あるいは分散化する溶媒は特に限定されるものではないが、イオン伝導性ポリマーの溶解性の点から極性溶媒が好ましい。   In general, various organic and inorganic materials are known as substances having ion conductivity (ion conductor) used in such an electrode catalyst layer. However, when used in a fuel cell, the ion conductivity is improved. A polymer having an ionic group such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, or a phosphoric acid group (ion conductive polymer) is preferably used. Among these, from the viewpoint of stability of the ionic group, a polymer having ionic conductivity composed of a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain, or a polymer having the ionic group of the present invention is preferably used. As the perfluoro-based ion conductive polymer, for example, “Nafion” (R) manufactured by DuPont, “Aciplex” (R) manufactured by Asahi Kasei Corporation, “Flemion” (R) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. and the like are preferably used. These ion conductive polymers are provided in the electrode catalyst layer in the state of a solution or a dispersion. At this time, the solvent for dissolving or dispersing the polymer is not particularly limited, but a polar solvent is preferable from the viewpoint of the solubility of the ion conductive polymer.

前記、触媒と電子伝導体類は通常粉体であるので、イオン伝導体はこれらを固める役割を担うことが通常である。イオン伝導体は、電極触媒層を作製する際に電極触媒粒子と電子伝導体とを主たる構成物質とする塗液に予め添加し、均一に分散した状態で塗布することが電極性能の点から好ましいものであるが、電極触媒層を塗布した後にイオン伝導体を塗布してもよい。ここで、電極触媒層にイオン伝導体を塗布する方法としては、スプレーコート、刷毛塗り、ディップコート、ダイコート、カーテンコート、フローコートなどが挙げられ、特に限定されるものではない。電極触媒層に含まれるイオン伝導体の量としては、要求される電極特性や用いられるイオン伝導体の伝導度などに応じて適宜決められるべきものであり、特に限定されるものではないが、重量比で1〜80%の範囲が好ましく、5〜50%の範囲がさらに好ましい。イオン伝導体は、少な過ぎる場合はイオン伝導度が低く、多過ぎる場合はガス透過性を阻害する点で、いずれも電極性能を低下させることがある。   Since the catalyst and the electronic conductors are usually powders, the ionic conductor usually plays a role of solidifying them. It is preferable from the viewpoint of electrode performance that the ionic conductor is added in advance to a coating liquid mainly composed of electrode catalyst particles and an electron conductor when the electrode catalyst layer is produced, and is applied in a uniformly dispersed state. However, the ion conductor may be applied after the electrode catalyst layer is applied. Here, examples of the method for applying the ion conductor to the electrode catalyst layer include spray coating, brush coating, dip coating, die coating, curtain coating, and flow coating, and are not particularly limited. The amount of the ion conductor contained in the electrode catalyst layer should be appropriately determined according to the required electrode characteristics and the conductivity of the ion conductor used, and is not particularly limited. The range of 1 to 80% is preferable, and the range of 5 to 50% is more preferable. When the ion conductor is too small, the ion conductivity is low, and when it is too much, the gas permeability may be hindered.

かかる電極触媒層には、上記の触媒、電子伝導体、イオン伝導体の他に種々の物質を含んでいてもよい。特に、該電極触媒層中に含まれる物質の結着性を高めるために、上述のイオン伝導性ポリマー以外のポリマーを含んでもよい。このようなポリマーとしては例えば、ポリフッ化ビニル(PVF)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン(FEP)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリパーフルオロアルキルビニルエーテル(PFA)などのフッ素原子を含むポリマー、これらの共重合体、これらのポリマーを構成するモノマー単位とエチレンやスチレンなどの他のモノマーとの共重合体、あるいは、ブレンドポリマーなどを用いることができる。これらポリマーの電極触媒層中の含有量としては、重量比で5〜40%の範囲が好ましい。ポリマー含有量が多すぎる場合、電子およびイオン抵抗が増大し電極性能が低下する傾向がある。   Such an electrode catalyst layer may contain various substances in addition to the catalyst, the electronic conductor, and the ionic conductor. In particular, in order to improve the binding property of the substance contained in the electrode catalyst layer, a polymer other than the ion conductive polymer described above may be included. Examples of such a polymer include fluorine atoms such as polyvinyl fluoride (PVF), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene (FEP), polytetrafluoroethylene, and polyperfluoroalkyl vinyl ether (PFA). These copolymers, copolymers of monomer units constituting these polymers and other monomers such as ethylene and styrene, or blend polymers can be used. The content of these polymers in the electrode catalyst layer is preferably in the range of 5 to 40% by weight. When there is too much polymer content, there exists a tendency for an electronic and ionic resistance to increase and for electrode performance to fall.

また、電極触媒層は、燃料が液体や気体の場合には、その液体や気体が透過しやすい構造を有していることが好ましく、電極反応に伴う副生成物質の排出も促す構造が好ましい。

膜電極複合体(MEA)には電極基材を使用することができる。電極基材としては、電気抵抗が低く、集電あるいは給電を行えるものを用いることができる。また、前記電極触媒層を集電体兼用で使用する場合は、特に電極基材を用いなくてもよい。電極基材の構成材としては、たとえば、炭素質、導電性無機物質が挙げられ、例えば、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛などの炭素材、ステンレススチール、モリブデン、チタンなどが例示される。これらの、形態は特に限定されず、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、燃料透過性の点から炭素繊維などの繊維状導電性物質(導電性繊維)が好ましい。導電性繊維を用いた電極基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造も使用可能である。たとえば、東レ(株)製カーボンペーパーTGPシリーズ、SOシリーズ、E-TEK社製カーボンクロスなどが用いられる。織布としては、平織、斜文織、朱子織、紋織、綴織など、特に限定されること無く用いられる。また、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、スパンボンド法、ウォータージェットパンチ法、メルトブロー法によるものなど特に限定されること無く用いられる。また編物であってもよい。これらの布帛において、特に炭素繊維を用いた場合、耐炎化紡績糸を用いた平織物を炭化あるいは黒鉛化した織布、耐炎化糸をニードルパンチ法やウォータージェットパンチ法などによる不織布加工した後に炭化あるいは黒鉛化した不織布、耐炎化糸あるいは炭化糸あるいは黒鉛化糸を用いた抄紙法によるマット不織布などが好ましく用いられる。特に、薄く強度のある布帛が得られる点から不織布を用いるのが好ましい。
In addition, when the fuel is a liquid or gas, the electrode catalyst layer preferably has a structure through which the liquid or gas easily permeates, and preferably has a structure that promotes the discharge of by-products due to the electrode reaction.

An electrode substrate can be used for the membrane electrode assembly (MEA). As the electrode base material, one having a low electric resistance and capable of collecting or feeding power can be used. Moreover, when using the said electrode catalyst layer also as a collector, it is not necessary to use an electrode base material in particular. Examples of the constituent material of the electrode base material include carbonaceous and conductive inorganic substances. For example, a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, a carbon material such as graphite and expanded graphite, stainless steel, molybdenum And titanium. These forms are not particularly limited, and are used, for example, in the form of fibers or particles. From the viewpoint of fuel permeability, fibrous conductive materials (conductive fibers) such as carbon fibers are preferable. As an electrode base material using conductive fibers, either a woven fabric or a non-woven fabric structure can be used. For example, carbon paper TGP series, SO series manufactured by Toray Industries, Inc., carbon cloth manufactured by E-TEK, etc. are used. As the woven fabric, a plain weave, a twill weave, a satin weave, a crest weave, a binding weave and the like are used without particular limitation. Moreover, as a nonwoven fabric, it does not specifically limit, such as a paper making method, a needle punch method, a spun bond method, a water jet punch method, and a melt blow method. It may also be a knitted fabric. In particular, when carbon fibers are used in these fabrics, carbonized plain fabric using flame-resistant spun yarn is carbonized or graphitized, and flame-resistant yarn is carbonized after being processed into a nonwoven fabric by the needle punch method or water jet punch method. Alternatively, a graphitized nonwoven fabric, a flameproof yarn, a carbonized yarn, or a mat nonwoven fabric by a paper making method using a graphitized yarn is preferably used. In particular, it is preferable to use a non-woven fabric because a thin and strong fabric can be obtained.

電極基材に炭素繊維からなる導電性繊維を用いた場合、炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などが挙げられる。   When conductive fibers made of carbon fibers are used for the electrode substrate, examples of the carbon fibers include polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fibers, phenol-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, and rayon-based carbon fibers.

また、電極基材には、水の滞留によるガス拡散・透過性の低下を防ぐための撥水処理や、水の排出路を形成するための部分的撥水、親水処理や、抵抗を下げるための炭素粉末の添加等を行うこともできる。   In addition, the electrode base material has a water repellent treatment for preventing gas diffusion / permeability deterioration due to water retention, a partial water repellent treatment for forming a water discharge path, a hydrophilic treatment, and a resistance reduction. The addition of carbon powder can also be performed.

本発明の高分子電解質型燃料電池においては、電極基材と電極触媒層の間に、少なくとも無機導電性物質と疎水性ポリマを含む導電性中間層を設けることが好ましい。特に、電極基材が空隙率の大きい炭素繊維織物や不織布である場合、導電性中間層を設けることで、電極触媒層が電極基材にしみ込むことによる性能低下を抑えることができる。   In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, it is preferable to provide a conductive intermediate layer containing at least an inorganic conductive substance and a hydrophobic polymer between the electrode substrate and the electrode catalyst layer. In particular, when the electrode base material is a carbon fiber woven fabric or a nonwoven fabric having a large porosity, by providing the conductive intermediate layer, it is possible to suppress performance degradation due to the electrode catalyst layer permeating into the electrode base material.

高分子電解質膜および、電極触媒層あるいは電極触媒層と電極基材を用いて膜電極複合体(MEA)を作製する方法は特に限定されるものではない。公知の方法(例えば、「電気化学」1985, 53, p.269.記載の化学メッキ法、「ジャーナル オブ エレクトロケミカル ソサイアティ」(J. Electrochem. Soc.), エレクトロケミカル サイエンス アンド テクノロジー(Electrochemical Science and Technology), 1988, 135(9), p.2209. 記載のガス拡散電極の熱プレス接合法など)を適用することが可能である。熱プレスにより一体化することは好ましい方法であるが、その温度や圧力は、高分子電解質膜の厚さ、水分率、電極触媒層や電極基材により適宜選択すればよい。また、高分子電解質膜が含水した状態でプレスしてもよいし、イオン伝導性を有するポリマーで接着してもよい。   The method of producing a membrane electrode assembly (MEA) using a polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer or an electrode catalyst layer and an electrode substrate is not particularly limited. Known methods (for example, the chemical plating method described in “Electrochemistry” 1985, 53, p. 269., “Journal of Electrochemical Society” (J. Electrochem. Soc.), Electrochemical Science and Technology (Electrochemical Science and Technology) , 1988, 135 (9), p.2209. Can be applied. Although integration by hot pressing is a preferred method, the temperature and pressure may be appropriately selected depending on the thickness of the polymer electrolyte membrane, the moisture content, the electrode catalyst layer, and the electrode substrate. Alternatively, the polymer electrolyte membrane may be pressed in a water-containing state, or may be bonded with a polymer having ion conductivity.

本発明の高分子電解質型燃料電池の燃料としては、水素およびメタン、エタン、プロパン、ブタン、メタノール、イソプロピルアルコール、アセトン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ギ酸、酢酸、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ハイドロキノン、シクロヘキサン、アスコルビン酸などの有機化合物が挙げられる。液体燃料を直接供給する直接型燃料電池の燃料としては、特に発電効率や電池全体のシステム簡素化の観点から、上記の中でも炭素数1〜6の有機化合物およびこれらと水との混合物等が好ましく、1種または2種以上の混合物でもよい。発電効率の点でとりわけ好ましいのはメタノールまたはメタノール水溶液である。   Examples of the fuel for the polymer electrolyte fuel cell of the present invention include hydrogen, methane, ethane, propane, butane, methanol, isopropyl alcohol, acetone, ethylene glycol, diethylene glycol, formic acid, acetic acid, dimethyl ether, diethyl ether, diisopropyl ether, hydroquinone, Examples include organic compounds such as cyclohexane and ascorbic acid. As the fuel of the direct fuel cell that directly supplies liquid fuel, in particular, from the viewpoint of power generation efficiency and simplification of the entire cell system, among these, organic compounds having 1 to 6 carbon atoms and mixtures of these with water are preferable. One kind or a mixture of two or more kinds may be used. Particularly preferred from the viewpoint of power generation efficiency is methanol or an aqueous methanol solution.

かかる膜電極複合体に供給される燃料中の炭素数1〜6のアルキル基またはアルキレン基を有する有機化合物の含有量は20〜70重量%が好ましい。かかる含有量が、20重量%未満では、実用的な高いエネルギー容量を得ることができにくく、70重量%を超えると、発電効率と出力のバランスが崩れやすく、高発電効率と高出力を同時に満足する実用的なものを得ることができにくい。   The content of the organic compound having an alkyl group or alkylene group having 1 to 6 carbon atoms in the fuel supplied to the membrane electrode assembly is preferably 20 to 70% by weight. When the content is less than 20% by weight, it is difficult to obtain a practical high energy capacity. When the content exceeds 70% by weight, the balance between power generation efficiency and output tends to be lost, and high power generation efficiency and high output are satisfied at the same time. It is difficult to get practical things to do.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

[測定方法]
実施例で採用する測定方法を以下に説明する。
[Measuring method]
The measurement method employed in the examples will be described below.

(1)重量平均分子量
ポリマーの重量平均分子量をGPCにより測定した。紫外検出器と示差屈折計の一体型装置として東ソー製HLC−8022GPCを、またGPCカラムとして東ソー製TSK gel SuperHM−H(内径6.0mm、長さ15cm)2本を用い、N−メチル−2−ピロリドン溶媒(臭化リチウムを10mmol/L含有するN−メチル−2−ピロリドン溶媒にて、流量0.2mL/minで測定し、標準ポリスチレン換算により重量平均分子量を求めた。
(1) Weight average molecular weight The weight average molecular weight of the polymer was measured by GPC. Tosoh's HLC-8022GPC is used as an integrated device of an ultraviolet detector and a differential refractometer, and Tosoh's TSK gel SuperHM-H (inner diameter 6.0 mm, length 15 cm) is used as the GPC column. N-methyl-2 -Pyrrolidone solvent (Measured with a N-methyl-2-pyrrolidone solvent containing 10 mmol / L of lithium bromide at a flow rate of 0.2 mL / min, and the weight average molecular weight was determined in terms of standard polystyrene.

(2)膜厚
接触式膜厚計にて測定した。
(2) Film thickness It measured with the contact-type film thickness meter.

(3)プロトン伝導度
膜状の試料を25℃の純水に24時間浸漬した後、25℃、相対湿度50〜80%の雰囲気中に取り出し、できるだけ素早く定電位交流インピーダンス法でプロトン伝導度を測定した。
(3) Proton conductivity After immersing the membrane-like sample in pure water at 25 ° C. for 24 hours, take it out in an atmosphere of 25 ° C. and relative humidity 50 to 80%, and determine proton conductivity by the constant potential AC impedance method as quickly as possible. It was measured.

測定装置としては、北斗電工製電気化学測定システムHAG5010(HZ−3000 50V 10A Power Unit, HZ−3000 Automatic Polarization System)およびエヌエフ回路設計ブロック製周波数特性分析器(Frequency Response Analyzer)5010を使用し、25℃において、2端子法で定電位インピーダンス測定を行い、Nykist図からプロトン伝導度を求めた。交流振幅は、500mVとした。サンプルは幅10mm程度、長さ10〜30mm程度の膜を用いた。電極として、直径100μmの白金線(2本)を使用した。電極はサンプル膜の表側と裏側に、互いに平行にかつサンプル膜の長手方向に対して直交するように配置した。プロトン伝導度は、単位面積当たりのもので表した。   As the measuring apparatus, Hokuto Denko's electrochemical measurement system HAG5010 (HZ-3000 50V 10A Power Unit, HZ-3000 Automatic Polarization System) and NF circuit design block frequency characteristic analyzer (Frequency Response Analyzer) 5010 are used. The constant potential impedance was measured at 2 ° C. by the two-terminal method, and the proton conductivity was determined from the Nykist diagram. The AC amplitude was 500 mV. As the sample, a membrane having a width of about 10 mm and a length of about 10 to 30 mm was used. As electrodes, platinum wires (two wires) having a diameter of 100 μm were used. The electrodes were arranged on the front side and the back side of the sample film so as to be parallel to each other and perpendicular to the longitudinal direction of the sample film. Proton conductivity was expressed in terms of unit area.

(4)低加湿下におけるプロトン伝導度
25℃の純水に高分子電解質膜を24時間浸漬した後、70℃、相対湿度30%の恒温恒湿槽中に10時間以上放置した後、該恒温恒湿槽中で行う定電位交流インピーダンス法によって測定した。測定装置および測定手順は前記(3)と同様に行った。
(4) Proton conductivity under low humidification After immersing the polymer electrolyte membrane in pure water at 25 ° C. for 24 hours, the polymer electrolyte membrane was left in a constant temperature and humidity chamber at 70 ° C. and a relative humidity of 30% for 10 hours or more. It measured by the constant potential alternating current impedance method performed in a constant humidity tank. The measuring apparatus and measuring procedure were the same as in (3) above.

(5)水による膨潤率
電解質膜は約2mm×約10mmの短冊状のものを使用した。長さとしては長手方向のサイズをノギスで測定した。数式(1)にしたがって水による膨潤率を求めた。

水による膨潤率=L2/L1 (数式1)

[(数式1)中、L1は20℃、相対湿度30%雰囲気に24時間放置した後の高分子電解質膜の長さを表す。L2は、L1を測定後、20℃、純水中に24時間放置した後の高分子電解質膜の長さを表す。]
(6)膜電極複合体および高分子電解質型燃料電池の評価
膜電極複合体(MEA)をエレクトロケム社製セルにセットし、アノード側に水素ガス、カソード側に空気を流してMEA評価を行った。評価はMEAに定電流を流し、その時の電圧を測定した。電流を順次増加させ電圧が10mV以下になるまで測定を行った。各測定点での電流と電圧の積が出力となるが、その最大値(MEAの単位面積あたり)を出力(mW/cm)とした。
(5) Swelling rate by water The electrolyte membrane used was a strip-shaped one having a size of about 2 mm × about 10 mm. As length, the size in the longitudinal direction was measured with calipers. The swelling ratio with water was determined according to Equation (1).

Swelling ratio by water = L2 / L1 (Formula 1)

[In (Formula 1), L1 represents the length of the polymer electrolyte membrane after being left in an atmosphere of 20 ° C. and 30% relative humidity for 24 hours. L2 represents the length of the polymer electrolyte membrane after standing in pure water for 24 hours after measuring L1. ]
(6) Evaluation of membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell MEA evaluation was performed by setting the membrane electrode assembly (MEA) in a cell made by Electrochem, and flowing hydrogen gas to the anode side and air to the cathode side. It was. In the evaluation, a constant current was passed through the MEA, and the voltage at that time was measured. The measurement was performed until the current was increased successively until the voltage became 10 mV or less. The product of current and voltage at each measurement point is output, and the maximum value (per unit area of MEA) is defined as output (mW / cm 2 ).

[合成例1]
4,4’−ジフルオロベンゾフェノン109.1g、発煙硫酸(50%SO3)150mLおよび三酸化硫黄50gを、180℃で24h反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、NaOHで中和した後、食塩200gを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、クロマトグラフィー法で分離精製して、下記式(m1)、(m2)および(m3)で示される化合物を得た。
[Synthesis Example 1]
109.1 g of 4,4′-difluorobenzophenone, 150 mL of fuming sulfuric acid (50% SO 3) and 50 g of sulfur trioxide were reacted at 180 ° C. for 24 hours. Thereafter, the mixture was poured little by little into a large amount of water, neutralized with NaOH, and 200 g of sodium chloride was added to precipitate the composite. The resulting precipitate was filtered off and separated and purified by a chromatography method to obtain compounds represented by the following formulas (m1), (m2) and (m3).

Figure 2007084739
Figure 2007084739

Figure 2007084739
Figure 2007084739

Figure 2007084739
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[比較例1]
市販の“ナフィオン”117膜(デュポン社製(商品名))を用い、プロトン伝導度およびメタノール透過量を評価した。ナフィオン117膜は、100℃の5%過酸化水素水中にて30分、続いて100℃の5%希硫酸中にて30分浸漬した後、100℃の脱イオン水でよく洗浄した。
[Comparative Example 1]
Proton conductivity and methanol permeation amount were evaluated using a commercially available “Nafion” 117 membrane (manufactured by DuPont (trade name)). The Nafion 117 membrane was immersed in 5% hydrogen peroxide water at 100 ° C. for 30 minutes and then in 5% dilute sulfuric acid at 100 ° C. for 30 minutes, and then thoroughly washed with deionized water at 100 ° C.

プロトン伝導性および膨潤率を評価した。結果を表1に示した。膨潤率が大きく、耐膨潤性に劣っていた。   Proton conductivity and swelling rate were evaluated. The results are shown in Table 1. The swelling rate was large and the swelling resistance was poor.

[実施例1]
炭酸カリウム6.9g、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン14.0g、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン5.2g、合成例1で得た式(m1)の化合物3.4g、式(m2)の化合物2.5g、および式(m3)の化合物2.0gを用いて、N−メチルピロリドン(NMP)中、190℃で重合を行った。この間、適宜トルエンを加えて共沸法により重合系から水を除去した。多量の水で再沈することで精製を行い、イオン性基を有するポリマーを得た。得られたポリマーの重量平均分子量は18万であった。得られたポリマーを、N−メチル−2−ピロリドン溶液(20重量%)とした。
[Example 1]
Potassium carbonate 6.9 g, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene 14.0 g, 4,4′-difluorobenzophenone 5.2 g, 3.4 g of the compound of formula (m1) obtained in Synthesis Example 1, Polymerization was performed at 190 ° C. in N-methylpyrrolidone (NMP) using 2.5 g of the compound of (m2) and 2.0 g of the compound of formula (m3). During this time, toluene was added as appropriate and water was removed from the polymerization system by an azeotropic method. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of water to obtain a polymer having an ionic group. The weight average molecular weight of the obtained polymer was 180,000. The obtained polymer was used as an N-methyl-2-pyrrolidone solution (20% by weight).

当該溶液をガラス基板上に流延塗布し、100℃にて4時間乾燥して溶媒を除去した。さらに、窒素ガス雰囲気下、200〜300℃まで1時間かけて昇温し、300℃で10分間加熱する条件で熱処理した後、放冷した。1N塩酸に3日間以上浸漬してプロトン置換した後に、大過剰量の純水に3日間以上浸漬して充分洗浄した。高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜のプロトン伝導性および膨潤率を評価した。結果を表1に示した。   The solution was cast on a glass substrate and dried at 100 ° C. for 4 hours to remove the solvent. Furthermore, it heated up on 200-300 degreeC over 1 hour in nitrogen gas atmosphere, and heat-processed on the conditions heated at 300 degreeC for 10 minutes, Then, it stood to cool. After immersing in 1N hydrochloric acid for 3 days or more to perform proton substitution, it was immersed in a large excess of pure water for 3 days or more and thoroughly washed. A polymer electrolyte membrane was obtained. The proton conductivity and swelling rate of the obtained polymer electrolyte membrane were evaluated. The results are shown in Table 1.

[比較例2]
炭酸カリウム6.9g、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン14.0g、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン4.0g、および合成例1で得た式(m1)の化合物9.1gを用いて、N−メチルピロリドン(NMP)中、190℃で重合を行った。この間、適宜トルエンを加えて共沸法により重合系から水を除去した。多量の水で再沈することで精製を行い、イオン性基を有するポリマーを得た。得られたポリマーの重量平均分子量は18万であり、イオン交換容量は実施例1のポリマーと同じであった。得られたポリマーを、N−メチル−2−ピロリドン溶液(20重量%)とし、実施例1と同様にして高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜のプロトン伝導性および膨潤率を評価した。結果を表1に示した。
[Comparative Example 2]
6.9 g of potassium carbonate, 14.0 g of 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 4.0 g of 4,4′-difluorobenzophenone, and 9.1 g of the compound of the formula (m1) obtained in Synthesis Example 1 The polymerization was carried out at 190 ° C. in N-methylpyrrolidone (NMP). During this time, toluene was added as appropriate and water was removed from the polymerization system by an azeotropic method. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of water to obtain a polymer having an ionic group. The weight average molecular weight of the obtained polymer was 180,000, and the ion exchange capacity was the same as that of the polymer of Example 1. The obtained polymer was made into an N-methyl-2-pyrrolidone solution (20% by weight), and a polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1. The proton conductivity and swelling rate of the obtained polymer electrolyte membrane were evaluated. The results are shown in Table 1.

Figure 2007084739
Figure 2007084739

[実施例2]
(1)膜電極複合体(MEA)の作製
炭素繊維クロス基材に20%ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)懸濁液を用いて撥水処理を施し、焼成して電極基材を2枚作製した。
[Example 2]
(1) Production of membrane electrode assembly (MEA) A carbon fiber cloth substrate was subjected to a water repellent treatment using a 20% polytetrafluoroethylene (PTFE) suspension, and baked to produce two electrode substrates. .

1枚の電極基材上に、Pt−Ru担持カーボンと実施例1で得た高分子電解質材料のN−メチル−2−ピロリドン溶液とからなるアノード電極触媒塗液を塗工し、乾燥して、アノード電極を作製した。   On one electrode substrate, an anode electrode catalyst coating solution composed of Pt—Ru-supported carbon and an N-methyl-2-pyrrolidone solution of the polymer electrolyte material obtained in Example 1 was applied and dried. An anode electrode was prepared.

また、もう1枚の電極基材上に、Pt担持カーボンと“ナフィオン”溶液とからなるカソード電極触媒塗液を塗工し、乾燥して、カソード電極を作製した。   On the other electrode substrate, a cathode electrode catalyst coating solution comprising Pt-supported carbon and a “Nafion” solution was applied and dried to prepare a cathode electrode.

実施例1で得られた高分子電解質膜を、アノード電極とカソード電極とで夾持し、加熱プレスすることでMEAを作製した。   The polymer electrolyte membrane obtained in Example 1 was held between an anode electrode and a cathode electrode, and heated and pressed to produce an MEA.

(2)高分子電解質型燃料電池の作製
前記(1)で得られたMEAをエレクトロケム社製セルに挟み、アノード側に水素ガス、カソード側に空気を流して高分子電解質型燃料電池とした。
(2) Production of Polymer Electrolyte Fuel Cell The MEA obtained in (1) was sandwiched between cells manufactured by Electrochem, and hydrogen gas was supplied to the anode side and air was supplied to the cathode side to obtain a polymer electrolyte fuel cell. .

本実施例の高分子電解質膜を使用した高分子電解質型燃料電池は、低加湿下(80℃、30%RH)においても高い出力(20mW/cm)を示した。 The polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane of this example showed high output (20 mW / cm 2 ) even under low humidification (80 ° C., 30% RH).

[比較例3]
比較例2の高分子電解質膜を用い、膜電極複合体と高分子電解質型燃料電池の作製は実施例2と同様にして行った。低加湿下(80℃、30%RH)における出力(6mW/cm)が実施例2よりも小さかった。
[Comparative Example 3]
Using the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 2, a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell were produced in the same manner as in Example 2. The output (6 mW / cm 2 ) under low humidification (80 ° C., 30% RH) was smaller than that in Example 2.

本発明のイオン性基を有するポリマー、高分子電解質材料あるいは高分子電解質部品は、種々の用途に適用可能である。例えば、ろ過用途、濃縮用途、イオン交換樹脂用途、各種構造材用途、コーティング材用途、高分子アクチュエーター用途、体外循環カラム、人工皮膚などの医療用途、電気化学用途に適用可能である。また、例えば、電気化学用途としては、燃料電池、レドックスフロー電池、水電解装置およびクロロアルカリ電解装置などが挙げられ、中でも燃料電池がとりわけ好ましく、例えば、メタノールなどを燃料とする直接型燃料電池に用いられる。   The polymer having an ionic group, the polymer electrolyte material or the polymer electrolyte component of the present invention can be applied to various applications. For example, it can be applied to filtration applications, concentration applications, ion exchange resin applications, various structural material applications, coating material applications, polymer actuator applications, extracorporeal circulation columns, medical applications such as artificial skin, and electrochemical applications. Further, for example, the electrochemical application includes a fuel cell, a redox flow battery, a water electrolysis device, a chloroalkali electrolysis device, and the like. Among these, a fuel cell is particularly preferable. For example, a direct fuel cell using methanol or the like as a fuel. Used.

本発明の高分子電解質型燃料電池の用途としては、移動体の電力供給源が好ましいものである。特に、携帯電話、パソコン、PDA(Portable Digital Assistance)、無線ID読取機(RFIDリーダー)、ビデオカメラ(カムコーダー)、デジタルカメラなどの携帯機器小売業、飲食店、運送業、輸送業等で利用される各種業務用ハンディーターミナル、電動シェーバー、掃除機等の家電、電動工具、乗用車、バスおよびトラックなどの自動車、二輪車、電動アシスト付自転車、電動カート、電動車椅子や船舶および鉄道などの移動体の電力供給源として好ましく用いられる。   As a use of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, a power supply source of a moving body is preferable. In particular, it is used in mobile device retailing, restaurants, transportation, transportation, etc., such as mobile phones, personal computers, PDAs (Portable Digital Assistance), wireless ID readers (RFID readers), video cameras (camcorders), and digital cameras. Electric power for mobile devices such as electric terminals, electric shavers, vacuum cleaners, etc., electric tools, cars, cars such as buses and trucks, motorcycles, electric assist bicycles, electric carts, electric wheelchairs, ships and railways It is preferably used as a supply source.

Claims (13)

下記式(A1)で表される部分構造を含有し、重量平均分子量が10000以上かつ5000000以下であることを特徴とするイオン性基を有するポリマー。
Figure 2007084739
[式(A1)中、Gはケトン基およびスルホン基から選ばれた置換基を表す。XはHおよび任意のカチオンを表す。mおよびnは0〜4の整数を表し、3≦(m+n)≦8である。式(A1)で表される構造は任意に置換されていてもよい。]
A polymer having an ionic group, comprising a partial structure represented by the following formula (A1) and having a weight average molecular weight of 10,000 or more and 5,000,000 or less.
Figure 2007084739
[In Formula (A1), G 1 represents a substituent selected from a ketone group and a sulfone group. X represents H and any cation. m and n represent an integer of 0 to 4, and 3 ≦ (m + n) ≦ 8. The structure represented by the formula (A1) may be optionally substituted. ]
前記式(A1)中のGがケトン基であることを特徴とする請求項1に記載のイオン性基を有するポリマー。 The polymer having an ionic group according to claim 1, wherein G 1 in the formula (A1) is a ketone group. 下記式(P1)の繰り返し単位を含む骨格を有することを特徴とする請求項1または2に記載のイオン性基を有するポリマー。

−Y11−Z11−Y21−Z21− (P1)

[式(P1)中、Y11およびY21はそれぞれOまたはSを表す。Z11は芳香環を含む2価の基を表し、Z11は任意に置換されていてもよい。Z21は前記式(A1)で表される基を表す。]
The polymer having an ionic group according to claim 1 or 2, which has a skeleton containing a repeating unit of the following formula (P1).

-Y 11 -Z 11 -Y 21 -Z 21 - (P1)

[In Formula (P1), Y 11 and Y 21 each represent O or S. Z 11 represents a divalent group containing an aromatic ring, and Z 11 may be optionally substituted. Z 21 represents a group represented by the formula (A1). ]
前記式(P1)中のZ11が下記式(B1)〜(B3)から選ばれた少なくとも1つの基であることを特徴とする請求項3に記載のイオン性基を有するポリマー。
Figure 2007084739
[式(B1)〜(B3)中、Qは直接結合、メチレン基、カルボニル基、OおよびSから選ばれた置換基を表す。QはH、メチル基およびフェニル基から選ばれた置換基を表す。Qはカルボニル基およびスルホニル基から選ばれた置換基を表す。QはO、SおよびN−Rから選ばれた置換基を表す。ここでいうRはH、アルキル基およびアリール基から選ばれた置換基を表す。式(B1)〜(B3)で表される構造は任意に置換されていてもよい。]
The polymer having an ionic group according to claim 3, wherein Z 11 in the formula (P1) is at least one group selected from the following formulas (B1) to (B3).
Figure 2007084739
[In Formulas (B1) to (B3), Q 1 represents a substituent selected from a direct bond, a methylene group, a carbonyl group, O and S. Q 2 represents a substituent selected from H, a methyl group, and a phenyl group. Q 3 represents a substituent selected from a carbonyl group and a sulfonyl group. Q 4 represents a substituent selected from O, S and N—R 1 . R 1 here represents a substituent selected from H, an alkyl group, and an aryl group. The structures represented by formulas (B1) to (B3) may be optionally substituted. ]
前記式(B1)においてQが直接結合であり、前記式(B2)においてQがフェニル基であり、前記式(B3)においてQがカルボニル基であり、QがOおよびN−Rから選ばれた置換基であることを特徴とする請求項4に記載のイオン性基を有するポリマー。 In Formula (B1), Q 1 is a direct bond, in Formula (B2), Q 2 is a phenyl group, in Formula (B3), Q 3 is a carbonyl group, and Q 4 is O and N—R. The polymer having an ionic group according to claim 4, wherein the polymer is a substituent selected from 1 . さらに下記式(P2)の繰り返し単位を含む骨格を有することを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載のイオン性基を有するポリマー。

−Y12−Z12−Y22−Z22− (P2)

[式(P2)中、Y12およびY22はそれぞれOまたはSを表す。Z12は芳香環を含む2価の基を表し、Z12は任意に置換されていてもよい。Z22は下記式(A2)で表される基を表す。]
Figure 2007084739
[式(A2)中、Gはカルボニル基およびスルホニル基から選ばれた置換基を表す。XはHおよび任意のカチオンを表す。式(A2)の基はさらに任意に置換されていてもよい。]
Furthermore, it has the frame | skeleton containing the repeating unit of following formula (P2), The polymer which has an ionic group of any one of Claims 3-5 characterized by the above-mentioned.

-Y 12 -Z 12 -Y 22 -Z 22 - (P2)

[In Formula (P2), Y 12 and Y 22 each represent O or S. Z 12 represents a divalent group containing an aromatic ring, and Z 12 may be optionally substituted. Z 22 represents a group represented by the following formula (A2). ]
Figure 2007084739
[In formula (A2), G 2 represents a substituent selected from a carbonyl group and a sulfonyl group. X represents H and any cation. The group of formula (A2) may be further optionally substituted. ]
前記イオン性基がスルホン酸基またはスルホンイミド基であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のイオン性基を有するポリマー。 The polymer having an ionic group according to any one of claims 1 to 6, wherein the ionic group is a sulfonic acid group or a sulfonimide group. 前記イオン性基がスルホン酸基であることを特徴とする請求項7に記載のイオン性基を有するポリマー。 The polymer having an ionic group according to claim 7, wherein the ionic group is a sulfonic acid group. 請求項1〜8のいずれか1項に記載のイオン性基を有するポリマーからなることを特徴とする高分子電解質材料。 A polymer electrolyte material comprising the polymer having an ionic group according to any one of claims 1 to 8. 請求項9に記載の高分子電解質材料を用いて構成されていることを特徴とする高分子電解質部品。 A polymer electrolyte component comprising the polymer electrolyte material according to claim 9. 請求項10に記載の高分子電解質部品を用いて構成されていることを特徴とする膜電極複合体。 A membrane electrode assembly comprising the polymer electrolyte component according to claim 10. 請求項11に記載の膜電極複合体を用いて構成されていることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 11. 前記高分子電解質型燃料電池が、炭素数1〜6の有機化合物およびこれと水との混合物から選ばれた少なくとも1種を燃料に用いる直接型燃料電池であることを特徴とする請求項12に記載の高分子電解質型燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell is a direct fuel cell using at least one selected from an organic compound having 1 to 6 carbon atoms and a mixture thereof with water as a fuel. The polymer electrolyte fuel cell as described.
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